JPH06137940A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 パッケージ内が減圧状態とされていて、感度
・応答速度の高速化が図られているとともに、パッケー
ジ内の減圧状態の異変感知が容易になされるようになっ
ている熱型の赤外線センサを提供する。 【構成】 この発明の赤外線センサの場合、赤外線吸収
で生じた熱で起こる温度変化を利用して赤外線検出を行
う熱型の赤外線検出部２がパッケージ内に収容されてお
り、前記パッケージの内に通電により発熱する発熱体が
配置され、前記パッケージの内が減圧状態とされている
とともに、前記通電に伴う温度変化分に応じた温度差信
号を出力する温度差検出手段を備えていて、この検出手
段により得られた温度差信号に基づいて減圧状態の異変
が知らされるようになっていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は赤外線吸収で生じた熱
で起こる温度変化を利用して赤外線検出を行うタイプの
赤外線センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】赤外線センサには量子型と熱型とがあ
る。量子型の赤外線センサは、赤外線の吸収で生じた電
子・正孔対を外部回路に導いて検出信号を得るタイプで
ある。熱型の赤外線センサは、赤外線の吸収で生じた熱
で起こる温度変化を利用して検出信号を得るタイプであ
る。

【０００３】量子型の赤外線センサは、高感度・高速応
答という特徴があるが、ノイズの低減のために冷却によ
る低温保持が必要であるとともに高価であるため汎用性
に欠ける。一方、熱型の赤外線センサは、量子型に比べ
て感度・応答速度の面では一歩劣るが、常温で使用でき
るし、消費電力も少なく比較的安価でもあることから、
一般家庭やビル、工場等で人体や物体の感知用などとし
て実用に供されている。

【０００４】熱型の赤外線センサには、温度変化を焦電
効果で捉える焦電型、温度変化をゼーベック効果で捉え
る熱電対・サーモパイル型、温度変化を材料の電気抵抗
変化で捉えるサーミスタ型等がある。高感度化のため
に、赤外線検出部自体の構造に工夫がこらされている。
金黒等の赤外線吸収膜を設けることにより、赤外線吸収
率をあげたり、赤外線検出部を基体から実質的に分離さ
れた熱抵抗の高い薄膜の上に設けることより赤外線検出
部からの熱エネルギーの流出を少なくしたりといったこ
とが行われている。

【０００５】薄膜の上に設けた赤外線検出部では赤外線
吸収膜だけでなく感温抵抗体（サーミスタ）、引き出し
電極などが全て薄膜状に形成されている。これによって
赤外線吸収に伴う熱が検出部の温度上昇に有効に使われ
ることになるため、感度・応答速度が改善される。とこ
ろが、赤外線検出部の構造の工夫による向上策には限界
がある。というのは、薄膜構成タイプの赤外線検出部の
場合、検出部から流出する熱エネルギーのうち空気を通
して放散流出する分の占める割合が多くなるため、検出
部の構造変更を変えても熱エネルギーの流出をそれ以上
に効果的に押し止めることが出来ないからである。

【０００６】そのため、赤外線検出部から空気を伝わっ
て逃げる熱エネルギーを少なくし高感度化を図るには、
赤外線検出部を減圧状態のパッケージの内に収容すれば
よい。このように、赤外線検出部を減圧状態に置けば、
高感度化・高速応答化が図れると同時に空気の乱れによ
るノイズの低減も図れるようになる。しかしながら、パ
ッケージ内部の減圧状態に異変が起こることを完全に避
けることは難しい。封止部分でのリークやパッケージ内
部でのガスの発生等により、パッケージ内部の圧力上昇
が起こる可能性がある。パッケージ内部の圧力上昇が起
こると、感度の低下や検出不能といった事態となるた
め、使用を停止したり、交換する必要がある。しかしな
がら、パッケージ内部の圧力異変は普通、外観的変化を
伴わないため発見が容易でない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、上記事情
に鑑み、パッケージ内が減圧状態とされていて、感度・
応答速度の高速化が図られているとともに、パッケージ
内の減圧状態の異変感知が容易になされるようになって
いる熱型の赤外線センサを提供することを課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するた
め、この発明にかかる赤外線センサでは、赤外線吸収で
生じた熱で起こる温度変化を利用して赤外線検出を行う
熱型の赤外線検出部がパッケージ内に収容されており、
前記パッケージの内に通電により発熱する発熱体が配置
され、前記パッケージの内が減圧状態とされているとと
もに、前記通電に伴う温度変化分に応じた温度差信号を
出力する温度差検出手段を備えていて、この検出手段に
より得られた温度差信号に基づいて減圧状態の異変が知
らされる構成となっている。

【０００９】この発明の赤外線センサにおいて、発熱体
（ヒータ）が赤外線検出部に設けられていて、温度差検
出手段では、通電に伴って赤外線検出部が温度変化する
とともに前記赤外線検出部の出力信号を用いて温度差信
号が発生するようになっている形態や、赤外線検出部に
は赤外線吸収による熱で温度変化し抵抗値が変化する感
温抵抗体が設けられており、この感温抵抗体が発熱体を
兼ねていて、温度差検出手段では、減圧状態の異変感知
のための通電に伴う感温抵抗体の抵抗値変化を利用して
温度差信号が発生するようになっている形態は好ましい
形態である。

【００１０】この発明の赤外線センサにおけるパッケー
ジの内部空間の減圧状態の程度に関しては、１０^-2Torr
以上の高真空（例えば１０^-3Torr）であることが望まし
い。赤外線センサでは、人体や物体からの赤外線を捉え
て人体や物体の感知を行う場合、それらの表面温度に応
じた波長にピークをもつ赤外線のみを捉えるようにする
方が、誤動作・外乱ノイズの影響を小さくする上から望
ましい。ピークの波長は人体や物体の表面温度が低いほ
ど長くなる。例えば、人体の場合は約１０μｍ近傍にピ
ークをもつ。熱型の赤外線センサは波長選択性に乏し
く、広い波長範囲に感度を有するので、上の観点からは
好ましくない。そのため、この発明の赤外線センサで
は、普通、検出赤外域以外の波長域の光除去したり、所
望の波長域の光だけを透過するフィルタが装着されてい
る。

【００１１】

【作用】この発明の赤外線センサでは、発熱体と温度差
検出手段とでパッケージの内部空間の減圧状態をモニタ
し、減圧状態の異変が知らされるようになっいる。減圧
状態のモニタは以下のように進行する。発熱体の通電に
より所定の熱が生じ、この熱でパッケージ内では温度変
化が起こる。この温度変化分の大きさが減圧状態と一定
の関係がある。パッケージ内の圧力が低いと熱流出が少
ないため（正常な減圧状態だと）温度変化分が大きく、
パッケージ内の圧力が高いと熱流出が多いため（正常な
減圧（リーク等で圧力が高いと）温度変化分が少ない。
発熱体の通電で生じた温度変化は、温度差検出手段で温
度変化分に応じた温度差信号として捉えられており、こ
の温度差信号の大きさがパッケージ内の圧力と一定の関
係があるため、例えば、この温度差信号が予め定めた許
容減圧度に対応するしきい値を過ぎるようだと、例えば
音や光の報知シグナルを発するようにして、減圧状態に
異変が起きたことを知らせるようにするのである。

【００１２】勿論、この発明の赤外線センサでは、赤外
線検出部が収められたパッケージ内が減圧状態であるた
め、感度・応答速度がよいことは言うまでもない。赤外
線検出部の出力信号を利用して温度差信号を得るように
なっていたり、感温体が発熱体を兼ねている場合は部品
点数の減少・組み立て工程の簡略化が図れ、結果的にコ
ストも低く抑えられる。

【００１３】

【実施例】以下、この発明の赤外線センサの実施例を説
明する。この発明は、以下の実施例に限らない。図１
に、実施例にかかる赤外線センサの全体構造をあらわ
す。実施例の赤外線センサでは、熱型の赤外線検出部２
を備えた赤外線検出素子１がステム（基台）６０とキャ
ップ（蓋体）７０で構成されるパッケージ内に収容され
ている。この赤外線検出素子１は、赤外線吸収で生じた
熱で起こる温度変化を利用して赤外線検出を行うタイプ
のものである。ステム６０とキャップ７０で作られるパ
ッケージの内部空間が減圧状態であることは言うまでも
ない。

【００１４】赤外線検出素子１は、基板１０の裏面がセ
ラミックや金属あるいは合成樹脂からなるステム６０の
上に、接合剤６２を介して接合搭載されている。ステム
６０には、棒状の端子６４，６４がステム６０の上下面
を貫通して取り付けられている。端子６４，６４の上端
と、赤外線検出素子１のパッド３２，３２は、ボンディ
ングワイヤ６６で配線接続されていて、駆動電源の供
給、赤外線検出信号の取り出し等がなされるようになっ
ている。

【００１５】一方、キャップ７０の中央には窓が開いて
いて、この窓を塞ぐようにフィルタ７２が封着されてい
る。このフィルタ７２は、波長１０μｍ付近に透過率の
ピークがあり、５μｍ越える波長域では透過率が低く、
波長１０μｍ付近にピークのある赤外線を選択的に透過
させられるフィルタである。赤外線検出素子１では、図
２にみるように、シリコンなどからなる基板１０の上
に、熱抵抗の大きな熱絶縁膜１１が形成され、この熱絶
縁膜１１の上に赤外線検出部２が設けられている。熱絶
縁膜１１は、厚み０．１μｍの窒化シリコン膜で厚み
０．５μｍの酸化シリコン膜をサンドイッチしてなる多
層構造膜である。そして、赤外線検出部２の設置箇所に
対応する熱絶縁膜１１の裏側で、基板１０には中空部
（熱分離空間）１２が欠除形成されており、この中空部
１２の部分では、熱絶縁膜１１が中空状態になってお
り、いわゆるダイアフラム構造を構成している。熱絶縁
膜１１があると、赤外線検出部２から熱が流出し難く、
赤外線吸収で発生した熱が赤外線検出部２を高い温度に
迅速に上昇させる。

【００１６】赤外線検出部２では、熱絶縁膜１１の上に
は、まず厚み０．１μｍのクロム膜の発熱体５が設けら
れており、その上に、厚み０．５μｍの酸化シリコンの
絶縁膜１７を介して、厚み０．２μｍのクロム膜製の下
電極１３、厚み０．２μｍのクロム膜製の上電極１５で
サンドイッチされる形でアモルファスシリコンカーバイ
ド（ＳｉＣ）膜製の感温抵抗体１４が設けられている。
上電極１５の上には、厚み１．５μｍの酸化シリコン膜
からなる赤外線吸収膜１６が設けられている。

【００１７】感温抵抗体１４は温度変化で抵抗値が変化
する。この赤外線検出素子１では、もちろん、赤外線吸
収膜１６で生じた熱で感温抵抗体１４の温度が変化し抵
抗値が変わるので、これを捉えて赤外線検出がなされる
ことは言うまでもない。図２の赤外線検出素子１では、
赤外線検出部２が１個であるが、赤外線検出部２を２個
以上設け、温度補償がなされる構成にするようにするこ
とも有用である。

【００１８】図３にみるように、発熱体５は感温抵抗体
１４の下方に屈曲した状態で設けられており、配線接続
用のパッド５ａの所では絶縁膜１７に窓が開いている。
また、上下電極１３，１５は四角の形で設けられてい
る。図４に、赤外線検出部２に一定の熱エネルギーが与
えられた時の赤外線検出部２の温度変化分（上昇分）と
真空度の関係をあらわす。圧力の上昇（真空度の低下）
につれて温度上昇分は急激に少なくなる。

【００１９】続いて、この赤外線センサでの減圧状態の
モニタ動作について説明する。このモニタ動作の際には
図５の温度差検出回路が働く。電源部２１から発熱体
（ヒータ）５に一定の電流が流される。この通電により
発熱体５から発生する熱は上方の感温抵抗体１４の温度
を上昇させる。この温度上昇により感温抵抗体１４の抵
抗値は当然に変化する。抵抗値の変化は抵抗検出部２２
で検出し、抵抗値変化に比例した信号を発生する。この
信号は、発熱体５の通電に伴う温度変化分に応じた温度
差信号である。赤外線検出部２の出力信号を用いて温度
差信号が発生するようになっているのである。得られた
温度差信号を入力するコンパレータ２３は、温度差信号
が許容減圧度に相当するしきい値を過ぎていると出力信
号を感知出力部２４に送る。出力信号を受けた感知出力
部２４はパッケージの内部空間の減圧度が許容減圧度を
過ぎて異変が起きたことを光や音で知らせる。

【００２０】この実施例では、発熱体５が感温抵抗体１
４の下方に設けられていたが、発熱体５は感温抵抗体１
４の上方ないし側方に設けられるようであってもよい。
勿論、発熱体５は、赤外線検出素子１以外の場所に設け
られてもよいし、発熱体５の通電に伴う温度変化分に応
じた温度差信号を得るのに、感温抵抗体１４を使わず
に、別途に設けた感温素子を利用するようにしてもよ
い。

【００２１】続いて、この発明の他の実施例にかかる赤
外線センサを説明する。この実施例の場合、赤外線検出
素子２が図６に示す構成である他は、図１と同じ構造で
ある。また、図６において、図２と同じ番号を付したも
のは、図２の赤外線検出素子におけるものと同じものを
指すので共通する部分の説明は省略する。

【００２２】他の実施例の赤外線センサは、感温抵抗体
１４が発熱体を兼ねている点に特徴がある。この赤外線
センサでの減圧状態のモニタ動作は以下の通りとなる。
モニタ動作が開始する前は、感温抵抗体１４の電圧はＶ
１、電流はＩ１、抵抗値はＲ１、温度はＴ１とする。モ
ニタ動作の開始により、感温抵抗体１４の電圧をＶ２に
上昇させる。当然電流は増え温度Ｔ２で平行に達したと
する。その時の感温抵抗体１４の電流はＩ２、抵抗値は
Ｒ２とする。

【００２３】感温抵抗体（サーミスタ層）１４のＢ定数
から、Ｒ２＝Ｒ１ｅｘｐＢ〔（１／Ｔ１）−（１／Ｔ
２）〕となる。これによって流れる電流はＩ２＝Ｖ２／
Ｒ２となる。結果として、与えられた熱エネルギーΔＷ
＝Ｖ２・Ｉ２−Ｖ１・Ｉ１により、ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１が
生じたことになる。

【００２４】温度差検出回路は、Ｖ１、Ｉ１、Ｖ２、Ｉ
２を検出し、演算によりΔＴに対応する信号（ΔＴその
ものでもよいことは言うまでもない）を求めるととも
に、与えられた熱エネルギーΔＷを求め、熱エネルギー
ΔＷも勘案してΔＴが許容減圧度に相当するしきい値を
過ぎているかいないか判定し、過ぎていれば出力信号を
感知出力部に送り、パッケージの内部空間の減圧度が許
容減圧度を過ぎて異変が起きたことを光や音で知らる。
この場合、温度差検出回路は、例えば、適当なＩ／Ｏ回
路とマイクロプロセッサなどを用いた通常の回路構成で
実現することができる。

【００２５】この実施例の場合、発熱体５の形成・組み
付けが省略できるという利点がある。この発明の場合、
発熱体に生じる熱は肝心の赤外線の検出の妨げになるた
め、モニタ動作は一定時間おきに間欠的に行う。また、
温度差検出回路は内設、外付けのいずれでもよく、その
一部又は全部がシリコン基板１０に作り込まれている構
成であってもよい。

【００２６】

【発明の効果】この発明の赤外線センサでは、赤外線検
出部が減圧状態の空間に収容されているため感度・応答
速度が高く、減圧状態の異変が知らされるようになって
いるためセンサの使用停止・交換時期を知ることが出来
る。赤外線検出部の出力信号を利用して温度差信号を得
るようになっていたり、感温体が発熱体を兼ねている場
合は部品点数の減少・組み立て工程の簡略化が図れ、結
果的にコストも低く抑えられるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例の赤外線センサの全体構成をあらわす断
面図である。

【図２】実施例の赤外線センサの赤外線検出素子をあら
わす断面図である。

【図３】実施例の赤外線センサの発熱体をあらわす平面
図である。

【図４】実施例の赤外線センサの赤外線検出部の温度上
昇と真空度の関係をあらわすグラフである。

【図５】実施例の赤外線センサの温度差検出回路をあら
わす電気回路図である。

【図６】他の実施例の赤外線センサのの赤外線検出素子
をあらわす断面図である。

【符号の説明】

１ 赤外線検出素子 ２ 赤外線検出部 ５ 発熱体 １４ 感温抵抗体 ６０ ステム（パッケージの一部） ７０ キャップ（パッケージの一部）

【手続補正書】

【提出日】平成５年１月２５日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１１】

【作用】この発明の赤外線センサでは、発熱体と温度差
検出手段とでパッケージの内部空間の減圧状態をモニタ
し、減圧状態の異変が知らされるようになっている。減
圧状態のモニタは以下のように進行する。発熱体の通電
により所定の熱が生じ、この熱でパッケージ内では温度
変化が起こる。この温度変化分の大きさが減圧状態と一
定の関係がある。パッケージ内の圧力が低いと熱流出が
少ないため（正常な減圧状態だと）温度変化分が大き
く、パッケージ内の圧力が高いと熱流出が多いため（リ
ーク等で圧力が高いと）温度変化分が少ない。発熱体の
通電で生じた温度変化は、温度差検出手段で温度変化分
に応じた温度差信号として捉えられており、この温度差
信号の大きさがパッケージ内の圧力と一定の関係がある
ため、例えば、この温度差信号が予め許容減圧度に対応
するしきい値を過ぎるようだと、例えば音や光の報知シ
グナルを発するようにして、減圧状態に異変が起きたこ
とを知らせるようにするのである。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００１５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００１５】一方、キャップ７０の中央には窓が開いて
いて、この窓を塞ぐようにフィルタ７２が封着されてい
る。このフィルタ７２は、波長１０μｍ付近に透過率の
ピークがあり、５μｍ越える波長域では透過率が高く、
波長１０μｍ付近にピークのある赤外線を選択的に透過
させられるフィルタである。赤外線検出素子１では、図
２にみるよに、シリコンなどからなる基板１０の上に、
熱抵抗の大きな熱絶縁膜１１が形成され、この熱絶縁膜
１１の上に赤外線検出部２が設けられている。熱絶縁膜
１１は、厚み０．１μｍの窒化シリコン膜で厚み０．５
μｍの酸化シリコン膜をサンドイッチしてなる多層構造
膜である。そして、赤外線検出部２の設置箇所に対応す
る熱絶縁膜１１の裏側で、基板１０には中空部（熱分離
空間）１２が欠除形成されており、この中空部１２の部
分では、熱絶縁膜１１が中空状態になっており、いわゆ
るダイアフラム構造を構成している。熱絶縁膜１１があ
ると、赤外線検出部２から熱が流出し難く、赤外線吸収
で発生した熱が赤外線検出部２を高い温度に迅速に上昇
させる。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】感温抵抗体（サーミスタ層）１４のＢ定数
から、Ｒ２＝ＲｌｅｚｐＢ〔１／Ｔ２）−（１／Ｔ
１）〕となる。これによって流れる電流はＩ２＝Ｖ２／
Ｒ２となる。結果として、与えられた熱エネルギーΔＷ
＝Ｖ２・Ｉ２−Ｖ１・Ｉ１により、ΔＴ＝Ｔ２−Ｔ１が
生じたことになる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 石田 拓郎 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内 (72)発明者 柿手 啓治 大阪府門真市大字門真1048番地松下電工株 式会社内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外線吸収で生じた熱で起こる温度変化
   を利用して赤外線検出を行う熱型の赤外線検出部がパッ
   ケージ内に収容されている赤外線センサにおいて、前記
   パッケージの内に通電により発熱する発熱体が配置さ
   れ、前記パッケージの内が減圧状態とされているととも
   に、前記通電に伴う温度変化分に応じた温度差信号を出
   力する温度差検出手段を備えていて、この検出手段によ
   り得られた温度差信号に基づいて減圧状態の異変が知ら
   されるようになっていることを特徴とする赤外線セン
   サ。
2. 【請求項２】 発熱体が赤外線検出部に設けられてい
   て、温度差検出手段では、通電に伴って赤外線検出部が
   温度変化するとともに前記赤外線検出部の出力信号を用
   いて温度差信号が発生するようになっている請求項１記
   載の赤外線センサ。
3. 【請求項３】 赤外線検出部には赤外線吸収による熱で
   温度変化し抵抗値が変化する感温抵抗体が設けられてお
   り、この感温抵抗体が発熱体を兼ねていて、温度差検出
   手段では、減圧状態の異変感知のための通電に伴う感温
   抵抗体の抵抗値変化に基づいて温度差信号が発生するよ
   うになっている請求項１または２記載の赤外線センサ。