KR100385423B1 - 적외선 수신 소자 및 이를 이용한 적외선 센서 - Google Patents

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Abstract

온도, 열 또는 인체 접근 등을 감지하는데 사용되는 적외선 센서에 있어서, 초전재료로 만들어진 기판의 캔틸레버부에 적외선 수신부가 형성된다. 각 캔틸레버부의 세 변은 U자형 슬릿에 의해 둘러싸여 기판이 온도 변화에 의해 뒤틀리는 경우에도 문제가 생기지 않는다. 기판에서 적외선 수신부의 역할을 하는 캔틸레버부는 같은 방향으로 균등하게 분극되고 나머지 부분은 임의로 분극되어 팝콘 노이즈의 발생을 줄인다.

Description

적외선 수신 소자 및 이를 이용한 적외선 센서{INFRARED RAY RECEIVING ELEMENT AND INFRARED RAY SENSOR USING THE SAME}
본 발명은 물체에서 발산된 적외선(이하 "IR"이라 함)을 수신하는 초전형 적외선 수신 소자 및 IR 광선 수신 소자를 이용한 IR 센서에 관한 것이다.
종래 초전형 IR 수신 소자는 열, 온도, 인체 접근 등을 감지하는 센서에 사용된다. 도 36에 종래의 초전형 IR 수신 센서의 구성이 도시되어 있다.
도 36으로부터 알 수 있듯이, 기판(1)의 표면(1A) 및 배면(1B)에 두 쌍의 전극(2A, 2B), (2C, 2D)이 서로 대향하여 형성되어 있다. 기판(1)의 양측은 베이스 부재(3) 위에 형성된 스탠드(3A, 3B)에 도전성 접착제(4A, 4B)로 고정되어 있다.
기판(1)은 PbTiO3나 Pb(Ti+Zr)O3의 자기류, LiTaO3단결정, 또는 PVF2고분자 화합물 등의 강유전성 재료로 만들어진다. 화살표 P는 기판(1)의 재료 중에 초전 계수가 가장 큰 방향을 가리킨다. 하기 설명에서, 화살표 P가 가리키는 방향이 "분극 방향"으로 지칭될 것이다.
전극(2A∼2D)은 NiCr 등의 IR 흡수물질로 만들어진다. 전극(2A∼2D)은 증착, 스퍼터링 또는 스크린 인쇄에 의해 형성된다. 기판(1) 표면(1A)의 전극(2A, 2C)은 각각 IR 감지부의 역할을 한다. 전극(2A∼2D)은 각각 동일한 직사각형 형상을 갖는다. 전극(2A∼2D)은 도면에 도시하지 않은 전선이나 도전 패턴에 의해 외부회로에 접속된다. 두 쌍의 전극(2A, 2B), (2C, 2D)은 각각 콘덴서를 구성한다. 도 37에 종래의 IR 수신 소자의 등가 회로를 도시하고 있다.
IR이 전극(2A, 2C) 표면에 도달하면, IR 에너지는 열 에너지로 변환되고, 전극(2A, 2C) 표면의 온도가 상승한다. 기판(1)의 온도가 변하면, 초전재료의 자발 분극 변화로 인해 기판(1)에 초전하(pyroelectric charge)가 발생하게 된다. 기판(1)에 초전하가 발생하는 것은 도 37에 도시한 등가 회로의 저항(R) 및 전계 효과 트랜지스터(FET)를 통하는 전압 신호의 변화에 의해 감지될 수 있다. 그 결과, IR 수신 소자에 IR이 투사되는 것이 감지될 수 있다.
기판(1)의 주변 온도가 변하면, 기판(1)과 베이스 부재(3)간의 열 계수 차로 인해 도 38에 도시한 것처럼 기판(1)이 뒤틀어질 것이다. 기판(1)의 초전재료 역시 압전 효과를 나타내기 때문에, 기판(1)의 뒤틀림은 원하지 않은 전하의 발생을 일으킨다. 기판(1)의 압전 효과로 인해 국부적으로 하전된 전하가 방전되면, "팝콘 노이즈"라고 불리는 예기치 않은 노이즈 신호로서 방전이 관측될 것이다.
팝콘 노이즈의 발생을 줄이기 위해, 발명자들은 IR 수신부를 일본 특개평 10-2793호 공보에 설명된 캔틸레버(cantilever)형으로 구성하는 것을 제안했다. 구체적으로, U자형 슬릿은 전극(2A∼2D)의 세 변을 둘러싸도록 기판(1)에 형성된다. 이와 같은 구성에 의해, IR 수신부는 실질적으로 캔틸레버 위에 형성되어, 기판(1)이 부분적으로 뒤틀리더라도 IR 수신부에 어떠한 응력도 발생하지 않게 된다. 그 결과, 팝콘 노이즈의 발생이 감소될 수 있다.
그러나, 전술한 U자형 슬릿만으로 팝콘 노이즈의 발생을 완전히 막는 것은 곤란하다. 종래의 기판(1)은 도 4에 도시한 것과 같이, 균일하게 분극된 물질로 형성되어, 어느 부분에서도 분극 방향이 동일하다. 기판(1)과 베이스 부재(3)간의 열 팽창 계수의 차로 인해 캔틸레버형으로 형성된 IR 수신부를 제외하고 기판(1)이 부분적으로 뒤틀리게 되면, 압전 효과로 인해 도전 패턴이 형성되지 않은 뒤틀린 부분에 원하지 않은 전하가 발생하게 된다. 이 원하지 않은 전하는 대개 기판(1) 주변에 흐르는 이온과 결합함으로써 사라진다. 그러나, 원하지 않은 전하는 인접한 도전 패턴, 회로 기판 또는 금속 하우징으로 방전하여, 팝콘 노이즈가 간혹 관측된다.
발명자들은 팝콘 노이즈의 발생 원인을 주의 깊게 실험하고 고찰하여, 기판(1) 재료의 압전 효과는 기판(1)과 접착제(4A, 4B)의 베이스 부재(3)간의 열 팽창 계수의 차로 인한 응력이 기판(1)에 인가될 때나 외부의 기계적 진동이 기판(1)에 인가될 때 원하지 않은 전하를 즉시 방전시키는 트리거로 작용한다는 것을 알아냈다.
본 발명의 목적은 팝콘 노이즈가 거의 발생하지 않는 IR 수신 소자를 제공하고, 이를 이용한 IR 센서를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 적외선 수신 소자는: 초전재료로 만들어져 슬릿에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 캔틸레버부를 가지며, 상기 캔틸레버부의 적어도 일부는 동일한 방향으로 균일하게 분극되고 나머지 부분은 임의로 분극된 부분을 포함하는 기판; 및 상기 캔틸레버부의 표면 및 배면에 각각 제공된 적어도 한 쌍의 전극을 포함한다.
본 발명에 따른 적외선 센서는 적외선 수신 소자, 상기 적외선 수신 소자를 지지하는 베이스 부재, 상기 적외선 수신 소자의 적외선 수신부에 도달하는 적외선을 검출하기 위해 상기 적외선 수신 소자에 접속된 회로 기판, 상기 적외선 수신 소자와 상기 베이스 부재 및 상기 회로 기판을 지지하는 섀시, 및 적외선 투과 창을 구비한 커버를 포함하며, 상기 기판은 초전재료로 만들어져 슬릿에 의해 둘러싸인 적어도 하나의 캔틸레버부를 갖고, 상기 기판의 캔틸레버부의 적어도 일부는 동일한 방향으로 균일하게 분극되고 기판의 나머지 부분은 임의로 분극된 부분을 포함하며; 상기 캔틸레버부의 표면 및 배면에는 적어도 한 쌍의 전극이 각각 제공된다.
전술한 구성에 의해, IR 수신부는 캔틸레버부 위에 형성되어, 상기 IR 수신부는 기판의 주변 온도가 변하더라도 거의 뒤틀리지 않는다. 따라서, 초전재료로 만들어진 기판의 압전 효과로 인한 전하가 IR 수신부에 발생하지 않는다. 더욱이, IR 수신부를 제외한 기판의 대부분은 임의로 분극되어, 기판이 부분적으로 뒤틀릴 때 압전 효과에 의해 기판의 각 미소부분에 발생되는 전하는 임의의 분극 방향에 의해 상쇄될 것이다. 따라서, 원하지 않은 전하는 기판에 거의 하전되지 않고, 기판과 베이스 부재 또는 기판을 지지하는 접착제간의 열 팽창 계수의 차로 인한 응력이 기판에 인가되거나 외부의 기계적 진동이 기판에 인가되더라도 원하지 않은 전하의 방전이 거의 발생하지 않는다. 그 결과, 팝콘 노이즈는 거의 관측되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 있어서 초전형 IR 수신 소자의 기판 표면의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 2는 제1 실시예에 있어서 기판 배면의 구성을 나타내는 배면도이다.
도 3은 제1 실시예에 있어서 기판의 분극 영역을 나타내는 맵이다.
도 4는 단 분극 영역에 있어서 기판의 분극 벡터의 방향을 나타내는 개념도이다.
도 5는 다 분극 영역에 있어서 기판의 분극 벡터의 방향을 나타내는 개념도이다.
도 6은 제1 실시예에 있어서 기판을 분극시키는 방법을 나타내는 단면도이다.
도 7은 제1 실시예에 있어서 초전형 IR 수신 소자의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 8은 기판이 뒤틀어진 경우, 제1 실시예에 있어서 IR 수신 소자의 효과를 나타내는 단면도이다.
도 9는 제1 실시예에 있어서 IR 센서의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 10은 제1 실시예에 있어서 IR 수신 소자의 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
도 11은 본 발명의 제2 실시예에 있어서 초전형 IR 수신 소자의 기판 표면의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 12는 제2 실시예에 있어서 기판 배면의 구성을 나타내는 배면도이다.
도 13은 제2 실시예에 있어서 기판의 분극 영역을 나타내는 맵이다.
도 14는 제2 실시예에 있어서 기판을 분극시키는 방법을 나타내는 단면도이다.
도 15는 제2 실시예에 있어서 IR 센서의 구성을 나타내는 사시도이다.
도 16은 제2 실시예에 있어서 IR 수신 소자의 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
도 17은 본 발명의 제3 실시예에 있어서 초전형 IR 수신 소자의 기판 표면의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 18은 제3 실시예에 있어서 기판 배면의 구성을 나타내는 배면도이다.
도 19는 제3 실시예에 있어서 기판의 분극 영역을 나타내는 맵이다.
도 20은 제3 실시예에 있어서 기판을 분극시키는 방법을 나타내는 단면도이다.
도 21은 본 발명의 제4 실시예에 있어서 초전형 IR 수신 소자의 기판 표면의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 22는 제4 실시예에 있어서 기판 배면의 구성을 나타내는 배면도이다.
도 23은 제4 실시예에 있어서 기판의 분극 영역을 나타내는 맵이다.
도 24는 제4 실시예에 있어서 기판을 분극시키는 방법을 나타내는 단면도이다.
도 25는 제4 실시예에 있어서 IR 수신 소자의 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
도 26은 본 발명의 제5 실시예에 있어서 초전형 IR 수신 소자의 기판 표면의 구성을 나타내는 평면도이다.
도 27은 제5 실시예에 있어서 기판 배면의 구성을 나타내는 배면도이다.
도 28은 제5 실시예에 있어서 기판의 분극 영역을 나타내는 맵이다.
도 29는 제5 실시예에 있어서 기판을 분극시키는 방법을 나타내는 단면도이다.
도 30은 본 발명의 효과를 증명하기 위한 실험에 사용된 샘플에 적용된 열 사이클의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 31은 오실로스코프로 관측된 팝콘 노이즈의 파형을 나타내는 그래프이다.
도 32는 실험에 사용된 샘플의 수율을 나타내는 도표이다.
도 33은 전술한 실시예의 U자형 슬릿의 변형을 나타내는 평면도이다.
도 34는 전술한 실시예의 U자형 슬릿의 다른 변형을 나타내는 평면도이다.
도 35는 전술한 실시예의 U자형 슬릿의 또 다른 변형을 나타내는 평면도이다.
도 36은 종래의 초전형 IR 수신 소자의 구성을 나타내는 단면도이다.
도 37은 종래의 IR 수신 소자의 등가 회로를 나타내는 회로도이다.
도 38은 종래의 IR 수신 소자에 있어서 기판의 뒤틀림 문제를 나타내는 단면도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 기판 11A, 11B : 캔틸레버부
12A, 12B : 슬릿 13A∼13D : 전극
14A, 14B : 단자 15A, 15B : 도전성 평판 케이블
20 : DC 전원 21 : 히터
30 : 베이스 부재 31A, 31B : 스탠드
32A, 32B : 도전성 접착제 100 : 적외선 센서
101 : 적외선 수신 소자 102 : 회로 블록
103 : 섀시 104A∼104C : 핀
105 : 커버 106 : 적외선 투과 창
107 : IC 칩 108 : 안정기
제1 실시예
본 발명의 제1 실시예를 설명한다. 도 1은 제1 실시예에 따른 초전형 IR 수신 소자의 기판의 평면도를 나타낸다. 도 2는 상기 기판의 배면도를 나타낸다.
도 1과 도 2로부터 알 수 있듯이, 두 개의 직사각형 부분(11A, 11B)이 캔틸레버형으로 기판(10)에 의해 지지되는 식으로 두 개의 U자형 슬릿(12A, 12B)이 기판(10)에 대칭적으로 형성된다. 이하, 상기 직사각형 부분(11A, 11B)은 "캔틸레버부"로 지칭한다. U자형 슬릿(12A, 12B)은 각각 한 쌍의 사이드 슬릿 및 이 사이드슬릿을 연결하는 베이스 슬릿을 갖고 있다. 기판(10)의 표면(10A) 및 배면(10B)에는 캔틸레버부(11A)의 거의 중앙에 한 쌍의 직사각형 전극(13A, 13B)이 제공된다. 유사하게, 기판(10)의 표면(10A) 및 배면(10B)에는 캔틸레버부(11B)의 거의 중앙에 한 쌍의 직사각형 전극(13C, 13D)이 제공된다. 전극(13A∼13D)은 거의 같은 크기를 갖는다. 전극(13A, 13C)은 IR 수신부의 역할을 한다. 기판(10)을 사이에 두고 전극(13A)은 전극(13B)과 대향하고 전극(13C)은 전극(13D)과 대향한다. U자형 슬릿(12A, 12B)은 IR 수신부가 캔틸레버형으로 기판(10)에 의해 지지되는 식으로 전극(13A∼13B)의 세 변을 둘러싼다. 전극(13A∼13D)은 증착, 스퍼터링 또는 스크린 인쇄에 의해 형성된다.
외부 회로에 접속되는 한 쌍의 단자(14A, 14B)가 기판(10) 표면(10A)의 양단 부근에 제공된다. 전극(13A)은 도전성의 평탄한 케이블(도전 패턴)(15A)에 의해 단자(14A)에 접속되고, 전극(13C)은 도전성의 평탄한 케이블(15B)에 의해 단자(14B)에 접속된다. 전극(13B, 13D)은 도전성의 평탄한 케이블(15C)에 의해 접속된다. 도 10에 두 개의 콘덴서가 직렬 연결된, 제1 실시예에 있어서의 IR 수신 소자의 등가 회로를 도시하고 있다.
도 3은 기판(10)의 분극 맵을 나타낸다. IR 수신부의 역할을 하는 전극(13A, 13C)에 대응하는 두 개의 빗금 친 영역(10C)은 도 4에 도시한 바와 같이 균일하게 분극되고, "균일하게 분극된 단일 영역"으로 불린다. 빗금 치지 않은 나머지 부분(10D)은 도 5에 도시한 바와 같이 각각 임의로 분극되거나 분극되지 않은 미소 영역의 혼합이고, "다중 영역"으로 불린다.
도 6을 참조하여 도 3에 도시한 바와 같이 기판(10)을 분극시키는 방법을 설명한다. 도 6에서, 기판(10)은 도 1과 도 2의 A-A선에 의한 단면이 도시된다. 단자(14A)와 전극(13B) 사이, 그리고 단자(14B)와 전극(13D) 사이에는 초전재료를 분극시키기에 충분한 소정의 전압을 갖는 DC 전원(20)이 접속된다. 필요하다면, 기판(10)을 가열하는데 히터(21)가 사용된다.
기판(10)은 PbTiO3나 Pb(Ti+Zr)O3의 자기류, LiTaO3단결정, 또는 PVF2고분자 화합물 등의 강유전성 재료로 만들어진다. 기판(10)의 두께는, 예컨대 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛의 범위가 된다. 기판(10)은 미리 임의로 분극되도록 처리되었다. 기판(10)이 퀴리점 이상의 온도로 가열되면, 기판(10)의 재료는 강유전상에서 상유전상으로 전도되어, 기판(10)의 극성이 무작위가 된다. 대안으로, 결정 성장이나 소성 직후 임의로 분극된 초전 기판을 그대로 사용할 수 있다.
전술한 구성에 의해, DC 전원(20)의 전압이 인가되면, 전극(13A, 13B) 사이와 전극(13C, 13D) 사이에만 전계가 발생하게 되어, 기판(10)에서 IR 수신부에 대응하는 부분이 균일하게 분극된다. 분극화를 위한 조건은 대개 초전 기판(10)의 재료에 달려있다. 발명자들은 150 ∼ 250℃의 온도 하에서, 예컨대 기판(10)의 재료로서 통상 이용 가능한 단결정 리튬탄탈레이트가 사용되는 경우, 107V/m 이상의 매우 큰 전계를 인가할 필요가 있다는 것을 실험을 통해 알아냈다.
기판(10)의 두께는 약 수십 ㎛ 내지 수백 ㎛로 매우 얇기 때문에, 공기 중에 기판(10)의 표면(1A) 및 배면(10B) 사이에 고전압이 인가되는 경우 기판(10)에 유전 파괴가 발생하기 쉽다. 따라서, 진공, 또는 N2, CO2, SF6등의 전기 절연 가스 내에서 기판(10)의 분극화를 처리하는 것이 바람직하다.
도 7은 전술한 기판(10)을 이용한 초전형 IR 수신 소자의 구성을 나타낸다. 도 7로부터 알 수 있듯이, 도전성 접착제(32A, 32B)에 의해 기판(10)의 양측이, 베이스 부재(30) 위에 형성된 스탠드(31A, 31B)에 고정된다. 단자(14A, 14B)는 도전성 접착제(32A, 32B)에 의해 외부 회로에 각각 접촉된다. 초전형 IR 수신 소자의 등가 회로 구성은 도 37에 도시한 것과 거의 같기 때문에, 등가 회로의 설명은 생략한다.
기판(10)의 주변 온도가 변하여 기판(10)과 베이스 부재(30)간의 열 계수 차로 인해 도 8에 도시한 것과 같이 기판(10)이 뒤틀리는 경우에도, 캔틸레버부(11A, 11B)는 캔틸레버형으로 각각 지지되기 때문에, 캔틸레버부(11A, 1B)는 뒤틀리지 않을 수 있다. 기판(10)의 압전 효과로 인해 캔틸레버부(11A, 11B)에는 전하가 국부적으로 하전되지 않는다. 더욱이, 기판(10)에서 영역(10C)을 제외한 영역(10D)은 도 5에 도시한 것과 같이 무작위로 분극된 다수의 미소 부분으로 구성되어 있으므로, 기판(10)이 뒤틀릴 때 기판(10)의 압전 효과로 인한 전하가 무작위 분극에 의해 상쇄될 수 있다. 따라서, 제1 실시예에 따르면 초전형 IR 수신 소자에 팝콘 노이즈가 거의 발생하지 않는다.
도 9는 제1 실시예에 있어서 전술한 초전형 IR 수신 소자를 이용한 IR 센서의 구성을 나타낸다. IR 센서(100)는 IR 수신 소자(101), IR 수신 소자가 장착되는 3차원 회로 블록(102), 세 개의 핀(104A∼104C)이 돌출된 섀시(103), 및 IR 투과창(106)을 구비한 커버(105)를 포함한다. 상기 회로 블록(102)의 윗 단부(end)는 스탠드(31A, 31B)를 구비한 IR 수신 소자의 베이스 부재(30) 역할을 한다. IC 칩(107)은 회로 블록(102) 앞벽의 IC 칩 홀더에 고정된다. 섀시(103)에 회로 블록(102)을 고정시키는 앞벽의 아래 단부에는 한 쌍의 안정기(108)가 형성된다.
IR이 창(106)을 통해 IR 수신 소자(101)에 도달하면, IR 에너지는 열 에너지로 변환되고, 전극(113A, 113C)의 온도가 상승하게 된다. 기판(10)의 온도가 변하면, 초전재료의 자발 분극 변화로 인해 기판(10)에 초전하가 발생하게 된다. 기판(10)에 초전하가 발생하는 것은, 예컨대 도 37에 도시한 등가 회로의 저항(R) 및 전계 효과 트랜지스터(FET)를 통하는 전압 신호의 변화에 의해 감지될 수 있다. 그 결과, IR 수신 소자에 IR이 투사되는 것이 감지될 수 있다.
제2 실시예
본 발명의 제2 실시예를 설명한다. 전술한 제1 실시예에서, IR 수신 센서는 두 개의 IR 수신부를 가지며, 이것은 보통 "이중형 IR 수신 소자"로 지칭된다. 제2 실시예의 IR 수신 센서는 4개의 수신부를 가지며, 이것은 보통 "4중형 IR 수신 소자"로 지칭된다. 제1 실시예와 제2 실시예간의 차이를 주로 설명하고, 공통 항목은 생략한다.
도 11은 제2 실시예에 따른 초전형 IR 수신 소자의 기판의 평면도를 나타낸다. 도 12는 상기 기판의 배면도를 나타낸다. 도 11과 도 12로부터 알 수 있듯이, 4개의 캔틸레버부(111A∼111D)가 기판(110)에 형성되는 식으로 4개의 U자형슬릿(112A∼112D)이 기판(110)에 형성된다. 각각의 U자형 슬릿(112A∼112D)은 U자형 슬릿(12A 또는 12B)과 거의 동일하다. 기판(110)의 표면(110A) 및 배면(110B)에는 캔틸레버부(111A∼111D)의 거의 중앙에 4쌍의 직사각형 전극(113A, 13B), (113C, 113D), (113E, 113F), (113G, 113H)이 각각 제공된다. 전극(113A, 113C, 113E, 113G)은 IR 수신부의 역할을 한다.
외부 회로에 접속되는 한 쌍의 단자(114A, 114B)가 기판(110) 표면(110A)의 양단 부근에 제공된다. 전극(113A, 113C)은 도전성의 평탄한 케이블(115A)에 의해 단자(114A)에 접속되고, 전극(113E, 113G)은 도전성의 평탄한 케이블(115B)에 의해 단자(114B)에 접속된다. 유사하게, 외부 회로에 접속되는 한 쌍의 단자(114C, 114D)가 기판(110) 배면(110B)의 양단 부근에 제공된다. 전극(113B, 113D)은 도전성의 평탄한 케이블(115C)에 의해 단자(114D)에 접속되고, 전극(113F, 113H)은 도전성의 평탄한 케이블(115C)에 의해 단자(114C)에 접속된다. 두 쌍의 단자(114A, 114C), (114B, 114D)는 도전성 접착제 등의 처리 직후 단락된다. 도 16에 콘덴서 4개의 병렬 회로인, 제2 실시예에 있어서의 IR 수신 소자의 등가 회로를 도시하고 있다.
도 13은 기판(110)의 분극 맵을 나타낸다. IR 수신부의 역할을 하는 전극(113A, 113C, 113E, 113G)에 대응하는 4개의 빗금 친 영역(110C)은 도 4에 도시한 바와 같이 균일하게 분극된다. 빗금 치지 않은 나머지 부분(110D)은 도 5에 도시한 바와 같이 각각 임의로 분극된 미소 영역의 혼합이다.
도 14에 도시한 제2 실시예에 있어서 기판(110)을 분극시키는 방법은 본질적으로 제1 실시예에서와 동일하다. 그러나, 전극(113E, 113G)은 단자(114B)에 접속되고, 전극(113F, 113H)은 단자(114C)에 접속되어, 단자(114B)와 단자(114C) 사이에 DC 전원(20)이 접속된다. 도 14에 도시하지 않은 전극(113A∼113D)에 대해서도 거의 같은 방법이 적용될 수 있다.
도 15에 제2 실시예에서의 IR 센서를 도시하고 있다. 제2 실시예에서의 IR 센서의 대부분의 항목은 IR 수신부의 개수를 제외하고 제1 실시예에서와 동일하다(도 9 참조). IR 센서의 세부 설명은 생략한다.
제3 실시예
본 발명의 제3 실시예를 설명한다. 제3 실시예는 제1 실시예의 변형인 이중형 IR 수신 소자에 관련된다. 제1 실시예와 제3 실시예간의 차이를 주로 설명하고, 공통 항목은 생략한다.
도 17은 제3 실시예에 따른 초전형 IR 수신 소자의 기판의 평면도를 나타낸다. 도 18은 상기 기판의 배면도를 나타낸다. 도 17은 도 1과 동일하다. 그러나, 도 18은 기판(10)의 배면(10B)에 제공된 두 개의 단자(14C, 14D)를 더 나타내고 있다. 이 단자(14C, 14D)는 각각 도전성의 평탄한 케이블(15A, 15B)에 면하는 돌출된 부분을 갖고 있다. 제3 실시예에 있어서 IR 수신 소자의 등가 회로는 도 10에 도시한 제1 실시예에서와 거의 동일하다.
도 19는 기판(10)의 분극 맵을 나타낸다. IR 수신부의 역할을 하는 전극(13A, 13C)에 각각 대응하는 빗금 친 영역(10C, 10E, 10F), 단자(14A 또는14C), (14B 또는 14D), 및 케이블(15A, 15B)은 도 4에 도시한 바와 같이 균일하게 분극된다. 빗금 치지 않은 나머지 부분(10D)은 도 5에 도시한 바와 같이 각각 임의로 분극된 미소 영역의 혼합이다.
도 20을 참조하여 도 19에 도시한 바와 같이 기판(10)을 분극시키는 방법을 설명한다. 도 20에서, 기판(10)은 도 17과 도 18의 A-A선에 의한 단면이 도시된다. 히터(21)를 포함하는 제거 가능한 평판 전극(22)이 전극(13B, 13D)의 표면과 단자(14C, 14D)의 표면에 단단하게 접촉되어 있다. 단자(14A, 14D)와 평판 전극(22) 사이에는 초전재료를 분극시키기에 충분한 소정의 전압을 갖는 DC 전원(20)이 접지를 통해 접속된다. 필요하다면, 기판(10)을 가열하는데 히터(21)가 사용된다.
전술한 구성에 의해, DC 전원(20)의 전압이 인가되면, 표면(10A)의 도전 패턴(즉, 전극(13A, 13B), 단자(14A, 14B) 및 평판 케이블(15A, 15B))과 평판 전극(22) 사이에 전계가 발생하게 된다. 기판(10)에서 균일하게 분극된 부분은 IR 수신부보다 넓게 확장된다. 그러나, 쌍을 이루는 단자들(14A, 14C), (14B, 14D)은, 예컨대 도전성 접착제에 의해 각각 단락된다. 따라서, 환경의 변화로 인해 균일하게 분극된 부분에 팝콘 노이즈를 발생시키게 될 전하가 발생하게 되더라도, 전하는 상기의 단락된 영역에서 다른 이온 등과 빠르게 결합하여, 원하지 않은 전하에 의해 발생되는 전기 신호가 관측될 수 없다.
제4 실시예
본 발명의 제4 실시예를 설명한다. 우선, 도 25에 제4 실시예에 있어서 IR 수신 소자의 등가 회로를 도시하고 있다. 도 25와 도 10을 비교하면, 제1 실시예에서의 콘덴서 2개의 직렬 회로 대신, 제4 실시예의 등가 회로는 콘덴서 2개의 병렬 회로이다. 제1 실시예와 제4 실시예간의 차이를 주로 설명하고 공통 항목은 생략한다.
도 21은 제4 실시예에 따른 초전형 IR 수신 소자의 기판의 평면도를 나타낸다. 도 22는 상기 기판의 배면도를 나타낸다. 도 21로부터 알 수 있듯이, 기판(210) 표면(210A)의 왼쪽 끝에 위치한 단자(214A)는 도전성의 평탄한 케이블(215A)에 의해 오른쪽에 위치한 전극(213C)에 접속되고, 기판(210) 표면(210A)의 오른쪽 끝에 위치한 단자(214B)는 도전성의 평탄한 케이블(215B)에 의해 왼쪽에 위치한 전극(213A)에 접속된다. 도 22로부터 알 수 있듯이, 기판(210) 배면(210B)의 왼쪽 끝에 위치한 단자(214C)는 도전성의 평탄한 케이블(215C)에 의해 왼쪽에 위치한 전극(213B)에 접속되고, 기판(210) 배면(210B)의 오른쪽 끝에 위치한 단자(214D)는 도전성의 평탄한 케이블(215D)에 의해 오른쪽에 위치한 전극(213D)에 접속된다. 이러한 구성에 의해, 두 쌍의 전극(214A, 214B), (214C, 214D)간에 형성되는 두 개의 콘덴서가 병렬로 접속된다. U자형 슬릿(212A, 212B)은 제1 실시예의 U자형 슬릿(12A, 12B)과 거의 같다.
도 23은 기판(210)의 분극 맵을 나타낸다. IR 수신부의 역할을 하는 전극(213A, 213C)에 각각 대응하는 빗금 친 영역(210C, 210E, 210F), 단자(214A 또는 214C), (214B 또는 214D), 및 케이블(215C, 215D)은 도 4에 도시한 바와 같이균일하게 분극된다. 빗금 치지 않은 나머지 부분(210D)은 도 5에 도시한 바와 같이 각각 임의로 분극된 미소 영역의 혼합이다.
도 24를 참조하여 도 23에 도시한 바와 같이 기판(210)을 분극시키는 방법을 설명한다. 도 24에서, 기판(10)은 도 21과 도 22의 C-C선에 의한 단면이 도시된다. 히터(21)를 포함하는 제거 가능한 평판 전극(22)이 전극(213A, 213C)의 표면과 단자(214A, 214B)의 표면에 단단하게 접촉되어 있다. 전극(213B, 213D) 또는 단자(214C, 214D)와 평판 전극(22) 사이에는 초전재료를 분극시키기에 충분한 소정의 전압을 갖는 DC 전원(20)이 접지를 통해 접속된다. 필요하다면, 기판(210)을 가열하는데 히터(21)가 사용된다.
전술한 구성에 의해, DC 전원(20)의 전압이 인가되면, 평판 전극(22)과 배면(213B)의 도전 패턴(즉, 전극(213B, 213D), 단자(214C, 214D) 및 평판 케이블(215C, 215D)) 사이에 전계가 발생하게 된다. 기판(210)에서 균일하게 분극된 부분은 IR 수신부보다 넓게 확장된다. 그러나, 쌍을 이루는 단자들(214A, 214C), (214B, 214D)은, 예컨대 도전성 접착제에 의해 각각 단락된다. 따라서, 환경의 변화로 인해 균일하게 분극된 부분에 팝콘 노이즈를 발생시키게 될 전하가 발생하게 되더라도, 전하는 상기의 단락된 영역에서 다른 이온 등과 빠르게 결합하여, 원하지 않은 전하에 의해 발생되는 전기 신호가 관측될 수 없다.
제5 실시예
본 발명의 제5 실시예를 설명한다. 제5 실시에는 전술한 제2 실시예의 변형이다. 제5 실시예에서 IR 수신 소자의 등가 회로는 도 16에 도시한 제2 실시예에서와 동일하다. 제2 실시예와 제5 실시예간의 차이를 주로 설명하고, 공통 항목은 생략한다.
도 26은 제5 실시예에 따른 초전형 IR 수신 소자의 기판의 평면도를 나타낸다. 도 27은 상기 기판의 배면도를 나타낸다. 도 26과 도 27로부터 알 수 있듯이, 기판의 표면(110A)과 배면(110B)의 도전 패턴은 거의 동일하다.
기판(110) 표면(110A)의 왼쪽 끝에 위치한 단자(114A)는 도전성의 평탄한 케이블(115A)에 의해 전극(113A, 113G)에 접속된다. 기판(110) 표면(110A)의 오른쪽 끝에 위치한 단자(114B)는 도전성의 평탄한 케이블(115B)에 의해 전극(113C, 113E)에 접속된다. 기판(110) 배면(110B)의 왼쪽 끝에 위치한 단자(114C)는 도전성의 평탄한 케이블(115C)에 의해 전극(113D, 113F)에 접속된다. 기판(110) 배면(110B)의 오른쪽 끝에 위치한 단자(114D)는 도전성의 평탄한 케이블(115D)에 의해 전극(113B, 113H)에 접속된다.
도 28은 기판(110)의 분극 맵을 나타낸다. IR 수신부의 역할을 하는 전극(113A, 113C, 113E, 113G)에 대응하는 4개의 빗금 친 영역(110C), 단자(114A 또는 114C), (114B 또는 114D)에 대응하는 2개의 빗금 친 영역(110E), 케이블(115A, 115C)의 오버랩 된 부분에 대응하는 빗금 친 영역(110F), 및 케이블(115B, 115D)의 오버랩 된 부분에 대응하는 빗금 친 영역(110G)은 도 4에 도시한 바와 같이 균일하게 분극된다. 빗금 치지 않은 나머지 부분(110D)은 도 5에 도시한 바와 같이 각각 임의로 분극된 미소 영역의 혼합이다.
도 29에 제5 실시예에 있어서 기판(110)을 분극시키는 방법을 도시하고 있다. 도 29에서, 기판(110)은 도 26과 도 27의 D-D선에 의한 단면이 도시된다. 단자(114A, 114C) 사이와, 단자(114B, 114D) 사이에는 DC 전원(20)이 접속된다. 필요하다면, 기판(110)을 가열하는데 히터(21)가 사용된다.
전술한 구성에 의해, DC 전원(20)의 전압이 인가되면, 전극(113A, 113B) 사이, 전극(113C, 113D) 사이, 전극(113E, 113F) 사이, 전극(113G, 113H) 사이, 단자(114A, 114C) 사이, 단자(114B, 114D) 사이, 평판 케이블(115A, 115C)의 오버랩 된 부분 사이, 및 평판 케이블(115B, 115D)의 오버랩 된 부분 사이에 전계가 발생하게 된다. 기판(110)에서 균일하게 분극된 부분은 IR 수신부보다 넓게 확장된다. 그러나, 쌍을 이루는 단자들(114A, 114C), (114B, 114D)은, 예컨대 도전성 접착제에 의해 각각 단락된다. 따라서, 환경의 변화로 인해 균일하게 분극된 부분에 팝콘 노이즈를 발생시킬 전하가 발생하게 되더라도, 전하는 상기의 단락된 영역에서 다른 이온 등과 빠르게 결합하여, 원하지 않은 전하에 의해 발생되는 전기 신호가 관측될 수 없다.
실험 결과
발명자들은 본 발명의 효과를 증명하기 위한 실험을 행하였다. 도 30은 실험에 사용된 샘플에 적용된 열 사이클을 나타낸다. 도 30에서 온도 변화는 1.0℃/min과 같았고, 시간(T1, T2, T4)은 각각 30분, 시간(T2)은 0분이었다. 도 31은 오실로스코프에 의해 관측된 팝콘 노이즈의 파형을 나타낸다. 도 32는 샘플의 수율을 나타낸다. 도 32에 대하여, 팝콘 노이즈가 하나 이상 관측된 샘플은 결함이 있는 것으로 판정되었다.
샘플 1은 초전 기판 전체가 균일하게 분극된, U자형 슬릿이 없는 종래의 4중형 IR 수신 소자의 소정의 개수에 대응한다. 샘플 2는 초전 기판 전체가 균일하게 분극된, U자형 슬릿을 구비한 종래의 4중형 IR 수신 소자의 소정의 개수에 대응한다. 샘플 3은 기판에서 IR 수신부에 대응하는 부분은 균일하게 분극되고, 나머지 부분은 임의로 분극된, 종래의 U자형 슬릿이 없는 4중형 IR 수신 소자의 소정의 개수에 대응한다. 샘플 4는, 예컨대 도 26에 도시한 제5 실시예에 따른 4중형 IR 수신 소자의 소정의 개수에 대응한다. 샘플 4에서 U자형 슬릿은 IR 수신부를 둘러싸도록 형성된다. 도 28에 도시한 기판에서 IR 수신부와 단자 및 평판 케이블의 오버랩 된 부분에 대응하는 부분은 균일하게 분극된다. 단자 및 평판 케이블의 오버랩 된 부분은 표면과 배면 사이가 단락된다. 나머지 부분은 임의로 분극된다. 크기, 도전 패턴, 및 장착 구조 등 샘플의 그 밖의 조건은 동일했다. 이러한 샘플들은 챔버내에 밀폐되고 챔버내의 온도는 도 30에 도시한 것과 같이 변하도록 제어되었다.
도 32로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 특징적인 구성을 갖는 샘플 4의 수율은 현저하게 증대되었다. U자형 슬릿의 결합 및 초전 기판의 분극 패턴은 초전형 IR 수신 소자에 있어서 팝콘 노이즈의 발생을 줄이는데 효과적이라는 것이 밝혀졌다. 특히, 기판의 재료가 LiTaO3단결정의 웨이퍼와 같이 낮은 도전성을 갖는 경우에 본 발명을 적용하는 것이 효과적이다. 기판 재료의 도전성이 낮아지면, 기판에 원하지 않은 전하가 더 쉽게 하전되는 것으로 생각된다.
그 밖의 변형
전술한 실시예에 있어서, U자형 슬릿의 단부는 상세히 설명하지 않았다. U자형 슬릿(112A ‥ (12A ‥))의 단부(112X)는 도 33에 도시한 바와 같이 응력 집중을 줄이기 위해 둥글게 형성될 수 있다. 더욱이, 도 34에 도시한 바와 같이 U자형 슬릿(112A ‥ (12A ‥))의 양 단부(112Y)를 슬릿의 안쪽을 향해 구부릴 수 있다. 대안으로, 도 35에 도시한 바와 같이 U자형 슬릿(112A ‥ (12A ‥))의 양 단부에 슬릿 폭보다 직경이 더 큰 원형 홀(112Z)을 형성할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 기판(110(10))이 장착되는 베이스 부재와 기판(110(10))간의 열 계수 차로 인해 기판(110(10))이 뒤틀린 경우 캔틸레버부(111A ‥ (11A ‥))의 단부에 인가되는 응력이 U자형 슬릿(112A ‥ (12A ‥))의 원형 단부(112X), 굽은 단부(112Y) 또는 원형 홀(112Z)에 의해 효과적으로 흡수될 수 있다.
또한, 전술한 실시예에 있어서, 기판의 분극화는 전극(13A ‥ 또는 113A ‥) 및 단자(14A ‥ 또는 114A ‥)를 포함하는 도전 패턴을 형성한 뒤 각 기판(10 또는 110)에 처리된다. 그러나, 단결정 초전재료의 동일한 웨이퍼에 형성된 도전 패턴으로 다수의 기판의 분극화를 처리할 수 있다. 각 기판(10 또는 110)은 다이싱 방법 등에 의해 웨이퍼에서 잘라진다.
더욱이, 도 33 ∼도 35에서 교차 해칭한 영역으로 나타낸 U자형 슬릿(12A ‥ 또는 112A ‥)의 양 단부를 포함하는 캔틸레버부(11A ‥ 또는 111A ‥)의 적어도 캔틸레버 단부 주변은 임의로 분극될 수 있다. 이러한 구성에 의해, 팝콘 노이즈의 발생을 줄일 수 있다.
전술한 실시예에 있어서, 적외선 센서는 온도 센서, 열 센서, 또는 인체 센서인 것이 바람직하다.
본 발명은 첨부한 도면을 참조하여 실시예로 충분히 설명하였지만, 이 기술에 숙련된 자에게는 각종 변경 및 변형이 명백할 수 있다. 따라서, 이와 같은 변경 및 변형이 본 발명의 범위를 벗어나지 않는다면, 그것이 본 발명에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
본 출원은 1999년 일본에서 출원된 일본 출원 11-360043호를 기초로 하고 있으며, 그 내용이 여기에 참고로서 포함된다.
상기한 바와 같이 본 발명에 의하면, 기판과 베이스 부재 또는 기판을 지지하는 접착제간의 열 팽창 계수 차로 인한 응력이나 외부의 기계적 진동이 기판에 인가되더라도 원하지 않은 전하의 방전이 거의 발생하지 않기 때문에, 팝콘 노이즈의 발생을 줄일 수 있다.

Claims (18)

  1. 적외선 수신 소자에 있어서,
    초전재료로 만들어져 슬릿에 의해 둘러싸인 하나 이상의 캔틸레버부를 가지며, 상기 캔틸레버부의 적어도 일부는 동일한 방향으로 균일하게 분극되고 나머지 부분은 임의로 분극된 부분을 포함하는 기판; 및
    상기 캔틸레버부의 표면 및 배면에 각각 제공된 한 쌍 이상의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 수신 소자.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 나머지 부분 전체는 임의로 분극되는 것을 특징으로 하는 적외선 수신 소자.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 기판의 표면 및 배면에는 상기 전극에 접속되는 도전 패턴이 더 제공되고, 상기 기판에서 상기 도전 패턴 사이의 부분은 같은 방향으로 균일하게 분극되며, 상기 기판에 의해 서로 대향하는 각각의 두 도전 패턴은 외부적으로 단락되는 것을 특징으로 하는 적외선 수신 소자.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿의 양 단부를 포함하는 상기 캔틸레버부의 적어도 캔틸레버 단부 주변은 임의로 분극되는 것을 특징으로 하는 적외선 수신 소자.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기판 전체는 전극들을 형성하기 전에 임의로 분극되고, 상기 기판에서 상기 전극들 사이의 부분은 전극들 간에 소정의 전압을 인가하는 것에 의해 균일하게 분극되는 것을 특징으로 하는 적외선 수신 소자.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 기판 전체는 전극을 형성하기 전에 임의로 분극되고, 상기 기판에서 상기 전극 사이 및 상기 도전 패턴 사이의 부분은 도전 패턴 사이에 소정의 전압을 인가하는 것에 의해 균일하게 분극되는 것을 특징으로 하는 적외선 수신 소자.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿의 양 단부는 상기 캔틸레버부의 안쪽을 향해 구부러진 것을 특징으로 하는 적외선 수신 소자.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿의 양 단부에 원형 홀이 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 수신 소자.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿은 직사각형 캔틸레버부의 세 변을 둘러싸는 U자형 슬릿인 것을 특징으로 하는 적외선 수신 소자.
  10. 제3항에 있어서,
    다수의 적외선 수신부를 형성하기 위해 다수의 캔틸레버부가 제공되고, 상기 도전 패턴은 둘 이상의 적외선 수신부를 직렬로 접속하기 위해 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 수신 소자.
  11. 제3항에 있어서,
    다수의 적외선 수신부를 형성하기 위해 다수의 캔틸레버부가 제공되고, 상기 도전 패턴은 둘 이상의 적외선 수신부를 병렬로 접속하기 위해 형성된 것을 특징으로 하는 적외선 수신 소자.
  12. 제3항에 있어서,
    다수의 적외선 수신부를 형성하기 위해 다수의 캔틸레버부가 대칭적으로 제공되는 것을 특징으로 하는 적외선 수신 소자.
  13. 적외선 수신 소자, 상기 적외선 수신 소자를 지지하는 베이스 부재, 상기 적외선 수신 소자의 적외선 수신부에 도달하는 적외선을 검출하기 위해 상기 적외선 수신 소자에 접속된 회로 기판, 상기 적외선 수신 소자와 상기 베이스 부재 및 상기 회로 기판을 지지하는 섀시, 및 적외선 투과 창을 구비한 커버를 포함하는 적외선 센서로서,
    상기 적외선 수신 소자는,
    초전재료로 만들어져 슬릿에 의해 둘러싸인 하나 이상의 캔틸레버부를 가지며, 상기 캔틸레버부의 적어도 일부는 동일한 방향으로 균일하게 분극되고 나머지 부분은 임의로 분극된 부분을 포함하는 기판; 및
    상기 캔틸레버부의 표면 및 배면에 각각 제공된 한 쌍 이상의 전극을 포함하는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 기판의 나머지 부분 전체는 임의로 분극되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 기판의 표면 및 배면에는 상기 전극에 접속된 도전 패턴이 더 제공되고, 상기 기판에서 상기 도전 패턴 사이의 부분은 같은 방향으로 균일하게 분극되며, 상기 기판에 의해 서로 대향하는 각각의 두 도전 패턴은 외부적으로 단락되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 슬릿의 양 단부를 포함하는 상기 캔틸레버부의 적어도 캔틸레버 단부 주변은 임의로 분극되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  17. 제13항에 있어서,
    상기 기판 전체는 전극을 형성하기 전에 임의로 분극되고, 상기 기판에서 상기 전극 사이의 부분은 전극 사이에 소정의 전압을 인가하는 것에 의해 균일하게 분극되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 기판 전체는 전극을 형성하기 전에 임의로 분극되고, 상기 기판에서 상기 전극과 상기 도전 패턴 사이의 부분은 상기 도전 패턴 사이에 소정의 전압을 인가하는 것에 의해 균일하게 분극되는 것을 특징으로 하는 적외선 센서.
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