JP3811189B2 - 分割視野無冷却赤外線センサ - Google Patents

Description

発明の背景
本発明は赤外線（ＩＲ）センサに関し、特に、建物の温度制御の用途に使用するための無冷却赤外線センサに関する。さらに特定すれば、本発明は占有率を確定する室内「快適度センサ」に関する。典型的な快適度センサは動きによって占有率を検出する。すなわち、居住者の放射を検出する場合、そのような検出は、居住者がいる可能性のある特定の領域又はスペースの方向に向けられたセンサ構造上のレンズ構造を介して行われる。
発明の概要
本発明は、居住者の動きを必要とせずに室内の占有率を検出する快適度センサである。センサは、異なる視野を有するいくつかのＩＲセンサを有し、従来はそれぞれの視野で別個のレンズ素子が必要であった。本発明では、レンズ素子の代わりに、集積真空パッケージの上部キャップとして光学素子又は窓部を組込んでいる。この窓部は集積真空パッケージの一部であり、１つの集積真空パッケージの中の無冷却ＩＲアレイに対し複数の視野を形成するために窓部をエッチングするという点で、本発明は新規である。本発明は、従来の方法で必要であった追加の処理工程又は実装工程を含まずに追加機能を提供するので、有用である。
【図面の簡単な説明】
図１ａ及び図１ｂは、窓部の単一の平坦な部分の下方に一次アレイ及び二次アレイを有するセンサを示す。
図２ａ及び図２ｂは、窓部の平坦な部分の下方に一次又は主アレイを有し且つ窓部、すなわち、上部キャップの傾斜部分の下方に二次アレイを有するセンサを示す。
図３は、二次センサアレイに対し別の視野を形成するために窓部の上面にエッチングされた面を有する。
図４は、第２及び第３のセンサアレイに対し異なる視野を得るために窓部の上面にエッチングされたさらに別の面を有する。
図５は、占有率センサアレイの電子処理回路の概略図である。
好ましい実施形態の説明
本発明の占有率センサは放射エネルギーと、光及び温度を測定して、周囲の気温以外の要因に基づいて建物の暖房，換気及び照明のシステムを制御させる。快適度センサはいくつかのセンサの複合体であり、それらのセンサの応答を統合し、利用して所定の環境における人間の快適度を操作する。センサは、占有率に従った温度制御又は照明調整のために使用されても良い。室内の占有率はそのような要因の１つである。装置は少なくとも４つの異なるセンサを有する。それらのセンサは一次ＩＲセンサと、二次ＩＲセンサと、温度センサと、可視光センサである。それらのセンサは快適度センサの集積真空パッケージに収納されている。赤外線センサと、温度センサと、光センサは１回の工程で製造される。マスクセットの目的は、この複数センサ製造工程を実装技術と一体化することにより、第１段階パッケージをウェハレベルで集積できるようにすることである。この設計は集積真空パッケージの中に組込まれている。ＩＲセンサ自体は集積パッケージ内の真空のレベル、すなわち、保全性を確定するために利用しても良い。各々が異なる視野を有する複数の独立したＩＲセンサを単一の装置に含めることにより、室内の占有率を推論できる。快適度センサの構成は３２×３２の別個の画素から成る主アレイと、２×８画素から成る二次アレイとを含む。
３から１２マイクロメートルの放射を検出するために、装置は熱絶縁ブリッジ上の熱電対構造（各々が１つの画素である）を有する無冷却ＩＲマイクロボロメータを使用する。一次又は主ＩＲセンサは直列に接続された熱電検出器の３２×３２アレイであり、各検出器は２つの熱電対を有する。２０４８個の接合点から連続して信号が発生される。各画素の一辺は約３ｍｉｌであり、画素はシリコンをその下方から選択的にエッチングすることにより形成される。主ＩＲセンサは、視野の中の放射体、すなわち、居住者がいる場合に背景より大きい信号を発生する。通常、占有率センサには主センサは１つしかない。
本発明において使用できるような無冷却マイクロボロメータ赤外線センサの例は、米国特許第５，２６０，２２５号及び第５，４５０，０５３号に開示されている。１９９３年１１月９日発行の名称「Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｂｏｌｏｍｅｔｅｒｓ」のＭｉｃｈａｅｌ Ｓ．Ｌｉｕ他による米国特許第５，２６０，２２５号は、本出願の説明の中に参考として取り入れられている。１９９５年９月１２日発行の名称「Ｕｓｅ ｏｆ Ｖａｎａｄｉｕｍ Ｏｘｉｄｅ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｂｏｌｏｍｅｔｅｒ Ｓｅｎｓｏｒｓ」のＲ．Ａｎｄｒｅｗ Ｗｏｏｄによる米国特許第５，４５０，０５３号も本出願の説明の中に参考として取り入れられている。
占有率に対する部屋の異なるセグメントを検出するために、占有率センサを設置する。センサは室内の占有率領域を背景領域から識別する。１つ又は２つの二次センサ、光センサ及び温度センサを含む異なる背景信号があっても良い。各々の二次ＩＲアレイは居住者のない領域を検出して、背景信号を発生する。二次ＩＲセンサは天井又は床ではなく、壁を見るように構成されている。主又は一次ＩＲセンサを天井に設置した場合、センサは天井ではなく、床及び／又は壁を見るように構成されている。占有率センサを壁面に設置するより、天井に設置するほうが容易であり、コストも安い。通常、壁面か天井かを問わず、部屋ごとに設置されるセンサは１つだけである。事務所や家庭でこのセンサを使用できるであろう。
「スポット」又は二次ＩＲセンサは、一次ＩＲセンサで使用される熱電検出器と同じ設形の熱電検出器の２×８アレイである。スポット検出器の目的は、「スポット」、すなわち、「背景」と一次センサにより検出される領域との間に、その領域の占有率に関する情報を二次センサの平均放射情報から分離し、区別して、占有率状態を指示することができるように、検出器に異なる視野をもって検出させることである。
温度センサは単なる抵抗温度検出器、すなわち、ＲＴＤである。ＩＲセンサチップ温度を確定するために、第１の金属（ＮｉＦｅ）を単純な抵抗器としてパターニングする。シールが覆われなければならない段差の数を最小にするために、温度センサを集積真空シールの外側に配置できる。これは一次ＩＲセンサ及び二次ＩＲセンサと同じ基板の上にある。温度センサは、監視領域に占有率に基づいて温度制御に関する情報を提供する。また、温度情報を使用して、快適度センサの電子回路を補正する。
可視光センサは、監視スペースの照明制御のためのフィードバックを発生するために使用される。光センサは、室内又は監視スペースの中の可視光のレベルを検出する光検出器である。可視光センサは集積真空パッケージシールの内側にあっても良く、外側にあっても良い。
一次ＩＲ３２×３２アレイセンサの最大熱時定数は５００ミリ秒であり、総検出器抵抗は８００，０００オームである。この時定数は、一次センサからの出力を受け取り、処理する電子回路の１つの係数である。時定数が大きくなるほど、検出器が集積できる熱応答は多くなるが、一般的に言ってマイクロ構造は弱くなる。これは、電気的雑音が増すにつれて、接合点の数を増加させることがより好都合になるという傾向を示している。すなわち、雑音の大きいシステムでは、熱絶縁が劣化することと比較しても信号を大きくするほうが重要である。
各々のＩＲセンサに異なる視野をもたせるために、以前は別個のレンズ素子が必要であった。本発明の快適度センサは、レンズ素子の代わりに、集積真空パッケージ（ＩＶＰ）の上部キャップとして光学窓部を組込んでいる。追加の視野を形成するために、窓部には１つ又は複数の面がエッチングされている。
最大感度を得るため、前述のように、快適度センサのＩＲ画素は真空中で動作される。上部キャップウェハの主な特徴は、素子のＩＲ検出器ウェハと素子のシリコン窓部ウェハとの間のはんだリングシールを介して集積真空空洞を形成することに関連している。上部キャップウェハ、すなわち、窓部は、光を透過するシリコンから製造されている。ＧａＡｓ基板なども使用できるが、シリコンのほうが真空環境を容易に生成できる。Ｔ０５又はＴ０８カンパッケージ上の窓部を含む２つの二次アレイをカンの頭部に配置できる。真空カプセル化のためには、ＴＯカン自体は不要である。その代わりに、ＩＲセンサの集積真空パッケージをＤＩＰパッケージ上に配置しても良い。いずれの場合にも、検出又は監視される領域の様々な部分の識別を感知するために、様々なＩＲセンサに対して窓部を異なる視野に分割しても良い。
図１ａ及び図１ｂは、窓部１８の下方の基板１６上に主無冷却ＩＲセンサアレイ１２と、二次無冷却ＩＲセンサアレイ１４とを有する本発明の一実施形態１０を示す。センサ１２及び１４は窓部１８と基板１６により密封リング２０を使用して密封されている。快適度センサ１０には、窓部１８の下方に可視光検出器２２もある。真空密封チェンバ２４の外側には、温度センサ２６がある。ＩＲアレイ１２及び１４は窓部１８の平坦な部分４２、すなわち、窓部１８において、基板１６と平行である部分４２の下方にあるので、双方のアレイ１２及び１４は本質的には同じ視野を有する。センサ１０の集積真空パッケージ（ＩＶＰ）の上面側から接合パッド３１〜３８に対し作業を行えるようにするための開口部を形成するために、センサ１０のパッケージに異方性エッチングを使用する。
図２ａ及び図２ｂは、主アレイ１２は窓部１８の平坦な部分４２の下方にあるが、上部キャップ１８の傾斜領域４０が二次アレイ１４の上方にあるように二次アレイ１４が配置されているという点を除いて、図１ａ及び図１ｂのセンサ１０に類似するＩＶＰ快適度センサ３０を示す。この場合、赤外線は上部キャップ１８の傾斜部分４０を通過するときに屈曲するので、その結果、二次アレイ１４の有効視野は主アレイ１２の視野とは異なるものになる。
図３は、二次ＩＲアレイ１４の別の視野を形成するために窓部５２の上面に面５４及び５６がエッチングされているセンサ５０を示す。
図４は、主アレイ１２及び二次アレイ１４の視野に加えて第３のＩＲアレイ１５に対するさらに別の視野を形成するために追加の面６４及び６６を有するセンサ６０を示す。広い部屋の中の様々な又は個別の領域の占有率を識別するなどの目的のために、センサ６０の同じパッケージの追加のＩＲアレイに対する他の視野を形成すべく、窓部６２にさらに別の面をエッチングしても良い。
図５は、図１ａ〜１ｂ，図２ａ〜２ｂ及び図３の占有率センサ１０，３０及び５０からの信号をそれぞれ処理するために使用できる電子回路７０の１例を示す。電子回路７０の入力端子にセンサデータ接続線３１〜３８が示されている。背景放射温度を確定し且つ占有率を確定するために、同じセンサ又は同じ視野を有する複数のセンサを使用できる。背景ＩＲ強さを確定し、その結果として、監視領域の占有率のレベルを確定するために高温放射体を選択的に減じるように、出力端子７４に比較処理回路７２を追加できる。補正電子回路は、センサ２６の電子回路からの温度入力７６に従って出力７４を調整する。一次赤外線放射センサ１２及び二次赤外線放射センサ１４からの入力、センサ電子回路７０により処理された信号は信号線８０及び７８を介して比較電子回路７４にそれぞれ入力される。

Claims (9)

1. 基板上に形成され、ある領域の第１の視野を有する第１の赤外線センサアレイと、
   基板上に形成され、前記領域の第２の視野を有する第２の赤外線センサアレイと、
   前記基板上において、前記第１の赤外線センサアレイと第２の赤外線センサアレイの周囲に配置された真空シールと、
   前記第１の赤外線センサアレイと第２の赤外線センサアレイとを収納する集積真空パッケージを形成すべく前記真空シール上に上部キャップとして配置されてなる窓部とを具備する占有率センサであって、
   前記窓部は前記第１の赤外線センサアレイに対し第１の視野を提供するための、基板と平行である部分と、前記第１の視野と異なる第２の視野を前記第２の赤外線センサアレイに対し提供するための傾斜部分を有することを特徴とする占有率センサ。
2. 前記第１の赤外線センサアレイと第２の赤外線センサアレイからの信号を処理する信号処理手段をさらに有することを特徴とする請求項１記載の占有率センサ。
3. 前記第１の視野は、居住者がいる場合もある領域の第１の部分からの赤外線を前記第１の赤外線センサアレイに到達させるものであり、
   前記第２の視野は、一般に居住者がいない領域の第２の部分からの赤外線を前記第２の赤外線センサアレイに到達させるものであり、
   前記第１の赤外線センサアレイは、第１の視野を通して受光される赤外線の量に基づいて占有率状態を指示する電気信号を供給し、
   前記第２の赤外線センサアレイは、第２の視野を通して受光される背景赤外線の量を指示する電気信号を供給し、
   前記信号処理手段は、前記第１の赤外線センサアレイからの電気信号と前記第２の赤外線センサアレイからの電気信号とを受け、それらを比較して、前記領域の第１の部分の占有率状態を確定することを特徴とする請求項２記載の占有率センサ。
4. 可視光センサと、
   温度センサとを更に有し、
   前記信号処理手段は、更に、前記可視光センサと前記温度センサからの信号を処理し、指示された占有率状態に従って温度と明るさとを制御する信号を提供することを特徴とする請求項３記載の占有率センサ。
5. 第３の赤外線センサアレイと、
   この第３の赤外線センサアレイに第３の視野を提供するための、前記窓部上に設けられた第２の面とを更に具備する占有率センサであって、
   前記信号処理手段は、前記第３の赤外線センサアレイからの信号をも処理し、前記領域の占有率状態を指示し確実にするもう１つの信号を出力することを特徴とする請求項４記載の占有率センサ。
6. 各赤外線センサアレイのセンサは無冷却ボロメータであることを特徴とする請求項４記載の占有率センサ。
7. 各赤外線センサアレイのセンサは熱電検出器であることを特徴とする請求項４記載の占有率センサ。
8. 前記基板及び窓部はシリコンから形成されていることを特徴とする請求項４記載の占有率センサ。
9. 前記基板及び窓部はＧａＡｓから形成されていることを特徴とする請求項４記載の占有率センサ。

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