(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージ内部にセンシングエレメントと、該センシングエレメントと同一形状のリファレンスエレメントを設けてセンシングエレメントの熱的な誤差成分をキャンセルして出力するようにしたサーミスタボロメータにおいて、
赤外線を通す所定径の窓が開口形成されたセンシング用空間と、該センシング用空間と同一形状でかつ前記窓を有さず全域が密封されたリファレンス用空間とがそれぞれ独立して形成されたパッケージと、
前記パッケージのセンシング用空間内部に設けられ、前記窓に対応した形状を有し該窓を介して入射した赤外線による温度上昇で抵抗値が変化するサーミスタ膜が形成され、入射角度が平行光のとき（α０）最も大きな受光レベルを出力し、臨界角（α３）に至るまで入射角度に対応する受光レベルを出力するセンシング側検出用エレメント（Ｒsm）と、
前記パッケージのセンシング用空間内部に設けられ、前記センシング用検出用エレメントと同面積で前記窓の開口径より大径な内径を有する環状でサーミスタ膜が形成されており、入射角度が所定角度範囲（α０＜α＜α３）の赤外線を検出するセンシング側補正用エレメント（Ｒss）と、
前記パッケージのリファレンス用空間内部に設けられ、前記センシング側検出用エレメントと同一の形状とされてサーミスタ膜が形成されたリファレンス側検出用エレメント（Ｒrm）と、
前記パッケージのリファレンス用空間内部に設けられ、前記センシング側補正用エレメントと同一の形状とされてサーミスタ膜が形成されたリファレンス側補正用エレメント（Ｒrs）と、
前記センシング側及びリファレンス側の検出用エレメントと、前記センシング側及びリファレンス側の補正用エレメントをブリッジ接続し、センシング側とリファレンス側で発生する熱的な誤差成分をキャンセルするとともに、センシング側の検出用エレメントと補正用エレメントの出力の差分を出力する出力手段と、を具備したことを特徴とする狭視野サーミスタボロメータ。
【請求項２】
前記検出用エレメントと補正用エレメントのサーミスタ膜は、単一の基板を挟むように該基板の表裏にそれぞれ位置合わせして形成された後に該サーミスタ膜部分の基板をエッチング処理で除去されることにより、互いが基板の厚さ分の間隔で微小な架橋構造とされた請求項１記載の狭視野サーミスタボロメータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触で物体温度を測定する放射温度計等に用いるサーミスタボロメータに係り、特に、検知エリアが狭視野で外乱をキャンセルすることができる狭視野サーミスタボロメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
温度によって電気抵抗が大きく変化するサーミスタを赤外線を通す窓を設けたパッケージに封止して構成し、入射した赤外線による温度上昇で抵抗値が変化することに基づき赤外線量を計測でき、温度に変換して出力することができるようになる。
このようなサーミスタボロメータを用いた非接触の温度検出においては、距離が離れるに従い視野が広くなるが、この温度検出しようとする検知エリアを限定したい要望がある。このように狭視野とすることでこの限定された検知エリア内での物体温度の測定精度を向上させることができるようになるとともに、物体周囲からの影響を低減化できるようになる。
【０００３】
また、サーミスタボロメータは、パッケージ内部に検出用と補正用の同一なサーミスタを設け、検出用側だけに赤外線が入射する構成として、補正用のサーミスタで熱影響などによる温度ドリフト等の誤差成分を除去する構成のものが汎用されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来のサーミスタボロメータの検知エリアを狭視野とするためには、このセンサのパッケージ外部にレンズ、ミラー等による集光光学系や、しぼりが用いられており、全体構成が大型でかつ高価になる問題があった。
【０００５】
また、センサ側からみた場合、レンズ、ミラー、しぼりなどの構造物からの赤外線放射も受け取ることになり、誤差要素が多くなる。
センサの受光部分と構造物の温度が等しい場合は問題とならないが、例えばこのサーミスタボロメータを温かい室内から氷点下の冷凍庫に持ち込んですぐに測定する場合など機器の温度変化が激しい場合は、センサ受光部分と構造物の温度変化に過渡的なずれが生じるため、これが誤差として出力に現れる問題もある。
【０００６】
また、この種、熱型センサに分類されるサーミスタボロメータは、物体が放射している赤外線エネルギーの受光量と、センサの受光部自身が放射しているエネルギーの差し引き分の赤外線エネルギーによって受光部分が温度変化することで、物体と受光部自身の温度差に基づき赤外線量（温度）を出力する構成となっている。
このため、例えば室温付近（２５℃）で体温などを測定しようとした場合、これらの温度差が少ないため出力が小さく、正確な温度出力を得にくくなる（温度出力の分解能に相当）。したがって、より少ない入射エネルギーでも状態変化の大きい材料や受光部分の温度変化が大きくなるよう小型化を図り十分な分解能が得られる構成が望まれている。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、検知エリアを狭視野にでき、これを簡単かつ小型に構成できセンシングエレメントの熱的な誤差成分をキャンセルして出力できる狭視野サーミスタボロメータを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の狭視野サーミスタボロメータは、請求項１記載のように、パッケージ内部にセンシングエレメントと、該センシングエレメントと同一形状のリファレンスエレメントを設けてセンシングエレメントの熱的な誤差成分をキャンセルして出力するようにしたサーミスタボロメータにおいて、
赤外線を通す所定径の窓が開口形成されたセンシング用空間と、該センシング用空間と同一形状でかつ前記窓を有さず全域が密封されたリファレンス用空間とがそれぞれ独立して形成されたパッケージと、
前記パッケージのセンシング用空間内部に設けられ、前記窓に対応した形状を有し該窓を介して入射した赤外線による温度上昇で抵抗値が変化するサーミスタ膜が形成され、入射角度が平行光のとき（α０）最も大きな受光レベルを出力し、臨界角（α３）に至るまで入射角度に対応する受光レベルを出力するセンシング側検出用エレメント（Ｒsm）と、
前記パッケージのセンシング用空間内部に設けられ、前記センシング用検出用エレメントと同面積で前記窓の開口径より大径な内径を有する環状でサーミスタ膜が形成されており、入射角度が所定角度範囲（α０＜α＜α３）の赤外線を検出するセンシング側補正用エレメント（Ｒss）と、
前記パッケージのリファレンス用空間内部に設けられ、前記センシング側検出用エレメントと同一の形状とされてサーミスタ膜が形成されたリファレンス側検出用エレメント（Ｒrm）と、
前記パッケージのリファレンス用空間内部に設けられ、前記センシング側補正用エレメントと同一の形状とされてサーミスタ膜が形成されたリファレンス側補正用エレメント（Ｒrs）と、
前記センシング側及びリファレンス側の検出用エレメントと、前記センシング側及びリファレンス側の補正用エレメントをブリッジ接続し、センシング側とリファレンス側で発生する熱的な誤差成分をキャンセルするとともに、センシング側の検出用エレメントと補正用エレメントの出力の差分を出力する出力手段と、を具備したことを特徴としている。
【０００９】
また、請求項２記載のように、前記検出用エレメントと補正用エレメントのサーミスタ膜は、単一の基板を挟むように該基板の表裏にそれぞれ位置合わせして形成された後に該サーミスタ膜部分の基板をエッチング処理で除去されることにより、互いが基板の厚さ分の間隔で微小な架橋構造としてもよい。
【００１０】
センシング側の検出用エレメント２（Ｒsm）は，パッケージ１の開口部１ｂを介して検出対象からの赤外光を検出して対応する受光レベルの信号を出力し、入射光が平行光α０のとき最も高い受光レベルの信号を出力する。
センシング側の補正用エレメント３（Ｒss）は、入射光が平行光（α０）以外で臨界角α３に至るまでの間の赤外光を検出する。
パッケージ１内部には、上記センシング側の検出用エレメント２と補正用エレメント３の他に、同一構成とされたリファレンス側の検出用エレメント２（Ｒrm）と補正用エレメント３（Ｒrs）が設けられ、このリファレンス側の両エレメントには開口部が形成されずパッケージ１内部で密封される。
出力手段７は、センシング側とリファレンス側の両エレメントをブリッジ接続してセンシング側とリファレンス側の熱特性による誤差成分がキャンセルでき温度ドリフトの特性を良好にできる。
そして、センシング側における検出用エレメント２の出力から補正用エレメント３の出力の差分を出力するだけで、入射光が狭視野な角度に対応した出力のみを得ることができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の狭視野サーミスタボロメータの構成を示す側断面図である。パッケージ１内部は気密され必要に応じて内部が真空あるいはガスで封止される。このパッケージ１内部には、同一構成のセンシングエレメントＲｓと、リファレンスエレメントＲｒが収容されている。これらセンシングエレメントＲｓとリファレンスエレメントＲｒは、それぞれ検出用エレメント２（Ｒsm，Ｒrm）と、補正用エレメント３（Ｒss，Ｒrs）で構成されている。
センシングエレメントＲｓ側のパッケージ１上面１ａには、開口部１ｂが開口径Ｌ１で円形に開口形成され、この開口部１ｂには窓４が設けられている。窓４には、赤外光の表面反射防止処理、あるいは所定波長（赤外光）のみ透過させるフィルタ処理が施されたものが用いられる。
【００１２】
センシングエレメントＲｓ側の一方の検出用エレメント２（Ｒsm）について説明すると、この検出用エレメント２は、前記開口部１ｂの開口径Ｌ１程度の外径Ｌ２を有する円形に形成される。
この検出用エレメント２は、パッケージ１を構成する単結晶シリコンなどのウェハーを用いた基板表面に所定のサーミスタ膜２ａが形成されてなる。この検出用エレメント２に入射した赤外線エネルギー量と自己輻射によって放出された赤外線エネルギーの差を反映した温度変化により抵抗値が変化するサーミスタボロメータとなる。
【００１３】
この検出用エレメント２は、外縁から４方に十分細い梁部２ｂによってパッケージ１に支えられている。ここで、検出用エレメント２は、パッケージ１の開口部１ｂの同軸位置上で所定距離Ｈ１離れて配置されている。
【００１４】
開口部１ｂの同軸上で所定距離Ｈ２（Ｈ１＜Ｈ２）離れた箇所には補正用エレメント３（Ｒss）が配置されている。ここで、検出用エレメント２と補正用エレメント３は所定距離Ｈ３（Ｈ２−Ｈ１）だけ離れている。
この補正用エレメント３は、検出用エレメント２と同様の製法により基板上にサーミスタ膜３ａを形成してなる。
補正用エレメント３は、パッケージ１の開口部１ｂの開口径Ｌ１以上の内径Ｌ３で、所定径の外径Ｌ４を有する環状に形成されていて、検出用エレメント２の面積と等しい面積を有している。
【００１５】
この補正用エレメント３は、外縁から４方に十分細い梁部３ｂによってパッケージ１に支えられている。
尚、検出用エレメント２，補正用エレメント３は、３方の梁部２ｂ，３ｂで支えられる構成とすることもできる。
【００１６】
ここで、検出用エレメント２と、補正用エレメント３の形状の有効範囲を記載しておく。
▲１▼補正用エレメント３の内径Ｌ３＞パッケージ１の開口部１ｂの開口径Ｌ１であること。
▲２▼入射光が臨界角（後述する図７のα３）のとき、開口部１ｂの縁と、検出用エレメント２の外径縁と、補正用エレメント３の外径縁とが、それぞれ斜めに入射される入射光線の同一線上に位置すること。
▲３▼検出用エレメント２と補正用エレメント３の面積が同一であること。
【００１７】
また、リファレンスエレメントＲｒ側の検出用エレメント２（Ｒrm）と、補正用エレメント３（Ｒrs）は、上記センシングエレメントＲｓ側と同様に構成されているが、このリファレンスエレメントＲｒ側は、隔壁１ｃによりパッケージ１内部に密封された構成であり、このリファレンスエレメントＲｒ側には開口部１ｂは形成されておらず、外部光は遮断されている。
これにより、センシングエレメントＲｓ及びリファレンスエレメントＲｒを、いずれも同一パッケージ１内に収容することにより、これらセンシングエレメントＲｓとリファレンスエレメントＲｒでは、いずれも同一構成（同一の材質、製法、面積で形成されており両エレメントのノイズ成分や温度変化の時間軸成分はほぼ同等と見做すことができる）であるため、同様の熱特性（エレメントから梁部を経由した熱伝導特性、エレメント内の熱伝導特性、エレメントから周囲雰囲気への熱伝導特性、エレメントと周囲構造物（パッケージ等）との放射熱収支等の各熱特性が同一）となり、両者の熱的な誤差成分は同様に生じる。
【００１８】
図２は、センシングエレメントＲｓ及びリファレンスエレメントＲｒで用いられる検出用エレメント２、及び補正用エレメント３を示す平面図である。
各エレメント２，３のサーミスタ膜２ａ，３ａは、例えば図示のようにそれぞれ交差する櫛歯状に形成されてなる。これらサーミスタ膜２ａ，３ａは、両端にそれぞれリードパターン２ｃ，３ｃが延出形成され、それぞれ梁部２ｂ，３ｂ上を通過しワイヤボンドを介してパッケージ１外部に導出されている。
同図には、補正用エレメント３の内径Ｌ３がパッケージ１の開口部１ｂの開口径Ｌ１及び検出用エレメント２の外径Ｌ２より大径に構成したものが記載されている。
【００１９】
図３は、センシングエレメントＲｓと、リファレンスエレメントＲｒの結線状態を示す図である。同図（ａ）には各エレメント構造が斜視図で示され、同図（ｂ）には電気的接続の回路構成が示されている。
センシングエレメントＲｓの検出用エレメント２（Ｒsm）のリードパターン２ｃ一端と、リファレンスエレメントＲｒの検出用エレメント２（Ｒrm）のリードパターン２ｃ一端は互いに連結接続され、それぞれの検出用エレメント２（Ｒsm，Ｒrm）のリードパターン２ｃ他端は、端子５ａ，５ｂにてパッケージ１外部に導出されるとともに、それぞれ補正用エレメント３（Ｒss，Ｒrs）の一端に連結接続されている。補正用エレメント３（Ｒss，Ｒrs）の他端は互いに連結接続され、パッケージ１にアース接続される。
【００２０】
同図（ｂ）に示すように、上記結線により各エレメントはブリッジ回路７ａを構成し、パッケージ１外部の減算手段７ｂに接続されており、これらによって出力手段７が構成されている。
ブリッジ回路７ａからは、検出用エレメント２の受光レベルＶ１、補正用エレメント３の受光レベルＶ２をそれぞれ出力する。ここで、センシングエレメントＲｓと、リファレンスエレメントＲｒはブリッジ接続のため、これら両エレメントが有する熱特性は同一であるので、熱的な誤差成分をキャンセルすることができ、温度ドリフトの特性を良好にできる。
そして、出力Ｖ１，Ｖ２はセンシングエレメントＲｓに入射した赤外線に基づく受光レベルだけを示すこととなる。
減算手段７ｂには、これら検出用エレメント２の受光レベルＶ１と、補正用エレメント３の受光レベルＶ２とが入力され、両者の差分（Ｖ１−Ｖ２）を出力端子Ｖout から出力する。この減算手段７ｂは、コンパレータを用いたり、ＣＰＵと減算処理ソフトウェアを用いる等して構成できる。
【００２１】
次に、上記構成による狭視野の作用について説明する。図４乃至図７は、この狭視野サーミスタボロメータの視野角度別の検知状態を示す説明図であり、センシングエレメントＲｓが図示されている。
図４は入射光の入射角度がα０のときの受光状態を示す図である。
入射される赤外光（入射光）の光軸となる角度を入射角αとした場合、入射光の入射角度がα０（平行光：検出用エレメント２の面に対して入射光が直角に入射される状態）のときには、検出用エレメント２は最大の受光エネルギーを得ることになる。このとき、補正用エレメント３の内径Ｌ３は開口部１ｂの開口径Ｌ１以上であるため、平行光である入射光は、開口部１ｂに遮られてこの補正用エレメント３には入射しない。（検出用エレメント２の受光レベル＝ｍａｘ，補正用エレメント３の受光レベル＝０）
【００２２】
図５は入射光の入射角度がα１（α０＜α１＜α２）のときの受光状態を示す図である。検出用エレメント２の面に対してやや角度を有した状態のときには、開口部１ｂと検出用エレメント２との間の距離Ｈ１により検出用エレメント２に入射される受光エネルギーはやや減少する。このとき、補正用エレメント３に対し入射光は、この補正用エレメント３の一部に入射する。（検出用エレメント２の受光レベル＞補正用エレメント３の受光レベル）
【００２３】
図６は入射光の入射角度がα２（α１＜α２＜α３）のときの受光状態を示す図である。検出用エレメント２の面に対して角度を有した状態のときには、開口部１ｂによって検出用エレメント２に入射される受光エネルギーは半減する。このとき、入射光は補正用エレメント３に対しても部分的に入射する。（検出用エレメント２の受光レベル≧補正用エレメント３の受光レベル）
【００２４】
図７は入射光の入射角度がα３（α２＜α３）のときの受光状態を示す図である。検出用エレメント２の面に対して臨界角を有した状態のときには、入射光は開口部１ｂによって検出用エレメント２、及び補正用エレメント３のいずれにも入射されない。（検出用エレメント２の受光レベル＝０，補正用エレメント３の受光レベル＝０）
【００２５】
上記図４乃至図７に示したように、検出用エレメント２と補正用エレメント３は、それぞれ入射光の入射角度α別に異なる受光状態となる構成とされており、特に、図３に示すような入射角度α０のときには検出用エレメント２のみが受光状態となることに基づき、この入射角度α０の方向に位置する物体から放射される赤外線を限定して検出できるようになる。
【００２６】
図８は、入射光の角度と受光レベルを示す図である。
検出用エレメント２の受光レベルは、同図（ａ）中実線で示すように入射光の入射角度αが平行光の状態α０（図３記載）のとき最も高く、以降角度が大きくなりα３に至るまで次第に低くなっている。
一方、補正用エレメント３の受光レベルは、（ａ）中点線で示すように、入射光が入射角度α０であるとき最も低く、入射角度が大きくなるにつれ次第に高くなり入射角度α２のとき最も高く、以降、入射角度α３に至るまで次第に低くなっている。
【００２７】
したがって、出力手段７は、検出用エレメント２の出力から補正用エレメント３の出力を差し引くことにより、入射角度αの大きい部分の受光出力をキャンセルすることとなり、入射角度の小さいα０の方向からの入射光のみ限定して検出でき狭視野な検出を行えるようになる（同図（ｂ）参照）。
同時に、検出用エレメント２と補正用エレメント３は、同一の材質、製法、面積で形成されたものであるため、両エレメント２，３のノイズ成分や温度変化の時間軸成分はほぼ同等と見做すことができるため、上記差分演算によってこれら誤差成分を除去することができる。
【００２８】
上記説明では、検出用エレメント２、及び補正用エレメント３がそれぞれ異なる基板上に設けられた構成として説明したが、これに限られることはない。
図９は、上記実施の形態で説明した構成の具体的構造を示す側断面図である。単結晶シリコンなどのウェハーを用いた基板１０の表面（上面）に検出用エレメント２のサーミスタ膜２ａを形成し、裏面（下面）に補正用エレメント３のサーミスタ膜３ａを形成する。ここで、基板の厚さは前記距離Ｈ３としておく。
サーミスタ膜２ａ，３ａの製法を説明すると、蒸着、スパッタリング又はＣＶＤ等の薄膜形成法により熱伝導性の低い酸化シリコンや窒化シリコンなどの絶縁膜を形成し、その上に同じく薄膜によって抵抗温度係数の大きいサーミスタ膜と電極金属膜を形成・パターニングして微小なサーミスタ膜２ａ，３ａを形成する。尚、同図においてサーミスタ膜２ａ，３ａ部分は便宜上、厚くなるよう記載したが、実際にはこの部分はリードパターン２ｃ，３ｃ同様に一様な厚さとなっている。
【００２９】
その後、サーミスタ膜２ａ，３ａが設けられた部分の基板１０を、腐食液によるウェットエッチング法または腐食ガスによる反応性イオンエッチング法などにより取り除いて、微小な架橋構造とする。
これにより、サーミスタ膜２ａ，３ａは互いに距離Ｈ３だけ離れた状態で配置させることができ、また、両エレメント２，３は熱容量を十分に小さくでき、また、その周囲構造との熱的な絶縁を取ることができるようになる。
また、両エレメント２，３の上面、下面には、それぞれ同様な材質からなる基板を用い、サーミスタ膜２ａ，３ａの対向部分のみ上記同様にエッチング処理等で所定空間を形成したカバー１１，１２で密封されたパッケージ１を構成する。このパッケージ１は、センシング側のサーミスタ膜２ａ，３ａ（Ｒsm，Ｒss）側にのみ前述したように開口部１ｂを開口径Ｌ１で開口形成し窓４を設ける。
尚、このような構成では、両エレメント２，３に梁部２ｂ，３ｂは形成されず、リードパターン２ｃ，３ｃの端部が基板１０，上下のカバー１１，１２にサンドイッチ状に支持固定され、サーミスタ膜２ａ，３ａを支持する。
【００３０】
また、中央の基板１０は、ヒートシンク１４上に支持固定され放熱されるとともに、各リードパターン２ｃ，３ｃは、ワイヤ１５を介して基板端子等に接続される。
ところで、上記パッケージ１は、ボロメータ筐体１６内に収容されるもので、この筐体１６にはパッケージ１の開口部１ｂの開口箇所に対応して開口部１６ｂが開口形成され、窓１７が設けられる。
【００３１】
尚、上述したパッケージ１の開口部１ｂの開口径Ｌ１を狭めるだけで検知エリアを狭視野にすることができるようになるが、単に開口部１ｂの開口径Ｌ１を狭めただけでは同時に入射エネルギーも減少し（図８の波形における幅が細くなるが、同時に高さも低くなる）感度が低下することになり好ましくない。この点、本発明の上記構成によれば、感度を低下させることなく狭視野とすることができるものである。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な構造で検知エリアを狭視野とすることができ、これにより検知対象を絞った検知を行え、また、検知対象周囲からの影響を除くことができる。
また、本発明は、検出用エレメントと補正用エレメントの差分を取るだけで狭視野な検知エリアの出力が得られる構成であるため、簡単かつ小型に構成できる。また、ミラーやレンズを用いずとも狭いエリアの検知を行えるようになる。
そして、センシング用とリファレンス用でそれぞれ同一構成のエレメントを設け、両者を同一パッケージ内に収容してブリッジ接続した構成であるため、センシング側エレメントで発生した熱的な誤差成分をキャンセルすることができるようになり、温度ドリフト特性が良好で検知精度を向上できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の狭視野サーミスタボロメータを示す図。
【図２】サーミスタ膜を示す図。
【図３】センシング側とリファレンス側の各エレメントの結線状態を示す図。（ａ）は、構造を示す斜視図。（ｂ）は、電気的回路構成を示す図。
【図４】入射光の入射角度別の受光状態を示す図（その１）。
【図５】入射光の入射角度別の受光状態を示す図（その２）。
【図６】入射光の入射角度別の受光状態を示す図（その３）。
【図７】入射光の入射角度別の受光状態を示す図（その４）。
【図８】入射光の入射角度と受光レベルを示す図。
【図９】本発明の具体的構成例を示す側断面図。
【符号の説明】
１…パッケージ、１ｂ…開口部、２…検出用エレメント、３…補正用エレメント、４…窓、７…出力手段、Ｒｓ…センシングエレメント、Ｒｒ…リファレンスエレメント。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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