JP2001091360A - 輻射温度検出素子 - Google Patents
輻射温度検出素子Info
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Abstract
生じても、赤外線受光素子の温度を正確に検出すること
により、対象物の温度をより正確に検出可能とした輻射
温度検出素子を提供する。 【解決手段】赤外線受光素子1と同一の半導体チップ2
上に、該半導体チップ2のデザインルールの最小単位で
受光素子1に隣接する温度センサ3を有する。赤外線受
光素子1は、受光赤外線エネルギーに対してリニアな電
圧を出力可能なサーモパイル素子11よりなり、温度セ
ンサ3も、温度に対してリニア若しくはほぼリニアな電
圧を出力するものを使用する。また、赤外線受光素子1
の出力を増幅する直流アンプ4を同一の半導体チップ2
上に有する。
Description
輻射量を計測し、その表面温度を非接触に測定可能な輻
射温度センサに用いる赤外線検出素子に関するものであ
る。
ム構成を示している。図中、10は赤外線検出素子、A
1,A2は外部アンプ、μCはA/D変換機能付きのマ
イクロコンピュータである。赤外線検出素子10は、図
14、図15に示すように、対象物からの輻射赤外線を
検出するサーモパイル素子11と、周囲温度を計測する
サーミスタ12を内蔵している。サーモパイル素子11
は光学フィルタ14を介して対象物から受光される輻射
赤外線量に応じた電圧を出力する。外部アンプA1はサ
ーモパイル素子11の発生する微小電圧を増幅し、輻射
熱出力VpとしてマイクロコンピュータμCに入力す
る。サーミスタ12は周囲温度に応じて抵抗値が変化す
る。外部アンプA2はサーミスタ12の抵抗値の変化を
電圧変化に変換して増幅し、サーミスタ温度出力Vtと
してマイクロコンピュータμCに入力する。マイクロコ
ンピュータμCは、輻射熱出力Vpとサーミスタ温度出
力VtをA/D変換して入力し、対象物の温度Tbを演
算する。
のような演算が行われる。まず、サーモパイル素子11
の受け取るエネルギーEは、次式で示されるように、対
象物の温度Tbとサーモパイル素子11の温度Tpそれ
ぞれの4乗の差で求められる。 E∝Tb4−Tp4 …式1
温度Tpは赤外線受光部の膜の温度であるが、膜の温度
上昇は僅か(1m℃〜10m℃)であるので、素子チッ
プの温度とする。素子全体が恒温状態にあるとき、サー
モパイル素子11の温度Tp、サーミスタ12の温度T
t、ステム13の温度Tsは等しく、サーミスタ温度出
力Vtは、サーモパイル素子11の温度Tpを反映す
る。一方、サーモパイル素子11からの出力電圧である
輻射熱出力Vpはサーモパイル素子11の受け取るエネ
ルギーEに比例する。したがって、2つの出力(輻射熱
出力Vpとサーミスタ温度出力Vt)からサーモパイル
素子11の受け取るエネルギーEとサーモパイル素子1
1の温度Tpを求め、式1に代入することで対象物の温
度Tbを演算により求めることが出来る。
4、図15の構成では、温度計測用サーミスタ12が輻
射計測用サーモパイル素子11とは別部品となっている
ので、赤外線検出素子10が恒温状態にあるときは、サ
ーモパイル素子11の温度Tp、サーミスタ12の温度
Tt、ステム13の温度Tsは等しく、Tp=Tt=T
sが成り立つが、赤外線検出素子10の周囲温度Taが
急激に変化した場合(例えば違う環境温度の部屋に移動
した場合など)には、赤外線検出素子10の内部におい
て温度勾配が発生する。このため、サーミスタ12の温
度Ttがサーモパイル素子11の温度Tpと一致せず、
結果的に対象物の温度Tbの演算結果に大きな誤差が生
まれる。
公報には、図16に示されるように、輻射計測用サーモ
パイル素子11と同一チップ上にチップ温度計測用の薄
膜サーミスタ12を設けることが提案されている。しか
しながら、この従来例では、輻射計測用サーモパイル素
子11の温接点部112とサーモパイル引き出し電極1
8とを接続する配線部分19が、サーモパイル素子11
の冷接点部111とチップ温度計測用の薄膜サーミスタ
12の間に介在しているために、薄膜サーミスタ12で
検出される温度は、サーモパイル素子11の冷接点部1
11の温度と共に、サーモパイル素子11の温接点部1
12やサーモパイル引き出し電極18に接続される配線
部分19の温度に影響されやすいという問題があった。
これは配線部分19の電気伝導と熱伝導が共に自由電子
の移動しやすさに依存しているために避けられない問題
である。
であり、温度に対して非線形に抵抗値が変化する。従っ
て、サーミスタ温度出力Vtは温度に対して非線形性を
持ち、何らかの補正を掛けてやらなければならない。こ
のことはマイクロコンピュータμCの設計に負担となっ
たり、演算時間(応答性)に影響を与え、補正方法が適
当でないと、サーモパイル素子の温度Tpを正しく検出
できないために、結果的に対象物の温度Tbの演算結果
に大きな誤差が生まれてしまう。
0〜100[V/W]程度のものであり、受光パワーか
ら計算してその出力電圧は数10〜数1000[μV]
である。このような微小な電圧を赤外線検出素子10の
金属ケース15の外に取り出し、外部アンプA1で増幅
しているのが従来のシステムである。このようなシステ
ムの場合、この微小信号の引き回しに外部からのノイズ
が乗り、そのノイズにより輻射熱出力Vpが乱れ、演算
誤差が発生したりする。また、場合によっては、輻射温
度センサとして動作不能になったりする。
るものであり、その目的とするところは、対象物の温度
をより正確に検出できるようにした輻射温度検出素子を
提供することにある。
素子によれば、上記の課題を解決するために、図1に示
すように、赤外線受光素子1と同一の半導体チップ2上
に、該半導体チップ2のデザインルールの最小単位で受
光素子1に隣接する温度センサ3を有することを特徴と
する。また、請求項2の輻射温度検出素子によれば、赤
外線受光素子1と同一の半導体チップ2上に、受光素子
1に隣接する温度センサ3と、前記赤外線受光素子1の
出力を増幅する直流アンプ4を有することを特徴とす
る。また、請求項3の輻射温度検出素子によれば、赤外
線受光素子1と同一の半導体チップ2上に、受光素子1
に隣接する温度センサ3を有し、前記温度センサ3は、
温度に対してリニア若しくはほぼリニアな電圧を出力す
るセンサとしたことを特徴とする。
赤外線エネルギーに対してリニアな電圧を出力可能なサ
ーモパイル素子11を使用することが好ましい。その場
合、温度センサ3は、図4に示すように、サーモパイル
素子11の複数の冷接点部のうち、半導体チップ2の外
部接続用パッド6から最も遠い冷接点部の温度を検出す
るように配置すると良い。図4に示す温度センサ3は、
感温素子部31と該感温素子部31からの信号を処理す
る信号処理部32とから成り、感温素子部31は信号処
理部32よりも赤外線受光素子の近くに配置し、信号処
理部32は感温素子部31よりも半導体チップ2の外部
接続用パッド6の近くに配置している。また、温度セン
サ3は、図5に示すように、サーモパイル素子11の複
数の冷接点温度の平均値に相当する温度を検出するよう
に配置しても良い。
の一実施形態を示している。サーモパイル素子11は複
数の熱電対を直列に接続したものであり、赤外線吸収膜
7を被着された温接点部で赤外線を受光し、冷接点部と
温接点部の温度差に応じた出力電圧を生じる。アンプ4
はサーモパイル素子11からの電圧を高精度に直流増幅
するチョッパーアンプであり、サーモパイル素子11に
近接して同一半導体チップ2上に設けている。温度セン
サ3はサーモパイル素子11の冷接点温度を検出するも
のであり、サーモパイル素子11の冷接点部に近接して
同一半導体チップ2上に設けている。ここで、サーモパ
イル素子11の冷接点部と温度センサ3の間には、他の
配線部分などが介在せず、半導体チップ2のデザインル
ールの最小単位で隣接している。アンプ5は温度センサ
3からの出力を高精度に直流増幅するチョッパーアンプ
であり、同一半導体チップ2上に設けている。入出力パ
ッド6は、アンプ4,5の電源入力端子のほか、図3に
示すように、アンプ4からの輻射熱出力Vpと、アンプ
5からの温度検知出力Vtを出力する端子を含む。
素子11は、冷接点部と温接点部の温度差に応じた出力
電圧を生じる。従って、冷接点温度を如何に正確に検知
するかが、正確な対象物の温度計測のためには重要であ
る。しかるに、特開平5−90646号公報に開示され
た従来の冷接点温度検知では、サーモパイル素子を実装
した半導体チップの温度を、同一半導体チップに実装し
たサーミスタ抵抗を用いて測定しているが、サーモパイ
ル素子の冷接点部とサーミスタ抵抗との間に半導体チッ
プの外部接続用パッドにつながる配線部分が介在してお
り、この外部接続用パッドにつながるボンディングワイ
ヤーからの熱伝導の影響を受けやすかった。すなわち、
赤外線検出素子の周囲温度が急激に変化した場合(例え
ば違う環境温度の部屋に移動した場合など)には、外部
からの電気伝導の最も良好な経路を介して熱伝導が行わ
れると考えられるものであり、そのような配線部分がサ
ーモパイル素子の冷接点部と温度センサの間に介在して
いると、正しい冷接点温度を測定できずに、対象物の温
度計測に誤差を生じることになる。そこで、図1に示す
本発明の構成では、サーモパイル素子11の冷接点部と
温度センサ3の間に他の配線部分等を介在させずに、半
導体チップ2のデザインルールの最小単位で隣接させて
いる。これにより、周囲温度が変化したり、サーモパイ
ル素子11に対して外部から温度勾配がかかったりした
場合に、時間と共に冷接点温度が変化しても、絶えず正
確な冷接点温度を検知することが可能となり、対象物の
温度を演算する際に誤差を生じることはない。
ンチップ上の集積化に適する、バンドギャップ電圧を用
いた温度センサを用いれば、その出力電圧は、検出温度
変化に対してリニアとなる。従って、サーミスタ抵抗を
用いた温度計測に対して従来行われていた非線形性の補
正が不要となり、マイクロコンピュータの動作負荷の低
減、温度計測精度の根本的な向上が図られる。
半導体チップ2上で直にアンプ4に入力し、高精度に増
幅を行う。このような構成を採れば、微小信号の引き回
しの距離は100〜200μm以内にすることが可能と
なる。従って、外部からのノイズの影響を受け難くする
ことが出来る。しかも、図2に示すように、センサチッ
プ全体を金属ケース15でシールドする構造を容易に採
ることが出来るため、引き回しの短さに加えてその微小
信号を取り扱う部分全体を、簡単にシールドすることが
でき、従来に比較して耐ノイズ性能を向上することが出
来る。また、全体の機能を1チップに集積することによ
り、システム全体の小型化が可能になり、システム全体
での耐ノイズ性能も向上する。
本実施形態では、温度センサ3は、サーモパイル素子1
1の複数の冷接点部のうち、半導体チップ2の入出力パ
ッド6から最も遠い冷接点部の温度を検出するように配
置されている。これにより、半導体チップ2の入出力パ
ッド6につながるボンディングワイヤーからの熱伝導の
影響を受けにくくすることができ、したがって、環境温
度変化の影響を受けにくくすることができる。また、温
度センサ3は、感温素子部31と該感温素子部31から
の信号を処理する信号処理部32とから成り、該信号処
理部32は感温素子部31よりも半導体チップ2の外部
接続用パッド6の近くに配置している。これにより、感
温素子部31は半導体チップ2の入出力パッド6につな
がるボンディングワイヤーからの熱的影響を受けにくく
なる。また、信号処理部32は半導体チップ2の入出力
パッド6までの信号の引き回し距離を短縮できる。
本実施形態では、温度センサ3は、サーモパイル素子1
1の複数の冷接点温度の平均値に相当する温度を検出す
るように配置されている。すなわち、サーモパイル素子
11の4列に並んだ冷接点部のうち、サーモパイル引き
出し電極を設けた列を除く3列の冷接点部に沿うよう
に、細長い温度センサ3を三箇所に分散して配置してい
る。本実施形態では、このように、サーモパイル素子1
1の複数の冷接点温度の平均値に相当する温度を検出す
るように温度センサ3が配置されているので、複数の熱
電対の直列接続による熱起電圧の総和としてのサーモパ
イル素子11の出力電圧をより正確に評価できる。な
お、温度センサ3としては、例えば、低濃度の不純物拡
散領域等よりなる感温抵抗をフォトリソグラフィ技術に
より半導体チップ2上に形成し、各々の感温抵抗を直列
に配線すれば良い。この感温抵抗を用いた温度検出につ
いては、以下の実施形態4で説明する。
図6において、温度センサ3は半導体プロセスで造られ
る感温抵抗Rtと定電流源Isによって構成されてい
る。温度に対してリニアに抵抗値が変化する感温抵抗R
tに定電流を注入し、そのグランドからの電圧をアンプ
5で増幅することで、温度に対してリニアな電圧Vtを
得ている。赤外線受光素子としては、実施形態1〜3と
同様の薄膜サーモパイル11を用いている。また、アン
プ4,5は高精度に直流電圧を増幅するためにチョッパ
ーアンプを用いている。
図7において、温度センサ3はトランジスタのバンドギ
ャップ電圧の差を利用して高精度に温度を電流に変換す
る感温電流源It(アナログデバイセズ社のAD59
0、AD592等)と精密抵抗Rsによって構成されて
いる。温度に対してリニアに電流値が変化する感温電流
源Itからの電流を精密抵抗Rsに流すことで、温度に
対してリニアに変化する電圧が精密抵抗Rsに得られ
る。精密抵抗Rsのグランドからの電圧をアンプ5で増
幅することで、温度に対してリニアな電圧Vtを得てい
る。赤外線受光素子としては、実施形態1〜3と同様の
薄膜サーモパイル11を用いている。また、アンプ4,
5は高精度に直流電圧を増幅するためにチョッパーアン
プを用いている。
図8において、温度センサ3は半導体プロセスで造られ
る感温抵抗Rtと精密抵抗Rsによって構成されてい
る。本実施形態では、温度に対してリニアに抵抗値が変
化する感温抵抗Rtを用いているが、精密抵抗Rsとの
分圧電圧を出力としているために、出力電圧はリニアに
はならない。ただし、限られた温度範囲(例えば0℃〜
40℃)であれば、略直線的に電圧は変化する。従来例
で用いられているサーミスタはそれ自身が温度に対して
非線形であるので、従来例に比較すれば、明らかに線形
性は改善されている。赤外線受光素子としては、実施形
態1〜3と同様の薄膜サーモパイル11を用いている。
また、アンプ4,5は高精度に直流電圧を増幅するため
にチョッパーアンプを用いている。
7〜10を示している。これらの実施形態では、赤外線
受光素子1として、抵抗値変化型(ボロメータ型)の薄
膜温度センサRbと定電流源Icとを組み合わせた分圧
回路を用いている。ここで、定電流源Icは精密抵抗に
置き換えても構わない。その他の構成については、図
3、図6、図7、図8の実施形態と同様である。
子と同一の半導体チップ上に、該半導体チップのデザイ
ンルールの最小単位で受光素子に隣接する温度センサを
有するものであるから、半導体チップ上の受光素子と温
度センサとの間に介在する配線等の構成要素からの熱的
影響による誤差を極小化することができる。
の出力を増幅する直流増幅器を同一の半導体チップ上に
有するものであるから、微小信号の引き回しの距離を最
小にすることができ、従って、外部からのノイズの影響
を受け難くすることが出来る。しかも、センサチップ全
体を金属ケースでシールドする構造を容易に採ることが
出来るため、微小信号の引き回し距離の短さに加えて微
小信号を取り扱う部分全体を、簡単にシールドすること
ができ、従来に比較して耐ノイズ性能を向上させること
が出来る。また、全体の機能を1チップに集積すること
により、システム全体の小型化が可能になり、システム
全体での耐ノイズ性能も向上する。
ニア若しくはほぼリニアな電圧を出力する温度センサを
用いることにより、サーミスタ抵抗を用いた温度計測に
対して従来行われていた非線形性の補正が不要となり、
演算負荷の低減、温度計測精度の根本的な向上が図られ
る。
サーモパイル素子の複数の冷接点部のうち、半導体チッ
プの外部接続用パッドから最も遠い冷接点部の温度を検
出するように配置されているので、半導体チップの外部
接続用パッドにつながるボンディングワイヤーからの熱
伝導の影響を受けにくくすることができ、したがって、
環境温度変化の影響を受けにくくすることができる。
サーモパイル素子の複数の冷接点温度の平均値に相当す
る温度を検出するように配置されているので、複数の熱
電対の直列接続による熱起電圧の総和としてのサーモパ
イル素子の出力電圧をより正確に評価できる。
感温素子部と該感温素子部からの信号を処理する信号処
理部とから成り、感温素子部は信号処理部よりも赤外線
受光素子の近くに配置し、信号処理部は感温素子部より
も半導体チップの外部接続用パッドの近くに配置したの
で、感温素子部は半導体チップのボンディングワイヤー
からの熱的影響を受けにくく、また、信号処理部は半導
体チップの外部接続用パッドまでの信号の引き回し距離
を短縮できる。
図であり、(a)は半導体チップの平面図、(b)はそ
のA−A線についての断面図である。
示す縦断面図である。
図である。
す平面図である。
す平面図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
明図である。
明図である。
説明図である。
図である。
子の内部構成を示す平面図である。
の断面図である。
る。
Claims (7)
- 【請求項1】 赤外線受光素子と同一の半導体チップ
上に、該半導体チップのデザインルールの最小単位で受
光素子に隣接する温度センサを有することを特徴とする
輻射温度検出素子。 - 【請求項2】 赤外線受光素子と同一の半導体チップ
上に、受光素子に隣接する温度センサと、前記赤外線受
光素子の出力を増幅する直流増幅器を有することを特徴
とする輻射温度検出素子。 - 【請求項3】 赤外線受光素子と同一の半導体チップ
上に、受光素子に隣接する温度センサを有し、前記温度
センサは、温度に対してリニア若しくはほぼリニアな電
圧を出力するセンサであることを特徴とする輻射温度検
出素子。 - 【請求項4】 前記赤外線受光素子は、受光赤外線エ
ネルギーに対してリニアな電圧を出力可能なサーモパイ
ル素子であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれ
かに記載の輻射温度検出素子。 - 【請求項5】 赤外線受光素子と同一の半導体チップ
上に、受光素子に隣接する温度センサを有し、前記赤外
線受光素子は、受光赤外線エネルギーに対してリニアな
電圧を出力可能なサーモパイル素子であり、前記温度セ
ンサは、サーモパイル素子の複数の冷接点部のうち、前
記半導体チップの外部接続用パッドから最も遠い冷接点
部の温度を検出するように配置されていることを特徴と
する輻射温度検出素子。 - 【請求項6】 赤外線受光素子と同一の半導体チップ
上に、受光素子に隣接する温度センサを有し、前記赤外
線受光素子は、受光赤外線エネルギーに対してリニアな
電圧を出力可能なサーモパイル素子であり、前記温度セ
ンサは、サーモパイル素子の複数の冷接点温度の平均値
に相当する温度を検出するように配置されていることを
特徴とする輻射温度検出素子。 - 【請求項7】 赤外線受光素子と同一の半導体チップ
上に、受光素子に隣接する温度センサを有し、該温度セ
ンサは、感温素子部と該感温素子部からの信号を処理す
る信号処理部とから成り、前記感温素子部は前記信号処
理部よりも前記赤外線受光素子の近くに配置し、前記信
号処理部は前記感温素子部よりも前記半導体チップの外
部接続用パッドの近くに配置したことを特徴とする輻射
温度検出素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26451099A JP3620370B2 (ja) | 1999-09-17 | 1999-09-17 | 輻射温度検出素子 |
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---|---|---|---|
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JP3620370B2 JP3620370B2 (ja) | 2005-02-16 |
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-
1999
- 1999-09-17 JP JP26451099A patent/JP3620370B2/ja not_active Expired - Fee Related
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