JP2000266596A

JP2000266596A - 焦電型赤外線センサ

Info

Publication number: JP2000266596A
Application number: JP11073347A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Fujikawa; 和彦藤川; Takeshi Masutani; 武増谷; Tsutomu Nakanishi; 努中西; Koji Nomura; 幸治野村
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-03-18
Filing date: 1999-03-18
Publication date: 2000-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、焦電体により赤外線を検出する焦
電型赤外線センサに関するものであり、周囲の温度変化
に対し、誤報がない焦電型赤外線センサを実現すること
を目的とする。【解決手段】同一方向に分極軸を有する１対の焦電体
１ａ，１ｂと、この焦電体の表面および裏面に設けた受
光電極３ａ，３ｂおよび下部電極２ａ，２ｂと、この各
々の下部電極２ａ，２ｂが電気的に接合しており、下部
電極２ａ，２ｂに電気的に接合し他方がグランドに電気
的に接合している抵抗体５より構成するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、焦電体により赤外
線を検出する焦電型赤外線センサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、焦電型赤外線センサは非接触で物
体の検知や温度検出ができる点を活かして、電子レンジ
の調理物の温度測定、エアコンの室内温度制御、あるい
は自動ドア、警報装置での人体検知等に利用されてお
り、今後その利用範囲は拡大していくと見られる。

【０００３】焦電体にＬｉＴａＯ3結晶等の焦電効果を
利用したものは自発分極を有しており常に表面電荷が発
生しているが、大気中における定常状態では大気中の電
荷と結びついて電気的に中性を保っている。これに赤外
線が入射すると焦電体の温度が変化し、これに伴い表面
の電荷状態も中性状態が壊れて変化する。この時表面に
発生する電荷を検出し、赤外線入射量を測定するのが赤
外線センサである。一般に物体はその温度に応じた赤外
線を放出ており、この焦電型赤外線センサを用いること
により物体の存在や温度を検知できる。

【０００４】図６は従来の焦電型赤外線センサ構成の回
路図である。

【０００５】図において、２８は下部電極、この下部電
極に接するように焦電体２９ａ，２９ｂを有するととも
に、この焦電体２９ａ，２９ｂと接するように赤外線の
吸収膜としての機能を有した受光電極３０ａ，３０ｂを
備えている。

【０００６】これら下部電極２８、焦電体２９ａ，２９
ｂおよび受光電極３０ａ，３０ｂにより赤外線検出部を
構成し、下部電極２８、一方の受光電極３０ａからＦＥ
Ｔ３１と電気的に接合しており、ＦＥＴ３１から外部回
路に接続している。また、同じ受光電極３０ａから１０
０ＧΩの高抵抗３２と電気的に接合している。また、他
方の受光電極３０ｂからグランドに電気的に接合してい
る。これによりデュアルエレメントタイプの焦電型赤外
線センサを構成している。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の焦電型赤外
線センサにおいては、周囲の温度変化によって一方の受
光電極３０ａ，３０ｂおよび下部電極２８に電荷が発生
するが一方の受光電極３０ａに発生した電荷は高抵抗３
２を介してグランドへ逃げ、他方の受光電極３０ｂに発
生した電荷は直接グランドへ逃げるが下部電極２８に発
生した電荷はどんどん蓄電され、あるきっかけで電荷の
突発的放電が発生してしまい周囲の温度変化に対して誤
報が発生するという課題を有していた。

【０００８】本発明は周囲の温度変化に対し、誤報が少
ない焦電型赤外線センサを提供することを目的とする。

【０００９】

【発明を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明は、下部電極に抵抗体を電気的に接合し他方を
グランドに電気的に接合したものである。

【００１０】この発明によれば周囲の温度変化に対し、
誤報がない焦電型赤外線センサを提供することができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、少なくとも同一方向に分極軸を有する１対の焦電体
と、この焦電体の表面および裏面に設けた受光電極およ
び下部電極と、この各々の下部電極が電気的に接合して
おり、前記一方の下部電極に電気的に接合し他方がグラ
ンドに電気的に接合している抵抗体より構成され、これ
により、周囲の温度変化に対し、下部電極に発生した電
荷は抵抗体を介してグランドへ徐々に逃げる。結果周囲
の温度変化による素子からの電荷の突発的放電が発生し
ないという作用を有する。

【００１２】本発明の請求項２に記載の発明は、少なく
とも焦電型赤外線素子と、この焦電型赤外線素子を外乱
光および電磁波より保護するためのカンと、前記カンが
有する開口部に取付けられ赤外線を前記焦電型赤外線素
子に入射させる赤外線透過窓と、前記焦電型赤外線素子
が実装され前記カンと共に前記焦電型赤外線素子を密閉
するステムと、前記焦電型赤外線素子とステムの間に設
けられた断熱体より構成され、これにより、周囲の温度
変化によりステムを通して焦電型赤外線素子に伝わる熱
は、断熱体によりシャットアウトされるため、温度変化
による素子からの電荷の突発的放電が発生しないという
作用を有する。

【００１３】本発明の請求項３に記載の発明は、少なく
とも赤外線を検出する焦電型赤外線素子と、前記焦電型
赤外線素子を外乱光および電磁波より保護するためのカ
ンと、前記カンに有する開口部に取付けられ赤外線を前
記焦電型赤外線素子に入射させる赤外線透過窓と、前記
カンと共に前記焦電型赤外線素子を密閉するステムと、
前記焦電型赤外線素子を実装するための基板よりなり、
この基板の焦電型赤外線素子が実装された回りにスリッ
トが設けられた構成であり、これにより、周囲の温度変
化によりステムから基板を通して焦電型赤外線素子に伝
わる熱は、スリットにより熱コンダクタンスが小さくな
りほとんど伝わらなくなるため、温度変化による素子か
らの電荷の突発的放電が発生しないという作用を有す
る。

【００１４】本発明の請求項４に記載の発明は、単結晶
基板上に下部電極を設け、この下部電極上に略同一形状
の焦電体を設け、この焦電体上に赤外線吸収効果を有す
る受光電極を設けた赤外線検出部と、前記赤外線検出部
が前記単結晶基板と接する基板表層部の下部に空洞を有
し、前記赤外線検出部は保持膜により中空にかつ島状に
保持されている構成であり、これにより、周囲の温度変
化によりステムを通して赤外線検出部に伝わる熱は、ス
リットにより熱コンダクタンスがおおきくなりほとんど
伝わらなくなるため、温度変化による素子からの電荷の
突発的放電が発生しなくなる。一方、焦電体は圧電体で
もあるため、ひずみによる圧電ノイズが発生する。保持
膜は温度変化により熱収縮が発生するため、その保持膜
による収縮により焦電体に応力が生じ、このため圧電ノ
イズが発生することになるが、スリットにより焦電体が
フリーになるため保持膜による収縮の影響が及ばなくな
り、このため圧電ノイズが発生しないという作用を有す
る。

【００１５】本発明の請求項５に記載の発明は、少なく
とも、赤外線を検出する焦電型赤外線素子と、前記焦電
型赤外線素子を外乱光および電磁波より保護するための
カンと、前記カンに有する開口部に取付けられた赤外線
を前記焦電型赤外線素子に入射させる赤外線透過窓と、
前記焦電型赤外線素子を実装し前記カンと共に前記焦電
型赤外線素子を密閉するステムと、前記焦電型赤外線素
子とステムの間に設けられたペルチェ素子より構成さ
れ、これにより、焦電体をペルチェ素子により常に一定
温度に保持できるので、温度変化による素子からの電荷
の突発的放電が発生しないという作用を有する。

【００１６】（実施の形態１）以下、本発明の実施の形
態１について、図面を参照しながら説明する。

【００１７】図１は本発明の実施の形態１における焦電
型赤外線センサの回路図である。

【００１８】図１（ａ）において１ａ，１ｂは焦電体で
あり、例えばＬｉＴａＯ₃、ＰｂＴｉＯ₃、ＰＺＴ単結晶
等が用いられている。その厚さは１〜５μｍ程度であ
り、例えばスパッタリングにより作成される。２ａ，２
ｂは下部電極であり焦電体１ａ，１ｂの裏面に存在し、
例えばＰｔ等の金属膜が用いられている。下部電極２
ａ，２ｂはそれぞれ電気的に接合している。３ａ，３ｂ
は受光電極であり、焦電体１ａ，１ｂの表面に設けられ
ており、ＮｉＣｒ等の金属薄膜が用いられている。４は
ＦＥＴであり一方の受光電極３ａと電気的に接合してお
り、ＦＥＴ４から外部回路と接続している。５は高抵抗
であり一方が受光電極３ａと電気的に接合しており、他
方はグランドに電気的に接合しており、他方はグランド
に電気的に接合している。抵抗値は例えば１００ＧΩが
用いられている。６は抵抗体であり一方が下部電極２
ａ，２ｂと電気的に接合しており、他方はグランドに電
気的に接合している。抵抗値は例えば１００ＧΩが用い
られている。これにより、周囲の温度変化に対し、下部
電極に発生した電荷は抵抗体を介してグランドへ徐々に
逃げる。結果周囲の温度変化による素子からの電荷の突
発的放電が発生しないという作用を有する。

【００１９】なお、焦電体の抵抗値が数ＴΩなので、抵
抗体６の抵抗値としては数ＧΩ〜数ＴΩで焦電体の抵抗
値より小さい範囲であれば同様の効果を有する。

【００２０】また、図１（ｂ）に示すように一方が受光
電極３ａと電気的に接合した高抵抗５の他方を下部電極
２ａ，２ｂと電気的に接合した場合であっても、受光電
極３ａに発生した電荷は高抵抗５および抵抗体６を介し
てグランドへ徐々に逃げ、下部電極２ａ，２ｂに発生し
た電荷は抵抗体６を介してグランドに逃げ、受光電極３
ｂに発生した電荷はグランドへ徐々に逃げる。結果、周
囲の温度変化による素子からの電荷の突発的放電が発生
しない。

【００２１】また、図１（ｃ）に示すように受光電極３
ａと下部電極２ｂ、および受光電極３ｂと下部電極２ａ
を電気的に接合し、受光電極３ａとＦＥＴ４が電気的に
接合し、受光電極３ａと高抵抗５の一方が電気的に接合
し、他方がグランドに電気的に接合し、受光電極３ａが
グランドに電気的に接合した並列接続の場合でも、受光
電極３ａおよび下部電極２ｂで発生した電荷は抵抗体を
介してグランドへ徐々に逃げ、受光電極３ｂと下部電極
２ａに発生した電荷はグランドへ徐々に逃げる。結果、
周囲の温度変化による素子からの電荷の突発的放電が発
生しないという作用を有する。

【００２２】なお、抵抗体６が高抵抗５と同じ抵抗値で
あってもよい。

【００２３】（実施の形態２）以下、本発明の実施の形
態２について、図面を参照しながら説明する。

【００２４】図２は本発明の実施の形態２における焦電
型赤外線センサの断面図である。

【００２５】７はカンで外乱光や電磁ノイズを遮断する
ものであり、例えばＦｅまたはコバールまたはセラミッ
クが用いられている。カン７には開口部８を有する。９
は赤外線入射窓であり、開口部８の上側に装着されてお
り、赤外線を透過しカン７内に導く。例えば、Ｓｉまた
はＧｅ単体、またはそれぞれの表面または裏面および両
面に光学フィルタを蒸着したものである。１０はステム
であり、その上には焦電型赤外線素子１１、ＦＥＴ１
２、高抵抗１３が実装されている。焦電型赤外線素子１
１とステム１０の間に断熱材１４が設けられており、例
えば、ガラス、ガラエポ、紙フェノール、石綿板酸、サ
ントセル、シリカライト等の熱伝導率の小さい材料が用
いられている。

【００２６】これにより、周囲の温度変化によりステム
を通して焦電型赤外線素子に伝わる熱は、断熱体により
シャットアウトされるため、温度変化による素子からの
電荷の突発的放電が発生しないという作用を有する。

【００２７】なお、赤外線入射窓９を、開口部８の下側
に封着しても同様の効果を有することは言うまでもな
い。

【００２８】（実施の形態３）以下、本発明の実施の形
態３について、図面を参照しながら説明する。

【００２９】図３（ａ）は本発明の第３の実施の形態に
おける焦電型赤外線センサの断面図、図３（ｂ）は同上
方を透視した上面図である。ここで、図３に示す本発明
の実施の形態は、基本的には図２に示した実施の形態２
と同じ構成であるので、同一構成部分には同一番号を付
して詳細な説明を省略する。

【００３０】実施の形態１と違う点は、焦電型赤外線素
子１１、ＦＥＴ１２、高抵抗１３が基板１５に実装され
ており、焦電型赤外線素子１１の回りにスリット１６が
設けられた構成であり、例えばセラミック、ガラエポ、
紙フェノール等が用いられている。

【００３１】これにより、周囲の温度変化によりステム
から基板を通して焦電型赤外線素子に伝わる熱は、スリ
ットにより熱コンダクタンスがちいさくなりほとんど伝
わらなくなるため、温度変化による素子からの電荷の突
発的放電が発生しないという作用を有する。

【００３２】（実施の形態４）以下、本発明の実施の形
態４について、図面を参照しながら説明する。

【００３３】図４（ａ）は本発明の実施の形態４におけ
る焦電型赤外線センサの上面図、図４（ｂ）は同断面図
である。

【００３４】図４（ａ）において、１７は単結晶基板で
あり、その上に下部電極１８ａ，１８ｂを設け、下部電
極１８ａ，１８ｂ上に略同一形状の焦電体１９ａ，１９
ｂを設け、この焦電体１９ａ，１９ｂ上に電気的絶縁を
図るため層間絶縁膜２０が設けられ、この層間絶縁膜２
０上に赤外線吸収効果を有する受光電極２１ａ，２１ｂ
が設けられている。最表面には保護膜２３が設けられて
いる。これらにより構成された赤外線検出部２２は層間
絶縁膜２０および保護膜２３によって構成された保持膜
２４により中空に保持されており、赤外線検出部２２は
保持膜２４により島状に保持されている。層間絶縁膜２
０および保護膜２３は、例えばポリイミド等の有機膜が
用いられている。単結晶基板１７と接する基板表層部の
下部には単結晶基板１７と熱的にインシュレートするた
めに空洞２５が設けられている。

【００３５】以上のように構成された焦電型赤外線セン
サについて、その製造方法を以下に説明する。

【００３６】まず、基板として（１００）Ｍｇｏ単結晶
基板を用いる。そして、下部電極を形成する工程として
（１００）Ｍｇｏ単結晶基板上に２００ｎｍ程度の膜厚
を有するＰｔ薄膜をスパッタリング法で形成する。

【００３７】次に、焦電体を形成する工程として下部電
極上に焦電体としてランタンを含有したチタン酸鉛を高
周波マグネトロンスパッタリング法で形成する。

【００３８】次に、フォトリソグラフィ法とエッチング
法で焦電体を所定の形状にパターニングする。

【００３９】次に、フォトリソグラフィ法とエッチング
法で下部電極を所定の形状にパターニングする。

【００４０】次に、フォトリソグラフィ法でポリイミド
からなる層間絶縁のための絶縁膜を焦電体を除いた部分
が残るようにパターニングする。

【００４１】次に、赤外線吸収膜上の少なくとも一部
に、２０ｎｍ程度の膜厚を有する赤外光の反射率が小さ
く吸収効果の大きいＮｉＣｒ薄膜をスパッタリング法で
形成し、続いてフォトリソグラフィ法により所定のほぼ
同じ形状にパターニングする。

【００４２】次に、フォトリソグラフィ法で受光電極を
保護するため１μm程度の膜厚を有するポリイミドから
なる受光電極を保護するための保護膜を受光電極が覆わ
れるようにパターニングする。

【００４３】最後に、空洞を形成する工程として初めに
フォトリソグラフィ法によりエッチング穴を介してエッ
チング液を注入して、基板に下部電極と接する側より空
洞を形成する。

【００４４】これにより、周囲の温度変化によりステム
を通して焦電型赤外線素子に伝わる熱は、保持膜により
しま状に構成されているため、熱コンダクタンスがおお
きくなりほとんど伝わらなくなるため、温度変化による
素子からの電荷の突発的放電が発生しなくなり、かつ保
持膜による熱収縮により発生する素子応力による圧電ノ
イズも、保持膜によりしま状に構成されているた焦電体
がフリーになるため発生しない。

【００４５】なお、図４（ｂ）に示すように、赤外線検
出部の周りにスリット２５を設けることによっても同様
の作用を有する。

【００４６】（実施の形態５）以下本発明の実施の形態
５について、図面を参照しながら説明する。

【００４７】図５は本発明の実施の形態５における焦電
型赤外線センサの断面図である。ここで、図５に示す本
発明の実施の形態は、基本的には図２に示した実施の形
態２と同じ構成であるので、同一構成部分には同一番号
を付して詳細な説明を省略する。

【００４８】実施の形態２と違う点は、焦電型赤外線素
子とステムの間にペルチェ素子２７を設けた点である。

【００４９】これにより、焦電体をペルチェ素子により
常に一定温度に保持できるので、温度変化による素子か
らの電荷の突発的放電が発生しない。

【００５０】なお、ＦＥＴおよび高抵抗を同時にペルチ
ェ素子の上に実装することによって、ＦＥＴおよび高抵
抗の温度特性による出力およびノイズ変化を抑制するこ
とが可能となる。

【００５１】

【発明の効果】以上のように本発明は、抵抗体の一方を
下部電極に電気的に接合し他方をグランドに電気的に接
合することにより、周囲の温度変化に対し、下部電極に
発生した電荷は抵抗体を介してグランドへ徐々に逃げ
る。結果周囲の温度変化による素子からの電荷の突発的
放電が発生しないという効果を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１による焦電型赤外線セン
サの回路図

【図２】本発明の実施の形態２による焦電型赤外線セン
サの断面図

【図３】（ａ）本発明の実施の形態３による焦電型赤外
線センサの断面図（ｂ）同上方を直視した上面図

【図４】（ａ）本発明の実施の形態４による焦電型赤外
線センサの上面図（ｂ）同断面図

【図５】本発明の実施の形態５における焦電型赤外線セ
ンサの断面図

【図６】従来の焦電型赤外線センサを示す概略図

【符号の説明】

１ａ，１ｂ焦電体２ａ，２ｂ下部電極３ａ，３ｂ受光電極４ＦＥＴ５高抵抗１４断熱材１５基板１６，２０スリット２４保持膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中西努大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内 (72)発明者野村幸治大阪府門真市大字門真1006番地松下電器産業株式会社内Ｆターム(参考） 2G065 AB02 BA13 BA36 BA37 BA38 BB26 BD06 CA01 CA12 CA19 CA21 DA20 2G066 AC05 AC09 AC13 BA01 BA02 BA44 BB01 BB07 BB11

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも同一方向に分極軸を有する１
対の焦電体と、この焦電体の表面および裏面に設けた受
光電極および下部電極と、この各々の下部電極が電気的
に接合しており、前記一方の下部電極に電気的に接合し
他方がグランドに電気的に接合している抵抗体よりなる
ことを特徴とする焦電型赤外線センサ。
【請求項２】少なくとも焦電型赤外線素子と、この焦
電型赤外線素子を外乱光および電磁波より保護するため
のカンと、前記カンが有する開口部に取付けられ赤外線
を前記焦電型赤外線素子に入射させる赤外線透過窓と、
前記焦電型赤外線素子が実装され前記カンと共に前記焦
電型赤外線素子を密閉するステムと、前記焦電型赤外線
素子とステムの間に設けられた断熱体よりなることを特
徴とする焦電型赤外線センサ。
【請求項３】少なくとも赤外線を検出する焦電型赤外
線素子と、前記焦電型赤外線素子を外乱光および電磁波
より保護するためのカンと、前記カンに有する開口部に
取付けられ赤外線を前記焦電型赤外線素子に入射させる
赤外線透過窓と、前記カンと共に前記焦電型赤外線素子
を密閉するステムと、前記焦電型赤外線素子を実装する
ための基板よりなり、この基板の焦電型赤外線素子が実
装された回りにスリットが設けられたことを特徴とする
焦電型赤外線センサ。
【請求項４】単結晶基板上に下部電極を設け、この下
部電極上に略同一形状の焦電体を設け、この焦電体上に
赤外線吸収効果を有する受光電極を設けた赤外線検出部
と、前記赤外線検出部が前記単結晶基板と接する基板表
層部の下部に空洞を有し、前記赤外線検出部は保持膜に
より中空にかつ島状に保持されていることを特徴とする
焦電型赤外線センサ。
【請求項５】少なくとも赤外線を検出する焦電型赤外
線素子と、前記焦電型赤外線素子を外乱光および電磁波
より保護するためのカンと、前記カンに有する開口部に
取付けられた赤外線を前記焦電型赤外線素子に入射させ
る赤外線透過窓と、前記焦電型赤外線素子を実装し前記
カンと共に前記焦電型赤外線素子を密閉するステムと、
前記焦電型赤外線素子とステムの間に設けられたペルチ
ェ素子よりなることを特徴とする焦電型赤外線センサ。