JP3160940B2 - サーモパイル - Google Patents

サーモパイル

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JP3160940B2 JP14255091A JP14255091A JP3160940B2 JP 3160940 B2 JP3160940 B2 JP 3160940B2 JP 14255091 A JP14255091 A JP 14255091A JP 14255091 A JP14255091 A JP 14255091A JP 3160940 B2 JP3160940 B2 JP 3160940B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、熱電対を利用して人体
等から発せられる赤外線を検出するサーモパイルに関す
るものである。
【0002】
【従来の技術】人体等から発せられる赤外線を検出する
サーモパイルは防犯装置、その他の様々の分野で使用さ
れている。
【0003】図11〜図15は従来の一般的なサーモパイル
の構成を示したもので、窒化膜等からなるメンブレン1
の上側に金黒等からなる矩形状の赤外線吸収体2が配設
されており、この赤外線吸収体2の周りに複数の熱電対
3がパターン配列されている。熱電対3はビスマス等の
材料からなる第1の電導ライン4とビスマスアンチモン
(ビスマスとアンチモンの合金)等の材料からなる第2
の電導ライン5を隙間6を介して隣接配置したものであ
り、第1の電導ライン4と第2の電導ライン5は赤外線
吸収体2側で接続されて温接合部7となっている。第1
の電導ライン4と第2の電導ライン5の温接合部7に対
して反対側の端部は冷接合部8となっており、一方側の
熱電対の第1の電導ライン4と隣りの他方側の熱電対の
第2の電導ライン5とが冷接合部8で接続されて複数の
熱電対3が直列接続されている。そして、直列接続され
ている熱電対3の始端側の第1の電導ライン4の端末部
には第1の電極10が形成されており、直列接続の終端側
の熱電対3の第2の電導ライン5の端末部には第2の電
極11が形成され、この第1の電極10と第2の電極11から
被検出体の赤外線検出出力が取り出されるようになって
いる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
サーモパイルは、各熱電対3が隙間6を有して実装密度
が低く、つまり、粗く配設されているため、感度が低い
という問題があった。
【0005】サーモパイルの感度を高くするためには、
熱電対3の各電導ライン4,5の幅を細くしたり、赤外
線吸収体2のサイズを大きくし、赤外線吸収体2の周囲
長を長くして配設する熱電対の数を増やすことが考えら
れる。
【0006】しかし、電導ライン4,5の幅を細くする
には、技術的に一定の限界がある上に、電導ライン4,
5の幅を細くすると、電導ライン4,5の電気抵抗が大
きくなり、これに伴いジョンソンノイズが大きくなると
いう問題が生じる。
【0007】また、赤外線吸収体2のサイズを大きくす
ると、サーモパイルの感度はその赤外線吸収体2の平面
積に反比例することから、感度が低下する方向に作用
し、熱電対3の数を増やしてもサーモパイルの感度が大
きくならないという問題が生じる。
【0008】本発明は上記従来の課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、熱電対の電導ライン
の幅を細くすることなく熱電対の数を増やして感度を高
めることができるサーモパイルを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、次のように構成されている。すなわち、本
発明は、メンブレンと、該メンブレンの上に設けられた
赤外線吸収体と、該赤外線吸収体の近くに温接合部を配
列し遠くに冷接合部を配列して直列に接続された複数の
熱電対からなるサーモパイルにおいて、前記メンブレン
の表面上には肉厚の山のラインと肉薄の谷のラインを交
互に設けて山のラインと谷のラインの交互の高低差によ
複数の段差を平面的に密接状に形成し、前記複数の各
熱電対は、互いに隣合う、前記山のラインの表面に熱電
材料を設けて形成した第1の電導ラインと、前記谷のラ
インの表面に前記第1の電導ラインとは異なる熱電能の
材料を設けて形成した第2の電導ラインとを直列接続し
構成したことを特徴として構成されている。
【0010】
【作用】上記構成の本発明において、パターン配列され
てなる複数の熱電対の第1の電導ラインと第2の電導ラ
インは平面的には隙間なく密接配置されており、この隙
間を設けない分だけ熱電対の数が増設可能となる。
【0011】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。なお、本実施例の説明において、従来例と同一の
名称部分には同一符号を付し、その詳細な重複説明は省
略する。図1には本発明に係るサーモパイルの第1の実
施例のパターン構成が示されており、図2には同実施例
におけるサーモパイルの全体構成が示されており、さら
に、図3〜図6には同実施例における熱電対パターンに
おける電導ラインの構成例が示されている。
【0012】この実施例のサーモパイルは図2に示すよ
うに基台12にステンレス製のパッケージ(通常TO−5
缶と呼ばれている)13を被せたものであり、パッケージ
13の頂部の中央部には赤外線を透過する窓14が形成され
ている。基台12の上側には熱電対の形成体15が載置固定
されている。
【0013】この熱電対の形成体15はシリコン基板16の
上側に窒化膜等の薄いダイアフラム状のメンブレン1を
形成し、シリコン基板16の中央部をエッチング技術を用
いてくり抜き、空間部17としている。メンブレン1の中
央部には窓14に対向させて赤外線吸収体2が設けられて
おり、この赤外線吸収体2の周りのメンブレン1の上面
にはフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて
図4〜図6に示すような山と谷の段差が形成されてお
り、この段差の山の表面に蒸着技術や、フォトリソグラ
フィ技術とエッチング技術を用いて例えばアンチモン10
0 %の熱電材料からなるパターンを形成して第1の電導
ライン4を構成している。また、段差の谷の表面には第
1の電導ライン4と熱電能を異にする例えばビスマス90
%とアンチモン10%の組成からなるビスマスアンチモン
合金を熱電材料として第2の電導ライン5をパターン形
成している。そして、赤外線吸収体2側で図4に示すよ
うに、第1の電導ライン4と第2の電導ライン5を接続
して温接合部7となして熱電対3を形成し、この温接合
部7の遠方側に形成した各熱電対3の冷接合部8側で図
6に示すように、一方側の熱電対3の第2の電導ライン
5と隣り側の熱電対3の第1の電導ライン4とを接続し
て複数の熱電対3を直列に接続している。そして、赤外
線吸収体2の各辺に配列されている熱電対3のパターン
群は隣りの熱電対のパターン群とアルミニウム等のリー
ド導体18を介して接続されており、赤外線吸収体2の周
りに形成される全ての熱電対3は直列に接続されてい
る。
【0014】これら各群の熱電対3は平面的には隙間な
く密接配置されており、立体的には段差による高低差が
設けられることで、図5に示すように、第1の電導ライ
ン4と第2の電導ライン5は温接合部7と冷接合部8の
間で非導通状態となっており、温接合部7と冷接合部8
でのみ第1の電導ライン4の熱電材料が隣りの第2の電
導ライン5の熱電材料の上に重なって第1の電導ライン
4と第2の電導ライン5とが接続されている。前記熱電
対パターンの始端側端末部に設けられる第1の電極10
と、熱電極パターンの終端側の端末部に設けられる第2
の電極11はそれぞれボンディングワイヤ9によってター
ミナル21,22に接続されており、このターミナル21,22
から赤外線の検出出力が取り出されている。
【0015】この実施例によれば、第1の電導ライン4
と第2の電導ライン5は平面的に従来例の隙間6を設け
ることなく密接配置されるので、その隙間6をほぼ零に
できる分だけ熱電対3の数を増設することができ、それ
だけサーモパイルの感度を高くすることができる。
【0016】しかも、本実施例では、電導ライン4,5
の幅を細くすることなく熱電対3の数を増設することが
できるので、ジョンソンノイズが増加するということも
なく、非常に好都合となる。
【0017】図7〜図10には本発明の第2の実施例が示
されている。この第2の実施例が前記第1の実施例と異
なることは、熱電対3の温接合部7と冷接合部8で、第
1の電導ライン4の熱電材料を隣り側の第2の電導ライ
ン5に重ねて導通接続する際に、第1の電導ライン4の
熱電材料を隣り側の第2の電導ライン5の全幅に亘って
重ね合わせるのではなく、非重合部20を設けて接続する
ようにしたことである。このように非重合部20を設ける
ことにより、メンブレン1に設ける段差、つまり、第1
の電導ライン4と第2の電導ライン5との高低差を第1
の実施例の場合より小さくしても熱電対3の温接合部7
が隣りの熱電対3の温接合部7に導通したり冷接合部8
が隣りの熱電対3の冷接合部8に導通することを避ける
ことができる。また、第1の電導ライン4と第2の電導
ライン5との高低差を大きくすると、温接合部7および
冷接合部8で第1の電導ライン4の熱電材料を隣りの第
2の電導ライン5に伸張して重ね合わせるときに、メン
ブレン1の山の角部19の部分で第1の電導ライン4の熱
電材料にクラックが発生するという心配が生じるが、こ
の実施例のように、第1の電導ライン4と第2の電導ラ
イン5の高低差を小さくすることによりそのようなクラ
ックの発生も防止でき、より信頼性の高い熱電対3のパ
ターンを形成することができる。
【0018】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記
各実施例では赤外線吸収体2を矩形状に形成したが、こ
の赤外線吸収体2の形状は矩形以外の任意の形状にする
ことができ、例えば円形状の赤外線吸収体とすることも
できる。この場合は、円形の赤外線吸収体2の周りに複
数の熱電対3のパターンを放射状に形成することにな
る。
【0019】
【発明の効果】本発明は、複数の熱電対のパターンを平
面的には第1の電導ラインと第2の電導ラインを隙間な
く密接配置したものであるから、電導ラインの幅を細く
することなく赤外線吸収体の周りに形成する熱電対の数
を増やすことができ、サーモパイルの感度を効果的に高
めることができる。また、熱電対の数を従来のものと同
じにするときには、隙間を設けない分電導ラインの幅を
広くすることができるので、サーモパイルの電気抵抗を
小さくすることができ、これに伴い、ジョンソンノイズ
をより小さくすることができるという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るサーモパイルの第1の実施例の熱
電対パターンの配列構成を示す説明図である。
【図2】同実施例におけるサーモパイルの全体構造を示
す断面図である。
【図3】同実施例における熱電対パターンの拡大説明図
である。
【図4】図3のA−A断面図である。
【図5】図3のB−B断面図である。
【図6】図3のC−C断面図である。
【図7】本発明に係るサーモパイルの第2の実施例の熱
電対パターンの説明図である。
【図8】図7のA−A断面図である。
【図9】図7のB−B断面図である。
【図10】図7のC−C断面図である。
【図11】従来のサーモパイルの熱電対パターンの説明図
である。
【図12】従来のサーモパイルにおける熱電対パターンの
拡大説明図である。
【図13】図12のA−A断面図である。
【図14】図12のB−B断面図である。
【図15】図12のC−C断面図である。
【符号の説明】
1 メンブレン 2 赤外線吸収体 3 熱電対 4 第1の電導ライン 5 第2の電導ライン 7 温接合部 8 冷接合部

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 メンブレンと、該メンブレンの上に設け
    られた赤外線吸収体と、該赤外線吸収体の近くに温接合
    部を配列し遠くに冷接合部を配列して直列に接続された
    複数の熱電対からなるサーモパイルにおいて、前記メン
    ブレンの表面上には肉厚の山のラインと肉薄の谷のライ
    ンを交互に設けて山のラインと谷のラインの交互の高低
    差による複数の段差を平面的に密接状に形成し、前記
    数の各熱電対は、互いに隣合う、前記山のラインの表面
    に熱電材料を設けて形成した第1の電導ラインと、前記
    谷のラインの表面に前記第1の電導ラインとは異なる熱
    電能の材料を設けて形成した第2の電導ラインとを直列
    接続して構成したことを特徴とするサーモパイル。
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JP2772776B2 (ja) * 1995-09-22 1998-07-09 工業技術院長 サーモパイル
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