JPH0989655A

JPH0989655A - 赤外線検出装置

Info

Publication number: JPH0989655A
Application number: JP7248102A
Authority: JP
Inventors: Kazunori Kidera; 和憲木寺; Hironori Kami; 浩則上
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1995-09-26
Filing date: 1995-09-26
Publication date: 1997-04-04
Anticipated expiration: 2015-09-26
Also published as: JP3101190B2

Abstract

(57)【要約】【課題】オフセット電圧を低減したサーモパイルを用い
る赤外線検出装置を提供する。【解決手段】半導体基板７の上面に薄膜８が形成されて
いる。また、半導体基板７を貫通して第１及び第２の凹
部９ａ，９ｂが設けられており、第１及び第２の薄膜部
８ａ，８ｂは、夫々第１及び第２の凹部９ａ，９ｂの天
井部を構成している。また、ゼーベック効果を有する複
数個の第１及び第２の金属１，２が薄膜８上に形成され
ている。ここで、第１の金属１の一端は、第１の薄膜部
８ａ上の温接点３で第２の金属２と接合されており、そ
の他端は、第２の薄膜部８ｂ上の冷接点４で別の第２の
金属２と接合されている。而して、複数個の第１及び第
２の金属１，２は、Ｓ字状に蛇行するように、互い違い
に直列に接続され、サーモパイル１０が形成されてい
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、サーモパイルを用
いた赤外線検出装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、図６に示すような構造の、サ
ーモパイルを用いた赤外線検出装置が知られている。こ
のような赤外線検出装置は、半導体基板７と、半導体基
板７の上面に形成された薄膜８と、半導体基板７を貫通
して設けられた凹部９と、薄膜８上に形成されたゼーベ
ック効果を有する第１及び第２の金属１，２と、凹部９
の外側の薄膜８の上面に設けられた温度補償用のダイオ
ード１５とから構成されている。

【０００３】ここで、第１の金属１の一端は、凹部９上
方の薄膜８上に形成された温接点３で、第１の金属１と
平行に形成された第２の金属２に接続され、その他端
は、凹部９の外側の薄膜８上に形成された冷接点４で、
同じく第１の金属１と平行に形成された別の第２の金属
２に接続されている。而して、複数個の第１及び第２の
金属１，２は、Ｓ字状に蛇行するように、互い違いに直
列に接続され、サーモパイルが形成されている。また、
直列に接続された複数個の第１及び第２の金属１，２の
両端は、配線５を介して端子６に接続されている。

【０００４】この時、薄膜８が被測定物から赤外線を受
光すると、受光した赤外線量に比例して凹部９上方の薄
膜８上に形成された温接点３の温度が上昇する。一方、
熱的に安定な凹部９以外の薄膜８上に形成された冷接点
４の温度は変動しないので、温接点３と冷接点４との間
に温度差が発生し、複数個の第１及び第２の金属１，２
間に、この温度差に比例した熱起電力が発生する。而し
て、この熱起電力の総和がサーモパイルの出力電圧とし
て出力される。

【０００５】ところで、薄膜８が被測定物から受光した
赤外線量は、被測定物の絶対温度と薄膜８の絶対温度と
の４乗の差に比例するので、被測定物の赤外線放射量を
検出するためには、基準温度となる凹部９以外の薄膜８
の温度を検出する必要がある。従って、サーモパイルの
出力電圧と、ダイオード１５の順方向電圧の温度特性か
ら検出した凹部９以外の薄膜８の温度とから、被測定物
の赤外線放射量を計測していた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記構成の赤外線検出
装置では、薄膜上に形成された複数個の第１及び第２の
金属からなるサーモパイルが、被測定物から赤外線を受
光していない場合でも、被測定物以外から受光する赤外
線によって、凹部上方の薄膜の温度が上昇し、凹部上方
の薄膜と凹部以外の薄膜との間に僅かな温度差が発生
し、この温度差によってサーモパイルにオフセット電圧
が発生するという問題点があった。

【０００７】本発明は上記問題点に鑑みて為されたもの
であり、サーモパイルのオフセット電圧を低減させた赤
外線検出装置を提供することを目的とするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明では、上記目的を
達成するために、請求項１の発明は、半導体基板の上面
に形成された薄膜と、薄膜の一部を構成し互いに熱的に
絶縁された第１及び第２の薄膜部と、薄膜上に熱電対が
アレイ状に直列に形成されたサーモパイルと、第１の薄
膜部上に形成されたサーモパイルの温接点と、第２の薄
膜部上に形成されたサーモパイルの冷接点とを備えてお
り、サーモパイルの温接点と冷接点が共に熱容量の等し
い薄膜部上に形成されているので、被測定物から赤外線
を受光していない場合、温接点と冷接点の温度は同じ温
度になり、熱起電力が発生せず、オフセット電圧が出力
されない。

【０００９】請求項２の発明は、半導体基板の上面に形
成された薄膜と、薄膜の一部を構成し互いに熱的に絶縁
された第１及び第２の薄膜部と、薄膜上に夫々熱電対が
アレイ状に直列に形成され互いに逆極性に接続された第
１及び第２のサーモパイルと、第１の薄膜部上に形成さ
れた第１のサーモパイルの冷接点と、第２の薄膜部上に
形成された第２のサーモパイルの温接点と、第１及び第
２の薄膜部以外の薄膜上に形成された第１のサーモパイ
ルの温接点及び第２のサーモパイルの冷接点とを備えて
おり、薄膜部が被測定物から赤外線を受光していない場
合、第１及び第２のサーモパイルが逆極性で接続されて
いるので、第１及び第２のサーモパイルに発生する熱起
電力は相殺され、オフセット電圧が出力されない。

【００１０】請求項３の発明は、請求項１又は２の発明
に於いて、第１及び第２の薄膜部が被測定物から受光す
る赤外線を交互に周期的に遮断する遮光手段を備えてい
るので、サーモパイルの出力信号は交流信号となり、フ
ィルタ等を用いて、サーモパイルの出力信号に含まれる
ノイズ成分やオフセット電圧を容易に除去できる。請求
項４の発明は、請求項１又は２の発明において、第１及
び第２の薄膜部が夫々異なる第１及び第２の被測定物か
ら赤外線を受光するための光学系レンズ等の集光手段を
備えているので、サーモパイルの出力信号から第１及び
第２の被測定物の赤外線量の差を非接触で検出できる。
ここで、集光手段が第１及び第２の薄膜部に夫々異なる
第１及び第２の被測定物から赤外線を受光させるとは、
集光手段が第１の被測定物からの赤外線を第１の薄膜部
にのみ受光させ、第２の被測定物からの赤外線を第２の
薄膜部にのみ受光させている状態をいう。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を参照
して説明する。（実施形態１）本実施形態の赤外線検出装置の構造を図
１に示す。このような赤外線検出装置は、半導体基板７
と、半導体基板７上に形成された薄膜８と、半導体基板
７を貫通して設けられた第１及び第２の凹部９ａ，９ｂ
と、薄膜８の一部を構成し夫々第１及び第２の凹部９
ａ，９ｂの天井部をなす第１及び第２の薄膜部８ａ，８
ｂと、薄膜８上に形成されたゼーベック効果を有する第
１及び第２の金属１，２とから構成されている。

【００１２】ここで、第１の金属１の一端は、第１の薄
膜部８ａ上の温接点３で、第１の金属１と平行に形成さ
れた第２の金属２に接続され、その他端は、第２の薄膜
部８ｂ上の冷接点４で、同様に第１の金属１と平行に形
成された別の第２の金属２に接続されている。而して、
複数個の第１及び第２の金属１，２は、Ｓ字状に蛇行す
るように、互い違いに直列に接続されており、サーモパ
イル１０が形成されている。また、複数個の直列接続さ
れた第１及び第２の金属１，２の両端は、配線５を介し
て、端子６に接続されている。

【００１３】この時、第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂ
が赤外線を受光すると、第１及び第２の薄膜部８ａ，８
ｂの温度は受光した赤外線量に比例して上昇する。従っ
て、複数個の第１及び第２の金属１，２の各接合では、
ゼーベック効果により第１の薄膜部８ａと第２の薄膜部
８ｂとの温度差に比例した熱起電力が発生し、その熱起
電力の総和がサーモパイル１０の出力電圧となる。ここ
で、第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂの熱容量は等しい
ので、両者の温度差は受光した赤外線量の差に比例す
る。よって、サーモパイル１０の出力電圧から、第１及
び第２の薄膜部８ａ，８ｂが受光した赤外線量の差を検
出できる。

【００１４】一方、第１の薄膜部８ａと第２の薄膜部８
ｂが被測定物から赤外線を受光していない場合、第１及
び第２の薄膜部８ａ，８ｂの熱容量は等しいので、第１
及び第２の薄膜部８ａ，８ｂの温度は等しくなる。従っ
て、第１の薄膜部８ａ上に設けられた温接点３と第２の
薄膜部８ｂ上に設けられた冷接点４の温度差が発生しな
いので、第１及び第２の金属１，２の各接合では熱起電
力が発生せず、サーモパイル１０のオフセット電圧は発
生しない。

【００１５】尚、本実施形態では、薄膜８上にゼーベッ
ク効果を有する２種の金属の接合を形成しているが、複
数個のＰＮ接合を直列に形成してもよい。（実施形態２）本実施形態の赤外線検出装置の構成を図
２に示す。この赤外線検出装置は、半導体基板７と、半
導体基板７上に形成された薄膜８と、半導体基板７を貫
通して設けられた第１及び第２の凹部９ａ，９ｂと、薄
膜８の一部を構成して夫々第１及び第２の凹部９ａ，９
ｂの天井部をなす第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂと、
第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂ上に夫々形成されたゼ
ーベック効果を有する第１及び第２の金属１，２からな
る第１及び第２のサーモパイル１０ａ，１０ｂとから構
成されている。

【００１６】ここで、第１の薄膜部８ａ上に形成された
第１の金属１の一端は、第１の薄膜部８ａ上に形成され
た第１の温接点３ａで第２の金属２に接続されており、
その他端は、第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂ以外の薄
膜８上に形成された第１の冷接点４ａで別の第２の金属
２に接続されている。而して、ｎ個の第１及び第２の金
属１，２が、Ｓ字状に蛇行するように、互い違いに直列
に接続され、第１のサーモパイル１０ａが形成されてい
る。同様にして、第２の薄膜部８ｂ上に形成された第１
の金属１の一端は、第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂ以
外の薄膜８上に形成された第２の温接点３ｂで第２の金
属２に接続されており、その他端は、第２の薄膜部８ｂ
上に形成された第２の冷接点４ｂで別の第２の金属２と
接続されている。而して、ｎ個の第１及び第２の金属
１，２が、Ｓ字状に蛇行するように、互い違いに直列に
接続されており、第２のサーモパイル１０ｂが形成され
ている。

【００１７】この時、第１及び第２のサーモパイル１０
ａ，１０ｂは、それぞれ、ｎ個の第１及び第２の金属
１，２から形成されており、第１のサーモパイル１０ａ
の一端に位置する第１の金属１と、第２のサーモパイル
１０ｂの一端に位置する第２の金属２とが接続されてい
る。而して、第１及び第２のサーモパイル１０ａ，１０
ｂは互いに極性が逆となるように接続されている。

【００１８】さて、第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂが
受光する赤外線の赤外線量に差がある場合、第１及び第
２のサーモパイル１０ａ，１０ｂは、それぞれ、第１及
び第２の薄膜部８ａ，８ｂが受光した赤外線量に比例し
た熱起電力を発生する。ここで、第１のサーモパイル１
０ａと第２のサーモパイル１０ｂは極性が逆になるよう
に接続されているので、本実施形態の赤外線検出装置
は、第１の薄膜部８ａと第２の薄膜部８ｂが夫々受光し
た赤外線量の差に比例した信号を出力する。

【００１９】一方、第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂが
被測定物からの赤外線を受光していない場合、第１及び
第２の薄膜部８ａ，８ｂが受光する赤外線量は等しくな
る。ここで、第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂの熱容量
は等しいので、両者の温度は等しくなり、第１のサーモ
パイル１０ａと第２のサーモパイル１０ｂに発生する熱
起電力は、大きさが等しく、極性が逆となる。従って、
第１及び第２のサーモパイル１０ａ，１０ｂに発生した
熱起電力が相殺されて、オフセット電圧が発生しない。

【００２０】また、第１の薄膜部８ａ上に第１のサーモ
パイル１０ａの温接点３ａを形成し、第２の薄膜部８ｂ
上に第２のサーモパイル１０ｂの冷接点４ｂを形成する
とともに、第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂ以外の薄膜
８上に第１のサーモパイル１０ａの冷接点４ａと第２の
サーモパイル１０ｂの温接点３ｂとを形成することによ
り、第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂが夫々受光した赤
外線量の差を、熱的に安定な第１及び第２の薄膜部８
ａ，８ｂ以外の薄膜８の温度を基準として検出している
ので、赤外線検出装置の出力信号の安定性を高め、精度
を向上させることができる。

【００２１】尚、本実施形態では、薄膜８上にゼーベッ
ク効果を有する２種の金属をアレイ状に直列に形成して
いるが、複数個のＰＮ接合を直列に形成してもよい。（実施形態３）本実施形態の赤外線検出装置の構造を図
３に示す。実施形態１又は２の赤外線検出装置におい
て、図３に示すように、第１及び第２の薄膜部８ａ，８
ｂが受光する赤外線の内、一方が受光する赤外線を完全
に遮断するとともに、他方が受光する赤外線をそのまま
入射させるような半円形のチョッパー１１を設けてお
り、チョッパー１１を第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂ
の上方で回転軸１２を中心として一定の周期で回転させ
ることにより、第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂは交互
に周期的に赤外線を受光している。

【００２２】ここで、第１の薄膜部８ａ上にはサーモパ
イルの温接点が設けられ、第２の薄膜部８ｂ上にはサー
モパイルの冷接点が設けられている。従って、温接点が
形成されている第１の薄膜部８ａが赤外線を受光してい
る場合、サーモパイルの出力信号は正となり、冷接点が
形成されている第２の薄膜部８ｂが赤外線を受光してい
る場合、サーモパイルの出力信号は負となる。

【００２３】ところで、第１及び第２の薄膜部８ａ，８
ｂがそれぞれ受光する赤外線の赤外線量が等しい場合、
第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂの熱容量は等しいの
で、両者の温度は等しくなる。従って、第１及び第２の
薄膜部８ａ，８ｂが夫々赤外線を受光している時、第１
の薄膜部８ａ上に設けられた温接点の温度と第２の薄膜
部８ｂ上に設けられた冷接点の温度とは等しくなり、サ
ーモパイルの出力信号は、大きさが等しく、極性が逆と
なる。

【００２４】従って、チョッパー１１の回転周期が第１
及び第２の薄膜部８ａ，８ｂ上に設けられたサーモパイ
ルの時定数に比べて十分長い場合、図４に示すように、
サーモパイルの出力信号は正弦波出力（図４のａ）とな
る。よって、本実施形態のサーモパイルの出力信号は交
流信号となるので、フィルタ等を用いて、出力信号に含
まれるノイズ成分やオフセット電圧を除去することがで
き、ノイズやオフセット電圧の影響が少ないサーモパイ
ルの出力信号を得ることができる。

【００２５】尚、本実施形態のサーモパイルの構造は、
実施形態１又は２と同様であるので、その説明は省略す
る。（実施形態４）本実施形態の赤外線検出装置の構造を図
５に示す。実施形態１又は２の赤外線検出装置におい
て、第１の薄膜部８ａに第１の被測定物１４ａからの赤
外線を受光させるための第１の光学系レンズ１３ａと、
第２の薄膜部８ｂに第２の被測定物１４ｂからの赤外線
を受光させるための第２の光学系レンズ１３ｂとが設け
られており、第１の薄膜部８ａと第２の薄膜部８ｂは、
それぞれ異なる第１及び第２の被測定物１４ａ，１４ｂ
から赤外線を受光している。

【００２６】ここで、第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂ
が、それぞれ第１及び第２の被側定物１４ａ，１４ｂか
ら赤外線を受光する場合、両者の温度は受光した赤外線
の赤外線量に比例してそれぞれ変化する。ところで、第
１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂの熱容量は等しいので、
第１及び第２の薄膜部８ａ，８ｂの温度差は、両者が受
光した赤外線量の差に比例している。

【００２７】この時、第１の薄膜部８ａ上にはサーモパ
イルの温接点が設けられ、第２の薄膜部８ｂ上にはサー
モパイルの冷接点が設けられているので、温接点と冷接
点との温度差に比例してサーモパイルの出力信号が発生
する。従って、サーモパイルの出力信号は、第１及び第
２の薄膜部８ａ，８ｂが夫々受光した赤外線量の差に比
例するので、本実施形態のサーモパイルの出力信号か
ら、第１及び第２の被測定物１４ａ，１４ｂから受光し
た赤外線量の差を検出することができる。

【００２８】尚、本実施形態のサーモパイルの構造は、
実施形態１又は２と同様であるので、その説明は省略す
る。

【００２９】

【発明の効果】請求項１の発明は、上述のように、半導
体基板の上面に形成された薄膜と、薄膜の一部を構成し
互いに熱的に絶縁された第１及び第２の薄膜部と、薄膜
上に熱電対がアレイ状に直列に形成されたサーモパイル
と、第１の薄膜部上に形成されたサーモパイルの温接点
と、第２の薄膜部上に形成されたサーモパイルの冷接点
とを備えているので、第１及び第２の薄膜部が赤外線を
受光していない場合、第１及び第２の薄膜部の温度は等
しくなり、温接点と冷接点の温度差が発生しないので、
オフセット電圧が発生しないという効果がある。

【００３０】請求項２の発明は、半導体基板の上面に形
成された薄膜と、薄膜の一部を構成し互いに熱的に絶縁
された第１及び第２の薄膜部と、薄膜上に夫々熱電対が
アレイ状に直列に形成され互いに逆極性に接続された第
１及び第２のサーモパイルと、第１の薄膜部上に形成さ
れた第１のサーモパイルの冷接点と、第２の薄膜部上に
形成された第２のサーモパイルの温接点と、第１及び第
２の薄膜部以外の薄膜上に形成された第１のサーモパイ
ルの温接点及び第２のサーモパイルの冷接点とを備えて
おり、第１及び第２の薄膜部が赤外線を受光していない
場合、第１及び第２の薄膜部の熱容量が等しいので、両
者の温度は等しくなり、逆極性に接続された第１及び第
２のサーモパイルに発生する熱起電力が互いに相殺さ
れ、オフセット電圧が発生しないという効果がある。ま
た、第１及び第２のサーモパイルの基準温度を熱的に安
定した第１及び第２の薄膜部以外の薄膜の温度としてい
るので、基準温度の変動が少なく、赤外線検出装置の出
力信号が安定し、精度が向上するという効果もある。

【００３１】請求項３の発明は、第１及び第２の薄膜部
が被測定物から受光する赤外線を交互に周期的に遮断す
る遮光手段を備えており、サーモパイルの出力信号が交
流信号となるので、信号処理が容易に行え、フィルタ等
を用いてノイズやオフセット電圧を除去することが出来
るという効果がある。請求項４の発明は、第１及び第２
の薄膜部が夫々異なる第１及び第２の被測定物から赤外
線を受光するための光学系レンズ等の集光手段を備えて
いるので、サーモパイルの出力信号から第１及び第２の
被測定物の赤外線量の差を検出することにより、異なる
２つの被測定物の赤外線量の差を非接触で検出できると
いう効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）実施形態１の赤外線検出装置を示す平面
図である。（ｂ）同上の断面図である。

【図２】（ａ）実施形態２の赤外線検出装置を示す平面
図である。（ｂ）同上の断面図である。

【図３】実施形態３の赤外線検出装置を示す外観斜視図
である。

【図４】同上の動作状態を示す波形図である。

【図５】実施形態４の赤外線検出装置を示す外観斜視図
である。

【図６】（ａ）従来例の赤外線検出装置を示す平面図で
ある。（ｂ）同上の断面図である。

【符号の説明】

１第１の金属２第２の金属３温接点４冷接点７半導体基板８薄膜８ａ第１の薄膜部８ｂ第２の薄膜部９ａ第１の凹部９ｂ第２の凹部１０サーモパイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板の上面に形成された薄膜と、前
記薄膜の一部を構成し互いに熱的に絶縁された第１及び
第２の薄膜部と、前記薄膜上に熱電対がアレイ状に直列
に形成されたサーモパイルと、前記第１の薄膜部上に形
成された前記サーモパイルの温接点と、前記第２の薄膜
部上に形成された前記サーモパイルの冷接点とを備えて
成ることを特徴とする赤外線検出装置。
【請求項２】半導体基板の上面に形成された薄膜と、前
記薄膜の一部を構成し互いに熱的に絶縁された第１及び
第２の薄膜部と、前記薄膜上に夫々熱電対がアレイ状に
直列に形成され互いに逆極性に接続された第１及び第２
のサーモパイルと、前記第１の薄膜部上に形成された前
記第１のサーモパイルの冷接点と、前記第２の薄膜部上
に形成された前記第２のサーモパイルの温接点と、前記
第１及び第２の薄膜部以外の前記薄膜上に形成された前
記第１のサーモパイルの温接点及び前記第２のサーモパ
イルの冷接点とを備えて成ることを特徴とする赤外線検
出装置。
【請求項３】前記第１及び第２の薄膜部が被測定物から
受光する赤外線を交互に周期的に遮断する遮光手段を備
えて成ることを特徴とする請求項１又は２記載の赤外線
検出装置。
【請求項４】前記第１及び第２の薄膜部が夫々異なる第
１及び第２の被測定物から赤外線を受光するための光学
系レンズ等の集光手段を備えて成ることを特徴とする請
求項１又は２記載の赤外線検出装置。