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JPH11258038A - Infrared sensor - Google Patents

Infrared sensor

Info

Publication number
JPH11258038A
JPH11258038A JP10083020A JP8302098A JPH11258038A JP H11258038 A JPH11258038 A JP H11258038A JP 10083020 A JP10083020 A JP 10083020A JP 8302098 A JP8302098 A JP 8302098A JP H11258038 A JPH11258038 A JP H11258038A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
infrared
thermopile
infrared absorber
infrared sensor
absorber
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Granted
Application number
JP10083020A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3580126B2 (en
Inventor
Kenji Sakurai
顕治 櫻井
Masakazu Shiiki
正和 椎木
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Omron Corp
Original Assignee
Omron Corp
Omron Tateisi Electronics Co
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 Omron Corp, Omron Tateisi Electronics Co filed Critical Omron Corp
Priority to JP08302098A priority Critical patent/JP3580126B2/en
Publication of JPH11258038A publication Critical patent/JPH11258038A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3580126B2 publication Critical patent/JP3580126B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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    • AHUMAN NECESSITIES
    • A41WEARING APPAREL
    • A41BSHIRTS; UNDERWEAR; BABY LINEN; HANDKERCHIEFS
    • A41B9/00Undergarments
    • A41B9/004Undergarments characterized by the crotch

Landscapes

  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)
  • Spectrometry And Color Measurement (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高感度で安価なサーモパイル型赤外線センサ
を提供する。 【解決手段】 ヒートシンク22の上面にサーモパイル
29を形成し、サーモパイル29の各温接点28を円環
状をした赤外線吸収体30によって覆う。ヒートシンク
22の上にフレネルレンズ33を有するレンズ基板32
を積層し、フレネルレンズ33ト赤外線吸収体30を位
置合わせする。サーモパイル29と赤外線吸収体30
は、ヒートシンク22とレンズ基板32の間に封止す
る。
(57) [Summary] [PROBLEMS] To provide a thermopile infrared sensor with high sensitivity and low cost. A thermopile is formed on an upper surface of a heat sink, and each hot junction of the thermopile is covered by an annular infrared absorber. Lens substrate 32 having Fresnel lens 33 on heat sink 22
Are laminated, and the Fresnel lens 33 and the infrared absorber 30 are aligned. Thermopile 29 and infrared absorber 30
Is sealed between the heat sink 22 and the lens substrate 32.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、直列接続された複
数個の熱電対により赤外線量や温度、温度変化等を計測
する赤外線センサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an infrared sensor for measuring an infrared ray amount, a temperature, a temperature change, and the like using a plurality of thermocouples connected in series.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、人体等から発せられる赤外線を検
出する赤外線センサが防犯装置、耳式体温計等の様々な
分野で使用されている。
2. Description of the Related Art In recent years, infrared sensors for detecting infrared rays emitted from the human body or the like have been used in various fields such as security devices and ear thermometers.

【0003】図1及び第2図は、熱型赤外線センサとし
て用いられている、従来の一般的なサーモパイル型赤外
線センサ1の構造を示す平面図及び一部破断した斜視図
である。このサーモパイル型赤外線センサ1にあって
は、枠状をしたヒートシンク2内の空洞部3上面に熱絶
縁薄膜4を張ってあり、ヒートシンク2上面から熱絶縁
薄膜4上面にかけて2種の金属又は半導体(第1熱電材
料5、第2熱電材料6)を多数配線し、ヒートシンク2
上面で両金属を接合させて熱電対の冷接点7を形成し、
熱絶縁薄膜4上面で両金属を接合させて熱電対の温接点
8を形成し、熱電対を直列に接続されたサーモパイル9
の両端にそれぞれ電極10を設けている。熱絶縁薄膜4
の上に形成された温接点8は矩形状に形成された赤外線
吸収体11により覆われている。また、サーモパイル9
及び赤外線吸収体11の上方には、赤外線フィルタ12
が配設されている。
FIGS. 1 and 2 are a plan view and a partially cutaway perspective view showing the structure of a conventional general thermopile infrared sensor 1 used as a thermal infrared sensor. In the thermopile type infrared sensor 1, a heat insulating thin film 4 is stretched on the upper surface of the cavity 3 in the heat sink 2 having a frame shape. A large number of first thermoelectric materials 5 and second thermoelectric materials 6) are wired, and the heat sink 2
By joining both metals on the upper surface, a cold junction 7 of a thermocouple is formed,
The two metals are joined on the upper surface of the heat insulating thin film 4 to form a hot junction 8 of a thermocouple, and a thermopile 9 in which thermocouples are connected in series
Are provided at both ends. Thermal insulation thin film 4
The hot junction 8 formed on the top is covered with an infrared absorber 11 formed in a rectangular shape. In addition, thermopile 9
Above the infrared absorber 11, an infrared filter 12
Are arranged.

【0004】しかして、赤外線フィルタ12を透過した
赤外線が赤外線吸収体11に吸収されて熱に変換される
と、ヒートシンク2上に形成された冷接点7と温接点8
に温度差が生じることでサーモパイル9の電極10間に
起電力が生じる。すなわち、第1及び第2熱電材料5,
6の接合部(熱電対)の温度がTの時、当該接合部に生
じる熱起電力がφ(T)で表されるとし、熱絶縁薄膜4
上にはm個の温接点8が設けられ、ヒートシンク22上
にもm個の冷接点7が設けられているとすると、温接点
8の温度がTw、冷接点7の温度がTcであるときには、
サーモパイル9の両端の電極10間には、次の(1)式で
表される起電力Vが発生する。 V=m[φ(Tw)−φ(Tc)] 従って、ヒートシンク2の温度Tcが既知であるとする
と、電極10間に発生する起電力Vを測定することで測
定対象物の温度Twを非接触で計測することができる。
When the infrared light transmitted through the infrared filter 12 is absorbed by the infrared absorber 11 and converted into heat, the cold junction 7 and the hot junction 8 formed on the heat sink 2 are formed.
, A temperature difference is generated between the electrodes 10 of the thermopile 9 to generate an electromotive force. That is, the first and second thermoelectric materials 5,
6, when the temperature of the junction (thermocouple) is T, the thermoelectromotive force generated at the junction is represented by φ (T).
Assuming that m hot junctions 8 are provided on the upper side and m cold junctions 7 are also provided on the heat sink 22, when the temperature of the hot junction 8 is Tw and the temperature of the cold junction 7 is Tc ,
An electromotive force V represented by the following equation (1) is generated between the electrodes 10 at both ends of the thermopile 9. V = m [φ (Tw) −φ (Tc)] Therefore, assuming that the temperature Tc of the heat sink 2 is known, the temperature Tw of the measurement object is measured by measuring the electromotive force V generated between the electrodes 10. It can be measured by contact.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】従来の赤外線センサで
は、サーモパイルに入射する赤外線の波長領域は、使用
されている赤外線フィルタの透過率特性によって決まる
が、赤外線フィルタとしては、安価であるためシリコン
・フィルタが用いられることが多い。しかし、シリコン
・フィルタでは、可視光線および近赤外線が比較的よく
透過するためセンサの誤動作が起きやすいという欠点が
あった。このため、ノイズとなる波長域の光をカットす
るため、フィルタの片面または両面に反射防止膜(多層
膜)等を形成することにより、5μm以下の波長の光を
カットオフした赤外線フィルタも用いられている(特開
平4−315927号公報、特開平7−120307号
公報)。しかし、このような赤外線センサは、非常に高
価であった。
In the conventional infrared sensor, the wavelength range of the infrared light incident on the thermopile is determined by the transmittance characteristics of the infrared filter used. Filters are often used. However, the silicon filter has a disadvantage that the sensor easily malfunctions because visible light and near infrared light are transmitted relatively well. For this reason, an infrared filter that cuts off light having a wavelength of 5 μm or less by forming an anti-reflection film (multilayer film) on one or both sides of the filter to cut off light in a wavelength range that becomes noise is also used. (JP-A-4-315927 and JP-A-7-120307). However, such an infrared sensor was very expensive.

【0006】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、高感度で安
価な赤外線センサを提供することにある。
The present invention has been made in view of the above-mentioned drawbacks of the conventional example, and has as its object to provide a highly sensitive and inexpensive infrared sensor.

【0007】[0007]

【発明の開示】請求項1に記載した赤外線センサは、赤
外線の強弱により温度が変化する赤外線吸収体と、前記
赤外線吸収体の温度を電気信号に変換する素子とを有す
る赤外線センサにおいて、前記赤外線吸収体に対向する
回折レンズを備え、回折レンズと赤外線吸収体との距離
が、赤外線の所定波長に対する回折レンズの焦点距離よ
りも長く、もしくは短くなるようにしたことを特徴とし
ている。
The infrared sensor according to claim 1, wherein the infrared sensor has an infrared absorber whose temperature changes depending on the intensity of infrared light, and an element for converting the temperature of the infrared absorber into an electric signal. A diffraction lens facing the absorber is provided, and the distance between the diffraction lens and the infrared absorber is longer or shorter than the focal length of the diffraction lens for a predetermined wavelength of infrared light.

【0008】請求項1の赤外線センサにあっては、フレ
ネルレンズ等の回折レンズによって赤外線吸収体に赤外
線を集光させるようにしているから、感度を向上させる
ことができる。しかも、回折レンズと赤外線吸収体との
距離が、赤外線の所定波長に対する回折レンズの焦点距
離よりも長く、もしくは短くなるようにしているから、
赤外線吸収体の面積を広くでき、赤外線吸収体による赤
外線の検出効率を高くすることができる。また、回折レ
ンズを用いることにより、コストも安価にできる。
In the infrared sensor according to the first aspect, since infrared rays are focused on the infrared absorber by a diffractive lens such as a Fresnel lens, the sensitivity can be improved. Moreover, since the distance between the diffractive lens and the infrared absorber is longer or shorter than the focal length of the diffractive lens for a predetermined wavelength of infrared light,
The area of the infrared absorber can be increased, and the efficiency of infrared detection by the infrared absorber can be increased. In addition, the cost can be reduced by using the diffraction lens.

【0009】請求項2に記載の実施態様は、請求項1記
載の赤外線センサにおいて、前記赤外線吸収体が環状に
形成されていることを特徴としている。
According to a second aspect of the present invention, in the infrared sensor according to the first aspect, the infrared absorber is formed in a ring shape.

【0010】請求項2の赤外線センサは、赤外線吸収体
が環状となっているので、所定の波長域外の光を赤外線
吸収体の外周側と内周側へ逃すことができ、所定波長域
の赤外線だけを選択的に検出することができる。
In the infrared sensor according to the second aspect of the invention, since the infrared absorber is formed in a ring shape, light outside the predetermined wavelength range can be released to the outer peripheral side and the inner peripheral side of the infrared absorber. Can be selectively detected.

【0011】請求項3に記載の実施態様は、請求項1記
載の赤外線センサにおいて、前記赤外線吸収体と前記変
換素子を設けた第1の基板と、前記回折レンズを設けた
第2の基板を重ねて一体化したことを特徴としている。
According to a third aspect of the present invention, in the infrared sensor according to the first aspect, the first substrate provided with the infrared absorber and the conversion element and the second substrate provided with the diffraction lens are provided. It is characterized by being stacked and integrated.

【0012】請求項3に記載の赤外線センサは、全体が
積層一体化されているので、赤外線センサを小型化する
ことができる。また、回折レンズと赤外線吸収体とのア
ライメント等も容易に行なえる。
Since the infrared sensor according to the third aspect is entirely laminated and integrated, the size of the infrared sensor can be reduced. Further, alignment of the diffraction lens and the infrared absorber can be easily performed.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】(第1の実施形態)図3は本発明
の一実施形態によるサーモパイル型赤外線センサ21の
一部破断した斜視図、図4はその断面図である。このサ
ーモパイル型赤外線センサ21にあっては、シリコン基
板によって形成されたヒートシンク22の中央部上面に
空洞部23が開口されており、空洞部23の上面には熱
絶縁薄膜24が形成されている。この熱絶縁薄膜24
は、Si02やSiNなどによって形成されており、熱
容量を小さくするため数ミクロンの厚みにしている。ヒ
ートシンク22と熱絶縁薄膜24の境界部分において
は、ヒートシンク22の上面と熱絶縁薄膜24の上面に
かけて第1熱電材料25と第2熱電材料26が交互に配
線されており、ヒートシンク22上面で第1及び第2熱
電材料25,26を接合させて熱電対の冷接点27を設
け、熱絶縁薄膜24上面で第1及び第2熱電材料25,
26を接合させて熱電対の温接点28を設け、これによ
って熱電対が直列に接続された温度計測用のサーモパイ
ル29を形成している(図5)。熱絶縁薄膜24上の温
接点28が設けられた領域は、図5に示すように、A
u、Bi等の金属黒からなる赤外線吸収体30によって
円環状に覆われている。また、温度計測用のサーモパイ
ル29の両端には、それぞれ電極31が設けられてい
る。なお、図5において、斜線を施した領域のサーモパ
イル29は第1の熱電材料25を表し、斜線を施してい
ない領域のサーモパイル29は第2の熱電材料26を表
し、網掛けした領域は赤外線吸収体30を設ける領域を
示している。
(First Embodiment) FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of a thermopile infrared sensor 21 according to an embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a sectional view thereof. In the thermopile type infrared sensor 21, a cavity 23 is opened in the upper surface of a central portion of a heat sink 22 formed of a silicon substrate, and a heat insulating thin film 24 is formed on the upper surface of the cavity 23. This heat insulating thin film 24
Is formed by a Si0 2 or SiN, is a few microns thick to reduce the heat capacity. At the boundary between the heat sink 22 and the heat insulating thin film 24, the first thermoelectric material 25 and the second thermoelectric material 26 are alternately wired over the upper surface of the heat sink 22 and the upper surface of the heat insulating thin film 24. And the second thermoelectric material 25, 26 are joined to provide a cold junction 27 of a thermocouple, and the first and second thermoelectric materials 25,
26 are joined to provide a thermocouple hot junction 28, thereby forming a thermopile 29 for temperature measurement in which the thermocouples are connected in series (FIG. 5). The region where the hot junction 28 is provided on the heat insulating thin film 24 is, as shown in FIG.
It is annularly covered with an infrared absorber 30 made of black metal such as u or Bi. Electrodes 31 are provided at both ends of the thermopile 29 for temperature measurement. In FIG. 5, the thermopile 29 in the hatched area represents the first thermoelectric material 25, the thermopile 29 in the non-hatched area represents the second thermoelectric material 26, and the shaded area represents the infrared absorbing material. The area where the body 30 is provided is shown.

【0014】さらに、ヒートシンク22上には、シリコ
ン基板によって形成されたレンズ基板32がシリコンフ
ュージョンボンディング等によって接合されている。レ
ンズ基板32の上面には、図6に示すような輪帯状をし
たフレネルレンズ33が形成されている。また、レンズ
基板32の下面には凹部34が設けられており、凹部3
4の周囲をヒートシンク22に接合させてある。従っ
て、サーモパイル29や赤外線吸収体30は、ヒートシ
ンク22とレンズ基板32との間に気密的に封入されて
おり、サーモパイル29等の特性変化が少なくなってい
る。また、内部に窒素ガスや不活性ガスを封入すること
もできる。さらに、電極31の位置に対向させて、レン
ズ基板32には電極31を外部に露出させるためのホー
ル35が穿孔されている。
Further, on the heat sink 22, a lens substrate 32 formed of a silicon substrate is bonded by silicon fusion bonding or the like. An annular Fresnel lens 33 as shown in FIG. 6 is formed on the upper surface of the lens substrate 32. A concave portion 34 is provided on the lower surface of the lens substrate 32, and the concave portion 3 is provided.
4 is joined to the heat sink 22. Therefore, the thermopile 29 and the infrared absorber 30 are hermetically sealed between the heat sink 22 and the lens substrate 32, and the characteristic change of the thermopile 29 and the like is reduced. Further, a nitrogen gas or an inert gas can be sealed inside. Further, a hole 35 for exposing the electrode 31 to the outside is formed in the lens substrate 32 so as to face the position of the electrode 31.

【0015】しかして、この赤外線センサ21に赤外線
が入射すると、赤外線はフレネルレンズ33によって集
光され、温接点28上に形成された赤外線吸収体30に
吸収されて熱に変換される。そして、ヒートシンク22
上に形成された冷接点27と温接点28に温度差が生じ
ることでサーモパイル29の電極31間に起電力が出力
される。
When infrared rays enter the infrared sensor 21, the infrared rays are condensed by the Fresnel lens 33, absorbed by the infrared absorber 30 formed on the hot junction 28, and converted into heat. Then, the heat sink 22
An electromotive force is output between the electrodes 31 of the thermopile 29 due to a temperature difference between the cold junction 27 and the hot junction 28 formed above.

【0016】ここで、例えば赤外線吸収体30を円板状
にして、フレネルレンズ33の焦点を赤外線吸収体30
の1点にスポット状に集光させると検出効率は高くなる
が、赤外線吸収体30の面積が小さくなり、サーモパイ
ル29の熱電対本数を多くとることができないため出力
が落ちる。また、光学系のアライメントにも高い精度が
要求される。
Here, for example, the infrared absorber 30 is formed in a disk shape, and the focal point of the Fresnel lens 33 is set to the infrared absorber 30.
If the light is condensed in a spot at one point, the detection efficiency is increased, but the area of the infrared absorber 30 is reduced and the number of thermocouples of the thermopile 29 cannot be increased, so that the output decreases. Also, high precision is required for the alignment of the optical system.

【0017】そこで、本発明においては、図7に示すよ
うに、フレネルレンズ33の焦点が、検出対象とする波
長λの赤外線において赤外線受光面の位置の手前または
奥になるようにわざとずらし、赤外線受光面において当
該波長λの赤外線が輪帯状に少し広がるように設計す
る。赤外線受光面で輪帯状に少し広がっている赤外線領
域に一致させて赤外線吸収体30の位置及びサイズを決
めることにより、赤外線吸収体30の面積を広げること
ができ、サーモパイル29の熱電対本数(温接点数)を
減らすことなく赤外線吸収体30による赤外線の検出効
率を高くすることができる。なお、図7に示す33A
は、比較のためにフレネルレンズ33の大きさを示した
もの(フレネルレンズ33の影)である。
Therefore, in the present invention, as shown in FIG. 7, the focal point of the Fresnel lens 33 is deliberately shifted so that the infrared ray of the wavelength λ to be detected is located before or behind the position of the infrared ray receiving surface. The light receiving surface is designed so that the infrared ray of the wavelength λ spreads slightly in a ring shape. By determining the position and size of the infrared absorber 30 in accordance with the infrared region slightly expanding in a ring shape on the infrared light receiving surface, the area of the infrared absorber 30 can be enlarged, and the number of thermocouples of the thermopile 29 (temperature The efficiency of detecting infrared rays by the infrared absorber 30 can be increased without reducing the number of contacts. Note that 33A shown in FIG.
Shows the size of the Fresnel lens 33 for comparison (the shadow of the Fresnel lens 33).

【0018】さらに、図8に示すように、フレネルレン
ズ33は波長により焦点距離が異なるため、フレネルレ
ンズ33と円環状の赤外線吸収体30とを組合わせ、赤
外線吸収体30の輪帯の幅および直径の大きさを調節す
ることにより、特定の波長域の赤外線のみを険出するこ
とができる。すなわち、特定の波長外の光は、赤外線吸
収体30の外周側もしくは内周側へ外れるようにして、
赤外線吸収体30に照射されないようにする。具体的に
いうと、検出対象とする赤外線の波長領域のうち最大波
長の光が赤外線吸収体30の外周縁(又は、内周円)に
照射され、最小波長の光が赤外線吸収体30の内周縁
(又は、外周円)に照射されるようにする。
Further, as shown in FIG. 8, since the focal length of the Fresnel lens 33 varies depending on the wavelength, the Fresnel lens 33 and the annular infrared absorber 30 are combined, and the width of the annular zone of the infrared absorber 30 is reduced. By adjusting the size of the diameter, it is possible to emit only infrared light in a specific wavelength range. That is, light outside the specific wavelength is deviated to the outer peripheral side or the inner peripheral side of the infrared absorber 30,
The infrared absorber 30 is not irradiated. More specifically, the light of the maximum wavelength in the infrared wavelength region to be detected is irradiated to the outer peripheral edge (or inner peripheral circle) of the infrared absorber 30, and the light of the minimum wavelength is emitted from the infrared absorber 30. Irradiation is performed on the periphery (or outer circumference circle).

【0019】これと同じ効果を赤外線フィルタで実現し
ようとすると、フィルタの両面に反射防止用の多層膜を
施すなどの加工が必要となるため高価なデバイスとなる
が、この方法を用いれば安価で容易に実現することがで
きる。例えばSiフィルタは、1〜15μmの赤外線を
通すが、このうち5μm以下の波長をカットし、波長1
0μm付近の赤外線を主に検出したい場合には、図9に
示すように、波長1〜5μmの赤外線の光路を赤外線吸
収体30からはずし、波長10μm(5〜15μm)の
赤外線の光路の部分に赤外線吸収体30を配置してやれ
ばよい。
If the same effect is to be realized by an infrared filter, processing such as applying a multilayer film for antireflection to both surfaces of the filter is necessary, which is an expensive device. However, if this method is used, it is inexpensive. It can be easily realized. For example, a Si filter allows infrared rays of 1 to 15 μm to pass therethrough.
When it is desired to mainly detect an infrared ray near 0 μm, as shown in FIG. 9, the optical path of the infrared ray having a wavelength of 1 to 5 μm is removed from the infrared absorber 30, and the optical path of the infrared ray having a wavelength of 10 μm (5 to 15 μm) is removed. What is necessary is just to arrange | position the infrared absorber 30.

【0020】また、この実施形態によれば、サーモパイ
ル29及び赤外線吸収体30を形成したヒートシンク2
2とフレネルレンズ33を形成したレンズ基板32とを
積層して内部にサーモパイル29や赤外線吸収体30を
封止する構造としているので、光学系のアライメントが
容易に行える。また、金属ステムや缶ケース等が不要に
なるので、コストダウンを図ることができる。
Further, according to this embodiment, the heat sink 2 having the thermopile 29 and the infrared absorber 30 formed thereon
2 and the lens substrate 32 on which the Fresnel lens 33 is formed, and the thermopile 29 and the infrared absorber 30 are sealed inside, so that alignment of the optical system can be easily performed. Further, since a metal stem, a can case, and the like are not required, the cost can be reduced.

【0021】次に、上記サーモパイル型赤外線センサ2
1の製造方法を図10により説明する。まず、ヒートシ
ンク22となるシリコン基板36の両面に窒化膜等から
なる熱絶縁薄膜24a,24bを被覆する[図10
(a)]。ついで、シリコン基板36の赤外線検出面側
にビスマスとアンチモン等の異種熱電材料からなる熱電
対を複数個直列に接続し、複数の温接点28及び冷接点
27を有するサーモパイル29を形成する。このときビ
スマスとアンチモンの電導ラインは、それぞれ蒸着法お
よびフォトリソグラフィ工程、リフトオフ法によりパタ
ーニングされる[図10(b)]。この後、スパッタな
どによりシリコン基板36の両面に酸化膜等からなる絶
縁膜37を被覆する[図10(c)]。シリコン基板3
6の赤外線検出面側に形成された絶縁膜37を、フォト
リソグラフィ工程により赤外線吸収体30のパターンに
合わせて一部除去した後、蒸着やスパッタなどにより金
やビスマス等の金属黒を堆積させ、リフトオフ法により
温接点28を覆う赤外線吸収体30を輪帯状にパターニ
ングし、絶縁膜37を剥離する[図10(d)]。つい
で、熱絶縁薄膜24に孔又はスリットをあけてKOH溶
液等によりシリコン基板36を赤外線検出面側から異方
性エッチングすることにより空洞部23と宙空状の熱絶
縁薄膜24を形成する[図10(e)]。
Next, the thermopile type infrared sensor 2
1 will be described with reference to FIG. First, both surfaces of a silicon substrate 36 serving as the heat sink 22 are coated with heat insulating thin films 24a and 24b made of a nitride film or the like [FIG.
(A)]. Next, a plurality of thermocouples made of different kinds of thermoelectric materials such as bismuth and antimony are connected in series on the infrared detection surface side of the silicon substrate 36 to form a thermopile 29 having a plurality of hot junctions 28 and cold junctions 27. At this time, the conductive lines of bismuth and antimony are patterned by a vapor deposition method, a photolithography step, and a lift-off method, respectively (FIG. 10B). Thereafter, an insulating film 37 made of an oxide film or the like is coated on both surfaces of the silicon substrate 36 by sputtering or the like [FIG. 10C]. Silicon substrate 3
6, after partially removing the insulating film 37 formed on the infrared detection surface side according to the pattern of the infrared absorber 30 by a photolithography process, depositing metal black such as gold or bismuth by vapor deposition or sputtering, The infrared absorber 30 covering the hot junction 28 is patterned in a ring shape by a lift-off method, and the insulating film 37 is peeled off (FIG. 10D). Then, holes or slits are formed in the heat insulating thin film 24, and the silicon substrate 36 is anisotropically etched from the infrared detection surface side with a KOH solution or the like, thereby forming the hollow portion 23 and the air insulating heat insulating thin film 24 [FIG. 10 (e)].

【0022】一方、レンズ基板32となるシリコン基板
38を異方性エッチングすることにより、電極31を取
り出すためのホール35をあけ[図(f)]、シリコン
基板38の赤外線検出面側と反対側の面を異方性エッチ
ングすることにより凹部34を形成する[図10
(g)]。こうして製作されたヒートシンク22とレン
ズ基板32を重ね合わせ、電極31とホール35等を位
置合わせして接合する[図10(h)]。この後、レン
ズ基板32の赤外線検知面側にAuやAlの金属膜を蒸
着またはスパッタし、フォトリソグラフィ工程によりフ
レネルレンズ33のパターンを形成する[図10
(i)]。このとき、両面アライナを用いることによ
り、フレネルレンズ33と赤外線吸収体30の各中心が
一致するように形成する。また、同時にレンズ基板32
とヒートシンク22の間の内部空間を真空に封止する。
On the other hand, a silicon substrate 38 serving as the lens substrate 32 is anisotropically etched to make a hole 35 for taking out the electrode 31 [FIG. A recess 34 is formed by anisotropically etching the surface of FIG.
(G)]. The heat sink 22 thus manufactured and the lens substrate 32 are overlapped, and the electrodes 31 and the holes 35 are aligned and joined [FIG. 10 (h)]. Thereafter, a metal film of Au or Al is deposited or sputtered on the infrared detecting surface side of the lens substrate 32, and a pattern of the Fresnel lens 33 is formed by a photolithography process [FIG.
(I)]. At this time, by using a double-sided aligner, the center of the Fresnel lens 33 and the center of the infrared absorber 30 are formed to coincide. At the same time, the lens substrate 32
The interior space between the heat sink 22 and the heat sink 22 is sealed in a vacuum.

【0023】フレネルレンズ33は、シリコン基板38
を等方性エッチングすることによって形成することがで
きるが、あるいは、レンズ基板32上に金属や有機系の
薄膜を形成し、これをエッチングすることによってフレ
ネルレンズ33を形成してもよい。
The Fresnel lens 33 includes a silicon substrate 38
Can be formed by isotropic etching, or a Fresnel lens 33 can be formed by forming a metal or organic thin film on the lens substrate 32 and etching it.

【0024】(第2の実施形態)図11は本発明の別な
実施形態によるサーモパイル型赤外線センサ41を示す
断面図である。この実施形態では、1枚のシリコン基板
にサーモパイル29と赤外線吸収体30とフレネルレン
ズ33を形成している。すなわち、シリコン基板によっ
て形成されたヒートシンク(兼レンズ基板)22の下面
には、空洞部23が形成されており、空洞部23の下面
に熱絶縁薄膜24が設けられている。熱絶縁薄膜24の
下面にはサーモパイル29が設けられており、サーモパ
イル29の下面(あるいは上面)には、円環状をした熱
絶縁薄膜24が形成されている。そして、このヒートシ
ンク22の上面にエッチング等によって直接フレネルレ
ンズ33が形成されている。
(Second Embodiment) FIG. 11 is a sectional view showing a thermopile type infrared sensor 41 according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, a thermopile 29, an infrared absorber 30, and a Fresnel lens 33 are formed on one silicon substrate. That is, a cavity 23 is formed on a lower surface of a heat sink (also a lens substrate) 22 formed of a silicon substrate, and a heat insulating thin film 24 is provided on a lower surface of the cavity 23. A thermopile 29 is provided on the lower surface of the heat insulating thin film 24, and an annular heat insulating thin film 24 is formed on the lower surface (or upper surface) of the thermopile 29. The Fresnel lens 33 is formed directly on the upper surface of the heat sink 22 by etching or the like.

【0025】このような実施形態によれば、1枚のシリ
コン基板の表裏にフレネルレンズ33とサーモパイル2
9及び赤外線吸収体30とを設けているので、光学系の
アライメントが容易になり、またコストも安価になる。
According to this embodiment, the Fresnel lens 33 and the thermopile 2 are placed on the front and back of one silicon substrate.
9 and the infrared absorber 30, the alignment of the optical system is facilitated and the cost is reduced.

【0026】(第3の実施形態)図12は本発明の別な
実施形態によるサーモパイル型赤外線センサ42を示す
断面図である。この実施形態にあっては、サーモパイル
29と円環状をした赤外線吸収体30を形成されたヒー
トシンク22をステム43上に形成し、ステム43上に
取り付けられた缶ケース44の窓部45にフレネルレン
ズ33を有するレンズ基板32を取り付けたものであ
る。
(Third Embodiment) FIG. 12 is a sectional view showing a thermopile type infrared sensor 42 according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, a heat sink 22 on which a thermopile 29 and an annular infrared absorber 30 are formed is formed on a stem 43, and a Fresnel lens is formed on a window 45 of a can case 44 mounted on the stem 43. A lens substrate 32 having a lens substrate 33 is attached.

【0027】このような実施形態によれば、既存の赤外
線センサのパッケージ形態を利用することができる。
According to such an embodiment, an existing infrared sensor package can be used.

【0028】なお、赤外線吸収体は、上記のような円環
状のものが望ましいが、円板状にしても差し支えない。
また、回折レンズとしては、フレネルレンズに限らず、
輪帯状のパターンを有するゾーンプレートを用いてもよ
い。
The infrared absorber is preferably annular as described above, but may be a disk.
In addition, the diffraction lens is not limited to the Fresnel lens,
A zone plate having an annular pattern may be used.

【0029】また、上記実施形態では、赤外線吸収体の
温度を電気信号に変換する素子としてサーモパイルを用
いた場合について説明したが、この変換素子としては、
サーミスタ・ボロメータや焦電型赤外線センサを用いて
もよい。
In the above embodiment, the case where a thermopile is used as an element for converting the temperature of the infrared absorber into an electric signal has been described.
A thermistor bolometer or a pyroelectric infrared sensor may be used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来のサーモパイル型赤外線センサの構造を示
す平面図である。
FIG. 1 is a plan view showing the structure of a conventional thermopile infrared sensor.

【図2】同上の赤外線センサの一部破断した斜視図であ
る。
FIG. 2 is a partially broken perspective view of the infrared sensor according to the first embodiment;

【図3】本発明の一実施形態によるサーモパイル型赤外
線センサの構造を示す一部破断した斜視図である。
FIG. 3 is a partially broken perspective view showing a structure of a thermopile infrared sensor according to an embodiment of the present invention.

【図4】同上の赤外線センサの断面図である。FIG. 4 is a sectional view of the infrared sensor according to the first embodiment;

【図5】同上の赤外線センサのヒートシンクを示す平面
図である。
FIG. 5 is a plan view showing a heat sink of the infrared sensor.

【図6】同上の赤外線センサの平面図である。FIG. 6 is a plan view of the above infrared sensor.

【図7】同上の赤外線センサの作用説明図である。FIG. 7 is a diagram illustrating the operation of the above infrared sensor.

【図8】同上の赤外線センサにおけるフレネルレンズの
働きを説明する図である。
FIG. 8 is a view for explaining the function of a Fresnel lens in the infrared sensor of the above.

【図9】同上の赤外線センサにおけるフレネルレンズと
赤外線吸収体の設計例を説明する図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a design example of a Fresnel lens and an infrared absorber in the infrared sensor according to the first embodiment.

【図10】(a)〜(i)は同上の赤外線センサの製造
工程図である。
FIGS. 10A to 10I are manufacturing process diagrams of the infrared sensor according to the first embodiment.

【図11】本発明の別な実施形態によるサーモパイル型
赤外線センサを示す断面図である。
FIG. 11 is a cross-sectional view illustrating a thermopile infrared sensor according to another embodiment of the present invention.

【図12】本発明のさらに別な実施形態によるサーモパ
イル型赤外線センサを示す断面図である。
FIG. 12 is a sectional view showing a thermopile infrared sensor according to still another embodiment of the present invention.

【符号の説明】 22 ヒートシンク 24 熱絶縁薄膜 27 冷接点 28 温接点 29 サーモパイル 30 熱吸収体 32 レンズ基板 33 フレネルレンズ[Description of Signs] 22 Heat sink 24 Heat insulating thin film 27 Cold junction 28 Hot junction 29 Thermopile 30 Heat absorber 32 Lens substrate 33 Fresnel lens

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 赤外線の強弱により温度が変化する赤外
線吸収体と、前記赤外線吸収体の温度を電気信号に変換
する素子とを有する赤外線センサにおいて、 前記赤外線吸収体に対向する回折レンズを備え、回折レ
ンズと赤外線吸収体との距離が、赤外線の所定波長に対
する回折レンズの焦点距離よりも長く、もしくは短くな
るようにしたことを特徴とする赤外線センサ。
1. An infrared sensor having an infrared absorber whose temperature changes depending on the intensity of infrared light and an element for converting the temperature of the infrared absorber into an electric signal, comprising: a diffraction lens facing the infrared absorber; An infrared sensor wherein the distance between the diffraction lens and the infrared absorber is longer or shorter than the focal length of the diffraction lens for a predetermined wavelength of infrared light.
【請求項2】 前記赤外線吸収体は、環状に形成されて
いることを特徴とする、請求項1に記載の赤外線セン
サ。
2. The infrared sensor according to claim 1, wherein the infrared absorber is formed in a ring shape.
【請求項3】 前記赤外線吸収体と前記変換素子を設け
た第1の基板と、前記回折レンズを設けた第2の基板を
重ねて一体化したことを特徴とする、請求項1に記載の
赤外線センサ。
3. The apparatus according to claim 1, wherein the first substrate provided with the infrared absorber and the conversion element and the second substrate provided with the diffraction lens are integrated with each other. Infrared sensor.
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