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JPS6047542B2 - Infrared detection element - Google Patents
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JPS6047542B2 - Infrared detection element - Google Patents

Infrared detection element

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Publication number
JPS6047542B2
JPS6047542B2 JP55154268A JP15426880A JPS6047542B2 JP S6047542 B2 JPS6047542 B2 JP S6047542B2 JP 55154268 A JP55154268 A JP 55154268A JP 15426880 A JP15426880 A JP 15426880A JP S6047542 B2 JPS6047542 B2 JP S6047542B2
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JP
Japan
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metal
infrared
metal cap
detection element
infrared detection
Prior art date
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Application number
JP55154268A
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Japanese (ja)
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JPS56153221A (en
Inventor
照生 小林
寿夫 清水
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J5/00Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry
    • G01J5/10Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors
    • G01J5/34Radiation pyrometry, e.g. infrared or optical thermometry using electric radiation detectors using capacitors, e.g. pyroelectric capacitors

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Radiation Pyrometers (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は高分子焦電フィルムを用いる赤外線検出素子
に関し、構造が簡単で、大きな出力を得ることができ、
さらに組立てが容易な赤外線検出素子を提供するものて
ある。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an infrared detection element using a polymer pyroelectric film, which has a simple structure, can obtain a large output,
Furthermore, the present invention provides an infrared detection element that is easy to assemble.

従来の赤外線検出素子には、半導体の光伝導や光起電
力を利用する量子型と熱型の赤外線検出器がある。
Conventional infrared detection elements include quantum and thermal infrared detectors that utilize semiconductor photoconduction and photovoltaic force.

熱型には、赤外線受光による温度上昇に起因する抵抗変
化を検出するサーミスタ型、熱起電力によるサーモパイ
ル型と表面電荷の変化を用いる焦電型とがある。サーミ
スタ型、サーモパイル型は、液体窒素による冷却やバイ
アス電圧を必要とする欠点があるとともに、応答速度が
遅い欠点があつた。 一方、焦電型は、1〜20μmの
広範囲の赤外線に感応し、室温での操作が可能である。
Thermal types include a thermistor type that detects resistance changes due to temperature rise due to infrared light reception, thermopile types that use thermoelectromotive force, and pyroelectric types that use changes in surface charge. The thermistor type and thermopile type have disadvantages of requiring cooling with liquid nitrogen and bias voltage, as well as slow response speed. On the other hand, the pyroelectric type is sensitive to infrared rays in a wide range of 1 to 20 μm and can be operated at room temperature.

最近、優れた焦電材料が開発され、高性能な検出素子が
開発されている。これらは主に、単結晶又はセラミック
の強誘電体を用いている。例えばPbTiO3、LiT
aO。pn゛などである。しかし、これらは、赤外線検
出感度を上げるため薄くし、また、熱的に絶縁する必要
があるが、限界に達している。 本発明は上記従来の欠
点を除去するものてあり、以下に本発明の一実施例につ
いて第1図、第2図とともに説明する。 第1図、第2
図において、1は筒状の金属キャップであり、この金属
キャップ1の上面板には孔2が形成されている。
Recently, excellent pyroelectric materials have been developed, and high-performance detection elements have been developed. These mainly use single crystal or ceramic ferroelectric materials. For example, PbTiO3, LiT
aO. pn゛ etc. However, these devices need to be made thinner and thermally insulated to increase infrared detection sensitivity, but they have reached their limits. The present invention is intended to eliminate the above-mentioned drawbacks of the conventional art, and one embodiment of the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2. Figures 1 and 2
In the figure, 1 is a cylindrical metal cap, and a hole 2 is formed in the top plate of this metal cap 1.

3は上記金属キャップ1内の孔2の孔縁に接着されたシ
リコン結晶板である。
A silicon crystal plate 3 is bonded to the edge of the hole 2 in the metal cap 1.

このシリコン結晶板3は赤外線を透過させるものであり
、シリコン結晶板3以外に、中間赤外、遠赤外をよく透
過させる有機フィルム、たとえばポリエチレンフィルム
でもよいものである。上記金属キャップ1は鉄、または
シリコンの熱膨張率と同程度の熱膨張率を有する鉄−ニ
ッケル−コバルト系合金等が用いられ、シリコン結晶板
3と金属キャップ1との接着はエポキシ系樹脂接着剤で
十分であるが、より密封度を上げるために、シリコン結
晶板3の外周部の接着部分の表面に金−シリコン合金層
を形成し、さらにこの金−シリコン合金層上にニッケル
層を設け、半田により半田付けしてもよいものである。
4は洋白、りん青銅などの金属からなる環状のスペーサ
であり、このスペーサ4はシリコン結晶板3の下面に配
置されるとともに、金属キャップ1の内周面に固定され
ている。
This silicon crystal plate 3 transmits infrared rays, and in addition to the silicon crystal plate 3, it may be an organic film, such as a polyethylene film, that transmits mid-infrared and far infrared rays well. The metal cap 1 is made of iron or an iron-nickel-cobalt alloy having a coefficient of thermal expansion comparable to that of silicon, and the silicon crystal plate 3 and the metal cap 1 are bonded using epoxy resin. However, in order to further improve the sealing degree, a gold-silicon alloy layer is formed on the surface of the adhesive part at the outer periphery of the silicon crystal plate 3, and a nickel layer is further provided on this gold-silicon alloy layer. , it may be soldered using solder.
Reference numeral 4 denotes an annular spacer made of metal such as nickel silver or phosphor bronze, and this spacer 4 is arranged on the lower surface of the silicon crystal plate 3 and is fixed to the inner peripheral surface of the metal cap 1.

5は金属キャップ1内に収納された円筒状の絶縁筒であ
り、この絶縁筒5は体積抵抗、表面抵抗が非常に高い樹
脂、例えば四フッ化エチレン、変成PPOなど耐熱性に
優れたものが使用される。
5 is a cylindrical insulating tube housed in the metal cap 1, and this insulating tube 5 is made of a resin with very high volume resistance and surface resistance, such as polytetrafluoroethylene, modified PPO, or other material with excellent heat resistance. used.

6は環状の金属フレームであり、この金属フレーム6の
上面には高分子焦電フィルム7が接着されている。
6 is an annular metal frame, and a polymer pyroelectric film 7 is adhered to the upper surface of the metal frame 6.

この金属フレーム6は上記絶縁,筒5内の上方に挿入さ
れ、金属フレーム6上に接着された高分子焦電フィルム
7の上面には前記スペーサ4の下面に当接している。上
記高分子焦電フィルム7はポリフッ化ビニリデンフィル
ムを一軸延伸し、電極金属としてニッケル−クロム合金
などを蒸着し分極したものであり、この高分子焦電フィ
ルム7の上面に形成された電極はスペーサ4を介して金
属キャップ1にアースされる。8は金属フレーム6の下
部に配置されたリング状の波形バネであり、この波形バ
ネ8はバネ用ステンレス鋼、バネ用洋白などをリング状
に打抜きブレスにより波形に成形したものであり、この
波形バネ8の上方に突出した部分は上記金属フレーム6
の下面に当接している。
This metal frame 6 is inserted above the insulating tube 5, and the upper surface of the polymer pyroelectric film 7 bonded onto the metal frame 6 is in contact with the lower surface of the spacer 4. The polymer pyroelectric film 7 is made by uniaxially stretching a polyvinylidene fluoride film, depositing a nickel-chromium alloy as an electrode metal, and polarizing the film.The electrode formed on the top surface of the polymer pyroelectric film 7 is a spacer 4 to the metal cap 1. 8 is a ring-shaped wave spring arranged at the bottom of the metal frame 6, and this wave spring 8 is made of stainless steel for springs, nickel silver for springs, etc., and is formed into a ring shape with a punch press. The upwardly protruding portion of the wave spring 8 is the metal frame 6
It is in contact with the bottom surface of.

9は円筒状の絶縁台であり、アルミナなどのセラミック
、変成RpOなどの樹脂で形成されている。
Reference numeral 9 denotes a cylindrical insulating stand, which is made of ceramic such as alumina or resin such as modified RpO.

この絶縁台9は金属ベース10の上面に接着固定されて
いる。なお絶縁台9と絶縁筒5とを一体に形成してもよ
いものである。11は絶縁台9の上面に載置された赤外
線反射板である。
This insulating stand 9 is adhesively fixed to the upper surface of a metal base 10. Note that the insulating stand 9 and the insulating cylinder 5 may be formed integrally. Reference numeral 11 denotes an infrared reflecting plate placed on the upper surface of the insulating table 9.

12は金属ベース10上に固定されたインピーダンス変
換用の電界効果型トランジスタ等の半導体素子であり、
この半導体素子12のゲートは上記赤外線反射板11に
接続されている。
12 is a semiconductor element such as a field effect transistor for impedance conversion fixed on the metal base 10;
The gate of this semiconductor element 12 is connected to the infrared reflecting plate 11.

13,14,15は金属ベース10に植設された端子で
あり、端子13,14と金属ベース10とは絶縁されて
おり、この端子13,14に半導体素子12のソース、
ドレインが接続されている。
13, 14, 15 are terminals implanted in the metal base 10, the terminals 13, 14 and the metal base 10 are insulated, and the sources of the semiconductor element 12,
Drain is connected.

上記金属ベース10は金属キャップ1の下端開口部を覆
うように固定されている。
The metal base 10 is fixed so as to cover the lower end opening of the metal cap 1.

完成状態においては、波形バネ8は赤外線反射板11と
金属フレーム6間に介在し、波形バネ8の弾性力により
、金属フレーム6は上方に付勢され、高分子焦電フィル
ム7がスペーサ4の下面に押圧される。また、高分子焦
電フィルム7の上面の電極はスペーサ4、金属キャップ
1、金属ベース10を介して端子15に接続され、また
高分子焦電フィルム7の下面の電極は金属フレーム6、
波形バネ8、赤外線反射板11を介して半導体素子12
のゲートに接続されている。第1図、第2図において、
金属キャップ1の孔2を介し赤外線が高分子焦電フィル
ム7に入射すると、この高分子焦電フィルム7に電荷が
生じる。また高分子焦電フィルム7を透過し、赤外線反
射板11で反射され高分子焦電フィルム7に再度入射す
る赤外線によつても電荷が生じ、高分子焦電フィルムの
表裏の電極間に電圧が生じるものである。次表は本発明
の赤外線検出素子および従来の赤外線検出素子の出力電
圧を比較したものてある。
In the completed state, the wave spring 8 is interposed between the infrared reflector 11 and the metal frame 6, the elastic force of the wave spring 8 urges the metal frame 6 upward, and the polymer pyroelectric film 7 is attached to the spacer 4. Pressed against the bottom surface. Further, the electrode on the upper surface of the polymer pyroelectric film 7 is connected to the terminal 15 via the spacer 4, the metal cap 1, and the metal base 10, and the electrode on the lower surface of the polymer pyroelectric film 7 is connected to the metal frame 6,
Semiconductor element 12 via wave spring 8 and infrared reflector 11
connected to the gate. In Figures 1 and 2,
When infrared rays enter the polymer pyroelectric film 7 through the hole 2 of the metal cap 1, an electric charge is generated in the polymer pyroelectric film 7. In addition, charges are also generated by the infrared rays that pass through the polymer pyroelectric film 7, are reflected by the infrared reflector 11, and re-enter the polymer pyroelectric film 7, and a voltage is generated between the front and back electrodes of the polymer pyroelectric film. It is something that occurs. The following table compares the output voltages of the infrared detection element of the present invention and the conventional infrared detection element.

従来例1は焦電体としてチタン酸鉛を使用した素子、従
来例2は焦電体としてタンタル酸リチウムを使用した素
子、従来例3は焦電体としてポリフッ化ビニルを使用し
た素子である。第4図は前記表の各素子の出力電圧を測
定する測定系を示している。Aは温度400′Kの熱源
、BはモータCにより回転されるチョッパ、Dは熱源J
Aより50CTfL離れた個所にセットされた赤外線検
出素子であり、チョッパ周波数3Hzの時の素子Dの出
力をAC電圧計で測定するものである。前記表からも明
らかなように、本発明の赤外線検出素子はポリフッ化ビ
ニリデンフィルムを用7い、かつ赤外線反射板を用いて
いるため出力電圧が大きくなるものである。
Conventional Example 1 is an element using lead titanate as a pyroelectric substance, Conventional Example 2 is an element using lithium tantalate as a pyroelectric substance, and Conventional Example 3 is an element using polyvinyl fluoride as a pyroelectric substance. FIG. 4 shows a measurement system for measuring the output voltage of each element in the table above. A is a heat source with a temperature of 400'K, B is a chopper rotated by motor C, and D is heat source J.
This is an infrared detection element set at a location 50 CTfL away from A, and the output of element D at a chopper frequency of 3 Hz is measured with an AC voltmeter. As is clear from the above table, the infrared detecting element of the present invention uses a polyvinylidene fluoride film and an infrared reflector, so that the output voltage is increased.

またリング状の波形バネにより、高分子焦電フィルムが
接着された金属フレームをスペーサに押圧しているため
、高分子焦電フィルムの電極の他への接続が確実となる
利フ点を有するものである。また本発明によれば、金属
キャップ内に部品を順次挿入することにより容易に組立
てられるものてある。
In addition, since the metal frame to which the polymer pyroelectric film is adhered is pressed against the spacer by a ring-shaped wave spring, it has the advantage that the connection of the polymer pyroelectric film to other electrodes is reliable. It is. Further, according to the present invention, the device can be easily assembled by sequentially inserting the parts into the metal cap.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の一実施例における赤外線検出素子の平
面図、第2図は同側断面図、第3図は赤外線検出素子の
出力電圧を測定する測定系の概略図である。 1・・・・・・金属カバー、2・・・・・・孔、3・・
・・・・シリコン結晶板、4・・・・・・スペーサ、5
・・・・・・絶縁筒、6・・・・・金属フレーム、7・
・・・・・高分子焦電フィルム、8・・・・・・波形バ
ネ、9・・・・・絶縁台、10・・・・・・金属ベース
、11・・・・・・赤外線反射板、12・・・・・・半
導体素子、13,14,15・・・・・・端子。
FIG. 1 is a plan view of an infrared detection element according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a sectional view of the same side, and FIG. 3 is a schematic diagram of a measurement system for measuring the output voltage of the infrared detection element. 1...metal cover, 2...hole, 3...
...Silicon crystal plate, 4...Spacer, 5
...Insulating tube, 6...Metal frame, 7.
...Polymer pyroelectric film, 8 ... Waveform spring, 9 ... Insulation stand, 10 ... Metal base, 11 ... Infrared reflection plate , 12... semiconductor element, 13, 14, 15... terminal.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 上面板に孔が形成された筒状の金属キャップと、上
記孔の孔縁に取付けられた赤外線透過体と、上記金属キ
ャップ内に固定された環状のスペーサと、両面に電極が
形成された高分子焦電フィルムを支持する環状の金属フ
レームと、リング状の波形バネと、上記金属キャップの
一端開口部に固定される金属ベースと、この金属ベース
上に固定された絶縁台と、この絶縁台上に支持された赤
外線反射板とを有し、この赤外線反射板と上記スペーサ
との間に上記金属フレームおよび波形バネを介在させて
なる赤外線検出素子。
1. A cylindrical metal cap with a hole formed in the top plate, an infrared transmitting body attached to the edge of the hole, an annular spacer fixed inside the metal cap, and electrodes formed on both sides. An annular metal frame supporting a polymer pyroelectric film, a ring-shaped wave spring, a metal base fixed to an opening at one end of the metal cap, an insulating stand fixed on the metal base, and an insulating base fixed to the metal cap. An infrared detection element comprising an infrared reflection plate supported on a table, and the metal frame and the wave spring are interposed between the infrared reflection plate and the spacer.
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