JP4285356B2 - 赤外線検知素子 - Google Patents

Description

本発明は、赤外線を検知する赤外線検知素子に関する。

基板上の中央部上面に赤外線吸収部を有し、Ｌ字型に屈曲した梁を用いて該赤外線吸収部を基板に対して支持し、該赤外線吸収部と基板とが熱分離構造となっている熱電対型赤外線検知素子が、例えば下記特許文献１に記載されている。
このような赤外線検知素子においては、赤外線吸収部の面に対して垂直方向に加速度が加わった場合に、梁に曲げ応力と同時にねじり応力が加わる。
一般的に、赤外線検知素子における熱電対は、高感度化のために、対数を増やし、１つの梁上に複数本の例えばポリＳｉ等の導電体を設けて構成されることが多く、下記特許文献１の赤外線検知素子でも、１本の梁上に１対２本の熱電対が設けられている。ただし、２本の熱電対は互いに平行になっている。
特開２０００−１１１３９６号公報

上記特許文献１に記載されたような従来の赤外線検知素子では、高感度化のためには、梁の熱抵抗値を高くすればよい。したがって、梁を長く、断面積を小さくすればよい。このため、梁の厚さを薄くすると、ねじり剛性が小さくなるため、熱分離構造全体の共振周波数が低くなる。これにより、場合によっては破壊に到ることがあり、機械的強度が十分でないという問題点があった。
本発明は、機械的強度の大きい赤外線検知素子を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、基板と、赤外線吸収部と、赤外線吸収部と基板とを接続する少なくとも１本の梁と、同一の前記梁の上に梁の長手方向に沿って設けられた少なくとも２本の熱電対とを具備し、同一の梁に設けられた熱電対の間隔が、熱電対の端部に比べて熱電対の中央部で狭くなっており、少なくとも２本の熱電対が、同一の梁の中央部にて絶縁層を介して立体交差している。

本発明によれば、機械的強度の大きい赤外線検知素子を提供することができる。

以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
実施の形態１
図１〜図３を用いて本発明の実施の形態１について説明する。
図１（ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態１の赤外線検知素子の構造を説明する図である。
図１（ａ）、（ｆ）は本実施の形態１の構造を示し、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）、（ｅ）はポリＳｉ抵抗膜からなる２本の熱電対が互いに平行な構造を示し、本実施の形態１の構造と比較して説明するための図である。（ａ）は赤外線検知素子の上面図、（ｂ）、（ｃ）は赤外線検知素子の斜視図、（ｄ）、（ｆ）は赤外線検知素子の梁の上面図、（ｅ）は振動した際の梁の上面図である。
図１（ａ）〜（ｆ）において、１は例えばＳｉ等からなる基板、２は赤外線吸収部（すなわち、赤外線検知部。受光部）、３は梁、４は２本のポリＳｉ抵抗膜から構成される熱電対である。
図１に示すような赤外線検知素子は、基板１と、赤外線吸収部２と、赤外線吸収部２と基板１とを接続する少なくとも１本の梁３と、梁３の上に設けられた少なくとも２本の熱電対４とを具備する。
梁３は、ここでは２本設けられ、基板１に対して中央の赤外線吸収部２を２本のＬ字型の梁３で支えている。
梁３上にはそれぞれ複数のポリＳｉ抵抗膜で構成された熱電対４が形成されている。熱電対４は、ここでは２本のｐ型、ｎ型のポリＳｉ抵抗膜から構成されている。
なお、赤外線吸収部２と基板１とは、例えば基板１の上面に形成された四角錐状の空隙（熱分離領域）により熱分離された構造となっている。
本実施の形態１の赤外線検知素子の構造は、（ｆ）に示すように、梁３に設けられた熱電対４の間隔が該梁３の中央部と端部とで異なっている。ここでは、熱電対４は、梁３の長手方向の中央部では互いの間隔が狭く、端に行くに従って間隔が広くなっており、Ｘ字型になっている。

熱電対４が相互に平行な（ｂ）に示す構造では、Ｚ軸プラス方向に加速度が印加された場合、（ｃ）に示すように、（Ａ）赤外線吸収部２のメンブレンに慣性によってＺ軸マイナス方向（図中下方向）の力が加わる。その場合、（Ｂ）Ｌ字型に屈曲している梁３には、ねじり応力とＸ方向の曲げ応力がかかる。そして、（ｄ）に示すように、曲げ振動は（ｄ）の点線Ｃ１を中心に振動する。熱電対４は強度部材として機能している。また、ねじり振動は（ｄ）の一点鎖線Ｃ２を中心に折り曲げる応力に対して熱電対４は強度部材として働いていない。（ｅ）に示すように、梁３には曲げ応力と同様にねじり方向にも応力が加わる。また、図１の梁３上には複数の熱電対４が形成されているが、熱電対４が互いに平行になっている場合、（ｃ）〜（ｅ）に示すように曲げ応力とねじり応力が印加される。曲げ応力に対しては熱電対４が強度部材として働くが、ねじり応力に対しては強度部材としてあまり機能しない。一方、（ｆ）に示す本実施の形態１の構成では、図２および図３に示すように、梁３へのねじり応力が熱電対４へ曲げ応力として印加される。図２、図３は本実施の形態１の作用を説明する図である。

以下、図３を用いて詳しく説明する。図３において、Ａは赤外線吸収部２と梁３とを接続する接点、Ｂは梁３と基板１とを接続する接点、Ｌは梁３の長さである。
今、梁３のＡＡ’端を長手方向の中心を軸に角度Θだけ回転するとする。Ａ’は上へＸ＝（ａ／２）×ｓｉｎΘだけ変位し、中間のｃ’はその半分のＸ’＝（ａ／４）×ｓｉｎΘだけ上に変位する。したがって、熱電対４が互いに平行に形成されている（ｂ）においては、梁３の長さの半分の長さＬ／２に対してＸ−Ｘ’の変位が加わる。
一方、ポリＳｉ間隔が中央で狭くなっている（ｄ）においては、熱電対４に長さＬ／２に対してより大きなＸの変位が加わる（Ｄは変位しないため）。逆に、同じねじり応力が梁３に加わる場合には、（ｄ）は（ｂ）に比べて変位が少なくなる。すなわち、梁３の剛性が向上することを意味する。以上の理由で、赤外線吸収部２を含めた梁３全体の剛性が向上して共振周波数が上昇する。その結果、振動する物、例えば車両等に本実施の形態１の赤外線検知素子を設置した場合、当該赤外線検知素子が破壊される可能性を低減できる。

実施の形態２
図４は、本発明の実施の形態２の赤外線検知素子を示す図で、梁３の上面図である。本実施の形態２では、梁３の中央部の熱電対４の間隔が端部の間隔に比べて広くなっている。
このような構成においても、上記実施の形態と同様の効果を有する。すなわち、熱電対４の間隔を梁３の端で狭く、真ん中で広くすることにより、梁３のねじり剛性が高くなり、熱分離構造全体の共振周波数が高くなり、破壊される可能性が低くなる。

実施の形態３
図５は、本発明の実施の形態３の赤外線検知素子を示す図で、梁３の上面図である。本実施の形態３では、梁３上の２本の熱電対４が、梁３の中央部にて交差している。そして、交差している２本の熱電対４のうちの１本は、金属配線、例えばＡｌ配線５によって接続されている。
ポリＳｉからなる熱電対４は同一工程において同一の層を用いて形成される。その後、絶縁層を介してＡｌ配線５を形成する。このようにＡｌ層５を利用して梁３の中央部で熱電対４を立体交差させる。
本実施の形態３では、少なくとも１本の熱電対４を梁３の対角線に沿って形成でき、熱電対４を交差することができるので、上記実施の形態１、２に比べて梁３のねじり剛性をさらに向上させることができる。

なお、以上説明した実施の形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記実施の形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。例えば、熱電対４は梁３上に２本形成した例を示したが、もっと多数本形成することも可能である。

本発明の実施の形態１の赤外線検知素子の構造を説明する図である。 本実施の形態１の作用を説明する図である。 本実施の形態１の作用を説明する図である。 本発明の実施の形態２の赤外線検知素子の構造を説明する図である。 本発明の実施の形態３の赤外線検知素子の構造を説明する図である。

符号の説明

１…基板 ２…赤外線吸収部
３…梁 ４…熱電対
５…Ａｌ配線

Claims (2)

1. 基板と、
   赤外線吸収部と、
   前記赤外線吸収部と前記基板とを接続する少なくとも１本の梁と、
   同一の前記梁の上に前記梁の長手方向に沿って設けられた少なくとも２本の熱電対と、
   を具備する赤外線検知素子において、
   同一の前記梁に設けられた前記熱電対の間隔が、前記熱電対の端部に比べて前記熱電対の中央部で狭くなっており、
   少なくとも２本の前記熱電対が、同一の前記梁の中央部にて絶縁層を介して立体交差していることを特徴とする赤外線検知素子。
2. 前記立体交差している２本の前記熱電対のうちの１本は、前記立体交差している部分に設けた配線によって互いに接続されていることを特徴とする請求項１記載の赤外線検知素子。

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