JP3620370B2

JP3620370B2 - 輻射温度検出素子

Info

Publication number: JP3620370B2
Application number: JP26451099A
Authority: JP
Inventors: 裕司高田; 素生井狩
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1999-09-17
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2005-02-16
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: JP2001091360A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は対象物からの赤外線輻射量を計測し、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。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は従来の輻射温度センサのシステム構成を示している。図中、１０は赤外線検出素子、Ａ１，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。
【０００３】
マイクロコンピュータμＣにおいては、次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∝Ｔｂ^４−Ｔｐ^４ …式１
【０００４】
ここで、厳密にはサーモパイル素子１１の温度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Ｔｔ、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１１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。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１４、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＝Ｔｓ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。
【０００６】
そこで、例えば、特開平５−９０６４６号公報には、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１８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１１１の温度と共に、サーモパイル素子１１の温接点部１１２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。
【０００７】
また、従来の温度センサはサーミスタ抵抗であり、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。
【０００８】
また、従来のサーモパイル素子は感度が１０〜１００［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。
【０００９】
本発明はこのような課題を解決しようとするものであり、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。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１の輻射温度検出素子によれば、上記の課題を解決するために、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、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、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、該冷接点部に該半導体チップのデザインルールの最小単位で隣接するように配置し、前記信号処理部は、前記感温素子部よりも前記冷接点部から遠くに配置し、且つ、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。
【００１１】
なお、前記温度センサは、温度に対してリニア若しくは非線形性の補正が不要となる程度にリニアな電圧を出力するセンサとしても良い。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の輻射温度検出素子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。
【００１３】
上記構成の動作を説明する。サーモパイル素子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。
【００１４】
さらに、この温度センサ３として、シリコ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。
【００１５】
また、サーモパイル素子１１の出力を同一半導体チップ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。
【００１６】
図４は本発明の実施形態２を示している。本実施形態では、温度センサ３は、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。
【００１７】
図５は本発明の実施形態３を示している。本実施形態では、温度センサ３は、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。
【００１８】
図６は本発明の実施形態４を示している。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Ｒｔ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。
【００１９】
図７は本発明の実施形態５を示している。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ＡＤ５９０、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。
【００２０】
図８は本発明の実施形態６を示している。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。
【００２１】
図９〜図１２はそれぞれ本発明の実施形態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。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１〜４の発明によれば、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。
【００２３】
請求項２の発明によれば、赤外線受光素子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。
【００２４】
請求項３の発明によれば、温度に対してリニア若しくは非線形性の補正が不要となる程度に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。
【００２５】
請求項１〜４の発明によれば、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、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。
【００２６】
請求項４の発明によれば、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。
【００２７】
請求項１〜４の発明によれば、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、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。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の輻射温度検出素子の一実施形態を示す図であり、（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。
【図２】図１の半導体チップの金属ケースへの実装例を示す縦断面図である。
【図３】図１の半導体チップの概略回路構成を示す説明図である。
【図４】本発明の実施形態２の半導体チップの構成を示す平面図である。
【図５】本発明の実施形態３の半導体チップの構成を示す平面図である。
【図６】本発明の実施形態４の概略回路構成を示す説明図である。
【図７】本発明の実施形態５の概略回路構成を示す説明図である。
【図８】本発明の実施形態６の概略回路構成を示す説明図である。
【図９】本発明の実施形態７の概略回路構成を示す説明図である。
【図１０】本発明の実施形態８の概略回路構成を示す説明図である。
【図１１】本発明の実施形態９の概略回路構成を示す説明図である。
【図１２】本発明の実施形態１０の概略回路構成を示す説明図である。
【図１３】従来の輻射温度センサの概略構成を示す説明図である。
【図１４】従来の輻射温度センサに用いる赤外線検出素子の内部構成を示す平面図である。
【図１５】図１４の赤外線検出素子のＢ−Ｂ線についての断面図である。
【図１６】他の従来例のチップ構成を示す平面図である。
【符号の説明】
１赤外線受光素子
２半導体チップ
３温度センサ
４直流アンプ
５直流アンプ
６入出力パッド

Claims

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、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、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、該冷接点部に該半導体チップのデザインルールの最小単位で隣接するように配置し、
前記信号処理部は、前記感温素子部よりも前記冷接点部から遠くに配置し、且つ、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。
赤外線受光素子と同一の半導体チップ上に、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請求項１記載の輻射温度検出素子。
前記温度センサは、温度に対してリニア若しくは非線形性の補正が不要となる程度に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請求項１または２のいずれかに記載の輻射温度検出素子。
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を含む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請求項１乃至３のいずれかに記載の輻射温度検出素子。