(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
受光した赤外線に対応して信号を出力する面状の赤外線検知素子と、
前記赤外線検知素子の受光面に対して裏側に配置され、当該赤外線検知素子を所定温度に維持するために加熱または冷却を行うサーモモジュールと、
を有する赤外線検出器であって、
前記サーモモジュールは、
前記赤外線検知素子の裏面にアルミナより熱伝導率の低い接着剤にて結合された基板と、
前記基板上に離散的に配置され、電力が供給されることにより発熱または吸熱する熱電素子と、
を含み、
前記基板は、
前記熱電素子に接続されたアルミナ基板と、
一方面が前記接着剤にて前記赤外線検知素子の裏面に結合されるとともに、他方面が前記アルミナ基板に直接接合された、アルミナより熱伝導率の高い材料の高熱伝導率層と、
を有することを特徴とする赤外線検出器。
【請求項２】
前記高熱伝導率層は、金属の層であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項３】
前記赤外線検知素子と前記基板とを結合する前記接着剤は、熱伝導率が４Ｗ／ｍＫ未満であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線検出器。
【請求項４】
前記赤外線検知素子と前記基板とを結合する前記接着剤は、熱伝導率が０．２〜０．８Ｗ／ｍＫ程度であることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線検出器。
【請求項５】
前記接着剤の層の厚さは、ほぼ３０μｍであることを特徴とする請求項３または４に記載の赤外線検出器。
【請求項６】
受光した赤外線に対応して信号を出力する面状の赤外線検知素子と、
前記赤外線検知素子の受光面に対して裏側に配置され、当該赤外線検知素子を所定温度に維持するために加熱または冷却を行うサーモモジュールと、
を有する赤外線検出器であって、
前記サーモモジュールは、
前記赤外線検知素子の裏面に窒化アルミニウムより熱伝導率の低い接着剤にて結合された窒化アルミニウム製の基板と、
前記基板上に離散的に配置され、電力が供給されることにより発熱または吸熱する前記基板に接続された熱電素子と、
を含むことを特徴とする赤外線検出器。
【請求項７】
前記赤外線検知素子と前記基板とを結合する前記接着剤は、熱伝導率が０．２〜０．８Ｗ／ｍＫ程度であることを特徴とする請求項６に記載の赤外線検出器。
【請求項８】
前記赤外線検知素子と前記基板とを結合する前記接着剤の層の厚さは、ほぼ７５μｍであることを特徴とする請求項６または７に記載の赤外線検出器。
【請求項９】
前記接着剤には、その層の厚さに対応する直径の微小ビーズが混入されていることを特徴とする請求項６または８に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】
この発明は、赤外線検出器、特に、この検出器の温度を維持するためのサーモモジュールの構成に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線検出器は、受光した赤外線に対応して信号を出力する赤外線検知素子を含む。この赤外線検知素子は、その出力特性において温度依存性が高く、素子を所定の温度に維持するために、これを加熱または冷却するサーモモジュールと共に用いられることがある。サーモモジュールは、赤外線検知素子の受光面の裏側に配置され、接着剤により接合された基板と、基板上に離散的に配置され、電力を供給することにより発熱または吸熱する熱電素子とを含む。発熱と吸熱は、電流の向きによって切り換えることができる。熱電素子により加熱または冷却することによって、外部環境の温度や、この赤外線検出器の自己発熱などに対して、赤外線検知素子の温度を一定に保つようにしている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の赤外線検出器の熱電素子は、離散的に配置されているため、赤外線検知素子の、熱電素子が位置する部分と熱電素子の間の部分とでは、温度差が生じる場合がある。この温度差によって、この赤外線検出器により得られた画像にむらが生じ、画質の低下を招くという問題があった。
【０００４】
この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、赤外線検出器の赤外線検知素子の温度むらを低減することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る赤外線検出器においては、そのサーモモジュールの基板をアルミナ基板と、このアルミナ基板に直接接合された、アルミナより熱伝導率の高い材料の高熱伝導率層とから構成する。この高熱伝導率層は、金属の層とすることができる。
【０００６】
さらに、サーモモジュールの基板と赤外線検知素子とを結合する接着剤を、熱伝導率が４Ｗ／ｍＫ未満のものとすることができる。さらに、熱伝導率が０．２〜０．８Ｗ／ｍＫ程度とすることが好ましい。また、この接着剤の層の厚さは、ほぼ３０μｍとすることができる。
【０００７】
また、この発明にかかる他の赤外線検出器は、そのサーモモジュールの基板を窒化アルミニウム製としたものである。
【０００８】
さらに、このときの赤外線検知素子とサーモモジュールの基板とを結合する接着剤の層の厚さを、ほぼ７５μｍとすることができる。また、接着剤の熱伝導率を０．２〜０．８Ｗ／ｍＫ程度とすることができる。
【０００９】
さらにまた、赤外線検知素子とサーモモジュールの基板とを結合する接着剤に、その層に対応する直径の微小ビーズを混入することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態を図面に従って説明する。図１は、この発明の実施の形態にかかる赤外線検出器１０の概略構成を示す断面図である。赤外線を検知する赤外線検知素子１２は略正方形の平面形状のものであり、パッケージ１４の凹部に納められている。この凹部の開口は、キャップ１６とウインド１８で覆われ、赤外線検知素子１２を真空封止した構造となっている。ウインドウ１８は赤外線を透過する材質であり、これを透過した赤外線が赤外線検知素子１２に検知される。赤外線検知素子１２を所定温度に維持するためのサーモモジュール２０が、この素子１２と共にパッケージ１４の凹部内に納められている。サーモモジュール２０は、赤外線検知素子１２と接着剤により結合された基板２２と、この基板上に設けられた熱電素子２４とを含む。熱電素子２４は、電極２６に挟まれており、この電極より電力を投入することにより発熱または吸熱する。また、赤外線検知素子１２と基板２２を結合する接着剤は所定の厚みの層（以下接着剤の層と記す）２８を形成している。熱電素子２４が発熱または吸熱すると、基板２４および接着剤の層２８を介して赤外線検知素子１２を加熱または冷却する。この加熱または冷却は、赤外線検知素子１２の温度に基づき制御され、対象温度を所定の値に維持するように制御されている。
【００１１】
図２は、熱電素子２４の配置状態を示す図であり、図１の上方より見た状態（不要な構成は削除してある）を示す図である。図示するように、熱電素子２４は、複数の素子が縦横にマトリックス状に配置され、また、個々の素子の間には、所定の間隔が設けてある。このように、熱電素子２４は、赤外線検知素子１２の領域に対して離散的に配置されているので、加熱または冷却される赤外線検知素子１２の温度分布には、むらが生じる場合がある。すなわち、図２中、網掛けが施された熱電素子２４が配置された部分は、熱電素子２４が配置されなかった格子状の部分（図中無地の部分）に比して、熱電素子２４が発熱する場合は温度が高くなる。逆に、熱電素子２４が吸熱する場合は、温度が低くなる。このような温度むらを抑えるために、この赤外線検出器１０は、以下のような構成を有している。
【００１２】
この赤外線検出器１０の基板２２は、従来の検出器の基板と同じ材質であるアルミナ基板３０と、アルミナ基板３０の赤外線検知素子１２側に直接接合された、アルミナより熱伝導率が高い高熱伝導率層、この実施形態においては金属層３２とを含む。金属層３２は、例えばアルミニウム、銅など良好な熱伝導率を有するものが好ましい。熱電素子２４が発熱する場合ついて述べれば、この金属層３２により、熱電素子２４からの熱が、この層の面内方向に拡散し、全体の温度の均一化が図られる。吸熱する場合には、前述の格子上の部分より、熱電素子の部分に熱の流入が促進され、全体の温度の均一が図られる。金属層３２の厚さは、基板に直接接合されたものとしては一般的な０．４ｍｍ程度とすることにより、温度のむらを７分の２（１／３．５）程度に低減することができる。
【００１３】
さらに、この赤外線検出器１０の接着剤の層２８は、従来の接着剤より熱伝導率の低いものにより形成されている。従来の接着剤の熱伝導率は、４Ｗ／ｍＫ程度であり、これより低いもの、好ましくは５分の１程度の０．８Ｗ／ｍＫ程度のもの、または２０分の１程度の０．２Ｗ／ｍＫ程度のものを採用している。高い熱伝導率のものを用いると、感度が良すぎて、これが結果として温度むらの要因となっていたが、熱伝導率が低いものを採用することにより温度むらを低減することができる。前述した金属層３２と、０．８Ｗ／ｍＫ程度または０．２Ｗ／ｍＫ程度の接着剤を用いることにより、温度むら７分の１程度以下に低減することができる。なお、このときの接着剤の層２８の厚さは、従来の層の厚さと同じ約３０μｍである。
【００１４】
図３は、他の実施の形態にかかる赤外線検出器４０の概略構成を示す断面図である。この赤外線検出器４０において、前述した赤外線検出器１０と同様の構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。赤外線検出器４０のサーモモジュール４２は、基板４４の材質が従来用いられていたアルミナより熱伝導率の高い窒化アルミニウムとなっている。また、基板の厚さは、従来と同様となっている。これによって、熱電素子２４が発熱する場合に関して、基板の面内方向に熱電素子２４からの熱が拡散し、温度の均一化が図られる。吸熱の場合においても、前述の実施の形態のと同様に、温度の均一化が図られる、窒化アルミニウムの熱伝導率は、ほぼ２００Ｗ／ｍＫであって、アルミナのおよそ５倍となっている。これにより、温度むらを従来の２分の１程度にすることができる。
【００１５】
接着剤の層４６を構成する接着剤は、前述の赤外線検出器１０の場合と同様、低熱伝導率のものを用いている。この場合の効果は、温度むらを従来の７分の２程度以下にする。さらに、接着剤の層４６の厚さを従来の２．５倍程度（約７５μｍ）とすることにより、温度むらを従来の７分の１程度以下まで低減することができる。
【００１６】
接着剤の層４６の厚さを制御するために、接着剤に所定の直径を有するビーズを混入することができる。つまり、接着剤の層の厚さと同程度の直径を有するビーズによって、基板４４と赤外線検知素子１２がそれ以上近接しないようにして、層４６の厚さを制御することができる。
【００１７】
図４は、前述した温度むらの低減手法の効果を示す図である。縦軸は、赤外線検知素子１２の温度むらであり、最大値と最小値の差によってこれを表している。ΔＴ０は、達成目標の温度差である。横軸は、接着剤の層の厚さであり、ａは、従来の厚さ、約３０μｍである。
【００１８】
従来の赤外線検出器においては、温度むらが点Ａ1に示すように、目標値の７倍程度であり、これを点Ａ2へと改善するためには、接着剤の層の厚さを１０倍程度としなければならなかった。この層の厚さでは、熱抵抗が大きいために、温度制御に時間遅れが発生する。
【００１９】
前述の実施の形態の赤外線検出器１０において、前述のように、アルミニウムまたは銅の０．４ｍｍの金属層３２を設けた場合は、温度むらを点Ｂ1まで低下する。温度むらをさらに低減して目標値を達成するためには、点Ｂ2に示されるように接着剤の層の厚さを５倍程度とすれば良いことが分かる。さらに、接着剤に０．８Ｗ／ｍＫ程度または０．２Ｗ／ｍＫ程度の熱伝導率のものを使うことによって、前述のように、ほぼ目標値を達成することができる（点Ｃ）。
【００２０】
次に、前述の実施の形態の赤外線検出器４０において、前述のように、窒化アルミニウムを用いた場合、温度むらを、点Ｄ1のように約２分の１に低減することができる。このとき、目標値を達成するためには、点Ｄ2に示されるように、接着剤の層の厚さを５倍程度とすれば良いことが分かる。さらに、接着剤に前記の熱伝導率が低いタイプのものを使うと、点Ｅ1に示されるように、従来技術である点Ａ1の場合に比して、温度むらを約７分の２とすることができる。このとき、接着剤の層の厚さを２．５倍程度とすれば、目標値を達成することができる（点Ｅ2）。
【００２１】
【発明の効果】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に示すような効果を奏する。
【００２２】
すなわち、サーモモジュールの基板を、アルミナ基板と、アルミナより高い熱伝導率の層、例えば銅やアルミニウムなどの金属層と含むものとすることにより、この高い熱伝導率の層内で、その面内方向への熱拡散を促進し、温度むらを低減することができる。
【００２３】
また、サーモモジュールの基板と赤外線検知素子とを接着する接着剤の熱伝導率を従来のものより低い、４Ｗ／ｍＫ未満のものとすることにより、温度制御の感度をある程度低下させることができ、温度むらを低減させることができる。
【００２４】
接着剤を０．２〜０．８Ｗ／ｍＫ程度のものとすれば、接着剤の厚さが従来のものと同様の３０μｍのままで、温度むらの目標を達成することができ、従来の製造過程に大きな変更を行わずに対応が可能である。
【００２５】
また、サーモモジュールの基板をアルミナ製のものから、より熱伝導率の高い窒化アルミニウム製に代えることにより、基板の面内方向の熱拡散を促進して、温度むらを低減することができる。このとき、接着剤を０．２〜０．８Ｗ／ｍＫ程度とし、その層の厚さを７５μｍとすれば、目標を達成することができる。
【００２６】
また、接着剤に、その層の厚さに対応する直径のビーズを混入することにより、層厚さの管理が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この実施形態の赤外線検知器の概略構成図である。
【図２】  熱電素子の配置の状態を示す図である。
【図３】  他の実施形態の赤外線検知器の概略構成図である。
【図４】  各実施形態における温度むらの改善の様子を示した図である。
【符号の説明】
１０，４０  赤外線検出器、１２  赤外線検知素子、２０，４２  サーモモジュール、２２，４４  基板、２４  熱電素子、２８，４６  接着剤の層、３０  アルミナ基板、３２  金属層。
【図１】
0003836012.tif 000002
【図２】
0003836012.tif 000003
【図３】
0003836012.tif 000004
【図４】
0003836012.tif 000005