(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線検出素子と、
当該赤外線検出素子が載置される基台と、
当該基台上に被せられ前記赤外線検出素子を内包する空間を気密封止するキャップと、
を有し、
前記キャップは、
前記赤外線検出素子を取り囲み、溶着材を介して前記基台に接合されるフランジ部と、
前記赤外線検出素子の受光面に対向する位置に設けられた開口部と、
前記開口部配設部分に溶着材を介して接合され、外部から前記赤外線検出素子への赤外線の入射を可能とする窓部と、
を有し、
前記フランジ部の内周側のエッジは面取りされ、
少なくとも前記窓部配設部分近傍を除き、前記フランジ部の前記基台との接合面及び面取り部分を含む前記キャップの内面には、溶着材との親和性を高める表面処理が施され、
前記フランジ部の面取り部分と前記基台との接合面の隙間には、溶着材が充填されることによってフィレットが形成されることを特徴とする赤外線検出器。
【請求項２】
前記フランジ部を前記基台に接合するために用いる溶着材は、はんだであり、
前記表面処理は、ニッケルメッキを施す処理、あるいはニッケルメッキし、その上に金メッキを施す処理であることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出器。
【請求項３】
前記窓部が配設される前記キャップの上面、前記窓部及び前記フランジ部は、それぞれ円形に構成されることを特徴とする請求項１記載の赤外線検出器。
【請求項４】
前記キャップは、金属で形成されたフレームを含み、
前記フレームの内面に前記ガス吸収部材が接着されること、
を特徴とする請求項１記載の赤外線検出器。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線検出器に関し、特に赤外線検出素子を収納した容器内が真空状態とされる赤外線検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図８は、従来の赤外線検出器を示す断面図である。この赤外線検出器は、２次元アレイ状に画素を配置した非冷却型の赤外線検出素子２、電子冷却素子４、メタルプレート６、セラミックスプレート８、端子１０、メタルリング１２、ウインドウ１４、メタルキャップ１６、ワイヤボンディング１８、ゲッター２０、排気管２２を含んで構成される。
【０００３】
赤外線検出素子２は、２次元アレイ状に画素を配置したイメージセンサであり、各画素は、入力する赤外線エネルギーによる温度変化をダイオード又は、抵抗値の変化として検出する。この赤外線検出素子は非冷却型であるが、所定温度範囲に維持される必要がある。この温度維持のために、ペルチェ効果を利用した電子冷却素子４が設けられている。
【０００４】
端子１０は、検出器の内部の赤外線検出素子２やゲッター２０と検出器の外部とを接続する電気的端子であり、メタルプレート６に設けられた孔を貫通する。赤外線検出素子２と端子１０との間は、ワイヤボンディング１８で電気的に接続される。ゲッター２０は、真空中への放出ガスを吸着する。
【０００５】
メタルプレート６は金属材料で形成され、電子冷却素子４及び赤外線検出素子２を支持する。端子１０を通すためにメタルプレート６に開けられる孔は、導電性を有するメタルプレート６と端子１０との短絡を避けるために、端子１０の断面より大きく形成される。セラミックスプレート８は、メタルプレート６と端子１０とに気密接合され、それら両者間の隙間を塞ぎ、検出器内部の気密を保つ。
【０００６】
メタルリング１２は金属材料で形成され、メタルプレート６上に気密接合される。メタルキャップ１６は金属材料で形成され、メタルリング１２に溶接接合される。ウィンドウ１４は、赤外線を透過する材料で形成され、メタルキャップ１６に設けられた開口に気密接合される。
【０００７】
排気管２２は、メタルプレート８を貫通し、検出器の内部と外部とを連通する。
【０００８】
上述のように赤外線検出素子２は、入射した赤外線エネルギーによる温度変化を検出するものである。この赤外線検出器が高い温度分解能を得るためには、入射した赤外線エネルギーが周囲に拡散しないように内部を真空に保つ必要がある。そのため、検出器容器を構成する各部相互の接合部は真空気密構造とされる。排気管２２は、検出器の容器内部を真空に排気する際に利用され、容器内部を真空に排気した後、つぶして封じる構造となっている。
【０００９】
図９は従来のゲッターを示す模式図である。ゲッター２０はガスを吸着する機能を発揮するため、真空中にて４００〜９００℃に加熱する必要がある。この加熱のために、ゲッター２０はヒータを内蔵しており、端子１０を用いてヒータへの通電が行われる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような従来の赤外線検出器では、容器内部を真空に排気するために、容器内部を真空ポンプに連結するための排気管を有するため、部品点数が多く、低コスト化、小型化が妨げられるという問題があった。また、ゲッターについては、ヒータを内蔵させるために、ゲッター製造の自動化が出来ず、低コスト化が妨げられるという問題があった。
【００１１】
本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、一層の低コスト化、小型化を実現する赤外線検出器を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る赤外線検出器は、赤外線検出素子と、当該赤外線検出素子が載置される基台と、当該基台上に被せられ前記赤外線検出素子を内包する空間を気密封止するキャップとを有し、前記キャップは、前記赤外線検出素子を取り囲み、溶着材を介して前記基台に接合されるフランジ部と、前記赤外線検出素子の受光面に対向する位置に設けられた開口部と、前記開口部配設部分に溶着材を介して接合され、外部から前記赤外線検出素子への赤外線の入射を可能とする窓部とを有し、前記フランジ部の内周側のエッジは面取りされ、少なくとも前記窓部配設部分近傍を除き、前記フランジ部の前記基台との接合面及び面取り部分を含む前記キャップの内面には、溶着材との親和性を高める表面処理が施され、前記フランジ部の面取り部分と前記基台との接合面の隙間には、溶着材が充填されることによってフィレットが形成されるものである。
【００１３】
また、前記フランジ部を前記基台に接合するために用いる溶着材は、はんだであり、前記表面処理は、ニッケルメッキを施す処理、あるいはニッケルメッキし、その上に金メッキを施す処理であることを特徴とするものである。
【００１４】
また、前記窓部が配設される前記キャップの上面、前記窓部及び前記フランジ部は、それぞれ円形に構成されるものである。
【００１５】
また、前記キャップは、金属で形成されたフレームを含み、前記フレームの内面に前記ガス吸収部材が接着されるものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
【００１８】
［実施の形態１］
図１は本発明の第１の実施形態である赤外線検出器の概略の構造を示す断面図である。赤外線検出素子５０は非冷却で動作可能な赤外線イメージセンサであり、２次元アレイ状に配列された各画素は、例えばダイオード型又はボロメータ型の赤外線センサにより構成される。この赤外線検出素子は非冷却型であるが、所定温度範囲に維持する必要がある。この温度維持のために、ペルチェ効果を利用した電子冷却素子５２を備える。電子冷却素子５２は、赤外線検出素子５０の裏面に接し、赤外線検出素子５０の温度を制御する。
【００１９】
複数設けられた端子５４は、検出器の内部の赤外線検出素子５０や電子冷却素子５２及びゲッター５６と検出器の外部とを接続する電気的端子である。赤外線検出素子５０と端子５４との間は、例えば金やアルミニウムを線材として用いたワイヤボンディング６０で電気的に接続され、駆動信号の入力や赤外線検知信号の出力がこれら端子５４を介して行われる。ゲッター５６は例えばジルコニウム、バナジウム、鉄を焼結させて成形したものであり、ヒータを内蔵する。そのヒータが端子５４から通電され発熱することにより、ゲッター５６は表面を活性化され、容器内の真空中への放出ガスを吸着して真空の劣化を防止する。電子冷却素子５２は端子５４から通電され、赤外線検出素子５０の温度を制御する。
【００２０】
セラミックパッケージ５８は、例えば、アルミナや窒化アルミナからなる積層セラミックスで形成され、電子冷却素子５２、赤外線検出素子５０、端子５４を支持する。また、セラミックパッケージ５８には、例えば端子５４との電気的配線のために、導体パターン、スルーホールが形成される。セラミックパッケージ５８の中央部と外周部との間には段差が設けられ、中央部が低く形成され、ここに電子冷却素子５２及び赤外線検出素子５０の積層体が載置される。一方、外周部上面の内側寄りの領域には、導体パターンとして端子５４に導通するボンディングパッドが形成され、これと赤外線検出素子５０との間がワイヤボンディング６０により接続される。
【００２１】
キャップ６２は、セラミックパッケージ５８の上部を覆い、これにより、気密封止された空間が形成され、当該空間内に赤外線検出素子５０が収納される。キャップ６２は、金属材料で形成されたメタルキャップ６４（フレーム）と当該メタルキャップ６４に設けられた開口６６に気密接続されるウィンドウ６８とを含んで構成される。ウィンドウ６８は赤外線を透過する部材であり、例えばゲルマニウムやシリコンで構成される。また開口６６は赤外線検出素子５０の受光面に対向する位置に設けられる。このウィンドウ６８を介して、外部の赤外線が赤外線検出素子５０に入射することができる。メタルキャップ６４の縁にはフランジ部７０が設けられ、このフランジ部７０がセラミックパッケージ５８の外周部上面の外側寄りの領域に接合される。フランジ部７０を設けることにより、メタルキャップ６４とセラミックパッケージ５８との接合面積を確保することができ、赤外線検出素子５０が配置される内部空間の気密の信頼性が向上する。
【００２２】
ウィンドウ６８とメタルキャップ６４とは、例えば、酸化鉛系の低融点ガラス材７４を溶着材として用いて接合され、キャップ６２が形成される。キャップ６２とセラミックパッケージ５８とは真空雰囲気中で接合されることにより、内部空間が真空とされる。キャップ６２のフランジ部７０とセラミックパッケージ５８との接合は、はんだ等のロウ材７２を溶着材として用いて行われる。
【００２３】
図２は、フランジ部７０とセラミックパッケージ５８との接合部分を拡大した断面図である。メタルキャップ６４は、ウィンドウ６８が接合される水平な上部平面部８０と、これに連なる垂直の側壁部８２と、側壁部８２から外側へ水平に広がるフランジ部７０とを有する。フランジ部７０の内周側のエッジは面取りされ、傾斜した面取り面８４が形成される。ロウ材７２は、この面取り面８４にて良好なフィレット８８を形成することができ、接合強度及び気密性の向上が図られる。
【００２４】
図３は、他のフランジ部７０の形態における、フランジ部７０とセラミックパッケージ５８との接合部分を拡大した断面図である。この形態では、フランジ部７０の内周側のエッジは面取りされ、丸みを帯びた丸取り面８６が形成される。この場合においても、ロウ材７２は、この丸取り面８６にて良好なフィレット８８を形成することができ、接合強度及び気密性の向上が図られる。
【００２５】
［実施の形態２］
本発明の第２の実施形態に係る赤外線検出器は、上記第１の実施形態と概ね同じ構成であり、以下、相違点のみ説明する。なお、上記第１の実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付す。
【００２６】
図４は、キャップ６２の構成を説明するための模式的な断面図である。本検出器の特徴は、キャップ６２のフランジ部７０とセラミックパッケージ５８との接合面に、ロウ材７２との親和性を高める表面処理が施される点にある。図４において、ロウ材７２が接触することが期待される領域（表面処理領域１００）に当該表面処理が施される。一方、キャップ６２の他の部分、少なくともウィンドウ６８及びその近傍領域には当該表面処理は施されない。例えば、ロウ材７２がはんだである場合の表面処理は、ニッケルメッキし、その上に金メッキを施す処理である。
【００２７】
これにより、キャップ６２とセラミックパッケージ５８とを接合した際に、ロウ材７２の流れ出しによるウィンドウ６８の汚染を防止することができ、また接合面でのロウ材７２の厚さを均一にすることができる。
【００２８】
［実施の形態３］
本発明の第３の実施形態に係る赤外線検出器は、上記第１の実施形態と概ね同じ構成であり、以下、相違点のみ説明する。なお、上記第１の実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付す。
【００２９】
図５は、第３の実施形態に係る赤外線検出器の特徴を説明する模式的な斜視図である。本検出器では、キャップ６２の上面形状が円形に構成される。すなわち、メタルキャップ６４は円形であり、これに対応してフランジ部７０も円形に形成される。また、図には現れていないが、赤外線の取り込み口となるメタルキャップ６４の開口６６も円形に形成され、ウィンドウ６８も円形に形成される。
【００３０】
また、セラミックパッケージ５８の外周部上面にはフランジ部７０と接合される円形領域に接合用メタライズ１１０が施される。
【００３１】
この構成では、フランジ部７０とセラミックパッケージ５８との接合面は円形（ドーナツ形状）となる。またメタルキャップ６４とウィンドウ６８との接合面も円形（ドーナツ形状）となる。この構造では、ロウ材７２や低融点ガラス材７４が硬化時とその後の使用時とでの温度差により、各接合部に発生する熱応力が接合部の円周の各方向に対称、均一となる。すなわち、各接合部に局所的な過大な応力が発生せず、各接合部でのクラック発生や気密漏れを防ぐことができる。また、赤外線検出器の使用環境下で受ける温度サイクルにも強い構造が得られる。
【００３２】
［実施の形態４］
本発明の第４の実施形態に係る赤外線検出器は、上記第１の実施形態と概ね同じ構成であり、以下、相違点のみ説明する。なお、上記第１の実施形態と同様の構成要素については同じ符号を付す。
【００３３】
図６は、第４の実施形態に係る赤外線検出器の概略の構造を示す断面図である。本検出器では、メタルキャップ６４の内面にゲッター１２０が溶接接合される。このゲッター１２０はヒータを内蔵していない。このゲッター１２０を活性化する場合には、キャップ６２の外側に外部ヒータ１２２を当接させる。外部ヒータ１２２はメタルキャップ６４にて当接され、外部ヒータ１２２からの熱はメタルキャップ６４を介して、内側のゲッター１２０に伝達される。これによりゲッター１２０が加熱され、活性化される。
【００３４】
この構成では、ゲッター内にヒータを内蔵する必要がなく、ゲッターを保持しヒータに通電する端子、その他の通電用の配線を省略することができるので、部品点数削減による低コスト化を図ることができる。
【００３５】
［実施の形態５］
本発明の第５の実施形態は、上述の各赤外線検出器の製造方法に関するものである。図７は、本発明の赤外線検出器を製造する方法を説明する模式図である。本方法により製造される赤外線検出器は、上記各実施形態と同じ構成であり、以下、上記実施形態の赤外線検出器の構成要素の符号を参照して説明を行う。
【００３６】
図７は、キャップ６２とセラミックパッケージ５８との接合を行う製造装置の模式図である。真空チャンバ１３０内には、キャップ６２を加熱するためのヒータ１３２と、セラミックパッケージ５８を加熱するためのヒータ１３４とが上下に配列される。上に位置するヒータ１３４には、電子冷却素子５２や赤外線検出素子５０の載置等が行われたセラミックパッケージ５８がセットされる。また下のヒータ１３２には、メタルキャップ６４とウィンドウ６８とが接合され組み立て終わったキャップ６２がセットされる。キャップ６２はアーム１３６に支持され、このアーム１３６は、上下駆動装置１３８に連結され、上下移動される。アーム１３６が下に降ろされた状態で、真空チャンバ１３０内の真空引きが開始され、またヒータ１３２，１３４への通電が開始される。真空チャンバ１３０内が十分に真空引きされ、またキャップ６２又はセラミックパッケージ５８の接合部分に配置されたロウ材が溶融されると、上下駆動装置１３８を動作させて、アーム１３６と共にキャップ６２が上に移動され、キャップ６２がセラミックパッケージ５８に加圧密着される。両者が接合された状態で、ヒータ１３２，１３４による加熱を停止し、冷却することにより、ロウ材が固まり、内部が真空に引かれた赤外線検出器が組み上がる。
【００３７】
このように、十分真空引きされた雰囲気中にて、キャップ６２とセラミックパッケージ５８との加熱、接合を行うことにより、加熱時に内部部品やはんだから放出されるガスを外部に排出することができ、内部を高い真空状態にすることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明の赤外線検出器によれば、フランジ部の内周側のエッジが面取りされることにより、キャップと基台とを接合する溶着材が良好なフィレットを形成し、接合強度及び気密性の向上が図られる。
【００３９】
また他の本発明の赤外線検出器によれば、フランジ部と基台とを接合する溶着材との親和性を高める表面加工が、フランジ部と基台との接合面に施され、一方、窓部及びその近傍領域には施されない構成により、キャップと基台とを接合した際に、溶着材の流れ出しによる窓部の汚染を防止することができ、また接合面での溶着材の厚さを均一にすることができる。
【００４０】
別の本発明の赤外線検出器によれば、キャップを構成する窓部とフレームとの接合部分、及びフランジ部と基台との接合部分がそれぞれ円形に構成されることにより、各接合部の溶着材が硬化した時とその後の使用時とでの温度差により、各接合部に発生する熱応力が接合部の円周の各方向に対称、均一となる。すなわち、各接合部に局所的な過大な応力が発生せず、各接合部でのクラック発生や気密漏れを防ぐことができる。また、赤外線検出器の使用環境下で受ける温度サイクルにも強い構造が得られる。
【００４１】
さらに別の本発明の赤外線検出器によれば、ガス吸着部材がキャップの金属製のフレームの内面に接着されるので、このガス吸着部材を加熱して活性化する処理をキャップの外部のヒータから行うことが可能である。つまり、ガス吸着部材を活性化するためのヒータを内蔵する必要がなく、その内蔵ヒータに通電する端子やその他の通電用の配線を省略することができるので、部品点数削減による低コスト化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１の実施形態である赤外線検出器の概略の構造を示す断面図である。
【図２】  フランジ部とセラミックパッケージとの接合部分の一例の拡大した断面図である。
【図３】  フランジ部とセラミックパッケージとの接合部分の他の例の拡大した断面図である。
【図４】  本発明の第２の実施形態である赤外線検出器におけるキャップの構成を説明するための模式的な断面図である。
【図５】  本発明の第３の実施形態である赤外線検出器の特徴を説明する模式的な斜視図である。
【図６】  本発明の第４の実施形態である赤外線検出器の概略の構造を示す断面図である。
【図７】  本発明の赤外線検出器を製造する方法を説明するための製造装置の模式図である。
【図８】  従来の赤外線検出器を示す断面図である。
【図９】  従来のゲッターを示す模式図である。
【符号の説明】
５０  赤外線検出素子、５２  電子冷却素子、５４  端子、５６，１２０  ゲッター、５８  セラミックパッケージ、６０  ワイヤボンディング、６２  キャップ、６４  メタルキャップ、６８  ウィンドウ、７０  フランジ部、７２  ロウ材、７４  低融点ガラス材、８４  面取り面、８６  丸取り面、１００  表面処理領域、１１０  接合用メタライズ、１２２  外部ヒータ、１３０  真空チャンバ、１３２，１３４  ヒータ、１３６  アーム、１３８  上下駆動装置。
【図１】
0003913037.tif 000002
【図２】
0003913037.tif 000003
【図３】
0003913037.tif 000004
【図４】
0003913037.tif 000005
【図５】
0003913037.tif 000006
【図６】
0003913037.tif 000007
【図７】
0003913037.tif 000008
【図８】
0003913037.tif 000009
【図９】
0003913037.tif 000010