JP3670442B2

JP3670442B2 - 狭視野サーミスタボロメータ

Info

Publication number: JP3670442B2
Application number: JP15218797A
Authority: JP
Inventors: 裕輔村井
Original assignee: 株式会社山形チノー
Priority date: 1997-06-10
Filing date: 1997-06-10
Publication date: 2005-07-13
Anticipated expiration: 2017-06-10
Also published as: JPH10339671A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、非接触で物体温度を測定するもので、主に測定温度範囲に室温付近を含む低温域用の放射温度計等に用いるサーミスタボロメータに係り、特に、検知エリアを狭視野とすることができる狭視野サーミスタボロメータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
温度によって電気抵抗が大きく変化するサーミスタを赤外線を通す窓を設けたパッケージに封止して構成し、入射した赤外線による温度上昇で抵抗値が変化することに基づき赤外線量を計測でき、温度に変換して出力することができるようになる。
このようなサーミスタボロメータを用いた非接触の温度検出においては、距離が離れるに従い視野が広くなるが、この温度検出しようとする検知エリアを限定したい要望がある。このように狭視野とすることでこの限定された検知エリア内での物体温度の測定精度を向上させることができるようになるとともに、物体周囲からの影響を低減化できるようになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のサーミスタボロメータの検知エリアを狭視野とするためには、このセンサのパッケージ外部にレンズ、ミラー等による集光光学系や、しぼりが用いられており、全体構成が大型でかつ高価になる問題があった。
【０００４】
また、センサ側からみた場合、レンズ、ミラー、しぼりなどの構造物からの赤外線放射も受け取ることになり、誤差要素が多くなる。
センサの受光部分と構造物の温度が等しい場合は問題とならないが、例えばこのサーミスタボロメータを温かい室内から氷点下の冷凍庫に持ち込んですぐに測定する場合など機器の温度変化が激しい場合は、センサ受光部分と構造物の温度変化に過渡的なずれが生じるため、これが誤差として出力に現れる問題もある。
【０００５】
また、この種、熱型センサに分類されるサーミスタボロメータは、物体が放射している赤外線エネルギーの受光量と、センサの受光部自身が放射しているエネルギーの差し引き分の赤外線エネルギーによって受光部分が温度変化することで、物体と受光部自身の温度差に基づき赤外線量（温度）を出力する構成となっている。
このため、例えば室温付近（２５℃）で体温などを測定しようとした場合、これらの温度差が少ないため出力が小さく、正確な温度出力を得にくくなる（温度出力の分解能に相当）。したがって、より少ない入射エネルギーでも状態変化の大きい材料や受光部分の温度変化が大きくなるよう小型化を図り十分な分解能が得られる構成が望まれている。
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、検知エリアを狭視野にでき、これを簡単かつ小型に構成でき温度ドリフトの特性が良好な狭視野サーミスタボロメータを提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明の狭視野サーミスタボロメータは、請求項１記載のように、赤外線を通す所定径の窓が開口形成されたパッケージと、
前記パッケージ内部に設けられ、前記窓に対応した形状を有し該窓を介して入射した赤外線による温度上昇で抵抗値が変化するサーミスタ膜が形成され、入射角度が平行光のとき（α０）最も大きな受光レベルを出力し、臨界角（α３）に至るまで入射角度に対応する受光レベルを出力するメインエレメントと、
前記パッッケージ内部に設けられ、前記メインエレメントと同面積で前記窓の開口径より大径な内径を有する環状でサーミスタ膜が形成されており、入射角度が所定角度範囲（α０＜α＜α３）の赤外線を検出するサブエレメントと、
前記メインエレメントの出力から前記サブエレメントの出力から前記サブエレメントの出力の差分を出力する出力手段と、
を具備する狭視野サーミスタボロメータであって、
前記メインエレメント及びサブエレメントのサーミスタ膜は、単一の基板を挟むように該基板の表裏にそれぞれ位置合わせして形成された後に該サーミスタ膜部分の基板をエッチング処理で除去されることにより、互いが基板の厚さ分の間隔で微小な架橋構造とされたことを特徴としている。
【０００９】
メインエレメント２はパッケージ１の開口部１ｂを介して検出対象からの赤外光を検出して対応する受光レベルの信号を出力し、入射光が平行光α０のとき最も高い受光レベルの信号を出力する。
サブエレメント３は、入射光が平行光（α０）以外で臨界角α３に至るまでの間の赤外光を検出する。
出力手段７は、メインエレメント２の出力からサブエレメント３の出力の差分を出力することにより、入射光が狭視野な角度のみを出力する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の狭視野サーミスタボロメータの構成を示す図である。（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は側断面図である。
略円筒形状のパッケージ１内部には、メインエレメント２と、サブエレメント３が収容されている。
このパッケージ１は、必要に応じて内部が真空あるいはガスで封止されるもので、上面１ａには、開口部１ｂが開口径Ｌ１で円形に開口形成され、この開口部１ｂには窓４が設けられている。窓４には、赤外光の表面反射防止処理、あるいは所定波長（赤外光）のみ透過させるフィルタ処理が施されたものが用いられる。
【００１１】
メインエレメント２は、前記開口部１ｂの開口径Ｌ１程度の外径Ｌ２を有する円形に形成される。
このメインエレメント２は、単結晶シリコンなどのウェハーを用いた基板表面に所定のサーミスタ膜２ａが形成されてなる。このメインエレメント２に入射した赤外線エネルギー量と自己輻射によって放出された赤外線エネルギーの差を反映した温度変化により抵抗値が変化するサーミスタボロメータとなる。
【００１２】
このメインエレメント２は、外縁から４方に十分細い梁部２ｂによってパッケージ１内のヒートシンク（不図示）に支えられている。ここで、メインエレメント２は、パッケージ１の開口部１ｂの同軸位置上で所定距離Ｈ１離れて配置されている。
【００１３】
開口部１ｂの同軸上で所定距離Ｈ２（Ｈ１＜Ｈ２）離れた箇所にはサブエレメント３が配置されている。ここで、メインエレメント２とサブエレメント３は所定距離Ｈ３（Ｈ２−Ｈ１）だけ離れている。
このサブエレメント３は、メインエレメント２と同様の製法により基板上にサーミスタ膜３ａを形成してなる。
サブエレメント３は、パッケージ１の開口部１ｂの開口径Ｌ１以上の内径Ｌ３で、所定径の外径Ｌ４を有する環状に形成されていて、メインエレメント２の面積と等しい面積を有している。
【００１４】
このサブエレメント３は、外縁から４方に十分細い梁部３ｂによってパッケージ１内のヒートシンク（不図示）に支えられている。
尚、メインエレメント２，サブエレメント３は、３方の梁部２ｂ，３ｂで支えられる構成とすることもできる。
【００１５】
ここで、メインエレメント２と、サブエレメント３の形状の有効範囲を記載しておく。
▲１▼サブエレメント３の内径Ｌ３＞パッケージ１の開口部１ｂの開口径Ｌ１であること。
▲２▼入射光が臨界角（後述する図７のα３）のとき、開口部１ｂの縁と、メインエレメント２の縁と、サブエレメント３の縁が同一線上に位置すること
▲３▼メインエレメント２とサブエレメント３の面積が同一であること。
【００１６】
これらメインエレメント２と、サブエレメント３のリードパターン２ｃ，３ｃは、それぞれ梁部２ｂ，３ｂ部分に延出されワイヤボンドを介してリード線５ａ，５ｂに接続され、パッケージ１外部に導出されている。
図２は、このメインエレメント２、及びサブエレメント３を示す平面図である。各エレメント２，３のサーミスタ膜２ａ，３ａは、例えば図示のようにそれぞれ交差する櫛歯状に形成されてなる。同図には、サブエレメント３の内径Ｌ３がパッケージ１の開口部１ｂの開口径Ｌ１及びメインエレメント２の外径Ｌ２より大径なものが記載されている。
【００１７】
このリード線５ａ，５ｂは、図３に示す出力手段７に接続されている。
上記メインエレメント２とサブエレメント３の出力である抵抗値は、出力手段７に入力される。
出力手段７は、ブリッジ回路７ａと、減算手段７ｂで構成されている。ブリッジ回路７ａは、パッケージ１内部のメインエレメント２とサブエレメント３の各抵抗値Ｒm ，Ｒs 、及びパッケージ１外部に設けられるブリッジ抵抗Ｒ１，Ｒ２がブリッジ接続されてなり、メインエレメント２の受光レベルＶ１、サブエレメント３の受光レベルＶ２をそれぞれ出力する。
減算手段７ｂは、これらメインエレメント２の受光レベルＶ１と、サブエレメント３の受光レベルＶ２とが入力され、両者の差分（Ｖ１−Ｖ２）を出力端子Ｖout から出力する。この減算手段７ｂは、コンパレータを用いたり、ＣＰＵと減算処理ソフトウェア等を用いる等して構成できる。
【００１８】
次に、上記構成による狭視野の作用について説明する。図４乃至図７は、この狭視野サーミスタボロメータの視野角度別の検知状態を示す説明図である。以下には動作原理を説明する。
図４は入射光の入射角度がα０のときの受光状態を示す図である。
入射される赤外光（入射光）の光軸となる角度を入射角αとした場合、入射光の入射角度がα０（平行光：メインエレメント２の面に対して入射光が直角に入射される状態）のときには、メインエレメント２は最大の受光エネルギーを得ることになる。このとき、サブエレメント３の内径Ｌ３は開口部１ｂの開口径Ｌ１以上であるため、平行光である入射光は、開口部１ｂに遮られてこのサブエレメント３には入射しない。（メインエレメント２の受光レベル＝ｍａｘ，サブエレメント３の受光レベル＝０）
【００１９】
図５は入射光の入射角度がα１（α０＜α１＜α２）のときの受光状態を示す図である。メインエレメント２の面に対してやや角度を有した状態のときには、開口部１ｂとメインエレメント２との間の距離Ｈ１によりメインエレメント２に入射される受光エネルギーはやや減少する。このとき、サブエレメント３に対し入射光は、このサブエレメント３の一部に入射する。（メインエレメント２の受光レベル＞サブエレメント３の受光レベル）
【００２０】
図６は入射光の入射角度がα２（α１＜α２＜α３）のときの受光状態を示す図である。メインエレメント２の面に対して角度を有した状態のときには、開口部１ｂによってメインエレメント２に入射される受光エネルギーは半減する。このとき、入射光はサブエレメント３に対しても部分的に入射する。（メインエレメント２の受光レベル≧サブエレメント３の受光レベル）
【００２１】
図７は入射光の入射角度がα３（α２＜α３）のときの受光状態を示す図である。メインエレメント２の面に対して臨界角を有した状態のときには、入射光は開口部１ｂによってメインエレメント２、及びサブエレメント３のいずれにも入射されない。（メインエレメント２の受光レベル＝０，サブエレメント３の受光レベル＝０）
【００２２】
上記図４乃至図７に示したように、メインエレメント２とサブエレメント３は、それぞれ入射光の入射角度α別に異なる受光状態となる構成とされており、特に、図３に示すような入射角度α０のときにはメインエレメント２のみが受光状態となることに基づき、この入射角度α０の方向に位置する物体から放射される赤外線を限定して検出できるようになる。
【００２３】
図８は、入射光の角度と受光レベルを示す図である。
メインエレメント２の受光レベルは、同図（ａ）中実線で示すように入射光の入射角度αが平行光の状態α０（図３記載）のとき最も高く、以降角度が大きくなりα３に至るまで次第に低くなっている。
一方、サブエレメント３の受光レベルは、（ａ）中点線で示すように、入射光が入射角度α０であるとき最も低く、入射角度が大きくなるにつれ次第に高くなり入射角度α２のとき最も高く、以降、入射角度α３に至るまで次第に低くなっている。
【００２４】
したがって、出力手段７は、メインエレメント２の出力からサブエレメント３の出力を差し引くことにより、入射角度αの大きい部分の受光出力をキャンセルすることとなり、入射角度の小さいα０の方向からの入射光のみ限定して検出でき狭視野な検出を行えるようになる（同図（ｂ）参照）。
同時に、メインエレメント２とサブエレメント３は、同一の材質、製法、面積で形成されたものであるため、両エレメント２，３のノイズ成分や温度変化の時間軸成分はほぼ同等と見做すことができるため、上記差分演算によってこれら誤差成分を除去することができる。
【００２５】
上記説明では、メインエレメント２、及びサブエレメント３がそれぞれ異なる基板上に設けられた構成として説明したが、これに限られることはない。
単結晶シリコンなどのウェハーを用いた基板の表面（上面）にメインエレメント２のサーミスタ膜２ａを形成し、裏面（下面）にサブエレメント３のサーミスタ膜３ａを形成する。ここで、基板の厚さは前記距離Ｈ３としておく。
サーミスタ膜の製法を説明すると、蒸着、スパッタリング又はＣＶＤ等の薄膜形成法により熱伝導性の低い酸化シリコンや窒化シリコンなどの絶縁膜を形成し、その上に同じく薄膜によって抵抗温度係数の大きいサーミスタ膜と電極金属膜を形成・パターニングして微小なサーミスタ膜２ａ，３ａを形成する。
その後、サーミスタ膜２ａ，３ａが設けられた部分の基板を、腐食液によるウェットエッチング法または腐食ガスによる反応性イオンエッチング法などにより取り除いて、微小な架橋構造とする。
これにより、サーミスタ膜２ａ，３ａは互いに距離Ｈ３だけ離れた状態で配置させることができ、また、両エレメント２，３は熱容量を十分に小さくでき、また、その周囲構造との熱的な絶縁を取ることができるようになる。
【００２６】
【発明の効果】
本発明によれば、簡単な構造で検知エリアを狭視野とすることができ、これにより検知対象を絞った検知を行え、また、検知対象周囲からの影響を除くことができる。
また、本発明は、メインエレメントとサブエレメントの差分を取るだけで狭視野な検知エリアの出力が得られる構成であるため、簡単かつ小型に構成でき、同時に温度ドリフトの特性も良好にできる。また、ミラーやレンズを用いずとも狭いエリアの検知を行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の狭視野サーミスタボロメータを示す図。
【図２】サーミスタ膜を示す図。
【図３】出力手段を示す図。
【図４】入射光の入射角度別の受光状態を示す図（その１）。
【図５】入射光の入射角度別の受光状態を示す図（その２）。
【図６】入射光の入射角度別の受光状態を示す図（その３）。
【図７】入射光の入射角度別の受光状態を示す図（その４）。
【図８】入射光の入射角度と受光レベルを示す図。
【符号の説明】
１…パッケージ、１ｂ…開口部、２…メインエレメント、３…サブエレメント、４…窓、７…出力手段。

Claims

赤外線を通す所定径の窓が開口形成されたパッケージと、
前記パッケージ内部に設けられ、前記窓に対応した形状を有し該窓を介して入射した赤外線による温度上昇で抵抗値が変化するサーミスタ膜が形成され、入射角度が平行光のとき（α０）最も大きな受光レベルを出力し、臨界角（α３）に至るまで入射角度に対応する受光レベルを出力するメインエレメントと、
前記パッッケージ内部に設けられ、前記メインエレメントと同面積で前記窓の開口径より大径な内径を有する環状でサーミスタ膜が形成されており、入射角度が所定角度範囲（α０＜α＜α３）の赤外線を検出するサブエレメントと、
前記メインエレメントの出力から前記サブエレメントの出力から前記サブエレメントの出力の差分を出力する出力手段と、
を具備する狭視野サーミスタボロメータであって、
前記メインエレメント及びサブエレメントのサーミスタ膜は、単一の基板を挟むように該基板の表裏にそれぞれ位置合わせして形成された後に該サーミスタ膜部分の基板をエッチング処理で除去されることにより、互いが基板の厚さ分の間隔で微小な架橋構造とされたことを特徴とする狭視野サーミスタボロメータ。