热释电红外测温仪研究进展

尹文杰，徐晓艳（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏　苏州　215163）



热释电红外测温仪研究进展

尹文杰，徐晓艳
（国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心，江苏苏州215163）

摘要：热释电红外测温仪由于其检测范围宽，可在室温下工作，成本低，易于小型化，易于推广应用，而受到越来越多的关注。这导致在全球范围内涌现了许多相关的大公司，由于热释电红外检测在工业上的普遍应用，因而带动了该项技术在学术领域研究的热潮。本文主要以CNABS中国专利数据库和VEN专利数据库中的检索结果为分析样本，总结了与热释电红外测温仪相关的国内外专利的申请趋势、本领域的主要申请人分布，并对热释电的技术发展脉络做了梳理，希望给热释电红外测温仪的中国申请人在相关领域的专利布局以启示。

关键词：热释电；红外；温度

1　热释电红外测温仪概述

任何高于绝对零度的物体都会发出红外辐射，但各种不同温度的物体所辐射出的电磁能及能量随波长的分布是不同的。利用红外检测器可将不可见的红外热辐射转换成可测量的电信号，从而实现测量、成像或控制。热释电材料在吸收红外部红外辐射后，温度升高引起电偶极矩的变化，产生与其温度变化率成正比的电信号。热释电红外检测器就是利用热释电材料的热释电效应检测引起温度变化的辐射能量的一种红外检测器。热释电红外检测器的原理参如图1所示：在热释电材料上下表面设置电极，在上表面电极上加以黑化膜提高红外吸收红外光效率，红外线间歇地照射时，其表面温度上升△U，导致内部原子排列变化，引起自发极化电荷，在上下电极之间产生电压△U。热释电红外检测器的常见结构参如图2所示：热释电红外检测器的基本结构组成类似电容器的构造，制作时，热释电元件、输入电阻器、第一级JEFT通常被封装在一个管壳内，成为不可分割的整体，并在垂直极化轴的方向上把具有热释电效应的材料切成薄片，再研磨成厚度为5~50μm的极薄片，在两面蒸镀上电极，其中吸收层上方的硅窗口材料只允许特定波段的红外辐射入射到吸收层，而热释电材料则应被悬空装配或贴在绝缘衬底上以遏制热传导。

图1　热释电红外检测器原理图

图2　热释电红外检测器结构

2　热释电探测器专利技术的整体情况

热释电红外检测器的检测范围宽，可在室温下工作，成本低，易于小型化，易于推广应用，这些优点可弥补光量子检测器及其红外焦平面阵列探测范围主要在近、中红外波段，必须配备制冷设备、价格昂贵、成本高，难于实现系统进一步小型化和大批量应用等不足之处。下面笔者将对热释电红外测温仪的专利研究进展进行下分析总结。

2.1专利申请趋势、布局分析

热释电红外测温仪的专利申请最早见于1956年的US2,985,759（如图4所示），申请人通过将硼炭石置于两金属电极间，利用硼炭石的铁电特性进行温度测量。图3中为主要申请国专利申请趋势，从图3中可以看出，热释电红外测温仪的萌芽期在1956-1977年，成长期在1978-1998年，1998年之后则为成熟期，热释电红外测温仪的高速成长期则在1984-1998年，2006年之后同样有着较高的增长，这是由于1984-1998年间日本相关专利申请量呈现突飞猛进式的增长，同时日本、韩国、美国分别在1994年、1995年、1996年达到相关专利申请的峰值，由此可见1994-1996是热释电红外测温仪专利申请的高峰期，而2006年的增长绝大部分来自于中国的申请增长，这与中国越来越重视专利在产业和社会发展中的作用有着不可分割的联系；结合图5可以看出，虽然美国是热释电红外测温仪的早期申请国，其专利申请量在相关申请国家中占比并不高，相比较而言，日本和中国则有着较大的占比，其中日本占到56%，中国占到33%。

图3　热释电红外测温仪各国专利申请量随年份变化图

图4　早期热释电红外测温仪示意图（US2,985,759）

图5　热释电红外测温仪申请量按国家分布图

2.2主要专利申请人、发明人分析

在热释电红外测温仪领域，世界主要的申请人为MATSUSHITA(松下)、MURATA（株氏会社村田制作所）、NIPPON CERAMIC、HORIBA，上述四家公司均为日本企业，可见日本在热释电红外测温仪领域的领先地位，尤以松下的申请量为多（如图6所示）。松下的热释电红外测温仪专利同样经历了萌芽期（1970-1977年）、成长期（1978-1999年）、成熟期（1999年之后），这与世界相关专利的发展基本是一致的，且松下有着很强的研发团队，NOMURA在热释电红外测温仪领域有着80件专利申请之多（如图7所示）。而中国国内，1998年为热释电红外测温仪研究的元年，并在2006年之后有着飞速的发展，以郑州炜盛电子（侧重于多通道红外测温仪）、中国科学院上海硅酸盐研究所（侧重于热释电材料）、电子科技大学（涉及测温仪与材料）、浙江大学（侧重于将红外测温仪作为组成部件的应用）、天津大学（侧重于电路）构成的第一研究集团带领着中国在热释电红外测温领域一路前行，与日本相比，相关申请以高校为主，可以看出中国仍有较长的创新应用之路（如图8所示）。

图6　热释电红外测温仪世界主要申请人申请量随年份变化

图7　热释电红外测温仪领域中MATSUSHITA公司主要发明人的申请量对比

图8　热释电红外测温仪中国主要申请人申请量随年份累积

图9　热释电红外测温仪的技术发展路线图

2.3热释电红外测温仪的技术发展路线

如图9所示，从第一件专利申请US2,985,759 （1956）开始，热释电红外测温仪已经经历了60年左右的发展，在此发展阶段中，热释电红外测温仪的技术演进主要是围绕着提高灵敏度、移动物体测温、降低成本，小型化、防止应力集中来进行：

在提高灵敏度方面，US3,290,940(1963)采用有着不同热传导特性的符合金属核心温度探针来降低温度势垒误差，从而来提高灵敏度；US3,286,524 (1963)采用桥式检流计电路来提升测量表面温度快速变化物体的灵敏度；US3,355,589提供高吸收和低吸收的两个单元来使敏感度保持稳定；US4,214,165 (1979)通过改善热绝缘性能而提高灵敏度；EP0650039A1(1995)在密封体内部设置热电体，光学透镜设置于红外红外线入射滤光片的表面或背面，省去外部透镜，从而提高灵敏度；EP0682237A （1995）具有径向扇形薄膜状热电元件和两个由电绝缘热绝缘树脂制成的且与扇形径向两端相粘合的支撑板，在辐射吸收层附着于元件的一个表面后，相互粘合树脂板，致使吸收层向内且元件成圆锥形，吸收层以热的形式吸收进入圆锥底面一开口的辐射，元件将温度的升高转换成一电信号，从而探测出辐射能量的大小，被反射的辐射再次进入吸收层，由于吸收层重复反射和吸收入射辐射，所以无论波长如何都能约100%地吸收和探测辐射；JPH1168246A(1999)通过使压电致动器的偏转量容易控制而提高器件灵敏度；JP2001235364A(2002)通过做为红外线接收部的基底悬臂部被在同一方向上被一致极化,并且其余部分被以随机方式极化以减少噪声的发生；在消除环境噪声提高灵敏度方面，WO2006/120863，WO2006/112122公开了使用双元型热电检测元件，以消除环境噪声，作为改进版本，JP2012027010A（2012）通过提供一种不使热电体基板的热电性变化，就能够抑制由于周围环境的温度变化而产生的电荷从输出端子部输出的热电性红外检测元件，而消除环境噪声；同时，在常规的热电元件与IC元件的连接中存在输出用电容耦合（日本第3367876号专利，WO2006/120863），作为改进版本，JPWO2011021519S(2013)的红外线传感器具备热电元件、对热电元件的输出信号进行信号处理的IC元件、和收纳热电元件以及IC元件的表面安装型的封装部件,封装部件具有封装主体、和具有使热电元件的检测对象的红外线透过的功能以及导电性的封装盖,封装主体在一面侧设有多段凹部，IC元件被安装在下段的凹部的内底面，热电元件在封装主体的俯视下跨越下段的凹部和比该下段的凹部靠上段的凹部并且在厚度方向与IC元件分离地安装,在热电元件与将IC元件的输出端子、封装主体的外部连接电极间电连接的输出用布线之间设有屏蔽构造部，该屏蔽构造部与IC元件的成为接地电位或者定电位的部位电连接；N101975613A (2011)使光敏区悬空，空气作为绝缘层而减少热损失，从而提高敏感度。

在移动物体测温方面，US3,287,976(1962)通过加热单元采用绝缘板覆盖，位于板中间的接收器包含有绝缘物质，所述绝缘物质的两面均含有电温度测量器件和温度敏感的微分电阻单元，并以“ZIG-ZAG”的形式排布，以测量快速移动物体；JPH02201228A（1990）公开了以直角三角形作为红外检测单元形状的传感器，当45度方向移动时，由于正负抵消，而无输出，作为改进版本，JPWO19990JPWO1999041575S（2000）使红外线检测元件包括设置在热电体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电极和设置在热电体的其它面上的电连接的一对第2电极,将一个第1电极的大致梯形的下底和另一个第2电极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；

在降低成本、小型化方面，US4,024,560(1975)通过结构改造，使其适于大规模集成电路，从而降低成本；作为改进版本，JP2004028764A（2004）传感器导线和I/O导线模制在绝缘支架中来降低成本；WO2004/00198A1通过将电路块设计成三维形状而增加了额外的费用，作为改进版本，JP2007171159A (2007)电子元件的一部分或全部可以模制到介电层内，以实现结构简化且薄型的电路块，同时具有使得红外传感器元件与电子元件和相关电路保持足够远的优点，由此确保获得结构简单、成本低; CN1955700A(2007)具有前截止光谱特性的响应元，避免阳光干扰，降低成本50%;JP特开2014-85321A （2014）通过将探测器置于集成基板上，使探测器尺寸均匀而降低成本。在小型化方面，JPWO1996014687S（1997）在隔片上粘贴压电体构成单压电晶片型执行元件，隔片与变位扩大部连成U字形，单压电晶片型执行元件和变位扩大部各自振动引起的共振频率相互接近，并在两共振频率之间进行驱动。这样，在变位扩大部前端能得到稳定的变位扩大效果，并能使所述传感器小型化；此外，将MEMS技术应用热释电器件中，以小型化热释电红外探测器是技术的必然发展趋势（US2004/ 0151978A1 (2004),WO2010/073286A1(2010),US2015/ 0035110A1(2015),JP2015031560A(2015)）。如图10所示。

图10　不同年份传感器

在防止应力集中方面，JPH09288004A（1998）通过使热电型IR接收元件包括热电基片及形成于基片上的矩形贴片，基片具有U形槽，U形槽连续围绕贴片三边使其在悬臂端以悬臂方式由基片支撑，来避免贴片上出现应力集中；CN103050580A(2013)在硅衬底中制备凹槽，使每个面都受力平衡，防止开裂。

通过以上的分析可以看出，热释电工艺结构的改进集中于提高灵敏度、降低成本和减小尺寸，这也是未来热释电工艺结构的专利发展方向。

3　审查实践

通过对热释电红外测温仪技术脉络的梳理，可以帮助审查员快速理解热释

电红外测温仪的发展情况，技术分支以及发明点所集中的技术方向，并迅速找到对比文件，以下给出示例：

【案例】

申请号：2010106108702

发明名称：双通道热释电红外传感器

申请人：郑州炜盛电子科技有限公司

技术方案：

权利要求1.一种双通道热释电红外传感器，包括有管帽、设置在管帽首端的窗口、设置在管帽内侧的红外滤光片、安装在管帽末端的管座、穿过管座设置的管脚和连接管脚的传感器电路，所述传感器电路包括有两组红外敏感元和两只场效应管，其特征在于：在所述管帽内设置有上层电路板和下层电路板，所述上层电路板和所述下层电路板分别设置在所述管脚上，所述传感器电路设置在所述上层电路板和所述下层电路板上，其中，两组红外敏感元设置在所述上层电路板上侧，两只场效应管设置在所述下层电路板上侧。

根据申请文件可知，该技术方案的主要目的在于提供一种体积小巧、制作简单、生产效率高、使用范围广的双通道热释电红外传感器，由于结构特征较细而不便于采用具体结构特征作为关键词，由于日本在相关专利方面申请量较多，在VEN中限定为JP公开号，使用关键词PYROELECTRIC +、INFRARED而获得了可用的X文献JP特开2003-149046A。

4　结论

本文对热释电红外测温仪进行了梳理，阐述了这一方面的专利申请的全球发展趋势以及在各国的分布情况，并分析了热释电红外测温仪的技术发展脉络，灵敏度、移动物体测温、降低成本，小型化、防止应力集中这四个方面是其未来的专利申请发展方向。随着科学技术的发展，热释电红外测温的应用会越来越广泛，因此，了解这一技术领域的专利发展情况无论对于专利的审查以及企业的发展方向都具有一定的指导作用。

参考文献：

[1]刘茜.热释电红外检测器研究探讨[J].红外，2005，1（11）：1-8.

中图分类号：TN21