JPH01270624A - 焦電形赤外線検出器およびその製造方法 - Google Patents

焦電形赤外線検出器およびその製造方法

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JPH01270624A
JPH01270624A JP1043370A JP4337089A JPH01270624A JP H01270624 A JPH01270624 A JP H01270624A JP 1043370 A JP1043370 A JP 1043370A JP 4337089 A JP4337089 A JP 4337089A JP H01270624 A JPH01270624 A JP H01270624A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、検出すべき赤外線が向けられ、ヒートシンク
として働く熱伝導体のE方に間隔をおいて実質上平行関
係に支持された実質」二平らな焦点素子を有し、焦電素
子と熱伝導体とは熱的に結合された焦電形赤外線検出器
に関するものである。
本発明はまたこのような検出器の製造方法に関するもの
である。
(従来の技術) 焦電形検出器は種々の異なる目的、例えば遠隔スインチ
ングおよび侵入者警報のような運動検知システムに用い
られる。検出すべき赤外線を焦電素子に向けると、この
素子の温度に変化か生じる。
この温度変化は対向電極に電荷を発生し、この電荷は、
電流として比較的低い外部インピーダンスを通って流れ
るようにされるか、或は若し外部インピーダンスが比較
的高ければ素子の両端に電圧をつくるようにされること
ができる。ごの焦電素子を増幅回路内のキャパシタとし
て配すると、現れた合成電流または電圧を検出すること
ができる。
焦電電荷は素子の温度が変化している間だけ生じるので
、連続的な電気信号を得るためには温度か絶えず変化さ
れることが必要である。これは、入射放射線を均一な周
波数でヂョンプするごとによって行うことができ、この
場合素子は、関心のある放射線がカットオフされている
開基【f、温度の放射線にさらされる。
焦電形検出器の一つの用途は赤外分光測定においてであ
る。このような目的に対して、検出器の焦電素子は、そ
の適した感度のために焦電利料として1−リグリシン硫
酸塩(triglycine 5ulphate :T
GS)より成るのが普通である。このような焦電形検出
器は、赤外分光計が働<1011zから5kllzの周
波数範囲におけるその勝れた性能と、強制冷却の必要な
しに広い範囲の波長に対する応答の安定性の見地から、
他のタイプの熱検出器よりも好ましい。光学的性能のた
めに極めて薄いことを必要とする焦電素子は、該素子の
上にある窓をそなえた気密封止された容器内に取(=j
りられ、前記の窓を通して、関心のある波長範囲の放射
線が素子に向けられる。
赤外分光計は分散形またはフーリエ変換形とすることが
できる。これ等の2つのタイプは次の点で相違する、ず
なわち、後者のタイプでは入射赤外線源の波長範囲の全
部が検出器に向いられるのに対し、前者のタイプでは極
く狭い波長間隔が用いられる。したがって、フーリエ変
換形分光討ては、検出器で受けられた100mWまたは
それ以上にもなるエネルギがjl1間中にわたって、焦
電素子の厚さを心に留めて、次第に上昇させることがあ
る。
このことば、焦電素子、他もそうであるが特にTC3素
子の応答性は動作温度に無関係でないので、今度は出力
の変化をきたす。焦電素子をヒートシンクとして働く熱
伝導体と熱的に結合させるのは、この問題を最小にする
ために意図されたものであ=4− る。焦電素子と熱伝導体の絹合せは焦電素子単独よりも
短かい熱時定数を有する。中に焦電素子を取付けた気密
封止された容器は、焦電素子と周囲のふん囲気の間に比
較的高い熱耐性が存するように乾燥窒素(dry ni
trogen)のようなガスを含むのが前影的である。
焦電素子と関連したヒートシンクば比較的大きな熱質量
(thermal mass)を有し、したがって大き
な熱慣性を有し、温度調整装置としζ働いて焦電素子の
温度を略々その最適動作点に安定させるように設計され
ている。このように、ピー1−シンクの機能は、たとえ
受けた放射綿のエネルギが高くても応答性を期間中はる
かに同一に保つように、焦電素子の温度を検出器の動作
時に略々一定に維持することである。
薄い平らなTGS素子を用いた公知の赤外線検出器では
、素子は、導電性エポキシやはんだのような中心におか
れた熱伝導性結合材の小滴によってヒートシンク面と間
隔をおいて結合されている。
−滴の結合材がヒートシンクの表面におかれ、次いで素
子が該ヒートシンク上におかれてこのヒートシンクに向
けて押され、対向する素子とヒートシンク面が所定の間
隔になる迄押しつぶされる。
結合材は、この押しつぶされた状態では素子の表面積の
極めて小さな割合しか占めず、残りの面積は物理的に対
向面より離れ、素子とヒートシンクとの間に結合材の周
囲に延在するギャップを形成する。このギャップは、素
子とヒートシンク間に成る程度の熱結合を与える封入ガ
ス例えば窒素によって最終的に満たされる。これ等の部
分間の幾らかの熱結合は結合材によっても与えられる。
結合材で占められる面積は、素子の物理的な特性より発
生する問題を減少するために最小にされる。TGSのよ
うな成る種の焦電材料は異方性の熱膨張特性を有し、仮
りにこれ等の材料がその表面積(TGS検出器素子に対
しては前影的には約7平方ミリメートルである)の余り
に大きな割合にわたって加えられた結合材によって基板
に結合されたとすれば、素子は熱サイクルを受けるとク
ランクし勝ちになるであろう。
所望の緊密な熱結合を達成するために、結合材の小滴の
圧縮された状態によって決まる素子とヒートシンクの対
向面間の間隔は極めて小さい必要があり、窒素ガスが用
いられた場合には検出器の許容できる性能に対しては通
常5μm以下であろう。
(発明が解決しようとする課題) このような検出器は適度に良く働くことがわかった一方
、製造と用途に問題が見出された。結合材は素子の比較
的小さな中央面積でのみ位置されるので、焦電素子とヒ
ートシンク体の間に適度な平行を得ることが困難である
。このため、使用時に素子がその表面上例えば反対の縁
に温度変化を生じ、応答が均一でなくなることがある。
更に、素子とヒートシンク体間に必要とされる極めて小
さな間隔のために、ヒートシンク体に結合時に素子に圧
力が加えられた時にギャップ内に存するほこりの粒子等
が素子にクラックを生ずることがあるので、製造時に不
良品率が非常に大きくなるおそれがある。
本発明の目的は、改良された焦電形赤外線検出器を得る
ことにある。
(課題を解決するための手段) 前記の目的を達成するために、本発明は、冒頭に記載し
た種類の焦電形赤外線検出器において、非固化、熱伝導
性、非気体状の媒体が焦電素子と熱伝導体の間に存する
ことを特徴とするものである。
焦電素子と熱伝導体間の熱結合はこの場合非気体状の媒
体を経て達成される。このような熱結合は、素子と熱伝
導体間に熱通路を与えるのに窒素のような気体状媒体に
主に頬っている公知の装置にくらべて著しく大きい。
媒体は、焦電素子と熱伝導体の間のスペースを実質上満
たし、熱伝導体と焦電素子の少なくとも入射放射線を受
ける領域との間の重なった利用面積の少なくとも大部分
にわたって延在するのが好ましい。媒体が素子と熱伝導
体の対向面の一方とだけ接触しても熱結合の改良が見出
されるであろう、というのは、この場合他方の面と媒体
の間にあるギャップは比較的小さく、そして、例えば、
素子と熱伝導体の間に匹敵する間隔があるとした場合に
公知の装置に存するギャップよりも厚さが薄いからであ
る。けれども、最適な結果は媒体が実質上スペースを満
たし、両方の面と接触した場合に得られる。同様に、検
出器に設けられた素子の一部だけしか放射線検出目的に
実際上用いられない場合には、媒体が、素子と熱伝導体
の対向面間で、少なくとも素子の活性領域すなわち入射
赤外線を受けて応答する領域を含むのが好ましい利用可
能な面積の幾らかの丁度型なり合った位置にあっても熱
結合の有益な改良が得られるが、やはり、最適な結果は
、少なくともその利用可能な重なり合った面積の殆んど
が媒体で被覆された場合に得られる。
媒体は、ゲル状粘度を有する粘性流体でよい。
このような材料は、非流動特性を有し、機械的なショッ
クの影響より素子を保護する緩衝を与え、温度変化の結
果素子と熱伝導体間の熱通路を維持しながら素子の膨脂
および収縮を容易に許すという利点を呈する。特に良好
な結果は、ダウ・コ一ニング・コーポレーション(Do
w Corning Coporation)から商品
番号527として入手できるような所謂シリコーン誘電
性ゲルを用いて得られた。この弾性ケル状利料は、液体
に類似した有利な緩衝および自然復元特性を有するが、
固体状エラスI・マーにより近い寸法上の安定性と非流
動特性を有する。この媒体は、その成分が最初に混合さ
れると粘性流体の形を有するか、時間がたつとそれ自身
ゲル状粘度に硬化する。
本発明により得られる熱結合の改良は、公知の形の検出
器の性能より優れた性能を容易に得ることができるとい
うことである。しりれども更に重要なことは、素子と熱
伝導体間の間隔が公知の形式の検出器の性能に対して必
要とされる間隔よりも著しく大きい本発明による検出器
でこれに匹敵する性能が容易に考られることが見出され
た。したがって、公知の検出器に必要な間隔の小さいこ
とによる製造ロスの問題は、動作特性を落とす必要なし
に大きな間隔を用いることによって大巾に避けられるこ
とができる。例えば、熱結合媒体としてシリコーン誘電
性ゲルを用い、素子と熱伝導体間の間隔を約20−30
μmとした本発明の一実施態様は素子と熱伝導体の間隔
が5μ川以下の公知の形式の検出器で得られる性能に少
なくとも匹敵する性能を示すことがわかった。
その上、大きな間隔を用いる場合は、熱伝導体の対向面
と正確に平行でない素子により生しる影響の程度が少な
くなり、このため平行よりの僅かなつれば黙認できると
いうことかわかった。
本発明の伺加的な利点は、素子と熱伝導体間の改良され
た熱結合のために、検出器が公知のものよりも遥かに高
い入射放射線の工不ルギレベルを取扱うことができると
いうごとである。
得られる熱結合は、素子と熱伝導体間の間隔を選択する
ことによって、個々の検出器の要求を満たすように容易
に調節して合わセることかできる。
ヒートシンク体はアルミナより成るのか好ましいが、代
りにシリコンのような他の適当な材料を用いてもよい。
本発明の一実施態様では、焦電素子は、該焦電= 11
− 素子と熱伝導体の対向面の間にあり且つ焦電素子の面の
比較的小さな面積を占める固体状結合材によって、熱伝
導体と間隔をおいて結合される。結合材はエボギシまた
ははんだでよい。この場合、熱結合媒体は、素子と熱伝
導体間の重なり合った残余の利用可能な部分に存し、素
子は主に結合制によって熱伝導体と所定の空間関係に保
たれる。
別の実施態様では、焦電素子は、熱伝導性媒体によって
、熱伝導体と結合され且つ該熱伝導体と所定の空間関係
で支持される。したがって分離された結合材は用いられ
ず、熱結合媒体自体によって熱伝導体と所定の空間関係
に支持される。この配置は構造を籠?罫にする。その上
、固体状結合材を避けることによって、素子へのより大
きな緩衝を得ることができる。
本発明はTGS焦電素子を用いた検出器に特に有利であ
るが、例えばタンタル酸リチウム、ニオブ酸ストロンチ
ウム・バリウムおよびジルコン酸−チタン酸鉛系(PT
Z based)素子のような他の種類の焦電素子を用
いた検出器にも適用することかできる。
本発明は前述した本発明の焦電形赤外線検出器の製造方
法に関するものて、焦電素子を所定の空間関係で熱伝導
体上に位置させる工程を有する焦電形赤外線検出器の製
造方法において、その後に、熱伝導性媒体を毛管作用に
よって焦電素子と熱伝導体の間に導入することを特徴と
するものである。
このように毛管作用を用いることによって検出器の製造
が極めて簡単になり、媒体を素子と熱伝導体間のギヤン
グの縁に加えるだけですむ。
(実施例) 以下に本発明の焦電形赤外線検出器の実施態様およびそ
の製造方法を添イ」の図面を参照して説明する。
図面は見易いように寸法比を無視して示しである。
第1図に示した焦電形赤外線検出器は、1〜リグリシン
硫酸塩焦電結晶材料より形成された焦電素子10を有す
る。更に詳しく云えば、この焦電44籾は、例えば参考
になる英国特許明細書箱1297198号に記載された
ようなシュウチリウム置換L−アラニンー添加トリグリ
シン硫酸塩(Deuterated L−alanin
e−doped  triglicine  5ulp
hate  :  DLATGS)より成る。前記の焦
電素子10は、直径的3 mmで15−20μmの厚さ
のこの材料の平らなディスク状スライスより成る。この
焦電素子10には、その大部分の表面に蒸着金属層より
成る電極が設けられる。
検出すべき赤外線が当てられる上部電極12は、放射線
吸収特性を良くするためにその上にゴールドブラック(
gold black)層がデボジ・ントされたNiC
r層より成るものでもよい。下部電極14は金属より成
る。これ等の電極12と14は焦電材料の上面及び下面
の夫々の一部のみを被覆し、かくして、そこに検出すべ
き放射線が局限される素子の有効活性領域を形成するこ
ともできる。けれども、第1図および同様に第2図の実
施態様に示したように、この実施態様の電極12と14
は焦電材料の全面を覆い、検出すべき放射線はこの領域
全体にわたって当てられるので、素子の全面が活性領域
である。
他の適当な電極(A料も用いることができることば当業
者に明らかであろう。
焦電素子は比較的大きな熱伝導体16と結合されて支持
される。この熱伝導体16は平らな上面を有する円筒状
で、前記の素子はこの熱伝導体と間隔を置いて該熱伝導
体と略々平行に且つこれと同心的に配設される。素子1
0と熱伝導体16の対向する平らな面の間の間隔は、中
心に配され且つ素子と熱伝導体16が重なり合う領域の
比較的小さな部分を占める固体状結合材18の小滴によ
って予じめ決められそして固定される。この結合材は、
はんだまたは適当なエポキシのような電気および熱の導
電材料より成る。
熱伝導体1Gはアルミニウムより成り、その上面に形成
された導電トラック20を有し、この導電トラックは、
その周辺近くから径方向に熱伝導体の中心に延在し、こ
のためトランク20と焦電素子の下部電極14とが結合
材18を経て電気的に接続される。
焦電素子10と熱伝導体16とは、例えば−船釣な通常
のTO−5形パンケージを有するものでよい気密封止容
器25内に入れられる。この容器25は、電気的貫通ピ
ン28をそなえた金属ヘース27のリムに固着された円
筒状金属密閉容器26より成る。この密閉容器26はそ
の頂壁中央部に配された円形開口部を有し、この開口部
に、関係の赤外波長範囲を通して素子10の上部電極1
2に衝突させるのに適当な材料の窓が固着される。例を
挙げれば、この検出器は略々2から50μmまたはそれ
以上の波長範囲の放射線を検出するのに必要とされ、こ
の場合窓は沃化セシウムより成る。より長い波長に対し
ては窓にポリエチレンを用いることができる。
容器25は排気されてもよく、或は内部構成部品に対し
て比較的不活性である乾燥窒素のようなガスを封入して
もよい。
熱伝導体16は、例えば金属またはアルミナで形成され
た第1図にその2つが見える多数の柱30により、ヘー
ス27と間隔を置いてこれと平行関係に維持される。前
記の柱30の端は、熱伝導体16の下側とヘースに接着
剤により夫々固着される。これ等の柱は、素子10を窓
29近くに位置決めまた熱転導体16とハース2フ間に
熱結合を与える外に、熱伝導体16下方の検出回路が位
置するスペースを形成する。この回路は図面に31で略
図的に示してあり、当業者に公知のようにFETおよび
高抵抗および/または非線形素子の種類の回路のような
通常の形をとる。上部電極12および導電トラック20
より回路31への電気接続は普通の方法で形成される。
熱伝導体16は大きな熱慣性を有し、焦電素子10と熱
伝導体16の組合せ体の熱時定数を短かくし且つ検出器
の正常の動作中素子を略々一定の温度に維持してこれに
より応答度を安定化するヒートシンクとして働くように
意図されている。この目的で、焦電素子10は熱伝導体
16に熱的に結合されている。幾らかの熱結合は結合材
18を経て得られる。
けれども、本発明によれば、焦電素子10と熱伝導体1
6の対向する面間のスペース内に第1図に22で示した
熱伝導性、非固化および非気体状媒体を設けることによ
って別の熱結合が得られる。この実施態様では、前記の
媒体は、2成分混合物としてダウ・コーニング・コーポ
レーションより商品番号527の下て入子できるような
シリコーン誘電性ゲルより成り、第1図に示すように素
子1oと熱伝導体16との間の結合材周囲の有効ギャッ
プを略々完全に満たす。素子10の一部だけが放射線を
入げるべくされ、この場合したがって電極がこの活性領
域を限定するように形成された場合には、媒体は、この
活性a域と熱伝導体16間の重なり合った領域の有効部
分を覆うだけでよい。素子1oと熱伝導体16の対向す
る面間の間隔ば略々2oがら30μmの間である。
媒体22を設りこれにより得られる熱結合のおかげで、
この場合素子と熱伝導体16の対向面間の間隔は、素子
と熱伝導体間のスペースが空いたま\になっていて窒素
のような気体状媒体で満たされた前述の公知の装置に十
分な熱結合を与えるに必要なギャップの寸法にくらべて
著しく大きくされる。これに関して次のことが実証され
た、すなわち、シリコーン誘導性ゲルで満たされた約2
0μmの素子と熱伝導体間の間隔を有する検出器で得ら
れる性能は、5μm以下の間隔を用い且つ乾燥窒素ガス
を有する公知の形の検出器より得られる性能と少なくと
も同等である。本発明により可能となる大きな間隔のた
めに製造が簡単になり、素子10を熱伝導体上に取付け
る時に間のスペースに入ったほこり粒子のために該素子
かクランクする危険が除かれる。その上、応答の均一性
を保証するだめの素子と熱伝導体の平行は、間隔が増す
につれてそれ程b−界的でなくなる。
第1図に示した実施態様の製造に際しては、焦電素子1
0と熱伝導体16は、はんだの球の形の少量の結合材1
8を熱伝導体16上に置き次いで焦電素子10をこの結
合制上に置くことによって組立てられる。両者を略々平
行に保ちながら圧力を焦電素子10に加えて該焦電素子
を熱伝導体16に押イ」す、焦電素子10と熱伝導体1
6間に圧力結合と必要な間隔が得られるように結合材を
大体円板状の形に押しつふず。この最終的な、押しつぶ
された形では、結合材は代表的には約300 μmの平
均直径を有し、したがって素子の表面積の極く僅かな部
分しか占めない。代りに一滴の導電性エポキシを結合材
として用いてもよい。この結合材もはやり焦電素子に圧
力を加えることによって同様の寸法につぶされ、硬化さ
れ、かくして間隔を固定する。
しかる後シリコーンケル媒体22が焦電素子1oと熱伝
導体16間の結合材1Bを取囲むギヤ、プに入れられる
。これは、使用法通りにその成分部分を混合した媒体を
その始めの粘性液体状態でギャップの縁に加え、毛管作
用でギャップ内に引き入れて該ギャップを満たすことに
より簡便に行うことができる。このアセンブリは次いで
媒体をゲル状の粘度に硬化させる迄そのま\にしておか
れるが、これには通常2〜3時間か象る。硬化された媒
体22は液体と同様な緩衝、自己復元および弾性特性を
有すると同時に固体エラストマーと同様な寸法安定性と
非流動特性を示す。この媒体22は、その特性のために
、焦電素子10を熱伝導体16に結合するのを助ける。
第2閲の実施態様は以上説明した第1図の実施態様と多
くの点て同一なので、同一部分には同じ符号をイ」シで
ある。この実施態様は、結合材18が−20= 無く、焦電素子10が媒体22を唯一の結合および支持
材として用いて熱伝導体16の上方に支持されて維持さ
れている点で前の実施態様と相違する。焦電素子10と
熱伝導体16間の間隔はこの場合媒体22だけで決めら
れる。したがってこの媒体22は、検出器が機械的ショ
ック等を受けた場合に焦電素子10を緩衝する役をし、
焦電素子10と熱伝導体16間の熱結合の唯一の手段を
与える。−F部電極12にイ」けられた接続ワイヤによ
って焦電素子1oを幾らが支持することはできるが、こ
れは普通は殆んと取るに足らないであろう。
媒体22としてやはりシリコーン誘電性ゲルか用いられ
、この材料は、焦電素子を熱伝導体1Gと実質上所定の
空間関係に支持し且っ焦電素子を熱伝導体に結合するの
に必要な種類の特性を呈する。
焦電素子と熱伝導体間に導電性の橋絡材料が用いられて
ないので、下部電極14との電気接続を別の方法で与え
ねばならない。この導電I・ラック20を省略し、ワイ
ヤを下部電極14と回路31間に直接接続するか、また
は代りに熱伝導体16上に形成した導電性パントに接続
し、このバンドが前述したように別のワイヤで回路31
に接続されることによって行うことができる。
この検出器の挙動および性能は前に述べた検出器と一般
的に極めて類似したものであることはわかるであろう。
この検出器の実施態様の製造は次の点で少し許り相違す
る、ずなわち、−時的な適当な支持体を用いて、焦電素
子10を熱伝導体16上にこれと実質上平行に例えば約
20−30μmの所要間隔で保持して組立てる。次いで
、媒体22が、その成分の最初の混合により得られた粘
性液体の形で焦電素子と熱伝導体16間のギャップ縁に
加えられ、毛管作用の下でギャップ内に引き入れられて
ギャップを満たす。この媒体はそのケル状粘度迄硬化さ
れ、次いで焦電素子の一時的な支持体が取除かれて該素
子を媒体22を介して熱伝導体に付着したま−にする。
シリコーンゲルの特性は、焦電素子を熱伝導体16との
所定の空間関係に容易に支持するようなものである。こ
のシリコーンゲルは、硬化すると半永久的で復元可能な
接着特性を示し、焦電素子を確実に熱伝導体16に結合
させておく。
以上の実施態様では媒体としてシリコーン誘電性ゲルの
使用に特定して説明したが、前記の特性を有するその他
の熱伝導性、非固化および非気体状の媒体を代りに用い
ることができることも考えられる。
その上、本発明はTGS以外の焦電体の素子を用いた検
出器に適用可能であることもわかるであろう。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の赤外線検出器の一実施態様の略断面図
、 第2図は別の実施態様を示ず略断面図である。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、検出すべき赤外線が向けられ、ヒートシンクとして
    働く熱伝導体の上方に間隔をおいて実質上平行関係に支
    持された実質上平らな焦電素子を有し、焦電素子と熱伝
    導体とは熱的に結合された焦電形赤外線検出器において
    、非固化、熱伝導性、非気体状の媒体が焦電素子と熱伝
    導体の間に存することを特徴とする焦電形赤外線検出器
    。 2、媒体は、焦電素子と熱伝導体の間のスペースを実質
    上満たし、熱伝導体と焦電素子の少なくとも入射放射線
    を受ける領域との間の重なった利用面積の少なくとも大
    部分にわたって延在する請求項1記載の焦電形赤外線検
    出器。 3、媒体は、ゲル状粘度を有する粘性液体より成る請求
    項1または2記載の焦電形赤外線検出器。 4、媒体はシリコーン誘電性ゲルより成る請求項3記載
    の焦電形赤外線検出器。 5、熱伝導体はアルミニウムより成る請求項1乃至4の
    何れか1項記載の焦電形赤外線検出器。 6、焦電素子は、該焦電素子と熱伝導体の対向面の間に
    あり且つ焦電素子の面の比較的小さな面積を占める固体
    状結合材によって、熱伝導体と間隔をおいて結合された
    請求項1乃至5の何れか1項記載の焦電形赤外線検出器
    。 7、焦電素子は、熱伝導性媒体によって、熱伝導体と結
    合され且つ該熱伝導体と所定の空間関係で支持された請
    求項1乃至5の何れか1項記載の焦電形赤外線検出器。 8、焦電素子と熱伝導体の間隔は略々20と30μmの
    間にある請求項1乃至7の何れか1項記載の焦電形赤外
    線検出器。 9、焦電素子を所定の空間関係で熱伝導体上に位置させ
    る工程を有する焦電形赤外線検出器の製造方法において
    、その後に、熱伝導性媒体を毛管作用によって焦電素子
    と熱伝導体の間に導入することを特徴とする焦電形赤外
    線検出器の製造方法。
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