JPH06213724A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 赤外線センサ全体を小型化できるとともに、
環境温の変動による影響を受けることがなく、安定して
計測することができるようにする。 【構成】 センサ素子１１は台座１３の上面（素子取付
面１３ａ）に取り付けられている。台座１３は、熱容量
が大きく、かつ熱伝導性に優れた材質、たとえばアルミ
ニウムにより円柱状に形成されている。この台座１３
は、環境温の変動による影響が小さいため、センサ素子
１１自身の基準温も大きく変化することがなく、安定し
て計測することができる。また、台座１３の素子取付面
１３ａの面積がセンサ素子１１の取付面積だけでよいの
で、赤外線センサ１０全体の大きさはセンサ素子１１の
大きさのみによって決定される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は非接触で被計測対象の温
度を計測する赤外線センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】最近、医療用機器の１つとして、人体の
外耳道に挿入して体温を測定するための鼓膜体温計が考
えられており、この鼓膜体温計等に用いて好適な熱型赤
外線センサを、半導体微細加工技術を利用して作製する
技術が種々開発されている。この赤外線センサは、セン
サ基板として半導体材料、たとえばシリコンを用い、こ
のシリコン上に絶縁膜により形成された非常に小さな架
橋部を形成し、さらにこの架橋部の上に赤外線感温部を
形成した構造となっている。この熱型赤外線センサに用
いる赤外線感温部としては、赤外線によりセンサ温度が
変化してその電気抵抗値が変化するボロメータ型、起電
力が変化するサーモパイル型、および、温度変化より自
発分極の電荷の変化量を検出する焦電型などに分けるこ
とができる。この中でも特にボロメータ型は、上記微細
加工技術を駆使することにより著しく、センサの大きさ
を微小にすることが可能である。

【０００３】ところで、この種の赤外線センサは、従
来、図８に示すように赤外線センサ素子４１を金属製の
パッケージ（キャン）４２内に配設し、このパッケージ
４２の内部でワイヤボンディングにより配線４３を施し
た構造を有している。このような構成のパッケージ４２
では、赤外線センサを高温の物体や移動体等の温度測定
に適用する場合には、支障はない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、赤外線
センサを前述の鼓膜体温計のような狭小な部位に挿入し
て用いるものに適用した場合には、赤外線センサ素子４
１自体は微小に作成できるものの、全体として大型化す
るために、パッケージ自身を外耳道内等に挿入すること
ができない。このため従来の取付構造のままでは鼓膜体
温計には適用できないという問題があった。また、赤外
線センサ素子４１自身は、極めて微小であるために、従
来のパッケージ構造では、環境温等の外乱の影響を受け
やすく、そのため安定した計測ができないという問題が
あった。また、集光装置や導光部を設けねばならず、装
置の複雑化や光学系による損失分等により受光量そのも
のも減少するという問題があった。

【０００５】本発明はかかる問題点に鑑みてなされたも
ので、その目的は、パッケージ自体を小型化できるとと
もに、環境温の急激な変動の影響を受けることがなく、
安定して計測することができる赤外線センサを提供する
ことにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による赤外線セン
サ素子は、半導体材料により形成されるとともに、内部
に赤外線感温部を備えた赤外線センサ素子を、熱容量が
大きく、かつ熱伝導性に優れた材質により形成されたセ
ンサ素子支持体に取り付けて一体化したものである。

【０００７】この赤外線センサによれば、センサ素子支
持体（台座）としては、受光側の面積が赤外線センサ素
子の取付面積だけでよいので、センサ全体の大きさは赤
外線センサ素子の大きさみのみによって決定され、著し
く小型化することができる。また、センサ素子支持体の
熱容量が大きく、環境温の変動による影響が小さいた
め、赤外線センサ素子自身の基準温も大きく変化するこ
とがなく、安定して計測することができる。

【０００８】センサ素子支持体としては、熱容量が大き
く、かつ熱伝導性に優れた材質のものであればよく、た
とえばアルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、真鍮等の金
属や、アルミナ粉末を散在させたエポキシ樹脂等のプラ
スチックを用いることができる。表１に一例としてアル
ミニウム、銅および黄銅の比熱、熱伝導率および密度の
各値を示す。

【０００９】

【表１】

【００１０】また、熱容量は、センサ素子支持体とし
て、直径３．０〜４．５ｍｍ、長さ１０〜２０ｍｍの円
筒状としたとき、アルミニウムが０．１７〜０．７５Ｊ
・Ｋ^-1、銅が０．０７〜０．３４Ｊ・Ｋ^-1、黄銅が０．
０７〜０．３５Ｊ・Ｋ^-1の値となる。

【００１１】本発明の赤外線センサでは、前記赤外線素
子支持体に赤外線センサ素子の回りを囲むような壁を設
けることにより、赤外線センサ素子の位置決めが容易に
なる。

【００１２】さらに、本発明の赤外線センサでは、前記
壁の内壁面に金めっき処理を施して赤外線を反射させる
構成とすることが好ましい。このような構成であれば、
内壁面自身からの赤外線放射を防止することができるた
め、赤外線感温部には計測対象物からの赤外線のみが入
射され、そのため正確な温度を計測できる。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面を参照して具体
的に説明する。

【００１４】図１は本発明の一実施例に係るボロメータ
型の赤外線センサ１０の全体構成を表すものである。こ
の赤外線センサ１０は、半導体微細加工技術により作製
された方形状の赤外線センサ素子（以下、センサ素子と
いう）１１を、センサ素子支持体としての台座１３の上
面（素子取付面１３ａ）に接着剤（半田、熱導電性の良
いエポキシ樹脂等）により取り付けたものである。台座
１３は、熱容量が大きく、かつ熱伝導性に優れた材質、
たとえばアルミニウムにより円柱状に形成されている。
台座１３の素子取付面１３ａの直径はセンサ素子１１の
対角線の長さと同じとなっており、これにより台座１３
の大きさは必要最小限の大きさとなっている。

【００１５】図７はセンサ素子１１の断面構成を表すも
のである。このセンサ素子１１には、内部に赤外線感温
膜１２が密封されている。センサ素子１１のセンサ基板
３１としては、シリコン、ゲルマニウム等の半導体基板
が用いられるが、容易にしかも安価に手に入れることが
可能なシリコン基板を用いることが好ましい。絶縁膜３
２ａはセンサ基板３１の表面に架橋（ブリッジ）構造と
なっており、この架橋部上に赤外線感温膜１２が形成さ
れている。絶縁膜３２ａとしては、シリコン酸化膜(SiO
x)、シリコン窒化膜 (SiNy) 、シリコンオキシナイトラ
イド(SiOxNy)膜等により形成することができるが、特に
シリコンオキシナイトライド膜により形成することが好
ましい。シリコンオキシナイトライド膜は、シリコン酸
化膜とシリコン窒化膜との両者の性質を持ち、そのため
応力バランスが良く、安定した架橋構造を形成すること
が可能となる。

【００１６】赤外線感温膜１２はアモルファスシリコン
（ａ−Ｓｉ）や多結晶シリコン等のシリコンを含む膜に
より形成される。この赤外線感温膜１２の成膜には、ス
パッタリング、イオンビームスパッタリング、ＣＶＤ
（化学的気相成長法）等が用いられる。赤外線感温膜１
２にはアルミニウム等の導電性材料により形成された配
線層３５が接続されており、さらにこの赤外線感温膜１
２は、シリコンオキシナイトライド膜等からなる絶縁膜
３２ｂにより覆われている。赤外線感温膜１２の上部に
は赤外線吸収膜（たとえば金黒）３３が形成されてお
り、赤外線の吸収効率を高め、より大きな出力を得るこ
とができるようになっている。また、赤外線感温膜１２
の上方にはシリコン基板等により形成された赤外線透過
性の窓材３４が設けられており、入射する赤外線を赤外
線感温膜１２へ導くようになっている。

【００１７】赤外線感温膜１２は被計測対象、たとえば
人体の外耳道から入射される赤外線の量（熱量）に応じ
てその電気抵抗値が変化する。この赤外線感温膜１２に
はフレキシブル基板１４が電気的に接続されている。こ
のフレキシブル基板１４を通して赤外線感温膜１２の電
気抵抗値の変化による電圧若しくは電流の変化を検出
し、その検出信号を図示しない信号処理回路へ送るよう
になっている。信号処理回路では、この検出信号を受け
て演算処理を行い、被計測対象物の温度を算出する。

【００１８】本実施例の赤外線センサ１０では、センサ
素子１１は、熱容量が大きく、かつ熱伝導性に優れた材
質により形成された台座１３に取り付けられている。こ
のような台座１３は、環境温の変動による影響が小さい
ため、センサ素子１１自身の基準温も大きく変化するこ
とがなく、安定して計測することができる。また、台座
１３の素子取付面１３ａの面積はセンサ素子１１の取付
面積だけでよいので、赤外線センサ１０全体の大きさは
センサ素子１１の大きさのみによって決定されることに
なる。したがって、微小なセンサ素子１１に合わせて著
しく小型化することができる。なお、センサ素子１１と
してはサーモパイルを用いてもよい。

【００１９】上記実施例では台座１３の形状を円柱状と
したが、図２に表すようにセンサ素子１１の形状（方
形）に合わせ、かつ測定機器の内部に装着し易いよう
に、角柱状の台座１５としてもよい。このような構成と
することにより、図１の構造に比べてより小型化を図る
ことができる。

【００２０】図３は本発明の他の実施例を表すものであ
る。本実施例においては、図１に示した台座１３の素子
取付面１３ａの周縁部に、センサ素子１１の回りを囲む
ように円形状の壁１６を設けたものである。壁１６には
一部に切欠き部１７が形成されており、この切欠き部１
７を通してフレキシブル基板１４が外部に取り出されて
いる。壁１６の内壁面には、たとえば金めっき処理によ
り赤外線反射処理が施されている。

【００２１】本実施例では、台座１３の素子取付面１３
ａの周縁部に壁１６が設けられているので、この壁１６
の内部にセンサ素子１１を、フレキシブル基板１４を切
欠き部１７に合わせた状態で装着すればよい。したがっ
て、図１に示した実施例に比べてセンサ素子１１の位置
決めが容易になる。なお、この壁１６は支持体と一体の
ものでもよく、また嵌め込み式の別部材により構成する
ようにしてもよい。

【００２２】また、壁１６の内壁面に金めっき処理によ
り赤外線反射処理部１８が形成されているため、図５に
拡大して示すように、内壁面自身からの放射Ｂを防止す
ることができる。したがって、赤外線感温膜１２には計
測対象物からの赤外線Ａのみが入射され、このため計測
対象物の温度を正確に計測できる。

【００２３】なお、壁１６の形状は、台座として図２に
示した円柱状の台座１５を用いた場合には、図４に示す
ように方形状としてもよい。

【００２４】図６は、上記実施例の赤外線センサ１０を
用いた鼓膜体温計２０の概略構成を表すものである。こ
の鼓膜体温計２０は、先端部に赤外線センサ１０を備
え、この赤外線センサ１０の検出信号を内部の信号処理
回路２１に送り、ここで温度を算出する。この算出され
た温度は体温として表示部２２に表示される。なお、鼓
膜体温計２０の先端面には、たとえばポリエチレンによ
り形成された膜２３が被着されており、この膜２３によ
り耳垢等の赤外線センサ１０への付着を防止するように
なっている。

【００２５】この鼓膜体温計２０では、その先端の赤外
線センサ１０部分を人体の外耳道１９ａに挿入して一定
時間経過すると、鼓膜１９ａから放射される赤外線が検
出され、鼓膜１９ａの温度すなわち体温を計測すること
ができる。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように本発明の赤外線セン
サによれば、内部に赤外線感温部を備えた赤外線センサ
素子を、熱容量が大きく、かつ熱伝導性に優れた材質に
より形成されたセンサ素子支持体に取り付けて一体化す
るようにしたので、全体として著しく小型化できるとと
もに、環境温の影響を受けることがなく、正確な計測を
行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る赤外線センサの全体構
成を表す斜視図である。

【図２】図１の赤外線センサの変形例を表す斜視図であ
る。

【図３】本発明の他の実施例に係る赤外線センサの全体
構成を表す斜視図である。

【図４】図３の赤外線センサの変形例を表す斜視図であ
る。

【図５】図３の赤外線センサにおける赤外線の入射状態
を説明するために一部断面して示す斜視図である。

【図６】本発明の赤外線センサを用いた鼓膜体温計の概
略構成を一部断面して表す側面図である。

【図７】図１の赤外線センサの素子部の構成を説明する
ための断面図である。

【図８】従来の赤外線センサの全体構成を表す斜視図で
ある。

【符号の説明】

１０ 赤外線センサ １１ 赤外線センサ素子 １２ 赤外線感温膜 １３、１５ 台座 １４ フレキシブル基板 １６ 壁 １７ 切欠き部 １８ 赤外線反射処理部 ３１ センサ基板 ３２ 絶縁膜 ３３ 赤外線吸収膜 ３４ 窓材

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体材料により形成されるとともに、
   内部に赤外線感温部を備えた赤外線センサ素子を、熱容
   量が大きく、かつ熱伝導性に優れた材質により形成され
   たセンサ素子支持体に取り付けて一体化したことを特徴
   とする赤外線センサ。