JP4633296B2 - サーモパイルセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、サーモパイルよりなる感温素子で構成されるサーモパイルセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
物体の温度を非接触で測定する温度測定装置の一つに、赤外線透過性窓を有するキャンとステムとからなる容器内にサーモパイルセンサを設けた熱型赤外線検出器がある。このサーモパイルセンサは、感温素子の冷接合部をヒートシンクに熱的に接続するとともに、感温素子の温接合部において測定対象である物体から輻射される赤外線を検出するものである。この感温素子は、二種の熱電材料、例えばポリシリコンおよびアルミニウムを接続した複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルよりなる。
【０００３】
例えば、図９〜図１１に示すように、感温素子（以下、単に素子という）７１は、Ｓｉ基板７２の空洞部（図示せず）を覆う絶縁膜７３上にポリシリコン層７４を互いに噛み合うようにパターン形成し、ポリシリコン層７４と絶縁膜７３を覆う絶縁膜７５ａ，７５ｂに形成した開口部７６を介してポリシリコン層７４とコンタクトするアルミニウム薄膜層７７をパターン形成し、ポリシリコン層７４とアルミニウム薄膜層７７とのコンタクトによる冷接合部７８および温接合部７９を、測定対象である物体から輻射される赤外線の平面視円形の受光領域（受光部）Ｎの外側および受光領域Ｎの内側にそれぞれ位置するように環状に形成してなるものである。８１は信号取り出しリードである。なお、図１０では、ポリシリコン層７４を覆う前記絶縁膜７５ａ，７５ｂは図示されていない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
つまり、前記温接合部７９はポリシリコン層７４とアルミニウム薄膜層７７のコンタクトによって形成され、そのコンタクト部はｍで示すコンタクト領域を有するが、サーモパイルセンサにおいて感度を高くしようとすると、前記受光領域Ｎ内における輻射量の大きな、すなわち、温度の高い中心部８０にできるだけ近づいた位置に前記コンタクト部（温接合部）７９を配置する必要がある。そこで、温接合部７９を、図１１の二点鎖線で示すように中心部８０に近づけると、その分ポリシリコン層７４とアルミニウム薄膜層７７が長さＬ’だけ長くなり素子７１の抵抗が大きくなってしまう。つまり、サーモパイルセンサにおいては、素子７１の抵抗が大きくなるほどＳＮ比が悪くなるので、素子７１の抵抗はできるだけ低くする必要があるといった相反する問題があった。
【０００５】
また、前記絶縁膜７５ａ，７５ｂを設けることなくポリシリコン層７４とアルミニウム薄膜層７７をコンタクトさせる図１２、図１３に示すタイプの素子７１’でも前記素子７１の場合と同様の問題があった。
【０００６】
この発明は上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、素子の抵抗を大きくすることなく感度を向上できるサーモパイルセンサを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルよりなる感温素子の温接合部が、測定対象である物体から輻射される赤外線の受光領域から内側に形成され、前記受光領域の外側の領域に冷接合部が形成されてなるサーモパイルセンサにおいて、前記熱電対を構成する二種の熱電材料を、前記受光領域における輻射量の大きな中心部の近傍位置にまで至る広い範囲にわたってコンタクトさせた状態で前記温接合部を形成し、感度を高くするよう構成することが考えられる。
【０００８】
すなわち、図２の下段に示すように、コンタクト部（温接合部）９のパターンを受光領域Ｎにおける輻射量の大きな温度の高い中心部８０の近傍位置にまで至る広い範囲にわたって形成する、つまり、コンタクト部（温接合部）９のコンタクト領域ｎ（図３参照）を、図２の上段に示す従来のコンタクト部（温接合部）７９のコンタクト領域ｍ（図９参照）に比して中心部８０の近傍位置まで更に長さＣだけ長く設定すれば、その分温度の高い中心部８０の熱を熱伝導によって有効に活用してコンタクト部（温接合部）９の温度を上げ易くできる。そして、二種の熱電材料７，４を従来のように長さＬ’だけ長くするのではなく二種の熱電材料７，４（図３参照）のコンタクト領域ｎを長くすれば、従来のように素子の抵抗が大きくなることはない。
【０００９】
この発明は、複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルよりなる感温素子の温接合部が、測定対象である物体から輻射される赤外線の受光領域内に該受光領域の外縁に沿うように形成され、前記受光領域の外側の領域に冷接合部が形成されてなるサーモパイルセンサにおいて、各前記熱電対を構成する二種の熱電材料自体を、前記温接合部から該温接合部よりも前記受光領域における中心部に近い位置にまで延設してある。
この場合、コンタクト部（温接合部）９’（図６参照）から受光領域Ｎにおける輻射量の大きな温度の高い中心部８０の近傍位置にまで至る広い範囲にわたって二種の熱電材料７’，４’を延設しており、しかも、熱電材料７’，４’のコンタクト部（温接合部）９’からの延設部分７ａ’，４ａ’に電流が流れないので、従来のように素子の抵抗が大きくなることはない。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施形態を、図を参照しながら説明する。
図１〜図３は、コンタクト部（温接合部）９のパターンを、受光領域Ｎにおける輻射量の大きな温度の高い中心部８０の近傍位置にまで至る広い範囲ｎにわたって形成してあるこの発明の第１の参考例を示す。
【００１１】
図１は、二種の熱電材料を接続した複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルよりなり、冷接合部８が受光領域（受光部）Ｎの外側に、温接合部９が受光領域Ｎから内側にそれぞれ位置するように環状に形成されてなるサーモパイルセンサの感温素子１の構成を示す平面図である。図２は、従来例との相違を示す図で、上段に従来例のコンタクト部（温接合部）７９のパターンを、下段にこの参考例のコンタクト部（温接合部）９のパターンを示す。図３は、図２におけるＡ−Ａ線断面図を示す。なお、図１〜図３において、図７〜図９に示した符号と同一のものは、同一または相当物である。
【００１２】
図１〜図３において、感温素子（以下、単に素子という）１は、二種の熱電材料である半導体（例えばポリシリコン）および金属（例えばアルミニウム）同士を接続した複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルよりなる。なお、前記二種の熱電材料は、半導体のみであってもよく、半導体同士を接続した複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルを用いてもよい。更に、前記二種の熱電材料は、金属のみであってもよく、金属同士を接続した複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルを用いてもよい。
【００１３】
この参考例において、前記素子１は、Ｓｉ基板２の空洞部（図示せず）を覆う絶縁膜３上にポリシリコン層４を互いに噛み合うようにパターン形成し、ポリシリコン層４と絶縁膜３を覆う絶縁膜５ａ，５ｂに形成した開口部６を介してポリシリコン層４とコンタクトする金属薄膜層としてのアルミニウム薄膜層７をパターン形成し、ポリシリコン層４とアルミニウム薄膜層７とのコンタクトによる冷接合部８および温接合部９を、測定対象である物体から輻射される赤外線の平面視円形の受光領域（受光部）Ｎの外側および受光領域Ｎから内側にそれぞれ位置するように環状に形成してなるものである。
【００１４】
更に、前記熱電対を構成する二種の熱電材料を、受光領域Ｎにおける輻射量の大きな温度の高い中心部８０の近傍位置にまで至る広い範囲ｎにわたってコンタクトさせた状態で前記温接合部９を形成している。
【００１５】
つまり、この参考例では、ポリシリコン層４とアルミニウム薄膜層７のコンタクトによって形成されたコンタクト部で構成される前記温接合部９を、中心部８０の近傍位置にまで至る広い範囲にわたって形成している。従来例では、前記中心部８０の近傍位置にまで至る広い範囲ではなくて、前記中心部８０の近傍位置とは離れた受光領域（受光部）Ｎの直ぐ内側の位置までしか温接合部７９が形成されていなかった。したがって、前記温接合部９は、従来の温接合部７９のコンタクト領域ｍよりも中心部１０へ更に長さＣだけ長く延びたコンタクト領域ｎ（＞ｍ）を有する。
【００１６】
而して、測定対象である物体から輻射される赤外線が受光領域Ｎで受光される。この場合、受光領域Ｎの中心部８０の温度が最も高く、この中心部８０の熱を中心部８０の近傍位置まで長く延びたコンタクト領域ｎを有する温接合部９で捉えることができる。すなわち、受光領域Ｎの温接合部９の形状を中心部８０の近傍位置まで延ばしたので、温度の高い中心部８０の熱を熱伝導によって有効に活用でき、温接合部９の温度を上げることができるとともに、素子１の抵抗は、従来の温接合部７９のコンタクト領域ｍによって決まるので、素子１の抵抗値を大きくすることなく、容易に感度を上げることができる。
【００１７】
上記参考例では、温接合部９を、平面視円形の受光領域（受光部）Ｎから内側に位置させたものを示した。
【００１８】
図４は、温接合部９を、平面視正方形の受光領域（受光部）Ｎ’から内側に位置させた第２の参考例を示す。なお、図４において、図１〜図３、図７〜図９に示した符号と同一のものは、同一または相当物である。
【００１９】
この場合も、コンタクト部（温接合部）９のパターンを受光領域Ｎの中心部８０の近傍位置まで延ばしたので、中心部８０の熱を有効に活用でき、素子１の抵抗を大きくすることなくサーモパイルセンサを高感度化することができる。
【００２０】
図５、図６は、熱電対を構成する二種の熱電材料を、当該二種の熱電材料のコンタクト部（温接合部）９’から受光領域Ｎにおける輻射量の大きな中心部８０の近傍位置にまで至る広い範囲にわたって延設したこの発明の実施形態を示す。なお、図５、図６において、図１〜図４、図７〜図９に示した符号と同一のものは、同一または相当物である。
【００２１】
この場合、二種の熱電材料であるポリシリコン層４’およびアルミニウム薄膜層７’のそれぞれは、コンタクト部（温接合部）９’から長さＬだけ中心部８０の近傍位置に向かって延設された延設部分７ａ’および４ａ’を有する。
【００２２】
このように、コンタクト部（温接合部）９’のコンタクト領域ｍにおいて、ポリシリコン層４’およびアルミニウム薄膜層７’が接触していることに変わりはないので、従来のように素子の抵抗が大きくなることはない。
【００２３】
図７、図８は、ポリシリコン層４と絶縁膜３を覆う絶縁膜５ａ，５ｂを設けることなく、コンタクト部（温接合部）９のパターンを、受光領域Ｎにおける輻射量の大きな温度の高い中心部８０の近傍位置にまで至る広い範囲ｎにわたって形成してあるこの発明の第３の参考例を示す。なお、図７、図８において、図１〜図６、図９〜図１１に示した符号と同一のものは、同一または相当物である。
【００２４】
この場合も、上記第１の参考例と同様に、受光領域Ｎの温接合部９の形状を中心部８０の近傍位置まで延ばしたので、温度の高い中心部８０の熱を熱伝導によって有効に活用でき、温接合部９の温度を上げることができるとともに、素子１の抵抗は、従来の温接合部７９のコンタクト領域ｍによって決まるので、素子１の抵抗値を大きくすることなく、容易に感度を上げることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したようにこの発明では、素子の抵抗を大きくすることなく、つまり、ＳＮ比を悪くすることなく測定対象である物体から輻射される赤外線の受光領域の温度の高い中心部の熱を有効に活用して感度を向上できるサーモパイルセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の第１の参考例を示す平面図である。
【図２】 上記参考例におけるコンタクト部（温接合部）のパターンと従来のコンタクト部（温接合部）のパターンの相違を説明するための図である。
【図３】 図２におけるＡ−Ａ線断面図である。
【図４】 この発明の第２の参考例を示す一部平面図である。
【図５】 この発明の実施形態におけるコンタクト部（温接合部）のパターンと従来のコンタクト部（温接合部）のパターンの相違を説明するための図である。
【図６】 図５におけるＡ’−Ａ’線断面図である。
【図７】 この発明の第３の参考例におけるコンタクト部（温接合部）を含む斜視図である。
【図８】 図７におけるＡ’’−Ａ’’線断面図である。
【図９】 従来例の感温素子の構成を概略的に示す平面図である。
【図１０】 従来例の感温素子のコンタクト部（温接合部）のパターンの一部を示す図である。
【図１１】 図１０におけるＢ−Ｂ線断面図である。
【図１２】 別の従来例の感温素子のコンタクト部（温接合部）を含む斜視図である。
【図１３】 図１２におけるＢ’−Ｂ’線断面図である。
【符号の説明】
１…感温素子、４…ポリシリコン層、７…アルミニウム薄膜層、９…温接合部、８０…中心部、Ｎ…受光領域、ｎ…コンタクト領域。

Claims (2)

1. 複数の熱電対を直列に接続したサーモパイルよりなる感温素子の温接合部が、測定対象である物体から輻射される赤外線の受光領域内に該受光領域の外縁に沿うように形成され、前記受光領域の外側の領域に冷接合部が形成されてなるサーモパイルセンサにおいて、各前記熱電対を構成する二種の熱電材料自体を、前記温接合部から該温接合部よりも前記受光領域における中心部に近い位置にまで延設してあることを特徴とするサーモパイルセンサ。
2. 前記二種の熱電材料は半導体である請求項１に記載のサーモパイルセンサ。

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