熱釋電紅外測溫儀研究進展

尹文杰，徐曉艷（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇　蘇州　215163）

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熱釋電紅外測溫儀研究進展

尹文杰，徐曉艷
（國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心，江蘇蘇州215163）

摘要：熱釋電紅外測溫儀由于其檢測范圍寬，可在室溫下工作，成本低，易于小型化，易于推廣應用，而受到越來越多的關注。這導致在全球范圍內涌現了許多相關的大公司，由于熱釋電紅外檢測在工業上的普遍應用，因而帶動了該項技術在學術領域研究的熱潮。本文主要以CNABS中國專利數據庫和VEN專利數據庫中的檢索結果為分析樣本，總結了與熱釋電紅外測溫儀相關的國內外專利的申請趨勢、本領域的主要申請人分布，并對熱釋電的技術發展脈絡做了梳理，希望給熱釋電紅外測溫儀的中國申請人在相關領域的專利布局以啟示。

關鍵詞：熱釋電；紅外；溫度

1　熱釋電紅外測溫儀概述

任何高于絕對零度的物體都會發出紅外輻射，但各種不同溫度的物體所輻射出的電磁能及能量隨波長的分布是不同的。利用紅外檢測器可將不可見的紅外熱輻射轉換成可測量的電信號，從而實現測量、成像或控制。熱釋電材料在吸收紅外部紅外輻射后，溫度升高引起電偶極矩的變化，產生與其溫度變化率成正比的電信號。熱釋電紅外檢測器就是利用熱釋電材料的熱釋電效應檢測引起溫度變化的輻射能量的一種紅外檢測器。熱釋電紅外檢測器的原理參如圖1所示：在熱釋電材料上下表面設置電極，在上表面電極上加以黑化膜提高紅外吸收紅外光效率，紅外線間歇地照射時，其表面溫度上升△U，導致內部原子排列變化，引起自發極化電荷，在上下電極之間產生電壓△U。熱釋電紅外檢測器的常見結構參如圖2所示：熱釋電紅外檢測器的基本結構組成類似電容器的構造，制作時，熱釋電元件、輸入電阻器、第一級JEFT通常被封裝在一個管殼內，成為不可分割的整體，并在垂直極化軸的方向上把具有熱釋電效應的材料切成薄片，再研磨成厚度為5~50μm的極薄片，在兩面蒸鍍上電極，其中吸收層上方的硅窗口材料只允許特定波段的紅外輻射入射到吸收層，而熱釋電材料則應被懸空裝配或貼在絕緣襯底上以遏制熱傳導。

圖1　熱釋電紅外檢測器原理圖

圖2　熱釋電紅外檢測器結構

2　熱釋電探測器專利技術的整體情況

熱釋電紅外檢測器的檢測范圍寬，可在室溫下工作，成本低，易于小型化，易于推廣應用，這些優點可彌補光量子檢測器及其紅外焦平面陣列探測范圍主要在近、中紅外波段，必須配備制冷設備、價格昂貴、成本高，難于實現系統進一步小型化和大批量應用等不足之處。下面筆者將對熱釋電紅外測溫儀的專利研究進展進行下分析總結。

2.1專利申請趨勢、布局分析

熱釋電紅外測溫儀的專利申請最早見于1956年的US2,985,759（如圖4所示），申請人通過將硼炭石置于兩金屬電極間，利用硼炭石的鐵電特性進行溫度測量。圖3中為主要申請國專利申請趨勢，從圖3中可以看出，熱釋電紅外測溫儀的萌芽期在1956-1977年，成長期在1978-1998年，1998年之后則為成熟期，熱釋電紅外測溫儀的高速成長期則在1984-1998年，2006年之后同樣有著較高的增長，這是由于1984-1998年間日本相關專利申請量呈現突飛猛進式的增長，同時日本、韓國、美國分別在1994年、1995年、1996年達到相關專利申請的峰值，由此可見1994-1996是熱釋電紅外測溫儀專利申請的高峰期，而2006年的增長絕大部分來自于中國的申請增長，這與中國越來越重視專利在產業和社會發展中的作用有著不可分割的聯系；結合圖5可以看出，雖然美國是熱釋電紅外測溫儀的早期申請國，其專利申請量在相關申請國家中占比并不高，相比較而言，日本和中國則有著較大的占比，其中日本占到56%，中國占到33%。

圖3　熱釋電紅外測溫儀各國專利申請量隨年份變化圖

圖4　早期熱釋電紅外測溫儀示意圖（US2,985,759）

圖5　熱釋電紅外測溫儀申請量按國家分布圖

2.2主要專利申請人、發明人分析

在熱釋電紅外測溫儀領域，世界主要的申請人為MATSUSHITA(松下)、MURATA（株氏會社村田制作所）、NIPPON CERAMIC、HORIBA，上述四家公司均為日本企業，可見日本在熱釋電紅外測溫儀領域的領先地位，尤以松下的申請量為多（如圖6所示）。松下的熱釋電紅外測溫儀專利同樣經歷了萌芽期（1970-1977年）、成長期（1978-1999年）、成熟期（1999年之后），這與世界相關專利的發展基本是一致的，且松下有著很強的研發團隊，NOMURA在熱釋電紅外測溫儀領域有著80件專利申請之多（如圖7所示）。而中國國內，1998年為熱釋電紅外測溫儀研究的元年，并在2006年之后有著飛速的發展，以鄭州煒盛電子（側重于多通道紅外測溫儀）、中國科學院上海硅酸鹽研究所（側重于熱釋電材料）、電子科技大學（涉及測溫儀與材料）、浙江大學（側重于將紅外測溫儀作為組成部件的應用）、天津大學（側重于電路）構成的第一研究集團帶領著中國在熱釋電紅外測溫領域一路前行，與日本相比，相關申請以高校為主，可以看出中國仍有較長的創新應用之路（如圖8所示）。

圖6　熱釋電紅外測溫儀世界主要申請人申請量隨年份變化

圖7　熱釋電紅外測溫儀領域中MATSUSHITA公司主要發明人的申請量對比

圖8　熱釋電紅外測溫儀中國主要申請人申請量隨年份累積

圖9　熱釋電紅外測溫儀的技術發展路線圖

2.3熱釋電紅外測溫儀的技術發展路線

如圖9所示，從第一件專利申請US2,985,759 （1956）開始，熱釋電紅外測溫儀已經經歷了60年左右的發展，在此發展階段中，熱釋電紅外測溫儀的技術演進主要是圍繞著提高靈敏度、移動物體測溫、降低成本，小型化、防止應力集中來進行：

在提高靈敏度方面，US3,290,940(1963)采用有著不同熱傳導特性的符合金屬核心溫度探針來降低溫度勢壘誤差，從而來提高靈敏度；US3,286,524 (1963)采用橋式檢流計電路來提升測量表面溫度快速變化物體的靈敏度；US3,355,589提供高吸收和低吸收的兩個單元來使敏感度保持穩定；US4,214,165 (1979)通過改善熱絕緣性能而提高靈敏度；EP0650039A1(1995)在密封體內部設置熱電體，光學透鏡設置于紅外紅外線入射濾光片的表面或背面，省去外部透鏡，從而提高靈敏度；EP0682237A （1995）具有徑向扇形薄膜狀熱電元件和兩個由電絕緣熱絕緣樹脂制成的且與扇形徑向兩端相粘合的支撐板，在輻射吸收層附著于元件的一個表面后，相互粘合樹脂板，致使吸收層向內且元件成圓錐形，吸收層以熱的形式吸收進入圓錐底面一開口的輻射，元件將溫度的升高轉換成一電信號，從而探測出輻射能量的大小，被反射的輻射再次進入吸收層，由于吸收層重復反射和吸收入射輻射，所以無論波長如何都能約100%地吸收和探測輻射；JPH1168246A(1999)通過使壓電致動器的偏轉量容易控制而提高器件靈敏度；JP2001235364A(2002)通過做為紅外線接收部的基底懸臂部被在同一方向上被一致極化,并且其余部分被以隨機方式極化以減少噪聲的發生；在消除環境噪聲提高靈敏度方面，WO2006/120863，WO2006/112122公開了使用雙元型熱電檢測元件，以消除環境噪聲，作為改進版本，JP2012027010A（2012）通過提供一種不使熱電體基板的熱電性變化，就能夠抑制由于周圍環境的溫度變化而產生的電荷從輸出端子部輸出的熱電性紅外檢測元件，而消除環境噪聲；同時，在常規的熱電元件與IC元件的連接中存在輸出用電容耦合（日本第3367876號專利，WO2006/120863），作為改進版本，JPWO2011021519S(2013)的紅外線傳感器具備熱電元件、對熱電元件的輸出信號進行信號處理的IC元件、和收納熱電元件以及IC元件的表面安裝型的封裝部件,封裝部件具有封裝主體、和具有使熱電元件的檢測對象的紅外線透過的功能以及導電性的封裝蓋,封裝主體在一面側設有多段凹部，IC元件被安裝在下段的凹部的內底面，熱電元件在封裝主體的俯視下跨越下段的凹部和比該下段的凹部靠上段的凹部并且在厚度方向與IC元件分離地安裝,在熱電元件與將IC元件的輸出端子、封裝主體的外部連接電極間電連接的輸出用布線之間設有屏蔽構造部，該屏蔽構造部與IC元件的成為接地電位或者定電位的部位電連接；N101975613A (2011)使光敏區懸空，空氣作為絕緣層而減少熱損失，從而提高敏感度。

在移動物體測溫方面，US3,287,976(1962)通過加熱單元采用絕緣板覆蓋，位于板中間的接收器包含有絕緣物質，所述絕緣物質的兩面均含有電溫度測量器件和溫度敏感的微分電阻單元，并以“ZIG-ZAG”的形式排布，以測量快速移動物體；JPH02201228A（1990）公開了以直角三角形作為紅外檢測單元形狀的傳感器，當45度方向移動時，由于正負抵消，而無輸出，作為改進版本，JPWO19990JPWO1999041575S（2000）使紅外線檢測元件包括設置在熱電體上的極性為相反極性的、電連接的大致梯形的具有吸收紅外線功能的第1電極和設置在熱電體的其它面上的電連接的一對第2電極,將一個第1電極的大致梯形的下底和另一個第2電極的大致梯形的下底沿同一方向配置,達到無論對于來自任何方向的檢測對象的運動都能得到輸出的效果；

在降低成本、小型化方面，US4,024,560(1975)通過結構改造，使其適于大規模集成電路，從而降低成本；作為改進版本，JP2004028764A（2004）傳感器導線和I/O導線模制在絕緣支架中來降低成本；WO2004/00198A1通過將電路塊設計成三維形狀而增加了額外的費用，作為改進版本，JP2007171159A (2007)電子元件的一部分或全部可以模制到介電層內，以實現結構簡化且薄型的電路塊，同時具有使得紅外傳感器元件與電子元件和相關電路保持足夠遠的優點，由此確保獲得結構簡單、成本低; CN1955700A(2007)具有前截止光譜特性的響應元，避免陽光干擾，降低成本50%;JP特開2014-85321A （2014）通過將探測器置于集成基板上，使探測器尺寸均勻而降低成本。在小型化方面，JPWO1996014687S（1997）在隔片上粘貼壓電體構成單壓電晶片型執行元件，隔片與變位擴大部連成U字形，單壓電晶片型執行元件和變位擴大部各自振動引起的共振頻率相互接近，并在兩共振頻率之間進行驅動。這樣，在變位擴大部前端能得到穩定的變位擴大效果，并能使所述傳感器小型化；此外，將MEMS技術應用熱釋電器件中，以小型化熱釋電紅外探測器是技術的必然發展趨勢（US2004/ 0151978A1 (2004),WO2010/073286A1(2010),US2015/ 0035110A1(2015),JP2015031560A(2015)）。如圖10所示。

圖10　不同年份傳感器

在防止應力集中方面，JPH09288004A（1998）通過使熱電型IR接收元件包括熱電基片及形成于基片上的矩形貼片，基片具有U形槽，U形槽連續圍繞貼片三邊使其在懸臂端以懸臂方式由基片支撐，來避免貼片上出現應力集中；CN103050580A(2013)在硅襯底中制備凹槽，使每個面都受力平衡，防止開裂。

通過以上的分析可以看出，熱釋電工藝結構的改進集中于提高靈敏度、降低成本和減小尺寸，這也是未來熱釋電工藝結構的專利發展方向。

3　審查實踐

通過對熱釋電紅外測溫儀技術脈絡的梳理，可以幫助審查員快速理解熱釋

電紅外測溫儀的發展情況，技術分支以及發明點所集中的技術方向，并迅速找到對比文件，以下給出示例：

【案例】

申請號：2010106108702

發明名稱：雙通道熱釋電紅外傳感器

申請人：鄭州煒盛電子科技有限公司

技術方案：

權利要求1.一種雙通道熱釋電紅外傳感器，包括有管帽、設置在管帽首端的窗口、設置在管帽內側的紅外濾光片、安裝在管帽末端的管座、穿過管座設置的管腳和連接管腳的傳感器電路，所述傳感器電路包括有兩組紅外敏感元和兩只場效應管，其特征在于：在所述管帽內設置有上層電路板和下層電路板，所述上層電路板和所述下層電路板分別設置在所述管腳上，所述傳感器電路設置在所述上層電路板和所述下層電路板上，其中，兩組紅外敏感元設置在所述上層電路板上側，兩只場效應管設置在所述下層電路板上側。

根據申請文件可知，該技術方案的主要目的在于提供一種體積小巧、制作簡單、生產效率高、使用范圍廣的雙通道熱釋電紅外傳感器，由于結構特征較細而不便于采用具體結構特征作為關鍵詞，由于日本在相關專利方面申請量較多，在VEN中限定為JP公開號，使用關鍵詞PYROELECTRIC +、INFRARED而獲得了可用的X文獻JP特開2003-149046A。

4　結論

本文對熱釋電紅外測溫儀進行了梳理，闡述了這一方面的專利申請的全球發展趨勢以及在各國的分布情況，并分析了熱釋電紅外測溫儀的技術發展脈絡，靈敏度、移動物體測溫、降低成本，小型化、防止應力集中這四個方面是其未來的專利申請發展方向。隨著科學技術的發展，熱釋電紅外測溫的應用會越來越廣泛，因此，了解這一技術領域的專利發展情況無論對于專利的審查以及企業的發展方向都具有一定的指導作用。

參考文獻：

[1]劉茜.熱釋電紅外檢測器研究探討[J].紅外，2005，1（11）：1-8.

中圖分類號：TN21