JPWO2006009174A1 - 赤外線センサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】赤外線センサ１の製造方法は、一方の主面に、熱伝導の低い材料からなる複数個の支持部２２ａ，２２ｂと第１の電極２３ａとが一体形成された基台２０を準備する工程と、一方の主面に、前記第１の電極２３ａと導通接続する第２の電極１２ａが形成された焦電素子１０を準備する工程と、前記第１の電極２３ａ面上に、前記支持部２２ａ，２２ｂよりも高くなるように一定量の導電ペースト２４ａを載せる工程と、前記焦電素子１０を、前記第２の電極１２ａが前記導電ペースト２４ａと接するように前記支持部２２ａ，２２ｂの上面に載置し、前記導電ペースト２４ａを硬化させる工程を含む。

Description

本発明は、赤外線センサおよびその製造方法、特に小型の赤外線センサおよびその製造方法に関するものである。

赤外線センサは、焦電素子が持つ焦電効果を利用して、人の侵入や火災等を検知するセンサである。ここで、焦電効果とは、人や炎等から発生する赤外線がセンサ内部に搭載されている焦電素子に入射することで発生する温度変化により焦電素子内の自発分極が変化し、その変化量に応じた電荷が発生する現象をいう。
そして、赤外線センサは、焦電素子内の自発分極の変化により発生する電荷量に応じて出力が変わることを利用し、この出力の変化を回路処理して対象物を検出するものである。

この種の赤外線センサとして、焦電素子を基台から一定距離だけ離して支持するように、焦電素子の両端または四隅部分と基台との間に支持部を設ける構造のものがある（特許文献１）。

このような構造の赤外線センサの場合、焦電素子と支持部や、支持部と基台との位置関係にずれがあると、焦電素子に形成された電極の近傍の熱流がばらつく。したがって、焦電素子に赤外線が入射した時、熱流のばらつきにより焦電素子の温度が変動し、焦電素子の出力が赤外線の入射量に対して一定にならないという問題があった。

このような問題を解決するものとして、焦電素子裏面の両端にスクリーン印刷法を用いて支持部となる導電ペーストを印刷、固化するようにした赤外線センサの製造方法が提案されている（特許文献２）。
そして、この特許文献２では、さらに、支持部を高く形成したい場合は、複数回の印刷、固化を繰り返すことにより支持部の厚みを増すことが示されている。
特開平８−３５８８０号公報 特許第３２０９０３４号公報

しかしながら、スクリーン印刷には、その印刷表面が平坦ではなく凹凸ができてしまうという問題点がある。１回目の印刷で凹凸ができた印刷表面にさらに繰り返し印刷を重ねると、製造されるセンサによっては、最終的に作製される支持部の高さにばらつきが生じる。したがって、焦電素子と基台間の空間（隙間）部分の大きさがばらつくことになる。

焦電素子が発する熱はこの空間にも伝わる。そして、この空間の大きさがばらつくと、空間の温度変化と焦電素子の温度変化の関係にばらつきが生じることになる。そして、焦電素子の温度変化はこの空間の温度変化の影響を受けるため、センサの検出精度が一定しない要因となる。

また、スクリーン印刷は、スキージをスクリーンに押し当て、加圧している状態でスクリーン上を滑らし、予めスクリーン上に載せておいたペーストをメッシュ穴を通じて焦電素子上に塗布するという方法であるため、厳密には一定量のペーストを供給できず、また、スクリーンと焦電素子の間の部分ににじみが発生してしまう可能性がある。このため、印刷結果が意図した面積よりも大きくなる可能性がある。支持部の上面の面積が大きくなると、焦電素子と接する面積が大きくなることになる。したがって、焦電素子と支持部間の熱伝導性にばらつきが生じ、センサの検出精度が一定しない要因ともなる。

以上のような熱に関する問題は、特に赤外線センサの小型化が進むにつれて顕在化している。従来の赤外線センサは、人の侵入や火災の検知器のように比較的サイズの大きなセット品に搭載されることが多かったため、センサ自体の小型化がそれほど強く求められることはなかった。しかしながら、近年求められている無線機器等の小型セット品への搭載を可能にするためには、赤外線センサをさらに小型化する必要がある。そして、小型化が進めば進むほど、基台と焦電素子間の空間の大きさや、支持部と焦電素子との接着面積の微小な狂いなどが検出精度に大きく影響を与えることになる。

本発明は、上記課題を解決するものであり、小型で、検出精度の高い赤外線センサ、およびその製造方法を提供することを目的としている。

上記の課題を解決すべく本発明（請求項１）の赤外線センサの製造方法は、
一方の主面に、熱伝導の低い材料からなり、所定の高さを有する複数個の支持部と、第１の電極とが一体形成された基台を準備する工程と、
前記第１の電極面上に、前記支持部よりも高くなるように所定量の導電ペーストを載せる工程と、
一方の主面に第２の電極が形成された焦電素子を、前記第２の電極が前記導電ペーストと接するように前記支持部の上面に載置し、前記導電ペーストを硬化させる工程と
を含むことを特徴とする。

また、本発明（請求項２）の赤外線センサは、
一方の主面に所定の高さを有する複数個の支持部と第１の電極が形成された基台と、前記支持部の上面に載置された焦電素子とを備える赤外線センサであって
、
前記支持部は熱伝導の低い材料からなり、前記基台と一体形成されており、
前記焦電素子の一方の主面には第２の電極が形成されており、
前記第２の電極は前記第１の電極と対向する位置にあって、硬化した所定量の導電ペーストを介して前記第１の電極と導通接続されていること
を特徴とする。

また、請求項３の赤外線センサは、前記第１の電極は金属板であることを特徴とする。

また、請求項４の赤外線センサは、前記熱伝導の低い材料の主成分が、ガラス、セラミックおよび樹脂からなる群より選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする。

本発明の赤外線センサの製造方法を用いれば、支持部を基台とともに一体形成するので、支持部の高さのばらつきは低減される。したがって、焦電素子と基台間の空間（隙間）の温度変化のばらつきは低減され、検出精度にばらつきの少ない赤外線センサを作製することができる。また、焦電素子側と基台側の電極間を導通させるために載せられる導電ペーストは、支持部よりも高くなるように所定量を載せ、その後に支持部上面に焦電素子を載置するようにしているので、導電ペーストと焦電素子との接着面積のばらつきも低減される。したがって、焦電素子と支持部間の熱伝導性のばらつきは低減され、検出精度にばらつきの少ない赤外線センサを作製することができる。

なお、上述のように、第１の電極面上に所定量の導電ペーストを載せるにあたっては、
(ａ)第１の電極面上に、略同一量（一定量）の導電ペーストを載せる
(ｂ)第１の電極の、導電ペーストを載せる部分の面積が略同一面積となるように導電ペーストを載せる、
(ｃ)第１の電極面上に載せられた導電ペーストが、支持部よりもある程度以上高くなるようにする、
(ｄ)導電ペーストの粘度や流動特性などのばらつきを抑制する、
などの要件を満たすようにした場合、硬化した導電ペーストと焦電素子との接着面積のばらつきをより確実に低減して、検出精度の高い赤外線センサを得ることが可能になる。

本発明の構造では、焦電素子が受光し放熱する熱の通り道の一つに、硬化した導電ペースト（以下、単に「導電ペースト」ともいう）を経由して基台側の電極に伝わる経路がある。従来、この基台側の電極はめっきによって形成する場合が多いが、めっき膜は金属板に比べて厚みが薄く、熱伝導性は悪い。熱伝導性の悪いめっき膜を上記の経路における基台側の電極として用いると、仮に焦電素子と硬化した導電ペースト間の熱伝導にばらつきがあっても、導電ペーストとめっき膜間が熱伝導の律速部分となるので、それほど問題とはならない。

一方、金属板は、めっき膜に比べて厚みが大きく、熱伝導性は良好である。このため、本発明のように、熱伝導性の良い金属板を基台側の電極として用いると、仮に焦電素子と硬化した導電ペースト間の熱伝導にばらつきがあった場合は、導電ペーストと金属板間が熱伝導の律速部分とはならないので、ばらつきが抑制されないことになる。したがって、金属板を用いるということは、焦電素子側から見れば、検出精度の安定に寄与しない要因となり得る。

しかしながら、本発明では、焦電素子の一方の主面の第２の電極が、硬化した所定量の導電ペーストを介して第１の電極と導通接続されているので、焦電素子と硬化した導電ペースト間の接着面積のばらつきが少なく、焦電素子と導電ペースト間の熱伝導のばらつきも小さくなる。
したがって、本発明のように、基台側の電極に金属板を用いたとしても、その熱伝導性の良さがセンサの検出精度に実質的に影響を与えることはない。

また、本発明の赤外線センサは、支持部の材料を、例えばガラス、セラミックや樹脂のような熱伝導の低い材料であることを特徴としている。これにより、焦電素子が発生する熱を逃がすルートが、焦電素子と基台間の空間と、両者をつなぐ硬化した導電ペースト部分に実質的に絞り込まれる。焦電素子が発する熱を伝える媒体を増やすことなく絞り込めるので、センサの検出精度のばらつきがより小さくなる。

本発明の第１の実施例である赤外線センサ１の分解斜視図である。 焦電素子１０の裏側を示す斜視図である。 基台２０の裏側を示す斜視図である。 赤外線センサ１の製造方法を説明するための工程断面図である。 本発明の第２の実施例である赤外線センサ２の分解斜視図である。 本発明の第３の実施例である赤外線センサ３の分解斜視図である。

符号の説明

１，２，３ 赤外線センサ
１０，６０ 焦電素子
１１ａ，１１ｂ （表面の）電極
１２ａ，１２ｂ （裏面の）電極（第２の電極）
１３ セラミック基板
１４ａ，１４ｂ （裏面の）電極
２０，４０，５０ 基台
２１ 基板
２２ａ〜２２ｆ 支持部
２３ａ，２３ｂ 電極（第１の電極）
２４ａ，２４ｂ 導電ペースト
２５ａ〜２５ｄ 接続電極
２６ 金属製の配線プレート
２７ ピン
３０ ケース
３１ 枠
３２ 透光性窓

以下に本発明の実施例を示して、本発明の特徴とするところをさらに詳しく説明する。

まず、本発明の赤外線センサの構造とその製造方法の概要を以下に説明する。

図１は、本実施例の赤外線センサ１の分解斜視図である。赤外線センサ１は、大きく、焦電素子１０、基台２０、ケース３０とから構成される。図２は、焦電素子１０の裏側を示す斜視図である。図３は、基台２０の裏側を示す斜視図である。

焦電素子１０は、焦電性を有するセラミック基板１３と、その表面に薄膜で形成された電極１１ａ，１１ｂ、裏面に薄膜で形成された電極１４ａ，１４ｂと、第２の電極である電極１２ａ，１２ｂとで構成されている。表面の電極１１ａ，１１ｂは裏面の電極１４ａ，１４ｂとそれぞれ対向する位置に形成されている。裏面の電極１２ａ，１２ｂは基台側の電極と導通するための機能を有する電極部分であり、裏面の電極１４ａ，１４ｂとそれぞれつながっている。

基台２０はガラス材料によって形成された基板２１を本体とし、同じくガラスを材料とした４箇所の支持部２２ａ〜２２ｄが一体形成されている。本実施例における支持部２２ａ〜２２ｄの形状は、上面が平坦な直方体としている。本実施例においては、従来の印刷による形成方法とは異なり、カーボン治具を用いて基板２１とともに一体形成しているため、その高さや形状は所定のものが設けられている。またその形成位置は、後に焦電素子１０が載置された際に、焦電素子１０の四隅がその上に位置するように位置決めされている。仮に、一体形成ではなく、基板２１と支持部２２ａ〜２２ｄとを別体で作っておき、それを後から接合するような製造方法を採用すると、接合のために何らかの接合剤を用いる必要が生じる。接合剤の厚みによっては支持部２２ａ〜２２ｄの高さにばらつきが生じる可能性がある。また、別体で作っておいた支持部２２ａ〜２２ｄを基板２１上に置き、搭載面付近を溶解して接合する方法を用いる場合でも、溶解する量によって高さにばらつきが生じる可能性がある。

支持部２２ａと２２ｂ、２２ｃと２２ｄの間には、第１の電極である金属板の電極２３ａ，２３ｂがそれぞれ基板２１の表面に露出するように形成されている。この電極２３ａ，２３ｂは、上述したカーボン治具による基板２１の形成の際に、予め金型成形しておいた金属製の配線プレート２６を基板２１とともに一体形成し、配線プレート２６の一部が支持部２２ａと２２ｂ、２２ｃと２２ｄの間に露出するようにして形成したものである。焦電素子１０は、裏面の電極１２ａ，１２ｂがこの電極２３ａ，２３ｂと対向するように載置され、それぞれが導通接続されることになる。

なお、基台２０の裏側に設けられている接続電極２５ａ〜２５ｄも、上述の金属製の配線プレート２６の一部が露出したものであり、ＳＭＤ構造の電極である。電極２３ａは、ＧＮＤ電極である接続端子２５ａ，２５ｂとつながれている。一方、電極２３ｂはＦＥＴ（図示せず）のゲートに接続され、ＦＥＴのドレインとソースはそれぞれ基台２０裏面に設けた接続電極２５ｃ，２５ｄとにつながれている。

ケース３０は、赤外線のみを透過する透光性窓３２と、それを囲む金属製の枠３１から構成されている。これらの焦電素子１０、基台２０、ケース３０が合わせられ、赤外線センサ１となる。

次に、本発明の製造方法について、図４（ａ）〜（ｄ）の工程断面図を用いて詳細に説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、基台２０を準備する。上述の通り、支持部２２ａ，２２ｂと厚み１００μｍ程度の金属板からなる電極２３ａ、接続電極２５ａ，２５ｂは、基板２１と共に一体形成して作製する。基台２０においては、支持部２２ａ，２２ｂが基板２１から盛り上がるように形成し、電極２３ａがその支持部２２ａ，２２ｂの間で基板２１表面に露出するように形成する。一体形成するため、支持部２２ａ，２２ｂの高さＢは所定の高さとなっている。

次に、図４（ｂ）に示すように、ピン２７に導電ペースト２４ａを所定量付着させ、それを電極２３ａ面上に転写する。この時、導電ペースト２４ａの上部が、支持部２２ａ，２２ｂよりも高くなるように、ペーストの量や粘度を調整しておく。

次に、図４（ｃ）、（ｄ）に示すように、裏面に第２の電極である電極１２ａを形成しておいた焦電素子１０を、電極１２ａが導電ペースト２４ａと接するように、支持部２２ａ，２２ｂの上面に載置する。所定の高さに形成した支持部２２ａ，２２ｂの間に、所定量の導電ペースト２４ａを支持部２２ａ，２２ｂよりも高くなるように載せ、その状態で焦電素子１０を載置するので、電極１２ａと導電ペースト２４ａとの接着面積Ｃは、ほぼ所定の大きさとなる。

最後に、導電ペースト２４ａを硬化させ、焦電素子１０と基台２０とを固着する（図示せず）。

以上のように、焦電素子１０と基台２０間の高さＢは所定のサイズで形成されるため、焦電素子１０と基台２０間の空間の大きさは一定し、したがって空間の温度変化のばらつきも抑制される。また、焦電素子１０と硬化した導電ペースト２４ａとの接着面積Ｃも所定の大きさとなるため、焦電素子１０から基台２０へ伝わる熱量のばらつきも抑制される。これらのことから、検出精度にばらつきの少ない赤外線センサを作製することができる。

特に、本発明の赤外線センサは、基台側の電極２３ａに金属板を用いた場合に効果を発揮する。

本発明の構造では、焦電素子１０から発生した熱の通り道の一つに、硬化した導電ペースト２４ａを経由して基台側の電極２３ａに伝わる経路がある。

従来、この基台側の電極はめっきによって形成する場合が多いが、めっき膜の厚みは１０μｍ程度であり金属板に比べて厚みが薄く、熱伝導性は悪い。熱伝導性の悪いめっき膜を上記の経路における基台側の電極として用いると、仮に焦電素子と硬化した導電ペースト間の熱伝導にばらつきがあっても、導電ペーストとめっき膜間が熱伝導の律速部分となるので、それほど問題とはならない。

一方、本実施例においては基台側の電極２３ａに金属板を用いており、その金属板は厚みが１００μｍ程度であり、めっき膜に比べて厚みが大きく、熱伝導性は良い。このため、仮に焦電素子１０と硬化した導電ペースト２４ａ間の熱伝導にばらつきがあった場合は、硬化した導電ペースト２４ａと金属板の電極２３ａ間が熱伝導の律速部分とはならないので、ばらつきが抑制されないことになる。金属板を用いるということは、焦電素子側から見れば、発生した熱を焦電素子１０内で保持することなく外部へ放熱し易くなる構造であることを意味し、検出精度の安定に寄与しない要因となり得る。

しかしながら、本発明では、図４に示すように、焦電素子１０の一方の主面（裏面）の電極（第２の電極）１２が、硬化した所定量の導電ペースト２４ａを介して基台側の電極（第１の電極）２３ａと導通接続されているので、焦電素子１０と硬化した導電ペースト２４ａ間の接触面積のばらつきが少なく、焦電素子１０と硬化した導電ペースト２４ａ間の熱伝導のばらつきも小さくなる。したがって、基台側の電極２３ａに金属板を用いたとしても、その熱伝導性の良さがセンサの検出精度に実質的に影響を与えることはない。

なお、本発明の赤外線センサの製造方法において、基台側の電極（第１の電極）２３ａ，２３ｂ面上に所定量の導電ペースト２４ａ，２４ｂを載せるにあたって、
(ａ)基台側の電極（第１の電極）２３ａ，２３ｂ上に、略同一量（一定量）の導電ペースト２４ａ，２４ｂを載せる、
(ｂ)基台側の電極（第１の電極）２３ａ，２３ｂの、導電ペースト２４ａ，２４ｂを載せる部分の面積が略同一面積となるように導電ペースト２４ａ，２４ｂを載せる、
(ｃ)基台側の電極（第１の電極）２３ａ，２３ｂ上に載せられた導電ペースト２４ａ，２４ｂが、支持部２２ａ〜２２ｄよりもある程度以上高くなるようにする、
(ｄ)導電ペースト２４ａ，２４ｂの粘度や流動特性などのばらつきを抑制する、
などの要件を満たすようにすることが望ましい。上記の要件を満たすことにより、硬化した導電ペーストと焦電素子との接着面積のばらつきをより確実に低減して、検出精度の高い赤外線センサを得ることが可能になる。

図５は、本実施例の赤外線センサ２の分解斜視図である。実施例１の赤外線センサ１とは、支持部の数の点で異なる。

実施例１の赤外線センサ１の基台２０では、合計４つの支持部を基台上に一体形成していた。これに対し、本実施例の赤外線センサ２の基台４０には、実施例１の支持部に加え、支持部２２ｅ，２２ｆを追加している。

例えば、焦電素子１０を保持する強度を高めようとして支持部の数を増加させたとしても、本発明の効果を損なうことはない。本発明は支持部の数で制限されるものではない。

図６は、本実施例の赤外線センサ３の分解斜視図である。実施例１の赤外線センサ１とは、支持部の数と、支持部と第１の電極との位置関係、焦電素子の形状の点で異なる。

本実施例の赤外線センサ３の焦電素子６０の形状は、実施例１の焦電素子１０よりも細長い形状としている。また、実施例１の赤外線センサ１の基台２０では、基板２１の四隅に４つ支持部が設けられ、組となる２つの支持部の間に第１の電極が形成され、その第１の電極面上に導電ペーストが載せられていた。これに対し、本実施例の赤外線センサ３の基台５０には、基板２１の左右に支持部２２ａ，２２ｂをそれぞれ１つづつ設け、その支持部２２ａ，２２ｂを結ぶ延長線上の外側に導電ペースト２４ａ，２４ｂをそれぞれ載せている。

焦電素子の形状が、例えば本実施例のように細長い場合は、実施例１のように四隅を支持しなくとも、２箇所で支持しても問題ないケースもある。この場合、本実施例のように第１の電極となる電極２３ａ，２３ｂを支持部２２ａ，２２ｂの外側に配置し、その電極面上に導電ペースト２４ａ，２４ｂをそれぞれ載せても、本発明の効果を損なうことはない。また、第１の電極となる電極２３ａ，２３ｂを支持部２２ａ，２２ｂの内側に配置しても構わない。本発明は支持部の数や、支持部と第１の電極との位置関係によって制限されるものではない。

また、上述の実施例では支持部の材料にガラスを用いているがセラミックや樹脂を用いても構わない。いずれの材料も熱伝導が悪いので、焦電素子の熱が逃げるルートを、焦電素子と基台間の空間と、両者をつなぐ導電ペースト部分に実質的に絞り込むことができる。

また、基台と支持部との素材が異なった組み合わせであっても構わない。例えば基台をセラミックとし、支持部をガラスとしても構わない。

また、上述の実施例では支持部の形状を直方体としているが、円環状でも構わず、また上面が平坦ではなく円すい状に面頂が尖っていても構わない。

また、上述の実施例では赤外線センサの実装面の構造をＳＭＤ構造としているが、３端子型の構造に本発明を適用しても構わない。

また、上述の実施例では焦電素子の裏面電極が２つに分かれているデュアルタイプとして図示しているが、３つ以上に分かれた多素子タイプに適用しても構わない。

上述のように本発明によれば、複雑な構造や、複雑な製造工程を必要とせずに、小型で、検出精度が高く、無線機器等の小型セット品への搭載が可能な赤外線センサを提供することが可能になる。
したがって、本発明は、無線機器等の小型セット品に用いられる赤外線センサやその製造技術に関する分野に広く適用することが可能である。
また、本発明は、人体の検知や、防犯機器などに用いられる汎用の赤外線センサの分野にも利用することが可能である。

Claims (4)

1. 一方の主面に、熱伝導の低い材料からなり、所定の高さを有する複数個の支持部と、第１の電極とが一体形成された基台を準備する工程と、
   前記第１の電極面上に、前記支持部よりも高くなるように所定量の導電ペーストを載せる工程と、
   一方の主面に第２の電極が形成された焦電素子を、前記第２の電極が前記導電ペーストと接するように前記支持部の上面に載置し、前記導電ペーストを硬化させる工程と
   を含むことを特徴とする赤外線センサの製造方法。
2. 一方の主面に所定の高さを有する複数個の支持部と第１の電極が形成された基台と、前記支持部の上面に載置された焦電素子とを備える赤外線センサであって、
   前記支持部は熱伝導の低い材料からなり、前記基台と一体形成されており、
   前記焦電素子の一方の主面には第２の電極が形成されており、
   前記第２の電極は前記第１の電極と対向する位置にあって、硬化した所定量の導電ペーストを介して前記第１の電極と導通接続されていること
   を特徴とする赤外線センサ。
3. 前記第１の電極は金属板であることを特徴とする、請求項２に記載の赤外線センサ。
4. 前記熱伝導の低い材料の主成分は、ガラス、セラミックおよび樹脂からなる群より選ばれる少なくとも一種であることを特徴とする、請求項２または請求項３のいずれかに記載の赤外線センサ。
   

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