JPS6191528A

JPS6191528A - 焦電形赤外線検出素子

Info

Publication number: JPS6191528A
Application number: JP59212562A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Nakamoto; 中本　正幸; Yosuke Hirao; 平尾　洋佐; Nobuo Iwase; 岩瀬　暢男; Yohachi Yamashita; 洋八山下
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1984-10-12
Filing date: 1984-10-12
Publication date: 1986-05-09

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】〔発明の技術分野〕本発明は焦電形赤外線検出素子本体を他の電子部品（例
えば電界効果トランジスタ素子や抵抗体など）を回路基
板に直接装着してなる焦電形赤外線検出素子の改良に関
する。

〔発明の技術的背景とその問題点〕

焦電形赤外線検出素子は、感度が波長に依存しないこと
、室温動作が可能で且つ安価であることなどの長所を備
えているため自動、ドアなどでの人体検知、電子レンジ
での温度測定など幅広く使用されつつある。

よところでこの種検−ｔｐ子においては赤外線を直接検知
するものでなく照射された赤外線量を焦電形素子本体の
温度変化として把えている。この点さらに詳述すると、
焦電形素子本体が角周波ωで放射密度Ｗの赤外線にさら
されたとすると熱平衡については次式が成立する。

（式中Ｈ＝熱容ｆｋ（Ｊ℃−”）、　Ｇ　＝熱コンダク
タンス（Ｊ″Ｃ″″”　５ｅｃ−１）。

Ａ＝焦電形素子本体の受光面積（ｃｒＩＬ２）。

η＝吸収係数、θ＝温度上昇、ｔ＝時間　）ここで熱時
定数τＴ＝−Ｎ　・−・−・−−−−−−−−−・−・
＝−・・−（２）によって温度上昇θはで表示され、この温度上昇（温度変化）により。

素子本体表面に電荷が発生して焦電流１＝ＡＰωθが流
れる。

ここでＰは焦電系数（Ｃ・１ｌｃ・Ｋ一２）である。

一方焦電形赤外線検出素子本体における出力電圧Ｖは＝ωＰＡθＲ（１＋ω２τＥ２）　−１／２　　・・・
・・・・・・・・・・・・・・・　（４）（式中τＥは
電気時定数　Ｒは合成抵抗、Ｃは合成容ｔ）で示され、上記式（３）を式（４）Ｋ代入すると・・・
・・・・・・・・・・・・　（５）となる。

しかして電圧感度式は次式（６）に示す如く出力電圧Ｖ
の入射エネルギーＡＷ　（Ｊ　−ｓｅｃ″″１＝Ｗ）に
対する比と定義される。

Ｖ　　　η・ωＡＰＲＲＶ　＝　−＝　−（１＋ω２τＴ２）−Ｖ２（１＋ω
２τＥ２　）−Ｖ２ＡＷ　　　　　Ｇ・・・・・・・・・・・・・・・　（６）従って焦電形
赤外線検出素子における電圧感度Ｂｙ（検知能）は照射
される赤外線のチョッピング周波数ωに依存するととも
、に熱時定数τＴｌ　’［＆気時定数τＥの大小にも依
存することＫなる。またこの電圧感度Ｒｖは高感度が得
られる１／τＴ＞ＶｆＢの場合。

でも表され電圧感度Ｒｖは熱時定数τＴに比例する。

（式中Ｃｖは体積比熱、ε０は真空の誘電率、ε。

は焦電体の比誘電率）ここで熱時定数τＴは上記式（２）よりτＴ＝Ｈ，／Ｇ
で与えられるので、従来この種の赤外線検出素子におい
ては、素子本体を支持基体から浮かせた形で装着（組立
て）している。

このため構造が複雑となり量産性が劣るばかりでなく小
形化に限度がある。特に抵抗体、コンデンサ、トランジ
スタ素子など回路部品を支持基体績なうと云う問題があ
る。

〔発明の目的〕

本発明は上記事情に基づきなされたもので焦電体素子本
体からの放熱を抑止し、もって検出素子としての感度向
上を図るとともに小形化、量産をも併せて改善した焦電
形赤外線検出素子を提供するものである。

〔発明の概要〕

本発明は回路基板と、この回路基板に装着され九焦電形
赤外線検出素子本体とを具備して成る赤外線検出素子に
おいて、前記回路基板が熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の
セラミック系材料にて構成したことを特徴とするもので
、上記低熱伝導率のセラミック系材料から成る回路基板
を用いた場合、赤外線の検出においてすぐれた感度・（
高い検知能）を発揮するとの知見に基づくものである。

〔発明の実施例〕

以下不発明の実施例について添附図面を参照して説明す
る。第１図は焦電形赤外線検出素子の基本回路例を示し
たもので（１）は入射（照射）した赤外線によって温度
変化を起生しこの温度変化を自発分極の変化に変換する
検出素子本体であり、（２）は２発生した電荷を電圧モ
ードで取り出すための高出力抵抗を、（３）はインピー
ダンス変換の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を、（４
）は電界効果トランジスタ（３）のソース抵抗をそれぞ
れ示す。

このような回路構成をとる本発明に係る検出素子は次の
ようにして製造しうる。先ずＢａＯ３〜５４ｍｏ１％、
　　５ｎ０２７〜４０ｍｏ１％ｐ　Ｂ２Ｏ３１０〜５Ｂ
＋ｎｏ１％、　ＴｉＯ２５〜４８　ｍｏ　１％になるよ
うに秤量し、湿式振動ミルにより１６時間、混合粉砕し
、１５０℃。

２４時間、乾燥後、バインダーとして、ポリビニールア
ルコール（ＰｖＡ）ヲ混合シ、１１００〜１１５０℃の
温度で３時間焼結し、その後粉砕、混合、乾燥によりド
クターブレード用Ｂａ　Ｓｎ　Ｂ２Ｏ６系セラミツクス
粉末を得た。

この原料粉末に１例えばポリビニルブチラール等の結合
剤、フタール酸オクチル、ポリモテレングリコール等の
可塑剤、メンヘーテン油等の分散剤、エチルアルコール
、トリクロロエチレン等の溶媒を加えて、スラリーを作
成し、ドクターブレード法でグリーンシート（回路用基
板）を製造した。次いでＡｇ系等の導体ペーストを用い
、前記回路基板をなすグリーンシート上に、第１図に示
した基本回路を成すように導体・抵抗体を印刷・塗布・
乾燥し、８５０〜１０５０℃の温度で３時間焼成し、　
　Ｂａ５ｎＢ２Ｏｓ系セラミツクス基板を得た。

この基板材料の熱伝導率は製造条件により１〜４Ｗ／ｍ
・Ｋの範囲に分布するが平均して３Ｗ／ｍ・Ｋの値が得
られた。

しかる後、　ＬｉＴａＯ３，ＰＺＴ、　ＰｂＴｉＯ３等
の焦電体のうち２例えば（Ｐｂ、Ｃａ）〔（ＣｏＶ２Ｗ
Ｖ２）Ｔｉ〕０３セラミックスを大きさ３ｘ３ｔｉｒｍ
、厚さ１００μｍの形状に加工し。

焦電体素子本体を得、この素子本体（１）を１３ａ　Ｓ
ｎ　８２ＯＧ系セラミツクス基板上に、１！界効果トラ
ンジスタ（３）及びリードフレームとともに実装し、赤
外線検出素子を作製した。

一方比較のために、ハイブリッドＩＣ用基板材料として
一般に広く用いられている９６％アルミナセラミックス
（熱伝導率２１　Ｗ／ｍ−Ｋ　）を回路用基板として用
い上記と同様手段によって導体、抵抗体など形成し、さ
らに焦電体素子本体（１）及び電界効果トランジスタ（
３）などを実装し、焦電形赤外線検出素子を得た。

これら２つの焦電形赤外線検出素子の相対出力電圧を比
較例としてのアルミナ基板を使用した素子の値を１００
として、　　５００にの黒体炉を赤外線源を用い、チョ
ッピング周波数ＩＨｚ、　５Ｈｚ、　１０Ｈｚに変更し
て測定したところ第１表に示すような結果が得られた。

第１表熱伝導率の低いＢａ　Ｓｎ　Ｂ２Ｏ６系セラミツクスを
基板材料として用いて成る本発明に係る検出素子の場合
は、大幅に特性が向上されている。

次に、　ＡＡ！２Ｏ３２Ｏ〜５０ｗｔ％、　ＢａＯ２２
〜４５ｗｔ％。

ＳｉＯ２１４〜２３ｗｔ％、Ｂ２Ｏ３９〜１７　ｗｔ％
になるように秤量し、混合、粉砕した後、バインダー、
溶剤等を加え、スラリーとし、グリーンシート作成した
。

このグリーンシートを、７５０〜１０００℃の温度で焼
成し、　ＡＡ！２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＢａＯ−Ｂ２Ｏ３系
セラミツクスを得た。この基板材料の熱伝導率は、製造
条件等により、２〜５　Ｗ／ｍ−Ｋに分布するが、平・
均して４馳・Ｋの値を得た。

この基板に砥抗体、導体をスクリーン印刷法により形成
した後、　　ＢａＳｎＢ２Ｏ６系セラミックスの場合と
同じく焦電体素子本体、ＦＥＴならびにリードフレーム
等を実装し、焦電形赤外線検出素子を得た。

この素子の出力電圧を、前記比較例の検出素子（９６％
アルミナセラミックスを基板として成る検出素子）の出
力電圧と比較測定した結果を第２表に示す。第２表から
明らかのように本発明に係る検出素子の場合には著しく
すぐれた特性を示す。

第　　２　　表さらに他の実施例としてＡ１１！２Ｏ３４０〜５Ｑｗｔ
％。

Ｐｂ０．　１〜４０ｗｔ％ｔ　Ｂ２Ｏ３１〜３０ｗｔ％
、５ｉ０２２〜４０ｗｔ％、■族元素酸化物（ＭｇＯ，
Ｃａｂ、　ＳｒＯ，’ＢａＯ，ＲａＯ等）０．０５〜２
５ｗｔ％、■族元素酸化物（ＴｉＯ２゜ＺｒＯ２，Ｇｅ
Ｏ２，５ｎ０２等、ただし、炭素、硅素、鉛は除＜　）
　０．０１〜１０ｗｔ％を秤量混合し、バインダーを加
えスラリーとし、グリーンシートを作成後。

７００〜１４００℃の温度で焼成し、　ＡＡ’２Ｏ３−
８ｉＱ２−ｐｉ）０−Ｂ２Ｏ３系セラミツクスを得た。

この基板材料の熱伝導率は３〜５　Ｗ／ｍ・Ｋの範囲に
分布するが平均して４　ｗ／Ｉｎ−Ｋの値を得た。

この基板に抵抗体、導体をスクリーン印刷法により形成
した後、　　Ｂａ　Ｓｎ　Ｂ２Ｏ６系セラミツクスの場
合と同じく焦電体素子本体、電界効果トランジスタなら
びにリードフレーム等を実装し、焦電形赤外線検出素子
を得た。

この素子の出力電圧を９６％アルミナセラミックスを基
板として用いた素子（比較例）の出力゛電圧と比較測定
した結果を第３表に示す。

第　　３　　表さらにまた他の実施例としてＬｉ２Ｏ０，１２〜３．２
６ｗｔ％、　ｓｒｏ　０．５０〜４５．３３ｗｔ％、　
ＭｇＯを１．３８〜２６．０７ｗｔ％ｔ、　Ａｌ２Ｏ５
１０，９２〜５９．５０ｗｔ％、５ｉｏ２１１．６８〜
５７．６１　ｗｔ％になるように、原材料を秤量混合し
。

８５０℃で仮焼した後、粉砕し、ポリビニールアルコー
ルを加え、金型に入れ加圧成形した後。

９００〜１４００℃の温度で焼成し、　Ａ１２Ｏ３−５
ｉ０２−ＳｉＯＬｉ２Ｏ系セラミツクスを得た。この基
板材料の熱伝導率は、７〜ＩＯｗ／ｍ−Ｋに分布してい
たが平均してｇＷ／ｍ・Ｋの値が得られた、この基板に抵抗体、導体をスクリーン印刷法により形成
した後、焦電体素子本体、　　ＦＢＴならびにリードフ
レーム等を実装し、焦電形赤外線検出素子を得た。

この素子の出力電圧を９６％アルミナセラミックスを基
板として用いた素子（比較例）の出力電圧と比較測定し
た結果を第４表に示す。

第４表以上の実施例では、セラミックス基板として。

ＢａＳｎＢ２Ｏ６系、　Ａ１２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＢａＯ
−Ｂ２Ｏ３系、　ＡＡ！２Ｏ３−ＳｉＯ２−ＰｂＯ−Ｂ
２Ｏ３系ならびに、ＵｚＯａ−８ｉＯｚ　−ＳｒＯ−Ｌ
ｉ２Ｏ系セラミツクスを用いたが、熱伝導率がＩＯＷ／
ｍ・Ｋ以下のセラミックスであれば他のものでも良い。

また、焦電体本体も前述のもの以外の焦電体であっても
かまわない。

〔発明の効果〕

本発明は以上詳述したように１回路基板とこの回路基板
に装着された焦電形赤外線検出素子本体とを具備してな
る赤外線検出素子において１回路基板として熱伝導率が
１０　Ｗ／ｍ−Ｋ以下のセラミックス系材料を特に選択
使用したことにより、性能を大＠に改善向上させ得る。

しかも構成及至、構造も簡単なため、小形化、情意性に
富み特に抵抗体。

コンデンサ、トランジスタ素子などの回路部品を。

支持基体に装着した構成（回路基板化）した場合。

非常に有効である。かくして本発明に係る焦電形赤外線
検出素子はすぐれた感度、応答性、高信頼性などの点か
ら実用上多くの利点をもたらすものと云える。

【図面の簡単な説明】

第１図は２本発明の焦電形赤外線検出素子の基本回路図
である。（１）・・・焦電体素子本体、（２）・・・高出力抵抗
。（３）・・・電界効果トランジスタ。（４）・・・電界効果トランジスタのソース抵抗。（５）・・・印加電圧端子、（６）・・・出力電圧端子
。（η・・・アース代理人　弁理士　　則　近　憲　佑（ほか　１名）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）回路基板と、この回路基板に装着された焦電形赤
外線検出素子本体とを具備して成る焦電形赤外線検出素
子において、前記回路基板が熱伝導率１０Ｗ／ｍ・Ｋ以
下のセラミック系材料で構成されていることを特徴とす
る焦電形赤外線検出素子。
（２）回路基板を構成するセラミック系材料が、ＢａＳ
ｎＢ＿２Ｏ＿６系、Ａｌ＿２Ｏ＿３−ＳｉＯ＿２−Ｂａ
Ｏ−Ｂ＿２Ｏ＿３系、Ａｌ＿２Ｏ＿３−ＳｉＯ＿２−Ｐ
ｂＯ−Ｂ＿２Ｏ＿３系及びＭ＿２Ｏ＿３−ＳｉＯ＿２−
ＳｒＯ−Ｌｉ＿２Ｏ系のいずれかであることを特徴とす
る特許請求の範囲第１項記載の焦電形赤外線検出素子。