DE69932897T2

DE69932897T2 - Infrarot-detektorelement, infrarot-sensoreinheit und infrarotdetektor mit diesem infrarot-detektorelement

Info

Publication number: DE69932897T2
Application number: DE69932897T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Kyotanabe-shi FUJIKAWA; Takeshi Moriguchi-shi Masutani; Tsutomu Katano-shi NAKANISHI; Shinji Takatsuki-shi UMEDA; Kazuki Katano-shi KOMAKI; Katsumasa Neyagawa-shi MIKI; Koji Shijonawate-shi Nomura
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1998-02-13
Filing date: 1999-02-12
Publication date: 2007-03-08
Anticipated expiration: 2019-02-13
Also published as: EP0977023A4; CN1255970A; DE69932897D1; EP0977023A1; CN1318827C; KR100530397B1; KR20010006151A; WO1999041575A1; US6403959B1; EP0977023B1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Infrarot-Detektorelement zum Nachweis von infraroten Strahlen mittels eines pyroelektrischen Materials sowie auf eine Infrarot-Sensoreinheit und einen Infrarot-Detektor mit diesem Infrarot-Detektorelement.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In den letzten Jahren ist ein pyroelektrischer Infrarotsensor zur Messung der Temperatur von zu kochenden Lebensmitteln in Mikrowellenherden, zur Steuerung der Raumtemperatur in Klimaanlagen, in automatischen Türen und in Einbruchalarmsystemen zur Erkennung von Personen und dergleichen verwendet worden, indem die Merkmale des pyroelektrischen Infrarotsensors genutzt wurden, um eine berührungsfreie Erkennung der Gegenwart eines Objekts sowie eine berührungsfreie Temperaturmessung auszuführen, und es wird angenommen, dass seine Anwendungen künftig weiter wachsen werden.
Allgemein nutzt ein Infrarotsensor den pyroelektrischen Effekt eines pyroelektrischen Elements wie eines LiTaO₃-Kristalls und dergleichen, und elektrische Ladungen erscheinen wegen einer spontanen Polarisation des pyroelektrischen Elements immer auf dessen Oberfläche. Im stabilisierten Zustand des pyroelektrischen Materials in der Atmosphäre sind diese elektrischen Ladungen mit elektrischen Ladungen in der Atmosphäre gekoppelt, um einen elektrisch neutralen Zustand zu bewahren. Wenn infrarote Strahlen auf das pyroelektrische Element treffen, ändert sich seine Temperatur, was bewirkt, dass elektrische Ladungen von der Oberfläche des pyroelektrischen Elements verloren gehen und den elektrisch neutralisierten Zustand verändern. Die dann auf der Oberfläche des pyroelektrischen Elements erscheinenden elektrischen Ladungen werden durch den Infrarotsensor nachgewiesen, wodurch die Menge der einfallenden infraroten Strahlen gemessen wird. Ein Gegenstand gibt allgemein infrarote Strahlen in Übereinstimmung mit seiner Temperatur ab, und das Vorhandensein wie auch die Temperatur des Gegenstandes können mit dem Infrarotsensor erfasst werden.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen die Beschreibung eines Infrarot-Detektorelements gegeben, die als technischer Hintergrund der vorliegenden Erfindung dient.
11(a) ist die Draufsicht eines Infrarot-Detektorelements, die die Hintergrundtechnologie der vorliegenden Erfindung beschreibt, und 11(b) ist eine Querschnittsansicht des Infrarot-Detektorelements der 11(a).
In der Zeichnung hat ein pyroelektrisches Element 1 ein Paar rechteckiger erster Elektroden 2 und 3, deren jede die Funktion einer auf dessen Oberseite ausgebildeten, infrarot absorbierenden Schicht ausfüllt, wobei die elektrischen Anschlüsse so ausgebildet sind, dass die Elektroden 2 und 3 von entgegengesetzter Polarität sind, und es hat ferner ein Paar zweiter Elektroden 4 und 5 der gleichen rechteckigen Form wie die ersten Elektroden 2 und 3, die auf dessen Unterseite ausgebildet sind.
Diese ersten Elektroden 2 und 3 und zweiten Elektroden 4 und 5 stellen jeweils ein Infrarot-Detektorsegment dar. Die beiden zweiten Elektroden 4 und 5 haben die entgegengesetzte Polarität und sind miteinander in Reihe oder in parallel geschaltet. Der Abstand zwischen den zweiten Elektroden 4 und 5 wird gewöhnlich ebenso gross wie der Abstand zwischen den Elektroden gemacht, auf die die Infrarotstrahlen auftreffen, bzw. grösser als 0,8 mm, wodurch ein Infrarot-Detektorelement vom Doppelsensortyp entsteht, das keine nachteiligen Effekte wie Nebensprechen erleidet.
Dieses Infrarot-Detektorelement wird fertiggestellt, indem das pyroelektrische Element 1 über einen Träger 6 des pyroelektrischen Elements auf eine Leiterplatte 7 gesteckt wird, während die Infrarot-Detektorsegmente thermisch isoliert bleiben.
Wenn das wie oben aufgebaute Infrarot-Detektorelement verwendet wird, wird ein optisches System mit einer Fresnellinse und dergleichen eingesetzt, wodurch eine Mehrzahl von Konfigurationen des Infrarot-Detektorelements auf eine Erfassungsfläche projiziert wird, um einen Spürbereich zu schaffen. Wenn sich dann ein zu erfassendes Objekt wie Personen und dergleichen zum Beispiel in der Richtung bewegt, die das Infrarot-Detektorsegment kreuzt (in der X-Richtung), wird sofort nach einem „positiven Ausgangssignal" ein „negatives Ausgangssignal" erzeugt, wodurch ein maximales „Peak-zu-Peak"-Ausgangssignal gewonnen wird. Wenn sich andererseits ein zu erfassendes Objekt parallel zum Infrarot-Detektorsegment (in der Y-Richtung) bewegt, werden ein „positives Aus gangssignal" und ein „negatives Ausgangssignal" gleichzeitig erzeugt, wobei wegen gegenseitiger Aufhebung schliesslich kein Ausgangssignal gewonnen wird.
Die japanische ungeprüfte Patentveröffentlichung Tokkaihei-2-201228 offenbart ein Infrarot-Detektorelement mit einem Infrarot-Detektorsegment, das die Gestalt eines rechtwinkligen Dreiecks besitzt.
In diesem Fall kann ein Ausgangssignal sowohl in der X- als auch in der Y-Richtung gewonnen werden, aber wenn sich ein zu erfassendes Objekt in einer Richtung von 45° bewegt, werden das „positive Ausgangssignal" und das „negative Ausgangssignal" gleichzeitig in der gleichen Weise erzeugt, wie es beim vorher genannten Infrarot-Detektorelement mit einem Infrarot-Detektorsegment vom rechteckigen Typ der Fall war, wobei wegen gegenseitiger Aufhebung kein Ausgangssignal entsteht.
Da, wie oben beschrieben, ein Infrarot-Detektorelement mit Haushaltgeräten wie einem Beleuchtungskörper, einer Klimaanlage und dergleichen verwendet wird, muss dieses Element gegenüber dem zu erfassenden Objekt richtungsunabhängig sein, gleichgültig in welcher Richtung sich das Objekt bewegt.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Allrichtungs-Infrarot-Detektorelement zur Verfügung zu stellen, das auf ein zu erfassendes Objekt mit einem Ausgangssignal anspricht, gleich in welcher Richtung sich das Objekt bewegt.
Im Dokument „The Fresnel-IRDET Human-Movement Sensor" [Der Fresnel-IRDET-Sensor für sich bewegende Personen], Readout Horiba Technical Reports Nr. 4, Seiten 83–90, Januar 1992 (XP00290972), wird ein Infrarotdetektor, der ein Paar von Infrarot-Detektorsegmenten mit Elektroden trapezförmiger Gestalt umfasst, die auf einem Substrat aus pyroelektrischem Material angeordnet sind, sowie ein Infrarot-Detektorelement vom Doppelsensortyp offenbart, das solche trapezförmige Elektroden besitzt, die zwei Paare entgegengesetzter Polarität bilden.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Um das oben beschriebene Ziel zu erreichen, offenbart die vorliegende Erfindung eine Anordnung, die alle in Anspruch 1 aufgezählten Merkmale umfasst. Die abhängigen Ansprüche definieren zusätzliche Ausführungsformen.
Mit den vorangehenden, durch die vorliegende Erfindung realisierten Anordnungen sind die Flächen des Infrarot-Detektorsegments, die von dem zu erfassenden Objekt über quert werden, untereinander nicht gleich, aus welchen Richtungen auch immer ein zu erfassendes Objekt eindringen mag, wodurch ein Ausgangssignal ohne eine gegenseitige Aufhebung erzeugt werden kann, selbst wenn gleichzeitig zwei Ausgangssignale erzeugt werden, die sich voneinander in ihrer Polarität unterscheiden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1(a) ist eine Draufsicht eines Infrarot-Detektorelements in einem ersten Beispiel, während 1(b) eine Querschnittsansicht des Infrarot-Detektorelements der 1(a) entlang der Linie A-A ist.
2 ist eine Draufsicht eines Infrarot-Detektorelements gemäss der Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 ist eine Draufsicht eines Infrarot-Detektorelements in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4 ist eine Draufsicht eines Infrarot-Detektorelements in noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
5(a) ist eine Draufsicht einer Infrarot-Sensoreinheit in einem zweiten Beispiel, während 5(b) eine Querschnittsansicht der Infrarot-Sensoreinheit der 5(a) entlang der Linie B-B ist.
6(a) ist eine Draufsicht einer Infrarot-Sensoreinheit in einem weiteren Beispiel, während 6(b) eine Querschnittsansicht der Infrarot-Sensoreinheit der 6(a) entlang der Linie B-B ist.
7(a) ist eine Draufsicht einer Infrarot-Sensoreinheit in einem weiteren Beispiel, während 7(b) eine Seitenansicht der Infrarot-Sensoreinheit der 7(a) ist.
8 ist eine Seitenansicht eines Infrarot-Detektors in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine Querschnittsansicht optischer Elemente vom Beugungstyp im Infrarot-Detektor der in 8 gezeigten Ausführungsform.
10 ist eine Seitenansicht eines Infrarot-Detektors in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
11(a) ist eine Draufsicht eines Infrarot-Detektorelements zur Beschreibung des technischen Hintergrundes der vorliegenden Erfindung, während 11(b) eine Querschnittsansicht des Infrarot-Detektorelements der 11(a) ist.
EINGEHENDE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
(Erste beispielhafte Ausführungsform)
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen eine Beschreibung eines Infrarot-Detektorelements in einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben.
1(a) ist eine Draufsicht eines Infrarot-Detektorelements in einem ersten Beispiel, während 1(b) eine Querschnittsansicht des Infrarot-Detektorelements von 1(a) entlang der Linie A-A ist.
In den Zeichnungen ist die Bezugszahl 11 ein pyroelektrisches Material, das aus einem LiTaO₃-Kristall und dergleichen besteht. Auf der Oberseite des pyroelektrischen Materials 11 ist ein Paar erster Elektroden 12 und 13 ausgebildet, die nahezu trapezförmig und elektrisch so angeschlossen sind, dass sie einander entgegengesetzte Polaritäten erlangen, und ferner durch Aufsputtern von Ti, Cr, Pt, Au und dergleichen mit der Funktion ausgestattet sind, als eine infrarote Strahlen absorbierende Schicht zu wirken, dergestalt, dass die obere Seite der nahezu trapezförmigen ersten Elektrode 12 einerseits und die untere Seite der nahezu trapezförmigen ersten Elektrode 13 andererseits in der gleichen Richtung ausgerichtet sind. Auf der Unterseite des pyroelektrischen Materials 11 ist durch Aufsputtern von Ti, Cr, Pt, Au und dergleichen ein Paar zweiter Elektroden 14 und 15 jeweils in den gleichen Positionen wie die ersten Elektroden 12 und 13 auf der anderen Seite des pyroelektrischen Materials ausgebildet, wodurch ein Infrarot-Detektorsegment mit den ersten Elektroden 12 und 13 sowie den zweiten Elektroden 14 und 15 aufgebaut wird. Es wird bevorzugt, dass die zweiten Elektroden 14 und 15 des Infrarot-Detektorsegments in ihrer Konfiguration identisch mit den ersten Elektroden 12 und 13 gestaltet werden, die sich auf der anderen Seite des pyroelektrischen Materials 11 gegenüber den zweiten Elektroden 14 und 15 befinden, weil ein durch Streukapazität verursachter nachteiliger Effekt ausgeräumt werden kann.
Die ersten Elektroden 12 und 13 und die zweiten Elektroden 14 und 15, die das Infrarot-Detektorsegment bilden, sind so in Reihe oder parallel geschaltet, dass sie eine einander entgegengesetzte Polarität erlangen, und des Weiteren ist der Abstand zwischen den zweiten Elektroden 14 und 15 gewöhnlich der gleiche wie der zwischen den ersten Elektroden 12 und 13 bzw. mindestens 0,8 mm oder darüber, wodurch ein Infrarot-Detektorelement vom Doppelsensortyp mit einem minimalen, durch Nebensprechen verursachten nachteiligen Effekt realisiert wird.
Dieses Infrarot-Detektorelement wird über das pyroelektrische Material 11 und einen Halter 16 für das pyroelektrische Material an eine Leiterplatte 17 angeschlossen, während das Infrarot-Detektorsegment in einem thermisch isolierten Zustand gehalten wird.
Als Nächstes wird beschrieben, wie das wie oben aufgebaute Infrarot-Detektorelement funktioniert.
Wenn sich ein zu erfassendes Objekt wie Personen und dergleichen in einer Richtung bewegt, die das Infrarot-Detektorsegment quert (in der X-Richtung) und in einen durch die ersten Elektroden 12 und 13 geschaffenen Spürbereich eindringt, wird ein „Ausgangssignal in der positiven Richtung" erzeugt, und wenn das zu erfassende Objekt anschliessend in einen Spürbereich eindringt, der durch die zweiten Elektroden 14 und 15 geschaffen wird, wird ein „Ausgangssignal in der negativen Richtung" erzeugt, weil die ersten Elektroden 12 und 13 und die zweiten Elektroden 14 und 15 in der Polarität ihrer Ausgangssignale einander entgegengesetzt angeschlossen sind. Im Ergebnis wird die Summe der Werte des „positiven Ausgangssignalpeaks" und des „negativen Ausgangssignalpeaks" zur Höhe des Sensorausgangssignals.
Wenn sich andererseits ein zu erfassendes Objekt parallel zum Infrarot-Detektorsegment (in der Y-Richtung) bewegt, dringt das zu erfassende Objekt gleichzeitig in die durch die ersten Elektroden 12 und 13 und die durch die zweiten Elektroden 14 und 15 geschaffenen Spürbereiche ein, wodurch anfänglich ein „Ausgangssignal in der positiven Richtung" erzeugt wird, weil ein Unterschied in der Grösse des Ausgangssignals zwischen dem durch die ersten Elektroden 12 und 13 geschaffenen Spürbereich und dem durch die zweiten Elektroden 14 und 15 geschaffenen Spürbereich besteht. Da sich aber die Grösse jedes dieser Spürbereiche ununterbrochen verändert, wechselt das Sensorausgangssignal später zur „negativen Seite". In jedem Falle wird die Summe eines „positiven Ausgangssignalpeaks" und eines „negativen Ausgangssignalpeaks" als Sensorausgangssignal gewonnen.
Wenn sich ein zu erfassendes Objekt in einer 45°-Richtung bewegt, dringt das zu erfassende Objekt in den durch die ersten Elektroden 12 und 13 geschaffenen Spürbereich ein und erzeugt dadurch ein „Ausgangssignal der positiven Richtung". Dann dringt das zu erfassende Objekt in beide, durch die ersten Elektroden 12 und 13 und die zweiten Elektroden 14 und 15 geschaffenen Spürbereiche ein. Der durch die ersten Elektroden 12 und 13 geschaffene Spürbereich ist anfänglich aber grösser, wodurch ein „Ausgangssignal der positiven Richtung" erzeugt wird, während dann allmählich der Spürbereich der zweiten Elektroden 14 und 15 grösser wird, was zu einer verstärkten Erzeugung eines „Ausgangssignals der negativen Richtung" führt. Dann dringt das zu erfassende Objekt einzig in den durch die zweiten Elektroden 14 und 15 geschaffenen Spürbereich ein, wodurch ein „Ausgangssignal der negativen Richtung" erzeugt wird. Als Sensorausgangssignal wird die Summe der Werte eines „positiven Ausgangssignalpeaks" und eines „negativen Ausgangssignalpeaks" gewonnen.
Aus welchen Richtungen auch immer ein zu erfassendes Objekt eindringen mag, sind die jeweiligen, vom Objekt überquerten Flächen der Infrarot-Detektorsegmente dementsprechend voneinander verschieden. Selbst wenn ein „positives Ausgangssignal" und ein „negatives Ausgangssignal" gleichzeitig erzeugt werden, kann ein Ausgangssignal ohne gegenseitige Aufhebung erzeugt werden. Daher kann ein Ausgangssignal bezüglich der Bewegung eines zu erfassenden Objektes gewonnen werden, die in beliebiger Richtung erfolgen kann.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen ein Infrarot-Detektorelement der Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
2 ist eine Draufsicht eines Infrarot-Detektorelements in der Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung. Da das Infrarot-Detektorelement in der Hauptausführungsform der vorliegenden Erfindung in seinem Aufbau im Wesentlichen das gleiche wie das in 1 gezeigte erste Beispiel ist, werden den Komponenten, die die gleichen wie die im ersten Beispiel verwendeten sind, die gleichen Bezugszahlen zugewiesen, wodurch hier die Beschreibung jeder dieser Komponenten entfällt. Der einzige Unterschied zwischen den Infrarot-Detektorelementen im ersten Beispiel und in der Ausführungsform ist ein Einschnitt 21, der auf jeder der diagonalen Seiten der nahezu trapezförmigen Infrarot-Detektorsegmente angebracht ist, wobei die diagonalen Seiten einander gegenüber liegen.
In der Zeichnung ist die Bezugszahl 11 ein pyroelektrisches Material. Auf der Oberseite des pyroelektrischen Materials 11 ist ein Paar erster Elektroden 12 und 13 ausgebildet, die nahezu trapezförmig und elektrisch so angeschlossen sind, dass sie einander entgegengesetzte Polarität erlangen, und die ferner mit der Funktion ausgestattet sind, als eine infrarote Strahlen absorbierende Schicht zu wirken, indem die obere Seite der nahezu trapezförmigen ersten Elektrode 12 einerseits und die untere Seite der nahezu trapezförmigen zweiten Elektrode 13 andererseits in der gleichen Richtung ausgerichtet sind.
Auf der Unterseite des pyroelektrischen Materials 11 sind (in der Zeichnung nicht gezeigte) zweite Elektroden 14 und 15 angebracht, die bevorzugt die gleiche Gestalt wie die ersten Elektroden 12 und 13 besitzen und deren Positionen den Positionen der ersten Elektroden 12 und 13 entsprechen, wobei das pyroelektrische Material 11 sich sandwichartig dazwischen befindet, wodurch ein Infrarot-Detektorsegment mit den ersten Elektroden 12 und 13 und den zweiten Elektroden 14 und 15 aufgebaut wird. Ein Einschnitt 21 ist an jeder Seite eines Paares von diagonalen Seiten zumindest der ersten Elektroden 12 und 13 angebracht, wobei die diagonalen Seiten einander gegenüber liegen.
Wenn der Einschnitt 21 zumindest an jeder der zweiten Elektroden 12 und 13 des Infrarot-Detektorsegments ausgebildet ist, wird dementsprechend kein Ausgangssignal gleichzeitig von jeder der ersten Elektroden 12 und 13 erzeugt, wenn ein zu erfassendes Objekt wie Personen und dergleichen kleine Bewegungen zwischen den ersten Elektroden 12 und 13 ausführt, die als eine infrarote Strahlen absorbierende Schicht des Infrarot-Detektorsegments wirken, weil es unwahrscheinlich ist, dass das zu erfassende Objekt die durch die ersten Elektroden 12 und 13 geschaffenen Spürbereiche so überquert, dass sie gleichzeitig die gleiche überquerte Fläche aufweisen, so dass das Infrarot-Detektorelement ein Ausgangssignal erzeugen kann, selbst wenn das zu erfassende Objekt kleine Bewegungen ausführt.
Indem der in der vorliegenden Hauptausführungsform beschriebene Einschnitt 21 durch einen nahezu rechteckigen Einschnitt 23 ersetzt wird, der, wie in 3 gezeigt, senkrecht zur schrägen Seite 22 der trapezförmigen Elektrode ausgebildet wird, ist es unwahrscheinlich, dass das zu erfassende Objekt die durch die ersten Elektroden 12 und 13 geschaffenen Spürbereiche überquert, indem es gleichzeitig die gleichen überquerten Flä chen aufweist, wodurch die Möglichkeit einer Aufhebung, die wegen des Einschnitts 23 vom Unterschied in den sich verändernden Werten bewirkt wird, eliminiert wird, und die Erzeugung eines Ausgangssignals gewährleistet wird.
Die gleiche Wirkung wie mit dem nahezu rechtwinkligen Einschnitt 23 kann erwartet werden, wenn der in der vorliegenden Ausführungsform beschriebene Einschnitt 21 durch einen nahezu kreisbogenähnlichen Einschnitt 23 ersetzt wird, der, wie in 4 gezeigt, auf der schrägen Seite 22 der trapezförmigen Elektrode gebildet wird.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen eine Infrarot-Sensoreinheit in einem anderen Beispiel beschrieben.
5(a) ist eine Draufsicht einer Infrarot-Sensoreinheit in einem anderen Beispiel, während 5(b) eine Querschnittsansicht der Infrarot-Sensoreinheit von 5(a) entlang der Linie B-B ist.
In der Zeichnung ist die Bezugszahl 31 ein Substrat, das von zumindest einem Einkristall von Magnesiumoxid gebildet wird, und ein konkaver Hohlraum 32 ist unter der Oberfläche des Substrats 31 vorgesehen. Auf der Oberfläche des Substrats 31 über dem Hohlraum 32 ist ein Paar zweiter Elektroden 33 und 34 aus Pt und dergleichen ausgebildet, die elektrisch so angeschlossen sind, dass sie einander entgegengesetzte Polarität besitzen, und die beide nahezu trapezförmig sind. Auf den Oberseiten der beiden zweiten Elektroden 33 und 34 sind pyroelektrische Dünnschichten 35, die aus einem Einkristall von LiTaO₂, PbTiO₃, PZT und dergleichen bestehen, angeordnet und elektrisch angeschlossen. Auf den beiden Oberseiten der pyroelektrischen Dünnschichten 35 sind erste Elektroden 36 und 37 angeordnet, die elektrisch so angeschlossen sind, dass sie einander entgegengesetzte Polarität besitzen, die aus NiCr und dergleichen bestehen und mit der Funktion ausgestattet sind, als eine infrarote Strahlen absorbierende Schicht zu wirken, und die derart positioniert sind, dass die obere Seite der nahezu trapezförmigen ersten Elektrode 36 einerseits und die untere Seite der nahezu trapezförmigen zweiten Elektrode 37 andererseits in der gleichen Richtung ausgerichtet sind. Ein Infrarot-Detektorsegment wird aus diesen ersten Elektroden 36 und 37, der pyroelektrischen Dünnschicht 35 und den zweiten Elektroden 33 und 34 gebildet, alle bevorzugt in gleicher Gestalt, um eine aufhebende Wirkung bezüglich der Störungen durch Licht- und Temperaturveränderungen im Sensor selbst zu haben.
Eine aus Polyimid und dergleichen gebildete isolierende Zwischenschicht 38 ist vorgesehen, um den einen Teil des Infrarot-Detektorsegments, der die erste Elektrode 36, die pyroelektrische Dünnschicht 35 und die zweite Elektrode 33 umfasst, gegenüber dem benachbarten anderen Teil des Infrarot-Detektorsegments, der die erste Elektrode 37, die pyroelektrische Dünnschicht 35 und die zweite Elektrode 34 umfasst, elektrisch zu isolieren und ferner die beiden Teile des Infrarot-Detektorsegments über dem Hohlraum des Substrats 31 zu halten. Des Weiteren wird eine aus Polyimid gebildete Schutzschicht 39 vorgesehen, um zumindest das auf der dem Substrat 31 gegenüber gelegenen Seite befindliche Infrarot-Detektorsegment zu überdecken. In der obigen Anordnung gibt es nur die isolierende Zwischenschicht 38 und die Schutzschicht 39 zwischen den beiden Teilen des Infrarot-Detektorsegments, wodurch ermöglicht wird, die Wärmeleitfähigkeit dazwischen sehr niedrig zu halten. Ausserdem liegt das Infrarot-Detektorsegment innerhalb einer Fläche von etwa 750 μm im Quadrat und hat eine Dicke von etwa 3 μm, wodurch ein kleiner Aufbau realisiert wird. Daher besteht keine Gefahr, einen Wärmeschock zwischen den ersten Elektroden 36 und 37 zu verursachen, da die beiden Elektroden voneinander isoliert sind, wodurch die pyroelektrische Dünnschicht 35 zu einem erhöhten thermischen Ansprechen befähigt wird und wodurch ihr Umfang und ihre Dicke verringert werden. Indem das Substrat aus einem Magnesiumoxid-Einkristall als Hauptbestandteil gebildet wird, kann die Zwangsorientierung, die für eine natürliche Lichtverteilung der pyroelektrischen Dünnschicht 35 erforderlich ist, entfallen.
Obwohl eine nahezu trapezförmige Gestalt als Konfiguration der ersten und zweiten Elektrode 36 und 37 des Infrarot-Detektorsegments in den Beispielen und den Ausführungsformen der Erfindung gewählt wurde, kann die gleiche Wirkung erreicht werden, indem eine nahezu dreieckige Gestalt statt der trapezförmigen Gestalt gewählt wird, wobei deren längere Seite der längeren Seite der anderen dreieckigen Gestalt gegenüber liegt.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen eine Infrarot-Sensoreinheit in einem weiteren Beispiel beschrieben.
7(a) ist eine Draufsicht einer Infrarot-Sensoreinheit in einem weiteren Beispiel, während 7(b) eine Seitenansicht der Infrarot-Sensoreinheit von 7(a) ist.
Da das in 7 gezeigte Beispiel in seinem Aufbau im Wesentlichen das gleiche wie das in 5 gezeigte Beispiel ist, werden gleiche Bezugszahlen den gleichen Kom ponenten zugeordnet, wie sie in dem genannten Beispiel verwendet werden, so dass eine eingehende Beschreibung jeder derartigen Komponente entfällt.
Der Unterschied gegenüber dem Beispiel von 5 besteht darin, dass der konkave Hohlraum 41 unter der Oberfläche des Substrats 31 so angebracht ist, dass er sich ganz zwischen einem Paar einander gegenüber liegender Seitenflächen des Substrats 31 erstreckt. Das Substrat 31 besteht aus einem Einkristall von Magnesiumoxid und dergleichen, und der Hohlraum 41 ist so unter der Oberfläche des Substrats 31 angeordnet, dass er sich ganz zwischen einem Paar gegenüberliegender Seitenflächen des Substrats 31 erstreckt. Im Aufbau besteht gegenüber dem in 5 gezeigten Beispiel kein weiterer Unterschied, und daher entfällt eine weitere Beschreibung des vorliegenden Beispiels.
Wie oben beschrieben, wird die von einer Infrarot-Sensoreinheit besetzte Gesamtfläche verringert, indem der Hohlraum 41 so angebracht ist, dass er sich ganz zwischen dem Paar gegenüberliegender Seitenflächen des Substrats 31 erstreckt, und wegen der kleineren Gesamtfläche, die von einer einzelnen Infrarot-Sensoreinheit eingenommen wird, kann eine grössere Anzahl der Infrarot-Sensoreinheiten von einer Substratplatte gewonnen werden, was die Wirkung hat, die Kosten weiter zu senken.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen ein Infrarot-Detektor in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
8 ist eine Seitenansicht eines Infrarot-Detektors in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
In 8 ist die Bezugszahl 61 ein Montagesockel, der mit Ableitelektroden versehen ist. (In 8 nicht gezeigt.) Das Infrarot-Detektorelement 62, wie es im ersten Beispiel oder in der Hauptausführungsform beschrieben wurde, ist auf der Oberseite des Montagesockels 61 angeordnet, wobei elektrische Verbindungen zwischen dem Infrarot-Detektorelement 62 und den Ableitelektroden hergestellt werden. Das Infrarot-Detektorelement 62 hat einen Aufbau, der zumindest ein pyroelektrisches Material (in 8 nicht gezeigt) sowie ein Paar von Infrarot-Detektorsegmenten (in 8 nicht gezeigt) umfasst, die so auf dem pyroelektrischen Material ausgebildet sind, dass die obere Seite des einen, nahezu trapezförmigen Infrarot-Detektorsegments in der gleichen Richtung ausgerichtet ist wie die untere Seite des anderen, nahezu trapezförmigen Infrarot-Detektorsegments, bzw. dass die längere Seite des einen, nahezu dreieckigen Infrarot-Detektorsegments der länge ren Seite des anderen, nahezu dreieckigen Infrarot-Detektorsegments gegenüber liegt, wobei weiter elektrische Anschlüsse so gestaltet sind, dass die beiden ein Paar bildenden Infrarot-Detektorsegmente einander entgegengesetzte Polarität besitzen. Ein zylindrisches Verkapselungselement 64 umgibt zumindest das Infrarot-Detektorelement 62 und ist an der Umfangsfläche des Montagesockels 61 befestigt. Das Verkapselungselement 64 besteht aus Eisen, Kovar, Silicium oder dergleichen, um Störungen durch Licht und elektromagnetisches Rauschen auszuschalten. Eine obere Öffnung des Verkapselungselements 64 ist von einem Fenster 65 für einfallende Infrarotstrahlen verdeckt, das aus Silicium oder aber aus oberflächlich mit einem unter Verwendung von Germanium und Zinksulfid hergestellten Filter versehenen Silicium gebildet ist. Ein Raum 66, der durch das Fenster 65 für einfallende infrarote Strahlen, das Verkapselungselement 64 und den Montagesockel 61 gebildet wird, leitet die Infrarotstrahlen 67 zum Infrarot-Detektorelement 62.
Innerhalb des Raumes 66 befindet sich eine Mischung aus Sauerstoff und einem Gas niedriger Wärmeleitfähigkeit, wobei die Hauptbestandteile Xe, Kr oder Freon allein bzw. Gemische der genannten Gase sind und der Gasdruck des Gases niedriger Wärmeleitfähigkeit unterhalb des Atmosphärendrucks gehalten wird. Wenn als Freongas niedriger Wärmeleitfähigkeit hauptsächlich ein Gas der HCFK-Familie verwendet wird, die aus CHClF₂, CHCl₂CF₃, CH₃CClF, CH₃CClF₃, C₃HCl₃F₃ und dergleichen gebildet wird, wird ein Gas niedriger Wärmeleitfähigkeit von 0,012 W/mk oder weniger realisiert, wodurch die Wirkung erzeugt wird, eine hohe Empfindlichkeit für einen Infrarot-Detektor zu erreichen. Wenn als Freongas niedriger Wärmeleitfähigkeit in ähnlicher Weise ein Gas der CF₃I-Familie verwendet wird, die hauptsächlich aus CF₃I besteht, wird ein Gas mit der niedrigst möglichen Wärmeleitfähigkeit von 0,0069 W/mk realisiert, wodurch die Wirkung erzeugt wird, eine höhere Empfindlichkeit für einen Infrarot-Detektor zu erreichen.
Indem des Weiteren ein (in 8 nicht gezeigtes) Absorptionsmittel aus SiO₂ oder dergleichen in Gelform im Raum 66 vorhanden ist, um das innerhalb des Raumes 66 ausgegaste Gas zu absorbieren und Ausgasen zu unterdrücken, wird die Wirkung erzielt, die Leistung eines Infrarot-Detektors zu stabilisieren.
Ausserdem wird eine Linsenanordnung 69 vorgesehen, die aus einer Mehrzahl optischer Elemente vom Beugungstyp besteht, und zwar mit den gleichen (in 8 nicht gezeigten) optischen Elementen wie das vorangehende Infrarot-Detektorelement 62, die in einem Abstand, der der Brennweite der Linsenanordnung 69 entspricht, oberhalb des Fensters 65 für die einfallenden Infrarotstrahlen angeordnet sind.
Jedes der optischen Elemente 68 vom Beugungstyp in der Linsenanordnung 69 hat auf seiner Oberfläche Unebenheiten, die in Übereinstimmung mit der Grösse der Phasenmodulation der Linse ausgebildet sind. Zum Beispiel hat das Muster der Unebenheiten eine Periodizität, die mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt abnimmt, wodurch ermöglicht wird, dass das Licht durch Beugungsphänomene in einem Punkt gesammelt wird. Hier sind die Tiefen der Unebenheiten bei allen optischen Elementen 68 vom Beugungstyp die gleichen und werden zusammen mit der Oberflächenkontur entsprechend der Wellenlänge der einfallenden Infrarotstrahlen ausgebildet. Der Abstand zwischen benachbarten optischen Elementen 68 vom Beugungstyp beträgt einige Mikrometer bis Hunderte von Mikrometern, während ihre Tiefe gering ist und von 2 Mikrometern bis 4 Mikrometern reicht, und jedes optische Element 68 vom Beugungstyp kann als solches leicht durch ein Trockenätzverfahren hergestellt werden.
Jedes der optischen Elemente 68 vom Beugungstyp hat ein Muster von Unebenheiten 70, wie sie in 9 gezeigt werden, und ihr Querschnitt zeigt eine treppenartige Konfiguration mit m Stufen. 9 zeigt den Fall von m = 9. Die maximale Tiefe t des Musters von Unebenheiten 70 wird durch eine Gleichung wie folgt erhalten: t = [(m – 1)/m] × [λ/(n – 1)]wo λ die Wellenlänge eines einfallenden Infrarotstrahles und n der Brechungsindex des optischen Elements 68 vom Beugungstyp ist. Bei zunehmender Stufenzahl m erhöht sich der Wirkungsgrad für die Lichtsammlung. Mit m = 16 wird der Wirkungsgrad der Lichtsammlung auf etwa 99% erhöht. Die optimale Tiefe t des Musters von Unebenheiten 70 wird dann etwa λ/(n – 1), wodurch die Wirkung erzielt wird, dass die Herstellung der optischen Elemente 68 vom Beugungstyp als solchen leicht durch ein Trockenätzverfahren ermöglicht wird.
In der vorliegenden Ausführungsform wird die Tiefe der Unebenheiten kleiner, wenn als Material der Linsenanordnung ein Material mit einem Brechungsindex von 3 oder darüber verwendet wird, das zumindest Si oder Ge enthält oder das zumindest eines der Elemente Ge und In und zumindest eines der Elemente As und P enthält, wodurch es leichter wird, das Material für die Linsenanordnung zu verarbeiten. Das Bedürfnis nach einem Brechungsindex von 3 oder darüber leitet sich von der Beziehung ab, wonach die Tiefe der Unebenheiten durch eine Gleichung: „Wellenlänge/(Brechungsindex – 1)", bestimmt wird.
Als Nächstes wird unter Bezugnahme auf Zeichnungen ein Infrarot-Detektor in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
10 ist eine Seitenansicht eines Infrarot-Detektors in einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Da die in 10 gezeigte Ausführungsform in ihrem Aufbau im Wesentlichen die gleiche wie die in 8 gezeigte Ausführungsform ist, werden die gleichen Bezugszahlen den Komponenten zugewiesen, die die gleichen wie die in der genannten Ausführungsform verwendeten sind, wodurch eine Beschreibung jeder dieser Komponenten entfällt.
Der Unterschied zwischen der vorliegenden Ausführungsform und der Ausführungsform von 8 besteht darin, dass das Fenster für einfallende Infrarotstrahlen, das in der genannten Ausführungsform beschrieben wurde, direkt durch eine Fenster-Linsen-Anordnung für einfallende Infrarotstrahlen ersetzt wird, die eine Linsenanordnung umfasst, die aus einer Mehrzahl von optischen Elementen vom Beugungstyp gebildet wird.
In 10 ist die Bezugszahl 64 ein zylindrisches Verkapselungselement, das zumindest das Infrarot-Detektorelement 62 umgibt und an der Umfangsfläche des Montagesockels 61 befestigt ist. Eine obere Öffnung des Verkapselungselements 64 wird von einer Fenster-Linsen-Anordnung 71 für einfallende Infrarotstrahlen verdeckt, die hergestellt wird, indem eine aus einer Mehrzahl von optischen Elementen vom Beugungstyp bestehende Linsenanordnung 69 auf Silicium oder auf einer Siliciumoberfläche angeordnet wird, die mit einem Filter versehen ist, das unter Verwendung von Germanium und Zinksulfid hergestellt wurde.
Durch die Verwendung der Fenster-Linsen-Anordnung 71 für einfallende Infrarotstrahlen, bei der eine Linsenanordnung und ein Fenster für einfallende Infrarotstrahlen zu einem Teil kombiniert worden sind, wird es dementsprechend ermöglicht, die Wirkung zu erzielen, dass ein Infrarot-Detektor zu einem niedrigeren Preis und in einer geringeren Grösse zur Verfügung gestellt werden kann.
In beiden Ausführungsformen ist das Muster von Unebenheiten jedes optischen Elements 68 vom Beugungstyp oval in seiner Gestalt, und der Mittelpunkt jeder ovalen Figur verschiebt sich allmählich in einer der Richtungen entlang der langen Achse der ovalen Figur, während sich die Position der ovalen Figur nach aussen bewegt, wodurch optische Aberrationen korrigiert werden und die Wirkung erzielt wird, dass die Aberrationen eliminiert werden, selbst wenn die optischen Elemente vom Beugungstyp in einer einzigen Ebene ausgebildet sind.
INDUSTRIELLE VERWENDBARKEIT
Wie oben beschrieben, offenbart die vorliegende Erfindung eine Anordnung, in der ein Paar von Infrarot-Detektorsegmenten so ausgelegt werden, dass die betreffenden Infrarot-Detektorsegmente, deren jedes eine nahezu trapezförmige Gestalt besitzt, so angeschlossen werden, dass ihre Polaritäten einander entgegengesetzt sind und dass die obere Seite eines der Infrarot-Detektorsegmente in der gleichen Richtung ausgerichtet ist wie die untere Seite des anderen Infrarot-Detektorsegments, bzw. ein Paar von Infrarot-Detektorsegmenten so ausgelegt werden, dass die betreffenden Infrarot-Detektorsegmente, deren jedes eine nahezu dreieckige Gestalt besitzt, so angeschlossen werden, dass ihre Polaritäten einander entgegengesetzt sind und dass die längere Seite eines der Infrarot-Detektorsegmente der längeren Seite des anderen Infrarot-Detektorsegments gegenüber steht, wodurch die Wirkung erzielt wird, dass ein Ausgangssignal gewonnen wird, gleichgültig in welcher Richtung ein zu erfassendes Objekt sich bewegt.

11: Pyroelektrisches Material
12, 13, 36, 37: Erste Elektrode
14, 15, 33, 34: Zweite Elektrode
16: Halter des pyroelektrischen Materials
17: Leiterplatte
21, 23: Einschnitt
22: Schräge Seite des Trapezoids
31: Substrat
32, 41: Hohlraum
38: Isolierende Zwischenschicht
39: Schutzschicht
61: Montagesockel
62: Infrarot-Detektorelement
64: Verkapselungselement
65: Fenster für einfallende Infrarotstrahlen
66: Raum
67: Infrarotstrahl
68: Optisches Element vom Beugungstyp
69: Linsenanordnung
70: Unebenheiten

Claims

Infrarot-Detektorelement, umfassend: ein Substrat (11) aus pyroelektrischem Material; und ein Infrarot-Detektorsegment mit einem Paar erster Elektroden (12, 13), die auf der Oberseite des Substrats (11) aus pyroelektrischem Material angeordnet und elektrisch so angeschlossen sind, dass sie einander entgegengesetzte Polaritäten erlangen, und mit der Funktion versehen sind, als eine infrarote Strahlen absorbierende Schicht zu wirken, sowie mit einem Paar zweiter Elektroden (14, 15), die auf der Unterseite des Substrats (11) aus pyroelektrischem Material angeordnet und elektrisch so angeschlossen sind, dass sie einander entgegengesetzte Polaritäten erlangen, und mit der Funktion versehen sind, als eine infrarote Strahlen absorbierende Schicht zu dienen, wobei die jeweilige Lage der zweiten Elektroden (14, 15) der Lage der ersten Elektroden (12, 13) auf der anderen Seite des Substrats (11) aus pyroelektrischem Material entspricht, während die ersten Elektroden (12, 13) und zweiten Elektroden (14, 15) elektrisch so angeschlossen sind, dass sie einander entgegengesetzte Polaritäten erlangen, worin die ersten (12, 13) und zweiten (14, 15) Elektroden eine nahezu trapezförmige oder dreieckige Gestalt besitzen und eine Seite der einen ersten Elektrode (12) in der gleichen Richtung ausgerichtet ist wie eine direkt gegenüber liegende Seite der anderen ersten Elektrode (13), wobei das Infrarot-Detektorelement dadurch gekennzeichnet ist, dass: ein Einschnitt an jeder der benannten, einander direkt gegenüber liegenden Seiten der ersten Elektroden (12, 13) vorhanden ist.
Infrarot-Detektorelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einschnitt an jeder der benannten, einander direkt gegenüber liegenden Seiten der zweiten Elektroden (14, 15) vorhanden ist.
Infrarot-Detektorelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschnitt eine nahezu rechteckige Gestalt besitzt.
Infrarot-Detektorelement nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einschnitt eine nahezu kreisbogenförmige Gestalt besitzt.
Infrarot-Detektorelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode und die zweite Elektrode die gleiche Gestalt besitzen.
Infrarot-Sensoreinheit, umfassend: ein Infrarot-Detektorelement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus pyroelektrischem Material eine dünne Schicht (35) ist; und eine Leiterplatte mit dem Infrarot-Detektorelement über einen Halter aus pyroelektrischem Material elektrisch verbunden ist.
Infrarot-Sensoreinheit nach Anspruch 6, weiter umfassend: ein Substrat (31), das mit einem Hohlraum (32) unter seiner Oberfläche versehen ist, eine isolierende Zwischenschicht (38), um den einen Teil des Infrarot-Detektorsegments, der eine der ersten Elektroden (36), die dünne pyroelektrische Schicht (35) und diejenige (33) der zweiten Elektroden umfasst, die in ihrer Position der einen ersten Elektrode (36) entspricht, elektrisch von dem anderen Teil des Infrarot-Detektorsegments zu isolieren, der die andere der ersten Elektroden (37), die dünne pyroelektrische Schicht (35) und diejenige (34) der zweiten Elektroden umfasst, die in ihrer Position der anderen ersten Elektrode entspricht, und um ferner die Teile des Infrarot-Detektorsegments über dem Hohlraum (32) des Substrats (31) zu halten; und eine Schutzschicht (39), die so angeordnet ist, dass sie zumindest die Oberfläche des Infrarot-Detektorsegments abdeckt, das der isolierenden Zwischenschicht (38) gegenüber liegt.
Infrarot-Sensoreinheit nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode, die dünne pyroelektrische Schicht und die zweite Elektrode die gleiche Gestalt aufweisen.
Infrarot-Sensoreinheit nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum so ausgelegt ist, dass er sich über die ganze Strecke zwischen einem Paar gegenüberliegender Seitenflächen des Substrats erstreckt.
Infrarot-Sensoreinheit nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus einem Einkristall besteht, der zumindest Magnesiumoxid als den Hauptbestandteil besitzt.
Infrarot-Detektor, umfassend: einen Montagesockel (61) mit einer Ableitelektrode; ein Infrarot-Detektorelement (62) nach Anspruch 1 oder 2; ein zylindrisches Verkapselungselement (64), so ausgelegt, dass es zumindest das Infrarot-Detektorelement (62) umgibt; ein Eintrittsfenster (65) für Infrarotstrahlen, so ausgelegt, dass eine Öffnung des zylindrischen Verkapselungselements (64) über dem Infrarot-Detektorelement (62) abgedeckt wird; und eine Linsenanordnung (69) mit einer Mehrzahl von optischen Elementen vom Beugungstyp, wobei diese Linsenanordnung (69) oberhalb des Eintrittsfensters (65) für die Infrarotstrahlen ausgelegt ist und das Infrarot-Detektorelement (62) einen Abstand von der Mehrzahl von optischen Elementen vom Beugungstyp besitzt, der der Brennweite der Linsenanordnung (69) entspricht.
Infrarot-Detektor nach Anspruch 11, worin jedes der optischen Elemente vom Beugungstyp ein nahezu ovales Muster von Unebenheiten besitzt und das Zentrum jeder der ovalen Figuren sich allmählich in eine der Richtungen entlang der Hauptachse der ovalen Figur verschiebt, während sich das optische Element vom Beugungstyp in seiner Lage nach aussen verschiebt.
Infrarot-Detektor nach Anspruch 11, worin das Muster von Unebenheiten jedes der betreffenden optischen Elemente vom Beugungstyp einen Querschnitt von gestufter Konfiguration mit m Stufen aufweist und die maximale Tiefe des Musters der Unebenheiten durch eine Gleichung: [(m – 1) / m] × [λ / (n – 1)], ausgedrückt wird, worin λ die Wellenlänge eines einfallenden Infrarotstrahls und n der Brechungsindex des optischen Elements vom Beugungstyp ist.
Infrarot-Detektor nach Anspruch 11, worin die Linsenanordnung aus einem Material gebildet ist, das einen Brechungsindex von 3 oder darüber besitzt und das Material zumindest eines der Elemente Si und Ge oder zumindest eines der Elemente Ga und In sowie zumindest eines der Elemente As und P enthält.
Infrarot-Detektor nach Anspruch 11, worin der vom Montagesockel, vom Verkapselungselement und vom Eintrittsfenster für die Infrarotstrahlen umgebene Raum eine Atmosphäre besitzt, die aus einer Mischung von Sauerstoff und einem Gas niedriger Wärmeleitfähigkeit besteht.
Infrarot-Detektor nach Anspruch 15, worin das Gas niedriger Wärmeleitfähigkeit ein Gas ist, dessen Hauptbestandteil Xe, Kr 25 oder Freon allein oder ein Gemisch dieser Gase ist.
Infrarot-Detektor nach Anspruch 16, worin das Freongas hauptsächlich aus Gasen der HCFK-Familie besteht.
Infrarot-Detektor nach Anspruch 16, worin das Freongas hauptsächlich aus Gasen der CF₃I-Familie besteht.
Infrarot-Detektor nach Anspruch 15, worin das Gas niedriger Wärmeleitfähigkeit in dem Raum bei einem Gasdruck gehalten wird, der unterhalb des Atmosphärendrucks liegt.
Infrarot-Detektor nach Anspruch 15, worin ein Absorptionsmittel vorgesehen ist, um das innerhalb des Raumes ausgegaste Gas zu absorbieren.