CN1066329A - 热式光检测器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明的热式光检测器包括热式光检测元件与 支持该光检测元件的支持台，该支持台由传热困难的 材料制作，并置于可调温在一定温度内的基台上处于 热连接状态。支持台还确定其高度以及横截面形状 各部分尺寸，使得从热式光检测元件至基台的热传导 路径的热传导量同预先设定的量一致。本发明的上 述构造的热式光检测器的制造方法，是将形成有信号 取出电极的热电结晶板粘接在一定厚度的在相应位 置掩模曝光的感光性玻璃板上，研磨结晶板使其变 薄，采用蚀刻除掉感光部分。

Description

本发明涉及傅里叶变换红外分光分析器（FT-IR）中所采用的高灵敏度红外线检测器等热式光检测器。

作为FT-IR用的室温工作式的高灵敏度红外线检测器，是用热电式红外线检测器，这当中大多都采用利用了热电系数较大的TGS（三甘氨酸-硫酸盐（triglycine-sulphate））系的D-TGS、LA-TGS和DLA-TGS等热电结晶的热电式红外线检测器。

这里之所以在高灵敏度红外线检测器中使用热电元件，是因为在采用半导体等的量子式红外线检测元件中，有因禁带宽度小，暗电流影响大，为此不在液体氮中冷却就得不到良好的灵敏度的问题，以及可检测的波长范围被限定在比14μm小的波长范围的问题。

可是，TGS系结晶的临界温度Tc，对于最高的DLA-TGS也为60℃大小，其灵敏度稳定的结晶温度范围非常地狭为24-36℃。因此，对热电结晶的温度控制不可少，然而在热电式红外线检测器与热式光检测器中，是检测因入射到热电结晶所引起的微小的温度变化的，因而若以量子式检测元件时的相同方法冷却热电结晶，就会带来灵敏度下降和引入噪声等不良影响。

即对于量子式的检测元件等，为把元件温度抑制在规定温度以下，采用了以仅使该元件的热量有效地发散到外部为目的的冷却法，然而对检测对象为热能之类的热电检测元件单单运用这种冷却法时，不但导致灵敏度降低，最坏时因为由调温所引起的噪声而发生不能检测的情况。

因此，以往FT-IR装置整体的性能虽然下降，但将FT-IR的光路光阑调暗，使入射到热电检测器光量最大时也不会使结晶温度超出36℃，或者从稍微离开的地方对热电检测器间接地进行温度调节。

作为其温度调节的构造例如图5所示，以往是使温度调节媒质52紧贴热电检测器51的封装体511的侧壁周围，并在该温度节媒质52的另一端配置用作温度调节装置的珀耳贴元件53，间接地调节热电检测器51的热电结晶温度的构造。

可是，籍助于图5所示的温度调节构造时，存在热电元件本身的检测器与封装体511间的导热系数和热态常数在各个检测器中是不同的问题，还有，热电检测器51以及珀耳贴元件53与结合这些的媒质52间的热接触（热阻），由于各自的热接触面积大，在组装中随机性较大而存在重复性差这样的问题，因此无法得到长期稳定的高精度温度控制。

另一方面，作为配合热电式检测器的灵敏度提高的构造（不致使热从热电元件发散出去的构造），例如提出了如图6（a）中所示，在热电元件610的支持基板62上经蚀刻形成开口部621，使受光部（形成电极611的部位）的下方成为空洞以防止热扩散的构造，或如图6（b）中所示，使热电元件710置放在4根腿的架台72上，以防止受光部的热扩散的构造。

可是，将这类构造用于采用TGS系结晶的热电检测元件时，该元件温度无法控制在某个范围中，无法使元件正常地工作。因而为了使采用TGS系结晶的热电检测元件高灵敏度地工作，有必要给元件与温度调节媒质适当量热连接。因此，热连接媒质必须是精度非常高且重复性好的构造。

然而在用图6（a）中示出的构造时，当然采用MgO等作为基板62，而经磷酸蚀刻形成开口部621，故而该蚀刻后的开口部尺寸精度不太好。

还有若用图6（b）中示出的构造，则必须有使微小的热电元件（为3mm角大小，厚度为10μm大小）710置于4条腿的架台72上的作业，故而要使这类作业能自动化不损坏元件是不容易的。因而在大量生产上不合适。

本发明的目的在于提供一种具有可对热电元件等热式光检测元件的温度在一定的范围内以高精度控制的构造的热式光检测器。

为达到该目的，本发明的热式光检测器具有热式光检测元件与支持该光检测元件的支持台，并搭载于调温在一定温度内的基台上处于热连接的状态，同元件与调温基台连接的支持台高精度地限制从元件至基台的热传导量。为要实现之，高精度地规定了其高度以及横截面形状的各部分尺寸。

根据本发明的检测器，把基台温度调节至热式光检测元件灵敏度稳定的温度范围内的最小温度，并预先规定好该支持台的高度以及横截面形状的各部分尺寸，以使由支持台形成的热传导路径的热传导量，在检测范围内最大光量的光恒定入射到热式光检测元件的受光部的状态下，变成能把该元件温度限制在灵敏度稳定的温度范围内最大温度的热传导量，这样，就能使热式光检测元件在其灵敏度稳定的温度范围内工作。假使由支持台所形成的热传导路径的热传导量更大些，就能对元件温度在更为狭窄的温度范围内调温，但包括检测入射光变化量与由此产生的元件温度变化量的热电式检测器在内，在热式光检测元件的场合，随着热传导量增加，而使灵敏度下降故不令人满意。

还有，本发明的制造方法，即制造上述构造的热式光检测器的方法。对与应制造的热式光检测器支持台高度相对应厚度的感光性玻璃板，采用与该支持台横截面形状相对应由遮光部形成的遮罩进行曝光后，用粘接剂将单面形成了取出信号用电极的热电结晶板通过使该电极形成面朝向感光性玻璃板以粘接在该感光性玻璃板上，接着对与热电结晶板的粘接面相对的面研磨而使其厚度变薄，此后在清除工序用蚀刻法将因感光性玻璃板曝光所产生的感光部分清除掉。

在该制造方法中，由于采用了感光部蚀刻精度高的感光性玻璃作为支持台材料，因而能够重复性高地制作尺寸精度高的支持台。而且由于是通过蚀刻制作支持台，因此可以实现大量生产。

进一步，为使用热电结晶体作为光检测元件，有必要使其厚度为10μm量级。该制造方法是在将热电结晶粘接在尚未开孔的玻璃板上的情况下研磨了之后，可不损坏结晶进行开孔的，因而该工艺也简单。

图1是示出本发明实施例的主要部分构造的图，（a）以及（b）分别是平面图以及纵向截面图。

图2是示出本发明实施例的整体结构的图，（a）以及（b）分别是平面图以及侧面图。

图3（a）-（f）是本发明实施例制造方法的顺序说明图。

图4（a）-（f）是本发明别的实施例制造方法的顺序说明图。

图5是热电检测器的温度调节构造的已有例的说明图。

图6（a）以及6（b）是分别示出热电检测器支持台一般构造例的图。

以下参照附图对本发明的较佳实施例说明。

首先如图2（a）以及2（b）中所示，热电元件1是安装在混合IC基板3（以下称HIC基板）的规定位置上的。在该HIC基板3的另一端部位上紧贴着珀耳贴元件4，还在珀耳贴元件4与热电元件1之间安装了温度检测元件5。该温度检测元件5是具有可以紧贴在HIC基板3上的构造的元件，采用可以对HIC基板3温度正确地检测的元件（例如模拟器件股份有限公司制造的商品名AD590等）

还有在珀耳贴元件4的放热测，通过铜制网线6与热容量大的地方进行热连接。靠这些珀耳贴元件4以及温度检测元件5等，HIC基板被正确地控制温度在例如24℃。还在HIC基板3安装热电元件1部分的周边处，安装了该元件输出信号处理用的前置放大器电路（未图示）。另外7是遮光以及屏蔽噪声罩。

热电元件1如图1（a）以及1（b）所示，是在热电结晶体（DLA-TGS）10的中央部分相对的位置上分别形成了圆形电极11以及12的构造，而该电极部分成为受光部。还有，热电元件1由感光性玻璃制的支持台2保持，并通过该支持台2与HIC基板3进行热连接。

支持台2，是在其中央部分开口形成了圆筒状的开口部21，而成为可限制热电元件1的受光部的热扩散的形状。还有，其各部分形状尺寸，通过考虑到感光性玻璃和热电结晶体的热传导率等来确定，以使得由该支持台12所形成的从热电元件1至混合式IC基板3的热传导路径的热传导量，在最大光量的光恒定地入射到热电元件1的受光部13的状态下，成为可将元件温度限制最大温度在36℃的容量。

在以上构造中值得注意的优点是，在没有光入射到热电元件1上的情况下元件温度最低保持在HIC基板的控制温度24℃，另一方面在恒定地入射最大光量的光时元件温度则保持在36℃，因此元件温度是响应入射光的光量在24℃-36℃间变化的。即热电元件1就会被长期正确地温度调节在热电结晶体（DLA-TGS）的灵敏度稳定的温度范围中。

在以上构造中还应注意的是下述优点，由于，热电元件的敏感部面积由电极面积决定，其大小因施行金属罩的蒸镀法故而可高精度地确定，还有支持台的高度、内部孔穴的大小、孔穴与敏感部的距离因为采用感光性玻璃故能高精度地制作，而使敏感部与HIC基板热连接重复性好，并且HIC基板3的形状尺寸比起热电元件1大的原因，因而能进行稳定的温度调节。

这里在以上构造中，HIC基板3相对于热电元件1来说是大的，由于对于基板本身来说不具有那样大的热容量，因而能以低电力且稳定地进行藉助于珀耳贴元件4的温度控制。再者由于在HIC基板3上实际装有热电元件1、前置放大器电路以及温度调节电路，因而存在可谋求以检测器为整体的模块化并且可使这模块集成为小型这样的效果。

另外在本实施例中，是通过支持台2使热电元件1同被温度控制的HIC基板3进行热连接，此外，也可以通过合适热传导体的支持台2同由冷却加热装置调温的散热器进行热连接。还有，除了感光玻璃外，一般的玻璃或塑料等树脂类热传导比较差而加工精度高的适于用作支持台2的材料。

接着，参照图3（a）-（f）在下面说明具有以上构造的检测器的较佳制造方法。

首先，如图3（a）中所示用感光性玻璃板121、遮罩80，并经紫外线曝光，如图3（b）中所示在后工艺中形成以高精度开孔用的感光部122（热传导量因其孔的大小而不同）。

接着，将如图3（c）中所示的在单面形成取出信号用的电极12……12的热电结晶体110，如图3（d）中所示以其电极形成面作为粘接面用粘接剂贴在感光后的玻璃板121上。另外在该工艺中，粘接剂均匀地涂覆在玻璃板121以及热电结晶体110的任一方或双方粘接面的整个面上。

在该粘接剂硬化后，研磨热电结晶体110的上面使其厚度为10μm量级的（e）。此后分割其热电结晶体110，在得到如图3（f）中所示的形状的热电结晶体10……10之后，用蜡90覆盖在该玻璃板121的上面以保护热电结晶体10……10。

而且用5%的HF对感光部122蚀刻。在该蚀刻中，存在于玻璃板121与热电结晶体110间的粘接剂起着抑制的作用，因而经这样蚀刻，就能得到具有如图3（g）中所示的各电极12……12的下方设有圆筒状的空洞121的构造的支持台2……2。

此后，除去蜡90再在各热电结晶体10……10的上面并在跟先前电极12相对应的位置上分别形成电极，同时通过对各支持台2……2分割就能获得如图1中所示构造的热电元件1。

以上制造方法中特别值得注目的优点，是采用了感光部蚀刻精度高的感光性玻璃作为支持台2……2的材料，因此能重复性高地制作尺寸精度高的支持台。还有是采用蚀刻来制作支持台的故而是可能批量生产的。

还有下述值得注目的地方，即，为了使用热电结晶体作为光检测元件有必要使其厚度为10μm量级，因而在该制造方法中是在热电结晶板粘接在钢性玻璃板上的状态下研磨来加工其厚度的，故还会使工艺简单。

此外还有感光性玻璃，是感光部分的蚀刻远比非感光部分的蚀刻快，故能利用这由HF等蚀刻剂仅选择感光部进行蚀刻，因而通过在感光时采用光刻技术，制成非常高精度的产品。

接下去参照附图4（a）-（d）在下面说明本发明其他的实施例的较佳制造方法。

首先在感光性玻璃板上进行采用掩模的曝光，如图4（a）中所示使感光性玻璃板211的相当于检测器支持台部分以外成为感光部分212，接着如图4（b）中所示在由蜡91覆盖在玻璃板211的单面之后，对感光部分212进行蚀刻直到一定的深度。

接着，是在玻璃板211的上部载置热电元件210的（c）。而且是在除去蜡91之后再经过蚀刻除去剩下的感光部分212而得到架台202……202的（d）。另外，在此蚀刻时，若有必要也可通过上蜡保持载置有热电元件210那侧的面。还有即使不特别进行d的工艺也没关系。

在该实施例中，（c）工艺中使得热电元件210载置于玻璃板211上这样的作业是留着的，在该工序中各架台202没有分离成单个的，该元件载置作业是能比以往容易地进行的，因此也能实现前述图6（a）的构造。

另外在该实施例的制造方法中，也可以通过图4（a）的工艺在玻璃板211的上部配置热电元件210之后再除去感光部212而在各热电元件处设有四条腿的架台。在这种情况下就能省略使热电元件载置于架台上的这样的烦杂作业。

在以上实施例中，是对采用热电检测元件的光检测器、适用本发明的例子而言进行说明的，然而本发明不限于此，还可适用于用例如热电堆或热敏电阻等的其他热式光检测器。

Claims (10)

1、一种热式光检测器其特征在于，包括热式光检测元件、与支持该光检测元件的支持台，该支持台是以热传导比较差的材料以及形状被制作的，并被搭载于调温在一定温度内的基台上处于热连接的状态。

2、如权利要求1所述的热式光检测器其特征在于，所述热式光检测元件是热电元件。

3、如权利要求2所述的热式光检测器其特征在于，所述热电元件是采用了TGS（三甘氨酸-硫酸盐）系热电结晶的元件。

4、如权利要求1所述的热式光检测器其特征在于，所述热式光检测元件是热电堆。

5、如权利要求1所述的热式光检测器其特征在于，所述热式光检测元件是光敏电阻。

6、如权利要求1所述的热式光检测器其特征在于，所述支持台由玻璃制作，确定其高度以及横截面形状的各部分尺寸应使从所述热式光检测元件至所述基台的热传导路径的热传导量同预先设定的量相一致。

7、如权利要求6所述的热式光检测器其特征在于，所述玻璃是感光性玻璃。

8、如权利要求1所述的热式光检测器其特征在于，所述基台是在加热冷却装置上热连接的散热体。

9、如权利要求1所述的热式光检测器其特征在于，所述基台是搭载了珀耳贴元件的混合式IC基板。

10、一种热式光检测器的制造方法其特征在于包括如下工艺：

用具有与所要制造的热式光检测器的支持台高度相对应厚度的感光性玻璃板、对应其支持台横截面形状形成遮光部的掩模进行曝光后，

用粘接剂将单面形成信号取出用电极的热电结晶极，在使其电极形成面朝向所述感光性玻璃板的情况下粘接在该感光性玻璃板上，

接着研磨所述热电结晶板的与粘接面相对一侧的面以使其厚度变薄，

此后采用蚀刻来除去所述感光性玻璃板因所述曝光而产生的感光部分。

Images