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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarotsensor, und insbesondere
betrifft sie einen Infrarotsensor, der eine hohe thermoelektrische
Umwandlungseffizienz aufweist und der einen einfachen Aufbau besitzt.
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Stand der Technik
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Infrarotsensoren
werden entsprechend ihren Arbeitsprinzipien im Allgemeinen in Infrarotsensoren vom
Wärmetyp und Infrarotsensoren vom Quantentyp klassifiziert.
Unter diesen detektieren die Infrarotsensoren vom Wärmetyp
Infrarotstrahlen, indem sie eine Temperatur-Erhöhungsgeschwindigkeit
eines Infrarot-empfindlichen Bereichs durch die Wärmeenergie,
die aus einfallenden Infrarotstrahlen umgewandelt wird, in ein elektrisches
Signal umwandeln. Als Mittel zum Umwandeln der Temperaturerhöhung des
Infrarot-empfindlichen Bereichs in ein elektrisches Signal wird
z. B. ein Thermoelement oder ein thermoelektrisches Umwandlungselement
eingesetzt.
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Zum
Beispiel kann beispielhaft als Infrarotsensor vom Wärmetyp
ein Produkt genannt werden, bei dem ein Thermoelement eingesetzt
wird, das sich aus einem Metall zusammensetzt, wie z. B. Chromel-Alumel.
Da jedoch der Seebeck-Koeffizient von einem Metall, wie z. B. Chromel-Alumel,
lediglich in der Größenordnung von einigen zehn μV/K
beträgt, wird bei der praktischen Verwendung ein Infrarotsensor
vom Thermoketten(thermo-pile)-Typ verwendet, worin viele Thermoelemente
in Serie verbunden sind, um eine ausreichende elektrische Ausgabeleistung zu
erhalten.
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Als
Thermokette, die in einem Infrarotsensor vom Thermoketten-Typ verwendet
wird, sind z. B. thermoelektrische Umwandlungselementbeispiele vorgeschlagen
worden, die durch Verbinden von thermoelektrischen Umwandlungselementen
gebildet werden, die sich aus Legierungen vom p-Typ und n-Typ von
Bi, Sb, Se und Te zusammensetzen (siehe z. B. die ungeprüfte
japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung
Nr. H01-179376 ).
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Obwohl
jedoch Halbleiter aus dem Bi-Te-System oder dem Si-Ge-System, die
in Infrarotsensoren vom Wärmetyp verwendet werden, bei
denen thermoelektrische Umwandlungselemente eingesetzt werden, die
sich aus Halbleitern vom Bi-Te-System oder Si-Ge-System zusammensetzen, wie
z. B. bei der ungeprüften
japanischen
Patentanmeldung, Veröffentlichung Nr. H01-179376 ,
herausragende thermoelektrische Eigenschaften im Temperaturbereich
um Raumtemperatur und im mittleren Temperaturbereich von 300 bis
500°C zeigen, besitzen sie eine geringe Wärmebeständigkeit
im Hochtemperaturbereich. Zusätzlich erhöhen die
Halbleiter aus dem Bi-Te-System oder dem Si-Ge-System die Herstellungskosten
und führen zu einer großen Umweltbelastung, weil
sie Te, Ge usw. enthalten, welche teure und giftige metallische
Elemente sind.
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Um
die Verwendung von solchen teuren und toxischen Metallelementen
zu vermeiden und eine Kostenverringerung bei Infrarotsensoren zu
realisieren, ist daher ein Infrarotsensor vorgeschlagen worden,
worin ein erstes Element, das sich im Wesentlichen aus Zinkoxid
zusammensetzt, und ein zweites Element, das sich im Wesentlichen
aus Platin zusammensetzt, miteinander auf Substraten verbunden sind
(siehe z. B. die ungeprüfte
japanische Patentanmeldung, Veröffentlichung
Nr. 2004-037198 ).
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Von der Erfindung zu lösende
Probleme
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Jedoch
war es beim Infrarotsensor der ungeprüften
japanischen Patentanmeldung, Veröffentlichung
Nr. 2004-037198 , notwendig, eine p-n-Verbindung zwischen
einem Element, das sich aus einem dünnen Zinkoxidfilm zusammensetzt
(entsprechend einem Halbleiter vom n-Typ), und einem Element, das
sich aus einem dünnen Platinfilm zusammensetzt (entsprechend
einem Halbleiter vom p-Typ), vorzusehen. Wenn dies gemacht wird,
bestand das Problem, dass die Halbleitereigenschaften wegen der
Veränderlichkeiten der Größe und der
Form der Elemente, die die p-n-Verbindung bilden, irregulär sind,
wodurch die thermoelektrische Umwandlungseffizienz des Infrarotsensors
verringert wird.
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Die
vorliegende Erfindung wurde unter Berücksichtigung der
vorstehenden Probleme gemacht, und es ist eine ihrer Aufgaben, einen
Infrarotsensor bereitzustellen, bei dem eine Verringerung der thermoelektrischen
Umwandlungseffizienz unterdrückt ist, die durch die Veränderlichkeit
der Halbleitereigenschaften verursacht wird, indem die Veränderlichkeit
der Halbleitereigenschaften für jedes Element gedämpft
werden, während der Aufbau einfach ist.
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Mittel zum Lösen
der Probleme
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Die
hiesigen Erfinder haben unablässig geforscht, um die vorstehenden
Probleme zu lösen. Als Ergebnis hiervon wurde gefunden,
dass ein Infrarotsensor bereitgestellt werden kann, bei dem die
Verringerung der thermoelektrischen Umwandlungseffizienz unterdrückt
ist, die durch die Veränderlichkeit der Halbleitereigenschaften
verursacht wird, indem die Veränderlichkeit der Halbleitereigenschaften
für jedes Element gedämpft wird, wobei der Aufbau
einfach ist, indem ein Einzelelement verwendet wird, das mit einem
Paar von Elektroden auf einer Erwärmungsoberfläche
und einer Kühlungsoberfläche einer Sinterkörperzelle
versehen ist, die von einem komplexen Metalloxid aufgebaut wird,
und welches ein leitfähiges Bauteil umfasst, das diese
Elektroden in Serie verbindet, wodurch man bei der Vollendung der
vorliegenden Erfindung ankam. Spezifischer stellte die vorliegende
Erfindung die folgende Konfiguration bereit.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung enthält in einem Infrarotsensor,
der ein Substrat, auf dem eine isolierende Schicht gebildet ist,
ein thermoelektrisches Umwandlungselement, das durch die isolierende
Schicht auf dem Substrat vorgesehen ist, und eine Infrarot absorbierende
Schicht, die auf dem thermoelektrischen Umwandlungselement vorgesehen
ist, aufweist, das thermoelektrische Umwandlungselement mindestens
ein Einzelelement, das eine Erwärmungsoberfläche,
die als eine Fläche auf einer ersten Seite definiert ist,
und eine Kühlungsoberfläche, die als eine Fläche
auf einer gegenüberliegenden Seite zu der Erwärmungsoberfläche
definiert ist, umfasst und das Elektrizität durch den Temperaturunterschied,
der zwischen der Erwärmungsoberfläche und der
Kühlungsoberfläche auftritt, generiert, wobei
das Einzelelement eine Sinterkörperzelle, die ein komplexes
Metalloxid enthält, ein Paar von Elektroden, die auf der
Erwärmungsoberfläche und der Kühlungsoberfläche
der Sinterkörperzelle gebildet sind, und ein leitfähiges
Bauteil, das eine Elektrode auf einer Seite der Erwärmungsoberfläche
und eine Elektrode auf einer Seite der Kühlungsoberfläche elektrisch
in Serie verbindet, umfasst.
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Gemäß dem
ersten Aspekt der Erfindung kann die Irregularität in den
Halbleitereigenschaften eines Einzelelements, die aufgrund der Bildung
einer p-n-Verbindung zwischen solchen unterschiedlichen Elementen
aufgetreten ist, unterdrückt werden, indem das Paar von
Elektroden auf der Erwärmungsoberfläche und der
Kühlungsoberfläche der Sinterkörperzelle,
die von einem komplexen Metalloxid aufgebaut wird, vorgesehen wird
und ein Einzelelement durch Verbinden des leitfähigen Bauteils
hieran gebildet wird. Folglich ist es möglich, einen Infrarotsensor bereitzustellen,
bei dem eine Verringerung der thermoelektrischen Umwandlungseffizienz
unterdrückt werden kann, die durch eine Irregularität
in den Halbleitereigenschaften verursacht wird, und der eine hohe
thermoelektrische Umwandlungseffizienz gegenüber den Konventionellen
aufweist.
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Darüber
hinaus kann ein Infrarotsensor bereitgestellt werden, der einen
einfachen Aufbau aufweist, indem ein thermoelektrisches Umwandlungselement
oder Thermoketten als ein Einzelelement gebildet werden.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthält in dem
Infrarotsensor, wie im ersten Aspekt beschrieben, das thermoelektrische Umwandlungselement
eine Vielzahl von Einzelelementen, und die Elektrode auf der Seite
der Erwärmungsoberfläche und die Elektrode auf
der Seite der Kühlungsoberfläche von jeweiligen
Sinterkörperzellen, die in dem Einzelelement aneinander
angrenzen, sind durch das leitfähige Bauteil in Serie elektrisch verbunden.
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Gemäß dem
zweiten Aspekt der Erfindung kann die elektromotorische Kraft des
thermoelektrischen Umwandlungselements erhöht werden, indem thermoelektrische
Umwandlungselemente verwendet werden, worin eine Vielzahl von Einzelelementen durch
leitfähige Bauteile elektrisch in Serie verbunden sind.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung enthalten in dem Infrarotsensor,
wie er im ersten oder zweiten Aspekt beschrieben ist, die Einzelelemente
das gleiche Material.
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Gemäß dem
dritten Aspekt der Erfindung können die Halbleitereigenschaften
für jedes Einzelelement des thermoelektrischen Umwandlungselements
gleichmäßig gestaltet werden, indem die thermoelektrischen
Umwandlungselemente aus dem gleichen Material, und bevorzugt mit
der gleichen Größe und der gleichen Form, gebildet
werden. Als Ergebnis ist es möglich, eine Irregularität
in den Halbleitereigenschaften des Einzelelements zu unterdrücken
und die thermoelektrische Umwandlungseffizienz des Infrarotsensors
kann weiter verbessert werden.
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Gemäß einem
vierten Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst, in dem Infrarotsensor,
wie er in irgendeinem von dem ersten bis zum dritten Aspekt beschrieben
ist, das komplexe Metalloxid ein Erdalkalimetallelement und Mangan.
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Gemäß einem
fünften Aspekt der vorliegenden Erfindung wird in dem Infrarotsensor,
wie er im vierten Aspekt beschrieben ist, das komplexe Metalloxid
durch die folgende allgemeine Formel (I) dargestellt Ca(1-x)MxMnO3
(I) worin
M mindestens ein Element ist, das ausgewählt ist aus der
Gruppe bestehend aus Yttrium und Lanthanoiden, und x im Bereich
von 0 bis 0,05 liegt.
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Gemäß dem
vierten und dem fünften Aspekt der Erfindung kann die Wärmebeständigkeit
des Infrarotsensors bei hohen Temperaturen weiter erhöht werden,
indem ein komplexes Metalloxid aus Oxiden, worin ein Erdalkalielement,
ein Seltenerdelement und Mangan Aufbauelemente sind, und bevorzugt aus
Ca(1-x)MxMnO3 (worin M mindestens ein Element ist, ausgewählt
aus Yttrium und Lanthanoiden, und x im Bereich von 0 bis 0,05 liegt)
gebildet wird.
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Gemäß einem
sechsten Aspekt der Erfindung ist in dem Infrarotsensor, wie er
im fünften Aspekt beschrieben ist, das x in der allgemeinen
Formel (I) 0.
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Gemäß dem
sechsten Aspekt der Erfindung kann der Seebeck-Koeffizient weiter
bis auf etwa 400 μV/K erhöht werden, indem eine
Sinterkörperzelle eingesetzt wird, die sich aus CaMnO3 zusammensetzt, was die Möglichkeit
eröffnet, die elektromotorische Kraft des thermoelektrischen
Umwandlungselements zu erhöhen. Als Ergebnis ist es möglich,
einen Infrarotsensor bereitzustellen, bei dem die Anzahl von Einzelelementen,
die in dem thermoelektrischen Umwandlungselement eingesetzt werden,
verringert werden kann, wobei er günstiger ist und einen
einfachen Aufbau aufweist.
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Gemäß einem
siebten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist in dem Infrarotsensor,
wie in irgendeinem vom ersten bis zum sechsten Aspekt beschrieben,
das Paar von Elektroden durch Auftragen einer leitfähigen
Paste auf die Erwärmungsoberfläche und die Kühlungsoberfläche
der Sinterkörperzelle und Sintern gebildet.
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Gemäß dem
siebten Aspekt der Erfindung ist es möglich, eine dünne
Elektrode zu bilden, da die Elektrode durch direktes Auftragen einer
leitfähigen Paste auf die Erwärmungsoberfläche
und die Kühlungsoberfläche der Sinterkörperzelle
gebildet ist. Zusätzlich ist es möglich, einen
Infrarotsensor bereitzustellen, bei dem die thermische Leitfähigkeit
und die elektrische Leitfähigkeit verbessert werden kann und
der eine hohe thermoelektrische Umwandlungseffizienz aufweist, da
die Verwendung eines Bindemittels, wie dies konventionell durchgeführt
wird, nicht erforderlich ist.
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Wirkungen der Erfindung
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Gemäß der
vorliegenden Erfindung ist es möglich, einen Infrarotsensor
bereitzustellen, bei dem eine Verringerung der thermoelektrischen
Umwandlungseffizienz durch Begrenzung der Veränderlichkeit
der Halbleitereigenschaften für jedes Element unterdrückt
werden kann, während er einen einfachen Aufbau aufweist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine perspektivische Ansicht, die einen Infrarotsensor S gemäß einer
ersten Ausführungsform zeigt;
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2 ist
eine Querschnittsansicht entlang einer Schnittebene A-A' von 1;
und
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3 ist
eine perspektivische Ansicht, die einen Infrarotsensor S' gemäß einer
zweiten Ausführungsform zeigt.
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Bezugszeichenliste
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- S,
S'
- Infrarotsensor
- 10,
50
- Substrat
- 11,
51
- isolierende
Schicht
- 20,
60
- thermoelektrisches
Umwandlungselement
- 21,
61
- Sinterkörperzelle
- 22,
23, 62, 63
- Elektrode
- 24
- Anschlussdraht
- 25,
65
- Einzelelement
- 12,
13, 52, 53
- Verbindung
- 30,
70
- Infrarot-Absorptionsschicht
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Bevorzugte Art zur Durchführung
der Erfindung
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Nachstehend
werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnungen erklärt werden. Man beachte,
dass bei der Erklärung der zweiten Ausführungsform
auf geeignete Erklärungen für Passagen verzichtet
werden kann, die im Hinblick auf die Erklärung der ersten Ausführungsform
redundant wären; jedoch wird das Ziel der vorliegenden
Erfindung nicht hierdurch beschränkt.
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Erste Ausführungsform
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In
den 1 und 2 ist ein Infrarotsensor S gemäß der
ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Wie in 1 und 2 gezeigt, umfasst der Infrarotsensor
S gemäß der ersten Ausführungsform ein
Substrat 10, auf dem eine isolierende Schicht 11 gebildet
ist, ein thermoelektrisches Umwandlungselement 20, das über
die isolierende Schicht 11 auf dem Substrat 10 vorgesehen
ist, und eine Infrarot-absorbierende Schicht 30, die auf dem
thermoelektrischen Umwandlungselement 20 vorgesehen ist.
Der Infrarotsensor S ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine Mehrzahl,
spezifisch 5, Einzelelemente als thermoelektrisches Umwandlungselement 20 umfasst.
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Isolierende Schicht 11, Substrat 10
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Das
Substrat 10 ist nicht besonders beschränkt, und
es kann ein konventionell wohlbekanntes Substrat verwendet werden.
Zum Beispiel kann ein flaches Substrat, das sich aus Silizium und
dergleichen zusammensetzt, verwendet werden. Solang die isolierende
Schicht aus einem Material mit isolierenden Eigenschaften besteht,
ist es zusätzlich nicht besonders beschränkt.
Zum Beispiel kann zusätzlich zu einer isolierenden Schicht,
die ein Schutzmerkmal aufweist, die sich aus Siliziumnitrid und
dergleichen zusammensetzt, eine isolierende Schicht verwendet werden,
die sich aus Nitriden, wie z. B. AlN, TiN, TaN und BN, Carbiden,
wie z. B. SiC, Fluoriden, wie z. B. MgF, und dergleichen zusammensetzt.
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Thermoelektrisches Umwandlungselement 20
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Das
thermoelektrische Umwandlungselement 20 ist durch die isolierende
Schicht 11 auf dem Substrat 10 vorgesehen. Das
thermoelektrische Umwandlungselement 20 weist eine Erwärmungsoberfläche,
die als eine Fläche auf einer ersten Seite definiert ist,
und eine Kühlungsoberfläche, die als eine Fläche
auf einer gegenüberliegenden Seite zu der Erwärmungsoberfläche
definiert ist, auf und umfasst fünf Einzelelemente 25,
die durch den Temperaturunterschied, der zwischen der Erwärmungsoberfläche und
der Kühlungsoberfläche auftritt, Elektrizität
produzieren. Diese fünf Einzelelemente 25 weisen
jeweils eine Sinterkörperzelle 21, ein Paar von
Elektroden 22 und 23, einen Anschlussdraht 24 als
leitendes Bauteil und Verbindungen 12 und 13 auf.
Durch die Verwendung solch eines thermoelektrischen Umwandlungselements 20,
das fünf der Einzelelemente 25 umfasst, ist es
möglich, eine Verringerung der thermoelektrischen Umwandlungseffizienz
zu unterdrücken, die eine Inkonsistenz der Halbleitereigenschaften
verursacht, die aufgrund einer p-n-Verbindung oder anderen ähnlichen
Elementen auftritt.
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Sinterkörperzelle 21
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Als
Sinterkörperzelle 21 kann ein Sinterkörper
verwendet werden, der sich aus einem komplexen Metalloxid zusammensetzt.
Der Sinterkörper, der sich aus einem komplexen Metalloxid
zusammensetzt, weist einen großen Seebeck-Koeffizienten
von mindestens 100 μV/K auf, konträr zu dem Seebeck-Koeffizienten
von Metallen, wie z. B. Chromel-Alumel, die als Thermoelement in
konventionellen Thermoketten verwendet werden, welcher in der Größenordnung
von einigen 10 μV/K liegt.
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Als
Ergebnis ist es nicht erforderlich, dass die Anzahl der p-n-Paare
in der Größenordnung von 100 liegt, wie bei konventionellen
Thermoketten, und eine kleine Anzahl in der Größenordnung
von fünf bezüglich der Anzahl von Einzelelementen 25 wird
ausreichend sein, wie in der vorliegenden Ausführungsform.
Daher kann die Struktur des Infrarotsensors S vereinfacht werden
und kompakt gestaltet werden.
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Zusätzlich
ist es durch die Verwendung eines Sinterkörpers, der sich
aus einem komplexen Metalloxid zusammensetzt, als Sinterkörperzelle 21 auch möglich,
die Wärmebeständigkeit und mechanische Festigkeit
zu verbessern. Ferner wird eine Kostenverringerung erreicht, weil
komplexe Metalloxide preiswerte Materialien sind.
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Die
Form der Sinterkörperzelle 21 ist nicht besonders
beschränkt und wird geeignet gemäß der Form
des Infrarotsensors S und dergleichen ausgewählt. Bevorzugt
ist sie ein rechteckiger Festkörper oder ein Würfel.
Die Größe der Sinterkörperzelle 21 ist
auch nicht besonders beschränkt, und z. B. beträgt
die Fläche der Erwärmungsoberfläche und
der Kühlungsoberfläche bevorzugt 5 bis 20 mm × 1
bis 5 mm mit einer Höhe von 5 bis 20 mm.
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Die
fünf Einzelelemente 25 sind bevorzugt aus dem
gleichen Material aufgebaut. Es ist möglich, die Variation
der Halbleitereigenschaften von jedem Element zu kontrollieren und
die Verringerung der thermoelektrischen Umwandlungseffizienz des
Infrarotsensors S effektiver zu unterdrücken, indem die thermoelektrischen
Umwandlungselemente 20 aus dem gleichen Material gebildet
werden, und bevorzugt sind sie von gleicher Größe
und gleicher Form. Zusätzlich ist eine Vereinfachung der
Struktur möglich, und die Produktionskosten können
verringert werden.
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Als
komplexes Metalloxid, das die Sinterkörperzelle 21 aufbaut,
ist angesichts der Fähigkeit, die Wärmebeständigkeit
des Infrarotsensors S weiter zu erhöhen, ein komplexes
Metalloxid bevorzugt, das ein Erdalkalielement und Mangan enthält,
und unter diesen ist die Verwendung eines komplexen Metalloxid,
das durch die folgende allgemeine Formel (I) dargestellt wird, stärker
bevorzugt. Ca(1-x)MxMnO3
(I)
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In
der Formel (I) ist M mindestens ein Element, das ausgewählt
ist aus Yttrium und Lanthanoiden, und x liegt im Bereich von 0 bis
0,05.
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Ein
Beispiel eines Verfahrens zur Herstellung einer Sinterkörperzelle 21,
die sich aus einem komplexen Metalloxid aufbaut, das durch die vorstehende
allgemeine Formel (I) dargestellt wird, wird erklärt. Zunächst
werden CaCO3, MnCO3 und
Y2O3 zusammen mit
gereinigtem Wasser in ein Mischgefäß gegeben,
worin Pulverisierungskugeln platziert worden sind, das Mischungsgefäß wird
an einer oszillierenden Kugelmühle montiert und für
1 bis 5 Stunden vibriert, wodurch der Inhalt des Mischungsgefäßes vermischt
wird. Die somit erhaltene Mischung wird filtriert, getrocknet, und
dann wird die getrocknete Mischung in einem elektrischen Ofen für
2 bis 10 Stunden bei 900 bis 1100°C vorläufig
kalziniert. Der somit durch das vorläufige Kalzinieren
erhaltene vorläufig kalzinierte Körper wird mit
einer oszillierenden Mühle pulverisiert, und das gemahlene
Produkt wird filtriert und getrocknet. Nach dem Trocknen wird ein
Bindemittel zu dem gemahlenen Produkt zugegeben, und dann wird durch
Sortieren/Sieben (grading) nach dem Trocknen granuliert. Danach
werden die somit erhaltenen Granalien in einer Presse geformt, und der
somit erhaltene Pressling wird einer Hauptkalzinierung in einem
elektrischen Ofen für 2 bis 10 Stunden bei 1100 bis 1300°C
unterzogen. Hierdurch wird die Sinterkörperzelle 21 aus
dem CaMnO3-System, dargestellt durch die
vorstehende allgemeine Formel (I), erhalten.
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Durch
Zwischenlagern/Einklemmen der Sinterkörperzelle 21 zwischen
zwei Kupferplatten und Bereitstellen eines Temperaturunterschieds
von 5°C über die obere und die untere Kupferplatte
unter Verwendung einer Heißplatte, um die untere Kupferplatte
zu erwärmen, kann hierin der Seebeck-Koeffizient α der
Sinterkörperzelle 21, erhalten durch das vorstehend
erwähnte Herstellungsverfahren, aus der Spannung gemessen
werden, die über die obere und die untere Kupferplatte
generiert wird. Zusätzlich kann der spezifische Widerstand ρ mit
dem Vierpolverfahren unter Verwendung eines digitalen Voltmeters
gemessen werden.
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Wenn
z. B. der Seebeck-Koeffizient der Sinterkörperzelle 21 aus
dem CaMnO3-System, dargestellt durch die
vorstehende allgemeine Formel (I), gemessen wird, wird ein großer
Wert von mindestens 100 μV/K erhalten.
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In
der durch die vorstehende allgemeine Formel (I) dargestellten Zusammensetzung
ist es zum Erhalt von hohen Werten für den Seebeck-Koeffizienten α und
den spezifischen Widerstand ρ bevorzugt, dass x im Bereich
von 0 bis 0,05 liegt.
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Darüber
hinaus ist es besonders bevorzugt, wenn x 0 ist, d. h., dass die
Sinterkörperzelle 21, die sich aus CaMnO3 aufbaut, keine Verunreinigungen von Yttrium
oder Lanthanoiden enthält, weil der Seebeck-Koeffizient
ferner auf etwa 400 μV/K erhöht wird. Durch die
Verwendung der Sinterkörperzelle 21 mit einem
außergewöhnlich hohen Seebeck-Koeffizienten von
etwa 400 μV/K kann die Anzahl der Einzelelemente 25,
die das thermoelektrische Umwandlungselement 20 aufbauen,
weiter verringert werden und die Struktur des Infrarotsensors S
kann weiter vereinfacht werden. Man beachte, dass, wenn man den
spezifischen Widerstand ρ der Sinterkörperzelle 21,
die sich aus CaMnO3 zusammensetzt, misst,
er etwa 0,05 bis 0,20 Ω·cm beträgt. Daher
ist es dem Infrarotsensor S möglich, die notwendige elektrische Leistung
zu erbringen.
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Elektroden 22, 23
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Das
Paar der Elektroden 22 und 23 ist jeweils auf
einer Erwärmungsoberfläche, die als eine (Außen)fläche
auf einer ersten Seite der Sinterkörperzelle 21 definiert
ist, und auf einer Kühlungsoberfläche, die als
eine (Außen)fläche auf einer gegenüberliegenden
Seite definiert ist, gebildet. Das Paar der Elektroden 22 und 23 ist
nicht besonders beschränkt, und es können konventionell
bekannte Elektroden verwendet werden. Dieses wird durch elektrisches
Verbinden von Kupferelektroden, die sich aus einem plattierten Metallkörper
und keramischen Platten, die metallisiert worden sind, zusammensetzen,
mit der Sinterkörperzelle 21 mit z. B. Lötzinn
oder dergleichen gebildet, so dass der Temperaturunterschied an
beiden Enden der Erwärmungsoberfläche und der
Kühlungsoberfläche der Sinterkörperzelle 21 gleichmäßig
gemacht wird.
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Bevorzugt
wird das Paar von Elektroden 22 und 23 durch ein
Sinterverfahren gebildet, indem eine leitfähige Paste auf
die Erwärmungsoberfläche und die Kühlungsoberfläche
der Sinterkörperzelle 21 aufgetragen wird. Entsprechend
diesem Verfahren kann das Paar von Elektroden 22 und 23 dünner
gebildet werden. Zusätzlich können Verschlechterungen
der thermischen Leitfähigkeit und der elektrischen Leitfähigkeit
vermieden werden, da es nicht notwendig ist, ein Bindemittel zu
verwenden, wie dies konventionell war, und es ist möglich,
die thermoelektrische Umwandlungseffizienz des Infrarotsensors S weiter
zu erhöhen. Darüber hinaus kann die Struktur des
thermoelektrischen Umwandlungselements 20 durch Integrieren
der Sinterkörperzelle 21 mit dem Paar von Elektroden 22 und 23 vereinfacht
werden.
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Leitfähiges Bauteil
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Der
Anschlussdraht 24, als leitfähiges Bauteil, verbindet
die Elektrode 22 auf einer Erwärmungsoberflächenseite
und die Elektrode 23 auf einer Kühlungsoberflächenseite
von Sinterkörperzellen 21, die aneinander angrenzen,
elektrisch in Serie. Indem ein thermoelektrisches Umwandlungselement 20 verwendet
wird, worin fünf der Einzelelemente 25 durch Anschlussdrähte 24 elektrisch
in Serie verbunden sind, kann die elektromotorische Kraft des thermoelektrischen
Umwandlungselements 20 erhöht werden, wodurch
die elektrische Leistung erhalten wird, die als Infrarotsensor S
notwendig ist.
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Die
Anschlussdrähte 24 sind nicht besonders beschränkt,
und es können konventionell bekannte Anschlussdrähte
verwendet werden. Zum Beispiel können Anschlussdrähte
verwendet werden, die sich aus gut leitfähigen Materialien
zusammensetzen, wie z. B. Gold, Silber, Kupfer und Aluminium.
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Da
die Wärmeleitfähigkeit von diesen Metallen auch
groß ist, ist es, um eine Wärmeleitung zu vermeiden,
bevorzugt, dass die Wärmeübertragung behindert
wird, indem die Querschnittsfläche des Anschlussdrahts 24 klein
gehalten wird. Spezifischer beträgt das Verhältnis
der Fläche der Elektroden 22 und 23 zur
Querschnittsfläche des Anschlussdrahts 24 bevorzugt
von 50:1 bis 500:1. Falls die Querschnittsfläche des Anschlussdrahts 24 zu
groß und außerhalb des vorstehenden Bereichs ist,
wird Wärme übertragen, und der notwendige Temperaturunterschied
wird nicht erhalten, und falls die Querschnittsfläche des
Anschlussdrahts 24 zu klein und außerhalb des
vorstehenden Bereichs ist, wird der elektrische Strom nicht fähig
sein, hierdurch durchzufließen, und die mechanische Festigkeit
wird auch schlecht sein.
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Eine
Verbindung 12 und eine Verbindung 13 als leitfähige
Bauteile verbinden beide Enden von Einzelelementen elektrisch, entlang
den in Serie verbundenen fünf Einzelelementen 25,
mit einer externen Elektrode, die nicht gezeigt ist. Die elektrische Energie,
die durch den Temperaturunterschied zwischen der Erwärmungsoberfläche
und der Kühlungsoberfläche von jedem der Einzelelemente 25 generiert
wird, kann zu externen Elektroden unter Verwendung der Verbindungen 12 und 13 geleitet
werden. Als Material der Verbindungen 12 und 13 kann
ein Material verwendet werden, das in einer oxidierenden Hochtemperaturumgebung
nicht leicht oxidiert, und bevorzugt können Silber, Messing,
SUS und dergleichen verwendet werden.
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Infrarot-absorbierende Schicht 30
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Die
Infrarot-absorbierende Schicht 30 ist auf der Elektrode 22 auf
der Seite der Erwärmungsoberfläche der fünf
Einzelelemente 25, die das thermoelektrische Umwandlungselement 30 bilden,
vorgesehen. Durch Vorsehen der Infrarot-absorbierenden Schicht ist
es möglich, auf den Infrarotsensor S einfallende Infrarotstrahlen
effektiv zu absorbieren, um die Temperatur zu erhöhen.
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Die
Materialien, die die Infrarot-absorbierende Schicht 30 aufbauen,
sind nicht besonders beschränkt, und es können
konventionell bekannte Infrarot-absorbierende Materialien verwendet
werden. Zum Beispiel kann die Infrarot-absorbierende Schicht 30 unter
Verwendung von NiCr gebildet werden. Wenn die Infrarot-absorbierende
Schicht mit einem Material gebildet wird, das elektrische Leitfähigkeit aufweist,
wie z. B. NiCr, wird die Infrarot-absorbierende Schicht 30 bevorzugt über
eine isolierende Schicht auf den individuellen Elektroden 22 auf
der Erwärmungsoberflächenseite gebildet. Auch
ist es möglich, die Infrarot-absorbierende Schicht 30 direkt auf
der Elektrode 22 zu bilden, wenn ein Infrarot-absorbierendes Material
verwendet wird, das sich aus einem organischen Material mit isolierenden
Eigenschaften zusammensetzt, wie in der vorliegenden Ausführungsform.
Es kann ein Maskenbildungsfilm als Verfahren zum Bilden eines Films
der Infrarot-absorbierenden Schicht 30 verwendet werden.
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Bei
dem Infrarotsensor S der ersten Ausführungsform, der solch
einen vorstehenden Aufbau aufweist, ist es möglich, eine
Verringerung der thermoelektrischen Umwandlungseffizienz durch Begrenzen der
Variation der Halbleitereigenschaften für jedes Element
zu unterdrücken und einen Infrarotsensor mit einer einfachen
Struktur herzustellen, weil das thermoelektrische Umwandlungselement 20 verwendet
wird, das durch fünf der Einzelelemente 25 aufgebaut
ist.
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Zweite Ausführungsform
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In
der 3 ist ein Infrarotsensor S' gemäß einer
zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gezeigt.
Wie in 3 gezeigt, ist der Infrarotsensor S' gemäß der
vorliegenden Ausführungsform dadurch gekennzeichnet, dass
er ein thermoelektrisches Umwandlungselement 60 umfasst,
das von einem Einzelelement 65 aufgebaut wird. In der vorliegenden
Ausführungsform ist ein Anschlussdraht 24, wie
z. B. bei der ersten Ausführungsform, nicht erforderlich,
und die Verbindungen 52 und 53 sind als leitfähige
Bauteile enthalten, da das thermoelektrische Umwandlungselement 60 von
einem Einzelelement 65 aufgebaut wird. Darüber
hinaus ist der Aufbau ähnlich zu dem der ersten Ausführungsform,
bis auf das thermoelektrische Umwandlungselement 60.
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Thermoelektrisches Umwandlungselement 60
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Das
thermoelektrische Umwandlungselement 60, das in dem Infrarotsensor
S' der vorliegenden Ausführungsform verwendet wird, ist
aus einem Einzelelement 65 aufgebaut. Als Ergebnis ist
es möglich, eine Verringerung der thermoelektrischen Umwandlungseffizienz
zu unterdrücken, die durch eine Variation der Halbleitereigenschaften
verursacht wird, die aufgrund der Bildung einer p-n-Verbindung zwischen
verschiedenen ähnlichen Elementen auftritt, während
eine weiter vereinfachte Struktur hergestellt werden kann. Man beachte,
dass für eine Sinterkörperzelle 61 und
ein Paar von Elektroden 62 und 63, die das thermoelektrische
Umwandlungselement 60 aufbauen, ähnliche Materialien
wie im Infrarotsensor S gemäß der ersten Ausführungsform
verwendet werden können.
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Die
Sinterkörperzelle 61, die das Einzelelement 65 aufbaut,
setzt sich aus einer Zusammensetzung zusammen, die durch die vorstehende
allgemeine Formel (I) dargestellt wird, worin x 0 ist, d. h., CaMnO3, welches keine Verunreinigungen von Yttrium
und Lanthanoiden enthält. Solange es solch eine Sinterkörperzelle 61 ist,
ist es möglich, den Infrarotsensor S' mit dem thermoelektrischen
Umwandlungselement 60, das sich aus einem Einzelelement 65 zusammensetzt,
zu bilden, wie in der vorliegenden Ausführungsform, weil
der Seebeck-Koeffizient weiter auf etwa 400 μV/K erhöht
ist.
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Bei
dem Infrarotsensor S' der zweiten Ausführungsform, der
solch einen vorstehenden Aufbau annimmt, ist es möglich,
eine Verringerung der thermoelektrischen Umwandlungseffizienz durch
weiteres Begrenzen der Variation der Halbleitereigenschaften für
jedes Element effektiv zu unterdrücken und einen Infrarotsensor
herzustellen, der eine noch einfachere Struktur aufweist, weil das
thermoelektrische Umwandlungselement 60, das nur durch
das eine Einzelelement 65 aufgebaut wird, verwendet wird.
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Man
beachte, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehend
beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist,
und es können verschiedene Modifikationen hieran innerhalb
eines Umfangs durchgeführt werden, in dem nicht von der Aufgabe
hiervon abgewichen wird. Zum Beispiel sind die Form und Anordnung
der Verbindungen auch nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen
begrenzt und können eine Form aufweisen, die sich unterhalb
des Substrats erstreckt.
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Zusammenfassung
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Ein
Infrarotsensor (S) umfasst ein Substrat (10) mit einer
hierauf gebildeten isolierenden Schicht (11), ein auf dem
Substrat über die isolierende Schicht montiertes thermoelektrisches
Umwandlungselement (20) und eine auf dem thermoelektrischen
Umwandlungselement montierte Infrarot-absorbierende Schicht (30).
Dieses thermoelektrische Umwandlungselement umfasst mindestens ein
Einzelelement (25), das eine Erwärmungsoberfläche, die
als eine (Außen)fläche definiert ist, und eine
Kühlungsoberfläche, die als die gegenüberliegende
(Außen)fläche der Erwärmungsoberfläche
definiert ist, aufweist, zum Generieren einer elektrischen Kraft aus
dem Temperaturunterschied, der zwischen der Erwärmungsoberfläche
und der Kühlungsoberfläche besteht. Das Einzelelement
umfasst eine Sinterzelle (21) aus einem metallischen Kompositoxid,
ein Paar von Elektroden (22 und 23), das auf der
Erwärmungsoberfläche und der Kühlungsoberfläche
der Sinterzelle gebildet ist, und Anschlussdrähte (24) zum
elektrischen Verbinden in Serie der Elektrode (22) auf
der Erwärmungsoberfläche und der Elektrode (23)
auf der Kühlungsoberfläche.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 01-179376 [0004, 0005]
- - JP 2004-037198 [0006, 0007]