JP2793615B2 - Infrared sensor - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は被測定物体から放射される赤外線エネルギを
検知して、該被測定物体の存否やその温度等を検出する
のに利用される赤外線センサに関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Industrial Application Field] The present invention detects infrared energy radiated from an object to be measured, and detects infrared energy used for detecting the presence or absence of the object to be measured and its temperature. Related to sensors.
赤外線の入射量を検知するための素子としてサーミス
タボロメータが用いられているが、かかるサーミスタボ
ロメータはサーミスタの温度と電気抵抗の関係を利用し
て、入射する赤外線量に応じたサーミスタの温度上昇を
電気信号として出力するようにしている。従って環境温
度が変化するとサーミスタの出力にも影響がでるので、
赤外線量の測定に当っては環境温度により誤差を補償す
ることが必要である。このため、サーミストを用いて赤
外線量を検知するには、第４図に示すように同一の特性
を有する２個のサーミスタth1とth2および２個の固定抵
抗R1とR2を用いてブリッジ回路を構成し、たとえば一方
のサーミスタth1は赤外線が入射する構造に形成して検
知素子とし、また他方のサーミスタth2は赤外線の入射
を遮蔽する構造にして補償素子として、これらを同一の
ケース内に密封したサーミスタボロメータが用いられて
いた。A thermistor bolometer is used as an element for detecting the amount of incident infrared light, and the thermistor bolometer uses the relationship between the temperature of the thermistor and electrical resistance to electrically increase the temperature of the thermistor in accordance with the amount of incident infrared light. Output as a signal. Therefore, if the environmental temperature changes, the output of the thermistor will also be affected.
In measuring the amount of infrared rays, it is necessary to compensate for errors depending on the environmental temperature. Therefore, in order to detect the amount of infrared rays using the thermist, as shown in FIG. 4, two thermistors th 1 and th 2 having the same characteristics and two fixed resistors R 1 and R 2 are used. constitute a bridge circuit, for example one of the thermistor th 1 is a sensing element formed in a structure in which infrared radiation is incident, and as the other thermistor th 2 compensation element in the structure for shielding the incident infrared, these same A thermistor bolometer sealed in the case was used.
このようなサーミスタボロメータにおいては、電源Ｅ
から電圧を印加した状態で赤外線が入射するとサーミス
タth1の温度が上昇し、その電気抵抗変化によって端子
a,b間に不平衡電圧が出力される。さらにまたサーミス
タth2の両端間の電圧から環境温度を知ることができる
から、これによって入射赤外線量の温度による検知誤差
を補償することができ、また被測定物体の温度を知るこ
ともできる。In such a thermistor bolometer, the power supply E
Temperature of the thermistor th 1 when infrared is incident in a state of applying a voltage rises from the terminal by the change in electric resistance
An unbalanced voltage is output between a and b. Since it is possible to furthermore determine the environmental temperature from the voltage across the thermistor th 2, whereby it is possible to compensate for the detection error due to the temperature of the incident amount of infrared rays, and may also know the temperature of the object to be measured.
しかしながら、このような従来のサーミスタボロメー
タにおいては、環境温度が高くなるとサーミスタの電気
抵抗が小さくなるためにサーミスタ端子間の電圧が小さ
くなって、出力電圧もまた小さくなる、すなわち感度が
低下するという欠点があった。さらに、構成要素である
サーミスタや固定抵抗の電気的特性、温度特性の揃った
ものを選択して組合わせないと誤差が大きくなり、また
センサとしての感度や特性のバラツキも大きくなるう
え、これらの誤差やバラツキを小さくしようとすると著
しく高価なものとならざるを得なかった。However, in such a conventional thermistor bolometer, when the environmental temperature increases, the electric resistance of the thermistor decreases, so the voltage between the thermistor terminals decreases, and the output voltage also decreases, that is, the sensitivity decreases. was there. Furthermore, if components having the same electrical characteristics and temperature characteristics of the thermistors and fixed resistors as components are selected and combined, errors will increase, and the sensitivity and characteristics of the sensor will also vary widely. In order to reduce errors and variations, the cost must be extremely high.
本発明は前述のような従来のサーミスタボロメータに
おける欠点を解消して、特性上のバラツキが小さく、か
つ感度が改良された赤外線センサを提供すること目的と
したものである。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to eliminate the above-mentioned drawbacks of the conventional thermistor bolometer, and to provide an infrared sensor with small variations in characteristics and improved sensitivity.
上記のような本発明の目的は、４個のサーミスタ素子
を４辺となるよう結合した構成したブリッジ回路におい
て、該ブリッジ回路が、回路上で隣接する同一構造で同
一特性を有するサーミスタ素子２個の組と、回路上で隣
接する同一構造で同一特性を有する別なサーミスタ素子
２個の組とで構成されると共に、該素子の少なくとも１
個が赤外線の入射から遮蔽されかつ他の素子の少なくと
も１個が赤外線の入射を許容するように構成されたこと
を特徴とする赤外線センサによって達成される。An object of the present invention as described above is to provide a bridge circuit in which four thermistor elements are coupled so as to have four sides, wherein the bridge circuit has two thermistor elements adjacent to each other on the circuit and having the same characteristics and the same structure. And another set of two other thermistor elements adjacent to each other on the circuit and having the same structure and the same characteristics, and at least one of the elements
This is achieved by an infrared sensor characterized in that the individual is shielded from infrared radiation and at least one of the other elements is configured to allow infrared radiation.
しかも、該素子がIC製造技術すなわち蒸着等による薄
膜形成やホトリソグラフィによるパターン形成、さらに
エッチングなどによって基板上に４個同時に隣接して形
成された橋架型のサーミスタ素子であることにより更に
優れた性能が保証された赤外線センサとなる。In addition, the element is a bridge-type thermistor element formed simultaneously adjacently on the substrate by IC manufacturing technology, that is, thin film formation by vapor deposition or the like, pattern formation by photolithography, etching, etc., and further excellent performance. Is the guaranteed infrared sensor.
このような本発明の赤外線センサは、たとえば以下に
説明するような方法によって、第１〜２図に示すような
構造を有するものとして得られる。Such an infrared sensor of the present invention can be obtained as one having the structure shown in FIGS. 1 and 2 by, for example, a method described below.
１は、たとえばアルミナ質などの絶縁基板であり、２
はその表面上に設けた銅箔である。しかし、本発明にお
いて用いられる基板は必ずしもこのような２層構造であ
る必要はなく、シリコン基板やガリウム・ヒ素系の半導
体基板などであってもよい。Reference numeral 1 denotes an insulating substrate made of, for example, alumina or the like;
Is a copper foil provided on the surface. However, the substrate used in the present invention is not necessarily required to have such a two-layer structure, and may be a silicon substrate or a gallium-arsenic-based semiconductor substrate.
このような基板上には、先ずSiO2やSi3N4などの絶縁
層３を設けるが、かかる絶縁層３はスパッタあるいはプ
ラズマCVD技術を利用して形成することができる。この
絶縁層上にはアモルファスシリコン、ポリシリコン、シ
リコンカーバイド、ゲルマニウム、あるいは金属酸化物
などのサーミスタ材料からなる感熱層４が設けられる。
この感熱層４は、前記のようなサーミスタ材料をCVDあ
るいはスパッタリングなどによって均一な層状に被着形
成することによって得られる。On such a substrate, an insulating layer 3 such as SiO 2 or Si 3 N 4 is first provided. The insulating layer 3 can be formed by using a sputtering or plasma CVD technique. A heat-sensitive layer 4 made of a thermistor material such as amorphous silicon, polysilicon, silicon carbide, germanium, or metal oxide is provided on the insulating layer.
The heat-sensitive layer 4 is obtained by depositing the above-described thermistor material in a uniform layer by CVD or sputtering.
その後、予定されるサーミスタ素子の端子となる所定
位置に、白金、クロム、モリブデン等の金属をスパッタ
して導電体層電極５を設けるが、電極パターンはリフト
オフ法などによって形成するのがよい。そして次に、ホ
トリソグラフィ技術を用いて、予定されるサーミスタ素
子にとって不要な感熱層の部分をエッチして除去し、た
とえば第２図のようなパターン形状のサーミスタ素子が
形成される。Thereafter, a conductor layer electrode 5 is provided by sputtering a metal such as platinum, chromium, or molybdenum at a predetermined position to be a terminal of a planned thermistor element. The electrode pattern is preferably formed by a lift-off method or the like. Then, using a photolithography technique, portions of the heat-sensitive layer that are unnecessary for the intended thermistor element are removed by etching, thereby forming a thermistor element having a pattern shape as shown in FIG. 2, for example.
更に、こうして素子が形成された面の上には、たとえ
ばSiO2などからなる絶縁層６をスパッタなどの方法で設
けたのち、電極５の位置に当る絶縁層６にはホトリソグ
ラフィ技術を用いてリード線引出し用の開口７が設けら
れる。Further, an insulating layer 6 made of, for example, SiO 2 is provided on the surface on which the element is formed by sputtering or the like, and the insulating layer 6 corresponding to the position of the electrode 5 is formed by photolithography. An opening 7 for leading out a lead wire is provided.
次に、素子の感熱層４の検知部位に当る絶縁層６上に
は、リフトオフ法などを用いてたとえば金黒などの光吸
収層８が形成される。Next, a light-absorbing layer 8 of, for example, gold black is formed on the insulating layer 6 corresponding to a detection site of the heat-sensitive layer 4 of the element by using a lift-off method or the like.
その後、それぞれ形成されたサーミスタ素子の周囲に
ある不要な絶縁層６をホトリソグラフィ技術によってエ
ッチし除去することによって銅箔２を露出させ、更に銅
箔２の不要部分をエッチ除去すると共に検知部位の下側
の銅箔部分も除去して空洞部９を形成する。こうして電
極５部分の下側に銅箔２の橋架支持部を有する多層薄膜
構造の橋架型サーミスタ素子が得られる。Thereafter, the unnecessary insulating layer 6 around each formed thermistor element is etched and removed by photolithography, thereby exposing the copper foil 2. Further, the unnecessary portion of the copper foil 2 is etched and removed, and the detection portion is removed. The lower copper foil portion is also removed to form the cavity 9. In this way, a bridged thermistor element having a multilayer thin film structure having a bridge support portion of the copper foil 2 below the electrode 5 is obtained.
このようにして１個の基板上に隣接して設けたそれぞ
れのサーミスタ素子は、たとえば第２図のような形状の
形成され、すべて同一の特性を有するものとなる。しか
しかかる素子の形状はこのようなものには限定されず、
検知部位の幅や長さを適宜設定できるばかりでなく、導
電体層電極の形状も適宜に設定でき、これによってサー
ミスタ素子の電気抵抗値を所望の範囲に調整することが
できる。Each of the thermistor elements provided adjacently on one substrate in this way is formed, for example, as shown in FIG. 2, and all have the same characteristics. However, the shape of such an element is not limited to this,
Not only can the width and length of the detection site be appropriately set, but also the shape of the conductor layer electrode can be appropriately set, whereby the electric resistance value of the thermistor element can be adjusted to a desired range.
上述のように１チップ上に形成された４個のサーミス
タ素子は、たとえば第３図に示すように回路結線され
る。このときの結線はチップが取付けられるステム等に
設けたリード端子などにワイヤボンディングするなどに
より完成することができる。こうして結線された４個の
サーミスタ素子のうち、たとえばT2とT3とを赤外線検知
素子として用いるときには、温度補償素子となるT1とT4
との前面には少なくとも赤外線遮蔽用の遮光体を設けた
うえ、素子が搭載されたチップを取付けたステムに対し
て赤外線透過用フィルタが設けられたキャップを被着
し、封止して本発明の赤外線センサを得る。The four thermistor elements formed on one chip as described above are circuit-connected, for example, as shown in FIG. The connection at this time can be completed by wire bonding to a lead terminal or the like provided on a stem or the like to which the chip is attached. Thus among-connected four thermistor element, for example when using a T 2 and T 3 as an infrared sensing element, T 1 and T 4 to be the temperature compensation element
A light-shielding body for at least infrared shielding is provided on the front surface of the device, and a cap provided with an infrared-transmitting filter is attached to a stem on which a chip on which the element is mounted is attached, and the present invention is sealed. Obtain an infrared sensor.
以上説明したような本発明の赤外線センサは、ブリッ
ジ回路の４辺を構成するサーミスタ素子がすべて同一の
特性を有しており、その１組の対辺に配置された素子が
赤外線検知用に、また他の１組の対辺に配置された素子
が温度補償用に用いられるので、環境温度による各素子
の電気抵抗変化は完全にバランスして出力に影響を与え
ない。そして入射する赤外線による出力電圧は従来の方
式に比較して２倍となり、また受光面積も素子の２個分
となるので、センサの性能を表わす重要なパラメータの
ひとつである比検出率（Ｄ＊）は従来のセンサと比較し
て約1.4倍となり、格段に性能が向上している。In the infrared sensor of the present invention as described above, the thermistor elements constituting the four sides of the bridge circuit all have the same characteristics, and the elements arranged on one pair of opposite sides are used for infrared detection, and Since another set of elements arranged on the opposite side is used for temperature compensation, changes in electric resistance of each element due to environmental temperature are completely balanced and do not affect the output. The output voltage due to the incident infrared light is twice as large as that of the conventional method, and the light receiving area is also equal to two elements. Therefore, the ratio detection ratio (D *), which is one of the important parameters representing the performance of the sensor, is obtained . ) Is about 1.4 times higher than the conventional sensor, and the performance is remarkably improved.
なお、本発明の赤外線センサは１辺を赤外線検知素子
として用い他の３辺を温度補償素子として用いてもよい
し、３辺を赤外線検知素子とし、他の１辺を温度補償素
子とした構成であってもよい。この場合は、上記のよう
に相対する２辺を赤外線検知素子として用いる場合に比
べ出力電圧は半分程になるがサーミスタ素子が同一特性
を有するために環境温度による各素子の電気抵抗変化は
バランスしており、環境温度が出力に影響を与えること
はない。The infrared sensor according to the present invention may be configured such that one side is used as an infrared detecting element and the other three sides are used as a temperature compensating element, or three sides are used as an infrared detecting element and the other side is used as a temperature compensating element. It may be. In this case, the output voltage is about half as compared with the case where two opposite sides are used as infrared detecting elements as described above, but since the thermistor elements have the same characteristics, changes in the electrical resistance of each element due to environmental temperature are balanced. The ambient temperature does not affect the output.
本発明の赤外線センサは、以上説明したように構成さ
れているから高感度であって性能のバラツキが少く、ま
た一層の小型化が可能であり、そのためにより応答の早
いものが得られる。更に、センサチップの製造に半導体
製造技術が利用できるうえ打品数も少なくできるので組
立が簡単かつ容易であり、経済的に量産できる特長があ
る。Since the infrared sensor of the present invention is configured as described above, the infrared sensor has high sensitivity, small variations in performance, and can be further reduced in size, so that a sensor having a quick response can be obtained. Further, the semiconductor manufacturing technology can be used for the manufacture of the sensor chip and the number of hits can be reduced, so that the assembly is simple and easy, and the mass production is economical.
第１図は本発明の赤外線センサの例のチップ部の構造を
示す断面図、 第２図は同じくそのチップ部の平面図、 第３図は同じくその回路結線の概念図であり、 第４図は従来のサーミスタボロメータの構成を示す回路
図である。 １……絶縁基板、２……銅箔、３……絶縁層、４……感
熱層、５……電極、６……絶縁層、７……開口、８……
光吸収層、９……空洞部、T1,T2,T3,T4,th1,th2……サ
ーミスタ素子、R1,R2……固定抵抗、a,b……出力端子。FIG. 1 is a sectional view showing the structure of a chip portion of an example of an infrared sensor according to the present invention, FIG. 2 is a plan view of the chip portion, FIG. 3 is a conceptual diagram of the circuit connection thereof, and FIG. FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional thermistor bolometer. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Insulating board, 2 ... Copper foil, 3 ... Insulating layer, 4 ... Thermosensitive layer, 5 ... Electrode, 6 ... Insulating layer, 7 ... Opening, 8 ...
The light absorption layer, 9 ...... cavity, T 1, T 2, T 3, T 4, th 1, th 2 ...... thermistor, R 1, R 2 ...... fixed resistor, a, b ...... output terminal.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G01J 1/02,1/42 G01J 5/02,5/20──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01J 1 / 02,1 / 42 G01J 5 / 02,5 / 20
Claims (6)
合して構成したブリッジ回路において、該ブリッジ回路
が、回路上で隣接する同一構造で同一特性を有するサー
ミスタ素子２個の組と、回路上で隣接する同一構造で同
一特性を有する別なサーミスタ素子２個の組とで構成さ
れると共に、該素子の少なくとも１個が赤外線の入射か
ら遮蔽されかつ他の素子の少なくとも１個の赤外線の入
射を許容するように構成されたことを特徴とする赤外線
センサ。1. A bridge circuit formed by connecting four thermistor elements to form four sides, the bridge circuit comprising a set of two thermistor elements adjacent to each other on the circuit and having the same characteristics and the same structure; The circuit is constituted by two sets of another thermistor elements having the same structure and the same characteristics adjacent to each other on the circuit, at least one of the elements being shielded from the incidence of infrared rays, and at least one of the other elements being infrared rays. An infrared sensor configured to allow incidence of light.
他方の組に属するサーミスタ素子とが、同一構造で同一
特性を有するものである特許請求の範囲第１項記載の赤
外線センサ。2. The infrared sensor according to claim 1, wherein the thermistor elements belonging to one of the sets and the thermistor elements belonging to the other set have the same structure and the same characteristics.
成したものから選ばれたものである特許請求の範囲第１
項または第２項記載の赤外線センサ。3. The device according to claim 1, wherein the four thermistor elements are selected from those formed on one substrate.
Item 3. The infrared sensor according to item 2 or 2.
素子を結合して構成した特許請求の範囲第１項ないし第
３項のいずれかに記載の赤外線センサ。4. The infrared sensor according to claim 1, wherein four thermistor elements formed on one substrate are combined.
ーミスタ素子が赤外線の入射から遮蔽されるよう構成さ
れた特許請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記
載の赤外線センサ。5. An infrared sensor according to claim 1, wherein a set of thermistor elements on opposite sides of the bridge circuit are shielded from infrared rays.
に形成されたものである特許請求の範囲第１項ないし第
５項のいずれかに記載の赤外線センサ。6. The infrared sensor according to claim 1, wherein the thermistor element is formed in a bridge type by an IC manufacturing technique.
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|---|---|---|---|
| JP1956889A JP2793615B2 (en) | 1989-01-31 | 1989-01-31 | Infrared sensor |
Applications Claiming Priority (1)
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Families Citing this family (2)
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|---|---|---|---|---|
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| WO2001096825A1 (en) * | 2000-06-13 | 2001-12-20 | Omron Corporation | Pyrometer |
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1989
- 1989-01-31 JP JP1956889A patent/JP2793615B2/en not_active Expired - Fee Related
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