JPH0249124A

JPH0249124A - サーモパイル

Info

Publication number: JPH0249124A
Application number: JP1121475A
Authority: JP
Inventors: Takao Hattori; 隆雄服部; Mizuya Hoshikawa; 星川　水哉; Tatsuya Tsuda; 達也津田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Audio Video Engineering Co Ltd
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba AVE Co Ltd
Priority date: 1988-05-17
Filing date: 1989-05-17
Publication date: 1990-02-19
Also published as: US5045123A

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】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、例えば赤外線検出器として用いられるサーモ
パイルに関し、特に、温接合部と冷接合部との間の温度
差を大きくして、測定感度を向上させることができるサ
ーモパイルに関する。

（従来の技術）熱雷特性が異なる２種の金属または半導体を接合しこれ
らの接合点に温度差を与えると起電力を生じる効果（３
ｅｅｂｅｃｋ効果）を利用したものに、赤外線検出用の
サーモカップルがある。第６図（ａ　＞は、このような
サーモカップルを多数直列に接続して大きな起電力を得
るようにしたサーモパイルが示されている。

このサーモパイルは、基板上に形成されたパターン支持
Ｍ膜５０、このパターン支持薄膜５０上に例えばフォト
エツチングの技術を用いて形成された複数の第１．第２
の熱電材料膜５１．５３を有している。これら第１．第
２の熱電材料膜５１゜５３は、互いに直列となるように
接続されており、複数のサーモカップル５５を構成して
いる。

そして、上記各サーモカップル５５は、温接合部ａと冷
接合部すとを有しており、各サーモカップル５５の温接
合部ａを入射光によって温め、冷接合部すとの間に生じ
た温度差による起電力を測定して赤外線を検出するもの
である。

すなわち、上記サーモパイルは、上記パターン支持薄膜
５０上に赤外線吸収率の大きい受光部５７を有しており
、その受光部５７の近傍に上記各サーモカップル５５の
温接合部ａが配置されている。そして、上記支持′？ｓ
膜５０は、第６図（ｂ　）に示す如くに、キャン５９内
に取付けられており、このキャン５９には上記受光部５
７の真上に当る部分に一定波長以上の赤外線のみを透過
するため、上記受光部５７とほぼ同じ形状のフィルタ６
１が設けられている。そしてこのフィルタ６１を透過し
た赤外線（同図中の入射光Ｂ−）は薄膜５０上の受光部
５７を照射し、吸収される。この結果受光部５７は温度
上昇をおこし、近接して配列した温接合部ａを温める。

このようにして冷接合部すとの温度差が大きくなり、起
電力が生じ、その起電力を測定することにより、赤外線
を検出する。

このとき、各サーモカップルの温接合部ａと冷接合部す
の温度差を大きくする程、高感度のサーモパイルが得ら
れる。

（発明が解決しようとする課題）ところが従来のサーモパイルにあっては、第６図（ｂ　
）の入射光Ｂ′のような赤外光だけであれば温接合部ａ
のみが温められ、冷接合部すとの温度差が大きくなるが
、実際にはフィルタ６１に対し浅い角度で入射する赤外
光（入射光Ａ′）がある。この光は受光部５７を照射せ
ず直接冷接合部すを照射し温めてしまうため、結果とし
て温接合部ａと冷接合部すとの温度差を小さくしてしま
い、測定感度を低くしていた。これは従来のサーモパイ
ルが平面構造を有しているためである。

このような欠点を解決するために、凹面鏡やオプティカ
ルコーン等の鏡面集中器を用いてその焦点部分に受光部
を配置し入射光を出来るだけ受光部に集光させるように
した工夫もなされている（特開昭５７−１０４８２７号
）。しかし、この場合もサーモパイルが平面構造を有し
ているため、入射光の一部が冷接合部にも入射し温接合
部と冷接合部間の温度差を小さくする欠点はいぜんとし
て残っていた。このため温−冷接合部間の温度差をでき
るだけ大きくとることができるような抜本点改善が望ま
れていた。

また、第６図に示した如くの従来のサーモパイルは、上
述した如くに平面構造を有していたため、上記パターン
支持？ＩＪ膜５０上にサーモカップル５５のパターンを
効率よく形成することが困難であり、第６図（ａ　）に
示す如くに、いわゆるプツトスペース６３が生じてしま
うものであった。従って、上記パターン支持薄膜５０上
に形成されるサーモカップル５５のパターンの借も著し
く制限されていまうものであった。

この発明は、上記欠点に鑑みてなされたものであり、そ
の目的は、高感度を達成することのできるサーモパイル
を提供することである。

この発明の他の目的は、温接合部と冷接合部との間の温
度差を大きくすることができる構造を有するサーモパイ
ルを提供することである。

この発明の他の目的は、サーモパイル素子の単位面積当
りのサーモカップルパターンの量を増大させることがで
きるサーモパイルを提供することである。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）この発明は上記課題を解決するために、被測定光の入射
方向に断面が向くように配置された側面に異なる２種の
熱雷材料膜が相互に直列結合して形成されている柱状基
体を有するサーモパイルであって、金属の結合部が、前
記柱状基体における被測定光の入射側端に温接合部とし
て、また柱状基体における当該入射側端の反対側端に冷
接合部としてそれぞれ形成されていることを要旨とづるまた、この発明は、入射する被測定光を検出するための
サーモパイルであって、その側面に上記入射被測定光が
当らない様に上記入射被測定光に対して平行方向に延び
る側面を有する柱状基板と、温接合部と冷接合部とを有
するサーモカップルを形成する様に前記柱状基板の側面
上において相互に直列に配設された第１および第２の熱
雷材料膜とを具備し、前記柱状基板の側面上における上
記入射被測定光の入射端部に−Ｆ記サーモカップルの温
接合部が配設され、前記柱状基板の側面上における上記
入射端部の反対端部に上記サーモカップルの冷接合部が
配設されていることを要旨とする。

（作用）この発明に係るｔナーモバイルにあっては、被測定光の
入射方向に断面が向くように配置された柱状基板の側面
における被測定光の入射上端部にサーモカップルの温接
合部を、また前記入射端部の反対側端にサーモカップル
の冷接合部をそれぞれ形成することで、冷接合部への入
射光をなくし温度差を大きくなるようにしているもので
ある。

（実施例）以下、この発明の実施例を図面を用いて説明する。

第１図（ａ　）および第１図（ｂ　）は、この発明の一
実施例に係るサーモパイルのぞれぞれ外観斜視図および
断面構成図である。

本実施例のサーモパイルは、ポリイミドおよびポリエス
テル等から成る円筒の形状を有した柱状パターン支持基
体１を有しており、上記パターン支持基体１の側面３は
、入射光に対して平行となっており、その側面３上には
、温接合部ａと冷接合部すとを有するサーモカップル４
を形成する様に第１および第２の熱電材料１ｉ！５．７
が相互に直列に配設されている。そして、上記温接合部
ａは、上記柱状パターン支持基体１の側面３上における
入射光の入射端部９に位置する様に、配設され、上記冷
接合部すは、上記柱状パターン支持基体１の側面３上に
おける上記入射端部９の反対端部１１に位置する様に配
設されている。そして、上記柱状パターン支持基体１の
上部断面は、入射光に対して直角となっており、その上
部断面には、入射した赤外光を受光する受光部１３とし
て、黒化処理を施した良熱伝導性キャップが取り付けら
れている。

上記第１１ｆ３よび第２の熱電材料膜５，７は、例えば
３ｉおよびｓｂなどをそれぞれ材料とし、メタルマスク
法またはフォトマスク法と組合せた真空蒸着、スパッタ
リング法などで形成される。

そして、上記柱状パターン支持基体１は、第１図（ｂ）
に示す如くに、入射光を制限するために円筒形状のキャ
ン１５内に収納されており、上記キ１？ン１５の上部に
おける、上記柱状パターン支持基体１の受光部１３の真
上にあたる部分にはカットオン波長６．０μｍの赤外線
透過フィルタ１７が設けられている。そして、上記フィ
ルタ１７は、上記受光部１３とほぼ同形状となっている
。

また、第１図（ａ　）に示す如くに、上記第１および第
２の熱電材料膜５．７の端部には、リード線ターミナル
１９を介して発生した熱起電力を外部へ取り出すための
ボンディングワイヤ２１が接続されている。

第１図（ｂ）においてサーモパイルに照射された入射光
のうち６．０μｍ以上の赤外光がフィルタ１７を透過し
、受光部１３に吸収されて熱に変換される。これにより
受光部１３側の入射端部９に配置されたサーモカップル
４の温接合部ａの温度を上昇させる。一方冷接合部すは
受光部１３より隔てられたところに配置されているため
温度上昇はない。第２図に示すようにフィルタ１７を透
過し、受光部１３に垂直に入射した赤外光（図中のＢ）
は受光部１３によって吸収されるが、フィルタ１７を斜
めに入射した光（図中のＡ）は入射光Ｂに対して平行な
位置関係で配置された温および冷接合部ａおよびｂを直
接照射することなくキャン１５に吸収されるので冷接合
部すを温めることはない。

したがって上記本実施例では入射光に対しサーモカップ
ルパターンが平行に配置され、また受光部から隔ったと
ころに冷接合部が配列されているので入射光が冷接合部
を温めることは皆無となり温接合部と冷接合部との間に
十分な温度差が生じ、サーモパイル全体として安定した
大きな熱起電力が得られる。

なお、第１表は第６図（ｂ　）に示す従来例および第２
図に示す本実施例の温および冷接合部上方２１ｍの空間
■、■および■、■の温度測定の結果を示すものである
。この表から明らかなように、従来例に比べ本実施例に
おいては大きな温度差がみられる。

（以下余白）第　　１表また、このような温度差の大小が熱起電力に現われる結
果を第２表に示す。この表は本実施例、従来の構造を有
するサーモパイル（比較例１）、従来と同構造で冷接合
部上に熱反射膜を被膜したサーモパイル（比較例２）の
、表面温度４０℃の擬做黒体より放射される赤外線に対
し出力されるそれぞれの熱起電力の測定結果を示すもの
である。

なお、サーモカップル数は本実施例、従来例ともに１０
対である。

この表から明らかなように本実施例の出力は比較例１に
対し約５０％、比較例２に対し約２４％の上昇を示し、
感度の向上がみられる。

次に、第３図および第４図を参照して、上述した本発明
に従うサーモパイルの製造方法について説明する。

先ず、第３図（ａ　）に示す如くのポリイミド、ポリエ
ステル等の弾性材料よりなる長方形状の基体材料１を用
意する（第４図のステップ１００）。

そして、ステップ１０１において、上記基体材料１ａ上
にＢｉから成る第１の熱電材料膜５を第３図（ｂ）に示
す如くに形成する。

そして、ステップ１０３において、上記第１の熱雷材料
膜５の形成された基体材料１上に温接合部ａと冷接合部
すとを有するサーモカップルを形成する様にｓｂから成
る第２の熱電材料膜７を第３図（Ｃ）に示す如くに形成
する。

ここで、第３図（Ｃ）に示す如くに、上記基体材料１ａ
上において上記サーモカップルは非常に効率よく配置さ
れおり、第６図の従来例で示した如くのプツトスペース
は全くないものである。

従って、上記配置構造によれば、サーモパイル素子の単
位面積当りのサーモカップルパターンの量を増大させる
ことができる。

次に、ステップ１０５において、上記第１および第２の
熱電材料膜５，７の形成された基体材料１の端部に支持
棒２５を接着剤等により接着させる（第３図（ｄ））。

ステップ１０７において、上記基体材料１Ｊを第３図（
ｅ　）に示す如くに巻き付け、ステップ１０９および１
１１において、前記円筒形状のパターン支持基体１を形
成するために、上記巻き付けられた上記基体材料１ａの
端部を接着し、上記基体１ａと支持棒２５とを切り離す
（第３図（ｆ　）、第３図（Ｑ））。

次に、ステップ１１３において、ポリイミド、ポリエス
テル等から成る第３図（ｈ）に示す如く円筒状の受光部
１３を用意し、ステップ１１５において、ＡＵによって
真空蒸着し、黒化処理を行う（第３図（ｉ））。そして
、ステップ１１７において、上記柱状パターン支持基体
１の上部に上記受光部１３を取り付け、カシメ処理によ
って接合する（第３図（ｊ））。

次に、ステップ１１９において、上記柱状パターン支持
基体１とキャン１５の下部２７とが、熱電導性接着剤に
よって第３図（ｋ）に示す如くに接合され、ステップ１
２１において、前記第１および第２の熱電材料ｇｆｉ５
．７の端部とリード線ターミナル１９との間が、ボンデ
ィングワイヤ２１によって第３図ｉ）に示す如くに接続
される。

そして、ステップ１２３において、３ｉ等から成る赤外
線透過フィルタ１７が用意され（第３図（ｎ））、ステ
ップ１２５において、上記赤外線透過フィルタ１７がキ
ャン１５の上部２８の上面に設けられた窓に第３図（ｎ
　＞に示す如くに取り付けられる。そして、ステップ１
２７において、上記キせン１５の上部２８と下部２７と
が接合され、第３図（０）に示す如くにサーモパイルが
完成するものである。

次に、第５図を参照して、本発明の他の実施例に係るサ
ーモパイルについで説明する。

第５図（ａ　）に示す如くに、この実施例は、柱状パタ
ーン支持基体３１が、多重巻き構造となっており、受光
部３２が平板状になっているものである。他の構成は、
前述した第１の実施例と同様なので詳しい説明は省略す
る。

上記多重巻き構造によれば、上記柱状パターン支持基体
３１のサーモカップル形成面の面積をより広くとること
ができるため、前述した第１実施例の効果に加えより効
率のよいサーモパイルを提供することができるものであ
る。

［発明の効果］以上説明したように、この発明によれば、被測定光の入
射方向に断面が向くように配置された柱状基体の前記被
測定光の入射側端にサーモカップルの温接合部を、また
前記入射側端の反対側端にサーモカップルの冷接合部を
それぞれ形成することで、冷接合部への入射光をな（し
温度差が大ぎくなるようにしたので、高感度のサーモパ
イルを提供できる。

さらに、柱状パターン支持基板の側面にサーモカップル
パターンを形成する様にしたので、サーモパイル素子の
単位面積当りのサーモカップルパターンの間を増大させ
、非常に効率の良いサーモパイルを提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るサーモパイルの構成を
示す図、第２図は第１図に示したサーモパイルの動作説
明図、第３図は第１図に示したサーモパイルの製造工程
図、第４図は第３図に示した製造工程のフローチレート
、第５図は本発明の他の実施例に係るサーモパイルの構
造説明図、第６図は従来のサーモパイルの構成図である
。１・・・柱状パターン支持基体１ａ・・・基体材料　　　　４・・・サーモカップル５
・・・第１の熱雷材料膜７・・・第２の熱雷材料膜９・・・入射端部　　　　１１・・・反対端部１３・・
・受光部　　　　　１５・・・キャン１７・・・赤外線
透過フィルタ１９・・・リード線ターミナル２１・・・ボンディングワイヤ３１・・・柱状パターン支持基体３２・・・受光部　　　　　５０・・・パターン支持薄
膜５１・・・第１の熱雷材料膜５３・・・第２の熱雷材料膜

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被測定光の入射方向に断面が向くように配置され
側面に異なる２種の熱電材料膜が相互に直列結合して形
成されている柱状基体を有するサーモパイルであつて、前記熱電材料膜の結合部が、前記柱状基体における被測
定光の入射側端に温接合部として、また柱状基体におけ
る当該入射側端の反対側端に冷接合部としてそれぞれ形
成されていることを特徴とするサーモパイル。
（２）入射する被測定光を検出するためのサーモパイル
であって、その側面に上記入射被測定光が当らない様に
上記入射被測定光に対して平行方向に延びる側面を有す
る柱状基体と、温接合部と冷接合部とを有するサーモカ
ップルを形成する様に前記柱状基体の側面上において相
互に直列に配設された第１および第２の熱電材料膜とを
具備し、前記柱状基体の側面上における上記入射被測定
光の入射端部に上記サーモカップルの温接合部が配設さ
れ、前記柱状基板の側面上における上記入射端部の反対
端部に上記サーモカップルの冷接合部が配設されている
ことを特徴とするサーモパイル。
（３）前記柱状基体が円筒状構造を有することを特徴と
する請求項または２記載のサーモパイル。