JP2000266597A

JP2000266597A - 赤外線検出器

Info

Publication number: JP2000266597A
Application number: JP11070091A
Authority: JP
Inventors: Yukihiko Shirakawa; 幸彦白川
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1999-03-16
Filing date: 1999-03-16
Publication date: 2000-09-29

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、同一の抵抗温度特性を有する４つ
の感熱抵抗素子と演算増幅器を接続して赤外線検出回路
を構成することにより、高精度、高感度であり、簡単な
回路構成が実現可能な赤外線検出器を提供する。【解決手段】赤外線検出器は、同一の抵抗温度特性を
有する感熱抵抗素子で構成される抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ
３、Ｒ４および演算増幅器２で構成される赤外線検出回
路１を備え、抵抗Ｒ１、Ｒ４の一端にはバイアス電圧Ｖ
ｂの印加端子が共通して接続される。抵抗Ｒ４の他端に
直列に接続される抵抗Ｒ３は抵抗Ｒ４の他端との接続点
が演算増幅器２の反転入力端子に接続され、その他端は
演算増幅器２の出力端子に接続される。抵抗Ｒ２の一端
は抵抗Ｒ１の他端に直列に接続され、抵抗Ｒ１の他端と
の接続点が演算増幅器２の非反転入力端子に接続され
る。抵抗Ｒ２の他端には抵抗Ｒ５および可変抵抗ＶＲ１
で固定電位Ｖｘが設定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、感熱抵抗素子を用
いた熱型の赤外線検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】入射した赤外線を熱に変換し、その熱を
検出することによって間接的に赤外線を検知する熱型の
赤外線検出器は、電磁波である赤外線を量子効果により
直接的に検出する半導体赤外線検出器と比較して冷却処
理が不要であることから、低コストのセンサとして広く
用いられている。

【０００３】このような熱型の赤外線検出器としては、
焦電センサ、サーモパイル、ボロメータなどが多く用い
られている。このような赤外線検出器の中で、感熱抵抗
素子を用いたボロメータ、特にサーミスタを用いたサー
ミスタボロメータは、他の熱型の赤外線検出器と比較し
て、直流出力が可能であるために機械的なチョッパが不
要であり、かつ高感度であるため、非接触の温度計測な
どに適した検出器である。

【０００４】このようなサーミスタボロメータにおいて
は、例えば特許公開番号９−１５０４２に記載されてい
るように、通常、熱容量が小さくて赤外線に敏感なサー
ミスタによってホイートストンブリッジ回路を構成し、
このホイートストンブリッジ回路の１つまたは対角に配
置されている２つのサーミスタに対して赤外線を選択的
に照射し、ホイートストンブリッジ回路の出力を差動増
幅器により検出していた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような従
来のサーミスタボロメータにおいては次のような問題が
あった。

【０００６】まず、感熱抵抗素子を用いたボロメータに
おいては、感熱抵抗素子にバイアス電圧を印加する必要
があるが、ここで、バイアス電圧をＶｂ（Ｖ）、感熱抵
抗素子の抵抗値をＲ（Ω）とすると、感熱抵抗素子には
Ｖｂ^２／Ｒ（Ｗ）の自己発熱が生じる。

【０００７】なお、感熱抵抗素子は、赤外線に対して敏
感に応答するように周囲に対して熱抵抗を大きくする必
要があるが、感熱抵抗素子の自己発熱量が大きい場合に
は、この自己発熱により感熱抵抗素子の自己温度が上昇
してしまう。

【０００８】例えば、通常、マイクロマシーニングの手
法により形成されるマイクロエアブリッジ構造を用いた
熱絶縁構造の感熱抵抗素子においては、その熱抵抗の値
は、使用する材料の物性値やその形状にも依存するが、
一般的に、５０００〜５００００（Ｋ／Ｗ）の範囲内で
ある。また、例えば、１０（Ｖ）のバイアス電圧を用い
た場合において感熱抵抗素子の自己発熱により生じる上
昇温度は、感熱抵抗素子の抵抗値が１００（ｋΩ）の場
合には５〜５０（゜Ｃ）の範囲内、１（ＭΩ）の場合に
は０．５〜５（゜Ｃ）の範囲内、１０（ＭΩ）の場合に
は０．０５〜０．５（゜Ｃ）の範囲内となる。

【０００９】ここで、熱型の赤外線検出器の出力は、感
熱抵抗素子の温度をＴｏ（Ｋ）、検出対象である赤外線
の温度をＴｘ（ｋ）とすれば、（Ｔｘ^４−Ｔｏ^４）に比
例する。しかし、通常、感熱抵抗素子の温度を直接測定
することは難しいため、感熱抵抗素子の温度をボロメー
タ本体の温度で代用している。そのため、感熱抵抗素子
の温度がその自己発熱により上昇すると、温度測定の誤
差の原因になる。

【００１０】また、ボロメータは熱型検出素子であるた
め、検出対象である赤外線に起因する感熱抵抗素子の温
度の上昇と感熱抵抗素子自体の自己発熱に起因する自己
温度の上昇を区別することができない。そのため、感熱
抵抗素子の自己発熱が大きいと、赤外線の検出が困難と
なる。

【００１１】従って、この自己発熱量を減少させるため
には、ボロメータに用いられる感熱抵抗素子の抵抗値を
ＭΩオーダの極めて高い値にする必要がある。しかし、
このように高い抵抗値を有する感熱抵抗素子を用いてホ
イートストンブリッジ回路を構成した場合には、ボロメ
ータの出力インピーダンスは極めて高くなり、外部から
の電磁誘導などによるノイズに対して非常に影響を受け
やすい。そのため、信号配線には細心に注意を払う必要
があり、赤外線検出器としての実用性が著しく低下して
いた。

【００１２】このようなことから、感熱抵抗素子の抵抗
値を余り高くすることは難しく、実用上では数ＭΩ程度
がその上限値となっていた。

【００１３】さらに、従来のボロメータにおいては、信
号検出回路の構成が複雑となっていた。

【００１４】すなわち、従来のボロメータは、その出力
をホイートストンブリッジ回路の出力としている。従っ
て、その出力は差動出力であり、かつ高出力インピーダ
ンスとなっている。このため、ボロメータの出力を検出
する信号検出回路としては、高入力インピーダンスの差
動増幅回路（または差動インピーダンス変換回路）を用
いる必要がある。

【００１５】また、このようなホイートストンブリッジ
回路型のボロメータの場合には、ホイートストンブリッ
ジ回路を構成する感熱抵抗素子の抵抗値の理想値からの
ずれにより、赤外線が入射しない状態においてオフセッ
ト電圧が発生する。従って、このオフセット電圧を調整
する調整回路も別途設ける必要になる。

【００１６】ここで、従来のホイートストンブリッジ回
路型のボロメータの構成について具体的に説明する。図
１は従来のホイートストンブリッジ回路型のボロメータ
の電気的等価回路を示す図である。図１において、ボロ
メータ部２０の抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１３、Ｒ１４と
しては、通常、それぞれ同一の抵抗温度特性を有する感
熱抵抗素子が用いられ、バイアス電圧Ｖｂが印加されて
おり、これによりホイートストンブリッジ回路を構成し
ている。

【００１７】なお、各感熱抵抗素子は、上述したよう
に、自己発熱による温度測定誤差を避けるために、高抵
抗値を有することが望ましい。しかし、この場合には、
出力インピーダンスが大きくなりすぎるため、通常で
は、最大でも数ＭΩ程度の抵抗値が選択されている。

【００１８】ホイートストンブリッジ回路を用いた場合
には、そのブリッジ出力は差動出力となる。すなわち、
図１に示すように、電圧Ｖｏ１、Ｖｏ２の差分電圧がブ
リッジ出力となる。ここで、抵抗Ｒ１１、Ｒ１２、Ｒ１
３、Ｒ１４は同一温度で同一抵抗値Ｒを有するとし、抵
抗Ｒ１１に対して赤外線が照射され、これにより抵抗Ｒ
１１が選択的に温度上昇して抵抗値がαＲに変化したと
すれば、ブリッジ出力Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｖｏ１−Ｖｏ２＝αＶｂ／４（１）となる。

【００１９】また、抵抗Ｒ１１とＲ１３、または抵抗Ｒ
１２とＲ１４のいずれか一方の組合せに対して赤外線が
照射され、これにより選択的に温度上昇が生じて抵抗値
がαＲに変化したとすれば、ブリッジ出力Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｖｏ１−Ｖｏ２＝αＶｂ／２（２）となる。

【００２０】さらに、ホイートストンブリッジ回路を用
いた場合、その出力インピーダンスはホイートストンブ
リッジ回路を構成する抵抗となるため、出力インピーダ
ンスは最大で数ＭΩと極めて高い抵抗値となってしま
う。

【００２１】このため、上述したように、従来のボロメ
ータは外部からの誘導ノイズに影響を受けやすくなる。
従って、ボロメータ部２０に接続するための配線として
は、シールド線結線２１のような対ノイズ性の高い高コ
ストな配線を使用する必要がある。なお、ボロメータ部
２０を構成するホイートストンブリッジ回路は、そのブ
リッジ出力が差動出力であり、かつ高出力インピーダン
スであるため、そのブリッジ出力をそのまま信号処理回
路に接続することができない。

【００２２】このようなことから、ブリッジ出力は高入
力インピーダンスの差動増幅回器（または差動インピー
ダンス変換回路）２２に一旦接続される。さらに、ホイ
ートストンブリッジ回路を構成する抵抗Ｒ１１、Ｒ１
２、Ｒ１３、Ｒ１４の抵抗値の理想値からのずれから生
じるオフセット電圧を調整するためのオフセット電圧調
整回路２３を設ける。これにより、オフセット電圧調整
回路２３の出力Ｖｏｕｔが信号処理回路に接続されるこ
とになる。

【００２３】なお、差動増幅回路２２およびオフセット
電圧調整回路２３によって構成される信号検出回路は、
通常のモノリシックＯＰアンプ（オペアンプ、演算増幅
器）を用いた場合においても、最低で３個のＯＰアンプ
と６個の固定抵抗によって構成する必要がある。従っ
て、部品点数が多く、回路構成が複雑となり、また調整
が煩雑で、高コストとなっていた。

【００２４】以上のように、従来のホイートストンブリ
ッジ回路型のボロメータによって構成される赤外線検出
器は、感熱抵抗素子の自己発熱による温度測定の誤差が
大きく、また出力インピーダンスが高いためにノイズの
影響を受けやすく、さらに高入力インピーダンス差動出
力の信号検出回路の構成が複雑となるなどの問題があ
る。

【００２５】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、本発明の目的は、同一温度で同一の高い抵抗値を
有する４つの感熱抵抗素子と演算増幅器を接続して赤外
線検出回路を構成することにより、高精度、高感度であ
り、簡単な回路構成が実現可能な赤外線検出器を提供す
ることにある。

【００２６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１に記載の発明の赤外線検出器は、演算増幅
器と、同一基板上に形成されている第１、第２、第３、
および第４の感熱抵抗素子とを備え、前記第１の感熱抵
抗素子の一端は第１の電位点に接続され、その他端は前
記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、前記第２の
感熱抵抗素子の一端は第２の電位点に接続され、その他
端は前記演算増幅器の非反転入力端子に接続され、前記
第３の感熱抵抗素子の一端は前記演算増幅器の反転入力
端子に接続され、その他端は前記演算増幅器の出力端子
に接続され、前記第４の感熱抵抗素子の一端は前記第１
の電位点に接続され、その他端は前記演算増幅器の反転
入力端子に接続され、前記第１、第２、第３、および第
４の感熱抵抗素子の中の１つの感熱抵抗素子、第１およ
び第３の感熱抵抗素子の組合せ、および前記第２および
第４の感熱抵抗素子の組合せのいずれかは、照射される
赤外線に応じて温度変化するように構成され、赤外線が
照射されていない場合、前記第２の電位点の電位に応じ
て前記演算増幅器の出力電圧が特定の電圧になるように
設定されていることを特徴とする。

【００２７】上記請求項１に記載の発明の赤外線検出器
において、請求項２に記載の発明は、前記第１、第２、
第３、および第４の感熱抵抗素子は同一温度でほぼ同一
の抵抗値をそれぞれ有することを特徴とする。

【００２８】上記請求項１に記載の発明の赤外線検出器
において、請求項３に記載の発明は、前記演算増幅器
は、前記第１、第２、第３、および第４の感熱抵抗素子
と同一基板に形成されていることを特徴とする。

【００２９】上記請求項１に記載の発明の赤外線検出器
において、請求項４に記載の発明は、前記演算増幅器
は、前記第１、第２、第３、および第４の感熱抵抗素子
に近接して配置されていることを特徴とする。

【００３０】上記請求項１に記載の発明の赤外線検出器
において、請求項５に記載の発明は、照射される赤外線
に応じて温度変化するように構成されている赤外線検出
用の感熱抵抗素子は、それ以外の感熱抵抗素子よりも熱
的に絶縁されていることを特徴とする。

【００３１】上記請求項５に記載の発明の赤外線検出器
において、請求項６に記載の発明は、前記赤外線検出用
の感熱抵抗素子は、その下に空洞が設けられている基板
上に形成されていることを特徴とする。

【００３２】上記請求項５に記載の発明の赤外線検出器
において、請求項７に記載の発明は、照射される赤外線
を遮断するための遮光板を用いて、前記赤外線検出用の
感熱抵抗素子に選択的に赤外線を照射することを特徴と
する。

【００３３】上記請求項５に記載の発明の赤外線検出器
において、請求項８に記載の発明は、前記赤外線検出用
の感熱抵抗素子は、それ以外の感熱抵抗素子よりも赤外
線吸収率が高くなるように構成されていることを特徴と
する。

【００３４】上記請求項８に記載の発明の赤外線検出器
において、請求項９に記載の発明は、前記赤外線検出用
の感熱抵抗素子には熱吸収膜が形成されていることを特
徴とする。

【００３５】上記請求項５に記載の発明の赤外線検出器
において、請求項１０に記載の発明は、前記赤外線検出
用の感熱抵抗素子以外の感熱抵抗素子には赤外線反射膜
が形成されていることを特徴とする。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。

【００３７】（実施の形態１）図２は本発明の第１の実
施の形態の赤外線検出器であるボロメータの電気的等価
回路を示す図である。図２において、本発明の第１の実
施の形態の赤外線検出器は、同一の抵抗温度特性（同一
温度でほぼ同一の抵抗値を示す）を有する感熱抵抗素子
によってそれぞれ構成される抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ
４および演算増幅器２によって構成される赤外線検出回
路１と、オフセット電圧を調整するための抵抗Ｒ５およ
び可変抵抗ＶＲ１とを備えている。

【００３８】なお、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４を構成
する感熱抵抗素子は、それ自体の温度に応じて抵抗値が
変化する素子であればよい。例えば、感熱抵抗素子とし
ては、金属測温抵抗体、ＰＴＣ（負特性）サーミスタ、
ＮＴＣ（正特性）サーミスタ、半導体の接合などを用い
ることができるが、感度の点からするとＮＴＣサーミス
タを用いることが好ましい。

【００３９】抵抗Ｒ１、Ｒ４の一端にはバイアス電圧Ｖ
ｂの印加端子が共通して接続されている。抵抗Ｒ４の他
端に直列に接続されている抵抗Ｒ３においては、抵抗Ｒ
４の他端との接続点が演算増幅器２の反転入力端子に接
続されている。抵抗Ｒ３の他端は演算増幅器２の出力端
子（出力Ｖｏ）に接続されている。抵抗Ｒ２の一端は、
抵抗Ｒ１の他端に直列に接続され、抵抗Ｒ１の他端との
接続点が演算増幅器２の非反転入力端子に接続される。
抵抗Ｒ２の他端には抵抗Ｒ５および可変抵抗ＶＲ１によ
って固定電位Ｖｘが設定されている。

【００４０】各感熱抵抗素子に対しては、上述したよう
な自己発熱による温度測定の誤差を避けるために、通
常、室温で数ＭΩの抵抗値が選択される。なお、本発明
の第１の実施の形態の赤外線検出器に用いられる感熱抵
抗素子においては、後述するように、１０（ＭΩ）以上
の高い抵抗値を用いることが可能であり、自己発熱によ
る温度測定の誤差が少ない赤外線検出を行うことが可能
となる。

【００４１】図２において、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ
４はそれぞれ同一温度で同一の抵抗値Ｒを有し、抵抗Ｒ
１に赤外線が照射され、これにより抵抗Ｒ１が選択的に
温度上昇して抵抗値がαＲに変化したとすれば、演算増
幅器２の出力Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｖｘ＋α（Ｖｂ−Ｖｘ）／２（３）となる。特に、Ｖｘ＝０の時、出力Ｖｏは、Ｖｏ＝αＶｂ／２（４）となる。

【００４２】また、抵抗Ｒ１とＲ３、または抵抗Ｒ２と
Ｒ４のいずれか一方の組合せに赤外線が照射され、これ
により選択的に温度上昇が生じて抵抗値がαＲに変化し
たとすれば、出力Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｖｘ＋α（Ｖｂ−Ｖｘ）（５）となる。特に、Ｖｘ＝０の時、出力Ｖｏは、Ｖｏ＝αＶｂ（６）となる。

【００４３】このように、本発明の第１の実施の形態の
赤外線検出器の出力としては、照射された赤外線の強度
によって生じた抵抗変化に比例した直流出力が得られ
る。さらに、式（１）と式（４）、式（２）と式（６）
をそれぞれ比較すれば明らかなように、本発明の第１の
実施の形態の赤外線検出器においては、ホイートストン
ブリッジ回路を用いた従来のボロメータと比較して約２
倍の出力を得ることができる。

【００４４】また、本発明の第１の実施の形態の赤外線
検出器の出力インピーダンスは演算増幅器２の出力イン
ピーダンスとなるので、演算増幅器２として一般のモノ
リシックＯＰアンプを使用した場合、その出力インピー
ダンスは通常１０（Ω）以下と極めて低くなり、対ノイ
ズ性に優れることになる。

【００４５】さらに、本発明の第１の実施の形態の赤外
線検出器の出力インピーダンスは演算増幅器２の出力イ
ンピーダンスによって決まるため、感熱抵抗素子の抵抗
値を大きくしても対ノイズ性が低下することはない。従
って、通常使用されている数（ＭΩ）以上、好ましくは
１０（ＭΩ）以上の高抵抗値を有する感熱抵抗素子を用
いてもその自己発熱による温度測定の誤差を減少させる
ことができる。

【００４６】なお、通常、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４
を構成する感熱抵抗素子の製造時のばらつきなどによ
り、感熱抵抗素子に赤外線が照射されない場合において
もオフセット電圧が生じる。しかし、式（３）、（５）
から明らかなように、固定電位Ｖｘを調整することによ
ってこのオフセット電圧を容易に調整することが可能で
ある。また、この時、出力Ｖｏは（Ｖｂ−Ｖｘ）に比例
して減少するが、通常、抵抗値のばらつきにより生じる
オフセット電圧はバイアス電圧の０．１（％）程度と十
分低いので、赤外線検出器の検出感度の低下はわずかで
ある。従って、このような検出感度の低下は実用上無視
することができる。

【００４７】図３は本発明の第１の実施の形態の赤外線
検出器の構成の一部を示す図である。なお、図３（ａ）
は感熱抵抗体が形成されている絶縁性基板を上から見た
図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）に示す線ａａ´にお
ける断面図である。

【００４８】図３において、赤外線検出素子１１は、絶
縁性基板９上に形成され、図２に示す抵抗Ｒ１、Ｒ２、
Ｒ４、Ｒ３にそれぞれ対応する感熱抵抗体（感熱抵抗素
子）３、４、５、６によって構成されている。感熱抵抗
体４、５の直下の絶縁性基板９は選択的に除去され、こ
れにより、基板表面部７、１０が残り、基板表面部７、
１０の下に空洞８が形成される。なお、感熱抵抗体３、
４、５、６はそれぞれボンディングパッド１９ａ、１９
ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆを介して図示しな
い演算増幅器などの回路に電気的に接続される。

【００４９】このような構成により、基板表面部７、１
０上に形成されている感熱抵抗体４、５（抵抗Ｒ２、Ｒ
４に対応する）は、絶縁性基板９から熱的にほぼ絶縁さ
れるので、照射された赤外線に応じて敏感に温度変化
（温度上昇）を生じる。これに対して、感熱抵抗体３、
６（抵抗Ｒ１、Ｒ３に対応する）については、熱容量の
大きい絶縁性基板９に熱的に接触しているので、赤外線
を照射してもほとんど温度変化を生じない。

【００５０】なお、照射した赤外線に応じて特定の感熱
抵抗素子を敏感に温度上昇させる方法としては、上述し
たような方法以外に、（１）全ての感熱抵抗素子の直下
の絶縁性基板に空洞を形成することにより全ての感熱抵
抗素子を絶縁性基板に対して熱的にほぼ絶縁した状態
で、例えば遮光板を用いて選択的に感熱抵抗素子に赤外
線を照射する方法、（２）特定の感熱抵抗素子に対して
熱吸収膜などを形成することにより、この特定の感熱抵
抗素子の赤外線吸収率を他の感熱抵抗素子よりも高くし
て赤外線を照射する方法、（３）特定の感熱抵抗素子以
外の他の感熱抵抗素子の表面に赤外線反射膜を形成する
ことにより、赤外線に起因して他の感熱抵抗素子におい
て温度上昇が生じないような構造として赤外線を照射す
る方法などを用いることが可能である。

【００５１】図４は本発明の第１の実施の形態の赤外線
検出器の構成を示す側面図である。図４に示す本発明の
第１の実施の形態の赤外線検出器において、導電性金属
によって構成されるベース１２上に赤外線検出素子１１
およびＯＰアンプ基板１５が配置される。ＯＰアンプ基
板１５には、図示しないＯＰアンプ（演算増幅器）が設
けられている。赤外線検出素子１１およびＯＰアンプ基
板１５は、ワイヤーボンディングによるワイヤー１４ａ
により電気的に接続されている。また、赤外線検出素子
１１およびＯＰアンプ基板１５は、ワイヤーボンディン
グによるワイヤー１４ｂ、１４ｃによって、ベース１２
からは電気的に絶縁されている外部接続端子１３にそれ
ぞれ電気的に接続されている。

【００５２】なお、図４においては、赤外線検出素子１
１とＯＰアンプ基板１５の間の電気的な接続をワイヤー
ボンディングにより行っているが、これ以外の方法を用
いることも可能である。例えば、配線基板を準備し、赤
外線検出素子１１およびＯＰアンプ基板１５をこの配線
基板にワイヤーボンディングやフィリップチップボンデ
ィングにより電気的に接続する方法や、ＯＰアンプを通
常のパッケージ素子として別の配線基板に実装する方法
も実行可能である。また、赤外線検出素子１１およびＯ
Ｐアンプを同一基板上に一括して形成する方法も実行可
能である。

【００５３】ベース１２には導電性金属によって構成さ
れるキャップ１６が接合される。なお、キャップ１６に
おいて、赤外線検出素子１１の上部の対応する部分には
赤外線入射窓１７が設けられている。

【００５４】ベース１２とキャップ１６は電気的に接続
状態（導通状態）にあるので、全体として電磁波シール
ドケースを構成する。また、赤外線入射窓１７として例
えば導電性シリコン（Ｓｉ）単結晶板を用いることこと
により、赤外線入射窓１７とキャップ１６を導通状態と
することが望ましい。

【００５５】このように、本発明の第１の実施の形態の
赤外線検出器においては、高抵抗の感熱抵抗素子と演算
増幅器が同一の電磁波シールドケース内に近接して配置
されるため、誘導ノイズに対して極めて強く、その影響
を受けにくい。また、従来のホイートストンブリッジ回
路型のサーミスタボロメータが差動出力であり、かつ高
出力インピーダンスであるのに対して、本発明の第１の
実施の形態の赤外線検出器の出力は、直流出力であり、
従来の場合の約２倍である。また、低出力インピーダン
スであるために外部の回路に対する電気的な接続を容易
に行うことができる。さらに、オフセット電圧に関して
も外部から固定電位を直接与えることにより容易に調整
することができる。

【００５６】（実施の形態２）図５は本発明の第２の実
施の形態の赤外線検出器の構成の一部を示す図である。
なお、図５（ａ）は感熱抵抗体が形成されている絶縁性
基板を上から見た図であり、図５（ｂ）は図５（ａ）に
示す線ｂｂ´における断面図である。

【００５７】図５に示す赤外線検出素子６１には、Ｓｉ
単結晶基板６２を熱酸化することによりその表面に形成
されるＳｉＯ_２膜によって構成される熱酸化膜６３上
に、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４にそれぞれ対応する感
熱抵抗体（感熱抵抗素子）２４、２５、２６、２７が設
けられる。なお、感熱抵抗体２４、２５、２６、２７
は、所定の形状にパターニングされたクロム（Ｃｒ）電
極２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄ上に、室温での抵抗
値が１０（ＭΩ）であるＳｉＣ薄膜サーミスタ２９ａ、
２９ｂ、２９ｃ、２９ｄをスパッタリングすることによ
って形成される。さらに、ＳｉＯ_２膜によって構成され
る絶縁保護膜３０は薄膜サーミスタ２９ａ、２９ｂ、２
９ｃ、２９ｄ上に形成される。

【００５８】上述のように構成されている感熱抵抗体２
４、２５、２６、２７の直下のＳｉ単結晶基板６２は等
方性エッチングまたは異方性エッチングにより選択的に
除去され、これにより、熱酸化膜６３によって構成され
る基板表面部３１が残り、基板表面部３１の下に空洞３
２が形成される。なお、感熱抵抗体２４、２５、２６、
２７はそれぞれボンディングパッド３３ａ、３３ｂ、３
３ｃ、３３ｄ、３３ｅ、３３ｆを介して図示しない演算
増幅器などの回路に電気的に接続される。

【００５９】さらに、感熱抵抗体２４、２６の表面に
は、絶縁保護膜３０を介して金（Ａｕ）によって構成さ
れる赤外線反射膜３４が形成される。

【００６０】このような構成により、感熱抵抗体２５、
２７（抵抗Ｒ２、Ｒ４にそれぞれ対応する）は、Ｓｉ単
結晶基板６２から熱的にほぼ絶縁されているので、照射
された赤外線に応じて敏感に温度上昇する。これに対し
て、感熱抵抗体２４、２６（抵抗Ｒ１、Ｒ３にそれぞれ
対応する）は、Ｓｉ単結晶基板６２からは熱的にほぼ絶
縁されているが、赤外線反射膜３４が存在するため、照
射された赤外線は赤外線反射膜３４で反射される。これ
により、感熱抵抗体２４、２６においては熱吸収が生じ
ないので、赤外線が照射されても、感熱抵抗体２４、２
６はほとんど温度変化しないことになる。

【００６１】図６は本発明の第２の実施の形態の赤外線
検出器の構成を示す側面図である。図６に示す本発明の
第２の実施の形態の赤外線検出器において、４ピン（４
端子）パッケージ４１のピン４２の位置に接続端子が形
成され、さらに表裏貫通配線４３が形成されている絶縁
性基板４４をパッケージ４１のピン４２上に導電性樹脂
４５によって電気的に接続して固定する。なお、絶縁性
基板４４の表面には、赤外線検出素子６１をワイヤーボ
ンディングによるワイヤー４７ａ、４７ｂによって表裏
貫通配線４３に電気的に接続して搭載している。一方、
絶縁性基板４４の裏面側には表面実装型ＯＰアンプ４６
を表裏貫通配線４３に電気的に接続して搭載している。

【００６２】４ピンパッケージ４１には、赤外線入射窓
４９が設けられている金属キャップ４８が溶接されてい
る。赤外線入射窓４９は、導電性単結晶Ｓｉによって構
成され、導電性樹脂５０により金属キャップ４８に固定
されている。これにより、４ピンパッケージ４１の全体
が電磁波シールドケースとして外部の固定電位に接続さ
れる。

【００６３】本発明の第２の実施の形態の赤外線検出器
においては、照射した赤外線の強度に対して０（Ｖ）か
らリニアに出力を得ることができ、また出力インピーダ
ンスは約１０（Ω）であって従来の赤外線検出器よりも
低くなっている。また、感熱抵抗素子の抵抗値が１０
（ＭΩ）と高抵抗であるため、感熱抵抗素子の自己発熱
による温度誤差が０．１（゜Ｃ）以下と極めて小さく、
オフセット電圧の温度ドリフトもほとんど認められなか
った。

【００６４】さらに、外部からの誘導ノイズに極めて強
く、出力インピーダンスも低いために、演算増幅器や信
号処理回路に対して通常の配線を行っても、外部からの
ノイズの影響をほとんど受けない。そのため、微弱な赤
外線が照射されても、良好なＳ／Ｎ比で赤外線検出を行
うことが可能である。

【００６５】

【発明の効果】以上、本発明によれば、従来のホイート
ストンブリッジ回路型のサーミスタボロメータの赤外線
検出器と比較して直流出力であり、かつ２倍の出力が得
られ、また、低出力インピーダンスとなるためにその取
扱いが極めて容易である。

【００６６】さらに、赤外線を検知する感熱抵抗素子に
高抵抗素子を使用することができるため、感熱抵抗素子
の自己発熱による温度測定の誤差が小さく、高精度で高
感度の赤外線検出が可能となる。

【００６７】さらにまた、従来の赤外線検出器において
その出力を信号処理する上で必要であったシールド線結
線、高入力インピーダンスの差動増幅回路（または差動
インピーダンス変換回路）、およびオフセット電圧調整
回路は、本発明の赤外線検出器においては不要となるの
で、低コストで高精度の赤外線検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のホイートストンブリッジ回路型のボロメ
ータの電気的等価回路を示す図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態の赤外線検出器であ
るボロメータの電気的等価回路を示す図である。

【図３】本発明の第１の実施の形態の赤外線検出器の構
成の一部を示す図である。

【図４】本発明の第１の実施の形態の赤外線検出器の構
成を示す側面図である。

【図５】本発明の第２の実施の形態の赤外線検出器の構
成の一部を示す図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態の赤外線検出器の構
成を示す側面図である。

【符号の説明】

Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４、Ｒ５抵抗ＶＲ１可変抵抗１赤外線検出回路２演算増幅器３、４、５、６、２４、２５、２６、２７感熱抵抗体７、１０、３１基板表面部８、３２空洞９、４４絶縁性基板１１、６１赤外線検出素子１２ベース１３外部接続端子１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、４７ａ、４７ｂワイヤー１５ＯＰアンプ基板１６キャップ１７赤外線入射窓１９ａ、１９ｂ、１９ｃ、１９ｄ、１９ｅ、１９ｆ、３
３ａ、３３ｂ、３３ｃ、３３ｄ、３３ｅ、３３ｆボン
ディングパッド２８ａ、２８ｂ、２８ｃ、２８ｄクロム電極２９ａ、２９ｂ、２９ｃ、２９ｄＳｉＣ薄膜サーミス
タ３０絶縁保護膜３４赤外線反射膜４１４ピンパッケージ４２ピン４３表裏貫通配線４５、５０導電性樹脂４６表面実装型ＯＰアンプ６２Ｓｉ単結晶基板６３熱酸化膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】演算増幅器と、同一基板上に形成されている第１、第２、第３、および
第４の感熱抵抗素子とを備え、前記第１の感熱抵抗素子の一端は第１の電位点に接続さ
れ、その他端は前記演算増幅器の非反転入力端子に接続
され、前記第２の感熱抵抗素子の一端は第２の電位点に接続さ
れ、その他端は前記演算増幅器の非反転入力端子に接続
され、前記第３の感熱抵抗素子の一端は前記演算増幅器の反転
入力端子に接続され、その他端は前記演算増幅器の出力
端子に接続され、前記第４の感熱抵抗素子の一端は前記第１の電位点に接
続され、その他端は前記演算増幅器の反転入力端子に接
続され、前記第１、第２、第３、および第４の感熱抵抗素子の中
の１つの感熱抵抗素子、第１および第３の感熱抵抗素子
の組合せ、および前記第２および第４の感熱抵抗素子の
組合せのいずれかは、照射される赤外線に応じて温度変
化するように構成され、赤外線が照射されていない場合、前記第２の電位点の電
位に応じて前記演算増幅器の出力電圧が特定の電圧にな
るように設定されていることを特徴とする赤外線検出
器。
【請求項２】前記第１、第２、第３、および第４の感
熱抵抗素子は同一温度でほぼ同一の抵抗値をそれぞれ有
することを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項３】前記演算増幅器は、前記第１、第２、第
３、および第４の感熱抵抗素子と同一基板に形成されて
いることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項４】前記演算増幅器は、前記第１、第２、第
３、および第４の感熱抵抗素子に近接して配置されてい
ることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項５】照射される赤外線に応じて温度変化する
ように構成されている赤外線検出用の感熱抵抗素子は、
それ以外の感熱抵抗素子よりも熱的に絶縁されているこ
とを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
【請求項６】前記赤外線検出用の感熱抵抗素子は、そ
の下に空洞が設けられている基板上に形成されているこ
とを特徴とする請求項５に記載の赤外線検出器。
【請求項７】照射される赤外線を遮断するための遮光
板を用いて、前記赤外線検出用の感熱抵抗素子に選択的
に赤外線を照射することを特徴とする請求項５に記載の
赤外線検出器。
【請求項８】前記赤外線検出用の感熱抵抗素子は、そ
れ以外の感熱抵抗素子よりも赤外線吸収率が高くなるよ
うに構成されていることを特徴とする請求項５に記載の
赤外線検出器。
【請求項９】前記赤外線検出用の感熱抵抗素子には熱
吸収膜が形成されていることを特徴とする請求項８に記
載の赤外線検出器。
【請求項１０】前記赤外線検出用の感熱抵抗素子以外
の感熱抵抗素子には赤外線反射膜が形成されていること
を特徴とする請求項５に記載の赤外線検出器。