JP2005308551A - Thermopile type infrared sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば人体や配電盤、空調機器など各種物体の表面温度分布の計測、あるいは、ビルや高架橋などの建築物の老朽化点検、断熱材の劣化診断、さらには食品の温度検査や衣類の保温効果測定等々に使用されるサーモパイル型赤外線センサに関する。詳しくは、半導体基板の中央部の受光領域内に形成された薄膜部に、複数対の熱電対が、それらの各温接点を前記薄膜部上に位置し、かつ、各冷接点を前記受光領域外の半導体基板上に位置する状態で直列に接続して設けられているサーモパイル型赤外線センサに関する。 The present invention, for example, measures the surface temperature distribution of various objects such as human bodies, switchboards, and air conditioners, or checks the aging of buildings such as buildings and viaducts, diagnoses the deterioration of insulation, and further checks the temperature of food and clothing. The present invention relates to a thermopile type infrared sensor used for measuring a heat insulation effect. Specifically, a plurality of pairs of thermocouples are located on the thin film portion formed in the light receiving region at the center of the semiconductor substrate, their hot junctions are positioned on the thin film portion, and each cold junction is defined as the light receiving region. The present invention relates to a thermopile infrared sensor that is connected in series while being located on an external semiconductor substrate.
この種のサーモパイル型赤外線センサとして、従来、図7の原理図で示すように、半導体基板の一例であるシリコン基板の上面中央部に、例えばSiO2 等の絶縁性薄膜部21を平面視正方形状に形成して受光領域とし、この受光領域となる正方形状の薄膜部21の4辺それぞれに沿って、例えばアルミとポリシリコンという異種金属からなる熱電対22の複数対、例えば1辺あたり3対で合計12対を、それらの各温接点22aが薄膜部21上に位置し、かつ、各冷接点22bが薄膜部21(受光領域)外のシリコン基板上に位置する状態に配置してそれら熱電対22を直列に接続したものが知られている(例えば、特許文献1参照)。
なお、特許文献1では、正方形状薄膜部21の4辺それぞれに配置した複数対の熱電対22の各温接点22aを長方形状に配置した形態のものも開示されているが、受光領域となる薄膜部21は正方形状のままである。
As a thermopile type infrared sensor of this type, as shown in the principle diagram of FIG. 7, an insulating
In addition, in
上記したように、正方形状の薄膜部21の4辺それぞれに複数対の熱電対22を配置してなる従来のサーモパイル型赤外線センサにおいては、センサ感度と応答速度との間で二律背反の問題がある。すなわち、薄膜部21を、例えば1辺の長さLが1mm程度と長い正方形状に設定したものでは、500Kの対象物(直径10mm、対象物との距離100mm)を測定した場合、100μV程度の大きい感度が得られる反面、そのときのセンサ応答速度は10msec程度と低いという問題がある。
As described above, in the conventional thermopile type infrared sensor in which a plurality of pairs of
また、高速移動している測定対象物にも対応できるような高速応答性を得るためには、薄膜部の1辺の長さを短くする必要がある。例えば、3msec程度以上の応答速度を得るためには、図8に示すように、薄膜部21の1辺の長さL1を0.3mm程度に短くしなければならない。しかし、薄膜部21を、その1辺の長さL1が0.3mm程度の短い正方形状に設定したものでは、1辺の長さLが1mm程度と長く設定された図7に示すものと比べて、各熱電対22の温接点22aと薄膜部21の端辺との距離によって決定されるところの受光時と非受光時との温度差が1/3程度と小さくなるだけでなく、薄膜部21に同一パターン幅で並置できる熱電対22の数が1辺あたり1対で合計4対と少なくなるので、センサ感度が図7のものに比べて、約1/9の10μV程度と小さくなるという問題がある。
In addition, in order to obtain a high-speed response that can cope with a measurement object moving at high speed, it is necessary to shorten the length of one side of the thin film portion. For example, in order to obtain a response speed of about 3 msec or more, as shown in FIG. 8, the length L1 of one side of the
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、センサ感度を低下させることなく、応答速度を速めて高速移動する対象物にも十分に対応する高速応答性が得られるサーモパイル型赤外線センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and the object thereof is to obtain a high-speed response sufficiently corresponding to an object moving at a high speed by increasing the response speed without reducing the sensor sensitivity. The object is to provide a thermopile infrared sensor.
上記目的を達成するために、本発明に係るサーモパイル型赤外線センサは、半導体基板の中央部の受光領域内に形成された薄膜部に、複数対の熱電対が、それらの各温接点を前記薄膜部上に位置させ、かつ、各冷接点を前記受光領域外の半導体基板上に位置させる状態で直列に接続して設けられているサーモパイル型赤外線センサにおいて、前記薄膜部は、隣接する二辺のうち一方の辺が他方の辺より長い細長形状に形成され、この細長形状の薄膜部の長辺に沿って複数対の熱電対が配置されていることを特徴としている。 In order to achieve the above object, a thermopile infrared sensor according to the present invention includes a thin film portion formed in a light receiving region at a central portion of a semiconductor substrate, a plurality of pairs of thermocouples, and each of the hot contacts is connected to the thin film portion. In the thermopile infrared sensor provided in series with each cold junction being positioned on the semiconductor substrate outside the light receiving region, the thin film portion has two adjacent sides. Of these, one side is formed in an elongated shape longer than the other side, and a plurality of pairs of thermocouples are arranged along the long side of the elongated thin film portion.
ここで、前記薄膜部は、例えば細長台形状であってもよいが、特に、請求項2に記載のように、長方形状に形成されていることが望ましい。
Here, the thin film portion may have, for example, an elongated trapezoidal shape, but it is particularly desirable that the thin film portion be formed in a rectangular shape as described in
上記のような特徴構成を有する本発明のサーモパイル型赤外線センサによれば、熱電対が長方形などの細長形状の薄膜部の長辺に沿って配置されているので、1辺の長さを短くした正方形状のものと同様に、薄膜部における受光時と非受光時との温度差が小さくなって応答速度を速め、高速移動する対象物に対しても十分に対応する高速応答性を得ることができる。しかも、細長形状の長辺に沿って配置することにより、同一パターン幅で1辺あたりに並置できる熱電対の数を多くすることができるので、受光時と非受光時との温度差が小さくなることに起因して低下するセンサ感度を熱電対の設置数で補い、その結果として、1辺の長さが長い正方形状の薄膜部を用いる従来のものと同等もしくは同等以上のセンサ感度を得ることができる。したがって、薄膜部の形状を工夫するだけの極く簡単な構成改良によって、感度を低下させないで、高速応答性に優れたサーモパイル型赤外線センサを提供できるという効果を奏する。 According to the thermopile type infrared sensor of the present invention having the above-described characteristic configuration, the length of one side is shortened because the thermocouple is disposed along the long side of the thin film portion having an elongated shape such as a rectangle. Similar to the square shape, the temperature difference between light receiving and non-light receiving in the thin film portion is reduced, the response speed is increased, and high-speed response sufficiently corresponding to the object moving at high speed can be obtained it can. In addition, by arranging along the long side of the elongated shape, the number of thermocouples that can be juxtaposed per side with the same pattern width can be increased, so the temperature difference between when light is received and when it is not light is reduced. The sensor sensitivity that decreases due to this is compensated by the number of thermocouples installed, and as a result, a sensor sensitivity equivalent to or higher than that of the conventional one using a square-shaped thin film portion with a long side is obtained. Can do. Therefore, it is possible to provide a thermopile type infrared sensor excellent in high-speed response without deteriorating sensitivity by a very simple configuration improvement that only devise the shape of the thin film portion.
本発明に係るサーモパイル型赤外線センサにおいて、請求項3に記載のように、薄膜部が、円形の受光領域内に互いに平行に複数列並べて形成され、それら複数列の薄膜部の各長辺に沿ってそれぞれ複数対の熱電対が配置されているように構成することにより、いかなる形状の対象物をも高感度かつ高速度に検出することが可能で、汎用性の高い赤外線センサを得ることができる。
In the thermopile type infrared sensor according to the present invention, as described in
また、本発明に係るサーモパイル型赤外線センサにおいて、請求項4に記載のように、薄膜部が、長方形の受光領域内に互いに平行に複数列並べて形成され、それら複数列の薄膜部の各長辺に沿ってそれぞれ複数対の熱電対が配置されているように構成することにより、人体のように概ね長方形状や楕円形状を呈する対象物を高感度かつ高速度に検出することが可能で、特に人体検出用の用途に好適なセンサを得ることができる。
Further, in the thermopile type infrared sensor according to the present invention, as described in
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明に係る第1実施例のサーモパイル型赤外線センサ1の一部切欠き斜視図、図2は平面図、図3は断面展開図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a partially cutaway perspective view of a thermopile
この第1実施例のサーモパイル型赤外線センサ1は、図1、図2に示すように、半導体基板の一例であるシリコン基板2の上面にSiO2 膜等の絶縁膜3を形成し、前記シリコン基板2の中央部を長方形状にエッチングすることにより、例えば短辺が0.3mm、長辺が6mmの長方形状(細長形状の一例)でダイヤフラム構造の絶縁性薄膜部4を形成して、この薄膜部4を長方形の受光領域6としている。この長方形受光領域6を形成する長方形状の薄膜部4の両長辺4a,4aに沿って複数対、例えば18対、合計36対の熱電対(サーモカップル)5を、それらの各温接点5hが薄膜部4上に位置し、かつ、各冷接点5cが前記受光領域外のシリコン基板2上に位置する状態で一定パターン幅に並設するとともに、これら各サーモカップル5を直列に接続して構成されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
なお、サーモパイル型赤外線センサ1を構成する各サーモカップル5の温接点5h上には、図3に明示するように、赤外線吸収膜7が積層されている。また、サーモカップル5は、アルミ5Aとポリシリコン5Bという異種金属からなり、ペルチェ効果により冷接点5cを熱する方向の熱起電力を発生するように構成されたものである。
An
上記のように構成された第1実施例のサーモカップル型赤外線センサ1は、図4の原理図に示すように、サーモカップル5が長方形状の薄膜部4の両長辺4a,4aに沿って配置されているので、各サーモカップル5の温接点5hと薄膜部4の端辺である長辺4a,4aとの距離で決まる受光時と非受光時との温度差が、1辺の長さの短い図8に示す正方形状の薄膜部を用いる従来のものと同様に小さくなって、3msec程度以上の速い応答速度となり、高速移動する対象物に対しても十分に対応する高速応答性が得られる。
As shown in the principle diagram of FIG. 4, the thermocouple
その上、長方形状薄膜部4の長辺4a,4aに沿ってサーモカップル5を配置することにより、同一パターン幅で1辺あたりに並置できるサーモカップル5の数を、例えば合計36対と多くすることができるので、受光時と非受光時との温度差が小さくなることに起因してセンサ感度は低下するものの、その低下する感度をサーモカップル5の設置数で補うことが可能であり、その結果として、1辺の長さの長い図7に示す正方形状の薄膜部を用いる従来のものと同等もしくは同等以上のセンサ感度が得られる。したがって、薄膜部4の形状を長方形にするだけで、感度を低下させないで、高速応答性に優れたサーモパイル型赤外線センサ1を提供することができる。
In addition, by disposing the
図5は本発明に係る第2実施例のサーモパイル型赤外線センサ1の原理図であり、この第2実施例のサーモパイル型赤外線センサ1は、例えば短辺が0.3mm、長辺が6mmの長方形状でダイヤフラム構造の薄膜部4をその長手方向で3つに分割し、それら3つに分割された長方形状の薄膜部41,42,43を仮想線6’で示す長円形の受光領域内に互いに平行に並べて形成し、これら3列の薄膜部41,42,43の各長辺に沿って複数対、例えば10対,16対,10対、合計36対のサーモカップル5をそれらの各温接点5hが薄膜部41,42,43上に位置し、かつ、各冷接点5cが薄膜部41,42,43外のシリコン基板2上に位置する状態で一定パターン幅に並設するとともに、これら各サーモカップル5を直列に接続して構成されたものである。
FIG. 5 is a diagram showing the principle of the
上記のように構成された第2実施例のサーモカップル型赤外線センサ1は、第1実施例の赤外線センサ1と同様に、感度を低下させないで、3msec程度以上の速い応答速度を有し、高速移動する対象物に対しても十分に対応する高速応答性が得られるのはもとより、受光領域6’が仮想の長円形であることから、いかなる形状の対象物をも高感度かつ高速度に検出することが可能で、汎用性の高い赤外線センサ1を提供することができる。なお、この第2実施例において、仮想の受光領域6’は真円形であっても、楕円形であってもよく、そのような形状とした場合も、同様の効果を奏する。
The thermocouple
図6は本発明に係る第3実施例のサーモパイル型赤外線センサ1の原理図であり、この第3実施例のサーモパイル型赤外線センサ1は、例えば短辺が0.3mm、長辺が6mmの長方形状でダイヤフラム構造の薄膜部4をその長手方向で2つに等分分割し、それら2つに等分分割された長方形状の薄膜部41,42を、第1実施例と同様に、長方形の受光領域6’内に互いに平行に並べて形成し、これら2列の薄膜部41,42の各長辺に沿って複数対、例えば18対づつ、合計36対のサーモカップル5を、それらの各温接点5hが薄膜部41,42上に位置し、かつ、各冷接点5cが薄膜部41,42外のシリコン基板2上に位置する状態で一定パターン幅に並設するとともに、これら各サーモカップル5を直列に接続して構成されたものである。
FIG. 6 is a principle diagram of the thermopile
上記のように構成された第3実施例のサーモカップル型赤外線センサ1は、第1実施例の赤外線センサ1と同様に、感度を低下させないで、3msec程度以上の速い応答速度を有し、高速移動する対象物に対しても十分に対応する高速応答性が得られるのはもとより、受光領域6’が長方形であることから、人体のように概ね長方形状や楕円形状を呈する対象物を高感度かつ高速度に検出することが可能で、特に人体検出用の用途に好適な赤外線センサ1を提供することができる。また、この第3実施例のサーモカップル型赤外線センサ1は、第1実施例のものに比べて、センサ1全体を短辺/長辺の比を小さくしてコンパクトに構成しやすい。なお、この第3実施例において、受光領域6’を正方形としてもよい。
The thermocouple type
なお、上記各実施例では、長方形状薄膜部4の長辺合計長さを6mmに設定した場合について示したが、6mmを越える長さとし、それに伴いサーモカップル5の設置数を増やしてセンサ感度を更に大きくしてもよいこともちろんである。
In each of the above embodiments, the case where the total length of the long side of the rectangular
1 サーモパイル型赤外線センサ
2 シリコン基板(半導体基板)
4,41,42,43 長方形状薄膜部
5 サーモカップル(熱電対)
5h 温接点
5c 冷接点
6,6’ 受光領域
1 Thermopile
4, 41, 42, 43 Rectangular
Claims (4)
前記薄膜部は、隣接する二辺のうち一方の辺が他方の辺より長い細長形状に形成され、この細長形状の薄膜部の長辺に沿って複数対の熱電対が配置されていることを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。 A plurality of pairs of thermocouples are positioned in the thin film portion formed in the light receiving region at the center of the semiconductor substrate, their hot junctions are positioned on the thin film portion, and each cold junction is a semiconductor outside the light receiving region. In the thermopile type infrared sensor provided connected in series in a state of being positioned on the substrate,
The thin film portion is formed in an elongated shape in which one of two adjacent sides is longer than the other side, and a plurality of pairs of thermocouples are disposed along the long side of the elongated thin film portion. A thermopile type infrared sensor.
3. The thin film portion is formed by arranging a plurality of rows in parallel in a rectangular light receiving region, and a plurality of pairs of thermocouples are arranged along each long side of the plurality of rows of thin film portions. Thermopile infrared sensor.
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- 2004-04-21 JP JP2004126028A patent/JP2005308551A/en active Pending
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