JP4828534B2 - センサ素子 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、独立請求項の前提部に係るセンサ素子に関する。特に、周辺温度が変動する場合の特性が向上した赤外線検出器に関する。かかるセンサ素子およびセンサは、独国特許出願公開第１９７１０９４６号明細書および欧州特許出願公開第１０３９２８０号明細書に記載されている。

本発明は、特に放射線センサに関しており、本明細書は、好ましくは、赤外放射測定によって温度を測定するように設計された放射線センサに関する。この場合、実際のセンサ素子の構造は、具体的に言えば、測定する赤外線が入射し、この赤外線を一定の方法で電気的に使用可能な信号、たとえば電流、電圧、電荷などに変換する構造である。センサ素子は、サーモパイル、パイロディテクタ、またはボロメータなどである。

特に、サーモパイルは、入射する電磁放射線（赤外領域にある）によって、その電気出力信号が変わるだけでなく、センサ素子が動作する環境の周辺温度の影響も受ける。センサ素子がヒートシンクおよび周辺温度の影響をできる限り受けないように、サーモパイルは、たとえば図１に示されるように、熱伝導率の低い構造物上に設けられる。実際に使用するセンサ素子に、符号４（４ａ, ４ｂ）を付す。このセンサ素子には熱端部４ａおよび冷端部４ｂが備わる。熱端部４ａ上には吸収層５ａを設けることができる。吸収層５ａは、入射する赤外線（ＩＲ（Ｔｏと表示））を特に良く吸収して熱端部４ａが加熱されるように、たとえば、色を暗くしてもよい。一方、冷端部４ｂ上には反射層５ｂを設けることができる。反射層５ｂは、入射する赤外線を反射するので、冷端部４ｂはさほど加熱されることはない。冷端部と熱端部との温度差によって、測定可能な電圧が異なってくる。これらの構造を複数直列に接続してもよく、そうすれば、より高い信号電圧が得られる。

センサ素子は、フレームとして形成される基板１によって本体が支持される薄膜３上に設置される。この場合、熱端部４ａは、通常フレーム１上ではなく、フレーム１の開口部２上方の薄膜３上に設けられる。このように、熱端部４ａはフレーム１の熱塊から熱的に分離されており、入射する赤外線によって相対的に強く加熱され、強い信号を発することが可能である。

周辺温度（センサ素子のフレーム１下方に矢印Ｔｕと表示）が一定であると仮定すると、冷接点４ｂは、フレーム１の上方に、薄膜３がある場合はその上に設けられることが望ましい。また、冷接点は、フレーム１の熱塊に結合しており、入射する赤外線による加熱量は少ない。

一方、周辺温度が急速に変化すると仮定すると、熱接点だけでなく冷接点も、フレーム１上に設けられるのではなく、図１に示すようにフレームの開口部２の上方に設けられ、ここにおいても変動する周辺温度に触れないようにすることが好ましい。周辺温度が変化する場合にセンサ素子またはセンサを使用する典型的な分野として、空調設備など、測定する対象の赤外線によって間接的に温度を測定する分野が挙げられる。

冷接点の温度条件が未確定である場合、または変化する場合、このことは、対象物の温度Ｔｏに応じて赤外線を（直接的に）測定することによって行われる（間接的な）温度測定に影響する。したがって、温度センサを使用する場合、たとえば、開口部２の上方の薄膜３上に冷接点を設けることがある。

正確な温度測定には、温度分布の動力学的特性が関係する。この目的を達成するために、独国特許出願公開第１９７１０９４６号明細書において、詳細は後述するが、ある一定の方法で、冷接点および熱接点の熱容量ならびに冷接点および熱接点の周囲の熱伝導率を設定することが提案されている。熱接点のみが熱を放射するように、サーモパイルセンサの熱接点をハウジングに対して非対称に構成することが提案されている。引用文献に記載された測定器は、周辺温度条件が冷接点に及ぼす影響を熱接点に及ぼす影響と同一にすることを目的としている。

本発明の目的は、周辺温度の変化に相対的に影響されず、干渉する信号源に概ね影響されないセンサ素子およびセンサを提供することである。

前記目的は、独立請求項の特徴によって解決される。従属請求項は本発明の好適な実施形態に関する。

本発明に係るセンサ素子、好ましくはサーモパイルは、特に赤外領域（λ＞８００ｎｍ、好ましくは＞２μｍ、より好ましくは＞２５μｍ）にある電磁放射線の検出に供せられ、基板に設けられる１または複数の感熱部を有する。また、作用層が設けられ、感熱部の内部および付近における電磁放射線の吸収および／または反射に作用する。基板上の感熱部の配置も、１または複数の作用層の熱特性に応じて決定される。作用層の測定される熱特性としては、熱伝導率、熱容量、放射線吸収率、放射線反射率、および放射線放射率が可能である。

感熱部は放射線を吸収し、これによって加熱される限りでは、感熱部とみなしてよい。放射線、特に赤外線を、直接に、かつ熱による影響を発生させずに、電気的特性に変換する部分は、感熱部の均等物とみなしてよい。

本発明に係るセンサ素子において、センサ素子の感熱部、特にサーモパイル構造の熱接点および／または冷接点は、対称軸、つまりセンサ素子、具体的には基板またはその一部、たとえばフレームまたは薄膜の対称点に関して、非対称となるように基板上に配置される。この場合、構造を非対称とするのは、非対称な熱特性のバランスをとることを企図しているからであり、作用層の特性も上述のように考慮に加えてもよい。

本発明に係るセンサは、上述のように構成され、どのような場合であっても、感熱部と、検出される電磁放射線の吸収および／または反射に作用する作用層とを含む。作用層の配置、設計、および厚みは、センサ素子またはその部品（基板、フレーム、薄膜、感熱部など）の熱特性に応じて決定することができる。

本発明に係るセンサ素子は、上述のように構成され、特に赤外領域にある電磁放射線を検出するように企図されており、基板上には、検出される電磁放射線に応じた電気出力信号を発生させる１または複数の領域と、検出される電磁放射線に対する感度が第１領域よりも低く、その電気出力信号が第１領域の電気出力信号と組合わせられる１または複数の第２領域とを有する。好ましくは、第２領域は、熱依存性の信号は供給せず、周辺温度に対応する信号だけを供給し、その信号は、少なくとも質的にまたは部分的に、第１領域からの温度依存性信号成分のように進行する。第１領域および第２領域からの信号は、位相を反転させることが可能であり、信号の温度変動があるのに、少なくとも部分的に温度変動を差し引いて、信号合計が得られる。このように、センサ素子において直接、アナログ方式で電気的に温度変動を補償することが可能である。

本願の出願日に、同一出願人が発明の名称を「センサ」とした別の出願を提出しており、その全内容を本明細書において参照する。引用したこの出願の公式の出願番号は、独国特許出願第 号である。この出願に記載された特徴は、本明細書記載の発明と組合わせることができ、その可能な組合せは本願記載の発明の一部と解される。

以下、添付の図面を参照して、本発明の各実施形態を説明する。
図１は、本発明が適用可能なセンサ素子を示す。センサ素子１０は、サーモパイルを備え、該サーモパイルは、直列に接続された複数の冷接点および熱接点を含んでもよい。冷接点には符号４ｂを付し、熱接点には符号４ｂを付す。熱接点４ａ上に吸収層５ａを設け、冷接点４ｂ上に反射層５ｂを設けることができる。対象物の対象物温度Ｔｏに応じて発生し、出射される赤外線ＩＲ（Ｔｏ）は、吸収層５ａによって吸収される。反射層５ｂは、放射線を反射する。このように、入射する放射線によって行われる加熱は、熱端部４ａにおいては促進されるが、冷端部においては抑制される。熱端部および冷端部は、フレーム１の開口部２の上方であって、開口部２を覆う薄膜３上に設けられる。図１に示すセンサ素子の断面の寸法は、数ミリメートルであればよい。フレームの高さは、数百マイクロメートルであればよい。まず、各センサ素子の概略を説明する。

本発明は一方で、多素子センサ、すなわち複数のセンサ素子を有するセンサにも適用可能であり、これらは、画像形成要素について空間分解能を得るために相互に近接して設けられる。フレーム１の開口部２は、通常、直線で構成されて終端している（図２の平面図、右下の角を参照）。開口部２は、長方形または正方形とすることができる。しかしながら、円形または楕円形の開口部であっても本発明の主題になることは可能である。センサ素子の対称軸には符号７ｄを付しているが、これは開口部２の対称軸であってもよい。この対称は、回転対称（たとえば９０度毎）または鏡面対称（左右）であってよい。

図２は、サーモパイル、すなわち一般化して呼ぶ場合のセンサ素子の感熱部４ａ, ４ｂの冷接点および熱接点の構成を示す。冷接点および熱接点は、対称軸７ａ, ７ｂまたは対称点７ｃに関して対称的には形成されていないことが分かる。前記非対称な構成は、一般化して呼ぶ場合のセンサ素子、具体的には作用層５ａ, ５ｂの非対称な熱特性、この場合は特に熱伝導率のバランスをとることを企図したものである。反射層５ｂは、変動する周辺温度に起因する熱「衝撃」が相対的に早期に冷接点に「到達」するように、熱伝導率が相対的に高いアルミニウムから成る薄層であればよい。

対照的に、吸収層５ａは熱伝導率が相対的に低く、変動する周辺温度に起因する温度変化が相対的に低速で熱接点に伝わる。この非対称は、周辺温度が動力学的な温度変化を見せる場合に効果があり、冷接点または熱接点の非対称な構成によって、そのバランスをとることができる。図２によれば、たとえば、反射層５ｂの下方にある冷接点４ｂは、そのフレーム１までの距離が熱接点４ａと同じ距離になるようには配置されない。一般的に、冷接点は、フレーム１までの平均距離が熱接点４ａよりも長くなるように、薄膜３上に設置可能である。反射層の高い熱伝導率は、周辺温度となるフレーム１までの距離をより長くすることによって補償される。

言い換えれば、感熱部は、センサ素子の熱特性、具体的にはフレームおよび／または薄膜および／または作用層および／または感熱部本体の特にその動力学的な熱特性に応じて、基板上に配置される。検査する熱特性としては、熱伝導率、熱容量、放射線吸率、放射線反射率、および放射線放射率が挙げられる。特に、作用層の熱伝導率および熱容量が考慮される。

この結果、反射層下の感熱部とフレームとの平均距離は、吸収層下の感熱部とフレーム１との平均距離よりも長くなる場合がある。

感熱部は、動的処理中に見られる等温線上になる構成であってよい。等温線は、たとえば、（有限要素法などの）数値シミュレーションによって求めることが可能である。そして各感熱部は、前記等温線上に位置付けられる場合がある。その結果、周辺温度が急速に変化しても、熱接点および冷接点はほぼ同一の温度展開になる。ここで、用語「急速に」とは、センサ素子の熱時定数によって熱量が除去されるよりも早く温度変化が生じることを意味するが、これによって有益な信号の信号変化が確実に生じ得る。どのような場合であっても、各感熱部は「熱衝撃」を同時に受け、動力学的な効果の影響に長期間さらされることがなく、短期間の間その影響がでるが、すぐにまた消失する。

上述したように非対称な熱特性のバランスをとるには、感熱面の位置を選択することに代えて、またはそれに加えて、作用面自体の位置決めおよび寸法決めを行ってもよい。作用面の熱伝導率を抑制するために、好ましくは温度勾配に対してほぼ直角（＞６０度）に延びるスリット型障壁状の熱伝導バリアを作用面に設けてもよい。

これに加えて、作用面の形状を上述の非対称な熱特性のバランスをとる形状にしてもよい。たとえば、１層の反射層を熱領域４ａの隣接領域まで動かすようにしてもよく、反射面の高い熱伝導率を利用して、冷域でも熱を検知しつつも、熱端部の少なくとも近接領域までは熱を供給することで非対称性を下げる。

たとえば、補償のために意図的に熱を供給し、または取除くように機能するバランス用表面８を設けてもよい。図２において、たとえば、熱伝導層８が示されているが、これも吸収層５ａの下方に設けられてよい。このように、周辺温度の変動による温度勾配から生じた熱流量の対称性を均一化する意図的な熱流を作ることが可能である。補償層は、厚みが１０μｍ未満であればよく、１種または複数種の金属材料を含んでもよい。補償層の熱伝導率は高く、好ましくは１０Ｗ／ｍ／Ｋより大きく、さらに好ましくは５０Ｗ／ｍ／Ｋより大きくてよい。

図３は、別の実施形態に係るセンサ素子の平面図である。先行する図面に記載された符号と同じ符号は、同じ部品を示している。符号１ａはフレーム１の内側の端部を示しており、その上方に薄膜３が延びる。本実施形態において、図１の冷接点に相当する接点は、フレーム１上方に設けられており、フレーム１に取囲まれた開口部の上方に設けられているのではないことがわかる。図３に係る実施形態は、全接点が開口部の上方に設けられるように変更することも可能である。

センサ素子の表面は、様々な領域４１ａ，４１ｂ，４２ａ，４２ｂを含み、それぞれ電気信号を発する。１または複数の第１領域４１ａ，４１ｂでは、検出される電磁放射線に応じて電気出力信号を発生させる。それらは熱接点４ａおよび冷接点４ｂを含むサーモパイルであり、吸収層５ａと、必要であれば、反射層５ｂとが備えられていてもよい。第２領域４２ａ，４２ｂは、検知すべき電磁放射線を感じないか、あるいは少なくとも第１領域よりも感度が低い。しかしながら、これらの電気出力信号の温度変動の質および／または範囲は、第１領域４１からの信号と同じである。

第１領域からの信号は、第２領域からの電気信号と組合わされるが、これらの信号は、すなわち電圧信号の場合であれば、位相が反転されて組合わされるので、第１領域からの信号の温度変動が第２領域からの信号の温度変動とは反対の位相で生じる。そして、これらの温度変動は、完全に、または部分的に相互に打消し合う（一致の程度による）。第１領域からの放射線対応信号は、それよりも弱い信号である第２領域からの放射線信号によって、部分的にのみ補償されるか、または第２領域からの放射線信号が存在せず、全く補償されない。したがって、全体の結果として、温度変動について補償された放射線信号が得られる。

好ましくは、第１領域および第２領域は、それぞれ１または複数の感熱部４ａ，４ｂ，４４ａ，４４ｂを含む。第２領域において、フレーム１の上方に感熱部４４ａ，４４ｂをいくつか、またはすべて設け、感熱部４４ａ，４４ｂが周囲と熱的に良く結合し、入射する放射線による加熱に対して短絡するか、または適切な方法によって反射層などで覆われることで放射線の吸収によって加熱されないようにすることで、放射線感度を低くすることが可能である。

図３Ａは、第２領域４２ａ，４２ｂの組合せの両例を示す。感熱部４４ｂの一方部分（通常「冷接点」と呼ばれる材料接合に相当）は、フレーム１の上方に設けられ、感熱部４４ｂの他方部分（通常「熱接点」と呼ばれる材料接合に相当）は、網掛けで示すカバー４５の下方に設けられる。カバー４５は、たとえば反射性を有し、放射線の吸収を防止する。このように、第２領域の出力信号が放射線の影響を受ける度合いは低く、ほとんどゼロといえる。唯一残されていることは、第２領域の出力信号が周辺温度の影響を受けるということである。周辺温度の影響を受ける前記信号は、第１領域から第２領域に延びる蛇行線の接合部において隣接して太く示される第１領域からの出力信号に対し、切換えが可能であり、第１領域からの放射線の影響を受ける信号は、程度の差はあれ、何の影響も受けないが、第１領域および第２領域からの周辺温度の影響を受ける信号は、多かれ少なかれ相互に打消し合う。その結果、温度変動について補償された出力信号が接点６に発生する。

ある一定の場合に本実施形態の第２領域が温度基準要素とみなされることがあるが、この場合、出力信号が直接、補償に使用されるという補足的な特徴を含む。当然ながら、出力信号は、それ自体のポートを介して取出されてもよく、他の目的にも使用可能である。

好適な実施形態において、第１領域および第２領域は、対になって対称的に配置された放射線感受部４ａ，４ｂ，４４ａ，４４ｂをそれぞれ１または複数含む。この点に関し、図３Ａは対称的な配置を示す。縦の対称軸７ａおよび横の対称軸７ｂに関して、対称的に配置されている。この対称性は、本明細書中のフレーム１および薄膜３に関して対称的に配置されているということも含み、図３Ａには、これについても概略が示されている。対称的に配置されることから、第１領域および第２領域の感熱部は、ほぼ同一の状態で周辺温度が変化し、温度変動もほぼ同一となる。したがって、対称的に配置することによって、第１領域および第２領域からの信号に関する温度変動が対称的になる。

図３Ａの第１領域４１ａ，４１ｂにおいて、冷接点４ｂおよび熱接点４ａは、上述の方法で反射面５ｂまたは吸収面５ａに覆われる。冷接点４ｂがフレームの上方に配置される場合には、冷接点は周囲の熱塊に対して事実上はショートされるので、反射面５ｂは省略可能である。第１領域の放射線感受部の冷接点が開口部の上方に位置付けられると、対称にするために、第２領域の冷接点４４ｂも開口部の上方に位置付けられる。これらは、放射線の吸収によって加熱されないように、したがって第２領域からの放射線の影響を受ける出力信号によって加熱されないように、カバー４５によって覆われる。

図３Ａよび図３Ｂは、それぞれ２個の第１領域および２個の第２領域を示しているが、本願に従えば、たとえば、１つの第１領域および１つの第２領域のみを設けてもよい。

感熱部４ａ，４ｂ，４４ａ，４４ｂは、図１において相互に重なり合った線で示され、図３において太線または細線で示された、適合する様々な導電性材料または半導体材料から成る接点である。２種の材料は、たとえばアルミニウムおよびポリシリカであるとよい。この材料によって、サーモパイルを形成することができ、特に、吸収層および反射層ならびに熱の塊またはシンクとの様々な結合または絶縁に使用できる。単素子センサにおいても多素子センサにおいても、場合によって信号の多重化、必要に応じてインピーダンスの変換などのために、より複雑な回路を設置することができる。これに応じて、一般的に、センサのハウジングには、より高度な部品（図示せず）が設けられてもよく、たとえば、以下の部品が挙げられる。

・デジタル信号を処理して出力するためのアナログ／デジタル変換器、ならびに／もしくは、
・特に、１または複数のセンサ素子に関し、外部に送信して使用されるべき測定値、中間結果、および／または保存されていた以前の補正データのためのメモリ、ならびに／もしくは、
・線形化および／またはインピーダンス変換および／または増幅など、好ましくはポートを介して調節可能な信号発生用または較正用の回路、ならびに／もしくは、
・信号処理（たとえば、周辺温度の補償、空間分解能がある場合のパターン認識など）のための信号処理部、ならびに／もしくは、
・特に、多素子センサにおける並列変換／直列変換部、ならびに／もしくは、
・参照素子３７に関する信号発生器および／または信号処理部および／または信号出力部、ならびに／もしくは、
・Ｉ²Ｃインターフェースなど、特にデジタルで外部と接続されるデータインターフェース、ならびに／もしくは、
・適切な数のポート。

本センサは、その外形に関して、ＴＯ５などの標準のハウジングに相当するものであってよい。

センサ素子の断面図を示す。 本発明に係るセンサ素子の平面図を示す。 本発明に係る別のセンサ素子の平面図を示す。 本発明に係る別のセンサ素子の平面図を示す。

Claims (6)

1. 開口部（２）を囲むフレーム（１）と、開口部（２）の上方に設けられる薄膜（３）とを含む基板（１〜３）と、
   前記基板（１〜３）に設けられる１または複数の感熱部（４ａ，４ｂ）であって、熱接点（４ａ）および冷接点（４ｂ）を含む感熱部（４ａ，４ｂ）と、
   検出される電磁放射線の吸収および／または反射に作用する１または複数の作用層（５ａ，５ｂ）とを含むセンサ素子（１０）において、
   前記感熱部（４ａ，４ｂ）の熱接点（４ａ）および冷接点（４ｂ）は、いずれも薄膜（３）上であって、フレーム（１）の開口部（２）の上方に設けられ、フレーム（１）の開口部（２）の対称軸（７ａ，７ｂ）または対称点（７ｃ）に関して非対称となるように、かつ、冷接点（４ｂ）とフレーム（１）との間の平均距離が、熱接点（４ａ）とフレーム（１）との間の平均距離よりも長くなるように、配置されることを特徴とする、赤外領域にある電磁放射線を検出するセンサ素子（１０）。
2. 作用層（５ａ，５ｂ）は、１または複数の熱接点（４ａ）の上方に設けられる吸収層（５ａ）、および１または複数の冷接点（４ｂ）の上方に設けられる反射層（５ｂ）を含むことを特徴とする、請求項１に記載のセンサ素子（１０）。
3. 吸収層（５ａ）の下方に設けられ、１０Ｗ／ｍ／Ｋより大きな熱伝導率を有する補償層（８）を含むことを特徴とする、請求項２に記載のセンサ素子（１０）。
4. １層の反射層（５ｂ）に熱伝導バリアを含むことを特徴とする、請求項２に記載のセンサ素子（１０）。
5. 熱伝導バリアは、反射層（５ｂ）の細長い穴であることを特徴とする、請求項４に記載のセンサ素子（１０）。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のセンサ素子（１０）を含むセンサ。

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