JP5493849B2 - 温度センサーとそれを用いた生体検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、輻射線、例えば人体等の生体から放射される赤外線を検知する技術に係り、特に、静止した生体の検出を、熱的な外乱による誤検出をすることなく、簡素な構造で、高精度に行うのに好適な技術に関するものである。

人体等の生体が放射する熱の変化により当該生体を検出する技術として、焦電素子、サーモパイル、ボロメータ、サーミスタ等のセンサー素子を用いる技術がある。

焦電素子（以下、この赤外線検出素子をＡＣ型赤外線検出素子と記載する）は、人体が侵入した際に発生する熱量の変化を検出する非接触型温度センサーである。これに対し、サーモパイルやサーミスタ等の赤外線検出素子（以下、これらの赤外線検出素子をＤＣ型赤外線検出素子と記載する）は、人体から放射される熱量を検出する非接触型温度センサーである。

従って、ＡＣ型赤外線検出素子では、人体が存在していたとしても、静止状態で、熱量の変化が検出されなくなれば、信号を出力せず、当該人体を検知することができないが、ＤＣ型赤外線検出素子では、人体が存在していれば静止状態にあったとしても、人体から放射される熱量によって信号を出力するので、当該人体を検知することができる。

このような、ＤＣ型赤外線検出素子を用いた赤外線人体検知センサーに関する技術として、特許文献１に記載の技術がある。この特許文献１においては、さらに、熱的な外乱による誤検出を防止する目的として、正極性の赤外線センサーと負極性の赤外線センサーをペアにして用いることで、センサー自身の温度変化や検出範囲の一様な温度変化等の熱的な外乱を人体と誤検出してしまうことを防止する技術について開示されている。

すなわち、この特許文献１に記載の多素子タイプの人体検知センサー技術では、正極性、負極性の赤外線センサーを少なくとも一組配置して、これらの出力電圧の総和を求めて、熱的な外乱による誤検出を防止することができる。

しかし、この特許文献１においては、正負の両極性の赤外線センサーに、焦電素子、サーモパイル、ボロメータ、サーミスタ等を使用しており、（１）焦電型センサーを使用した場合は、静止した人体を検知するためにはチョッパーが必要であるという課題、（２）サーモパイルを使用した場合は、温接点と冷接点をサーモパイル材料で接続するために断熱特性が悪く感度が小さくなるという課題、（３）ボロメータやサーミスタを使用した場合は、正極性、負極性のセンサーを形成するのに異なる材料で形成する必要があるため、正負の出力温度係数の絶対値を等しくすることが難しいという課題がある。

また、例えば、特許文献２においては、モノシリックな集積回路の形態をとりながら高精度な温度検出を可能とすることを目的に、複数のMOSFETから構成され、各MOSFETのゲート電極の仕事関数（work function）の差の温度特性を利用した仕事関数差型温度センサー、あるいはその温度センサーを応用した仕事関数差型赤外線センサー、人体検知センサーに関しての記載がなされている。尚、仕事関数とは、温度０°Ｋで固体中の自由電子１個を物質外に引き出すに必要なエネルギーを電位差（Ｖ）で表わしたものであり、真空中の電子のエネルギー準位を零として測ったフェルミ準位のエネルギーの絶対値である。

しかし、この特許文献２に記載の技術では、センサー自身の温度変化や検出範囲の一様な温度変化等の熱的な外乱を、人体等と誤検出してしまうことを防止することはできない。

解決しようとする問題点は、従来の技術では、静止した生体の検出を、熱的な外乱による誤検出をすることなく、簡素な構造で、高精度に行うセンサーを容易に作成することができない点である。

本発明の目的は、これら従来技術の課題を解決し、高精度で小型な温度センサーを低コストに作成可能とすることである。

上記目的を達成するため、本発明では、仕事関数差型温度センサーを構成するトランジスタの接続構成を変えることにより、もしくは、チャネルの導電型が異なるトランジスタを用いることにより、正負の出力温度係数の絶対値が等しく形成された、仕事関数差型温度センサーを少なくとも一組配置して、静止した生体の検出を行うと共に、正極性の仕事関数差型温度センサーと負極性の仕事関数差型温度センサーの出力電圧の総和を求めて、熱的な外乱による誤検出を防止する。

本発明によれば、仕事関数差型温度センサーを用いており、（１）この仕事関数差型温度センサーは、入射赤外線量を検出するDCタイプであるため、静止した人体を検知することが可能である。（２）また、仕事関数差型温度センサーの場合は、サーモパイルの場合に必要であった温接点と冷接点をサーモパイル材料で接続する必要がないため、高い断熱特性を得ることが可能である。（３）また、仕事関数差型温度センサーの場合、センサーを構成するMOSFETの接続順序を変えることにより、あるいは、センサーを構成するMOSFETを、NMOSにするかPMOSにするかによって、正極性と負極性のセンサーを作り分けることができるため、正負両極性のセンサーを形成することが非常に容易である。（４）また、仕事関数差型温度センサーの出力温度係数は、センサーを構成する複数のMOSFETのポリシリコンゲートの仕事関数の差によって決まるので、ポリシリコンゲートへの不純物のイオン注入を制御することで、容易に正極性のセンサーと負極性のセンサーの出力温度係数の絶対値を等しくすることが可能である。これにより、従来の多素子型の人体検知センサーにおいて、焦電型センサーの場合は静止した人体を検知するためにはチョッパーが必要であるという課題、サーモパイルの場合は温接点と冷接点をサーモパイル材料で接続するために断熱特性が悪く感度が小さくなるという課題、ボロメータ、サーミスタの場合は正極性、負極性のセンサーを形成するのに異なる材料で形成する必要があるため、正負の出力温度係数の絶対値を等しくすることが難しいという課題を解決することができる。また、他の効果として、一般的なCMOSプロセスを基本に作製できるので増幅回路や制御回路との一体化が容易であるとの効果もある。

従来の素子タイプの人体検知センサーの第１の構成例を示すブロック図である。 従来の素子タイプの人体検知センサーの第２の構成例を示すブロック図である。 図１および図２における人体検知センサーによる外乱誤検知抑制動作例を示す説明図である。 従来のNMOS構成の仕事関数差型温度素子の回路構成例を示すブロック図である。 図４における従来の仕事関数差型温度素子の出力温度特性例を示す説明図である。 本発明に係る温度センサーに用いるNMOS構成の仕事関数差型輻射線検知素子の回路構成例を示すブロック図である。 図６における本発明に係る仕事関数差型輻射線検知素子の出力温度特性例を示す説明図である。 本発明に係る温度センサーに用いるPMOS構成の仕事関数差型輻射線検知素子の回路構成例を示すブロック図である。 図８における本発明に係る仕事関数差型輻射線検知素子の第１の出力温度特性例を示す説明図である。 図８における本発明に係る仕事関数差型輻射線検知素子の第２の出力温度特性例を示す説明図である。 本発明に係る温度センサーに用いるNMOS多段構成の仕事関数差型輻射線検知素子の第１の回路構成例を示すブロック図である。 本発明に係る温度センサーに用いるPMOS多段構成の仕事関数差型輻射線検知素子の第１の回路構成例を示すブロック図である。 本発明に係る温度センサーに用いるNMOS多段構成の仕事関数差型輻射線検知素子の第２の回路構成例を示すブロック図である。 本発明に係る温度センサーに用いるPMOS多段構成の仕事関数差型輻射線検知素子の第２の回路構成例を示すブロック図である。 本発明に係る２素子タイプの仕事関数差型輻射線検知素子を用いた温度センサーの構成と動作例を示す説明図である。 本発明に係る温度センサーの構成例を示すブロック図である。 本発明に係る温度センサーの断面構造例を示す断面図である。 従来のサーモパイル型赤外線センサーの構造例を示す説明図である。 本発明に係る生体検知装置としての仕事関数差型人体検知センサーの第１の回路構成例を示すブロック図である。 図１９における比較回路の動作例を示す説明図である。 本発明に係る加算構成した仕事関数差型輻射検知素子を用いた温度センサーの第１の回路構成例を示す回路図である。 本発明に係る加算構成した仕事関数差型輻射検知素子を用いた温度センサーの第２の回路構成例を示す回路図である。 本発明に係る加算構成した仕事関数差型輻射検知素子を用いた温度センサーの第３の回路構成例を示す回路図である。 本発明に係る生体検知装置としての仕事関数差型人体検知センサーの第２の回路構成例を示すブロック図である。 本発明に係るワンチップ構成の生体検知装置としての仕事関数差型人体検知センサーの構成例を示すブロック図である。 図２５におけるワンチップ構成の生体検知装置としての仕事関数差型人体検知センサーの断面構造例を示す断面図である。 本発明に係る生体検知装置による検知動作例を示す説明図である。

以下、図を用いて本発明を実施するための形態例を説明する。本例では、正極性の赤外線センサーと、負極性の赤外線センサーをペアにして用い、センサー自身の温度変化や検出範囲の一様な温度変化等の熱的な外乱を人体と誤検出してしまうことを防止する多素子タイプの人体検知センサーに関して、特に、仕事関数差型赤外線センサーを適用する。

特に、仕事関数差型赤外線センサーを構成するMOSFETの接続順序を変えるか、あるいは、センサーを構成するMOSFETをNMOSにするかPMOSにするかによって正極性と負極性の赤外線センサーを作り分ける。

さらに、仕事関数差型赤外線センサーの出力温度係数は、センサーを構成する複数のMOSFETのポリシリコンゲートの仕事関数の差によって決まるので、ポリシリコンゲートへの不純物のイオン注入を制御することで、正極性のセンサーと負極性のセンサーの出力温度係数の絶対値を等しくする。

このような仕事関数差型赤外線センサーは、入射赤外線量を検出するDCタイプであるため、静止した人体を検知することが可能である。

また、仕事関数差型赤外線センサーは、温接点と冷接点を持つ必要がないため、高い断熱特性を得ることが可能である。

以下、上述の特許文献１において記載されている技術、すなわち、正極性の赤外線センサーと、負極性の赤外線センサーをペアにして用い、センサー自身の温度変化や検出範囲の一様な温度変化等の熱的な外乱を人体と誤検出してしまうことを防止する多素子タイプの人体検知センサーの概要について説明する。

図１は、２素子タイプの人体検知センサーの素子部の構成であり、図２は、４素子タイプの人体検知センサーの素子部の構成である。

図１と図２に示すように、各赤外線検知素子部１１，２４は、正の出力温度係数を持つ赤外線センサー１２，２２と負の出力温度係数を持つ赤外線センサー１３，２３を２個ないし４個をペアにして、赤外線検知素子部を構成している。尚、さらに多くの赤外線センサーで構成しても良い。

詳細な原理は、上述の特許文献１に記載されているためここでは省略するが、図３を用いて簡単に説明する。

エアコンの影響や日光の影響等により、人体検知センサー自身の温度が上昇した場合や、検知範囲の床面、壁面等の全体が一様に温度上昇した場合には、正極性の素子と負極性の素子において同時に出力の変動が生じるため、これらを加算すれば出力の変動は打ち消しあって、前述のエアコンや日光による出力変化を人体と誤検出してしまうという課題を解決することができる。

これに対して、本例においては、正極性出力を持つ仕事関数差型赤外線センサーと負極性出力を持つ仕事関数差型赤外線センサーを用いて、多素子タイプの人体検知センサーを構成している。このように、仕事関数差型赤外線センサーを用いた多素子タイプの人体検知センサーは、従来は存在していない。

また、従来の例えば焦電型の赤外線センサーでは、入射する赤外線量に変化が生じた場合にのみ出力が変化するので、センサー検出範囲内で静止している人体を検出するにはチョッパー等装置が別途必要になる。

これに対して、本例で用いる仕事関数差型温度センサーは、定常状態とある状態との差の絶対値を検出できるため、静止している人体も検出することが可能である。

また、従来技術においてボロメータ、サーミスタ等で正極性、負極性の出力を得るためには、異なる材料でセンサーを形成する必要があり、正の出力温度係数と負の出力温度係数の絶対値を一致させるのは非常に難しいという問題がある。

これに対して、本例で用いる仕事関数差型赤外線センサーは、いわゆる熱型の赤外線センサーであり、赤外線吸収による温度変化を仕事関数差型温度センサーで検出している。

以下、このような仕事関数差型赤外線センサーのコア部分である仕事関数差型温度センサーについて説明する。

図４（ａ）において、NMOSで構成した仕事関数差型温度センサーの構成の一例を示す。

図４に示す仕事関数差型温度センサーはNMOS４５とNMOS４６の二つのMOSFETから構成され、NMOS４５はデプレッション型であり、NMOS４６はエンハンスメント型である。

また、NMOS４５とNMOS４６のゲートは仕事関数が異なるように設計されており、例えば、図４（ａ）では、NMOS４５のゲートはN+ポリSiゲートであり、NMOS４６はP+ポリSiゲートである。

これらのMOSFETを図４（ａ）に示すように接続することにより、NMOS４５は電流源として機能し、出力端子からNMOS４５とNMOS４６のゲート電極の仕事関数差が出力される。尚、この構成での動作の詳細に関しては、上述の特許文献２に説明があり、ここでは述べない。

また、図４（ｂ）のように、NMOS４７のゲートはN+ポリSiゲートとし、NMOS４８のゲートはN−ポリSiゲートとしても良い。このときNMOS４８はデプレッション型となる場合があるが、閾値電圧はNMOS４７よりも大きく、電流源として機能するのはNMOS４７である。

ここで、仕事関数差出力の温度特性について説明する。図５に、Siのフェルミ準位と温度と不純物濃度の関係を示す。

はじめに、図４（ａ）のように、NMOS４５のゲートをN+ポリSiゲートとし、NMOS４６のゲートをP+ポリSiゲートとした場合、つまり、仕事関数差型温度センサーを構成するMOSFETのポリSiゲートの導電型を変えた場合は、仕事関数差出力は図５中の（Ａ）の特性となり、温度に対して負の出力温度係数を持つ。

一方、図４（ｂ）のように、NMOS４７のゲートをN+ポリSiゲートとし、NMOS４８のゲートをN−ポリSiゲートとした場合、つまり、仕事関数差型温度センサーを構成するMOSFETのポリSiゲートの導電型は同じで不純物濃度を変えた場合は、仕事関数差出力は図５中の（Ｂ）の特性となり、温度に対して正の出力温度係数を持つ。

このように、ポリSiゲートの導電型を変えるか、あるいは不純物濃度を変えることにより、正または負の出力温度係数を持つ仕事関数差型温度センサーを形成することができる。

ただし、この状態では正負それぞれの出力温度係数の絶対値が異なるため、熱的外乱をキャンセルすることはできない。

そこで、以下に、正負の出力温度係数の絶対値が等しい仕事関数差型温度センサーを形成する技術として、トランジスタの接続構成を変える技術について説明する。

図６に、図４（ａ）の仕事関数差型温度センサーのトランジスタの接続を変えた構成を示す。

図４（ａ）と図６では、トランジスタ自体は同じであるので、図中では同じ符号としている。

図４（ａ）の場合は、電流源として機能するデプレッション型トランジスタのNMOS４５が電源側に接続され、出力用のNMOS４６がグランド側に接続されており、仕事関数差出力は図４（ａ）中の矢印で示すようにグランドを基準に出力される。

これに対して、図６の場合は、電流源として機能するデプレッション型トランジスタのNMOS６５がグランド側に接続され、出力用のNMOS６６が電源側に接続されており、仕事関数差出力は図６中の矢印で示すように出力端子と電源間に出力される。

図７に、仕事関数差型温度センサーの出力温度特性を示す。

図７中のDは、図４（ａ）の仕事関数差型温度センサーの特性であり、図７中のEは、図６の仕事関数差型温度センサーの特性である。

図４（ａ）および図６に示すように、ゲートの導電型を変えた仕事関数差型温度センサーの場合、図５において説明したように、仕事関数差は負の温度特性を持つ。

図４（ａ）の構成の場合は、仕事関数差出力がグランドを基準に出力されるため、センサー出力には、仕事関数差の負の特性がそのまま現れて、図７におけるDのような特性となる。

これに対して、図６の構成の場合は、仕事関数差出力が出力端子と電源間に出力されるため、センサー出力は、図７におけるEのように正の温度特性となる。

Dの出力温度係数をTc１、Eの出力温度係数をTc２とすると、｜Tc１｜=｜Tc２｜が成り立つ。これは、Dの出力温度係数Tc１とEの出力温度係数Tc２は、NMOS４５，６５、NMOS４６，６６の仕事関数の差のみによって決まるためである。

つまり、図４（ａ）と図６のセンサー構成において、MOSFETの接続構成は異なるが、ゲートの仕事関数差は等しいため、出力温度係数の絶対値は等しくなる。

このように、仕事関数差型温度センサーの接続構成を変えることによって、出力温度係数の絶対値が等しい正極性、負極性の仕事関数差型温度センサーを形成することが可能である。

尚、ここでは、NMOS構成でゲートの導電型を変えた場合の仕事関数差型温度センサーについて説明したが、NMOS構成でゲートの不純物濃度を変えた場合、PMOS構成でゲートの導電型を変えた場合、PMOS構成でゲートの不純物濃度を変えた場合についても同様に、電流源トランジスタと出力トランジスタの接続順を変えることで、出力温度係数の絶対値が等しい正極性、負極性の仕事関数差型温度センサーを形成することが可能である。

次に、正と負の出力温度係数の絶対値が等しい仕事関数差型温度センサーを形成する技術として、チャネルの導電型が異なるMOSFETを使用する技術について説明する。

図８において、PMOSで構成した仕事関数差型温度センサーの構成の一例を示す。図８（ａ）の仕事関数差型温度センサーは、PMOS８９とPMOS８０の二つのMOSFETから構成されている。

図８（ａ）はゲートの導電型を変えた構成となっており、PMOS８９のゲートはN+ポリSiゲートであり、PMOS８０のゲートはP+ポリSiゲートである。PMOS８９はエンハンスメント型であり、PMOS８０はデプレッション型である。

PMOS８０は電流源として機能し、出力端子からPMOS８９とPMOS８０のゲート電極の仕事関数差が出力される。

図８（ｂ）の仕事関数差型温度センサーは、ゲートの導電型は同じで不純物濃度を変えた構成の一例であり、例えば、PMOS８１のゲートはP−ポリSiゲートとし、PMOS８２のゲートはP+ポリSiゲートで構成すれば良い。もちろんN型のポリSiで不純物濃度を変えても良い。

PMOS構成の仕事関数差型温度センサーの特徴は、仕事関数差が電源と出力端子間に出力されることである。

図９に、ゲートの導電型を変えた場合の仕事関数差型温度センサーの出力温度特性を示す。

図９中のＦの特性は、図４（ａ）のNMOS構成の仕事関数差型温度センサーの特性であり、図９中のＧの特性は、図８（ａ）のPMOS構成の仕事関数差型温度センサーの特性である。

図８（ａ）の構成において、仕事関数差出力の温度特性は、図４（ａ）の場合と同様に負の特性となるが（図５（Ａ）の特性）、PMOS構成の図８（ａ）の場合、仕事関数差出力は電源と出力端子間に出力されるため、センサー出力としては、図９中のＧのように正の出力温度特性となる。

また、図９中の出力温度特性Ｇの出力温度係数をTc３とすると、|Tc１|＝|Tc３|が成り立つ。これは、仕事関数差の温度特性は、各ゲートの仕事関数の差のみによって決まるためである。

つまり、図４（ａ）、図８（ａ）に示す仕事関数差型温度センサーでNMOS４５とNMOS４６のゲート電極の仕事関数の差と、PMOS８９とPMOS８０のゲート電極の仕事関数の差が等しくなるように不純物注入の工程を制御すれば、|Tc１|＝|Tc３|が実現可能である。

ところで、NMOS４５とPMOS８９のN+ポリシリコンゲートは同じイオン注入工程で形成され、NMOS４６とPMOS８０のP+ポリシリコンゲートもまた同じイオン注入工程で形成されるので、おのずとNMOS４５とNMOS４６のゲート電極の仕事関数の差と、PMOS８９とPMOS８０のゲート電極の仕事関数の差は等しくなり、|Tc１|＝|Tc３|は容易な工程で実現可能である。

図１０に、ゲートの導電型は同じで不純物濃度を変えた場合の仕事関数差型温度センサーの出力温度特性を示す。

図１０中のＨの特性は、図４（ｂ）のNMOS構成の仕事関数差型温度センサーの特性であり、図１０中のＩの特性は、図８（ｂ）のPMOS構成の仕事関数差型温度センサーの特性である。

不純物濃度を変えた場合は、図５の（Ｂ），（Ｃ）特性のように、仕事関数差は正の温度特性を持つが、PMOS構成の場合は、図８（ｂ）に示すように、仕事関数差出力は電源と出力端子に出力されるので、センサー出力としては、図１０のＩ特性のように、負の温度特性となる。

この場合も、仕事関数差の温度特性は、各ゲートの仕事関数の差のみによって決まるため、図４（ｂ）と図８（ｂ）に示す仕事関数差型温度センサーで、NMOS４７とNMOS４８のゲート電極の仕事関数の差と、PMOS８１とPMOS８２のゲート電極の仕事関数の差が等しくなるように不純物注入の工程を制御すれば|Tc４|＝|Tc５|が実現可能である。

特に、図４（ｂ）と図８（ｂ）の各MOSFETのゲートの導電型を同じにすれば、より容易に|Tc４|＝|Tc５|が実現可能である。

以上のように、仕事関数差型温度センサーを構成するMOSFETをNMOSにするかPMOSにするかによって、出力温度係数の絶対値が等しい正、負両極性の仕事関数差型赤外線センサーを形成することが可能である。

例えば、サーモパイルは熱電対を多数直列に接続してセンサー感度を高めているが、仕事関数差型赤外線センサーにおいても、同様の効果を得る事が可能である。

以下、多段接続により、センサー感度を増大した仕事関数差型温度センサーについて説明する。

図１１にNMOS多段構成の仕事関数差型温度センサーを示す。図１１において、NMOS１１１３は、図４（ａ）のNMOS４５と同様にデプレッション型であり、電流源として機能する。他のＮ個のNMOSはエンハンスメント型あるいはデプレッション型である。また、NMOS１１１３以外のＮ個のNMOSは全く同じ構造である。

このように接続すれば、図４（ａ）の構成の場合と比較して出力温度係数をN倍にすることが可能である。

図１２にPMOS多段構成の仕事関数差型温度センサーを示す。図１２において、PMOS１２１４は、図８（ａ）のPMOS８０と同様にデプレッション型であり、電流源として機能する。他のＮ個のPMOSはエンハンスメント型あるいはデプレッション型である。また、PMOS１２１４以外のＮ個のPMOSは全く同じ構造である。

PMOS構成の場合も同様に、図８（ａ）の構成の場合と比較して出力温度係数をN倍にすることが可能である。

ゲートの構成については、デプレッション型のMOSFETとそれ以外のＮ個のMOSFETとでポリシリコンゲートの導電型を変えるか、あるいは導電型は同じで不純物濃度を変えれば良い。

出力温度係数の極性は、図９と図１０に示した極性と同じである。

MOSFETの接続を変えて、正と負の両極性の仕事関数差型温度センサーを形成するには、図１１の場合は、NMOS１１１３と他のＮ個のNMOSの接続を入れ替えればよく、図１２の場合は、同様に、PMOS１２１４と他のＮ個のPMOSの接続を入れ替えれば良い。これらの回路図を図１３と図１４に示す。図１３においては、NMOS１３１３以外のＮ個のNMOSが多段接続され、図１４においては、PMOS１４１４以外のＮ個のPMOSが多段接続されている。

図１５（ａ）では、２素子タイプの仕事関数差型人体検知センサーの構成を示している。図１５（ａ）において、仕事関数差型人体検知センサー１５１５は、正の出力温度係数を持つ仕事関数差型赤外線センサー１５１６と負の出力温度係数を持つ仕事関数差型赤外線センサー１５１７を構成要素に持つ。

尚、図１５（ａ）においては、２素子タイプのものを示したが、仕事関数差型人体検知センサー１５１５は、２つ以上の素子で構成されていても良い。

以下、図１５（ａ）に示した人体検知センサーを用いての人体検出と人体誤検出抑制技術の概要について説明する。

図１５（ｂ）に人体検知センサーの検出範囲を示す。破線で示した検出範囲のうち、正の出力温度係数を持つ仕事関数差型赤外線センサー１５１６が受け持つ範囲を１５１６ａとし、負の出力温度係数を持つ仕事関数差型赤外線センサー１５１７が受け持つ範囲を１５１７ａとする。

このような検知範囲に対して、人体の通過や熱的外乱が発生した場合の各仕事関数差型赤外線センサーの出力とその出力の和（加算結果）を図１５（ｃ）に示す。

熱的外乱として、検出範囲全体に日光が照射した場合、図１５（ｃ）に示すように、正極性素子の出力は増加し、負極性素子の出力は減少する。

従って、これらの出力を加算すると日光による出力変動をキャンセルすることができ、日光の影響による人体の誤検出を防止することが可能である。

一方、人体は、エリア１５１７ａ、エリア１５１６ａの順に通過するため、負極性素子、正極性素子の出力変動は時間差を持つ。

従って、人体通過の場合は、各センサーの出力変動がキャンセルされることはなく、人体を検出することが可能である。

尚、図１５（ｂ）、図１５（ｃ）では、熱的外乱として日光の影響について説明したが、エアコンの温風の影響など、検出範囲全体に生じる熱的外乱、あるいはセンサー自身に生じる熱的外乱などに対しても有効である。

図１５（ａ）における正の出力温度係数を持つ仕事関数差型赤外線センサー１５１６の構造を図１６に示す。

仕事関数差型赤外線センサー１６１６は、メンブレン１６１８を梁１６１９，１６２０が中空状態に支持するブリッジ形状の断熱構造体上に、仕事関数差型温度センサー１６２１と赤外線吸収膜１６２２が作りこまれている。

尚、断熱構造体については、様々な形状のものがMEMSプロセス等を用いてシリコン（Si）基板上に形成できることが知られており、形状、梁の数、サイズ等は図１６に示したものに限定されない。

図１７（ａ）においては、図１６の仕事関数差型赤外線センサー１６１６におけるD−D’部の断面構造を示しており、梁１６１９，１６２０の内部には、仕事関数差型赤外線温度センサー１６２１と外部の回路とを電気的に接続するための配線１６２３が形成されている。

また、メンブレン１６１８の内部に仕事関数差型温度センサー１６２１が形成されており、メンブレン１６１８の表面に赤外線吸収膜１６２２が形成されている。

この赤外線吸収膜１６２２には、金黒や酸化シリコン、窒化シリコン、チタンナイトライド、あるいはこれらを積層した膜が用いられる。

尚、別途赤外線吸収膜１６２２を形成するのではなく、メンブレン１６１８自体が赤外線吸収膜の役割を果たす場合もある。

また、図１７（ｂ）に示すように、赤外線吸収率を増加させるために赤外線吸収膜１６２２の下層に赤外線反射膜１６１４０を形成しても良い。尚、この赤外線反射膜１６１４０は、赤外線の入射方向に対して赤外線吸収膜よりも下層に形成すれば良い。

また、図１７（ｂ）では、赤外線吸収膜１６２２側から赤外線が入射する場合を示しているが、赤外線がSi基板側から入射する場合には、赤外線反射膜１６１４０は赤外線吸収膜１６２２の上に形成すれば良い。

また、図１６と図１７では、図１５中の正極性の仕事関数差型赤外線センサー１５１６について示したが、負極性の仕事関数差型赤外線センサー１５１７の場合は仕事関数差型温度センサーの極性が負になるだけで基本的な構造については、図１６、１７に示したものと同様である。

比較のため、サーモパイル型赤外線センサーの場合のセンサー構造と断面図を図１８（ａ）と図１８（ｂ）に示す。

サーモパイル型の場合、原理的に材料aと材料bで冷接点と温接点を接続する必要があるが、一般に用いられるサーモパイル材料は熱伝導率が大きいため、断熱構造体を形成しても、サーモパイル材料を伝って熱が逃げてしまうため感度が小さくなるという不具合があった。

これに対して、仕事関数差型赤外線センサーの場合は、前述のようにブリッジ構造上にセンサーを形成できるため熱絶縁性を高めることが可能である。

このような仕事関数差型赤外線センサーを用いた仕事関数差型人体検知センサーの回路構成を、図１９において示す。ここでは、一例として２素子タイプのものを示している。

仕事関数差型人体検知センサーの基本構成としては、仕事関数差型赤外線センサー１９１６，１９１７と、仕事関数差型赤外線センサー１９１６に電源電圧Vddよりも低い駆動電圧Vssを与える電源回路１９２４と、仕事関数差型赤外線センサー１９１７からの出力を増幅する増幅回路１９２５と、増幅回路１９２５からの出力Voaと予め設定された設定電圧範囲とを比較して検知出力信号Voutを出力する比較回路１９２６からなる。

尚、仕事関数差型赤外線センサー１９１６以外には、電源電圧Vddが与えられている。また、仕事関数差型赤外線センサー１９１６，１９１７の詳細については前述したのでここでは省略する。

本例の仕事関数差型人体検知センサーでは、仕事関数差型赤外線センサー１９１６，１９１７の各出力の和が出力される回路構成となっており、これについて、以下に説明する。

図２１に、このような加算信号を出力する仕事関数差型温度センサーの回路構成の一例を示す。

正の出力温度特性を持つ仕事関数差型温度センサー２１１６の出力Vout１が、負の出力温度特性を持つ仕事関数差型温度センサー２１１７の出力MOSFETのゲート電極に接続されている。

正の出力温度特性を持つ仕事関数差型温度センサー２１１６の特性は、図７中Eの特性である。負の出力温度特性を持つ仕事関数差型温度センサー２１１７は、図８（ａ）の仕事関数差型温度センサーにおいてPMOS８９、PMOS８０を入れ替えた構成になっており、その温度特性は、図９中Ｇの特性をVdd/２で折り返した特性、つまりＦの特性となる。

正の出力温度特性を持つ仕事関数差型温度センサー２１１６には、Vss＜Vddとなる電圧Vssを与える。このとき、Vout１＝Vss−Vwfとなり、Vout２＝Vout１+Vwf＝Vss−Vwｆ+Vwf＝Vssが成り立つ。

つまり、熱的外乱により、正の出力温度特性を持つ仕事関数差型温度センサー２１１６と負の出力温度特性を持つ仕事関数差型温度センサー２１１７において同時に出力が変動した場合は、その外乱はキャンセルされ、外乱を人体と誤検出することを防止することが可能である。

このような構成にすれば加算回路を使用せずにすむため、回路面積を縮小することが可能である。

尚、この構成で、正の出力温度特性を持つ仕事関数差型温度センサー２１１６に電源電圧Vddを与えてしまうとVout２＝Vddとなり、負の出力温度特性を持つ仕事関数差型温度センサー２１１７が動作できなくなるため、電源回路２１２４を用いて正の出力温度特性を持つ仕事関数差型温度センサー２１１６にVss（＜Vdd）を供給する必要がある。

別の回路構成例を図２２と図２３に示す。

尚、図２１、図２２、図２３のそれぞれでは、一段目のセンサーにVss＜VddなるVssを与える構成を示したが、一段目にVddを与え、二段目にVss＞VddであるVssを与えても良い。ただし、この場合は後段の増幅回路、比較回路にも同様のVssを与える必要がある。

図１９における電源回路１９２４の目的は、前述のように、電源電圧Vddよりも低い電圧Vssを、仕事関数差型赤外線センサー１９１６に供給することである。

この電源回路１９２４の回路構成については一般的な電源回路の構成でよく、外部からすでに安定化された電源が与えられる場合は電源電圧を抵抗分割するだけでも良い。

図１９における増幅回路１９２５は、仕事関数差型赤外線センサー１９１７からの出力Vout２を増幅する。ただし、Vout２はDC成分を持つので、増幅回路１９２５はDC成分をキャンセルする機能を持つ必要がある。

例えば、参照電圧源を用いてDC成分を減算して増幅する、あるいは、HPF（High-pass filter）でDC成分を除去する必要がある。また、人体検知センサーの場合は信号の周波数が低いため、１ステップ前の信号との差分を取ってDC成分を除去することでも良い。

図１９における比較回路１９２６の動作を図２０に示す。比較回路１９２６は、増幅回路１９２５からの出力Voaと予め設定してある設定範囲の電圧との比較を行い、Voaが設定範囲を越えた場合に、人体検知信号を出力すれば良い。例えば、コンパレータを二つ用いて、VoaとVr１、VoaとVr２の比較を行い、各出力を加算して出力Voutとすれば良いが、その技術は特に限定されない。

次に、図２４において、加算回路２４２７を用いて正の出力温度係数を持つ仕事関数差型温度センサー２４１６の出力と負の出力温度係数を持つ仕事関数差型温度センサー２４１７の出力を加算する構成を示す。

尚、加算回路２４２７については、特別な構成は必要なく、オペアンプ等を使った一般的な加算回路などが使用できる。このように、加算回路２４２７を用いることにより、センサーの多素子化が容易になる。

また、加算回路２４２７にDCオフセットの調整機能等を持たせることにより、図１９における電源回路１９２４を持つ必要が無くなる。

次に、図２５と図２６において、人体検知センサーの構成要素である仕事関数差型赤外線センサーとその他の周辺回路をシリコン（Si）基板上でワンチップに構成した例を示す。

図２５においては、ワンチップ構成の仕事関数差型人体検知センサーを示している。シリコン（Si）基板からなる仕事関数差型人体検知センサーチップ２５３０上に、仕事関数差型赤外線センサー２５１６ａ，２５１６ｂ，２５１７ａ，２５１７ｂが形成され、その周囲に周辺回路２５３１が形成された構成となっている。

図２６においては、ワンチップ構成の仕事関数差型人体検知センサーの断面図を示している。仕事関数差型赤外線センサーの場合、赤外線検知部２６１６，２６１７はMOSFETで構成されているため、CMOSプロセスでシリコン（Si）基板２６３０上に構成される周辺回路２６３１と同時に形成できる。

このように、ワンチップ構成にすることで微細化が可能であると共に、センサー素子のみが形成された基板と回路部のみが形成された基板とを接合するプロセスが不要となるためコストダウン効果が大きい。

次に、図２７を用いて、上述の各仕事関数差型人体検知センサーに、赤外線を集光する赤外線レンズ３２を設けた構成について説明する。

図２７においては、新たに加えた赤外線レンズ２７３２と検知エリアの様子を示している。赤外線レンズ２７３２は、人体検知センサでは一般的に用いられているタイプのレンズで、検知エリアを分割し、分割された各エリアからの赤外線を人体検知センサー２７３０の素子部に集光するように設計されている。

このように、赤外線レンズ２７３２を使用して、赤外線を集光することで、仕事関数差型人体検知センサーの感度を高めることができる。また、赤外線レンズ２７３２により、検知範囲を自由に設定することが可能である。

尚、図２７に示した一例の他にも、ある狭い範囲のみを検出するようなスポットタイプのレンズ等を使用しても良い。また、レンズは凸型のレンズやフレネルレンズ等があるが特に限定されることは無い。

以上、図１〜図２７を用いて説明したように、本例では、輻射線を感受した第１，第２の電界効果トランジスタのそれぞれのゲート電極の仕事関数差を当該輻射線の検知信号として出力する仕事関数差型輻射線検知素子を用いた温度センサーとして、正の出力温度係数を持つ第１の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１６）と、この第１の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１６）と出力温度係数の絶対値が等しい負の出力温度係数を持つ第２の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１７）とを少なくとも一組有する構成とした。

特に、第１，第２の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１６，１５１７）のそれぞれは、電流源として機能する１以上のMOSFET（４５，４７，６５，６６）と仕事関数差出力用の１以上のMOSFET（４６，４８，８０〜８２，８９）を、電源と接地間に接続してなり、かつ、第１，第２の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１６，１５１７）のそれぞれは、電流源として機能するMOSFETと仕事関数差出力用のMOSFETの、電源と接地間における接続順を逆にして構成した。

あるいは、第１，第２の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１６，１５１７）のそれぞれは、複数のMOSFETから構成され、かつ、第１の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１６）を構成するMOSFETと第２の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１７）を構成するMOSFETは、チャネルの導電型が異なる構成とした。

尚、MOSFETから構成された第１の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１６）は、複数のPMOSで構成され、この複数のPMOSのうちの一つのPMOSのゲートとそれ以外のPMOSのゲートは導電型が異なり、また、第２の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１７）は、複数のNMOSで構成され、この複数のNMOSのうちの一つのNMOSのゲートとそれ以外のNMOSのゲートは導電型が異なる構成とした。

あるいは、MOSFETから構成された第１の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１６）は、複数のNMOSで構成され、この複数のNMOSのうちの一つのNMOSのゲートとそれ以外のNMOSのゲートは導電型が同じで不純物濃度が異なり、第２の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１７）は、複数のPMOSで構成され、この複数のPMOSのうちの一つのPMOSのゲートとそれ以外のPMOSのゲートは導電型が同じで不純物濃度が異なる構成とした。

また、断熱構造体（１６１８）と放射線吸収膜（１６２２）を設け、この断熱構造体（１６１８）上に、第１，第２の仕事関数差型輻射線検知素子（１５１６，１５１７）からなる温度センサー（１６２１）と放射線吸収膜（１６２２）を設けた構成とした。

また、第１の仕事関数差型輻射線検知素子（２１１６，２２１６）からの仕事関数差出力を、第２の仕事関数差型輻射線検知素子（２１１７，２２１７）のゲートに入力する加算構成とし、かつ、第１の仕事関数差型輻射線検知素子（２１１６，２２１６）に、第２の仕事関数差型輻射線検知素子（２１１７，２２１７）の電源電圧より低い電圧を供給する構成とした。

逆に、第２の仕事関数差型輻射線検知素子（２３１７）からの仕事関数差出力を、第１の仕事関数差型輻射線検知素子（２３１６）のゲートに入力する加算構成とし、かつ、第２の仕事関数差型輻射線検知素子（２３１７）に、第１の仕事関数差型輻射線検知素子（２３１６）の電源電圧より低い電圧を供給する構成とした。

また、このような加算構成の温度センサーを、生体からの放射線を検出して、当該生体を検知する仕事関数差型人体検知センサー（生体検知装置）に設け、この仕事関数差型人体検知センサー（生体検知装置）においては、温度センサー（１９１６，１９１７）からの出力信号を増幅回路（１９２５）で増幅し、比較回路（１９２６）において、この増幅回路（１９２５）からの出力が予め設定された電圧範囲を超えたときに検出信号を出力する構成とした。

尚、仕事関数差型人体検知センサー（生体検知装置）において、加算構成でない本発明に係る温度センサーを用いる場合には、当該温度センサーを構成する第１の仕事関数差型輻射線検知素子（１９１６）からの出力と第２の仕事関数差型輻射線検知素子（１９１７）からの出力を加算する加算回路（２４２７）を設け、増幅回路（２４２５）において、この加算回路（２４２７）からの出力信号を増幅し、比較回路（２４２６）において、この増幅回路（２４２５）からの出力が予め設定された電圧範囲を超えたときに検出信号を出力する構成とする。

また、仕事関数差型人体検知センサー（生体検知装置）において、温度センサー（２６１６，２６１７）と、加算回路、増幅回路、比較回路等の周辺回路２６３１をシリコン（Si）基板（２６３０）上でワンチップに形成した構成とした。

また、仕事関数差型人体検知センサー（生体検知装置）においては、生体からの放射線を集光する光学系（赤外線レンズ２７３２）を設けた構成とした。

これにより、従来の技術における課題（静止した生体の検出を、熱的な外乱による誤検出をすることなく、簡素な構造で、高精度に行うセンサーを容易に作成することができない）を解決し、高精度で小型な温度センサーを低コストに作成することが可能となる。

すなわち、本例では、仕事関数差型温度センサーを用いており、（１）この仕事関数差型温度センサーは、入射赤外線量を検出するDCタイプであるため、静止した人体を検知することが可能である。

（２）また、仕事関数差型温度センサーの場合は、サーモパイルの場合に必要であった温接点と冷接点をサーモパイル材料で接続する必要がないため、高い断熱特性を得ることが可能である。

（３）また、仕事関数差型温度センサーの場合、センサーを構成するMOSFETの接続順序を変えることにより、あるいは、センサーを構成するMOSFETを、NMOSにするかPMOSにするかによって、正極性と負極性のセンサーを作り分けることができるため、正負両極性のセンサーを形成することが非常に容易である。

（４）また、仕事関数差型温度センサーの出力温度係数は、センサーを構成する複数のMOSFETのポリシリコンゲートの仕事関数の差によって決まるので、ポリシリコンゲートへの不純物のイオン注入を制御することで、容易に正極性のセンサーと負極性のセンサーの出力温度係数の絶対値を等しくすることが可能である。

これにより、従来の多素子型の人体検知センサーにおいて、焦電型センサーの場合は静止した人体を検知するためにはチョッパーが必要であるという課題、サーモパイルの場合は温接点と冷接点をサーモパイル材料で接続するために断熱特性が悪く感度が小さくなるという課題、ボロメータ、サーミスタの場合は正極性、負極性のセンサーを形成するのに異なる材料で形成する必要があるため、正負の出力温度係数の絶対値を等しくすることが難しいという課題を解決することができる。

また、他の効果として、一般的なCMOSプロセスを基本に作製できるので増幅回路や制御回路との一体化が容易であるとの効果もある。

尚、本発明は、図１〜図２７を用いて説明した例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能である。例えば、本例では、人体からの赤外線を検知する人体検知センサーを例に説明しているが、人体に限らず、他の生体から放射される放射線を検知するものに適用できる。

１１，２４：赤外線検知素子部、１２，２２：正の出力温度係数を持つ赤外線センサー、１３，２３，１５１７：負の出力温度係数を持つ赤外線センサー、４５〜４８，６５，６６，１１１３，１３１３：NMOS、８０〜８２，８９，１２１４，１４１４：PMOS、１５：仕事関数差型人体検知センサー、１５１６：正の出力温度係数を持つ仕事関数差型赤外線センサー、１５１７：負の出力温度係数を持つ仕事関数差型赤外線センサー、１５１６ａ，１５１７ａ：検出範囲、１６１６：仕事関数差型赤外線センサー、１６１８：メンブレン、１６１９，１６２０：梁、１６２１：仕事関数差型温度センサー、１６２２：赤外線吸収膜、１６２３：配線、１９１６：正の出力温度係数を持つ仕事関数差型温度センサー、１９１７：負の出力温度係数を持つ仕事関数差型温度センサー、１９２４：電源回路、１９２５：増幅回路、１９２６：比較回路、２１１６，２２１６，２３１６：正の出力温度係数を持つ仕事関数差型温度センサー、２１１７，２２１７，２３１７：負の出力温度係数を持つ仕事関数差型温度センサー、２４１６：正の出力温度係数を持つ仕事関数差型温度センサー、２４１７：負の出力温度係数を持つ仕事関数差型温度センサー、２４２５：増幅回路、２４２６：比較回路、２４２７：加算回路、２５３０：仕事関数差型人体検知センサーチップ、２５１６ａ，２５１６ｂ，２５１７ａ，２５１７ｂ：仕事関数差型赤外線センサー、２５３１：周辺回路、２６１６，２６１７：赤外線検知部、２６３０：シリコン（Si）基板、２６３１：周辺回路、２７３０：人体検知センサー、２７３２：赤外線レンズ。

特開平１１−１０８７５４号公報 特開２００７−１０１２１３号公報

Claims (9)

1. 輻射線を感受した第１，第２の電界効果トランジスタのそれぞれのゲート電極の仕事関数差を当該輻射線の検知信号として出力する仕事関数差型輻射線検知素子を用いた温度センサーであって、
   正の出力温度係数を持ち、電流源として機能する１以上のMOSFETと仕事関数差出力用の１以上のMOSFETを、電源と接地間に接続してなる第１の仕事関数差型輻射線検知素子と、
   該第１の仕事関数差型輻射線検知素子と出力温度係数の絶対値が等しい負の出力温度係数を持ち、電流源として機能する１以上のMOSFETと仕事関数差出力用の１以上のMOSFETを、電源と接地間に、上記第１の仕事関数差型輻射検知素子とは接続順を逆にして接続してなる第２の仕事関数差型輻射線検知素子と、
   を少なくとも一組有して、上記第１の仕事関数差型輻射線検知素子からの仕事関数差出力を、上記第２の仕事関数差型輻射線検知素子のゲートに入力する構成とし、かつ、上記第１の仕事関数差型輻射線検知素子に上記第２の仕事関数差型輻射線検知素子の電源電圧より低い電圧を供給する構成とすることを特徴とする温度センサー。
2. 輻射線を感受した第１，第２の電界効果トランジスタのそれぞれのゲート電極の仕事関数差を当該輻射線の検知信号として出力する仕事関数差型輻射線検知素子を用いた温度センサーであって、
   正の出力温度係数を持ち、電流源として機能する１以上のMOSFETと仕事関数差出力用の１以上のMOSFETを、電源と接地間に接続してなる第１の仕事関数差型輻射線検知素子と、
   該第１の仕事関数差型輻射線検知素子と出力温度係数の絶対値が等しい負の出力温度係数を持ち、電流源として機能する１以上のMOSFETと仕事関数差出力用の１以上のMOSFETを、電源と接地間に、上記第１の仕事関数差型輻射検知素子とは接続順を逆にして接続してなる第２の仕事関数差型輻射線検知素子と、
   を少なくとも一組有して、上記第２の仕事関数差型輻射線検知素子からの仕事関数差出力を、上記第１の仕事関数差型輻射線検知素子のゲートに入力する構成とし、かつ、上記第２の仕事関数差型輻射線検知素子に上記第１の仕事関数差型輻射線検知素子の電源電圧より低い電圧を供給する構成とすることを特徴とする温度センサー。
3. 請求項１または請求項２に記載の温度センサーであって、
   上記第１，第２の仕事関数差型輻射線検知素子のそれぞれは、複数のMOSFETから構成され、
   かつ、上記第１の仕事関数差型輻射線検知素子を構成するMOSFETと上記第２の仕事関数差型輻射線検知素子を構成するMOSFETは、チャネルの導電型が異なることを特徴とする温度センサー。
4. 請求項３に記載の温度センサーであって、
   上記第１の仕事関数差型輻射線検知素子は、複数のPMOSで構成され、
   該複数のPMOSのうちの一つのPMOSのゲートとそれ以外のPMOSのゲートは導電型が異なり、上記第２の仕事関数差型輻射線検知素子は、複数のNMOSで構成され、
   該複数のNMOSのうちの一つのNMOSのゲートとそれ以外のNMOSのゲートは導電型が異なることを特徴とする温度センサー。
5. 請求項３に記載の温度センサーであって、
   上記第１の仕事関数差型輻射線検知素子は、複数のNMOSで構成され、
   該複数のNMOSのうちの一つのNMOSのゲートとそれ以外のNMOSのゲートは導電型が同じで不純物濃度が異なり、
   上記第２の仕事関数差型輻射線検知素子は、複数のPMOSで構成され、
   該複数のPMOSのうちの一つのPMOSのゲートとそれ以外のPMOSのゲートは導電型が同じで不純物濃度が異なることを特徴とする温度センサー。
6. 請求項１から請求項５のいずれかに記載の温度センサーであって、
   断熱構造体と放射線吸収膜とを設け、該断熱構造体上に上記第１，第２の仕事関数差型輻射線検知素子と上記放射線吸収膜を設けたことを特徴とする温度センサー。
7. 生体からの放射線を検出して、当該生体を検知する生体検知装置であって、
   請求項１もしくは請求項２のいずれかに記載の温度センサーと共に、
   該温度センサーからの出力信号を増幅する増幅回路と、該増幅回路からの出力が予め設定された電圧範囲を超えたときに検出信号を出力する比較回路とを含む周辺回路を有することを特徴とする生体検知装置。
8. 請求項７に記載の生体検知装置であって、上記温度センサーと上記周辺回路がワンチップに形成されてなることを特徴とする生体検知装置。
9. 請求項７もしくは請求項８のいずれかに記載の生体検知装置であって、上記生体からの放射線を集光する光学系を有することを特徴とする生体検知装置。
   

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