JP2009258000A - Compound sensor, and flame sensor using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、UVセンサ部とIRセンサ部を有する複合センサ及びこれを用いた炎センサに関するものである。 The present invention relates to a composite sensor having a UV sensor part and an IR sensor part, and a flame sensor using the same.
近年において、住宅の高層化及び高齢者の一人暮らしの増加等の観点から、建物内に火災を高感度且つ迅速に検知することができる火災警報器等の設置が重要視されている。また、平成18年6月の消防法の改正に伴い、新築住宅においても火災警報器の設置が義務付けられている。 In recent years, installation of a fire alarm capable of detecting fire in a building with high sensitivity and speed has been regarded as important from the viewpoint of increasing the number of houses and increasing the living of elderly people alone. In addition, with the revision of the Fire Service Act in June 2006, the installation of fire alarms is also mandatory in newly built houses.
従来から、火災警報器としては煙及び熱検知タイプの火災警報器が知られている。しかしながら、煙及び熱検知タイプの火災警報器では火災が一定以上広がらなければ火災を検知することができないため、火災の初期段階での検知が困難であるという問題点があった。また、煙及び熱検知タイプは、屋外が出火源との火災に対して、その初期段階の検知は極めて困難であるという問題点もあった。 Conventionally, smoke and heat detection type fire alarms are known as fire alarms. However, the smoke and heat detection type fire alarm device cannot detect a fire unless the fire spreads beyond a certain level, so that it is difficult to detect at the initial stage of the fire. In addition, the smoke and heat detection type has a problem in that it is extremely difficult to detect the initial stage of a fire with a fire source outdoors.
かかる問題点を解消する方法として、炎特有の紫外線を検出する方法やかかる紫外線に加えて赤外線を検出する方法があり、これらの方法を利用した炎センサが従来から知られている(特許文献1及び2)。 As a method for solving such a problem, there are a method for detecting ultraviolet rays peculiar to flames and a method for detecting infrared rays in addition to such ultraviolet rays, and a flame sensor using these methods is conventionally known (Patent Document 1). And 2).
特許文献1には、金属の外部光電効果及びガス倍増効果を利用するタイプの炎センサが開示されている。また、特許文献2には、異なる波長からの光を利用して炎の有無を検知する炎センサが開示されている。
特許文献1に開示された炎センサは、外部光電効果を利用することによって、波長が約200nmから280nmの紫外線(以下、UV−Cと称する)の受光の有無に応じて炎の有無を検知しているが、外部光電効果を利用する構造はコスト高、低信頼性及び消費電力が大きいという問題点がある。また、外部光電効果を利用するため所定の大きさのパッケージで覆う必要があり小型化を容易に行うことが困難であった。
The flame sensor disclosed in
特許文献2に開示された炎センサは、炎の有無を検知するためにUV−Cを検出するUV検知用光電管及び波長が約4000nmから5000nmの赤外線(以下、IR−C)を検出する光学フィルタを敷設した熱電対型センサを有している。しかしながら、2つの構造が全く異なるセンサを利用しているため、炎センサとしての小型化が困難であった。また、異なる2つのセンサを配置及び配線するため、炎センサの構造及び回路構成が制限されるという問題点もあった。
A flame sensor disclosed in
本発明は、以上の如き事情に鑑みてなされたものであり、小型化が容易であって構造及び回路構成の制限を緩和することができる複合センサ及びこれを用いた炎センサを提供する。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and provides a composite sensor that can be easily reduced in size and can relax restrictions on structure and circuit configuration, and a flame sensor using the same.
上述した課題を解決するために、半導体基板上の埋め込み酸化膜上に積層されたSOI層内に設けられたPN接合領域を含むUVセンサ部と、前記SOI層に設けられたN型の低濃度拡散領域と前記埋め込み酸化膜を介して前記低濃度拡散領域に対向して前記半導体基板内に設けられたN型の高濃度拡散領域とを含むIRセンサ部と、を有することを特徴とする複合センサが提供される。 In order to solve the above-described problem, a UV sensor unit including a PN junction region provided in an SOI layer stacked on a buried oxide film on a semiconductor substrate, and an N-type low concentration provided in the SOI layer An IR sensor unit including a diffusion region and an N-type high concentration diffusion region provided in the semiconductor substrate so as to face the low concentration diffusion region through the buried oxide film. A sensor is provided.
また、前記PN接合受光領域を形成するP型拡散領域は、円柱状の拡散領域の複数が連なっている形状を有していても良い。 Further, the P-type diffusion region forming the PN junction light receiving region may have a shape in which a plurality of cylindrical diffusion regions are connected.
また、前記PN接合受光領域を形成するP型拡散領域は、半円柱状の拡散領域の複数が交互に同一方向において連なっている形状を有していても良い。 Further, the P-type diffusion region forming the PN junction light receiving region may have a shape in which a plurality of semi-cylindrical diffusion regions are alternately connected in the same direction.
また、前記IRセンサ部は、前記低濃度拡散領域に接続したシリサイド領域と前記埋め込み酸化膜を介して前記シリサイド領域に対向して前記半導体基板内に設けられたN型の追加高濃度拡散領域と、を更に有していても良い。 The IR sensor unit includes a silicide region connected to the low concentration diffusion region, and an N-type additional high concentration diffusion region provided in the semiconductor substrate so as to face the silicide region through the buried oxide film. , May be further included.
また、前記UVセンサ部は、前記SOI層上にスリットを更に有していても良い。 The UV sensor unit may further include a slit on the SOI layer.
また上述した課題を解決するために、半導体基板上の埋め込み酸化膜上に積層されたSOI層内に設けられたPN接合領域を含むUVセンサ部と、前記SOI層に設けられたN型の低濃度拡散領域と前記埋め込み酸化膜を介して前記低濃度拡散領域に対向して前記半導体基板内に設けられたN型の高濃度拡散領域とを含むIRセンサ部と、前記UVセンサ部及び前記IRセンサ部の各々から得られる受光信号に応じて炎の有無を判定する判定部と、を有することを特徴とする炎センサが提供される。 In order to solve the above-described problem, a UV sensor unit including a PN junction region provided in an SOI layer stacked on a buried oxide film on a semiconductor substrate, and an N-type low-voltage provided in the SOI layer. An IR sensor unit including a concentration diffusion region and an N-type high concentration diffusion region provided in the semiconductor substrate so as to face the low concentration diffusion region through the buried oxide film, the UV sensor unit, and the IR There is provided a flame sensor comprising: a determination unit that determines the presence or absence of a flame according to a light reception signal obtained from each of the sensor units.
また、前記UVセンサ部及び前記IRセンサ部の各々は、前記受光信号を増幅する増幅部を更に含んでいても良い。 Each of the UV sensor unit and the IR sensor unit may further include an amplification unit that amplifies the received light signal.
半導体基板上の埋め込み酸化膜上に積層されたSOI層内に設けられたラテラルPN接合領域を含むUVセンサ部と、前記SOI層に設けられたN型の低濃度拡散領域及び前記低濃度拡散領域に対向して前記半導体基板内に設けられたN型の高濃度拡散領域を含むIRセンサ部とを有する故、小型化が容易であって構造及び回路構成の制限を緩和することができる複合センサを提供することができる。 A UV sensor unit including a lateral PN junction region provided in an SOI layer stacked on a buried oxide film on a semiconductor substrate; an N-type low-concentration diffusion region provided in the SOI layer; and the low-concentration diffusion region And an IR sensor portion including an N-type high concentration diffusion region provided in the semiconductor substrate so as to face the semiconductor substrate, and thus can be easily reduced in size and can relax restrictions on structure and circuit configuration Can be provided.
また、前記複合センサに炎の有無を判定する判定部を更に加えることによって、小型化が容易であって構造及び回路構成の制限を緩和することができる炎センサを提供することができる。 Further, by adding a determination unit for determining the presence or absence of a flame to the composite sensor, it is possible to provide a flame sensor that can be easily downsized and can relax restrictions on structure and circuit configuration.
以下、本発明の実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
先ず、図1を参照しつつ、本発明の実施例としての炎センサ10の構成について詳細に説明する。
First, the configuration of a
炎センサ10は、SOI(Silicon On Insulator)基板11に受光した光からUV−Cを検出するためのUV受光部12が形成されている。UV受光部12には隣接してUV増幅部13が形成されている。UV受光部12及びUV増幅部13からUVセンサ部14が構成されている。また、炎センサ10は、SOI基板11に受光した光からIR−Cを検出するためのIR受光部15が形成されている。IR受光部15には隣接してIR増幅部16が形成されている。IR受光部15及びIR増幅部16からIRセンサ部17が構成されている。更に、UVセンサ部14及びIRセンサ部17から、受光する光からUV−C及びIR−Cを検出する複合センサ18が構成されている。なお、UVセンサ部14とIRセンサ部17とは、素子分離領域(図示せず)によって電気的に素子分離されていても良い。また、各受光部及び各増幅部についても、後述するSOI層内おいて素子分離されていても良い。
The
UVセンサ部14及びIRセンサ部17には、UVセンサ部14からのUV受光信号とIRセンサ部17からのIR受光信号とから炎の有無を判定する判定部19が接続されている。判定部19についてもSOI基板11に形成されている。判定部19は炎を検知した場合に炎の検知信号を出力するための出力端子(図示せず)が設けられている。
The
上述した構成によって、本発明の実施例における炎センサ10は、受光した光から炎の特有の波長であるUV−C及びIR−Cを検出して炎の有無を判別し、炎を検知した場合に炎の検知信号を出力することを可能としている。
With the above-described configuration, the
次に、図2(a)、(b)を参照しつつ、本発明の実施例としての炎センサ10のUV受光部12の構造について詳細に説明する。
Next, the structure of the UV
図2(a)に示されているように、SOI基板11は低濃度のP型の半導体基板21、半導体基板21上に形成された埋め込み酸化膜22及び埋め込み酸化膜上に形成されたSOI層23から構成され、半導体基板21とSOI層23とは埋め込み酸化膜22によって絶縁分離されている。ここで、SOI基板11の厚さ方向をZ軸方向と定義し、UV受光部12の長辺方向をX軸方向と定義することとする。SOI層23上には、Z軸方向に所定の距離だけ離間してスリット24が設けられている。スリット24は、SOI層23に到達する光を所定以下の波長に限定(すなわち、所定以上の波長を遮蔽)するために設けられている。
As shown in FIG. 2A, the
SOI層23にはN型拡散領域25(以下、N領域25と称する)と高濃度のP型拡散領域26(以下、P+領域26と称する)が交互に形成されている。また、N領域25とP+領域26とによってラテラルPN接合領域を含むラテラル型のダイオードが形成されている。
In the
ここで、UV受光部12はSOI層23の厚さが薄いほど波長の短い光に感度を有することから、SOI層23の厚さはUV−Cより長い波長であるUV−A(波長:320から400nm)及びUV−B(波長:280から320nm)に感度を有さない厚さであることが望ましい。従って、SOI層23の厚さがUV−Cのみに感度を有する厚さに調整された場合には、スリット24を設けずに直接的に光が照射されても良い。具体的には、UV−Cの波長選択性を向上させるために、ベール法則に基づき約数nmから30nmの膜厚に設定しても良い。なお、SOI層23に形成される受光面を覆うべく、透明な保護膜(図示せず)をSOI層23上に形成しても良い。
Here, since the UV
図2(b)に示されているように、SOI層23内にP型の不純物を複数回に別けて打つ込むことによって、SOI層23の埋め込み酸化膜22と平行な平面内(すなわち、X−Y平面内)におけるP+領域26は、円状の複数のP型の拡散領域が連なっている形状を有していることとなる。すなわち、P+領域26は円柱状のP型の拡散領域が連なって形成されている。ここで、X軸に垂直であるUV受光部12の短辺方向をY軸方向と定義することとする。
As shown in FIG. 2B, by implanting P-type impurities into the SOI layer 23 a plurality of times, a plane parallel to the buried
また、N領域25とP+領域26とによって形成される空乏層(図示せず)の広がり範囲を約40nmとなるようにP+領域26の不純物濃度を調整及びP+領域26のX軸方向の幅を決定することが望ましい。かかる40nmが望ましい理由としては、電磁波を遮蔽する金網のメッシュ幅が波長の約1/7であることが知られており、UVセンサ部12で検出を行う波長はUV−Cの波長である約280nmであることから、その1/7の値として約40nmが算出されるからである。ここで、約1/7としたが、これは検出した電気出力を増幅するアンプの分解能によって左右される。さらに、蛍光灯や白色LEDなどを単一の紫外線センサで検出する目的とする場合には、蛍光灯や白色LEDは340nm以下の波長を出さないものとして、広がり範囲を40〜49nmと設定することも可能である。また、高分解能のアンプを用いる場合には高いフィルタ特性を得るために波長の1/7以下にする必要があり、そのために空乏層の広がりを10〜40nmの範囲で設定する場合もある。
Further, X-axis direction of the
X軸方向における空乏層の広がりは、P+領域26の不純物濃度の調整及びP+領域26のX軸方向の幅の決定から所望の広がりに調整することが可能である。しかしながら、P+領域26が矩形の場合においてはY軸方向においてはX軸方向よりもその幅が長いため、X軸方向と同等の空乏層の広がりとすることは一般には困難である。そこで、上述したようにP+領域26のX−Y平面の形状を円状の拡散領域が複数連なる形状とすることによって、Y軸方向における空乏層の広がりを抑えることが可能となる。このようなP+領域26のX−Y平面形状によってUV−Cを高精度で検出することができることとなる。 Expansion of the depletion layer in the X-axis direction can be adjusted from the determination of the X-axis direction width of the adjustment and the P + region 26 having an impurity concentration of the P + region 26 to a desired extent. However, when the P + region 26 is rectangular, since the width in the Y-axis direction is longer than that in the X-axis direction, it is generally difficult to make the depletion layer spread as much as the X-axis direction. Therefore, as described above, by making the shape of the XY plane of the P + region 26 a shape in which a plurality of circular diffusion regions are connected, it is possible to suppress the spread of the depletion layer in the Y-axis direction. With such an XY plane shape of the P + region 26, UV-C can be detected with high accuracy.
上述したUV−Cの検出の高精度化について、図3を参照して更に説明する。 The above-described improvement in the accuracy of UV-C detection will be further described with reference to FIG.
図3は、横軸が波長λ(nm)であり、縦軸が光の透過率及び受光の感度を示している。破線グラフが従来のUVセンサと同様にP+領域26のX−Y平面形状を矩形にした場合であり、実線グラフがP+領域26のX−Y平面形状を円状の拡散領域を複数連ならせた場合を示している。破線グラフにおいてはそのピークが約280nmであり、また350nm以上の光においても感度を有することが判る。従って、従来のUVセンサと同様にした場合はY軸方向における空乏層の広がりの影響によって、所望の波長においても感度を有してしまうこととなる。一方で、実線グラフにおいてはそのピークが230nm以下であり、また350nm以上においては破線グラフと比較すると感度を殆ど有していないことがわかる。以上のことから、P+領域26のX−Y平面における形状を円状の拡散領域を複数連ねることによってUV−Cを高精度で検出することができることとなる。 In FIG. 3, the horizontal axis represents the wavelength λ (nm), and the vertical axis represents the light transmittance and the light receiving sensitivity. The broken line graph shows the case where the XY plane shape of the P + region 26 is rectangular like the conventional UV sensor, and the solid line graph shows the XY plane shape of the P + region 26 connected to a plurality of circular diffusion regions. This shows the case where it has been faded. In the broken line graph, the peak is about 280 nm, and it can be seen that there is sensitivity even in light of 350 nm or more. Therefore, when the conventional UV sensor is used, sensitivity is obtained even at a desired wavelength due to the spread of the depletion layer in the Y-axis direction. On the other hand, in the solid line graph, the peak is 230 nm or less, and when it is 350 nm or more, it can be seen that it has almost no sensitivity compared to the broken line graph. From the above, UV-C can be detected with high accuracy by connecting a plurality of circular diffusion regions in the shape of the P + region 26 in the XY plane.
また、P+領域26のX−Y平面の形状は図4に示されているように、複数の半円状の拡散領域が交互に同一方向において連なっている形状であっても良い。すなわち、図4に示された場合においてP+領域26は、半円柱状の拡散領域が交互に同一方向において連なっていることとなる。図4に示された形状は一方向(例えばX軸方向)のみにP+領域26が偏らない形状であるため、Y軸方向における空乏層の広がりを抑制することが可能となる。 Further, the shape of the XY plane of the P + region 26 may be a shape in which a plurality of semicircular diffusion regions are alternately connected in the same direction as shown in FIG. That is, in the case shown in FIG. 4, in the P + region 26, semicylindrical diffusion regions are alternately connected in the same direction. Since the shape shown in FIG. 4 is a shape in which the P + region 26 is not biased only in one direction (for example, the X-axis direction), it is possible to suppress the spread of the depletion layer in the Y-axis direction.
なお、円状及び半円状の拡散領域の数量を多く(すなわち、円状及び半円状の半径ピッチが小さい)することによって、空乏層のY軸方向における広がりを抑制することが容易となってUV−Cを高精度で検出することができることとなる。 In addition, by increasing the number of circular and semicircular diffusion regions (that is, the circular pitch and semicircular radial pitch are small), it becomes easy to suppress the spread of the depletion layer in the Y-axis direction. Thus, UV-C can be detected with high accuracy.
次に、図5を参照しつつ、UVセンサ部14の等価回路の構成の1例について詳細に説明する。
Next, an example of the configuration of the equivalent circuit of the
UV受光部12を構成するダイオード51のアノードは接続点T1を介して増幅回路52の負入力端子に接続されている。ダイオード51のカソードは接地電位に接続されている。増幅回路52の正入力端子は接地電位に接続され、増幅回路52の出力端子は外部出力端子Vout1に接続されている。また、増幅回路52の電源接続端子は接続点T2を介してコンデンサC01に接続され、更にコンデンサC01を介して接地電位に接続されている。例えば、コンデンサC01は10pFとしても良い。
The anode of the
コントロール信号入力端子(以下、CNTと称する)は、2つのNOTゲート53、54を介して接続点T3に接続され、更に、接続点T3を介してN型MOSトランジスタM1のゲートに接続されている。N型MOSトランジスタM1のドレインは接続点T1を介して増幅回路52の負入力端子に接続され、N型MOSトランジスタM1のソースは接地電位に接続されている。
A control signal input terminal (hereinafter referred to as CNT) is connected to a connection point T3 through two
また、CNTは接続点T3及びT4を介してN型MOSトランジスタM2のゲートに接続されている。N型MOSトランジスタM2のソースは接続点T2を介してコンデンサC01に接続されている。更に、CNTは接続点T4を介してN型MOSトランジスタM3のゲートに接続されている。N型MOSトランジスタM3のドレインは電源電圧VDD1に接続され、ソースは接続点T5を介して増幅回路55の電源接続端子に接続されている。
The CNT is connected to the gate of the N-type MOS transistor M2 through connection points T3 and T4. The source of the N-type MOS transistor M2 is connected to the capacitor C0 1 via the node T2. Further, the CNT is connected to the gate of the N-type MOS transistor M3 through the connection point T4. The drain of the N-type MOS transistor M3 is connected to the power source voltage VDD 1, the source is connected to the power supply connection terminal of the
増幅回路55の出力端子はN型MOSトランジスタM2のドレインに接続されている。また、増幅回路55の負入力端子は接続点6を介して増幅回路52の出力端子に接続されている。更に、増幅回路55の正入力端子は接続点T7を介して抵抗R1、R2に接続されている。抵抗R1の接続点T7と接続された端部とは異なる端部は接続点T5に接続されている。また、抵抗R2の接続点T7と接続された端部とは異なる端部は接地電位に接続されている。例えば、抵抗R1を180kΩとし、抵抗R2を20kΩとしても良い。
The output terminal of the
なお、ダイオード51を除いた破線によって囲まれた部分がUV増幅部13を構成することとなる。
The portion surrounded by the broken line excluding the
上述した構成によってUV−C検出時のUV受光信号を増幅する理由としては、UV受光部12の偏光面の偏りを少なくする観点から受光面が小さくしているため、大きなUV受光信号を発生することができないからである。
The reason for amplifying the UV light receiving signal at the time of UV-C detection with the above-described configuration is that the light receiving surface is made small from the viewpoint of reducing the polarization plane polarization of the UV
次に、図5及び図6を参照しつつ、UV増幅部の動作について説明する。図6の横軸は時間を示し、縦軸は外部出力端子Vout1におけるUV受光信号の出力電圧値及びCNTにおける信号の電圧値を示している。 Next, the operation of the UV amplification unit will be described with reference to FIGS. The horizontal axis of FIG. 6 indicates time, and the vertical axis indicates the output voltage value of the UV light reception signal at the external output terminal Vout1 and the voltage value of the signal at the CNT.
先ず、ダイオード51がUV−Cを検出するとUV受光信号である電流が増幅回路52に向かって流れる。増幅回路52で所定の増幅率によって増幅されたUV受光信号が、出力電圧値として外部出力端子Vout1に送信されることとなる。この増幅されたUV受光信号が外部出力端子Vout1に送信されている状態が、図6の矢印6aによって示された期間となる。
First, when the
その後、CNTからオフセット信号が入力され、N型MOSトランジスタM1、M2、M3がオン状態に移行する。かかる状態では、継続してUV−Cを検出していてもN型MOSトランジスタのドレインに電流が流れることとなり、出力電圧値は0V(すなわち、増幅後のUV受光信号は送信されていない状態)となる。かかる態が、図6の矢印6bによって示された期間である。また、N型MOSトランジスタM2、M3がオン状態に移行することから、かかる出力電圧値0Vの状態を基準状態にオフセットすることとなる。
Thereafter, an offset signal is input from the CNT, and the N-type MOS transistors M1, M2, and M3 are turned on. In such a state, even if UV-C is continuously detected, a current flows through the drain of the N-type MOS transistor, and the output voltage value is 0 V (that is, the amplified UV light reception signal is not transmitted). It becomes. This state is the period indicated by the
オフセット信号が入力されてから0.01秒後にオフセット信号の入力が停止され、N型MOSトランジスタM1、M2、M3がオフ状態に移行することとなる。かかる状態において、UV−Cを検出しているとダイオード51に電荷が充電され徐々に出力電圧値が上昇し、電荷充電が完了すると一定の出力電圧値がUV受光信号として出力されることとなる。かかる状態が、図6の矢印6cによって示された期間である。
The input of the offset signal is stopped 0.01 seconds after the input of the offset signal, and the N-type MOS transistors M1, M2, and M3 are turned off. In this state, when UV-C is detected, the
オフセット信号の入力が停止されてから約1秒後、再びオフセット信号が入力されて上述したオフセットを再度行い、その後も上述した動作を繰り返すこととなる。なお、オフセット信号の入力間隔は、1秒に限られることなくそれ以上であっても良い。また、ダイオード51の特性上から1秒以上であることが望ましい。
About one second after the input of the offset signal is stopped, the offset signal is input again to perform the above-described offset again, and thereafter the above-described operation is repeated. Note that the input interval of the offset signal is not limited to 1 second and may be longer. Moreover, it is desirable that it is 1 second or more from the characteristic of the
上述した動作を繰り返すことによって、オフセットとしての出力電圧値を0Vで安定されることができ、UV−Cを検出した場合に精度よくUV受光信号を増幅することができることとなる。 By repeating the above-described operation, the output voltage value as an offset can be stabilized at 0 V, and the UV light reception signal can be amplified accurately when UV-C is detected.
次に、図7(a)、(b)を参照しつつ、本発明の実施例としての炎センサ10のIR受光部15の構造について詳細に説明する。
Next, the structure of the IR
図7(a)に示されているように、図2(a)で示された構造と同様に半導体基板21、埋め込み酸化膜22及びSOI層23からSOI基板11が構成されている。また、図2(a)と同様にSOI基板11の厚さ方向をZ軸方向と定義し、IR受光部15の長辺方向をX軸方向と定義することとする。更に、図7(b)においても図2(b)と同様に、X軸に垂直であるIR受光部15の短辺方向をY軸方向と定義することとする。
As shown in FIG. 7A, the
SOI層23には、N型の不純物がイオン注入された縮退半導体領域71が形成され、縮退半導体領域71に隣接してシリサイド領域72が形成されている。例えば、シリサイド領域72はN型の不純物と金属とからなり、縮退半導体領域71の不純物濃度より濃くても良い。縮退半導体領域71及びシリサイド領域72のX−Y平面における面積はほぼ同等であることが望ましい。これは、後述する熱輻射の発生量を同等にする必要があるからである。また、縮退半導体領域71及びシリサイド領域72は素子分離層(図示せず)又はP型拡散領域(図示せず)を間に挟むことで離間していても良い。縮退半導体領域71及びシリサイド領域72は低濃度のP拡散領域73(以下、P-領域73と称する)によって囲まれている。このとき、シリサイド領域72にかえて縮退半導体71よりも不純物濃度の濃いSOI層とすることも可能である。
In the
縮退半導体領域71と埋め込み酸化膜22を介して半導体基板11内に、N型の不純物が縮退半導体領域71のドーズ量よりも大きくイオン注入された高濃度拡散領域74(以下、N+領域74と称する)が形成されている。ここで、N+領域74は縮退半導体領域71よりも相対的にドーズ量が大きくなっていれば良く、縮退半導体領域71はN+領域74に対して低濃度拡散領域として形成されていることとなる。なお、縮退半導体領域71及びN+領域74のドーズ量はIR−Cを検出することができる範囲にベールの法則により決定するものとする。すなわち、縮退半導体領域71によってIR−C以下の波長の光を吸収させ、IR−C以上の波長の光のみを透過させ、透過したIR−C以上の波長の光をN+領域74によって吸収させるように、各領域のドーズ量を決定する。また、N+領域74はX−Y平面においては縮退半導体領域71よりもその面積が小さいことが望ましい。これは、縮退半導体領域71の周囲おいて透過したIR−C以下の波長の光を、N+領域74において吸収させないためである。
A high-concentration diffusion region 74 (hereinafter referred to as an N + region 74) in which an N-type impurity is ion-implanted in the
また、シリサイド領域72と埋め込み酸化膜22を介して半導体基板内に、N型の不純物がイオン注入された追加高濃度拡散領域75(以下、N+領域75と称する)が形成されている。N+領域75は、N+領域74とほぼ同じドーズ量であっても良い。ここで、シリサイド領域72は照射される光を反射させ、SOI基板11内に光を透過させることはないが、光が照射させることによって熱輻射が発生する。かかる熱輻射をN+領域75によって検知することとなる。縮退半導体領域71に光が照射された場合にも熱輻射が発生するため、N+領域75とN+領域74とを同じドーズ量にすることによって、両領域から検出される熱輻射を同等程度にすることが可能となる。従って、IR増幅部16利用することによってN+領域74における熱輻射による受光信号を相殺することができることとなる。
Further, an additional high-concentration diffusion region 75 (hereinafter referred to as an N + region 75) in which an N-type impurity is ion-implanted is formed in the semiconductor substrate via the
次に、図8を参照しつつ、IRセンサ部17の等価回路の構成の1例について詳細に説明する。
Next, an example of the configuration of the equivalent circuit of the
図8に示されているように、N+領域74が抵抗R11、N+領域75が抵抗R12によって表わされる。抵抗R11は、一端が接地電位に接続され、他端が接続点T11を介して可変抵抗R13に接続されている。また、抵抗R12は、一端が接地電位に接続され、他端が接続点T12を介して可変抵抗R14に接続されている。抵抗R11及び可変抵抗R13は接続点T11を介して増幅回路81の負入力端子に接続され、抵抗R12及び可変抵抗R14は接続点T12及び接続点T13を介して増幅回路81の正入力端子に接続されている。可変抵抗13及び可変抵抗14は、接続点14及び接続点15を介して電源電圧VDD2及び増幅回路81の電源接続端子に接続されている。
As shown in FIG. 8, the N + region 74 is represented by a resistor R11, and the N + region 75 is represented by a resistor R12. The resistor R11 has one end connected to the ground potential and the other end connected to the variable resistor R13 via the connection point T11. The resistor R12 has one end connected to the ground potential and the other end connected to the variable resistor R14 via the connection point T12. The resistor R11 and the variable resistor R13 are connected to the negative input terminal of the
増幅回路81の出力端子は、接続点T16を介して外部出力端子Vout2及び増幅回路82の正入力端子に接続されている。増幅回路82の負入力端子は、接続点T12及び接続点T13を介して抵抗R12に接続されている。また、増幅回路82の出力端子は抵抗R15に接続され、更に接続点T17を介して増幅回路81の電源接続端子及びコンデンサC02に接続されている。更に、コンデンサC02は接地電位に接続されている。例えば、コンデンサC0は10pFとしても良い。
The output terminal of the
なお、抵抗R11及び抵抗R12を除いた破線によって囲まれた部分がIR増幅部16を構成することとなる。
A portion surrounded by a broken line excluding the resistors R11 and R12 constitutes the
上述した回路構成によって、N+領域74において検出されるIR受光信号(すなわち、抵抗R11に流れる電流)から、熱輻射による熱輻射受光信号を相殺され、所定の増幅率にて増幅させたIR受光信号が出力電圧値として外部出力端子Vout2に送信されることとなる。すなわち、上述した回路構成によって抵抗R11に発生する電流量から、本来不要である熱輻射による電流量を相殺することで、IR−Cの正確な受光量を検出可能としている。 With the circuit configuration described above, the IR light receiving signal detected in the N + region 74 (that is, the current flowing through the resistor R11) is canceled out by the heat radiation receiving signal due to thermal radiation, and amplified by a predetermined amplification factor. The signal is transmitted as an output voltage value to the external output terminal Vout2 . That is, the amount of current due to heat radiation that is originally unnecessary is offset from the amount of current generated in the resistor R11 by the circuit configuration described above, thereby making it possible to detect the correct amount of received light of IR-C.
また、差分を増幅するときのノイズを低減する観点から、抵抗R11、抵抗12、可変抵抗13及び可変抵抗R14との間に数式1の関係が成立することが望ましい。
更に、数式1の関係を保つ回路構成であれば、各抵抗の抵抗値を小さくした場合においてもノイズを低減する機能は有効であるため、各抵抗の面積を減少することが可能となる。
Furthermore, if the circuit configuration maintains the relationship of
次に、図8及び図9を参照しつつ、IR増幅部16の動作について説明する。図9の横軸は時間を示し、縦軸は外部出力端子Vout1におけるIR受光信号の出力電圧値を示している。
Next, the operation of the
燃焼物が燃え始めるとその炎は徐々に大きくなる。かかる場合に、抵抗R11には炎からのIR−Cの検出及び熱輻射に伴う電流が発生し、抵抗R12には熱輻射に伴う電流が発生することとなる。また、抵抗R11及び抵抗R12に発生する電流量が徐所に大きくなり、増幅されるIR受光信号の出力電圧値も徐々に大きくなる。かかる状態が、図9の9aによって示された期間である。すなわち、燃焼物の燃え始めはIR受光信号の出力電圧値は小さいが、徐除に出力電圧値が大きくなっている。また、炎は特有の揺らぎを有していることから、出力電圧値は増減を繰り返しながら徐々に大きくなっていく。 As the burning material begins to burn, the flame gradually increases. In this case, a current associated with detection of IR-C from the flame and thermal radiation is generated in the resistor R11, and a current associated with thermal radiation is generated in the resistor R12. Further, the amount of current generated in the resistor R11 and the resistor R12 gradually increases, and the output voltage value of the amplified IR light reception signal also gradually increases. Such a state is the period indicated by 9a in FIG. In other words, the output voltage value of the IR light reception signal is small at the start of burning of the combustion material, but the output voltage value is gradually increased. In addition, since the flame has a characteristic fluctuation, the output voltage value gradually increases while repeatedly increasing and decreasing.
所定の出力電圧値に到達すると、IR受光信号の出力電圧値が上限を超え、出力電圧値は一定になる。かかる状態が、図9の9bによって示された期間である。出力電圧値が所定時間一定となると、増幅回路82、抵抗15及びコンデンサC02によってかかる上限値を基準値となるようにオフセットが行われる。かかるオフセットによって、炎の揺らぎによる出力電圧値の変化を容易に測定することができることとなり、かかる状態が図9の9cによって示された期間である。従って、IR増幅部16は炎特有の揺らぎを出力電圧値の変化として出力することができることとなる。
When the predetermined output voltage value is reached, the output voltage value of the IR light receiving signal exceeds the upper limit, and the output voltage value becomes constant. Such a state is the period indicated by 9b in FIG. When the output voltage value becomes a predetermined time constant,
次に、図10を参照しつつ、判定部19における炎の有無の判定方法について詳細に説明する。
Next, a method for determining the presence or absence of flame in the
先ず、太陽光及び蛍光灯等の照明に含まれることが少ないUV−Cの検出の有無を判断する(ステップS1)。ここでは、UV−Cの量(すなわち、UVセンサ部14からの出力電圧値)の大きさに関係なく、UV−Cを検出しているか否かの判断を行う。UV−Cを検出した場合には次のステップに進み、UV−Cを検出しない場合にはENDに進む。 First, it is determined whether or not UV-C that is rarely included in illumination such as sunlight and fluorescent lamps is detected (step S1). Here, it is determined whether or not UV-C is detected regardless of the amount of UV-C (that is, the output voltage value from the UV sensor unit 14). If UV-C is detected, the process proceeds to the next step, and if UV-C is not detected, the process proceeds to END.
ステップS1においてUV−Cを検出した場合には、IR−Cの検出の有無を判断する(ステップS2)。IR−Cを検出しなければ、ステップS1で検出されたUV−Cは炎から照射されたものでないと判断されENDに進む。一方、IR−Cを検出した場合にはステップS3に進む。 If UV-C is detected in step S1, whether or not IR-C is detected is determined (step S2). If IR-C is not detected, it is determined that the UV-C detected in step S1 is not emitted from the flame, and the process proceeds to END. On the other hand, if IR-C is detected, the process proceeds to step S3.
ステップS2においてIR−Cを更に検出した場合には、検出したIR−Cの所定時間内の出力電圧値の変動を測定し、検出されたIR−Cが炎から照射されたものであるか否かを判断する(ステップS3)。IR−Cは炎以外にも太陽光及び蛍光灯等の照明にも含まれる波長であるが、太陽光及び蛍光灯等の照明から照射されるIR−Cはその照射量が常に一定であるため、出力電圧値の変動は見られない。一方で、炎には特有の揺らぎがあることから、かかる揺らぎによってIR−Cの出力電圧値が変動するという特性がある。従って、検出されたIR−Cの出力電圧値の最大値及び最小値から変動幅を算出し、かかる算出結果が所定の値より大きければステップS2で検出されたIR−Cは炎から照射されたものと判断することができる。例えば、IR−Cの測定期間は10秒であっても良い。10秒間でも炎の揺らぎによる出力電圧値の変動を十分に検出することができるからである。 When IR-C is further detected in step S2, the fluctuation of the output voltage value within a predetermined time of the detected IR-C is measured, and whether or not the detected IR-C is irradiated from the flame. Is determined (step S3). IR-C is a wavelength included in illumination such as sunlight and fluorescent lamps in addition to flames, but IR-C irradiated from illumination such as sunlight and fluorescent lamps always has a constant irradiation amount. The output voltage value does not fluctuate. On the other hand, since the flame has a characteristic fluctuation, the output voltage value of the IR-C fluctuates due to the fluctuation. Therefore, the fluctuation range is calculated from the maximum value and the minimum value of the detected output voltage value of IR-C. If the calculated result is larger than a predetermined value, IR-C detected in step S2 is irradiated from the flame. Can be judged. For example, the measurement period of IR-C may be 10 seconds. This is because the fluctuation of the output voltage value due to the fluctuation of the flame can be sufficiently detected even for 10 seconds.
ステップS3においてIR−Cが炎から照射されたものであると判断した場合には、炎の存在を検知したとして炎の検知信号を出力する(ステップS4)。一方で、ステップS3においてIR−Cの出力電圧値の変動が所定範囲内である場合には、IR−Cは炎以外からの照射と判断されENDに進む。 If it is determined in step S3 that IR-C is emitted from the flame, a flame detection signal is output (step S4), assuming that the presence of the flame is detected. On the other hand, if the fluctuation of the output voltage value of IR-C is within the predetermined range in step S3, IR-C is determined to be irradiation from other than the flame and proceeds to END.
上述した判定フローから、UV−C及びIR−Cの検出を利用することで、炎の有無を正確かつ素早く判断することが可能となる。 By using the detection of UV-C and IR-C from the determination flow described above, it is possible to accurately and quickly determine the presence or absence of a flame.
以上のように、本実施例による炎センサ10によれば、半導体基板21上の埋め込み酸化膜22に積層されたSOI層23内に設けられたラテラルPN接合領域を含むUVセンサ部14と、SOI層23に設けられたN型の低濃度拡散領域である縮退半導体領域71及び縮退半導体領域71に対向して半導体基板21内に設けられたN+領域74を含むIRセンサ部17とを有する故、小型化が容易であって構造及び回路構成の制限を緩和することができる複合センサ18を提供することができる。
As described above, according to the
また、複合センサ18に炎の有無を判定する判定部19を更に加えることによって、小型化が容易であって構造及び回路構成の制限を緩和することができる炎センサ10を提供することができる。
Further, by adding a
10 炎センサ
11 SOI基板
12 UV受光部
13 UV増幅部
14 UVセンサ部
15 IR受光部
16 IR増幅部
17 IRセンサ部
18 複合センサ
19 判定部
21 半導体基板
22 埋め込み酸化膜
23 SOI層
24 スリット
25 N型拡散領域(N領域)
26 P型拡散領域(P+領域)
71 縮退半導体領域
72 シリサイド領域
73 P型拡散領域(P-領域)
74 高濃度拡散領域(N+領域)
75 追加高濃度拡散領域(N+領域)
DESCRIPTION OF
26 P-type diffusion region (P + region)
71
74 High concentration diffusion region (N + region)
75 Additional high concentration diffusion region (N + region)
Claims (7)
前記SOI層に設けられたN型の低濃度拡散領域と前記埋め込み酸化膜を介して前記低濃度拡散領域に対向して前記半導体基板内に設けられたN型の高濃度拡散領域とを含むIRセンサ部と、を有することを特徴とする複合センサ。 A UV sensor unit including a PN junction region provided in an SOI layer stacked on a buried oxide film on a semiconductor substrate;
IR including an N-type low-concentration diffusion region provided in the SOI layer and an N-type high-concentration diffusion region provided in the semiconductor substrate so as to face the low-concentration diffusion region through the buried oxide film And a sensor unit.
前記SOI層に設けられたN型の低濃度拡散領域と前記埋め込み酸化膜を介して前記低濃度拡散領域に対向して前記半導体基板内に設けられたN型の高濃度拡散領域とを含むIRセンサ部と、
前記UVセンサ部及び前記IRセンサ部の各々から得られる受光信号に応じて炎の有無を判定する判定部と、を有することを特徴とする炎センサ。 A UV sensor unit including a PN junction region provided in an SOI layer stacked on a buried oxide film on a semiconductor substrate;
IR including an N-type low-concentration diffusion region provided in the SOI layer and an N-type high-concentration diffusion region provided in the semiconductor substrate so as to face the low-concentration diffusion region through the buried oxide film A sensor unit;
A flame sensor comprising: a determination unit that determines the presence or absence of a flame according to a light reception signal obtained from each of the UV sensor unit and the IR sensor unit.
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