JP3583704B2

JP3583704B2 - 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

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Publication number: JP3583704B2
Application number: JP2000288612A
Authority: JP
Inventors: 光照木村
Original assignee: Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2000-09-22
Publication date: 2004-11-04
Anticipated expiration: 2020-09-22
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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。
【０００２】
【従来の技術】
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。
【０００３】
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、ＳｃｈｏｔｔｋｙＢａｒｒｉｅｒＴｈｅｒｍｉｓｔｏｒ；１１ｔｈＳｅｎｓｏｒＳｙｍｐ．１９９２），ショットキバリアサーミスタと名付け提案した。
【０００４】
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）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のダイオード温度センサとトランジスタ温度センサは、それぞれ一定電流を流すようにした状態でのｐｎ接合の順方向バイアス電圧Ｖｆと順方向のエミッタ・ベース間電圧Ｖｅの温度依存性を利用したもので、その出力は絶対温度Ｔに比例するという利点があるが、例えばシリコン半導体を用いたときには、順方向立ち上がり電圧自体、高々０．６５Ｖ程度なので、温度変化による順方向バイアス電圧ＶｆまたはＶｅの変化分となる温度センサ自体の出力電圧は極めて小さいく、感度が比較的低いものであった。
【０００６】
また、逆方向バイアスしたショットキバリアサーミスタにおいても、実際には、半導体の種類とショットキ金属の種類とが決まっても、ショットキバリアダイオードの作成温度の違い、逆方向のリーク電流の違い、動作逆方向印加電圧の違いにより微妙にＢ定数が異なること、ショットキバリアダイオードであるショットキバリアサーミスタに印加する電圧が指定されてしまい大きな電圧を印加できないので、出力が小さくその割には大きな逆方向抵抗になってしまうので、ＳＮが比較的小さくなってしまった。
【０００７】
また、普通のサーミスタにおいては、故障したサーミスタを他の新しいサーミスタに取り替えるとき温度感度を決定するＢ定数が元のものに近いサーミスタを選択し、これに直列や並列に抵抗を接続して、元のサーミスタに近似させるようにしていたが、抵抗値の指数関数的温度依存性を持つサーミスタに、温度依存性のほとんどない抵抗を接続しても、本質的に異なるもので、従来のサーミスタの互換性が要求されており、温度感度が調節できる温度センサが望まれていた。
【０００８】
また、トランジスタサーミスタにおいては、高感度であるものの３端子素子で特に熱型赤外線センサや熱型赤外線イメージセンサへの応用の場合に赤外線受光部となり温度センサ部であるトランジスタサーミスタが形成される場所は、基板と熱的分離を図るために上下に空洞を有する空中に浮いた薄膜構造にするが、少なくとも３本の配線が必要で、かつ、それらの電極面積なども微小受光面積に対して大きな割合を占め、できれば２端子とすることが要望されていた。また、更に熱型赤外線センサや熱型赤外線イメージセンサへ応用するときに、トランジスタのコレクタ損失のための熱発生により、大きなコレクタ電圧を印加できなかった。
【０００９】
また、ｐｎ接合ダイオードの順方向抵抗は小さく、温度による電流変化を測定するためにｐｎ接合ダイオードに直列に抵抗を挿入するとそこでの電圧降下が生じ、外部の一定電源電圧の下では、ｐｎ接合ダイオードに印加されるバイアス電圧が変化してしまう。また、直列に挿入した出力抵抗での電圧降下を小さくさせるとその分、出力電圧も小さくなるので、所望の温度感度を得ることがむずかしかった。
【００１０】
さらに、ｐｎ接合ダイオードの順方向電圧では、印加電圧に対して指数関数的にダイオード電流が増大するので、順方向電圧の微妙な変動が大きな電流の変化になり、この電流変動は被測定温度の変化と誤認される場合があり、通常の安定化電源では温度精度が粗くなりがちなので、温度センサとしてｐｎ接合ダイオードを用いる場合は、これまでは本発明のような電圧制御型ではなく、制御の容易な電流を制御するタイプの上述のダイオード温度センサが用いられていた。
【００１１】
本発明は、以上の点に鑑み、ダイオード温度センサの一種であり、特に、２端子である半導体ダイオードの順方向バイアス電圧を固定した場合の指数関数的な温度依存性を持つ半導体ダイオードの電流・電圧特性を利用して、高感度、高精度で、ＳＮ比の大きな温度センサを提供することを目的とする。本発明は、例えば、ｐ側とｎ側とも縮退する程度に不純物を多くするが、不純物の拡散時間を長くするなどして空乏層幅を長くしてトンネル電流が拡散電流に比べ、無視できる程度に小さくしたｐｎ接合ダイオードを用いることにより、温度依存性を緩慢とし、高精度の温度測定装置を提供することを目的とする。また、本発明は、固定順方向バイアス電圧を調整させることで、温度感度を調整できる温度測定装置を提供することを目的とする。また、本発明は、それを利用した各種のデバイスを提供することを目的とする。さらに、本発明は、微細に且つ安定に順方向電圧調整ができるバイアス電圧回路を用い、しかも、この微細に調整されたバイアス電圧が半導体ダイオードに直接印加されるようにすることにより、高精度で、高感度の温度測定装置及び方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の解決手段によると、
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を提供する。
本発明の第２の解決手段によると、
上述のような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を提供する。
【００１３】
本発明の第３の解決手段によると、
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を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
（１）動作原理及び概要
本発明に係る半導体ダイオード温度測定装置は、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もので、バイアス電圧回路と温度センシング部（温度センサ）である半導体ダイオードと演算増幅回路とを備える。バイアス電圧回路の出力電圧が途中の電圧降下なしに、直接半導体ダイオードに順方向バイアス電圧として演算増幅回路を介して印加できるようにし、演算増幅回路の出力が温度センサである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該演算増幅回路を構成し、前記バイアス電圧回路の出力電圧の調節により、この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ものである。
【００１５】
先の発明のトランジスタサーミスタにおいても、温度感度を決定するのはエミッタ・ベース間のｐｎ接合ダイオードの電位障壁の高さであり、エミッタのキャリアのうち、この障壁を越えたキャリアがほぼ再結合せずにコレクタに入り、コレクタ電流となっていた。このためエミッタ電流とコレクタ電流とはほぼ等しく、一定のコレクタ電圧に対して、コレクタ抵抗がサーミスタ抵抗として扱うことができることを利用したものが、トランジスタサーミスタであった。一方、本発明の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を用いた半導体ダイオード温度測定装置は、半導体ダイオードの電位障壁の高さを外部からの順方向バイアス電圧印加により調節することで、温度センサとしての温度感度（ここでは、順方向電流の温度Ｔの逆数との比に対応）が調節できる。また、半導体ダイオードを演算増幅回路と組み合わせれば、バイアス電圧回路の出力である順方向バイアス電圧を温度センサである半導体ダイオードにそのまま印加できると共に、演算増幅回路の帰還抵抗にはこの温度によって変化する順方向電流がそのまま流れるように構成できるので、この帰還抵抗がいわば先の発明のトランジスタサーミスタのコレクタ抵抗のように作用するようにすることが分かる。このように考えれば、本発明の半導体ダイオード温度測定装置は、先の発明のトランジスタサーミスタと等価であるが、コレクタ損失として熱発散する部分が、演算増幅回路の帰還抵抗として利用するので、本発明では、温度センサ部にはないことになり、しかも、トランジスタサーミスタの３端子の代わりに２端子の高感度の温度センサが達成できると共に、熱発生となる部分は外部に設置できると言うメリットが生じる。
【００１６】
少なくとも１個の電位障壁を持つ半導体ダイオードとして、ｐｎ接合ダイオードを例に取ると、ｐｎ接合ダイオードの順方向電流Ｉは、印加電圧をＶ、温度をＴとしたとき、ｑＶがｋＴに比べ約４倍以上ならば、ほぼ近似式として次式のように表される。
Ｉ＝ｑＡ（ｎ_ｎＤｅ／Ｌｅ＋ｐ_ｐＤｈ／Ｌｈ）ｅｘｐ｛−ｑ（Ｖｄ−Ｖ）／ｎｋＴ｝
【００１７】
ここで、ｎ_ｎ、ｐ_ｐはそれぞれｎ型、ｐ型の多数キャリアでほぼそれぞれの不純物密度、Ｄｅ、Ｄｈはそれぞれ電子、正孔の拡散係数、Ｌｅ、Ｌｈはそれぞれ電子、正孔の拡散長であり、これらはｐｎ接合ダイオードが形成され、温度が決まると決定されるが、温度依存性は小さく、極めて低温でなければほぼ一定値と考えることができる。Ｖｄはｐｎ接合の拡散電位であり、半導体の不純物密度を多くすると温度依存性が緩慢になり、ｐ側とｎ側とも縮退するほどに不純物を多くなるように（不純物密度（濃度）が高くなるように）作成すると、温度によらずほぼ一定値と考えることができる。すなわち、ｐｎ接合ダイオードは、高い不純物濃度により、半導体のフェルミ準位の温度依存性が小さくなる。従って、高精度の温度測定装置にするには、ｐ側とｎ側とも縮退するほどに不純物を多くする必要がある。なお、トンネルダイオードにならないようにｐｎ接合部は空乏層を広げるようにｐｎ接合形成時の不純物拡散時間を長くするなどして緩慢な不純物分布にする方が望ましい。ｑ、ｋとｎはそれぞれ電荷素量、ボルツマン定数と理想係数である。理想係数ｎは、単結晶の特性の優れたｐｎ接合ダイオードでは１であるのに対して、多結晶半導体を用いたときには、理想的ｐｎ接合ダイオードからずれ、ｎは例えば、１．１から１．７程度の範囲の作成時に決まる定数となる。Ａはｐｎ接合面積である。また、ｑ（Ｖｄ−Ｖ）は、ｐｎ接合の電位障壁高さで、ｐｎ接合ダイオードの順方向電流Ｉのうち、製作後変化できるのはこのファクターのみで、しかも温度Ｔと共に指数関数的な寄与をするファクターであり、電流Ｉの温度感度Ｓを示す部分である。
【００１８】
ｐｎ接合ダイオードの順方向電流Ｉの自然対数をとると、
ｌｏｇ_ｅＩ＝−Ｓ／Ｔ＋Ｃ
Ｓ＝ｑ（Ｖｄ−Ｖ）／ｎｋ
Ｃ＝ｑＡ（ｎ_ｎＤｅ／Ｌｅ＋ｐ_ｐＤｈ／Ｌｈ）
となり、上式でＣはほぼ一定値であるので、順方向電流Ｉの対数（ｌｏｇ_ｅＩ）と温度の逆数（１／Ｔ）とは比例関係にあり、その比例定数が順方向電流Ｉの温度感度Ｓとなる。
【００１９】
そして、この温度感度Ｓは、ｐｎ接合の電位障壁高さｑ（Ｖｄ−Ｖ）に比例し、ｐｎ接合ダイオードの順方向バイアス電圧Ｖによって、調節できることが分かる。シリコン（Ｓｉ）のｐｎ接合ダイオードの拡散電位Ｖｄは１．０Ｖ程度であるから、本発明の温度測定装置では、それよりも小さな順方向バイアス電圧Ｖでｐｎ接合ダイオードは動作する。
【００２０】
本発明の温度測定装置では、測定可能温度の上限は主に半導体ダイオードに使用する半導体のエネルギーギャップＥｇによって決定され、大きなエネルギーギャップＥｇを持つ半導体ではそれだけ高温まで動作できる。例えば、シリコンでは１５０℃が上限と考えられるが、炭化珪素（ＳｉＣ）を用いると７００℃以上の温度の測定が可能になる。
【００２１】
また、本発明に係わる半導体ダイオード温度測定装置においては、バイアス電圧回路の出力電圧を所定の順方向バイアス電圧にした略矩形の単一波形もしくは繰り返し波形列として、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せるようにすることができる。この場合、バイアス電圧回路に矩形波発振回路を設けたり、公知の波形整形回路で単一の矩形波を形成するなどして、この電圧を微細に調節できるようにしても良いし、微細に調節した順方向バイアス電圧のための直流安定化電源出力をＭＯＳＦＥＴなどを用いたアナログスイッチなどで断続または切り替えなどして、実際に半導体ダイオードに印加される電圧が略矩形の単一波形もしくは繰り返し波形列となるようにしても良い。この場合、演算増幅回路に流れる電流は略矩形の電流波形となるから、略矩形の電流波形のゼロでない一定の電流値（半導体ダイオードの温度に依存する）となっているときの電流だけを出力として取り出す必要があり、このゼロでない一定の電流が流れるときとタイミングを同期させてその部分の出力を取り出すようにしている。このように印加順方向バイアス電圧を時間的に断続又はパルス的に加えることにより、半導体ダイオードの自己発熱を抑え、また、印加順方向バイアス電圧に同期して出力信号を取り出すことによりＳＮ比が改善されるので、高精度温度測定装置を実現することができる。なお、上述の説明で、略矩形という表現は、例えば矩形波を入力しても抵抗や容量更にインダクタンスなどのために波形がなまり、きれいな矩形となりにくいことを表現したものである。
【００２２】
また、本発明に係る半導体ダイオード温度測定装置においては、温度センサとしての電流を支配する少なくとの１個の電位障壁を持つ半導体ダイオードを、ショットキ接合ダイオード、ｐｎ接合ダイオード、不純物濃度の異なるｎ型半導体又はｐ型半導体を接合したｎ^＋ｎ接合ダイオード又はｐ^＋ｐ接合ダイオード、ヘテロ接合ダイオード等の適宜のダイオードで構成することができる。ショットキ接合ダイオードは、作成しやすく且つｐｎ接合の作りにくいＳｉＣなどのバンドギャップの大きい半導体などで使用できる。また、ｎ^＋ｎ接合またはｐ^＋ｐ接合ダイオ−ドは、低温で利用することができる。これらの半導体ダイオードの電流は、上述のｐｎ接合ダイオードと同様に温度と電位障壁高さに対して指数関数的特性を持つので、温度感度ＳはＳ＝ｑ（Ｖｄ−Ｖ）／ｎｋで表されるからである。ｐ型とｎ型とがｐｎ接合として形成されがたい半導体材料の場合や、熱容量と熱コンダクタンスを共に小さくさせるために上下に空洞を有する半導体薄膜に半導体ダイオードを形成する場合など、ショットキ接合ダイオードとして利用した方がよい場合がある。また、ｐｎ接合でなくとも同一の伝導タイプ同士であるｎ^＋ｎ接合またはｐ^＋ｐ接合ダイオードでも内部に電流を支配する電位障壁があり、この障壁を越える熱的キャリアを利用できるので、温度センサとして利用できる。一般には、温度が高い場合、同一の伝導タイプ同士であるｎ^＋ｎ接合またはｐ^＋ｐ接合は、整流性を持たず、オーム性接触となる。しかし、低温にすると、すなわち、これらの接合の電位障壁が温度のエネルギーｋＴと同程度又は高い場合には、整流性を示し、この電位障壁がこれらの半導体ダイオードの電流を支配することになる。もちろん、ヘテロ接合ダイオードでも内部に電位障壁ができるので、本発明の温度センサとして利用することができる。
【００２３】
また、本発明に係る半導体ダイオード温度測定装置においては、上下に空洞を有する宙に浮いた薄膜（薄膜構造体）に半導体ダイオードを形成することができる。この場合、温度センサである半導体ダイオードは、基板との間に隙間があるので、熱的に分離され、しかも薄膜状に形成できるため、熱容量、熱コンダクタンスが極めて小さくできるので、熱型赤外線センサや熱型赤外線イメージセンサを作成するときにも有効である。
【００２４】
また、本発明に係る半導体ダイオード温度測定装置においては、半導体ダイオードを同一基板に複数個形成させ、それぞれに印加する順方向バイアス電圧をバイアス電圧回路の出力調節で、それぞれの温度感度が同一もしくは略同一になるようにすることができる。例えば、熱型赤外線センサを作成するときに、２個の上下に空洞を有する宙に浮いた薄膜にそれぞれ半導体ダイオードを形成して、一方を実際に被測定赤外線を受光する温度センサ、他方を遮光して温度補償用の温度センサとする場合等に用いられる。もちろん、薄膜構造体の温度センサをマトリックス状に形成して熱型赤外線イメージセンサを作成するときにも有効である。
【００２５】
また、本発明に係る半導体ダイオード温度測定装置においては、半導体ダイオードを同一基板に少なくとも２個以上形成させ、それらの電流信号の差動出力が得られるように演算回路を構成することができる。この場合、熱型赤外線体温計などの温度計測のように微細な温度変化を計測するのに好適である。また、本発明に係る半導体ダイオード温度測定装置は、同一基板に形成した２個以上の半導体ダイオードのうちの少なくとも１個は、下に空洞を有する薄膜に形成させ、少なくとも１個は基板の温度が測定できるように基板に直に形成させることができる。この場合で、やはり熱型赤外線センサや熱型フローセンサなどに使用する場合に基板温度との差の温度が検出できるので特に有効である。
【００２６】
また、本発明に係る半導体ダイオード温度測定装置においては、絶縁体や薄膜構造体上に温度センサとしての半導体ダイオードが形成しやすいように多結晶半導体を用いて、半導体ダイオードを形成することができる。
また、本発明に係る半導体ダイオード温度測定装置は、半導体ダイオードが所望の温度感度を持つような微細に調節できる順方向バイアス電圧が得られるように、予め設定された分圧抵抗を備えたバイアス電圧回路を用意し、例えば容易に所望の温度測定範囲が得られるようにすることができる。また、本発明に係る半導体ダイオード温度測定装置は、バイアス電圧回路の中の定電圧電源回路を１つ用いて、複数個の半導体ダイオードのそれぞれに順方向バイアス電圧が印加できるようにしてもよい。これは、多くの半導体ダイオードのそれぞれに定電圧電源回路を設けると、高価なものになり、また、大型になるので１個で済むようにしたものである。また、本発明に係る半導体ダイオード温度測定装置は、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、１個又は複数個の前記半導体ダイオードと同一基板に集積化してもよい。例えば、バイアス電圧回路のうち定電圧電源回路の基準電圧発生用のツエナーダイオードと周辺回路とを同一基板に集積化しておき、このツエナーダイオードの一定電圧を分圧抵抗で分担して、所望の順方向バイアス電圧が半導体ダイオードに印加できるようにしても良い。ただし、この場合の分圧抵抗は、この分圧抵抗での電圧降下が無視でき、直接順方向バイアス電圧が半導体ダイオードに印加されるように、その順方向バイアス電圧における半導体ダイオードの抵抗に比べ、十分小さくしておく必要がある。
【００２７】
また、本発明に係る半導体ダイオード温度測定装置においては、単一の演算増幅回路に、それぞれの所望の順方向バイアス電圧が印加できるようにした複数個の半導体ダイオードからの電流を順次流入できるようにしてもよい。これは、それぞれの半導体ダイオードに１個ずつ演算増幅回路を設けるのではなく、１個の演算増幅回路で賄うようにして、熱型赤外線イメージセンサのように膨大な個数の半導体ダイオードに対しても、例えば１個で済むようにしたものである。
【００２８】
また、本発明に係る熱型赤外線イメージセンサは、上下に空洞を有する薄膜に形成した温度センサで、それぞれが赤外線センサとして作用する半導体ダイオードを複数個マトリックス状に配列形成し、各々の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ものである。この場合、Ｘ−Ｙ平面上（水平ー垂直平面上）にそれぞれ熱型赤外線センサのアレーをマトリックス状に並べ、この上に赤外線レンズまたは凹面鏡で、画像が結ばれるような光学系にしてあり、それぞれの熱型赤外線センサは画像の画素（１ピクセルを構成）となるようにしてある。各半導体ダイオードには、例えば、所望の温度感度に成るように順方向バイアス電圧Ｖを安定化電源からそれぞれ分圧して印加できるようにした方がよい。このようにしてテレビジョンと同様に赤外線画像表示ができる。
【００２９】
また、本発明に係る熱型赤外線イメージセンサは、複数個マトリックス状に配列形成した沢山の半導体ダイオードに対して、１個の演算増幅回路で済むように回路構成をしたもので、アナログスイッチなどと組み合わせて順次各半導体ダイオードに順方向バイアス電圧がその半導体ダイオードが選択されているときだけ印加され、その半導体ダイオードからの電流が１個の演算増幅回路に流入するようにできる。
また、本発明に係る温度測定方法は、上述のような半導体ダイオード温度測定装置を用いて、所望の温度感度を持つように半導体ダイオードの順方向バイアス電圧を調節できるようにした温度の測定方法である。また、本発明に係る温度測定方法は、所定の順方向バイアス電圧として略矩形の単一波形または繰り返し波形列となるようにすると共に、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せるようにしたもので、温度センサである半導体ダイオードでの消費電力を低めると共に、同期させることによりＳＮの向上を図ったものである。
【００３０】
（２）半導体ダイオード温度測定装置
以下、本発明の半導体ダイオード温度測定装置とこの応用デバイスの実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の半導体ダイオード温度測定装置の第１の実施の形態の構成図である。温度センサとしての半導体ダイオードＤにバイアス電圧回路２からの出力電圧である順方向バイアス電圧Ｖを印加し、順方向バイアス電圧Ｖを調整することにより、可変温度感度を達成できるようにしてある。この例では、演算増幅器Ａ１を介してバイアス電圧回路２からの出力電圧である順方向バイアス電圧Ｖが半導体ダイオードＤに直接印加されるように演算増幅器Ａ１と半導体ダイオードＤには、バイアス電圧回路２以外何も介さないようにしてあり、演算増幅器Ａ１の＋入力端子は直接アースしてある。演算増幅器Ａ１の出力電圧Ｖ０は、半導体ダイオードＤを流れる電流Ｉがそのまま帰還抵抗Ｒｆを流れることになるので、Ｖ０＝Ｉ・Ｒｆとなり、帰還抵抗Ｒｆは一定であるので、出力電圧Ｖ０は、温度Ｔに指数関数的に依存する電流Ｉに比例することになる。例えば、半導体ダイオードＤとして、シリコンのｐｎ接合ダイオードの場合、室温Ｔ＝３００Ｋの場合、印加順方向バイアス電圧Ｖを、０．３、０．４、０．５、０．６のように０．７Ｖまで増加させて行くと、指数関数的にダイオード電流Ｉが増加して行き、温度センサとしては、ｐｎ接合の電位障壁が小さくなって行くので、温度感度Ｓは小さくなる、すなわち、温度変化に対して鈍感な電流変化になる。また、順方向バイアス電圧Ｖを例えば、０．５Ｖに固定すると、温度感度Ｓは一定のまま、低温では温度Ｔに対して指数関数的に電流が小さくなり、高温では指数関数的に電流が大きくなるので、帰還抵抗Ｒｆを流れるダイオード電流Ｉのため演算増幅器Ａ１の出力電圧Ｖ０は、温度依存性を持つダイオード電流Ｉと帰還抵抗Ｒｆとの積で表され、温度Ｔに対して指数関数的な特性となる。帰還抵抗Ｒｆが１ｋΩのとき、ある温度でＩ＝１００μＡであれば、出力電圧Ｖ０＝０．１Ｖとなる。なお、低温、例えばＴ＝１００Ｋであっても、その温度における半導体ダイオードＤの電流・電圧特性の立ち上がり電圧付近まで順方向バイアス電圧Ｖを印加しておくと、このような低温でも温度計測ができる。高温においては、半導体のバンドギャップＥｇを通した熱励起されたキャリアが電位障壁を越える熱励起されたキャリアに比べ、充分小さい範囲内で計測できるが、順方向バイアス電圧Ｖを大きくするとダイオード電流Ｉが大きすぎるし、温度感度Ｓも小さくなるので、できるだけ小さな順方向バイアス電圧Ｖで動作させる方がよい。
【００３１】
例えば、炭化珪素（ＳｉＣ）のｐｎ接合ダイオードやショットキ接合ダイオードを用いると、ＳｉＣのバンドギャップＥｇは約３ｅＶあるので、Ｔ＝約１０００Ｋ程度までの高温まで使用できる。また、順方向バイアス電圧Ｖを２．５Ｖ程度加えておくと、低温での動作も可能であるから、同一の炭化珪素（ＳｉＣ）のｐｎ接合ダイオードやショットキ接合ダイオードの順方向バイアス電圧Ｖの調整により、低温から高温までの温度計測が可能となる。
作成された半導体ダイオードＤを２つ以上の温度Ｔと２つ以上の順方向バイアス電圧Ｖで電流Ｉを測定し校正すれば、上述の理想係数ｎと拡散電位差Ｖｄが求まり、ある印加順方向バイアス電圧Ｖでの温度感度Ｓが求められる。
【００３２】
図２は、本発明の半導体ダイオード温度測定装置の第２の実施の形態の構成図である。
図２には、図１の構成に更にバイアス電圧回路２からの出力電圧として、所望の電圧にセットできる直流の印加順方向バイアス電圧でなく、矩形又は略矩形の電圧波形の印加順方向バイアス電圧が印加された場合の同期積分回路８を付加した場合の回路ブロック図が示してある。この同期積分回路８では、例えば、バイアス電圧回路２からの印加順方向バイアス電圧に同期した矩形波電圧ＯＵＴを破線で示したようにアナログＳＷ（スイッチ）３に印加してスイッチングし、演算増幅器Ａ１からの出力電圧Ｖ０が同期して積分増幅回路４に入るようにして、上述のように、ＳＮ比の向上した出力電圧Ｖ００が得られるようにしている。なお、積分増幅回路４には、ピークホールド回路を挿入しても良い。また、矩形波電圧ＯＵＴは、矩形波に限らずノコギリ波、三角波、パルス波等適宜の電圧波形としてもよい。
【００３３】
図３は、本発明の半導体ダイオード温度測定装置の第３の実施の形態の構成図である。ここでは、温度センサとしての半導体ダイオードＤに順方向バイアス電圧Ｖを印加するに当たり、バイアス電圧回路２からの出力電圧を演算増幅器Ａ１の＋入力端子に接続し、演算増幅器Ａ１の−入力端子とアース間に直接半導体ダイオードＤを接続して、この半導体ダイオードＤに順方向バイアス電圧Ｖが直接印加されるようにしている。この場合、帰還抵抗Ｒｆ１を通した１段の増幅回路では、その出力電圧（Ｐ端子）に順方向バイアス電圧Ｖの成分が残るので、この分をキャンセルするために、バイアス電圧回路２の出力電圧である順方向バイアス電圧Ｖを次段の差動増幅器である演算増幅器Ａ２の差動入力（Ｑ端子）とし、かつ、１段目の出力を増幅するようにしている。この場合、Ｒｆ２／Ｒ１＝Ｒｃ／Ｒ２＝Ｋとなるように抵抗値を定めれば、１段目（演算増幅器Ａ１）の信号出力であるＩ・Ｒｆ１のＫ倍の電圧が２段目（演算増幅器Ａ２）の出力Ｖ０となる。例えば、Ｒｆ２＝Ｒｃ＝１０ｋΩ、Ｒ１＝Ｒ２＝１ｋΩとすれば、Ｋ＝１０となる。この場合、順方向バイアス電圧Ｖの電源と半導体ダイオードＤの向きを共に逆に接続しておくと、２段目の出力電圧Ｖ０の符号を逆にすることができる。もちろん、この場合もバイアス電圧回路２からの出力電圧を調節して半導体ダイオードＤへの順方向バイアス電圧Ｖを調節すると、温度センサとしての温度感度Ｓを調節することができる。
【００３４】
図３のバイアス電圧回路２からの出力電圧として、図１の場合と同様、所望の電圧にセットできる直流の印加順方向バイアス電圧でも良いし、図２のように、さらに同期積分回路８等を備え、矩形等の適宜の電圧波形の印加順方向バイアス電圧でも良い。
【００３５】
図４は、本発明の半導体ダイオード温度測定装置の断面図（その１）である。この図は、温度センサである半導体ダイオードＤと、バイアス電圧回路２のうち、定電圧電源回路の電圧基準となるツエナーダイオード３０と抵抗回路の拡散抵抗４０とを同一のｎ型のシリコン（Ｓｉ）基板１に集積化させた場合の概略を図示したものである。この拡散抵抗４０は、定電圧電源回路から分圧させるために用いる分圧抵抗、または、帰還抵抗として用いることもできる。
【００３６】
このデバイスは、例えば、次のようにして作成できる。先ず、ｎ型Ｓｉ基板１の表面を熱酸化して、０．５μｍ程度のシリコン酸化膜５０、５１を成長させて、その後、公知のフォトリソグラフィ技術を用いて、Ｓｉ基板１の表面に窓開けして、最初例えば、３μｍ深さ程度にｐ型不純物（例えば、ホウ素）を熱拡散により添加し、ｐ型不純物層であるツエナーダイオード３０のｐ型層３１、半導体ダイオードＤのｐ型層１１および拡散抵抗４０の絶縁分離用のｐ型層４１を形成する。次に更にＳｉ基板１を熱酸化して、必要な個所に窓開けして、今度は例えば、１μｍ深さ程度にｎ型不純物（例えば、リン）を熱拡散やイオン注入技術により添加し、ｎ型不純物層であるツエナーダイオード３０のｎ型層３２、半導体ダイオードＤ用のオーム性コンタクト層２２、および拡散抵抗となるｎ型拡散抵抗層４２を形成する。その後、再度熱酸化して、電極用の窓開けをしたのち、配線用の金属化を行い、配線や拡散抵抗４０用電極６５ａ，６５ｂ、半導体ダイオードＤの電極６１、６２、ツエナーダイオード３０の電極６３、６４、さらにパッド等を形成させる。ツエナーダイオード３０の逆方向耐圧は、ほぼ、ｐｎ接合の両側の不純物密度で決まり、不純物密度が大きいほど、逆耐圧は小さくなる。このように不純物密度が大きい場合は、逆耐圧は本当のツエナー効果で生じ、これはトンネル効果なので、この耐圧は極めて温度に左右されない安定した定電圧電源回路の基準電圧となり得る（例えば、６Ｖの逆耐圧になるように設計することができる）。拡散抵抗値は、ｎ型拡散抵抗層４２の不純物密度とその寸法で決まるので、所望の抵抗値になるように例えば拡散抵抗４０の抵抗値１ｋΩになるように設計することができる。電極としては、例えば、従来半導体デバイスの電極材として用いられているＳｉ入りＡｌの真空蒸着膜等を用いることができる。図示しないが、同一のｐ型のＳｉ基板１にも１個又は複数の半導体ダイオードを形成したり、図４とは逆の伝導タイプの不純物添加により形成することができる。
【００３７】
図５は、本発明の半導体ダイオード温度測定装置の断面図（その２）である。この図は、温度センサとしての１個の半導体ダイオードＤを上下に空洞を有する宙に浮いた薄膜である薄膜構造体７の上に形成した場合の概略を図示したものである。このように半導体ダイオードＤを薄膜構造体７上に形成した場合、上下に空洞を有するため、半導体ダイオードＤの熱容量と熱コンダクタンスが小さくできるので、熱型赤外線センサの受光部や熱型赤外線イメージセンサのマトリックスのうちの１個のピクセルとして利用するのに好都合である。なお、上下に空洞を有するという表現は、下部の空洞５は明らかであるが、上部の空洞６は、薄膜構造体７の上部の空間を意味する。このような半導体ダイオード温度測定装置例えば熱型赤外線センサなどとして利用するときには、一般に本デバイスの上にキャップを被せ、そこに空間ができるので、この部分空間を上部の空洞６と称している。
【００３８】
このデバイスは、例えば、次のようにして作成することができる。（１００）面のＳｉ基板１に酸化膜または窒化膜などの絶縁膜５３を形成し、その上にｎ型の多結晶Ｓｉ薄膜１０を形成したもの、またはｎ型の単結晶Ｓｉ薄膜１０を形成したもの（ＳＯＩ基板）を用い、公知のフォトリソグラフィ技術及びマイクロマシン技術を用いて、ｎ型のＳｉ薄膜１０の所望寸法（例えば、３０μｍ角）のパターン化を行う。つぎに、ｐ型不純物の熱拡散によるｐ型層１１の形成、ＳｉＯ_２薄膜などの絶縁薄膜５５の形成とパターン化、半導体ダイオードＤ（この場合はｐｎ接合ダイオード）の電極６１，６２の形成を行う。また、Ｓｉ基板１の裏面のシリコン酸化膜５１の窓を利用したヒドラジンやＫＯＨ溶液などのアルカリエッチングによる異方性エッチングで、空洞５の形成を行う。このようにして、宙に浮いた薄膜構造体７を形成することができる。なお、電極６１，６２として、アルカリエッチング液に侵されない金属例えば、ＡｕやＭｏなどを用いると良い。また、赤外線の受光部として用いるときには、受光部領域に赤外線吸収層を形成しておくとよい。宙に浮いた薄膜構造体７としては、全周囲がＳｉ基板１に繋がっているダイアフラム型、両端支持の橋架構造型、一端支持のカンチレバー型でも良い。図５では、このうち、一例として、ダイアフラム型または両端支持の橋架構造型の場合の例を示している。
【００３９】
図６は、本発明の半導体ダイオード温度測定装置の断面図（その３）である。この図は、温度センサとしての１個の半導体ダイオードＤを上下に空洞を有する薄膜上に形成した場合の概略を図示したものである。また、定電圧電源回路１００の電圧基準となるツエナーダイオード３０、抵抗回路の拡散抵抗４０ａ、４０ｂとを同一のｎ型シリコン（Ｓｉ）基板に集積化させている。公知の技術であるＳｉ基板１の上に犠牲層エッチングにより下部の空洞５を形成すると共に、Ｓｉ基板１にバイアス電圧回路２のうちの定電圧電源回路のツエナーダイオード３０や分圧抵抗となる拡散抵抗４０ａ、４０ｂなども同時に集積化させた例である。なお、図４、５等に示した場合と同一の機能を持つ箇所は同一の符号を付してある。
【００４０】
図７は、本発明の半導体ダイオード温度測定装置の断面図（その４）である。この図は、温度センサとしての１個の半導体ダイオードＤを上下に空洞を有する薄膜上に形成した場合の概略を図示したもので、下部の空洞５をＳｉ基板１の上面から異方性エッチングにより形成している。このようにＳｉ基板１の上面からのエッチングにより小さな薄膜構造体７を形成することができる。ここでの例は、ＳＯＩ基板の薄いｎ型の単結晶Ｓｉ薄膜１０にｐ型の不純物拡散によりｐ型層１１を形成してあるが、ｐ型層１１が下部の絶縁薄膜であるシリコン酸化膜５０に到達している場合で、ｐｎ接合はｐ型層１１の周囲に形成された場合である。また、ここでの例は、薄膜構造体７として、橋架構造やカンチレバー型の場合で、薄いｎ型の単結晶Ｓｉ薄膜１０からの電極は、この断面図には見えず、奥の方にある場合である。もちろん、熱型赤外線センサなどとして用いる場合は赤外線吸収膜を薄膜構造体７の受光部に形成しておく方がよい。
【００４１】
（３）複数の半導体ダイオードを用いた温度測定装置及び熱型赤外線センサ図８は、複数の半導体ダイオードを有する場合の半導体ダイオード温度測定装置の回路図である。この図は、温度センサである２個の半導体ダイオードＤ１，Ｄ２を例えば同一の温度感度Ｓを持つように順方向バイアス電圧Ｖ１，Ｖ２に調整できるようにした場合図示したものである。ここでは、定電圧電源回路１００の電圧基準となる１個のツエナーダイオード３０を用いて、これからの電圧を抵抗Ｒａと抵抗Ｒｋとで分圧し、更に半導体ダイオードＤ１、Ｄ２にそれぞれ可変抵抗Ｒｖ１，Ｒｖ２を用いて、微細な順方向バイアス電圧Ｖ１，Ｖ２が調整できるようにしてある。なお、バイアス電圧回路２の出力電圧となる順方向バイアス電圧Ｖ１，Ｖ２がそのまま半導体ダイオードＤ１、Ｄ２に直接印加され、温度変化による半導体ダイオードＤ１、Ｄ２の大きな電流変化に対して安定な順方向バイアス電圧Ｖ１，Ｖ２が得られるようにするために、可変抵抗Ｒｖ１，Ｒｖ２のうち、それぞれの順方向バイアス電圧Ｖ１，Ｖ２を作る分圧抵抗分はそれらの順方向バイアス電圧Ｖ１，Ｖ２印加時の半導体ダイオードＤ１、Ｄ２の抵抗に比べ無視できる程度の小さな抵抗値になるように設定しておくとよい。ここでは、図３における回路図を基本にして構成してあり、演算増幅回路には２個の演算増幅器Ａ１１、Ａ１２を用い、それぞれに帰還抵抗Ｒｆ１１，Ｒｆ１２を挿入して、増幅出力が得られるようにしている。また、ここでは回路がわかりやすくするために、図３の回路図における第２段目の演算増幅回路に対応している回路は省略してあり、図３のＰ、Ｑはそれぞれの半導体ダイオードＤ１、Ｄ２毎にＰ１，Ｑ１；Ｐ２，Ｑ２として対応させてある。ここでは、例えばツエナー電圧Ｖｚが６Ｖのツエナーダイオード３０に対して、７Ｖの直流電源ＥＢ、これに接続している直列抵抗Ｒｚを１００Ω程度にして使用し、定電圧電源回路１００を形成することができる。
【００４２】
本実施の形態では、２個の半導体ダイオードＤ１，Ｄ２を用いた場合であったが、同様にして多数個に拡張することができる。また、２個の半導体ダイオードＤ１，Ｄ２の一方を上下に空洞を有する宙に浮いた薄膜（薄膜構造体７）上に形成して赤外線の受光量に対応した出力を得るようにし、他方を半導体基板に形成して周囲温度を検出するようにしたり、２個の半導体ダイオードＤ１，Ｄ２の両方をそれぞれ薄膜構造体上に形成し、一方を赤外線が受光できるようにし、他方を被測定赤外線から遮蔽するようにするなどして、図７の回路を用いて２個の半導体ダイオードＤ１，Ｄ２の差動出力（Ｐ１とＰ２の差動出力等）が得られるように差動増幅器を付加して熱型赤外線センサを構成することができる。
【００４３】
また、図８では、定電圧電源回路１００に直流電源ＥＢを用いた場合であったが、この直流電源ＥＢの代わりに、例えば、矩形波の発振器を用いて、矩形波電圧列を発生させて印加しても良い。また、この矩形波電圧列に同期させて図２に示したような同期積分回路８を付加してＳＮ比の向上した温度センサの出力を表示するようにしても良い。
【００４４】
図９には、本発明の半導体ダイオード温度測定装置を熱型赤外線イメージセンサに応用した場合の回路図を示す。マトリックス状に配列した半導体ダイオードＤ１１，Ｄ１２；Ｄ２１，Ｄ２２は、例えば、上下に空洞を有する宙に浮いた薄膜（薄膜構造体）上に形成され、赤外線センサの感温部となり熱型赤外線イメージセンサのピクセルを形成するようにしてある。また、それぞれの温度感度Ｓが例えば同一になるように可変抵抗Ｒｖ１１，Ｒｖ１２；Ｒｖ２１，Ｒｖ２２を調節して、それぞれに演算増幅器Ａ１を介して必要な順方向バイアス電圧が印加できるようにしてある。各マトリックスに配列された半導体ダイオードが公知の垂直走査回路１１０と水平走査回路２１０と、ＭＯＳＦＥＴ２１１，２１２；１１１，１１２；１２１，１２２を用いて、順次各半導体ダイオードＤ１１，Ｄ１２；Ｄ２１，Ｄ２２を駆動できるようになっている。この場合は、バイアス電圧回路２の挿入箇所を除けば、図１に示した回路図を基本としており、１個の定電圧電源回路１００から抵抗Ｒａ、Ｒｋを通して分担電圧が得られるようにし、更に個別の半導体ダイオード毎に演算増幅器を持たせるのではなく、回路の工夫により共通する１個の演算増幅器Ａ１で済むようにしてある。
【００４５】
また、図９の回路構成では、垂直走査回路１１０と水平走査回路２１０と、ＭＯＳＦＥＴ２１１，２１２；１１１，１１２；１２１，１２２とを用いて選択された半導体ダイオードは、選択されているときのみ電圧が印加され、そこを流れる電流が共通する１個の演算増幅器Ａ１に流入し出力されるようになっている。従って、それぞれの半導体ダイオードには、所定の矩形波電圧等の順方向バイアス電圧が印加されることになる。
【００４６】
また、上述の半導体ダイオードを個別に製作後、バイアス電圧回路２で温度感度が調整できるようにしても良いし、製作時には所望の温度感度になるように作りつけのバイアス電圧回路２を集積化しておくなどして半導体ダイオード温度測定装置を作成することもできる。また、この半導体ダイオードは温度センサであるので、これとマイクロヒータやペルチェ素子などと組み合わせた温度制御回路や温度検出回路を構成することもできる。なお、半導体のｎ型ｐ型等の型、材料、厚さ、サイズ等は適宜設計することができる。
上述の実施の形態は本発明の一実施の形態に過ぎず、本発明の主旨および作用、効果が同一でありながら、本発明の多くの変形があることは明らかである。
【００４７】
【発明の効果】
本発明は、以上のように、ダイオード温度センサの一種であり、特に、２端子である半導体ダイオードの順方向バイアス電圧を固定した場合の指数関数的な温度依存性を持つ半導体ダイオードの電流・電圧特性を利用して、高感度、高精度で、ＳＮ比の大きな温度センサを提供することができる。本発明によると、例えば、ｐ側とｎ側とも縮退する程度に不純物を多くしたｐｎ接合ダイオードを用いることにより、温度依存性が緩慢となり、高精度の温度測定装置を提供することができる。また、本発明によると、固定順方向バイアス電圧を調整させることで、温度感度を調整できる温度測定装置を提供することができる。また、本発明によると、それを利用した各種のデバイスを提供することができる。さらに、本発明によると、微細に且つ安定に順方向電圧調整ができるバイアス電圧回路を用い、しかも、この微細に調整されたバイアス電圧が半導体ダイオードに直接印加されるようにすることにより、高精度で、高感度の温度測定装置及び方法を提供することができる。
【００４８】
また、以上説明したように、従来のサーミスタは、一度サーミスタを製作すると、その温度感度の対応するＢ定数の制御は極めて困難であったが、本発明の半導体ダイオードを用いた温度測定装置及びその応用デバイスでは、温度センサである半導体ダイオードへの順方向バイアス電圧を演算増幅回路を介して印加し、その順方向バイアス電圧を調整する事により、温度センサとしての温度感度を大きく、かつ微細に変化させることができる。
また、順方向バイアス電圧として、直流電圧ばかりでなく、矩形波の電圧を印加しても良く、矩形波の電圧を印加しその矩形波の幅を小さくすることにより、半導体ダイオードでの消費電力を少なくし高精度の温度測定装置が達成でき、また、この矩形波の電圧と同期して出力電圧を取り出すようにすることによりＳＮ比の大きな温度測定装置が提供できる。
また、先に発明したトランジスタサーミスタでも製作後温度感度に対応するＢ定数を制御することができたが、トランジスタのため３端子であること、コレクタ損失のため大きな電流が流し難いことに対して、本発明の半導体ダイオード温度測定装置及びその応用デバイスでは、半導体ダイオードであるので、本質的に２端子で済むこと、コレクタのような高抵抗部分がないので、大きな電流を流しても自己発熱が極めて小さくできるという顕著な効果がある。
【００４９】
また、本発明は、複数の温度センサである半導体ダイオードの温度感度を同一にセットできることから、大きな周囲温度の変化があっても温度係数が等しくなるので、例えばそのうちの１個の半導体ダイオードを基準温度計測用にした熱型赤外線センサや体温計、熱型赤外線イメージセンサ、フローセンサやガスセンサ、ピラニー真空計などへの高感度・高精度の温度センサとしての応用に好適である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の半導体ダイオード温度測定装置の第１の実施の形態の構成図。
【図２】本発明の半導体ダイオード温度測定装置の第２の実施の形態の構成図。
【図３】本発明の半導体ダイオード温度測定装置の第３の実施の形態の構成図。
【図４】本発明の半導体ダイオード温度測定装置の断面図（その１）。
【図５】本発明の半導体ダイオード温度測定装置の断面図（その２）。
【図６】本発明の半導体ダイオード温度測定装置の断面図（その３）。
【図７】本発明の半導体ダイオード温度測定装置の断面図（その４）。
【図８】複数の半導体ダイオードを有する場合の半導体ダイオード温度測定装置の回路図。
【図９】本発明の半導体ダイオード温度測定装置を熱型赤外線イメージセンサに応用した場合の回路図。
【符号の説明】
Ｄ、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ１１、Ｄ１２、Ｄ２１、Ｄ２２半導体ダイオード
１Ｓｉ基板
２バイアス電圧回路
３アナログＳＷ
４積分増幅回路
５、６空洞
７薄膜構造体
８同期積分回路
１０Ｓｉ薄膜
２２コンタクト層
３１、４１ｐ型層
３２ｎ型層
３０ツエナーダイオード
４０、４０ａ、４０ｂ拡散抵抗
５０、５１シリコン酸化膜
５３、５５絶縁薄膜
６１、６２、６３、６４、６５ａ、６５ｂ電極
１００定電圧電源回路

Claims

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。
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。
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。
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。
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、ｎ^＋ｎ接合ダイオード、ｐ^＋ｐ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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。