DE19739477A1

DE19739477A1 - Pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung

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Publication number: DE19739477A1
Application number: DE19739477A
Authority: DE
Inventors: Satoru Ito
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1997-09-09
Publication date: 1998-05-07
Anticipated expiration: 2017-09-10
Also published as: SG50032A1; JPH10132656A; CN1087074C; US6049080A; JP3204130B2; DE19739477B4; CN1181500A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine pyroelektri sche Infrarotsensorvorrichtung. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine pyroelektrische Infrarot sensorvorrichtung, die ein Substrat aus einem pyroelektri schen Material mit einer Hauptfläche und einer verbleibenden Hauptfläche, wobei die eine Hauptfläche Infrarotlichtstrah len empfängt, und eine kammförmige Elektrode auf der einen Hauptebene des Substrats aufweist, wobei das Substrat durch die kammförmige Elektrode polarisiert ist.

Die obige pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung wird beispielsweise zur Erfassung am menschlichen Körper und bei mehreren Anwendungen verwendet, die Alarmsysteme, intelli gente Klimaanlagen, automatisch einstellbare Beleuchtungs vorrichtungen und Audiosysteme mit automatischer Einschal tung einschließen.

Eine herkömmlich bekannte pyroelektrische Infrarotsensorvor richtung ist in Fig. 11 mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Diese Infrarotsensorvorrichtung 1 weist Elektroden 2a, 3a auf, die auf der oberen und der unteren Oberfläche eines rechteckig geformten pyroelektrischen Körpers 1a gebildet sind, wobei eine Polarisation vertikal zwischen den Elektro den 2a, 3a entlang der Dicke bewirkt wird, wie durch die Pfeile gezeigt ist. Die Elektroden 2a, 3a sind in einem rechten Winkel zu der Polarisationsrichtung angeordnet.

Wenn bei dieser herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsen sorvorrichtung 1 Infrarotlichtstrahlen 9 von einem Objekt, das erfaßt werden soll, abgestrahlt werden, und dann auf die Lichtempfangsoberfläche der Sensorvorrichtung 1 einfallen, treten leichte Temperaturänderungen in dem pyroelektrischen Körper 1a auf. Folglich könnte ein Paket von elektrischen Ladungsträgern, die im Gleichgewichtszustand auf der Ober fläche des pyroelektrischen Körpers 1a akkumuliert wurden, eine sogenannte Oberflächenladung, versuchen, sich zu bewe gen, was bewirkt, daß entsprechend eine Spannung entsteht. Diese Spannung dient zum Erfassen des zu erfassenden Objekts durch eine elektrische Verstärkung in einer Impedanzwandler schaltung, die beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs) verwendet, und ein nachfolgendes Umwandeln eines verstärkten Signals in ein entsprechendes elektrisches Signal.

Eine weitere herkömmliche pyroelektrische Infrarotsensorvor richtung ist in den Fig. 12A bis 12C gezeigt, wobei diese Vorrichtung ebenfalls mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet ist. Fig. 12A ist eine Draufsicht der Sensorvorrichtung 1, Fig. 12B zeigt eine Seitenansicht derselben, während Fig. 12C die Unteransicht derselben ist.

Wie in Fig. 12A gezeigt ist, weist der herkömmliche pyro elektrische Infrarotsensor 1 ein Substrat 2 auf, das aus einem pyroelektrischen Material besteht. Das pyroelektrische Substrat 2 weist eine obere Oberfläche auf, auf der ein Paar von Lichtempfangselektroden 3a, 3b zusammen mit einer Ver bindungselektrode 4, die eine Verbindung zwischen denselben herstellt, angeordnet ist. Wie am besten in Fig. 12C gezeigt ist, ist auf der unteren Oberfläche des pyroelektrischen Substrats 2 ein Paar von beabstandeten Elektroden 5a, 5b überlappend mit dem Lichtempfangselektrodenpaar 3a, 3b auf der oberen Substratoberfläche angeordnet. Der pyroelektri sche Infrarotsensor 1 ist derart entworfen, daß die Polari sation entlang der Dickenrichtung des pyroelektrischen Sub strats 2 bewirkt wurde.

Ein typisches pyroelektrisches Infrarotsensormodul 101, das die pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung von Fig. 12 verwendet, ist in Fig. 13 gezeigt. Das herkömmliche pyro elektrische Infrarotsensormodul 101 weist eine Halterplatte 102 auf, die beispielsweise durch Zweifarb-Herstellungs techniken oder Elektrode-Auf-Keramik-Herstellungstechniken hergestellt ist. Die Halterplatte 102 weist eine Oberfläche mit einer komplizierten Konfiguration auf, auf der ein Wi derstandschip 103 und ein FET-Chip ebenso wie eine pyroelek trische Infrarotsensorvorrichtung 105 angebracht sind. Die Halterplatte 102, auf der der Widerstand 103, der FET 104 und der Sensor 105 angebracht sind, wird danach auf einer Trägerbasis 106 angebracht. Diese Basis 106 wird zum Häusen mit einem Deckel 107 zusammengesetzt, der in der oberen Oberfläche desselben ein Lichteintrittsfenster aufweist. Das zusammengesetzte Sensormodul 101 enthält folglich die elek tronischen Komponenten 103 bis 105 auf eine gegenüber der Umgebung abgedichteten Art und Weise in demselben.

Ein weiteres herkömmliches pyroelektrisches Infrarotsensor modul 201 ist in den Fig. 14A bis 14C gezeigt. Dieses pyro elektrische Infrarotsensormodul verwendet die pyroelektri sche Infrarotsensorvorrichtung von Fig. 12. Es sei hierbei bemerkt, daß 14A eine Draufsicht des Sensormoduls zeigt, Fig. 14B eine Seitenansicht desselben ist, während 14C eine Unteransicht einer Halterplatte 202, die bei dem Modul ver wendet ist, darstellt.

Wie in den Fig. 14A bis 14B gezeigt ist, weist das herkömm liche pyroelektrische Infrarotsensormodul 201 eine pyroelek trische Infrarotsensorvorrichtung 205 auf, die auf der obe ren Oberfläche der Halterplatte 202 angebracht ist. Diese Halterplatte weist eine untere Oberfläche auf, auf der ein Hochtemperatur-Widerstandselement 203 mittels eines leitfä higen Klebers befestigt ist. Das Widerstandselement 203 ist ein Hochtemperatur-Brenntyp unter Verwendung von Kohlen stoff, Thermet oder dergleichen. Ein FET-Chip 204 ist eben falls auf der unteren Oberfläche des Halters 202 befestigt, wie in Fig. 14C gezeigt ist. Diese Halterplatte 202 ist an einer Trägerbasis 206 derart angebracht, daß die Halterplat te 202 stabil über der Basis 206 positioniert ist, wie am besten in Fig. 14B gezeigt ist. Ein Deckel mit einem Licht eintrittsfenster (nicht gezeigt) wird für ein Häusen mit derselben zusammengebaut.

Die herkömmlichen Sensormodule 101, 201, die die pyroelek trische Infrarotsensorvorrichtung 1 verwenden, weisen das strenge Erfordernis auf, daß die pyroelektrische Vorrichtung derselben an sich dickenmäßig minimiert sein muß, während gleichzeitig die Charakteristika der thermischen Isolation zu maximieren sind, um die relative Erfassungsrate, die die Charakteristika der pyroelektrischen Vorrichtung anzeigt, zu verbessern. Um die Charakteristika der thermischen Isolation zu maximieren, war es erforderlich, daß der Lichteintritts abschnitt, in den ankommende Infrarotlichtstrahlen einge führt werden, in einer hohlen Form ausgebildet ist, wie in den Fig. 13A bis 13C und 14A bis 14C gezeigt ist. Zu diesem Zweck war es bei den bekannten Sensormodulen 101, 201 not wendig, die thermische Kapazität und die thermische Zeitkon stante derselben zu reduzieren oder zu minimieren, um ein verbessertes relatives Erfassungsverhältnis zu erreichen.

Anders ausgedrückt heißt das, daß bei herkömmlichen pyro elektrischen Infrarotsensormodulen 101, 201 ein Versuch durchgeführt wurde, die thermische Kapazität zu minimieren, indem zwangsweise die Dicke der Vorrichtung an sich verrin gert wurde, da die Polarisation grundsätzlich entlang der Dickenrichtung des Sensorsubstrats durchgeführt wird. Dies hat eine Abnahme der mechanischen oder physischen Festigkeit zur Folge, während gleichzeitig die Dauerhaftigkeit gegen über thermischen Stößen, die auf dasselbe ausgeübt werden, reduziert wird.

Hinsichtlich des Verhaltens kann der pyroelektrische Körper äußere Schwingungen, mechanische Stöße und thermische Stöße aufgrund einer starken Infrarotlichtbeleuchtung direkt emp fangen, was bewirkt, daß die pyroelektrische Infrarotsensor vorrichtung an sich mechanische Schwingungen empfängt, was wiederum das Auftreten von Rauschen zur Folge hat. Dies könnte das Signal/Rausch-Verhältnis (S/N-Verhältnis) redu zieren, wobei das Verhalten verschlechtert oder gesenkt wird. Kurz gesagt heißt dies, daß die mechanische und ther mische Zuverlässigkeit unerwünschterweise verschlechtert sind, wodurch es viel schwieriger wird, die pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtungen zu handhaben, da die Dicke der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung reduziert ist, was die resultierende Struktur mechanisch schwach macht.

Überdies kann die Reduzierung der Dicke von pyroelektrischen Vorrichtungen das Risiko des Auftretens von Fehlfunktionen aufgrund des piezoelektrischen Effekts des pyroelektrischen Körpers an sich erhöhen. Dies kann zu einer Reduzierung der Zuverlässigkeit führen. Daher ist es bei den bekannten pyro elektrischen Infrarotsensormodulen 101, 201 schwierig, ein exzellentes Verhalten mit einem verbesserten S/N-Verhältnis zu erhalten.

Hinsichtlich der Fertigung/Herstellung macht die mechanische oder physikalische Schwäche des pyroelektrischen Körpers an sich sowohl eine starre Unterstützung der pyroelektrischen Vorrichtung als auch das Beibehalten der Positionierungsge nauigkeit derselben während der Fertigung schwierig. Prakti scher ausgedrückt wird es schwierig, die pyroelektrische Sensorvorrichtung auf einem zugeordneten Substrat an einem bestimmten Ort desselben genau zu befestigen und mittels ei nes Haftmittels anzubringen. Dies beeinflußt ebenfalls das Verhalten.

Ein weiteres Problem, das bei den herkömmlichen Techniken angetroffen wird, besteht darin, daß spezifische thermische Isolationsschemata (Schemata des spezifischen thermischen Widerstands) erforderlich sind, um dem Lichtempfangsab schnitt eine hohle Form zu geben, wodurch es unmöglich wird, den pyroelektrischen Lichtempfangsabschnitt einfach zu bil den. Da in den meisten Fällen die Dicke des pyroelektrischen Körpers an sich entworfen ist, um beispielsweise in den Be reich von 70-100 µm zu fallen, ist ferner der resultierende Produktionsertrag gesenkt, was es extrem schwierig macht, eine derartige pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung selbst herzustellen.

Ein weiteres Problem, das bei herkömmlichen Techniken ange troffen wird, ist eine Zunahme der Herstellungskosten auf grund einer Zunahme der Anzahl von erforderlichen Teilen oder Komponenten. Spezieller ist die Anzahl von notwendigen Teilen oder Komponenten bei den Sensormodulen 101, 201 der Fig. 13A bis 14C aufgrund der Notwendigkeit, die Halter platte 102 oder 202 mit dem Hochtemperatur-Widerstandsele ment 203, das auf derselben befestigt ist, für eine Anbrin gung des Widerstandschips 103 an derselben zu verwenden, er höht.

Ein herkömmlicher Lösungsansatz, um derartige Probleme zu vermeiden, besteht darin, eine pyroelektrische Infrarotsen sorvorrichtung 5, wie sie in Fig. 15 gezeigt ist, zu verwen den. Die Sensorvorrichtung 5 weist eine Elektrodenanordnung auf, die die Polarisation des pyroelektrischen Körpers zwingt, konzentriert nur an oder in der Nähe des Infrarot lichteinfalls auf denselben aufzutreten. Diese Struktur ba siert auf der Tatsache, daß der Beitrag der Oberflächen schichten der Lichtempfangsoberfläche den größten Teil des Ausgangssignals von pyroelektrischen Infrarotsensorvorrich tungen einnimmt.

Spezieller weist die herkömmliche pyroelektrische Infrarot sensorvorrichtung 5 von Fig. 15 einen pyroelektrischen Kör per oder ein Substrat 6 einer beispielsweise rechteckigen Form auf. Auf einer Oberfläche des Substrats 6 sind zwei Elektroden 7, 8 auf eine solche Art und Weise gebildet, daß diese einander mit einem vorbestimmten Abstand D, der zwi schen denselben definiert ist, gegenüberliegen. Eine Polari sationsbehandlung wurde im voraus zwischen den zwei Elektro den 7, 8 durch das Anlegen einer Gleichspannung (DC-Span nung) an dieselben bewirkt. In diesem Fall tendiert die Po larisation dazu, hauptsächlich an naheliegenden Abschnitten der Substratoberfläche, die als die Strahlungsempfangsfläche wirkt, aufzutreten, was bewirkt, daß die Polarisationsrich tung parallel zu der Einfallsoberfläche des Infrarotlichts 9 ist. In anderen Worten heißt das, daß die Polarisationsrich tung entlang der "x"-Achsenrichtung in Fig. 15 eingestellt ist. Bei einer derartigen Anordnung ist diese herkömmliche Sensorvorrichtung 5 vorteilhaft gegenüber denen der Fig. 11 und 12 dahingehend, daß die Erstgenannte ermöglicht, daß die Polarisation des pyroelektrischen Körpers 6 konzentriert nur an oder in der Nähe der Lichtempfangsoberfläche des pyro elektrischen Substrats 6 stattfindet, was wiederum zu einer Verbesserung der relativen Erfassungsrate führt.

Ungünstigerweise wird der obige Vorteil der herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtungen 5, die in Fig. 15 gezeigt ist, nicht ohne die Begleitung schwerwiegender Probleme, die nachfolgend dargelegt werden, erreicht. Obwohl es nicht mehr notwendig ist, das pyroelektrische Substrat an sich dünner zu machen, bleiben die Fläche des Lichtempfangs abschnitts desselben ebenso wie die elektrische Kapazität (die elektrostatische Kapazität) desselben geringer, wobei nicht zu erwarten ist, daß ein ausreichender pyroelektri scher Strom erhalten wird, während eine bestimmte Begrenzung bezüglich der Verbesserung der Empfindlichkeit und der re lativen Erfassungsrate geliefert wird. Ein weiteres Problem bei den herkömmlichen Techniken besteht darin, daß die elek trische Kapazität (die elektrostatische Kapazität) kleiner bleibt, so daß Hochfrequenz-Rauschkomponenten eines weißen Rauschens unerwünscht erhöht sind.

Andererseits wurden pyroelektrische Infrarotsensorvorrich tungen, die kammförmige Elektroden verwenden, die auf pyro elektrischen Substraten plaziert sind, vorgeschlagen. Diese Art von pyroelektrischen Infrarotsensoren sind in der offen gelegten japanischen Veröffentlichung Nr. 7-198478 offen bart.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung mit kammförmigen Elektroden zu schaffen, die in der Lage ist, die oben ge nannten Probleme herkömmlicher Techniken zu verhindern.

Diese Aufgabe wird durch eine pyroelektrische Infrarotsen sorvorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung liefert eine pyroelektrische Infrarotsensor vorrichtung der oben genannten Art, die dadurch gekennzeich net ist, daß eine Elektrode auf der verbleibenden Hauptflä che des Substrats gebildet ist, wobei diese Elektrode einen Abschnitt aufweist, der der kammförmigen Elektrode gegen überliegt.

Bei der oben genannten pyroelektrischen Infrarotsensorvor richtung kann die kammförmige Elektrode drei oder mehr Elek trodenpaare aufweisen.

Bei der oben genannten pyroelektrischen Infrarotsensorvor richtung kann eine Mehrzahl der kammförmigen Elektroden auf der einen Hauptoberfläche des Substrats elektrisch verbunden sein.

Bei der oben genannten pyroelektrischen Infrarotsensorvor richtung kann die kammförmige Elektrode einen variablen Elektrodenabstand aufweisen. Der Elektrodenabstand kann in Intervallen in einer spezifischen Richtung sukzessive erhöht sein.

Bei der oben genannten pyroelektrischen Infrarotsensorvor richtung weist die kammförmige Elektrode einen Zwischenelek trodenabstand von mehr als 100 µm auf.

Da bei diesem Typ einer pyroelektrischen Infrarotsensorvor richtung das Substrat durch die kammförmigen Elektroden po larisiert wird, wird thermische oder Wärme-Energie eines einfallenden Infrarotlichts nur an der einen Hauptoberfläche des Substrats, die als die Infrarotlicht-Empfangsfläche dient, eingefangen. Folglich ist ein beabsichtigter pyro elektrischer Strom nur aufgrund eines Wärmeaustauschs an oder in der Nähe einer solchen Hauptoberfläche des Substrats erhältlich.

Da die gegenüberliegende Elektrode, die auf der verbleiben den Hauptfläche des Substrats angeordnet ist, einen bestimm ten Abschnitt aufweist, der den kammförmigen Elektroden ge genüberliegt oder dieselben überlappt, wird es ferner mög lich, die Dipolkonzentration zwischen den kammförmigen Elek troden zu verbessern, was wiederum die Polarisationsrate des Substrats erhöhen kann. Dies wurde durch Simulationsergeb nisse unter Verwendung der Finite-Elemente-Methode herausge funden. Es ist ferner möglich, durch das Erhöhen der Polari sationsrate des Substrats die elektrische Kapazität (die elektrostatische Kapazität) der Vorrichtungsstruktur als dem pyroelektrischen Infrarotsensor zu erhöhen.

Ferner kann die Verwendung der kammförmigen Elektroden die Fläche der gegenüberliegenden Elektrodenabschnitte erhöhen, wodurch sich der Stromweg erhöht, so daß der elektrische Wi derstand entsprechend abnimmt.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist eine Mehrzahl von kamm förmigen Elektrodenpaaren seriell oder parallel auf der obe ren Oberfläche des Substrats verbunden. Diese kammförmigen Elektrodenpaare sind auf eine serielle oder parallele Art und Weise verbunden und bilden eine Mehrzahl von Lichtem pfangselementen auf der Infrarotlicht-Empfangsoberfläche. Ein beliebiger, gewünschter, pyroelektrischer Strom ist aus schließlich aufgrund des Wärmeaustauschs an oder in der Nähe der einen Hauptoberfläche des Substrats, die als die Infra rotlicht-Empfangsoberfläche wirkt, erhältlich. Es ist folg lich möglich, ein Übersprechen der Empfindlichkeit zwischen benachbarten der betroffenen Lichtempfangselemente zu unter drücken oder zu beseitigen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung weist zumindest ein kammförmiges Elektrodenpaar parallele offenendige Fin gerabschnitte auf, die hinsichtlich des Intervalls oder Ab stands zwischen denselben variabel sind. Die Verwendung ei nes solchen variablen Fingerabstands bei den kammförmigen Elektroden kann gleichfalls den Energiebetrag des einfallen den Infrarotlichts, jedesmal, wenn dasselbe aufeinanderfol gende Finger jeder Elektrode kreuzt, unterschiedlich machen. Daher kann die Zeitperiode, die von dem Einfall des Infra rotlichts bis zur Ausgabe eines entsprechenden elektrischen Ausgangssignals vergeht - nämlich die Zeitkonstante-, ent sprechend zunehmen oder abnehmen.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung ist der Zwischen elektrodenabstand jeder kammförmigen Elektrode spezifisch ausgewählt, um 100 µm zu übersteigen. Mit dieser numerischen Einstellung kann die Empfindlichkeit weiter erhöht werden.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, eine pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung zu liefern, die in der Lage ist, die Empfindlichkeit und re lative Erfassungsrate zu verbessern, während gleichzeitig eine Massenproduktion bei geringen Kosten möglich ist. Spe zieller ist es durch das Verwenden der Elektrode, die einen bestimmten Abschnitt aufweist, der den kammförmigen Elektro den gegenüberliegt, möglich, die Polarisationsrate zu erhö hen, was ermöglicht, daß die elektrische Kapazität (die elektrostatische Kapazität) weiter zunimmt. Es ist folglich möglich, einen erhöhten pyroelektrischen Strom zu liefern, während das S/N-Verhältnis verbessert wird, wodurch die Emp findlichkeit und die relative Erfassungsrate verbessert wer den.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es die Fähigkeit, die Charakteristika des pyroelektrischen Infra rotsensors unabhängig von der Richtung der Substratdicke zu machen, unnötig macht, die Dicke eines pyroelektrischen Sub strats an sich zu reduzieren. Daher kann die mechanische und thermische Festigkeit erhöht sein, was die Beseitigung der Verschlechterung der elektrischen Charakteristika, die an dernfalls aufgrund derselben auftreten, ermöglicht.

Ein noch weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß die kammförmigen Elektroden, die auf der einen Hauptfläche des Substrats gebildet sind, ermöglichen, einen elektrischen Schaltungsaufbau direkt auf der Infrarotlicht-Empfangsober fläche zu erstellen, wobei ein solcher Schaltungsaufbau ein stückig mit dem Substrat ist. Ferner können gegenwärtig ver fügbare Lithographietechniken, wie sie weit verbreitet auf dem Gebiet der IC-Herstellung verwendet werden, auch als das Herstellungsverfahren solcher kammförmiger Elektroden ver wendet werden, was die Mikrofertigung jedes beabsichtigten Infrarotlicht-Empfangsabschnitts mit einer reduzierten Kom plexität ermöglicht. Überdies macht es das Vermeiden der Notwendigkeit, extra dünne pyroelektrische Substrate zu ver wenden, wie bei den herkömmlichen Techniken, überflüssig, irgendein zusätzliches Trägersubstrat für eine starre Unter stützung des pyroelektrischen Substrats zu verwenden, wäh rend gleichzeitig die Komplexität der Trägerstruktur und des thermischen Isolationsschemas für dieselbe reduziert sind.

Eine Reduzierung der Komplexität der Herstellungsmethodolo gie mit der geringeren Anzahl von erforderlichen Teilen oder Komponenten macht es wiederum möglich, eine pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung mit einer exzellenten elektrischen Zuverlässigkeit und Herstellbarkeit mit reduzierten Herstel lungskosten zu liefern.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung lautet wie folgt. Eine Mehrzahl von Lichtempfangselementen sind gebildet, die se riell oder parallel auf der Infrarotlicht-Empfangsoberfläche verbunden sind, während gleichzeitig die Erzeugung eines py roelektrischen Stroms nur auf der Basis eines Wärmeaustau sches an oder in der Nähe der einen Hauptfläche des Sub strats, die als die Infrarotlicht-Empfangsoberfläche wirkt, möglich ist; folglich kann jedes Empfindlichkeitsüberspre chen, das zwischen den Lichtempfangselementen auftreten kann, unterdrückt sein. Somit ist es durch geeignete opti sche Behandlungen, beispielsweise ein optisches Zerhacken, möglich, eindimensionale Bilder oder zweidimensionale Bilder

mit einem geringeren Übersprechen zu liefern. Dies kann wie derum die Erfassungsgenauigkeit eines Zielobjekts, das er faßt wird, verbessern.

Ein noch weiterer Vorteil besteht darin, daß, da die Zeit konstante durch die Verwendung der kammförmigen Elektroden mit dem variablen Fingerabstand länger gemacht werden kann, wenn ein erfaßtes Objekt beispielsweise ein menschlicher Körper ist, dessen langsame oder moderate Bewegungen erfolg reich mit einer erhöhten Genauigkeit erfaßt werden können.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend bezugnehmend auf die beiliegenden Zeich nungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Diagramm, das eine perspektivische Ansicht ei nes pyroelektrischen Infrarotlicht-Erfassungsele ments gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung zeigt;

Fig. 2A eine schematische Darstellung unter Verwendung ei ner Simulation der Finite-Elemente-Methode der Ver teilung eines elektrischen Feldes, wie es in einem Substrat der Infrarotsensorvorrichtung, die in Fig. 1 gezeigt ist, ohne eine gegenüberliegende Elektro de auf seiner Unterseite, erzeugt wird; und Fig. 2B ist eine schematische Darstellung der Verteilung eines elektrischen Feldes in einem Substrat unter Verwendung einer gegenüberliegenden Elektrode auf der Unterseite desselben;

Fig. 3 eine auseinandergezogene Ansicht eines pyroelektri schen Infrarotsensormoduls, das in demselben eine pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung gemäß ei nem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung auf weist;

Fig. 4 eine elektrisch äquivalente Schaltung des pyroelek trischen Infrarotsensormoduls, das in Fig. 3 ge zeigt ist;

Fig. 5A und 5B Graphen, die jeweils die Beziehung der Emp findlichkeit der Infrarotsensoren der Fig. 3 und 4 gegenüber der Fingerpaaranzahl N der kammförmigen Elektroden zeigen, wobei Fig. 5A Schwankungen der Empfindlichkeit bei Änderungen der Zwischenelektro dendistanz a und des Zwischenelektrodenabstands b, wobei die Zwischenabschnittsbreite W wertemäßig konstant gehalten ist, wohingegen 5B dasselbe zeigt, wobei W geändert wird, und A, B unverändert sind;

Fig. 6 eine auseinandergezogene Ansicht eines pyroelektri schen Infrarotsensormoduls gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;

Fig. 7 und 8 teilweise vergrößerte Draufsichten von pyro elektrischen Infrarotsensorvorrichtungen, die eben falls die Erfindung verkörpern;

Fig. 9 einen Graph, der zeigt, wie sich die Zeitkonstante mit der Zeit ändert, indem die Beziehung einer Aus gangsspannung des Sensors von Fig. 8 über der ver strichenen Zeit bei einer Bestrahlung von ankommen dem Infrarotlicht von einem erfaßten sich bewegen den Objekt gezeigt ist;

Fig. 10A bis 10C perspektivische Ansichten mehrere pyroelek trischer Infrarotsensorvorrichtungen, die ebenfalls die Erfindung verkörpern;

Fig. 11 eine perspektivische Ansicht einer herkömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung;

Fig. 12A bis 12C eine weitere herkömmliche pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung, wobei Fig. 12A eine Draufsicht derselben, Fig. 12B eine Seitenansicht derselben und Fig. 12C eine Unteransicht derselben ist;

Fig. 13 eine auseinandergezogene Ansicht eines herkömmli chen pyroelektrischen Infrarotsensormoduls, das die Sensorvorrichtung, die in Fig. 12 gezeigt ist, ver wendet;

Fig. 14A bis 14C zeigen ein weiteres herkömmliches pyroelek trisches Infrarotsensormodul, das die Sensorvor richtung, die in den Fig. 12A bis 12C gezeigt ist, verwendet, wobei 14A eine Draufsicht desselben,

Fig. 14B eine Seitenansicht desselben und Fig. 14C eine Unteransicht einer Halterplatte, die in dem selben verwendet ist, ist; und

Fig. 15 eine perspektivische Ansicht einer weiteren her kömmlichen pyroelektrischen Infrarotsensorvorrich tung.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, ist eine pyroelektrische Infra rotsensorvorrichtung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbei spiel allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Diese Sensorvorrichtung 10 umfaßt ein Substrat 12 einer rechtecki gen Form mit der Dicke t. Das Substrat 12 kann aus einem ausgewählten pyroelektrischen Material bestehen. Vorzugswei se weist dieses Material entlang der Dicke des Substrats 12 eine geringere Pyroelektrizität auf als entlang der Oberflä che desselben, um eine größere Ausgangsspannung an der Ober fläche des Substrats 12 zu liefern. Dies kann durch die Ver wendung einer pyroelektrischen Tetragonalsystem-Bleitita nat-Keramik für das Substrat 12 erreicht werden.

Ein Paar von kammförmigen Elektrodenmustern 14 ist auf der oberen Oberfläche des Substrats 12 auf eine solche Art und Weise angeordnet, daß jedes eine spezifisch ausgewählte An zahl von im wesentlichen gleich beabstandeten, parallelen,

leitfähigen, offenendigen "Finger" -Abschnitten aufweist. Spezieller ist eine kammförmige Elektrode 14 gemustert, um fünfgleich beabstandete, offenendige Finger 14a aufzuwei sen, die an einem Ende aufeinanderfolgend miteinander ver bunden sind und an dem anderen Ende nicht verbunden sind. In gleicher Weise weist die andere kammförmige Elektrode 14 fünf offenendige Finger 14b auf. Diese Elektrodenfinger 14a, 14b sind räumlich in einer interdigitalen Beziehung zuein ander angeordnet, wobei ein bestimmter Zwischenraum zwischen denselben definiert ist, wie in Fig. 1 gezeigt ist. Die kammförmigen Elektroden 14 sind von der Art, daß die Finger paaranzahl N auf fünf (5) eingestellt ist, während die Zwi schenelektrodendistanz durch a dargestellt ist, der Zwi schenelektrodenabstand b ist, und die verzahnte Breite der Elektroden W ist. Die Zwischenelektrodendistanz a, wie der Ausdruck hierin verwendet ist, kann sich auf die Distanz oder den Abstand zwischen den Fingern 14a und 14b der kamm förmigen Elektroden 14 beziehen. Der Zwischenelektrodenab stand b, wie der Ausdruck hierin verwendet ist, bezieht sich auf den Mitten-Zu-Mitten-Abstand jedes Paars eines Fingers 14a und seines benachbarten Fingers 14b, die in einer inter digitalen Beziehung zueinander angeordnet sind. Die verzahn te Elektrodenbreite W bezieht sich auf die Länge der über lappenden Abschnitte solcher interdigital angeordneter Fin ger 14a, 14b auf dem Substrat 12, wie ohne weiteres aus Fig. 1 zu sehen ist.

Das pyroelektrische Substrat 12 weist eine gegenüberliegende oder untere Oberfläche auf, auf der ganzflächig eine leitfä hige Schicht 16 als eine weitere Elektrode gebildet ist. Diese Elektrode 16 auf der unteren Oberfläche überlappt iso liert das kammförmige Elektrodenpaar 14 entlang der Dicke des pyroelektrischen Substrats 12, so daß dieselbe Abschnit te aufweist, die den kammförmigen Elektroden 14 auf der obe ren Oberfläche des Substrats gegenüberliegen, wobei das Sub strat 12 zwischen denselben angeordnet ist. Die Elektrode 16 kann als eine gegenüberliegende Elektrode wirken.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht das pyroelektrische Substrat 12 aus einer auf (Pb_xCa_1-x){(Ni_1/3Nb_2/3)_1-yTiy}O₃ basierenden pyroelektrischen Keramik. Das Substrat 12 kann eine Dicke t von 0,30 bis 0,50 mm aufweisen. Vorzugsweise bestehen die kammförmigen Elektroden 14 und die gegenüber liegende Elektrode 16 aus Metallen guter Leitfähigkeit, bei spielsweise Gold (Au), Silber (Ag) oder Aluminium (Al). Al ternativ können diese Elektroden aus einer Legierung aus Nickel (Ni), Chrom (Cr) und dergleichen bestehen. Es sei hier bemerkt, daß, um bei der Umsetzung in der Praxis die Empfindlichkeit zu erhöhen, zusätzlich ein Wärmeabsorptions film oder eine Wärmesenkenschicht (die hierin nicht gezeigt ist) auf den exponierten Oberflächen der Elektroden 14, 16 vorgesehen sein können, wenn es geeignet ist.

Bei der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 10, die in Fig. 1 gezeigt ist, dient die obere Oberfläche mit dem kammförmigen Elektrodenpaar 14, das auf derselben gebildet ist, als die strahlungsempfindliche Fläche zum Empfang von ankommenden Infrarotlichtstrahlen, wie dieselben von einem Objekt' das erfaßt wird, abgestrahlt werden. Bei dieser In frarotsensorvorrichtung 10 ermöglicht das kammförmige Elek trodenpaar 14 auf das Anlegen einer Gleichspannung zwischen den interdigital angeordneten Elektrodenfingern 14a und 14b hin, daß das darunterliegende pyroelektrische Substratmate rial in einer ausgewählten Richtung, die gleich der Richtung der Y-Achse in Fig. 1 ist, polarisiert ist. Die Polarisation kann auf eine solche Art und Weise durchgeführt werden, daß eine Gleichspannung von 2,0 bis 4,0 Kilovolt pro Millimeter (kV/mm) zwischen den Fingern 14a, 14b des kammförmigen Elek trodenpaars 14 für sechzig (60) Minuten bei Temperaturen von 100-150°C angelegt wird.

Die Fig. 2A und 2B zeigen die Ergebnisse einer experimen tellen Simulation bezüglich einer Dipolkonzentration, um zu analysieren, wie das innere elektrische Feld innerhalb des pyroelektrischen Substrats 12 von Fig. 1 erzeugt wird. Spe zieller ist Fig. 2A eine schematische Darstellung unter Ver wendung einer Finite-Elemente-Methode-Simulation der Vertei lung eines elektrischen Feldes, das in dem Fall in dem Sub strat 12 erzeugt wird, in dem die gegenüberliegende Elektro de 16, die die kammförmigen Elektroden 14 isolierend über lappt, nicht vorgesehen ist; während Fig. 2B eine schemati sche Darstellung unter Verwendung einer solchen Simulation mittels der Finite-Elemente-Methode der Verteilung eines elektrischen Feldes ist, das in dem Substrat 12 erzeugt wird, wenn die Unterseitenelektrode 16, die den kammförmigen Elektroden 14 gegenüberliegt, auf demselben angeordnet ist.

Wie für Fachleute durch das Betrachten der Fig. 2A und 2B ohne weiteres zu sehen ist, ergeben die Simulationsergebnis se die Tatsache, daß es möglich ist, durch das Bilden der unterseitigen Elektrode 16, die Abschnitte aufweist, die den kammförmigen Elektroden 14 auf der oberen Oberfläche des Substrats 12 gegenüberliegen, die Dipolkonzentration zwi schen den räumlich interdigital angeordneten Fingern 14a, 14b an einem der oberen Substratoberfläche naheliegenden Ort zu verbessern. Zu diesem Zweck ist bei der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung von Fig. 1 die gegenüberliegende Elektrode 16 auf der gesamten unteren Oberfläche des Sub strats 12 gebildet, um die Dipolkonzentration bezüglich der Finger 14a, 14b der kammförmigen Elektroden 14 zu erhöhen, während die Polarisationsrate verbessert ist.

In Fig. 3 ist eine Modulstruktur eines pyroelektrischen In frarotsensors gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet. Das Sensor modul 30 weist eine pyroelektrische Infrarotsensorvorrich tung 20 auf, die auf einer Trägerbasisplatte 32, die Stamm genannt wird, befestigt ist. Die Sensorvorrichtung 20 ist ähnlich der, die in Fig. 1 gezeigt ist, mit einer Serienkom bination von zwei kammförmigen Elektrodenpaarmustern 24, 26 auf einem pyroelektrischen Substrat 22 einer rechteckigen ebenen Form. Die Sensorvorrichtung 20 mit solchen seriell gekoppelten kammförmigen Elektrodenpaaren 24, 26 kann in be stimmten Fällen als "dualer kammförmiger Elektrodensensor" bezeichnet werden.

Spezieller weist, wie in Fig. 3 gezeigt ist, die pyroelek trische Infrarotsensorvorrichtung 20 auf der oberen Ober fläche des pyroelektrischen Substrats 22 zwei Paare von kammförmigen Elektroden 24, 26 auf, wobei jede der Elektro den 5 parallele offenendige Finger aufweist, die in einer gepaarten oder interdigitalen Beziehung zu denjenigen der denselben zugeordneten kammförmigen Elektroden auf dem Sub strat 22 angeordnet sind. Diese kammförmigen Elektrodenpaare 24, 26 sind zentral auf dem Substrat 22 angeordnet und se riell elektrisch miteinander gekoppelt. Das Substrat 22 ist durch das Paar von kammförmigen Elektrodenpaaren 24, 26 po larisiert. Das Substrat 22 weist eine gegenüberliegende oder untere Oberfläche auf, die in Fig. 3 nicht sichtbar ist, auf der vollständig eine Elektrode 28 gebildet ist, so daß die selbe Abschnitte aufweist, die den kammförmigen Elektroden paaren 24, 26 gegenüberliegen. Das Substrat 22 ist mit einem dünnen Schichtbauglied eines dielektrischen Films (nicht ge zeigt), das zwischen denselben angeordnet ist, auf dem Stamm 32 befestigt.

Wie in Fig. 3 gezeigt ist, ist ein Feldeffekttransistor (FET) 34 auf der oberen Oberfläche des pyroelektrischen Sub strats 22 angebracht, derart, daß der FET 34 in der Nähe ei nes länglichen peripheren Seitenrands des Substrats 22 ange ordnet ist, wobei ein bestimmter Abstand zwischen demselben und den kammförmigen Elektrodenpaaren 24, 26 definiert ist, wie dargestellt ist. Der Stamm 32, auf dem das Substrat 22 isoliert befestigt ist, weist eine vorbestimmte Anzahl - in diesem Fall drei - von vorstehenden, geraden, leitfähigen Anschlußstiften 36a, 36b, 36c auf, die als Anschlüsse für eine elektrische Verbindung mit einer externen Schaltung auf einer gedruckten Schaltungsplatine (PCB; PCB = printed cir cuit board), die wirksam dem Sensormodul 30 zugeordnet ist, wirken.

Der FET 34 auf dem Substrat 22 der pyroelektrischen Infra rotsensorvorrichtung 20 weist einen Gate-Anschluß auf, der elektrisch durch ein Anschlußleitungsmuster 38 mit einem er sten Satz von parallelen Fingern 26b der kammförmigen Elek trode 26 in einem Paar verbunden ist. Ein zweiter Satz von Fingern 26a dieser kammförmigen Elektrode 26 ist über eine Zwischenanschlußleitung 40 mit den ersten Fingern 24b einer kammförmigen Elektrode 24 in dem anderen Paar verbunden. Die zweiten Finger 24a der verbleibenden kammförmigen Elektrode 24 sind über eine Anschlußleitung 42 mit einer Verbindungs anschlußfläche 44, die als "Seitenelektrode" bezeichnet wird, verbunden. Diese Elektrode 44 befindet sich auf der gegenüberliegenden Seitenwand des Substrats 22, die dem FET-Befestigungsseitenrand desselben gegenüberliegt. Die Seitenelektrode 44 ist entlang der Dicke des Substrats 22 verlängert, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Der Drain-Anschluß des FET 34 ist über einen leitfähigen Bonddraht 46 mit einem Anschlußstift 36a verbunden. Der Source-Anschluß des FET 34 ist über einen Draht 48 mit einem weiteren Anschlußstift 36b verbunden. Der verbleibende Anschlußstift 36c ist als der Masseanschluß verwendet, der durch einen leitfähigen Kleber (nicht gezeigt) in einem elektrischen Kontakt mit der Sei tenelektrode 44 des Substrats 22 ist.

Wie weiterhin in Fig. 3 gezeigt ist, ist der Stamm 32 mit dem Substrat 22 auf demselben mit einem Dosengehäuse 50 zu sammengebaut, das einen umgebungsmäßig abgedichteten inneren Raum liefert, in den die pyroelektrische Sensorvorrichtung 20 gehäust ist. Das Dosengehäuse 50 kann eine hutartige Form aufweisen, wie gezeigt ist. Das Dosengehäuse 50 weist eine kreisförmige obere Oberfläche oder "Decke" auf, in der zen tral eine rechteckige Öffnung 50a als ein Strahlungsein trittsfenster definiert ist. Ein optisches Filter 52 ist starr an der inneren Oberfläche der Dosendecke angebracht, um die Öffnung 50a abzudecken, wodurch es möglich ist, daß ankommende Infrarotlichtstrahlen durch das optische Filter 52 eintreten, um auf die darunterliegende pyroelektrische Sensorvorrichtung 20 zu treffen, die nach dem Zusammenbau in einem Gehäuse, das durch das Dosengehäuse 50 und den Stamm 32 gebildet ist, abgedichtet ist. Das optische Filter 52 kann beispielsweise ein 5 Mikrometer-Einschnitt-Langwegfil ter (cut-on long-path filter) sein.

Die pyroelektrische Infrarotsensoranordnung oder der Bau stein 30 von Fig. 3 weist die in Fig. 4 gezeigte äquivalente elektrische Schaltung auf. Wenn Infrarotlichtstrahlen ein fallen, die von einem Objekt, das erfaßt wird, abgestrahlt werden können, beispielsweise einem sich bewegenden mensch lichen Zielkörper, wird thermische oder Wärme-Energie auf die strahlungsempfindliche Oberfläche - d. h. die obere Ober fläche des Substrats 22 mit der Serienkombination von kamm förmigen Elektrodenpaaren 24, 26, die auf derselben gebildet sind - der eingebauten gehäusten pyroelektrischen Sensorvor richtung 20 gegeben. Wenn dies geschieht, erzeugt die Sen sorvorrichtung 20 einen entsprechenden pyroelektrischen Strombetrag. Dieser erzeugte pyroelektrische Strom ist als eine Spannung erhältlich, indem derselbe durch einen Synthe sewiderstand eines mit dem FET-Gate-Anschluß gekoppelten Wi derstands und einen inhärenten Widerstand der pyroelektri schen Infrarotsensorvorrichtung 20 geleitet wird. Die resul tierende Spannung wird dann in die Gate-Elektrode (G) des FET 34 eingegeben. Zu diesem Zeitpunkt ist eine Vorspan nungsspannung an die Drain-Elektrode (D) des FET 34 ange legt, wohingegen die Source-Elektrode (S) des FET 34 mit Masse gekoppelt ist. Der pyroelektrische Strom, der von der Infrarotsensorvorrichtung 20 abgeleitet wird, wird durch die Sensorvorrichtung 20, den Widerstand Rg und den FET Impe danz-gewandelt und dann an dem Ausgangsanschlußstift 36b als ein Erfassungsspannungssignal erzeugt.

Die Graphen, die in den Fig. 5A und 5B gezeigt sind, zeigen experimentell, daß das pyroelektrische Infrarotsensormodul 30 von Fig. 3 eine erhöhte Empfindlichkeit aufweist. Spe zieller wurden die Experimente unter Verwendung mehrerer Ab messungsparameter des Sensormoduls 30 durchgeführt, ein schließlich der Fingerpaaranzahl N der kammförmigen Elektro denpaare, des Verhältnisses k des Fingerzwischenraums a zu dem Fingerabstand b gemäß k = a/b und der verzahnten Finger breite W, wobei dieselben wertemäßig auf die folgende Art und Weise variiert wurden. Der Graph von Fig. 5A zeigt die Beziehung der resultierenden Empfindlichkeit über der Fin gerpaaranzahl, wobei das Fingerzwischenraum-Zu-Abstand-Ver hältnis k wertemäßig von 0,5 über 0,6 zu 0,7 geändert wurde und wobei die Verzahnungsbreite W konstant auf 1,0 mm gehal ten wurde. Der Graph von Fig. 5B zeigt Schwankungen der Emp findlichkeit, wenn die Verzahnungsbreite W zwischen 0,6 mm und 1,0 mm geändert wurde, wobei der Wert von k fest auf 0,5 war. Wie ohne weiteres aus diesen experimentellen Ergebnis sen zu sehen ist, wurde herausgefunden, daß das pyroelektri sche Infrarotsensormodul 30 von Fig. 5 eine gute Empfind lichkeit zeigt, speziell wenn N größer oder gleich drei (3) ist und gleichzeitig a einen Wert von mehr als 100 µm an nimmt.

Ein signifikanter Vorteil dieses pyroelektrischen Infrarot sensormoduls 30 besteht darin, daß es, da die kammförmigen Elektrodenpaare 24, 26, die zum Ermöglichen einer Polarisa tion in dem pyroelektrischen Substrat 22 auf der Oberfläche des Substrats 22 gebildet sind, als die Infrarotlicht-Em pfangsfläche dienen, möglich wird, thermische Energie des Infrarotlichts nur an oder in der Nähe der oberen Oberfläche des Substrats 22 einzufangen. Aus diesem Grund kann das Sen sormodul 30 als ein pyroelektrischer Infrarotsensor wirken, der nicht länger von der Dickenrichtung des pyroelektrischen Körpers desselben abhängt, im Unterschied zum Stand der Technik, der im Einführungsteil der Beschreibung erläutert wurde.

Ein weiterer Vorteil des Sensormoduls 30 dieses Ausführungs beispiels liegt in der Fähigkeit aufgrund des Vorliegens der gegenüberliegenden Elektrode 28, die Abschnitte aufweist, die den kammförmigen Elektrodenpaaren 24 und 26 gegenüber liegen, eine Dipolkonzentration zwischen den Fingern 24a und 24b des kammförmigen Elektrodenpaars 24 ebenso wie zwischen den Elektrodenfingern 26a und 26b des kammförmigen Elektro denpaars 26 zu erhalten. Dies wiederum macht es möglich, die Polarisationsrate der kammförmigen Elektrodenpaare 24, 26 zu erhöhen. Überdies ist es ferner möglich, die elektrische Ka pazität (die elektrostatische Kapazität) zwischen den kamm förmigen Elektrodenpaaren 24, 26 und der gegenüberliegenden Elektrode 28 zu erhöhen. Folglich ist ein ausreichender py roelektrischer Strom erhältlich, während gleichzeitig das S/N-Verhältnis ausgezeichnet ist. Somit ist mit dem pyro elektrischen Infrarotsensormodul 30 gemäß diesem Ausfüh rungsbeispiel eine weiter verbesserte Empfindlichkeit zu er warten.

Ein noch weiterer Vorteil des Ausführungsbeispiels 30 be steht darin, daß, da die gegenüberliegende Elektrode 28, die Abschnitte aufweist, die die kammförmigen Elektrodenpaare 24, 26 isoliert überlappen, auf der unteren Oberfläche des Substrats 22 vorgesehen ist, der elektrische Widerstand der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 20 weiter als ein Ganzes verringert sein kann. Somit wird es möglich, die Ver wendung eines äußeren Widerstands, der zwischen dem Gate-An schluß (G) des FET 34 und Masse (GND) vorgesehen werden muß, zu beseitigen. Es sei hierbei bemerkt, daß der Widerstand Rg in dem elektrisch äquivalenten Schaltungsdiagramm von Fig. 4 nur eine symbolische Darstellung des inhärenten Widerstands der pyroelektrischen Infrarotsensorvorrichtung 20 und kein diskretes Element, das getrennt mit derselben gekoppelt ist, ist.

Noch ein weiterer Vorteil des Moduls 30 besteht darin, daß die in demselben verwendete pyroelektrische Infrarotsensor vorrichtung 20 wirkungsmäßig nicht von der Dicke des pyro elektrischen Substrats 22 abhängt; daher ist es nicht mehr notwendig, das Substrat 22 dickenmäßig stark zu reduzieren. Folglich können die mechanische und die thermische Festig keit erhöht sein, wodurch jede mögliche Verschlechterung der elektrischen Charakteristika, die andernfalls aufgrund einer Abnahme der Substratdicke auftritt, beseitigt oder zumindest stark unterdrückt ist.

Ein Vorteil der Infrarotsensorvorrichtung 20 besteht darin, daß die kammförmigen Elektrodenpaaren 24, 26 auf der Ober fläche des pyroelektrischen Substrats 22 vorgesehen sind, die als die Infrarotlicht-Empfangsfläche wirkt, wodurch es möglich wird, eine elektrische Schaltung einstückig mit dem Substrat 22 auf der Infrarotlicht-Empfangsoberfläche dessel ben zu bilden. Da alle gegenwärtig verfügbaren Lithographie techniken, die auf dem Gebiet der IC-Fertigung weit verbrei tet verwendet werden, direkt ohne beliebige Modifikationen als die Herstellungsmethodologie der kammförmigen Elektro denpaare 24, 26 verwendet werden können, ist es ferner mög lich, den Infrarotlicht-Empfangsabschnitt mit einer redu zierten Komplexität einfach herzustellen. Darüberhinaus ist eine Trägerplatte für das pyroelektrische Substrat nicht mehr erforderlich, während es gleichzeitig unnötig ist, eine Vielzahl von komplizierten Unterstützungsverfahrensarten zur Unterstützung eines solchen pyroelektrischen Substrats eben so wie beliebige zusätzliche thermische Isolationsschemata durchzuführen.

Folglich machen es bei der pyroelektrischen Infrarotsensor vorrichtung 20 die Reduzierung der Herstellungskomplexität und der Teileanzahl möglich, die elektrische Zuverlässigkeit und die Herstellbarkeit mit reduzierten Produktionskosten zu erhöhen.

Ein pyroelektrisches Infrarotsensormodul gemäß einem weite ren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 6 gezeigt. Dieses Modul ist in der Darstellung mit dem Bezugszeichen 60 bezeichnet. Während das vorherige Sensormodul 30 von Fig. 3 von dem hermetisch abgedichteten Typ ist, weist das Modul 60, das in Fig. 6 gezeigt ist, die Struktur eines Oberflä chenbefestigungskomponententyps auf. In Fig. 6 sind gleiche Teile oder Komponenten zu Zwecken der Erklärung durch glei che Bezugszeichen bezeichnet.

Prinzipiell ist das pyroelektrische Infrarotsensormodul 60 von Fig. 6 ähnlich dem, das in Fig. 3 gezeigt ist, wobei das Dosengehäuse 50 formmäßig modifiziert ist, und ferner die Anschlußstifte 36a bis 36c beseitigt sind, und wobei über dies der FET 34 bezüglich des elektrischen Verbindungssche mas, das sich auf den Source-, den Drain- und den Gate-An schluß desselben bezieht, modifiziert ist. Wie dargestellt ist, ähnelt das Dosengehäuse 50 in seinem äußeren Erschei nungsbild einer dünnen rechteckigen Kiste, und nicht dem Hut, der in Fig. 3 gezeigt ist. Der Drain-, Source- und Gate-Anschluß des FET 34 sind jeweils mit äußeren Elektro denanschlußflächen verbunden, die an spezifischen Orten auf dem pyroelektrischen Substrat 22 verteilt sind, wie detail liert nachfolgend beschrieben wird.

Weiterhin bezugnehmend auf Fig. 6 weist das rechteckige py roelektrische Substrat 30 drei Elektrodenanschlußflächen 45, 47, 49 auf. Die Anschlußflächen 47, 49 dienen zur elektri schen Verbindung mit dem FET 34, der auf dem Substrat 20 befestigt ist, und sind entlang eines der longitudinalen ge genüberliegenden Seitenränder des Substrats 20 gebildet, wo bei ein bestimmter Abstand zwischen denselben definiert ist. Diese Anschlußflächen 47, 49 sind durch Anschlußleitungs drähte 46, 48 mit dem Drain- und dem Source-Anschluß des FET 34 elektrisch verbunden. Die Anschlußfläche 47 dient als ein Eingangsanschluß, wohingegen die Anschlußfläche 49 als ein Ausgangsanschluß wirkt. Die verbleibende Anschlußfläche 45 ist an dem anderen longitudinalen Substratseitenrand gebil det, derart, daß dieselbe der Anschlußfläche 49 über die Breite des Substrats 22 gegenüberliegt. Die Anschlußfläche 45 erstreckt sich ferner auf einen entsprechenden Abschnitt der Seitenwand des Substrats 22 wie dargestellt ist. Die An schlußfläche 45 wirkt als der Masseanschluß. Diese Anschluß fläche ist durch eine Reihenschaltung von zwei kammförmigen Elektrodenpaaren 24, 26 mit dem Gate-Anschluß des FET 34 elektrisch gekoppelt. Speziell ist die Masseanschlußfläche 45 über ein Anschlußleitungsmuster 42 auf der Oberfläche mit ersten Fingern 24a eines kammförmigen Elektrodenpaars 24 verbunden, das zweite Finger 24b aufweist, die mittels einer Zwischenanschlußleitung 40 auf der Oberfläche mit den ersten Fingern 26a des anderen kammförmigen Elektrodenpaars 26 ver bunden sind. Die zweiten Finger 26b desselben sind über ein Anschlußleitungsmuster 38 auf der Oberfläche mit dem Gate- Anschluß des FET 34 elektrisch gekoppelt.

In Fig. 7 ist ein Hauptteil einer pyroelektrischen Infrarot sensorvorrichtung 70 gemäß noch einem weiteren Ausführungs beispiel der Erfindung gezeigt. Die Infrarotsensorvorrich tung 70 ist ähnlich der Vorrichtung 20, die in Fig. 3 ge zeigt ist, wobei die kammförmigen Elektrodenpaare 24, 26 durch ein Array von Reihen kammförmiger Elektrodenpaare 74 ersetzt sind. Spezieller ist eine Mehrzahl von Reihenschal tungen von kammförmigen Elektrodenpaaren 74 in einer seriel len oder parallelen Form auf der Lichtempfangsoberfläche ei nes pyroelektrischen Substrats 72 vorgesehen. Jedes kammför mige Elektrodenpaar 74 in jeder Reihe besteht aus zwei leit fähigen, kammförmigen Elektrodenmustern 74a, 74b, die je weils eine ausgewählte Anzahl - drei oder größer - von pa rallelen offenendigen Fingern aufweisen. Die kammförmige Elektrode 74a weist vier Finger, einschließlich ihrer äußer sten, auf, wohingegen die Elektrode 74b drei Finger auf weist, von denen jeder zwischen einem Paar von aufeinander folgenden Fingern der derselben zugeordneten kammförmigen Elektrode 74a positioniert ist. Das Substrat 72 weist eine gleichartige Elektrode auf der unteren Oberfläche (in Fig. 7 nicht sichtbar) auf, die Abschnitte aufweist, die dem Array von seriellen/parallelen kammförmigen Elektrodenpaaren 74 gegenüberliegen.

Da bei einer solchen Anordnung eine erhöhte Anzahl von se riell gekoppelten kammförmigen Elektrodenpaaren 74 in pa rallelen Reihen auf der Infrarotlicht-Empfangsoberfläche des Substrats 72 gruppiert sind, während jedes Paar als strah lungsempfindliches Element wirken kann, ist ein beliebiger beabsichtigter pyroelektrischer Strom als Reaktion auf eine Strahlung von ankommenden Infrarotlichtstrahlen ausschließ lich aufgrund der thermischen Umwandlung an oder in der Nähe dieser Substratoberfläche erhältlich. Dies kann vorteilhaft dazu dienen, das Auftreten eines Übersprechens zwischen be nachbarten der kammförmigen Elektrodenpaare 74 zu minimieren oder zumindest stark zu reduzieren. Folglich wird es mög lich, die Erfassungsgenauigkeit zu maximieren oder zumindest stark zu verbessern, während gleichzeitig eine erfolgreiche Erfassung eindimensionaler oder zweidimensionaler Bilder durch das Durchführen optischer Zerhackprozeduren mit einem geringen oder fehlenden Übersprechen möglich ist.

Das Array von mehreren kammförmigen Elektrodenpaarreihen 74, das in Fig. 7 gezeigt ist, ist derart modifizierbar, daß al le der ersten Finger 74a derselben miteinander verbunden sind, während bewirkt ist, daß die zweiten Finger 74b der selben in Zeilen und Spalten von Blöcken unterteilt sind, von denen jeder gemeinsam gekoppelte zweite Finger aufweist. Diese Anordnung macht es möglich, die Bewegung eines Ob jekts, das erfaßt wird, genauer zu erfassen.

Eine pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 80, die eben falls die Erfindung verkörpert, ist in Fig. 8 gezeigt. Wie gezeigt ist, ist die Infrarotsensorvorrichtung 80 ähnlich der Vorrichtung 10 von Fig. 1, wobei die Elektrodenfinger 14a, 14b durch Finger 84a, 84b ersetzt sind, die einen ver änderlichen Abstand oder ein veränderliches Intervall zwi schen benachbarten Fingern aufweisen - d. h. einen Fingerab stand b. Spezieller weist die Sensorvorrichtung 80 ein pyro elektrisches Substrat 82 auf, das ein Paar von kammförmigen Elektroden 84 aufweist. Jede Elektrode weist eine vorausge wählte Anzahl - drei oder mehr - von parallelen offenendigen Fingern 84a oder 84b auf, die nacheinander an einem Ende miteinander gekoppelt sind. Die Elektrodenfinger 84a und 84b sind in einer räumlich interdigitalen Beziehung zueinander angeordnet, wie in Fig. 8 gezeigt ist. Diese Finger sind be züglich des Abstands b unterschiedlich oder "veränderlich" auf eine solche Weise, daß die Abstandswerte b1, b2, b3, b4,. . ., sequentiell entlang der Länge des Substrats 82, wie durch die Richtung X in Fig. 8 definiert ist, erhöht sind.

Eine derartige sequentielle Zunahme des Abstandswerts b be wirkt, daß der Zwischenraum, der zwischen einem Finger 84b und seinem zugeordneten Paar von Fingern 84a definiert ist, allmählich in der Richtung X zunimmt. Das Substrat 82 weist eine gleichartige Elektrode auf der unteren Oberfläche (in Fig. 8 nicht sichtbar) auf, die Abschnitte aufweist, die den kammförmigen Elektroden 84 gegenüberliegen.

Wenn sich der Elektrodenfingerabstand b ändert, kann sich die Ausgangsspannung der Infrarotsensorvorrichtung 80 mit der Zeit ändern, wie in Fig. 9 gezeigt ist, was Schwankungen der Zeitkonstante - dieser Faktor kann einer maximalen Ab weichung oder Differenz zwischen einer Zeitänderung von ein fallenden Infrarotlichtstrahlen und der tatsächlichen Ausga be eines elektrischen Ausgangssignals ansprechend auf die selben entsprechen - bei der Bestrahlung von Infrarotlicht auf die obere Oberfläche des Substrats 82, auf der das kamm förmige Elektrodenpaar 84 gebildet ist, zeigt. Spezieller sei angenommen, daß ein Infrarotlicht, das von einem Zielob jekt, beispielsweise einem menschlichen Körper, abgestrahlt wird, auf die Substratoberfläche der Sensorvorrichtung 80 einfällt. Man stelle sich vor, daß sich das Objekt bewegt. Es sei berücksichtigt, daß, wenn sich das Objekt bewegt, ein Punkt oder Strahl des einfallenden Infrarotlichts, das das Sensorsubstrat 82 trifft, sich entlang der Richtung X be wegt. In diesem Fall unterscheidet sich die resultierende Energie des Infrarotlichts jedesmal mengenmäßig, wenn das selbe über ein jeweiliges Paar von interdigital angeordneten Fingern 84a, 84b der kammförmigen Elektroden 84 läuft. Wie für Fachleute durch eine vergleichende Betrachtung der Fig. 8 und 9 ohne weiteres zu sehen ist, heißt das in anderen Worten, daß sich, wenn ein Strahlpunkt eines auf das Sub strat 82 einfallenden Infrarotlichts sich entlang der Länge des Substrats 82 in der Richtung X bewegt, die in demselben erzeugte resultierende thermische Energie intensitätsmäßig jedesmal unterscheidet, wenn der Punkt einen jeweiligen der Elektrodenfinger 84 des variablen Abstands kreuzt, wodurch bewirkt wird, daß sich der Signalverlauf der entsprechenden Sensorausgangsspannung ändert. Eine solche Ausgangsspan nungsänderung kann bewirken, daß sich die Zeitkonstante - nämlich die Zeit, die vom Einfall des Infrarotlichts bis zur Ausgabe eines elektrischen Ausgangssignals ansprechend auf dasselbe vergeht - entsprechend erhöht, wie durch den Graph von Fig. 9 gut gezeigt ist. Es ist somit möglich, daß der Sensor 80 speziell in Niederfrequenzbändern eine erhöhte Em pfindlichkeit bietet. Dies kann wiederum das Erreichen einer maximierten Erfaßbarkeit bezüglich einer langsamen oder mo deraten Bewegung eines Objekts, das erfaßt wird, ermögli chen, beispielsweise in Fällen der Erfassung von Personen, die langsam gehen.

Einige weitere Ausführungsbeispiele oder Modifikationen, die ebenfalls die Grundsätze der Erfindung verkörpern, sind in den Fig. 10A bis 10C gezeigt. Diese Infrarotsensorvorrich tungen weisen sich durch die Verwendung von dreidimensiona len Strukturen (3D-Strukturen) aus, wie detailliert nachfol gend beschrieben wird.

Eine pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 90A, die in Fig. 10A gezeigt ist, umfaßt eine kubische Trägerbasisstruk tur 92a, die eine obere und eine untere quadratische Ebene ebenso wie vier Seitenwände aufweist, auf denen mit Ausnahme der Unterseite zentral mittels eines Klebstoffes pyroelek trische Sensorsubstrate 94A befestigt sind. Die kubische Ba sis 92a kann aus isolierenden Materialien bestehen. Jedes Sensorsubstrat 94 weist beispielsweise eine Struktur und Funktion auf, die gleichartig den in Fig. 1 gezeigten sind. Bei einer solchen 3D-Sensorstruktur ist durch die Verwendung einer einzelnen Vorrichtung eine multidirektionale Erfassung möglich. Beispielsweise kann die exakte Bewegungsrichtung eines Objekts exakt erfaßt werden, während die Komplexität reduziert ist.

Eine pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 90B, die in Fig. 10B gezeigt ist, umfaßt eine dreieckige pyramidenförmi ge Trägerbasisstruktur 92B mit drei geneigten Seitenwänden, auf denen jeweils zentriert Sensorsubstrate 94b plaziert sind. Bei einer solchen Anordnung sind gleichartige Vorteile erreichbar.

Eine pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung 90C, die in Fig. 10C gezeigt ist, weist eine säulenförmige Trägerbasis struktur 92c mit einer Umfangsseitenoberfläche auf, auf der beabstandete Sensorsubstrate 94c entlang der Achse derselben angebracht sind. Bei einer derartigen Anordnung sind eben falls gleichartige Vorteile erreichbar.

Bei jeder der Vorrichtungen 90A bis 90C können die Trägerba sisstrukturen 92a bis 92c alternativ aus einem ausgewählten pyroelektrischen Material bestehen, auf dem die erforderli chen kammförmigen Elektrodenpaare direkt gebildet sind. Of fensichtlich können diese Basisstrukturen auch eine belie bige andere Erscheinungsform aufweisen, beispielsweise rechteckige Festkörper, Pyramiden, kreisförmige Kegel und dergleichen.

Claims

1. Pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung (10; 70; 80) mit folgenden Merkmalen:
einem Substrat (12; 72; 82) aus einem pyroelektrischen Material mit einer Hauptfläche und einer verbleibenden Hauptfläche, wobei die eine Hauptfläche Infrarotlicht strahlen empfängt, und
einer kammförmigen Elektrode (14; 74; 84) auf der einen Hauptfläche des Substrats, wobei das Substrat (12; 72; 82) durch die kammförmige Elektrode (14; 74; 84) pola risiert ist, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Elektrode (16) auf der verbleibenden Hauptflä che des Substrats (12; 72; 82) gebildet ist, und daß die Elektrode (16) einen Abschnitt aufweist, der der kammförmigen Elektrode (14; 74; 84) gegenüberliegt.

2. Pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung (10; 70; 80) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kammförmige Elektrode (14) drei oder mehr Elek trodenpaare (14a, 14b) aufweist.

3. Pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung (70) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von kammförmigen Elektroden (74) auf der einen Hauptoberfläche des Substrats (72) elektrisch verbunden sind.

4. Pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung (80) gemäß Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die kammförmige Elektrode (84) einen variablen Elektrodenabstand (b1, b2, b3, b4) aufweist.

5. Pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung (80) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß der Elektrodenabstand (b1, b2, b3, b4) intervall mäßig in einer spezifizierten Richtung sukzessive zu nimmt.

6. Pyroelektrische Infrarotsensorvorrichtung (10, 70; 80) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß die kammförmige Elektrode (14) eine Zwischenelek trodendistanz (a) von mehr als 100 µm aufweist.