JPH03503225A - 熱的赤外線検出器の電極構造 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 熱的赤外線検出器の電極構造 焦電性を利用した赤外線検出器および検出器アレイは広い分野において使用され ており、その動作周波数も数ヘルツから数キロヘルツにわたっている。ＰＶＤＦ １合体によるＴＧＳ結晶から種々の処方のセラミックスにわたる範囲の種々の材 料が、この分野において用いられている。特に、ＰＺ群のセラミックスが熱的赤 外線検出器の分野において広く用いられている。

例えば、タンタル酸塩・スカンジウム （Ｐｂ　　５ｃＴａＯ６）のような、誘電体ボロメータ材料として動作すること ができる材料を用いることにより、信号対雑音比を大幅に改良することができる 。従来の焦電性材料と機能的には同じように、誘電体ボロメータは、直流バイア ス電界によって誘起される無電性応答を利用している。この電流バイアス電界の 典型的な大きさは１〜５ｘ１０６ｖｍ−１である。高効率の検出器をうるために は、バイアス電界は、検出器材料の体積にわたって、大きさが事実上均一でなけ ればならない。通常の誘電体ボロメータはセラミック処方方式で製造することが できる。この方式で製造された誘電体ボロメータは、機械的には、従来の無電性 セラミックスとほぼ同様であり、そして同じような処理方法により、この材料を 薄くするおよび適切な電極を取り付けることができる。

検出器の従来の設計方式では、材料の表面の上に電極のパターンを定めて、検出 器を作成した。通常、電極は、検出器材料の対向する２つの表面上に定められた 、２つの領域で構成される。これらの電極領域のうちの１つの電極領域は、添付 図面の第１図に示されているように、ある形式の赤外線吸収体を有している。図 面に示されているように、検出器構造体には電気接触体１０．１２が必要であり 、そしてこれらの電気接触体１０．１２は、検出器材料１８の２つの表面１４． １６の上に作成される。複数個の検出器の直線状アレイ構造体を保持するのに、 ２つの方式がある。１つ方式は、保持基板に検出器材料を接着剤で接着する方式 であり、そしてもう１つの方式は、相互接続基板または読み出し回路に対するハ ンダ・バンブを利用して、ハンダ接着する方式である。いずれの方式を用いる場 合でも、検出器の２つの表面と接触を行なうことは難しい。特に、もし応答特性 を向上するためとアレイに配置された隣接する素子の間の熱の漏洩による相互干 渉を防止するために、検出器材料が網目状に配置されるならば、両表面との接触 は困難である。

焦電性検出器の場合、補償領域を用いて、機械的振動や環境温度の変動などによ り生ずる共通モードの信号を打ち消ずことにより、この問題点を解決することが できる。

この領域は活性素子と直列対置的に接続され、そして検出器の１つの表面とだけ 電気的接触を行なうことを必要とする。

焦電性セラミックスは均一に誘電分極される。このことは、補償領域に対し、反 対符号の出力を与える。けれども、このような方式は、応答が電界を加えること によって誘起される誘電体ボロメータには適用できない。もし同じ構造体が２個 の接触体を有するように用いられるべきであるならば、「補償」領域は直列対置 的よりは直列相補的に作用するであろう。

本発明の１つの目的は、熱的赤外線検出鼎構造体を作成することができ、かつ、 電気的接続体を検出器材料の１つの表面上だけに作成することができる、新規な 電極構造を有する熱的検出器をうろことである。

本発明により、２つの信号接触体が検出器材料の１つの表面上に存在するように 配置された、電極をそなえた検出器材料の層を有する、赤外光線の熱的検出器が えられる。

焦電性検出器では、活性材料は誘電分極の状態にある、または使用の前に電界を 加えて誘電分極の状態にされる。

したがって、おのおのの素子からの信号の読み出しに用いられる電極は、誘電分 極を起こさせる条件により異なる。このことは誘電体ボロメータの場合にはあて はまらない。それは、この場合には、誘電分極はバイアス電界によって使用中に 誘起されるからである。

誘起した誘電分権は温度により変わる。その結果、電界強度と共に変わる大きさ ［〕（旦）を為し、かつ、電界（Ｅ）と平行な方向を有する、誘起焦電係数かえ られる。

この誘起無電効果により、焦電性検出器で用いられたのと同じ方式により、変調 された光の検出を行なうことができる。検出器材料の対向した表面上の面積Ａの 整合したミルの間に、均一なバイアス電界を加えた場合、それに応答して生ずる 電気最は Ｐ（ｌ旦１）・ΔＴ−Ａ である。ここで、ΔＴは温度の変動を表す。バイアス電界が均一でなく、かつ、 温度が検出器の体積Ｖ内の位置ｆＶＰ［ｌ旦１　（ｒ）］　−ΔＴ　（ｒ）−１ 旦（ｄｌｄＶ／φである。ここで、φは加えられたバイアス電圧であり、それに より電界旦（ｒ）が生ずる。このように、局所的な電界強度は、係数Ｐと、誘電 弁＆電荷が電極に結合して検出可能な電荷を発生する効率との両方を決定する。

したがって、均一な電界を用いることは、この結合に対して最も効率的な構成で あるが、そのためには従来は、検出器素子の２つの主要表面に電気的接続を行な うことが必要であった。

１つの表面上だけに電気的接続を行なう構造体の場合には、測定されるべき温度 変動が最も大きい体積領域内では、はぼ均一な電界強度を生じ、そしてそれ以外 の体積領域内では、電界強度が小さいような電界を生ずるのが、効率的な電極構 造体である。前者の条件によって効率的な結合が確保され、そして後者の条件に よって、電圧応答特性を劣化させる好ましくない浮遊静電容量が排除される。

添付図面の第２図〜第４図を参照して本発明をさらに説明しよう。

第２図は熱的赤外線検出器の部分立体図である。

第３図は検出器の１つの好ましい実施例の部分立体図である。

第４図は本発明による変更された検出器の横断面概要図である。

第２図に示されているように、厚い検出器材料平板２８の上側表面（受光表面） ２６の上に、２つの櫛形電極が交互に並んで配置される。変調周波数ｆを有する 光がこの上側表面で吸収される時、この表面のほぼ拡散長に等しい深さまでこの 材料が加熱される。ここで、拡散長とは［拡散率／（２ｐπｆ）］　　　である 。もし電極の幅と分離幅との比がほぼ１であるならば、平板２８の内部で電極間 の距離よりも大きな表面からの深さにおいて、バイアス電界は急速に減衰する。

もしく電極フィンガ３００間の）間隔幅が拡散長と整合するならば、電界の大き さと温度分布もまたうまく整合する。

この整合は、下に熱絶縁Ｍ３２をそなえた薄い検出器２８ａを用いることにより （第３因をみよ）、改善することができる。この層は気体または導電率の小さな 重合体であることができる。熱絶縁層３２がこれらのいずれであっても、その熱 伝導率は小さく、かつ、′Ｓ電率も小さい。これらの性質のために、熱エネルギ と電界が検出器材料の中に集中することになる。電極を指状に交互に配置すると 、第３図に示された構造体がえられる。この場合の設計方針は、第２図に示され た設計方針とほぼ同じである。電極間隙幅（電極フィンガ３ｏの間の距１１）と 、電極の幅（個々の電極フィンガ３０の幅）と、検出器材料２８ａの厚さは、第 ２図の装置の対応する寸法とほぼ同じである。検出器材料の厚さは、検出器材料 内の拡散長より大幅に大きくはなく、そしてできれば拡散長以下であることが好 ましい。

第２図と第３図のいずれにおいても、検出器材料２８または２８ａの中の有効電 界は、φを電極間の間隙距離で除算したものにほぼ等しい。したがって、用いら れる検出器材料の最良動作電界強度（Ｅｏ＞がわかっているならば、φの適切な 値を計算することができる。

このような指状交互配置構造を、従来の焦電性材料に対しても適用することがで きる。ただし、使用の前に、指状交互配置１ｆ！ｉ極により、この無電性材料の 誘電分極を整列させておく。もし第３図に示された絶縁体材料３２によって分離 された検出器材料２８ｂの第２表面３４の上に、１つの電極が配置されるならば 、第４図の方式を用いることができる。バイアス電圧が加えられ、そして第１表 面２６Ｈの上の２個の櫛形電極に対し、読み出し線路が取り付けられる。一方、 反対側の表面３４の上の電極３６は、電気的に浮動のままである。対称的に配置 されているので、この電極３６はバイアス電圧の半分の電位になる。体積領域ａ １内では、バイアス電界はその大きさも、および方向も、はぼ均一である。中央 の体積領域ａ２内では、３個の電極３０，３６．３０の間に不均一な周縁電界が 存在する。もし電極フィンガ３０の間の間隙距離が検出器材料２８ｂの厚さの１ 倍ないし２倍であるならば、体積領域ａ２の大部分の中の電界は十分に強く、そ れにより信号の良好な結合をうることができ、かつ、その電界の強さは電極フィ ンガ３０の間の表面に沿って電気的ブレークダウンを起こす危険をもたらす程、 必要以上に強くはない。第３図の構造体に適用された検出器の厚さと熱拡散長と の間の好ましい関係は、この構造体（第４図）にも適用される。最良のバイアス 電圧φはＥｏと検出器の厚さの２倍との積にほぼ等しい。製造を容易にするため に、浮動電極３６を省略することができる。この場合には、体積領域ａ２内の周 縁電界と体積領域ａ１内のより弱い周縁電界とが信号を生ずる。もちろん、この ような装置の効率は小さくなる。

第３図および第４図の実施例では、接続線路は、上側表面２６ａ、すなわち、赤 外線信号で照射される表面の上に、作成されることを仮定している。もし接続線 路が下側表面３４の上に作成することができるならば、この構造体を反転するこ とができ、反対側表面３４に電極を取り付ける、すなわら、第４図で３４および ２６ａに電極を取り付けることができる。これは、電気的接続がハンダ・バンブ 接合によって行なわれる場合には、特に有用である。第２図、第３図、および第 ４図で説明した実施例は、白金黒のようなよく知られた赤外光線吸収体をそなえ ることができる。これらの赤外光線吸収体を、第２図から第４図までの図面に示 された検出器の上側表面の上の定められた電極領域から、電気化学的に成長させ ることができる。赤外光線吸収体は縦方向にもまた横方向にも成長する傾向があ るので、この方法により、電極の間の間隙領域において、効率的な光吸収性能を うろことができる。赤外光線を吸収するまた別の方法は、抵抗体電極、例えば３ ００〜４００オーム／平方を有する抵抗体を、電極に用いることである。これは 特に第４図の反転された形式に関係している。この場合には、抵抗性浮動電極は 、赤外光線の吸収と導電性の両方の点で、検出器の有効領域を定めるであろう。

バイアス電圧線路 信号読み出し線路 バイアス電圧線路 浮！１１Ｔｔｈ極 補正書の翻訳文提出書　（特許此１８４条の７第１ｍ）平成２年７月２７日 園

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．　２つの信号接触体が検出器材料の１つの表面に存在するように配置された 電極をそなえた検出器材料の層を有する赤外光線の熱的検出器。
2. ２．　請求項１において、検出器材料の厚さにほぼ等しい距離だけ分離された２ つのメタライゼーシヨン領域を前記電極が有する、前記検出器。
3. ３．　請求項１または請求項２において、前記電極が３個またはさらに多数個の フィンガをそなえた指状交互配置櫛形構造体を有する、前記検出器。
4. ４．　請求項１、請求項２、または請求項３において、前記電極が配置されてい るのとは反対側の検出器材料の裏側表面上に浮動電極を有する、前記検出器。
5. ５．　請求項１から請求項４までのいずれかにおいて、前記構造体の上側表面上 に赤外光線を受光する目的で特別に沈着された層の中で赤外光線が吸収される、 前記検出器。