(57)【要約】  熱放射を測定するためのマイクロボロメータは、穿孔を有するプラスチック基板上に設けられた電気回路を備える。電気回路は、温度に依存する電気抵抗を有する少なくとも１つのサーミスタを含む。サーミスタは熱放射を受け取り、受け取った熱放射のフラックスに依存してその温度を変化させるように構成される。電気回路は、熱放射を計算するためにサーミスタの電気抵抗を測定するように構成される。マイクロボロメータは、熱特性を改善するために穿孔を通る気体の流れを生じさせるように構成されている。
2021503075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱放射（Ｌ）を測定するためのマイクロボロメータ（１００）であって、
電気回路（１０）を備え、
前記電気回路は、
温度（Ｔ）に依存する電気抵抗（Ｒ）を持つ少なくとも１つのサーミスタ（１１）であって、前記熱放射（Ｌ）を受け取るように配置されており、受け取った前記熱放射（Ｌ）に依存して前記温度（Ｔ）が変化するサーミスタ（１１）を備え、
前記サーミスタ（１１）は、電極（１２）を介して前記電気回路に電気的に接続されており、
前記電気回路（１０）は、前記熱放射（Ｌ）を計算するために前記電極（１２）を介して前記サーミスタ（１１）の前記電気抵抗（Ｒ）を測定するように構成され、
前記サーミスタ（１１）および前記電極の長さの少なくとも一部分がプラスチック基板（２０）上に配置され、
前記プラスチック基板（２０）は、前記プラスチック基板（２０）を貫通する一つまたは複数の穿孔（２１）を有し、
前記マイクロボロメータ（１００）は、前記熱放射（Ｌ）の測定中および／または測定と測定との間に、前記一つまたは複数の穿孔（２１）を通る気体流（Ｇ）を生じさせるように構成されたポンプを備える、マイクロボロメータ（１００）。
【請求項２】
前記電気回路（１０）は、前記プラスチック基板（２０）上に配置された複数のサーミスタ（１１ａ、１１ｂ）を備え、
前記プラスチック基板（２０）の前記穿孔（２１）は、前記プラスチック基板（２０）上の一対の隣接するサーミスタ（１１ａ、１１ｂ）間に配置される、請求項１に記載のマイクロボロメータ（１００）。
【請求項３】
前記ポンプは、前記気体流（Ｇ）を前記穿孔を通過させ前記プラスチック基板（２０）の表面を横断する方向（Ｚ）に流すように構成される、請求項１または２に記載のマイクロボロメータ（１００）。
【請求項４】
前記プラスチック基板（２０）は、前面（２０ａ）および裏面（２０ｂ）を有し、
前記サーミスタ（１１）を備えた前記電気回路（１０）は、前記前面（２０ａ）上に配置され、
前記ポンプは、前記裏面（２０ｂ）から前記前面（２０ａ）へと前記気体流（Ｇ）を流すように構成される、請求項１から３の何れか一項に記載のマイクロボロメータ（１００）。
【請求項５】
前記マイクロボロメータ（１００）は、前記プラスチック基板（２０）の前面側および裏面側（２０ａ、２０ｂ）に入口開口および出口開口（３１、３２）を有する流れ案内構造を備え、
前記流れ案内構造は、前記気体流（Ｇ）が前記穿孔（２１）を通って流れた後に、前記気体流（Ｇ）が横断方向であって前記基板表面の前記前面（２０ａ）から離れる方向（Ｚ）に流れるのを維持するように構成されている、請求項１から４の何れか一項に記載のマイクロボロメータ（１００）。
【請求項６】
前記プラスチック基板（２０）は、１００マイクロメートル未満の厚さ（Ｔ）を有する、請求項１から５の何れか一項に記載のマイクロボロメータ（１００）。
【請求項７】
前記プラスチック基板（２０）は可撓性を有し、
前記マイクロボロメータ（１００）は、接点（３５）を有し前記接点（３５）により前記プラスチック基板（２０）を両端で支持する支持構造（３０）を備える、請求項１から６の何れか一項に記載のマイクロボロメータ（１００）。
【請求項８】
前記穿孔（２１）は、前記サーミスタ（１１）の外周（Ｃ）に隣接して前記サーミスタ（１１）を部分的に取り囲む前記プラスチック基板（２０）の領域に設けられる、請求項１から７の何れか一項に記載のマイクロボロメータ（１００）。
【請求項９】
前記穿孔（２１）は、前記プラスチック基板（２０）の基板表面の一部を占め、前記プラスチック基板の全表面積に対する前記穿孔によって取り除かれた全表面積の割合は５％を超える、請求項１から８の何れか一項に記載のマイクロボロメータ（１００）。
【請求項１０】
前記穿孔（２１）は、少なくとも第１の距離（Ｄ１）だけ前記サーミスタ（１１）から離れて配置されており、
前記第１の距離（Ｄ１）は、３マイクロメートルから２０マイクロメートルの間である、請求項１から９の何れか一項に記載のマイクロボロメータ（１００）。
【請求項１１】
前記穿孔（２１）は、最も近い電極（１２）から最大で第２の距離（Ｄ２）だけ離れて配置されており、
前記第２の距離（Ｄ２）は、１０マイクロメートル未満である、請求項１から１０の何れか一項に記載のマイクロボロメータ（１００）。
【請求項１２】
前記電極（１２）は導電ポリマーを含む、請求項１から１１の何れか一項に記載のマイクロボロメータ（１００）。
【請求項１３】
前記気体流（Ｇ）は周囲温度の空気流を含む、請求項１から１２の何れか一項に記載のマイクロボロメータ（１００）。
【請求項１４】
請求項１から１３の何れか一項に記載のマイクロボロメータ（１００）を備える熱画像カメラ。
【請求項１５】
熱放射（Ｌ）を測定するマイクロボロメータ（１００）の製造方法であって、
複数のサーミスタ（１１）からなるアレイを含む電気回路（１０）をプラスチック基板（２０）に設ける工程と、
前記プラスチック基板（２０）の複数の領域を穿孔する工程とを備え、
前記複数のサーミスタ（１１）はそれぞれ、温度（Ｔ）に依存する電気抵抗（Ｒ）を有し電極（１２）を介して電気的に相互接続されており、
前記電気回路（１０）は各サーミスタ（１１）の前記電気抵抗（Ｒ）を測定するように構成されており、
穿孔（２１）は、前記サーミスタのアレイ内の隣接する一組のサーミスタ（１１ａ、１１ｂ）間に設けられ、
前記穿孔（２１）は、前記穿孔（２１）を通過する気体流（Ｇ）によって前記隣接するサーミスタ（１１ａ、１１ｂ）が互いから熱的に分離されるように構成されている、マイクロボロメータ（１００）の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、熱放射を測定するためのマイクロボロメータ、マイクロボロメータを備える熱画像システムおよびマイクロボロメータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱画像システムの用途は多岐にわたる。熱画像を利用すれば容易に改善できるものとして、夜間や霧の状態における運転者への注意喚起、消防等がある。軍事用途では、戦場監視、地雷探知、ミサイル位置検知、カモフラージュ探知が含まれる。医療分野では、赤外線検出を利用して、血流分析、理学療法における筋肉機能の観察、傷や熱傷の画像化、体温測定、腫瘍の特定を行うことができる。産業用途では、監視装置、回路基板、配管、加熱炉、絶縁被覆等がある。
【０００３】
ボロメータは、サーミスタとも呼ばれ、温度依存の電気抵抗を持つ材料が加熱されることにより、入射する電磁放射のパワーを測定する装置である。マイクロボロメータは、例えば、サーマルカメラの検出器として使用されるボロメータの一種である。例えば、通常１マイクロメートルを超える波長、７．５〜１４μｍの波長の熱放射は検出器の材料に作用し、材料が加熱され、それによって電気抵抗が変化する。この抵抗変化を測定して、温度を計算し、例えば、画像を作成する。従来のタイプの赤外線検出装置と比較してマイクロボロメータが持つ利点の１つは、スターリングサイクルおよび／または液体窒素冷却装置等の特殊で高価な冷却方法を通常必要としないことが挙げられる。このように、マイクロボロメータは動作させるのに費用がかからず、例えば、サーマルカメラの一部として移動させるのも容易である。
【０００４】
小型で省電力とすることができることからマイクロボロメータの出現により軍用および商用の両方で赤外線検出の新しい機会が開かれており、比較的低性能ではあるが多数のユニットを必要とするアプリケーションに適している。高感度検出器の開発における課題の１つは、大面積技術に対応可能な温度計材料を開発し、可能な限り小面積で高い熱絶縁を実現することである。しかし、現在の（非冷却）マイクロボロメータ製品は熱的に絶縁された吊り下げ型膜を製造するのに、非常に高価なマイクロエレクトロメカニカルシステム（微小電気機械システム：ＭＥＭＳ）シリコン技術を使用している。例えば、シリコン基板を使用すると、画素の下に読み出し電子回路を組み込むことができる。ただし、より大きなサイズの検出器にする場合、コストが高くなる可能性がある。Ａ．Ｊ．Ｓｙｌｌａｉｏｓらによる方法（「アモルファスシリコンマイクロボロメーターテクノロジー」、Ｍａｔ．Ｒｅｓ．Ｓｏｃ．Ｓｙｍｐ．Ｐｒｏｃ．６０９（２０００）：Ａ１４．４．１−Ａ１４．４．６）では、ガラス基板上のアモルファスシリコンＴＦＴアレイを使用して各画素を個別に選択可能とし、信号はアレイの縁部で処理される。
【０００５】
従来の装置の利点の少なくとも一部を維持しつつ、製造可能性等の残りの課題を解決する改良されたマイクロボロメータが望まれている。
【発明の概要】
【０００６】
一態様では、熱放射を測定するためのマイクロボロメータを提供する。マイクロボロメータは、少なくとも１つのサーミスタを備えた電気回路を備える。サーミスタは温度に依存する電気抵抗を有する。サーミスタは熱放射を受け取り、受け取った熱放射のフラックスに依存してその温度を変化させるように構成される。サーミスタは、電極を介して電気回路に電気的に接続されている。電気回路は、熱放射を計算するために電極を介してサーミスタの電気抵抗を測定するように構成される。有利には、回路または少なくともサーミスタおよび接続電極は、プラスチック基板上に配置される。プラスチック基板は、プラスチック基板を貫通する一つまたは複数の穿孔を有する。さらに有利には、例えば、ポンプを使用して、マイクロボロメータは一つまたは複数の穿孔を通るガス流を生じさせるように構成される。
【０００７】
プラスチック基板上にサーミスタと接続電極とを設けることにより、他の構造から熱的に絶縁することができる。基板に穿孔を設けることにより、熱的分離をさらに改善することができる。穿孔を通る空気流により、熱をさらに分離して局所化することができる。サーミスタの外周に隣接して部分的に囲むように穿孔を設けて気体流を流すことにより、熱を近くの回路、例えば他のサーミスタから分離することができる。また、空気流は、熱放射を示す定常状態または平衡温度にサーミスタがさらに迅速に到達可能とするヒートシンクとして機能し得る。このようにして、より速い応答を得ることができる。例えば、サーミスタを分離および／または平衡化するために空気流を使用できる。孔を通して主に基板を横断する方向に気体を流すことにより、基板表面に沿って気体が流れる場合と比較して、対流により隣接する構成要素間の熱交換を回避することができる。裏側から（回路が設けられている）表側にガスを流すことにより、熱が構成要素から運び去られ、基板は安定して一定の温度を保つことができる。複数のサーミスタは、電極によって相互接続された画素のアレイを構成してもよい。導電性および熱伝導性を有する電極を介したサーミスタの熱交換を減らすために、電極の近くに穿孔を設けてもよい。熱交換をさらに減らすには、電極を薄く細く形成する必要がある。熱交換をさらに減らすために、電極は金属よりも低い熱伝導率を有する導電性材料を含み得る。例えば、ドープされたポリチオフェン、ポリピロールおよびポリアニリン等の導電性ポリマー、およびインジウムスズ酸化物などの透明な導電性酸化物である。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
本開示の装置、システムおよび方法の特徴、態様および利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲および添付の図面からよく理解されるであろう。
【０００９】
【図１Ａ】マイクロボロメータの一実施形態の概略的な斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの実施形態の概略的な上面図である。
【図２Ａ】サーミスタ間の熱交換の様々なモードを備えたマイクロボロメータの概略的な断面図である。
【図２Ｂ】サーミスタ間の気体流により熱交換が少なくとも部分的に断絶される様子を概略的に示している。
【図３Ａ】第１の熱画像装置に組み込まれたマイクロボロメータの実施形態を概略的に示している。
【図３Ｂ】第２の熱画像装置に組み込まれたマイクロボロメータの別の実施形態を概略的に示している。
【図４Ａ】プラスチック基板上の電極によって相互接続されたサーミスタのアレイの実施形態を概略的に示しており、サーミスタ間に様々な穿孔が設けられている。
【図４Ｂ】サーミスタのアクティブマトリクスを有する電気回路の実施形態を概略的に示している。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
特定の実施形態を説明するために使用される用語は、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書において、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈がそうでないことを明確に示さない限り、複数形も含むことを意図している。「および／または」という用語は、関連する列挙された要素の一つまたは複数の様々な組み合わせを含む。「備える」および／または「有する」という用語は、述べられた特徴が存在することを意味するが、他の一つまたは複数の特徴が存在することまたは追加されることを排除していない。方法の一の工程が別の工程の後に実施されると説明された場合、そうでないと明記されない限り、それは別の工程の後に一の工程が直接続くまたは一の工程を実行する前に一つまたは複数の中間工程を実行してもよいことを意味する。同様に、構造または構成要素間の接続が説明されている場合、特にそうでないと明記されない限り、この接続は直接行われるまたは中間の構造もしくは構成要素を介して確立可能であることを意味する。
【００１１】
本発明は、本発明の実施形態が示されている添付の図面を参照して、以下に説明される。説明を明確にするために、図面における、システム、構成要素、層および領域の絶対的および相対的サイズは誇張されている場合がある。実施形態が、本発明の理想化された実施形態および中間構造の概略図および／または断面図を参照して説明されるであろう。以下の説明および図面において、同様の番号は同様の要素を指す。相対的な関係を示す用語およびその派生語は、その時説明されているまたは説明中の図面に示されている方向を指すと解釈されるべきである。これら相対的な関係を示す用語は説明の便宜上のものであり、特にそうでないと明記されない限り、システムを特定の向きで構築または操作する必要はない。
【００１２】
図１Ａは、マイクロボロメータ１００の一実施形態の概略的な斜視図である。図１Ｂは、図１Ａの実施形態の概略的な上面図である。
【００１３】
本開示の一態様は、熱放射Ｌを測定するマイクロボロメータ１００を提供する。通常、マイクロボロメータ１００は電気回路１０を備える。電気回路１０は、少なくとも一つのサーミスタ１１を含む。サーミスタ１１は、Ｒ（Ｔ）と表記される温度Ｔに依存する電気抵抗Ｒを有する。サーミスタ１１は熱放射Ｌを受け、受け取った熱放射Ｌに依存して、例えば、熱放射のフラックスに依存して、サーミスタの温度Ｔが変化するまたはするように構成されている。図示の実施形態では、サーミスタ１１は、電極１２を介して回路に電気的に接続されている。
【００１４】
通常、電気回路１０は、熱放射Ｌを計算するために電極１２を介してサーミスタ１１の電気抵抗Ｒを測定するように構成される。測定には、ここに示されていない他の回路や構成要素が含まれる場合がある。例えば、サーミスタ１１の両側の電極１２に電圧が印加され、結果として生じる電流Ｉが測定されて、オームの法則に従ってＲ＝Ｖ／Ｉにより抵抗を決定する。
【００１５】
好ましい実施形態では、サーミスタ１１はプラスチック基板２０上に配置される。より好ましくは、接続電極の長さの少なくとも一部分がまたは回路全体が、プラスチック基板２０上に配置される。さらに好ましい実施形態では、プラスチック基板２０は、基板を貫通する穿孔２１を有する。いくつかの実施形態では、マイクロボロメータ１００は、一つまたは複数の穿孔２１を通る気体流Ｇを生じさせるように構成されることが好ましい。他の実施形態では、気体流が生じなくてもよい。
【００１６】
いくつかの実施形態では、例えば図１Ｂに示すように、穿孔２１は、サーミスタ１１の外周Ｃに隣接し且つサーミスタ１１を部分的に取り囲むプラスチック基板２０の領域に設けられる。穿孔２１は、例えば、外周Ｃの少なくとも１０パーセント、好ましくは少なくとも２０パーセント、またはそれ以上、例えば、３０〜８０％を占める。より多くの穿孔２１によってサーミスタ１１が取り囲まれるほど、サーミスタ１１はその周囲から気体流Ｇによって熱的に分離され得ることが理解されよう。また、気体流Ｇは、サーミスタ１１が熱放射Ｌを示す定常状態または平衡温度に迅速に到達できるようにヒートシンクとして機能することができる。このようにして、より速い応答を得ることができる。
【００１７】
いくつかの実施形態では、気体は所定の温度（Ｔｇ）を有する。例えば、マイクロボロメータ１００は、気体温度Ｔｇを設定するための温度制御装置（図示せず）を備える。例えば、気体温度Ｔｇは、熱放射Ｌの発生源Ｓに応じたサーミスタ１１が到達し得る平衡温度付近に設定される。好ましくは、気体温度と、サーミスタ１１が熱放射Ｌに応じて到達し得る最高温度または最低温度との間の温度差が大きくならないように設定される。所定の温度に設定されるのに代えて、気体は単純に周囲温度を有してもよい。例えば、サーミスタ１１の周囲温度からの温度偏差は、熱放射Ｌを示し得る。
【００１８】
いくつかの実施形態では、例えば、図１Ｂに図示されているように、穿孔２１は、サーミスタ１１から少なくとも第１の距離Ｄ１だけ離間して設けられている。例えば、第１の距離Ｄ１は、１マイクロメートルよりも大きく、好ましくは２マイクロメートルよりも大きく、例えば、３マイクロメートルから２０マイクロメートルの間であり、より好ましくは５マイクロメートルから１０マイクロメートルである。一方で、気体流Ｇがサーミスタ１１に直接接触して過度の温度平衡を引き起こし感度を低下させることがないように、第１の距離Ｄ１を十分大きくしてもよい。他方で、複数のサーミスタが高解像度アレイで使用されている場合、例えば、５０μｍの画素周期のような場合には、最大距離は画素間の面積が限られていることから制限される。
【００１９】
いくつかの実施形態では、例えば、図１Ｂに図示されているように、穿孔２１の少なくともいくつかは、最も近い電極１２から最大で第２の距離Ｄ２離れて設けられる。例えば、第２の距離Ｄ２は、１０マイクロメートル未満、好ましくは５マイクロメートル未満、より好ましくは３マイクロメートル未満、または、１マイクロメートル未満である。第２の距離Ｄ２は、電極１２と気体流Ｇとの間の十分な熱交換を可能にするために相対的に小さい値が選択され得ることは理解されるであろう。したがって、サーミスタ１１から電極１２を通って流れる熱が隣接する回路に到達しないよう分離され、逆もまた同様である。いくつかのさらに好ましい実施形態では、第２の距離Ｄ２は、第１の距離Ｄ１よりも短い。このようにして、サーミスタ１１と気体流Ｇとの熱交換は、主に電極１２を介して行われる。
【００２０】
好ましい実施形態では、プラスチック基板２０の材料は、（マイクロボロメータの動作温度、例えば、室温２９３Ｋにおいて）比較的低い熱伝導率を有する。例えば、材料の熱伝導率は１Ｗｍ-1Ｋ-1未満、好ましくは０．５Ｗｍ-1Ｋ-1未満、より好ましくは０．１Ｗｍ-1Ｋ-1未満であり、例えば１０-5〜１０-2Ｗｍ-1Ｋ-1の範囲である。プラスチック基板２０の熱伝導率が低いほど、他のサーミスタ等の近くの回路からの熱が基板を介してサーミスタ１１へ伝導する、または、基板を介してサーミスタ１１からの熱が他のサーミスタ等の近くの回路へと伝導することが少なくなる。例えば、プラスチック基板２０は、ポリアミド、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）またはポリエステル等の（有機）ポリマー材料によって形成されてもよい。例えば、ポリイミドは通常、約０．１２Ｗｍ-1Ｋ-1の熱伝導率を有する。例えば、ポリエチレンテレフタレートＰＥＴの熱伝導率は、通常０．１５〜０．２４Ｗｍ-1Ｋ-1である。これは、シリコン基板の典型的な熱伝導率１５０Ｗｍ-1Ｋ-1とは対照的である。
【００２１】
好ましい実施形態では、プラスチック基板２０は、比較的薄く、例えば、２００マイクロメートル未満、好ましくは１００マイクロメートル未満、より好ましくは５０マイクロメートル未満、例えば、５〜３０マイクロメートルの間またはそれ以下の厚さＴを有する。プラスチック基板２０の厚さＴが小さいほど基板を伝わる熱が少なくなり、サーミスタ１１の熱的分離にさらに寄与すると考えられる。一方で、回路を十分に支持して破損を回避するような厚みを有する必要がある。
【００２２】
いくつかの実施形態では、プラスチック基板２０は可撓性であってもよい。好ましい実施形態では、マイクロボロメータ１００は、接点を有し（可撓性）プラスチック基板２０を両端で支持する支持構造３０を備える。図示の実施形態では、サーミスタ１１は、最も近い接点３５から少なくとも第３の距離Ｄ３だけ離れて配置されている。好ましくは、第３の距離Ｄ３は、少なくとも５０マイクロメートル、少なくとも１００マイクロメートル、１ミリメートルよりも大きい、または、１センチメートルよりも大きい。最も近い支持構造までの第３の距離Ｄ３が大きいほど、支持構造からのサーミスタ１１の熱的分離が良好になる。一方、可撓性プラスチック基板２０の場合、撓みを防止することが望ましい場合がある。この観点では、例えば、中間支柱を設けることにより支持構造間の最大距離を制限して撓みを防止してもよい。熱的分離をさらに改善するために、支持構造は熱伝導率が低い材料で形成されてもよく、例えば、（剛性）プラスチック製の支持構造であってもよい。
【００２３】
好ましい実施形態では、穿孔２１は、プラスチック基板２０の基板表面においてかなりの面積を占める。例えば、基板の全表面積（または少なくとも回路部品間の表面積）に対する、穿孔によって取り除かれた全表面積の割合は、１％を超える、好ましくは５％を超える、例えば、１０〜７０％の間または２０〜５０％の間である。いくつかの実施形態では、例えば図示されるように、一つ以上の穿孔２１のそれぞれは、最小直径Ｄ４を有する。例えば、最小直径Ｄ４は、１マイクロメートルよりも大きい、好ましくは２マイクロメートルよりも大きく、例えば５〜２０マイクロメートルであり、回路の規模によってはそれよりも大きい。穿孔の割合が大きいほどサーミスタの熱的分離への寄与が大きくなり、基板を通じたサーミスタまたは他の部品間の熱伝導を減らすことができる。
【００２４】
図２Ａは、媒介構造および媒介体積を介したサーミスタ１１ａ、１１ｂ間の熱交換Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３の様々なモードを備えるマイクロボロメータ１００を概略的に示した断面図である。図２Ｂは、それらの間に流れる気体流Ｇによって熱交換Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が少なくとも部分的に断絶された様子を概略的に示している。
【００２５】
例えば、熱交換の第１のモードＨ１は、回路上のある気体、例えば、空気の体積を介した熱伝導および／または対流であってもよい。例えば、熱交換の第２のモードＨ２は、サーミスタ間の電気接続１２を介した熱伝導であってもよい。例えば、熱交換の第３のモードＨ３は、基板２０を介した熱伝導であってもよい。プラスチック基板、特に複数の穿孔を設けた薄いプラスチック基板を使用する場合、熱交換の第３モードのＨ３は、電極を介した第２モードの熱交換Ｈ２に比べて相対的に小さくなる可能性がある。
【００２６】
図２Ｂに示されるように、穿孔を通過する気体流Ｇを追加することにより、サーミスタ間のこのような熱交換のモードをさらに減らすことができる。例えば、気体流により、回路上の体積を２つの体積Ａａ、Ａｂに効果的に分離することができ、これらの体積は主に気体流Ｇと熱Ｈ１’を交換し、２つの体積間による熱交換は少なくなる。気体流Ｇがサーミスタ間の電極１２に比較的近接している場合、サーミスタ１１ａ、１１ｂのいずれかに接続している電極１２ａ、１２ｂの部分も熱Ｈ２’を気体流Ｇと交換することにより、さらなる熱分離を行うことができる。そして、サーミスタ１１ａ、１１ｂの間の穿孔２１を通る気体流Ｇは基板と熱Ｈ３’を交換し、それによりサーミスタ１１ａ、１１ｂの間の熱交換を防ぐことができる。
【００２７】
本明細書で説明するように、サーミスタの電気抵抗を測定するために電極が使用され、その電極は、最小限の所望の導電率、例えば１メートル当たり少なくとも１ジーメンス（Ｓ／ｍ）、好ましくは１メートル当たり少なくとも１０ジーメンス、少なくとも１メートル当たり１００ジーメンスまたは少なくとも１メートル当たり１０００ジーメンスの導電率を有してもよい。望ましくない温度平衡を防ぐために、電極の熱伝導率は最小限であることが好ましい。一実施形態では、電極の熱伝導率は、電極の幅および／または厚みを比較的小さくすることにより最小化でき、例えば、断面積を１０平方マイクロメートル（μｍ2）未満、好ましくは１平方マイクロメートル未満、例えば、０．０１〜１μｍ2以下にすることが望ましい。例えば、電極の最小厚みは１０ナノメートルであってもよく、２マイクロメートルの最小幅と組み合わせた場合、０．０２μｍ2の断面積となる。
【００２８】
いくつかの実施形態では、電極は、導電性ポリマーまたはより具体的にはＩＣＰｓ（ｉｎｔｒｉｎｓｉｃａｌｌｙ  ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ  ｐｏｌｙｍｅｒｓ）を含み得る。例えば、直線状の主鎖を持つ「ポリマーブラックス（ｐｏｌｙｍｅｒ  ｂｌａｃｋｓ）」（ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリピロール、ポリアニリン）とそれらの共重合体は、導電性ポリマーの主要系統である。導電性ポリマーは、十分な電気伝導性を提供すると同時に、比較的低い熱伝導性を有し得ることが理解されよう。例えば、Ｌｉｕ他（Ｍａｃｒｏｍｏｌｅｃｕｌｅｓ、２０１５、４８（３）、５８５−５９１ページ、ＤＯＩ：１０．１０２１／ｍａ５０２０９９ｔ）には、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）とポリスチレンスルホネート（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）の混合物が比較的高い電気伝導率（５００Ｓｃｍ-1）および０．３〜１．０Ｗｍ-1Ｋ-1の熱伝導率を有することが報告されている。
【００２９】
いくつかの態様では、本明細書で説明されるようなマイクロボロメータ１００は、例えば、（サーマル）イメージングカメラのような装置の一部であってもよい。
【００３０】
図３Ａは、第１の熱画像装置に組み込まれたマイクロボロメータ１００の実施形態を概略的に示している。図３Ｂは、第２の熱画像装置に組み込まれたマイクロボロメータ１００の別の実施形態を概略的に示している。
【００３１】
好ましい実施形態では、電気回路１０は複数のサーミスタ１１ａ、１１ｂを備える。さらに好ましい実施形態では、穿孔２１が、隣接するサーミスタ１１ａ、１１ｂの組それぞれの間に配置される。したがって、気体流Ｇにより隣接するサーミスタ１１ａ、１１ｂ間の熱交換を低減することができる。
【００３２】
図示の実施形態では、支持構造３０の接点３５は、プラスチック基板２０を保持するためのクランプ手段を含む。典型的には、プラスチック基板２０は前面２０ａおよび裏面２０ｂを有する。図示の実施形態では、サーミスタ１１を備えた電気回路１０は前面２０ａに配置されている。好ましくは、気体流Ｇは、裏面２０ｂから前面２０ａに、すなわち回路のない側から回路が配置されている側へと流れるように構成される。図示の実施形態では、マイクロボロメータ１００は、穿孔を通じて気体流Ｇをプラスチック基板２０の表面を横切るＺ方向に、または少なくともプラスチック基板２０の前面２０ａを横切る方向に流すように構成される。
【００３３】
いくつかの実施形態では、マイクロボロメータ１００は、気体が穿孔２１を通って流れた後に、気体流Ｇを横断方向であって基板表面の前面２０ａから離れる方向Ｚに維持するように構成される流れ案内構造３１、３２を備える。このようにして、一のサーミスタによって加熱された気体が別のサーミスタに影響を与えることを回避することができる。例えば、図示のように、マイクロボロメータ１００はプラスチック基板２０の前面２０ａの上方に一つまたは複数の気体通気孔３２を備える。図示の実施形態では気体通気孔３２は穿孔２１の真上にあるが、横断方向の気体流が維持される限り気体通気孔３２を他の位置に設けてもよい。
【００３４】
好ましい実施形態では、マイクロボロメータ１００は、プラスチック基板２０の裏面２０ｂに第１の圧力Ｐ１および／またはプラスチック基板２０の前面２０ａに第２の圧力Ｐ２を提供する加圧手段、例えば、ポンプを備えてもよい。典型的には、加圧手段またはポンプは、圧力差および／または穿孔を通る気体流を少なくとも断続的に引き起こすおよび／または維持するように構成された任意のタイプの装置であってよく、例えば、容積式（回転式、往復式、リニア式等）のポンプ、遠心ポンプおよび／または軸流ポンプであってもよい。例えば、ポンプは、基板の一方の側で相対的に高い圧力（供給）を生じさせおよび／または基板の他方の側で相対的低い圧力（排気）を生じさせる。このように、裏面および前面における圧力Ｐ１、Ｐ２間の圧力差は、穿孔２１を通る気体流Ｇを引き起こし得る。好ましくは、裏面の第１の圧力Ｐ１は、前面の第２の圧力Ｐ２よりも高い。いくつかの実施形態では図示されるように、第２の圧力Ｐ２は、周囲圧力Ｐａよりも高い。このように、気体は、プラスチック基板２０上の区画または体積「Ａ」からマイクロボロメータ１００の外側へと流れ続けてもよい。気体は別の区画（図示せず）へと流れてもよい。
【００３５】
好ましい実施形態では、気体流Ｇは周囲温度の空気流を含む。このように構成することにより、複雑な気体制御および温度制御システムになることを回避することができる。例えば、単純な換気扇３３または他のタイプのポンプを使用して、マイクロボロメータ１００外部から空気を穿孔２１に流すことができる。図示の実施形態では、流れ案内構造は、気体流をプラスチック基板２０の（全ての）穿孔２１上に均一に分配するための開口３１を有する分配フィルタを備える。この場合、好ましくは複数の穿孔を通過する気体流Ｇは全て同様となる。
【００３６】
典型的には、気体流Ｇは毎秒所定の量が流れるように制限されてもよい。例えば、プラスチック基板の面積１平方センチメートル当たりの毎秒の使用される気体の体積は、好ましくは１立方センチメートル未満、０．１ｃｍ3未満またはそれ以下である。気体流量が多すぎると、サーミスタの平衡化が早すぎて感度が低下する可能性がある。また、状況によっては他の気体流が生じる場合もある。
【００３７】
いくつかの実施形態では、気体の温度に応じておよび／またはサーミスタの所望の感度に応じて気体流量を制御可能であってもよい。他のまたはさらなる実施形態では、気体流を断続的に切り替えてもよい。例えば、測定中は気体流をオフまたは低量にし、測定と測定の間には気体流をオンまたは高量にしてもよい。このようにすることにより、測定中の感度を相対的に高くすることができると共に、測定と測定の間にサーミスタをベース温度値へと速やかに平衡化できる。
【００３８】
いくつかの実施形態では、イメージング装置は、サーミスタのアレイ上に物体を（熱的に）画像化するための投影光学系を備えてもよい。図示の実施形態では、例えば、フッ化カルシウムまたはフッ化バリウム等の熱放射を透過させる一つまたは複数のレンズ４１を使用することができる。これに代えてまたは加えて、例えば、金でコーティングされたミラーのような反射光学系を使用してもよい。また、可視波長を取り除くフィルタ等の他の光学部品が存在してもよい。
【００３９】
図４Ａは、プラスチック基板２０上の電極１２によって相互接続されたサーミスタ１１のアレイの実施形態を概略的に示しており、サーミスタ間に様々な穿孔２１が設けられている。図４Ｂは、サーミスタ１１のアクティブマトリクス、例えば、ＴＦＴアレイを有する電気回路の実施形態を概略的に示している。サーミスタ１１は、負の温度係数（ＮＴＣ）を有する材料を含むことが望ましい。例えば、図示の実施形態では、ＮＴＣ材料は、サーミスタ１１を形成するべく対向する櫛歯状電極間に配置される。
【００４０】
好ましい実施形態では、例えば、図示のように、電気回路１０は画素を形成するサーミスタ１１のアレイを含む。このように、例えば、熱画像センサを形成することができる。例えば、画素またはサーミスタは、通常、１０〜１００μｍのピッチで、例えば、５０μｍで分配される。例えば、５×５ｃｍのプラスチック基板上に１０００×１０００ピクセルのアレイを形成してもよい。無論、他の距離やサイズも可能である。図示の実施形態では、画素は電極１２によって互いに接続されている。好ましくは、例えば、個々の画素の電気抵抗Ｒを読み取ることができるように、電気回路１０はアクティブマトリクス読み出し電極を備える。例えば、所定の電圧Ｖに対する電流Ｉが画素の各列にわたって測定されている間に、ゲート電圧Ｖｇａｔｅが画素の一行に印加されてもよい。
【００４１】
マイクロボロメータ１００を製造する一つの方法は、プラスチック基板２０上に電気回路１０を設ける工程を備える。電気回路１０は、例えば、それぞれが温度Ｔに依存する電気抵抗Ｒを有するサーミスタ１１のアレイを含む。図示のように、サーミスタ１１は、電極１２を介して電気的に相互接続されてもよい。好ましくは、電気回路１０は各サーミスタ１１の電気抵抗Ｒを測定するように構成される。例えば、電気回路１０は、印刷または他の堆積手段によって設けられる。
【００４２】
製造方法は、（単一の）プラスチック基板２０の複数の領域を穿孔する工程をさらに備えてもよく、穿孔２１はサーミスタのアレイ内の隣接する一対のサーミスタ１１ａ、１１ｂ間に配置される。例えば、穿孔２１は、穿孔２１を通る気体流Ｇが隣接するサーミスタ１１ａ、１１ｂを互いに熱的に分離できるように構成されている。例えば、プラスチック基板２０は、各領域を標的としてレーザーにより、または、例えば、マスクとフラッシュランプとの組み合わせである他のタイプの高強度光線を使用してプラスチック基板２０を局所的にアブレーションすることにより穿孔される。例えば、プレス加工ツールの刃物のようなその他の手段を使用してもよい。プラスチック基板２０の穿孔は、電気回路１０を設ける前または後に行ってもよい。いくつかの実施形態では、予め穿孔された基板が使用され、電気回路１０は穿孔間の基板の残りの領域に設けられる。
【００４３】
明瞭化および簡潔な説明のために、特徴は同じまたは別個の実施形態の一部として本明細書に記載されるが、本発明の範囲は、記載された特徴の全てまたは一部の組み合わせを有する実施形態を含み得ることが理解されるであろう。例えば、サーミスタおよび穿孔を有する基板の様々な配置について実施形態が示されたが、同様の機能および結果を達成するために本開示の利益を享受する当業者であれば、代替の配置が思いつくであろう。例えば、光学系の構成要素は、一つまたは複数の代替構成要素へと結合または分割され得る。説明および図示されている実施形態の様々な要素は、それらの周囲からおよび／または互いから熱的に分離されたサーミスタを提供する等の利点を提供する。無論、上記の実施形態またはプロセスのいずれか一つを、一つもしくは複数の他の実施形態またはプロセスと組み合わせて、設計および利点の発見および一致させることを改善できることは明らかである。本開示は、熱に関して特定の利点を提供し、概して、１つまたは複数のセンサ上の電磁放射を測定する任意の用途に適用可能である。
【００４４】
添付の特許請求の範囲を解釈する際に、「備える」という言葉は、特許請求の範囲に記載されているもの以外の他の要素または行為の存在を除外していないことを理解されたい。「ａ（一の）」または「ａｎ（１つの）」という単語は、そのような要素が複数存在することを排除するものではない。また、特許請求の範囲に記載されている参照番号によって、その範囲を制限されない。いくつかの「手段」は、同じもしくは異なる項目、実装構造または機能によって表される場合がある。特にそうでないと明記しない限り、開示された装置またはその部分のいずれも一緒に組み合わせるまたはさらなる別の部分へと分離することができる。一の請求項が別の請求項を参照している場合、これは、それぞれの機能の組み合わせによって達成される相乗効果を示している可能性がある。しかしながら、特定の手段が相互に異なる請求項で引用されているとしても、これらの手段の組み合わせが有利に使用できないことを意味するものではない。したがって、本実施形態は、請求項の全ての実用的な組み合わせを包含し、各請求項は文脈から明らかに層でないと判断されない限り、原則として先行する任意の請求項を参照することができる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【国際調査報告】
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