JP2012184969A - Thermal infrared sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、サーモパイル素子を用いた熱型赤外線センサに関するものである。 The present invention relates to a thermal infrared sensor using a thermopile element.
例えば、特許文献１には、図７に示すような赤外線透過窓４１Ａを有したキャン４Ａと、平板状のステム１Ａとからなる容器の内部空間内に、シリコン基板ＷＡの表面に温接点及び冷接点が形成されたサーモパイル素子２Ａと、前記サーモパイル素子２Ａと、前記ステム１Ａとの間を接続する伝熱部材５Ａとを備えた赤外線センサが示されている。このような赤外線センサでは温接点のみ赤外線により温度上昇し、冷接点は一定温度に保たれることを前提にしているが、実際には赤外線により冷接点にも温度上昇が生じることがある。また、外気温の変化によっても冷接点の温度が変化することもある。このように冷接点に温度変化が生じると、前記赤外線センサからの出力が異常な値になる等、誤動作が生じるので、前記サーモパイル素子の冷接点の温度を一定に保つ必要がある。 For example, Patent Document 1 discloses that a hot contact and a cold contact are formed on the surface of the silicon substrate WA in the internal space of a container composed of a can 4A having an infrared transmission window 41A as shown in FIG. 7 and a flat stem 1A. An infrared sensor is shown that includes a thermopile element 2A in which contacts are formed, and a heat transfer member 5A that connects the thermopile element 2A and the stem 1A. In such an infrared sensor, it is assumed that only the hot junction is heated by infrared rays and the cold junction is maintained at a constant temperature, but in reality, the temperature may also rise at the cold junction by infrared rays. Also, the temperature of the cold junction may change due to changes in the outside air temperature. When the temperature change occurs in the cold junction as described above, malfunction occurs such as an output from the infrared sensor becomes an abnormal value. Therefore, it is necessary to keep the temperature of the cold junction of the thermopile element constant.
このため特許文献１に記載の赤外線センサ１００Ａは、前記冷接点で温度上昇等が生じたとしても、前記サーモパイル素子２Ａの冷接点とステムとの間で熱が速やかに移動して、すぐに前記ステム１Ａと略同じ温度になるように、前記サーモパイル素子２Ａの前記シリコン基板ＷＡの裏面と、前記ステムとを伝熱部材５Ａによって接続している。つまり、このものは、前記冷接点で生じた熱を、まずシリコン基板ＷＡの表側から裏側まで移動させ、さらに伝熱部材５Ａを通過させて、最終的にステム１Ａに到達するという経路で移動させるように構成されている。 Therefore, in the infrared sensor 100A described in Patent Document 1, even if a temperature rise or the like occurs at the cold junction, the heat quickly moves between the cold junction of the thermopile element 2A and the stem, The back surface of the silicon substrate WA of the thermopile element 2A and the stem are connected by a heat transfer member 5A so that the temperature is substantially the same as that of the stem 1A. In other words, in this case, the heat generated at the cold junction is first moved from the front side to the back side of the silicon substrate WA, further passed through the heat transfer member 5A, and finally moved to the stem 1A. It is configured as follows.
しかしながら、サーモパイル素子を構成するシリコン基板は、金属に比べて熱伝導性が劣るものであり、シリコン基板の表側から裏側への熱の移動はそれほど速やかには行われないので、このような構成の赤外線センサでは、温度変化に対する応答性に関する問題を解決しきれない。言い換えると、上述したような熱の移動経路においてサーモパイル素子を構成する基板の表側から裏側へと移動する部分が存在すると、この部分が熱の移動のボトルネックとなってしまい、温度変化に対する応答性の向上に限界が生じてしまう。 However, the silicon substrate constituting the thermopile element is inferior in thermal conductivity to metal, and heat transfer from the front side to the back side of the silicon substrate is not performed so quickly. Infrared sensors cannot solve the problems related to responsiveness to temperature changes. In other words, if there is a part that moves from the front side to the back side of the substrate constituting the thermopile element in the heat transfer path as described above, this part becomes a bottleneck of heat transfer and responsiveness to temperature changes. There will be a limit to the improvement.
本発明は、上述したような問題を鑑みてなされたものであり、冷接点における温度上昇や外気温の変化等があっても、サーモパイル素子の冷接点から速やかに熱を移動させることができ、正常な出力を行うことができる熱型赤外線センサを提供する事を目的とする。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and even if there is a temperature rise or a change in the outside air temperature at the cold junction, heat can be quickly transferred from the cold junction of the thermopile element, An object is to provide a thermal infrared sensor capable of normal output.
すなわち、本発明の熱型赤外線センサは、赤外線透過窓が形成されたキャンと、前記キャンが取り付けられ、当該キャンとともに内部空間を形成するステムと、前記内部空間内に収容されており、シリコン基板の一方の面に温接点部及び冷接点部が形成されたサーモパイル素子と、前記内部空間内に収容されており、前記赤外線透過窓及び前記温接点部との間において当該温接点部へと赤外線を入射させるための貫通孔が形成された金属製のシボリと、を備え、前記サーモパイル素子が、前記一方の面に形成された冷接点部を前記シボリに熱的に接続させて取り付けられているとともに、前記シリコン基板の他方の面と前記ステムとの間に隙間が形成されており、前記シボリが、前記ステムに熱的に接続させて取り付けられているとともに、前記キャンとの間には隙間が形成されていることを特徴とする。ここで「熱的に接続する」とは、例えば前記冷接点部と前記シボリとが直接接触して熱の移動が行われること、又は、前記冷接点部と前記シボリとが接着剤等を介して間接的に接触して熱の移動が行われることの両方の概念を含むものである。 That is, the thermal infrared sensor of the present invention includes a can in which an infrared transmission window is formed, a stem to which the can is attached and which forms an internal space together with the can, and is accommodated in the internal space, and is a silicon substrate. A thermopile element having a hot junction part and a cold junction part formed on one surface of the thermopile element, and is accommodated in the internal space, and infrared rays are transmitted to the hot junction part between the infrared transmission window and the hot junction part. The thermopile element is attached by thermally connecting the cold junction portion formed on the one surface to the symbol. In addition, a gap is formed between the other surface of the silicon substrate and the stem, and the recess is attached in thermal connection with the stem. Between the serial scan, characterized in that a gap is formed. Here, “thermally connected” means, for example, that the cold junction portion and the symbol are in direct contact with each other to transfer heat, or the cold junction portion and the symbol are connected via an adhesive or the like. It includes both the concepts of indirect contact and heat transfer.
このようなものであれば、前記冷接点部の熱は、前記サーモパイル素子を構成する基板の一方の面から前記シボリを介して、前記ステムまで移動するので、前記基板の一方の面から他方の面へと移動する経路が存在しない。従って、金属に比べて熱伝導性の劣る基板を通過しないようにすることができるので、熱の移動についてボトルネックが生じるのを防ぐことができる。しかも、前記シボリは金属製のため、従来のより素早く冷接点部から熱を移動させることができる。このため、前記冷接点部において温度上昇が生じたり、外気温に変化が生じたりしても速やかに前記冷接点部の温度を前記ステムを基準として一定に保つことができる。 If it is such, since the heat | fever of the said cold junction part moves from one surface of the board | substrate which comprises the said thermopile element to the said stem via the said memory, from one surface of the said board | substrate, the other side There is no path to move to the surface. Therefore, since it can be prevented from passing through a substrate having a thermal conductivity inferior to that of metal, it is possible to prevent a bottleneck from occurring in heat transfer. In addition, since the symbol is made of metal, heat can be transferred from the cold junction portion more quickly than in the past. For this reason, even if a temperature rise occurs in the cold junction part or a change occurs in the outside air temperature, the temperature of the cold junction part can be quickly kept constant with reference to the stem.
さらに、前記サーモパイル素子と前記ステムとの間に隙間が形成されているとともに、前記シボリと前記キャンとの間にも隙間が形成されているので、前記冷接点部からの熱の移動は、前記シボリを介して前記ステムに到達する１つの移動経路に略限定される。このため、前記冷接点部の温度基準がステムだけにあることが明確になり赤外線の検出精度をより確かなものにすることができる。 Furthermore, since a gap is formed between the thermopile element and the stem, and a gap is also formed between the hollow and the can, the movement of heat from the cold junction portion is It is substantially limited to one movement path that reaches the stem via a symbol. For this reason, it becomes clear that the temperature reference of the cold junction portion is only in the stem, and the infrared detection accuracy can be made more reliable.
前記サーモパイル素子に入射する赤外線の量を厳密に所定量とできるように、エッチング等による前記貫通孔の加工精度を良くしやすくするとともに、熱伝導にも悪影響を与えないようにするには、前記シボリが、金属製の複数の薄板部材から構成されており、各薄板部材を前記赤外線透過窓と、前記ステムとの間において積層して各面板間が拡散接合されているものであればよい。このようなものであれば、一枚の厚い板材に貫通孔を形成するのに比べて加工精度を向上させることが容易であり、前記各部材は拡散接合されているので、各薄板部材間での結晶成長が生じていることから略一体物の場合と同じ熱伝導性を持たせることができる。ここで、「拡散接合」とは、接合する部材同士を密着させ、接合する部材の融点以下の温度条件で，塑性変形をできるだけ生じない程度に加圧して，接合面間に生じる原子の拡散を利用して接合することを言う。 In order to make the amount of infrared rays incident on the thermopile element exactly a predetermined amount, in order to improve the processing accuracy of the through-holes by etching or the like and not to adversely affect heat conduction, The shibori is composed of a plurality of thin plate members made of metal, and each thin plate member may be laminated between the infrared transmission window and the stem, and each face plate may be diffusion bonded. If it is such, since it is easy to improve a processing precision compared with forming a through-hole in one thick board | plate material, and each said member is diffusion-bonded, between each thin board member, Thus, the same thermal conductivity as in the case of the one-piece structure can be provided. Here, “diffusion bonding” refers to the diffusion of atoms generated between bonded surfaces by bringing members to be bonded into close contact with each other and applying pressure to the extent that plastic deformation does not occur as much as possible under temperature conditions below the melting point of the members to be bonded. Saying to use and join.
特に前記サーモパイル素子に入射する光の量に大きな影響を与える部材のみ高い加工精度で貫通孔の加工を行えるようにし、前記シボリ全体の製造コストを抑えられるようにするには、前記薄板部材のうち、前記赤外線透過窓と対向する薄板部材が他の薄板部材に比べて最も厚みが小さく設定されていればよい。 In particular, in order to enable only a member that greatly affects the amount of light incident on the thermopile element to process a through-hole with a high processing accuracy, and to reduce the manufacturing cost of the whole of the thin plate member, The thin plate member facing the infrared transmission window may be set to have the smallest thickness as compared with other thin plate members.
前記冷接点部から前記シボリを介して前記ステムへと熱をスムーズに移動させるための前記シボリの具体的な態様としては、前記シボリが、前記貫通孔が中央部に形成された板状の天板部と、前記天板部の周辺部から前記ステムへと延びて当該ステムと接触する脚部と、を備え、前記サーモパイル素子の前記冷接点部が、前記天板部において前記脚部が設けられている側の面に熱伝導性接着剤により取り付けられているものが挙げられる。 As a specific aspect of the symbol for smoothly transferring heat from the cold junction portion to the stem via the symbol, the symbol is a plate-shaped ceiling with the through hole formed in the central portion. A plate portion and a leg portion that extends from a peripheral portion of the top plate portion to the stem and contacts the stem, wherein the cold junction portion of the thermopile element is provided with the leg portion in the top plate portion. What is attached to the surface of the side currently attached by the heat conductive adhesive agent is mentioned.
前記熱型赤外線センサの出力を温度補正する際において、冷接点部の状態をより正確に反映させて温度補正を行うことができるようにするには、温度補正用のサーミスタが、前記サーモパイル素子の冷接点部にのみ接触させて更に設けられていればよい。 When the temperature of the output of the thermal infrared sensor is corrected, the thermistor for temperature correction can be used to accurately reflect the state of the cold junction portion and perform temperature correction. It only needs to be further provided only in contact with the cold junction.
前記サーモパイル素子の周囲の部材からの放射熱の影響を均一にし、赤外線の検出精度をより向上させるには、前記ステムと接触し、前記サーモパイル素子との間には隙間が形成されるように設けられたヒートシンクを更に備え、前記ヒートシンクが前記シボリと同じ材質であるとともに、当該シボリと接触するように設けられたものであればよい。 In order to make the influence of radiant heat from the surrounding members of the thermopile element uniform and improve the infrared detection accuracy further, it is provided so as to be in contact with the stem and to form a gap between the thermopile element. What is necessary is just to be provided further so that the said heat sink may be further provided with the said heat sink, and it may be provided with the said heat sink.
前記ヒートシンクに反射鏡としての機能を付加し、前記サーモパイル素子への放射熱の影響を均一にするには、前記ヒートシンクが、前記サーモパイル素子と対向する面が凹面状であればよい。 In order to add a function as a reflecting mirror to the heat sink and make the influence of radiant heat on the thermopile element uniform, the surface of the heat sink that faces the thermopile element may be concave.
このように本発明の熱型赤外線センサによれば、前記サーモパイル素子の冷接点部からまず前記シボリへと熱が直接移動し、金属製の前記シボリにより速やかに前記ステムへと移動するように構成されているので、前記冷接点部に温度上昇が生じたり、外気温が急激に変化したりしたとしても、冷接点部の温度は、前記ステムを基準として速やかに一定に保つことができる。その結果、センサ出力に誤動作が生じることを防ぐことができる。 As described above, according to the thermal type infrared sensor of the present invention, heat is directly transferred from the cold junction portion of the thermopile element to the symbol first, and is quickly moved to the stem by the metal symbol. Therefore, even if the temperature rises in the cold junction part or the outside air temperature changes suddenly, the temperature of the cold junction part can be kept constant quickly based on the stem. As a result, it is possible to prevent a malfunction from occurring in the sensor output.
本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
本実施形態の熱型赤外線センサ１００は、例えば放射温度計として用いられるものであり、図１の斜視分解図及び図２の拡大縦断面図に示すように、土台から上方に向かって順に、ステム１、サーモパイル素子２、シボリ３、キャン４の順に平面視において各部材の中心点が一致するように並べて構成してある。より具体的には、前記ステム１と、当該ステム１をキャップして覆うように設けてあるキャン４とによって形成される内部空間内に、前記サーモパイル素子２と、前記シボリ３とを収容してある。なお、以下の説明における断面図では、図面の見やすさのためリードピンＰ及び、前記リードピンＰが挿入される前記ステム１に形成された挿入孔については図示を省略している。 The thermal infrared sensor 100 of the present embodiment is used as, for example, a radiation thermometer. As shown in the perspective exploded view of FIG. 1 and the enlarged vertical sectional view of FIG. 1, the thermopile element 2, the symbol 3, and the can 4 are arranged in order so that the center points of the respective members coincide in plan view. More specifically, the thermopile element 2 and the recess 3 are accommodated in an internal space formed by the stem 1 and a can 4 provided to cover and cover the stem 1. is there. In the cross-sectional views in the following description, the illustration of the lead pin P and the insertion hole formed in the stem 1 into which the lead pin P is inserted is omitted for easy viewing of the drawing.
各部について説明する。 Each part will be described.
前記ステム１は、円周近傍は薄く形成してあるとともに中央部側を肉厚に形成して突出している概略平円盤状の台座であって、前記サーモパイル素子２において熱起電力により生じる信号を取り出すためのリードピンＰが複数本貫通して設けてある。このステム１は例えば、コバール等の鉄系合金で形成されており、後述する他の部材に比べてその熱容量が大きくなるように構成してある。また、前記ステム１に設けられた前記リードピンＰが挿入される図示しない挿入孔の内側周面には絶縁層が形成してあり、前記リードピンＰから前記ステム１へと電気が流れないようにしてある。 The stem 1 is a substantially flat disk-shaped pedestal that is formed thin in the vicinity of the circumference and has a thick central portion and protrudes, and a signal generated by thermoelectromotive force in the thermopile element 2 is generated. A plurality of lead pins P are provided to be taken out. The stem 1 is made of, for example, an iron-based alloy such as Kovar, and is configured to have a larger heat capacity than other members described later. Further, an insulating layer is formed on the inner peripheral surface of an insertion hole (not shown) in which the lead pin P provided in the stem 1 is inserted so that electricity does not flow from the lead pin P to the stem 1. is there.
前記キャン４は、上面が蓋をされ、下面が開口している概略薄肉円筒状の形状をしたものであり、前記上面に赤外線透過窓４１が形成してある。そして、このキャン４の下面開口部が、前記ステム１の中央部と嵌合することによって内部空間を形成するようにしてある。また、前記キャン４も例えばコバール等の鉄系合金を用いている。加えて、前記リードピンＰ、前記ステム１はハーメチックシール等が施されており、前記内部空間が密閉空間となるようにしてある。 The can 4 has a substantially thin cylindrical shape with a top face covered and an open bottom face, and an infrared transmission window 41 is formed on the top face. The lower surface opening of the can 4 is fitted with the central portion of the stem 1 to form an internal space. The can 4 also uses an iron-based alloy such as Kovar. In addition, the lead pin P and the stem 1 are provided with a hermetic seal or the like so that the internal space becomes a sealed space.
前記赤外線透過窓４１は、前記キャン４の上面において矩形状に切除して形成された開口に、シリコン、ゲルマニウム等の熱伝導性が良好な半導体を母材として、その両面にコーティング膜を形成して赤外線のみを透過するようにしてある。 The infrared transmission window 41 is formed by forming a coating film on both surfaces of a base material made of a semiconductor having good thermal conductivity such as silicon or germanium in an opening formed by cutting a rectangular shape on the upper surface of the can 4. Only infrared rays are transmitted.
図３は、前記シボリ３、前記サーモパイル素子２について分かりやすさのために厚み方向の長さ寸法を３倍にして表示したものである。また、図４（ａ）は温接点と、冷接点とを結線した状態を模式的に示したものであり、図４（ｂ）は、前記サーモパイル素子２における温接点、冷接点のある場所を想像線により模式的に示した図である。前記サーモパイル素子２は、図３、図４の模式図に示すように概略正方形状のチップであって、薄板状のシリコン基板Ｗの表面（一方の面）に複数の熱電対が直列に接続されたサーモパイルが形成されており、前記シリコン基板Ｗの中央部には複数の温接点２１１からなる温接点部２１が形成されており、前記シリコン基板Ｗの周辺部には複数の冷接点２２１を備えた冷接点部２２が形成されたものである。 FIG. 3 is a graph showing the thickness 3 and the thermopile element 2 with the length in the thickness direction tripled for easy understanding. 4A schematically shows a state where the hot junction and the cold junction are connected, and FIG. 4B shows a place where the thermopile element 2 has the hot junction and the cold junction. It is the figure typically shown by the imaginary line. The thermopile element 2 is a substantially square chip as shown in the schematic diagrams of FIGS. 3 and 4, and a plurality of thermocouples are connected in series to the surface (one surface) of the thin silicon substrate W. A thermopile is formed, a hot contact portion 21 comprising a plurality of hot contacts 211 is formed at the center of the silicon substrate W, and a plurality of cold contacts 221 are provided at the periphery of the silicon substrate W. The cold junction portion 22 is formed.
より具体的には、前記サーモパイル素子２は、前記基板Ｗの中央部を薄肉化して平面視で正方形状のダイヤフラム構造が形成されている領域内に温接点部２１が形成してある。この温接点部２１は、図４（ｂ）に示すように想像線で示される複数の温接点２１１を具備し、それら温接点２１１の配置が、ダイヤフラムが形成されている領域内において、その中心から所定半径の円周上となるようにしてある。更にこのダイヤフラムが形成されている中央部の領域内にカーボンブラック膜等が形成されることで、赤外線を受光すると前記温接点部２１が加熱される受光部２１２が形成してある。 More specifically, the thermopile element 2 has a hot contact portion 21 formed in a region where the central portion of the substrate W is thinned and a square diaphragm structure is formed in plan view. As shown in FIG. 4B, the hot junction 21 includes a plurality of hot junctions 211 indicated by imaginary lines, and the arrangement of the hot junctions 211 is centered within the region where the diaphragm is formed. To be on the circumference of a predetermined radius. Further, a carbon black film or the like is formed in a central region where the diaphragm is formed, thereby forming a light receiving portion 212 that heats the hot contact portion 21 when receiving infrared rays.
前記ウエハＷの表面において前記温接点部２１の外側に形成された冷接点部２２は、前記シリコン基板Ｗの中心から前記ダイヤフラム構造よりも外側の領域において複数の冷接点２２１が正方形状に設けてあるものである。これらの冷接点２２１は、前記サーモパイル素子２が前記シボリ３に取り付けられる際に当該シボリ３と接触させるようにしてある。なお、この冷接点部２２には、出力電圧の温度補償を行うためのサーミスタＴが取り付けてある。 The cold junction portion 22 formed outside the warm junction portion 21 on the surface of the wafer W has a plurality of cold junctions 221 in a square shape in a region outside the diaphragm structure from the center of the silicon substrate W. There is something. These cold junctions 221 are configured to come into contact with the reference 3 when the thermopile element 2 is attached to the reference 3. The cold junction 22 is provided with a thermistor T for temperature compensation of the output voltage.
前記シボリ３は、前記赤外線透過窓４１及び前記温接点部２１との間において前記サーモパイル素子２の受光部２１２に入射する光の量を所定量にするためのものであり、前記受光部２１２から見た視野を決定するものである。言い換えると、前記赤外線透過窓４１と前記温接点部２１との間に介在することにより、前記サーモパイル素子２に前記赤外線透過窓４１へと赤外線が入射できる光軸に対する角度を制限するものである。前記シボリ３の全体形状としては、中心軸に貫通孔３１を備えた概略円筒形状をしたものであり、その下面が凹部を有したものである。すなわち、前記シボリ３は、前記貫通孔３１が中央部に形成された概略平円板状の天板部３３と、前記天板部３３の裏面の円周部から前記ステム１側へと延びるリング状の脚部３４と、を備えるものである。そして、平面視において前記脚部３４の内部に前記サーモパイル素子２を配置してあり、かつ、前記サーモパイル素子２の表面にある前記冷接点部２２が前記天板部３３の裏面と接触するとともに、前記温接点部２１が前記貫通孔３１から見えるように配置してある。ここで、前記シボリ３は、前記ステム１及び前記サーモパイル素子２にのみ接触させて熱的に接続してであり、それらとの間は熱伝導性接着剤Ｇにより接着してある。前記キャン４との間には隙間が形成してある。加えて、前記サーモパイル素子２は、前記シボリ３にのみ接触するとともに、前記ステム１とは直接接触せず、当該ステム１との間には少なくとも０．２ｍｍ以上の隙間が形成してある。 The symbol 3 is for making the amount of light incident on the light receiving part 212 of the thermopile element 2 between the infrared transmitting window 41 and the hot junction part 21 a predetermined amount. The field of view is determined. In other words, by interposing between the infrared transmission window 41 and the hot junction 21, the angle with respect to the optical axis at which infrared rays can enter the infrared transmission window 41 is limited to the thermopile element 2. The overall shape of the recess 3 is a substantially cylindrical shape having a through-hole 31 in the central axis, and its lower surface has a recess. That is, the symbol 3 includes a substantially flat disk-shaped top plate portion 33 in which the through hole 31 is formed in the center portion, and a ring extending from the circumferential portion on the back surface of the top plate portion 33 to the stem 1 side. Shaped leg 34. And the thermopile element 2 is arranged inside the leg part 34 in a plan view, and the cold junction part 22 on the surface of the thermopile element 2 is in contact with the back surface of the top plate part 33, The hot contact portion 21 is arranged so as to be seen from the through hole 31. Here, the base 3 is in contact with only the stem 1 and the thermopile element 2 and thermally connected thereto, and is bonded thereto by a heat conductive adhesive G. A gap is formed between the can 4. In addition, the thermopile element 2 is in contact with only the base 3 and is not in direct contact with the stem 1, and a gap of at least 0.2 mm is formed between the stem 1 and the thermopile element 2.
このような前記シボリ３は、銅からなる４枚の円盤状の薄板部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄを重ね合わせて前述した形状を構成してあるものであり、一番上に配置され、前記赤外線透過窓４１と対向する薄板部材３２ａは４枚の中で最も薄くしてある。そして、これらの薄板部材３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、３２ｄは、まず分離している状態で予め前記貫通孔３１を形成しておいた後に、拡散接合により一体の前記シボリ３に形成してある。このようにすることで、例えばエッチングにより前記貫通孔３１を形成する場合、薄い状態の程加工精度を担保し易く、特に前記最上面の薄板部材３２ａにおいて、貫通孔３１の寸法精度を高めることができる。従って、前記貫通孔３１の寸法精度を高くすることができるので、前記赤外線透過窓４１から前記温接点部２１に入射する光の量を厳密に制限することができるので、前記サーモパイル素子２から出力される電圧も正確な値となる。 The symbol 3 is composed of four disc-shaped thin plate members 32a, 32b, 32c, and 32d made of copper to form the shape described above, and is arranged on the top, The thin plate member 32a facing the infrared transmission window 41 is the thinnest of the four sheets. The thin plate members 32a, 32b, 32c, and 32d are formed in the integrated recess 3 by diffusion bonding after the through holes 31 are formed in advance in a separated state. In this way, for example, when the through hole 31 is formed by etching, the processing accuracy is easier to secure as the state is thinner. In particular, in the thin plate member 32a on the uppermost surface, the dimensional accuracy of the through hole 31 can be increased. it can. Therefore, since the dimensional accuracy of the through-hole 31 can be increased, the amount of light incident on the hot contact portion 21 from the infrared transmission window 41 can be strictly limited, so that the output from the thermopile element 2 The voltage applied is also an accurate value.
このように構成された本実施形態の熱型赤外線センサ１００によれば、シリコン基板Ｗの表側に温接点部２１、冷接点部２２が形成されたサーモパイル素子２について、前記冷接点部２２と銅製の前記シボリ３とを接触させるとともに、前記シボリ３が前記ステム１に接触させてあるので、図５に示すように、冷接点部２２からシボリ３を経由し、前記ステム１へと速やかに熱を移動させることができる。言い換えると、熱伝導の障害となるシリコン基板Ｗ内の熱の移動が存在しないため、前記赤外線透過窓４１からの赤外線により仮に前記冷接点部２２に熱が加えられたとしても、前記冷接点部２２の熱を熱容量の大きい前記ステム１へ速やかに移動させることができ、前記冷接点部２２の温度をほとんど変化させないようにすることができる。 According to the thermal infrared sensor 100 of the present embodiment configured as described above, with respect to the thermopile element 2 in which the hot junction portion 21 and the cold junction portion 22 are formed on the front side of the silicon substrate W, the cold junction portion 22 and copper 5 and the stem 3 are in contact with the stem 1. As shown in FIG. 5, as shown in FIG. Can be moved. In other words, since there is no movement of heat in the silicon substrate W which becomes an obstacle to heat conduction, even if heat is applied to the cold junction portion 22 by infrared rays from the infrared transmission window 41, the cold junction portion 22 The heat of 22 can be quickly moved to the stem 1 having a large heat capacity, and the temperature of the cold junction portion 22 can be hardly changed.
さらに、図５から明らかなように前記サーモパイル素子２は前記ステム１と隙間が設けてあり、前記シボリ３も前記キャン４と隙間が設けてあることから、図示している経路以外のその他の経路で熱が移動することはない。つまり、温度基準が前記ステム１だけに存在することになり、測定されている温度等の信頼性を高めることができる。 Further, as apparent from FIG. 5, the thermopile element 2 is provided with a gap with the stem 1, and the shiver 3 is also provided with a gap with the can 4. Heat does not move. That is, the temperature reference exists only in the stem 1, and the reliability of the measured temperature or the like can be improved.
別の実施形態について説明する。前記実施形態において説明した部材と対応する部材には同じ符号を付すこととする。 Another embodiment will be described. The members corresponding to the members described in the embodiment are denoted by the same reference numerals.
図６に示すように、前記実施形態にさらにヒートシンク５を設けても構わない。このヒートシンク５は、概略平円板形状をしたものであり、前記脚部３４に締まり嵌めで嵌合するとともに、前記ステム１と接触し、前記サーモパイル素子２との間には隙間が形成されるように設けてある。さらに、このヒートシンク５が前記シボリ３と同じ材質であるので、前記シボリ３と、前記ヒートシンク５との境界で熱の移動はスムーズに行われることになる。加えて、このヒートシンク５は、その上面に凹面が形成されている。このように構成する事で、前記サーモパイル素子２の周囲は同じ材質の部材で囲われていることになるので、各部材からの放射熱も均一となり、前記冷接点部２２に不均衡な温度上昇等を生じさせないようにすることができる。従って、より温度変化の生じにくい出力の安定した熱型赤外線センサ１００となる。 As shown in FIG. 6, a heat sink 5 may be further provided in the embodiment. The heat sink 5 has a substantially flat disk shape, and is fitted into the leg portion 34 with an interference fit, and is in contact with the stem 1 so that a gap is formed between the thermopile element 2. It is provided as follows. In addition, since the heat sink 5 is made of the same material as that of the recess 3, heat is smoothly transferred at the boundary between the recess 3 and the heat sink 5. In addition, the heat sink 5 has a concave surface on its upper surface. With this configuration, the periphery of the thermopile element 2 is surrounded by members of the same material, so that the radiant heat from each member becomes uniform, and the cold junction portion 22 has an unbalanced temperature rise. Etc. can be prevented. Therefore, the thermal infrared sensor 100 with a stable output that is less susceptible to temperature change is obtained.
その他の実施形態について説明する。 Other embodiments will be described.
前記実施形態では、前記シボリは複数の薄板部材から構成されていたが、許容できる寸法精度によっては、例えば鍛造等により形状を成形してもよいし、切削により前記貫通孔を形成してもよい。また、前記実施形態では、放射温度計として熱型赤外線センサを使用しているが、例えば、単に赤外線を検知するために用いても構わない。前記ヒートシンクの上面の形状は前記実施形態に限られるものではなく、放物面や球面であっても構わない。また、前記シボリは熱伝導性のよい金属であればよく、銅に限られるものではない。 In the embodiment, the symbol is composed of a plurality of thin plate members. However, depending on an allowable dimensional accuracy, the shape may be formed by forging or the like, or the through hole may be formed by cutting. . Moreover, in the said embodiment, although the thermal type infrared sensor is used as a radiation thermometer, you may use, for example only in order to detect infrared rays. The shape of the upper surface of the heat sink is not limited to the above embodiment, and may be a paraboloid or a spherical surface. Moreover, the above-mentioned metal is not limited to copper as long as it is a metal having good thermal conductivity.
その他、本発明の趣旨に反しないかぎりにおいて、様々な変形や実施形態の組み合わせを行ってもよいことは言うまでもない。 In addition, it goes without saying that various modifications and combinations of embodiments may be performed without departing from the spirit of the present invention.
１００・・・熱型赤外線センサ
１ ・・・ステム
２ ・・・サーモパイル素子
２１ ・・・温接点部
２２ ・・・冷接点部
３ ・・・シボリ
４ ・・・キャン
５ ・・・ヒートシンク
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Thermal type infrared sensor 1 ... Stem 2 ... Thermopile element 21 ... Warm junction part 22 ... Cold junction part 3 ... Shibori 4 ... Can 5 ... Heat sink
Claims (5)
前記キャンが取り付けられ、当該キャンとともに内部空間を形成するステムと、
前記内部空間内に収容されており、シリコン基板の一方の面に温接点部及び冷接点部が形成されたサーモパイル素子と、
前記内部空間内に収容されており、前記赤外線透過窓及び前記温接点部との間において当該温接点部へと赤外線を入射させるための貫通孔が形成された金属製のシボリと、を備え、
前記サーモパイル素子が、前記一方の面に形成された冷接点部を前記シボリに熱的に接続させて取り付けられているとともに、前記シリコン基板の他方の面と前記ステムとの間に隙間が形成されており、
前記シボリが、前記ステムに熱的に接続させて取り付けられているとともに、前記キャンとの間には隙間が形成されていることを特徴とする熱型赤外線センサ。 A can formed with an infrared transmission window;
A stem to which the can is attached and forms an internal space with the can;
A thermopile element housed in the internal space and having a hot contact portion and a cold contact portion formed on one surface of the silicon substrate;
A metal hollow which is housed in the internal space and has a through-hole for allowing infrared rays to enter the warm contact portion between the infrared transmission window and the warm contact portion, and
The thermopile element is attached by thermally connecting a cold junction portion formed on the one surface to the recess, and a gap is formed between the other surface of the silicon substrate and the stem. And
The thermal infrared sensor, wherein the shiver is attached to the stem while being thermally connected, and a gap is formed between the can and the can.
前記サーモパイル素子の前記冷接点部が、前記天板部において前記脚部が設けられている側の面に熱伝導性接着剤により取り付けられている請求項１、２又は３記載の熱型赤外線センサ。 The symbol comprises a plate-like top plate portion in which the through hole is formed in the center portion, and a leg portion that extends from a peripheral portion of the top plate portion to the stem and contacts the stem,
The thermal infrared sensor according to claim 1, 2 or 3, wherein the cold junction part of the thermopile element is attached to a surface of the top plate part on the side where the leg part is provided by a heat conductive adhesive. .
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