JP4177762B2

JP4177762B2 - サーモパイル型赤外線検出器

Info

Publication number: JP4177762B2
Application number: JP2004007172A
Authority: JP
Inventors: 一隆岡本
Original assignee: Horiba Ltd
Current assignee: Horiba Ltd
Priority date: 2004-01-14
Filing date: 2004-01-14
Publication date: 2008-11-05
Anticipated expiration: 2024-01-14
Also published as: JP2005201734A

Description

本発明は、例えば非接触温度計測やガス計測、さらには人体検知等の用途に用いられるサーモパイル型赤外線検出器に関する。

この種のサーモパイル型赤外線検出器の一例として、従来、ステムの上面に矩形状のサーモパイルチップが設けられ、このサーモパイルチップの受光部に対応する上面部のほぼ中央に開口部が形成されている下向き開放形のキャップの外面に赤外線透過材料よりなり前記開口部を閉塞する窓材が止着され、この窓材外付キャップを、前記サーモパイルチップの受光部が窓材に臨むようにステムに冠着して両者を気密封止してなるサーモパイル型赤外線検出器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特公平７−６０１２４号公報

上記した従来のサーモパイル型赤外線検出器は、ステムとキャップからなるパッケージ内部に配置されたサーモパイルチップの上部に、サーモパイルチップ上面とキャップに外付けされた窓材下面との間の空隙等の空間が存在するために、サーモパイルチップの視野範囲がキャップ開口部以外の窓材周辺部、すなわち、キャップ上面部の開口部周辺部分にも広がり、その結果、キャップの外壁から伝導された熱の一部がキャップの開口部周辺部分のキャップ内壁から輻射されてその赤外線輻射熱がサーモパイルチップに入射して所定の赤外線検出精度が低下する。特に、周囲の環境温度が過渡的に変化するような条件下での使用に際しては、上述のような赤外線輻射による影響が顕著に現れ、赤外線検出性能の阻害要因となり、高い検出精度が得られないという問題があった。

また、通常一般に用いられているサーモパイル型赤外線検出器では、サーモパイルチップの周辺近傍位置にサーミスタ等の温度補償素子を配置してサーモパイルの冷接点付近の温度をモニタリングし、周囲環境温度の変化に伴う検出誤差を補正して検出精度を補償する手段が採用されているが、この場合でも、環境温度の変化が大きいと、検出精度の低下を十分に補償しきれない不具合があった。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、窓材とサーモパイルチップとを可及的に接近させることができ、環境温度の変化にかかわらず、キャップの開口部周辺部分のキャップ内壁からの赤外線輻射による影響を極減して検出性能及び検出精度の向上を実現することができるサーモパイル型赤外線検出器を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係るサーモパイル型赤外線検出器は、ステムの上面に矩形状のサーモパイルチップが設けられ、このサーモパイルチップの角部と前記ステムに貫通保持されているリード部とがボンディングワイヤを介して結合されているとともに、前記サーモパイルチップの受光部に対応する上面部に開口部が形成されている下向き開放形のキャップの内面に前記開口部を閉塞する窓材が止着され、この窓材付キャップを、前記サーモパイルチップの受光部が窓材に対面するようにステムに冠着し、かつ、両者を気密封止してなるサーモパイル型赤外線検出器において、前記窓材とサーモパイルチップとを、平面視においては窓材とボンディングワイヤとがオーバーラップせず、かつ、水平面視においては窓材とボンディングワイヤとが上下にオーバーラップするような相対位置関係に配置させて前記キャップとステムとを固定してあり、また、窓材は矩形状に形成されており、共に矩形状の窓材とサーモパイルチップとが互いに３０〜６０°の角度をずらせた相対位置関係に配置されていることを特徴としている（請求項１）。
また、本発明に係るサーモパイル型赤外線検出器は、ステムの上面に矩形状のサーモパイルチップが設けられ、このサーモパイルチップの角部と前記ステムに貫通保持されているリード部とがボンディングワイヤを介して結合されているとともに、前記サーモパイルチップの受光部に対応する上面部に開口部が形成されている下向き開放形のキャップの内面に前記開口部を閉塞する窓材が止着され、この窓材付キャップを、前記サーモパイルチップの受光部が窓材に対面するようにステムに冠着して両者を気密封止してなるサーモパイル型赤外線検出器において、前記窓材とサーモパイルチップとを、平面視においては窓材とボンディングワイヤとがオーバーラップせず、かつ、水平面視においては窓材とボンディングワイヤとが上下にオーバーラップするような相対位置関係に配置させて、前記キャップとステムとを固定してあり、また、窓材は円形状で、その外径がサーモパイルチップの対角線長さよりも小さく形成されており、この円形状の窓材と矩形状のサーモパイルチップとが両者の中心を同軸上に位置する相対位置関係に配置されていることを特徴としている（請求項２）。

上記のような特徴構成を有する本発明に係るサーモパイル型赤外線検出器によれば、窓材とボンディングワイヤとを干渉させることなく、窓材とサーモパイルチップとの距離を短くして両者を可及的に接近させることが可能であり、これによって、サーモパイルチップの視野範囲がキャップ開口部以外の窓材周辺部、すなわち、キャップ上面部の開口部周辺部分まで広がることを防ぐことができる。したがって、窓材周辺部から赤外線輻射がサーモパイルチップに入射することが殆どなくなり、開口部から入射される赤外線のみを効率的に検出することができ、環境温度変化が大きい条件下での使用に際しても、所定の赤外線検出性能及び高い検出精度を確保でき、信頼性の高い赤外線検出器を得ることができるという効果を奏する。

本発明に係るサーモパイル型赤外線検出器において、窓材とサーモパイルチップとを、平面視では窓材とボンディングワイヤとがオーバーラップせず、かつ、水平面視では窓材とボンディングワイヤとが上下にオーバーラップするような相対位置関係に配置させる具体的構成としては、請求項１に記載のように、共に矩形状に形成された窓材とサーモパイルチップとを互いに３０〜６０°の角度をずらせた相対位置関係に配置したり、請求項２に記載のように、窓材を、円形状で、その外径がサーモパイルチップの対角線長さよりも小さく形成し、この円形状の窓材と矩形状のサーモパイルチップとを両者の中心が同軸上に位置する相対位置関係に配置するなどがある。

上記請求項１に記載のように、窓材を矩形状に形成する場合は、切出しロスが出ないようにウェハ状の光学素子から直線の集合による通常一般的なダイシング技術を採用することができ、窓材の製作コストダウンが図れて赤外線検出器の量産コストを低減することができる。

また、上記請求項１、２のいずれのサーモパイル型赤外線検出器においても、請求項３に記載のように、サーモパイルチップの周辺近傍位置に温度補償素子を設けることが望ましい。この場合、検出器周囲の環境温度が大きく変化しても、サーモパイルチップの冷接点付近の温度モニタリングによる検出誤差の補正性能を安定よく保って検出精度の低下を十分に補償し、常に高い検出精度を確保することができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係るサーモパイル型赤外線検出器Ａの第一実施例を示す外観斜視図、図２はその平面図、図３は図２のＸ−Ｘ線に沿った縦断面図である。この第一実施例のサーモパイル型赤外線検出器Ａは、ステム１の上面に正方形（矩形状の一例）のサーモパイルチップ２が設けられており、この正方形のサーモパイルチップ２の一つの角部に形成されたボンディングパット３と前記ステム１の外周辺部の複数箇所に貫通保持されているリードピン４のうちの二つのリードピン４の上端部とがボンディングワイヤ５を介して導電状態に結合されている。また、前記サーモパイルチップ２の周辺近傍位置のステム１部分にはサーミスタなどの温度補償素子１０が取付けられており、この温度補償素子１０と前記リードピン４のうちの二つのリードピン４の上端部とがボンディングワイヤ５を介して導電状態に結合されている。

７はＮｉやＦｅなどの金属からなる下部開放形の円筒状キャップで、その上面部７ａの中央には正方形のサーモパイルチップ２の受光部６に対応させて円形の開口部８が形成されている。この円筒状キャップ７の上面部７ａ下面（キャップ内面）には前記開口部８を閉塞する窓材９が止着されている。この窓材９は赤外線透過材料、例えば８μｍカットオンフィルタからなり、前記サーモパイルチップ２と合同またはほぼ合同の正方形（矩形状の一例）に形成され、キャップ７に例えば接着剤を用いて止着されている。

そして、この窓材９を内貼りした円筒状キャップ７を、サーモパイルチップ２の受光部６が窓材９に対面するようにステム１に冠着して両者７，１を気密封止することにより、所定のサーモパイル型赤外線検出器Ａを構成するのであるが、このとき、正方形の窓材９と正方形のサーモパイルチップ２とを互いに３０〜６０°、好ましくは、約４５°の角度θを持たせて、平面視においては、図２に示すように、窓材９と各ボンディングワイヤ５，５とがオーバーラップせず、かつ、水平面視においては、図３に示すように窓材９の一部と各ボンディングワイヤ５，５とが上下にオーバーラップするような互いにずらせた相対位置関係に配置させ、この状態でステム１に冠着した円筒状キャップ７を接着等の手段を介してステム１に固定している。

このように構成されたサーモパイル型赤外線検出器Ａにおいては、窓材９と各ボンディングワイヤ５，５とを干渉させることなく、窓材９とサーモパイルチップ２との距離ｄを短く、例えば数１０μｍ以上かつ５００μｍ以下にして両者９，２を可及的に接近させることができる。これによって、サーモパイルチップ２の視野範囲がキャップ開口部８以外の窓材９周辺部分まで広がり、それが原因で実使用時に窓材９の周辺部分から赤外線輻射がサーモパイルチップ２に入射することを殆どなくすることができ、開口部８に対応する窓材９部分を透過してサーモパイルチップ２に入射される赤外線のみを効率的に検出することができ、環境温度が過渡的に大きく変化するような条件下での使用に際しても、所定の赤外線検出性能及び高い検出精度を確保できる。また、温度補償素子１０によるサーモパイルチップ２の冷接点付近の温度モニタリングによって環境温度の変化に起因する検出誤差の補正性能を安定よく保って高い検出精度を十分に補償することができる。

図４は本発明に係るサーモパイル型赤外線検出器Ａの第二実施例を示す平面図である。この第二実施例のサーモパイル型赤外線検出器Ａでは、円筒状キャップ７の上面部７ａ下面に貼着する窓材９を円形状で、その外径Ｄが正方形のサーモパイルチップ２の対角線長さＬよりも小さく形成されており、この円形状の窓材９と矩形状のサーモパイルチップ２とを、両者の中心が同軸上に位置すべく配置することにより、平面視においては、図４に示すように、窓材９と各ボンディングワイヤ５，５とがオーバーラップせず、かつ、水平面視においては、第一実施例の図３と同様に、窓材９の一部と各ボンディングワイヤ５，５とが上下にオーバーラップするような相対位置関係とし、この状態でステム１に冠着した円筒状キャップ７を接着等の手段を介してステム１に固定している。その他の構成は、第一実施例と同一であるため、該当部分に同一の符号を付してそれらの説明を省略する。

上記の第二実施例のサーモパイル型赤外線検出器Ａにおいても、第一実施例と同様に、窓材９とボンディングワイヤ５，５とを干渉させることなく、窓材９とサーモパイルチップ２との距離ｄを、数１０μｍ以上かつ５００μｍ以下と短くして両者９，２を可及的に接近させることが可能となり、これによって、環境温度が過渡的に大きく変化するような条件下での使用に際しても、所定の赤外線検出性能及び高い検出精度を確保でき、また、温度補償素子１０によるサーモパイルチップ２の冷接点付近の温度モニタリングによって環境温度の変化に起因する検出誤差の補正性能を安定よく保って高い検出精度を十分に補償することができる。

本発明に係るサーモパイル型赤外線検出器の第一実施例を示す外観斜視図である。第一実施例のサーモパイル型赤外線検出器の全体平面図である。図２のＸ−Ｘ線に沿った縦断面図である。本発明に係るサーモパイル型赤外線検出器の第二実施例を示す全体平面図である。

符号の説明

１ステム
２サーモパイルチップ
４リードピン
５ボンディングワイヤ
６受光部
７キャップ
８開口部
９窓材
１０温度補償素子
Ａサーモパイル型赤外線検出器

Claims

ステムの上面に矩形状のサーモパイルチップが設けられ、このサーモパイルチップの角部と前記ステムに貫通保持されているリード部とがボンディングワイヤを介して結合されているとともに、前記サーモパイルチップの受光部に対応する上面部に開口部が形成されている下向き開放形のキャップの内面に前記開口部を閉塞する窓材が止着され、この窓材付キャップを、前記サーモパイルチップの受光部が窓材に対面するようにステムに冠着して両者を気密封止してなるサーモパイル型赤外線検出器において、前記窓材とサーモパイルチップとを、平面視においては窓材とボンディングワイヤとがオーバーラップせず、かつ、水平面視においては窓材とボンディングワイヤとが上下にオーバーラップするような相対位置関係に配置させて、前記キャップとステムとを固定してあり、また、窓材は矩形状に形成されており、共に矩形状の窓材とサーモパイルチップとが互いに３０〜６０°の角度をずらせた相対位置関係に配置されていることを特徴とするサーモパイル型赤外線検出器。
ステムの上面に矩形状のサーモパイルチップが設けられ、このサーモパイルチップの角部と前記ステムに貫通保持されているリード部とがボンディングワイヤを介して結合されているとともに、前記サーモパイルチップの受光部に対応する上面部に開口部が形成されている下向き開放形のキャップの内面に前記開口部を閉塞する窓材が止着され、この窓材付キャップを、前記サーモパイルチップの受光部が窓材に対面するようにステムに冠着して両者を気密封止してなるサーモパイル型赤外線検出器において、前記窓材とサーモパイルチップとを、平面視においては窓材とボンディングワイヤとがオーバーラップせず、かつ、水平面視においては窓材とボンディングワイヤとが上下にオーバーラップするような相対位置関係に配置させて、前記キャップとステムとを固定してあり、また、窓材は円形状で、その外径がサーモパイルチップの対角線長さよりも小さく形成されており、この円形状の窓材と矩形状のサーモパイルチップとが両者の中心を同軸上に位置する相対位置関係に配置されていることを特徴とするサーモパイル型赤外線検出器。
サーモパイルチップの周辺近傍位置には、温度補償素子が設けられている請求項１または２に記載のサーモパイル型赤外線検出器。