Technical Note
薄膜サーモパイル
ニッコーム株式会社営業部、2000/09/20、追記 2009/06/01
１。薄膜サーモパイル
薄膜サーモパイルは、ニッコームが薄膜技術によって１９６６年に原型を完成し、その後改良が加えられ今日にいたった放射エネルギの検ション、すなわち、薄膜サーモパイル素子のケースをなるべく一定温度に保つか、熱容量の大きなケースで覆う必要がある。

出素子である。放射エネルギとは、紫外光から可視光、赤外光などのエネルギであって、検出素子のエネルギの波長帯域がきわめて広く、量子形の検出素子に比較して、検出感度が波長に対して平坦であることが特長である。さらに検出素子の出力は、入力エネルギに対して直流電圧であり、入力の微分出力を検出する焦電素子に比較して、入アルミリング
熱電対パターン
メタルブラック
電極

力エネルギをチョッピングする必要がなく、きわめて使いやすい素子である。さらに、サーモパイル、LP-111S は、薄膜の特長を生かし、その応答速度が極めて高速であり、ＣＯ２レーザーの出力制御用として使用されていて、これまでの累計生産実績は数十万個に達する。
薄膜サーモパイルの用途は、非接触放射温度計、赤外領域のレーザパワーの検出素子、ＲＭＳ－ＤＣ変換モジュール、サーマルコンバータなどであり、放射エネルギに関する国家標準としても使用された実績がある。

図１．薄膜サーモパイルの内部構造、正面と断面２．構造と動作原理
薄膜サーモパイルの動作は、原理的には熱電対の動作原理に基づくものである。熱電対は、適切な２種類の金属を接触させると熱電力を生じる現象を応用して、精密温度計測に使用される。
基板

金属
銅
コンスタンタン 50/50
ビスマス
アンチモン

-100℃
-0.37mV+2.98mV+7.54mV-+100℃+0.76mV-3.51mV-7.34mV+4.89mV

コールドジャンクション
ホットジャンクション

金属の白金に対する起電力、符号＋は電流が０℃の接続点を通って白金のほうへ、－はその逆方向を示す。

表１．金属の熱電力
薄膜サーモパイルは、熱起電力差の大きい材料、ビスマス薄膜とアンチモン薄膜との組み合わせを使用している。その代表的な構造は

図２．薄膜サーモパイルの熱電対パターン

図１に示すとおりであり、内蔵されたパターンのモデル図は、図２に示したとおりである。放射エネルギは金属リング中心の穴を通過して、メタルブラックで吸収され、熱に変換され、パターンのホットジャンクションを加熱する。一方、コールドジャンクションは熱容量の大きい金属リングに接３． 薄膜サーモパイルの製品と仕様しているので、一定温度に保たれている。ホットジャンクションとコールドニッコームのサーモパイルには、小型で高速応答に特長がある

ジャンクションの温度差とによって、ビスマスとアンチモンの熱電対に起電LP-111S、受光直径の大きい許容入力パワーの大きい LP-231S、入力を発生する。端子に現れる直流電圧は、直列に接続された熱電対射パワーの絶対測定が可能な計測用の LP-31B がある。それぞれのの対（つい）数倍になって端子で観測される。周囲温度が変化すれば、外観を図３、図４、図５に示す。

金属リングの温度は緩やかに変化し、コールドジャンクション温度は変表２の、波長範囲はこの波長の帯域で検出感度が平坦であることを化するが、放射エネルギがホットジャンクションに入射することによる温度示す。最大入力は、この入力パワーまでの放射エネルギを連続的に測上昇分、すなわちホットジャンクションとコールドジャンクションの温度差定できることを示す。絶対最大入力は、３秒間以内の過大入力までは周囲温度によって変化せず、原理的には、端子出力電圧は周囲は許容できるが、連続的に入射すると劣化する恐れがある値である。

温度によって変化することはない。リング温度が急速に変化すれば、ホットジャンクションとコールドジャンクションの温度差は過渡的にバランスを失い、端子電圧が大きく振れることがあるので、コールドジャンク
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受光直径は、放射エネルギを吸収するメタルブラックの有効な直径、接点数は、内部の薄膜熱電対の対数である。
内部抵抗値は、出力端子からみた素子の内部抵抗である。出
力端子に接続されるセンサー増幅器の入力インピーダンスが低い場合は、見かけ上の感度が低下することがあるので、素子は内部抵抗が低くなるように設計されている。校正用抵抗はＬＰ－３１Ｂのみに実装してあり、素子の外部から電気的なパワーを供給し、電気的なパワーと入射エネルギとを比較して、入射エネルギのパワーを求めるためのものである。保存温度範囲、動作温度範囲は、薄膜サーモパイルの応答
図３．LP-111S の外観

速度と検出感度の特性を向上させるために、基板材料にきわめて繊リードの赤印は、高温入射にて＋電圧を発生する側細な材料を使用しているために、狭く設定してある。
４．薄膜サーモパイルの特性
４－１．感度測定
薄膜サーモパイルの感度測定法はいろいろあるが、図６のような方式が簡単であり、ニッコームの出荷検査にも使用されている。
図６のように、LP-31B によってＨｅＮｅレーザのパワーを校正する。
LP-31B の感度を R、出力電圧をＶとすれば、パワーＰは、P=V/R であ図４．LP-231S の外観
リードの赤マークは、高温入射にて＋電圧を発生する側る。つぎに、たとえば LP-111S の直径 1mm のターゲットに、レーザ光が照射されるように距離を調整する。LP-111S の出力電圧をＥとすれば、
LP-111S の感度はＲ=Ｅ/Ｐで求められる。通常、He-Ne レーザの出力は、1.4-1.7mW 程度のものである。

mV 電圧計HeNe レーザ(1) 標準パワー検出器 LP-31B によって、ＨｅＮｅレーザの出力を校正
HeNe レーザmV 電圧計図５．LP-31B の外観
赤リードは＋、黒リードは-、２本の青リードは校正用抵抗のリード(2) 標準検出器を除去して被測定サーモパイルのターゲット直径にレーザビームが照射されるようにレンズと被測定サーモパイルの距離を調整

項目
波長範囲
最大入力
絶対最大入力感度
直線性誤差
６３％時定数
受光直径
接点数
内部抵抗値
校正用抵抗
保存温度
動作温度

LP-111S

20mW
10mV/mW±2%
45m sec.
1.0mm
222+/-1kohm
none

LP-231S
0.4-20.0um
10mW
50mW
4.5mV/mW±2%200msec.
4.5mm
304+/-2kohm
none
0-40deg C
0-40deg C

LP-31B

図６．薄膜サーモパイルの感度の測定
200mW
0.45mV/mW±2%
4000msec.
5.0mm
366.5+/-3.5kohm
250-550ohm

表２．薄膜サーモパイルの仕様

４－２．入出力特性
LP-111S の入射パワーと出力電圧の関係を代表値として図７に示す。入射パワーが 0.0002 ｍＷ以下は、薄膜サーモパイルの発生雑音のために出力を検出しがたい。
図７に示すように、入射パワーと薄膜サーモパイル出力電圧の関係は直線的であるが、温度との関係は直線ではなく曲線状である。図８に黒体炉からの放射エネルギを薄膜サーモパイルで検出した結果を示す。
開口 60mmφ標準黒体炉の正面 120mm の距離に LP-111S をセッ

感度は、1mW あたりの入射パワーに対する検出端子の出力電圧であトし、黒体炉温度を常温から 250℃まで変化させて出力電圧を測定る。直線性誤差は、入射パワーをゼロから最大入力まで変化させたとしている。

きの、出力電圧の直線性を示す。６３％時定数は、ステップ状の入射パワーを加えたときの出力電圧の立ち上がり時定数である。

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相対出力（uV）

1000 出力電圧(mV)

1001008010601400.1200.010-2.00.001
0.001 0.010.1

110-1.00.0

1.02.0中心から半径方向への測定位置(mm)100

入射パワー(mW)

図１０．LP-31B のターゲット面内の感度分布

図７．LP-111S の入射パワーと出力電圧
４－３．ターゲットとメタルブラックの反射率
1.2 出力電圧(mV)

放射エネルギを吸収するターゲットは、非常に細かい球状の粒子の集まりであり、入射エネルギは、球体の表面で反射を繰り返し、エネ1.0

ルギの再放出をしないように考慮して作られている。ターゲットの吸収率の測定結果を代表値として図９に示す。

0.80.6４－４．ターゲット面内の感度分布0.4LP-31B あるいは LP-231S では、ホットジャンクションのターゲットの0.2下層に金属の層を設けてあって、たとえ放射エネルギの細いビームがターゲットのいずれの位置にあたっても、正確にパワーを測定できるように

0050100150200250考慮してある。むろん、それだけ熱容量が増加するので、応答速度は300低下し、感度は低下する。LP-31B の面内の感度分布を、スポット径

黒体炉温度(deg C)0.2mm のレーザビームで測定した結果を図１０に示す。

図８．黒体炉温度と出力電圧（LP-111S）

４－５．応答速度、時定数
薄膜サーモパイルのターゲットに一定のパワーのビームが照射さ吸収率れるとその時点からターゲットの温度は上昇し始め、同時に熱流はホッ10.0

トジャンクションからコールドジャンクションに向かって流れ、ある時間が経過した後にホットジャンクションの温度は一定になる。

0.98%出力電圧
0.961000.94800.92
1231020波長(um)

306040

図９．メタルブラックの吸収率（JASCO）
200050100150
経過時間(m seconds)

200

図１１．LP-111S の応答時間

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したがって、チョッパで過渡的な入射パワーを薄膜サーモパイルに与えると、出力電圧は指数関数的に上昇し、その後安定したＤＣ電圧を出20uV力する。レーザパワーの出力制御を行うなどのような用途によっては、薄膜サーモパイルの応答速度が重要である。LP-111S は応答速度を10uV高速化した素子であって、出荷検査において、応答速度を全数検査して出荷している。入射エネルギをチョッピングしたときの出力電圧の変化を図１１に示す。
50100150
距離(mm)

200５．光学系の特性
５－１．感度指向特性
薄膜サーモパイルは、光学的なターゲットが平板状であるので、指向性は余弦則に従いほぼ円形になる。実測結果を図１２に示す。また、受光面の前に、赤外を透過させる材質、たとえばフッ化カリウム、フッ化カ

図１２．感度の指向特性（LP-111S）、窓材なし

ルシュウム、ポリエチレンのレンズを設けて感度指向性を鋭くすることも出来る。指向性を鋭くする簡単な方法は、受光面の前面に円筒状の10uVパイプを設け、その円筒の内部を光沢に仕上げておくと鋭い指向性を持たせることが出来る。図１３は、LP-111S の前面に内面を光沢めっきした、内径 4.0mm、長さ 20mm のスリーブを置き、指向特性を測定した結果である。

Sleeve

これらの指向特性は、空気流のない常温室内において、直径 3mm 程度、温度３００℃程度の円柱状の熱源をサーモパイル前方に置き、サーモパイルと熱源との距離と方向を変化させ、サーモパイル出力電圧を50100150
距離(mm)200測定することによって得ている。さらに、鋭い指向特性を得るために、ＣａＦ単結晶の光学レンズ、樹脂あるいは金属を光沢めっきした反射鏡（パラボラ）、図１４などを用いることができる。

LP-111S 受光部前面にφ4mm、L=20mm の光沢スリーブ

直径 80mm 程度のニッケル光沢めっきの反射鏡と LP-11S を使用して常温で人体温度を 10m の距離で検出可能である。

図１３．感度の指向特性（LP-111S）、スリーブ付

５－２．フィルタ
特定の波長を選択的に検出するために、シリコン単結晶、ＣａＦ単結晶、ポリエチレンフィルムを光学フィルタとして使用できる。一般にフィルタを挿入すると感度は数 10%低下する。シリコン単結晶フィルタを挿入すると通過波長帯域で出力電圧はフィルタのない状態に比べて約 70％まで低下する。ポリエチレンフィルムでは、フィルムの厚みによって減衰量が変化する。図１５にポリエチレンフィルムのフィルタの厚みと出力電圧の測定値を示す。
６．センサー増幅器
薄膜サーモパイルは直流電圧を発生する素子であり、その出力電圧は、実際に使用される際には 1mV 前後であるため、高感度、低温度ドリフトの直流増幅器が必要になる。ただし、素子の内部抵抗は

図１４．反射鏡による指向特性の改善（LP-111S）数ｋΩときわめて高いので、素子と配線は、電磁誘導を避けるためシールドを行い、増幅器の入力インピーダンスは数ＭΩで設計すればよい。
図１６に実験用の増幅器回路を示す。

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また、コールドジャンクションが操作する人の体温等で急激に変化しな
いように恒温ユニットを設ける必要がある。図８。に示したように、被測定物の温度と薄膜サーモパイルもの出力は直線ではないので、直線化出力電圧相対値(mV)のための仕組みを組み込む必要がある。さらに、被測定物の放射エネ

3.0

ルギーは、その物体の表面の放射率によって著しく変化するので、放射率補正の仕組みを組み込む必要がある。

2.0７－２．炭酸ガスレーザのパワー検出器

1.0

炭酸ガスレーザの発振波長は 10.7um であって赤外領域である。
この領域では通常の量子形検出器に適切なものがないために、薄膜

0.00.01.0
2.0
ポリエチレンフィルム厚み(um)3.0

サーモパイルもがしばしば使用される。一般にレーザのパワーはビーム断面に対して一様ではないために誤差を防止するために積分球を使用する。積分球は中空球形状であって内面の表面は球形に仕上げ、梨図１５．ポリエチレンフィルム厚みによる出力の減少

地あるいは平滑に研磨し反射率がほぼ 1.0 になるように金メッキを施してある。積分球の一箇所からレーザビームを入射させると、ビームは内部で乱反射を繰り返し、壁面の単位面積あたりの受光パワーはどの部分をとっても一様になる。積分球内におけるビームの損失が発生し積分球の温度が上昇することを避けるため、積分球を水冷却することがある。
積分球の一部に開口部を設け、薄膜サーモパイル LP-111S の受光面を積分球内に向けると、LP-111S はその受光直径、1.0mmφに相当するだけのパワーを受光することになる。サーモパイルが受光するパワーは、積分球内の内面の面積Ｓとサーモパイルの受光面積の比にとして検出される。
図 18 には、積分球に使用される NLP-400 シリーズの外観を示す。
この検出ユニットでは、検出素子として高速応答形の LP-111S を実装し、前面からの交換ができるようになっている。

図１６．利得 60-80dB 直流増幅器

放射率補正

直線化表示器

恒温ブロック

図１８．レーザー検出積分球用 NLP-400

レンズ、サーモパイル仕様については、当社宛にお問い合わせください。
図１７．非接触温度計のブロック図

８．おわりにこの解説の内容に関するご質問は、電子メールにてお願いいたします。

７．応用

ニッコーム株式会社本社営業部

７－１．非接触温度計

電 話：+81-176-53-2105

薄膜サーモパイルはコールドジャンクションとホットジャンクションとのＦＡＸ：+81-176-53-2106

温度差を検出するから、非接触温度計に応用する際は、コールドジャ

Email: info@nikkohm.co.jp

ンクションの温度を測定する仕組みを組み込む必要がある。

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