JP2016510398A - 表面積が増大したｉｒセンサー - Google Patents

Abstract

センサー、センサーを含むシステム、並びにこうしたセンサーおよびシステムを使用する方法が提供される。一態様では、センサーは、ハウジング内に少なくとも部分的に配置されたセンサー素子を含む。センサー素子は、相互接続された複数のセグメントを含み、各セグメントは焦電結晶を備え、センサーは、何れかのセグメントに赤外線が照射されると単一の単体信号を発生することができる。

Description

本開示は、概して、赤外線センサーに関し、より詳細には、表面積が増大した赤外線センサーに関する。

［関連出願］
本願は、２０１２年１２月２８日に出願された同時係属中の米国仮特許出願第61/747037号の利益を主張するものであり、この米国特許仮出願は、本願と一体をなすものとして引用する。

赤外（ＩＲ）線検出器は、例えば、例えば動物、自動車、飛行機、砲火、ミサイル、爆発、炎等の物体によって放射される赤外線等の熱エネルギーに応答する。この熱エネルギーは、通常、人間の目には見えない。従って、赤外線検出器を用いることにより、目に見えない物体を知覚することができ、および／または、可視物体の代替的な像を得ることができる。

赤外線検出器に対して有用な電気信号を提供するために赤外線エネルギーの吸収によって励起することができる材料が知られている。幾つかの赤外線検出器は、赤外線で加熱するとその材料において導電率の変化が発生するという事実を利用する。この導電率の変化を用いて、赤外線感受性材料に印加される信号が変調される。これらの赤外線検出器は、目的によっては十分であるが、こうした赤外線検出器における反応時間は、動作が完全に熱効果によって決まるため本質的に長い。

別のタイプの赤外線検出器は、光伝導性原理に基づいて作用する或る特定の材料を採用し、それにより、材料が赤外線エネルギーの吸収によって励起されると、材料における導電率が変化する。これらの光伝導性材料のうちの幾つかは、使用することができ、非常に短い時定数を有している。

鉛塩は、或る特定の波長の赤外線エネルギーの検出に対してもっとも感受性の高い材料のうちの幾つか、特にセレン化鉛及び硫化鉛材料を提供する。これらの材料を利用する赤外線検出器は、通常、基板の上にセレン化鉛または硫化鉛の薄膜を備え、その薄膜または薄層の反対側に電気リード線が接続されている。鉛塩の薄膜は、基板上への真空蒸発若しくは真空蒸着の何れかによって、或いは、溶液から基板上に化学蒸着することによって形成することができる。

本開示は、後続の請求項によって定義され、このセクションにおける何れも、それらの請求項に対する限定として解釈されるべきではない。

一態様では、センサーが提供される。センサーは、限定されないが、ハウジング内に位置するセンサー素子を含み、センサー素子は、相互接続された複数のセグメントを含み、各セグメントは焦電結晶を備え、センサーは、何れかのセグメントに赤外線が照射されると単一の単体信号を発生する。

別の態様では、赤外線センサーが提供される。赤外線センサーは、限定されないが、窓を形成するハウジングと、ハウジング内に位置する焦電素子とを含み、焦電素子は、相互接続された複数の焦電セグメントを含み、相互接続された複数の焦電セグメントは、赤外線が照射されると単一の単体信号を発生する。

更なる態様では、赤外線を検出するシステムが提供される。システムは、限定されないが、半球状アレイに配置された複数のセンサーを含み、各センサーは、窓を形成するハウジングと、ハウジング内に位置するセンサー素子とを含む。センサー素子は、相互接続された複数のセグメントを含む。相互接続された複数のセグメントは、赤外線が照射されると単一の単体信号を発生する。

更に別の態様では、センサーが提供され、センサーは、相互接続された複数のセグメントを含むセンサー素子を含む。各セグメントは焦電結晶を備え、センサーは、何れかのセグメントに赤外線が照射されると単一の単体信号を発生するように構成されている。

更に別の態様では、赤外線センサーが提供され、赤外線センサーは、ハウジングと、前記ハウジング内に少なくとも部分的に配置され、相互接続された複数の焦電セグメントを含む焦電素子とを備える。赤外線センサーは、何れかのセグメントに赤外線が照射されると単一の単体信号を発生するように構成されている。

また別の例では、赤外線を検出するシステムが提供され、本システムは、半球形アレイに配置された複数のセンサーを備える。各センサーは、ハウジングと、ハウジング内に少なくとも部分的に配置され、相互接続された複数のセグメントを含むセンサー素子とを備える。センサーは、センサーの何れかのセグメントに赤外線が照射されると単一の単体信号を発生するように構成されている。

本開示は、添付の図面および以下の記載を参照してより良く理解することができよう。図中の構成要素は、必ずしも同縮尺で描かれておらず、代わりに、本開示の原理を例示することに重点が置かれている。

一実施形態によるハウジング内に収容され、回路基板または集積回路（ＩＣ）デバイスに実装されたセンサー素子を含む例示的な赤外線センサーの斜視図である。 一実施形態によるハウジング内に収容され、回路基板または集積回路（ＩＣ）デバイスに実装されたセンサー素子を有する赤外線センサーの上面図である。 一実施形態による複数のセグメントを有するセンサー素子の上面図である。 一実施形態による複数のセグメントを有するセンサー素子の上に重ね合わされた単一素子を有するセンサー素子の上面図である。 一実施形態によるハウジング内に収容されたセンサー素子を有する赤外線センサーの斜視図である。 一実施形態による赤外線センサーのアレイを有する検出器を示す図である。

時に、赤外線検出器を、例えば砲火から等の赤外線を検出するために、球状または半球状のアレイに配置する場合がある。現在、赤外線検出器は、比較の目的で本開示のセンサー素子１０１の上に置かれた、図４に示す正方形または矩形のセンサー素子２５０を使用して、円形の缶ハウジング内に収容される赤外線を検出することが多い。こうした構成の問題は、センサー素子が正方形であり、ハウジングが円形であるため、デッドスポットと呼ばれる、検出を行うことができない相当量の領域がある、ということである。赤外線がデッドスポットに入ると、殆ど或いは全く検出を行うことができない。従って、例えば弾丸から放出される赤外線を検出する確率を増大させるために、アレイにおけるデッドスポットの量を低減することが望ましい。

本開示では、例えば、５つ以上の辺がある多角形等、５つ以上の側面があるセンサー素子、或いは他の場合では、楕円形、円形若しくは他の弓形の周辺部を有するセンサー素子をハウジング内に配置することにより、アレイにおいてデッドスポットの量を低減することができ、例えば、弾丸からの放出される赤外線を検出する確率を増大させることができる。

図１、２、５を参照すると、ハウジング１２５とハウジング１２５内に配置されたセンサー素子１０１とを含む例示的な赤外線センサー１００が示されている。図示する例示的な実施形態では、ハウジング１２５は缶パッケージ形状を有している。赤外線センサー１００は、赤外線１４０を検出するように構成されており、高感度とすることができ、時定数が低い。図６を参照すると、１つの例示的な実施形態では、検出器２００は、赤外線１４０を検出するために複数の赤外線センサー１００または赤外線センサー１００のアレイ２１０を含むことができる。幾つかの例示的な実施形態では、赤外線センサー１００のアレイ２１０は、より広い検出野を提供するように球形または半球形である。赤外線センサー１００を用いて、例えば、炎、爆発、弾丸、ミサイル発射等、種々の赤外線１４０源を検出することができる。

ハウジング１２５は、好ましくは、例えば真鍮、ステンレス鋼、アルミニウム等の金属から構成された金属ハウジングである。しかしながら、ハウジング１２５は、任意の剛性材料から作製することができ、本発明の意図された趣旨および範囲内にあり得る。図示する例示的な実施形態では、ハウジング１２５は、円筒状の缶パッケージ１３０である。ハウジング１２５は、キャップ１３２に接続されたステム１３１を含む。ハウジング１２５は、赤外線１４０が通過する光学窓１３３を形成している。図１に示す赤外線センサー１００と同様に、レンズ１５０が、ハウジングの外側でかつ窓１３３の上に実装されている。窓１３３は、最大表面積を有しかつレンズ１５０とより適切に嵌合するように、楕円形および／または円形とすることができる。代替的に、窓１３３は、例えば、５つ以上の辺がある多角形または任意の弓形の周辺部を有する形状等、他の形状とすることができる。レンズ１５０は、赤外線１４０を収集しハウジング１２５内に収容されたセンサー素子１０１の上に集束させるのに有用である。レンズ１５０は、赤外線１４０を収集しそれをセンサー素子１０１上に集束させるように凸状とすることができる。

センサー素子１０１は、放射線、より詳細には赤外線を検出するように使用することができる任意のセンサーを含む。１つの例示的な実施形態では、センサー素子１０１は、加熱されるか或いは赤外線１４０が照射されると電気を発生するか或いは抵抗を変化させる、焦電結晶または相互接続された複数の焦電結晶を含む。限定されないが、セレン化鉛および／または硫化鉛(PbSおよびPbSe)等の鉛塩結晶、タンタル酸リチウム(LiTaO₃)、酸化亜鉛、ニオブ酸ストロンチウムバリウム(SrBaNb₂O₆)および強誘電材料を含む、種々の材料が、焦電結晶を形成することができる。センサー素子１０１は、赤外線に対して感受性が高く、赤外線が照射されると電気を発生するか或いは抵抗を変化させる、焦電素子または焦電結晶を含むことができる。赤外線は、可視光より波長が長く、約０．７マイクロメートル（μｍ）の可視スペクトルの名目上の赤色端から約３００．０μｍにおよぶ。幾つかの例示的な実施形態では、センサー素子１０１は、約０．７μｍから約２５．０μｍの波長の赤外線に対して感受性が高い。他の例示的な実施形態では、センサー素子１０１は、約１．０μｍから約７．０μｍの波長の赤外線に対して感受性が高い。更に例示的な実施形態では、センサー素子１０１は、約１．０μｍから約５．５μｍの波長の赤外線に対して感受性が高い。幾つかの例示的な実施形態では、センサー素子１０１は、例えば、約１００マイクロ秒（μsec）から約１０００μsec等、時定数が非常に短い材料から構成されている。他の例示的な実施形態では、センサー素子１０１は、例えば約１５０μsecから約５００μsec等、時定数が非常に短い材料から構成されている。

赤外線センサー１００は、センサー素子１０１の出力電流を処理するように構成される信号処理回路の大部分を含む集積回路（ＩＣ）デバイス１０２を含む。赤外線センサー１００は、少なくとも一対の接点１３６、１３８を含み、それらを通して、センサー素子１０１の抵抗のあらゆる変化を測定し、或いはセンサー素子１０１によって発生する出力電流を受け取るために、あらゆるバイアス電圧またはバイアス電流が向けられる。図示する例示的な実施形態では、接点１３６、１３８は、センサー素子１０１に隣接して位置している。しかしながら、他の例示的な実施形態では、接点１３６、１３８は、センサー素子１０１の下または上に位置することができる。接点１３６、１３８は、センサー素子１０１によって発生する出力電流、或いはセンサー素子１０１におけるいかなる抵抗も正確に測定するために使用されるバイアス電圧等、センサー素子１０１からのいかなる信号も最適に受け取るために、例えば、金、銀、銅等、高導電性材料から作製することができる。赤外線センサー１００は、センサー素子１０１をＩＣデバイス１０２に接続する複数の相互接続またはリード線１２０を含む。図示する例示的な実施形態では、ＩＣデバイス１０２はハウジング１２５内に位置している。代替的に、ＩＣデバイス１０２は、他の位置に配置することができ、本発明の趣旨および範囲内にあり得る。幾つかの例示的な実施形態では、赤外線センサー１００は、センサー素子１０１からのあらゆる信号を更に処理するために第２のＩＣデバイス１０５に接続されている。

幾つかの例示的な実施形態では、ＩＣデバイス１０２は、電流−電圧変換回路、電圧増幅回路および出力回路を含む。電流−電圧変換回路は演算増幅器を備え、そこでは、帰還容量（コンデンサ）が反転入力ポートと出力ポートとの間に接続され、基準電圧が非反転入力ポートから電力回路に供給される。

図１、３を参照すると、センサー素子１０１は、相互接続された複数のセグメント１１０に分割することができかつそれらを含む。各セグメント１１０は、単一の焦電結晶を含むことができる。セグメント１１０は、センサー素子１０１に赤外線が照射されるとセンサー素子１０１から単一の単体信号を発生するように、直列に或いは並列に相互接続されている。例えば、センサー素子１０１が、赤外線１４０が照射されると電気を発生する場合、各セグメント１１０によって発生する電気の量は、焦電セグメント１１０が直列に接続されているか、或いは、並列に接続されているかに基づいて、加算されるか或いは除算されて、単一の信号を形成する。逆に、センサー素子１０１が、赤外線１４０が照射されると抵抗を変化させる場合、各セグメント１１０の抵抗は、セグメント１１０が直列に接続されているか並列に接続されているかに基づいて、加算されるか或いは除算されて、単一の信号を形成する。何れの場合も、相互接続された複数のセグメント１１０に分割されかつそれらを含むセンサー素子１０１は、センサー素子１０１が単一の単体結晶を含んでいるかのように、依然として単一の信号を発生する。そして、センサー素子１０１と接触した赤外線１４０を測定し検出するために、ＩＣデバイス１０２により、単一の単体信号が分析される。

幾つかの例示的な実施形態では、各セグメント１１０は、例えば、各セグメント１１０に対して抵抗値が実質的に同様である等、同じまたは実質的に同様の特性を有することができる。従って、各セグメント１１０が互いに接続される（例えば、並列に接続される）と、抵抗がセグメント１１０の数で除算されて、センサー素子１０１全体のベース抵抗値が得られる。各セグメント１１０が実質的に同様の特性を有する幾つかの例示的な実施形態では、こうした特性は、値が互いの約±２０％の範囲内である。各セグメント１１０が実質的に同様の特性を有する他の例示的な実施形態では、こうした特性は、値が互いの約±１０％の範囲内である。各セグメント１１０が実質的に同様の特性を有する更なる例示的な実施形態では、こうした特性は、値が互いの約±３％の範囲内である。

特に図３を参照すると、いかなるセグメント１１０の、幅Ｗを高さＨで除算した各セグメント１１０のアスペクト比も、同じであるか、実質的に同様であるか、他のあらゆるセグメント１１０の約±２５％の範囲内、約±１０％の範囲内、約±５％の範囲内または約±１％の範囲内とすることができる。セグメント１１０の間でこれらのアスペクト比および他のアスペクト比を維持することにより、各セグメント１１０は、例えばセンサーの間で抵抗値が実質的に同様である等、実質的に同じ特性を有する。従って、セグメント１１０は、並列に接続することができ、それにより、各セグメント１１０によって発生する信号をセグメント１１０の総数Ｎで除算して、センサー素子１０１から正確な単一の単体信号を得ることができる。

続けて図３を参照すると、セグメント１１０は、各検出器のアスペクト比を全てのセグメント１１０にわたって実質的に同様とすることができるように各々が異なる幅Ｗおよび高さＨである。幾つかの例示的な実施形態では、単一の単体信号を発生する単一のセンサー素子１０１を形成するために、全てのセグメント１１０が並列に接続される。この構成により、複数のセグメント１１０間でセグメント化された、単一のセンサー素子１０１を含む単一の赤外線センサー１００が提供される。各セグメント１１０は、例えば各セグメント１１０に対して抵抗値が実質的に同様である等、同じであるか、実質的に同様であるか或いは一定の特性を有し、そのため、各セグメント１１０が互いに（例えば、並列に）接続されると、抵抗はセグメント１１０の数で除算され、センサー素子１０１全体のベース抵抗値が得られる。例えば、センサー素子１０１が１８個のセグメント１１０を有し、各セグメント１１０が１８メガオームの抵抗値を有している場合、センサー素子１０１全体の抵抗値は、１つのセグメント１１０の抵抗値（すなわち、１８メガオーム）をセグメントの総数（すなわち、１８）で除算した値であり、それは、１．０メガオームの抵抗値に等しい。正方形検出器の場合、１．０メガオームが目標抵抗となる。センサー素子１０１全体に対する抵抗値は、約±１０％の範囲内で正方形検出器に対する抵抗値と実質的に同様である。

１つの例示的な実施形態では、セグメント１１０は、単一焦電結晶等の単一センサー素子１０１の表面にイオンミリングを行い、可能な限り最低量の材料を除去して別個のセグメント１１０を形成することにより形成される。センサー素子１０１から材料を除去することにより、センサー素子１０１の全表面積が縮小する。幾つかの例示的な実施形態では、セグメント１１０間の除去される材料の線は、約２０ミクロン未満である。他の例示的な実施形態では、セグメント１１０間の除去される材料の線は、約１０ミクロン未満である。更なる例示的な実施形態では、セグメント１１０間の除去される材料の線は、約７ミクロン未満である。

１つの例示的な実施形態では、センサー素子１０１の形状は、ハウジング１２５の形状に一致するかまたは近似しており、更に、センサー素子１０１の表面積を最大限にし、かつデッドスポットを最小限にするために、光学窓１３３の形状に一致することができる。１つの例示的な実施形態では、センサー素子１０１は５つ以上の側面を有している。他の例示的な実施形態では、センサー素子１０１は７つ以上の側面を有している。また更なる例示的な実施形態では、センサー素子１０１は１１以上の側面を有している。更に他の例示的な実施形態では、センサー素子１０１は２６以上の側面を有している。更なる実施形態では、センサー素子１０１は無数の側面を有するか、或いは、図３に示すように楕円形および／または円形の形状である。

センサー素子１０１は、５つまたは７つ以上の側面を有する場合、検出器を横切って１つの接点１３６から反対側の接点１３８までバイアスのより均一な分布を可能にするために、複数のセグメント１１０を含む。こうした均一な分布により、センサー素子１０１の出力／信号特性に殆ど或いは全く差がなく、赤外線等の放射線の「スポット」がセンサー素子１０１にぶつかる場所に関らず、センサー素子１０１の感度に殆ど或いは全く差がないことが可能になる。

図４を参照すると、本開示のセンサー素子１０１が示されており、そこでは、センサー素子１０１の上に正方形または矩形のセンサー素子２５０が配置され、センサー素子１０１とセンサー素子２５０との違いが示されている。円形の形状のセンサー素子１０１により、同じパッケージまたはハウジングを備えた正方形または矩形のセンサー素子２５０のおよそ３．１倍の有効面積を可能にすることができる。更に、５つ以上の側面があるセンサー素子１０１（すなわち、楕円形および／または円形）により、ハウジング１２５の窓１３３に近接して取り付けられたとき、はるかに広い視野（ＦＯＶ）が可能になる。全て、デッドスポットが低減したセンサー１００またはセンサーのアレイ２１０の構築を可能にする。

本明細書で利用する「およそ」、「約」、「実質的に」という用語および同様の用語は、本開示の主題が関連する技術分野における当業者による一般的かつ許容される使用と一致する広い意味を有するように意図されており、１つの限定しない実施形態では、それらの用語は、１０％の範囲内、別の実施形態では５％の範囲内、別の実施形態では１％の範囲内、別の実施形態では０．５％の範囲内であるように定義される。本開示を検討する当業者により、これらの用語が、記載されかつ請求項に係る或る特定の特徴について、これらの特徴の範囲を提供される厳密な数値範囲に限定することなく記述するのを可能にするように意図されていることが理解されるべきである。従って、これらの用語は、記載されかつ請求項に係る主題の非実質的なまたは重要ではない変更または改変が、添付の特許請求の範囲に列挙されているような本発明の範囲内にあるようにみなされることを指示するものとして解釈されるべきである。

本明細書で用いる「結合された」、「接続された」等の用語は、２つの部材を互いに直接または間接的に接合することを意味する。こうした接合は、固定（例えば、永久的）である場合もあれば可動（例えば、取外し可能または解除可能）である場合もある。こうした接合は、２つの部材、或いは、２つの部材および任意の追加の中間部材が互いに単一の単体として一体的に形成されているか、或いは、２つの部材若しくは２つの部材および任意の追加の中間部材が互いに取り付けられて、達成することができる。本明細書において要素の位置を言及する場合（例えば、「頂部」、「底部」、「上」、「下」等）、それは、単に、図における様々な要素の向きを記述するために使用されている。他の例示的な実施形態による様々な要素の向きを変更することができることと、こうした変形は本開示によって包含されることとが留意されるべきである。

本開示の要約書が、読み手が技術開示の本質を迅速につきとめることを可能にするために提供される。その理解を踏まえれば、要約書は特許請求の範囲の範囲若しくは意味を解釈または限定するのに用いられるのではないことが示される。更に、上記の発明を実施するための形態において、種々の特徴が、本開示を合理化する目的から種々の実施形態にともにグループ化されていることを認識することができる。本開示の方法は請求項に係る実施形態が各請求項において明記されているよりも多くの特徴を要するという意図を反映するものと解釈されるべきではない。むしろ、添付の特許請求の範囲が反映しているように、本発明の主題は、開示されている単一の実施形態の全ての特徴よりも少ない特徴にある。従って、添付の特許請求の範囲は、本明細書の発明を実施するための形態に含まれ、各請求項は別個に請求される主題として独立している。

本開示の種々の実施形態を記載してきたが、当業者には本開示の範囲内で他の実施形態および実施態様が可能であることが明白であろう。従って、本開示は、添付の特許請求の範囲およびその均等物を除き限定されない。

１００ 赤外線センサー
１０１ センサー素子
１０２ 集積回路（ＩＣ）デバイス
１０５ デバイス
１１０ 焦電セグメント
１２０ リード線
１２５ ハウジング
１３０ 缶パッケージ
１３１ ステム
１３２ キャップ
１３３ 光学窓
１３６ 接点
１３８ 接点
１４０ 赤外線
１５０ レンズ
２００ 検出器
２１０ アレイ
２５０ センサー素子

Claims (20)

1. 焦電結晶を備え相互接続された複数のセグメントを含み、何れかのセグメントに赤外線が照射されると単一の単体信号を発生するように構成されているセンサー素子を具備するセンサー。
2. 窓を画定するハウジングを更に具備し、前記センサー素子は、該ハウジング内に少なくとも部分的に配置され、前記窓に少なくとも部分的に位置合せされている請求項１に記載のセンサー。
3. 前記センサー素子は５つ以上の側面を含む請求項１に記載のセンサー。
4. 前記センサー素子は楕円形である請求項３に記載のセンサー。
5. 前記センサー素子は、少なくとも部分的に弓形である周辺部を有する請求項１に記載のセンサー。
6. 各焦電結晶は鉛塩結晶を含む請求項１に記載のセンサー。
7. 各セグメントは、約±２０％の範囲内の実質的に同様の抵抗値を有する請求項１に記載のセンサー。
8. 赤外線センサーであって、
   ハウジングと、
   前記ハウジング内に少なくとも部分的に配置され、相互接続された複数の焦電セグメントを含む焦電素子であって、該赤外線センサーは、何れかのセグメントに赤外線が照射されると単一の単体信号を発生するように構成されている焦電素子とを具備する赤外線センサー。
9. 前記焦電素子は５つ以上の側面を含む請求項８に記載の赤外線センサー。
10. 前記焦電素子は、少なくとも部分的に弓形である周辺部を有する請求項９に記載の赤外線センサー。
11. 前記焦電素子は鉛塩結晶を含む請求項８に記載の赤外線センサー。
12. 前記ハウジングは缶パッケージを有する請求項８に記載の赤外線センサー。
13. 前記焦電素子は、前記窓に少なくとも部分的に位置合せされており、前記赤外線センサーは、前記窓を覆うレンズを更に具備する請求項８に記載の赤外線センサー。
14. 各焦電セグメントは、約±２０％の範囲内の実質的に同様の抵抗値を有する請求項８に記載の赤外線センサー。
15. 赤外線を検出するシステムであって、
    半球形アレイに配置された複数のセンサーであって、各センサーは、
    ハウジングと、
    前記ハウジング内に少なくとも部分的に配置され、相互接続された複数のセグメントを含むセンサー素子であって、前記センサーは、該センサーの何れかのセグメントに赤外線が照射されると単一の単体信号を発生するように構成されているセンサー素子とを備えたセンサーを具備する赤外線を検出するシステム。
16. 各センサー素子は５つ以上の側面を含む請求項１５に記載のシステム。
17. 前記センサー素子は、楕円形または円形のうちの一方であるように構成されている請求項１６に記載のシステム。
18. 各センサー素子は鉛塩結晶を含む請求項１６に記載のシステム。
19. 各ハウジングは缶パッケージを有する請求項１５に記載の赤外線システム。
20. 所与のセンサー内の各セグメントは、約±２０％の範囲内の実質的に同様の抵抗値を有する請求項１４に記載のシステム。

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