JPH11258041A - サーモパイル型赤外線センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 サイズを大きくすることなく、多数の熱電対
を形成して大きな起電力を出力することができるサーモ
パイル型赤外線センサを提供する。 【解決手段】 ２個のセンサチップ２２にはそれぞれサ
ーモパイル３１が形成されている。このサーモパイル３
１を赤外線吸収体２３を介して重ね合わせ、両サーモパ
イル２２を直列に接続する。重ね合わせられたサーモパ
イル２２は、センサチップ２２内に封止される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直列接続された複
数個の熱電対により赤外線量や温度、温度変化等を計測
するサーモパイル型赤外線センサに関する。

【０００２】

【従来の技術】対象物から放出される赤外線を受けて熱
を発生し、その熱を電気信号に変換して温度を測定する
素子として、熱電対を直列に接続したサーモパイルを用
いたサーモパイル型温度センサがある。このようなサー
モパイル型温度センサ１の基本構造を図１に示す。熱容
量の大きなヒートシンク２の中央部に熱容量の小さな絶
縁薄膜３が形成されており、ヒートシンク２と絶縁薄膜
３との間に２種の金属又は半導体からなる熱電材料を複
数本配線し、両熱電材料を接合することによってサーモ
パイル４が形成されている。両熱電材料の接合部のうち
絶縁薄膜３の上に形成されているものは温接点となって
おり、ヒートシンク２の上に形成されているものは冷接
点５となっており、温接点の上は赤外線吸収体６で覆わ
れている。

【０００３】そして、測定対象物から放出された赤外線
が温接点上に形成された赤外線吸収体６に吸収される
と、冷接点５と温接点に温度差が生じることでサーモパ
イル４の両端に形成された電極７間にゼーベック効果に
よる起電力が生じるので、この起電力を計測することに
よって対象物の温度を測定する。すなわち、サーモパイ
ル４の温接点又は冷接点５の温度がＴの時そこに生じる
熱起電力がφ（Ｔ）で表されるとすると、温接点の温度
がＴw、冷接点５の温度がＴcであるとき、ｍ個の温接点
とｍ個の冷接点５を有するサーモパイル４の両端間に
は、次の(1)式で表される起電力Ｖが発生する。 Ｖ＝ｍ［φ（Ｔw）−φ（Ｔc）］ …(1) 従って、ヒートシンク２の温度Ｔcが既知であるとする
と、サーモパイル４に発生する起電力Ｖを測定すること
で測定対象物の温度Ｔwを非接触で計測することができ
る。

【０００４】このようなサーモパイル型温度センサ１
は、図２に示すように、冷接点５の温度を計測するため
のサーミスタ８と共にステム９上に実装され、その上方
を缶ケース１０で覆われ、缶ケース１０の窓部１１には
赤外線フィルタ１２が設けられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】サーモパイルは、上記
のように２種の熱電材料を接合した熱電対を複数個直列
に接続したものであるが、上記（１）式からも分かるよ
うに、十分な出力を得るためには、より多数の熱電対が
必要になる。

【０００６】しかしながら、サーモパイルを構成する熱
電対の個数を増加させるとセンササイズが大きくなり、
サーモパイル型温度センサを組み込むステムやキャップ
等も大きくなり、コストも高くつくという問題があっ
た。

【０００７】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、サイズを大
きくすることなく、多数の熱電対を形成して大きな起電
力を出力することができるサーモパイル型赤外線センサ
を提供することにある。

【０００８】

【発明の開示】請求項１に記載したサーモパイル型赤外
線センサは、温接点と冷接点を有する複数のサーモパイ
ルを、その面方向と垂直な方向に積層し、各サーモパイ
ルどうしを直列に接続したことを特徴としている。

【０００９】請求項１に記載の発明にあっては、複数の
サーモパイルを積層した構造を有しているので、小さな
面積に多数の温接点と冷接点を設けることができ、温接
点及び冷接点の密度を高くできる。そして、これらのサ
ーモパイルを直列接続しているので、大きな出力を得る
ことができ、センサ感度を高めることができる。

【００１０】請求項２に記載の実施態様は、請求項１記
載のサーモパイル型赤外線センサにおいて、前記各サー
モパイルを保持する部材を重ね合わせ、当該部材間に形
成された空洞内に前記各サーモパイルを封止したことを
特徴としている。

【００１１】請求項２に記載の実施態様にあっては、サ
ーモパイルを封止しているので、サーモパイルを密閉し
て保護することができ、製造工程やアセンブリ工程等に
おいてサーモパイルに傷つけたりする恐れがなく、取り
扱いが容易になる。また、風や湿気等の影響を受けない
ので、正確な温度計測ができる。

【００１２】また、請求項３に記載の実施形態は、請求
項２記載のサーモパイル型赤外線センサにおいて、前記
空洞内に窒素ガスや不活性ガス等の活性の低いガスを封
入したことを特徴としている。

【００１３】この実施態様にあっては、サーモパイルの
品質劣化を防止することができる。さらに、このガスと
して熱伝達率が低い気体を用いれば、サーモパイル型温
度センサの出力が向上する。

【００１４】請求項４に記載のサーモパイル型赤外線セ
ンサは、第１の基板に第１の熱電材料からなるパターン
を形成し、第２の基板に第２の熱電材料からなるパター
ンを形成し、第１の基板と第２の基板を接合し、第１の
熱電材料からなるパターンと第２の熱電材料からなるパ
ターンとを交互に直列接続してサーモパイルを形成した
ことを特徴としている。

【００１５】請求項４のような構造の赤外線センサによ
っても、サーモパイルの接点数を増加させることができ
るので、大きな出力を得ることができ、センサ感度を高
めることができる。しかも、この赤外線センサでは、各
基板にはいずれも一方の熱電材料だけを設ければよいの
で、製造工程を簡略化することができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図３は本発明の一実施形態による
サーモパイル型温度センサ２１の構造を示す断面図であ
る。このサーモパイル型温度センサ２１は、図４（ａ）
（ｂ）に示すようなセンサチップ２２を、赤外線吸収体
２３を挟んで積層した構造となっている。

【００１７】図４（ａ）（ｂ）に示すセンサチップ２２
にあっては、シリコン基板によって形成されたヒートシ
ンク２４の中央に、シリコン基板を上面側からエッチン
グすることによって空洞２５が形成されており、空洞２
５の上面には絶縁薄膜２６が形成されている。この絶縁
薄膜２６は、Ｓｉ０₂やＳｉＮなどによって形成されて
おり、熱容量を小さくするため数ミクロンの厚みにして
いる。この空洞２５は、シリコン基板の上面に絶縁薄膜
２６を形成した後、絶縁薄膜２６の一部に小さな孔又は
スリットを開口し、この孔又はスリットを通してシリコ
ン基板の上面をエッチングし、シリコン基板からなるヒ
ートシンク２４と絶縁薄膜２６との間に形成される。ヒ
ートシンク２４と熱絶縁薄膜２６の境界付近において
は、ヒートシンク２４の上面と熱絶縁薄膜２６の上面に
かけて第１熱電材料２７と第２熱電材料２８が交互に配
線されており、ヒートシンク２４上面で第１及び第２熱
電材料２７，２８を接合させて熱電対の冷接点２９を設
け、熱絶縁薄膜２６上面で第１及び第２熱電材料２７，
２８を接合させて熱電対の温接点３０を設け、これによ
って熱電対が直列に接続された温度計測用のサーモパイ
ル３１を形成している。サーモパイル３１の両端には、
それぞれ電極３２，３３が設けられている。

【００１８】なお、熱電対を構成する金属をポリシリコ
ンなどの赤外線を吸収しにくい材質で構成すれば、赤外
線入射側のサーモパイル３１で赤外線が吸収されなけれ
ば、反対側のサーモパイル３１の温接点３０が効率よく
温まり、出力のＳ／Ｎ比が向上する。

【００１９】しかして、図３に示したサーモパイル型温
度センサ２１は、上記センサチップ２２を赤外線吸収体
２３を挟んで積層した構造となっている。すなわち、２
個のセンサチップ２２のうち一方のセンサチップ２２に
おいて、各温接点３０をＡｕ、Ｂｉ等の金属黒（Ａｕな
どの金属を低温で薄く蒸着することにより形成した、赤
外線吸収率の高い赤外線吸収材料）からなる赤外線吸収
体２３で覆い、さらに、センサチップ２２上面のサーモ
パイル３１及び電極３２，３３よりも外側の領域にガラ
ス材３４を付着させ、この上に他方のセンサチップ２２
を上下反転させて重ね、シリコンフュージョンボンディ
ングにより接合する。これによって、温接点３０どうし
が赤外線吸収体２３を挟んで積層され、一方の電極３２
どうしが電気的に接続されてサーモパイル３１どうしが
直列に接続され、２つのセンサチップ２２が接合一体化
される。そして、２つのサーモパイル３１は両センサチ
ップ２２の空洞２５内に気密的に封止される。また、赤
外線照射側のセンサチップ２２の外面には、赤外線領域
の光を選択的に透過させるＺｎＳからなる反射防止膜３
５が形成される。

【００２０】このような構造のサーモパイル型温度セン
サ２１によれば、サーモパイル３１を積層化することが
できるので、実装面積（平面面積）を大きくすることな
く、温接点３０や冷接点２９の数を２倍にすることがで
き、電極３３間の出力電圧も２倍にすることができ、セ
ンササイズを変えることなく感度を高くすることができ
る。また、ヒートシンク２４を重ねることによって、各
ヒートシンク２４の厚みも薄くすることができるので、
サーモパイル型温度センサ２１の厚みも従来のセンサ厚
みの２倍よりも薄くすることができる。このようにして
サーモパイル型温度センサ２１を小型化すれば、耳式温
度計に用いた場合でも、鼓膜付近まで挿入することが可
能になる。

【００２１】また、上下のヒートシンク２４の空洞２５
は互いに向きあっているので、センサチップ２２どうし
の接合を完全にすれば、ヒートシンク２４間の空間にサ
ーモパイル３１を密封することができる。特に、シリコ
ンフュージョンボンディング等で周囲を接合することに
より、高い密封性をえることができる。従って、サーモ
パイル３１等を空洞２５内に密閉して保護することがで
き、製造工程やアセンブリ工程等においてサーモパイル
３１に傷をつけたりする恐れがなく、取り扱いが容易に
なる。

【００２２】また、多数のセンサチップ２２を形成され
たシリコンウエハどうしを接合して多数のサーモパイル
型温度センサ２１を一度に製作し、このシリコンウエハ
をダイシングカットして個々のサーモパイル型温度セン
サ２１を得る場合でも、内部に切り屑や塵埃、水分等が
侵入する恐れがなく、容易にダイシングカットできる。
また、風や湿気等の影響を受けないので、正確な温度計
測ができる。

【００２３】また、この空洞２５内にＡｒ，Ｋｒ，Ｘｅ
等の不活性ガスを封入することができる。空洞２５内に
これらのガスを封入すると、サーモパイル３１の品質劣
化の恐れがなくなる。さらに、Ａｒ，Ｋｒ，Ｘｅ等の熱
伝達率が低い気体を空洞２５内に封入して赤外線吸収体
２３の周囲雰囲気を熱伝導率の低い気体とすれば、サー
モパイル型温度センサ２１の出力が向上する。さらに、
赤外線吸収体２３を取り巻く内部雰囲気が重い気体であ
ると出力が上がる。あるいは、Ｎ₂ガスや乾燥空気を封
入すれば、同様な効果を安価に奏することができる。

【００２４】また、空洞２５内を真空封止することがで
きる。真空封止すると、サーモパイル３１の品質劣化の
恐れがなくなる。さらに、真空封止して赤外線吸収体２
３の周囲雰囲気を真空にすると、空気雰囲気の数倍出力
が向上する。

【００２５】赤外線照射側のセンサチップ２２の外面に
は反射防止膜３５が蒸着されていて、赤外線透過フィル
タとして機能を有しているから、所定波長域の赤外線を
透過させ他の波長領域の光をカットすることができ、サ
ーモパイル型温度センサ２１のノイズを小さくできる。
さらに、反射防止膜３５を設けることにより、赤外線の
透過量を増加させ、出力を向上させることができる。

【００２６】また、センサチップ２２に反射防止膜３５
を設けることにより、図２のような形態で赤外線フィル
タを設けたものと比較して非常に小さなサーモパイル型
温度センサ２１となることが分かる。なお、反射防止膜
３５に代えて特定波長の赤外線だけを通すように多層膜
をつけても、他の波長領域によるノイズを減らすことが
できる。

【００２７】また、赤外線吸収体２３を挟んで上下のサ
ーモパイル３１を積層しているので、赤外線入射側と反
対側のサーモパイル３１にも効率よく熱が伝わる。

【００２８】図５は２つのセンサチップ２２を積層した
サーモパイル型温度センサ２１において、各サーモパイ
ル３１を直列に接続すると共に、直列に接続されたサー
モパイル３１の両端を外部に引き出すための構造の一例
を示している。下側のセンサチップ２２は上側のセンサ
チップ２２よりも少し長くなっている。上下のセンサチ
ップ２２を重ね合わせると、上側のサーモパイル３１の
一方の電極３２と下側のサーモパイル３１の一方の電極
３２とが互いに導通して上下のサーモパイル３１どうし
が直列に接続される。また、上下のセンサチップ２２が
重ねられたとき、上側のサーモパイル３１の他方の電極
３３は、下側のセンサチップ２２に設けられた外部電極
３６に導通するようになっており、この外部電極３６及
び下側のサーモパイル３１の他方の電極３３は、上側の
センサチップ２２から飛び出た領域に設けられている
（図６）。従って、サーモパイル型温度センサ２１の信
号は、この電極３３及び外部電極３６から取り出すこと
ができる。

【００２９】（第２の実施形態）図７は本発明の別な実
施形態によるサーモパイル型温度センサ４１の構造を示
す断面図である。このサーモパイル型温度センサ４１
は、図８（ａ）（ｂ）に示すような構造のセンサチップ
４２を、赤外線吸収体２３を挟んで積層した構造となっ
ている。このセンサチップ４２では、シリコン基板から
なるヒートシンク２４を下面側からエッチングして空洞
４３を形成し、空洞４３の上に絶縁薄膜２６を形成して
いる。この他の点については、図４（ａ）（ｂ）に示し
たセンサチップ２２と同様な構造を有している。

【００３０】図７のサーモパイル型温度センサ４１は、
温接点３０間に赤外線吸収体２３を挟み込むようにして
一方のセンサチップ４２の上に他方のセンサチップ４２
を積層して接合一体化し、２つのサーモパイル３１を直
列接続している。よって、小さなサイズで多数の温接点
３０と冷接点２９を有する高感度のサーモパイル型温度
センサ４１を製作することができる。

【００３１】（第３の実施形態）図９は本発明のさらに
別な実施形態によるサーモパイル型温度センサ４６の構
造を示す断面図である。このサーモパイル型温度センサ
４６は、図４（ａ）（ｂ）に示したようなセンサチップ
２２と図８（ａ）（ｂ）に示したようなセンサチップ４
２を、サーモパイル３１間に赤外線吸収体２３を挟み込
むようにして積層し、一体化したものである。

【００３２】このような構造のサーモパイル型温度セン
サ４６にあっては、サーモパイル３１の裏面側はセンサ
チップ２２によって保護されているが、前面側（赤外線
入射側）に空洞４３（エッチングホール）が開口してい
るので、赤外線入射側の空洞４３のエッチングを大きく
して空洞４３を広くすることにより赤外線の入射量を多
くすることができる。

【００３３】（第４の実施形態）図１０は本発明のさら
に別な実施形態によるサーモパイル型温度センサ４７の
構造を示す断面図である。このサーモパイル型温度セン
サ４７は、図９に示したサーモパイル型温度センサ４６
において、さらに、空洞４３が開口した側のセンサチッ
プ４２に接着剤４９で赤外線フィルタ４８を接着してい
る。

【００３４】この実施形態では、市販の赤外線フィルタ
４８を接着するだけでよいので、第１の実施形態と比較
すると、蒸着の手間を省くことができる。また、センサ
チップ４２の空洞４３は、赤外線フィルタ４８で封止す
ることができる。

【００３５】（第５の実施形態）図１１は本発明のさら
に別な実施形態によるサーモパイル型温度センサ５１の
構造を示す断面図である。このサーモパイル型温度セン
サは、図１２（ａ）（ｂ）に示すセンサチップ５２と図
１３（ａ）（ｂ）に示すようなセンサチップ５３とを重
ね合わせている。図１２（ａ）（ｂ）に示すセンサチッ
プ５２では、絶縁薄膜２６の上に赤外線吸収体２３を設
け、この赤外線吸収体２３の上に温接点３０を重ねるよ
うにして赤外線吸収体２３の上からサーモパイル３１を
形成している。図１３（ａ）（ｂ）に示すセンサチップ
５３では、絶縁薄膜２６の上にサーモパイル３１を配置
し、温接点３０を覆うようにしてサーモパイル３１の上
に赤外線吸収体又は熱良導体５４を設けている。しかし
て、センサチップ５２を赤外線入射側とし、センサチッ
プ５３を反対側として積層し、サーモパイル型温度セン
サ５１を形成している。

【００３６】この実施形態では、赤外線吸収体２３をサ
ーモパイル３１どうしの間でなく、両サーモパイル３１
よりも赤外線入射側に設けているので、赤外線吸収体２
３による熱吸収効率が高くなる。また、サーモパイル３
１間には、赤外線吸収体又は熱良導体５４を挟んでいる
ので、赤外線入射側と反対側に位置するサーモパイル３
１にも速やかに熱を伝えることができ、計測感度を良好
にすることができる。なお、熱絶縁膜の熱伝導率が悪い
場合には、図１４に示すセンサチップ５５のように絶縁
薄膜２６を空洞４３と連通させるように開口し、空洞４
３から赤外線吸収体２３を露出させて赤外線吸収効率を
高くするようにしてもよい。

【００３７】（第６の実施形態）図１５は本発明のさら
に別な実施形態によるサーモパイル型温度センサ５６の
構造を示す断面図である。このサーモパイル型温度セン
サ５６は、図１６（ａ）に示すセンサチップ５７と図１
６（ｂ）に示すセンサチップ５８とを重ね合わせてい
る。図１６（ａ）に示すセンサチップ５７では、絶縁薄
膜２６の上に赤外線吸収体２３を設け、その上に第１の
熱電材料２７を適当な間隔をあけて設け、図１６（ｂ）
に示すセンサチップ５８では、絶縁薄膜２６の上に第２
の熱電材料２８を適当な間隔をあけて設けてあり、セン
サチップ５７を赤外線入射側としセンサチップ５８を反
対側として積層してサーモパイル型温度センサ５６を形
成している。両センサチップ５７，５８を積層する際、
センサチップ５７の第１の熱電材料２７の各端部はセン
サチップ５８の第２の熱電材料２８の各端部と接合さ
れ、絶縁薄膜２６上で接合された部分は温接点３０とな
り、ヒートシンク２４上で接合された部分は冷接点２９
となる。

【００３８】この実施形態は、このような構造を有して
いるので、各センサチップ５７，５８に第１の熱電材料
２７のみ、あるいは第２の熱電材料２８のみを蒸着させ
るだけで済み、製造が容易になる。

【００３９】また、このように２つのセンサチップ５
７，５８に第１の熱電材料２７と第２の熱電材料２８を
形成する方法によってもサーモパイル３１の配線を増や
して接点数を増加させることができる。すなわち、ヒー
トシンク２４上での配線パターンの作製可能なピッチを
Λとすると、従来のように１枚のヒートシンク２４上に
第１の熱電材料２７と第２の熱電材料２８を形成する場
合には、第１の熱電材料２７どうしの配線ピッチも第２
の熱電材料２８の配線ピッチも２Λとなる。これに対
し、一方のヒートシンク２４上に第１の熱電材料２７の
みを配線する場合には、第１の熱電材料２７どうしの配
線ピッチはΛとなる。同様に、もう一方のヒートシンク
２４上に第２の熱電材料２８のみを配線する場合には、
第２の熱電材料２８どうしの配線ピッチはΛとなる。よ
って、第１の熱電材料２７と第２の熱電材料２８を半ピ
ッチずつずらせて２つのセンサチップ５７，５８を重ね
合わせると、第１の熱電材料２７と第２の熱電材料２８
の間のピッチはΛ／２となり、従来の２倍の配線密度と
なり、接点数も２倍にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来のサーモパイル型温度センサを示す斜視図
である。

【図２】同上のサーモパイル型温度センサを缶ケース内
に納めた状態を示す一部破断した斜視図である。

【図３】本発明の一実施形態によるサーモパイル型温度
センサを示す断面図である。

【図４】（ａ）（ｂ）は同上のサーモパイル型温度セン
サを構成するセンサチップの構造を示す平面図及び断面
図である。

【図５】同上のセンサチップのサーモパイルどうしの接
続方法を説明する一部省略した分解斜視図である。

【図６】積層して一体化されたセンサチップの斜視図で
ある。

【図７】本発明の別な実施形態によるサーモパイル型温
度センサを示す断面図である。

【図８】（ａ）（ｂ）は同上のサーモパイル型温度セン
サを構成するセンサチップの構造を示す平面図及び断面
図である。

【図９】本発明のさらに別な実施形態によるサーモパイ
ル型温度センサを示す断面図である。

【図１０】本発明のさらに別な実施形態によるサーモパ
イル型温度センサを示す断面図である。

【図１１】本発明のさらに別な実施形態によるサーモパ
イル型温度センサを示す断面図である。

【図１２】（ａ）（ｂ）は同上のサーモパイル型温度セ
ンサを構成する一方のセンサチップの構造を示す平面図
及び断面図である。

【図１３】（ａ）（ｂ）は同上のサーモパイル型温度セ
ンサを構成する他方のセンサチップの構造を示す平面図
及び断面図である。

【図１４】センサチップのさらに他例を示す断面図であ
る。

【図１５】本発明のさらに別な実施形態によるサーモパ
イル型温度センサを示す断面図である。

【図１６】（ａ）（ｂ）は同上のサーモパイル型温度セ
ンサを構成する各センサチップの平面図である。

【符号の説明】

２２，４２ センサチップ ２３ 赤外線吸収体 ２５，４３ 空洞 ２６ 絶縁薄膜 ２９ 冷接点 ３０ 温接点 ３１ サーモパイル

フロントページの続き (72)発明者 櫻井 顕治 京都府京都市右京区花園土堂町10番地 オ ムロン株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 温接点と冷接点を有する複数のサーモパ
   イルを、その面方向と垂直な方向に積層し、各サーモパ
   イルどうしを直列に接続したことを特徴とするサーモパ
   イル型赤外線センサ。
2. 【請求項２】 前記各サーモパイルを保持する部材を重
   ね合わせ、当該部材間に形成された空洞内に前記各サー
   モパイルを封止したことを特徴とする、請求項１に記載
   のサーモパイル型赤外線センサ。
3. 【請求項３】 前記空洞内に窒素ガスや不活性ガス等の
   活性の低いガスを封入したことを特徴とする、請求項２
   に記載のサーモパイル型赤外線センサ。
4. 【請求項４】 第１の基板に第１の熱電材料からなるパ
   ターンを形成し、第２の基板に第２の熱電材料からなる
   パターンを形成し、第１の基板と第２の基板を接合し、
   第１の熱電材料からなるパターンと第２の熱電材料から
   なるパターンとを交互に直列接続してサーモパイルを形
   成したことを特徴とするサーモパイル型赤外線センサ。