CN103415758A - 红外检测传感器阵列以及红外检测装置 - Google Patents

Abstract

根据本发明的红外检测传感器阵列的特征在于具备衬底、穿过衬底的至少一个孔、设置到衬底一侧的第一红外检测元件以及设置在衬底另一侧上以便至少部分覆盖孔的第二红外检测元件。

Description

红外检测传感器阵列以及红外检测装置

技术领域

本发明涉及一种传感器阵列以及一种利用红外检测元件检测空间红外分布变化的红外检测装置。

背景技术

近年，由于信息和通信技术的进步以及网络基础设施的扩展，使得使用传感器用于实现建筑物空调的节能以及用于掌握消费者行为成为一种新的动向。而且，较小且较低制造成本的感应传感器装置是可取的，以便实现采用大量传感器的系统。

对于红外传感器来说，诸如使用热电效应的热电红外传感器、使用材料中包含的电阻的温度改变率的电阻变化型传感器以及使用半导体的pn结中的电特性改变的传感器这样的传感器是众所周知的。

特别地，除了用于火警检测和人体检测之外，通过将红外检测元件布置为阵列，在室温下可操作的热电红外传感器还能够容易地产生具有高分辨率的红外空间分布的图像。因此，热电红外传感器能够用于暗处的安保、结构材料的探伤检测等等。

在专利文献1中，公开了具备衍射光学透镜的热电红外传感器的结构。红外检测元件通过膜形成工艺或粘合等而在衬底上布置成阵列，并形成为包括执行电气连接的电极和布线的密封封装体。而且，密封封装体具备仅具有适于检测目标的波长的红外线穿透的滤光器，以及诸如用于确保广视角的菲涅耳透镜的衍射光学元件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利申请特开No.2007-292461

发明内容

本发明解决的问题

在专利文献1中描述的热电红外传感器中，红外检测元件的安装面积的尺寸在为了执行小型化而减小衬底面积的尺寸时降低。红外检测传感器的灵敏度与由接收的红外线引起的发热的温度改变而产生的热电电流以及元件面积成比例。因此，存在的问题是当执行小型化并且红外检测元件的安装面积变小时，每个装置的灵敏度变得较低且整体灵敏度下降。

本发明的目的是提供一种解决上述问题的红外检测传感器阵列以及红外检测装置。

解决问题的手段

根据本发明的红外检测传感器阵列的特征在于具备：衬底、穿过衬底的至少一个孔、设置到衬底一侧的第一红外检测元件以及设置在衬底另一侧上以至少部分覆盖孔的第二红外检测元件。

本发明的效果

根据本发明的红外检测传感器阵列以及红外检测装置能够在不使灵敏度劣化的情况下实现小型化。

附图说明

图1是根据第一示例性实施例的红外检测传感器阵列的透视图。

图2是根据第一示例性实施例的红外检测传感器阵列的截面图。

图3是根据第一示例性实施例的红外检测传感器阵列的截面图。

图4是第二实施例中的红外检测的截面图。

图5A是一个实施例中的传感器(1)的透视图。

图5B是该实施例中传感器(1)已经检测到的马赛克图像。

图6A是该实施例中的传感器(2)的透视图。

图6B是该实施例中传感器(2)已经检测到的马赛克图像。

图7是该实施例中的传感器(3)的透视图。

图8是示出传感器(1)和传感器(3)的电压灵敏度的曲线图。

具体实施方式

将利用下述附图说明用于实施本发明的示例性实施例。但是，虽然用于实施本发明的示例性技术限制适用于下述示例性实施例，但是本发明的范围不限于下述内容。

[第一示例性实施例]

以下将参考附图1详细说明本示例性实施例。图1是根据本示例性实施例的红外检测传感器阵列1的透视图，且图2是图1的A-A′位置的截面图。

[结构说明]

如图1中所示，根据本示例性实施例的红外检测传感器阵列1包括衬底2以及红外检测元件3。

衬底2是平面形状并具有两个主表面。而且，衬底2具有穿过两个相对主表面的多个孔4。孔4的直径可以是任意尺寸，只要其大到能够进行电布线即可。

红外检测元件3在衬底2的一侧上布置成格栅形状，且穿过衬底2的孔4被设置在格栅形状的红外检测元件3之间。当从衬底2的上部观察时，红外检测元件3和孔4布置成交错状态。如图2中所示，通过从孔4的边缘延伸并部分地伸出来置放红外检测元件3。孔4的另一部分是开口5。

在衬底2的另一侧上，设置了红外检测元件3′以便覆盖孔4。因为孔4布置成格栅形状，因此红外检测元件3′也布置成格栅形状。期望使红外检测元件3′的面积大于孔4的面积。

孔4被制造成小于红外检测元件3、3′，且当从衬底2的上部观察时，设置红外检测元件3和3′，以便可以存在经由衬底2而彼此部分重叠的区域B。而且，红外检测元件3和3′可以是具有相同尺寸且具有类似特性的矩形。

对于衬底2的材料来说，能够根据期望的形状和使用环境来选择并使用金属材料(铝合金、铜合金、铁、铁合金、钛或钛合金)、树脂材料(环氧树脂、丙烯酸纤维、聚酰亚胺和聚碳酸酯)以及陶瓷材料(氧化铝、二氧化硅、氧化镁或者其化合物和络合物)等等。

多个红外检测元件3分别被设置在衬底2的两个主表面上，并结合至衬底2。而且，为了便于说明，将设置在衬底2的一侧上的红外检测元件表示为第一红外检测元件(以下称为红外检测元件3)。类似地，将设置在另一侧上的红外检测元件表示为第二红外检测元件(以下称为红外检测元件3′)。

但是，除部署的位置之外，红外检测元件3和红外检测元件3′之间没有不同。在图1中，虽然红外检测元件3和3′的结构被描述为矩形并在衬底2上以格栅形状布置，但是没有特别限制布置和形状。而且，在图1中，虽然在衬底2上设置的红外检测元件3和孔4被布置成交错状态，但是不限于此。可至少部分地设置经由衬底2部分地重叠红外检测元件3和3′的区域B。

将详细说明红外检测元件3(也包括红外检测元件3′)的结构。红外检测元件3包括具有两个主表面的热电陶瓷膜，以及形成在热电陶瓷膜的主表面上的上电极层和下电极层。对上电极和下电极的所有要求就是能进行电连接，且不限制安装、布线的退出、其材料或形状。而且，例如，对于红外检测元件3来说，大于1μm且小于100μm的厚度是可取的。

当红外线被施加至热电陶瓷膜时，根据红外辐射的量和波长，感应出与表面的面积成比例的由热电效应引起的电荷。而且，感应的电荷被测量为电路中的电信号，且由此检测红外线。换言之，当热电陶瓷膜中感应的电荷较大时，能够增强传感器的检测精度。

热电陶瓷膜的材料没有特别的限制，且它们可以是锆钛酸铅陶瓷、钽酸锂陶瓷以及诸如聚偏二氟乙烯的有机热电材料。例如，具有高热电系数且能够通过极化过程而来带最大的热电效应的锆钛酸铅陶瓷材料是可取的。

将热电陶瓷膜形成至衬底2的形成方法没有特别限制。例如，能够根据衬底2的材料和形状而适当选择和使用以高速喷涂陶瓷颗粒的气溶胶沉积方法、溶液方法(溶胶-凝胶法等等)、气相方法(MOCVD方法等等)等等。

对于将热电陶瓷膜形成至衬底2的不同的形成方法而言，能够使用其中通过如流延工艺的方法制备热电陶瓷膜并将其粘合至衬底2的方法。例如，能够采用环氧树脂系粘合剂作为粘合剂。虽然粘合层的厚度没有特别限制，但是例如期望其小于20μm，这是因为过厚的厚度会导致不必要的电阻成分的增加，且由此劣化红外检测灵敏度。

[功能和效果说明]

以下将说明根据本示例性实施例的功能和效果。

建立红外检测传感器阵列1，以便检测目标可被布置在衬底2的一侧。当设置在一侧上的红外检测元件3检测由检测目标产生的红外线时，根据红外辐射的量和波长，在热电陶瓷膜中感应出与面积成比例的电荷。而且，通过将感应电荷测量为电路中的电信号来检测红外线。

此处，作为一个比较例，考虑红外检测元件3被设置在不具有孔4的衬底2的一侧上的情况，换言之，仅设置在衬底2的一个表面上的情况。此时，当从衬底2的一侧施加红外线时，根据红外辐射的量和波长，红外检测元件3感应出与面积成比例的电荷。

因为由红外检测元件3感应的电荷量取决于面积，因此感应电荷在红外检测元件3被设置在整个衬底2上时是最大化的。但是，虽然能够在使衬底2的面积较大时使感应电荷较大，但是从小型化的观点来看，基本上不能使衬底2变得较大。

因此，在本示例性实施例中，衬底2具有孔4，且在一侧上，至少一个孔4没有被红外检测元件3覆盖并具有开口5。而且，在另一侧上，具有开口5的孔4被红外检测元件3′覆盖。红外检测元件3和红外检测元件3′形成经由衬底2而彼此重叠的区域B。

而且，如图3中所示，当检测目标被布置在一侧时，施加至开口5的红外线穿过孔4而施加至红外检测元件3′。而且，红外检测元件3′也类似地根据红外辐射的量和波长而感应出与面积成比例的电荷。

虽然由红外检测元件3′感应的电荷的量取决于面积，但是该面积并不是红外线所施加到的面积，而是取决于红外检测元件3′的整个面积。换言之，即使红外线仅经由孔4施加至红外检测元件3′的一部分，感应电荷也由红外检测元件3′的整个面积决定。

如图2的箭头B所示，设置在衬底2的一侧上的红外检测元件3，以及设置为覆盖另一侧上的孔4的红外检测元件3′形成彼此至少部分重叠的区域B，换言之相对的区域。

此处，如图3中所示，当红外线从衬底2的一侧施加时，电荷由红外检测元件3和3′的每一个感应。而且，红外检测元件3和红外检测元件3′具有重叠的区域。因此，这就致使除对应于直接施加红外线的区域的感应电荷量之外，对应于重叠区域B的总面积，换言之，以多元的方式布置在衬底2上的红外检测元件3的总面积以及开口5的总面积，而感应的电荷的量增加。

即，与仅在一侧上设置红外检测元件3的情况的安装面积相比，根据本示例性实施例的红外检测传感器阵列1能够通过将感应电荷量增加与对应于重叠区域的感应电荷那么多而提高灵敏度。

换言之，能够在不增加安装在衬底2上的红外检测元件3的面积的情况下，通过增加红外检测元件3和红外检测元件3′的重叠区域而实现以高密度安装的小型化红外检测传感器阵列1。

而且，根据本示例性实施例，虽然孔4和红外检测元件3′被布置在以格栅形状布置的所有红外检测元件3之间，但是可以最低限度地设置孔4和红外检测元件3′的每一种。

而且，根据本示例性实施例，虽然红外检测元件3′被布置为覆盖孔4，但是孔4可具有局部开口，只要能够留下重叠区域B即可。而且，根据本示例性实施例，虽然衬底2和红外检测元件3、3′的形状都是矩形，但是其也可以是圆形或椭圆形。而且，红外检测元件3可具有弯曲表面，而不是局限于平面形状。

[第二示例性实施例]

以下将参考图4详细说明第二示例性实施例。图4是根据本示例性实施例的红外检测传感器阵列1的截面图。

[结构说明]

如图4中所示，根据本示例性实施例的红外检测传感器阵列1包括红外滤光器6和衍射光学元件7。其他结构和连接关系与第一示例性实施例的相同，且设置了衬底2、红外检测元件3、孔4和开口5。

红外滤光器6和衍射光学元件7安装在衬底2的一侧上。而且，红外滤光器6和衍射光学元件7分别面对衬底2。而且，红外滤光器6和衍射光学元件7被安装为至少部分地覆盖设置在衬底2上的红外检测元件3。

红外滤光器6具有仅透射红外线，即具有大于780nm波长的光，并屏蔽可见光的功能。而且，衍射光学元件7具有汇聚透射光的功能。

[功能和效果说明]

以下将说明根据本示例性实施例的功能和效果。

当检测红外线时，根据辐射量和波长，红外检测元件3感应出与面积成比例的电荷。根据本示例性实施例，红外滤光器6安装在衬底2的一侧上，换言之，安装在设置红外检测元件3的一侧上。通过上述结构，能够有效检测从检测目标产生的红外线，因为处于红外线之外的可见光能够被屏蔽。

而且，本示例性实施例将衍射光学元件7安装到红外滤光器6上，换言之安装到红外滤光器6安装到衬底2的一侧的相对侧上。因为衍射光学元件7具有汇聚透射光的功能，因此红外检测元件3能够以广视角检测检测目标的红外线。

[实施例]

以下将参考附图详细说明一个实施例。

利用下文详细说明的三种传感器(l)-(3)进行根据本实施例的红外检测传感器阵列1的特性评估。下文将详细说明传感器(l)-(3)。

如图5A中所示，传感器(1)具有类似于第一示例性实施例的结构，即红外检测元件3布置在具有孔4的衬底2的表面(一侧)上。而且，设置在至少一个孔4上的红外检测元件3具有开口5，且换言之，至少一个孔4没有被表面上的红外检测元件3覆盖。

具有上述开口5的孔4被背表面(另一侧)上的红外检测元件3′覆盖，且设置在表面和背表面上的红外检测元件3形成彼此部分重叠的区域。

图6A表示作为比较例的传感器(2)。这个传感器(2)具有没有孔4的衬底2，并具有红外检测元件3仅设置在表面(一侧)上的结构。而且，布置在传感器(2)的衬底2的表面上的红外检测元件3的总面积与传感器(1)的相同。

当与传感器(1)比较时，通过在衬底2的表面上的相同布置，传感器(2)具备红外检测元件3。但是，在存在孔4的部分中，传感器(1)具备在背表面上的红外检测元件3′。因此，即使传感器(2)在衬底2的表面上的孔4的部分中具备红外检测元件3，传感器(1)也能够使红外检测元件3的面积比传感器(2)的大了设置在表面上的红外检测元件3和3′重叠的面积那么大。

图7表示作为不同于图6的比较例的传感器(3)。这个传感器(3)具有没有孔4的衬底2，且具有红外检测元件73仅设置在表面(一侧)上的结构。而且，在具有与传感器(1)相同安装面积的衬底的表面上，传感器(3)具有与设置在传感器(1)的衬底2的两侧上的红外检测元件的数量相同的红外检测元件73。

当与传感器(1)比较时，传感器(3)安装了二十三个红外检测元件73，这是传感器(1)中，在衬底2的表面的相同安装面积中，设置在衬底2的一侧的十五个红外检测元件3和设置在衬底2的另一侧的八个红外检测元件3′的总数。因此，与组成传感器(1)的红外检测元件3相比，相应的红外检测元件73在面积上较小。

而且，对于传感器(1)-(3)来说，使用具有相同安装面积的衬底2、使用涉及衬底2的相同情况以及使用具有相同特性的红外检测元件3。而且，对于要使用的电源来说，提供相同的电力，且在相同的操作环境下执行操作。

而且，对于红外检测元件3来说，采用具有5μm厚度的电极层形成在具有5mm×5mm的正方形形状以及15μm厚度的热电陶瓷膜的上侧和下侧的情况。而且，对于衬底2来说，使用具有45mm×30mm的矩形形状以及100μm(0.05mm)厚度的MgO衬底。而且，对于具有孔4的衬底来说，使孔4的直径为3mm。

对于红外检测元件3的热电陶瓷膜来说，使用锆钛酸铅陶瓷，且银/钯合金(重量比：70%:30%)用作电极层。而且，将具有低导热性的材料插入在背表面和衬底上的元件之间。

[比较1]

首先，作为比较1，对比传感器(1)和传感器(2)。

图5A示出传感器(1)的透视图，且图5B示出传感器(1)的红外检测元件3已经检测到的电信号的马赛克图像。而且，图6A示出传感器(2)的透视图，且图6B示出传感器(2)的红外检测元件3已经检测到的电信号的马赛克图像。

虽然传感器(1)和传感器(2)以相同方式布置红外检测元件3，但是传感器(1)在存在孔4的部分中具备在衬底2的背表面上的红外检测元件3′。而且，安装在背表面上的红外检测元件3′至少一部分具有与设置在表面上的红外检测元件3重叠的区域。

由红外检测元件3感应的电荷量取决于区域的尺寸。因此，与传感器(2)相比，传感器(1)能够将感应电荷量增加设置在衬底2的两侧上的红外检测元件3和红外检测元件3′重叠的区域的尺寸那么多。因此，传感器(1)能够显示更精细的图像。

[比较2]

以下，作为比较2，将对比传感器(1)和传感器(3)。

图8示出由传感器(1)和传感器(3)的红外检测元件3检测的电压灵敏度。当更详细说明时，A、B和C表示相应的电压灵敏度，其中A对应于通过设置在传感器(1)的衬底2的表面上的红外检测元件3检测的电压灵敏度，B对应于通过设置在传感器(1)的衬底2的背表面上的红外检测元件3′检测的电压灵敏度，且C对应于通过设置在传感器(3)的衬底2的表面上的红外检测元件73检测的电压灵敏度。

设置在衬底2上的红外检测元件3的数量与传感器(1)和传感器(3)的相同。但是，传感器(3)在衬底2的表面上安装了与设置在传感器(1)的表面和背表面两侧上的红外检测元件的数量相同的红外元件3。因此，与传感器(1)相比，相应的红外检测元件3在尺寸上较小。

如图8中所示，由衬底2的表面上的红外检测元件3检测的电压灵敏度A能够实现更高的电压灵敏度，因为能够使每一个元件的灵敏性面积更大，虽然安装的数量与传感器(3)相比较少。

而且，对于由衬底2的背表面上的红外检测元件3检测的电压灵敏度B来说，接收红外线的面积小。但是，能够实现高电压灵敏度，因为由于来自接收光的部分的元件热传导的原因，能够通过设置在衬底2的背表面上的所有红外检测元件3′来感应电荷。

另一方面，安装在衬底2的表面上的传感器(3)能够安装多个红外检测元件3，因为其具备设置在传感器(1)的表面和背表面上的红外检测元件3。但是，需要使每个红外检测元件3的面积较小。因此，对于电压灵敏度C来说，感应电荷的量较小，且不能实现高电压灵敏度。

对于上述比较的结果来说，根据第一示例性实施例的红外检测传感器阵列1能够实现更高的感应检测，因为其能获得电压灵敏度A和B。

顺便提及，当根据本示例性实施例的红外检测传感器阵列1用作检测人体移动的人体检测传感器时，能够实现顾及个人隐私的用于人体检测的传感器。如图5B中所示，通过使用适当的信号放大器电路和信号处理电路能够从布置的红外检测元件3中去除马赛克图像。

每个红外检测元件3的红外线的接收量根据人体的移动而发生波动。能够实现配备有顾及个人隐私的用于人体检测的传感器的红外检测装置，因为布置成阵列状的红外检测元件3能够通过分析时间变化数据来检测人体的移动，而且其不能用马赛克数据来识别人。

虽然已经根据上述示例性实施例和上述实施例说明了本发明，但是本发明不限于上述示例性实施例和实施例。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行本领域技术人员能够理解的对本发明的形式和细节的各种改变和变型。

此外，本申请要求于2011年2月18日提交的日本专利申请No.2011-033256的优先权，其内容通过引用整体而合并于此。

附图标记说明

1：第一导体

1：红外检测传感器阵列

2：衬底

3：红外检测元件

4：孔

5：开口

6：红外滤光器

7：衍射光学元件

73：红外检测元件

Claims (9)

1.一种红外检测传感器阵列，包括：

衬底；

穿过所述衬底的至少一个孔；

设置到所述衬底的一侧的第一红外检测元件；以及

设置到所述衬底的另一侧以便至少部分地覆盖所述孔的第二红外检测元件。

2.根据权利要求1所述的红外检测传感器阵列，其中，设置到所述一侧的所述第一红外检测元件以及设置到所述另一侧的所述第二红外检测元件具有经由所述衬底而彼此至少部分重叠的区域。

3.根据权利要求1或2所述的红外检测传感器阵列，其中，覆盖所述孔的在所述另一侧上的所述第二红外检测元件大于所述孔的面积。

4.根据权利要求1至3的任意一项所述的红外检测传感器阵列，其中，所述第一红外检测元件和所述第二红外检测元件以格栅形状布置。

5.根据权利要求1至4的任意一项所述的红外检测传感器阵列，其中，所述孔具有没有被在所述衬底的一侧上的所述第一红外检测元件覆盖的开口。

6.根据权利要求1至3的任意一项所述的红外检测传感器阵列，其中，所述红外检测元件包括热电陶瓷膜和电极，并且

其中，所述热电陶瓷膜根据表面面积感应出电荷。

7.根据权利要求1至4的任意一项所述的红外检测传感器阵列，其中，红外滤光器和衍射光学元件被设置在所述衬底的一侧上，并且

其中，所述红外滤光器和所述衍射光学元件被设置为面对所述衬底。

8.根据权利要求1至7的任意一项所述的红外检测传感器阵列，其中，所述热电陶瓷膜包括锆钛酸铅陶瓷、钽酸锂陶瓷以及聚偏二氟乙烯中的任意一种。

9.一种红外检测装置，包括：通过根据权利要求1至8所述的红外检测传感器阵列检测人体移动的人体检测传感器。

Images