JPH09218086A - 赤外線センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 熱型赤外線センサにおいて、輻射温度の検出
精度及び感度がよく、鮮明な熱画像が得られるようにす
る。 【解決手段】 保持層４のうちセンサエレメント１Ａ、
１Ｂ、１Ｃの配置されていない領域の受光面側の全面も
しくは一部分に赤外光反射金属膜８を設けてこの部分に
入射する赤外線７ｘ、７ｙを反射するようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱物体からの赤外
線輻射を検知し、熱物体の存在や位置、動き、温度分布
等の検出を行う赤外線センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、空調装置や照明、人体輸送など直
接人に関わる装置における人の状態に応じた制御への指
向が高まるにつれて、人体の有無、位置、数、動き、姿
勢といった人情報のセンシング（検出）技術が重要視さ
れてきている。一方、公共施設や工場から家屋に至るま
での防犯・防災システムを構成する上でも人検知や火災
検知の手段が非常に重要となってきている。そこで、こ
れらの要求を実現する一つの手段として、物体からの赤
外線輻射を検出する赤外線センサが大きな注目を集める
ようになってきた。

【０００３】通常、赤外線センサとしては、量子型のも
のと熱型のものとに大きく分けられる。前者は量子効果
による光電導や光起電力を利用するものであり、高感度
・高速応答性を有するが、検出される赤外線の波長は素
子により決まっており、しかも近赤外光域に限られてい
る。また、測定時には冷却が必要であり、一般に計測用
として利用されている。これに対し後者の熱型は、赤外
線を吸収して熱に変換しそれによる温度変化を検出する
タイプであり、量子型と比較して応答性と感度の点で劣
る。しかし、室温動作が可能で、近赤外光域から遠赤外
光域までの広い範囲にわたって感度を有するという利点
がある。このため、遠赤外光域に輻射強度のピークを有
するような室温付近の対象の検知をコンパクトかつ安価
に行うのに熱型センサが広く用いられている。

【０００４】高性能な熱型赤外線センサを得るには、感
温体の性能指数が重要であるだけでなく、入射した赤外
線をいかに効率よく吸収して感温体に大きな温度変化を
与えるか、また感温体とそれ以外の部分との熱の流れを
いかに防ぐかというセンサ自体の素子構造に関する部分
が非常に重要となる。

【０００５】そこで、例えば図５に示すように、検温体
である焦電体１０１ａ〜１０１ｃ、下部電極１０２ａ〜
１０２ｃ、及び受光電極１０３ａ〜１０３ｃをスパッタ
リング等の方法を用いて薄膜で構成することで、これら
の焦電体１０１ａ〜１０１ｃ、下部電極１０２ａ〜１０
２ｃ、及び受光電極１０３ａ〜１０３ｃからなるセンサ
エレメント１０１Ａ〜１０１Ｃの熱容量を小さくして赤
外線１０７ａ〜１０７ｃを吸収した際の温度変化が大き
くなるようにしている。またセンサエレメント１０１Ａ
〜１０１Ｃを熱伝導率の比較的低い合成樹脂製の保持層
１０４で支え、かつ保持層１０４の下部を中空状基板１
０５によって浮かすように支えてセンサエレメント１０
１Ａ〜１０１Ｃどうし間及びセンサエレメント１０１Ａ
〜１０１Ｃと基板１０５間の熱の出入りを極力抑えると
いう方法がこれまでは行われてきた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うな構成では、検出波長によってはセンサエレメント１
０１Ａ〜１０１Ｃの非配置領域に入射する赤外線１０７
ｘ、１０７ｙを保持層１０４が吸収し、この部分の温度
上昇が起きてセンサエレメント１０１Ａ〜１０１Ｃに熱
が流れ込むことになり、これは測定温度精度の低下、熱
画像の鮮明度の低下の原因になる。

【０００７】また上記のような構成では、センサエレメ
ント１０１Ａ〜１０１Ｃ周辺部へ保持層１０４を通して
熱が拡散し、感度低下の原因となる。さらに、センサエ
レメント１０１Ａ〜１０１Ｃから保持層１０４に流れ出
た熱の隣接センサエレメントへの流入量が大きい場合に
はクロストークが問題となり、測定温度精度の低下、熱
画像の鮮明度の低下の原因となる。

【０００８】以上のような理由により従来の熱型赤外線
センサの構成では、輻射温度の測定精度が不充分であっ
たり、アレイセンサや２次元センサを用いた赤外線画像
センサの場合には鮮明度が不十分であるといった問題を
有していた。さらに人体活動量センサなどのチョッパを
使用しない場合、もしくはチョッピング周波数が低い領
域で使用する場合、及び高感度・高速応答のために熱容
量を小さくした焦電薄膜型のセンサの場合にはこれらの
影響は特に重大となる。

【０００９】本発明は上記課題を解決するもので、輻射
温度の検出精度及び感度がよく、鮮明な熱画像を得るこ
とのできる赤外線センサを提供することを目的としてい
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の赤外線センサは、センサエレメントを保持す
る保持層の赤外光受光面側のセンサエレメント非配置領
域に赤外光反射手段を設けるか、またはセンサエレメン
ト非配置領域の保持層にスリツト状等の間隙を設けて、
前記赤外光反射手段や間隙によつて熱伝導抵抗部を形成
するようにしたものである。そしてこれによって、前記
赤外光反射手段の場合には、センサエレメント非配置領
域での赤外線吸収量が減少して、この保持層部分による
吸収熱のセンサエレメントへの熱影響が減少し、温度測
定精度の向上、及び熱画像の鮮明化を図ることができ
る。また前記間隙の場合には、センサエレメント間での
熱伝導、及びセンサエレメントより基板への熱拡散が減
少し、感度低下及びクロストークを抑制することができ
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、センサエレメントを焦電特性を有する薄膜とこの薄
膜上面の赤外光受光面側に設けられ前記薄膜内部の分極
変化を電気信号として読み出す受光電極と前記薄膜下面
の赤外光非受光面側に設けられた下部電極とで構成し、
かつこのセンサエレメントを保持する保持層の赤外光受
光面側のセンサエレメント非配置領域に赤外光を反射す
る赤外光反射金属膜を設けたものであり、この構成によ
って、保持層におけるセンサエレメントの非配置領域で
の赤外線吸収量を減少させることができる。

【００１２】請求項２に記載の発明は、請求項１記載の
赤外光反射金属膜を接地するようにしたものであり、こ
れによって、センサエレメントよりの出力信号をよりク
リアーなもの（ノイズ等の少ないもの）にし、画像の信
頼性の向上を図ることができる。

【００１３】請求項３に記載の発明は、請求項１記載の
センサエレメントを複数個保持層に配設し、かつこの保
持層を周辺部のみで基板によって支え、前記センサエレ
メントどうしの間及び前記センサエレメントと前記基板
との間の前記保持層に間隙を形成するようにしたもので
あり、これによって、間隙が両センサエレメント間及び
センサエレメントと基板との間で熱伝導抵抗部となり、
センサエレメント相互の熱影響及び基板への熱の逃げ等
を少なくすることができる。

【００１４】請求項４記載の発明は、請求項３記載のセ
ンサエレメントと間隙との間の赤外光受光面側に赤外光
反射金属膜を設けたものであり、これによって、間隙と
赤外光反射金属膜の両者により、センサエレメント以外
の部分での熱の吸収、拡散をより一層少なくすることが
できる。

【００１５】請求項５記載の発明は、請求項１記載のセ
ンサエレメントを厚みが略３μｍ以下の保持層に複数個
配設しかつセンサエレメントどうしの間隔を略３００μ
ｍ以上としたものであり、これによって、前記間隔を熱
伝導抵抗部となるようにし、センサエレメントからの熱
の逃げやクロストークを抑えることができる。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の具体例を図面を参照して説明
する。

【００１７】（実施例１）図１は、保持層に赤外光反射
金属膜を設けた赤外線センサの断面図である。

【００１８】図において、１ａ、１ｂ、１ｃは焦電特性
を有する薄膜状の焦電薄膜エレメント（薄膜）であり、
焦電薄膜エレメント１ａ、１ｂ、１ｃの各上面の赤外光
受光面側には受光電極３ａ、３ｂ、３ｃを、同下面の赤
外光非受光面側には下部電極２ａ、２ｂ、２ｃを具備し
てセンサエレメント１Ａ、１Ｂ、１Ｃを構成している。
センサエレメント１Ａ〜１Ｃは、例えばポリイミド樹脂
等の絶縁性部材からなる保持層４に各々が所定の間隔を
有して埋設され、さらにこの保持層４を合成樹脂等の基
板５で支持している。また保持層４上面の赤外光受光面
側には、センサエレメント１Ａ〜１Ｃの非配置領域に入
射した赤外線７ｘ、７ｙを反射する金属製の赤外光反射
金属膜８を設けている。ここで受光電極３ａ〜３ｃの厚
さは赤外線７ａ，７ｂ、７ｃが透過できるように充分薄
く形成され、また、赤外光反射金属膜８は、例えばＲＦ
プラズマスパッタ等により成膜した約１００nm厚のNiCr
膜をパターニングすることによって形成している。

【００１９】以上のように構成することにより、センサ
エレメント１Ａ〜１Ｃに入射した赤外線７ａ、７ｂ、７
ｃは受光電極３ａ、３ｂ、３ｃを透過するとともに焦電
薄膜エレメント１ａ、１ｂ、１ｃ及び受光電極３ａ、３
ｂ、３ｃと下部電極２ａ、２ｂ、２ｃで吸収される。そ
して、この吸収熱による温度上昇により、焦電薄膜エレ
メント内部で自発分極が変化し表面電荷が発生してこの
電気信号が受光電極３ａ、３ｂ、３ｃと下部電極２ａ、
２ｂ、２ｃを介して出力として取り出される。このと
き、センサエレメント１Ａ〜１Ｃの非配置領域に入射し
た赤外線７ｘ、７ｙは赤外光反射金属膜８によって反射
され、センサエレメント１Ａ〜１Ｃにはこの周辺の保持
層４からの熱の流入は抑制される。

【００２０】なお、本実施例の赤外光反射金属膜８はＲ
Ｆプラズマスパッタで成膜したNiCr膜を用いたが、材料
や成膜方法に関してはこれに限るものではなく、下記の
（表１）、すなわち理科年表（昭和５６年度版）、に示
されるようなAuやAl等の赤外線反射率の高い他の金属材
料や、イオンビームスパッタまたは熱蒸着といった別の
方法を用いてもよい。

【００２１】

【表１】

【００２２】また、本実施例では赤外光反射金属膜８の
厚みを約１００nmとしたが、これに限定されるものでは
ない。また、センサエレメント１Ａ〜１Ｃが複数となっ
ているが、単数のセンサエレメントの場合にもその周辺
部に赤外光反射金属膜を設けることで同様の効果が得ら
れる。

【００２３】なおまた、本実施例の赤外光反射金属膜８
をアース電極（図示せず）に接続することによって、セ
ンサエレメント１Ａ〜１Ｃへのノイズ影響を一層抑制す
ることができ、出力信号をよりクリアーなものにするこ
とができる。

【００２４】（実施例２）図２（ａ）は実施例２の赤外
線センサの平面図、同（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図
であり、本実施例が上記実施例１と異なる点は、保持層
を外周部のみで基板によって支え、赤外光反射金属膜の
代りにセンサエレメント間及びセンサエレメントと基板
との間の保持層に間隙を設けた点である。

【００２５】すなわち、図に示すように、保持層４ａを
周辺部だけで基板５ａ上に支え、各センサエレメント１
Ａ、１Ｂ、１Ｃの間及びセンサエレメント１Ａ〜１Ｃと
基板５ａとの間の保持層４ａに、スリット状の間隙９を
形成したものである。なお、保持層４ａは例えば感光性
のポリイミド樹脂を用いてパターニングを行って構成し
てもよく、この場合は、各センサエレメント１Ａ、１
Ｂ、１Ｃ間及びセンサエレメント１Ａ〜１Ｃと基板５ａ
との間に間隙９を形成しておく。

【００２６】以上のように構成することにより、センサ
エレメント１Ａ〜１Ｃの相互間及びセンサエレメント１
Ａ〜１Ｃと基板５ａの間の熱伝導は、各間を結ぶ保持層
４ａの熱伝導経路の一部が間隙９によって遮断されてい
るため、間隙９を迂回してしか隣接エレメントに熱は伝
わらない。このため、熱伝導経路が長くなり、かつその
断面積も小さくなって熱伝導が抑制される。また、セン
サエレメント１Ａ〜１Ｃは基板５ａからの熱的な独立性
が向上し、センサエレメント１Ａ〜１Ｃから基板５ａへ
の熱の流出や逆に基板５ａからセンサエレメント１Ａ〜
１Ｃ個々への熱影響を一層抑えることができる。したが
つて、結果としてセンサエレメント１Ａ〜１Ｃのクロス
トークを小さくすることができるとともに、データの精
度アップ等信頼性の向上を図ることができる。

【００２７】なお、本実施例ではセンサエレメント１Ａ
〜１Ｃが複数となっているが、単数エレメントの場合に
もその周辺部の保持層に間隙を設けることで同様の効果
を得ることができる。

【００２８】また、間隙９はスリット状の細長い形状の
ものとしたが、形状や数についてこれに限定されるもの
ではなく、熱伝導抵抗部となる間隙であればよい。

【００２９】（実施例３）図３は実施例３の赤外線セン
サの側断面図であり、本実施例が上記実施例２と異なる
点は、赤外光受光側保持層のセンサエレメント非配置領
域に赤外光反射金属膜と間隙とを設けた点である。

【００３０】すなわち、図に示すように、各センサエレ
メント１Ａ、１Ｂ、１Ｃの間の保持層４ａにスリット状
の間隙９を形成し、さらに、間隙９と各センサエレメン
ト１Ａ、１Ｂ、１Ｃとの間及びセンサエレメント外周部
の保持層４ａ上に赤外光反射金属膜８ａを設けたもので
あり、間隙９と赤外光反射金属膜８ａの両者によって、
各センサエレメント１Ａ、１Ｂ、１Ｃ相互間の熱伝導は
より一層遮断されるようになり、このため、赤外線セン
サのクロストークを一層小さくすることができる。

【００３１】（実施例４）図４は、センサエレメントの
間隔及び保持層の厚みを限定した赤外線センサの側断面
図である。

【００３２】すなわち、図に示すように、各センサエレ
メント１Ａ、１Ｂ、１Ｃはそれぞれ所定の間隔ｅを有し
て厚みｄの薄肉のポリイミド樹脂からなる保持層４ｂに
埋設し、保持層４ｂをその周辺部のみで基板５ａによっ
て支持している。このとき、厚みｄを略３μｍとし、間
隔ｅを略１００μｍと略３００μｍの二通りにした赤外
線センサを構成し、これらのセンサエレメント１Ａ〜１
Ｃに赤外光受光面側よりレーザーをステップ照射してそ
のときの出力を調べた。その結果、間隔ｅが１００μｍ
の場合には隣接エレメントで約６５％観測されたクロス
トークが、間隔ｅを３００μｍとすることによって約１
６％に縮少できることが分かった。これはチョッパを使
用しない場合のクロストークに相当し、チョッピングを
行う場合にはこれよりもクロストークをさらに小さくす
ることができる。

【００３３】上記のように、保持層４ｂの厚みを略３μ
ｍと小さくし、各センサエレメント１Ａ、１Ｂ、１Ｃ間
隔を略３００μｍ以上離すことによって、隣接センサエ
レメント間で相互の熱の逃げ及び干渉が抑制され、クロ
ストークを小さくすることができる。

【００３４】なお本実施例では、保持層４ｂの材料とし
てポリイミド樹脂を使用したがこれに限定されるもので
はなく、別の絶縁性部材を用いても同様の効果を得るこ
とができる。また、前述の実施例２、３に本実施例４を
組み合わせて用いることにより、熱の逃げやクロストー
クをより一層抑えることが可能となる。

【００３５】

【発明の効果】上記実施例から明らかなように、本発明
の請求項１に記載の発明は、センサエレメント非配置領
域の保持層上に赤外光反射金属膜を設けたものであり、
これによって、センサエレメント以外の部分での熱の吸
収を少なくでき、輻射温度の測定精度を向上でき、鮮明
な熱画像を得ることができる。またセンサエレメントの
有感度領域と無感度領域との境界が明確に規定できるの
で、視野に応じた赤外線センサのデバイス設計が容易と
なる。

【００３６】また、請求項２に記載の発明は、前記した
請求項１記載の赤外光反射金属膜を接地するようにした
ものであり、これによって、保持層表面の電位がふらつ
いてセンサの動作が不安定になるのを防ぐことができ、
かつ赤外光反射金属膜がシールドとしての役割を果たし
て、信頼性の高い赤外線センサを得ることができる。

【００３７】さらに、請求項３に記載の発明は、各セン
サエレメント間及びセンサエレメントと基板との間の保
持層に間隙を設けるようにしたものであり、これによっ
て、センサエレメントどうしの熱の干渉及びセンサエレ
メントから基板への熱の流出や逆の流入等が減少し、輻
射温度の測定精度が向上するとともにクロストークが減
少し、鮮明な熱画像が得られる。さらにチョッパを使用
しない、もしくはチョッピング周波数が低い領域で使用
する場合にも高感度に赤外線の変化を捉えることができ
る。

【００３８】また、請求項４に記載の発明は、各センサ
エレメント間の保持層に間隙を形成するとともに、間隙
と各センサエレメントとの間に赤外光反射金属膜を設け
たものであり、これによって、センサエレメント以外の
部分での熱の吸収を抑制でき、このため感度が向上して
輻射温度をより精度よく測定でき、一層鮮明な熱画像を
得ることができる。

【００３９】また、請求項５に記載の発明は、センサエ
レメントを有する保持層の厚みを略３μｍ以下としかつ
各センサエレメントの間隔を３００μｍ以上としたもの
であり、これによって、前記同様センサエレメントから
の熱の逃げやクロストークを抑えることができ、輻射温
度の測定精度の向上及び鮮明な熱画像を得ることができ
る。また前述同様チョッパを使用いない、もしくはチョ
ッピング周波数が低い領域で使用する場合にも高精度に
赤外線の変化を捉えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の赤外線センサの断面図

【図２】（ａ）は同実施例２の赤外線センサの平面図 （ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図

【図３】同実施例３の赤外線センサの側断面図

【図４】同実施例４の赤外線センサの側断面図

【図５】従来の赤外線センサの側断面図

【符号の説明】

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ センサエレメント １ａ，１ｂ，１ｃ 焦電薄膜エレメント（薄膜） ２ａ，２ｂ，２ｃ 下部電極 ３ａ，３ｂ，３ｃ 受光電極 ４，４ａ，４ｂ 保持層 ５，５ａ 基板 ７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｘ，７ｙ 赤外線 ８，８ａ 赤外光反射金属膜 ９ 間隙 ｄ 厚み ｅ 間隔

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】焦電特性を有する薄膜とこの薄膜上面の赤
   外光受光面側に設けられ前記薄膜内部の分極変化を電気
   信号として読み出す受光電極と前記薄膜下面の赤外光非
   受光面側に設けられた下部電極とからなるセンサエレメ
   ントと、このセンサエレメントを保持する保持層とを有
   し、前記保持層の赤外光受光面側の前記センサエレメン
   ト非配置領域に赤外光反射金属膜を設けた赤外線セン
   サ。
2. 【請求項２】赤外光反射金属膜をアース電極に接続した
   請求項１記載の赤外線センサ。
3. 【請求項３】請求項１記載のセンサエレメントを複数個
   保持層に配置し、かつこの保持層を周辺部のみで基板に
   よって支え、前記センサエレメントどうしの間及び前記
   センサエレメントと前記基板との間の前記保持層に間隙
   を形成した赤外線センサ。
4. 【請求項４】センサエレメントと間隙との間の赤外光受
   光面側に赤外光反射金属膜を設けた請求項３記載の赤外
   線センサ。
5. 【請求項５】請求項１記載のセンサエレメントを厚みが
   略３μｍ以下の保持層に複数個配設しかつ前記センサエ
   レメントどうしの間隔を略３００μｍ以上とした赤外線
   センサ。