JP3580126B2

JP3580126B2 - 赤外線センサ

Info

Publication number: JP3580126B2
Application number: JP08302098A
Authority: JP
Inventors: 顕治櫻井; 正和椎木
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 2004-10-20
Anticipated expiration: 2018-03-12
Also published as: JPH11258038A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直列接続された複数個の熱電対により赤外線量や温度、温度変化等を計測する赤外線センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、人体等から発せられる赤外線を検出する赤外線センサが防犯装置、耳式体温計等の様々な分野で使用されている。
【０００３】
図１及び第２図は、熱型赤外線センサとして用いられている、従来の一般的なサーモパイル型赤外線センサ１の構造を示す平面図及び一部破断した斜視図である。このサーモパイル型赤外線センサ１にあっては、枠状をしたヒートシンク２内の空洞部３上面に熱絶縁薄膜４を張ってあり、ヒートシンク２上面から熱絶縁薄膜４上面にかけて２種の金属又は半導体（第１熱電材料５、第２熱電材料６）を多数配線し、ヒートシンク２上面で両金属を接合させて熱電対の冷接点７を形成し、熱絶縁薄膜４上面で両金属を接合させて熱電対の温接点８を形成し、熱電対を直列に接続されたサーモパイル９の両端にそれぞれ電極１０を設けている。熱絶縁薄膜４の上に形成された温接点８は矩形状に形成された赤外線吸収体１１により覆われている。また、サーモパイル９及び赤外線吸収体１１の上方には、赤外線フィルタ１２が配設されている。
【０００４】
しかして、赤外線フィルタ１２を透過した赤外線が赤外線吸収体１１に吸収されて熱に変換されると、ヒートシンク２上に形成された冷接点７と温接点８に温度差が生じることでサーモパイル９の電極１０間に起電力が生じる。すなわち、第１及び第２熱電材料５，６の接合部（熱電対）の温度がＴの時、当該接合部に生じる熱起電力がφ（Ｔ）で表されるとし、熱絶縁薄膜４上にはｍ個の温接点８が設けられ、ヒートシンク２２上にもｍ個の冷接点７が設けられているとすると、温接点８の温度がＴｗ、冷接点７の温度がＴｃであるときには、サーモパイル９の両端の電極１０間には、次の（１）式で表される起電力Ｖが発生する。
Ｖ＝ｍ［φ（Ｔｗ）−φ（Ｔｃ）］
従って、ヒートシンク２の温度Ｔｃが既知であるとすると、電極１０間に発生する起電力Ｖを測定することで測定対象物の温度Ｔｗを非接触で計測することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の赤外線センサでは、サーモパイルに入射する赤外線の波長領域は、使用されている赤外線フィルタの透過率特性によって決まるが、赤外線フィルタとしては、安価であるためシリコン・フィルタが用いられることが多い。しかし、シリコン・フィルタでは、可視光線および近赤外線が比較的よく透過するためセンサの誤動作が起きやすいという欠点があった。このため、ノイズとなる波長域の光をカットするため、フィルタの片面または両面に反射防止膜（多層膜）等を形成することにより、５μｍ以下の波長の光をカットオフした赤外線フィルタも用いられている（特開平４−３１５９２７号公報、特開平７−１２０３０７号公報）。しかし、このような赤外線センサは、非常に高価であった。
【０００６】
本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、高感度で安価な赤外線センサを提供することにある。
【０００７】
【発明の開示】
請求項１に記載した赤外線センサは、赤外線の強弱により温度が変化する赤外線吸収体と、前記赤外線吸収体の温度を電気信号に変換する素子と、前記赤外線吸収体に対向する回折レンズとを有する赤外線センサにおいて、前記赤外線吸収体は環状に形成されていて前記変換素子の温度感知部分を覆っており、前記回折レンズは、その光軸が前記赤外線吸収体の中心軸と一致するようにして環状に形成されており、回折レンズと赤外線吸収体との距離が、検出対象となる赤外線波長に対する回折レンズの焦点距離よりも長く、もしくは短くなるようにし、前記回折レンズを透過した検出対象となる波長の赤外線は、前記赤外線吸収体と一致する領域に広がって前記赤外線吸収体に照射されるようにしたものである。
【０００８】
請求項１の赤外線センサにあっては、環状に形成されたフレネルレンズ等の回折レンズによって赤外線吸収体に赤外線を集光させるようにしているから、感度を向上させることができる。しかも、回折レンズと赤外線吸収体との距離が、検出対象となる赤外線波長に対する回折レンズの焦点距離よりも長く、もしくは短くなるようにしているから、赤外線吸収体の面積を広くでき、赤外線吸収体による赤外線の検出効率を高くすることができる。また、回折レンズを用いることによりコストも安価にできる。
さらに、請求項１に記載の赤外線センサにあっては、前記赤外線吸収体が環状に形成されていて前記変換素子の温度感知部分を覆っているので、検出対象となる赤外線波長よりも波長の短い光を赤外線吸収体の内周側へ逃がすことができ、計測対象となる波長域の赤外線だけを選択的に検出することができる。
【０００９】
請求項２に記載の実施態様は、請求項１記載の赤外線センサにおいて、前記回折レンズと前記赤外線吸収体との距離が、検出対象となる赤外線波長に対する回折レンズの焦点距離よりも長くなるようにし、検出対象となる赤外線波長より短い波長の光は、前記回折レンズを透過して赤外線吸収体の開口を通過するようにしたものである。
【００１０】
請求項３に記載の実施態様は、請求項１記載の赤外線センサにおける前記回折レンズが、シリコン基板の上面に形成された輪帯状のフレネルレンズであることを特徴としている。
【００１１】
請求項４に記載の実施態様は、請求項１記載の赤外線センサにおいて、前記赤外線吸収体と前記変換素子を設けた第１のシリコン基板と、前記回折レンズを形成された第２のシリコン基板を重ねて積層一体化したことを特徴としている。
【００１２】
請求項３に記載の赤外線センサは、全体が積層一体化されているので、赤外線センサを小型化することができる。また、回折レンズと赤外線吸収体とのアライメント等も容易に行なえる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
図３は本発明の一実施形態によるサーモパイル型赤外線センサ２１の一部破断した斜視図、図４はその断面図である。このサーモパイル型赤外線センサ２１にあっては、シリコン基板によって形成されたヒートシンク２２の中央部上面に空洞部２３が開口されており、空洞部２３の上面には熱絶縁薄膜２４が形成されている。この熱絶縁薄膜２４は、Ｓｉ０_２やＳｉＮなどによって形成されており、熱容量を小さくするため数ミクロンの厚みにしている。ヒートシンク２２と熱絶縁薄膜２４の境界部分においては、ヒートシンク２２の上面と熱絶縁薄膜２４の上面にかけて第１熱電材料２５と第２熱電材料２６が交互に配線されており、ヒートシンク２２上面で第１及び第２熱電材料２５，２６を接合させて熱電対の冷接点２７を設け、熱絶縁薄膜２４上面で第１及び第２熱電材料２５，２６を接合させて熱電対の温接点２８を設け、これによって熱電対が直列に接続された温度計測用のサーモパイル２９を形成している（図５）。熱絶縁薄膜２４上の温接点２８が設けられた領域は、図５に示すように、Ａｕ、Ｂｉ等の金属黒からなる赤外線吸収体３０によって円環状に覆われている。また、温度計測用のサーモパイル２９の両端には、それぞれ電極３１が設けられている。なお、図５において、斜線を施した領域のサーモパイル２９は第１の熱電材料２５を表し、斜線を施していない領域のサーモパイル２９は第２の熱電材料２６を表し、網掛けした領域は赤外線吸収体３０を設ける領域を示している。
【００１４】
さらに、ヒートシンク２２上には、シリコン基板によって形成されたレンズ基板３２がシリコンフュージョンボンディング等によって接合されている。レンズ基板３２の上面には、図６に示すような輪帯状をしたフレネルレンズ３３が形成されている。また、レンズ基板３２の下面には凹部３４が設けられており、凹部３４の周囲をヒートシンク２２に接合させてある。従って、サーモパイル２９や赤外線吸収体３０は、ヒートシンク２２とレンズ基板３２との間に気密的に封入されており、サーモパイル２９等の特性変化が少なくなっている。また、内部に窒素ガスや不活性ガスを封入することもできる。さらに、電極３１の位置に対向させて、レンズ基板３２には電極３１を外部に露出させるためのホール３５が穿孔されている。
【００１５】
しかして、この赤外線センサ２１に赤外線が入射すると、赤外線はフレネルレンズ３３によって集光され、温接点２８上に形成された赤外線吸収体３０に吸収されて熱に変換される。そして、ヒートシンク２２上に形成された冷接点２７と温接点２８に温度差が生じることでサーモパイル２９の電極３１間に起電力が出力される。
【００１６】
ここで、例えば赤外線吸収体３０を円板状にして、フレネルレンズ３３の焦点を赤外線吸収体３０の１点にスポット状に集光させると検出効率は高くなるが、赤外線吸収体３０の面積が小さくなり、サーモパイル２９の熱電対本数を多くとることができないため出力が落ちる。また、光学系のアライメントにも高い精度が要求される。
【００１７】
そこで、本発明においては、図７に示すように、フレネルレンズ３３の焦点が、検出対象とする波長λの赤外線において赤外線受光面の位置の手前または奥になるようにわざとずらし、赤外線受光面において当該波長λの赤外線が輪帯状に少し広がるように設計する。赤外線受光面で輪帯状に少し広がっている赤外線領域に一致させて赤外線吸収体３０の位置及びサイズを決めることにより、赤外線吸収体３０の面積を広げることができ、サーモパイル２９の熱電対本数（温接点数）を減らすことなく赤外線吸収体３０による赤外線の検出効率を高くすることができる。なお、図７に示す３３Ａは、比較のためにフレネルレンズ３３の大きさを示したもの（フレネルレンズ３３の影）である。
【００１８】
さらに、図８に示すように、フレネルレンズ３３は波長により焦点距離が異なるため、フレネルレンズ３３と円環状の赤外線吸収体３０とを組合わせ、赤外線吸収体３０の輪帯の幅および直径の大きさを調節することにより、特定の波長域の赤外線のみを険出することができる。すなわち、特定の波長外の光は、赤外線吸収体３０の外周側もしくは内周側へ外れるようにして、赤外線吸収体３０に照射されないようにする。具体的にいうと、検出対象とする赤外線の波長領域のうち最大波長の光が赤外線吸収体３０の外周縁（又は、内周円）に照射され、最小波長の光が赤外線吸収体３０の内周縁（又は、外周円）に照射されるようにする。
【００１９】
これと同じ効果を赤外線フィルタで実現しようとすると、フィルタの両面に反射防止用の多層膜を施すなどの加工が必要となるため高価なデバイスとなるが、この方法を用いれば安価で容易に実現することができる。例えばＳｉフィルタは、１〜１５μｍの赤外線を通すが、このうち５μｍ以下の波長をカットし、波長１０μｍ付近の赤外線を主に検出したい場合には、図９に示すように、波長１〜５μｍの赤外線の光路を赤外線吸収体３０からはずし、波長１０μｍ（５〜１５μｍ）の赤外線の光路の部分に赤外線吸収体３０を配置してやればよい。
【００２０】
また、この実施形態によれば、サーモパイル２９及び赤外線吸収体３０を形成したヒートシンク２２とフレネルレンズ３３を形成したレンズ基板３２とを積層して内部にサーモパイル２９や赤外線吸収体３０を封止する構造としているので、光学系のアライメントが容易に行える。また、金属ステムや缶ケース等が不要になるので、コストダウンを図ることができる。
【００２１】
次に、上記サーモパイル型赤外線センサ２１の製造方法を図１０により説明する。まず、ヒートシンク２２となるシリコン基板３６の両面に窒化膜等からなる熱絶縁薄膜２４ａ，２４ｂを被覆する［図１０（ａ）］。ついで、シリコン基板３６の赤外線検出面側にビスマスとアンチモン等の異種熱電材料からなる熱電対を複数個直列に接続し、複数の温接点２８及び冷接点２７を有するサーモパイル２９を形成する。このときビスマスとアンチモンの電導ラインは、それぞれ蒸着法およびフォトリソグラフィ工程、リフトオフ法によりパターニングされる［図１０（ｂ）］。この後、スパッタなどによりシリコン基板３６の両面に酸化膜等からなる絶縁膜３７を被覆する［図１０（ｃ）］。シリコン基板３６の赤外線検出面側に形成された絶縁膜３７を、フォトリソグラフィ工程により赤外線吸収体３０のパターンに合わせて一部除去した後、蒸着やスパッタなどにより金やビスマス等の金属黒を堆積させ、リフトオフ法により温接点２８を覆う赤外線吸収体３０を輪帯状にパターニングし、絶縁膜３７を剥離する［図１０（ｄ）］。ついで、熱絶縁薄膜２４に孔又はスリットをあけてＫＯＨ溶液等によりシリコン基板３６を赤外線検出面側から異方性エッチングすることにより空洞部２３と宙空状の熱絶縁薄膜２４を形成する［図１０（ｅ）］。
【００２２】
一方、レンズ基板３２となるシリコン基板３８を異方性エッチングすることにより、電極３１を取り出すためのホール３５をあけ［図（ｆ）］、シリコン基板３８の赤外線検出面側と反対側の面を異方性エッチングすることにより凹部３４を形成する［図１０（ｇ）］。こうして製作されたヒートシンク２２とレンズ基板３２を重ね合わせ、電極３１とホール３５等を位置合わせして接合する［図１０（ｈ）］。この後、レンズ基板３２の赤外線検知面側にＡｕやＡｌの金属膜を蒸着またはスパッタし、フォトリソグラフィ工程によりフレネルレンズ３３のパターンを形成する［図１０（ｉ）］。このとき、両面アライナを用いることにより、フレネルレンズ３３と赤外線吸収体３０の各中心が一致するように形成する。また、同時にレンズ基板３２とヒートシンク２２の間の内部空間を真空に封止する。
【００２３】
フレネルレンズ３３は、シリコン基板３８を等方性エッチングすることによって形成することができるが、あるいは、レンズ基板３２上に金属や有機系の薄膜を形成し、これをエッチングすることによってフレネルレンズ３３を形成してもよい。
【００２４】
（第２の実施形態）
図１１は本発明の別な実施形態によるサーモパイル型赤外線センサ４１を示す断面図である。この実施形態では、１枚のシリコン基板にサーモパイル２９と赤外線吸収体３０とフレネルレンズ３３を形成している。すなわち、シリコン基板によって形成されたヒートシンク（兼レンズ基板）２２の下面には、空洞部２３が形成されており、空洞部２３の下面に熱絶縁薄膜２４が設けられている。熱絶縁薄膜２４の下面にはサーモパイル２９が設けられており、サーモパイル２９の下面（あるいは上面）には、円環状をした熱絶縁薄膜２４が形成されている。そして、このヒートシンク２２の上面にエッチング等によって直接フレネルレンズ３３が形成されている。
【００２５】
このような実施形態によれば、１枚のシリコン基板の表裏にフレネルレンズ３３とサーモパイル２９及び赤外線吸収体３０とを設けているので、光学系のアライメントが容易になり、またコストも安価になる。
【００２６】
（第３の実施形態）
図１２は本発明の別な実施形態によるサーモパイル型赤外線センサ４２を示す断面図である。この実施形態にあっては、サーモパイル２９と円環状をした赤外線吸収体３０を形成されたヒートシンク２２をステム４３上に形成し、ステム４３上に取り付けられた缶ケース４４の窓部４５にフレネルレンズ３３を有するレンズ基板３２を取り付けたものである。
【００２７】
このような実施形態によれば、既存の赤外線センサのパッケージ形態を利用することができる。
【００２８】
なお、赤外線吸収体は、上記のような円環状のものが望ましいが、円板状にしても差し支えない。また、回折レンズとしては、フレネルレンズに限らず、輪帯状のパターンを有するゾーンプレートを用いてもよい。
【００２９】
また、上記実施形態では、赤外線吸収体の温度を電気信号に変換する素子としてサーモパイルを用いた場合について説明したが、この変換素子としては、サーミスタ・ボロメータや焦電型赤外線センサを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来のサーモパイル型赤外線センサの構造を示す平面図である。
【図２】同上の赤外線センサの一部破断した斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態によるサーモパイル型赤外線センサの構造を示す一部破断した斜視図である。
【図４】同上の赤外線センサの断面図である。
【図５】同上の赤外線センサのヒートシンクを示す平面図である。
【図６】同上の赤外線センサの平面図である。
【図７】同上の赤外線センサの作用説明図である。
【図８】同上の赤外線センサにおけるフレネルレンズの働きを説明する図である。
【図９】同上の赤外線センサにおけるフレネルレンズと赤外線吸収体の設計例を説明する図である。
【図１０】（ａ）〜（ｉ）は同上の赤外線センサの製造工程図である。
【図１１】本発明の別な実施形態によるサーモパイル型赤外線センサを示す断面図である。
【図１２】本発明のさらに別な実施形態によるサーモパイル型赤外線センサを示す断面図である。
【符号の説明】
２２ヒートシンク
２４熱絶縁薄膜
２７冷接点
２８温接点
２９サーモパイル
３０熱吸収体
３２レンズ基板
３３フレネルレンズ

Claims

赤外線の強弱により温度が変化する赤外線吸収体と、前記赤外線吸収体の温度を電気信号に変換する素子と、前記赤外線吸収体に対向する回折レンズとを有する赤外線センサにおいて、
前記赤外線吸収体は環状に形成されていて前記変換素子の温度感知部分を覆っており、
前記回折レンズは、その光軸が前記赤外線吸収体の中心軸と一致するようにして環状に形成されており、
回折レンズと赤外線吸収体との距離が、検出対象となる赤外線波長に対する回折レンズの焦点距離よりも長く、もしくは短くなるようにし、前記回折レンズを透過した検出対象となる波長の赤外線は、前記赤外線吸収体と一致する領域に広がって前記赤外線吸収体に照射されることを特徴とする赤外線センサ。
前記回折レンズと前記赤外線吸収体との距離が、検出対象となる赤外線波長に対する回折レンズの焦点距離よりも長くなるようにし、検出対象となる赤外線波長より短い波長の光は、前記回折レンズを透過して赤外線吸収体の開口を通過することを特徴とする、請求項１に記載の赤外線センサ。
前記回折レンズは、シリコン基板の上面に形成された輪帯状のフレネルレンズであることを特徴とする、請求項１に記載の赤外線センサ。
前記赤外線吸収体と前記変換素子を設けた第１のシリコン基板と、前記回折レンズを形成された第２のシリコン基板を重ねて積層一体化したことを特徴とする、請求項１に記載の赤外線センサ。