高感度化した放射状スパイラル二層サーモパイル赤外線センサーの開発

日常機器のためのより鋭い熱視覚

スマートサーモスタットから非接触式医療用体温計まで、多くの機器は目に見えない熱のパターンを使って周囲を感知しています。本稿は、昂貴な冷却装置を必要とせずに赤外線をより明確に捉えられる新しい微小熱センサーを探るものであり、家庭や病院、工場でより鮮明で低コストなサーマルカメラを実現する道を開きます。

小型熱センサーが直面する課題

現代の赤外カメラは、より高い解像度を保ちながら小型で低価格であることが求められています。チップ上により多くの画素を詰め込むためには各検出ユニットを小型化する必要がありますが、これにより信号が弱くなり画像がノイジーになりがちです。従来設計では入射した熱が検出要素に均等に広がらないために熱が無駄になり、標準的な半導体製造装置で大量生産する際に製造が難しくコストが嵩むこともあります。

熱のための新しいスパイラル経路

研究チームは、温度差を直接電圧に変換するサーモパイルと呼ばれる新種の赤外線センサーを設計しました。工夫は、薄い円形膜の中心から放射状に広がるスパイラル形状で検出用の“脚”を配列する点にあります。各脚は絶縁膜で隔てられた異なる材料の二つの積層から構成されます。この垂直方向の積層により、同じ面積により多くの脚対を詰め込める一方、スパイラル形状は熱を暖かい中心から冷たい端まで長い経路で伝えるため、温度差が大きくなり電気信号が強くなります。

熱流と均一性のバランス

チームはコンピュータシミュレーションを用いて、性能を最大化するためにスパイラルの曲がり具合（巻きのきつさ）を検討しました。巻きがきついほど熱経路が長くなり、熱漏れが抑えられて各脚の温端と冷端の温度差が拡大することがわかりました。円形膜と放射状レイアウトは各脚がほぼ同じ温度分布を経験するのにも寄与するため、センサーの一部が十分に活用されないことを防ぎます。従来の長方形レイアウトと比べて、新しい円形スパイラル設計は熱をより均一に広げ、長期的に構造に負担をかけるような局所的な高温・低温の発生を回避します。

チップ製造から実測まで

センサーチップは、シリコンや金属膜の堆積、スパイラル脚へのパターニング、シリコンをエッチングして懸架膜を残すといった、標準的なCMOSプロセスと互換性のある一般的な製造工程で作られました。完成したチップは赤外ウィンドウを備えた小型金属パッケージに封入され、制御された熱源の前で試験されました。測定では、熱源温度の変化に対して出力が滑らかで予測可能に変化することが示され、遠方から温度を読み取る際に安定性と再現性が高いことが確認されました。

小さなトレードオフでより強い信号

同等サイズの従来型（非スパイラル）デザインと比較すると、改良は明確でした。新センサーは入射熱当たり約40％多い電圧を生成し、背景ノイズに対する弱い信号の検出能も顕著に向上しました。応答時間は数千分の一秒程度のわずかな増加にとどまり、ほとんどのイメージングや監視用途では十分に高速です。一般読者にとっての要点は、微小構造内で熱の流れを慎重に設計することで、コストを大きく上げることなくより高感度で実用的な熱検出ピクセルを開発できたという点です。

引用: Xia, Y., Meng, X., Lv, Y. et al. Development of a novel radially-distributed spiral bilayer thermopile infrared sensor with enhanced responsivity. Microsyst Nanoeng 12, 169 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01278-1

キーワード: 赤外線センサー, サーモパイル, サーマルイメージング, MEMS, 熱検出