JPH11258038A

JPH11258038A - 赤外線センサ

Info

Publication number: JPH11258038A
Application number: JP10083020A
Authority: JP
Inventors: Kenji Sakurai; 顕治櫻井; Masakazu Shiiki; 正和椎木
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-03-12
Filing date: 1998-03-12
Publication date: 1999-09-24
Anticipated expiration: 2018-03-12
Also published as: JP3580126B2

Abstract

(57)【要約】【課題】高感度で安価なサーモパイル型赤外線センサ
を提供する。【解決手段】ヒートシンク２２の上面にサーモパイル
２９を形成し、サーモパイル２９の各温接点２８を円環
状をした赤外線吸収体３０によって覆う。ヒートシンク
２２の上にフレネルレンズ３３を有するレンズ基板３２
を積層し、フレネルレンズ３３ト赤外線吸収体３０を位
置合わせする。サーモパイル２９と赤外線吸収体３０
は、ヒートシンク２２とレンズ基板３２の間に封止す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【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を有す
る赤外線センサにおいて、前記赤外線吸収体に対向する
回折レンズを備え、回折レンズと赤外線吸収体との距離
が、赤外線の所定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たことを特徴とし
ている。

【０００８】請求項１の赤外線センサにあっては、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、赤外線の所定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。

【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、前記赤外線吸収体が環状に
形成されていることを特徴としている。

【００１０】請求項２の赤外線センサは、赤外線吸収体
が環状となっているので、所定の波長域外の光を赤外線
吸収体の外周側と内周側へ逃すことができ、所定波長域
の赤外線だけを選択的に検出することができる。

【００１１】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いて、前記赤外線吸収体と前記変
換素子を設けた第１の基板と、前記回折レンズを設けた
第２の基板を重ねて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、Ｓｉ０₂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、Ａ
ｕ、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３
４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１
０μｍ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２
２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２
１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３
６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２
９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

【特許請求の範囲】

【請求項１】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
する素子とを有する赤外線センサにおいて、前記赤外線吸収体に対向する回折レンズを備え、回折レ
ンズと赤外線吸収体との距離が、赤外線の所定波長に対
する回折レンズの焦点距離よりも長く、もしくは短くな
るようにしたことを特徴とする赤外線センサ。
【請求項２】前記赤外線吸収体は、環状に形成されて
いることを特徴とする、請求項１に記載の赤外線セン
サ。
【請求項３】前記赤外線吸収体と前記変換素子を設け
た第１の基板と、前記回折レンズを設けた第２の基板を
重ねて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。