JP3094943B2 - 赤外線検知器 - Google Patents
赤外線検知器Info
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- JP3094943B2 JP3094943B2 JP09115963A JP11596397A JP3094943B2 JP 3094943 B2 JP3094943 B2 JP 3094943B2 JP 09115963 A JP09115963 A JP 09115963A JP 11596397 A JP11596397 A JP 11596397A JP 3094943 B2 JP3094943 B2 JP 3094943B2
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- Japan
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- infrared
- thermal conductance
- thermal
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は赤外線検知器に関
し、特にダイアフラム構造を赤外線検知用の感熱部とし
て採用した二次元アレー赤外線検知器に関するものであ
る。
し、特にダイアフラム構造を赤外線検知用の感熱部とし
て採用した二次元アレー赤外線検知器に関するものであ
る。
【０００２】
【従来の技術】かかるダイアフラム構造を感熱部として
採用される２次元アレー形状の熱型赤外線検知器におけ
るフレームレートの決定要因について説明する。
採用される２次元アレー形状の熱型赤外線検知器におけ
るフレームレートの決定要因について説明する。
【０００３】ダイアフラム構造を感熱部として採用する
２次元アレー形状の熱型赤外線検知器の１画素を図７に
示す。図７の構造は、Robert E. Flannery and James
E. Miller 著による「Status of uncooled infrared im
agers 」(SPIE Vol.1689 Infrared Imaging System(199
2) p379)に開示のものである。
２次元アレー形状の熱型赤外線検知器の１画素を図７に
示す。図７の構造は、Robert E. Flannery and James
E. Miller 著による「Status of uncooled infrared im
agers 」(SPIE Vol.1689 Infrared Imaging System(199
2) p379)に開示のものである。
【０００４】図７において、シリコン基板（バイポーラ
トランジスタとして示される）上からダイアフラムとよ
ばれる薄膜を２本の梁により支持することにより浮上さ
せる。光学系により集光された赤外線はダイアフラムに
吸収され、ダイアフラムの温度を上昇させる。ダイアフ
ラム上には抵抗体が形成されており、この温度上昇に応
じて抵抗値が変化する。シリコン基板上に設けられた読
出し回路よりバイアス電流を抵抗体に通電し、抵抗の変
化を電気信号として読出す。
トランジスタとして示される）上からダイアフラムとよ
ばれる薄膜を２本の梁により支持することにより浮上さ
せる。光学系により集光された赤外線はダイアフラムに
吸収され、ダイアフラムの温度を上昇させる。ダイアフ
ラム上には抵抗体が形成されており、この温度上昇に応
じて抵抗値が変化する。シリコン基板上に設けられた読
出し回路よりバイアス電流を抵抗体に通電し、抵抗の変
化を電気信号として読出す。
【０００５】以上が、抵抗体を用いるボロメータ型の熱
型赤外線検知器の動作原理である。次に、この検知器の
感度の決定要因について説明する。この様な検知器の感
度は、 Ｒes＝（η×Ｖb ×α）／Ｇth…（１） Ｒes：感度(Responsivity)（Ｖ／Ｗ） η：赤外線吸収率 Ｖb ：バイアス電圧（Ｖ） α：抵抗温度係数（１／Ｋ） Ｇth：熱コンダクタンス（Ｗ／Ｋ） と表される。
型赤外線検知器の動作原理である。次に、この検知器の
感度の決定要因について説明する。この様な検知器の感
度は、 Ｒes＝（η×Ｖb ×α）／Ｇth…（１） Ｒes：感度(Responsivity)（Ｖ／Ｗ） η：赤外線吸収率 Ｖb ：バイアス電圧（Ｖ） α：抵抗温度係数（１／Ｋ） Ｇth：熱コンダクタンス（Ｗ／Ｋ） と表される。
【０００６】ここで熱コンダクタンスとは、ダイアフラ
ムが周囲からどれだけ熱的に分離されているかを示すパ
ラメータで、一般に、ダイアフラムを支持する２本の梁
からの熱伝導（１〜２×１０-7Ｗ／Ｋ）、周囲の気体を
介しての熱伝導、及び周囲からの熱輻射（〜１×１０-8
Ｗ／Ｋ）の和となる。通常周囲の気体を介しての熱伝導
を低減するために、この種の赤外線検知器は、内部を真
空に維持したパッケージ内に収納される。
ムが周囲からどれだけ熱的に分離されているかを示すパ
ラメータで、一般に、ダイアフラムを支持する２本の梁
からの熱伝導（１〜２×１０-7Ｗ／Ｋ）、周囲の気体を
介しての熱伝導、及び周囲からの熱輻射（〜１×１０-8
Ｗ／Ｋ）の和となる。通常周囲の気体を介しての熱伝導
を低減するために、この種の赤外線検知器は、内部を真
空に維持したパッケージ内に収納される。
【０００７】この時の真空度を〜１０-1Pa以下とし、こ
の熱伝導の影響を梁からの熱伝導に比べて十分小さい値
に抑えている。以上より、感度を決定する熱コンダクタ
ンスは、主に梁からの熱伝導により決定される。
の熱伝導の影響を梁からの熱伝導に比べて十分小さい値
に抑えている。以上より、感度を決定する熱コンダクタ
ンスは、主に梁からの熱伝導により決定される。
【０００８】次に画素に入射した赤外線によるダイアフ
ラムの温度上昇について説明する。ダイアフラムの温度
上昇ΔＴは、 ΔＴ＝（Ｐ／Ｇth）（１−ｅa ）…（２） Ｐ：入射赤外線パワー（Ｗ） Ｇth：熱コンダクタンス（Ｗ／Ｋ） ｔ：赤外線入射時間（ｓｅｃ） ａ：−ｔ／τ τ：熱時定数（ｓｅｃ） で表される。
ラムの温度上昇について説明する。ダイアフラムの温度
上昇ΔＴは、 ΔＴ＝（Ｐ／Ｇth）（１−ｅa ）…（２） Ｐ：入射赤外線パワー（Ｗ） Ｇth：熱コンダクタンス（Ｗ／Ｋ） ｔ：赤外線入射時間（ｓｅｃ） ａ：−ｔ／τ τ：熱時定数（ｓｅｃ） で表される。
【０００９】また、熱時定数τは、 τ＝Ｈ／Ｇth…（３） Ｈ：ダイアフラムの熱容量（Ｊ／Ｋ） Ｇth：熱コンダクタンス（Ｗ／Ｋ） で与えられる。
【００１０】ここで（２）式の赤外線入射時間ｔは２次
元のアレー型検知器において、１画面の読出し時間（フ
レームレートの逆数）によって決定される。また、従来
の熱型の赤外線検知器では、熱コンダクタンス，熱容量
が画素の形状で一義的に決定されていた。
元のアレー型検知器において、１画面の読出し時間（フ
レームレートの逆数）によって決定される。また、従来
の熱型の赤外線検知器では、熱コンダクタンス，熱容量
が画素の形状で一義的に決定されていた。
【００１１】これまでのダイアフラム構造を感熱部とし
て採用する２次元アレー形状の熱型赤外線検知器では、
特に感度の向上のみを目的としていたため、（１）式に
示す関係から熱コンダクタンスを改善し、結果として
（３）式に示す熱時定数が長くなっている。一例を挙げ
ると、熱コンダクタンス１．７×１０-7Ｗ／Ｋ，熱容量
２×１０-9Ｊ／Ｋより熱時定数１２msecがある。この結
果得られる画像のフレームレートは６０Ｈｚとなる。
て採用する２次元アレー形状の熱型赤外線検知器では、
特に感度の向上のみを目的としていたため、（１）式に
示す関係から熱コンダクタンスを改善し、結果として
（３）式に示す熱時定数が長くなっている。一例を挙げ
ると、熱コンダクタンス１．７×１０-7Ｗ／Ｋ，熱容量
２×１０-9Ｊ／Ｋより熱時定数１２msecがある。この結
果得られる画像のフレームレートは６０Ｈｚとなる。
【００１２】尚、これ等各数値の具体例は、Charles Ma
rshall他の著による「Uncooled Infrared Sensor With
Digital Focal Plane Array 」(SPIE Vol.2746(1996)p2
3)のテーブル１や図６を参照したものである。
rshall他の著による「Uncooled Infrared Sensor With
Digital Focal Plane Array 」(SPIE Vol.2746(1996)p2
3)のテーブル１や図６を参照したものである。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】従来のダイアフラム構
造を感熱部として採用する２次元アレー形状の熱型赤外
線検知器では、熱コンダクタンス及び熱容量が一義的に
決定され、感度の向上のため熱時定数を改善する結果、
熱時定数が長くなり、十分早いフレームレートが確保で
きないという欠点があった。静止物体の計測や監視等の
用途の場合、フレームレートは３０〜６０Ｈｚにて十分
とされるが、高速移動物体の検知や高速移動物体の誘導
分野ではフレームレートが遅いとＳ／Ｎの低下や像流れ
を引起こす。
造を感熱部として採用する２次元アレー形状の熱型赤外
線検知器では、熱コンダクタンス及び熱容量が一義的に
決定され、感度の向上のため熱時定数を改善する結果、
熱時定数が長くなり、十分早いフレームレートが確保で
きないという欠点があった。静止物体の計測や監視等の
用途の場合、フレームレートは３０〜６０Ｈｚにて十分
とされるが、高速移動物体の検知や高速移動物体の誘導
分野ではフレームレートが遅いとＳ／Ｎの低下や像流れ
を引起こす。
【００１４】本発明は、検知物体の移動速度に応じたフ
レームレートを選択できる赤外線検知器を供給すること
を目的とする。
レームレートを選択できる赤外線検知器を供給すること
を目的とする。
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明による赤外線検知
装置は、赤外線検知画素の熱コンダクタンスを可変自在
な手段を有することを特徴とする。
装置は、赤外線検知画素の熱コンダクタンスを可変自在
な手段を有することを特徴とする。
【００１８】そして、前記検知画素は真空パッケージ内
に装着されており、前記手段は前記真空パッケージ内の
真空気密状態を変化自在とする構造を有していることを
特徴とする。
に装着されており、前記手段は前記真空パッケージ内の
真空気密状態を変化自在とする構造を有していることを
特徴とする。
【００１９】
【００２０】本発明の作用を述べる。検知器自身は低い
熱コンダクタンスのものを使用して、その熱コンダクタ
ンスを変化自在とすることで、検知物体の移動速度に対
応可能とする。例えば、検知素子を収納するパッケージ
内部の真空度を変化させることで、目標の移動速度にフ
レームレートを適応させるものである。
熱コンダクタンスのものを使用して、その熱コンダクタ
ンスを変化自在とすることで、検知物体の移動速度に対
応可能とする。例えば、検知素子を収納するパッケージ
内部の真空度を変化させることで、目標の移動速度にフ
レームレートを適応させるものである。
【００２１】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施例について図
面を参照しつつ説明する。図１は本発明の一実施例を示
す図であり、（ａ）はその断面図、（ｂ）はその検知素
子部の平面図である。赤外線検知器については、検知素
子以外は従来の赤外線検知器と同様である。
面を参照しつつ説明する。図１は本発明の一実施例を示
す図であり、（ａ）はその断面図、（ｂ）はその検知素
子部の平面図である。赤外線検知器については、検知素
子以外は従来の赤外線検知器と同様である。
【００２２】すなわち、検知素子１０１は検知素子温度
を一定に保つ目的でパッケージ上に配置される電子冷却
素子１上に接着される。検知素子１０１と外部駆動回路
（図示せず）は、電極ピン５及びボンディングワイヤ１
８により接続される。また、パッケージ１０５内は、真
空に排気され、排気管６を圧切して真空が保持されてい
る。
を一定に保つ目的でパッケージ上に配置される電子冷却
素子１上に接着される。検知素子１０１と外部駆動回路
（図示せず）は、電極ピン５及びボンディングワイヤ１
８により接続される。また、パッケージ１０５内は、真
空に排気され、排気管６を圧切して真空が保持されてい
る。
【００２３】赤外線検知素子１０１には、熱コンダクタ
ンスの高い画素１０２と低い画素１０３とが図１（ｂ）
に示す如く千鳥格子上に配列されている。
ンスの高い画素１０２と低い画素１０３とが図１（ｂ）
に示す如く千鳥格子上に配列されている。
【００２４】次に、熱コンダクタンスの高い画素と低い
画素を製作する方法について図２を用いて説明する。図
２（ａ）は熱コンダクタンスの高い画素１０２，（ｂ）
は低い画素１０３の夫々断面図である。尚、従来の赤外
線検知器における画素は（ｂ）に相当するもので、図７
に示した構造と同一である。
画素を製作する方法について図２を用いて説明する。図
２（ａ）は熱コンダクタンスの高い画素１０２，（ｂ）
は低い画素１０３の夫々断面図である。尚、従来の赤外
線検知器における画素は（ｂ）に相当するもので、図７
に示した構造と同一である。
【００２５】検知素子の製造工程の最終工程において、
図２（ａ）に示す画素が形成され、ダイアフラム８下の
犠牲層１０と呼ばれる層をエッチングにて除去する。よ
って、本発明に使用される検知素子では、熱コンダクタ
ンスの高い画素についてエッチング時にマスクを施し、
犠牲層１０を除去しないまたは、途中までエッチングす
ることにより容易に実現可能である。
図２（ａ）に示す画素が形成され、ダイアフラム８下の
犠牲層１０と呼ばれる層をエッチングにて除去する。よ
って、本発明に使用される検知素子では、熱コンダクタ
ンスの高い画素についてエッチング時にマスクを施し、
犠牲層１０を除去しないまたは、途中までエッチングす
ることにより容易に実現可能である。
【００２６】図２（ａ）の画素では、ダイアフラム８と
シリコン基板１１が犠牲層１０によって接触しており、
犠牲層１０を介しての熱伝導が主となるため、熱コンダ
クタンスは高くなる。熱容量についても増加するが、そ
の量は熱コンダクタンスに比べて小さいため、結果とし
て熱時定数は短くなる。
シリコン基板１１が犠牲層１０によって接触しており、
犠牲層１０を介しての熱伝導が主となるため、熱コンダ
クタンスは高くなる。熱容量についても増加するが、そ
の量は熱コンダクタンスに比べて小さいため、結果とし
て熱時定数は短くなる。
【００２７】フレームレートが低い撮像を行う時は、熱
コンダクタンスの低い画素を選択的に読出し、フレーム
レートが高い撮像を行う時は、熱コンダクタンスの高い
画素を選択的に読出すことにより画像を形成する。
コンダクタンスの低い画素を選択的に読出し、フレーム
レートが高い撮像を行う時は、熱コンダクタンスの高い
画素を選択的に読出すことにより画像を形成する。
【００２８】図３に、本発明の他の実施例を示す。図３
は赤外線検知器１０６の断面図を示す。この赤外線検知
器では、従来と同様の熱コンダクタンスの低い検知素子
１０４をパッケージ内に収容するが、排気管６にパイプ
に電磁弁１２を持ち、この弁によりパッケージ内の真空
を大気圧にまで高めることが可能となっている。
は赤外線検知器１０６の断面図を示す。この赤外線検知
器では、従来と同様の熱コンダクタンスの低い検知素子
１０４をパッケージ内に収容するが、排気管６にパイプ
に電磁弁１２を持ち、この弁によりパッケージ内の真空
を大気圧にまで高めることが可能となっている。
【００２９】パッケージ内が真空状態（〜１０-1Ｐａ以
下）では、梁９を介しての熱伝導が支配的となり熱コン
ダクタンスは、小さい値となる。また、電磁弁を解放し
パッケージ内を大気圧にした場合、熱伝導は大気を介す
るものが支配的となり、約１００倍程度熱コンダクタン
スは上昇する。また、パッケージ内の真空度の変化に合
せ、読出し回路のフレームレートを高める。
下）では、梁９を介しての熱伝導が支配的となり熱コン
ダクタンスは、小さい値となる。また、電磁弁を解放し
パッケージ内を大気圧にした場合、熱伝導は大気を介す
るものが支配的となり、約１００倍程度熱コンダクタン
スは上昇する。また、パッケージ内の真空度の変化に合
せ、読出し回路のフレームレートを高める。
【００３０】図４に本発明の更に他の実施例の赤外線検
知器１０７の断面図を示す。この赤外線検知器では、従
来と同様の熱コンダクタンスの低い検知素子１０４をパ
ッケージ内に収容するが、排気管６に大気解放用の薄肉
部１３を設け、この部分を外部から梁１４等により突き
破ることで、パッケージ内の真空を大気圧にまで高める
ことが可能となっている。
知器１０７の断面図を示す。この赤外線検知器では、従
来と同様の熱コンダクタンスの低い検知素子１０４をパ
ッケージ内に収容するが、排気管６に大気解放用の薄肉
部１３を設け、この部分を外部から梁１４等により突き
破ることで、パッケージ内の真空を大気圧にまで高める
ことが可能となっている。
【００３１】この赤外線検知器１０７は高速移動体の誘
導装置等大きさの制約を受ける装置への応用に適してい
る。
導装置等大きさの制約を受ける装置への応用に適してい
る。
【００３２】図５に本発明の別の実施例の赤外線検知器
１０８の断面図を示す。この赤外線検知器では、従来と
同様の熱コンダクタンスの低い検知素子１０４をパッケ
ージ内に収容するが、排気管６の先に真空ポンプ１５を
常備し、パッケージ内の真空度を任意に可変できる構造
を持つ。
１０８の断面図を示す。この赤外線検知器では、従来と
同様の熱コンダクタンスの低い検知素子１０４をパッケ
ージ内に収容するが、排気管６の先に真空ポンプ１５を
常備し、パッケージ内の真空度を任意に可変できる構造
を持つ。
【００３３】次に、これ等の赤外線検知器を使用した応
用例について、高速飛行物体の目標への誘導の例をあげ
説明する。図６は高速飛行物体１１０と目標１７が離れ
ている場合の模式図である。目標の移動角速度は小さ
く、また、目標１７から放射され赤外線検知器に入射す
る赤外線も大気中での減衰により小さい。この場合、目
標１７の移動角速度が小さいため、フレームレートは低
くても良いが、感度を高める必要があるため、熱コンダ
クタンスは低い状態が好ましい。
用例について、高速飛行物体の目標への誘導の例をあげ
説明する。図６は高速飛行物体１１０と目標１７が離れ
ている場合の模式図である。目標の移動角速度は小さ
く、また、目標１７から放射され赤外線検知器に入射す
る赤外線も大気中での減衰により小さい。この場合、目
標１７の移動角速度が小さいため、フレームレートは低
くても良いが、感度を高める必要があるため、熱コンダ
クタンスは低い状態が好ましい。
【００３４】また、高速飛行物体１１０が目標１７に接
近した場合は、目標１７の移動角速度は大きく、また、
目標１７から放射され赤外線検知器に入射する赤外線も
大きいため、フレームレートを上げ、感度を低くして誘
導を行う。
近した場合は、目標１７の移動角速度は大きく、また、
目標１７から放射され赤外線検知器に入射する赤外線も
大きいため、フレームレートを上げ、感度を低くして誘
導を行う。
【００３５】
【発明の効果】本発明の効果は、一つの赤外線検知器に
より目標の移動速度に応じたフレームレートでの撮像を
可能にすることである。その理由は、ダイアフラム構造
を感熱部として採用する２次元アレー形状の熱型赤外線
検知器において、熱コンダクタンスの異なる画素を２次
元アレー内に配置すること、または、検知素子を収納す
るパッケージ内の真空度を変えて熱コンダクタンスを変
化させる機構を有するためである。
より目標の移動速度に応じたフレームレートでの撮像を
可能にすることである。その理由は、ダイアフラム構造
を感熱部として採用する２次元アレー形状の熱型赤外線
検知器において、熱コンダクタンスの異なる画素を２次
元アレー内に配置すること、または、検知素子を収納す
るパッケージ内の真空度を変えて熱コンダクタンスを変
化させる機構を有するためである。
【図１】（ａ）は本発明の赤外線検知器の一実施例を示
す縦断面図、（ｂ）は本発明の赤外線検知中に使用され
る検知素子の平面図である。
す縦断面図、（ｂ）は本発明の赤外線検知中に使用され
る検知素子の平面図である。
【図２】（ａ）は熱コンダクタンスの高い１画素の構造
を示す縦断面図、（ｂ）は熱コンダクタンスの低い１画
素の構造を示す縦断面図である。
を示す縦断面図、（ｂ）は熱コンダクタンスの低い１画
素の構造を示す縦断面図である。
【図３】本発明の赤外線検知器の他の実施例を示す縦断
面図である。
面図である。
【図４】本発明の赤外線検知器の更に他の実施例を示す
縦断面図である。
縦断面図である。
【図５】本発明の赤外線検知器の別の実施例を示す縦断
面図である。
面図である。
【図６】本発明の赤外線検知器を使用した、高速移動物
体の誘導装置への応用例を説明する模式図である。
体の誘導装置への応用例を説明する模式図である。
【図７】従来の赤外線検知器における１画素を示す模式
図である。
図である。
１ 電子冷却素子 ２ 赤外線入射窓 ３ パッケージ上部筐体 ４ パッケージ下部筐体 ５ 電極ピン ６ 排気管 ７ 検知素子有効画素領域 ８ ダイアフラム ９ 梁 １０ 犠牲層 １１ シリコン基板 １２ 電磁弁 １３ 排気管の薄肉部 １４ 針 １５ 真空ポンプ １６ 高速移動物体光学系 １７ 目標 １８ ボンディングワイヤ １９ ボンディングパッド
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−273306（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−163539（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−34448（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01J 1/00 - 1/46 G01J 5/00 - 5/62
Claims (2)
- 【請求項１】 赤外線検知画素の熱コンダクタンスを可
変自在な手段を有することを特徴とする赤外線検知器。 - 【請求項２】 前記検知画素は真空パッケージ内に装着
されており、前記手段は前記真空パッケージ内の真空気
密状態を変化自在とする構造を有していることを特徴と
する請求項１記載の赤外線検知器。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09115963A JP3094943B2 (ja) | 1997-05-07 | 1997-05-07 | 赤外線検知器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP09115963A JP3094943B2 (ja) | 1997-05-07 | 1997-05-07 | 赤外線検知器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10307061A JPH10307061A (ja) | 1998-11-17 |
| JP3094943B2 true JP3094943B2 (ja) | 2000-10-03 |
Family
ID=14675480
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP09115963A Expired - Fee Related JP3094943B2 (ja) | 1997-05-07 | 1997-05-07 | 赤外線検知器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3094943B2 (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05131152A (ja) * | 1991-11-11 | 1993-05-28 | Kubota Corp | 穀物処理設備 |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0424934D0 (en) | 2004-11-12 | 2004-12-15 | Qinetiq Ltd | Infrared detector |
| WO2016020993A1 (ja) * | 2014-08-06 | 2016-02-11 | 株式会社日立製作所 | 赤外線センサおよび信号検出方法 |
-
1997
- 1997-05-07 JP JP09115963A patent/JP3094943B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05131152A (ja) * | 1991-11-11 | 1993-05-28 | Kubota Corp | 穀物処理設備 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH10307061A (ja) | 1998-11-17 |
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