JP6820789B2 - Infrared sensor device - Google Patents
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Description
本発明は、温度を検出する赤外線センサ装置に関し、特に、アレイ構造のサーモパイル素子などの温度検出素子と、増幅回路などの動作にともなって発熱する回路とが、同一の基板上に設けられた熱型の赤外線センサ装置に関する。 The present invention relates to an infrared sensor device that detects temperature, and in particular, a temperature detection element such as a thermopile element having an array structure and a circuit that generates heat due to an operation of an amplifier circuit or the like are provided on the same substrate. Regarding a type infrared sensor device.
従来から、この種の赤外線センサ装置として、種々の構成のものが知られているが、基板における温度分布をできるだけ均一にするために、基板表面の大部分を覆うように金属層を設けた赤外線センサが知られている(特許文献1)。そして、この赤外線センサにおける金属層は、前記基板上に設けた、吸収器エレメント(赤外線吸収膜)を備えた検出器チップ、周囲温度を測定するための温度基準要素、増幅器などのシリコン回路の下方に配置されている。また、前記金属層に高反射性皮膜を設ける構成が開示されている。さらに、前記検出器チップとして、行またはマトリクス状に、複数のエレメントを含む構成が開示されている。 Conventionally, various types of infrared sensor devices have been known as this type of infrared sensor device, but in order to make the temperature distribution on the substrate as uniform as possible, infrared rays provided with a metal layer so as to cover most of the substrate surface. A sensor is known (Patent Document 1). The metal layer in this infrared sensor is a detector chip provided on the substrate and provided with an absorber element (infrared absorbing film), a temperature reference element for measuring the ambient temperature, and a lower portion of a silicon circuit such as an amplifier. It is located in. Further, a configuration in which a highly reflective film is provided on the metal layer is disclosed. Further, as the detector chip, a configuration including a plurality of elements in a row or a matrix is disclosed.
上述した従来の赤外線センサでは、基板における温度分布をできるだけ均一にするために設けた金属層は、シリコン回路と検出器チップの下方に配置されているので、増幅器の動作によりシリコン回路で発生した熱は、前記金属層を介して前記検出器チップに伝達される際、検出器チップの熱発生源に近いシリコン回路側をより高温化することになる。このため、上述した従来の赤外線センサは、前記検出器チップにおける温度分布が偏ってしまい、特にアレイ構造の場合には、熱発生源に近い素子と熱発生源から遠い素子とで熱の影響により出力に差が出てしまい、出力が安定しないので高精度な温度測定ができないという不都合があった。 In the above-mentioned conventional infrared sensor, since the metal layer provided to make the temperature distribution on the substrate as uniform as possible is arranged below the silicon circuit and the detector chip, the heat generated in the silicon circuit by the operation of the amplifier is generated. Is transmitted to the detector chip through the metal layer, the temperature of the silicon circuit side close to the heat generation source of the detector chip becomes higher. For this reason, in the above-mentioned conventional infrared sensor, the temperature distribution in the detector chip is biased, and especially in the case of an array structure, the element near the heat source and the element far from the heat source are affected by heat. There is a problem that the output is different and the output is not stable, so high-precision temperature measurement cannot be performed.
本発明は、この不都合を解消して、増幅回路の動作による発熱の影響を受けず、安定した出力を得ることができ、高精度な温度測定が可能な、アレイ構造の温度検出素子を有する赤外線センサ装置を提供することを目的とする。 The present invention eliminates this inconvenience, is not affected by heat generation due to the operation of the amplifier circuit, can obtain a stable output, and can measure the temperature with high accuracy. Infrared ray having an array-structured temperature detection element It is an object of the present invention to provide a sensor device.
前記目的を達成するために本発明の請求項1に係る赤外線センサ装置は、同一基板上に、アレイ構造の温度検出素子からなる赤外線検出部と、この赤外線検出部の出力を増幅する増幅部を備え、前記基板上に設けた金属膜を、前記増幅部の下方には存在する一方、前記赤外線検出部の下方には存在することなく、平面視で前記赤外線検出部を囲むように配置し、前記赤外線検出部から前記金属膜までの間隔を、前記赤外線検出部に前記増幅部からの熱が周囲から均一に伝わるように前記増幅部側の間隔が他の部分の間隔よりも広くなるよう設定したものである。
In order to achieve the above object, the infrared sensor device according to
同じく前記目的を達成するために本発明の請求項2に係る赤外線センサ装置は、同一基板上に、アレイ構造の温度検出素子からなる赤外線検出部と、この赤外線検出部の出力を増幅する増幅部を備え、前記基板内に埋設した金属膜を、前記増幅部の下方には存在する一方、前記赤外線検出部の下方には存在することなく、平面視で前記赤外線検出部を囲むように配置し、前記赤外線検出部から前記金属膜までの間隔を、前記赤外線検出部に前記増幅部からの熱が周囲から均一に伝わるように前記増幅部側の間隔が他の部分の間隔よりも広くなるよう設定したものである。
Similarly, in order to achieve the above object, the infrared sensor device according to
本発明の各請求項に係る赤外線センサ装置によれば、増幅部で発生した熱は、赤外線検出部に対して、直接的にあるいは金属膜を介して間接的に伝わるが、増幅部側の温度検出素子と他の部分の温度検出素子との金属膜までの間隔を、増幅部側の間隔が他の部分の間隔よりも広くなるよう設定したので、アレイ構造の温度検出素子における温度分布はほぼ均一となり、アレイ構造の温度検出素子からなる赤外線検出部でも安定した出力が得られ、高精度な温度測定が可能になるという効果を奏する。 According to the infrared sensor device according to each claim of the present invention, the heat generated in the amplification unit is directly transmitted to the infrared detection unit or indirectly through the metal film, but the temperature on the amplification unit side. Since the distance between the detection element and the temperature detection element of the other part to the metal film is set so that the distance on the amplification part side is wider than the distance of the other part, the temperature distribution in the temperature detection element of the array structure is almost the same. It becomes uniform, and a stable output can be obtained even in an infrared detection unit composed of a temperature detection element having an array structure, which has the effect of enabling highly accurate temperature measurement.
本発明における赤外線検出装置の一実施形態を図1〜図4に基づいて説明する。
図1及び図2に示すように、赤外線センサ装置は、シリコン基板1上に、温度検出素子たるサーモパイル素子3が、3行3列の行列状に配置されてなるアレイ構造の赤外線検出部2(図3参照)と、この赤外線検出部2の出力を増幅する増幅回路などからなる増幅部4を備えている。前記シリコン基板1は多層基板であり、前記赤外線検出部2と前記増幅部4は、各金属ワイヤ5で所定のランド6に電気的に接続され、図示していないスルーホールを介して所定の結線がなされている。
An embodiment of the infrared detection device in the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4.
As shown in FIGS. 1 and 2, the infrared sensor device has an infrared detection unit 2 (infrared detection unit 2) having an array structure in which
図4に示すように、サーモパイル素子3は公知の構成であり、異なる導電材料からなる熱電対31が複数個直列に接続されてなり、その温接点部32は赤外線吸収膜用絶縁膜33に被覆されるとともに、赤外線吸収膜34の下方に位置している。また、冷接点部35は前記赤外線吸収膜34の下方に位置しないように前記赤外線吸収膜用絶縁膜33から外れた位置にある。また、図示していないが、前記赤外線吸収膜34、前記赤外線吸収膜用絶縁膜33及び前記熱電対31は、メンブレン上に形成され、メンブレンは空洞上に跨がって形成されている。同じく図示していないが、基準温度となる前記冷接点部35の温度を測定する温度検出素子が別途設けられている。
As shown in FIG. 4, the
図1及び図2に示すように、シリコン基板1上には熱伝導性の金属膜7が設けられ、この金属膜7は、増幅部4の下方には存在する一方、赤外線検出部2の下方には存在することなく平面視で前記赤外線検出部2を囲むように配置されている。そして、前記赤外線検出部2から前記金属膜7までの間隔を、前記増幅部4側の間隔Xが他の部分の間隔Y1,Y2,Y3よりも広くなるよう設定している。各間隔Y1,Y2,Y3は、互いに異なった間隔でもよいが、等間隔が望ましい。これらの間隔X,Y1,Y2,Y3は、赤外線検出部2に増幅部4からの熱が周囲から均一に伝わるように、金属膜7や基板1の材質などの諸条件に応じて適宜決定される。
As shown in FIGS. 1 and 2, a thermally
本実施形態は以上のように構成したので、増幅部4の動作にともなって発生した熱は、赤外線検出部2の各サーモパイル素子3に増幅部4から直接的に伝わるとともに、増幅部4の下方に配置された金属膜7を介して間接的に伝わる。この際、各サーモパイル素子3の金属膜7との間隔は、増幅部4側の間隔Xが他の部分の間隔Y1,Y2,Y3よりも広いので、各サーモパイル素子3は増幅部4で発生した熱の影響をほぼ均一に受けることになる。したがって、各サーモパイル素子3の動作における出力の偏りは生じず、安定したほぼ均一の出力が得られ、高精度な温度測定が可能になる。
Since the present embodiment is configured as described above, the heat generated by the operation of the
続いて、図5に基づき、本発明の他の実施形態を説明する。本実施形態が上述の第1の実施形態と相違するのは、金属膜17がシリコン基板11中に、シリコン基板11の表面とほぼ平行に埋設されていることだけであり、他の構成は第1の実施形態と同一である。このため、同一の構成については、対応する構成要素に第1の実施形態と同一の符号を付するに止め、その説明は省略する。本実施形態における金属膜17は、シリコン基板11中に埋設されているが、平面視における赤外線検出素子2と金属膜17の位置関係は、第1の実施形態と同一である(図1参照)。
Subsequently, another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This embodiment differs from the first embodiment described above only in that the
したがって、本実施形態においても、増幅部4の動作にともなって発生した熱は、赤外線検出部2の各サーモパイル素子3(図3参照)に増幅部4から直接的に伝わるとともに、増幅部4の下方に配置された金属膜17を介して間接的に伝わる。この際、各サーモパイル素子3の金属膜17との間隔は、増幅部4側の間隔Xが他の部分の間隔Y1,Y2,Y3よりも広い(図1参照)ので、各サーモパイル素子3は増幅部4で発生した熱の影響をほぼ均一に受けることになる。これによって、各サーモパイル素子3の動作における出力の偏りは生じず、安定したほぼ均一の出力が得られ、高精度な温度測定が可能になる。
Therefore, also in this embodiment, the heat generated by the operation of the
なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、金属膜17のシリコン基板11中への埋設状態は、シリコン基板11の表面とほぼ平行状態に限られるものではない。また、赤外線センサ装置は熱型であればよく、赤外線検出部2はサーモパイル素子3で構成されるほか、例えば、焦電センサ素子で構成されてもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and for example, the state in which the
1,11 シリコン基板
2 赤外線検出部
3 サーモパイル素子
4 増幅部
5 金属ワイヤ
6 ランド
7,17 金属膜
31 熱電対
32 温接点部
33 赤外線吸収膜用絶縁膜
34 赤外線吸収膜
35 冷接点部
1,11
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