專利名稱：熱電紅外傳感器器件的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種熱電紅外傳感器器件。本發明尤其涉及這樣一種熱電紅外傳感器器件，該器件包含一塊熱電材料的基片，基片有一塊用于接收紅外光線的主平面(其上有梳形電極)，以及剩下的另一塊主平面，基片由梳形電極進行極化。
例如，上述熱電紅外傳感器器件在幾種應用中用于人體檢測，這樣應用包括報警系統，智能空調器，自動調節的照明裝置，和自動接通的音頻系統。
在
圖11中由標號1指定了一種傳統上已知的熱電紅外傳感器器件。這種紅外線傳感器器件包含形成在一塊矩形的熱電體1a的頂面和底面上的電極2a、3a，且在電極2a、3a之間，沿圖示箭頭所指的厚度方向，垂直地產生極化作用。電極2a、3a放置的方向和極化方向呈直角。
在這種傳統的熱電紅外傳感器器件中，當紅外光線9從待檢測物體輻射出來，并隨后入射在傳感器器件1的光接收面上時，在熱電體1a中將發生微小的溫度變化。結果，在平衡狀態下在熱電體1a的表面上積聚起來的一小團電荷載體(即表面電荷)企圖移動，相應地引起電壓的產生，通過在例如使用場效應晶體管(FET)阻抗變換電路處電放大，隨后將已放大的信號轉換成為相應的電信號，可以用這個電壓來檢測要被檢測的物體。
另一種傳統的熱電紅外傳感器器件示于圖12A到12C，圖中傳感器器件還用標號1指出。圖12A是傳感器器件1的平面圖，圖12B顯示了它的側視圖，而圖12C是它的仰視圖。
如圖12A所示，該傳統的熱電紅外傳感器器件1包含由熱電材料制成的基片2。熱電基片2有一個頂面，其上設置了一對光接收電極3a、3b，并且它們它們之間連接著一個連接電極4。如圖12C所示，熱電基片2有一底面，在其上形成有一對隔開的電極5a、5b，它們和頂面上的光接收電極對3a，3b重疊。熱電紅外傳感器器件1是這樣設計的，使沿熱電基片2的厚度方向發生極化。
圖13顯示了采用圖12熱電紅外傳感器器件的一種典型的熱電紅外傳感器器件組件101。這種傳統的熱電紅外傳感器器件組件101包含一個由雙色形成(two-color formation)技術或者在陶瓷上形成電極技術制成的支承板102。支承板102具有結構復雜的表面，在表面上安裝電阻器片103和FET片104，還有熱電紅外傳感器器件105。然后把上面安裝了電阻器103、FET104和傳感器器件105的支承板102附著在支承基座106上。裝配基座106是要和頂面上有一光進入窗口的管帽107一起用于封裝。因此，裝配好的傳感器器件組件107以密封的方式在其中容納了電子元件103到105。
圖14A到14C顯示了另一種傳統的熱電紅外傳感器器件組件201。這種熱電紅外傳感器器件組件采用了圖12的熱電紅外傳感器器件器件。這里要注意圖14A顯示了該傳感器器件組件的平面圖，圖14B是它的側視圖，而圖14C是用在組件中的支承板202的仰視圖。
如圖14A到14B所示，這種傳統的熱電紅外傳感器器件組件201包含一個附著于支承板202的頂面的熱電紅外傳感器器件205。該支承板有一底面，在該底面上通過導電粘附安裝了一個耐高溫元件203。該耐高溫元件203是采用碳、鋁熱劑等的高溫烘培型的。如圖14C所示，在支承板202的底面還安裝了FET片204。把該支承板202附著在支承基座206上，從而如圖14B所示，支承板202被牢固地固定在基座206上。為進行封裝，在基座上裝配了一個帶有光進入窗口的管帽(圖中未示出)。
為了改善表征了熱電裝置特性的相對檢測率，這種采用熱電紅外傳感器器件1的傳統的傳感器器件組件101、201，嚴格要求它自身的熱電器件厚度必需減至最小同時熱絕緣特性達到最大。為了使熱絕緣特性達到最大，如圖13A到13C以及圖14A到14C所示，要求把引入入射紅外光線進入部分做成空洞的形狀。為了這個目的，對現有技術的傳感器器件組件101、201來說必需使它的熱容量和熱時間常數降低或減至最小，以提高相對檢測率。
換句話說，就這種傳統的熱電紅外傳感器器件組件101、201來說，由于極化主要是沿傳感器器件基片的厚度方向發生，曾經嘗試通過使器件自身減小厚度來使熱容量減至最小。這會導致機械和物理強度的減小，同時減小受向它施加的熱沖擊能力。
就性能而論，熱電體可以直接接收外部振動、機械沖擊，和由強紅外光照射所引起的熱沖擊，導致熱電紅外傳感器器件自身接收機械振動，這又導致產生噪聲。這可能會減小信噪比(S/N)、降低或減弱性能。簡單地說，由于熱電紅外傳感器器件的厚度減小導致得出的結構的機械強度減弱，機械可靠性和熱可靠性也不會需要地降低，這使運用熱電紅外傳感器器件變得很困難。
另外，熱電器件的厚度的減小可以增加由于熱電體自身的壓電效應引起的故障發生的風險。這將導致可靠性的降低。因此，對現有技術的熱電紅外傳感器器件組件101、201，要獲得良好的性能且S/N比增加是困難的。
關于制造，熱電體自身機械強度和物理強度的薄弱使熱電器件牢固的支承和制造中保持其它位準確度變得困難。更具體地說，靠粘合將熱電傳感器器件準確地安裝和支承在相關的基片上所需的位置處是困難的。這也會影響性能。
使用傳統技術中遇到的另一個問題是需要特定的熱絕緣(抗熱)方案以使光接收部分呈空洞的形狀，這就不能容易地形成熱電光接收部分。而且，由于在許多情況下設計熱電體自身的厚度在例如70到100微米的范圍之內，降低產量導致制造這種熱電紅外傳感器器件本身非常的困難。
傳統技術遇到的另一個問題是由于所需的部件或元件的數量的增加所引起的制造成本的增加。更具體地說，在圖13A到14C的傳感器器件101、01中，由于需要采用其上形成有用于附著電阻器片103的耐高溫元件203的支承板102或202，因此必需的部件或元件的數量增加。
避免這些問題的一種傳統的途徑是采用圖15所示的熱電紅外傳感器器件5。這種傳感器器件5具有一種電極結構，使熱電體的極化只集中在紅外光入射處或其附近發生。考慮到光接收面的表面層的貢獻占據了熱電紅外傳感器器件輸出的一大部分，得出了這個結構。
更具體地說，圖15的傳統的熱電紅外傳感器器件器件5包含一個例如是矩形的熱電體或基片6。基片6具有一個其上形成兩個電極7，8的表面，兩個電極互相相對，中間隔開預定的距離D。通過在兩個電極7，8之間施加直流(DC)電壓預先進行極化處理。這樣，極化傾向于主要發生在作為輻射接收面的基片表面的附近部分，導致極化方向和紅外光(9)的入射方向平行。換句話說，極化方向被設置為和圖15的X軸方向相同。采用這種結構，這種傳統的傳感器器件5比圖11到12的更好，在于它使熱電體6的極化可以只集中在熱電基片6的光接收面處或其附近發生，這導致了相對檢測率的提高。
不幸的是，圖15所示的傳統熱電紅外傳感器器件5如果沒有與之相隨的嚴重問題，就沒有上述優點。雖然不再需要使熱電基片自身更薄，但它的光接收部分的面積和電容(靜電電容)仍很小，導致無法希望獲得足夠的熱電電流而對提高靈敏度和相對檢測率給出某種限制。這種傳統技術的另一個問題是電容(靜電電容)仍較小，從而不希望地增加了白噪聲的高頻噪聲分量。
另一方面，已經提出了采用放在熱電基片上的梳形電極的熱電紅外傳感器器件。這種熱電紅外傳感器器件在日本公開特許公報NO.7-198478中有揭示。
本發明的一個目的是提供一種具有梳形電極的，可以避免傳統的技術所遇到的問題的熱電紅外傳感器器件。
本發明提供了上面提及的那種熱電紅外傳感器器件，該傳感器器件特征在于在所述基片的剩下的一個主平面上形成一個電極，且所述電極有和所述梳形電極相向的部分。
在上述熱電紅外傳感器器件中，所述梳形電極可以有三個或者更多個電極對。
在上述熱電紅外傳感器器件中，可以在所述基片的所述的一個主平面上電氣連接多個所述梳形電極。
在上述熱電紅外傳感器器件中，所述梳形電極的電極間距是可變的。電極間距可以沿一個特定的方向連續地增加距離。
在上述熱電紅外傳感器器件中，所述梳形電極具有一個大于100微米的極間距離。
在這種類型的熱電紅外傳感器器件中，由于基片被梳形電極極化，只能在用作紅外光接收面的基片的一個主平面處接收入射的紅外光的熱能。相應地，只有在或接近基片的這個主平面處由于熱交換才能獲得想要的熱電電流。
另外，由于放置在基片一個剩下的主平面上的相向電極具有和梳形電極相向或者重疊的部分，因此可改善偶極子朝梳形電極之間聚集，這又增加基片的極化率。通過采用有限元法的模擬結果已發現這一點。還可通過增加基片的極化率來增加作為熱電紅外傳感器器件的裝置結構的電容(靜電電容)。
此外，采用梳形電極可以增加相向的電極部分的面積(由此增加了電流的路徑)，從而相應地減小了電阻。
根據本發明的一個方面，在基片的頂面上串聯或者并聯連接多個梳形電極。這些梳形電極以串聯或者并聯的方式連接，在紅外光接收表面上構成多個光接收元件。只有在作為紅外光接收表面的基片的一個主平面處或者其附近由于熱交換才可以獲得想要的熱電電流。這樣，抑制或者消除有關光接收元件的相鄰元件之間靈敏度的串擾是可能的。
根據本發明的另一個方面，至少一個梳形電極對具有平行的、終端開路的指狀物部分，這些指狀物部分之間的間隔或者間距是可變的。在梳形電極中采用這種可變的指狀物的間距，當入射紅外光越過每個電極相繼的指狀物時，入射紅外光的能量值每次是不同。由于這個原因，從紅外光入射到發出相應的輸出電信號所經過的時間間隔，(即，時間常數，)可以相應地增加或減小。
根據本發明的再一個方面，每個梳形電極的極間距離被具體選定，從而超過100微米。由于這個數值的設定，可以進一步提高靈敏度。
本發明的一個重要的優點是，可以提供一種熱電紅外傳感器器件在進一步提高它的靈敏度和相對檢測率的同時，能夠低成本地大量生產它。更具體地說，可以通過采用具有和梳形電極相向部分的電極來增加極化率，因此可以使電容(靜電電容)進一步地增加。因此，可以在增加S/N比的同時提供增加了的熱電電流，從而提高靈敏度和相對檢測率。
本發明的另一個優點是熱電紅外傳感器器件的特性與基片厚度的方向無關的能力使它不再需要減小熱電基片自身的厚度。因此，機械強度和熱強度可以增大，可以消除電特性由于強度的原因而造成的降低。
本發明的再一個優點是在基片的一個主平面上形成梳形電極，使得有可能在紅外光接收面上直接制造電路，而使該電路和基片成為一體。另外，目前可獲得的在IC制造中被廣泛采用的光刻技術也可以作為這種梳形電極的形成方法而被采用，這就能夠以較小的復雜性對任何想要的紅外光接收部分進行微制造。而且，不需象在傳統技術中那樣采用特別薄的熱電基片，使得不再需要采用任何額外的支承基片用于熱電基片的牢固的支承，與此同時減小了支承結構以及它的熱絕緣方案的的復雜性。
此外，由于需要的部件或元件數更少，使制造方法的復雜性的減小，可以提供一種電可靠性和可制造性良好的熱電紅外傳感器器件而制造成本較低。
本發明的另一個優點如下。在紅外光接收表面串聯或者并聯連接多個光接收元件，同時只有在在作為紅外光接收面的基片的一個主平面處或者其附近在有熱交換時才能產生熱電電流；結果，可以抑制光接收元件之間出現的靈敏度串擾。因此，通過適當的光處理(例如光斬波(optical chopping))來提供有較少串擾的一維圖像或者二維圖像是可能的。這又可以改善被測目標物體的檢測的準確度。
本發明的另一個優點是由于通過采用可變指狀物間距的梳形電極可以延長時間常數，例如被測物體是人體，可以用增加的準確度測出其慢速或者中速的移動。
從下面對本發明的最佳實施例的更詳細的描述，以及附圖的說明，本發明的這些和其他的目的，特點和優點將會更加明顯。
圖1是顯示根據本發明的一個較佳實施例的熱電紅外傳感器器件的透視圖。
圖2A采用有限元法模擬，表示在其底部上沒有相對的電極時在圖1所示的紅外線傳感器器件的基片中產生的電場分布的圖；而圖2B是表示在其底部有相對的電極時在基片中產生的電場分布的圖。
圖3是一個熱電紅外傳感器器件組件的部件分解圖，該組件中包含根據本發明的另一個實施例的熱電紅外傳感器器件。
圖4顯示了圖3所示的熱電紅外傳感器器件的等效電路圖。
圖5A和5B顯示圖3和4的紅外線傳感器器件的靈敏度和梳形電極的指狀物對數N之間關系的曲線圖，其中圖5A顯示交叉寬度的值保持常數時靈敏度隨極間距離a和極間間距b的變化，而圖5B顯示W變化而a、b不變時靈敏度的變化。
圖6是根據本發明另一個實施例的熱電紅外傳感器器件組件的部件分解圖。
圖7和圖8是也實施本發明的熱電紅外傳感器器件的部分放大平面圖。
圖9通過顯示圖8的傳感器器件的輸出電壓和來自被檢測移動物體的入射紅外光照射的時間之間關系的曲線圖，指出了時間常數如何隨時間變化。
圖10A到10C表示幾種也實施本發明的熱電紅外傳感器器件的透視圖。
圖11顯示一種傳統的熱電紅外傳感器器件的透視圖。
圖12A到12C顯示了另一種傳統的熱電紅外傳感器器件，其中圖12A是它的平面圖，圖12B是它的側視圖，而圖12是它的仰視圖。
圖13是采用圖12所示的傳感器器件的一種傳統的熱電紅外傳感器器件組件的部件分解圖。
圖14A到14C顯示采用圖12A到12C的傳感器器件的另一種傳統的熱電紅外傳感器器件組件，其中圖14A是它的平面圖，圖14B是它的側視圖，而圖14C是在那里使用的支承板的仰視圖。
圖15顯示另一種傳統的熱電紅外傳感器器件的透視圖。
參照圖1，用標號10概數指出根據本發明一個較佳實施例的熱電紅外傳感器器件。該傳感器器件10包含厚度為t的矩形基片12。基片12可以由經挑選的熱電材料制成。為了在基片12的表面處提供更大的輸出電壓，該材料沿基片12厚度的熱電性最好小于沿其表面的熱電性。對于基片12，通過采用正方晶系鈦酸鉛熱電陶瓷可滿足。
在基片12的頂面這樣配置一對梳形電極圖案14，每個電極具有數量具體選定的“指狀物”部分，這些指狀物大體上等距地隔開，平行，導電，且終端開路。更具體地說，把一個梳形電極14制成具有五個等距隔開、終端開路的指狀物14a的圖形，該指狀物的一端相互依次短接，而另一端保持不連接。同樣，另一個梳形電極14也具有五個終端開路的指狀物14b。這些電極的指狀物14a、14b在空間相互交叉，在它們之間有縫隙，如圖1所示。該梳形電極14是這樣的，將指狀物對數N設定為5，而極間距離用a表示，極間間距由b表示，還有電極的交叉寬度由W表示。這里所用的極間距離a是指梳形電極14的指狀物14a和14b之間的距離或縫隙。這里所用的極間間距b是指由一根指狀物14a和一根與它相鄰的指狀物14b相互交錯構成一對指狀物時，從中心到中心的距離。從圖1很容易看出，電極的交叉寬度W是指基片12上這些交叉的指狀物14a和14b重疊部分的長度。
熱電基片12有一個相對的表面，或底面，在該表面上完全形成一層導電層16作為另一電極。該底面的電極16沿熱電基片12的厚度方向和梳形電極對14絕緣地重疊，從而它包含與基片的頂表面的梳形電極14相向的部分，而基片12夾在它們之間。
在這個實施例中，熱電基片12由以(PbxCa1-x){(Ni1/3Nb2/3)1-yTiy}O3為基的熱電陶瓷制成。基片12的厚度t的尺寸可以是0.30到0.50毫米(mm)。梳形電極14和相對的電極16最好由導電性良好的金屬制成，象金(Au)、銀(Ag)或鋁(Al)。或者這些電極可以由鎳(Ni)、鉻(Cr)等的合金制成。這里要注意，為了在付諸實用中增加靈敏度，如果合適，可以在電極14、16露出的表面上另外提供吸熱膜或者熱沉(heat sink)層(這里未示出)。
在圖1所示的熱電紅外傳感器器件10中，在其上形成有梳形電極對14的頂面作為輻射敏感面，用于接收從待測物體輻射出來的入射紅外光。在這個紅外線傳感器器件10中，當在叉指形電極指狀物14a和14b之間施加DC電壓時，梳形電極對14使在它下面的熱電基片材料沿和圖1的Y軸方向相同的選定方向極化。可以用這種方式進行極化，即在100到150℃的溫度下，在梳形電極對14的指狀物14a和14b之間施加從2.0到4.0千伏/毫米(kV/mm)的DC電壓60分鐘。
見圖2A和2B。這些圖表明了有關偶極子的濃度實驗模擬的結果，用于分析在圖1的熱電基片12里面如何形成內部電場。更具體地說，圖2A是在未設置和梳形電極14絕緣地重疊的相向電極16的情況下，用有限元法對基片12內形成的電場分布進行模擬得到的圖形表示；而圖2B是在底面上設置和梳形電極14相向的電極16情況下，用有限元法對基片12內形成的電場分布進行模擬得到的圖形表示。
如熟悉本領域的人從觀察圖2A到2B，可以容易地看出的那樣，模擬結果揭示了這樣一個事實，即，通過形成有一些部分和基片12的頂面的梳形電極14相向對的底面電極16，可以改善在基片頂面附近偶極子朝梳形電極對14在空間交叉的指狀物14a，14b之間的聚集。為此，用圖1所示的熱電紅外傳感器器件10，為了增強偶極子相對于梳形電極14的指狀物14a、14b的聚集，在改進極化率的同時，在基片12的整個底面上形成相向電極16。
現在轉向圖3，標號30概略地指出了根據本發明另一個實施例的熱電紅外傳感器器件組件結構。傳感器器件組件30包含一個熱電紅外傳感器器件20，把它安裝在一個稱為管座的支承基板32上。傳感器器件20和圖1中所示的相似，在平面矩形的熱電基片22上有兩個梳形電極對24、26的串聯組合。在某些情況下，可以稱這種具有如此串聯耦合的梳形電極對24、26的傳感器器件20為“雙梳形電極傳感器器件”。
更具體地說，如圖3所示，熱電紅外傳感器器件20在熱電基片12上包含兩對梳形電極24、26，每一電極具有五個平行，終端開路的指狀物，它們在基片22上和與之相關梳形電極的指狀物在空間配合或交叉。把這些梳形電極對24、26布置在基片22上的中心處，并且相互串聯電氣連接。基片22被這對梳形電極對24、26極化。基片22相向的或底面(圖3中看不見)，在該表面上全部形成電極28，因此該電極有一些部分和梳形電極對24、26相向。把基片22安裝在管座32上，在它們之間還放有一介質薄膜層部件。
如圖3所示，在熱電基片22的頂面上安裝有一個場效應晶體管(FET)34，從而把該FET34放置得靠近基片22的一長邊側邊緣，如圖所示，它和梳形電極對24、26之間隔開一段距離。在其上絕緣地安裝了基片22的管座32具有一預定數量的(這里是3)直立線狀導電柱36a、36b、36c，作為和在印刷電路板(PCB)上的外部電路電氣連接的端子，該電路和傳感器器件組件30的工作有關。
在熱電紅外傳感器器件20的基片22上，FET34有一個柵極節點，該節點通過一引線圖案38和一對梳形電極26中的第一組平行指狀物26b電氣連接。梳形電極26中的第二組指狀物26a經中間引線40和另一對梳形電極24中的第一組指狀物24b電氣連接。剩下的梳形電極24的第二組指狀物24a經引線42連接到稱為“側電極”的連接焊接區44。電極44在基片22的FET和安裝側邊緣相向的側壁上。如圖3所示，側電極44沿著基片22的厚度延伸。FET34的漏極節點通過導電焊絲46連接到一個端子柱36a。FET34的源極通過焊絲48連接到另一個端子柱36b。剩下的端子柱36c用作接地端子，它通過導電膠(圖中未示出)和基片22的側電極44電氣接觸。
仍參考圖3，其上安裝著基片22的管座32用外殼50裝配，它提供了密封的內部空間，熱電傳感器器件20就被封裝在該空間中。如圖所示，外殼50可以是帽子形的。外殼50有一個圓形頂面或“天花板”，在其中心開有一矩形開口50a，作為輻射進入的窗口。在管帽天花板的內表面上牢固地裝著一個濾光器52以覆蓋開口52，使入射紅外線的光線可以通過濾光器52射到下面的密封在由外殼50和管座32裝配后所形成的空間中的熱電傳感器器件20上。作為舉例，濾光器52可以是5微米cut-on長光程濾光器。
圖3的熱電紅外傳感器器件組件30有圖4所示的等效電路。當紅外光(它可能是從一待測物體，諸如一個人體移動目標上輻射出來的)輸入時，在內裝的熱電傳感器器件20的輻射敏感表面(也就是基片22有梳形電極對24、26串聯組合的頂面)上會得到熱能。當這樣做時，傳感器器件20產生一個相應數量的熱電電流。通過使之流過連至FET柵極的電阻器Rg和熱電紅外傳感器器件20的固有電阻的合成電阻，可以作為電壓獲得此熱電電流。然后把所得電壓輸入至FET34的柵極(G)。這時，把偏置電壓施加至FET34的漏極(D)，而把FET34的源極(S)接地。在紅外線傳感器器件20處得出的熱電電流由傳感器器件20、電阻Rg和FET34進行阻抗變換，然后作為檢測電壓信號產生于輸出端子柱36b。
見圖5A和5B的曲線圖，它們根據實驗指明，圖3的熱電紅外傳感器器件組件30具有提高了的靈敏度。更具體地說，采用傳感器器件組件30的若干尺寸參數進行了實驗，尺寸參數包括梳形電極對的指狀物的對數N、指狀物間隙a與指狀物間距b之比k(由k＝a/b給出)、還有指狀物的交叉寬度W，每一項參數的值都按下面方式變化。圖5A的曲線圖表示在交叉寬度W保持為0.1mm不變的情況下，當指狀物的間隙與間距的比值k從0.5經過0.6變化到0.7時，得到的靈敏度和指狀物的對數N之間的關系曲線。圖5B的曲線圖表明在k值固定為0.5的情況下，當交叉寬度W在0.6mm和1.0mm之間變化時靈敏度的變化。從這些實驗結果中可以容易地看到，已經發現當N大于或等于3，同時a的值超過100微米時，圖3的熱電紅外傳感器器件組件30尤其能夠呈現良好的靈敏度。
這種熱電紅外傳感器器件組件30的一個重要的優點是，由于允許在熱電基片22內極化的梳形電極對24、26形成在，作為紅外光的接收面基片22的表面上，故可只在基片22的頂面或其附近捕捉到熱能。由于這個原因，不用再象描述的開頭部分所討論的現有技術那樣，傳感器器件組件30可以用作不依賴熱電體厚度方向的熱電紅外傳感器器件。
由于具有和梳形電極對24和26相向部分的電極28的存在，這個實施例傳感器器件組件30的另一個優點在于具有實現偶極子朝梳形電極對24的指狀物24a和24b之間以及梳形電極對26的指狀物26a和26b之間聚集的能力。這又使得增加梳形電極對24、26的極化率成為可能。而且，也使增加梳形電極對24、26和相向的電極28之間的電容(靜電電容)成為可能。相應地，在獲得良好的S/N比的同時可以得到足夠的熱電電流。結果，對本實施例的熱電紅外傳感器器件組件30可以期望更好的靈敏度。
這個實施例30的另一個優點是由于和梳形電極對24、26絕緣地重疊的一些部分的相向電極28在基片22的底部表面上，故總體上熱電紅外傳感器器件20的電阻可以進一步減小。因此，可以不采用設置在FET34的柵極(G)和地端(GND)之間的外部電阻器。這里要注意，圖4的等效電路圖中的電阻器Rg只是熱電紅外傳感器器件20的固有電阻的符號表示，而不是單獨連接在那里的分立元件。
組件30還有一個優點是其中采用的熱電紅外傳感器器件20的工作不依賴于熱電基片22的厚度方向；因此不再需要大幅度地減小基片22的厚度。相應地，可以增強機械強度和熱強度，藉此消除或者至少大大抑制任何可能發生的電特性的衰退，而這些衰退是由于減小基片厚度引起的。
紅外傳感器器件20的一個優點在于梳形電極對24、26在用作為紅外光接收面的熱電基片22的表面上，這就使得在基片22的紅外光接收面上整體地形成電路成為可能。并且，由于目前可以獲得的光刻技術(該技術已在IC的制造中廣泛采用)作為梳形電極對24、26的構成方法，不需作任何修改而直接應用，因此以較小的復雜性比較容易地制造紅外光接收部件是可能的。還有，不再需要任何熱電基片的支承板故同時不再需要使用用于支承熱電基片的各種復雜方法和任何額外的熱絕緣方案。
結果，對熱電紅外傳感器器件20來說，制造的復雜性和部件數量的減小，使提高電可靠性和可制造性，并降低生產成本成為可能。
圖6顯示了根據本發明的另一個實施例的熱電紅外傳感器器件。如圖所示，該組件概略地由標號60指出。圖3所示的先前的傳感器器件組件30是密封型的，而圖5所示的組件60的結構是表面安裝元件型的。在圖6中，僅僅為了解釋的方便，相同的部分或元件用同樣的符號指出。
圖6的熱電紅外傳感器器件組件60和圖3的組件大致上是類似的，但改變了外殼50的形狀，去除了端子柱36a到36c，此外還改變了FET34的有關其源極、漏極和柵極的電氣連接方案。如圖所示，外殼50的外形類似于一個薄的矩形盒子，而不是圖3中所示的帽子形狀。FET34的漏極、源極和柵極分別連接到外部的電極焊接區，這些焊接區分布在熱電基片22上規定的位置處，這將在下面詳細描述。
仍參見圖6，矩形的熱電基片20有三個電極焊接區45、47、49。焊接區47、49用于和安裝在基片20上的FET34電氣連接，并沿基片22的一縱向相向側面邊緣形成，兩者之間隔開一段距離。這些焊接區47，49用引線46、48電氣連接到FET34的漏極和源極。焊接區47用作為輸入端子，而焊接區49用作為輸出端子。剩下的焊接區45形成于基片的另一縱向側邊緣，從而隔著基片22的寬度和焊接區49相向。如圖所示，焊接區45還在基片22側面的相應部分延伸。焊接區45作為接地端子。這個焊接區通過兩個梳形電極對24、26的串聯組合電氣連接到FET34的柵極。更具體地說，接地焊接區45經一個在表面上的引線圖案42連接到一個梳形電極對24的第一組指狀物24a，該梳形電極對的第二組指狀物24b通過一個面上的中間引線40連接到另一梳形電極對26的第一組指狀物26a。該梳形電極對26的第二組指狀物26b通過面上的引線圖案38和FET34的柵極電氣連接。
現在轉向圖7，該圖顯示了根據本發明的再一個實施例的熱電紅外傳感器器件70的主要部分。紅外線傳感器器件70類似于圖3所示的20，但梳形電極對24、26被由梳形電極對74的一些行構成的陣列所代替。更具體地說，在熱電基片72的光接收面上以串聯或并聯的方式設置了梳形電極對74的多個串聯組合。每一行中的每一個梳形電極對74由兩個導電的梳形電極圖案74a、74b組成，每個電極圖案都有選定數量的(三個或更多)平行的、終端開路的指狀物。梳形電極74a具有包括它的最外面的指狀物在內的四個指狀物，而電極74b具有三個指狀物，電極74b的每個狀物都在和它相關聯的梳形電極74a的一對接連的指狀物之間。基片72有一個類似的底面電極(圖7中看不見)，該電極具有和串聯/并聯梳形電極對74相向的一些部分。
采用這種結構，由于在基片72的紅外光接收面上把數量較多的串聯連接的梳形電極對74分成一些平行的行，并使每一對都用作為輻射敏感元件，故只有由于在基片表面處或在其附近的變換，才能夠得到想要的響應于入射紅外光線的輻射的熱電電流。這有利地用于使相鄰的梳形電極對74之間的串擾減至最小或至少使其大大降低。相應地，可以使檢測的準確度增加到最大或至少使其大大提高，同時通過使用光學斬波程序，成功地獲得極小的或無串擾的一維或二維圖像。
可對圖7所示的由多個梳形電極對行74構成的陣列進行修改，從而使它們的所有的第一組指狀物74a連接在一起，同時使它們的第二組指狀物74b再細分成一些塊的行和列，它們中的每一個包括共同連接的第二組指狀物。這種結構使更加準確地檢測被測物體的移動成為可能。
圖8顯示了一個也實施本發明的熱電傳感器器件80。如圖所示，紅外線傳感器器件80類似于圖1的10，但電極指狀物14a、14b被相鄰的指狀物之間的距離或間隔不同的指狀物84a、84b所代替。更具體地說，傳感器器件80包含具有一對梳形電極84的熱電基片82。每個電極包括預選數量的(3個或更多)平行、終端開路指狀物84a或84b，它們在一端相互依次連接。這些指狀物的間距b以這樣的方式不同或“變化”，即間距值b1、b2、b3、b4、…沿由圖8中方向X所確定的基片82的長度，按順序地增加。間距值b的這種依次增加使一個指狀物84b和與它相關聯的指狀物對84a之間的間隙沿X方向逐步地增加。基片82具有一個類似的底面電極(在圖中看不見)，它具有和梳形電極84相向的一些部分。
當電極指狀物間距b變化時，如圖9所示紅外傳感器器件器件80的輸出電壓會隨時間而變化，圖9中顯示了時間常數的變化，這個系數相應于當紅外光線輻射到其上形成有梳形電極對84的基片82的頂面時，入射紅外光線的和與之響應的輸出電信號之間時間變化的最大偏差或差異。更具體地說，假設從一目標物體(例如人體)輻射出來的紅外光入射到傳感器器件80的基片表面上。設想物體正在移動的。假定由于物體移動，射在傳感器器件基片82上的入射紅外光的光點或光束沿X方向移動。在這種情況下，當紅外線通過梳形電極84的有關的一對叉指式指狀物84a、84b時，所得到的紅外光的能量的值每次都不同。換句話說，熟悉本領域的人對圖8和圖9作比較觀察可以容易地發現，當光點跨過一對可變間距的電極指狀物84a、84b時，由于入射在基片82上的紅外線光束的光點在X方向上沿基片82的長度移動，那里所產生的熱能強度每次都不同，由此使相應的傳感器器件輸出電壓的波形變化。該輸出電壓的變化可以促使時間常數(即，從紅外光入射到響應于它而發出輸出電信號所用的時間)相應地增加，就象圖9的曲線圖所顯示的那樣。這使傳感器器件80提供更高的靈敏度成為可能，尤其是在低頻帶。這又使得對于被測物體的慢速或中速移動(例如，慢速行走的人)，可以獲得最大的檢測能力。
圖10A到10C顯示了也對本發明的原理進行實施的另外一些實施例或者變更。這些紅外傳感器器件的特點是采用了三維(3D)結構，這將在下文中進行詳細地解釋。
圖10A所示的熱電紅外傳感器器件90A包含一個立方體支承基座結構92A，該結構具有方形頂面和底面以及四個側壁，除了底面之外，在這些面的中心位置處通過粘結安裝熱電傳感器器件的基片94a。立方體基座92A可以由絕緣材料制成。例如，每個傳感器器件基片94a的結構和功能類似于圖1中的基片。有了這種3D傳感器器件結構，采用單個器件就可以獲得多方向的檢測。例如，在減小復雜性的同時可把一個被測物體確切的移動方向準確地檢測出來。
圖10B所示的一種熱電紅外傳感器器件92B包含有3個傾斜側壁的三棱錐形的支承基座92b，在每個傾斜側壁面的中心的位置處分別安裝傳感器器件基片94b，采用這種結構，可獲得類似的優點。
圖10C所示的一種熱電紅外傳感器器件90c包含具有環狀側面的圓柱形支承基座結構92c，在環狀側面上沿其軸向安裝相互隔開的傳感器器件基片94c。采用這種結構可以獲得類似的優點。
在90A到90C的每一種器件中，3D支承基座92a到92c或者可以用一種經挑選出來的熱電材料制成，在這些基片上直接形成所需要的梳形電極對。顯然，這些基座的外形也可以是任一其他形狀，如長方體，棱錐體，圓錐體等。
雖然參照特殊的實施例對本發明進行了揭示和描述，然而對熟悉本發明所涉及的領域的人來說，顯然本發明包含的原理可以應用于許多其他實施例、變更和變化。因此只有所附的權利要求所拍出的范圍對本發明作出限制。
權利要求
1.一種熱電紅外傳感器器件(10)，包含由熱電材料制成的基片(12)，所述基片有一個主平面和剩下的一個主平面，由所述一個主平面接收紅外光線；在所述基片的一個主平面上的梳形電極(14)，并且所述基片(12)被所述梳形電極(12)極化；其特征在于在所述基片(12)的一個剩下的主平面上形成電極(16)，并且所述電極(16)具有和所述梳形電極(14)相向的部分。
2.如權利要求1所述的熱電紅外傳感器器件(10)，其特征在于所述梳形電極(14)具有三個或者更多的電極對(14a、14b)。
3.如權利要求1或2所述的熱電紅外傳感器器件(70)，其特征在于多個所述梳形電極(74)在所述基片(72)的所述一個主平面上電氣連接。
4.如權利要求1到3所述的熱電紅外傳感器器件(80)，其特征在于所述梳形電極(84)的電極間距(b1、b2、b3、b4)是可變的。
5.如權利要求4所述的熱電紅外傳感器器件(80)，其特征在于所述電極間距(b1、b2、b3、b4)的距離沿特定的方向連續地增加。
6.如權利要求1到5所述的熱電紅外傳感器器件(10)，其特征在于所述梳形電極(14)有大于100微米的極間距離(a)。
全文摘要
本發明提供一種熱電紅外傳感器器件(10),包含由熱電材料制成的基片(12),該基片有一個主平面和一個剩下的主平面,由一個主平面接收紅外線,一在所述基片的這塊主平面上形成梳形電極(14),并且基片(12)被梳形電極(12)極化,其特征在于在所述基片(12)的一個剩下的主平面上形成有電極(16),并且所述電極(16)有和所述梳形電極(14)相向的部分。這種熱電紅外傳感器器件能夠進一步提高靈敏度和相對檢測率,同時降低制造成本。
文檔編號G01J5/34GK1181500SQ97121300
公開日1998年5月13日 申請日期1997年10月30日 優先權日1996年10月30日
發明者伊藤聰 申請人:株式會社村田制作所
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