红外线检测元件、使用该红外线检测元件的红外线传感器装置和红外线检测装置

摘要

本发明涉及利用热电体检测红外线的红外线检测元件、使用该红外线检测元件的红外线传感器装置和红外线检测装置,其目的在于,提供无论对于任何方向的检测对象的运动都能得到输出的无方向性的红外线检测元件。为达到这种目的,所述红外线检测元件包括设置在热电体(11)上的极性为相反极性的、电连接的大致梯形的具有吸收红外线功能的第1电极(12,13)和设置在热电体(11)的其它面上的电连接的一对第2电极(14,15),将一个第1电极(12,13)的大致梯形的下底和另一个第2电极(14,15)的大致梯形的下底沿同一方向配置,达到无论对于来自任何方向的检测对象的运动都能得到输出的效果。

说明书

技术领域

本发明涉及利用热电体检测红外线的红外线检测元件、使用该红外线检测元件的红外线传感器装置(unit)和红外线检测装置。

背景技术

近年来，充分利用热电型红外线传感器能非接触进行物体检测和温度检测的性能，用于微波炉的烹调物温度测定、空调器的室内温度控制、或者自动门及报警装置的人体检测等，可以预见今后其利用范围会不断地扩大。

一般红外线传感器利用由LiTaO₃结晶等构成的热电体的热电效果，利用这种热电体的自发极化，不断地产生表面电荷。在大气中的稳定状态下，与大气中的电荷结合，在电气上保持中性。当红外线一射入该传感器，热电体的温度就变化，与此相应，热电体表面的电荷状态也并发生变化，中性状态被破坏。这时，通过检测在热电体表面产生的电荷，能测定红外线入射量，这就是红外线传感器。一般物体放出与其温度相应的红外线，因此利用这种红外线传感器能检测物体的存在或温度。

下面，参照附图对作为本发明的背景技术的红外线检测元件进行说明。

图11(a)表示说明本发明的背景技术的红外线检测元件平面图。图11(b)表示说明本发明的背景技术的红外线检测元件剖视图。

在图中，1是热电体，在其上面具有极性为相反极性的、电连接的作为红外线的吸收膜功能的一对矩形第1电极2、3，同时在其下面具有与第1电极2、3形状相同的第2电极4、5。

由这种第2电极4、5和第1电极2、3构成红外线检测单元。将红外线检测单元的2个第2电极4、5相反极性相反进行串联或者并联连接，第2电极4、5间的间隔通常与受光电极相同或者在0.8mm以上，这样构成没有交调失真(cross talk)影响的双元素(dual element)型红外线检测元件。

这种红外线元件对红外线检测单元进行隔热，同时利用热电体1和热电体支承体6与布线基板7连接。

在使用这样构成的红外线检测元件时，使用菲涅耳(Fresnel)透镜等的光学系统，在检测区域内构成多个元件形状投影的检测区域。这时，在例如人体等检测对象沿着横穿红外线检测单元的方向(X方向)移动时，因紧接着“+输出”后立即产生“-输出”，所以得到“峰对峰”的最大输出。但是，在检测对象平行于红外线检测单元(Y方向)移动时，因“+输出”和“-输出”同时产生，所以由于抵消(cancel)效果，而没有输出。

在日本特开平2-201228号公报中，公开了以直角三角形形状作为红外线检测单元形状的传感器。

这种情况下，虽然沿X方向与Y方向都能得到输出，但检测对象在45度方向移动时，与前述的具有矩形红外线检测单元的红外线元件相同，因“+输出”和“-输出”同时产生，所以由于抵消效果，而没有输出。

如前所述红外线检测元件，因用于照明和空调机等的家用商品中，所以要求对于检测对象的运动是无方向性的。

本发明的目的在于提供无论对于任何方向的检测对象的运动都能得到输出的无方向性的红外线检测元件

发明概述

为达到前述目的，本发明的红外线检测元件，包括

热电体；

和设置在这种热电体上的极性为相反极性的、电连接的大致梯形的一对红外线检测单元，

将一个所述红外线检测单元的大致梯形的上底和另一个所述红外线检测单元的大致梯形的下底沿同一方向配置。

本发明的红外线传感器装置，包括

在热电体上将一个大致梯形的上底和另一个大致梯形的下底沿同一方向配置而构成的红外线检测单元，

和通过热电体支承体与所述红外线检测单元电连接的布线基板。

本发明的红外线检测装置，包括

具有引出电极的固定底座，

由极性为相反极性的、电连接的一对红外线检测单元组成的红外线检测元件，所述一对红外线检测单元配置在安装于所述固定底座上的热电体上，使一个大致梯形的上底和另一个大致梯形的下底沿同一方向配置，或者使一个大致三角形的长边和另一个大致三角形的长边相对配置，

至少包围住所述红外线检测元件而设置的圆筒形的密封体，

覆盖所述密封体的开口部分而设置的红外线入射窗，

由离开所述红外线入射窗的上方而设置的、在像点距离附近具有所述红外线元件的多个衍射型光学元件构成的透镜阵列。

本发明的红外线检测装置，包括

具有引出电极的固定底座，

由极性为相反极性的、电连接的一对红外线检测单元组成的红外线检测元件，所述一对红外线检测单元配置在安装于所述固定底座上的热电体上，使一个大致梯形的上底和另一个大致梯形的下底沿同一方向配置，或者使一个大致三角形的长边和另一个大致三角形的长边相对配置，

至少包围住所述红外线检测元件而设置的圆筒形的密封体，

由覆盖所述密封体的开中口部分、在像点距离附近具有所述红外线元件的多个衍射型光学元件构成的红外线入射窗透镜阵列。

借助于具有前述的结构，无论来自哪个方向的检测对象进入，都因横穿各红外线检测单元的面积不相同，所以即使同时产生相反极性的输出，也不会抵消而能够有输出。

附图简要说明

图1(a)表示本发明实施例1的红外线检测元件的俯视图。

图1(b)表示本发明实施例1的红外线检测元件的A-A剖视图。

图2表示本发明实施例2的红外线检测元件的俯视图。

图3表示本发明其它实施例的红外线检测元件的俯视图。

图4表示本发明其它实施例的红外线检测元件的俯视图。

图5(a)表示本发明实施例3的红外线传感器装置的俯视图。

图5(b)表示本发明实施例3的红外线传感器装置的B-B剖视图。

图6(a)表示本发明其它实施例的红外线传感器装置的俯视图。

图6(b)表示本发明其它实施例的红外线传感器装置的B-B剖视图。

图7(a)表示本发明实施例4的红外线传感器装置的俯视图。

图7(b)表示本发明实施例4的红外线传感器装置的侧视图。

图8表示本发明实施例5的红外线传感器装置的侧视图。

图9表示本发明实施例5的红外线传感器装置的关键部分即衍射光学元件的剖视图。

图10表示本发明实施例6的红外线传感器装置的侧视图。

图11(a)表示说明本发明的背景技术的红外线检测元件平面图。

图11(b)表示说明本发明的背景技术的红外线检测元件剖视图。

实施发明的最佳形态

下面，参照附图对实施本发明的最佳实施例进行说明。

实施形态1

下面，参照附图对本发明的实施例1的红外线检测元件进行说明。

图1(a)表示本发明实施例1的红外线检测元件的俯视图。图1(b)表示本发明实施例1的红外线检测元件的A-A剖视图。

在图中，11是由LiTaO₃结晶构成的热电体。在这种热电体11的上面是极性为相反极性的、电连接的溅射Ti、Cr、Pt、Au等所构成的大致梯形的一对第1电极12、13，是将一个第1电极12的大致梯形的上底和另一个第1电极13的大致梯形的下底沿同一方向配置，具有作为红外线吸收膜的功能。在这种第1电极12、13的隔一层热电体11的下面具有溅射Ti、Cr、Pt、Au等所构成的第2电极14、15，利用这种第2电极14、15和第1电极12、13，构成红外线检测单元。最好是使红外线检测单元的第2电极14、15的形状与隔一层热电体11设置在上面的第1电极12、13相同，这样就没有寄生电容。

将红外线检测单元即第1电极12、13和第2电极14、15极性相反进行串联或者并联连接，第1电极12、13间的间隔通常与第1电极12、13相同或者在0.8mm以上，这样构成没有交调失真(cross talk)影响的双元素(dualelement)型红外线检测元件。

这种红外线元件对红外线检测单元进行隔热，同时利用热电体11和热电体支承体16与布线基板17连接。

下面，对如前所述构成的红外线检测元件的动作进行说明。

在人体等检测对象沿横穿红外线检测单元的方向(X方向)移动时，第1电极12、13和第2电极14、15输出极性是相反极性，检测对象首先在进入第1电极12、13形成的检测区域时输出“+方向输出”，接着，在进入第2电极14、15形成的检测区域时输出“-方向输出”。传感器输出则得到“+输出峰值”和“-输出峰值”之间的宽度输出。

另一方面，在检测对象对于红外线检测单元(Y方向)移动时，虽然，检测对象同时进入第1、第2电极12、13、14、15形成的检测区域，但因第1电极12、13形成的检测区域和第2电极14、15形成的检测区域其大小有差别，所以前半部分为“+方向输出”。然后，各检测区域的大小连续变化，在后半部分为“一方向输出”。传感器输出则得到“+输出峰值”和“-输出峰值”之间的宽度输出。

在检测对象沿45度方向移动时，检测对象开始进入第1电极12、13形成的检测区域，则“+方向输出”。接着进入第1、第2电极12、13、14、15形成的检测区域，开始第1电极12、13形成的检测区域大，则“+方向输出”，慢慢地第2电极14、15形成的检测区域增大，则“一方向输出”。然后，进入到仅由第2电极14、15形成的检测区域，则“-方向输出”。传感器输出则得到“+输出峰值”和“-输出峰值”之间的宽度输出。

这样，即使检测对象从任何的方向进入，因横穿红外线检测单元的面积不相同，所以即使同时产生“+输出”和“-输出”，都不会抵消而能够有输出。由此，对于来自任何方向的检测对象的运动都能得到输出。

实施例2

下面，参照附图对本发明的实施例2的红外线检测元件进行说明。

图2表示本发明实施例2的红外线检测元件的俯视图。因图2所示的本实施例与图1所示的实施例1结构上基本相同，所以相同结构的部分附以相同的标号并省略其说明。本实施例与实施例1不同的地方在于在红外线检测单元的相对的大致梯形的斜边上设置切口部21。

在图2中，11是热电体。在这种热电体11的上面是极性为相反极性的、电连接的大致梯形的一对第1电极12、13，是将一个第1电极12的大致梯形的上底和另一个第1电极13的大致梯形的下底沿同一方向配置，具有作为红外线吸收膜的功能。最好在这种第1电极12、13的隔一层热电体11的下面具有与第1电极12、13大致相同形状的第2电极14、15(在本图中未图示)，利用这种第1电极12、13和第2电极14、15构成红外线检测单元。在作为这种红外线检测单元的至少第1电极12、13的相对的大致梯形的斜边22上具有切口部21。

这样，借助于至少在红外线检测单元的第1电极12、13上设置切口部21，在作为红外线检测单元的红外线吸收膜功能的第1电极12、13的间隔之间即使人体等检测对象出现微动，由第1电极12、13产生的检测输出因检测对象不会同时移动相同面积，所以不会同时输出，因此，即使检测对象出现微动也能得到输出。

此外，在本实施例中说明的切口部21也可如图3所示，为与梯形的斜边22垂直的大致矩形的切口部23，通过这样，因检测对象不会同时移动相同面积，所以由第1电极12、13产生的检测输出不会由于切口部23的变化量的差而抵消，能确保输出。

此外，如图4所示，也可在梯形的斜边22上设置大致圆弧形的切口部23作为在本实施例中说明的切口部21，也能得到与大致矩形的切口部23相同的效果。

实施例3

下面，参照附图对本发明的实施例3的红外线传感器装置进行说明。

图5(a)表示本发明实施例3的红外线传感器装置的俯视图。图5(b)表示本发明实施例3的红外线传感器装置的B-B剖视图。

在图5(a)和图5(b)中，31是至少由单晶的氧化镁构成的基板，在基板31的表层部分的下部包括凹型的空洞32。在基板31的空洞的上方包括极性为相反极性的、电气连接的由Pt等构成的大致梯形的一对第2电极33、34。在这种第2电极33、34的上面包括电气连接的由LiTaO₂、PbTiO₃、PzT单晶等组成的热电薄膜35。在这种热电薄膜35的上面包括由极性为相反极性的、电气连接的具有作为红外线吸收膜功能的NiCr等构成的第1电极36、37，并将一个第1电极36的大致梯形的上底和另一个第1电极37的大致梯形的下底沿同一方向配置。用这种第1电极36、37及热电薄膜35和第2电极33、34构成红外线检测单元，为了对于外部杂光及传感器本身的温度变化具有抵消效果，所以形状完全相同为佳。

另外具有由聚酰亚胺等构成的层间绝缘膜38，使这种红外线检测单元的一个第1电极36、热电薄膜35和第2电极33与相邻的红外线检测单元的另一个第1电极37、热电薄膜35和第2电极34在电气上绝缘，同时保持在基板31的空洞32上方。此外，具有由聚酰亚胺等构成的保护膜39，以便至少覆盖基板31一侧的红外线检测单元。这里，在相邻的红外线检测单元间仅为层间绝缘膜38和保护膜39，热传导非常小。此外，红外线检测单元大小不超过约750μm的正方形，其厚度约3μm，是一种小型结构。采用这样的结构，由于红外线检测单元之间进行隔热，因此特别不会在第1电极36、37间产生热冲击(stroke)，能改善热电薄膜35的热响应性，同时能实现小型及薄型化。此外，借助于以氧化镁为主要成分的单晶作为基板31，因此不需要对热电薄膜35进行自然配光用的强制取向工序。

此外，在本实施例中，红外线检测单元的第1电极36、37的形状为大致梯形，但如图6(a)及(b)所示那样配置，即与一个大致三角形的长边相对，也能达到相同的效果。

实施例4

下面，参照附图对本发明的实施例4的红外线传感器装置进行说明。

图7(a)表示本发明实施例4的红外线传感器装置的俯视图。图7(b)表示本发明实施例4的红外线传感器装置的侧视图。

因图7(a)及(b)所示的本发明的实施例4基本上与图5(a)及(b)所示的本发明的实施例3结构相同，所以对相同的结构部分附以相同的标号并省略其说明。

与实施例3不同的地方在于包括一直贯穿到基板31相对的一对侧面的空洞41。

31是由单晶的氧化镁等构成的基板，在基板31的表层部分的下部包括一直贯穿到相对的一对侧面的空洞41。其它的结构因与图5所示的实施例3相同，所以省略其说明。

这样，借助于包括一直贯穿到相对的一对侧面的空洞41，因红外线传感器装置整个面积小，能用薄片基板制作多个传感器，所以有能降低成本的效果。

实施例5

下面，参照附图对本发明的实施例5的红外线传感器装置进行说明。

图8表示本发明实施例5的红外线传感器装置的侧视图。

在图8中，61是具有引出电极(在本图中未图示)的固定底座。在这种固定底座61的上面安装实施例1和实施例2中说明了的红外线检测元件62，以便与引出电极电连接。这种红外线检测元件62是至少由极性为相反极性的、电连接的一对红外线检测单元(在该图中未图示)组成的红外线检测元件，所述红外线检测单元配置在热电体(在本图中未图示)上，并将一个大致梯形的上底和另一个大致梯形的下底沿同一方向配置，或者一个大致三角形的长边和另一个大致三角形的长边相对配置，在固定底座61的侧面上至少包括包围住这种红外线检测元件62的圆筒形密封体64，这种密封体63由铁、铁镍钴合金(Kovar)或者硅等构成，用于屏蔽外部杂光和电磁噪声。此外，利用硅或者在表面上设置用锗和硫化锌制成的滤光片的硅，设置红外线入射窗65以覆盖所述密封体64上面的开口部分。由这种红外线入射窗65、密封体64和固定底座61围住的空间66将红外线67引入到红外线检测元件62中。

在这种空间66内将低热传导气体在大气压以下封入到空间66内，形成以Xe、Kr或者氟利昂各单体或者它们的混合体为主要成分的低热传导气体和氧气加以混合的气氛。如果作为低热传导气体的氟利昂气体是以CHClF₂、CHCl₂CF₃、CH₃CClF、CH₃CClF₃、C₃HCl₃F₃等组成的HCFC系列为主要成分，则即使在氟利昂系列的气体中低热传导率也在0.012W/mk以下，因在氟利昂系列的气体中也是低热传导气体，所以有能提高传感器灵敏度的效果。同样，如果作为低热传导气体的氟利昂气体是以CF₃I为主要成分的CF₃I系列，则即使在氟利昂系列的气体中低热传导率也为0.0069W/mk，因在氟利昂系列的气体中是最低热传导气体，所以具有更加提高传感器灵敏度的效果。

此外，在空间66内包括用于吸附在空间66内放出的游离气体的由SiO₂等组成的凝胶状吸附剂(在本图中未图示)，借助于抑制游离气体，能得到实现稳定的传感器检测动作的效果。

此外，在离开红外线入射窗65的上方的像点距离附近还包括由具有与前述红外线检测元件62相同的光学元件(在本图中未图示)的多个衍射型光学元件68构成的透镜阵列69。这种透镜阵列69的衍射型光学元件68具有对应于透镜的相位调制量的凹凸，例如，凹凸的图案按照外周进行，周期变小，根据衍射现象聚光在一点上。这时，凹凸的槽的深度在衍射型光学元件68的整个区域中是一样的，按照入射红外线的波长设置这种凹凸槽的深度及表面形状。其间距在几～几百微米，是深度为2-4微米的薄型结构，利用干法刻蚀很容易进行制作。

如图9所示，这种衍射型光学元件68具有凹凸形状70，剖面为m级的阶梯状，这里，m＝8。如果这种入射红外线的波长为λ，所述衍射型光学元件68的折射率为n，则这种凹凸形状70的槽的最大深度t为(m-1)/m×λ/(n-1)。此外，随着阶梯数m增大，聚光效率增大，在m为16时，聚光效率提高到最大99％左右。这时，凹凸形状70的槽的最佳的最大深度t大致为λ/(n-1)。因此，有能利用干法刻蚀法很容易进行制作的效果。

此外，在本实施例中，采用折射率3以上、至少包含Si或者Ge的物质，或者包含Ga或者In的至少一种和As或者P的至少一种物质，作为透镜阵列的材料，能使槽深度变浅，使加工变得容易。这是因为这种折射率3以上，而槽的深度取决于波长/(折射率-1)的缘故。

实施例6

下面，参照附图对本发明的实施例6的红外线传感器装置进行说明。

图10表示本发明实施例6的红外线传感器装置的侧视图。因图10所示的实施例基本上与图8所示的实施例6结构相同，所以在相同结构的部分附以相同的标号并省略其说明。本实施例与实施例6不同的地方在于对于在实施例6中说明了的红外线入射窗，在本实施例中是直接由多个衍射光学元件构成的透镜阵列组成的红外线入射窗透镜阵列。

在图10中，64是至少包围住这种红外线检测元件62的圆筒形密封体，置于固定底座61的侧面。设置红外线入射窗透镜阵列71，以便覆盖所述密封体64上面的开口部分。这种红外线入射窗透镜阵列71是在硅或者在表面上设置用锗和硫化锌制成的滤光片的硅上，构成由多个衍射型光学元件68构成的透镜阵列69。

采用前述的结构，则因包括使透镜阵列和红外线入射窗成为一个整体的红外线入射窗透镜阵列71，所以能降低成本，有能提供更加小型化的红外线传感器装置的效果。

此外，在实施例5和实施例6中，将衍射光学元件68的凹凸图案形状做成椭圆形，借助于随着这种椭圆形的中心位置向外部移动，慢慢地偏离所述椭圆形的一个长轴方向，校正光学象差。因此，即使在平面上制作衍射型光学元件也能达到没有象差的效果。

工业上的实用性

如前所述，本发明具有某一种红外线检测单元，所述红外线检测单元是极性为相反极性连接的大致梯形，该红外线检测单元的大致梯形的上底和另一个前述红外线检测单元的大致梯形的下底沿同一方向配置，或者是大致三角形的长边和另一个大致三角形的长边相对配置，通过这样达到无论对于来自哪一个方向的检测对象的运动，都能得到输出的效果。