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温度測定装置、熱型赤外線イメージセンサ及び温度測定方法 実績あり

国内特許コード P110002798
整理番号 Y00-P204
掲載日 2011年6月8日
出願番号 特願2000-288612
公開番号 特開2001-264176
登録番号 特許第3583704号
出願日 平成12年9月22日(2000.9.22)
公開日 平成13年9月26日(2001.9.26)
登録日 平成16年8月6日(2004.8.6)
優先権データ
  • 特願2000-003124 (2000.1.12) JP
発明者
  • 木村 光照
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 温度測定装置、熱型赤外線イメージセンサ及び温度測定方法 実績あり
発明の概要 【課題】 順方向バイアスされた少なくとも1個の電位障壁を持つ半導体ダイオードを温度感度が微細に調節できる温度センサとして使用できるようにする。
【解決手段】 温度センサとしての電位障壁を持つ半導体ダイオードDに直流又は矩形波形の順方向バイアス電圧を印加する際、演算増幅回路A1を介して行う。半導体ダイオードDの電位障壁の高さが温度感度を決定していることを利用して、バイアス電圧回路2から出力する順方向バイアス電圧が直接半導体ダイオードDに印加されるようにすることにより、これを微細に調節して、所望の温度感度が得られるようにすると共に、固定順方向バイアス電圧印加時に半導体ダイオードDに流れる指数関数的な温度依存性を有する電流に関係した出力電圧を得られるようにする。
従来技術、競合技術の概要


従来より、半導体のpn接合を利用した温度センサが開発されている。この温度センサは、pn接合ダイオードの順方向立ち上がり電圧の温度依存性、すなわち一定電流を流したときの順方向バイアス電圧Vfは、そのときの温度(絶対温度)Tに比例すること利用したもので、ダイオード温度センサと呼ばれている。また、同様にバイポーラトランジスタのエミッタとベース間は、pn接合となっているので、順方向のエミッタ・ベース間電圧Veがコレクタ電流を一定とした場合には、ほぼ温度Tに比例するということを利用したトランジスタ温度センサと呼ばれているものがある。



また、本発明者は、ショットキ接合温度センサを発明し(特願平3-284266)、ショットキバリアダイオードの逆方向バイアスを指定したときの逆方向電流の温度依存性は、丁度、サーミスタの温度依存性と似ており、サーミスタとして使用できることを示し、また、ショットキバリアダイオードの障壁高さが等価的なサーミスタのB定数に対応すること、ショットキバリアダイオードの障壁高さは、半導体の種類とショットキ金属の種類とが決定されればほぼ定まることから、ショットキバリアダイオードを作成すればB定数が確定するという特徴があることを示し(例えば、Schottky Barrier Thermistor;11th Sensor Symp.1992),ショットキバリアサーミスタと名付け提案した。



また、本発明者は、バイポーラトランジスタの一定のコレクタ電圧に対するコレクタ電流の温度依存性が、丁度、バイポーラトランジスタをサーミスタとみなしたときの温度依存性と一致することを利用し、そのサーミスタのB定数は、バイポーラトランジスタのエミッタとベース間の電位障壁高さに対応しているので、順方向のエミッタ・ベース間電圧Veを調節する事によりエミッタとベース間の電位障壁高さを調節して、所望のB定数に調節できるようにできることを見つけ、トランジスタサーミスタとして、その等価的なB定数が微細に調整すること、大きな電圧も印加でき、大きな出力が得られるようにできること、更に、これはMOSFETにも適用できることを提案し、「温度測定装置、熱型赤外線イメージセンサ及び温度測定方法」の特許として出願した(特願平11-022863、以下、先の発明という)。

産業上の利用分野


本発明は、半導体ダイオードを用いた温度測定装置、熱型赤外線イメージセンサおよび温度測定方法に関する。本発明は、例えば、集積回路の温度分布の検出、フローセンサ、ピラニー真空計、熱型赤外線センサ、熱型赤外線温度計、熱型赤外線イメージセンサなどとして用いられるものである。

特許請求の範囲 【請求項1】出力電圧を第1及び第2の出力間に出力するバイアス電圧回路と、
前記バイアス回路の第1の出力が順方向バイアス電圧としてー端に印加される半導体ダイオードと、
前記半導体ダイオードの他端が接続される第1の入力と、前記バイアス電圧回路の第2の出力が供給される第2の入力と、温度測定のための出力とを有する演算増幅回路と
を備え、
前記バイアス電圧回路の出力電圧の調節により前記半導体ダイオードの順方向バイアス電圧を調節させて、その電位障壁高さを調節することにより、所望の温度感度を持つように調節できるようにした温度測定装置。
【請求項2】前記演算増幅回路の出力を印加順方向バイアス電圧に同期して取り出するための同期出力回路をさらに備え、
前記バイアス電圧回路は、短形又は略矩形の単一波形又は繰り返し波形列を出力するようにした請求項1に記載の温度測定装置。
【請求項3】前記バイアス電圧回路と前記演算増幅回路との接続電圧が供給される第1の入力と、前記演算増幅回路の出力が供給される第2の入力と、温度測定のための出力とを有する第2の演算増幅回路をさらに備えた請求項1に記載の温度測定装置。
【請求項4】前記半導体ダイオードは、上部、下部、横部又はこれらを複数組合わせた箇所に空洞を有するように薄膜に形成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温度測定装置。
【請求項5】前記半導体ダイオードは、ショットキ接合ダイオード、pn接合ダイオード、nn接合ダイオード、pp接合ダイオード、ヘテロ接合ダイオードのいずれかであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の温度測定装置。
【請求項6】前記半導体ダイオードは、pn接合ダイオードであり、そのp側及びn側半導体が縮退する程度に不純物を多くするが、順方向バイアス電圧印加時には拡散電流に比べてトンネル電流が無視できるようにしたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の温度測定装置。
【請求項7】前記半導体ダイオード及び前記バイアス電圧回路は、同一基板に複数組形成され、それぞれの前記バイアス電圧回路の出力を調節するようにしたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の温度測定装置。
【請求項8】同一基板に2個以上形成された前記半導体ダイオードを流れる各電流のうち、少なくとも1つの前記半導体ダイオードを流れる電流と他の前記半導体ダイオードを流れる各電流との差動出力が得られるように演算回路をさらに備えたことを特徴とする請求項7に記載の温度測定装置。
【請求項9】同一基板に2個以上形成された前記半導体ダイオードの少なくとも1個は、下に空洞を有する薄膜に形成され、少なくとも1個は基板の温度が測定できるように基板上に形成されていることを特徴とする請求項7又は8に記載の温度測定装置。
【請求項10】複数の前記バイアス電圧回路に対して共通の定電圧電源回路を備え、複数個の前記半導体ダイオードに順方向バイアス電圧が印加できるようにしたことを特徴とする請求項7乃至9のいずれかに記載の温度測定装置。
【請求項11】前記バイアス電圧回路のうち、少なくとも定電圧電源回路の一部を、少なくともひとつの前記半導体ダイオードと同一基板に集積化したことを特徴とする請求項10に記載の温度測定装置。
【請求項12】前記演算増幅回路を複数の前記半導体ダイオード及び前記バイアス回路に対して共通に設け、
単一の前記演算増幅回路に、複数の前記半導体ダイオード及び前記バイアス回路からの出力を順次供給できるようにした走査回路をさらに備えた請求項1乃至11のいずれかに記載の温度測定装置。
【請求項13】請求項1乃至12のいずれかに記載の温度測定装置における前記半導体ダイオード及び前記バイアス電圧回路を複数個マトリックス状に配列し、各々の前記半導体ダイオードからの受光赤外線による温度に関する信号出力を読み出すようにした熱型赤外線イメージセンサ。
【請求項14】電流を支配する少なくとも1個の電位障壁を持つ半導体ダイオードの電流・電圧特性の温度依存性を利用する温度測定方法において、
バイアス電圧回路と半導体ダイオードと演算増幅回路の入力側を直列に接続し、
前記バイアス電圧回路の出力電圧を、途中の電圧降下が無視できる程度に小さくして、直接前記半導体ダイオードに順方向バイアス電圧として印加し、
前記演算増幅回路の出力が前記半導体ダイオードを流れる順方向電流に関係するようにし、
前記バイアス電圧回路の出力電圧の調節により前記半導体ダイオードの順方向バイアス電圧を変化させて、電位障壁高さを調節することにより、所望の温度感度を持つように調節できるようにした温度測定方法。
【請求項15】前記バイアス電圧回路の出力電圧が、所定の順方向バイアス電圧における短形又は略矩形の単一波形又は繰り返し波形列となるようにし、
前記演算増幅回路からの出力を印加順方向バイアス電圧に同期して取り出すようにしたことを特徴とする請求項14に記載の温度測定方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2000288612thum.jpg
出願権利状態 登録
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