JP2005221264A - 赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で安価であり、かつセンサ素子の動作が安定して高精度検出が可能な赤外線検出器を提供する。
【解決手段】赤外線検出素子が形成されたセンサチップ１０ｔと、赤外線検出素子の入出力を制御する制御回路が形成された制御回路チップ２０ｔを、同一パッケージ内に備える赤外線検出器１００であって、制御回路が、赤外線検出素子からの出力信号を処理する信号処理回路と、信号処理回路の消費電力を一定にする消費電流一定回路を有してなる赤外線検出器１００とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、温度変化を測定して赤外線を感知する、小型の赤外線検出器に関するものである。

温度変化を測定して赤外線を感知する小型の赤外線検出器が、例えば、特開２００３−２７００４７号公報（特許文献１）に開示されている。

図４は、特許文献１に開示された赤外線検出器の模式的な断面図である。

図４に示す赤外線検出器９０は、赤外線を感知するセンサ素子９１と、センサ素子９１の出力信号を処理する信号処理回路が形成された回路チップ９２とが、別体として形成されている。このように、センサ素子９１と回路チップ９２を別チップとするで、センサ素子と信号処理回路を同じチップ内に形成する場合に較べて、安価に製造することができる。センサ素子９１は、薄肉部として形成されたメンブレン部９１ａと厚肉部９１ｂからなり、熱電対の温接点がメンブレン部９１ａ上に配置され、熱電対の冷接点が厚肉部９１ｂ上に配置されている。このようなメンブレン部９１ａを有するセンサ素子９１は、赤外線検出部である温接点の熱が厚肉部９１ｂ側に逃げ難く、高感度の赤外線検出が可能である。

また、赤外線検出器９０では、センサ素子９１が回路チップ９２上に積層して配置され、これらがステム９３とキャップ９４からなる同じパッケージ内に収容されている。このように、センサ素子９１と回路チップ９２をスタック構造とした赤外線検出器９０は、センサ素子９１と回路チップ９２を並んで配置する赤外線検出器に較べて、小型化することができる。
特開２００３−２７００４７号公報

図４の赤外線検出器９０では、回路チップ９２が発熱すると、熱が厚肉部９１ｂを通って熱電対の冷接点へ伝導する。このため、回路チップ９２における信号処理回路の発熱が一定でなく変動すると、熱電対の冷接点温度が安定しなくなり、高精度の赤外線検出が困難となる。

そこで本発明は、小型で安価であり、かつセンサ素子の動作が安定して高精度検出が可能な赤外線検出器を提供することを目的としている。

請求項１に記載の発明は、赤外線検出素子と、前記赤外線検出素子の入出力を制御する制御回路を、同一パッケージ内に備える赤外線検出器であって、前記制御回路が、前記赤外線検出素子からの出力信号を処理する信号処理回路と、前記信号処理回路の消費電力を一定にする消費電流一定回路を有してなることを特徴としている。

これによれば、制御回路が信号処理回路と消費電流一定回路を有するため、信号処理回路の動作状態によらず、信号処理回路の消費電流（従って、消費電力）が常に一定に保たれる。このため、信号処理回路の発熱量と発熱温度も常に一定となり、同じパッケージ内に収容される赤外線検出素子の動作が安定する。尚、定常的な一定の発熱量に伴う一定の温度上昇は、簡単な演算処理により、容易に補正することができる。従って、当該赤外線検出器を、高精度の赤外線検出が可能な赤外線検出器とすることができる。

請求項２に記載のように、前記制御回路が信号処理回路に一定電圧を供給する定電圧回路を有する場合には、前記消費電流一定回路を、外部電源からの入力ラインにおける定電圧回路の前段に挿入することが好ましい。

これによれば、定電圧回路により信号処理回路に一定電圧が供給されると共に、消費電流一定回路により、信号処理回路全体で消費される消費電流（従って、信号処理回路全体の消費電力）が常に一定に保たれる。このため、信号処理回路の全体の発熱量が常に一定となり、信号処理回路の発熱温度も一定となって、同じパッケージ内に収容される赤外線検出素子の動作が安定する。従って、当該赤外線検出器を、高精度の赤外線検出が可能な赤外線検出器とすることができる。

請求項３に記載のように、前記信号処理回路は、例えば、増幅部、Ａ／Ｄコンバータ、演算処理部、内部記憶メモリおよびＤ／Ａコンバータからなるように構成することができる。

上記信号処理回路においては、赤外線検出素子から出力されたセンサ出力信号を、演算処理部で最適な形に演算処理し、外部に出力することができる。一方、上記信号処理回路においては、演算処理部で内部記憶メモリを呼び出すトランジスタがオンする際に大きな突入電流が流れ、この突入電流でトランジスタが温度変動する。本発明の赤外線検出器においては、信号処理回路に付加された消費電流一定回路によって、前記トランジスタの突入電流が抑えられるため、前記トランジスタの発熱量も抑制されて、高精度の赤外線検出が可能な赤外線検出器となる。

請求項４に記載のように、前記消費電流一定回路は、例えば、差動増幅器を用いたフィードバック回路とすることができる。

請求項５に記載のように、前記赤外線検出素子と前記制御回路は、それぞれ、異なるチップに形成されてなることが好ましい。このように赤外線検出素子と制御回路を別チップに形成することで、それぞれの製造が容易になり、赤外線検出素子と制御回路を同じチップ内に形成する場合に較べて、赤外線検出器を安価に製造することができる。

請求項６に記載のように、前記赤外線検出素子が形成されたセンサチップは、前記制御回路が形成された制御回路チップ上に積層配置されてなることが好ましい。これによれば、センサチップと制御回路チップが並んで配置される赤外線検出器に較べて、小型の赤外線検出器とすることができる。

請求項７に記載のように、前記赤外線検出器は、前記センサチップが、薄肉部として形成されたメンブレンを有する基板からなり、前記赤外線検出素子が、前記基板上に形成された熱電対と赤外線吸収膜とからなり、前記熱電対の温接点が前記メンブレン上に形成され、前記熱電対の冷接点が前記メンブレンの外側の基板上に形成され、前記赤外線吸収膜が、前記温接点を被覆するようにメンブレン上に形成され、前記赤外線検出素子が、赤外線を受光したときに前記熱電対における温接点と冷接点との間に生じる温度差によって熱電対の起電力を変化させ、その変化した起電力に基づいて赤外線を検出する赤外線検出器に好適である。

上記のようなメンブレンを有するセンサチップは、熱電対の温接点における熱が基板側に逃げ難く、高感度の赤外線検出が可能である。このような高感度赤外線検出器であっても、上記のように制御回路が信号処理回路と消費電流一定回路を備えることで、赤外線検出素子の動作が安定して、高精度検出が可能な高精度な赤外線検出器とすることができる。

請求項８に記載のように、上記の赤外線検出器は、前記熱電対が、基板の上に異種材料の膜が交互に複数組直列に延設され、一つおきの接合部が前記温接点と冷接点となる、いわゆるサーモパイル式赤外線検出器であることが好ましい。サーモパイル式赤外線検出器は、大きなセンサ出力が得られ、高感度で高精度な赤外線検出器とすることができる。このような高感度かつ高精度な赤外線検出器であっても、上記のように制御回路が信号処理回路と消費電流一定回路を備えることで、赤外線検出素子の動作が安定して、高精度検出が可能な高精度な赤外線検出器とすることができる。

請求項９に記載のように、前記基板は半導体基板であり、前記赤外線検出素子は、絶縁膜を介して、前記半導体基板上に形成されることが好ましい。半導体基板を用いることで、一般的な半導体製造技術により容易にメンブレンを有する基板とすることができ、高感度な赤外線検出器を、低コストで製造することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を、図に基づいて説明する。

図１（ａ）は、本発明の赤外線検出器１００の模式的な断面図である。また、図１（ｂ）は、図１（ａ）の赤外線検出器１００に用いられている制御回路チップ２０ｔの回路構成を示す図である。

図１（ａ）に示す赤外線検出器１００は、赤外線検出素子が形成されたセンサチップ１０ｔと、赤外線検出素子の入出力を制御する制御回路が形成された制御回路チップ２０ｔを有する。センサチップ１０ｔは、制御回路チップ２０ｔ上に積層して配置され、これらがステム３０と赤外線フィルタ４０ｆが付いたキャップ４０からなる同じパッケージ内に収容されている。従って、図４において説明したように、センサチップ１０ｔと制御回路チップ２０ｔを並んで配置する赤外線検出器に較べて、小型化された赤外線検出器となっている。尚、ステム３０とキャップ４０は溶接されており、パッケージ内には窒素が封入されている。

センサチップ１０ｔと制御回路チップ２０ｔは別体として形成されており、図４において説明したように、それらを一体のチップとして形成する場合に較べて製造が容易であり、赤外線検出器１００を安価に製造することができる。センサチップ１０ｔと制御回路チップ２０ｔは、電気信号を伝えるボンディングワイヤ１５によって、互いに接続されている。

図２（ａ）〜（ｃ）に、センサチップ１０ｔの詳細を示す。図２（ａ）は、センサチップ１０ｔの模式的な断面図であり、図２（ｂ）は、模式的な上面図である。また、図２（ｃ）は、センサチップ１０ｔに形成された赤外線検出素子１０の構成およびセンサ出力の取り出しを示す模式図である。

図２（ａ）に示すように、センサチップ１０ｔはシリコン（Ｓｉ）半導体基板１からなり、裏面からエッチングされて薄肉部として形成されたメンブレン１０ｍを有する。半導体基板１上には、赤外線検出素子１０が、絶縁膜２を介して形成されている。半導体基板１上に形成された赤外線検出素子１０は、熱電対１０ａと赤外線吸収膜１０ｂとからなる。

図２（ｂ）に示すように、熱電対１０ａは、メンブレン１０ｍを取り囲むように配置される。尚、見やすくするために、図２（ｂ）と図２（ｃ）では、赤外線吸収膜１０ｂの図示が省略されている。

図２（ｃ）に示すように、熱電対１０ａは、半導体基板１の上に異種材料１０ａｘ，１０ａｙの膜が交互に複数組直列に延設され（サーモパイル）、一つおきの接合部が温接点１０ａｈと冷接点１０ａｃとなる。異種材料１０ａｘ，１０ａｙの膜の組み合せとしては、例えば、アルミニウム膜とポリシリコン膜の組み合せが用いられる。図２（ａ），（ｃ）に示すように、熱電対１０ａの温接点ａｈは、熱容量の小さいメンブレン１０ｍ上に形成されている。一方、熱電対１０ａの冷接点１０ａｃは、メンブレン１０ｍの外側における熱容量の大きい厚肉部１０ｎ上に形成されている。また、図２（ａ）に示すように、赤外線検出素子１０においては、温接点１０ａｈを被覆するようにして、赤外線吸収膜１０ｂが、メンブレン１０ｍ上に形成される。

人体などから赤外線が照射されると、赤外線吸収膜１０ｂに赤外線が吸収されて、温度上昇が起こる。その結果、赤外線吸収膜１０ｂの下に配置された温接点１０ａｈの温度が上昇する。一方、冷接点１０ａｃの温度は、厚肉部１０ｎがヒートシンクとなって上昇しないため、温度測定の基準点となる。このように、赤外線検出素子１０は、赤外線を受光したときの温接点１０ａｈと冷接点１０ａｃとの間に生じる温度差により熱電対１０ａの起電力を変化（ゼーペック効果）させ、その変化した起電力に基づいて赤外線を検出する。尚、図２（ｃ）に示す熱電対１０ａはサーモパイルとなっているため、各異種材料１０ａｘ，１０ａｙの組で発生する起電力の総和が、赤外線検出素子１０の出力となる。

図２（ａ）〜（ｃ）に示すメンブレン１０ｍを有するセンサチップ１０ｔは、熱電対１０ａの温接点１０ａｈにおける熱が厚肉部１０ｎに逃げ難く、高感度の赤外線検出が可能である。また、サーモパイルとなっている熱電対１０ａは、大きな起電力（センサ出力）が得られ、高感度で高精度な赤外線検出素子とすることができる。

一方、図１（ａ）に示すように、赤外線検出器１００においては、センサチップ１０ｔが制御回路チップ２０ｔ上に積層配置されているため、制御回路チップ２０ｔが発熱すると、熱が図２（ａ）に示す厚肉部１０ｎを通って熱電対１０ａの冷接点１０ａｃへ伝導する。このため、制御回路チップ２０ｔの発熱が一定でなく変動すると、冷接点１０ａｃの温度が安定しなくなり、高精度の赤外線検出が困難となる。

このため、図１（ａ）の赤外線検出器１００では、図１（ｂ）に示すように、制御回路チップ２０ｔに形成される制御回路が、赤外線検出素子からの出力信号を処理する信号処理回路と、信号処理回路の消費電力を一定にする消費電流一定回路を有している。

図１（ｂ）には、消費電流一定回路の構成の一例を示してある。図１（ｂ）の消費電流一定回路では図中のＡ点を基準電位とし、信号処理回路の消費電流が変わりＢ点の電位が変化しようとすると、Ｂ点の電位が一定になるように、差動アンプによりフィードバックがかかる。これに伴い、信号処理回路に供給される電流（Ｉｃｃ）が制御されて、信号処理回路の動作状態によらず、信号処理回路の消費電流（従って、消費電力）が常に一定に保たれる。このため、信号処理回路の発熱量と発熱温度も常に一定となり、同じパッケージ内に収容される図２（ａ）のセンサチップ１０ｔに形成された赤外線検出素子１０の動作が安定する。尚、定常的な一定の発熱量に伴う一定の温度上昇は、簡単な演算処理により、容易に補正することができる。このようにして、図１（ａ）の赤外線検出器１００を、高精度の赤外線検出が可能な赤外線検出器とすることができる。

次に、図１（ｂ）における消費電流一定回路と信号処理回路の関係をより詳細に説明する。

図３は、図１（ｂ）における制御回路をより詳細に示した図である。

図３の制御回路は、信号処理回路、信号処理回路に一定電圧を供給する定電圧回路および消費電流一定回路で構成されている。消費電流一定回路は、外部電源（Ｖｃｃ）からの入力ラインにおける定電圧回路の前段に挿入されている。

図３の信号処理回路は、増幅部（ＡＭＰ）、Ａ／Ｄコンバータ、演算処理部（ＣＰＵ）、内部記憶メモリおよびＤ／Ａコンバータで構成されている。この信号処理回路においては、赤外線検出素子１０から出力されたセンサ出力信号（Ｖｏｕｔ）を、演算処理部で絶対温度に換算し、外部に出力することができる。一方、この信号処理回路においては、演算処理部で内部記憶メモリを呼び出すトランジスタがオンする際に大きな突入電流が流れ、この突入電流で前記トランジスタが温度変動しようとする。このため、消費電流一定回路を有さない図４に示す従来の赤外線検出器においては、赤外線検出素子である熱電対の冷接点温度が安定しなくなり、高精度の赤外線検出が困難となる。しかしながら、図３の消費電流一定回路を有る本発明の赤外線検出器においては、消費電流一定回路によって前記トランジスタの突入電流が抑えられるため、前記トランジスタの発熱量も抑制されて、高精度の赤外線検出が可能となる。

尚、図３の制御回路では、消費電流一定回路が、定電圧回路の前段に挿入されている。このため、消費電流一定回路により、信号処理回路全体で消費される消費電流（従って、信号処理回路全体の消費電力）が常に一定に保たれる。このようにして、信号処理回路の全体の発熱量が常に一定となり、信号処理回路の発熱温度も一定となって、同じパッケージ内に収容される赤外線検出素子の動作が安定する。

以上のようにして、図１〜３に示す本発明の赤外線検出器１００は、小型で安価であり、かつセンサ素子の動作が安定して高精度検出が可能な赤外線検出器となっている。

（ａ）は、本発明の赤外線検出器の模式的な断面図である。（ｂ）は、（ａ）の赤外線検出器に用いられている制御回路チップの回路構成を示す図である。 センサチップの詳細を示す図で、（ａ）は模式的な断面図であり、（ｂ）は模式的な上面図であり、（ｃ）は赤外線検出素子の構成およびセンサ出力の取り出しを示す模式図である。 図１（ｂ）における制御回路をより詳細に示した図である。 従来の赤外線検出器の模式的な断面図である。

符号の説明

９０，１００ 赤外線検出器
１０ｔ センサチップ
１ 半導体基板
２ 絶縁膜
１０ 赤外線検出素子
１０ｍ メンブレン
１０ｎ 厚肉部
１０ａ 熱電対
１０ａｈ 温接点
１０ａｃ 冷接点
１０ｂ 赤外線吸収膜
２０ｔ 制御回路チップ
３０ ステム
４０ キャップ
４０ｆ 赤外線フィルタ

Claims (9)

1. 赤外線検出素子と、前記赤外線検出素子の入出力を制御する制御回路を、同一パッケージ内に備える赤外線検出器であって、
   前記制御回路が、
   前記赤外線検出素子からの出力信号を処理する信号処理回路と、
   前記信号処理回路の消費電力を一定にする消費電流一定回路を有してなることを特徴とする赤外線検出器。
2. 前記制御回路が、
   前記信号処理回路に一定電圧を供給する定電圧回路を有し、
   前記消費電流一定回路が、
   外部電源からの入力ラインにおける、前記定電圧回路の前段に挿入されてなることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検出器。
3. 前記信号処理回路が、
   増幅部、Ａ／Ｄコンバータ、演算処理部、内部記憶メモリおよびＤ／Ａコンバータからなることを特徴とする請求項１または２に記載の赤外線検出器。
4. 前記消費電流一定回路が、
   差動増幅器を用いたフィードバック回路であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
5. 前記赤外線検出素子と前記制御回路が、それぞれ、異なるチップに形成されてなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の赤外線検出器。
6. 前記赤外線検出素子が形成されたセンサチップが、
   前記制御回路が形成された制御回路チップ上に積層配置されてなることを特徴とする請求項５に記載の赤外線検出器。
7. 前記センサチップが、薄肉部として形成されたメンブレンを有する基板からなり、
   前記赤外線検出素子が、前記基板上に形成された熱電対と赤外線吸収膜とからなり、
   前記熱電対の温接点が前記メンブレン上に形成され、前記熱電対の冷接点が前記メンブレンの外側の基板上に形成され、
   前記赤外線吸収膜が、前記温接点を被覆するようにメンブレン上に形成され、
   前記赤外線検出素子が、赤外線を受光したときに前記熱電対における温接点と冷接点との間に生じる温度差によって熱電対の起電力を変化させ、その変化した起電力に基づいて赤外線を検出することを特徴とする請求項６に記載の赤外線検出器。
8. 前記熱電対が、基板の上に異種材料の膜が交互に複数組直列に延設され、一つおきの接合部が前記温接点と冷接点となることを特徴とする請求項７に記載の赤外線検出器。
9. 前記基板が半導体基板であり、
   前記赤外線検出素子が、絶縁膜を介して、前記半導体基板上に形成されることを特徴とする請求項７または８に記載の赤外線検出器。

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