专利名称：热电红外传感器器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热电红外传感器器件。本发明尤其涉及这样一种热电红外传感器器件，该器件包含一块热电材料的基片，基片有一块用于接收红外光线的主平面(其上有梳形电极)，以及剩下的另一块主平面，基片由梳形电极进行极化。
例如，上述热电红外传感器器件在几种应用中用于人体检测，这样应用包括报警系统，智能空调器，自动调节的照明装置，和自动接通的音频系统。
在
图11中由标号1指定了一种传统上已知的热电红外传感器器件。这种红外线传感器器件包含形成在一块矩形的热电体1a的顶面和底面上的电极2a、3a，且在电极2a、3a之间，沿图示箭头所指的厚度方向，垂直地产生极化作用。电极2a、3a放置的方向和极化方向呈直角。
在这种传统的热电红外传感器器件中，当红外光线9从待检测物体辐射出来，并随后入射在传感器器件1的光接收面上时，在热电体1a中将发生微小的温度变化。结果，在平衡状态下在热电体1a的表面上积聚起来的一小团电荷载体(即表面电荷)企图移动，相应地引起电压的产生，通过在例如使用场效应晶体管(FET)阻抗变换电路处电放大，随后将已放大的信号转换成为相应的电信号，可以用这个电压来检测要被检测的物体。
另一种传统的热电红外传感器器件示于图12A到12C，图中传感器器件还用标号1指出。图12A是传感器器件1的平面图，图12B显示了它的侧视图，而图12C是它的仰视图。
如图12A所示，该传统的热电红外传感器器件1包含由热电材料制成的基片2。热电基片2有一个顶面，其上设置了一对光接收电极3a、3b，并且它们它们之间连接着一个连接电极4。如图12C所示，热电基片2有一底面，在其上形成有一对隔开的电极5a、5b，它们和顶面上的光接收电极对3a，3b重叠。热电红外传感器器件1是这样设计的，使沿热电基片2的厚度方向发生极化。
图13显示了采用图12热电红外传感器器件的一种典型的热电红外传感器器件组件101。这种传统的热电红外传感器器件组件101包含一个由双色形成(two-color formation)技术或者在陶瓷上形成电极技术制成的支承板102。支承板102具有结构复杂的表面，在表面上安装电阻器片103和FET片104，还有热电红外传感器器件105。然后把上面安装了电阻器103、FET104和传感器器件105的支承板102附着在支承基座106上。装配基座106是要和顶面上有一光进入窗口的管帽107一起用于封装。因此，装配好的传感器器件组件107以密封的方式在其中容纳了电子元件103到105。
图14A到14C显示了另一种传统的热电红外传感器器件组件201。这种热电红外传感器器件组件采用了图12的热电红外传感器器件器件。这里要注意图14A显示了该传感器器件组件的平面图，图14B是它的侧视图，而图14C是用在组件中的支承板202的仰视图。
如图14A到14B所示，这种传统的热电红外传感器器件组件201包含一个附着于支承板202的顶面的热电红外传感器器件205。该支承板有一底面，在该底面上通过导电粘附安装了一个耐高温元件203。该耐高温元件203是采用碳、铝热剂等的高温烘培型的。如图14C所示，在支承板202的底面还安装了FET片204。把该支承板202附着在支承基座206上，从而如图14B所示，支承板202被牢固地固定在基座206上。为进行封装，在基座上装配了一个带有光进入窗口的管帽(图中未示出)。
为了改善表征了热电装置特性的相对检测率，这种采用热电红外传感器器件1的传统的传感器器件组件101、201，严格要求它自身的热电器件厚度必需减至最小同时热绝缘特性达到最大。为了使热绝缘特性达到最大，如图13A到13C以及图14A到14C所示，要求把引入入射红外光线进入部分做成空洞的形状。为了这个目的，对现有技术的传感器器件组件101、201来说必需使它的热容量和热时间常数降低或减至最小，以提高相对检测率。
换句话说，就这种传统的热电红外传感器器件组件101、201来说，由于极化主要是沿传感器器件基片的厚度方向发生，曾经尝试通过使器件自身减小厚度来使热容量减至最小。这会导致机械和物理强度的减小，同时减小受向它施加的热冲击能力。
就性能而论，热电体可以直接接收外部振动、机械冲击，和由强红外光照射所引起的热冲击，导致热电红外传感器器件自身接收机械振动，这又导致产生噪声。这可能会减小信噪比(S/N)、降低或减弱性能。简单地说，由于热电红外传感器器件的厚度减小导致得出的结构的机械强度减弱，机械可靠性和热可靠性也不会需要地降低，这使运用热电红外传感器器件变得很困难。
另外，热电器件的厚度的减小可以增加由于热电体自身的压电效应引起的故障发生的风险。这将导致可靠性的降低。因此，对现有技术的热电红外传感器器件组件101、201，要获得良好的性能且S/N比增加是困难的。
关于制造，热电体自身机械强度和物理强度的薄弱使热电器件牢固的支承和制造中保持其它位准确度变得困难。更具体地说，靠粘合将热电传感器器件准确地安装和支承在相关的基片上所需的位置处是困难的。这也会影响性能。
使用传统技术中遇到的另一个问题是需要特定的热绝缘(抗热)方案以使光接收部分呈空洞的形状，这就不能容易地形成热电光接收部分。而且，由于在许多情况下设计热电体自身的厚度在例如70到100微米的范围之内，降低产量导致制造这种热电红外传感器器件本身非常的困难。
传统技术遇到的另一个问题是由于所需的部件或元件的数量的增加所引起的制造成本的增加。更具体地说，在图13A到14C的传感器器件101、01中，由于需要采用其上形成有用于附着电阻器片103的耐高温元件203的支承板102或202，因此必需的部件或元件的数量增加。
避免这些问题的一种传统的途径是采用图15所示的热电红外传感器器件5。这种传感器器件5具有一种电极结构，使热电体的极化只集中在红外光入射处或其附近发生。考虑到光接收面的表面层的贡献占据了热电红外传感器器件输出的一大部分，得出了这个结构。
更具体地说，图15的传统的热电红外传感器器件器件5包含一个例如是矩形的热电体或基片6。基片6具有一个其上形成两个电极7，8的表面，两个电极互相相对，中间隔开预定的距离D。通过在两个电极7，8之间施加直流(DC)电压预先进行极化处理。这样，极化倾向于主要发生在作为辐射接收面的基片表面的附近部分，导致极化方向和红外光(9)的入射方向平行。换句话说，极化方向被设置为和图15的X轴方向相同。采用这种结构，这种传统的传感器器件5比图11到12的更好，在于它使热电体6的极化可以只集中在热电基片6的光接收面处或其附近发生，这导致了相对检测率的提高。
不幸的是，图15所示的传统热电红外传感器器件5如果没有与之相随的严重问题，就没有上述优点。虽然不再需要使热电基片自身更薄，但它的光接收部分的面积和电容(静电电容)仍很小，导致无法希望获得足够的热电电流而对提高灵敏度和相对检测率给出某种限制。这种传统技术的另一个问题是电容(静电电容)仍较小，从而不希望地增加了白噪声的高频噪声分量。
另一方面，已经提出了采用放在热电基片上的梳形电极的热电红外传感器器件。这种热电红外传感器器件在日本公开特许公报NO.7-198478中有揭示。
本发明的一个目的是提供一种具有梳形电极的，可以避免传统的技术所遇到的问题的热电红外传感器器件。
本发明提供了上面提及的那种热电红外传感器器件，该传感器器件特征在于在所述基片的剩下的一个主平面上形成一个电极，且所述电极有和所述梳形电极相向的部分。
在上述热电红外传感器器件中，所述梳形电极可以有三个或者更多个电极对。
在上述热电红外传感器器件中，可以在所述基片的所述的一个主平面上电气连接多个所述梳形电极。
在上述热电红外传感器器件中，所述梳形电极的电极间距是可变的。电极间距可以沿一个特定的方向连续地增加距离。
在上述热电红外传感器器件中，所述梳形电极具有一个大于100微米的极间距离。
在这种类型的热电红外传感器器件中，由于基片被梳形电极极化，只能在用作红外光接收面的基片的一个主平面处接收入射的红外光的热能。相应地，只有在或接近基片的这个主平面处由于热交换才能获得想要的热电电流。
另外，由于放置在基片一个剩下的主平面上的相向电极具有和梳形电极相向或者重叠的部分，因此可改善偶极子朝梳形电极之间聚集，这又增加基片的极化率。通过采用有限元法的模拟结果已发现这一点。还可通过增加基片的极化率来增加作为热电红外传感器器件的装置结构的电容(静电电容)。
此外，采用梳形电极可以增加相向的电极部分的面积(由此增加了电流的路径)，从而相应地减小了电阻。
根据本发明的一个方面，在基片的顶面上串联或者并联连接多个梳形电极。这些梳形电极以串联或者并联的方式连接，在红外光接收表面上构成多个光接收元件。只有在作为红外光接收表面的基片的一个主平面处或者其附近由于热交换才可以获得想要的热电电流。这样，抑制或者消除有关光接收元件的相邻元件之间灵敏度的串扰是可能的。
根据本发明的另一个方面，至少一个梳形电极对具有平行的、终端开路的指状物部分，这些指状物部分之间的间隔或者间距是可变的。在梳形电极中采用这种可变的指状物的间距，当入射红外光越过每个电极相继的指状物时，入射红外光的能量值每次是不同。由于这个原因，从红外光入射到发出相应的输出电信号所经过的时间间隔，(即，时间常数，)可以相应地增加或减小。
根据本发明的再一个方面，每个梳形电极的极间距离被具体选定，从而超过100微米。由于这个数值的设定，可以进一步提高灵敏度。
本发明的一个重要的优点是，可以提供一种热电红外传感器器件在进一步提高它的灵敏度和相对检测率的同时，能够低成本地大量生产它。更具体地说，可以通过采用具有和梳形电极相向部分的电极来增加极化率，因此可以使电容(静电电容)进一步地增加。因此，可以在增加S/N比的同时提供增加了的热电电流，从而提高灵敏度和相对检测率。
本发明的另一个优点是热电红外传感器器件的特性与基片厚度的方向无关的能力使它不再需要减小热电基片自身的厚度。因此，机械强度和热强度可以增大，可以消除电特性由于强度的原因而造成的降低。
本发明的再一个优点是在基片的一个主平面上形成梳形电极，使得有可能在红外光接收面上直接制造电路，而使该电路和基片成为一体。另外，目前可获得的在IC制造中被广泛采用的光刻技术也可以作为这种梳形电极的形成方法而被采用，这就能够以较小的复杂性对任何想要的红外光接收部分进行微制造。而且，不需象在传统技术中那样采用特别薄的热电基片，使得不再需要采用任何额外的支承基片用于热电基片的牢固的支承，与此同时减小了支承结构以及它的热绝缘方案的的复杂性。
此外，由于需要的部件或元件数更少，使制造方法的复杂性的减小，可以提供一种电可靠性和可制造性良好的热电红外传感器器件而制造成本较低。
本发明的另一个优点如下。在红外光接收表面串联或者并联连接多个光接收元件，同时只有在在作为红外光接收面的基片的一个主平面处或者其附近在有热交换时才能产生热电电流；结果，可以抑制光接收元件之间出现的灵敏度串扰。因此，通过适当的光处理(例如光斩波(optical chopping))来提供有较少串扰的一维图像或者二维图像是可能的。这又可以改善被测目标物体的检测的准确度。
本发明的另一个优点是由于通过采用可变指状物间距的梳形电极可以延长时间常数，例如被测物体是人体，可以用增加的准确度测出其慢速或者中速的移动。
从下面对本发明的最佳实施例的更详细的描述，以及附图的说明，本发明的这些和其他的目的，特点和优点将会更加明显。
图1是显示根据本发明的一个较佳实施例的热电红外传感器器件的透视图。
图2A采用有限元法模拟，表示在其底部上没有相对的电极时在图1所示的红外线传感器器件的基片中产生的电场分布的图；而图2B是表示在其底部有相对的电极时在基片中产生的电场分布的图。
图3是一个热电红外传感器器件组件的部件分解图，该组件中包含根据本发明的另一个实施例的热电红外传感器器件。
图4显示了图3所示的热电红外传感器器件的等效电路图。
图5A和5B显示图3和4的红外线传感器器件的灵敏度和梳形电极的指状物对数N之间关系的曲线图，其中图5A显示交叉宽度的值保持常数时灵敏度随极间距离a和极间间距b的变化，而图5B显示W变化而a、b不变时灵敏度的变化。
图6是根据本发明另一个实施例的热电红外传感器器件组件的部件分解图。
图7和图8是也实施本发明的热电红外传感器器件的部分放大平面图。
图9通过显示图8的传感器器件的输出电压和来自被检测移动物体的入射红外光照射的时间之间关系的曲线图，指出了时间常数如何随时间变化。
图10A到10C表示几种也实施本发明的热电红外传感器器件的透视图。
图11显示一种传统的热电红外传感器器件的透视图。
图12A到12C显示了另一种传统的热电红外传感器器件，其中图12A是它的平面图，图12B是它的侧视图，而图12是它的仰视图。
图13是采用图12所示的传感器器件的一种传统的热电红外传感器器件组件的部件分解图。
图14A到14C显示采用图12A到12C的传感器器件的另一种传统的热电红外传感器器件组件，其中图14A是它的平面图，图14B是它的侧视图，而图14C是在那里使用的支承板的仰视图。
图15显示另一种传统的热电红外传感器器件的透视图。
参照图1，用标号10概数指出根据本发明一个较佳实施例的热电红外传感器器件。该传感器器件10包含厚度为t的矩形基片12。基片12可以由经挑选的热电材料制成。为了在基片12的表面处提供更大的输出电压，该材料沿基片12厚度的热电性最好小于沿其表面的热电性。对于基片12，通过采用正方晶系钛酸铅热电陶瓷可满足。
在基片12的顶面这样配置一对梳形电极图案14，每个电极具有数量具体选定的“指状物”部分，这些指状物大体上等距地隔开，平行，导电，且终端开路。更具体地说，把一个梳形电极14制成具有五个等距隔开、终端开路的指状物14a的图形，该指状物的一端相互依次短接，而另一端保持不连接。同样，另一个梳形电极14也具有五个终端开路的指状物14b。这些电极的指状物14a、14b在空间相互交叉，在它们之间有缝隙，如图1所示。该梳形电极14是这样的，将指状物对数N设定为5，而极间距离用a表示，极间间距由b表示，还有电极的交叉宽度由W表示。这里所用的极间距离a是指梳形电极14的指状物14a和14b之间的距离或缝隙。这里所用的极间间距b是指由一根指状物14a和一根与它相邻的指状物14b相互交错构成一对指状物时，从中心到中心的距离。从图1很容易看出，电极的交叉宽度W是指基片12上这些交叉的指状物14a和14b重叠部分的长度。
热电基片12有一个相对的表面，或底面，在该表面上完全形成一层导电层16作为另一电极。该底面的电极16沿热电基片12的厚度方向和梳形电极对14绝缘地重叠，从而它包含与基片的顶表面的梳形电极14相向的部分，而基片12夹在它们之间。
在这个实施例中，热电基片12由以(PbxCa1-x){(Ni1/3Nb2/3)1-yTiy}O3为基的热电陶瓷制成。基片12的厚度t的尺寸可以是0.30到0.50毫米(mm)。梳形电极14和相对的电极16最好由导电性良好的金属制成，象金(Au)、银(Ag)或铝(Al)。或者这些电极可以由镍(Ni)、铬(Cr)等的合金制成。这里要注意，为了在付诸实用中增加灵敏度，如果合适，可以在电极14、16露出的表面上另外提供吸热膜或者热沉(heat sink)层(这里未示出)。
在图1所示的热电红外传感器器件10中，在其上形成有梳形电极对14的顶面作为辐射敏感面，用于接收从待测物体辐射出来的入射红外光。在这个红外线传感器器件10中，当在叉指形电极指状物14a和14b之间施加DC电压时，梳形电极对14使在它下面的热电基片材料沿和图1的Y轴方向相同的选定方向极化。可以用这种方式进行极化，即在100到150℃的温度下，在梳形电极对14的指状物14a和14b之间施加从2.0到4.0千伏/毫米(kV/mm)的DC电压60分钟。
见图2A和2B。这些图表明了有关偶极子的浓度实验模拟的结果，用于分析在图1的热电基片12里面如何形成内部电场。更具体地说，图2A是在未设置和梳形电极14绝缘地重叠的相向电极16的情况下，用有限元法对基片12内形成的电场分布进行模拟得到的图形表示；而图2B是在底面上设置和梳形电极14相向的电极16情况下，用有限元法对基片12内形成的电场分布进行模拟得到的图形表示。
如熟悉本领域的人从观察图2A到2B，可以容易地看出的那样，模拟结果揭示了这样一个事实，即，通过形成有一些部分和基片12的顶面的梳形电极14相向对的底面电极16，可以改善在基片顶面附近偶极子朝梳形电极对14在空间交叉的指状物14a，14b之间的聚集。为此，用图1所示的热电红外传感器器件10，为了增强偶极子相对于梳形电极14的指状物14a、14b的聚集，在改进极化率的同时，在基片12的整个底面上形成相向电极16。
现在转向图3，标号30概略地指出了根据本发明另一个实施例的热电红外传感器器件组件结构。传感器器件组件30包含一个热电红外传感器器件20，把它安装在一个称为管座的支承基板32上。传感器器件20和图1中所示的相似，在平面矩形的热电基片22上有两个梳形电极对24、26的串联组合。在某些情况下，可以称这种具有如此串联耦合的梳形电极对24、26的传感器器件20为“双梳形电极传感器器件”。
更具体地说，如图3所示，热电红外传感器器件20在热电基片12上包含两对梳形电极24、26，每一电极具有五个平行，终端开路的指状物，它们在基片22上和与之相关梳形电极的指状物在空间配合或交叉。把这些梳形电极对24、26布置在基片22上的中心处，并且相互串联电气连接。基片22被这对梳形电极对24、26极化。基片22相向的或底面(图3中看不见)，在该表面上全部形成电极28，因此该电极有一些部分和梳形电极对24、26相向。把基片22安装在管座32上，在它们之间还放有一介质薄膜层部件。
如图3所示，在热电基片22的顶面上安装有一个场效应晶体管(FET)34，从而把该FET34放置得靠近基片22的一长边侧边缘，如图所示，它和梳形电极对24、26之间隔开一段距离。在其上绝缘地安装了基片22的管座32具有一预定数量的(这里是3)直立线状导电柱36a、36b、36c，作为和在印刷电路板(PCB)上的外部电路电气连接的端子，该电路和传感器器件组件30的工作有关。
在热电红外传感器器件20的基片22上，FET34有一个栅极节点，该节点通过一引线图案38和一对梳形电极26中的第一组平行指状物26b电气连接。梳形电极26中的第二组指状物26a经中间引线40和另一对梳形电极24中的第一组指状物24b电气连接。剩下的梳形电极24的第二组指状物24a经引线42连接到称为“侧电极”的连接焊接区44。电极44在基片22的FET和安装侧边缘相向的侧壁上。如图3所示，侧电极44沿着基片22的厚度延伸。FET34的漏极节点通过导电焊丝46连接到一个端子柱36a。FET34的源极通过焊丝48连接到另一个端子柱36b。剩下的端子柱36c用作接地端子，它通过导电胶(图中未示出)和基片22的侧电极44电气接触。
仍参考图3，其上安装着基片22的管座32用外壳50装配，它提供了密封的内部空间，热电传感器器件20就被封装在该空间中。如图所示，外壳50可以是帽子形的。外壳50有一个圆形顶面或“天花板”，在其中心开有一矩形开口50a，作为辐射进入的窗口。在管帽天花板的内表面上牢固地装着一个滤光器52以覆盖开口52，使入射红外线的光线可以通过滤光器52射到下面的密封在由外壳50和管座32装配后所形成的空间中的热电传感器器件20上。作为举例，滤光器52可以是5微米cut-on长光程滤光器。
图3的热电红外传感器器件组件30有图4所示的等效电路。当红外光(它可能是从一待测物体，诸如一个人体移动目标上辐射出来的)输入时，在内装的热电传感器器件20的辐射敏感表面(也就是基片22有梳形电极对24、26串联组合的顶面)上会得到热能。当这样做时，传感器器件20产生一个相应数量的热电电流。通过使之流过连至FET栅极的电阻器Rg和热电红外传感器器件20的固有电阻的合成电阻，可以作为电压获得此热电电流。然后把所得电压输入至FET34的栅极(G)。这时，把偏置电压施加至FET34的漏极(D)，而把FET34的源极(S)接地。在红外线传感器器件20处得出的热电电流由传感器器件20、电阻Rg和FET34进行阻抗变换，然后作为检测电压信号产生于输出端子柱36b。
见图5A和5B的曲线图，它们根据实验指明，图3的热电红外传感器器件组件30具有提高了的灵敏度。更具体地说，采用传感器器件组件30的若干尺寸参数进行了实验，尺寸参数包括梳形电极对的指状物的对数N、指状物间隙a与指状物间距b之比k(由k＝a/b给出)、还有指状物的交叉宽度W，每一项参数的值都按下面方式变化。图5A的曲线图表示在交叉宽度W保持为0.1mm不变的情况下，当指状物的间隙与间距的比值k从0.5经过0.6变化到0.7时，得到的灵敏度和指状物的对数N之间的关系曲线。图5B的曲线图表明在k值固定为0.5的情况下，当交叉宽度W在0.6mm和1.0mm之间变化时灵敏度的变化。从这些实验结果中可以容易地看到，已经发现当N大于或等于3，同时a的值超过100微米时，图3的热电红外传感器器件组件30尤其能够呈现良好的灵敏度。
这种热电红外传感器器件组件30的一个重要的优点是，由于允许在热电基片22内极化的梳形电极对24、26形成在，作为红外光的接收面基片22的表面上，故可只在基片22的顶面或其附近捕捉到热能。由于这个原因，不用再象描述的开头部分所讨论的现有技术那样，传感器器件组件30可以用作不依赖热电体厚度方向的热电红外传感器器件。
由于具有和梳形电极对24和26相向部分的电极28的存在，这个实施例传感器器件组件30的另一个优点在于具有实现偶极子朝梳形电极对24的指状物24a和24b之间以及梳形电极对26的指状物26a和26b之间聚集的能力。这又使得增加梳形电极对24、26的极化率成为可能。而且，也使增加梳形电极对24、26和相向的电极28之间的电容(静电电容)成为可能。相应地，在获得良好的S/N比的同时可以得到足够的热电电流。结果，对本实施例的热电红外传感器器件组件30可以期望更好的灵敏度。
这个实施例30的另一个优点是由于和梳形电极对24、26绝缘地重叠的一些部分的相向电极28在基片22的底部表面上，故总体上热电红外传感器器件20的电阻可以进一步减小。因此，可以不采用设置在FET34的栅极(G)和地端(GND)之间的外部电阻器。这里要注意，图4的等效电路图中的电阻器Rg只是热电红外传感器器件20的固有电阻的符号表示，而不是单独连接在那里的分立元件。
组件30还有一个优点是其中采用的热电红外传感器器件20的工作不依赖于热电基片22的厚度方向；因此不再需要大幅度地减小基片22的厚度。相应地，可以增强机械强度和热强度，藉此消除或者至少大大抑制任何可能发生的电特性的衰退，而这些衰退是由于减小基片厚度引起的。
红外传感器器件20的一个优点在于梳形电极对24、26在用作为红外光接收面的热电基片22的表面上，这就使得在基片22的红外光接收面上整体地形成电路成为可能。并且，由于目前可以获得的光刻技术(该技术已在IC的制造中广泛采用)作为梳形电极对24、26的构成方法，不需作任何修改而直接应用，因此以较小的复杂性比较容易地制造红外光接收部件是可能的。还有，不再需要任何热电基片的支承板故同时不再需要使用用于支承热电基片的各种复杂方法和任何额外的热绝缘方案。
结果，对热电红外传感器器件20来说，制造的复杂性和部件数量的减小，使提高电可靠性和可制造性，并降低生产成本成为可能。
图6显示了根据本发明的另一个实施例的热电红外传感器器件。如图所示，该组件概略地由标号60指出。图3所示的先前的传感器器件组件30是密封型的，而图5所示的组件60的结构是表面安装元件型的。在图6中，仅仅为了解释的方便，相同的部分或元件用同样的符号指出。
图6的热电红外传感器器件组件60和图3的组件大致上是类似的，但改变了外壳50的形状，去除了端子柱36a到36c，此外还改变了FET34的有关其源极、漏极和栅极的电气连接方案。如图所示，外壳50的外形类似于一个薄的矩形盒子，而不是图3中所示的帽子形状。FET34的漏极、源极和栅极分别连接到外部的电极焊接区，这些焊接区分布在热电基片22上规定的位置处，这将在下面详细描述。
仍参见图6，矩形的热电基片20有三个电极焊接区45、47、49。焊接区47、49用于和安装在基片20上的FET34电气连接，并沿基片22的一纵向相向侧面边缘形成，两者之间隔开一段距离。这些焊接区47，49用引线46、48电气连接到FET34的漏极和源极。焊接区47用作为输入端子，而焊接区49用作为输出端子。剩下的焊接区45形成于基片的另一纵向侧边缘，从而隔着基片22的宽度和焊接区49相向。如图所示，焊接区45还在基片22侧面的相应部分延伸。焊接区45作为接地端子。这个焊接区通过两个梳形电极对24、26的串联组合电气连接到FET34的栅极。更具体地说，接地焊接区45经一个在表面上的引线图案42连接到一个梳形电极对24的第一组指状物24a，该梳形电极对的第二组指状物24b通过一个面上的中间引线40连接到另一梳形电极对26的第一组指状物26a。该梳形电极对26的第二组指状物26b通过面上的引线图案38和FET34的栅极电气连接。
现在转向图7，该图显示了根据本发明的再一个实施例的热电红外传感器器件70的主要部分。红外线传感器器件70类似于图3所示的20，但梳形电极对24、26被由梳形电极对74的一些行构成的阵列所代替。更具体地说，在热电基片72的光接收面上以串联或并联的方式设置了梳形电极对74的多个串联组合。每一行中的每一个梳形电极对74由两个导电的梳形电极图案74a、74b组成，每个电极图案都有选定数量的(三个或更多)平行的、终端开路的指状物。梳形电极74a具有包括它的最外面的指状物在内的四个指状物，而电极74b具有三个指状物，电极74b的每个状物都在和它相关联的梳形电极74a的一对接连的指状物之间。基片72有一个类似的底面电极(图7中看不见)，该电极具有和串联/并联梳形电极对74相向的一些部分。
采用这种结构，由于在基片72的红外光接收面上把数量较多的串联连接的梳形电极对74分成一些平行的行，并使每一对都用作为辐射敏感元件，故只有由于在基片表面处或在其附近的变换，才能够得到想要的响应于入射红外光线的辐射的热电电流。这有利地用于使相邻的梳形电极对74之间的串扰减至最小或至少使其大大降低。相应地，可以使检测的准确度增加到最大或至少使其大大提高，同时通过使用光学斩波程序，成功地获得极小的或无串扰的一维或二维图像。
可对图7所示的由多个梳形电极对行74构成的阵列进行修改，从而使它们的所有的第一组指状物74a连接在一起，同时使它们的第二组指状物74b再细分成一些块的行和列，它们中的每一个包括共同连接的第二组指状物。这种结构使更加准确地检测被测物体的移动成为可能。
图8显示了一个也实施本发明的热电传感器器件80。如图所示，红外线传感器器件80类似于图1的10，但电极指状物14a、14b被相邻的指状物之间的距离或间隔不同的指状物84a、84b所代替。更具体地说，传感器器件80包含具有一对梳形电极84的热电基片82。每个电极包括预选数量的(3个或更多)平行、终端开路指状物84a或84b，它们在一端相互依次连接。这些指状物的间距b以这样的方式不同或“变化”，即间距值b1、b2、b3、b4、…沿由图8中方向X所确定的基片82的长度，按顺序地增加。间距值b的这种依次增加使一个指状物84b和与它相关联的指状物对84a之间的间隙沿X方向逐步地增加。基片82具有一个类似的底面电极(在图中看不见)，它具有和梳形电极84相向的一些部分。
当电极指状物间距b变化时，如图9所示红外传感器器件器件80的输出电压会随时间而变化，图9中显示了时间常数的变化，这个系数相应于当红外光线辐射到其上形成有梳形电极对84的基片82的顶面时，入射红外光线的和与之响应的输出电信号之间时间变化的最大偏差或差异。更具体地说，假设从一目标物体(例如人体)辐射出来的红外光入射到传感器器件80的基片表面上。设想物体正在移动的。假定由于物体移动，射在传感器器件基片82上的入射红外光的光点或光束沿X方向移动。在这种情况下，当红外线通过梳形电极84的有关的一对叉指式指状物84a、84b时，所得到的红外光的能量的值每次都不同。换句话说，熟悉本领域的人对图8和图9作比较观察可以容易地发现，当光点跨过一对可变间距的电极指状物84a、84b时，由于入射在基片82上的红外线光束的光点在X方向上沿基片82的长度移动，那里所产生的热能强度每次都不同，由此使相应的传感器器件输出电压的波形变化。该输出电压的变化可以促使时间常数(即，从红外光入射到响应于它而发出输出电信号所用的时间)相应地增加，就象图9的曲线图所显示的那样。这使传感器器件80提供更高的灵敏度成为可能，尤其是在低频带。这又使得对于被测物体的慢速或中速移动(例如，慢速行走的人)，可以获得最大的检测能力。
图10A到10C显示了也对本发明的原理进行实施的另外一些实施例或者变更。这些红外传感器器件的特点是采用了三维(3D)结构，这将在下文中进行详细地解释。
图10A所示的热电红外传感器器件90A包含一个立方体支承基座结构92A，该结构具有方形顶面和底面以及四个侧壁，除了底面之外，在这些面的中心位置处通过粘结安装热电传感器器件的基片94a。立方体基座92A可以由绝缘材料制成。例如，每个传感器器件基片94a的结构和功能类似于图1中的基片。有了这种3D传感器器件结构，采用单个器件就可以获得多方向的检测。例如，在减小复杂性的同时可把一个被测物体确切的移动方向准确地检测出来。
图10B所示的一种热电红外传感器器件92B包含有3个倾斜侧壁的三棱锥形的支承基座92b，在每个倾斜侧壁面的中心的位置处分别安装传感器器件基片94b，采用这种结构，可获得类似的优点。
图10C所示的一种热电红外传感器器件90c包含具有环状侧面的圆柱形支承基座结构92c，在环状侧面上沿其轴向安装相互隔开的传感器器件基片94c。采用这种结构可以获得类似的优点。
在90A到90C的每一种器件中，3D支承基座92a到92c或者可以用一种经挑选出来的热电材料制成，在这些基片上直接形成所需要的梳形电极对。显然，这些基座的外形也可以是任一其他形状，如长方体，棱锥体，圆锥体等。
虽然参照特殊的实施例对本发明进行了揭示和描述，然而对熟悉本发明所涉及的领域的人来说，显然本发明包含的原理可以应用于许多其他实施例、变更和变化。因此只有所附的权利要求所拍出的范围对本发明作出限制。
权利要求
1.一种热电红外传感器器件(10)，包含由热电材料制成的基片(12)，所述基片有一个主平面和剩下的一个主平面，由所述一个主平面接收红外光线；在所述基片的一个主平面上的梳形电极(14)，并且所述基片(12)被所述梳形电极(12)极化；其特征在于在所述基片(12)的一个剩下的主平面上形成电极(16)，并且所述电极(16)具有和所述梳形电极(14)相向的部分。
2.如权利要求1所述的热电红外传感器器件(10)，其特征在于所述梳形电极(14)具有三个或者更多的电极对(14a、14b)。
3.如权利要求1或2所述的热电红外传感器器件(70)，其特征在于多个所述梳形电极(74)在所述基片(72)的所述一个主平面上电气连接。
4.如权利要求1到3所述的热电红外传感器器件(80)，其特征在于所述梳形电极(84)的电极间距(b1、b2、b3、b4)是可变的。
5.如权利要求4所述的热电红外传感器器件(80)，其特征在于所述电极间距(b1、b2、b3、b4)的距离沿特定的方向连续地增加。
6.如权利要求1到5所述的热电红外传感器器件(10)，其特征在于所述梳形电极(14)有大于100微米的极间距离(a)。
全文摘要
本发明提供一种热电红外传感器器件(10),包含由热电材料制成的基片(12),该基片有一个主平面和一个剩下的主平面,由一个主平面接收红外线,一在所述基片的这块主平面上形成梳形电极(14),并且基片(12)被梳形电极(12)极化,其特征在于在所述基片(12)的一个剩下的主平面上形成有电极(16),并且所述电极(16)有和所述梳形电极(14)相向的部分。这种热电红外传感器器件能够进一步提高灵敏度和相对检测率,同时降低制造成本。
文档编号G01J5/34GK1181500SQ97121300
公开日1998年5月13日 申请日期1997年10月30日 优先权日1996年10月30日
发明者伊藤聪 申请人:株式会社村田制作所