JP2001091360A

JP2001091360A - 輻射温度検出素子

Info

Publication number: JP2001091360A
Application number: JP26451099A
Authority: JP
Inventors: Yuji Takada; 裕司高田; Motoo Igari; 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: 2001-04-06
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: JP3620370B2

Abstract

(57)【要約】【課題】環境温度の変化により検出素子内で温度勾配が
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

【発明の詳細な説明】

【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、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。

【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∝Ｔｂ⁴−Ｔｐ⁴ …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。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図１
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。

【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。

【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１
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。

【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、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。

【００１１】ここで、赤外線受光素子１としては、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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【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。

【００２５】請求項５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６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７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

【特許請求の範囲】

【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。