KR20170024456A - 적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서 - Google Patents

적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서 Download PDF

Info

Publication number
KR20170024456A
KR20170024456A KR1020150119753A KR20150119753A KR20170024456A KR 20170024456 A KR20170024456 A KR 20170024456A KR 1020150119753 A KR1020150119753 A KR 1020150119753A KR 20150119753 A KR20150119753 A KR 20150119753A KR 20170024456 A KR20170024456 A KR 20170024456A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
absorber
thermocouple
thermocouples
infrared
present
Prior art date
Application number
KR1020150119753A
Other languages
English (en)
Inventor
이성호
유상용
정재연
김영일
Original Assignee
삼성전기주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 삼성전기주식회사 filed Critical 삼성전기주식회사
Priority to KR1020150119753A priority Critical patent/KR20170024456A/ko
Priority to US15/073,866 priority patent/US20170059414A1/en
Publication of KR20170024456A publication Critical patent/KR20170024456A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/08—Optical arrangements
    • G01J5/0853—Optical arrangements having infrared absorbers other than the usual absorber layers deposited on infrared detectors like bolometers, wherein the heat propagation between the absorber and the detecting element occurs within a solid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G01J5/061—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity by controlling the temperature of the apparatus or parts thereof, e.g. using cooling means or thermostats
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/02—Constructional details
    • G01J5/06—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity
    • G01J5/061—Arrangements for eliminating effects of disturbing radiation; Arrangements for compensating changes in sensitivity by controlling the temperature of the apparatus or parts thereof, e.g. using cooling means or thermostats
    • G01J2005/062—Peltier
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/12—Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01J2005/123—Thermoelectric array

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기는 열 에너지를 전달받아 기전력을 발생시키는 복수의 열전쌍 및 적외선이 조사되는 상기 열전쌍의 일면에 구비되며, 적외선을 흡수하는 흡수체를 포함하며, 복수의 상기 열전쌍은 방사상으로 구비되며, 상기 흡수체는 열접점인 상기 열전쌍의 일단부에 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 센서는 상기 적외선 검출기 및 상기 적외선 검출기가 결합되는 기판을 포함할 수 있다.

Description

적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서{Infrared detector and infrared thermal sensor having thereof}
본 발명은 서모파일(thermopile) 방식의 적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서에 관한 것이다.
온도를 측정하기 위한 센서는 접촉형 온도센서와 비접촉형 온도센서로 크게 나뉘어진다. 접촉형 온도센서는 측정 대상물과 센서의 열적 평형이 이루어진 상태에서 온도가 측정되는 반면, 비접촉 온도센서는 측정 대상물에 직접 접촉하지 않고 대상물로부터 나오는 빛 또는 열을 감지하여 온도와 빛, 열 에너지와의 일정한 관계를 이용하여 온도를 측정한다.
따라서 비접촉형 온도센서는 움직이는 측정 대상 및 검출하고자 하는 대상이 보이기만 하면 접촉하지 않고 온도를 쉽게 측정할 수 있는 장점이 있다.
현재까지는 접촉식 온도센서들이 많이 사용되었으나, 제품의 소형화, 움직이는 물체에 대한 온도 모니터링, 고온측정의 요구가 점진적으로 증가 추세이므로 향후에는 비접촉 온도센서에 필요성이 증대될 것으로 예상된다.
이러한 비접촉식 온도센서들 중에서, 기존의 서모파일(thermopile) 방식의 구조는 사각형 구조이다. 이러한 상기 서모파일은 기판 위에 배치되며, 상기 서모파일은 상기 기판의 각 부분의 공간을 메우기 위해 길이가 짧은 사각형으로 제시되었다.
그리고, 상기 서모파일은 적외선을 최대한 흡수하기 위해서, 상기 서모파일의 일면에 적외선을 흡수할 수 있는 흡수체를 전체적으로 형성하였었다.
그런데, 상기 흡수체를 상기 서모파일 상에 전체로써 형성하면, 열을 담을 수 있는 질량(mass)이 증가하여 응답속도가 느린 문제가 있었다.
또한, 기존의 서모파일 방식은 직렬로 연결된 복수의 열전대(thermocouple)에서의 열전 효과(thermoelectric effect)를 이용하여 온도를 감지하게 되므로, 집적된 열전대의 수가 증가할수록 온도센서의 감도를 증가시킬 수 있게 된다.
이와 같이, 상기 열전대를 기존의 집적 방식으로 배치하게 되면, 흡수체의 면적이 증가하여 전술한 바와 같이 흡수체의 질량 증가로 인한 응답속도 저하의 문제가 더 커지게 된다.
따라서, 이러한 문제를 해결하기 위한 적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서에 대한 연구가 필요하게 되었다.
KR 2014-0090909 A
본 발명의 목적은 감도를 향상시키는 것은 물론, 응답속도도 높일 수 있는 적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기는 열 에너지를 전달받아 기전력을 발생시키는 복수의 열전쌍 및 적외선이 조사되는 상기 열전쌍의 일면에 구비되며, 적외선을 흡수하는 흡수체를 포함하며, 복수의 상기 열전쌍은 방사상으로 구비되며, 상기 흡수체는 열접점인 상기 열전쌍의 일단부에 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기의 상기 흡수체는, 복수의 상기 열전쌍의 일단부를 연결하도록 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기의 상기 열전쌍은, 동일 길이의 그룹이 복수 개 형성되며, 상기 흡수체는, 동일 길이의 상기 열전쌍 그룹마다 하나의 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기에서 복수의 상기 열전쌍은, 동일 길이의 이웃하는 열전쌍 사이에 그보다 길이가 짧은 열전쌍이 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기의 상기 흡수체는, 복수의 상기 열전쌍 각각에 구비되며, 이웃하는 열전쌍과 이격되게 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기의 상기 흡수체는, 상기 열전쌍의 일단부에서 외측으로 연장되게 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기의 상기 흡수체는, Au-블랙, Si, SiO2, 탄소계열로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기는 상기 흡수체는, 상기 열전쌍의 일단부 상에서 증착 또는 페이스팅하여 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 센서는 상기 적외선 검출기 및 상기 적외선 검출기가 결합되는 기판을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 센서의 상기 기판은, 복수의 상기 열전쌍을 연결하게 구비되는 전기패드를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 센서의 상기 기판은, 적외선이 조사되는 상기 열전쌍의 일면에 구비되며, 냉접점인 상기 열전쌍의 타단부에 구비되는 반사체를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 센서의 상기 기판은, 상기 반사체에 연결되어, 방열하는 히트싱크를 포함할 수 있다.
본 발명의 적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서는 적외선 흡수체의 질량을 감소시키면서도, 열전쌍의 양단부인 열접점과 냉접점 사이의 온도차이를 증가시킴으로써, 기존에 비하여 향상된 기전력을 출력할 수 있기 때문에 감도를 증가시킬 수 있는 효과를 가질 수 있다.
더하여, 본 발명의 적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서는 적외선 흡수체의 질량이 감소됨으로써, 적외선에 의한 열유입에 대한 영향을 빠르게 전달하여 응답속도도 향상시킬 수 있는 효과를 가질 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 적외선 검출기에서 흡수체가 링 형상으로 구비된 것을 도시한 평면도이다.
도 2는 본 발명의 적외선 검출기에서 흡수체가 각각의 열전쌍에 개별적으로 구비된 것을 도시한 평면도이다.
도 3은 본 발명의 온도 센서에서 흡수체가 링 형상으로 구비된 것을 도시한 측면도이다.
도 4는 본 발명의 온도 센서에서 흡수체가 각각의 열전쌍에 개별적으로 구비된 것을 도시한 측면도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 적외선 검출기(100)에서 흡수체(120)가 링 형상으로 구비된 것을 도시한 평면도로써, 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기(100)는 열 에너지를 전달받아 기전력을 발생시키는 복수의 열전쌍(110) 및 적외선이 조사되는 상기 열전쌍(110)의 일면에 구비되며, 적외선을 흡수하는 흡수체(120)를 포함하며, 복수의 상기 열전쌍(110)은 방사상으로 구비되며, 상기 흡수체(120)는 열접점(111)인 상기 열전쌍(110)의 일단부에 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기(100)의 상기 흡수체(120)는, 복수의 상기 열전쌍(110)의 일단부를 연결하도록 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
여기서, 일례로 상기 흡수체(120)는 적외선을 흡수하여 상기 열전쌍(110)의 양단부 중에 온도가 높은 단부인 열접점(111)의 온도를 최대한 높이면서도, 상기 흡수체(120)의 질량을 작게 설정할 수 있어 응답속도를 높일 수 있다.
그리고, 상기 흡수체(120)는 방사상으로 구비되는 복수의 열전쌍(110)의 단부인 열접점(111)에 구비됨으로써, 최대한 그 질량을 작게 하면서도 상기 열접점(111)으로의 열 집중을 시킬 수 있게 된다.
이에 따라 후술할 본 발명의 적외선 검출기(100)를 이용하는 후술할 온도 센서는 감도를 높이면서도 응답속도를 향상시킬 수 있게 된다.
다만, 본원의 적외선 검출기(100)는 적외선의 흡수로 발생한 열에너지를 이용하는 모든 응용 분야에 적용될 수 있음은 물론이다.
한편, 이상에서는 관심 파장 대역이 적외선 파장 영역인 경우를 예로 들어 설명하였지만, 이에 한정되지 않으며, 본 발명은 예를 들면 테라헤르츠파를 검출하는 응용 분야에도 적용될 수 있다.
상기 열전쌍(110)은 양단부의 온도 차이에 의해서 기전력이 발생하는 구성으로써, 상기 흡수체(120)에 의한 열수집으로 온도 차이가 발생하면 기전력이 발생하게 된다.
이를 위해, 상기 열전쌍(110)은 이종 재질의 제1부재와 제2부재를 구비한다. 예를 들어 제1부재가 n형 열전 반도체이면 제2부재는 p형 열전 반도체로 될 수 있다.
여기서, n형 및 p형 열전 반도체는 당해 기술 분야에서 사용되는 재질, 예컨대 BiTe계 재질, PbTe계 재질 등과 같은 열전 재료를 적절히 도핑하여 사용할 수 있다.
그리고, 제1부재가 그래핀 등과 같은 반도체이면 제2부재는 금속으로 될 수 있으며, 상기 그래핀은 흑연의 표면층을 한 겹만 떼어내면 얻어지는 물질로서 탄소로 구성된 나노물질이다. 또한, 상기 그래핀은 2차원 평면 형태를 가지고 있으며, 상온 캐리어 이동도와 열전도도가 매우 높고 전기전도도가 매우 뛰어난 반도체이다.
한편, 상기 제1부재와 제2부재는 서로 다른 이종의 금속으로 형성될 수 있으며, 이에 의해서 상기 열전쌍(110)의 제1부재와 제2부재로는 온도 변화에 기초해 기전력을 발생시킬 수 있다. 또한, 상기 제1부재와 제2부재로는 온도 변화에 기초해 기전력을 발생을 발생시킬 수 있다면 다른 임의의 재질이 적용될 수도 있다.
그리고, 상기 제1부재와 제2부재가 결합되어, 그 양단에 열접점(111)과 냉접점(112)이 형성될 수 있으며, 이러한 열접점(111)과 냉접점(112) 사이의 온도차에 의해 기전력이 발생하게 된다.
즉, 상기 열전쌍(110)를 구성하는 제1부재 또는 제2부재의 열접점(111)과 냉접점(112) 사이에 온도차가 발생하면 제벡 효과에 의해 제1부재 또는 제2부재의 양단에 전압차이가 발생하며, 발생한 전압을 기초로 하여 온도를 검출함으로써 후술할 온도 센서로 사용할 수 있게 된다.
특히, 고감도의 온도 센서로 사용되기 위해서는 상기 열접점(111)과 냉접점(112) 사이의 온도 변화에 대해 출력된 기전력이 높아야 하기 때문에, 상기 열전쌍(110)을 방사상으로 구비하며, 후술할 흡수체(120)를 상기 열전쌍(110)의 단부인 열접점(111)에 구비하게 제공하는 것이다.
여기서는, 상기 열전쌍(110)에 의해 기전력이 발생하는 원리를 설명한다. 즉, 제벡 효과를 이용한 부재인 열전쌍(110)의 폐회로에서 유도될 수 있는 단자전압(Vg)은 부재의 열입력(qa) 및 방열량(qd)의 차이에 기인한다. 여기서, 열입력 및 방열량은 아래의 수학식 1과 수학식 2로부터 구할 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
여기서, αe는 제벡계수, Thj는 고온쪽 온도, Tcj는 저온쪽 온도, I는 인가전류, re는 부재의 저항, Ke, 부재의 열전도도, ΔTj는 온도차를 나타낸다.
상기 수학식 1 및 수학식 2의 첫 번째 항은 열전 소자에 의한 열 펌핑 효과이며, 열전 소자의 제벡계수 및 인가전류에 의존함을 알 수 있다.
그리고, 상기 수학식 1 및 수학식 2의 두 번째 항은 주울열에 의한 손실이다. 동일 재질 내에서 열이 발생할 수도 있지만, 이종 재질 간의 접점에서 더 많은 열이 발생한다. 특히, 이 항목은 전류의 제곱에 비례한다.
마지막으로, 상기 수학식 1 및 수학식 2의 세 번째 항은 열 평형에 의한 것으로, 히트싱크(230)와 관련된 부분이다.
결국 위의 수학식 1과 수학식 2의 차이를 계산하면, 아래의 수학식 3과 같이, 전기에너지의 출력(Pg)을 알 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00003
한편, 상기 수학식 3 및 "P=VI"의 전력 공식으로부터 폐회로의 단자전압(Vg)을 아래의 수학식4와 같이 구할 수 있다.
[수학식 4]
Figure pat00004
이와 같이, 결과적으로 온도 센서의 감도를 향상시키기 위해서는 열전쌍(110)의 기전력을 높여야 하는데, 이러한 기전력을 향상시키기 위해서는 위의 수학식 4에서와 같이 열전쌍(110)의 양단부 사이의 온도차를 최대화해야 하는 것을 알 수 있다.
또한, 기전력을 향상시키기 위해서는 소정 기판(200)의 단위 면적당 열전쌍(110)의 수를 증대시켜 총 단자전압을 크게 하여 달성할 수도 있다.
이와 같이, 상기 열전쌍(110)의 양단부 사이 온도차를 크게 하면서도 상기 열전쌍(110)을 기판(200)의 단위 면적당 더 많이 집적하기 위해서, 본 발명에서는 일례로 상기 열전쌍(110)의 배치 및 후술할 흡수체(120)의 형상을 특정하였다.
상기 흡수체(120)는 적외선을 흡수하여 상기 열전쌍(110)의 양단부 중에서 고온의 열접점(111)의 온도를 높여주는 역할을 한다.
이를 위해서, 상기 흡수체(120)는 방사상으로 구비되는 상기 열전쌍(110)의 일단부에 구비될 수 있다. 여기서, 상기 흡수체(120)가 방사상으로 구비됨으로써, 열접점(111)을 모아줄 수 있기 때문에, 상기 흡수체(120)는 형성되는 면적을 줄일 수 있게 된다.
한편, 전술한 바와 같이 상기 열전쌍(110) 및 상기 흡수체(120)를 구성하지 않게 되면, 상기 흡수체(120)의 면적이 증가하여 상기 흡수체(120)의 질량이 증가하게 된다. 이에 따라, 상기 흡수체(120)의 온도가 높아지기 위해 상기 흡수체(120)가 흡수해야되는 적외선의 양이 증가하기 때문에, 상기 열전쌍(110)의 열접점(111) 온도도 신속하게 높일 수 없게 된다. 다시 말해, 본 발명의 적외선 검출기(100)가 장착되는 온도 센서의 응답속도가 느려지게 되는 것이다.
본 발명에서는 이를 방지하기 위해서, 상기 흡수체(120)의 형성 면적을 줄여, 상기 흡수체(120)의 질량을 감소시킴으로써, 온도 센서의 응답속도를 높일 수 있게 된다.
일례로서, 상기 흡수체(120)는 각각의 열전쌍(110)에 개별적으로 구비될 수 있는데, 이에 대한 자세한 설명은 도 2를 참조하여 후술한다.
또한, 상기 흡수체(120)는 링 형상으로 형성되어, 상기 열전쌍(110)의 열접점(111)에 구비될 수 있다. 여기서, 복수의 상기 열전쌍(110)이 방사상으로 구비되기 때문에, 상기 흡수체(120)도 링 형상으로 형성될 수 있는 것이다.
특히, 상기 열전쌍(110)은 기판(200)의 단위 면적당 더 많이 집적되어 온도 센서의 감도를 높이기 위해서, 동일 길이의 이웃하는 열전쌍(110) 사이에 그보다 길이가 짧은 열전쌍(110)이 구비될 수 있다.
이와 같은 열전쌍(110)의 배치에 따라 상기 흡수체(120)도 동일 길이의 상기 열전쌍(110) 그룹마다 하나의 링 형상으로 형성될 수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기(100)의 상기 열전쌍(110)은, 동일 길이의 그룹이 복수 개 형성되며, 상기 흡수체(120)는, 동일 길이의 상기 열전쌍(110) 그룹마다 하나의 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기(100)에서 복수의 상기 열전쌍(110)은, 동일 길이의 이웃하는 열전쌍(110) 사이에 그보다 길이가 짧은 열전쌍(110)이 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
이와 같이, 상기 흡수체(120)는 상기 열전쌍(110)의 열접점(111)과 접하도록 마련되어, 적외선을 흡수하여 발생한 열에너지를 상기 열전쌍(110)의 열접점(111) 쪽으로 전달할 수 있다.
이러한 상기 흡수체(120)는 예를 들면 Au-블랙, Si, SiO2, 탄소계열 등으로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
한편, 상기 흡수체(120)는 적외선 흡수 물질을 상기 열전쌍(110)의 열접점(111) 상에 증착 또는 페이스팅하여 형성될 수 있다.
즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기(100)의 상기 흡수체(120)는, Au-블랙, Si, SiO2, 탄소계열로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 하나의 재질을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기(100)는 상기 흡수체(120)는, 상기 열전쌍(110)의 일단부 상에서 증착 또는 페이스팅(pasting)하여 형성될 수 있다.
도 2는 본 발명의 적외선 검출기(100)에서 흡수체(120)가 각각의 열전쌍(110)에 개별적으로 구비된 것을 도시한 평면도이로써, 이를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기(100)의 상기 흡수체(120)는, 복수의 상기 열전쌍(110) 각각에 구비되며, 이웃하는 열전쌍(110)과 이격되게 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 상기 흡수체(120)에 의한 적외선 흡수 비율의 향상으로 상기 열전쌍(110)이 발생시키는 기전력을 향상시키면서도, 상기 흡수체(120)의 형성 면적을 줄여, 상기 흡수체(120)의 질량을 감소시킴으로써, 온도 센서의 응답속도를 높일 수 있도록, 상기 흡수체(120)의 형상을 제시한 것이다.
다시 말해, 상기 흡수체(120)는 전술한 링 형상 이외에, 복수의 상기 열전쌍(110) 각각에 개별적으로 구비되게 형성될 수 있는 것이다.
그리고, 본 발명의 일 실시예에 따른 적외선 검출기(100)의 상기 흡수체(120)는, 상기 열전쌍(110)의 일단부에서 외측으로 연장되게 구비되는 것을 특징으로 할 수 있다.
즉, 상기 흡수체(120)는 상기 적외선을 더 많이 흡수하여 상기 열전쌍(110)에 의한 기전력 발생을 높이기 위해서, 상기 열전쌍(110)의 일단부에서 외측으로 연장되는 형상으로도 제공될 수 있는 것이다.
더하여, 본 발명에서는 전술한 적외선 검출기(100)를 이용한 온도 센서를 더 제시함으로써, 감도는 증가하면서도 응답속도는 빠른 온도 센서를 제시하고 있다.
구체적으로, 도 3은 본 발명의 온도 센서에서 흡수체(120)가 링 형상으로 구비된 것을 도시한 측면도이며, 도 4는 본 발명의 온도 센서에서 흡수체(120)가 각각의 열전쌍(110)에 개별적으로 구비된 것을 도시한 측면도이다.
도 3 및 도 4를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 센서는 상기 적외선 검출기(100) 및 상기 적외선 검출기(100)가 결합되는 기판(200)을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 센서의 상기 기판(200)은, 복수의 상기 열전쌍(110)을 연결하게 구비되는 전기패드(210)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 센서의 상기 기판(200)은, 적외선이 조사되는 상기 열전쌍(110)의 일면에 구비되며, 냉접점(112)인 상기 열전쌍(110)의 타단부에 구비되는 반사체(220)를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 온도 센서의 상기 기판(200)은, 상기 반사체(220)에 연결되어, 방열하는 히트싱크(230)를 포함할 수 있다.
다시 말해, 전술한 적외선 검출기(100)를 포함하는 온도 센서를 제시하는 것이다.
상기 기판(200)은 상기 적외선 검출기(100)가 탑재되는 구성으로써, 상기 적외선 검출기(100)에서 발생되는 기전력을 이용하여 대상체의 온도를 비접촉하여 감지하게 된다.
이를 위해, 상기 기판(200)은 바디를 형성하는 제1지지층(200a), 제2지지층(200b)을 포함할 수 있으며, 더하여 전기패드(210), 반사체(220), 히트싱크(230) 등을 포함할 수 있다.
그리고, 상기 기판(200)은 일례로 실리콘 등과 같은 재질로부터 일체로 형성될 수 있다. 하지만, 이에 한정되는 것은 아니며 다양한 재질을 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제2지지층(200b)은 제1지지층(200a) 상에 구비된다. 그리고, 상기 제1지지층(200a)은 실리콘 등을 포함할 수 있다.
이와 같이, 상기 제2지지층(200b)은 제1지지층(200a) 상에 덮어씌우도록 구비되어, 복수의 열전쌍(110)를 지지하는 역할을 할 수 있다.
그리고, 상기 제2지지층(200b)은 낮은 열전도도를 갖는 재질을 포함할 수 있는데, 이와 같이 낮은 열전도도를 갖는 재질로 상기 제2지지층(200b)을 형성하게 되면, 그 위에 배치되는 열전쌍(110)의 열접점(111)과 냉접점(112) 사이의 열저항을 크게 할 수 있다.
한편, 상기 제2지지층(200b)은 실리콘 질화물 등을 포함할 수 있지만, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
더하여, 상기 기판(200) 상에는 복수의 상기 열전쌍(110)로부터 발생한 기전력을 출력시키기 위한 전기패드(210)가 복수의 상기 열전쌍(110)을 연결하게 구비될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 온도 센서는 감도를 더욱 향상시키기 위해서, 상기 열전쌍(110)의 열접점(111)과 냉접점(112) 사이의 온도차를 최대로 유지하도록, 반사체(220)를 더 포함할 수 있다.
즉, 상기 흡수체(120)가 상기 열전쌍(110)의 열접점(111)에 배치되어 상기 열접점(111)의 온도를 높이도록 작용하였다면, 상기 반사체(220)는 상기 열전쌍(110)의 냉접점(112)의 온도를 낮추도록 작용하는 것이다.
이를 위해, 상기 반사체(220)는 상기 열전쌍(110)의 타단부인 냉접점(112)에 구비되며, 상기 적외선이 조사되는 상기 열전쌍(110)의 일면에 구비된다.
즉, 상기 반사체(220)는 입사되는 적외선을 반사시키는 역할을 하여, 그 아래에 놓인 열전쌍(110)의 해당 접점을 냉접점(112)으로 되게 하는 것이다.
이러한 상기 반사체(220)는 적외선의 반사율이 높은 재질, 예를 들면 Au, Ag, Al 등과 같은 금속을 포함할 수 있다. 하지만, 반드시 이에 한정되지 않는다.
더하여, 상기 반사체(220)는 적외선이 투과할 수 없는 두께를 가질 수도 있으며, 적외선 반사 물질을 상기 열전쌍(110)의 냉접점(112) 상에 증착 또는 페이스팅 하여 형성될 수 있다.
따라서, 상기 반사체(220)도 전술한 흡수체(120)와 유사하게, 방사상으로 구비된 복수의 상기 열전쌍(110)의 타단부에 링 형상으로 구비될 수도 있다. 또는 복수의 상기 열전쌍(110)의 타단부에 개별적으로 구비될 수도 있다.
이에 따라, 상기 반사체(220)에서는 적외선 스펙트럼을 최대한으로 반사하게 되어 냉접점(112)으로 열에너지가 전달되는 것을 방지하고, 이로 인해 냉접점(112)에서는 열접점(111)과의 온도차를 최대로 유지하게 된다.
더하여, 상기 반사체(220)의 양끝에는 예컨대 Cu, Al 등과 같은 금속으로 된 히트싱크(230)가 연결될 수 있다.
또한, 선택적으로 반사체(220)의 양끝에 확장부를 형성함으로써, 히트싱크(230)의 역할을 하도록 구성할 수도 있다.
이와 같이, 본 발명의 온도 센서는 상기 열전쌍(110)의 열접점(111)에서는 흡수체(120)에 의해 적외선 흡수율을 증가시켜 그 온도를 상승시킴과 더불어, 냉접점(112)에서는 반사체(220)에 의해 적외선 흡수율을 떨어뜨리면서 히트싱크(230)로 냉각되어 그 온도를 낮추게 되어, 감도를 증가시킬 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 온도 센서는, 적외선이 조사될 때 열접점(111)과 냉접점(112) 사이에 생기는 온도차에 의해 지전력을 변화시키고, 이 변화한 기전력에 기초하여 적외선을 검출할 수 있게 된다.
더구나, 열접점(111)과 냉접점(112) 사이의 온도차를 최대로 유지하여 출력되는 기전력을 증대시켜 감도를 향상시키게 되는 것이다.
이와 같이, 본 발명은 서모파일(thermopile) 방식의 적외선 검출기(100) 및 이를 포함한 온도 센서에 관한 것으로, 적외선 흡수체(120)의 질량을 감소시키면서도, 열전쌍(110)의 양단부인 열접점(111)(hot junction)과 냉접점(112)(cold junction) 사이의 온도차이를 증가시킬 수 있다.
이와 같이 열전쌍(110) 양단부 사이의 온도차를 증가시킴으로써, 기존에 비하여 향상된 기전력을 출력할 수 있기 때문에 감도를 증가시킬 수 있다.
더하여, 적외선 흡수체(120)의 질량이 감소됨으로써, 적외선에 의한 열유입에 대한 영향을 빠르게 전달하여 응답속도도 향상시킬 수 있다.
100: 적외선 검출기 110: 열전쌍
111: 열접점 112: 냉접점
120: 흡수체 200: 기판
210: 전기패드 220: 반사체
230: 히트싱크

Claims (12)

  1. 열 에너지를 전달받아 기전력을 발생시키는 복수의 열전쌍; 및
    적외선이 조사되는 상기 열전쌍의 일면에 구비되며, 적외선을 흡수하는 흡수체;
    를 포함하며,
    복수의 상기 열전쌍은 방사상으로 구비되며, 상기 흡수체는 열접점인 상기 열전쌍의 일단부에 구비되는 적외선 검출기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 흡수체는, 복수의 상기 열전쌍의 일단부를 연결하도록 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 열전쌍은, 동일 길이의 그룹이 복수 개 형성되며,
    상기 흡수체는, 동일 길이의 상기 열전쌍 그룹마다 하나의 링 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기.
  4. 제3항에 있어서,
    복수의 상기 열전쌍은, 동일 길이의 이웃하는 열전쌍 사이에 그보다 길이가 짧은 열전쌍이 구비되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 흡수체는, 복수의 상기 열전쌍 각각에 구비되며, 이웃하는 열전쌍과 이격되게 구비되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 흡수체는, 상기 열전쌍의 일단부에서 외측으로 연장되게 구비되는 것을 특징으로 하는 적외선 검출기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 흡수체는, Au-블랙, Si, SiO2, 탄소계열로 이루어진 그룹 중 선택된 적어도 하나의 재질을 포함하는 적외선 검출기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 흡수체는, 상기 열전쌍의 일단부 상에서 증착 또는 페이스팅하여 형성되는 적외선 검출기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 적외선 검출기; 및
    상기 적외선 검출기가 결합되는 기판;
    을 포함하는 온도 센서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 기판은,
    복수의 상기 열전쌍을 연결하게 구비되는 전기패드;
    를 포함하는 온도 센서.
  11. 제9항에 있어서,
    상기 기판은,
    적외선이 조사되는 상기 열전쌍의 일면에 구비되며, 냉접점인 상기 열전쌍의 타단부에 구비되는 반사체;
    를 포함하는 온도 센서.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 기판은,
    상기 반사체에 연결되어, 방열하는 히트싱크;
    를 포함하는 온도 센서.
KR1020150119753A 2015-08-25 2015-08-25 적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서 KR20170024456A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150119753A KR20170024456A (ko) 2015-08-25 2015-08-25 적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서
US15/073,866 US20170059414A1 (en) 2015-08-25 2016-03-18 Infrared detector and temperature sensor including the same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150119753A KR20170024456A (ko) 2015-08-25 2015-08-25 적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20170024456A true KR20170024456A (ko) 2017-03-07

Family

ID=58097759

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150119753A KR20170024456A (ko) 2015-08-25 2015-08-25 적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20170059414A1 (ko)
KR (1) KR20170024456A (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112582528B (zh) * 2020-12-28 2023-04-07 杭州博源光电科技有限公司 一种新型大功率激光探测器中热电堆的制备方法
RU2761119C1 (ru) * 2021-05-07 2021-12-06 Федеральное государственное казенное учреждение "12 Центральный научно-исследовательский институт" Министерства обороны Российской Федерации Устройство для исследования энергетических и временных параметров светового излучения

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140090909A (ko) 2013-01-10 2014-07-18 삼성전자주식회사 적외선 검출기 및 적외선 이미지 센서

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4111717A (en) * 1977-06-29 1978-09-05 Leeds & Northrup Company Small-size high-performance radiation thermopile
JP3580126B2 (ja) * 1998-03-12 2004-10-20 オムロン株式会社 赤外線センサ
US6348650B1 (en) * 1999-03-24 2002-02-19 Ishizuka Electronics Corporation Thermopile infrared sensor and process for producing the same
US8441093B2 (en) * 2011-04-15 2013-05-14 Excelitas Technologies Singapore Pte. Ltd. Shared membrane thermopile sensor array

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20140090909A (ko) 2013-01-10 2014-07-18 삼성전자주식회사 적외선 검출기 및 적외선 이미지 센서

Also Published As

Publication number Publication date
US20170059414A1 (en) 2017-03-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101910575B1 (ko) 적외선 검출기 및 적외선 이미지 센서
US8441093B2 (en) Shared membrane thermopile sensor array
CN103575407A (zh) 一种太赫兹辐射探测器
US6597051B2 (en) Thermoelectric infrared detector
KR20140032342A (ko) 초격자 양자우물 적외선 감지기
Muley et al. Emissivity of electronic materials, coatings, and structures
JP2009180682A (ja) 赤外線センサ
KR20170024456A (ko) 적외선 검출기 및 이를 포함한 온도 센서
Hiromoto et al. Room-temperature THz antenna-coupled microbolometer with a Joule-heating resistor at the center of a half-wave antenna
JP2007121047A (ja) 赤外線センサ
US10811585B2 (en) Thermoelectric device
Lei et al. A CMOS-MEMS IR device based on double-layer thermocouples
US9658110B1 (en) Thermal sensor combination
KR101072290B1 (ko) 게르마늄계 열전재료를 이용한 서모파일형 열전센서
KR101677717B1 (ko) 멤스 써모파일 센서 및 그 제조방법
KR20160139411A (ko) 적외선 검출장치
RU2681224C1 (ru) Оптимизированный термопарный сенсор
Gromov Thermoelectric modules as efficient heat flux sensors
Levin A numerical simulation tool for infrared thermopile detectors
Ihring et al. High performance uncooled THz sensing structures based on antenna-coupled air-bridges
RU72062U1 (ru) Сенсор плотности теплового потока
KR101734080B1 (ko) 열차폐 홀을 구비하는 써모파일 장치 및 이를 이용한 온도센서
Khafizov Infrared Focal Plane Arrays (FPA) with Termopile Thermal Radiation MEMS Sensors
Djuric New generation of thermal infrared detectors
US20220123156A1 (en) Photosensor