DE102005003658A1

DE102005003658A1 - Modular aufgebauter Infrarotstrahlungsdetektor

Info

Publication number: DE102005003658A1
Application number: DE200510003658
Authority: DE
Inventors: Kazuaki Kariya Watanabe
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2005-01-26
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2025-01-27
Also published as: JP2005227180A; FR2866427A1; FR2866427B1; DE102005003658B4; JP4042707B2

Abstract

Ein modularer Infrarotstrahlungsdetektor umfasst: Ein Gehäuse (30-32, 40-43) mit einem Fenster (40fa, 40fb, 40fc), das für Infrarotstrahlen durchlässig ist, und eine Mehrzahl von Sensorchips (10t, 10t₁-10t₃, 11t₁, 11t₂) mit einer Infraroterfassungsvorrichtung (10) zur Erfassung der Infrarotstrahlen. Die Senorchips (10t, 10t₁-10₃, 11t₁, 11t₂) sind in dem Gehäuse (30-32, 40-43) untergebracht. Jeder Sensorchip (10t, 10t₁-10t₃, 11t₁, 11t₂) ist in der Lage, einen unterschiedlichen Einfallsstrahl, der aus einer unterschiedlichen Einfallsrichtung durch das Fenster (40fa, 40fb, 40fc) des Gehäuses (30-32, 40-43) eintritt, zu erfassen. Die Abmessungen des Detektors werden kleiner, und die Herstellungskosten des Detektors werden reduziert. Darüber hinaus kann der Detektor Infrarotstrahlen, die aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen eintreten, erfassen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen in einem Gehäuse angeordneten Infrarotstrahlungsdetektor.

Ein Beispiel kleiner in einem Gehäuse untergebrachter Infrarotstrahlungsdetektoren (im Folgenden kurz als "Infrarotdetektor" bezeichnet) ist in der japanischen ungeprüften, veröffentlichten Patentanmeldung Nr. 2003-270047 offenbart.

9 ist eine schematische Querschnittsansicht eines in der oben genannten Veröffentlichung offenbarten Infrarotdetektors.

In dem in 9 gezeigten Infrarotdetektor 90 sind ein Sensorelement 91, das Infrarotstrahlen erfasst, und eine Leiterplatte 92, auf der eine Signalverarbeitungsschaltung zur Verarbeitung der Ausgangssignale des Sensorelements 91 angeordnet sind, getrennt voneinander ausgebildet. Das Sensorelement 91 umfasst einen Membranabschnitt 91a, der als dünnwandiger Abschnitt ausgebildet ist, und einen dickwandigen Abschnitt 91b. Die heißen Kontakte als Messpunkte von (nicht gezeigten) Thermoelementen sind auf dem Membranabschnitt 91a angeordnet, und die kalten Kontakte als Referenzpunkte der Thermoelemente sind auf dem dickwandigen Abschnitt 91b angeordnet. In dem Sensorelement 91 mit einem solchen Membranabschnitt 91a kann Wärme weniger leicht von den heißen Kontakten als Infraroterfassungselemente in Richtung des dickwandigen Abschnitts 91b entweichen. Somit kann das Sensorelement 91 Infrarotstrahlen mit hoher Empfindlichkeit erfassen.

In dem Infrarotdetektor 90 ist das Sensorelement 91 über der Leiterplatte 92 angeordnet, und diese Elemente sind in einem Gehäuse aufgenommen, das einen Sockel 93, eine Kappe 94 und einen Filter 95 umfasst. Anders als bei Infrarotdetektoren, bei denen ein Sensorelement 91 und eine Leiterplatte 92 nebeneinander angeordnet sind, kann bei Infrarotdetektoren 90, bei denen ein Sensorelement 91 und eine Leiterplatte 92 übereinander angeordnet sind, die Größe verringert werden.

Wenn aus unterschiedlichen Richtungen eintreffende Infrarotstrahlen mit Hilfe des in 9 dargestellten Infrarotdetektors 90 erfasst werden, tritt das folgende Problem auf. Eine der Anzahl von Erfassungsrichtungen entsprechende Anzahl von Infrarotdetektoren 90 muss verwendet und in diesen Richtungen angeordnet werden. Oder es muss bewirkt werden, dass ein Infrarotdetektor 90 die einzelnen Richtungen abtastet. In jedem Fall ist jedoch die Größe des gesamten Detektors erhöht, und demzufolge sind auch die Kosten erhöht.

Angesichts des oben beschriebenen Problems ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einen kleinen, kostengünstigen modularen Infrarotdetektor bereitzustellen, der in der Lage ist, aus unterschiedlichen Richtungen eintreffende Infrarotstrahlen zu erfassen.

Ein modularer Infrarotdetektor umfasst: Ein Gehäuse mit einem Fenster, das für Infrarotstrahlung durchlässig ist, und eine Mehrzahl von Sensorchips mit einer Vorrichtung zur Erfassung infraroter Strahlung (im Folgenden kurz: "Infraroterfassungsvorrichtung") zur Erfassung der Infrarotstrahlung. Die Sensorchips sind in dem Gehäuse untergebracht. Jeder Sensorchip kann einen unterschiedli chen Strahl, der das Fenster des Gehäuses aus einer unterschiedlichen Einfallsrichtung durchdringt, erfassen.

In dem oben beschriebenen Detektor ist jeder Sensorchip so positioniert, dass die aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen durch das Fenster des Gehäuses eintretende Infrarotstrahlung zu der Infraroterfassungsvorrichtung des entsprechenden Sensorchips gelangt. Somit kann der Detektor die aus den unterschiedlichen Richtungen durch das Fenster eingestrahlten Infrarotstrahlen erfassen, so dass die Abmessungen des Detektors verringert sind. Darüber hinaus sind die Herstellungskosten des Detektors reduziert. Demzufolge ist der Detektor zur Erfassung einer Mehrzahl von aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen ankommenden Infrarotstrahlen klein und kann kostengünstig hergestellt werden.

Das Fenster ist vorzugsweise unmittelbar über den Sensorchips angeordnet, und das Fenster hat eine Fläche, die gleich groß wie oder kleiner als eine Gesamtfläche der Sensorchips ist. Das Fenster ist vorzugsweise parallel zu dem Sensorchip angeordnet. Ferner bilden das Fenster und die Sensorchips vorzugsweise einen vorbestimmten Winkel.

Vorzugsweise umfasst der Detektor ferner ein Einfallsstrahlbestimmungsmittel, um die Einfallsrichtung des Infrarotstrahls zu bestimmen. Die durch das Fenster transmittierte Infrarotstrahlung wird von dem Einfallsstrahlbestimmungsmittel geführt bzw. gelenkt. In diesem Fall werden nur die aus einer vorbestimmten Einfallsrichtung einfallenden Infrarotstrahlen von dem Detektor genau erfasst.

Das Einfallsstrahlbestimmungsmittel ist vorzugsweise ein Prisma, eine Blende oder ein Reflektor. In diesem Fall sind die Einfallsstrahlbestimmungsmittel kleine Teile, so dass sie in dem Gehäuse untergebracht werden können.

Der Detektor umfasst vorzugsweise ferner einen Schaltungschip mit einer Eingabe/Ausgabe-Steuerschaltung zur Steuerung des Sensorchips. Der Schaltungschip ist in dem Gehäuse untergebracht. Da in diesem Fall der Sensorchip und der Schaltungschip in demselben Gehäuse untergebracht sind, sind die Abmessungen des Detektors minimiert.

Der Schaltungschip umfasst vorzugsweise eine Mehrzahl von Eingabe/Ausgabe-Steuerschaltungen, von denen jede den jeweiligen Sensorchip steuern kann. In diesem Fall sind mehrere Eingabe/Ausgabe-Steuerschaltungen auf einem einzigen Schaltungschip ausgebildet, so dass die Abmessungen des Detektors minimiert sind.

Die Sensorchips sind vorzugsweise auf dem Schaltungschip angeordnet. Insbesondere sind die Sensorchips auf dem Schaltungschip geschichtet angeordnet.

Der Sensorchip umfasst vorzugsweise ein Substrat mit einer Membran als einen dünnen Abschnitt. Die Infraroterfassungsvorrichtung umfasst ein Thermoelement und einen Infrarotabsorptionsfilm, der auf dem Substrat angeordnet ist. Das Thermoelement umfasst einen auf der Membran angeordneten Messpunkt und einen auf dem Substrat, jedoch nicht auf der Membran, angeordneten Referenzpunkt. Der Infrarotabsorptionsfilm ist so auf dem Substrat angeordnet, das der Messpunkt überdeckt ist. Die Infraroterfassungsvorrichtung kann die Infrarotstrahlung auf der Grundlage einer Änderung einer elektromotorischen Kraft des Thermoelements erfassen, die sich aus eine Änderung der Temperaturdifferenz zwischen dem Messpunkt und dem Referenzpunkt ergibt, wenn die Infraroterfassungsvorrichtung die Infrarotstrahlung empfängt.

In dem oben beschriebenen Detektor wird die Wärme an dem Messpunkt (heißer Kontakt) nicht zur Seite des Substrats geleitet, so dass die Infrarotstrahlung genau erfasst werden kann. Somit wird ein Detektor, der eine Mehrzahl von Sensorchips aufweist, die Infrarotstrahlung erfassen können, und der kostengünstig ist, bereitgestellt.

Das Thermoelement umfasst vorzugsweise zwei unterschiedliche Filme, die auf dem Substrat angeordnet sind, wobei die zwei unterschiedlichen Filme abwechselnd in Reihe geschaltet so angeordnet sind, dass der Messpunkt und der Referenzpunkt durch eine Mehrzahl von Verbindungsabschnitten zwischen den zwei verschiedenen Filmen abwechselnd angeordnet sind. In diesem Fall kann die Infraroterfassungsvorrichtung (Sensor) vom Typ einer Thermosäule ein großes Ausgangssignal liefern, so dass der Detektor eine hohe Empfindlichkeit besitzt. Somit besitzt der kostengünstig hergestellte Detektor kleine Abmessungen und eine hohe Empfindlichkeit.

Das Substrat ist vorzugsweise aus einem Halbleitersubstrat gebildet, und die Infraroterfassungsvorrichtung ist, durch einen Isolierungsfilm getrennt, auf dem Substrat angeordnet. In diesem Fall kann der Detektor mittels eines herkömmlichen Verfahrens zur Herstellung von Halbleiterbauelementen hergestellt werden, so dass die Herstellungskosten des Detektors verringert sind.

Darüber hinaus umfasst der modulare Infrarotdetektor ein Gehäuse mit einem ersten Fenster und mit einem zweiten Fenster, die für Infrarotstrahlung durchlässig sind, und einen ersten und einen zweiten Sensorchip mit einer Infraroterfassungsvorrichtung zur Erfassung der Infrarotstrahlung. Der erste und der zweite Sensorchip sind in dem Gehäuse untergebracht, und jeder Sensorchip kann einen unterschiedlichen Einfallsstrahl, der aus einer unterschiedlichen Einfallsrichtung durch das Fenster in das Gehäuse eintritt, erfassen.

In dem oben beschriebenen Detektor ist jeder Sensorchip so positioniert, dass die aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen durch das Fenster in das Gehäuse eintretende Infrarotstrahlung zu der Infraroterfassungsvorrichtung des Sensorchips gestrahlt wird. Somit kann der Detektor die aus den unterschiedlichen Einfallsrichtungen durch die Fenster eintretenden Infrarotstrahlen erfassen, so dass die Abmessungen des Detektors verringert werden können. Darüber hinaus können die Herstellungskosten des Detektors reduziert werden. Demzufolge sind die Abmessungen des Detektors zur Erfassung einer Mehrzahl von aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen eintretender Infrarotstrahlen gering, und der Detektor kann kostengünstig hergestellt werden.

Das erste Fenster ist vorzugsweise unmittelbar über dem ersten Sensorchip angeordnet, und das erste Fenster hat eine Fläche, die gleich groß wie oder kleiner als eine Fläche des ersten Sensorchips ist, und das zweite Fenster ist unmittelbar über dem zweiten Sensorchip angeordnet, und das zweite Fenster hat eine Fläche, die gleich groß wie oder kleiner als eine Fläche des zweiten Sensorchips ist. Insbesondere ist das erste Fenster parallel zu dem ersten Sensorchip, und das zweite Fenster ist parallel zu dem zweiten Sensorchip. Darüber hinaus weisen das erste Fenster und das zweite Fenster vorzugsweise einen vorbestimmten Winkel zwischen sich auf, und das zweite Fenster und der zweite Sensorchip weisen einen weiteren vorbestimmten Winkel zwischen sich auf.

Die obigen und weitere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung sind aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung, die unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung gemacht wurde, deutlicher ersichtlich. In den Zeichnungen sind:
1 eine Querschnittsansicht, die einen Infrarotdetektor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2A eine Querschnittsansicht gemäß der ersten Ausführungsform, die einen Sensorchip des Detektors zeigt, 2B eine Draufsicht, die den Sensorchip zeigt, und 2C ein Schaltungsdiagramm, das ein Ausgangssignal des Sensorchips zeigt;
3 eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Infrarotdetektor gemäß einer ersten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
4 eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Infrarotdetektor gemäß einer zweiten Modifikation der ersten Ausführungsform zeigt;
5A eine Querschnittsansicht, die einen Infrarotdetektor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, und 5B eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Infrarotdetektor gemäß einer ersten Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt;
6A eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Infrarotdetektor gemäß einer zweiten Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt, und 6B eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Infrarotdetektor ge mäß einer dritten Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt;
7A eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Infrarotdetektor gemäß einer vierten Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt, 7B eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Infrarotdetektor gemäß einer fünften Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt, und 7C eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Infrarotdetektor gemäß einer sechsten Modifikation der zweiten Ausführungsform zeigt;
8A eine Querschnittsansicht, die einen Infrarotdetektor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, 8B eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Infrarotdetektor gemäß einer ersten Modifikation der dritten Ausführungsform zeigt, und 8C eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Infrarotdetektor gemäß einer zweiten Modifikation der dritten Ausführungsform zeigt; und
9 eine Querschnittsansicht, die einen weiteren Infrarotdetektor gemäß dem Stand der Technik zeigt.
(Erste Ausführungsform)
1 ist eine schematische Querschnittsansicht eines Infrarotdetektors 100 dieser Ausführungsform.
Der in 1 dargestellte Infrarotdetektor 100 umfasst zwei Sensorchips 10t₁ und 10t₂ , auf denen Infraroterfassungselemente ausgebildet sind, und zwei Schaltungschips 20t₁ und 20t₂ , auf denen Steuerschaltungen zur Eingabe/Ausgabe-Steuerung der Infraroterfassungselemente ausgebildet sind. Die Sensorchips 10t₁ und 10t₂ sind über den Schaltungschips 20t₁ bzw. 20t₂ angeordnet. Diese Elemente sind in einem Gehäuse aufgenommen, das einen Sockel 30 und eine Kappe bzw. Abdeckung 40, die Filter 40fa und 40fb als Fenster aufweist, die für Infrarotstrahlen durchlässig sind, umfasst, und zu Modulen zusammengefasst. Der Sockel 30 und die Kappe 40 sind zusammengeschweißt, und das Gehäuse ist mit Stickstoff gefüllt.
In 1 besitzen die zwei Sensorchips 10t₁ und 10t₂ die gleiche Struktur. Ferner sind die zwei Schaltungschips 20t₁ und 20t₂ identisch aufgebaut.
2A bis 2C zeigen verschiedene vergrößerte Ansichten des Sensorchips. 2A ist eine schematische Querschnittsansicht des Sensorchips 10t (10t₁ bzw. 10t₂ ), und 2B ist eine schematische Draufsicht. 2C ist ein schematisches Diagramm, das den Aufbau eines Elements 10 zur Erfassung infraroter Strahlung (im Folgenden kurz: "Infraroterfassungselement 10") zeigt, das auf dem Sensorchip 10t ausgebildet ist, sowie die Art und Weise, wie der Sensorausgang abgegriffen wird.
Wie in 2A dargestellt ist, besteht der Sensorchip 10t aus einem Halbleitersubstrat 1 aus Silizium und einer Membran 10m, die durch Ätzen des Substrats von der Unterseite als dünnwandiger Abschnitt ausgebildet ist. Das Infraroterfassungselement 10 ist über dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet, wobei sich eine dünne isolierende Schicht 2 (im Folgenden kurz: Isolierungsfilm 2) zwischen dem Halbleitersubstrat 1 und dem Infraroterfassungselement 10 angeordnet ist. Das über dem Halbleitersubstrat 1 gebildete Infraroterfassungselement 10 umfasst Thermoelemente 10a und eine dünne, Infrarotstrahlung absorbierende Schicht 10b (im Folgenden kurz: Infrarotabsorptionsfilm 10b).
Wie in 2B dargestellt, sind die Thermoelemente 10a entlang des Randes der Membran 10m angeordnet.
Wie in 2C dargestellt ist, sind die Thermoelemente wie folgt angeordnet: Eine Mehrzahl von Gruppen von dünnen Schichten bzw. Filmen aus zwei verschiedenen Materialien 10ax und 10ay erstrecken sich in Reihe geschaltet über das Halbleitersubstrat 1 (Thermosäule), und ihre Verbindungspunkte bilden im Wechsel heiße Kontakte 10ah und kalte Kontakte 10ac. Für die Materialien 10ax und 10ay kann zum Beispiel Aluminium bzw. Polysilizium verwendet werden. Wie in 2A und 2C dargestellt ist, sind die heißen Kontakte 10ah der Thermoelemente 10a auf der Membran 10m ausgebildet, die eine niedrige Wärmekapazität besitzt, während die kalten Kontakte 10ac der Thermoelemente 10a außerhalb der Membran 10m, auf einem dickwandigen Abschnitt 10n gebildet sind, der eine hohe Wärmekapazität besitzt. In dem Infraroterfassungselement 10, wie es in 2A dargestellt ist, ist der Infrarotabsorptionsfilm 10b so über der Membran 10m ausgebildet, dass die heißen Kontakte damit überdeckt sind.
Wenn Infrarotstrahlen zum Beispiel von einem menschlichen Körper ausgesendet werden, werden sie von dem Infrarotabsorptionsfilm 10b absorbiert und erhöhen dessen Temperatur. Als Folge davon erhöht sich die Temperatur der heißen Kontakte 10ah, die unter dem Infrarotabsorptionsfilm 10b angeordnet sind. Die Temperatur der kalten Kontakte 10ac erhöht sich nicht, da der dickwandige Abschnitt 10n als Wärmesenke wirkt. Daher dienen die kalten Kontakte 10ac bei der Temperaturmessung als Referenzpunkte. Wie oben erwähnt, verändert das Infraroterfassungselement 10 die elektromotorische Kraft der Thermoelemente 10a durch die zwischen den heißen Kontakten 10ah und den kalten Kontakten 10ac beim Empfangen von Infrarotstrahlen erzeugte Änderung der Temperaturdifferenz (Seebeck-Effekt). Die veränderte elektromotorischen Kraft ist ein Maß für die erfasste Infrarotstrahlung (bzw. für die er fassten Infrarotstrahlen). Die in 2C dargestellten Thermoelemente 10a bilden eine Thermosäule. Somit bildet die Summe der in den einzelnen Gruppen der unterschiedlichen Materialien 10ax und 10ay erzeugten elektromotorischen Kräfte die Ausgangsspannung des Erfassungselements 10.
In dem in den 2A bis 2C dargestellten Sensorchip 10t mit der Membran 10m entweicht die Wärme weniger leicht von den heißen Kontakten 10ah der Thermoelemente 10a zu dem dickwandigen Abschnitt 10n. Daher kann der Sensorchip 10t Infrarotstrahlen leicht mit hoher Genauigkeit erfassen. Die die Thermosäule bildenden Thermoelemente 10a liefern eine große elektromotorische Kraft (Sensor-Ausgangsspannung), so dass man ein Infraroterfassungselement mit hoher Empfindlichkeit und Genauigkeit erhält.
Der in 1 dargestellte Detektor 100 kann Infrarotstrahlen L1 und L2 erfassen, die durch die Filter 40fa und 40fb, welche Infrarottransmissionsfenster bilden, hindurchtreten und aus unterschiedlichen Richtungen einfallen. In dem Infrarotdetektor 100 sind die Filter 40fa und 40fb und die Sensorchips 10t₁ und 10t₂ geeignet angeordnet, so dass die Infrarotstrahlen L0, angedeutet in 1 durch dicke gepunktete Pfeile, die von oben einfallen und durch die in der Kappe 40 vorgesehenen Filter 40af und 40fb hindurchtreten, gleich auf den jeweiligen Sensorchip 10t₁ bzw. 10t₂ auftreffen, wie es in der Figur gezeigt ist. Die durch dicke durchgezogene Pfeile angedeuteten Infrarotstrahlen L1 und L2, die durch die Filter 40fa und 40fb hindurchtreten, jedoch aus unterschiedlichen Richtungen einfallen, trffen unterschiedlich auf den jeweiligen Sensorchips 10t₁ bzw. 10t₂ auf. Das heißt, die Infrarotstrahlen L1 und L2 treffen jeweils auf ein zugehöriges Erfassungselement des entsprechenden Sensorchips 10t₂ bzw. 10t₁ auf, wie es in der Figur gezeigt ist. Somit ist der in 1 dargestellte Infrarotdetektor 100 als ein Infrarotdetektor ausgebildet, der die Infrarotstrahlen L1 und L2, die durch die Filter 40fa und 40fb als Infrarottransmissionsfenster hindurchtreten und aus unterschiedlichen Richtungen einfallen, erfassen kann.
Der Infrarotdetektor 100 in 1 weist den folgenden Vorteil gegenüber Fällen auf, in denen eine Anzahl von Infrarotdetektoren, die gleich der Anzahl von Erfassungsrichtungen ist, hergestellt werden oder mit einem Infrarotdetektor gerastert wird: Die Gesamtgröße und die Kosten des Detektors können verringert werden. In dem in 1 dargestellten Infrarotdetektor 100 sind nicht nur die Sensorchips 10t₁ und 10t₂ sondern auch die Schaltungschips 20t₂ und 20t₂ , auf denen die Schaltungen zur Eingabe/Ausgabe-Steuerung der Sensorchips 10t₁ und 10t₂ gebildet sind, in demselben Gehäuse aufgenommen und zu Modulen zusammengefasst. Dies ermöglicht auch eine Reduzierung der Größe und der Kosten des gesamten Detektors im Vergleich zu einem Infrarotdetektor, in dem ein Sensorchip und ein Schaltungschip getrennt aufgebaut, d.h. nicht zu einem funktionalen Element zusammengefasst sind. In dem Infrarotdetektor 100 sind ferner jeweils einer der Sensorchips 10t₁ und 10t₂ und einer der Schaltungschips 20t₁ und 20t₂ übereinander angeordnet. Daher ist die Größe des Infrarotdetektors auch gegenüber Infrarotdetektoren, bei denen Sensorchips und Schaltungschips nebeneinander angeordnet sind, verringert.
Somit ist der in 1 gezeigte Infrarotdetektor 100 als kleiner, kostengünstiger modularer Infrarotdetektor ausgebildet, der in der Lage ist, die aus unterschiedlichen Richtungen einfallenden Infrarotstrahlen L1 und L2 zu erfassen.
3 ist eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Infrarotdetektors 101. Bei dem in 3 dargestellten Infrarotdetektor sind die gleichen Elemente wie bei dem in 1 dargestellten Infrarotdetektor 100 mit den gleichen Bezugszahlen versehen.
In dem in 3 dargestellten Infrarotdetektor 101 sind die Eingabe/Ausgabe-Schaltungen, die den jeweiligen Sensorchips 10t₁ bzw. 10t₂ zugeordnet sind, auf einem einzigen Schaltungschip 20t ausgebildet. Dadurch ist die Größe des Sockels 31 und der Kappe 41 im Vergleich zu dem in 1 dargestellten Infrarotdetektor 100, in dem die Schaltungschips 20t₁ und 20t₂ , die den Sensorchips 10t₁ bzw. 10t₂ zugeordnet sind, voneinander getrennt vorgesehen sind, verringert. Somit ist die Größe des gesamten Detektors verringert. Durch Vereinigen von Schaltungschips zu einem 20t können auch die Kosten für den Detektor verringert werden. Ähnlich wie der in 1 dargestellte Infrarotdetektor 100, kann der in 3 dargestellte Infrarotdetektor 101 die Infrarotstrahlen L1 und L2 erfassen, die aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen durch die Filter 40fa und 40fb eintreten.
4 ist eine schematische Querschnittsansicht eines weiteren Infrarotdetektors 102. Bei dem in 4 dargestellten Infrarotdetektor 102 sind die gleichen Elemente wie bei dem in 3 dargestellten Infrarotdetektor 101 mit den gleichen Bezugszahlen bezeichnet.
Der in 4 gezeigte Infrarotdetektor 102 unterscheidet sich von dem Infrarotdetektor 101 in 3 in der Form der Kappe 42 und der Anordnung der Filter 40fa und 40fb als Infrarottransmissionsfenster relativ zu den zwei. Sensorchips 10t₁ und 10t₂ . In dem Infrarotdetektor 101 in 3 ist das Verhältnis der Infrarotstrahlen L1 und L2, die von der Seite einfallen, zu den Infrarot strahlen L0, die von oben einfallen, klein. Im Vergleich dazu ist in dem Infrarotdetektor 102 in 4 das Verhältnis der Infrarotstrahlen L1 und L2, die von der Seite einfallen, zu den Infrarotstrahlen L0, die von oben einfallen, größer, da die Kappe 42 für die Infrarotstrahlen L1 und L2, die von der Seite einfallen, weiter geöffnet ist. Daher ist der Infrarotdetektor 102 in 4 weniger empfänglich für Infrarotstrahlen L0, die von oben einfallen. Demzufolge ist der Infrarotdetektor 102 dazu in der Lage, die Infrarotstrahlen L1 und L2, die durch die Filter 40fa und 40fb eintreten und aus unterschiedlichen Richtungen einfallen, mit größerer Zuverlässigkeit zu erfassen.
(Zweite Ausführungsform)
Der Infrarotdetektor gemäß der ersten Ausführungsform ist ein Infrarotdetektor, der so ausgelegt ist, dass er Infrarotstrahlen erfasst, die durch in seinem Gehäuse angebrachte Fenster eintreten und aus unterschiedlichen Richtungen einfallen. Der Infrarotdetektor gemäß der zweiten Ausführungsform ist darüber hinaus mit Einfallsstrahlbestimmungsmitteln versehen, die die Einfallsrichtungen der Infrarotstrahlen bestimmen.
5A und 5B sind schematische Querschnittsansichten von Infrarotdetektoren 103 und 104 dieser Ausführungsform.
Die Infrarotdetektoren 103 und 104, die in 5A und 5B gezeigt sind, sind Infrarotdetektoren, die man jeweils erhält, wenn Prismen 50a und 50b als Einfallsstrahlbestimmungsmittel, die die Einfallsrichtungen von Infrarotstrahlen bestimmen, zu dem in 1 gezeigten Infrarotdetektor 100 bzw. dem in 3 gezeigten Infrarotdetektor 101 hinzugefügt werden. In 5A und 5B sind aus Gründen der Übersichtlichkeit von oben einfallende Infrarotstrahlen L0 nicht gezeigt.
In den Infrarotdetektoren 103 und 104, die die Prismen 50a und 50b enthalten, werden Infrarotstrahlen L3 und L4, die aus unterschiedlichen Richtungen einfallen, durch die Prismen 50a und 50b in Richtung der jeweiligen Infrarotsensorchips 10t₁ und 10t₂ gebrochen bzw. abgelenkt. In den Infrarotdetektoren 103 und 104 können die Infrarotstrahlen L3 und L4 aus den Erfassungsrichtungen zuverlässiger ausgewählt werden, indem die Spitzenwinkel der Prismen 50a und 50b geeignet eingestellt werden. Dadurch können die Infrarotstrahlen L3 und L4, die aus unterschiedlichen Richtungen einfallen, mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
In den in 5A und 5B gezeigten Infrarotdetektoren 103 bzw. 104 sind die Prismen 50a und 50b wie oben beschrieben außerhalb der Kappen 40 und 41 angeordnet. Stattdessen können die Prismen 50a und 50b auch innerhalb der Kappen 40 und 41 angeordnet und in den Modulen aufgenommen sein. In diesem Fall sind die Prismen 50a und 50b leichter instandzuhalten bzw. zu pflegen, da die Prismen 50a und 50b nicht außen angeordnet sind.
6A und 6B sind schematische Querschnittsansichten weiterer Detektoren 105 und 106 dieser Ausführungsform.
Die in den 6A und 6B gezeigten Infrarotdetektoren 105 bzw. 106 sind Infrarotdetektoren, die man erhält, indem Blenden (d.h. Abschirmplatten) 60a und 60b als Einfallsstrahlbestimmungsmittel, die den direkten Einfall von Infrarotstrahlen kontrollieren, dem in 1 gezeigten Infrarotdetektor 100 bzw. dem in 3 gezeigten Infrarotdetektor 101 hinzugefügt werden.
In den in den 6A und 6B gezeigten Infrarotdetektoren 105 und 106 werden von oben einfallende Infrarotstrahlen L0 blockiert. Somit treffen die Infrarotstrahlen L0 nicht auf die Sensorchips 10t₁ und 10t₂ auf. In den Infrarotdetektoren 105 und 106 kann daher der Einfluss der von oben einfallenden Infrarotstrahlen L0 eliminiert werden. Daraus folgt, dass die Infrarotstrahlen L1 und L2 aus den Erfassungsrichtungen zuverlässiger ausgewählt werden können. Daher können die Infrarotstrahlen L1 und L2, die aus unterschiedlichen Einfallsrichtungen eintreten, mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
7A, 7B und 7C sind schematische Querschnittsansichten weiterer Detektoren 107, 108 bzw. 109 gemäß dieser Ausführungsform.
Die in den 7A und 7B gezeigten Infrarotdetektoren 107 bzw. 108 sind Infrarotdetektoren, die man erhält, indem man Reflektoren 70 bzw. 71 als Einfallsstrahlbestimmungsmittel, die die Einfallsrichtungen von Infrarotstrahlen bestimmen, dem in 1 gezeigten Infrarotdetektor 100 bzw. dem in 3 gezeigten Infrarotdetektor 101 hinzufügt. In den 7A und 7B sind die von oben einfallenden Infrarotstrahlen L0 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen.
In dem in 1 gezeigten Infrarotdetektor 100 und in dem in 3 gezeigten Infrarotdetektor 101 treffen wie oben erwähnt die Infrarotstrahlen L1, die durch den Filter 40fa hindurchtreten, auf den Sensorchip 10t₂ auf, und die Infrarotstrahlen L2, die durch den Filter 40fb hindurchtreten, treffen auf den Sensorchip 10t₁ auf. In den in den 7A und 7B gezeigten Infrarotdetektoren 107 bzw. 108, die mit den Reflektoren 70 bzw. 71 ausgestattet sind, treffen die Infrarotstrahlen L1, die durch den Filter 40fa hindurchtreten, auf den Sensorchip 10t₁ auf, und die Infrarotstrahlen L2, die durch den Filter 40fb hindurchtreten, treffen auf den Sensorchip 10t₂ auf.
In den mit den Reflektoren 70 und 71 ausgestatteten Infrarotdetektoren 107 bzw. 108 können die Infrarotstrahlen L1 und L2 aus den Erfassungsrichtungen zuverlässiger ausgewählt werden, indem die Winkel der Oberflächen der Reflektoren 70 und 71 geeignet eingestellt werden. Dadurch können die Infrarotstrahlen L1 und L2, die aus unterschiedlichen Richtungen einfallen, mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Der in 7C dargestellte Infrarotdetektor 109 umfasst drei Sensorchips 10t₁ bis 10t₂ und einen Schaltungschip 21t. Die drei Sensorchips 10t₁ bis 10t₃ sind über dem Schaltungschip 21t angeordnet. Diese Elemente sind in einem Gehäuse aufgenommen, das einen Sockel 32 und eine Kappe 43, die mit Filtern 40fa bis 40fc als Infrarottransmissionsfenster ausgestattet ist, umfasst. Der Infrarotdetektor 109 in 7C umfasst ferner Reflektoren 72 und 73 als Einfallsstrahlbestimmungsmittel, die die Einfallsrichtungen der Infrarotstrahlen bestimmt.
Der in 7C dargestellte Infrarotdetektor 109 ist in der Lage, die aus den drei unterschiedlichen Richtungen einfallenden Infrarotstrahlen L0 bis L2 zu erfassen, wie es in der Figur dargestellt ist. Die Oberflächen der Reflektoren 72 und 73 sind auf der Seite des Sensorchips 10t₂ beschichtet, um zu verhindern, dass Infrarotstrahlen reflektiert werden, so dass von oben einfallende Infrarotstrahlen ausgewählt werden können.
Die Infrarotdetektoren 103 bis 109 dieser Ausführungsform, die in den 5A bis 7C dargestellt sind, umfassen Prismen, Blenden oder Reflektoren als Einfalls strahlbestimmungsmittel, die die Einfallsrichtungen der Infrarotstrahlen bestimmen. Infrarotstrahlen, die durch die Fenster und aus unterschiedlichen Richtungen durch diese Einfallsstrahlbestimmungsmittel eintreten, werden jeweils von einer Mehrzahl von Sensorchips erfasst. In den Infrarotdetektoren 103 bis 109 gemäß dieser Ausführungsform können Infrarotstrahlen aus den Erfassungsrichtungen zuverlässiger ausgewählt werden, indem die Einfallsstrahlbestimmungsmittel verwendet werden. Als Folge davon können aus unterschiedlichen Richtungen einfallende Infrarotstrahlen mit hoher Genauigkeit erfasst werden.
Jedes Einfallsstrahlbestimmungsmittel wie etwa das Prisma, die Blende, der Reflektor oder dergleichen ist eine kleine Komponente, und diese Komponenten können zusammen mit einer Mehrzahl von Sensorchips in einem Gehäuse aufgenommen und modulartig angeordnet werden.
Wie oben erwähnt ist, sind die Infrarotdetektoren 103 bis 109 gemäß dieser Ausführungsform wie sie in den 5A bis 7C dargestellt sind, in der Lage, Infrarotstrahlen, die aus unterschiedlichen Richtungen einfallen, mit hoher Genauigkeit zu erfassen. Die Infrarotdetektoren 103 bis 109 können als kleine, kostengünstige, modular aufgebaute Infrarotdetektoren ausgebildet sein. Wie oben erwähnt, verwenden die in den 5A bis 7C dargestellten Infrarotdetektoren 103 bis 109 nur entweder Prismen, Blenden oder Reflektoren. Stattdessen können die Infrarotdetektoren 103 bis 109 auch jede Kombination dieser Elemente verwenden.
(Dritte Ausführungsform)
Die Sensorchips 10t₁ bis 10t₃ in den Infrarotdetektoren 100 bis 109, wie sie in den 1 bis 7C dargestellt sind, sind Sensorchips, in denen eine Membran über einem Halbleitersubstrat ausgebildet ist, wie es ausführlich mit Bezug auf 2 beschrieben ist. Ferner werden die Membrane durch Ätzen des Halbleitersubstrats von der Unterseite oder der gegenüberliegenden Seite, auf der Infraroterfassungselemente ausgebildet sind, gebildet. Jedoch ist der Sensorchip, der in den Infrarotdetektoren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, nicht auf diesen Aufbau begrenzt. Die Membran kann durch Ätzen des Halbleitersubstrats von der Hauptoberflächenseite oder der gleichen Seite, auf der die Infraroterfassungselemente ausgebildet sind, gebildet werden.
8A bis 8C sind schematische Querschnittsansichten von Infrarotdetektoren 110 bis 112 gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, in der Sensorchips 11t₁ und 11t₂ verwendet werden.
Wenn ein Halbleitersubstrat für den Sensorchip verwendet wird, auf dem das Infraroterfassungselement ausgebildet ist, kann die Membran leicht mit Hilfe von herkömmlichen Techniken zur Herstellung von Halbleiterbauelementen gebildet werden. Daher können die Membrane zu niedrigen Kosten hergestellt werden. Jedoch ist der Sensorchip, auf dem das Infraroterfassungselement ausgebildet ist, nicht auf diesen Aufbau begrenzt, und ein Substrat, das ein beliebiges Material wie etwa Glas umfasst, kann zu diesem Zweck verwendet werden. Um ein hochempfindliches Infraroterfassungselement zu erhalten, ist es vorteilhaft, eine Membran über einem Substrat auszubilden. Jedoch sind Sensorchips ohne eine Membran ebenfalls wirksam. Das Infraroterfassungselement muss nicht aus Thermoelementen gebildet sein, und sie können so ausgebildet sein, dass Infrarotstrahlen erfasst werden, indem eine Änderung eines Widerstandswerts aufgrund der Temperatur eines Dünnschichtwiderstandselements erfasst wird.
Obgleich die vorliegende Erfindung bezüglich der bevorzugten Ausführungsformen offenbart worden ist, um ein besseres Verständnis von diesen zu ermöglichen, sollte wahrgenommen werden, dass die Erfindung auf verschiedene Weisen verwirklicht werden kann, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Deshalb sollte die Erfindung derart verstanden werden, dass sie alle möglichen Ausführungsformen und Ausgestaltungen zu den gezeigten Ausführungsformen beinhaltet, die realisiert werden können, ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen, wie er in den beigefügten Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Modular aufgebauter Infrarotstrahlungsdetektor, mit: – einem Gehäuse (30–32, 40–43), das ein Fenster (40fa, 40fb, 40fc) umfasst, welches für Infrarotstrahlung durchlässig ist; und – einer Mehrzahl von Sensorchips (10t, 10t₁ –10t₃ , 11t₁ , 11t₂ ) mit einer Infraroterfassungsvorrichtung (10) zur Erfassung der Infrarotstrahlung; wobei – die Sensorchips (10t, 10t₁ –10t₃ , 11t₁ , 11t₂ ) in dem Gehäuse (30–32, 40–43) untergebracht sind; und – jeder Sensorchip (10t, 10t₁ –10t₃ , 11t₁ , 11t₂ ) in der Lage ist, einen unterschiedlichen Einfallsstrahl, der aus einer unterschiedlichen Einfallsrichtung durch das Fenster (40fa, 40fb, 40fc) des Gehäuses (30–32, 40–43) eintritt, zu erfassen.
Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Fenster (40fa, 40fb, 40fc) unmittelbar über den Sensorchips (10t, 10t₁ –10t₃ , 11t₁ , 11t₂ ) angeordnet ist; und – das Fenster (40fa, 40fb, 40fc) eine Fläche besitzt, die gleich groß wie oder kleiner als eine Gesamtfläche der Sensorchips (10t, 10t₁ –10t₃ , 11t₁ , 11t₂ ) ist.
Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (40fa, 40fb, 40fc) parallel zu den Sensorchips (10t, 10t₁ –10t₃ , 11t₁ , 11t₂ ) angeordnet ist.
Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (40fa, 40fb) und die Sensorchips (10t, 10t₁ , 10t₂ ) in einem vorbestimmten Winkel zueinander angeordnet sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der ferner umfasst: – ein Einfallsstrahlbestimmungsmittel (50a, 50b, 60a, 60b, 70–73) zur Bestimmung der Einfallsrichtung der Infrarotstrahlen; – wobei die durch das Fenster (40fa, 40fb, 40fc) transmittierten Infrarotstrahlen durch das Einfallsstrahlbestimmungsmittel (50a, 50b, 60a, 60b, 70–73) kontrolliert wird.
Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfallsstrahlbestimmungsmittel (50a, 50b) ein Prisma (50a, 50b) ist.
Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfallsstrahlbestimmungsmittel (50a, 50b) eine Blende (60a, 60b) ist.
Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfallsstrahlbestimmungsmittel (50a, 50b) ein Reflektor (70–73) ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, der ferner umfasst – einen Schaltungschip (20t, 20t₁ , 20t₂ , 21t) mit einer Eingabe/Ausgabe-Steuerungsschaltung zur Steuerung des Sensorchips (20t, 20t₁ , 20t₂ , 21t); – wobei der Schaltungschip (20t, 20t₁ , 20t₂ , 21t) in dem Gehäuse (30–32, 40–43) untergebracht ist.
Detektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltungschip (20t, 20t₁ , 20t₂ , 21t) eine Mehrzahl von Eingabe/Ausgabe-Steuerungsschaltungen umfasst, wobei jede der Eingabe/Ausgabe-Steuerungsschaltungen in der Lage ist, den jeweiligen Sensorchip (10t, 10t₁ –10t₃ , 11t₁ , 11t₂ ) zu steuern.
Detektor nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorchips (10t, 10t₁ –10t₃ , 11t₁ , 11t₂ ) auf dem Schaltungschip (20t, 20t₂ , 20t₂ , 21t) angeordnet sind.
Detektor nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass er ferner umfasst: – ein Einfallsstrahlbestimmungsmittel (50a, 50b, 60a, 60b, 70–73) zur Bestimmung der Einfallsrichtung der Infrarotstrahlen; – wobei die durch das Fenster (40fa, 40fb, 40fc) transmittierten Infrarotstrahlen durch das Einfallsstrahlbestimmungsmittel (50a, 50b, 60a, 60b, 70–73) kontrolliert werden; und – wobei das Einfallsstrahlbestimmungsmittel (50a, 50b, 60a, 60b, 70–73) in dem Gehäuse (30–32, 40–43) untergebracht ist.
Detektor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass: – der Sensorchip (10t, 10t₁ –10t₃ , 11t₁ , 11t₂ ) ein Substrat (1) mit einer Membran (10m) als einem dünnen Abschnitt umfasst; – die Infraroterfassungsvorrichtung (10) ein Thermoelement (10a) und einen Infrarotabsorptionsfilm (10b), der auf dem Substrat (1) angeordnet ist, umfasst; – das Thermoelement (10a) einen Messpunkt (10ah), der auf der Membran (10m) angeordnet ist, und einen Referenzpunkt (10ac), der auf dem Substrat (1), nicht jedoch auf der Membran (10m), angeordnet ist, umfasst; – der Infrarotabsorptionsfilm (10b) so auf dem Substrat (1) angeordnet ist, dass er den Messpunkt (10ah) überdeckt; und – die Infraroterfassungsvorrichtung (10) in der Lage ist, die Infrarotstrahlen auf der Grundlage einer Änderung der elektromotorischen Kraft des Thermoelements (10a) zu erfassen, die sich durch eine Änderung der Temperaturdifferenz zwischen dem Messpunkt (10ah) und dem Referenzpunkt (10ac) ergibt, wenn die Infraroterfassungsvorrichtung (10) die Infrarotstrahlen empfängt.
Detektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Thermoelement (10a) zwei unterschiedliche Filme (10ax, 10ay) umfasst, die auf dem Substrat (1) angeordnet sind; und – die zwei unterschiedlichen Filme (10ax, 10ay) im Wechsel in Reihe geschaltet sind, so dass der Messpunkt (10ah) und der Referenzpunkt (10ac) abwechselnd mit einer Mehrzahl von Verbindungsabschnitten (10ah, 10ac) zwischen den zwei unterschiedlichen Filmen (10ax, 10ay) versehen sind.
Detektor nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass: – das Substrat (1) aus einem Halbleitersubstrat (1) hergestellt ist; und – der Infraroterfassungsabschnitt, durch einen Isolierungsfilm (2) getrennt, auf dem Substrat (1) angeordnet ist.
Detektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (1) eine Oberfläche aufweist, die geätzt wird, um die Membran (10m) zu erhalten, wobei die eine Oberfläche der Infraroterfassungsvorrichtung (10) gegenüberliegt.
Detektor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (1) eine Oberfläche aufweist, die geätzt wird, um die Membran (10m) zu erhalten, wobei die eine Oberfläche dieselbe Seite wie das Infraroterfassungselement (10) ist.
Modularer Infrarotdetektor, mit: – einem Gehäuse (30–31, 40–42) mit einem ersten Fenster (40fa) und einem zweiten Fenster (40fb), welches für Infrarotstrahlen durchlässig ist; und – einem ersten und einem zweiten Sensorchip (10t, 10t₁ , 10t₂ , 11t₁ , 11t₂ ) mit einer Infraroterfassungsvorrichtung (10) zur Erfassung von Infrarotstrahlen; – wobei der erste und der zweite Sensorchip (10t, 10t₁ , 10t₂ , 11t₁ , 11t₂ ) in dem Gehäuse (30–31, 40–42) untergebracht sind; und – wobei jeder Sensorchip (10t, 10t₁ , 10t₂ , 11t₁ , 11t₂ ) in der Lage ist, einen unterschiedlichen Einfallsstrahl, der aus einer unterschiedlichen Einfallsrichtung durch das Fenster (40fa, 40fb) des Gehäuses (30–31, 40–42) eintritt, zu erfassen.
Detektor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass: – das erste Fenster (40fa) unmittelbar über dem ersten Sensorchip (10t, 10t₁ , 11t₁ ) angeordnet ist, und das erste Fenster (40fa) eine Fläche besitzt, die gleich groß wie oder kleiner als eine Fläche eines ersten Sensorchips (10t, 10t₁ , 11t₁ ) ist; und – das zweite Fenster (40fb) unmittelbar über dem zweiten Sensorchip ((10t, 10t₂ , 11t₂ ) angeordnet ist, und das zweite Fenster (40fb) eine Fläche aufweist, die gleich groß wie oder kleiner als eine Fläche des zweiten Sensorchips (10t, 10t₂ , 11t₂ ) ist.
Detektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass: – das erste Fenster (40fa) parallel zu dem ersten Sensorchip (10t, 10t₁ , 11t₁ ) ist; und – das zweite Fenster (40fb) parallel zu dem zweiten Sensorchip (10t, 10t₂ , 11t₂ ) ist.
Detektor nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass: – das erste Fenster (40fa) und der erste Sensorchip (10t, 10t₁ , 11t₁ ) einen vorbestimmten Winkel zwischen sich bilden; und – das zweite Fenster (40fb) und der zweite Sensorchip (10t, 10t₁ , 11t₁ ) einen weiteren vorbestimmten Winkel zwischen sich bilden.