JP2008145134A - 赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

【課題】 真空パッケージ内の真空度の低下を的確かつリアルタイムに検知し得て、検出感度の校正や素子交換の必要性の有無判断などを容易かつ適正に行うことができる赤外線検出器を提供する。
【解決手段】 真空パッケージ５の内部に、赤外線を受光して抵抗値又は電圧値の変化として出力するもので、かつ、その検出感度が真空パッケージ５内の真空度に依存するブリッジ構造のサーミスタボロメータ又はサーモパイル型赤外線検出素子９からなる熱型検出器６を実装するとともに、この熱型検出器６の近傍位置に、その検出感度が真空度に依存しない又は依存度の小さいダイヤフラム構造のサーモパイルからなる補償用赤外線検出素子７を実装し、この補償用赤外線検出素子７の検出感度と熱型検出器６の検出感度との差に基づいて真空パッケージ５内の真空度の変化を検出するように構成している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば放射温度計等のように、熱を持った対象物から放射される赤外線を受光して抵抗値又は電圧値の変化として出力する複数個の赤外線検出素子からなる熱型検出器を実装して構成されている赤外線検出器に関する。

この種の赤外線検出器における熱型検出器の赤外線検出素子は、その構成エレメントである赤外線受光部で受光した入射赤外線による微弱な熱が、赤外線検出素子に比べて非常に熱容量の大きい基板に吸収されることで熱損失を発生し、それが原因で検出感度の確保が困難である。それゆえに、検出感度を確保するためには、前記の熱損失を可及的に抑制すること、すなわち、赤外線受光部の熱絶縁性を高くすることが重要であり、そのための手段として、従来、例えばブリッジ構造のサーミスタボロメータなどのように、赤外線受光部と基板との間に数μｍ程度の空間が確保されるように前記赤外線受光部を基板に対して中空に浮かしたブリッジ構造の赤外線検出素子を用いて構成された熱型検出器を実装してなる赤外線検出器が一般的に知られている。

ところで、上記したようなブリッジ構造のサーミスタボロメータなどを用いて構成される従来一般の赤外線検出器においては、赤外線受光部と基板との間の空間が数μｍ程度と非常に狭いために、この空間に空気、ガス等の気体が存在すると、その気体を介して受光部の熱が基板に逃げてしまい、十分に高い検出感度が得られない。

特に、多数の赤外線受光部を二次元アレイ状等に配置してなる多素子化の赤外線検出素子の複数個を実装して構成される赤外線検出器では、検出器全体の小型化を図る上で、前記空間をできるだけ小さくしなければならないという構造的な制約があって、前記のような空間の存在による熱絶縁性、ひいては、検出感度の向上にも自ずと限界がある。

そこで、多数の赤外線受光部及び基板を有する赤外線検出素子の複数個から構成される熱型検出器全体を真空に封止された容器（以下、真空パッケージと称する）の内部に実装することにより、その熱型検出器における赤外線検出素子の熱絶縁性を十分に確保するようにした赤外線検出器が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、熱型検出器を真空パッケージ内に実装するとともに、通電により活性化することによって、容器内部のガス（空気）を吸着する機能を発揮するヒータ内蔵型のゲッターを真空パッケージ内に熱型検出器と並置し実装してなる赤外線検出器も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平１０−１１５５５６号公報 特開２００４−３０１６９９号公報

しかし、上記した従来の赤外線検出器のいずれにおいても、真空パッケージからの微小なリークや真空パッケージの構成材料から放出されるアウトガスなどによってパッケージ内部の真空度が経時的に劣化し、この真空度の劣化につれて前記の熱絶縁性が劣化してブリッジ構造の赤外線検出素子を用いたものであっても、図５の実線４１に示すように、検出感度の低下は大きく、長期に亘り良好な検出感度を安定維持することができない。その結果、当該赤外線検出器を放射温度計として使用する場合、真空パッケージ内の真空度の経時的な劣化によって、温度の計測精度が劣化することが避けられず、この計測精度の劣化に伴う誤差を校正するためには、温度が一定に定められた基準黒体などを赤外線検出器とは別途準備し、これを用いて温度計測の度に誤差を校正するといった面倒な作業を要するという問題があった。

また、特許文献２で示されているように、ゲッターを実装してなる従来の赤外線検出器の場合は、真空度の劣化に対応してゲッターを再活性化することにより、真空パッケージ内のガスを吸着してパッケージ内部を検出感度のよい真空度に回復することが可能であるものの、そのようなゲッターの再活性化のためにはゲッターまたは真空パッケージ全体を４００〜１０００℃に加熱する必要があり、このようなゲッターの再活性化を繰り返すことにより無駄に多くの電力を消費することになるだけでなく、赤外線検出素子や真空パッケージに大きな熱的ダメージを与えることになり、さらに、ゲッター自体の劣化を判別することが困難であるという問題があった。

本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、真空パッケージ内の真空度の劣化を的確かつリアルタイムに検知し得て、検出感度の校正や素子交換の必要性の有無判断を容易かつ適正に行うことができる赤外線検出器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る赤外線検出器は、真空パッケージの内部に、赤外線を受光して抵抗値又は電圧値の変化として出力するもので、かつ、その検出感度が前記容器内の真空度に依存する複数個の赤外線検出素子からなる熱型検出器を実装して構成されている赤外線検出器であって、前記熱型検出器の近傍位置に、その検出感度が真空度に依存しない又は依存度の小さい補償用赤外線検出素子を実装し、この補償用赤外線検出素子の検出感度と前記熱型検出器の検出感度との差に基づいて前記真空パッケージ内の真空度の変化を検出するように構成していることを特徴としている。

上記のような特徴構成を有する本発明によれば、真空パッケージ内からの微小なリークやアウトガスの放出などによって真空パッケージ内の真空度が劣化したとき、それに伴って熱型検出器を構成するエレメントで真空度に対する依存性の強い複数個の赤外線検出素子の検出感度と真空度に対する依存性の弱い補償用赤外線検出素子の検出感度との間には差が生じるので、その差に基づいて真空パッケージ内の真空度の変化（劣化）を的確かつリアルタイムに検知して当該赤外線検出器の感度、つまりは検出性能を自己診断することができ、その自己診断の結果に基づいて、補償用赤外線検出素子の検出感度を基準にして熱型検出器を構成する赤外線検出素子の検出感度を校正したり、熱型検出器を構成する赤外線検出素子の交換の必要性の有無を判断したりするなど赤外線検出器の検出性能を長期に亘り安定維持するための対策を容易かつ適正に実行することができる。その結果、当該赤外線検出器を放射温度計として使用する場合、真空パッケージ内の真空度の経時的劣化による温度の計測精度の劣化に伴い発生する誤差を、赤外線検出器とは別途準備した基準黒体などを用いて計測の度に校正するといった面倒な作業を行わずとも容易に校正して長期間使用に際しても常に高精度な計測性能を確保できるという効果を奏する。

本発明に係る赤外線検出器として、前記真空パッケージ内部に前記熱型検出器及び補償用赤外線検出素子と共にヒータ内蔵型のゲッターが実装されている赤外線検出器を対象とする場合、前記真空パッケージ内の真空度が設定値以上に劣化したとき、前記ヒータに通電してゲッターを再活性化して真空度を回復するように構成することが好ましい（請求項４）。

この場合は、当該赤外線検出器の製作完了時点で前記ゲッターを活性化して真空パッケージ内の残存空気やガスを吸着させて所定の真空度を確保することにより、良好な初期検出感度を有する赤外線検出器として出荷しつつ、それの実使用に伴う微小リークやアウトガスの放出などによって真空パッケージ内の真空度が設定値以上に劣化したときに限り、つまり、出荷初期の検出感度を維持できないと判断された適正なタイミングでゲッターを再活性化することが可能であり、これによって、必要以上に無駄な電力消費や素子などへの熱的ダメージを与えることなく、真空パッケージ内の真空度を回復させて、ほぼ初期検出感度を保持した当該赤外線検出器の使用寿命を延長することができるという効果を奏する。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明の第１実施の形態に係る赤外線検出器１の縦断面図であり、この赤外線検出器１は、赤外線透過窓２を取り付けたキャップ３とステム４により構成され、その内部が真空封止された真空パッケージ５内に、その検出感度が真空パッケージ５内の真空度に依存する熱型検出器６が前記ステム４上に固定されて実装されているとともに、この熱型検出器６の近傍位置に、その検出感度が真空パッケージ１内の真空度に依存しない又は依存度の小さい補償用赤外線検出素子７が前記ステム４に固定されて実装されている。

前記真空パッケージ５の内部は、前記ステム４に取り付けた排気管（図示省略する）を通じて真空引きした後、その排気管の端部を封止することにより、最終的に真空封止されている。

前記の検出感度が真空度に依存する熱型検出器６は、図１に示すように、前記赤外線透過窓２を通して入射される赤外線を受光する位置に、例えばシリコン基板などの基板８上にサーミスタボロメータ型赤外線検出素子９を配置して構成されている。

詳述すると、前記赤外線検出素子９は、図３に明示するように、例えばシリコン基板等の基板８上に配置された赤外線受光部９Ａを、２本の支脚９ａ，９ａを介して前記基板８との間に数μｍ程度の熱絶縁用空間９ｂが確保されるように前記基板８に対して中空に浮かしたブリッジ構造に構成されている。このようなブリッジ構造の赤外線受光部９Ａを前記基板８上に、図２に示すように、複数個、例えば６４×６４個の二次元アレイ状に配置して熱型検出器６が構成されており、この熱型検出器６では、前記赤外線透過窓２を通して入射される赤外線を赤外線検出素子９の赤外線受光部９Ａで受光し吸収することにより得られる微弱な熱を電圧の変化として出力し、その出力信号をボンディングワイヤ１０及び前記ステム４に貫通して設けたピン状端子１１を介して演算部１２に入力するように構成されている。

また、前記の検出感度が真空度に依存しない又は依存度の小さい補償用赤外線検出素子７は、図４に明示するように、基板１３上に絶縁膜１４を介して支持されたサーモパイルからなる赤外線受光部１５直下の前記基板１３部分をエッチング等により除去して熱絶縁（断熱）のために薄膜化されたダイヤフラム構造に構成されており、前記赤外線透過窓２を通して入射される赤外線を赤外線受光部１５で吸収することにより得られる微弱な熱を電圧の変化として出力し、その出力信号をワイヤ１６及び前記ステム４に貫通して設けたピン状端子１７を介して前記演算部１２に入力するように構成されている。

上記のように構成された第１実施の形態に係る赤外線検出器１において、前記真空パッケージ５内の真空度が正常な場合には、前述したブリッジ構造の熱型検出器６の検出感度もダイヤフラム構造の赤外線検出素子７の検出感度も共に図５に示すとおり同等な値を呈しており、前記ブリッジ構造の熱型検出器６の赤外線検出素子９の赤外線受光部９Ａで吸収された微弱な熱を抵抗の変化として出力することにより、人体や各種物体など熱を持った対象物から放射される赤外線（熱）の量を正確に計測することができる。

そして、使用時間の経過とともに真空パッケージ５からの微小なリークや該真空パッケージ５を構成するキャップ３やステム４の構成材料から放出されるアウトガスなどによって真空パッケージ５内の真空度が劣化すると、前記ブリッジ構造の熱検出器６の検出感度は図５の実線４１で示すように、急激に低下しその出力が低下する。

一方、前記ダイヤフラム構造の補償用赤外線検出素子７では、その受光部１５で吸収した熱が基板１３に伝わる（逃げる）量は薄膜受光部１５の周端縁部から基板１３への熱伝導が主体であることから非常に少なく、そのために、真空パッケージ５内の真空度が劣化しても、当該補償用赤外線検出素子７による検出感度の低下は、図５の点線４２で示すように、非常に小さく、その出力はほとんど低下することがない。
なお、図５は、真空パッケージ５内の真空度を所定の値としたときの相対感度を１として真空度と感度との相関関係を表わしている。

このように真空パッケージ５内の真空度が使用に伴って劣化することで、ブリッジ構造の熱型検出器６の出力とダイヤフラム構造の赤外線検出素子７の出力とに差が生じ、その差を演算部１２で算出することにより、前記真空パッケージ５内の真空度の劣化をリアルタイムに検知して該赤外線検出器１の検出性能を自己診断することが可能である。

そして、検出性能の自己診断の結果、つまり、前記の出力差に基づいて、ダイヤフラム構造の補償用赤外線検出素子７の検出感度を基準にしてブリッジ構造の赤外線検出素子９からなる熱型検出器６の検出感度を校正したり、熱型検出器６の出力を補償用赤外線検出素子７の出力を基準にしてゲイン補正したりすることにより、赤外線検出器１の検出性能を長期に亘り安定維持するための対策を容易かつ適正に実行することができる。また、感度校正や出力ゲインの補正に代えて、前記真空パッケージ５内の真空度劣化の検知結果を画面表示させてサーミスタボロメータ型赤外線検出素子の交換の目安とすることも可能である。

したがって、上記赤外線検出器１を放射温度計として使用する場合、真空パッケージ５内の真空度の経時的劣化による温度の計測精度の劣化に伴い発生する誤差を、赤外線検出器１とは別途準備した基準黒体などを用いて計測の度に校正するといった面倒な作業を行わずとも容易に補正して長期間使用にかかわらず常に高精度な温度計測性能を確保することができる。

なお、上記第１実施の形態では、熱型検出器６としてサーミスタボロメータ型赤外線検出素子９を用いたもので説明したが、これに代えて、アレイタイプのサーモパイル型赤外線検出素子を用いてもよい。また、補償用赤外線検出素子７としてダイヤフラム構造のサーモパイルを用いたが、これに代えて、ＰｂＳやＰｂＳｅ、ＩｎＳｂ、（Ｈｇ，Ｃｄ）Ｔｅなどの量子（光子）型検出素子を用いてもよく、これら検出素子の場合は、真空パッケージ５内の真空度の劣化にかかわらず、その検出感度はほぼ一定である。

図６は、本発明の第２実施の形態に係る赤外線検出器１´の縦断面図であり、この赤外線検出器１´では、真空パッケージ５内に熱型検出器６及び補償用赤外線検出素子７と共にヒータ内蔵型のゲッター１８を実装し、前記真空パッケージ５内の真空度が設定値（例えば、図５のＡ点）以上に上昇して検出感度差ΔＳが閾値以上になったとき、前記演算部１２からゲッター１８への通電回路１９をＯＮにして前記ゲッター１８を再活性化し、これによって、真空パッケージ５内のガスや空気を吸着して真空度を回復して前記熱型検出器６及び補償用赤外線検出素子７の検出感度を初期の正常レベルにまで復旧させるように構成したものであり、その他の構成は図１〜３に示す第１実施の形態と同様であるため、該当部材に同一の符号を付して、それらの説明を省略する。
なお、前記ゲッター１８は、ジルコニウム、バナジューム、鉄などを焼結して成形された非蒸発型のゲッターである。

上記のように構成された第２実施の形態に係る赤外線検出器１´においては、当該赤外線検出器１´の製作完了時点で前記通電回路１９をＯＮにしてヒータに通電しゲッター１８及び真空パッケージ５を４００〜１０００度に加熱することによりゲッター１８を活性化して真空パッケージ５内の残存空気やガスを吸着させて所定の真空度を確保し、良好な初期検出感度、検出性能を有する製品（赤外線検出器１´）として出荷する。

そして、当該赤外線検出器１´の実使用に伴う微小リークやアウトガスの放出などによって真空パッケージ５内の真空度が設定値Ａ以上に劣化し、熱型検出器６及び補償用赤外線検出素子７の検出感度差ΔＳが閾値以上になったとき、前記演算部１２からの制御信号により通電回路１９がＯＮに切換えられてヒータへの通電加熱によってゲッター１８が再活性化されて真空パッケージ５内のガスを吸着し内部の真空度を回復して前記熱型検出器６及び補償用赤外線検出素子７の検出感度を初期の正常レベルにまで復旧させることができる。

このように真空パッケージ５内の真空度が設定値Ａ以上に劣化した適正なタイミングでのみゲッター１８を再活性化することによって、必要以上に無駄な電力消費や素子などへの熱的ダメージを与えることなく、真空パッケージ５内の真空度を回復させて、ほぼ製品出荷時の初期検出感度、検出性能を保持した赤外線検出器１´に復旧させてその使用寿命を延長することができる。

本発明の第１実施の形態に係る赤外線検出器の縦断面図である。 同上赤外線検出器における熱型検出器の構成を示す一部切欠き要部の斜視図である。 同上熱型検出器の具体構成を示す要部の拡大斜視図である。 同上赤外線検出器における補償用赤外線検出素子の具体構成を示す拡大斜視図である。 真空度と検出感度との相関関係を示す図である。 本発明の第２実施の形態に係る赤外線検出器の縦断面図である。

符号の説明

１，１´ 赤外線検出器
５ 真空パッケージ
６ 熱型検出器
７ 補償用赤外線検出素子（ダイヤフラム構造のサーモパイル）
８，１３ 基板
９ 赤外線検出素子（ブリッジ構造のサーミスタボロメータ）
１８ ゲッター
１９ 通電回路

Claims (4)

1. 真空封止された容器の内部に、赤外線を受光して抵抗値又は電圧値の変化として出力するもので、かつ、その検出感度が前記容器内の真空度に依存する複数個の赤外線検出素子からなる熱型検出器を実装して構成されている赤外線検出器であって、
   前記熱型検出器の近傍位置に、その検出感度が真空度に依存しない又は依存度の小さい補償用赤外線検出素子を実装し、この補償用赤外線検出素子の検出感度と前記熱型検出器の検出感度との差に基づいて前記容器内の真空度の変化を検出するように構成していることを特徴とする赤外線検出器。
2. 前記熱型検出器が、ブリッジ構造のサーミスタボロメータ又はサーモパイルから構成され、かつ、前記補償用赤外線検出素子がダイヤフラム構造のサーモパイルから構成されている請求項１に記載の赤外線検出器。
3. 前記容器内の真空度の変化の検出結果に基づいて、前記熱型検出器の検出感度または出力を補正するように構成されている請求項１または２に記載の赤外線検出器。
4. 前記容器の内部には、ヒータ内蔵型のゲッターが実装されており、前記容器内の真空度が設定値以上に劣化したとき、前記ヒータに通電してゲッターを再活性化して真空度を回復するように構成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の赤外線検出器。

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