尹文杰，徐曉艷（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇　蘇州　215163）

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熱釋電紅外測(cè)溫儀研究進(jìn)展

尹文杰，徐曉艷
（國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心，江蘇蘇州215163）

摘要：熱釋電紅外測(cè)溫儀由于其檢測(cè)范圍寬，可在室溫下工作，成本低，易于小型化，易于推廣應(yīng)用，而受到越來越多的關(guān)注。這導(dǎo)致在全球范圍內(nèi)涌現(xiàn)了許多相關(guān)的大公司，由于熱釋電紅外檢測(cè)在工業(yè)上的普遍應(yīng)用，因而帶動(dòng)了該項(xiàng)技術(shù)在學(xué)術(shù)領(lǐng)域研究的熱潮。本文主要以CNABS中國(guó)專利數(shù)據(jù)庫(kù)和VEN專利數(shù)據(jù)庫(kù)中的檢索結(jié)果為分析樣本，總結(jié)了與熱釋電紅外測(cè)溫儀相關(guān)的國(guó)內(nèi)外專利的申請(qǐng)趨勢(shì)、本領(lǐng)域的主要申請(qǐng)人分布，并對(duì)熱釋電的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)做了梳理，希望給熱釋電紅外測(cè)溫儀的中國(guó)申請(qǐng)人在相關(guān)領(lǐng)域的專利布局以啟示。

關(guān)鍵詞：熱釋電；紅外；溫度

1　熱釋電紅外測(cè)溫儀概述

任何高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)發(fā)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(zhǎng)的分布是不同的。利用紅外檢測(cè)器可將不可見的紅外熱輻射轉(zhuǎn)換成可測(cè)量的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)測(cè)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(chǎn)生與其溫度變化率成正比的電信號(hào)。熱釋電紅外檢測(cè)器就是利用熱釋電材料的熱釋電效應(yīng)檢測(cè)引起溫度變化的輻射能量的一種紅外檢測(cè)器。熱釋電紅外檢測(cè)器的原理參如圖1所示：在熱釋電材料上下表面設(shè)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(shí)，其表面溫度上升△U，導(dǎo)致內(nèi)部原子排列變化，引起自發(fā)極化電荷，在上下電極之間產(chǎn)生電壓△U。熱釋電紅外檢測(cè)器的常見結(jié)構(gòu)參如圖2所示：熱釋電紅外檢測(cè)器的基本結(jié)構(gòu)組成類似電容器的構(gòu)造，制作時(shí)，熱釋電元件、輸入電阻器、第一級(jí)JEFT通常被封裝在一個(gè)管殼內(nèi)，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(yīng)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(yīng)被懸空裝配或貼在絕緣襯底上以遏制熱傳導(dǎo)。

圖1　熱釋電紅外檢測(cè)器原理圖

圖2　熱釋電紅外檢測(cè)器結(jié)構(gòu)

2　熱釋電探測(cè)器專利技術(shù)的整體情況

熱釋電紅外檢測(cè)器的檢測(cè)范圍寬，可在室溫下工作，成本低，易于小型化，易于推廣應(yīng)用，這些優(yōu)點(diǎn)可彌補(bǔ)光量子檢測(cè)器及其紅外焦平面陣列探測(cè)范圍主要在近、中紅外波段，必須配備制冷設(shè)備、價(jià)格昂貴、成本高，難于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)進(jìn)一步小型化和大批量應(yīng)用等不足之處。下面筆者將對(duì)熱釋電紅外測(cè)溫儀的專利研究進(jìn)展進(jìn)行下分析總結(jié)。

2.1專利申請(qǐng)趨勢(shì)、布局分析

熱釋電紅外測(cè)溫儀的專利申請(qǐng)最早見于1956年的US2,985,759（如圖4所示），申請(qǐng)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(jìn)行溫度測(cè)量。圖3中為主要申請(qǐng)國(guó)專利申請(qǐng)趨勢(shì)，從圖3中可以看出，熱釋電紅外測(cè)溫儀的萌芽期在1956-1977年，成長(zhǎng)期在1978-1998年，1998年之后則為成熟期，熱釋電紅外測(cè)溫儀的高速成長(zhǎng)期則在1984-1998年，2006年之后同樣有著較高的增長(zhǎng)，這是由于1984-1998年間日本相關(guān)專利申請(qǐng)量呈現(xiàn)突飛猛進(jìn)式的增長(zhǎng)，同時(shí)日本、韓國(guó)、美國(guó)分別在1994年、1995年、1996年達(dá)到相關(guān)專利申請(qǐng)的峰值，由此可見1994-1996是熱釋電紅外測(cè)溫儀專利申請(qǐng)的高峰期，而2006年的增長(zhǎng)絕大部分來自于中國(guó)的申請(qǐng)?jiān)鲩L(zhǎng)，這與中國(guó)越來越重視專利在產(chǎn)業(yè)和社會(huì)發(fā)展中的作用有著不可分割的聯(lián)系；結(jié)合圖5可以看出，雖然美國(guó)是熱釋電紅外測(cè)溫儀的早期申請(qǐng)國(guó)，其專利申請(qǐng)量在相關(guān)申請(qǐng)國(guó)家中占比并不高，相比較而言，日本和中國(guó)則有著較大的占比，其中日本占到56%，中國(guó)占到33%。

圖3　熱釋電紅外測(cè)溫儀各國(guó)專利申請(qǐng)量隨年份變化圖

圖4　早期熱釋電紅外測(cè)溫儀示意圖（US2,985,759）

圖5　熱釋電紅外測(cè)溫儀申請(qǐng)量按國(guó)家分布圖

2.2主要專利申請(qǐng)人、發(fā)明人分析

在熱釋電紅外測(cè)溫儀領(lǐng)域，世界主要的申請(qǐng)人為MATSUSHITA(松下)、MURATA（株氏會(huì)社村田制作所）、NIPPON CERAMIC、HORIBA，上述四家公司均為日本企業(yè)，可見日本在熱釋電紅外測(cè)溫儀領(lǐng)域的領(lǐng)先地位，尤以松下的申請(qǐng)量為多（如圖6所示）。松下的熱釋電紅外測(cè)溫儀專利同樣經(jīng)歷了萌芽期（1970-1977年）、成長(zhǎng)期（1978-1999年）、成熟期（1999年之后），這與世界相關(guān)專利的發(fā)展基本是一致的，且松下有著很強(qiáng)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)，NOMURA在熱釋電紅外測(cè)溫儀領(lǐng)域有著80件專利申請(qǐng)之多（如圖7所示）。而中國(guó)國(guó)內(nèi)，1998年為熱釋電紅外測(cè)溫儀研究的元年，并在2006年之后有著飛速的發(fā)展，以鄭州煒盛電子（側(cè)重于多通道紅外測(cè)溫儀）、中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所（側(cè)重于熱釋電材料）、電子科技大學(xué)（涉及測(cè)溫儀與材料）、浙江大學(xué)（側(cè)重于將紅外測(cè)溫儀作為組成部件的應(yīng)用）、天津大學(xué)（側(cè)重于電路）構(gòu)成的第一研究集團(tuán)帶領(lǐng)著中國(guó)在熱釋電紅外測(cè)溫領(lǐng)域一路前行，與日本相比，相關(guān)申請(qǐng)以高校為主，可以看出中國(guó)仍有較長(zhǎng)的創(chuàng)新應(yīng)用之路（如圖8所示）。

圖6　熱釋電紅外測(cè)溫儀世界主要申請(qǐng)人申請(qǐng)量隨年份變化

圖7　熱釋電紅外測(cè)溫儀領(lǐng)域中MATSUSHITA公司主要發(fā)明人的申請(qǐng)量對(duì)比

圖8　熱釋電紅外測(cè)溫儀中國(guó)主要申請(qǐng)人申請(qǐng)量隨年份累積

圖9　熱釋電紅外測(cè)溫儀的技術(shù)發(fā)展路線圖

2.3熱釋電紅外測(cè)溫儀的技術(shù)發(fā)展路線

如圖9所示，從第一件專利申請(qǐng)US2,985,759 （1956）開始，熱釋電紅外測(cè)溫儀已經(jīng)經(jīng)歷了60年左右的發(fā)展，在此發(fā)展階段中，熱釋電紅外測(cè)溫儀的技術(shù)演進(jìn)主要是圍繞著提高靈敏度、移動(dòng)物體測(cè)溫、降低成本，小型化、防止應(yīng)力集中來進(jìn)行：

在提高靈敏度方面，US3,290,940(1963)采用有著不同熱傳導(dǎo)特性的符合金屬核心溫度探針來降低溫度勢(shì)壘誤差，從而來提高靈敏度；US3,286,524 (1963)采用橋式檢流計(jì)電路來提升測(cè)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(gè)單元來使敏感度保持穩(wěn)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(nèi)部設(shè)置熱電體，光學(xué)透鏡設(shè)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(gè)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(gè)表面后，相互粘合樹脂板，致使吸收層向內(nèi)且元件成圓錐形，吸收層以熱的形式吸收進(jìn)入圓錐底面一開口的輻射，元件將溫度的升高轉(zhuǎn)換成一電信號(hào)，從而探測(cè)出輻射能量的大小，被反射的輻射再次進(jìn)入吸收層，由于吸收層重復(fù)反射和吸收入射輻射，所以無論波長(zhǎng)如何都能約100%地吸收和探測(cè)輻射；JPH1168246A(1999)通過使壓電致動(dòng)器的偏轉(zhuǎn)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(jī)方式極化以減少噪聲的發(fā)生；在消除環(huán)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(cè)元件，以消除環(huán)境噪聲，作為改進(jìn)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(huán)境的溫度變化而產(chǎn)生的電荷從輸出端子部輸出的熱電性紅外檢測(cè)元件，而消除環(huán)境噪聲；同時(shí)，在常規(guī)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(hào)專利，WO2006/120863），作為改進(jìn)版本，JPWO2011021519S(2013)的紅外線傳感器具備熱電元件、對(duì)熱電元件的輸出信號(hào)進(jìn)行信號(hào)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(cè)對(duì)象的紅外線透過的功能以及導(dǎo)電性的封裝蓋,封裝主體在一面?zhèn)仍O(shè)有多段凹部，IC元件被安裝在下段的凹部的內(nèi)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(shè)有屏蔽構(gòu)造部，該屏蔽構(gòu)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(qū)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(dòng)物體測(cè)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(zhì)，所述絕緣物質(zhì)的兩面均含有電溫度測(cè)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(cè)量快速移動(dòng)物體；JPH02201228A（1990）公開了以直角三角形作為紅外檢測(cè)單元形狀的傳感器，當(dāng)45度方向移動(dòng)時(shí)，由于正負(fù)抵消，而無輸出，作為改進(jìn)版本，JPWO19990JPWO1999041575S（2000）使紅外線檢測(cè)元件包括設(shè)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(shè)置在熱電體的其它面上的電連接的一對(duì)第2電極,將一個(gè)第1電極的大致梯形的下底和另一個(gè)第2電極的大致梯形的下底沿同一方向配置,達(dá)到無論對(duì)于來自任何方向的檢測(cè)對(duì)象的運(yùn)動(dòng)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(jié)構(gòu)改造，使其適于大規(guī)模集成電路，從而降低成本；作為改進(jìn)版本，JP2004028764A（2004）傳感器導(dǎo)線和I/O導(dǎo)線模制在絕緣支架中來降低成本；WO2004/00198A1通過將電路塊設(shè)計(jì)成三維形狀而增加了額外的費(fèi)用，作為改進(jìn)版本，JP2007171159A (2007)電子元件的一部分或全部可以模制到介電層內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化且薄型的電路塊，同時(shí)具有使得紅外傳感器元件與電子元件和相關(guān)電路保持足夠遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)，由此確保獲得結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低; CN1955700A(2007)具有前截止光譜特性的響應(yīng)元，避免陽(yáng)光干擾，降低成本50%;JP特開2014-85321A （2014）通過將探測(cè)器置于集成基板上，使探測(cè)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(gòu)成單壓電晶片型執(zhí)行元件，隔片與變位擴(kuò)大部連成U字形，單壓電晶片型執(zhí)行元件和變位擴(kuò)大部各自振動(dòng)引起的共振頻率相互接近，并在兩共振頻率之間進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。這樣，在變位擴(kuò)大部前端能得到穩(wěn)定的變位擴(kuò)大效果，并能使所述傳感器小型化；此外，將MEMS技術(shù)應(yīng)用熱釋電器件中，以小型化熱釋電紅外探測(cè)器是技術(shù)的必然發(fā)展趨勢(shì)（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(yīng)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(xù)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(xiàn)應(yīng)力集中；CN103050580A(2013)在硅襯底中制備凹槽，使每個(gè)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(jié)構(gòu)的改進(jìn)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(jié)構(gòu)的專利發(fā)展方向。

3　審查實(shí)踐

通過對(duì)熱釋電紅外測(cè)溫儀技術(shù)脈絡(luò)的梳理，可以幫助審查員快速理解熱釋

電紅外測(cè)溫儀的發(fā)展情況，技術(shù)分支以及發(fā)明點(diǎn)所集中的技術(shù)方向，并迅速找到對(duì)比文件，以下給出示例：

【案例】

申請(qǐng)?zhí)枺?010106108702

發(fā)明名稱：雙通道熱釋電紅外傳感器

申請(qǐng)人：鄭州煒盛電子科技有限公司

技術(shù)方案：

權(quán)利要求1.一種雙通道熱釋電紅外傳感器，包括有管帽、設(shè)置在管帽首端的窗口、設(shè)置在管帽內(nèi)側(cè)的紅外濾光片、安裝在管帽末端的管座、穿過管座設(shè)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(chǎng)效應(yīng)管，其特征在于：在所述管帽內(nèi)設(shè)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(shè)置在所述管腳上，所述傳感器電路設(shè)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(shè)置在所述上層電路板上側(cè)，兩只場(chǎng)效應(yīng)管設(shè)置在所述下層電路板上側(cè)。

根據(jù)申請(qǐng)文件可知，該技術(shù)方案的主要目的在于提供一種體積小巧、制作簡(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高、使用范圍廣的雙通道熱釋電紅外傳感器，由于結(jié)構(gòu)特征較細(xì)而不便于采用具體結(jié)構(gòu)特征作為關(guān)鍵詞，由于日本在相關(guān)專利方面申請(qǐng)量較多，在VEN中限定為JP公開號(hào)，使用關(guān)鍵詞PYROELECTRIC +、INFRARED而獲得了可用的X文獻(xiàn)JP特開2003-149046A。

4　結(jié)論

本文對(duì)熱釋電紅外測(cè)溫儀進(jìn)行了梳理，闡述了這一方面的專利申請(qǐng)的全球發(fā)展趨勢(shì)以及在各國(guó)的分布情況，并分析了熱釋電紅外測(cè)溫儀的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，靈敏度、移動(dòng)物體測(cè)溫、降低成本，小型化、防止應(yīng)力集中這四個(gè)方面是其未來的專利申請(qǐng)發(fā)展方向。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，熱釋電紅外測(cè)溫的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，因此，了解這一技術(shù)領(lǐng)域的專利發(fā)展情況無論對(duì)于專利的審查以及企業(yè)的發(fā)展方向都具有一定的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)：

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

中圖分類號(hào)：TN21