JPS6153530A - 熱電堆型赤外検出素子 - Google Patents
熱電堆型赤外検出素子Info
- Publication number
- JPS6153530A JPS6153530A JP59175915A JP17591584A JPS6153530A JP S6153530 A JPS6153530 A JP S6153530A JP 59175915 A JP59175915 A JP 59175915A JP 17591584 A JP17591584 A JP 17591584A JP S6153530 A JPS6153530 A JP S6153530A
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- JP
- Japan
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- infrared
- detection element
- film
- infrared detection
- thermopile
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- Granted
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/80—Constructional details
- H10N10/81—Structural details of the junction
- H10N10/817—Structural details of the junction the junction being non-separable, e.g. being cemented, sintered or soldered
Landscapes
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Radiation Pyrometers (AREA)
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。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明は熱赤外発生部の面積を熱赤外量で検知すること
により、熱赤外発生部の位置情報を得るための熱電堆型
赤外検出素子に関するものである。
により、熱赤外発生部の位置情報を得るための熱電堆型
赤外検出素子に関するものである。
従来例の構成とその問題点
従来の熱電堆型赤外検出素子の構成を第１図に示す。基
板薄膜４の上に二種類の金属層１．２が図の様に交互に
配置されている。感温接合部６の上に赤外吸収層３が配
置されている。基準接合部７は、左右の支持台５の上部
の基板薄膜上に配置されていて、赤外線が入射しても昇
温しないようになっている。赤外吸収層３に赤外線が照
射されると感温接合部６は、昇温し、基準接合部７との
温度差に相当した起電力が、ゼーベック効果により信号
取出電極８に発生する。ここて、赤外吸収層３の一部に
微少面積の点状赤外線を照射すると、その照射位置によ
って発生する起電力かり”！〜なる。
板薄膜４の上に二種類の金属層１．２が図の様に交互に
配置されている。感温接合部６の上に赤外吸収層３が配
置されている。基準接合部７は、左右の支持台５の上部
の基板薄膜上に配置されていて、赤外線が入射しても昇
温しないようになっている。赤外吸収層３に赤外線が照
射されると感温接合部６は、昇温し、基準接合部７との
温度差に相当した起電力が、ゼーベック効果により信号
取出電極８に発生する。ここて、赤外吸収層３の一部に
微少面積の点状赤外線を照射すると、その照射位置によ
って発生する起電力かり”！〜なる。
即ち、感温接合部６に近い位置では発生起電力は高くな
る。
る。
従って、従来の熱電堆型赤外検出素子は面内感度の不均
一性が大きいという欠点がある。そのため、赤外照射面
積計測型検出器として使用する場合は、その感温接合部
６をなるべく一点に集中配置するような円型構造とし、
こ几に赤外集光器としてオプチカルコ−７を組合せて使
用する方法などが採用されている。
一性が大きいという欠点がある。そのため、赤外照射面
積計測型検出器として使用する場合は、その感温接合部
６をなるべく一点に集中配置するような円型構造とし、
こ几に赤外集光器としてオプチカルコ−７を組合せて使
用する方法などが採用されている。
第２図がその構成の一例であるが、入射赤外線はオプチ
カルコーン２２の入［１部の仮想面上で像を結ぶように
してあり、この仮：ｌＬｉ而て赤外発生部の面積に対応
した赤外線を受は入れることになる。
カルコーン２２の入［１部の仮想面上で像を結ぶように
してあり、この仮：ｌＬｉ而て赤外発生部の面積に対応
した赤外線を受は入れることになる。
入射した赤外線は、オプチカルコーン２２の内部鏡面で
反射されて、全て最終的には熱電堆の感温接合部を覆っ
ている赤外吸収層２１に到達する。
反射されて、全て最終的には熱電堆の感温接合部を覆っ
ている赤外吸収層２１に到達する。
このような構成にすれば、赤外吸収層での赤外線ははソ
均一に分布するので、面内不均一の欠点を解決すること
ができる。
均一に分布するので、面内不均一の欠点を解決すること
ができる。
しかし余分なオプチカルコーン２２を採用しなければな
らず、これは検出部の寸法増大につながる。更に赤外結
像面が犬きくなるので、光学設計にも大きな影響を与え
る。即ち、同一分解能を達成しようとすれば、結像面が
大きいほど焦点距離の長い光学系が必要となり、同一の
明るさを達成しようとすれば、口径の大きな集光系が必
要となる。
らず、これは検出部の寸法増大につながる。更に赤外結
像面が犬きくなるので、光学設計にも大きな影響を与え
る。即ち、同一分解能を達成しようとすれば、結像面が
大きいほど焦点距離の長い光学系が必要となり、同一の
明るさを達成しようとすれば、口径の大きな集光系が必
要となる。
発明の目的
本発明は、熱電堆型赤外検出素子における面内感度不均
一性を解消し、オプチカルコーン等の光学設計上の制約
となるようなｔｉ／２成をとらずに、赤外照射１７＋１
積計ｄｌ１１か可能な熱電堆型赤外検出素子を実現する
ことを目的とする。
一性を解消し、オプチカルコーン等の光学設計上の制約
となるようなｔｉ／２成をとらずに、赤外照射１７＋１
積計ｄｌ１１か可能な熱電堆型赤外検出素子を実現する
ことを目的とする。
発明の構成
本発明は基板薄膜上に二種類の細状金属薄層が交互にそ
の両端が重なるように直列に配列され、その接合部が１
つおきに感温接合部に基準接合部に分離配置され、感温
接合部上に電気、熱的絶縁層、熱的良伝導層および赤外
吸収層を順次配列した熱電堆型赤外検出素子である。
の両端が重なるように直列に配列され、その接合部が１
つおきに感温接合部に基準接合部に分離配置され、感温
接合部上に電気、熱的絶縁層、熱的良伝導層および赤外
吸収層を順次配列した熱電堆型赤外検出素子である。
実施例の説明
以下本発明の実施例について図面とともに詳細に説明す
る。
る。
本発明による熱電堆型赤外検出素子の実施例を第３図（
ａ）、 （ｂ）に示す。耐熱性有機フィルムなどの基板
薄膜３４上に二種類の金属薄層の感温接合部３６上に電
気的、熱的絶縁層３９が配置され、その上に熱的良伝導
層４ｏが配置さｙｔ、更にその上に赤外吸収層３３が配
置さ八ている。赤外吸収層３３での熱吸収による昇ｍ１
−現象は、熱的良伝２、す層４０と熱的絶縁層３９を介
して感＋７１Ａ接合部３６に伝わるので、熱的良伝導層
４０面内で感温接合部３６の１ピンチ分に相当する部分
が均一温度分布になった状態で、熱的絶縁層３９を経由
して、感温接合部３６配列に到達する。従って、このよ
うな均一昇温作用によ！７感〃１（接合部３６の不連続
Ｐ１゜を補って、面内感度の均一な〃（電離型赤外検出
素子が実現できる。
ａ）、 （ｂ）に示す。耐熱性有機フィルムなどの基板
薄膜３４上に二種類の金属薄層の感温接合部３６上に電
気的、熱的絶縁層３９が配置され、その上に熱的良伝導
層４ｏが配置さｙｔ、更にその上に赤外吸収層３３が配
置さ八ている。赤外吸収層３３での熱吸収による昇ｍ１
−現象は、熱的良伝２、す層４０と熱的絶縁層３９を介
して感＋７１Ａ接合部３６に伝わるので、熱的良伝導層
４０面内で感温接合部３６の１ピンチ分に相当する部分
が均一温度分布になった状態で、熱的絶縁層３９を経由
して、感温接合部３６配列に到達する。従って、このよ
うな均一昇温作用によ！７感〃１（接合部３６の不連続
Ｐ１゜を補って、面内感度の均一な〃（電離型赤外検出
素子が実現できる。
次に具体的実施例について説明する。第３図において、
二種類の金属はビスマスとアンチモンとし、基板薄膜３
４は厚さ１５μｍのカプトンフィルムとし、支持台３５
／′ｉ鋼ブロツク、信号取出電極３８は金の蒸着膜とす
る。
二種類の金属はビスマスとアンチモンとし、基板薄膜３
４は厚さ１５μｍのカプトンフィルムとし、支持台３５
／′ｉ鋼ブロツク、信号取出電極３８は金の蒸着膜とす
る。
ビスマスとアンチモンは蒸着膜で薄層を形成し、感温接
合部３６の寸法は８０μｍ×８０μｍ・隣接する感温接
合部３６との間隔は２０μｍとする。
合部３６の寸法は８０μｍ×８０μｍ・隣接する感温接
合部３６との間隔は２０μｍとする。
従って、感温接合部３らは０．１ｍｍに１ケの割合で並
び、その個数は３０ケである。感温接合部３６と基準接
合部３７との間隔はＩ Ｅｌｌで基準接合部３７の寸法
は１８０μｍｘｉｓｏμｍとする。
び、その個数は３０ケである。感温接合部３６と基準接
合部３７との間隔はＩ Ｅｌｌで基準接合部３７の寸法
は１８０μｍｘｉｓｏμｍとする。
感温接合部３６の配列面上に、熱絶縁層３９として寸法
０．１ ｍｌｌ×３．０．ＭＭ×ｏ−０１６ｎｌｌｌｔ
ノポリスチレン膜を塗布する。溶剤を乾燥により除去し
、固化したあと、同一面上に熱的良伝導層４０古して金
蒸着膜（厚さ１μｍ）を重ね、更にその上に赤外吸収層
３３としてカーボン微粉をバインダーで混ぜた黒化膜を
塗布する。
０．１ ｍｌｌ×３．０．ＭＭ×ｏ−０１６ｎｌｌｌｔ
ノポリスチレン膜を塗布する。溶剤を乾燥により除去し
、固化したあと、同一面上に熱的良伝導層４０古して金
蒸着膜（厚さ１μｍ）を重ね、更にその上に赤外吸収層
３３としてカーボン微粉をバインダーで混ぜた黒化膜を
塗布する。
このようにして製作されたβＪ５電堆電界型赤外検出素
子入射赤外線を黒化膜で効率良く吸収し、その熱吸収に
より赤外照射部分は昇温する。次に金蒸着膜により、赤
外吸収熱は横方向に金蒸着膜内を熱伝導で拡がると同時
に、基板薄膜方向にも同様に熱伝導で拡がりビスマス／
アンチモンの感θ１．′。
子入射赤外線を黒化膜で効率良く吸収し、その熱吸収に
より赤外照射部分は昇温する。次に金蒸着膜により、赤
外吸収熱は横方向に金蒸着膜内を熱伝導で拡がると同時
に、基板薄膜方向にも同様に熱伝導で拡がりビスマス／
アンチモンの感θ１．′。
接合部の温度を上昇させることになる。
ここで、横方向の熱伝導と厚さ方向の熱伝導の熱時定数
を見積ると次のようになる。
を見積ると次のようになる。
τ１−Ｈρｌ／λ＝０．２４ ｍ５ｅｃ （１）
ここで、 比熱 Ｈ＝０．２ ｃａｌ ／（ｇｆ、 ｄｅ、９
）熱伝導率 λ＝ １５０ ａ２Ｌｅ／（ｍｍ、Ｈｒ
、 ｄｅ、９）密度 ｐ ＝ ０．０２９ ｆ ７
８１ｍ拡散距離 ｌ ＝ ０．０５ Ｉｒｏｎ拡散距離
ｅは感温接合部３６の、］νびのくりかえし間隔のＩＡ
とした。即ち、赤外照射部から両方向へ熱が拡がる（０
・０５ ＃ｎ Ｘ ２方向）現象に関する熱時定数を求
めた。
ここで、 比熱 Ｈ＝０．２ ｃａｌ ／（ｇｆ、 ｄｅ、９
）熱伝導率 λ＝ １５０ ａ２Ｌｅ／（ｍｍ、Ｈｒ
、 ｄｅ、９）密度 ｐ ＝ ０．０２９ ｆ ７
８１ｍ拡散距離 ｌ ＝ ０．０５ Ｉｒｏｎ拡散距離
ｅは感温接合部３６の、］νびのくりかえし間隔のＩＡ
とした。即ち、赤外照射部から両方向へ熱が拡がる（０
・０５ ＃ｎ Ｘ ２方向）現象に関する熱時定数を求
めた。
厚さ方向の熱伝導については、はとんど熱絶縁層３９の
熱伝導で決まるので、次のように計算できる。
熱伝導で決まるので、次のように計算できる。
Ｔ２ ＝Ｈｐｇ／λ＝０．８ｍ５ｅｃ （
２＋ここで 比ＰＡ Ｈ＝０．２ ｃａｌ／ （ｊｌｆ−ｄｅ
ｇ）熱伝導率 λ＝ ０．２ ｃａ ｌ／（ｍｙ、 Ｈ
ｒ、 ｄｅｇ）密ａ、 ｐ ＝ １Ｘ １ｏ ’
９ｆ／ｍｙ’拡散距離 １＝ｏ、０１６朋 拡散距離ｌは、熱絶縁層の厚さである。これて、赤外吸
収熱が、感温接合部に達する現象における熱時定数を算
出できた。
２＋ここで 比ＰＡ Ｈ＝０．２ ｃａｌ／ （ｊｌｆ−ｄｅ
ｇ）熱伝導率 λ＝ ０．２ ｃａ ｌ／（ｍｙ、 Ｈ
ｒ、 ｄｅｇ）密ａ、 ｐ ＝ １Ｘ １ｏ ’
９ｆ／ｍｙ’拡散距離 １＝ｏ、０１６朋 拡散距離ｌは、熱絶縁層の厚さである。これて、赤外吸
収熱が、感温接合部に達する現象における熱時定数を算
出できた。
両者を比較すると、横方向への熱拡散が厚さ方向の０．
３倍の熱時定数であり、それだけ短時間に赤外吸収熱が
均一化することがわかる１、ここで、熱絶縁層３９の厚
さを増せば、均一性は良くなるが、そｉ″Ｌは赤外検出
器としての熱時定数を太きくし、かつ熱容量増大のため
赤外感度低下を招くので、赤外検出器の特性を総合的に
考え ｊ□ると６μｍ〜６０μｍが適切な条件
である。本実施例は、この範囲に入っている。
３倍の熱時定数であり、それだけ短時間に赤外吸収熱が
均一化することがわかる１、ここで、熱絶縁層３９の厚
さを増せば、均一性は良くなるが、そｉ″Ｌは赤外検出
器としての熱時定数を太きくし、かつ熱容量増大のため
赤外感度低下を招くので、赤外検出器の特性を総合的に
考え ｊ□ると６μｍ〜６０μｍが適切な条件
である。本実施例は、この範囲に入っている。
横方向への均一化という点ては、感温接合部が密に配列
していれば、（１）式のｅが小さくなり、熱時定数が短
縮される。従って、本発明の目的を達するのに必要な条
件として、実施例で説明した０、１間ピッチがその限界
条件で、これより間隔が粗くなると、面内感度均−性に
直接形Ｆ、！が現われてくる。
していれば、（１）式のｅが小さくなり、熱時定数が短
縮される。従って、本発明の目的を達するのに必要な条
件として、実施例で説明した０、１間ピッチがその限界
条件で、これより間隔が粗くなると、面内感度均−性に
直接形Ｆ、！が現われてくる。
又、熱伝導性薄層４０については、金属性で容易に製作
可能なアルミニウム蒸着膜、金蒸着膜を用いるとはマそ
の熱伝導率は１ｓ ｏ ｃａｌ／（ｍｍ。
可能なアルミニウム蒸着膜、金蒸着膜を用いるとはマそ
の熱伝導率は１ｓ ｏ ｃａｌ／（ｍｍ。
Ｈｒ、ｄｅ、９）以上であり、この数値を用いて設計し
た熱電堆型赤外線検出器は、製作技術上も何らの困難が
なく実現可能である。
た熱電堆型赤外線検出器は、製作技術上も何らの困難が
なく実現可能である。
曲の実施例吉して、赤外吸収層を全黒蒸沼膜とし、その
他は既述の通りとする例をあげることができる。全黒は
、窒素９０係水素１ｏ％の混合ガス１〜Ｓ Ｔｏｒｒ中
で金を厚さ約１μｍ蒸着することによって得られる。
他は既述の通りとする例をあげることができる。全黒は
、窒素９０係水素１ｏ％の混合ガス１〜Ｓ Ｔｏｒｒ中
で金を厚さ約１μｍ蒸着することによって得られる。
発明の効果
以上のように、本発明は二種類の金属層の接合部上に電
気的、熱的絶縁層と熱的良伝導層を介して赤外吸収層を
形成した熱電堆型赤外検出素子て。
気的、熱的絶縁層と熱的良伝導層を介して赤外吸収層を
形成した熱電堆型赤外検出素子て。
熱電堆型赤外検出素子の面内感度を均一にする効果があ
り、実施例では、感度のバラツキは±０．１％であった
。
り、実施例では、感度のバラツキは±０．１％であった
。
これにより、オプチカルコーンのような集光器は不要と
なり、結像寸法も３閂におさえることができ、小型の光
学系設計が可能となる。
なり、結像寸法も３閂におさえることができ、小型の光
学系設計が可能となる。
第１図（ａｌ、 （ｂｌは、従来の熱電堆型赤外線検出
素子の一例を示ず平面図及びそのＡ−Ａ’断面図、第２
図はオプチカルコーンを用いた従来の熱電堆型赤外線検
出素子の実施例を示す断面側面図、第３図（ａｌ、 （
ｂ）は、本発明による熱電堆型赤外検出素子の構成を示
す平面図及びその人−人′断面図である。 ＩＴ ２＋ ３１１ ３２・・・・・金机薄層、３．２
１；３３・・・・・・赤外吸収層、４，３４・・・・・
・基板薄膜、５゜３５・・・・・・基板薄膜支持台、６
，３６・・・・・・感温接合部、７，３７・・・・・・
基準接合部、８，３８・・・・・・信号取出し電極、２
２・川・・オプチヵルコ−７，３９・・・・・・電気的
・熱的絶縁層、４０・・・・・・熱的良伝−１ｌｉ層。
素子の一例を示ず平面図及びそのＡ−Ａ’断面図、第２
図はオプチカルコーンを用いた従来の熱電堆型赤外線検
出素子の実施例を示す断面側面図、第３図（ａｌ、 （
ｂ）は、本発明による熱電堆型赤外検出素子の構成を示
す平面図及びその人−人′断面図である。 ＩＴ ２＋ ３１１ ３２・・・・・金机薄層、３．２
１；３３・・・・・・赤外吸収層、４，３４・・・・・
・基板薄膜、５゜３５・・・・・・基板薄膜支持台、６
，３６・・・・・・感温接合部、７，３７・・・・・・
基準接合部、８，３８・・・・・・信号取出し電極、２
２・川・・オプチヵルコ−７，３９・・・・・・電気的
・熱的絶縁層、４０・・・・・・熱的良伝−１ｌｉ層。
Claims (5)
- （１）基板薄膜上に二種類の金属薄層が交互にその両端
が重なるように直列に配置され、前記二種類の金属層の
接合部がひとつおきに、感温接合部と基準接合部に分離
配置されており、前記感温接合部配列上に、電気的、熱
的絶縁層、熱的良伝導層および赤外吸収層を順次重畳し
て配置されていることを特徴とする熱電堆型赤外検出素
子。 - （２）二種類の金属薄層により形成された感温接合部が
０．１ｍｍ以下のピッチ間隔で並んでいることを特徴と
する特許請求の範囲第１項記載の熱電堆型赤外検出素子
。 - （３）電気的・熱的絶縁層の厚さが５μｍ〜５０μｍで
あることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の熱電
堆型赤外検出素子。 - （４）熱的良伝導層の熱伝導度が１５０ｃａｌ／（ｍｍ
．Ｈｒ．ｄｅｇ）であることを特徴とする特許請求の範
囲第１項記載の熱電堆型赤外検出素子。 - （５）基板薄膜が耐熱性有機フィルムであることを特徴
とする特許請求の範囲第１項記載の熱電堆型赤外検出素
子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59175915A JPS6153530A (ja) | 1984-08-24 | 1984-08-24 | 熱電堆型赤外検出素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP59175915A JPS6153530A (ja) | 1984-08-24 | 1984-08-24 | 熱電堆型赤外検出素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS6153530A true JPS6153530A (ja) | 1986-03-17 |
| JPH0445056B2 JPH0445056B2 (ja) | 1992-07-23 |
Family
ID=16004470
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP59175915A Granted JPS6153530A (ja) | 1984-08-24 | 1984-08-24 | 熱電堆型赤外検出素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS6153530A (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63318171A (ja) * | 1987-06-19 | 1988-12-27 | Seiichi Tanuma | 赤外線センサ |
| US5393351A (en) * | 1993-01-13 | 1995-02-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Multilayer film multijunction thermal converters |
| JP2010261908A (ja) * | 2009-05-11 | 2010-11-18 | Geomatec Co Ltd | レーザーパワーセンサ |
| CN104764535A (zh) * | 2015-03-13 | 2015-07-08 | 东莞捷荣技术股份有限公司 | 一种测温装置和智能奶瓶套 |
-
1984
- 1984-08-24 JP JP59175915A patent/JPS6153530A/ja active Granted
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS63318171A (ja) * | 1987-06-19 | 1988-12-27 | Seiichi Tanuma | 赤外線センサ |
| US5393351A (en) * | 1993-01-13 | 1995-02-28 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of Commerce | Multilayer film multijunction thermal converters |
| JP2010261908A (ja) * | 2009-05-11 | 2010-11-18 | Geomatec Co Ltd | レーザーパワーセンサ |
| CN104764535A (zh) * | 2015-03-13 | 2015-07-08 | 东莞捷荣技术股份有限公司 | 一种测温装置和智能奶瓶套 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0445056B2 (ja) | 1992-07-23 |
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