JPH08145798A - 赤外線温度センサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 赤外線温度センサーの温度応答性を向上させ
るとともに、環境から受ける熱雑音を遮断する。 【構成】 支持基板の、感温素子が形成される面とは反
対側の面に赤外線反射層を付加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非接触で被測定対象物の
温度を測定する熱型の赤外線温度センサーに関するもの
であり、特に応答性を向上させ、かつ熱雑音を抑制する
技術に関わるものである。

【０００２】

【従来の技術】熱型温度センサーには測定原理別にみる
とサーミスタ型，サーモパイル型，焦電型などがある。
サーミスタ型を例にとって従来技術を説明する。図１に
従来技術の第１の例を示す。図１において、サーミスタ
薄膜１は支持基板２上に形成され、サーミスタ薄膜１に
通電するための電極３が接続されている。非接触式の場
合、被測定対象物からの放射赤外線４は支持基板２の、
サーミスタ素子１が形成されている面に照射される。赤
外線を照射されたサーミスタ素子１は熱平衡状態に達す
るまで温度上昇し、その抵抗値を変化させる。サーミス
タ抵抗値Ｒの温度特性は一般に(1) 式で表される。

【０００３】 Ｒ＝Ｒ₀ ・ｅｘｐ Ｂ (１／Ｔ−１／Ｔ₀) （１） ここでＲ₀ は温度Ｔ₀ における抵抗値である。定数Ｂは
サーミスタ抵抗値の温度変化に対する抵抗値変化の感度
を決める物性定数であり、Ｂ定数と呼ばれる。サーミス
タ素子１の抵抗値Ｒを測定することにより、サーミスタ
素子１の温度Ｔを検知することができる。

【０００４】微弱な熱源からの赤外放射により短時間で
平衡状態にまで温度を上昇させるには感温素子の熱容量
は可能な限り小さい方が望ましい。この点からみると、
図１の構造では支持基板の熱容量が感温素子に比べて非
常に大きく、応答性の向上の点では極めて不利である。
この難点を改良するために、感温素子の下層に相当する
部分の支持基板を一部除去し、感温素子部を中空に浮か
せた、いわゆる架橋構造が研究されている（例えば、
「センサ技術」Vol.２,No.10）。

【０００５】これを従来技術の第２の例として図２に示
す。図２において、５は架橋となる薄膜である。この構
造において感温素子１，電極３および架橋５を薄膜で構
成すると感温素子部の熱容量を著しく小さくすることが
できる。また、感温素子部から支持基板２への熱の逃げ
も抑制することができる。すなわち図２の構造は感温素
子部を架橋構造とすることにより、被測定対象物からの
赤外放射エネルギーを効率よく感温素子の温度上昇に寄
与させ、センサーの応答性を向上させようとするもので
ある。

【０００６】

【発明が解決しようとする問題点】しかしながら上記従
来技術においては、被測定対象物からの赤外放射エネル
ギーをさらに効率よく感温素子の温度上昇に利用するこ
と、および被測定対象物以外の、環境からの熱雑音を抑
制することが考慮されていない。これらの問題点を以下
に説明する。

【０００７】(1) 赤外放射エネルギーのロス 感温素子部に照射された被測定対象物からの赤外線は、
その一部は感温素子を透過し支持基板を照射する。ま
た、感温素子部以外に照射された赤外線は直接支持基板
を照射する。支持基板を照射する赤外線のうち、支持基
板に吸収される部分は支持基板温度を上昇させるが感温
素子を温度上昇させることには直接には寄与しない。ま
た、支持基板を透過する赤外線は感温素子の温度上昇に
は全く寄与しない。このように従来技術においては、被
測定対象物からセンサーに達した放射赤外線の一部を感
温素子の温度上昇に用いているのみである。

【０００８】(2) 環境からの熱雑音 センサーは被測定対象物以外にも環境から常に赤外線照
射を受ける。この環境からの赤外線放射はセンサーに対
して熱雑音として作用し、測定精度を下げる原因とな
る。被測定対象物の温度が環境温度に近いほど測定精度
に及ぼすこの熱雑音の影響は大きくなる。

【０００９】非接触式温度センサーの場合、センサーは
図３に示すように感温素子が形成された面側に赤外線透
過窓６を有するハウジング７の中に実装される。従って
環境からの赤外線は主に支持基板の、感温素子が形成さ
れている面とは反対側の面８を照射する。この環境から
の放射赤外線は支持基板に吸収されることにより、およ
び支持基板を透過し感温素子を直接照射することによ
り、非測定対象物からの赤外線放射検知に擾乱を与え
る。

【００１０】以上にように、従来技術においては被測定
対象物から感温素子に直接照射する放射赤外線のみを感
温素子の温度上昇に寄与させる構造となっているため放
射赤外線の効率的利用ができず、応答性を向上させるこ
とができなかった。また、環境からの放射赤外線の感温
素子への入射を防止する構造となっていないため、熱雑
音を抑制することができず、温度測定精度を低下させる
という問題があった。

【００１１】

【問題点を解決するための手段】上記の問題点を解決す
るため、本発明では支持基板のうち、感温素子が形成さ
れた主面とは反対側の主面またはその近傍に赤外線反射
層を付加することとした。

【００１２】

【作用】上記の赤外線反射層を付加することにより、被
測定対象物より放射され、支持基板を透過した赤外線は
赤外線反射層により反射され、感温素子を照射すること
に寄与することになり、もって感温素子の温度上昇速度
を速め応答性を向上させることができる。また、おもに
支持基板の、感温素子が形成された面とは反対側の面か
ら入射する環境からの熱雑音はこの赤外線反射層によっ
て反射されるため、熱雑音の感温素子への入射を遮断す
ることができ、もって温度測定精度を向上させることが
できる。この作用を図４に示し、上述の作用を詳細に説
明する。

【００１３】(1) 応答性の向上 赤外線温度センサーの被測定対象物の温度測定範囲を生
活空間温度、すなわち−３０℃〜＋３００℃とする。こ
の温度領域では被測定対象物からの放射赤外線の波長
は、約１１．９μｍ〜５．１μｍである。一方、支持基
板としてＳｉを用いるとすると、Ｓｉ基板厚２ｍｍに対
して実効透過率が９０％以上である赤外線の波長域は
１．２μｍ〜１５μｍとされている（例えば、日本機械
学会編「伝熱工学資料」養賢堂）。これより支持基板と
して半導体プロセスで一般的に使用されている厚み０．
５２５ｍｍのＳｉウェハを用いるとすると、上記の波長
域では実効透過率は約９７％以上となる。すなわち、被
測定対象物から温度センサーに入射した放射赤外線のう
ち、感温素子部分で吸収される赤外線以外はほとんどＳ
ｉ基板を透過してしまい、感温素子の温度上昇にはなん
ら寄与しないことになる。

【００１４】そこで、支持基板の感温素子形成面とは反
対側の面またはその近傍に赤外線反射層を設けると、感
温素子側より支持基板を透過してきた被測定対象物から
の放射赤外線はこの赤外線反射層で反射され、再び支持
基板を透過し感温素子に入射する。上述のように支持基
板としてＳｉウェハを用いれば、反射された赤外線のほ
とんどは支持基板中を透過し感温素子の温度上昇に寄与
することになり、この分だけ反射層がない場合に比べて
応答性が向上する。

【００１５】赤外線反射層の反射率は当然高い方が上記
の効果は大きい。表１にいくつかの金属の真空蒸着膜に
ついての垂直分光反射率を示す。

【００１６】

【表１】

【００１７】５．０μｍ〜１０．０μｍの波長域におい
てはいずれも９７％以上という高い反射率を示してい
る。従って、アルミニウム，銀，金，銅のうちから一つ
の金属によって形成された反射層または、それぞれ一つ
の金属から形成された反射層を複数層積層した反射層を
支持基板に付加することによって上述の効果を得ること
ができる。

【００１８】(2) 熱雑音の抑制 被接触型温度センサーは一般に図３に示したような実装
構造をとるため、熱雑音となる環境からの放射赤外線は
おもに支持基板の感温素子が形成された面とは反対側の
面より入射する。従って上記のように赤外線反射層を支
持基板に付加することにより、環境熱雑音の感温素子へ
の入射も同時に遮断することになり、温度測定精度を向
上させることができる。

【００１９】以上のように、赤外線反射層を支持基板
の、感温素子が形成された面とは反対側の面またはその
近傍に付加することにより、被測定対象物からの放射赤
外線のうち、支持基板を透過する赤外線を反射させ感温
素子の温度を上昇させることに寄与させることにより温
度センサーの応答性を向上させることができる。同時
に、被測定対象物以外の環境からの放射赤外線も遮断す
る構造も達成できるため、温度測定精度を向上させるこ
とができるという作用をもたらす。

【００２０】

【実施例】以下に本発明の実施例を説明する。図５に本
発明の実施例を示す。感温素子９と感温素子９に通電し
温度変化を検出するための電極３とが主面状に形成さ
れ、Ｓｉウェハからなる支持基板１０の第２の主面上に
赤外線反射層１１が付加されている。赤外線反射層１１
はアルミニウム，銅，金，銀のうちの一つの材料からな
る単一層またはそれぞれ一つの材料からなる複数の層か
ら形成されている。温度測定範囲を生活空間温度（−３
０℃〜＋３００℃）とすると、被測定対象物１２からの
放射赤外線４はその一部は感温素子９に吸収されるが他
の大部分の赤外線１４はＳｉウェハからなる支持基板１
０中を進行し、赤外線反射層１１によって反射され再び
感温素子９に至り感温素子９の温度上昇に寄与する。こ
のように、本実施例においては感温素子９を直接照射す
る被測定対象物１２からの放射赤外線以外に、赤外線反
射層１１により反射される放射赤外線も感温素子の温度
上昇に寄与させることが可能なため、温度センサーの応
答性を向上させることができる。

【００２１】また、温度センサーは被測定対象物１２以
外の、環境からの放射赤外線１３も受ける。この放射赤
外線１３はおもに感温素子９が形成された面の反対側の
面を照射するが、赤外線反射層１１を付加することによ
り環境からの放射赤外線１３を遮断することができるた
め、熱雑音を除去し温度測定精度を向上させることがで
きる。

【００２２】本実施例は図６のように、感温素子部分が
架橋構造となっている場合にはさらに著しい効果を発揮
できる。架橋構造は感温素子部の熱容量を著しく小さく
し、微弱な熱源である被測定対象物からの放射赤外線に
よる温度上昇感度を高めようとするものであるが、本実
施例によって、従来は感温素子９側から入射し、支持基
板を透過してしまう赤外線も、感温素子の温度上昇に寄
与させることができ、応答性をさらに向上させることが
できる。また環境からの熱雑音の遮断による効果は上記
と全く同様である。

【００２３】なお、本実施例における温度測定方式はサ
ーミスタ方式に限るものではなく、焦電式，サーモパイ
ル式などにも全く同様に適用できるものであり、上述の
効果も同様である。また、赤外線反射層は、支持基板
の、感温素子が形成される面とは反対側の面に付加され
るのみであるため、製造プロセス上の困難は全く発生せ
ず、かつ温度センサーの大きさにも全く影響を及ぼさな
いという優れた特徴も有している。

【００２４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば被測
定対象物からの放射赤外線のうち、感温素子部に直接照
射する部分以外の赤外線も赤外線反射層によって反射さ
せ、感温素子の温度上昇に寄与させることができるた
め、温度測定の応答性を向上させることができ、かつ、
被測定対象物以外の環境からの放射赤外線を遮断するこ
とができるため、熱雑音を除去し温度測定精度を向上さ
せることができるという多大なる効果をもたらすことが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術の第１の例を示す模式図である。

【図２】従来技術の第２の例を示す模式図である。

【図３】従来技術の問題点を説明する図である。

【図４】本発明の作用を示す図である。

【図５】本発明の一実施例を示す図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す図である。

【符号の説明】

１ サーミスタ素子 ２ 支持基板 ３ 電極 ４ 被測定対象物からの放射赤外線 ５ 架橋 ６ 赤外線透過窓 ７ ハウジング ８ 支持基板の感温素子が形成された主面とは反対側の
第２の主面 ９ 感温素子 １０ 支持基板 １１ 赤外線反射層 １２ 被測定対象物 １３ 環境からの放射赤外線 １４ 支持基板中を進行する赤外線

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板と、少なくとも前記基板の第１の主
   面上に形成された感温素子および前記感温素子に通電す
   るための電極とから成り、被測定対象物からの放射赤外
   線は前記第１の主面側を照射すべく構成された赤外線温
   度センサーにおいて、前記基板の第２の主面上または前
   記第２の主面の近傍に赤外線反射層を設けたことを特徴
   とする赤外線温度センサー。
2. 【請求項２】 請求項１記載の基板がシリコン基板であ
   ることを特徴とする赤外線温度センサー。
3. 【請求項３】 請求項１記載の赤外線反射層が、銅，
   金，銀，アルミニウムのうち、少なくとも一つ以上の材
   料から形成されていることを特徴とする赤外線温度セン
   サー。