JP7485581B2 - 赤外線センサ素子及び赤外線センサ - Google Patents
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Description
熱吸収部は、対象物から放射される赤外線に応じて温度が変化する。梁部は、熱吸収部で吸収された熱により、基端部(熱吸収部側)が温接点として機能し、先端部(ベース基板側)が冷接点として機能する。梁部には、先端部から基端部に亘って熱電対が設けられている。熱電対は、温接点と冷接点とで生じた温度差によって熱起電力を発生させ、電気信号として外部に出力する。
しかしながら、梁部の断面積を小さくすると、熱吸収部で吸収した熱が梁部に伝わり難くなり、温接点と熱吸収部との間で温度差が生じる可能性がある。
また、梁部における基端部から先端部までの長さを長くすると、赤外線センサ素子の大型化に繋がる可能性がある。
本発明の一態様に係る赤外線センサ素子は、ベース基板に対向して配置される熱吸収部と、前記熱吸収部と前記ベース基板との対向方向に交差する第1方向に突出して前記ベース基板及び前記熱吸収部の間を接続するとともに、前記熱吸収部に接続される第1端部の断面積が前記ベース基板に支持される第2端部の断面積よりも大きい梁部と、前記梁部において前記第1端部から前記第2端部に亘って設けられた熱電対と、を備えている。
一方、梁部のうち、第2端部の断面積を第1端部の断面積よりも小さくすることで、第1端部の熱を第2端部に伝わり難くすることができる。これにより、赤外線センサ素子のうち、温接点となる第1端部と、冷接点となる第2端部と、の温度差を大きくできる。
その結果、赤外線センサ素子の感度を向上させることができる。
しかも、本態様では、梁部のうち第1端部と第2端部の断面積を異ならせることで、第1端部及び第2端部での熱抵抗を異ならせている。これにより、例えば梁部の長さを拡大して梁部の熱抵抗を調整する場合に比べ、赤外線センサ素子の対向方向から見た外形の大型化を抑制できる。
本態様によれば、梁部の厚さを変化させることなく、第1端部と第2端部との断面積を異ならせることができる。これにより、製造効率の向上を図ることができる。
本態様によれば、第1端部の幅を接続辺の幅に対して1/10倍よりも大きくすることで、熱吸収部で吸収した熱を梁部に効率的に伝達することができる。これにより、赤外線センサ素子のうち温接点となる第1端部と、熱吸収部と、の温度差を小さくできる。
一方、第1端部の幅を接続辺の幅に対して1/2倍よりも小さくすることで、第1端部の熱容量が過剰に増大するのを抑制し、熱吸収部で吸収した熱が第1端部に移動し過ぎるのを抑制できる。これにより、熱吸収部及び第1端部の温度を確保できる。
本態様によれば、赤外線センサ素子の対向方向から見た外形の大型化を抑制した上で、梁部の長さを確保できる。また、第2延在部と熱吸収部との間に隙間によって、熱吸収部から第2延在部への熱伝達を抑制できる。
本態様によれば、上記態様の赤外線センサ素子を備えているので、小型で高感度な赤外線センサを提供できる。
図1は、赤外線センサ1の斜視断面図である。図2は、リッド基板22を取り外した状態の赤外線センサ1を示す斜視図である。
図1、図2に示すように、赤外線センサ1は、パッケージ10と、パッケージ10内に封止された赤外線センサ素子11と、を備えている。以下の説明では、赤外線センサ素子11の厚さ方向をZ方向(対向方向)とし、Z方向に直交する2方向をそれぞれX方向(第1方向)、Y方向(第2方向)として説明する。
パッケージ10は、いわゆる真空パッケージである。具体的に、パッケージ10は、ベース基板21と、リッド基板22と、を備えている。
ベース基板21は、Z方向を厚さ方向とする矩形板状である。ベース基板21の第1面21a(+Z側を向く面)には、+Z側に向けて開口する凹部24が形成されている。凹部24は、Z方向から見た平面視において、ベース基板21の中央部に形成されている。したがって、ベース基板21の第1面21aは、平面視において凹部24の周囲を取り囲んでいる。なお、ベース基板21の材料は、例えばシリコン等により形成されている。
頂壁部31は、ベース基板21に対してZ方向で対向している。頂壁部31は、平面視での外形がベース基板21と同等に形成されている。
周壁部32における-Z側端面は、ベース基板21の第1面21aの外周部分に、全周に亘って接合されている。これにより、ベース基板21とリッド基板22とで囲まれた部分は、赤外線センサ素子11を収容する収容空間S1を構成する。本実施形態において、収容空間S1は、真空(又は減圧)封止されていることが好ましい。但し、収容空間S1は、断熱性に優れた気体(アルゴンやクリプトン等)が封入されていてもよい。
図1、図2に示すように、赤外線センサ素子11は、メンブレン構造により形成された、いわゆるサーモパイル型のセンサ素子である。赤外線センサ素子11は、赤外線を受光するとともに、赤外線による温度変化に応じて熱起電力を発生させる。赤外線センサ素子11は、収容空間S1内に収容されている。具体的に、赤外線センサ素子11は、枠体49と、熱吸収部50と、第1梁部(梁部)51と、第2梁部(梁部)52と、を備えている。
図3に示すように、熱吸収部50は、Z方向を厚さ方向とする矩形(正方形)板状に形成されている。熱吸収部50は、Y方向に沿って延びるとともに、X方向で対向する第1辺(接続辺)50a及び第2辺(接続辺)50bと、X方向に沿って延びるとともに、Y方向で対向する第3辺50c及び第4辺50dと、を備えている。熱吸収部50は、凹部24に対してZ方向で対向する位置で、枠体49の内側に配置されている。図示の例において、熱吸収部50の平面視での外形は、凹部24のZ方向から見た外形よりも小さくなっている。なお、熱吸収部50の平面視外形は、適宜変更が可能である。また、熱吸収部50の平面視外形は、矩形状以外の多角形状や円形状等であってもよい。さらに、本実施形態では、熱吸収部50とベース基板21との対向方向をZ方向としている。この場合、対向方向とは、X方向及びY方向の何れかの方向から見てベース基板21と重なり合っている方向である。
突出部60は、熱吸収部50第1辺50aから-X側に突出している。すなわち、突出部60は、基端部(第1端部:熱吸収部50側の端部)において、熱吸収部50に接続されている。突出部60の基端部は、赤外線センサ素子11の温接点として機能する。突出部60は、Y方向の寸法(幅)及びZ方向の寸法(厚さ)が、X方向の全体に亘って一様に形成されている。
突出部70は、熱吸収部50第2辺50bから+X側に突出している。
接続部71は、突出部70の先端部から-Y側に延在している。接続部71は、熱吸収部50の第2辺50bに対してX方向に離間した状態で、第2辺50bに沿って延在している。接続部71の先端部(突出部60とは反対側の端部)は、枠体49に接続されている。したがって、熱吸収部50は、梁部51,52を介して枠体49に支持されている。
第1梁部51では、突出部60におけるZ方向に沿う断面積が、接続部61におけるZ方向に沿う断面積よりも大きくなっている。具体的に、突出部60及び接続部61は、Z方向の厚さが互いに同等に形成される一方、突出部60が接続部61よりも幅広に形成されている。図3に示すように、突出部60の幅D1(Y方向の寸法)は、第1辺50aの長さD2に対して1/10倍よりも大きく1/2倍よりも小さいことが好ましく、1/5倍よりも大きく1/3倍よりも小さいことがより好ましい。また、接続部61の幅D3は、突出部60の幅D1(X方向の寸法)に対して1/2以下であることが好ましい。なお、本実施形態では、突出部60及び接続部61それぞれが一様な寸法に形成されているが、この構成に限られない。突出部60における任意の位置での幅が、接続部61における任意の位置での幅よりも広くなっていればよい。この場合、突出部60における少なくとも基端部での幅が、接続部61の先端部での幅よりも広くなっていることが好ましい。
本実施形態の赤外線センサ1では、対象物から放射される赤外線がリッド基板22の頂壁部31等を透過して熱吸収部50に入射する。これにより、熱吸収部50の温度が上昇する。熱吸収部50で吸収した熱は、各梁部51,52において突出部60,70に伝達された後、接続部61,71を通じてパッケージ10に伝達される。この際、突出部60,70の基端部(温接点)と接続部61,71の先端部(冷接点)との温度差に基づき、熱電対75に熱起電力が生じる。赤外線センサ素子11では、各熱電対75で発生した熱起電力が足し合わされ、電気信号として出力される。
この構成によれば、熱吸収部50で吸収した熱を突出部60,70に効率的に伝達することができる。これにより、温接点である突出部60,70と、熱吸収部50と、の温度差を小さくできる。
一方、接続部61,71の断面積を突出部60,70の断面積よりも小さくすることで、突出部60,70の熱を接続部61,71に伝わり難くすることができる。これにより、温接点である突出部60,70と、冷接点である接続部61,71と、の温度差を大きくできる。
その結果、赤外線センサ素子11の感度を向上させることができる。
しかも、本実施形態では、突出部60,70及び接続部61,71の断面積を異ならせることで、突出部60,70及び接続部61,71での熱抵抗を異ならせている。これにより、例えば突出部及び接続部の長さを異ならせて熱抵抗を異ならせる場合に比べ、赤外線センサ素子11の平面視での外形の大型化を抑制できる。
この構成によれば、梁部51,52の厚さを変化させることなく、突出部60,70と接続部61,71との断面積を異ならせることができる。これにより、製造効率の向上を図ることができる。
一方、突出部60,70の幅を第1辺50a又は第2辺50bの幅に対して1/2倍よりも小さくすることで、突出部60,70の熱容量が過剰に増大するのを抑制し、熱吸収部50で吸収した熱が突出部60,70に移動し過ぎるのを抑制できる。これにより、熱吸収部50及び突出部60,70の温度を確保できる。
その結果、温接点と冷接点との温度差を確保し易い。
この構成によれば、赤外線センサ素子11のZ方向から見た外形の大型化を抑制した上で、梁部51,52の長さを確保できる。また、接続部61,71と熱吸収部50との間に隙間によって、熱吸収部50から接続部71への熱伝達を抑制できる。
上述した実施形態では、梁部51,52が突出部60,70及び接続部61,71を有するL字状に形成された構成について説明したが、この構成に限られない。梁部51,52の形状は、基端部の断面積が先端部の断面積よりも大きい構成であれば、適宜変更が可能である。この場合、梁部は、直線状や曲線状に延在していてもよい。
上述した実施形態では、熱吸収部50の2回対称となる位置に梁部51,52を設ける構成について説明したが、この構成に限られない。梁部は、熱吸収部50の任意の位置に、任意の数設けることが可能である。
上述した実施形態では、1つのパッケージ10に対して1つの赤外線センサ素子11が封止された構成を例にして説明したが、1つのパッケージ10に対して複数の赤外線センサ素子11がアレイ状に配列された構成であってもよい。
上述した実施形態では、突出部60,70及び接続部61,71それぞれの幅が、全長に亘って一様に形成された構成について説明したが、この構成に限られない。突出部60,70及び接続部61,71の幅は、連続的に変化するテーパ状に形成したり、段階的に変化する段付き状に形成したりしてもよい。
10…パッケージ
11…赤外線センサ素子
21…ベース基板
50…熱吸収部
50a…第1辺(接続辺)
50b…第2辺(接続辺)
51…第1梁部(梁部)
52…第2梁部(梁部)
60…突出部(第1延在部)
61…接続部(第2延在部)
70…突出部(第1延在部)
71…接続部(第2延在部)
Claims (5)
- ベース基板に対向して配置される熱吸収部と、
前記熱吸収部と前記ベース基板との対向方向に交差する第1方向に突出して前記ベース基板及び前記熱吸収部の間を接続するとともに、前記熱吸収部に接続される第1端部の断面積が前記ベース基板に支持される第2端部の断面積よりも大きい梁部と、
前記梁部において前記第1端部から前記第2端部に亘って設けられた熱電対と、を備えている赤外線センサ素子。
- 前記梁部は、前記対向方向から見て前記第1端部の幅が第2端部の幅よりも広く、かつ前記第1端部と前記第2端部とに至る範囲で前記対向方向での厚さが一様に形成されている請求項1に記載の赤外線センサ素子。
- 前記熱吸収部の外周縁は、前記対向方向から見て前記第1方向に交差する第2方向に沿って延びるとともに、前記梁部の前記第1端部が接続された接続辺を有し、
前記第2方向において、前記第1端部の幅は前記接続辺の幅に対して1/10倍よりも大きく1/2倍よりも小さい請求項1又は請求項2に記載の赤外線センサ素子。 - 前記梁部は、
前記第1端部を含むとともに、前記熱吸収部から前記第1方向に延びる第1延在部と、
前記第1延在部における前記第1端部とは反対側に位置する第3端部から前記第2方向に延びるとともに、前記第2端部を含む第2延在部と、を備えている請求項3に記載の赤外線センサ素子。 - 請求項1から請求項4の何れか1項に記載の赤外線センサ素子と、
前記赤外線センサ素子が支持された前記ベース基板を含み、前記赤外線センサ素子が封止されたパッケージと、を備えている赤外線センサ。
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