JPH09311072A - 赤外線検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 長期にわたって気密性を良好に維持し、電磁
波に対するシールド効果が高く、しかも、入射する赤外
線を確実に集光できる赤外線検出器を提供すること。 【解決手段】 赤外線透過材料よりなる窓材４における
母材５を集光レンズ機能を有するように形成するととも
に、その少なくとも一方の面に波長選択性多層膜からな
る光学フィルタ６または赤外線反射防止膜８を形成する
一方、前記窓材４における少なくとも母材断面部分５ａ
にはんだ可能な金属層１９を形成するとともに、前記容
器１における窓材４の接合予定部分２０をはんだ可能な
表面状態とし、窓材４を接合予定部分２０にはんだ９を
用いて接合した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、人体などから発
せられる赤外線を検出する赤外線検出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記赤外線検出器の一つに、例えば特開
平６−２４９７０９号公報に示される焦電型赤外線検出
器がある。図７は、この赤外線検出器の要部の構成を示
すもので、この図において、５１は金属製の容器で、そ
の内部には回路基板５２上に載置された赤外線検出素子
５３が設けられている。５４は容器５１の上部に開設さ
れた開口５５を封止する赤外線透過性の窓材で、赤外線
透過性の母材５６の上下両面に波長選択性多層膜５７，
５８を形成してなるものである。そして、この窓材５４
は、母材５６の断面部および下側の波長選択性多層膜５
８の下面端部の視野角に寄与しない部分（赤外線検出素
子５３の端部と母材５６の上端部とを結ぶ線５９より外
側）６０に形成された例えば三層構造のはんだ付け可能
な金属部６１と容器５１の開口５５の近傍内面に施され
たはんだ付け可能な金属処理面６２との間にはんだ部６
３を設けることにより、容器５１内を気密状態になるよ
うに容器５１の開口５５に取り付けられている。

【０００３】上記赤外線検出器においては、窓材５４と
容器５１との接合が緊密に行われるので、従来の合成樹
脂接着剤による窓材と容器との接着に比べ、気密性が大
幅に向上するとともに、窓材５４の母材５６と容器５１
とが電気的に結合されるので、電磁気に対するシールド
性が向上する。したがって、長期間にわたって安定に動
作することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記赤
外線検出器における窓材５４は平板であり、これ自身に
赤外線を集光する機能がないため、人体検知や非接触的
に温度計測を行うためやガス分析を目的として用いる場
合には、赤外線集光系としてのレンズやミラーと組み合
わせる必要がある。このようにした場合、赤外線検出器
の構成が複雑になるほか、レンズなどにおける赤外線吸
収のため、入射エネルギーが少なくなるといった問題が
ある。

【０００５】これに対して、特開平３−１２２０３３号
公報や特開平７−２２１３４９号公報には、フォトダイ
オードやフォトトランジスタとして、透過窓にガラスか
らなるレンズを設けて気密封止した近赤外線検出器が開
示されている。しかしながら、これらの公報におけるガ
ラスは波長の長い赤外線を吸収するため、人体検知、非
接触温度計測やガス分析を目的として使用することはで
きない。

【０００６】この発明は、上述の事柄に留意してなされ
たもので、その目的は、長期にわたって気密性を良好に
維持し、電磁波に対するシールド効果が高く、しかも、
入射する赤外線を確実に集光できる赤外線検出器を提供
することである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明は、赤外線透過材料よりなる窓材を、赤外
線検出素子を収容した容器に形成された開口部に対して
接合した赤外線検出器において、前記窓材における母材
を集光レンズ機能を有するように形成するとともに、そ
の少なくとも一方の面に波長選択性多層膜からなる光学
フィルタまたは赤外線反射防止膜を形成する一方、前記
窓材における少なくとも母材断面部分にはんだ付け可能
な金属層を形成するとともに、前記容器における窓材の
接合予定部分をはんだ付け可能な表面状態とし、窓材を
前記接合予定部分にはんだを用いて接合している。

【０００８】この発明の赤外線検出器においては、赤外
線透過性の窓材そのものが集光レンズ機能を有するの
で、従来とは異なり、赤外線集光系としてのレンズやミ
ラーを別途設けなくとも赤外線を確実に集光できるとと
もに、赤外線の入射エネルギーを大きくとれ、その結
果、構成が簡単になるとともに、検出器における信号量
が増大する。

【０００９】そして、前記窓材がはんだによって容器に
接合されているので、長期にわたって良好な気密性を維
持できるとともに、赤外線検出器の開口部における電磁
波に対するシールド効果が増大する。

【００１０】また、容器内に収容される赤外線検出素子
における焦電体として、強誘電薄膜を用いることもでき
る。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、この発明の好ましい実施例
を、図を参照しながら説明する。

【００１２】図１は、この発明の赤外線検出器の一例を
示し、まず、同図（Ａ）において、１は鉄やニッケルあ
るいはコバールなどの金属よりなる下部開放型の筒状の
容器で、その上面部２のほぼ中央には開口部３が形成さ
れている。４は開口部３を容器１の上方から閉塞するよ
うに設けられた赤外線透過窓材（以下、単に窓材とい
う）である。

【００１３】前記窓材４は例えば次のように形成されて
いる。すなわち、５は窓材４の主部材としての母材で、
シリコン、ゲルマニウムなどよりなる。この母材５は、
一方の面を平坦な面とし、他方の面を凸面とした平凸レ
ンズに形成されて集光機能を有する。そして、この母材
５の平坦面の表面には波長選択性多層膜からなる光学フ
ィルタ６が形成され、凸面の表面には赤外線反射防止膜
（以下、ＡＲコートという）８が形成されている。ま
た、図示例では、フランジ部７を有するとともに、凸面
状態のＡＲコート８側が容器１の外部側に位置するよう
にはんだを用いて容器１に取り付けられている。９はは
んだ部分である。この窓材４の製法およびその取付け構
造については、後に詳しく説明する。

【００１４】１０は窓材４に対して受光部電極１１，１
２を臨ませるようにして容器１内に収容された赤外線検
出素子で、焦電体としては例えばＰＺＴ（チタン酸ジル
コン酸鉛系の酸化物セラミックス）よりなる。この赤外
線検出素子１０は、スペーサ１３を介してセラミックな
どよりなる回路基板１４上に設けられている。そして、
回路基板１４の下面側にはＦＥＴ（電界効果トランジス
タ）１５や高抵抗１６などの回路素子が設けられている
とともに、複数のリードピン１７が突設されている。こ
れらのリードピン１７は、容器１の下部開放部を閉塞す
るステム１８を貫通して容器１の外部に延設されてい
る。

【００１５】そして、図１（Ｂ）は、開口３における窓
材４の取付け構造を示す部分拡大図で、この図１（Ｂ）
において、１９は窓材４における母材５のフランジ部７
の端部および光学フィルタ６の端部のそれぞれ表面に形
成されたはんだ付け可能な例えば三層構造の金属層であ
る。この金属層１９は、母材５の側面部全周に形成され
ている。また、２０は容器１の上面部２における窓材４
の接合予定部分で、はんだ付け可能な表面状態にされて
いる。そして、はんだ部分９は、母材５の側面部に形成
された金属層１９と容器１における接合予定部分２０と
の間に施されている。このはんだ部分９は、窓材４の全
周に施されている。

【００１６】次に、窓材４の製作手順および窓材４の容
器１への接合手順の一例について説明する。

【００１７】まず、窓材４の母材５は、シリコンまたは
ゲルマニウムのような半導体よりなり、一方の面を平坦
な面とし、他方の面を凸面として集光機能を有するよう
に形成される。

【００１８】次に、公知の蒸着法を用いて、前記母材５
の平坦面の表面に高屈折率物質としてのゲルマニウムと
低屈折率物質としての硫化亜鉛とを数十層重畳する。こ
れによって、母材５の平坦面に波長選択性を有する多層
膜が形成され、光学フィルタ６が得られる。この場合、
多層膜における光学膜厚や蒸着層数を適宜設定すること
により、所望の波長選択性を有する光学フィルタ６を形
成できることはいうまでもない。

【００１９】そして、前記平坦面に光学フィルタ６を形
成した母材５の他方の面である凸面に、例えば、蒸着法
によりゲルマニウムや硫化亜鉛、ＳｉＯ₂ などからなる
ＡＲコート８を形成する。

【００２０】前記光学フィルタ６およびＡＲコート８を
形成した母材５の露出した側面部分５ａおよび光学フィ
ルタ６の端部は、そのままの状態でははんだに対する濡
れ性がない。そこで、これらの部分にめっきまたはスパ
ッタリングによって表面処理を行い、これを金属層１９
とするのである。

【００２１】前記めっきによる表面処理としては、例え
ばニッケル−リン系、ニッケル−ホウ素系、パラジウム
−リン系のものが金属層１９の付着強度が強く、安定し
ている。そして、はんだに対する濡れ性を一層向上させ
るには、前記いずれかによるめっき後、金めっきで仕上
げるのもよい。

【００２２】また、前記スパッタリングによって表面処
理を行う場合、例えばニッケル、クローム、銅、金など
の金属をスパッリングによって単層または多層膜として
組み合わせることにより、はんだに対して濡れ性の良好
なはんだ付け可能な金属層１９を得ることができる。

【００２３】なお、上記めっきまたはスパッリングによ
る表面処理で用いる素材またはその組合せは、上記した
ものに限られるものではなく、要するに、母材５の露出
している側面部分５ａなどにはんだに対する濡れ性が優
れた金属層１９が形成されておればよい。

【００２４】一方、前記窓材４が接合される容器１は、
これをはんだに対する濡れ性の良好な金属素材（例えば
ニッケル、コバールなど）をプレス加工によって成形す
るのが好ましいが、はんだに対する濡れ性が不十分な金
属素材（例えば鉄など）を用いてもよい。いずれの場合
においても、少なくとも窓材４の接合予定部分２０につ
いては、はんだ付け可能な表面状態に表面処理が施され
てあればよい。この表面処理についても、母材５の露出
している部分などの表面処理に適用されるめっきまたは
スパッタリングを同様に採用すればよい。また、容器１
の全体にこれら表面処理を施してもよい。

【００２５】上述のようにして形成された窓材４を容器
１の接合予定部分２０に、例えば錫−鉛系のはんだを熱
溶融させることによって、両者４，１を接合するのであ
る。すなわち、母材５を、ＡＲコート８が形成した側が
容器１の外方に位置するようにし、しかも、母材５のフ
ランジ部７の上面を容器１の上面部２の内面に密着させ
るようにして、窓材４の側部に形成された金属層１９と
容器１の上面部２側内面における接合予定部分２０との
間にはんだ部分９を形成する。このとき、使用するはん
だとしては、ペースト状のクリームはんだ、糸状はん
だ、ペレット状の固形はんだなどがある。また、前記錫
−鉛系のはんだの他、銀を適宜混入したはんだを用いて
もよいことはいうまでもない。

【００２６】上述した実施例においては、赤外線透過性
の窓材４そのものが集光レンズ機能を有するので、レン
ズなど他の赤外線集光系を設けることなく、容器１の外
部から内部に入射する赤外線を確実に集光できるととも
に、赤外線の入射エネルギーを大きくとれる。その結
果、赤外線検出器の構成が簡単になるとともに、検出器
における信号量が増大する。

【００２７】そして、前記窓材４においては、その両面
に光学フィルタ６およびＡＲコート８を設けているの
で、透過率や波長選択性が優れているといった利点があ
る。

【００２８】また、はんだ部分９によって窓材４と容器
１とが接合されるので、従来の焦電型赤外線検出器に比
べて、その気密性が大幅に向上するとともに、はんだ部
分９を介して窓材４の母材５と容器１とが電気的に結合
されるので、電磁気に対するシールド性が向上する。

【００２９】この発明は、上述の実施例に限られるもの
ではなく、種々に変形して実施することができる。以
下、図２〜図６を参照しながら説明する。

【００３０】まず、図２は、前記平凸レンズ状に形成さ
れた窓材４の取付け態様を示すもので、同図（Ａ）は、
フランジ部７を容器１の上面部２の上面に密着させるよ
うにして窓材４を設けた場合を示し、同図（Ｂ）は、窓
材４にフランジ部を設けず、窓材４を開口３内に嵌め込
むようにした場合を示している。

【００３１】そして、図３は、窓材４の両面に形成され
る層の他の例を示すもので、同図（Ａ）に示すように、
母材５の両面に多層膜よりなる光学フィルタ６を形成し
てもよく、また、同図（Ｂ）に示すように、母材５の両
面にＡＲコート８を形成してもよい。なお、母材５の両
面に光学フィルタ６を形成した場合、透過率および波長
選択性が優れるが、多層膜よりなる光学フィルタ６は、
どちらかといえば平坦面に形成した方が透過特性が安定
する。

【００３２】また、図４は、窓材４の断面形状の他の例
を示すもので、同図（Ａ）に示すように、窓材４を平凸
レンズ状とし、その平坦面が外部となるようにしてもよ
く、同図（Ｂ），（Ｃ）に示すように、両凸レンズ状と
してもよい。

【００３３】さらに、この発明は、母材５の片面にのみ
多層膜からなる光学フィルタ６またはＡＲコート８を形
成してもよい。

【００３４】また、容器１内に収容される焦電体１０
を、強誘電薄膜によって形成してもよい。以下、これに
ついて、図５および図６を参照しながら説明する。

【００３５】すなわち、図５において、２１は容器１内
に設けられる赤外線検出素子としての焦電型赤外線薄膜
素子である。なお、この図５において、図１における符
号と同じ符号は、同一物であるので、それらの説明は省
略する。

【００３６】前記焦電型赤外線薄膜素子２１の構成につ
いて、図６を参照しながら説明すると、この図６におい
て、２２はＭｇＯ（酸化マグネシウム）よりなる単結晶
基板で、その厚さは５００μｍ程度である。２３はこの
基板２２の表層部にエッチングによって形成される微小
な凹部である。２４は焦電体薄膜で、例えばＰＺＴ系強
誘電体薄膜またはＰＬＺＴ系強誘電体薄膜からなり、厚
さ２μｍ程度である。この焦電体薄膜２４の上下両面に
は、例えばＰｔ（白金）よりなる上部電極２５と下部電
極２６とが互いに対応するように設けられている。これ
らの電極２５，２６の厚みは例えば０．２μｍ程度であ
る。なお、これら両電極２５，２６および焦電体薄膜２
４が矢印Ａ方向に見て互いに重なり合う部分を赤外線検
出部２７というものとする。

【００３７】２８は赤外線検出部２７における受光電極
としての上部電極２５の上面を被覆するように設けられ
る赤外線吸収膜で、フォトリソグラフが可能な感光性有
機薄膜にカーボンブラックのような赤外吸収材料を適宜
混入してなるものである。２９は赤外線検出部２７の周
辺に形成され、赤外線検出部２７を基板２２に対して保
持させる絶縁体薄膜で、ポリイミド系樹脂薄膜のような
有機絶縁体薄膜またはＳｉＯ₂ 薄膜のような無機絶縁体
薄膜よりなる。３０，３１は上部電極２５、下部電極２
６にそれぞれ連なる上部引出し電極、下部引出し電極で
ある。

【００３８】上述の説明から理解されるように、この実
施例において用いる焦電型赤外線薄膜素子２１はきわめ
て薄く、１ｍｍ以下の厚さであり、また、精々１ｍｍ角
程度の大きさである。なお、このような構成の焦電型赤
外線薄膜素子２１の詳細な構造およびその製造方法につ
いては、別途特許出願しているところである。

【００３９】再び図５に戻り、上記焦電型赤外線薄膜素
子２１は、その赤外線検出部２７を窓材４に臨むように
してセラミックなどよりなる回路基板３２上に設けられ
ている。そして、この回路基板３２の下面側には出力回
路を構成するインピーダンス変換用のＦＥＴ１５が設け
られるとともに、回路基板３２の上面側には高抵抗１６
などの回路素子が設けられている。

【００４０】このように構成された赤外線検出器におい
ては、赤外線検出素子が焦電型赤外線薄膜素子２１から
なり、きわめて薄く小型であるとともに、ＦＥＴ１５や
高抵抗１６を回路基板３２にコンパクトに取り付けるこ
とがで、赤外線検出器全体を小型なものにできる。

【００４１】上述した実施例はいずれも容器１内に焦電
型赤外線検出素子を収容したものであったが、この発明
はこれに限られるものではなく、熱電堆型赤外線検出素
子を収容した熱電堆型赤外線検出器やその他の赤外線検
出器にも適用できることはいうまでもない。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、赤外線透過性の窓材そのものが集光レンズ機能を有
するので、従来とは異なり、赤外線集光系としてのレン
ズやミラーを別途設けなくとも赤外線を確実に集光でき
るとともに、赤外線の入射エネルギーを大きくとれ、そ
の結果、構成が簡単になるとともに、検出器における信
号量が増大し、Ｓ／Ｎの良好な赤外線検出器を得ること
ができる。

【００４３】また、前記窓材がはんだによって容器に接
合されているので、長期にわたって良好な気密性を維持
できるとともに、赤外線検出器の開口部における電磁波
に対するシールド効果が増大する。

【００４４】したがって、この発明の赤外線検出器は、
人体検知、非接触温度計測やガス分析など各種の分野に
おいて広く用いることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（Ａ）はこの発明の焦電型赤外線検出器の一例
を示す断面図、（Ｂ）は要部拡大断面図である。

【図２】平凸レンズ状に形成された窓材の取付け態様を
示す断面図である。

【図３】平凸レンズ状に形成された窓材における両面の
構成態様を示す断面図である。

【図４】窓材の他の態様を示す断面図である。

【図５】この発明の焦電型赤外線検出器の他の例を示す
断面図である。

【図６】前記他の例において用いられる赤外線検出素子
の一例を示す断面図である。

【図７】従来の焦電型赤外線検出器を示す断面図であ
る。

【符号の説明】

１…容器、３…開口部、４…赤外線透過窓材、５…母
材、５ａ…母材の側面部分、６…光学フィルタ、８…赤
外線反射防止膜、９…はんだ部分、１０…赤外線検出素
子、１９…金属層、２０…接合予定部分、２１…赤外線
検出素子、２４…焦電体薄膜。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 赤外線透過材料よりなる窓材を、赤外線
   検出素子を収容した容器に形成された開口部に対して接
   合した赤外線検出器において、前記窓材における母材を
   集光レンズ機能を有するように形成するとともに、その
   少なくとも一方の面に波長選択性多層膜からなる光学フ
   ィルタまたは赤外線反射防止膜を形成する一方、前記窓
   材における少なくとも母材の側面部分にはんだ付け可能
   な金属層を形成するとともに、前記容器における窓材の
   接合予定部分をはんだ付け可能な表面状態とし、窓材を
   前記接合予定部分にはんだを用いて接合したことを特徴
   とする赤外線検出器。
2. 【請求項２】 赤外線検出素子における焦電体が強誘電
   薄膜からなる請求項１に記載の赤外線検出器。