(57)【要約】【課題】入射した赤外線が効率よく受光部に入射して感度を増大させるとともに、クロストークを防止して波長選択性を向上できる多素子型赤外線検出器を提供すること。【解決手段】パッケージ２を閉塞する赤外線透過窓３とパッケージ２内に設けた複数の受光部４，５，６，７との間に入射赤外線を集光する複数の集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  ，Ｍ４  を備えた多素子型赤外線検出器１であって、前記集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  ，Ｍ４  の赤外線入射側開口１５ａまたは赤外線出射側開口１５ｂの少なくとも一方に前記各受光部４，５，６，７に対応して波長選択性を持つ光学フィルタ２１，２２，２３，２４を設けている。【選択図】          図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
パッケージを閉塞する赤外線透過窓とパッケージ内に設けた複数の受光部との間に入射赤外線を集光する複数の集光ミラーを備えた多素子型赤外線検出器であって、前記集光ミラーの赤外線入射側開口または赤外線出射側開口の少なくとも一方に前記各受光部に対応して波長選択性を持つ光学フィルタを設けたことを特徴とする多素子型赤外線検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、多素子型赤外線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】特開２００３−４５２７号公報
従来より、図１３に示すように、複数の受光部７０，７１，７２を上面７３ａに有する基板７４を設け、複数種の異なる波長の赤外線を効率よく各受光部７０，７１，７２に入射させて感度を増大させるべく、各受光部７０，７１，７２を露出させながら基板７４の上面７３ａを覆う赤外線集光部７５を設けてなる多素子型赤外線検出器７６がある（前記特許文献１参照）。この赤外線検出器７６は、パッケージ７７の開口７７ａに配置された赤外線透過窓８１を有し、前記赤外線検出器７６のパッケージ７７の前方で前記赤外線透過窓８１上には、検出ガスの特定波長の赤外線を選択して透過させる複数種のバンドパスフィルタ７８，７９，８０が設けられている。バンドパスフィルタ７８，７９，８０によって赤外線透過窓８１が覆われており、バンドパスフィルタ７８，７９，８０の大きさは、バンドパスフィルタ７８，７９，８０を合わせたバンドパスフィルタ７８，７９，８０全体の面積が赤外線透過窓８１の面積よりも大きな面積になるよう設定されている。
【０００３】
そして、前記バンドパスフィルタ７８，７９，８０によって選択された所定の波長の赤外線ｈν１  ，ｈν２  およびｈν３  がそれぞれ赤外線透過窓８１を透過して検出器内の空間Ｓを経て、赤外線集光部７５で集光され、受光部７０，７１および７２にそれぞれ入射し、出力信号により、各波長の赤外線量が検出される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記バンドパスフィルタ７８，７９，８０と受光部７０，７１，７２との間には、数ミリメートル程度の間隔の空間Ｓが存在するため、例えば赤外線ｈν２  が受光部７０や受光部７２に斜めに入射していわゆるクロストークと称される干渉が発生し、波長選択性が悪くなるとともに、正確な出力が得られず分析精度が低下することがあった。
【０００５】
この発明は上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、入射した赤外線が効率よく受光部に入射して感度を増大させるとともに、クロストークを防止して波長選択性を向上できる多素子型赤外線検出器を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、この発明の多素子型赤外線検出器は、パッケージを閉塞する赤外線透過窓とパッケージ内に設けた複数の受光部との間に入射赤外線を集光する複数の集光ミラーを備えた多素子型赤外線検出器であって、前記集光ミラーの赤外線入射側開口または赤外線出射側開口の少なくとも一方に前記各受光部に対応して波長選択性を持つ光学フィルタを設けたことを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を、図を参照しながら説明するが、それによってこの発明は限定されるものではない。
【０００８】
図１〜図１０は、パッケージを閉塞する赤外線透過窓とパッケージ内に設けた複数の受光部との間に入射赤外線を集光する複数の集光ミラーを備え、前記集光ミラーの赤外線入射側開口に前記各受光部に対応して波長選択性を持つ光学フィルタを設けたこの発明の第１の実施形態を示す。
【０００９】
図１〜図１０において、１は、多素子型赤外線検出器としての焦電型赤外線検出器で、パッケージ２を閉塞する赤外線透過窓３とパッケージ２内に設けた複数の受光部（電極）４，５，６，７との間に入射赤外線を集光する複数の集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  ，Ｍ４  を受光部（電極）４，５，６，７の直上に、受光部（電極）４，５，６，７に対応して受光部（電極）４，５，６，７の数だけ備えている。
【００１０】
赤外線透過窓３は、例えばサフャイアやフッ化カルシウムあるいはシリコン（Ｓｉ）等の赤外線透過材よりなり、パッケージ２に開設された開口２ａに配置されている。
【００１１】
９は、平面視矩形の焦電体で、例えばＰＺＴ等の焦電材料よりなる。前記複数の受光部（電極）４，５，６，７は前記一つの焦電体９の表面に形成されている。焦電体９は、支持台１０ａを介して一つの回路基板１０に固定されている。回路基板１０には、受光部（電極）４，５，６，７が形成された表面とは反対の面に、各受光部（電極）４，５，６，７に対応してＦＥＴ（電界効果トランジスタ）（図示せず）と高抵抗（図示せず）が設けられ、これにより、複数系統の赤外線検出回路を備えた複数の受光素子が構成されている。
【００１２】
１１は、ステム１２に貫装された複数本の出力リード端子で受光部（電極）４，５，６，７に対応した４本と、電源端子１３、アース端子１４の２本を含む計６本からなる。
【００１３】
これら端子１１，１３，１４は、回路基板１０をステム１２の上方に間隔をおいて支持している。
【００１４】
また、パッケージ２の基部は、溶接によりステム１２の周縁に固定され、パッケージ２の内部が気密状態に封止されている。
【００１５】
以下この発明の特徴的構成について説明する。
【００１６】
まず、複数の前記集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  ，Ｍ４  について説明する。
【００１７】
集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  ，Ｍ４  は、前記各受光部（電極）４，５，６，７へ赤外線を集光させるためのもので、後述する赤外線集光ブロック１５に形成されている。赤外線集光ブロック１５は、パッケージ２内の、赤外線透過窓３と前記各受光部（電極）４，５，６，７との間に設けられている。赤外線集光ブロック１５は、この実施形態では樹脂製である。更に、前記受光部（電極）４，５，６および７は露出させた状態で集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  およびＭ４  にそれぞれ対応する位置に設けられている。
【００１８】
すなわち、赤外線集光ブロック１５には、前記各受光部（電極）４，５，６，７に対応する位置に複数個のおおむね倒立４角錐台形状の赤外線集光穴Ｈ１  ，Ｈ２  ，Ｈ３  ，Ｈ４  がそれぞれ同一形状に穿設されている。この実施形態では前記受光部（電極）４，５，６，７の数に対応して赤外線集光ブロック１５に４個の赤外線集光穴Ｈ１  ，Ｈ２  ，Ｈ３  ，Ｈ４  が形成されている。
【００１９】
前記赤外線集光ブロック１５は、平面視矩形で、前記各受光部（電極）４，５，６，７へ赤外線を集光させる前記集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  ，Ｍ４  を形成するための赤外線集光穴Ｈ１  ，Ｈ２  ，Ｈ３  ，Ｈ４  を碁盤の目状に有するとともに、隣接する赤外線集光穴Ｈ１  ，Ｈ２  ，Ｈ３  ，Ｈ４  同士は縦横方向に形成された平面視十字型の格子状仕切り枠部１６によって仕切られている。この仕切り枠部１６の上面Ｕの幅は例えば数１０〜数１００μｍと微細である。
【００２０】
前記各赤外線集光穴Ｈ１  ，Ｈ２  ，Ｈ３  ，Ｈ４  は、上述したように倒立４角錐台形状をなす。つまり、各赤外線集光穴Ｈ１  ，Ｈ２  ，Ｈ３  ，Ｈ４  は、平面視略矩形の上方開口（集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  ，Ｍ４  の赤外線入射側開口）１５ａと、この上方開口１５ａより小さく相似形の平面視略矩形の下方開口（集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  ，Ｍ４  の赤外線出射側開口）１５ｂとを有する。そして、各赤外線集光穴Ｈ１  ，Ｈ２  ，Ｈ３  ，Ｈ４  は、上方開口１５ａ側から下方開口１５ｂ側に向かって内方に傾斜した４つの台形状の平坦傾斜面ｍ，ｍ，ｍ，ｍと４つの曲面ｎ，ｎ，ｎ，ｎで構成される内面部１７により形成されている。更に、前記受光部（電極）４，５，６および７は前記赤外線出射側開口１５ｂ，１５ｂ，１５ｂおよび１５ｂ，の直下にそれぞれ位置している。
【００２１】
１８は、前記内面部１７上に形成された金属薄膜である。この金属薄膜は、例えば赤外線反射率の良好な金（Ａｕ）などを、前記内面部１７の前記台形状の４つの平坦傾斜面ｍ，ｍ，ｍ，ｍと４つの曲面ｎ，ｎ，ｎ，ｎを覆うよにスパッタ法で形成してなる。この実施形態では、上述したように、多素子型赤外線検出器１として焦電型のものを用いており、前記金属薄膜１８は、光学フィルタによって選択された所定波長の赤外線を反射して各受光部（電極）４，５，６，７に集中させる赤外線反射膜として機能する。以下、前記金属薄膜１８を赤外線反射膜という。
【００２２】
そして、赤外線反射膜１８により前記各受光部（電極）４，５，６，７へ赤外線を集光させる集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  ，Ｍ４  がそれぞれ構成されている。
【００２３】
更に、赤外線反射膜１８が形成された面（前記平坦傾斜面ｍ）の垂線Ｋからの傾斜角θ（°）を、０°＜θ＜４５°に設定するのが好ましい。θ≦４５°の場合は、例えば図７に示したような赤外線集光ブロック１５の中心軸Ｚに平行な赤外線Ａが集光ミラーＭ１  で反射されても、受光部（電極）４側へ集光されずに反射して後戻りする場合があるからである。また、θ＝０°の場合は、垂直入射する赤外線Ａが集光ミラーＭ１  で反射されないからである。この実施形態では、傾斜角θを約２１°に設定している。
【００２４】
次に、波長選択性を持つ光学フィルタについて説明する。
【００２５】
この発明の最大の特徴は、前記各受光部（電極）４，５，６，７に対応する集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  ，Ｍ４  の赤外線入射側開口１５ａまたは赤外線出射側開口１５ｂの少なくとも一方に波長選択性を持つ光学フィルタ２１，２２，２３，２４を設けた点である。この実施形態では、赤外線集光ブロック１５の格子状仕切り枠部１６上で赤外線入射側開口１５ａを塞ぐように、かつ、前記各受光部（電極）４，５，６，７直上にそれぞれ光学フィルタ２１，２２，２３，２４が取り付けられている。
【００２６】
前記波長選択性を持つ光学フィルタ２１，２２，２３，２４として、赤外線多層膜干渉フィルタを挙げることができる。この干渉フィルタは、シリコン（Ｓｉ）、ゲルマニウム（Ｇｅ）、石英、サファイアなどの赤外線透過材料である基板の上に、高屈折率薄膜材料（例えばＧｅ）と低屈折率薄膜材料（例えばＳｉＯやＺｎＳ）とを交互多層膜として真空蒸着したものである。例えば、バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）では、今問題としている波長λ０  の１／４の光学膜厚（ｎｄ＝λ０  ／４）を基本単位として、それらの整数倍の厚みで交互に重ねる（設計する）ことにより、前記基板の片側にバンドパス面が形成されている。また、その反対の面に前記バンドパス面だけでは落とし切れなかった両サイドの光の洩れ（サイドバンド）を更に遮断するために数十層よりなるショート・ロング・カット（ＳＬＣ）面が形成されている。このように、前記バンドパスフィルタ（ＢＰＦ）は、両面共多層膜により構成され、併せて１００層近い膜構成がされている。
【００２７】
而して、赤外線透過窓３を透過した入射赤外線は、前記波長選択性を持つ光学フィルタ２１，２２，２３および２４によって複数種の波長に分離された赤外線ｈν１  ，ｈν２  ，ｈν３  およびｈν４  となる。そして、これら赤外線ｈν１  ，ｈν２  ，ｈν３  およびｈν４  は赤外線集光穴Ｈ１  ，Ｈ２  ，Ｈ３  およびＨ４  内を通って直接受光部（電極）４，５，６，７に入射するとともに、赤外線集光穴Ｈ１  ，Ｈ２  ，Ｈ３  およびＨ４  内に入射した赤外線ｈν１  ，ｈν２  ，ｈν３  およびｈν４  の大部分はそれぞれ前記集光ミラーとしての赤外線反射膜１８で反射し、効率的に受光部（電極）４，５，６，７に集光される。その結果、多素子型赤外線検出器の各出力信号を増大させることができ、感度を大きくすることができる。
【００２８】
このように、集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  およびＭ４  の赤外線出射側開口１５ｂの直下に受光部（電極）４，５，６，７をそれぞれ位置させる一方、集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  およびＭ４  の赤外線入射側開口１５ａを塞ぐ位置に波長選択性を持つ光学フィルタ２１，２２，２３および２４をそれぞれ設けたので、例えば、波長選択性を持つ光学フィルタ２１によって選択された特定波長の赤外線ｈν１  は赤外線集光穴Ｈ１  内を通って直接受光部（電極）４に入射したり、集光ミラーＭ１  で反射して受光部（電極）４に入射するので、赤外線ｈν１  が例えば受光部（電極）５に斜めに入射することはなく、クロストークの発生を確実に防止できる。
【００２９】
よって、集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  およびＭ４  により、複数種の波長の赤外線ｈν１  ，ｈν２  ，ｈν３  およびｈν４  が効率よく受光部（電極）４，５，６および７にそれぞれ入射して感度を向上できる。また、光学フィルタ２１，２２，２３および２４による波長選択性が確実となり、正確な出力を得ることができる。結果として分析精度を向上できる。
【００３０】
更に、従来では赤外線検出器７６の開口７７ａを封止する赤外線透過窓８１の面積よりも全体として大きな面積を有する複数種のバンドパスフィルタ７８，７９，８０が赤外線透過窓８１に対向して設けられた構成であった。しかし、この発明では、光学フィルタ２１，２２，２３および２４を集光ミラーＭ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  およびＭ４  の赤外線入射側開口１５ａにそれぞれ設けているので、光学フィルタ２１，２２，２３および２４の所要面積を最小限にできる。光学フィルタ２１，２２，２３，２４を合わせた光学フィルタ２１，２２，２３，２４全体の面積を従来のものに比べ格段に小さくすることができるので、複数種の波長の赤外線ｈν１  ，ｈν２  ，ｈν３  およびｈν４  を検出できる多素子型赤外線検出器１において、低コスト化を実現できる。
【００３１】
なお、赤外線出射側開口１５ｂに波長選択性を持つ光学フィルタ２１，２２，２３，２４を設けても、同様の効果を奏するほか、バンドパスフィルタの所要面積が前記赤外線入射側開口１５ａに配置する場合に比べて更に小さくでき、コストも低減できる。
【００３２】
図１１は、二種の熱電材料である例えば半導体（例えばポリシリコン）および金属（例えばアルミニウム）同士を接続した複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルよりなるこの発明の第２の実施形態を示す。なお、図１１において、図１〜図１０に示した符号と同一のものは、同一または相当物である。
【００３３】
図１１において、３２〜３４は、ダイヤフラム構造の受光部である。各受光部３２〜３４は、ポリシリコン層とアルミニウム薄膜層のコンタクトによって形成されたコンタクト部で構成される温接合部を有し、入射赤外線を受光する。
【００３４】
多素子型赤外線センサ１’は、例えばＳｉ基板１４’の他方の面１１ｂ’側にエッチングにより形成された碗型の複数の赤外線集光穴１５’を有する一方、Ｓｉ基板１４’に形成された各赤外線集光穴１５’の底部１１ａ’’の上面に受光部３２〜３４を有する。赤外線集光穴１５’は、Ｓｉ基板１４’を異方性エッチングして形成している。前記赤外線集光穴１５’は、平面視矩形の上方開口１５ａ’と、上方開口１５ａ’から底部側に向かって内方に傾斜した四つの湾曲面で構成される内面部１６’’を有する。多素子型赤外線センサ１’は、Ｓｉ基板１４’の前記内面部１６’’上に、金など赤外線反射率の良好な金属をコーティングしてなる赤外線反射膜１７’を有する。そして、赤外線反射膜１７’により各受光部３２〜３４へ赤外線を集光させる集光ミラー３２’〜３４’が構成されている。
【００３５】
この実施形態では、入射赤外線は、光学フィルタ２１，２２，２３を通り、受光部３２，３３，３４に直接入射するか、赤外線集光穴１５’に入射した赤外線の大部分は集光ミラー３２’〜３４’としての赤外線反射膜１７’で反射し、効率的に受光部３２，３３，３４に集光される。その結果、クロストークの発生を確実に防止しながら、多素子型赤外線センサ１’のサーモパイル信号を増大させることができ、より高精度な赤外線画像を得ることができる。
【００３６】
図１２は、ダイヤフラム構造の受光部３２，３３，３４を備えたこの発明の第３の実施形態を示す。なお、図１２において、図１〜図１１に示した符号と同一のものは、同一または相当物である。
【００３７】
多素子型赤外線検出器１’’は、例えばＳｉ基板１４’’の他方の面１１ｂ’側にエッチングにより形成された倒立四角錐台形状の赤外線集光穴１５’を有する。そして、Ｓｉ基板１４’’の内面上に、金など赤外線反射率の良好な金属をコーティングしてなる赤外線反射膜１７’を有するとともに、Ｓｉ基板１４’’に形成された各赤外線集光穴１５の底部１１ａ’’’の上面に受光部３２，３３，３４を有する。更に、赤外線反射膜１７’により各受光部３２，３３，３４へ赤外線を集光させる集光ミラー３２’〜３４’が構成されている。
【００３８】
この実施形態でも、クロストークの発生を確実に防止しながら、多素子型赤外線センサ１’’のサーモパイル信号を増大させることができ、より高精度な赤外線画像を得ることができる。
【００３９】
なお、この発明は、その他の赤外線検出材料からなる多素子型赤外線検出器にも適用できる。
【００４０】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明では、入射した赤外線が効率よく受光部に入射して感度を増大させるとともに、クロストークを防止して波長選択性を向上できる多素子型赤外線検出器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態を示す平面図である。
【図２】（Ａ）は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。
（Ｂ）は、上記実施形態を示す底面図である。
【図３】上記実施形態を示す要部分解斜視図である。
【図４】上記実施形態で用いた赤外線集光ブロックを示す平面図である。
【図５】上記実施形態で用いた赤外線集光ブロックを示す側面図である。
【図６】上記実施形態で用いた赤外線集光ブロックを示す底面図である。
【図７】図４におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図８】上記実施形態で用いた赤外線集光ブロックを入射側からみた斜視図である。
【図９】上記実施形態で用いた赤外線集光ブロックを出射側からみた斜視図である。
【図１０】（Ａ）は、上記実施形態を示す斜視図である。
（Ｂ）は、上記実施形態を別の角度からみた斜視図である。
【図１１】この発明の第２の実施形態を示す構成説明図である。
【図１２】この発明の第３の実施形態を示す構成説明図である。
【図１３】従来例を示す構成説明図である。
【符号の説明】
１…多素子型赤外線検出器、２…パッケージ、３…赤外線透過窓、４，５，６，７…複数の受光部、Ｍ１  ，Ｍ２  ，Ｍ３  ，Ｍ４  …集光ミラー、１５ａ…赤外線入射側開口、２１，２２，２３，２４…波長選択性を持つ光学フィルタ。
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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