JPH04252085A - Thermoelectric cooling type infrared detector - Google Patents
Thermoelectric cooling type infrared detectorInfo
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- JPH04252085A JPH04252085A JP3008233A JP823391A JPH04252085A JP H04252085 A JPH04252085 A JP H04252085A JP 3008233 A JP3008233 A JP 3008233A JP 823391 A JP823391 A JP 823391A JP H04252085 A JPH04252085 A JP H04252085A
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Abstract
Description
【産業上の利用分野】本発明は、熱電変換素子を多段実
装したサーモモジュールを用いて、赤外線検知素子を冷
却する電子冷却型赤外線検知器に関する。赤外線検知素
子は−６０℃前後に冷却しないと、その感度が低下する
。したがって、熱電変換素子を用いた多段構成のサーモ
モジュール上に赤外線検知素子を搭載し、熱電変換素子
のペルチエ効果を利用して、赤外線検知素子を冷却して
いる。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electronically cooled infrared detector that cools an infrared detecting element using a thermo module in which thermoelectric conversion elements are mounted in multiple stages. Unless the infrared sensing element is cooled to around -60°C, its sensitivity will decrease. Therefore, an infrared sensing element is mounted on a thermo module with a multi-stage configuration using thermoelectric conversion elements, and the infrared sensing element is cooled using the Peltier effect of the thermoelectric conversion element.
【従来の技術】図３は従来の電子冷却型赤外線検知器の
断面図であって、１は、赤外線検知素子、２は熱電変換
素子を多段（図は２段）実装したサーモモジュールであ
る。サーモモジュール２は、上下一対のセラミック基板
４の間にマトリクス状に熱電変換素子３を配列した上段
モジュールと、上段モジュールの下のセラミック基板４
と最下段セラミック基板５の間に、上段モジュールの熱
電変換素子数より多い数量の熱電変換素子３を配列した
下段モジュールと、から構成されている。それぞれの段
の熱電変換素子３は、Ｐ型素子とＮ型素子とが交互に配
置され、セラミック基板に形成したパターン電極により
Ｐ型素子の上端面とＮ型素子の上端面が接続され、その
Ｎ型素子の下端面は、次列のＰ型素子の下端面に接続さ
れている。そして赤外線検知素子１を、サーモモジュー
ル２の最上部のセラミック基板４上に搭載している。一
方、１０は銅系合金等よりなる角板状のヒートシンク基
板であって、その上面に半田或いは接着剤等の接着材料
１５を用いて、サーモモジュール２の最下段セラミック
基板５の底面を接着して、サーモモジュール２をヒート
シンク基板１０に搭載している。２０は、ヒートシンク
基板１０を貫通しガラス封止された出力端子であり、２
５は、ヒートシンク基板１０を貫通しガラス封止された
給電端子である。出力端子２０の先端を金線等のワイヤ
２１を介して、赤外線検知素子１の電極に接続し、給電
端子２５の先端を金線等のワイヤ２６を介して、サーモ
モジュール２のセラミック基板面の電極パターンに接続
している。１１は、銅系合金等よりなる下部が開口した
角筒形のキャップである。キャップ１１の頭部の赤外線
検知素子１に対応する中央部に孔を設け、この孔をサフ
ァイヤ等の赤外線透過窓１２で封止している。赤外線検
知素子１及びサーモモジュール２を覆うように、上述の
キャップ１１を冠着し、その開口端面側をろう付けして
、ヒートシンク基板１０にキャップ１１を気密に固着し
ている。なお、キャップ１１とヒートシンク基板１０よ
りなる容器内は、高真空に封止されている。電子冷却型
赤外線検知器は上述のように構成されているので、Ｎ型
素子からＰ型素子に電流が流れるように給電端子２５に
電源を接続すると、サーモモジュール２は赤外線検知素
子１の熱を吸熱して、最下段セラミック基板５を経てヒ
ートシンク基板１０に伝達し、ヒートシンク基板１０か
ら外部に放出する。このようにして、赤外線検知素子１
の温度が−６０℃前後に冷却されているので、赤外線が
赤外線透過窓１２を透って、赤外線検知素子１の受光面
に入射すると、その量に応じた電流が出力端子に出力さ
れる。2. Description of the Related Art FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional thermoelectrically cooled infrared detector, in which numeral 1 denotes an infrared detection element and numeral 2 a thermomodule in which thermoelectric conversion elements are mounted in multiple stages (two stages in the figure). The thermo module 2 includes an upper module in which thermoelectric conversion elements 3 are arranged in a matrix between a pair of upper and lower ceramic substrates 4, and a ceramic substrate 4 below the upper module.
and a lower module in which a greater number of thermoelectric conversion elements 3 than the number of thermoelectric conversion elements in the upper module are arranged between the lowermost ceramic substrate 5 and the lowermost ceramic substrate 5. In the thermoelectric conversion elements 3 of each stage, P-type elements and N-type elements are arranged alternately, and the upper end surface of the P-type element and the upper end surface of the N-type element are connected by a pattern electrode formed on a ceramic substrate. The lower end surface of the N-type element is connected to the lower end surface of the P-type element in the next row. The infrared detection element 1 is mounted on the ceramic substrate 4 at the top of the thermo module 2. On the other hand, 10 is a rectangular heat sink substrate made of copper-based alloy, etc., and the bottom surface of the lowermost ceramic substrate 5 of the thermo module 2 is bonded to the top surface of the heat sink substrate 10 using an adhesive material 15 such as solder or adhesive. The thermo module 2 is mounted on the heat sink board 10. 20 is an output terminal that passes through the heat sink substrate 10 and is sealed with glass;
5 is a power supply terminal that passes through the heat sink substrate 10 and is sealed with glass. The tip of the output terminal 20 is connected to the electrode of the infrared sensing element 1 via a wire 21 such as a gold wire, and the tip of the power supply terminal 25 is connected to the ceramic substrate surface of the thermo module 2 via a wire 26 such as a gold wire. Connected to the electrode pattern. Reference numeral 11 denotes a rectangular cylindrical cap made of copper-based alloy or the like and having an open bottom. A hole is provided in the center of the head of the cap 11 corresponding to the infrared detecting element 1, and this hole is sealed with an infrared transmitting window 12 made of sapphire or the like. The above-mentioned cap 11 is attached so as to cover the infrared detecting element 1 and the thermo module 2, and the open end side thereof is brazed, so that the cap 11 is airtightly fixed to the heat sink substrate 10. Note that the inside of the container consisting of the cap 11 and the heat sink substrate 10 is sealed in a high vacuum. Since the electronically cooled infrared detector is configured as described above, when a power supply is connected to the power supply terminal 25 so that current flows from the N-type element to the P-type element, the thermo module 2 absorbs the heat of the infrared detection element 1. It absorbs heat, transfers it to the heat sink substrate 10 via the lowermost ceramic substrate 5, and releases it to the outside from the heat sink substrate 10. In this way, the infrared sensing element 1
Since the temperature of the infrared rays is cooled to around -60° C., when infrared rays pass through the infrared transmitting window 12 and enter the light receiving surface of the infrared detecting element 1, a current corresponding to the amount of infrared rays is outputted to the output terminal.
【発明が解決しようとする課題】ところで、最下段セラ
ミック基板５とヒートシンク基板１０とは、平面同士が
当接した状態で接着剤又は半田等の接着材料１５で固着
しているので、接着材料１５が最下段セラミック基板５
の底面からはみ出している。一方、容器内は高真空であ
る。したがって、接着材料から水分， 有機ガス等が発
生して容器内に拡散し、これらのガスが最下段セラミッ
ク基板と赤外線検知素子間を対流して、熱を赤外線検知
素子側に運搬する。この結果赤外線検知素子の温度が上
がり、感度が低下するという問題点があった。本発明は
このような点に鑑みて創作されたもので、接着材料の発
生するガスが容器内に拡散することが阻止され、赤外線
検知素子の感度が低下することのない電子冷却型赤外線
検知器を提供することを目的としている。[Problems to be Solved by the Invention] By the way, the lowermost ceramic substrate 5 and the heat sink substrate 10 are fixed with adhesive material 15 such as adhesive or solder with their flat surfaces in contact with each other. is the lowest ceramic substrate 5
It protrudes from the bottom of the. On the other hand, the inside of the container is under high vacuum. Therefore, moisture, organic gas, etc. are generated from the adhesive material and diffused into the container, and these gases convect between the lowermost ceramic substrate and the infrared sensing element, transporting heat to the infrared sensing element. As a result, there was a problem that the temperature of the infrared sensing element rose and the sensitivity decreased. The present invention was created in view of these points, and is an electronically cooled infrared detector in which the gas generated by the adhesive material is prevented from diffusing into the container, and the sensitivity of the infrared detection element does not decrease. is intended to provide.
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに本発明は、図１に例示したように、熱電変換素子３
を用いた多段構成のサーモモジュール２と、サーモモジ
ュール２上に搭載した赤外線検知素子１とを、キャップ
１１とヒートシンク基板１０とよりなる容器に、真空封
止した赤外線検知器において、サーモモジュール２の最
下段セラミック基板５が密接に嵌入する有底穴３１を、
ヒートシンク基板１０に設ける。また、有底穴３１の側
壁の全周に、高さが最下段セラミック基板５の厚さより
も小さい横溝３０を設ける。そして、最下段セラミック
基板５の底面を、接着材料１５を使用して穴底面３２に
固着する構成とする。また、最下段セラミック基板５の
側壁及び底面が、メタライズされた構成とする。[Means for Solving the Problems] In order to achieve the above object, the present invention provides a thermoelectric conversion element 3 as illustrated in FIG.
In an infrared detector, a thermomodule 2 with a multi-stage configuration using a thermomodule 2 and an infrared detection element 1 mounted on the thermomodule 2 are vacuum-sealed in a container consisting of a cap 11 and a heat sink substrate 10. A bottomed hole 31 into which the lowermost ceramic substrate 5 is closely fitted is formed.
Provided on the heat sink substrate 10. Further, a lateral groove 30 having a height smaller than the thickness of the lowermost ceramic substrate 5 is provided around the entire circumference of the side wall of the bottomed hole 31. Then, the bottom surface of the lowermost ceramic substrate 5 is fixed to the hole bottom surface 32 using the adhesive material 15. Further, the side wall and bottom surface of the lowermost ceramic substrate 5 are metalized.
【作用】本発明は上述のよう、ヒートシンク基板に設け
た有底穴の側壁の全周に、高さがサーモモジュールの最
下段セラミック基板の厚さよりも小さい横溝を設けると
ともに、最下段セラミック基板の側壁の上部を有底穴の
側壁に密接させている。したがって、最下段セラミック
基板の底面と穴底面とを接着した接着材料が、最下段セ
ラミック基板の底面からはみ出していても、その接着材
料部分から発生したガスは、横溝内に封じこめられる。
即ち、ガスが容器内に拡散することが阻止されるので、
赤外線検知素子の冷却が保証され、感度が低下すること
がない。なお、最下段セラミック基板の側壁及び底面を
メタライズすることにより、接着材料の発生するガスが
多孔質のセラミック基板を透過して、容器内に拡散する
ことがない。[Operation] As described above, the present invention provides a lateral groove whose height is smaller than the thickness of the lowest ceramic substrate of the thermo module on the entire circumference of the side wall of the bottomed hole provided in the heat sink substrate, and The upper part of the side wall is brought into close contact with the side wall of the bottomed hole. Therefore, even if the adhesive material bonding the bottom surface of the lowermost ceramic substrate and the bottom surface of the hole protrudes from the bottom surface of the lowermost ceramic substrate, the gas generated from the adhesive material portion is confined within the lateral groove. That is, the gas is prevented from diffusing into the container;
Cooling of the infrared sensing element is guaranteed and sensitivity does not decrease. Note that by metallizing the side walls and bottom surface of the lowermost ceramic substrate, gas generated by the adhesive material does not pass through the porous ceramic substrate and diffuse into the container.
【実施例】以下図１及び図２を参照しながら、本発明を
具体的に説明する。なお、全図を通じて同一符号は同一
対象物を示す。図１は本発明の実施例の図で、（Ａ）
は断面図， （Ｂ） は要所断面図であり、図２は本発
明の他の実施例の要所断面図である。図１ において、
サーモモジュール２は上下一対のセラミック基板４の間
に、マトリクス状に熱電変換素子３を配列した上段モジ
ュールと、上段モジュールの下のセラミック基板４と最
下段セラミック基板５の間に、上段モジュールの熱電変
換素子数より多い数量の熱電変換素子３を配列した下段
モジュールと、から構成されている。それぞれの段の熱
電変換素子３は、Ｐ型素子とＮ型素子とが交互に配置さ
れ、セラミック基板に形成したパターン電極によりＰ型
素子の上端面とＮ型素子の上端面に接続し、そのＮ型素
子の下端面を次列のＰ型素子下端面に接続している。そ
して、赤外線検知素子１を、サーモモジュール２の最上
部のセラミック基板４上に搭載している。一方、銅系合
金等よりなるヒートシンク基板１０の上面の中央部に、
サーモモジュール２の最下段セラミック基板５が密接に
嵌入する有底穴３１を設け、その有底穴３１の側壁の全
周に、高さが最下段セラミック基板５の厚さよりも小さ
い有底穴側が開口した横溝３０を設けてある。なお、横
溝３０の下側面は、有底穴３１の穴底面３２と同一平面
である。サーモモジュール２の最下段セラミック基板５
を有底穴３１に差し込み、最下段セラミック基板５の底
面を半田または接着剤よりなる接着材料１５を使用して
、穴底面３２に固着している。横溝３０の高さが最下段
セラミック基板５の厚さよりも小さくしてあるので、最
下段セラミック基板５を穴底面３２に接着した状態で、
最下段セラミック基板５の側壁の上部は、有底穴の側壁
に密接している。一方、ヒートシンク基板１０を貫通し
ガラス封止された出力端子２０の先端を、金線等のワイ
ヤ２１を介して赤外線検知素子１の電極に接続している
。また、ヒートシンク基板１０を貫通しガラス封止され
た給電端子２５の先端を、金線等のワイヤ２６を介して
サーモモジュール２のセラミック基板面の電極パターン
に接続している。銅系合金等よりなる下部が開口した角
筒形で、頭部の孔をサファイヤ等の赤外線透過窓１２で
封止したキャップ１１を、赤外線検知素子１及びサーモ
モジュール２を覆うように冠着して、その開口端面側を
ろう付けすることで、ヒートシンク基板１０にキャップ
１１を気密に固着している。なお、キャップ１１とヒー
トシンク基板１０よりなる容器内は、高真空に封止され
ている。
本発明は上述のように構成されているので、最下段セラ
ミック基板５の底面と穴底面３２とを接着した接着材料
１５が、最下段セラミック基板の底面からはみ出してい
ても、そのはみ出した部分から発生したガスは、横溝３
０内に封じこめられている。したがって、ガスが容器内
に拡散することが阻止され、赤外線検知素子１の冷却性
能が低下することがない。図２において、ニッケル等で
メタライズすることで、最下段セラミック基板５の側壁
及び底面にメタライズ層４０を設けてある。したがって
、接着材料から発生するガスが多孔質の最下段セラミッ
ク基板５を透過して、容器内に拡散することがない。EXAMPLES The present invention will be specifically explained below with reference to FIGS. 1 and 2. Note that the same reference numerals indicate the same objects throughout the figures. FIG. 1 is a diagram of an embodiment of the present invention, (A)
is a cross-sectional view, (B) is a cross-sectional view of key points, and FIG. 2 is a cross-sectional view of key points of another embodiment of the present invention. In Figure 1,
The thermo module 2 has an upper module in which thermoelectric conversion elements 3 are arranged in a matrix between a pair of upper and lower ceramic substrates 4, and a thermoelectric converter in the upper module between a ceramic substrate 4 under the upper module and a lowermost ceramic substrate 5. It consists of a lower module in which thermoelectric conversion elements 3 in a number greater than the number of conversion elements are arranged. In the thermoelectric conversion elements 3 of each stage, P-type elements and N-type elements are arranged alternately, and are connected to the upper end surface of the P-type element and the upper end surface of the N-type element by pattern electrodes formed on a ceramic substrate. The lower end surface of the N-type element is connected to the lower end surface of the P-type element in the next row. The infrared detecting element 1 is mounted on the ceramic substrate 4 on the top of the thermo module 2. On the other hand, in the center of the upper surface of the heat sink substrate 10 made of copper-based alloy or the like,
A bottomed hole 31 into which the lowermost ceramic substrate 5 of the thermo module 2 is closely fitted is provided, and a bottomed hole side with a height smaller than the thickness of the lowermost ceramic substrate 5 is provided around the entire circumference of the side wall of the bottomed hole 31. An open transverse groove 30 is provided. Note that the lower surface of the lateral groove 30 is on the same plane as the hole bottom surface 32 of the bottomed hole 31. Lowermost ceramic substrate 5 of thermo module 2
is inserted into the bottomed hole 31, and the bottom surface of the lowermost ceramic substrate 5 is fixed to the hole bottom surface 32 using an adhesive material 15 made of solder or adhesive. Since the height of the lateral groove 30 is smaller than the thickness of the lowermost ceramic substrate 5, with the lowermost ceramic substrate 5 bonded to the hole bottom surface 32,
The upper part of the side wall of the lowermost ceramic substrate 5 is in close contact with the side wall of the bottomed hole. On the other hand, the tip of an output terminal 20 that penetrates the heat sink substrate 10 and is sealed with glass is connected to the electrode of the infrared sensing element 1 via a wire 21 such as a gold wire. Further, the tip of the power supply terminal 25 that penetrates the heat sink substrate 10 and is sealed with glass is connected to the electrode pattern on the ceramic substrate surface of the thermo module 2 via a wire 26 such as a gold wire. A cap 11 made of a copper-based alloy or the like and having a rectangular cylinder shape with an open bottom and a hole in the head sealed with an infrared transmitting window 12 made of sapphire or the like is attached to cover the infrared detecting element 1 and the thermo module 2. The cap 11 is hermetically fixed to the heat sink substrate 10 by brazing the open end surface thereof. Note that the inside of the container consisting of the cap 11 and the heat sink substrate 10 is sealed in a high vacuum. Since the present invention is configured as described above, even if the adhesive material 15 that adheres the bottom surface of the lowermost ceramic substrate 5 and the hole bottom surface 32 protrudes from the bottom surface of the lowermost ceramic substrate, the protruding portion will be removed. The generated gas is transferred to horizontal groove 3.
It is confined within 0. Therefore, gas is prevented from diffusing into the container, and the cooling performance of the infrared sensing element 1 does not deteriorate. In FIG. 2, a metallized layer 40 is provided on the side wall and bottom surface of the lowermost ceramic substrate 5 by metallizing with nickel or the like. Therefore, gas generated from the adhesive material does not pass through the porous lowermost ceramic substrate 5 and diffuse into the container.
【発明の効果】以上説明したように本発明は、電子冷却
型赤外線検知器のサーモモジュールとヒートシンク基板
とを接着する接着材料から発生するガスが、赤外線検知
素子を封止した容器内に拡散することがないようにした
ことにより、容器内の高真空度に保持され赤外線検知素
子の所定に低く冷却され、その感度が良好に保証される
という、実用上で優れた効果を有する。[Effects of the Invention] As explained above, the present invention allows gas generated from the adhesive material that bonds the thermo module and heat sink substrate of an electronically cooled infrared detector to diffuse into the container in which the infrared sensing element is sealed. This has an excellent practical effect in that a high degree of vacuum is maintained in the container, the infrared sensing element is cooled to a predetermined low level, and its sensitivity is well guaranteed.
【図１】 本発明の実施例の図で、（Ａ） は断面図
（Ｂ） は要所断面図[Figure 1] Diagrams of embodiments of the present invention, in which (A) is a cross-sectional view and (B) is a cross-sectional view of key points.
【図２】 本発明の他の実施例の要所断面図[Fig. 2] Main sectional view of another embodiment of the present invention
【図３】
従来例の断面図[Figure 3]
Cross-sectional view of conventional example
１ 赤外線検知素子、
２ サーモモジュール、３ 熱電変換
素子、
４ セラミック基板、５ 最下段セラミック基板、
１０ ヒートシンク基
板、１１ キャップ、
１２ 赤外線透過窓、１５
接着材料、
２０ 出力端子、２５ 給電端子
、
３０ 横溝、３１ 有底穴、
３２ 穴
底面、４０ メタライズ層、1 infrared detection element,
2 thermo module, 3 thermoelectric conversion element,
4 ceramic substrate, 5 lowermost ceramic substrate,
10 heat sink board, 11 cap,
12 Infrared transmission window, 15
adhesive material,
20 output terminal, 25 power supply terminal,
30 horizontal groove, 31 bottomed hole,
32 hole bottom surface, 40 metallized layer,
Claims (2)
モジュール（２） と、該サーモモジュール（２） 上
に搭載した赤外線検知素子（１） とを、キャップ（１
１）とヒートシンク基板（１０）とよりなる容器に、真
空封止した赤外線検知器において、該サーモモジュール
（２） の最下段セラミック基板（５） が密接に嵌入
する、該ヒートシンク基板（１０）に穿孔した有底穴（
３１）と、該有底穴（３１）の側壁の全周に穿孔した、
高さが該最下段セラミック基板（５） の厚さよりも小
さい横溝（３０）とを有し、該最下段セラミック基板（
５） の底面を、接着材料（１５）を用いて穴底面（３
２）に固着したことを特徴とする電子冷却型赤外線検知
器。Claim 1: A thermomodule (2) using a thermoelectric conversion element (3) and an infrared detection element (1) mounted on the thermoelectric module (2) are attached to a cap (1).
In an infrared detector vacuum-sealed in a container consisting of a heat sink substrate (10) and a heat sink substrate (10), the lowermost ceramic substrate (5) of the thermo module (2) is tightly fitted into the heat sink substrate (10). Drilled hole with bottom (
31), and a hole is bored all around the side wall of the bottomed hole (31).
a lateral groove (30) whose height is smaller than the thickness of the lowermost ceramic substrate (5);
5) Using the adhesive material (15), attach the bottom of the hole (3) to the bottom of the hole (3).
2) An electronically cooled infrared detector characterized by being fixed to.
及び底面が、メタライズされてなることを特徴とする請
求項１に記載の電子冷却型赤外線検知器。2. The thermoelectrically cooled infrared detector according to claim 1, wherein the side wall and bottom surface of the lowermost ceramic substrate (5) are metalized.
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|---|---|---|---|
| JP3008233A JPH04252085A (en) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | Thermoelectric cooling type infrared detector |
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| JP3008233A JPH04252085A (en) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | Thermoelectric cooling type infrared detector |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04252085A true JPH04252085A (en) | 1992-09-08 |
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| JP3008233A Withdrawn JPH04252085A (en) | 1991-01-28 | 1991-01-28 | Thermoelectric cooling type infrared detector |
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|---|---|
| JP (1) | JPH04252085A (en) |
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| JP2016167494A (en) * | 2015-03-09 | 2016-09-15 | アイシン精機株式会社 | Thermoelectric conversion device |
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1991
- 1991-01-28 JP JP3008233A patent/JPH04252085A/en not_active Withdrawn
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