(57)【要約】【課題】  熱電対列を用いた赤外線放射検出装置を提供する。【解決手段】  熱形検出装置は、高温及び低温領域（２４０、２５０）と、高温及び低温領域（２４０、２５０）にわたって配置されかつその各々が低温領域（２５０）における端子（２２６、２３６）を有する熱電対（２２０、２３０）と、高温領域（２４０）に配置されかつ第１及び第２の熱電対（２２０、２３０）と熱伝達関係にある熱吸収体（２８０）と、支持面（３２０）と非支持面（３１２）とを有する基部ヘッダ（３００）とを有する。支持面（３２０）の一部分は、低温領域（２５０）の一部分に対向し、また非支持面（３１２）の一部分は、高温領域（２４０）の一部分に対向している。第２の熱電対（２３０）は、第１の熱電対（２２０）の極性とは逆の極性を有する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高温及び低温領域（２４０、２５０）を有する熱形検出装置であって、
前記高温及び低温領域（２４０、２５０）にわたって配置され、かつ前記低温領域（２５０）における第１の端子（２２６）と定められた極性とを有する第１の熱電対（２２０）と、
前記高温及び低温領域（２４０、２５０）にわたって配置され、かつ前記低温領域（２５０）における第２の端子（２３６）と前記第１の熱電対（２２０）の極性と逆の極性とを有する第２の熱電対（２３０）と、
前記高温領域（２４０）に配置されかつ前記第１及び第２の熱電対（２２０、２３０）と熱伝達関係にある熱吸収体（２８０）と、
支持面（３２０）と非支持面（３１２）とを有する基部ヘッダ（３００）と、を含み、
前記支持面（３２０）の一部分が、前記低温領域（２５０）の一部分に対向し、また前記非支持面（３１２）の一部分が、前記高温領域（２４０）の一部分に対向している、
ことを特徴とする装置。
【請求項２】
前記支持面（３２０）と前記第１及び第２の熱電対（２２０、２３０）との間に配置されたダイアフラム（２７０）を更に含み、
前記ダイアフラム（２７０）の一部分が、前記非支持面（３１２）に対向するようになっている、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の熱電対（２２０、２３０）が、前記熱吸収体（２８０）において吸収された熱放射に応答して、前記第１及び第２の端子（２２６、２３６）において結合電気信号を発生し、
前記支持面（３２０）と前記非支持面（３１２）との間の約０．８ｍｍに等しい距離を有する該装置における前記結合電気信号が、前記支持面（３２０）と前記非支持面（３１２）との間の約ゼロｍｍに等しい距離を有する該装置における前記結合電気信号の約１．６５倍に等しいか又はそれよりも大きい、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記非支持面（３１２）が、前記支持面（３２０）に形成された空洞（３１０）を含み、
前記空洞（３１０）が、側部チャネル（４９０）を含む、
ことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記支持面（３２０）と前記非支持面（３１２）との間の前記距離が、約０．１ｍｍに等しいか又はそれよりも大きく、かつ約１０ｍｍに等しいか又はそれよりも小さいことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記基部ヘッダ（３００）との間に前記第１及び第２の熱電対（２２０、２３０）を収納するように配置され、前記基部ヘッダ（３００）と共に内部ボリュームを形成し、かつ前記高温領域（２４０）に近接して配置されたそれを通して熱放射を透過させるためのウインド（４２０）を有するキャップ（４００）と、
前記非支持面（３１２）と流体連通している、前記内部ボリューム内のガス（５００）と、
を更に含むことを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
高温領域（２４０）に配置された赤外線放射レセプタ（２８０）とその各々が低温領域（２５０）に配置されかつ前記レセプタ（２８０）と信号伝達関係にある第１及び第２の端子（２２６、２３６）とを含む赤外線放射センサ素子（２００）と、
前記赤外線放射センサ素子（２００）を支持するための支持面（３２０）と前記支持面（３２０）から後退した非支持面（３１２）とを有する基部ヘッダ（３００）と、
を含み、
前記低温領域（２５０）と前記支持面（３２０）との間の熱伝達が、熱伝導を含み、また前記高温領域（２４０）と前記非支持面（３１２）との間の熱伝達が、熱対流を含む、
ことを特徴とする赤外線放射検出用装置。
【請求項８】
前記赤外線放射センサ素子（２００）が、前記支持面（３２０）と前記第１及び第２の熱電対（２２０、２３０）との間に配置されたダイアフラム（２７０）を更に含み、前記ダイアフラム（２７０）が、前記非支持面（３１２）に対向する部分を有することを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
前記非支持面（３１２）が、前記支持面（３２０）から約１ｍｍだけ後退していることを特徴とする、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
高温領域（２４０）と低温領域（２５０）とを含む赤外線放射センサ素子（２００）と、
前記赤外線放射センサ素子（２００）を支持するための支持面（３２０）と前記支持面（３２０）から後退した非支持面（３１２）とを有する基部ヘッダ（３００）と、
を含み、
前記低温領域（２５０）における前記赤外線放射センサ素子（２００）の一部分が、前記支持面（３２０）の一部分に対向し、また前記高温領域（２４０）における前記赤外線放射センサ素子（２００）の一部分が、前記非支持面（３１２）の一部分に対向している、
ことを特徴とする赤外線放射検出用装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般的に赤外線放射検出に関し、具体的には、熱電対列を用いる赤外線放射検出に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱電対列は、直列に相互接続された熱電対のアレイであり、各熱電対は２つの異種材料の接合により形成される。熱電対アレイは、構造体の高温及び低温領域にわたって配置されて、高温接合部（熱接点）は低温接合部（冷接点）から断熱される。冷接点は、一般的に効果的な放熱を行うようにシリコン基板上に配置され、一方、熱接点は、該熱接点を冷接点から効果的に断熱する薄いダイアフラム上に形成される。高温領域には、赤外線エネルギーを吸収するための黒体があり、この黒体が入射赤外線エネルギーの強度に応じて温度を上昇させる。熱電対列は、ＤＣ放射線に対して安定した応答性をもち、周囲温度変化には敏感ではなく、また広範な赤外線スペクトルに応答する。その上に、熱電対列は、バイアス電圧又は電流源を必要としない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
熱電対列による赤外線放射検出の有用性を進歩させるには、性能特性が高められた検出器を提供することが有益であると思われる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の実施形態は、熱形検出装置を提供し、この熱形検出装置は、高温及び低温領域と、高温及び低温領域にわたって配置されかつその各々が低温領域における端子を有する熱電対と、高温領域に配置されかつ第１及び第２の熱電対と熱伝達関係にある熱吸収体と、支持面と非支持面とを有する基部ヘッダとを有する。支持面の一部分は、低温領域の一部分に対向し、また非支持面の一部分は、高温領域の一部分に対向している。第２の熱電対は、第１の熱電対の極性とは逆の極性を有する。
【０００５】
本発明の更に別の実施形態は、赤外線（ＩＲ）放射検出用装置を提供する。この装置は、ＩＲ放射センサ素子と基部ヘッダとを含む。ＩＲ放射センサ素子は、高温領域に配置された赤外線放射レセプタとその各々が低温領域に配置されかつレセプタと信号伝達関係にある第１及び第２の端子とを含む。基部ヘッダは、ＩＲ放射センサ素子を支持するための支持面と該支持面から後退した非支持面とを含み、低温領域と支持面との間の熱伝達が熱伝導を含み、また高温領域と非支持面との間の熱伝達が熱対流を含む。
【０００６】
本発明の更に別の実施形態は、ＩＲ放射検出用装置を提供し、この装置は、高温領域と低温領域とを備えたＩＲ放射センサ素子と基部ヘッダとを有する。基部ヘッダは、ＩＲ放射センサ素子を支持するための支持面と該支持面から後退した非支持面とを有する。低温領域におけるＩＲ放射センサ素子の一部分が、支持面の一部分に対向し、また高温領域におけるＩＲ放射センサ素子の一部分が、非支持面の一部分に対向している。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
同じ要素が同じ様に番号付けされている例示的な図面を参照する。
【０００８】
本発明の実施形態は、信号出力を増大させるためにセンサ構成部品間の断熱を増強した赤外線（ＩＲ）放射検出器（ＩＲ検出器又はＩＲセンサ、或いはより一般的には熱形検出装置とも呼ばれる）を提供する。本明細書で説明する実施形態は、例示的なセンサとしてＩＲセンサを示すが、開示した発明は、本明細書で開示するような構成部品間の断熱技術を用いることにより利益が得られる可能性がある他のセンサにも応用可能であることは分かるであろう。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、高温及び低温領域を有するＩＲ検出器を提供する。このＩＲ検出器は、直列に相互接続された熱電対を有する熱電対列を含み、各熱電対は、付加的な熱電対極性を備えた状態で高温及び低温領域にわたって配置される。熱吸収体、即ちより具体的には黒体のような赤外線吸収体が、高温領域に配置され、熱伝達関係で熱的に熱電対に結合される。熱電対列を支持するための支持面を有する基部ヘッダは、支持面に空洞を含み、この空洞が非支持面を形成する。支持面と熱電対列との間に置かれたダイアフラムは、空洞の一部分が熱電対列の一部分に対向した状態で配置される。ダイアフラムの一側にかつ該ダイアフラムの他側の熱電対列に対向させて空洞を設けることにより、熱電対列と基部ヘッダとの間の断熱の増強が実現され、結果として赤外線放射検出器の電圧信号出力が増大することになる。
【００１０】
図１は、基部ヘッダ３００により支持されかつ金属キャップ４００と該基部ヘッダ３００との間に配置されたＩＲセンサ素子２００を有するＩＲセンサ１００の例示的な実施形態である。ＩＲセンサ素子２００及び基部ヘッダ３００は、基部ヘッダ組立体４１５（図２を参照）を形成する。ＩＲセンサ素子２００は、形状が長方形として示されているが、本明細書に開示する目的に適した任意の形状とすることができる。基部ヘッダ３００は、本明細書に開示する目的に適した金属又は任意の他の材料、例えばシリコン基板で構成することができる。金属キャップ４００内に配置されているのは、既定の波長のＩＲ放射を透過させるためのウインドフィルタ４２０である。ウインドフィルタ４２０には、広帯域パスフィルタ（ＢＢＰ）及び狭帯域パスフィルタ（ＮＢＰ）の両方が含まれる。或る実施形態では、ＩＲセンサ素子２００は、ダイアフラムフィルム２７０及び支持リム２１５により支持されたＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）シリコン熱電対列２１０を含み、それはここで図２を参照することにより最もよく分かる。
【００１１】
熱電対列２１０は、ＩＲセンサ１００の高温領域２４０及び低温領域２５０にわたって配置された第１及び第２の熱電対２２０、２３０として図２に示されている直列に相互接続された熱電対のアレイを含む。各熱電対２２０、２３０は、それぞれ熱電対部分２２２、２３２及び２２４、２３４として示されている、例えばポリシリコン及びアルミニウムのような２つの異種材料の接合により形成され、端子２２６及び２３６間の電圧信号が熱電対２２０、２３０にわたる電圧信号の総計になるように、互いに逆の極性をもつように配置される。端子２２６、２３６は、それぞれ導線２８６、２９６によりピン４３６、４２６に接続される。熱電対２２０、２３０の高温及び低温領域２４０、２５０（熱接点及び冷接点とも呼ばれる）は、断熱体２６０により及びダイアフラムフィルム２７０により互いに断熱される。ダイアフラムフィルム２７０は、低い熱コンダクタンス及びキャパシタンスを有し、三層のフィルム２７２、２７４、２７６を有するのが示されているが、本明細書で開示する断熱の目的に適した任意の数及び厚さのフィルムを有することができる。黒体２８０は、高温領域２４０において熱電対２２０、２３０に熱的に結合され、それによって赤外線を吸収して高温領域２４０における温度を上昇させる働きをする。高温領域２４０における温度上昇は、入射赤外線エネルギーの強度に対応している。高温領域２４０における温度が上昇すると、端子２２６、２３６間の電圧が増大する。熱電対２２０、２３０の熱接点２４０と冷接点２５０との間の断熱が良好であればあるほど、端子２２６、２３６間の電圧信号も良好になる。
【００１２】
本発明の実施形態によると、出願人は、ダイアフラムフィルム２７０の材料と基部ヘッダ３００の材料との間の距離が増大するとＩＲセンサ素子２００からの出力信号が増大するということを実証したが、そのことについては図７を参照して後で説明する。図２及び図３に示すように、この距離の増大は、例えばミクロ機械加工又はエッチングによるなどして材料を除去し、それにより非支持面３１２を有する空洞３１０を形成することにより、ＩＲセンサ１００の全体寸法を変更することなく達成することができる。ミクロ機械加工により除去されない基部ヘッダ３００の材料は、ＩＲセンサ素子２００を支持するための支持面３２０を構成する。例示的な空洞３１０を図３に示しているが、空洞３１０は、ＩＲセンサ素子２００の信号出力を高める目的に適した任意の形状、例えば円形形状又は星形形状などに形成することができる。
【００１３】
図３に示すように、本発明の実施形態では、３つのミクロ機械加工された通路から形成されている空洞３１０が設けられ、第１の通路３３０は、約１０ミリメートル（ｍｍ）の長さがあり、また第２の通路３４０及び第３の通路３５０は、第１の通路３３０と交差しかつ約６ｍｍの長さがある。各例示的な通路３３０、３４０、３５０は、約１．１ｍｍ（寸法「ｄ」により示す）の深さにミクロ機械加工され、また約１ｍｍのツール半径（半径「ｒ」により示す）を有する。或る実施形態では、寸法「ｄ」は、約０．１ｍｍに等しいか又はそれよりも大きくかつ約１０ｍｍに等しいか又はそれよりも小さく、また別の実施形態では、約１ｍｍに等しい。寸法「ｄ」は、空洞３１０の機械加工により形成された、ダイアフラムフィルム２７０と基部ヘッダ３００との間の空隙距離の追加増分を示す。
【００１４】
図４は、一部分が非支持面３１２の上方に又はそれに対向して延びた状態で支持面３２０により支持されたＩＲセンサ素子２００を示す。或る実施形態では、ＩＲセンサ素子２００の厚さは、約５００マイクロメートルあり、またダイアフラムフィルム２７０の厚さは約１マイクロメートルである。
【００１５】
図５及び図６は、ダイアフラムフィルム２７０と基部ヘッダ３００との間の追加の寸法「ｄ」を形成するために基部ヘッダ３００上に配置されたスペーサ４３０を用いる本発明の別の実施形態を示す。更に別の実施形態では、増分距離「ｄ」をもたらすようにダイアフラムフィルム２７０を好適な形状とすることができる。更に別の実施形態は、支柱が空洞３１０の底面から延びて支持面３２０を形成するようになったミクロ機械加工された基部ヘッダ３００を含むことができる。
【００１６】
図７は、図１〜図４に示す第１の例示的な実施形態及び図５〜図６に示す第２の実施形態についての増分間隔「ｄ」４６０の関数としての、ＩＲセンサ１００の信号出力４５０のグラフを示す。図示するように、信号出力４５０は、標準化され、それによってダイアフラムフィルム２７０と基部ヘッダ３００との間に全く増分空隙距離「ｄ」がない（つまり、ｄ＝０）ＩＲセンサ１００においては、１．０の信号出力になる。増分空隙距離「ｄ」を有する本発明の第１及び第２の例示的な実施形態は、それぞれ出力信号４７０及び４８０を有するものとして示されている。図示するように、第１及び第２の例示的な実施形態は、約ｄ＝０．８ｍｍの「ｄ」寸法において、それぞれ約１．６５及び約１．７５の標準化された出力信号を有する。従って、約ｄ＝０．８ｍｍを有するセンサは、ｄ＝０ｍｍのセンサよりも約６５％から約７５％大きい出力信号強度になる。
【００１７】
完全に組み立てられたＩＲセンサ１００においては、金属キャップ４００が金属基部ヘッダ３００に取付けられて、ＩＲセンサ素子２００を封入した密閉ユニットを形成することができる。ＩＲセンサ素子２００は、例えば接着剤のような任意の適当な接着技術を用いて基部ヘッダ３００に接着されることができる。金属キャップ４００と金属基部ヘッダ３００との間に形成された内部空洞、すなわち内部ボリュームは、適当な熱特性の充填ガスで満たされ、それによって非支持面３１２を含む内部空洞内の様々な表面間で予測可能な熱伝達を行うことができる。増分空隙寸法「ｄ」により形成された空洞３１０が無い場合、図２及び図６に示すような「Ｄ」の空隙を有する、ダイアフラムフィルム２７０と基部ヘッダ３００との間の熱伝達は、主として伝導によるものであり、また間隙「Ｄ」により閉じ込められた充填ガスは、金属キャップ４００と金属基部ヘッダ３００との間の残りの充填ガスとは容易には混合することができない。本明細書で用いる場合、空隙という用語は、間隔が空気又は充填ガスで充填されているかどうかに拘わりなく構成部品間の間隔を示す。増分空隙「ｄ」を導入した場合、ダイアフラムフィルム２７０と基部ヘッダ３００との間の熱伝達は、対流成分を含み、この対流成分は、伝導成分によるよりも少ない熱伝達をもたらすことになり、それによってダイアフラムフィルム２７０と基部ヘッダ３００との間でより大きな断熱を行うことになる。更に、図３〜図４に示す側部チャネル４９０を導入することで、ＩＲセンサ素子２００の下方の充填ガスは、金属キャップ４００と金属基部ヘッダ３００との間の充填ガスとより良好に混合されることができ、それによってＩＲセンサ素子２００の下方の熱蓄積が一層少なくなり断熱が更に改善されることになる。
【００１８】
本発明の一部の実施形態では、以下の利点、すなわち信号出力増大、必要とされる信号増幅率の低下、及び信号雑音余裕の増大の幾つかを得ることができる。
【００１９】
本発明を例示的な実施形態を参照して説明してきたが、本発明の技術的範囲から逸脱することなく、様々な変更を行いまた均等物を本発明の要素と置き換えることができることは、当業者には理解されるであろう。その上、本発明の本質的な技術的範囲から逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるように多くの改良を行うことが可能である。従って、本発明は、本発明を実施するために考えられた最良の形態として開示した特定の実施形態に限定されるものではなく、本発明は特許請求の範囲の技術的範囲内に入る全ての実施形態を含むことを意図している。更に、第１の、第２の、等の用語を用いることは、いかなる順序も重要性も示すものではなく、むしろ第１の、第２の、等の用語は、１つの要素を他の要素から区別するために用いられている。更に、一つの等の数詞のない用語を用いることは、数量の制限を示さず、むしろ引用した要素の少なくとも１つが存在することを示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施形態による例示的な赤外線放射検出器の等角分解組立体図である。
【図２】図１の例示的な赤外線放射検出器の側断面図である。
【図３】図１の例示的な赤外線放射検出器の一部の斜視図である。
【図４】図１の例示的な赤外線検出器の一部の斜視図である。
【図５】図１の例示的な赤外線放射検出器の別の実施形態を示す図である。
【図６】図１の例示的な赤外線放射検出器の別の実施形態を示す図である。
【図７】本発明の例示的な実施形態の標準かされた出力信号を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２１】
１００  ＩＲセンサ
２００  ＩＲセンサ素子
２２６、２３６  端子
２８６、２９６  導線
３００  基部ヘッダ
３１０  空洞
３２０  支持面
４００  金属キャップ
４２０  ウインドフィルタ
４２６、４３６  ピン
５００  ガス
【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】
2004361386.tif 000008
【図７】
2004361386.tif 000009
【外国語明細書】
2004361386000001.pdf