JP2007127496A - Thermal infrared detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、熱物体からの赤外線輻射を検知し、熱物体の温度分布等の検出を行う熱型赤外線検知器に関する。 The present invention relates to a thermal infrared detector that detects infrared radiation from a thermal object and detects a temperature distribution of the thermal object.
ボロメータ型の熱型赤外線検知器は、赤外線入射による検知素子の温度変化を抵抗の変化として検知し、その抵抗の変化から測定対象物の温度を計測するものである。ボロメータ型検知器における検知素子は、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。熱型赤外線検知器の赤外線検出素子は、この検知素子をアレイ状に配置して構成され、2次元の赤外線画像が得られるようになっている。 The bolometer-type thermal infrared detector detects a change in temperature of a detection element due to incidence of infrared rays as a change in resistance, and measures the temperature of an object to be measured from the change in resistance. The detection element in the bolometer-type detector has a diaphragm thermally separated from the silicon wafer by a thin beam, and a resistor (bolometer) is formed on the diaphragm. The infrared detection element of the thermal infrared detector is configured by arranging the detection elements in an array, and a two-dimensional infrared image can be obtained.
上述のように、上記検知器は熱を画像化するものである。通常、測定対象物から発せられた赤外線は光学系を用いて検知器面に結像され画像化される。しかし、検知器周囲の温度が変化すると、測定対象物から発せられ光学系を通過して入射する赤外線の他に、周囲の熱輻射も検知器に入射し、測定対象物からの赤外線量と検知器周囲からの赤外線量とが判別できないため、本来測定したい測定対象物からの赤外線画像を画像化できないという問題があった。 As described above, the detector images heat. Usually, infrared rays emitted from a measurement object are imaged and imaged on a detector surface using an optical system. However, when the ambient temperature of the detector changes, in addition to the infrared rays emitted from the measurement object and incident through the optical system, ambient thermal radiation also enters the detector, and the amount of infrared rays from the measurement object and the detection Since the amount of infrared rays from the surroundings of the vessel cannot be discriminated, there is a problem that an infrared image from a measurement object to be originally measured cannot be imaged.
この問題に対して、特許文献1には、検知器周囲からの熱輻射を遮断する輻射シールドを備えた熱型赤外線検知器が開示されている。図5は、特許文献1に記載の熱型赤外線検知器の断面構成を示す概念図であり、図6は、特許文献1の図2をもとに、赤外線検出素子の1画素の断面構成を模式的に示した概念図であり、更に、図7は図5におけるA部の拡大図である。
With respect to this problem,
図5に示すように、熱型赤外線検知器101では、シリコンウェハ110と後述する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102は真空容器103に保持されている。赤外線検出素子102は検知素子である画素をアレイ状に2次元配置して構成される。図6に示すように、ボロメータ(抵抗)112が形成されたダイアフラム113はシリコンウェハ110上から細い梁114により空洞121を隔てて熱的に分離されている。
As shown in FIG. 5, in the thermal
赤外線111の入射に起因するダイアフラム113部分の温度上昇による抵抗値の変化は、バイアス電流を印加することにより読み出される。このため、バイアス電流によって生じるジュール熱による検知素子自体の温度上昇が問題となる。この温度上昇は、測定対象物からの赤外線入射によるダイアフラム113部分の温度上昇を遙かに上回る。通常、この発熱による検知素子の温度上昇を抑える目的で、赤外線検出素子102は電子冷却素子107上に置かれ、一定温度に保たれる。
The change in the resistance value due to the temperature rise of the
上述のように、熱型赤外線検知器101は測定対象物から発せられた赤外線を吸収して抵抗の変化を電気的信号として読み出すため、外界の温度変化により真空容器103の温度が変化し、その赤外線輻射が赤外線検出素子102に入射すると、測定対象物から入射する赤外線量と、周辺部から入射する赤外線輻射とを判別することができない。
As described above, since the thermal
そこで、特許文献1に開示された技術においては、輻射シールド109と称する開口部を有する金属部品を赤外線検出素子102の前面及び側面に配置し、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102に入射する赤外線輻射を、光学系を透過した輻射及び輻射シールド109からの輻射に制限している。なお、輻射シールド109は、電子冷却素子107上に配置されたシリコンウェハ110の上に形成されているため、その温度が一定に保たれていることが特徴である。
Therefore, in the technique disclosed in
赤外線検出素子に対して、輻射シールド109は赤外線入射用開口部以外に開口部を有さないようになっているため、外部と電気的に接続可能な外部接続用端子105と、赤外線検出素子102とを電気的に接続するための工夫が必要となる。図7に示すように、内部ボンディングパット116及び外部ボンディングパット117を、夫々輻射シールド109を挟んでシリコンウェハ110上に設け、多層のシリコンウェハ110の間を層間配線120する。そして、赤外線検出素子102上に形成されたボンディングパット115と内部ボンディングパット116とを第1ボンディングワイヤ118を介してボンディングし、更に、外部ボンディングパット117と外部接続用端子105とを第2ボンディングワイヤ119を介してボンディングすることにより、外部接続用端子105と赤外線検出素子102とが電気的に接続される。
Since the
また、上記の目的とは異なるが、特許文献2においては、輻射温度の検出精度及び感度がよく、鮮明な画像が得られるような熱型赤外線センサが提案されている。この熱型赤外線センサは焦電効果を利用したセンサである。図8は、特許文献2に記載の赤外線センサの1実施例を示す断面図である。図8に示すように、201a、201b及び201cは焦電特性を有する薄膜状の焦電エレメントであり、焦電薄膜エレメント201a、201b及び201cの各上面の赤外線受光面側には受光電極203a、203b及び203cを、同下面の赤外線非受光面側には下部電極202a、202b及び202cを具備してセンサエレメント201A,201B及び201Cが構成されている。センサエレメント201A、201B及び201Cは、保持層204上に各々が所定の間隔を有して埋設され、さらにこの保持層204は基板205により保持されている。また、保持層204上面の赤外光受光面側には、センサエレメント201A、201B及び201Cの非配置領域に入射した赤外線207を反射するための金属製の赤外光反射金属膜208が設けられている。この赤外光反射金属膜208の機能は、センサエレメント非配置領域に入射した赤外線が保持層204に吸収され、この部分が温度上昇することでセンサエレメントに熱が流れ込み、その結果、輻射温度の検出精度が劣化することを防止することである。
Further, although different from the above purpose,
しかしながら、上述の従来の技術には以下に示すような問題点がある。 However, the conventional techniques described above have the following problems.
特許文献1に記載の従来の熱型赤外線検知器においては、赤外線検出素子全体を輻射シールドで覆い、電子冷却素子を利用して輻射シールドを一定の温度に保つことにより開口部以外からの輻射の影響を排除している。そのため、構成物を格納する真空容器は必然的に大きくなり、熱型赤外線検知器の小型化及び軽量化ができないという問題点がある。更に、輻射シールドが配置されているため、赤外線検出素子と外部接続用端子とを接続するためには、第1ボンディングワイヤ、シリコンウェハ間の層間配線、第2ボンディングワイヤ、と配線する必要があり、コストがかかるという問題点がある。
In the conventional thermal infrared detector described in
また、特許文献2に記載の赤外線センサにおいては、センサエレメント間に赤外光反射金属膜が設けられているが、これらはセンサエレメント非配置領域に入射する赤外線を反射するためのものであり、その形状は膜状であれば十分に効果的である。そのため、周辺部から入射する外乱となる赤外線を遮断するためのシールド状のものとは異なり、外乱となる赤外線に起因する温度計測精度の低下という問題に対処するものではない。
Moreover, in the infrared sensor described in
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであって、周辺部から入射する外乱となる赤外線輻射を遮断することで赤外線計測精度が高く、小型、軽量、及び低価格の熱型赤外線検知器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such a problem, and is a thermal infrared detector that is high in infrared measurement accuracy by blocking infrared radiation that is a disturbance incident from a peripheral portion, and is small, lightweight, and low in cost. The purpose is to provide.
本発明に係る熱型赤外線検知器は、複数個の画素が1次元又は2次元的に表面に配置された赤外線検出素子と、前記赤外線検出素子の動作温度を制御する電子冷却素子と、前記赤外線検出素子と前記電子冷却素子とが格納され赤外線を前記赤外線検出素子に入射させる赤外線入射用開口部が形成された真空容器と、を有し、前記赤外線検出素子は前記画素の間を仕切るようにして前記赤外線素子の表面に立設されたマイクロシールドを有し、このマイクロシールドは前記赤外線検出素子の表面に垂直な方向の高さが前記画素間を結ぶ方向の厚さよりも大きいことを特徴とする。 The thermal infrared detector according to the present invention includes an infrared detection element having a plurality of pixels arranged one-dimensionally or two-dimensionally on the surface, an electronic cooling element that controls an operating temperature of the infrared detection element, and the infrared ray A vacuum vessel in which a detection element and the electronic cooling element are housed and an infrared incident opening for allowing infrared rays to enter the infrared detection element is formed, and the infrared detection element partitions the pixels. A micro shield standing on the surface of the infrared element, the micro shield having a height in a direction perpendicular to the surface of the infrared detection element larger than a thickness in a direction connecting the pixels. To do.
本発明においては、赤外線検出素子全体に赤外線遮断用のシールドを設けるのではなく、各画素の間を仕切るようにして赤外線検出素子表面にマイクロシールドを立設する。このとき、マイクロシールドの高さは画素間を結ぶ方向の厚さよりも大きい。このように、マイクロシールドを設置することにより、赤外線検出素子の各画素に入射する赤外線は、赤外線入射用開口部を通過した輻射及びマイクロシールドからの輻射に限定され、周辺部からの外乱となる赤外線輻射はマイクロシールドに遮断されて各画素に直接入射することが防止される。また、マイクロシールドは電子冷却素子により温度が一定に保たれているため、外界の温度変化には影響されず、そのため、赤外線検出素子に入射する外乱となる赤外線輻射の影響が排除される。このため、赤外線検知器の検出精度が高い。そして、従来技術に見られるように、赤外線検出素子全体を輻射シールドで囲む必要がないので、熱型赤外線検知器を小型及び軽量化することが可能である。 In the present invention, the shield for blocking infrared rays is not provided on the entire infrared detection element, but a microshield is erected on the surface of the infrared detection element so as to partition each pixel. At this time, the height of the microshield is larger than the thickness in the direction connecting the pixels. In this way, by installing the microshield, the infrared light incident on each pixel of the infrared detection element is limited to radiation that has passed through the infrared incident opening and radiation from the microshield, resulting in disturbance from the periphery. Infrared radiation is blocked by the microshield and prevented from directly entering each pixel. Further, since the temperature of the micro shield is kept constant by the electronic cooling element, it is not affected by the temperature change of the outside world, and therefore, the influence of the infrared radiation that becomes a disturbance incident on the infrared detection element is eliminated. For this reason, the detection accuracy of the infrared detector is high. And as seen in the prior art, it is not necessary to enclose the entire infrared detection element with a radiation shield, so that the thermal infrared detector can be reduced in size and weight.
マイクロシールドは各画素の周囲を囲むようにして配置することもでき、各画素を格子状に囲むように配置することもできる。 The microshield can be arranged so as to surround each pixel, or can be arranged so as to surround each pixel in a grid pattern.
熱型赤外線検知器は、赤外線検出素子の熱検出部にボロメータが形成されたボロメータ型とすることができる。 The thermal infrared detector can be a bolometer type in which a bolometer is formed in the heat detection part of the infrared detection element.
また、電子冷却素子はペルチェ効果を利用した電子冷却素子とすることができる。 Further, the electronic cooling element can be an electronic cooling element utilizing the Peltier effect.
赤外線検出素子がシリコンウェハ上に形成され、このシリコンウェハ内部には信号読み出し回路が形成されていてもよい。読み出し回路を構成する素子は例えばMOS型とすることができる。 An infrared detection element may be formed on a silicon wafer, and a signal readout circuit may be formed inside the silicon wafer. The element constituting the readout circuit can be, for example, a MOS type.
真空容器に外部に電気的に接続するための外部接続用端子を設け、この外部接続用端子と赤外線検出素子とを1本のボンディングワイヤにより直接接続することが可能である。したがって、特許文献1に記載の従来の接続手段と比較して、コストの削減が可能となる。
It is possible to provide an external connection terminal for electrically connecting to the vacuum vessel to the outside, and to directly connect the external connection terminal and the infrared detection element with a single bonding wire. Therefore, the cost can be reduced as compared with the conventional connection means described in
本発明によれば、赤外線検出素子の画素の間を仕切るようにしてマイクロシールドを配置することにより、測定対象物以外からの外乱となる赤外線輻射を遮断し、赤外線検出精度を向上させることができる。更に、従来の熱型赤外線検知器と比較して、本発明の熱型赤外線検知器は、小型、軽量、及び低価格になる。 According to the present invention, by arranging the microshield so as to partition the pixels of the infrared detection element, it is possible to block infrared radiation that is a disturbance from other than the measurement target and improve the infrared detection accuracy. . Furthermore, compared with the conventional thermal infrared detector, the thermal infrared detector of the present invention is small in size, light in weight, and low in price.
以下、本発明の実施形態に係る熱型赤外線検知器について添付の図面を参照して具体的に説明する。図1は、本実施形態に係る熱型赤外線検知器の断面構造を示す概念図であり、図2は、本実施形態に係る熱型赤外線検知器の画素を上面から見た場合の構造を示す概念図であり、更に、図3は、前記1画素を側面から見た場合の構造を示す概念図である。 Hereinafter, a thermal infrared detector according to an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 is a conceptual diagram illustrating a cross-sectional structure of a thermal infrared detector according to the present embodiment, and FIG. 2 illustrates a structure of a pixel of the thermal infrared detector according to the present embodiment as viewed from above. FIG. 3 is a conceptual diagram, and FIG. 3 is a conceptual diagram showing a structure when the one pixel is viewed from the side.
図1に示すように、本実施形態における熱型赤外線検知器1においては、真空容器3の内底面上にペルチェ効果を利用した電子冷却素子7が配置されており、その上にシリコンウェハ6が接着されている。そして、赤外線検出素子2はシリコンウェハ6上に形成されている。赤外線検出素子2上には、マイクロシールド10が赤外線検出素子2を構成する各画素の周囲を囲むようにして形成されている。赤外線検出素子2の上部の真空容器3の一部には赤外線入射用開口部4が設けられ、この開口部を覆うようにして窓5が真空容器3に溶接されている。
As shown in FIG. 1, in the thermal
また、電子冷却装置7はシリコンウェハ6及び赤外線検出素子2の温度を一定に保つ一方で、真空容器3底部の平板に熱を放出する。真空容器3の下部には、外部と電気的に接続するための外部接続端子9が真空容器3の下部を貫通するようにして設置されている。赤外線検出素子2と外部接続端子9との間には、赤外線検出素子2を駆動させるための入力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なされ、赤外線検出素子2上のボンディングパット(図示せず)と外部接続端子9とがボンディングワイヤ19により直接接続されている。また、真空容器3には金属製の排気管8が接続され、排気管8を真空排気装置に接続して真空容器3内を所定の圧力にした後、排気管8を外部から圧切りすることにより、真空容器3内を封止する。
The
次に、赤外線検出素子2の1画素の断面構造を、図6及び図3を参照して説明する。図6に示すように、シリコンウェハ110上には2つの梁114が形成され、ボロメータ(抵抗)112の形成されたダイアフラム113はこれら2つの梁114によってダイアフラム113とシリコンウェハ110との間に形成された空洞121を隔てて支持されている。したがって、ダイアフラム113はシリコンウェハ110の表面から熱的に分離されている。また、ボロメータ(抵抗)112の下方のシリコンウェハ110上には赤外線反射膜123が形成されている。また、シリコンウェハ110の下層部には、例えばMOS型の信号読み出し回路122が設けられている。本実施形態における赤外線検出素子はこれらの画素が2次元的に配置されて構成されたものであり、さらに、各画素の周囲を囲むようにしてマイクロシールドが形成されている。
Next, a cross-sectional structure of one pixel of the
図3は、本実施形態における1画素の構造を側面から見た場合の概念図である。図3に示すように、シリコンウェハ6上に形成された赤外線検知器1画素14は、マイクロシールド10によって隣接する左右の画素と仕切られている。マイクロシールド10は、赤外線検知器1画素14が赤外線入射用開口部を経て入射する赤外線を受光し、一方、周辺からの輻射13を遮断するようにその高さが設定されている。そのため、マイクロシールドの10の高さはその幅よりも大きい。
FIG. 3 is a conceptual diagram when the structure of one pixel in this embodiment is viewed from the side. As shown in FIG. 3, the
また、図2は、熱型赤外線検知器の画素の構造を上面から見た場合の概念図である。赤外線検出素子を構成する各画素はマイクロシールド10により格子状に仕切られている。また、梁11はダイアフラム12の外周に沿って延びており、上述のように、ダイアフラム12とその背面に存在するシリコンウェハとの間に熱遮断のための空洞が形成されている。
FIG. 2 is a conceptual diagram when the pixel structure of the thermal infrared detector is viewed from above. Each pixel constituting the infrared detection element is partitioned in a lattice shape by the
図4に、半導体製造プロセスを利用したマイクロシールドの作成方法の一例を示す。図4(a)に示すように、ダイアフラム12とシリコンウェハ6との間に空洞を形成するために、シリコンウェハ6上に犠牲層16を形成する。次に、形成された犠牲層16の上にダイアフラム12を形成し、赤外線受光部に相当する部分の表面上に温度検出部となるボロメータ15を成膜形成する。更に、ボロメータ15部分を除いて、赤外線検出素子を犠牲層16で覆う。そして、犠牲層16の一部にマイクロシールド形成用の溝17を掘る。次に、図4(b)に示すように、溝17にマイクロシールドの材料を形成する。マイクロシールドの材料は、例えばアルミニウムである。最後に、図4(c)に示すように、全ての犠牲層16をエッチングすることにより、ボロメータ15及びマイクロシールド10が形成される。なお、図4(d)は、図4(c)において示されたダイアフラム12部分の更に詳細な図であり、前述の梁11、入射赤外線を吸収して熱を発生する吸収膜18、及び赤外線を反射する反射板20が図示されている。
FIG. 4 shows an example of a method for creating a microshield using a semiconductor manufacturing process. As shown in FIG. 4A, a
次に、上述の如く構成された本実施形態に係る熱型赤外線検知器の動作について説明する。赤外線入射開口部4を通過して入射した測定対象物からの赤外線は赤外線検出素子2の画素を構成するダイアフラム12に吸収され、ダイアフラム12の温度が上昇する。この温度上昇によるボロメータ(抵抗)15の抵抗値の変化は、バイアス電流を印加することにより読み出される。ただし、バイアス電流により生じるジュール熱による赤外線検出素子2自体の温度上昇を抑える目的で、赤外線検出素子2は電子冷却素子7により温度が一定に保たれている。また、外界の温度変化により真空容器3の温度が変化し、その赤外線輻射が赤外線検出素子2に入射することにより計測精度が劣化する可能性がある。このため、赤外線検出素子2を構成する画素の周囲にはマイクロシールド10が配置されており、外乱となる周辺部からの赤外線輻射が遮断される。マイクロシールド10もシリコンウェハ6及び赤外線検出素子2を介して電子冷却素子7により温度が一定となっており、外乱となる赤外線輻射が除外される。
Next, the operation of the thermal infrared detector according to this embodiment configured as described above will be described. Infrared rays from the measurement object incident through the infrared incident opening 4 are absorbed by the
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態に係る熱型赤外線検知器においては、赤外線検出素子2を構成する各画素の周囲にマイクロシールド10が配置されているため、測定対象物以外からの外乱となる赤外線輻射が遮断され、赤外線計測精度が向上する。更に、赤外線検出素子全体を輻射シールドで覆う従来技術に比べて、検知器の小型軽量化が可能となり、また、赤外線検出素子2と外部接続用端子9とを1本のボンディングワイヤ19により直接接続するので、従来技術に比べて、低価格な熱型赤外線検知器を提供することができる。
Next, the effect of this embodiment will be described. In the thermal infrared detector according to the present embodiment, since the
1;熱型赤外線検知器
2;赤外線検出素子
3;真空容器
4;赤外線入射用開口部
5;窓
6;シリコンウェハ
7;電子冷却素子
8;排気管
9;外部接続用端子
10;マイクロシールド
11;梁
12;ダイアフラム
13;輻射
14;赤外線検知器1画素
15;ボロメータ
16;犠牲層
17;溝
18;吸収膜
19;ボンディングワイヤ
20;反射板
101;熱型赤外線検知器
102;赤外線検出素子
103;真空容器
104;赤外線入射用開口部
105;外部接続用端子
106;窓
107;電子冷却素子
108;排気管
109;輻射シールド
110;シリコンウェハ
111;赤外線
112;ボロメータ(抵抗)
113;ダイアフラム
114;梁
115;ボンディングパット
116;内部ボンディングパット
117;外部ボンディングパット
118;第1ボンディングワイヤ
119;第2ボンディングワイヤ
120;層間配線
121;空洞
122;読み出し回路
123;赤外線反射膜
201A、201B、201C;センサエレメント
201a、201b、201c;焦電薄膜エレメント(薄膜)
202a、202b、202c;下部電極
203a、203b、203c;受光電極
204;保持層
205;基板
207;赤外線
208;赤外光反射金属膜
DESCRIPTION OF
113;
202a, 202b, 202c;
Claims (6)
The vacuum vessel is provided with an external connection terminal for electrical connection to the outside, and the external connection terminal and the infrared detection element are directly connected by a single bonding wire. The thermal infrared detector according to any one of claims 1 to 5.
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