(57)【要約】  【課題】  センサ感度を低下させることなく、応答速度を速めて高速移動する対象物にも十分に対応する高速応答性が得られるサーモパイル型赤外線センサを提供する。  【解決手段】  シリコン基板２中央部の受光領域６内に平面視細長形状の薄膜部４を形成し、この薄膜部４の長辺４ａ，４ａに沿って複数対のサーモカップル５を、それらの各温接点５ｈが薄膜部４上に位置し、かつ、各冷接点５ｃを受光領域６外のシリコン基板２上に位置する状態に配置するとともに、それら複数対のサーモカップル５を直列に接続して構成している。  【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板の中央部の受光領域内に形成された薄膜部に、複数対の熱電対が、それらの各温接点を前記薄膜部上に位置させ、かつ、各冷接点を前記受光領域外の半導体基板上に位置させる状態で直列に接続して設けられているサーモパイル型赤外線センサにおいて、
前記薄膜部は、隣接する二辺のうち一方の辺が他方の辺より長い細長形状に形成され、この細長形状の薄膜部の長辺に沿って複数対の熱電対が配置されていることを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項２】
薄膜部が、長方形状に形成されている請求項１に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項３】
薄膜部が、円形の受光領域内に互いに平行に複数列並べて形成され、それら複数列の薄膜部の各長辺に沿ってそれぞれ複数対の熱電対が配置されている請求項１または２に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【請求項４】
薄膜部が、長方形の受光領域内に互いに平行に複数列並べて形成され、それら複数列の薄膜部の各長辺に沿ってそれぞれ複数対の熱電対が配置されている請求項１または２に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば人体や配電盤、空調機器など各種物体の表面温度分布の計測、あるいは、ビルや高架橋などの建築物の老朽化点検、断熱材の劣化診断、さらには食品の温度検査や衣類の保温効果測定等々に使用されるサーモパイル型赤外線センサに関する。詳しくは、半導体基板の中央部の受光領域内に形成された薄膜部に、複数対の熱電対が、それらの各温接点を前記薄膜部上に位置し、かつ、各冷接点を前記受光領域外の半導体基板上に位置する状態で直列に接続して設けられているサーモパイル型赤外線センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のサーモパイル型赤外線センサとして、従来、図７の原理図で示すように、半導体基板の一例であるシリコン基板の上面中央部に、例えばＳｉＯ2 等の絶縁性薄膜部２１を平面視正方形状に形成して受光領域とし、この受光領域となる正方形状の薄膜部２１の４辺それぞれに沿って、例えばアルミとポリシリコンという異種金属からなる熱電対２２の複数対、例えば１辺あたり３対で合計１２対を、それらの各温接点２２ａが薄膜部２１上に位置し、かつ、各冷接点２２ｂが薄膜部２１（受光領域）外のシリコン基板上に位置する状態に配置してそれら熱電対２２を直列に接続したものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
なお、特許文献１では、正方形状薄膜部２１の４辺それぞれに配置した複数対の熱電対２２の各温接点２２ａを長方形状に配置した形態のものも開示されているが、受光領域となる薄膜部２１は正方形状のままである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１９４２２７公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記したように、正方形状の薄膜部２１の４辺それぞれに複数対の熱電対２２を配置してなる従来のサーモパイル型赤外線センサにおいては、センサ感度と応答速度との間で二律背反の問題がある。すなわち、薄膜部２１を、例えば１辺の長さＬが１ｍｍ程度と長い正方形状に設定したものでは、５００Ｋの対象物（直径１０ｍｍ、対象物との距離１００ｍｍ）を測定した場合、１００μＶ程度の大きい感度が得られる反面、そのときのセンサ応答速度は１０ｍｓｅｃ程度と低いという問題がある。
【０００５】
また、高速移動している測定対象物にも対応できるような高速応答性を得るためには、薄膜部の１辺の長さを短くする必要がある。例えば、３ｍｓｅｃ程度以上の応答速度を得るためには、図８に示すように、薄膜部２１の１辺の長さＬ１を０．３ｍｍ程度に短くしなければならない。しかし、薄膜部２１を、その１辺の長さＬ１が０．３ｍｍ程度の短い正方形状に設定したものでは、１辺の長さＬが１ｍｍ程度と長く設定された図７に示すものと比べて、各熱電対２２の温接点２２ａと薄膜部２１の端辺との距離によって決定されるところの受光時と非受光時との温度差が１／３程度と小さくなるだけでなく、薄膜部２１に同一パターン幅で並置できる熱電対２２の数が１辺あたり１対で合計４対と少なくなるので、センサ感度が図７のものに比べて、約１／９の１０μＶ程度と小さくなるという問題がある。
【０００６】
本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、センサ感度を低下させることなく、応答速度を速めて高速移動する対象物にも十分に対応する高速応答性が得られるサーモパイル型赤外線センサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係るサーモパイル型赤外線センサは、半導体基板の中央部の受光領域内に形成された薄膜部に、複数対の熱電対が、それらの各温接点を前記薄膜部上に位置させ、かつ、各冷接点を前記受光領域外の半導体基板上に位置させる状態で直列に接続して設けられているサーモパイル型赤外線センサにおいて、前記薄膜部は、隣接する二辺のうち一方の辺が他方の辺より長い細長形状に形成され、この細長形状の薄膜部の長辺に沿って複数対の熱電対が配置されていることを特徴としている。
【０００８】
ここで、前記薄膜部は、例えば細長台形状であってもよいが、特に、請求項２に記載のように、長方形状に形成されていることが望ましい。
【発明の効果】
【０００９】
上記のような特徴構成を有する本発明のサーモパイル型赤外線センサによれば、熱電対が長方形などの細長形状の薄膜部の長辺に沿って配置されているので、１辺の長さを短くした正方形状のものと同様に、薄膜部における受光時と非受光時との温度差が小さくなって応答速度を速め、高速移動する対象物に対しても十分に対応する高速応答性を得ることができる。しかも、細長形状の長辺に沿って配置することにより、同一パターン幅で１辺あたりに並置できる熱電対の数を多くすることができるので、受光時と非受光時との温度差が小さくなることに起因して低下するセンサ感度を熱電対の設置数で補い、その結果として、１辺の長さが長い正方形状の薄膜部を用いる従来のものと同等もしくは同等以上のセンサ感度を得ることができる。したがって、薄膜部の形状を工夫するだけの極く簡単な構成改良によって、感度を低下させないで、高速応答性に優れたサーモパイル型赤外線センサを提供できるという効果を奏する。
【００１０】
本発明に係るサーモパイル型赤外線センサにおいて、請求項３に記載のように、薄膜部が、円形の受光領域内に互いに平行に複数列並べて形成され、それら複数列の薄膜部の各長辺に沿ってそれぞれ複数対の熱電対が配置されているように構成することにより、いかなる形状の対象物をも高感度かつ高速度に検出することが可能で、汎用性の高い赤外線センサを得ることができる。
【００１１】
また、本発明に係るサーモパイル型赤外線センサにおいて、請求項４に記載のように、薄膜部が、長方形の受光領域内に互いに平行に複数列並べて形成され、それら複数列の薄膜部の各長辺に沿ってそれぞれ複数対の熱電対が配置されているように構成することにより、人体のように概ね長方形状や楕円形状を呈する対象物を高感度かつ高速度に検出することが可能で、特に人体検出用の用途に好適なセンサを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る第１実施例のサーモパイル型赤外線センサ１の一部切欠き斜視図、図２は平面図、図３は断面展開図である。
【００１３】
この第１実施例のサーモパイル型赤外線センサ１は、図１、図２に示すように、半導体基板の一例であるシリコン基板２の上面にＳｉＯ2 膜等の絶縁膜３を形成し、前記シリコン基板２の中央部を長方形状にエッチングすることにより、例えば短辺が０．３ｍｍ、長辺が６ｍｍの長方形状（細長形状の一例）でダイヤフラム構造の絶縁性薄膜部４を形成して、この薄膜部４を長方形の受光領域６としている。この長方形受光領域６を形成する長方形状の薄膜部４の両長辺４ａ，４ａに沿って複数対、例えば１８対、合計３６対の熱電対（サーモカップル）５を、それらの各温接点５ｈが薄膜部４上に位置し、かつ、各冷接点５ｃが前記受光領域外のシリコン基板２上に位置する状態で一定パターン幅に並設するとともに、これら各サーモカップル５を直列に接続して構成されている。
【００１４】
なお、サーモパイル型赤外線センサ１を構成する各サーモカップル５の温接点５ｈ上には、図３に明示するように、赤外線吸収膜７が積層されている。また、サーモカップル５は、アルミ５Ａとポリシリコン５Ｂという異種金属からなり、ペルチェ効果により冷接点５ｃを熱する方向の熱起電力を発生するように構成されたものである。
【００１５】
上記のように構成された第１実施例のサーモカップル型赤外線センサ１は、図４の原理図に示すように、サーモカップル５が長方形状の薄膜部４の両長辺４ａ，４ａに沿って配置されているので、各サーモカップル５の温接点５ｈと薄膜部４の端辺である長辺４ａ，４ａとの距離で決まる受光時と非受光時との温度差が、１辺の長さの短い図８に示す正方形状の薄膜部を用いる従来のものと同様に小さくなって、３ｍｓｅｃ程度以上の速い応答速度となり、高速移動する対象物に対しても十分に対応する高速応答性が得られる。
【００１６】
その上、長方形状薄膜部４の長辺４ａ，４ａに沿ってサーモカップル５を配置することにより、同一パターン幅で１辺あたりに並置できるサーモカップル５の数を、例えば合計３６対と多くすることができるので、受光時と非受光時との温度差が小さくなることに起因してセンサ感度は低下するものの、その低下する感度をサーモカップル５の設置数で補うことが可能であり、その結果として、１辺の長さの長い図７に示す正方形状の薄膜部を用いる従来のものと同等もしくは同等以上のセンサ感度が得られる。したがって、薄膜部４の形状を長方形にするだけで、感度を低下させないで、高速応答性に優れたサーモパイル型赤外線センサ１を提供することができる。
【００１７】
図５は本発明に係る第２実施例のサーモパイル型赤外線センサ１の原理図であり、この第２実施例のサーモパイル型赤外線センサ１は、例えば短辺が０．３ｍｍ、長辺が６ｍｍの長方形状でダイヤフラム構造の薄膜部４をその長手方向で３つに分割し、それら３つに分割された長方形状の薄膜部４１，４２，４３を仮想線６’で示す長円形の受光領域内に互いに平行に並べて形成し、これら３列の薄膜部４１，４２，４３の各長辺に沿って複数対、例えば１０対，１６対，１０対、合計３６対のサーモカップル５をそれらの各温接点５ｈが薄膜部４１，４２，４３上に位置し、かつ、各冷接点５ｃが薄膜部４１，４２，４３外のシリコン基板２上に位置する状態で一定パターン幅に並設するとともに、これら各サーモカップル５を直列に接続して構成されたものである。
【００１８】
上記のように構成された第２実施例のサーモカップル型赤外線センサ１は、第１実施例の赤外線センサ１と同様に、感度を低下させないで、３ｍｓｅｃ程度以上の速い応答速度を有し、高速移動する対象物に対しても十分に対応する高速応答性が得られるのはもとより、受光領域６’が仮想の長円形であることから、いかなる形状の対象物をも高感度かつ高速度に検出することが可能で、汎用性の高い赤外線センサ１を提供することができる。なお、この第２実施例において、仮想の受光領域６’は真円形であっても、楕円形であってもよく、そのような形状とした場合も、同様の効果を奏する。
【００１９】
図６は本発明に係る第３実施例のサーモパイル型赤外線センサ１の原理図であり、この第３実施例のサーモパイル型赤外線センサ１は、例えば短辺が０．３ｍｍ、長辺が６ｍｍの長方形状でダイヤフラム構造の薄膜部４をその長手方向で２つに等分分割し、それら２つに等分分割された長方形状の薄膜部４１，４２を、第１実施例と同様に、長方形の受光領域６’内に互いに平行に並べて形成し、これら２列の薄膜部４１，４２の各長辺に沿って複数対、例えば１８対づつ、合計３６対のサーモカップル５を、それらの各温接点５ｈが薄膜部４１，４２上に位置し、かつ、各冷接点５ｃが薄膜部４１，４２外のシリコン基板２上に位置する状態で一定パターン幅に並設するとともに、これら各サーモカップル５を直列に接続して構成されたものである。
【００２０】
上記のように構成された第３実施例のサーモカップル型赤外線センサ１は、第１実施例の赤外線センサ１と同様に、感度を低下させないで、３ｍｓｅｃ程度以上の速い応答速度を有し、高速移動する対象物に対しても十分に対応する高速応答性が得られるのはもとより、受光領域６’が長方形であることから、人体のように概ね長方形状や楕円形状を呈する対象物を高感度かつ高速度に検出することが可能で、特に人体検出用の用途に好適な赤外線センサ１を提供することができる。また、この第３実施例のサーモカップル型赤外線センサ１は、第１実施例のものに比べて、センサ１全体を短辺／長辺の比を小さくしてコンパクトに構成しやすい。なお、この第３実施例において、受光領域６’を正方形としてもよい。
【００２１】
なお、上記各実施例では、長方形状薄膜部４の長辺合計長さを６ｍｍに設定した場合について示したが、６ｍｍを越える長さとし、それに伴いサーモカップル５の設置数を増やしてセンサ感度を更に大きくしてもよいこともちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明に係る第１実施例のサーモパイル型赤外線センサの一部切欠き斜視図である。
【図２】図１の平面図である。
【図３】図３は断面展開図である。
【図４】第１実施例のサーモパイル型赤外線センサの原理図である。
【図５】本発明に係る第２実施例のサーモパイル型赤外線センサの原理図である。
【図６】本発明に係る第３実施例のサーモパイル型赤外線センサの原理図である。
【図７】従来のサーモパイル型赤外線センサの原理図である。
【図８】従来のサーモパイル型赤外線センサの応答速度改善を図った場合の原理図である。
【符号の説明】
【００２３】
１  サーモパイル型赤外線センサ
２  シリコン基板（半導体基板）
４，４１，４２，４３  長方形状薄膜部
５  サーモカップル（熱電対）
５ｈ  温接点
５ｃ  冷接点
６，６’  受光領域
【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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