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フォノニック結晶を搭載したSiの熱伝導シミュレーション結果(図:パナソニック)
フォノニック結晶を搭載したSiの熱伝導シミュレーション結果(図:パナソニック)
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 物質内の熱伝導を制御する「フォノニック結晶」をパナソニックが世界で初めて注1)産業応用した。フォノニック結晶は、孔径数十nmの周期的な空孔で構成される人工結晶であり、熱の伝搬を担う原子振動を干渉・散乱して、物質に熱を通りにくくする。

注1)同社発表による。

センサー感度10倍で面積1/10に

 同社はフォノニック結晶の断熱性を利用して、赤外線センサーの熱を受光部に封じ込め、センサー感度を飛躍的に高めた(図1)。これまで熱の逃げ道になっていた、受光部と電極を架橋しているシリコン(Si)支持脚にフォノニック結晶を搭載したのだ。赤外線センサーは、受光部が吸収した熱(赤外線)による温度変化を読み取ることで、対象物の温度を測定している。従って、受光部から熱が漏れ出さなければセンサー感度が高まる。

図1 受光部の熱を断熱してセンサー感度を向上
図1 受光部の熱を断熱してセンサー感度を向上
パナソニックが開発したフォノニック結晶搭載の赤外線センサーの電子顕微鏡写真とセンサー感度を示した。赤外線センサーの画素はMEMS構造になっており、シリコン基板上に受光素子や電気配線が形成されている(a)。受光部と電極の間を支持脚が架橋している。そのシリコン(Si)支持脚に、フォノニック結晶という周期構造を持つ孔径数十nmの円孔を空けた。すると支持脚が受光部の熱を外部に逃がさない断熱材として働く。受光部の受熱性が向上するため、センサー感度も約10倍上がる(b)。(写真:パナソニック)
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 支持脚に孔径26nm、1周期38nmのフォノニック結晶を搭載したところ、支持脚の熱伝導率が31.2W/mKから3.6W/mKに低減。同じ光強度当たりの熱起電力注2)が10倍、つまりセンサー感度が10倍に向上したとする。これは、受光部の面積を10分の1にしても同じ感度が得られることを意味する。「(受光部を小型化できれば)チップのコストが下がるだけでなく、レンズの口径も小さくなるので、全体のコストダウンが見込める」(パナソニック テクノロジー本部 マテリアル応用技術センター 2部 1課 主幹研究員の藤金正樹氏)。支持脚の機械的強度をシミュレーションしてから空孔を空けるため、強度低下による破損は起きないとする。

注2)赤外線センサーは、ゼーベック効果による熱起電力を検出して温度変化を計測している。