紅外輻射傳感元件的製作方法
2023-10-30 10:39:12 1
專利名稱：紅外輻射傳感元件的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種紅外輻射傳感元件，尤其涉及這樣的紅外輻射傳感元件，它包含熱電元件、位於所述熱電元件上的用於接收被測物體輻射紅外線的光接收面，以及分別位於所述熱電元件對置端面上的一對外部電極。
圖7A示出了一種已知的熱電紅外傳感元件1。該現有的傳感元件包括一矩形板狀熱電體1a，其上下表面分別形成電極2a和3a，並且如箭頭所示，在電極2a和3a之間進行極化處理。圖7B示出了另一個現有技術中的熱電紅外傳感元件1，它包括一熱電體1b，熱電體的兩側表面上形成電極2b和3b，並且如箭頭所示，在電極2b和3b之間進行極化處理。如箭頭所示，利用這些熱電紅外傳感元件，可以在垂直於極化方向的方向上形成電極2a、3a和電極2b、3b。
在這些現有的熱電紅外傳感元件1中，當被測物體輻射的紅外線入射到每個熱電紅外傳感元件1的光接收平面上時，熱電體1a和1b中會產生微弱的溫度變化。該溫度變化將迫使熱電體1a和1b(原先其載流子處於平衡狀態)的面電荷載流子群發生移動，使電壓相應上升。按這樣的方式用該電壓檢測或感測被測目標，即用一個使用場效應電晶體(FET)的相關阻抗轉換電路以電學的方式將電壓放大，然後將轉換成相應的電信號。
對於這樣的現有熱電紅外傳感元件1，為了提高表示熱電器件特性的相對檢測率(relative detection rate)或「檢測靈敏度(detectivity)」，必需通過減小熱電體本身的厚度並且形成用來接收入射紅外光的凹陷形光接收部分，來達到絕熱。這將減低熱容量，並且儘可能地減低熱時間常數(thermal time constant)，從而提高總的相對檢測率。
不幸的是，上述現有熱電紅外傳感元件1遇到了以下若干困難。因為嚴格要求在降低熱電體厚度的同時實現絕熱，所以該熱電體本身的機械強度會減弱，並且還會縮短抗熱衝擊的壽命，從而很難操作這類熱電紅外傳感元件。換句話說，如果減小熱電體的厚度，就會出現某些危險即當施加外部振動和衝擊以及向傳感元件輻射較強的紅外光時，會產生明顯的熱變化，由此在熱電紅外傳感元件中產生包括微裂(microclack)的機械損傷，並因破壞了熱流平衡使其性能降低。另外，由於熱電體本身易碎，所以很難用粘結劑將熱電體可靠地支撐在襯底上，使又給支撐物的固定及其準確位置對準精度的獲得帶來較大的困難。由於所述困難，致使性能發生不良的下降。
現有技術遇到的另一個問題是，由於在大多數情況下，將熱電體本身的厚度設計在70-100微米的範圍內，所以產品生產量降低，給熱電紅外傳感元件的生產或製造帶來極大的困難。這導致了現有熱電紅外傳感元件1的製造成本增高。
已經知道現有技術中用來避免上述問題的方法，該方法試圖對熱電紅外傳感元件的電極進行特殊的布置，以便其熱電體僅在器件的光入射面(光接收平面)附近發生極化。圖8示出了一例使用該方案的熱電紅外傳感元件，用數字5表示。該結構的形成鑑於以下事實，即光接收平面上表面的貢獻佔熱電紅外傳感元件輸出的大部分。
具體地說，例如，圖8所示的熱電紅外傳感元件包括矩形板狀熱電體6，在其上表面形成兩個相對的電極7和8，電極之間的距離定義為D。通過在兩個電極7和8之間施加直流(DC)電壓，在電極之間完成極化處理。在該情況下，主要在位置靠近紅外光9之光入射面的地方產生極化，其極化方向平行於紅外光9的光入射面；換句話說，極化方向與圖8的x軸方向一致。
因此，該熱電紅外傳感元件5比圖7A和7B中傳感元件優越的地方在於可以迫使熱電體6的極化僅局部發生在熱電紅外傳感元件6的光入射面(光接收面)上或附近，從而提高了相對檢測率。
但是，現有熱電紅外傳感元件6的上述優點會伴隨一個缺點對相對檢測率的控制能力下降。具體地說，在現有熱電紅外傳感元件5中，為了改變相對檢測率，應要求改變用於接收紅外光的熱電體6的光接收面積，這會增加複雜性，並且花費時間。為此，現有器件不適用於穩定的大批量生產，同時難以用較低的成本生產系統的器件。
因此，本發明的一個目的在於，提供一種熱電紅外傳感元件，該元件能夠提高相對檢測率，並且容易使相對檢測率產生變化，同時使其進行大批量生產更容易，更便宜。
本發明的一個發明提供了上述熱電紅外傳感元件，其特點是，所述熱電元件包括多個熱電層，內電極分別位於所述多個熱電層的相鄰熱電層之間，所述內電極的邊緣交替地暴露於並接至位於所述熱電元件每個對置端面上的每個所述外電極，所述熱電元件在所述內電極之間電極化，並且所述內電極的側端邊緣暴露於所述光接收面。
在上述熱電紅外傳感元件中，當在熱電元件中交替安置和層疊內電極時，降低了各個熱電層的厚度，所得到的多層層疊增加了熱電元件內對置內電極的電極面積。因此，可以得到任何為獲取熱電電壓所需的電容(靜電電容)。
換句話說，利用本發明，由於使用了熱電層和內電極的層疊結構，所以可以通過例如增加或減少內電極的層疊數目或者通過改變對置內電極的面積來改變電容數值，而不必改變其光接收面積。因此，熱電紅外傳感元件的相對檢測率或「檢測靈敏度」為可變的。
在上述熱電紅外傳感元件中，通過改變所述內電極的面積可以改變相對檢測率(relative detection ratio)。
利用這類結構，特別是通過改變熱電元件的厚度可以改變內電極的面積。在該情況下，只使內電極面積變化，不需要改變熱電元件光接收面的面積。由此，可以變化熱電元件內對置內電極之間的電容，從而改變熱電紅外傳感元件的相對檢測靈敏度。
在上述熱電紅外傳感元件中，可以通過改變所述內電極的數目來改變相對檢測率。
在該情況下，只使內電極面積的數目變化，不需要改變熱電元件光接收面的面積。
本發明的另一發明提供了一種製造熱電紅外輻射傳感元件的方法，該方法包括以下步驟1)製備由熱電材料製成的多片熱電片，2)形成熱電元件，通過交替層疊所述熱電片和所述內電極使內電極交替暴露於它的每個對置端面，3)烘焙所述熱電元件，4)在所述熱電元件的每個對置端面上形成外電極，致使在所述熱電元件的每個所述對置端面上，所述外電極與所述內電極相連，5)通過所述外電極，使所述熱電元件在所述內電極之間電極化，以及6)沿垂直於所述內電極的方向切割所述熱電元件和所述外電極，致使所述內電極暴露於切割面端面，其中所述切割面起光接收面的作用，用於接收被測目標輻射的紅外光。
利用該方法，通過交替安置多個熱電片和內電極來構造層疊的熱電元件。並且，外露於熱電元件兩個端面的內電極端部與外電極相連。在外電極之間極化熱電元件。另外，沿外電極之間垂直於內電極平面的方向切割熱電元件。這時，內電極的端部邊緣暴露於被切開的平面。暴露這些內電極的切面被製成入射紅外光的光接收面，由此獲得了熱電紅外傳感元件。
在上述製造方法中，切割所述熱電元件的步驟還包括通過改變所述被切割熱電元件的厚度來改變所述內電極的步驟。
有利的是，在切割熱電元件的步驟中，可以通過改變切割厚度來改變內電極的面積。由此可以改變對置內電極形成的電容(靜電電容)，從而適當改變熱電紅外傳感元件相對檢測率的數值。
依照本發明的原理，可以提供一種熱電紅外傳感元件，它能提高相對檢測率，容易改變相對檢測率，並且生產穩定，成本低，不會使電性能降低。
參照附圖閱讀以下對本發明較佳實施例的更為詳細的描述，將清楚諸目的、特徵和優點。
圖1是本發明一個實施例的透視圖。
圖2A-2F是製造圖1熱電紅外傳感元件時一些主要步驟的透視圖。
圖3是一例使用圖1和2中熱電紅外傳感元件的傳感元件結構的解剖透視圖。
圖4是圖3所示熱電紅外傳感元件的等效電路圖。
圖5是一電路圖，示出了另一例使用圖1和2中熱電紅外傳感元件的熱電紅外傳感元件。
圖6是又一例利用圖1和2中熱電紅外傳感元件的傳感元件結構的解剖透視圖。
圖7A-7B是現有熱電紅外傳感元件的透視圖。
圖8是又一個現有熱電紅外傳感元件的透視圖。
現參照圖1，熱電紅外傳感元件10包括熱電元件12，其形狀呈平面矩形，並且具有預定厚度t。熱電元件12包含多個熱電層14，其中例如在熱電層14之間形成板狀矩形內電極16。換句話說，用某種方式將內電極16安置在熱電元件12內，使得內電極在熱電元件的寬度方向上以規定的距離隔開。
在該情況下，內電極16包含那些垂直於熱電元件12的長度方向從其一端向另一端延伸的電極，而剩餘的電極是從另一端向這一端延伸，前者和後者交替形成。如此形成這些內電極16，使得它們的某些端部邊緣交替地暴露於垂直熱電元件12長度方向的兩個端面，即一個端面和另一個端面。
另外，分別在熱電元件12垂直於其長度方向的一個端面和另一端面上形成外電極18，使外電極18與內電極16相連。另外，在圖示的狀態下，內電極16的側緣暴露於熱電元件12的上下表面。具體地說，對於熱電元件12，內電極16垂直於厚度方向的側緣暴露於熱電元件12的上表面，而內電極16垂直於厚度方向的對置側緣則暴露於其下表面。
在依照本實施例的熱電紅外傳感元件10中，使暴露內電極16側緣的熱電元件12上表面形成所謂的入射紅外光的「紅外光接收面」。在該熱電紅外傳感元件10中，通過對對置外電極18施加直流電壓，可在內電極16之間完成極化處理。換句話說，在該熱電紅外傳感元件10中，已在相對其紅外線接收面的水平方向上實現了極化處理。
現將參照圖2A至2F，說明一例製造圖1熱電紅外傳感元件10的方法。
為了製造圖1所示的熱電紅外傳感元件10，首先，例如製備一個厚度為50至100毫米的熱電陶瓷，然後對其進行研磨處理，形成預定的形狀。如圖2A所示，當該步驟完成後，製造構成熱電層14的熱電陶瓷片14a，其形狀呈平面矩形，並且具有預定的尺寸。同樣，製備多個熱電陶瓷片14a。陶瓷片的材料最好使用四方晶系鈦酸鉛陶瓷。
然後，利用諸如網板印刷法(screen print method)等印刷技術在多個熱電陶瓷片14a的各個陶瓷片上形成由電極材料構成的導電圖形16a，起內電極16的作用。在該實施例中，如圖2B所示，除了熱電層14的最上層和最下層，分別在對應於中間層的熱電陶瓷片上形成電極圖形16a。以這樣的方式形成這些電極圖形16a，使它們的邊緣交替地暴露於熱電陶瓷片14a垂直其長度方向的兩端邊緣。一般，最好將金(Au)、銀(Ag)和鋁(Al)之類的金屬用作內電極16的電極材料；但是，也可以用鎳(Ni)、鉻(Cr)等製成的合金來製成內電極。
其次，將這些熱電陶瓷14a層疊並用一種粘結劑將其粘結固化在一起，形成如圖2C所示的熱電陶瓷多層層疊結構20。注意，熱電陶瓷層疊結構20還可以用以下方法形成，該方法包括層疊熱電陶瓷片14a並且通過烘焙過程將其粘結在一起的步驟。
另外，將金屬膠(未示出)塗在該熱電陶瓷層疊結構20垂直其長度方向的對置端面上，所述膠由一種選定的電極材料製成以構成外電極18。然後，烘焙該層疊結構20，使其硬化。由此，如圖2D所示，在熱電陶瓷層疊結構20垂直其長度方向的兩個端面上形成了外電極l8a。
隨後，通過對置外電極18a，在內電極16a中間，對熱電陶瓷層疊結構20進行極化處理。在該情況下，以100-150℃溫度，在外電極18a之間施加一直流(DC)電壓(例如，每毫米2.0-4.0千伏[KV/mm])並持續60分鐘。
然後，如圖2E中兩點一划線所示，垂直於內電極16的平面以預定的厚度間隔t切割熱電陶瓷層疊結構20，從而形成多片熱電元件12，每個熱電元件都與圖1和圖2F所示的相同。
必須指出，製造熱電紅外傳感元件l0的方法不僅僅局限於上述實施例；熱電紅外傳感元件10還可用下述製造方法形成。首先，製備一種由熱電陶瓷生片製成的基體材料片。通過把熱電材料變成漿狀，將該基體材料片形成一薄膜片構件(薄板形)，其厚度例如為30-80毫米。基體材料片適於切成規定的形狀，從而形成多個熱電片。
接下來，例如利用印刷技術，以與上述相同的製造方法，在熱電片上形成由所選電極材料製成的電極圖形。通過無焊料接觸將這些熱電片相互連接成層疊，形成與上述製造方法形成的結構類似的排布；然後，將所得到的結構烘焙，提供一個整塊的熱電片層疊結構。另外，在熱電片層疊結構的兩個端面上形成由電極材料製成的外電極；接著，以與上述製造方法類似的方式，在外電極之間進行極化處理。再後，沿垂直於內電極主平面的方向，以規定的厚度切割熱電片層疊結構，從而製造出熱電元件12。
用上述製造方法製造的熱電元件12是這樣的，以一定的間隔層疊並安置的內電極16的端部邊緣暴露於熱電元件12垂直其長度方向的對置端面，同時使外電極18與內電極16相連。另外，該內電極16垂直其寬度方向的兩側端部邊緣暴露於熱電元件12的上下表面，呈圖示狀態；在本實施例中，上表面起紅外光接收面的作用。用該方法製造的熱電元件12適於與紅外光傳感元件模件聯用。
現在參見圖3，應用圖1和2所示熱電紅外傳感元件的一個可行的例子是熱電紅外傳感元件模件30，它包括一個底座(stem)32。上述熱電紅外傳感元件10被安裝在底座32上。安裝在底座32上的還有場效應電晶體(FET)34，它與熱電紅外傳感元件10間相隔一定的距離。安裝在底座32上的還有用於電氣互連的端接管腳(terminal pin)36a、36b和36c。
例如，FET 34的柵極通過電極圖形38與一個外電極18相連。FET 34的漏極通過導線40與端接管腳36a相連。FET 34的源極通過導線42與端接管腳36b相連。端接管腳36c用作接地端，它通過導線44與熱電紅外傳感元件10的另一外電極18相連。
本領域的熟練技術人員從圖4不難看出，將熱電電流轉換成相應電壓的電阻器46是與熱電紅外傳感元件10並聯連接的。這裡請注意，可將一晶片元件用作該電阻器46，或者另一種方法是，將該電阻器46製成被印製在底座32上具有電阻的圖形。
輔助外殼50的截面成方括號(])形狀。外殼50的頂板或「天花板」上有一穿孔50a，穿孔幾乎呈矩形，位於頂板的中央。濾光器48與外殼50頂板的內表面呈剛性連接，以保證濾光器48位於熱電紅外傳感元件10的上方尤如安裝在襯底上，從而使傳感元件10通過濾光器48接收由被測目標物體輻射的紅外光輸入光線。將外殼50與底座32粘結在一起。通過組裝濾光器48、外殼50和底座32而形成的內部空間被密封起來，與周圍環境隔離。
圖3的熱電紅外傳感器30具有如圖4所示的等效電路。在該熱電紅外傳感元件模件30中，當紅外光射入熱電紅外傳感元件10的上表面(光接收面)產生熱能時，在熱電紅外傳感元件10中產生熱電電流。該熱電電流通過電阻器46與傳感元件10自身固有電阻的合成電阻，可獲取某一電壓。將該電壓輸入FET 34的柵極。這時，將一偏置電壓加到FET 34的漏極上，同時使FET 34的源極接地。
由此，通過熱電紅外傳感元件10、電阻器46和FET 34的聯合作用，對熱電紅外傳感元件10中所得到的熱電電流進行阻抗轉換，形成輸出電壓，從端接管腳36b中導出。
由於熱電紅外傳感元件10是用圖2所示的製造方法形成的，所以利用該熱電紅外傳感器30，可將內電極16安置成能夠在垂直於熱電元件12寬度的方向上相互對置，並且沿相對熱電元件12之紅外光接收面的水平方向極化熱電元件12。為此，可以獲得不再依賴熱電體厚度方向的熱電紅外傳感元件10，它不同於包括圖7和8所示熱電體的現有技術。
另外，對熱電紅外傳感元件10進行了特殊的布置，使具有熱電層14和內電極16的交替層疊結構。在該情況下，降低了熱電層14每一層的厚度，並且作為多層層疊的結果，使熱電元件12中對置內電極16的電極面積增加。由此，可以得到為獲取預期熱電電壓所需的電容(靜電電容)。另外，由於熱電層14和內電極16的層疊結構，還提高了該熱電紅外傳感器30本身的極化強度，進而又提高了靈敏度。
再有，利用該熱電紅外傳感元件10，可以通過增/減內電極16的層疊數和/或通過改變對置內電極16的面積，來改變電容的數值。由此，可以改變熱電紅外傳感元件10的相對檢測靈敏度。
在該實施例中，通過在製造熱電紅外傳感元件10的過程中改變熱電元件12的厚度，即通過在圖2E所示的切割步驟中增加或減少切割寬度t，來改變內電極16的面積。
在該實施例中，可以通過使內電極16的電極面積正比於切割寬度t而增加，僅改變內電極16的面積，而不必改變熱電紅外傳感元件10的光接收面的面積。因此，也改變了電容。在該情況下，熱電紅外傳感元件10上表面(光接收面)產生的電荷載流子群正比於它的光接收面，並且使其輸出電壓反比於電容。從而，可以通過改變電容的數值來適當調節該熱電紅外傳感元件10的輸出電壓。
在該情況下，白噪聲分量將隨某一頻率變化，而所述頻率是由層疊在熱電元件12中相互對置內電極16所構成的電容以及熱電紅外傳感元件10的輸出阻抗所確定的。因此，還可以通過改變該電容使熱電紅外傳感元件10的相對檢測率發生變化。
另外，由於該熱電紅外傳感元件10是通過上述與圖2有關的製造方法製作的，所以不再需要如同圖7和圖8所示的現有傳感元件1和5那樣使熱電體變薄。為此，圖1和2所示的實施例傳感元件10使得所得到的機械強度和熱強度增大，避免了電學性能的降低。該器件10還可以用熱電體自身形成漏電阻。
該熱電紅外傳感元件10的另一個優點是，不再需要如圖7和8中常規器件1和5使用的任何支撐方法或絕熱方案，進而能簡單地形成了紅外光接收面。因此，使用該熱電紅外傳感元件10可以提高產量，同時降低複雜性和生產成本。
本領域的熟練技術人員可以從上述描述中看到，利用依照該實施例的熱電紅外傳感元件10可以提高相對檢測靈敏度，同時容易使相對檢測靈敏度改變。另外，還可以使生產穩定，並且降低生產成本，電性能不降低。
此外，對於熱電紅外傳感元件10，由於熱電元件12內被安置在或「夾層式的」夾在多個熱電層14之間的多個內電極16是並聯連接的，所以可進一步降低熱電紅外傳感元件10的總介電電阻。在該情況下，介電電阻一般為1011歐姆；當層疊100層時，該介電電阻值下降至109歐姆左右。
結果，不再需要像圖3所示的熱電紅外傳感器30那樣使用帶有FET 34的阻抗轉換電路。因此，如圖5所示，可將其直接與包含運算放大器62的放大器電路60相連。在該情況下，運算放大器62的非逆轉輸入端接至熱電紅外傳感元件10的一個外電極18，以便從低電阻狀態下從熱電紅外傳感元件10發出電信號，然後用放大器電路將該信號放大，從運算放大器62的輸出端輸出。
應該注意，儘管上述實施例熱電紅外傳感元件10的布置能夠適用於結構為圖3例示的密封型熱電紅外傳感器30，該傳感元件10也能適用於結構為圖6所示的平面安裝元件型熱電紅外傳感器70。
具體地說，，與圖3的熱電紅外傳感器30相比，在圖6所示的熱電紅外傳感器70中，熱電紅外傳感元件10被特別支撐在如由鋁製成的介電襯底72上，並且在介電襯底72垂直其寬度方向的一側端面上以一定的間距形成隔開的電極圖形74a和74b。另外，在介電襯底72的另一側端面上形成電極圖形74c，作為接地端。FET 34的漏極通過導線40接至電極圖形74a。同樣，FET 34的源極通過導線42接至電極圖形74b。另外，熱電紅外傳感元件10的另一個外電極18通過導電圖形76接至電極圖形74c。注意在圖6中，與圖3實施例相同的部件或元件用相同的標號表示，它們在結構上是相同或類似的。
權利要求
1.一種紅外輻射傳感元件(10)，它包括熱電元件(12)，光接收面，它位於所述熱電元件(12)上，用於接收由被測目標輻射的紅外光，以及一對外電極(18)，它們分別位於所述熱電元件(12)的兩個對置端面上，其特徵在於，所述熱電元件(12)包括多個熱電層(14)，內電極(16)分別位於所述多個熱電層(14)的相鄰熱電層之間，所述內電極(16)的邊緣交替地暴露於並接至位於所述熱電元件(12)每個對置端面上的每個所述外電極(18)，所述熱電元件(12)在所述內電極(16)之間電極化，並且所述內電極(16)的側端邊緣暴露於所述光接收面上。
2.如權利要求1所述的紅外輻射傳感元件(10)，其特徵在於，通過改變所述內電極(16)的面積可以改變相對檢測率。
3.如權利要求1或2所述的紅外輻射傳感元件(10)，其特徵在於，通過改變所述內電極(16)的數目來改變相對檢測率。
4.一種製造熱電紅外輻射傳感元件的方法，其特徵在於，包括以下步驟1)製備由熱電材料製成的多片熱電片(14)，2)形成熱電元件(20)，通過交替層疊所述熱電片(14)和所述內電極(16)使內電極(16)交替暴露於它的每個對置端面，3)烘焙所述熱電元件(20)，4)在所述熱電元件(20)的每個對置端面上形成外電極(18)，致使在所述熱電元件(20)的每個所述對置端面上，所述外電極(18)與所述內電極(16)相連，5)通過所述外電極(18)，使所述熱電元件(20)在所述內電極(16)之間電極化，並且6)沿垂直於所述內電極(16)的方向切割所述熱電元件(20)和所述外電極(18)，致使所述內電極(16)暴露於切割面端面，其中所述切割面起光接收面的作用，用於接收被測目標輻射的紅外光。
5.如權利要求4所述的製造熱電紅外輻射傳感元件的方法，其特徵在於，切割所述熱電元件(20)的所述步驟還包括通過改變所述被切割熱電元件(12)的厚度來改變所述內電極(16)面積的步驟。
全文摘要
一種熱電紅外傳感元件,它能提高且容易改變相對檢測靈敏度,還可降低成本。該傳感元件包括具有預定厚度且熱電層和內電極交替層疊的熱電元件。內電極垂直其長度方向的端部邊緣交替地暴露於熱電元件的兩個端面,且外電極分別與諸內電極的端部邊緣相連。傳感元件通過外電極在內電極之間相對其紅外光接收面水平方向極化。內電極垂直其寬度方向的端部邊緣暴露於熱電元件的上下表面,致使其上表面起光接收面的作用。
文檔編號H01L31/0264GK1178319SQ9711805
公開日1998年4月8日 申請日期1997年9月5日 優先權日1996年9月6日
發明者伊藤聰 申請人:株式會社村田製作所