JP2000292253A - 熱型赤外線検知器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 温度計測精度が高い熱型赤外線検知器を提供
する。 【解決手段】 赤外線入射用開口部４１を有する赤外線
遮断用の輻射シールド４を、赤外線検出素子２を覆い、
かつ、赤外線入射用開口部４１以外に開口部を有さない
ように前記電子冷却素子３上に固着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱型赤外線検知器
に関し、特に、安定した温度計測が可能なボロメータ型
の熱型赤外線検知器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ボロメータ型の熱型赤外線検知器は、赤
外線の入射による温度変化を抵抗の変化としてとらえる
ことを動作原理としている。検知素子はシリコンウェハ
上から細い梁により熱的に分離されたダイアフラムを持
ち、このダイアフラム上に抵抗（ボロメータ）が形成さ
れている。赤外線検出素子は、この検知素子をアレイ状
に配置して構成され、２次元の赤外線画像を得ることが
できるようになっている。

【０００３】従来の熱型赤外線検知器の概略断面構成を
図７に示す。この熱型赤外線検知器１００では、シリコ
ンウェハとダイアフラム間の熱的な分離を向上させるた
め、赤外線検出素子２は真空容器１０内に保持される。
真空容器１０は、インナーパッケージ１１、アウターパ
ッケージ１２、赤外線が入射する窓１３で構成されてい
る。また、赤外線の入射に起因するダイアフラム部分の
温度上昇による抵抗の変化は、バイアス電流を印加する
ことにより読み出す。

【０００４】このため、バイアス電流によって引き起こ
されるジュール加熱に起因する発熱による検知素子自身
の温度上昇が問題となる。この温度上昇は、目標からの
赤外線入射によるダイアフラム部分の温度上昇をはるか
に上回る。通常、この発熱による検知素子の温度上昇を
押さえる目的で、赤外線検出素子２は電子冷却素子３上
に置かれ、一定温度に保たれる。

【０００５】よって、ボロメータ型の熱型赤外線検知器
１００は、電子冷却素子３及び電子冷却素子３上に置か
れた赤外線検出素子２を真空容器１０内に収納して構成
される。真空容器１０を真空にするには、排気管１４を
介して真空容器１０内を真空にした後、排気管１４を圧
切りすることにより行われる。

【０００６】この熱型赤外線検知器１００を使用して画
像を得る場合には、赤外線検出素子２のダイアフラム部
に焦点を合わせた光学系と、熱型赤外線検知器１００の
読み出し用の回路が付加される。

【０００７】また、この熱型赤外線検知器１００を温度
計測の目的で使用する場合、目標からの赤外線信号を絶
対値として電気信号に変換する必要があるため、外界の
温度変化により真空容器１０や光学系の鏡筒部が温度変
化し、その赤外線輻射が赤外線検出素子２に入射するこ
とは温度測定精度の劣化をきたすこととなる。

【０００８】このため、輻射シールドと称する開口部１
０１を有する金属部品１０２を赤外線検出素子２前面に
配置し、光学系の絞りをこの開口に一致させることによ
り、赤外線検出素子２に入射する赤外線輻射を、光学系
の有効部分を通過したもの及び輻射シールド１０２から
の輻射に限定することが提案されている。

【０００９】温度計測を目的とし、光学系と開口整合を
とった赤外線検知器１００は、図８に示す様な形状の輻
射シールド１０２を採用していた。赤外線検出素子２上
のボンディングパッドと信号引き出し部６を直接ボンデ
ィング１０３していたため、輻射シールド１０２を電子
冷却素子３に接着する際に、輻射シールド１０２がボン
ディングワイヤ１０３に接触する。これを防ぐため、輻
射シールド１０２には切り欠き部１０４を作る必要があ
った。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の輻射シールド１０２を有する熱型赤外線検知
器１００は、外乱となる赤外線輻射の遮断効果が低く、
しかも、輻射シールド１０２自体の温度分布が大きく、
そのため、温度計測精度が低いという問題がある。

【００１１】本発明は上記問題点にかんがみてなされた
ものであり、温度計測精度が高い熱型赤外線検知器の提
供を目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の熱型赤外線検知器は、赤外線を検出
する赤外線検出素子と前記赤外線検出素子を冷却する電
子冷却素子とを真空容器内に収納してなる熱型赤外線検
知機において、赤外線入射用開口部を有する赤外線遮断
用の輻射シールドを、前記赤外線検出素子を覆い、か
つ、前記赤外線入射用開口部以外に開口部を有さないよ
うに前記電子冷却素子上に固着してなる構成としてあ
る。

【００１３】このような構成の発明によれば、輻射シー
ルドが、赤外線入射用開口部以外に開口部を有さずに電
子冷却素子上に固着されているので、必要な開口部以外
は全て密封構造となっているため、外乱となる赤外線輻
射を完全に遮断でき、安定した温度計測が可能である。
また、電子冷却素子との接触面積が増大しているため、
輻射シールド自体の温度分布が均一になり、この点でも
安定した温度計測が可能である。

【００１４】請求項２記載の熱型赤外線検知器は、請求
項１記載の熱型赤外線検知器において、外部と電気的に
接続可能な外部接続用端子と前記赤外線検出素子とを電
気的に接続する配線が、前記輻射シールドと前記電子冷
却素子との固着部の下を通って設けられている、又は前
記固着部を構成している構成としてある。

【００１５】このような構成の発明によれば、上記輻射
シールドの密封構造を実現するため、赤外線検出素子を
外部と電気的に接続する配線を、輻射シールドと電子冷
却素子との固着部を構成するか又はその下を通すように
構成している。

【００１６】請求項３記載の熱型赤外線検知器は、請求
項１又は２記載の熱型赤外線検知器において、前記輻射
シールドが前記電子冷却素子を構成する絶縁基板の上面
に固着されている構成としてある。

【００１７】このような構成の発明によれば、絶縁基板
を複層絶縁層で構成し、これらの層間に配線を通すこと
によって、又は絶縁基板の表面に配線を埋め込むことに
よって、赤外線検出素子を外部と電気的に接続する配線
が、輻射シールドと電子冷却素子との固着部を構成し又
はその下を通すように構成できる。

【００１８】請求項４記載の熱型赤外線検知器は、請求
項３記載の熱型赤外線検知器において、前記外部接続用
端子と前記赤外線検出素子とが、前記輻射シールドの内
側に存する内側電極と前記赤外線検出素子とを接続する
第１配線と、前記輻射シールドの外側に存する外側電極
と前記外部接続用端子とを接続する第２配線と、前記第
１配線と前記第２配線とを接続し、前記絶縁基板に埋め
込まれている埋込配線とにより接続されている構成とし
てある。

【００１９】このような構成の発明によれば、赤外線検
出素子を外部と電気的に接続する配線を、輻射シールド
と電子冷却素子との固着部の下を通すように構成でき
る。

【００２０】請求項５記載の熱型赤外線検知器は、請求
項４記載の熱型赤外線検知器において、前記埋込配線
が、前記絶縁基板を構成する複層絶縁基板の層間に設け
られている層間配線と、前記層間配線と前記内側電極及
び前記外側電極とをそれぞれ接続する貫通配線とを有す
る構成としてある。

【００２１】このような構成の発明によれば、複層絶縁
層の層間に配線を通すことによって、赤外線検出素子を
外部と電気的に接続する配線が、輻射シールドと電子冷
却素子との固着部の下を通すように構成できる。

【００２２】請求項６記載の熱型赤外線検知器は、請求
項３〜５いずれかに記載の熱型赤外線検知器において、
前記輻射シールドが、前記赤外線検出素子の側方を覆う
枠部とこの枠部の上面に取り付けられている天井部とを
備える構成としてある。

【００２３】このような構成の発明によれば、枠部を例
えばセラミックのごとく絶縁性の材料で構成すれば、枠
部に接触して輻射シールドと電子冷却素子との固着部を
構成する埋込配線を形成することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、本発明の熱型赤外線検知器
の実施の形態について図面を参照しつつ説明する。図１
は、本発明の熱型赤外線検知器の第１実施形態の概略の
断面構造を示す概念図である。

【００２５】この熱型赤外線検知器１は、平板状の赤外
線検出素子２を備え、この赤外線検出素子２の下にペル
チェ効果を利用した電子冷却素子３が接合されている。
これらの赤外線検出素子２と電子冷却素子３とは真空容
器１０の中に収納されている。真空容器１０は、平板の
金属製インナーパッケージ１１に箱状の金属製アウター
パッケージ１２が溶接で接合され、アウターパッケージ
１２の開口部には赤外線入射用の窓１３がハンダ等の低
融点金属により接合されている。

【００２６】電子冷却素子３の最上部には絶縁基板とし
てのセラミック基板３１が設けられており、赤外線検出
素子２はこのセラミック基板３１上に接合されている。
電子冷却素子３の最下部はインナーパッケージ１１に接
着され、電子冷却素子３は赤外線検出素子２を冷却する
一方、インナーパッケージ１１に熱を放出するようにな
っている。赤外線入射用開口部４１を有する輻射シール
ド４が赤外線検出素子２を覆うようにその下端縁全体が
セラミック基板３１の上面に隙間無く接着により固着さ
れている。

【００２７】したがって、輻射シールド４は、赤外線入
射用開口部４１以外の開口部を有さず、密閉構造となっ
ている。インナーパッケージ１１には外部と電気的に接
続するための外部接続用端子６がインナーパッケージ１
１を貫通して設けられている。真空容器１０内の外部接
続用端子６と赤外線検出素子２との間には赤外線検出素
子２を駆動させる信号及び赤外線検出素子２からの出力
信号を伝達するための配線が設けられ、配線の一部は輻
射シールド４とセラミック基板３１との固着部の下のセ
ラミック基板３１の中をトンネル状に通っている。この
配線については、後に詳述する。

【００２８】インナーパッケージ１１には銅製の排気管
１４が接続され、排気管１４を真空排気装置に接続し
て、真空容器１０内を所定の真空にした後、銅製の排気
管１４を外部より圧切りすることにより真空容器１０を
封止するようになっている。図１は圧切り後の排気管１
４を示している。

【００２９】図２は、赤外線検出素子２における１画素
の検知素子の断面構造の模式図である。ボロメータ２１
を形成したダイアフラム２２は、シリコンウエハ２３上
から細い梁２５により熱的に分離されている。ボロメー
タ型の検知素子は、赤外線の入射による温度変化を抵抗
の変化としてとらえることを動作原理としている。赤外
線検出素子２はこのような画素が２次元にアレイ状に配
列されている。また、ダイヤフラムを形成したシリコン
ウエハ２３の下層部には、例えばＭＯＳ型のアドレス回
路２４が形成されている。

【００３０】図３は、図１のＡ部を拡大した概念図であ
る。この図は、赤外線検出素子２を駆動させる信号及び
赤外線検出素子２からの出力信号を伝達するための赤外
線検出素子２と、外部接続用端子６間の配線７の構成を
示すものである。電子冷却素子３の最上部のセラミック
基板３１は、上層セラミック基板３１１と下層セラミッ
ク基板３１２の２枚の基板から構成されている。

【００３１】上層セラミック基板３１１には、赤外線検
出素子２のボンディングパッド７１とのボンディングに
必要な輻射シールド４の内側に存する内側ボンディング
パッド（内側電極）７２と、外部接続用端子６との信号
の入出力に必要なボンディングを行うための輻射シール
ド４の外側に存する外側ボンディングパッド（外側電
極）７３、更に下層セラミック基板３１２へ信号ライン
を引き回すためのスルーホール（貫通配線）７４、７５
が形成されている。

【００３２】また、下層セラミック基板３１２には、ス
ルーホール７４とスルーホール７５間を接続するための
層間配線７６が形成されている。これらのスルーホール
（貫通配線）７４、７５と層間配線７６が埋込配線を構
成している。上層セラミック基板３１１と下層セラミッ
ク基板３１２は配線部の絶縁を維持しつつ、あらかじめ
ロー付けされている。内側ボンディングパッド７２と赤
外線検出素子２のボンディングパッド７１とは、第１ワ
イヤボンディング７７により接続され、外側ボンディン
グパッド７３と外部接続用端子６とは第２ワイヤボンデ
ィング７８により接続されている。

【００３３】図４の平面図を参照して平面構成を説明す
る。チップ状の赤外線検出素子２はこれより面積が大き
いの絶縁基板３１上に接着されている。赤外線検出素子
２の端部にはボンディングパッド７１が配列し、絶縁基
板３１上の内側ボンディングパッド７２と第１ワイヤボ
ンディング７７によって接続されている。

【００３４】また、絶縁基板３１の端部には外側ボンデ
ィングパッド７３が配列し、外側ボンディングパッド７
３と外部接続用端子６とは第２ワイヤボンディング７８
によって接続されている。内側ボンディングパッド７２
と外側ボンディングパッド７３との間のトンネル状の埋
込配線になっている隙間の絶縁基板３１には、輻射シー
ルド４が接着されている。赤外線検出素子２に対して輻
射シールド４は赤外線入射用開口部４１以外に開口部を
有さないようになっている。

【００３５】このように、赤外線検出素子２の駆動及び
信号の読み出しに必要な複数の配線全てに対して、前述
の輻射シールド４とセラミック基板３１との固着部を避
けるトンネル状の構造が採用されている。

【００３６】このような輻射シールド４とセラミック基
板３１との固着部を避けるトンネル状の埋込配線によ
り、輻射シールド４の下端縁とセラミック基板３１との
間には隙間が無く、輻射シールド４の下端縁全体がセラ
ミック基板３１に接合されている。

【００３７】前述の構造のセラミック基板３１をもつ電
子冷却素子３上に輻射シールド４を設置する際は以下の
手順を採用する。まず、赤外線検出素子２のボンディン
グパッド７１と内側ボンディングパッド７２を第１ボン
ディング７７により結線する。更に外側ボンディングパ
ッド７３とインナーパッケージ１１の外部接続用端子６
を第２ボンディング７８により結線する。内側ボンディ
ングパッド７２と外側ボンディングパッド７３間の結線
が下層セラミック基板３１２上に施されているため、そ
の間の上層セラミック基板３１１上に空きスペースが生
じる。このスペースを利用して輻射シールド４を電子冷
却素子３上に接着する。

【００３８】赤外線の入射に起因するダイアフラム部分
の温度上昇による抵抗の変化は、バイアス電流を印加す
ることにより読み出す。このため、バイアス電流によっ
て引き起こされるジュール加熱に起因する発熱による赤
外線検出素子２自身の温度上昇を押さえる目的で、赤外
線赤外線検出素子２は電子冷却素子３上に置かれ、一定
温度に保たれる。

【００３９】よってボロメータ型の熱型赤外線検知器１
は、電子冷却素子３及び電子冷却素子３上に置かれた赤
外線検出素子２を真空容器１０内に収納して構成されて
いる。

【００４０】また、この熱型赤外線検知器１を温度計測
の目的で使用する場合、目標からの赤外線信号を絶対値
として電気信号に変換する必要があるため、外界の温度
変化により真空容器や光学系の鏡筒部が温度変化し、そ
の赤外線輻射が赤外線検出素子２に入射することは温度
測定精度の劣化をきたすこととなる。

【００４１】このため、赤外線入射用開口部４１を有す
る金属部品で構成される輻射シールド４を赤外線検出素
子２の前面に配置し、光学系の絞りをこの開口に一致さ
せる開口整合と呼ばれる手法を採用することにより、赤
外線検出素子２に入射する赤外線輻射を、光学系の有効
部分を通過したもの及び輻射シールド４からの輻射に限
定する。この輻射シールド４は電子冷却素子３上に置か
れ、真空容器１０内に収納されるため、外界の温度変化
に無関係に一定温度となり、赤外線検出素子２への外乱
となる赤外線輻射を除外することができる。

【００４２】光学系と熱型赤外線検知器の開口整合をと
ることにより、赤外線検出素子２に対して赤外線入射用
開口部４１を通過した目標からの赤外線輻射と輻射シー
ルド４内側からの輻射だけが赤外線検出素子２に入射す
る。本発明の熱型赤外線検知器では輻射シールド４に切
り欠きなどがないため、外乱となる赤外線輻射の入射は
全くない。さらに、輻射シールド４と電子冷却素子３と
の接触面積が十分に取れるため、輻射シールド４自身の
温度分布が抑えられるとともに、輻射シールド４と電子
冷却素子３との熱の流出入を円滑に行うことができる。

【００４３】本実施形態の熱型赤外線検知器１によれ
ば、赤外線入射用開口部４１以外を密閉した輻射シール
ド４を、電子冷却素子３に接触面積を十分に確保し接着
することにより、以下の効果がもたらされる。

【００４４】まず、温度計測中に周囲の環境温度が変化
し、アウターパッケージ１２の温度が変化しても、その
輻射が赤外線検出素子２へは入射しないため、安定した
温度計測が可能となる。

【００４５】また、輻射シールド４の温度分布が均一と
なるため、２次元配列を採用した赤外線検出素子２にお
いて画素毎の輻射シールド４からの入射量の規定が容易
となり、背景輻射量の補正が簡略化される。

【００４６】さらに、熱型赤外線検知器１の立上りの際
に、電子冷却素子３と輻射シールド４との熱の流出入が
円滑に行われるため、輻射シールド４が一定温度になる
までの時間が短縮される。即ち、立上り特性に優れた温
度計測器を供給することが可能となる。

【００４７】次に、本発明の熱型赤外線検知器の第２実
施形態を、図５、図６を参照して説明する。図５は、第
２実施形態の概略断面構成を示す概念図、図６は概略平
面構成を示す概念図である。図５、図６において、第１
実施形態と同一構成部品には同一の符号を付し、その説
明は省略する。

【００４８】この第２実施形態では、電子冷却素子３上
のセラミック基板３１ａは、一枚で構成されている。セ
ラミック基板３１ａの上面には、セラミック基板３１ａ
と同一平面状（面一）に形成されている埋込配線７９が
設けられている。この埋込配線７９上に輻射シールド４
ａの下端縁が埋込配線７９とセラミック基板３１ａの両
者に接着されている。輻射シールド４ａは電子冷却素子
３の上部のセラミック基板３１ａの上に、赤外線検出素
子２の厚さ（約０．５mm）と赤外線検出素子２と輻射シ
ールドの距離に必要な長さを加えた高さを有するセラミ
ック枠４２と、赤外線入射用開口部４３を備えた平面の
板状であり、セラミック枠４２に接着により取付られて
いる金属製の天井シールド４４とを備える。セラミック
枠４２の下端縁は、セラミック基板３１ａに隙間無く接
着されている。セラミック枠４２の外側には、外部接続
用端子６と接続する外側ボンディングパッド７３、セラ
ミック枠４２の内側には、赤外線検出素子２とボンディ
ング行う内側ボンディングパッド７２が設けられてい
る。

【００４９】第２実施形態の赤外線検出素子２と外部接
続用端子６とを接続する配線は、セラミック枠４２を避
けてその下を通り、直接セラミック枠４２と配線とが接
着されているが、セラミック枠４２の下端縁は全てセラ
ミック基板３１ａと埋込配線７９に接着され、これらの
間に隙間がない。

【００５０】この構造においても、赤外線検出素子２に
は、赤外線入射用開口部４３を通過した赤外線輻射と輻
射シールド４ａ及びセラミック枠４２からの赤外線輻射
以外の赤外線輻射は入射せず、かつ、天井シールド４４
及びセラミック枠４２は密着している電子冷却素子３に
より一定温度に保たれるため、前述の第１実施形態と同
様の効果が得られる。

【００５１】

【発明の効果】本発明の熱型赤外線検知器によれば、必
要な開口以外を全て密閉構造とした輻射シールドを採用
することにより、外乱となる赤外線輻射を完全に遮断し
温度計測精度を向上させると共に、輻射シールドと電子
冷却素子との接触面積を増やすことにより、輻射シール
ド自身の温度分布を極力押さえ、かつ迅速な立上り特性
を有する熱型赤外線検知器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の熱型赤外線検知器の第１実施形態の概
略断面構成を示す概念図である。

【図２】赤外線検出素子の１素子の概略断面構成を示す
概念図である。

【図３】図１のＡ部の拡大図である。

【図４】本発明の熱型赤外線検知器の第１実施形態の平
面構成を示す平面図である。

【図５】本発明の熱型赤外線検知器の第２実施形態の概
略断面構成を示す概念図である。

【図６】本発明の熱型赤外線検知器の第２実施形態の平
面構成を示す平面図である。

【図７】従来の熱型赤外線検知器の概略断面構成を示す
概念図である。

【図８】従来の熱型検知器の輻射シールドを示す斜視図
である。

【符号の説明】

１ 熱型赤外線検知器 ２ 赤外線検出素子 ３ 電子冷却素子 ４ 輻射シールド ６ 外部接続用端子 １０ 真空容器 ３１ セラミック基板 ４１ 赤外線入射用開口部 ７１ ボンディングパッド ７２ 内側ボンディングパッド ７３ 外側ボンディングパッド ７４，７５ 貫通配線 ７６ 層間配線 ７７ 第１ワイヤボンディング ７８ 第２ワイヤボンディング

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G065 AA04 AB02 BA12 BA34 BA37 BA38 BB46 CA05 CA19 CA21 2G066 BA09 BA32 BA44 BA60 BB03 BB11

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外線を検出する赤外線検出素子と前記
   赤外線検出素子を冷却する電子冷却素子とを真空容器内
   に収納してなる熱型赤外線検知機において、 赤外線入射用開口部を有する赤外線遮断用の輻射シール
   ドを、前記赤外線検出素子を覆い、かつ、前記赤外線入
   射用開口部以外に開口部を有さないように前記電子冷却
   素子上に固着してなることを特徴とする熱型赤外線検知
   器。
2. 【請求項２】 請求項１記載の熱型赤外線検知器におい
   て、 外部と電気的に接続可能な外部接続用端子と前記赤外線
   検出素子とを電気的に接続する配線が、前記輻射シール
   ドと前記電子冷却素子との固着部の下を通って設けられ
   ている、又は前記固着部を構成していることを特徴とす
   る熱型赤外線検知器。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の熱型赤外線検知器
   において、 前記輻射シールドが前記電子冷却素子を構成する絶縁基
   板の上面に固着されていることを特徴とする熱型赤外線
   検知器。
4. 【請求項４】 請求項３記載の熱型赤外線検知器におい
   て、 前記外部接続用端子と前記赤外線検出素子とが、前記輻
   射シールドの内側に存する内側電極と前記赤外線検出素
   子とを接続する第１配線と、前記輻射シールドの外側に
   存する外側電極と前記外部接続用端子とを接続する第２
   配線と、前記第１配線と前記第２配線とを接続し、前記
   絶縁基板に埋め込まれている埋込配線とにより接続され
   ていることを特徴とする熱型赤外線検知器。
5. 【請求項５】 請求項４記載の熱型赤外線検知器におい
   て、 前記埋込配線が、前記絶縁基板を構成する複層絶縁基板
   の層間に設けられている層間配線と、前記層間配線と前
   記内側電極及び前記外側電極とをそれぞれ接続する貫通
   配線とを有することを特徴とする熱型赤外線検知器。
6. 【請求項６】 請求項３〜５いずれかに記載の熱型赤外
   線検知器において、 前記輻射シールドが、前記赤外線検出素子の側方を覆う
   枠部とこの枠部の上面に取り付けられている天井部とを
   備えることを特徴とする熱型赤外線検知器。