JP3692908B2 - Infrared detector and thermometer - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、赤外線検出素子および測温計に関する。
【０００２】
【従来の技術】
赤外線検出素子およびそれを利用した測温計では、熱源から放射される赤外線を検知（感知）して電気信号に変換するいわゆる赤外線センサを備えている（検出または測定した温度（測温値）を決定するまでの全体を「赤外線センサ」と呼ぶこともあるが、以下では、主に、赤外線を電気信号に変換するまでを指す）。この種の赤外線センサとしては、一般に、熱電対（サーモカップル）またはそれを複数直列接続した熱電堆（サーモパイル）のゼーベック効果を利用して、赤外線の放射吸収による温度変化を熱起電力として検出（測定）するサーモパイル型、セラミック等で構成された基材における赤外線の熱エネルギーに応じた分極による浮遊電荷の変化を検出する（焦電効果を利用する）焦電型、および、金属その他の薄膜や極細線で形成した感温抵抗体の熱による抵抗値の変化を検出する（抵抗変化を利用する）ボロメータなど、が知られている。
【０００３】
これらのうち、焦電型センサでは、分極は熱エネルギーが加わった瞬間のみ発生するので、光路上にシャッタを設け、被測定面と基準点温度を交互に測定する必要があるなど、小型化や測定精度に難があり、自動ドアの「人体検出センサ」等には利用できるものの、例えば体温計などの高精度でかつ小型化・廉価化を要するものには不向きである。また、ボロメータでは、基準温度との相対温度差を検出する他の２者と異なり、絶対温度を測定できるメリットはあるものの、測定電流による自己発熱や電流雑音などの誤差要因による検出（測定）精度の低下や、バイアス電源を要するなどの構造上・取り扱い上での煩雑さなどの点に難がある。一方、サーモパイル型では、焦電型等のように過渡的な現象を利用するものでは無く、また、ボロメータ等のような測定電流等も不要なので、安定した温度検出・測定が可能であるほか、半導体製造の工程（プロセス）を利用して小型化・低廉化が可能なので、体温計などの小型・低価格の測温計等に適している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
サーモパイル型の赤外線センサを備えた赤外線検出素子およびそれを利用した測温計では、基本的に、熱電堆（サーモパイル）の赤外線を受光する熱吸収体（いわゆる黒体）側の接点（温接点）と基準温度側の接点（冷接点）との間に生じる黒体の温度変化に応じた起電力（出力電圧）を検出し、その出力電圧に基づいて、温接点冷接点間の温度差（接点間温度差）を求めるとともに、それとは別に他の温度検出手段（感温素子等）により基準温度を検出して、その基準温度と上記の接点間温度差から熱源の温度（測温値：体温計等では体温）を決定する。
【０００５】
ところで、サーモパイル型では、例えば上記の基準温度に対して５００度程度高い温度を検出・測定する場合でも、黒体の温度上昇が１度以下とわずかであり、このことから、氷点下から１０００°Ｃ以上まで測っても、センサとしての劣化が少ないという利点があり、安定した測定が可能である。しかし、その反面、わずかな温度変化を迅速に検出するためには、応答性（感度）を高める必要がある。特に体温計等に使用する場合、実用上（例えば乳児や幼児の体温を測定するときに身動きを我慢できる測定時間内とするなど）、迅速に測定する必要があり、それに対応できる感度が必要である。また、この感度を得るために、一つ一つの熱電対（サーモカップル）を長くしたり、熱電堆（サーモパイル）としての直列接続の数を増加させるのでは、全体が大きくかつ高価になってしまい、小型化・低廉化を図れるという利点が薄れてしまう。
【０００６】
本発明は、サーモパイル型を適用して小型化・低廉化を図りつつ、温度測定の感度を高めることができる赤外線検出素子およびそれを用いた測温計を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の赤外線検出素子は、半導体基板と、前記半導体基板の主面上に形成され、赤外線を受光する熱吸収体の温度に基づいて電圧を発生する熱電堆と、を備え、前記半導体基板は、前記熱電堆を構成する各熱電対の前記熱吸収体に近い側の温接点の部分および前記熱吸収体を支持する温接点支持領域と、前記各熱電対の前記熱吸収体から遠い側の冷接点の部分を支持する冷接点支持領域と、前記温接点の部分と前記冷接点の部分とを接続して前記各熱電対を構成する導電体を支持するとともに、前記温接点支持領域と前記冷接点支持領域との間を連結する中間支持領域と、を有し、前記中間支持領域には、前記主面からその反対側の裏面に連通する中空連通路が設けられ、前記熱電堆を構成する導電体のうちの少なくとも１の導電体には、前記中間支持領域において前記中空連通路につながる開口部が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
この赤外線検出素子では、半導体基板と、その主面上に形成され、赤外線を受光する熱吸収体の温度に基づいて電圧を発生する熱電堆と、を備えているので、いわゆるサーモパイル型の赤外線センサの機能を有し、また、半導体製造の工程（プロセス）を利用して小型化・低廉化が図れる。ここで、原理的に、サーモパイル型の赤外線センサにおいて、感度を高めるためには、熱電堆（サーモパイル）を構成する各熱電対の熱吸収体に近い側の温接点の部分の温度を少しでも高く、各熱電対の熱吸収体から遠い側の冷接点の部分の温度をできるだけ環境温度（室温等）に近づけて、両接点間の温度差を確保し、各熱電対の起電力（起電圧：両接点間電位差：出力電圧）を大きくすることである。そして、このためには、熱吸収体による赤外線の吸収を増加させ、それによる熱の冷接点側への伝導を減らす必要がある。そこで、この赤外線検出素子では、半導体基板において、各熱電対の温接点の部分や熱吸収体を支持する温接点支持領域と、各熱電対の冷接点の部分を支持する冷接点支持領域と、それらを連結する領域であり、各熱電対を構成する導電体を支持する中間支持領域と、を分けて考えたときの中間支持領域に、主面からその反対側の裏面に連通する中空連通路が設けられている。この場合、中空連通路は、何らかの熱伝導媒体がある場合に比べて熱の伝導を低減するので、いわゆる保温作用があり、これにより、温接点側と冷接点側の相互間の熱伝導を低減させ、両接点間の温度差を確保して、各熱電対の起電力（起電圧）を大きくして、温度測定の感度（測定感度）を高めることができる。
さらに、この赤外線検出素子では、熱電堆を構成する導電体のうちの少なくとも１の導電体には、中間支持領域において中空連通路につながる開口部が設けられている。すなわち、この開口部は中空連通路に直接つながるので、中間支持領域における導電体の熱を中空連通路において保温し易くなり、温接点冷接点間の温度差を十分に確保でき、また、導電体間の密度は高くできるので、小型化に適している。
【０００９】
また、上述の赤外線検出素子において、前記中空連通路は、前記温接点の部分と前記冷接点の部分とを接続する方向を長手方向とするスリット状に形成されたことが好ましい。
【００１０】
この赤外線検出素子では、中空連通路は、温接点の部分と冷接点の部分とを接続する方向を長手方向とするスリット状に形成される。このため、長手方向における保温作用（すなわち温接点例接点間の温度差）を十分に確保しつつ、それと直交する方向の密度は高くすることができるので、小型化に適している。
【００１５】
また、上述した各赤外線検出素子において、前記半導体基板は、前記主面側が前記温接点支持領域および前記中間支持領域となる板厚が薄い薄板部と、前記主面側が前記冷接点支持領域となる板厚が厚い厚板部と、前記薄板部と厚板部との板厚の差によって形成される中空部と、を有することが好ましい。
【００１６】
この赤外線検出素子では、半導体基板は、主面側が温接点支持領域および中間支持領域となる板厚が薄い薄板部と、主面側が冷接点支持領域となる板厚が厚い厚板部と、薄板部と厚板部との板厚の差によって形成される中空部と、を有する。この場合、中空部は、何らかの熱伝導媒体がある場合に比べて熱の伝導を低減するので、いわゆる保温作用があり、これにより、温接点支持領域にある熱吸収体や温接点、および熱電対の導電体からの熱伝導を低減させ、温接点冷接点間の温度差を確保して、各熱電対の起電力を大きくして、測定感度を高めることができる。
【００１７】
また、上述の赤外線検出素子において、前記中空連通路は、前記中空部に連通するように前記中空部を形成する半導体製造工程において形成されたことが好ましい。
【００１８】
この赤外線検出素子では、中空連通路は、中空部に連通するように中空部を形成する半導体製造工程において形成される。このため、改めて特殊な工程を経ることなく、中空部を形成する半導体製造工程において中空連通路を形成できる。
【００１９】
また、上述の赤外線検出素子において、前記中空部を形成する半導体製造工程は、熱伝導率の高い第１基板層の上に熱伝導率の低い第２基板層を形成した元の半導体基板の前記中空部に相当する部分を、前記第２基板層に至るまで裏面側から削除する工程であることが好ましい。
【００２０】
この赤外線検出素子では、中空部を形成する半導体製造工程は、熱伝導率の高い第１基板層の上に熱伝導率の低い第２基板層を形成した元の半導体基板の中空部に相当する部分を、第２基板層に至るまで裏面側から削除する工程である。すなわち、第１基板層の上に第２基板層を形成することで元の半導体基板を形成でき、中空部に相当する部分を、第２基板層に至るまで裏面側から削除することで中空部を形成できるので、半導体製造工程にて容易に形成できるとともに、温接点支持領域および中間支持領域となる薄板部は、熱伝導率の低い第２基板層のみとなるので、保温に適し、冷接点支持領域となる厚板部には熱伝導率の高い第１基板層があるので、ヒートシンク機能を有して、冷接点を環境温度（室温等）に近づけて、温接点冷接点間の温度差を確保し、各熱電対の起電力を大きくするのに適している。
【００２１】
また、上述の赤外線検出素子において、前記第１基板層はシリコン層から成り、前記第２基板層はシリコンの酸化膜または窒化膜を有して構成されることが好ましい。
【００２２】
この赤外線検出素子では、半導体基板の第１基板層はシリコン層から成り、第２基板層はシリコンの酸化膜または窒化膜を有して構成される。シリコンを主体とした基板なので、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法（化学蒸着法）等により薄膜形成も容易であり、また、熱電堆の冷接点のヒートシンクとしての機能を合わせ持つことができる。また、シリコン基板なので、薄膜形成やエッチング等が容易なことから、種々の半導体素子（後述の感温部等：感温素子：例えばダイオード）を一体形成し易い。すなわち、半導体製造における一般的な製法により形成しやすく、このため、小型化・低廉化に適している。
【００２３】
また、前記中空連通路が前記半導体製造工程において形成された上述の各赤外線検出素子において、前記中空部を形成する半導体製造工程は、エッチング工程であることが好ましい。
【００２４】
この赤外線検出素子では、中空部を形成する半導体製造工程は、エッチング工程である。すなわち、一般的な半導体製造工程であるエッチング工程において、中空部を容易に形成できる。
【００２５】
また、上述した各赤外線検出素子において、前記熱電堆の基準温度を検出する基準温度検出手段をさらに備えたことが好ましい。
【００２６】
この赤外線検出素子では、熱電堆の基準温度を検出する基準温度検出手段をさらに備えるので、温接点冷接点間の相対温度差（接点間温度差）に応じた起電圧（出力電圧）ばかりでなく、熱電堆の基準温度を検出でき、これにより、赤外線を放射する熱源の温度を測定可能となる。
【００２７】
また、上述の赤外線検出素子において、前記基準温度検出手段の感温部が、前記熱電堆を形成した半導体構造内に一体形成されたことが好ましい。
【００２８】
この赤外線検出素子では、基準温度検出手段の感温部が、熱電堆を形成した半導体構造内に一体形成されているので、熱電堆との距離を短縮でき、これにより、熱電堆の基準温度検出の測定誤差を小さくして測定精度を向上できるとともに、全体としてさらに小型化が図れ、大量生産等に適しているので、さらに低廉化が図れる。
【００２９】
また、前記基準温度検出手段を備えた上述の各赤外線検出素子において、前記基準温度検出手段は、感温部として、入出力特性が前記基準温度の温度変化に応じて変化する半導体素子を複数有し、前記複数の半導体素子からの出力に基づいて、前記基準温度を検出することが好ましい。
【００３０】
この赤外線検出素子では、感温部として、入出力特性が基準温度の温度変化に応じて変化する半導体素子（感温素子：例えばダイオード）を複数有し、複数の半導体素子からの出力に基づいて、基準温度を検出する。この場合、複数の半導体素子の出力に基づいて、それらの平均値を求めたり、差分を求めたりすることができるので、半導体素子の配置位置の違い等による環境差、あるいはそれらの特性差、理論値（設計値）とのズレ、雑音その他の測定環境の変動など、測定誤差の誤差要因を相殺可能となり、これにより、さらに測定精度を向上できる。
【００３１】
また、前記基準温度検出手段を備えた上述の各赤外線検出素子において、前記半導体基板の主面上に接合され、前記赤外線を前記熱吸収体に集光する赤外線レンズをさらに備え、前記基準温度検出手段の感温部が、前記半導体基板と前記赤外線レンズとの接合部近傍に配置されたことが好ましい。
【００３２】
この赤外線検出素子では、半導体基板の主面上に接合され、赤外線を熱吸収体に集光する赤外線レンズをさらに備えているので、導波管（導光管）等を使用する場合に比べて、外部の熱（誤差熱）による放射赤外線の影響（干渉）を低減できるとともに、熱吸収体で受光する赤外線の入射角を制限でき、これにより、誤差要因を少なくして、測定精度を向上できる。また、接合により一体化しているので、基準温度（測定点の温度）とレンズ温度との温度差による測定誤差をも減少できる。また、この場合、基準温度検出手段の感温部が、半導体基板と赤外線レンズとの接合部近傍に配置されているので、基準温度を検出すると同時にレンズ温度をも把握でき、レンズ特性（集光特性）等の温度補正等も可能になるので、さらに測定精度を向上できる。
【００３３】
また、本発明の測温計は、上述のいずれかの赤外線検出素子と、前記赤外線検出素子の前記熱電堆からの出力電圧およびその基準温度に基づいて、前記赤外線を放射した熱源の温度を決定する測温値決定手段と、を備えたことを特徴とする。
【００３４】
この測温計では、上述のいずれかの赤外線検出素子と、赤外線検出素子の熱電堆からの出力電圧およびその基準温度に基づいて、受光した赤外線を放射した熱源の温度を決定する測温値決定手段とを備えるので、赤外線を放射する熱源の温度を測定する測温計、例えば体温を測定する体温計に適用できる。また、小型化・低廉化を図りつつ、温度検出の精度を向上できる赤外線検出素子を利用するので、測温計としても、小型化・低廉化を図りつつ、温度検出の精度を向上できる。
【００３５】
また、上述の測温計において、前記熱源の温度は、人間の鼓膜温度であることが好ましい。
【００３６】
この測温計では、熱源の温度が、人間の鼓膜温度なので、耳式体温計に適用できる。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に係る赤外線検出素子および測温計を適用した耳式体温計について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００３８】
図１および図２に示すように、この耳式体温計１は、本体ケース１１と、検体（耳）を熱源Ｓとしてその熱源Ｓからの赤外線を受光して熱源Ｓの温度（体温：鼓膜温度）に応じた電気信号（電圧）を取り出す赤外線受光検出部２と、各種電子部品（回路）等を搭載して接続する回路基板３と、赤外線受光検出部２の出力電圧に基づいて回路基板３に搭載された各種の電子部品４Ｃにより熱源Ｓの温度（測温値：検温値：測定（検出）した体温の値）を決定する測温値決定部４と、測温（検温）値その他の表示を行うためのＬＣＤ部５と、各部に電力を供給する電源部６と、を備えている。
【００３９】
電源部６は、図１に示すように、電源スイッチＳＷ６と、電源となるボタン電池６１と、それを装着して回路基板３の回路パターンに接続するための電池端子金具６２と、電池交換時に開閉するための電池ボックスカバー６３と、備えている。また、ＬＣＤ部５は、各種表示を行うためのＬＣＤパネル５１と、それを装着して回路基板３（の回路パターン）に接続するためのコネクタ５２と、ＬＣＤパネル５１を指示するパネル枠５３と、ＬＣＤパネル５１の表面を視認可能に保護する例えばプラスチック製の透明カバー５４と、を備えている。
【００４０】
また、測温値決定部４は、測温スイッチＳＷ４と各種の電子部品４Ｃとを備えて構成される。温度（体温）検出に直接関係するものとしては、図２に示すように、赤外線受光検出部２から出力される体温（鼓膜温度）に応じた電圧信号を増幅するアンプ４１と、その出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ４２と、その出力値を数値処理して測温値を決定し、ＬＣＤ部５のＬＣＤパネル５１に表示させるＣＰＵ４４と、ＣＰＵ４４における各種処理の作業エリアとなるＲＡＭ４３と、を備えている。
【００４１】
また、耳式体温計１では、赤外線受光検出部２内に後述の基準点感温素子７３を備えていて、測温値決定部４は、基準点感温素子７３の出力を増幅するアンプ７１と、その出力をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄコンバータ７２と、をさらに備えている。論理的なブロックとしては、上記の基準点感温素子７３と、アンプ７１と、Ａ／Ｄコンバータ７２と、により、基準温度検出部７が構成される。ＣＰＵ４４は、基準温度検出部７によって検出された温度を基準温度として入力し、それに基づいて測温値を決定する。
【００４２】
具体的には、まず、電源スイッチＳＷ６や測温スイッチＳＷ４は、ＣＰＵ４４の入力ポートに接続され、電源オフの初期状態では、ＣＰＵ４４はスタンバイ状態、他の回路は非通電状態となっている。この状態で、ユーザにより電源スイッチＳＷ６が押されると、ＣＰＵ４４は、そのレベル変化を割り込み信号として検出して活性状態となり、他の回路は通電状態となる。ＣＰＵ４４は、活性化すると、まず、ＬＣＤパネル５１に全点灯表示（初期表示）を行い、続いて、各種フラグ等の初期化処理など、測定の準備を行い、準備が終了すると、「測定準備ＯＫ」の旨を示す表示を行う。
【００４３】
次に、この測定（準備ＯＫの）状態で、ユーザにより測温スイッチＳＷ４が押されると、ＣＰＵ４４は、Ａ／Ｄコンバータ４２およびＡ／Ｄコンバータ７２を活性化させ、赤外線受光検出部２からの出力電圧をアンプ４１およびＡ／Ｄコンバータ４２を介してディジタル値として入力するとともに、基準点感温素子７３からの出力をアンプ７１およびＡ／Ｄコンバータ７２を介して入力し、各アンプのオフセット電圧等により補正しつつ、Ａ／Ｄコンバータ７２の出力から基準温度を求め、それに基づいて、Ａ／Ｄコンバータ４２の出力から測温値（体温：ここでは鼓膜温度）を算出する。
【００４４】
測温値算出（測温値決定）が終了すると、続いて、ビープ音等による報知とともに、その測温値を測定結果としてＬＣＤパネル５１に表示し、Ａ／Ｄコンバータ４２、７２を不活性化させる。この状態で、電源スイッチＳＷ６を押すことにより、あるいはその後の一定時間内に電源スイッチＳＷ６や測温スイッチＳＷ４の操作がなければオートパワーオフにより、電源オフの初期状態に戻す。
【００４５】
赤外線受光検出部２は、図１に示すように、赤外線受光検出部２の中核を成し、熱源Ｓの温度（体温：鼓膜温度）に対応する赤外線を受光してそれに応じた電圧信号を出力する熱電堆（サーモパイル）チップＳＰＣとその受光部に赤外線を集光させるバイナリレンズＢＬとを有する赤外線検出チップ２１（図５（ｂ）参照）と、サーモパイルチップＳＰＣを回路基板３に接続するボンディングワイヤ２６と、これらを保護する例えばプラスチック製のカバー２２と、粉塵等の進入を防止する赤外線透過性のフィルム２３と、それを支持するためのフィルム押さえオーリング２４と、検温時に耳穴に挿入するために赤外線受光検出部２全体を覆うように取り付けられた赤外線透過性のプローブキャップ２５と、を備えている。
【００４６】
上記の耳式体温計１を使用する場合、ユーザは、まず、電源スイッチＳＷ６を押し、ＬＣＤパネル５３が初期表示から「測定準備ＯＫ」の旨の表示に変わるのを確認する。続いて、プローブキャップ２５の部分を耳穴に入れ、測温スイッチＳＷ４を押すと、測定が開始され、その後、数秒後には、報知音とともに測温値がＬＣＤパネル５１に表示されるので、その値（体温）を確認できる。そして、その後は、電源スイッチＳＷ６を押すことにより、あるいは放置してオートパワーオフにより、電源オフとすることができる。
【００４７】
ところで、上述のように、赤外線受光検出部２では、熱源Ｓの温度（体温：鼓膜温度）に対応する赤外線をバイナリレンズＢＬにより集光し、サーモパイルチップＳＰＣにおいて受光する。すなわち、いわゆる赤外線センサを利用し、そのなかでも特にサーモパイル型を利用している。赤外線センサとしては、前述のように、焦電効果を利用する焦電型センサや抵抗変化を利用するボロメータなどがあるが、耳式体温計１では、小型化・低廉化を図るため、サーモパイル型を利用している。
【００４８】
これに対し、同じくサーモパイル型の赤外線センサを利用した耳式体温計であっても、導波管（導光路、導波路等）を利用して光を誘導するタイプがある。例えば図３に示すように、このタイプの耳式体温計１００では、支持金具２０７により導波管２０６を支持し、プローブキャップ２５からの赤外線を導波管２０６により赤外線検出チップ２１０に誘導する。なお、耳式体温計１００では、測温スイッチＳＷ４が回路基板３にリード線２０１により接続されていて、耳式体温計１では、直付けであるなど、他の部分にも相違があるが、本質的な相違は、赤外線の誘導方法とその赤外線から温度を検出する部分にあるので、以下では、それらについて説明する。
【００４９】
まず、上述の耳式体温計１００では、図３、図４（ａ）および図５（ａ）に示すように、入光した赤外線を導波管２０６内に伝搬させ、赤外線検出チップ２１０に誘導する。赤外線検出チップ２１０では、サーモパイル型の赤外線センサ２０９と基準温度を検出するためのサーミスタ２１１とをパッケージ基材２１２上に搭載し、パッケージケース２１３により全体を一体化させ、赤外線を入光する窓には、可視光を遮断し赤外線を透過するためのシリコン（Ｓｉ）等から成るフィルタ（赤外線フィルタ）２０８が設けられている。
【００５０】
一方、図１（本実施形態）の耳式体温計１では、まず、図５（ｂ）に示すように、上記の赤外線センサ２０９に対応するサーモパイルチップＳＰＣの表面に直接接触（接合）するようにバイナリレンズＢＬを設けて、赤外線検出チップ２１として一体化している。バイナリレンズＢＬは、シリコン（またはゲルマニウム：ＳｉまたはＧｅ）基板ＢＬａに対してエッチング等により多段構成のバイナリエレメントＢＬｂ（誇張して図示）を構成することにより、全体として赤外線を集光するバイナリレンズとして機能させたレンズ（用）基板であり、サーモパイルチップＳＰＣの表面に直接接合している。また、その組成から、上記の赤外線フィルタ２０８と同様に、可視光を遮断し赤外線を透過する赤外線フィルタとしての機能も兼ね備えているが、さらに近赤外線等を遮断するなど波長領域を絞るために、硫化亜鉛（ＺｎＳ）やゲルマニュウム（Ｇｅ）の多層膜による赤外線コーティングＢＬｃを施している。
【００５１】
図４（ａ）に示すように（耳式体温計１００のように）、導波管２０６を利用して赤外線を誘導する場合、赤外線フィルタ２０８の窓の面（検出面）から見た視野角はほぼ１８０°あり、導波管２０６外からの（赤外線等の）光も入射（入光）され、また、外部の熱（誤差熱）Ｓｄによって内部に放射される赤外線等の干渉を受け、さらにはこれらにより内部で乱反射した光も誘導されて検出面に入射されるので、測定誤差が大きくなる。これに対し、原理的に同図（ｂ）に示すように（耳式体温計１のように）、バイナリレンズＢＬにより集光することにより、入射角を限定（制限）することができ、これにより誤差要因を少なくして、測定精度を向上できる。
【００５２】
また、サーモパイル型の赤外線センサを備えた測温計（または赤外線検出素子）では、原理的に、赤外線を受光する熱吸収体（いわゆる黒体）側の接点（温接点）と基準温度側の接点（冷接点）との間で、黒体の温度変化に応じて生じる起電力（出力電圧）を検出し、その出力電圧に基づいて、温接点冷接点間の温度差（接点間温度差）を求めるとともに、それとは別に他の温度検出手段（感温素子等）により基準温度を測定して、その基準温度と上記の接点間温度差から熱源Ｓの温度（測温値：体温計等では体温）を決定する。このため、測定（検出）した基準温度と冷接点の温度との間に温度差があると、それも誤差要因となり、測定精度に影響する。
【００５３】
この点について、図５（ａ）で前述のように、耳式体温計１００の赤外線検出チップ２１０では、基準温度を検出するためのサーミスタ２１１をパッケージ基材２１２上に搭載している。このため、パッケージ外（チップ外）にサーミスタ等を設けるのに比べれば精度が高くはなるものの、依然として、サーミスタ２１１により測定する基準温度の測定点と赤外線センサ２０９（の冷接点）との距離が大きく、本来測定すべき冷接点の温度を正確な基準温度として測定することは困難になっている。
【００５４】
また、図４（ｂ）では原理を説明するために、バイナリレンズＢＬを、サーモパイルチップＳＰＣと離して図示したので、同図（ａ）の導波管２０６をレンズに置き換えただけの関係に見えるが、導波管２０６をレンズに置き換えただけでは、そのレンズと赤外線センサ２０９（の冷接点）との距離が離れてしまい、レンズ自体の温度と赤外線センサ２０９（の冷接点）との間で温度差が生じ、基準点の温度環境と異なる温度環境のレンズを介した測定となるために、これも誤差要因となり、測定精度に影響する。
【００５５】
これらの点について、耳式体温計１では、まず、図５（ｂ）で前述のように、サーモパイルチップＳＰＣの表面に直接接触（接合）するようにバイナリレンズＢＬを設けて、赤外線検出チップ２１として一体化している。また、同図に示すように、このバイナリレンズＢＬとサーモパイルチップＳＰＣの接合部の近傍で、かつ、冷接点（原理上の基準点：原理的基準点）近傍に、図２で前述の基準点感温素子７３としてＰＮダイオードＰＮＤを形成している（図８参照）。
【００５６】
すなわち、基準温度の測定点を、冷接点（原理的基準点）近傍に配置することにより、基準温度と冷接点温度との間の温度差による測定誤差を減少させ、バイナリレンズＢＬを一体化してその接合点近傍に基準温度の測定点を配置することにより、基準温度の測定点とレンズ温度との温度差による測定誤差を減少させることができる。また、半導体製造工程にて一体形成しやすいＰＮダイオードＰＮＤを基準点感温素子７３とすることで、小型化を推進させ、それによりさらに冷接点やレンズ等との間の距離を短縮でき、一体形成により大量生産等が可能になって、低価格化（低廉化）し易くなる。
【００５７】
以下、上述の構成について、さらに詳述する。まず、図５（ａ）で上述の耳式体温計１００の赤外線センサ２０９等では、図６に示すように、下面（裏面）中央をエッチング等により中空化（点線部分）した（薄膜のみの部分の：メンブレン構造の）シリコン基板８０の上面（表面、主面）に、金（金黒：ゴールドブラック）をスパッタ蒸着等することにより熱吸収体（金の黒体）８１を形成する。この場合、黒体８１が吸収した熱の周囲への逃げを防いで温度上昇を高めるために、黒体８１は、熱伝導の悪い酸化膜（ＳｉＯ2 ：以下適宜「ＳｉＯ２」や「ＳｉＯ」と説明および図示する。）９４、９６、窒化膜（Ｓｉ3Ｎ4：以下適宜「ＳｉＮ」と略して説明および図示する。）９７などで構成される数ミクロン厚の薄膜層上に形成する（図８参照）。
【００５８】
また、高感度の熱電対８２の温接点８３を黒体８１の近隣に（上記の薄膜層等を介して近接するように）設け、冷接点８４をメンブレン構造外のシリコン基材８０の基材部分が残っている周辺部に設ける。この場合のシリコン基材８０は、冷接点８４のヒートシンクとしての機能を合わせ持つことになる。この状態で、熱電対８２では、温接点８３と冷接点８４との間に黒体８１の温度上昇に応じた起電力（起電圧）を生じる。ただし、単一の熱電対８２では起電圧が十分とは言えないので、これを複数直列接続して（例えば図１４参照）、両端を端子（例えば＋端子）８６および端子（例えば−端子）８７とし、両端子８６、８７間の電圧を出力電圧とする熱電堆８５を構成する。
【００５９】
図６で上述の構成までは、耳式体温計１００の赤外線センサ２０９ばかりでなく、耳式体温計１のサーモパイルチップＳＰＣでも、図７に示すように、同様の構成（黒体８１や熱電堆８５等）を備えている。なお、熱電対８２を構成する導電体の組合せとしては、アルミ（Ａｌ）に対して、（リンドープされた）ポリシリコン（図示および説明では後述のＰＮ接合の「Ｐ−」と区別するため「Ｓｉ−Ｐ」とする）、モリブデンシリサイト、窒化チタン、タングステンシリサイト等が考えられるが、以下では、主にポリシリコンとして説明する。
【００６０】
そして、上記の構成に加え、サーモパイルチップＳＰＣでは、図７、図８および図９に示すように、冷接点（原理上の基準点：原理的基準点）の近傍（ほぼ直下）に、図２で前述の基準点感温素子７３としてＰＮダイオードＰＮＤを形成している。なお、図８に示すように、アクセプタ不純物のドープ量が多い「Ｐ＋」の領域（以下「Ｐ＋領域」）ＤＰ１（またはＤＰ２）や、ドナー不純物のドープ量が多い「Ｎ＋」の領域（以下「Ｎ＋領域」）ＤＮ１（またはＤＮ２）は、実際には熱電対８２を構成するアルミ（Ａｌ）９１やポリシリコン（Ｓｉ−Ｐ）９２より下層に形成されるが、図７や図９では見やすさを重視して表面に図示している。また、図８のＮ＋領域ＤＮ１（またはＤＮ２）に点線で図示の部分９３がダイオードとしてのＰＮ接合領域となる。
【００６１】
また、サーモパイルチップＳＰＣでは、図７および図９に示すように、基準点感温素子７３のＰＮダイオードＰＮＤとして、実際には２つのダイオード（図１２で後述のダイオードＤ１およびＤ２）が形成されている。具体的には、共通のアノード端子ＤＡに接続されて一方に延びるＰ＋領域ＤＰ１および他方に延びるＰ＋領域ＤＰ２のそれぞれに対応して、カソード端子ＤＫ１に接続されたＮ＋領域ＤＮ１およびカソード端子ＤＫ２に接続されたＮ＋領域ＤＮ２が形成されている。
【００６２】
従来、例えば図６で前述の赤外線センサ２０９等では、まず、シリコン基板８０の表面（主面）に（例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition ）法（化学蒸着法）等により）酸化膜（ＳｉＯ２）９４等の薄膜層を形成することから半導体製造工程が開始されるが、サーモパイルチップＳＰＣでは、その前に、まず、図８に示す酸化膜（ＳｉＯ２：例えばフィールド酸化膜）９５をパターニングして形成し、Ｐ＋領域ＤＰ１（およびＤＰ２）やＮ＋領域ＤＮ１（およびＤＮ２）をドープにより形成し（これにより相対的にＰ−基板８０となる）、その後、改めて酸化膜（ＳｉＯ２）９４等の種々の金属・半導体の層をパターニングして形成する。
【００６３】
すなわち、その後は、従来と同様に、図８に示す各層を形成するように、薄膜形成、熱電対形成、電極形成、黒体（金黒）形成の各工程を行い、裏面からシリコン基板８０をパターニングに従って酸化膜（ＳｉＯ２）９４までエッチングしてメンブレン構造とし、ハンドリング上の必要性に応じてスクウェイブ・ブレーク、単体検査（チップ検査）、アッセンブリ等（並行して製造したバイナリレンズＢＬの接合を含む）を行う。
【００６４】
なお、酸化膜（ＳｉＯ２）９４等は、上記のメンブレン構造形成の際の裏面からのエッチング等に対するストッパーとなっているので、図１５以降で後述のスリット９８を形成する部分は、パターニングによりストッパーとなる薄膜層を削除しておくことにより、上記のエッチングの工程において形成できる。また、図７〜図９で上述の例では、Ｐ＋領域を内側、Ｎ＋領域を外側に配置・形成したが、逆にすることもできる。また、上述の例では、２つのダイオードのＰ＋領域やＮ＋領域を相互に異なる方向に延ばして形成したが、例えば図１０および図１１に示すように、共通のＰ＋領域ＤＰを挟むように、Ｎ＋領域ＤＮ１およびＮ＋領域ＤＮ２を形成しても良い。これらは、ダイオードとしての温度特性やチップとしての歩留まり、あるいは扱い安さ（ハンドリング：各端子を一カ所に集めた方が便利か否かなど）等を考慮して適宜選択すれば良い。
【００６５】
上述のダイオード素子は、図２で前述の基準点感温素子７３を構成するので、次に、その出力を入力するアンプ７１の構成例について説明する。
【００６６】
本例のアンプ７１では、図１２に示すように、まず、図９または図１０等で上述のアノード端子ＤＡとカソード端子ＤＫ１との間に形成したダイオードをダイオードＤ１、アノード端子ＤＡとカソード端子ＤＫ２との間に形成したダイオードをダイオードＤ２とし、トランジスタＪ１と抵抗Ｒ１（例えば５０ｋΩ）から成る順方向電流ＩＦ１を流すための電流源と、トランジスタＪ２と抵抗Ｒ２（例えば１００ｋΩ）から成る順方向電流ＩＦ２を流すための電流源に、それぞれ接続することにより、ダイオードＤ１の内部抵抗に比例した順方向電圧（アノード端子ＤＡとカソード端子ＤＫ１との間の電位差）ＶＦ１と、ダイオードＤ２の内部抵抗に比例した順方向電圧（アノード端子ＤＡとカソード端子ＤＫ２との間の電位差）ＶＦ２を取り出す。
【００６７】
また、順方向電圧ＶＦ１はオペアンプ（以下単に「アンプ」）Ｕ６を介して（アンプＵ６により増幅して）、順方向電圧ＶＦ２はアンプＵ７を介して（アンプＵ７により増幅して）、差動アンプＵ８に入力することにより、それらの電圧差Ｖｏｕｔ（以下「ΔＶＦ」（デルタＶＦ）という。ただし、ΔＶＦ＝ＶＦ１−ＶＦ２）を求める。この電圧差ΔＶＦがアンプ７１の出力となり、図２で前述のように、Ａ／Ｄコンバータ７２を介して、ディジタル値としてＣＰＵ４４の入力となる。
【００６８】
半導体素子は一般に、熱（温度）や光などに対して所定の特性を有し、ダイオードの場合も、所定の温度特性を有する。ダイオードの場合の順方向電流ＩＦおよび順方向電圧ＶＦの原理的な式（理論式）は、図１３（ａ）の（１）式および（２）式のようになる。このため、原理的には、図１２で上述の２組（ダイオードＤ１＋トランジスタＪ１＋抵抗Ｒ１の１組、ダイオードＤ２＋トランジスタＪ２＋抵抗Ｒ２の１組、の計２組）の一方の１組のみでも、基準温度を検出できる。すなわち、上述の式に従って、あるいは上述の式の温度と電圧との関係を測定値等から求めてテーブル化して記憶しておいてそれを参照することにより、ＣＰＵ４４では、検出した順方向電圧ＶＦ（のディジタル値）に基づいて、基準温度を求める（決定する）ことができる。
【００６９】
これに対し、耳式体温計１のサーモパイルチップＳＰＣでは、上述のように、２つのダイオードＤ１、Ｄ２を使用（形成）している。また、この場合、順方向電流ＩＦ１と順方向電流ＩＦ２とを相異なる値にしている。すなわち、同一構成のトランジスタＪ１、Ｊ２に対してそれぞれ接続する抵抗Ｒ１（例えば５０ｋΩ）、Ｒ２（例えば１００ｋΩ）を異なる抵抗値とすることにより、一方の電流源（トランジスタＪ１＋抵抗Ｒ１）による順方向電流ＩＦ１と、他方の電流源（トランジスタＪ２＋抵抗Ｒ２）による順方向電流ＩＦ２とを、互いに異なる値としている。
【００７０】
そして、この場合、順方向電流ＩＦ１による順方向電圧ＶＦ１と、順方向電流ＩＦ２による順方向電圧ＶＦ２との電圧差ΔＶＦ＝ＶＦ１−ＶＦ２の理論式は、図１３（ｂ）の（３）式のようになる。ここで、同一チップ内（同一半導体基板：同一シリコン基板８０）に同様に形成した２つのダイオードＤ１、Ｄ２では、ダイオードとしてほぼ同一の特性等を得られるので、例えばダイオードＤ１の逆方向飽和電流ＩＳ１とダイオードＤ２の逆方向飽和電流ＩＳ２とは同一となり、この場合、電圧差ΔＶＦの理論式は、同図の（４）式のようになる。すなわち、形成したダイオードの逆方向飽和電流等のダイオード特性がたとえ理論値（設計値）と異なる値を示すものであっても、理論値とのズレを相殺できる。
【００７１】
そして、これらの場合も、上述の式に従って、あるいは電圧差と温度との関係を示すテーブル等を参照することにより、ＣＰＵ４４では、検出した電圧差ΔＶＦ（のディジタル値）に基づいて、基準温度を求める（決定する）ことができる。なお、上述の例では、２つのダイオードＤ１、Ｄ２の順方向電流ＩＦ１、ＩＦ２を、意識的に異なる値として、それらの差分により基準温度を求めたが、抵抗Ｒ１、Ｒ２も含めて同一の回路構成としておき、検出された順方向電圧ＶＦ１と順方向電圧ＶＦ２の平均値等を検出値として、基準温度を求めるようにしても良い。この場合も、ダイオードの形成位置の違い等による特性差や環境差、あるいいは理論値（設計値）とのズレなどを相殺し得る。
【００７２】
すなわち、耳式体温計１のサーモパイルチップＳＰＣでは、基準点感温素子７３として、２つのダイオードＤ１、Ｄ２を形成（使用）しているので、上述の逆方向飽和電流等のチップ毎に異なるダイオードの特性差（特性の違い）による測定誤差、あるいはそのほかにも、雑音や電位変動その他の測定環境の変動要素などによる測定誤差を相殺でき、測定精度を向上できる。なお、上述の例では、ダイオード（感温素子）を２つとしたが、さらに数を増やして精度を向上させることもできる。
【００７３】
上述のように、耳式体温計１のサーモパイルチップ（赤外線検出素子）ＳＰＣでは、シリコン基板（半導体基板）８０と、その主面上に形成され、赤外線を受光する黒体（熱吸収体）８１の温度に基づいて電圧を発生する熱電堆８５と、熱電堆８５の基準温度を検出する基準温度検出部（基準温度検出手段）７と、を備えているので、いわゆるサーモパイル型の赤外線センサの機能を有し、また、半導体製造の工程（プロセス）を利用して小型化・低廉化が図れる。
【００７４】
そして、この場合、基準温度感温素子（基準温度検出手段の感温部）７３は、熱電堆８５を形成した半導体構造内に一体形成されているので、熱電堆８５との距離を短縮でき、これにより、熱電堆８５の基準温度検出の測定誤差を小さくして測定精度を向上できるとともに、全体としてさらに小型化が図れ、大量生産等に適しているので、さらに低廉化が図れる。また、基準温度感温素子（感温部）７３は、ダイオードＤ１、Ｄ２として機能するように構成されているので、ダイオードとしての温度特性に基づいて基準温度を検出でき、また、ダイオードなので、半導体構造内に容易に一体形成でき、小型化・低廉化に適している。
【００７５】
また、半導体基板はシリコン基板８０なので、ＣＶＤ法等の半導体製造における一般的な製法により薄膜形成やエッチング等が容易なことから、熱電堆８５や感温部となる半導体素子（感温素子：例えばダイオード）を一体形成し易く、小型化・低廉化に適し、基準温度の測定点を熱電堆の冷接点近くに配置しやすい。また、熱電堆８５の冷接点８４のヒートシンクとしての機能を合わせ持つことができる。また、具体的に、基準温度検出の原理的基準点である冷接点の直下（近傍）にダイオードＤ１、Ｄ２（基準温度感温素子（感温部）７３）が配置されているので、測定点と基準点との距離や環境差に基づく測定誤差が小さく、さらに高精度の測定精度が可能な赤外線検出素子となっている。
【００７６】
また、基準温度感温素子（感温部）７３として、複数（例では２つ）のダイオードＤ１、Ｄ２（半導体素子）を形成し、それらの出力に基づいて、平均値を求めたり、差分を求めたりすることができるので、形成する配置位置の違い等による環境差、あるいはそれらの特性差、理論値（設計値）とのズレ、雑音その他の測定環境の変動など、測定誤差の誤差要因を相殺可能となり、これにより、測定精度を向上できる。
【００７７】
なお、感温部として複数の半導体素子を有することのみによる利点は、例えば図５（ａ）で前述の耳式体温計１００の赤外線検出チップ２１０において、基準温度を検出するためのサーミスタ２１１をパッケージ基材２１２上に複数（例えば２個）搭載することによっても得られる。すなわち、同一温度における同一の入力値に対する出力値が、設計値として互いに同一の複数（２個）の半導体素子を設置した場合、同一の入力を印加しておくことにより、原理的には、同一の測定環境（温度環境等）であれば、同一の出力が得られる。逆に言えば、同一の入力値に対して異なる出力値となった場合、その相違は、設置位置等による測定環境（温度環境等）の相違、あるいは実際の物としての特性差（設計値とのズレ等）、あるいは同一にしているはずの入力値が実際には異なっているなどの設計値とのズレ等に起因するものと考えられる。
【００７８】
そして、これらの場合、例えば測定点から等距離に２つの半導体素子（サーミスタやダイオード等）を設置しておいて同一の入力値に対する出力を検出して平均すれば、上述の各種の誤差要因を相殺し得る。ただし、同様の方法（複数の平均を利用する方法）を採用するにしても、上述した耳式体温計１の赤外線検出チップ２１では、同一のシリコン基板８０に（すなわち同一特性を得やすい環境の下に）複数（２つ）のダイオードＤ１、Ｄ２を形成しているので、一体化との相乗作用により測定誤差の誤差要因を相殺し易い。
【００７９】
また、前述のように、同一の温度変化に対する出力の変化値が互いに異なる値となる２つの半導体素子（サーミスタやダイオード等）を用いて、それらの出力の差分に基づいて、温度検出をすることもできる。この場合、雑音や電位変動その他の測定環境の変動要素は、２つの半導体素子の出力に同様に影響することが多いので、一つではそれらが測定誤差として大きく影響しても、差分を求めることにより、それらの影響を相殺し得る。したがって、これにより、測定精度を向上できる。
【００８０】
この場合、上述の耳式体温計１の赤外線検出チップ２１の複数（２つ）のダイオードＤ１、Ｄ２のように、同一の温度変化に対する出力の変化値がそのときの入力値に対応して変化する半導体素子を用いた場合、これらに対して異なる値の入力（例えば前述の異なる値の順方向電流の印加等）をすることにより、その入力値の違いにより、同一の温度変化に対する出力の変化値が互いに異なる値となる２つの半導体素子となる。このため、これらの出力の差分（例えば前述の順方向電圧の差ΔＶＦ等）に基づいて、温度検出ができ、また、雑音や電位変動その他の測定環境の変動要素などによる測定誤差を相殺でき、これにより、測定精度を向上できる。
【００８１】
そして、この場合、上述の複数（２つ）のダイオードＤ１、Ｄ２のように、２つの半導体素子を、同一温度における同一の入力値に対する出力値が、設計値として互いに同一の半導体素子とすることにより、上述の各種の誤差要因の影響も同一に成りやすく、測定誤差を相殺しやすい。また、同様の方法（複数の差分を利用する方法）を採用するにしても、上述の赤外線検出チップ２１では、同一のシリコン基板８０に（すなわち同一特性を得やすい環境の下に）複数（２つ）のダイオードＤ１、Ｄ２を形成しているので、一体化との相乗作用により測定誤差の誤差要因を相殺し易い。また、複数（２つ）でも同様に（例えば同一工程で）形成できるので、大量生産・低廉化に適している。なお、差分を求める測定方法と平均を求める測定方法とを切り換えて使用することも可能になる。
【００８２】
また、上述の赤外線検出チップ２１では、バイナリレンズＢＬとサーモパイルチップＳＰＣとを接合して一体化しているため、導波管（導光管）等を使用する場合に比べて、外部の熱（誤差熱）による放射赤外線の影響（干渉）を低減でき、熱吸収体で受光する赤外線の入射角を制限でき、これにより、誤差要因を少なくして、測定精度を向上できる。また、一体化により基準温度（測定点の温度）とレンズ温度との温度差による測定誤差をも減少でき、また、この場合のダイオードＤ１、Ｄ２の形成（配置）位置は、図５（ｂ）でも前述のように、冷接点（原理的基準点）８３の近傍であるとともに、バイナリレンズＢＬとサーモパイルチップＳＰＣの接合部の近傍でもあるため、基準温度を検出すると同時にレンズ温度をも把握でき、レンズ特性（集光特性）等の温度補正等も可能になるので、さらに測定精度を向上できる。
【００８３】
そして、耳式体温計１（測温計）では、熱源の温度が人間の鼓膜温度であり、赤外線検出部２に上述のサーモパイルチップＳＰＣを含む赤外線検出チップ（赤外線検出素子）２１を備え、ダイオードＤ１、Ｄ２（感温部）の順方向電圧ＶＦ１、ＶＦ２の電圧差ΔＶＦから基準温度を求め、熱電堆８５の出力電圧と基準温度に基づいて、熱源Ｓの温度（体温：人間の鼓膜温度）を決定する測温値決定部（測温値決定手段）４をさらに備えるので、体温を測定する体温計として機能する。また、小型化・低廉化を図りつつ、温度検出の精度を向上できる赤外線検出チップ（赤外線検出素子）２１を利用するので、測温計としても、小型化・低廉化を図りつつ温度検出の精度を向上できる。
【００８４】
ところで、サーモパイル型の赤外線センサでは、一般に、例えば上記の基準温度に対して５００度程度高い温度を検出・測定する場合でも、黒体の温度上昇が１度以下とわずかであり、このことから、氷点下から１０００°Ｃ以上まで測っても、センサとしての劣化が少ないという利点があり、安定した測定が可能である。しかし、その反面、わずかな温度変化を迅速に検出するためには、応答性（感度）を高める必要がある。特に本実施形態のように、体温計等に使用する場合、実用上（例えば乳児や幼児の体温を身動きを我慢できる時間内に測定するなど）、迅速に測定する必要があり、それに対応できる感度が必要である。また、この感度を得るために、一つ一つの熱電対（サーモカップル）を長くしたり、熱電堆（サーモパイル）としての直列接続の数を増加させるのでは、全体が大きくかつ高価になってしまい、小型化・低廉化を図れるという利点が薄れてしまう。
【００８５】
そこで、耳式体温計１では、サーモパイル型を適用して小型化・低廉化を図りつつ、温度測定の感度を高める工夫を施している。以下、その点について説明する。
【００８６】
まず、原理的に、サーモパイル型の赤外線センサにおいて、感度を高めるためには、熱電堆（サーモパイル）を構成する温接点の部分の温度を少しでも高く、冷接点の部分の温度をできるだけ環境温度（室温等）に近づけて、両接点間の温度差を確保し、各熱電対の起電力（起電圧：両接点間電位差：出力電圧）を大きくすることである。そして、このためには、熱吸収体による赤外線の吸収を増加させ、それによる熱の冷接点側への伝導を減らす必要がある。
【００８７】
耳式体温計１のサーモパイルチップＳＰＣ（赤外線検出素子）にも適用可能な熱電堆８５としては、例えば図１４に示す構成が考えられる。同図（および図８または図１１参照）に示すように、この熱電堆８５の各熱電対８２は、２種の導電体としてアルミ（Ａｌ）９１およびポリシリコン（Ｓｉ−Ｐ）９２を有して構成され、黒体８１に近い側（薄膜層のみのメンブレン構造の部分の上面）に温接点８３、遠い側（ヒートシンクとなるシリコン基板８０の周辺部の上面）に冷接点８４が設けられている。
【００８８】
ここで、上記の構成を特性上から分割し、温接点８３の部分や黒体（熱吸収体）８１を支持する温接点支持領域と、冷接点８４の部分を支持する冷接点支持領域と、それらを連結する導電体９１、９２を支持する中間支持領域と、に分けて考える。この場合、前述のように、サーモパイルチップＳＰＣの基板は、主面側が温接点支持領域および中間支持領域となる板厚が薄い薄板部と、主面側が冷接点支持領域となる板厚が厚い厚板部と、薄板部と厚板部との板厚の差によって形成される中空部（保温部：メンブレン構造の下部）ＫＷと、を有する（図５、図７、図８等参照）。
【００８９】
この場合、中空部ＫＷは、何らかの熱伝導媒体がある場合に比べて熱の伝導を低減するので、いわゆる保温作用があり、これにより、温接点支持領域にある黒体８１や温接点８３、および熱電対の導電体９１、９２からの熱伝導を低減させ、温接点冷接点間の温度差を確保して、各熱電対８２の起電力（起電圧）を大きくし、温度測定の感度（測定感度）を高めることができる。前述のように、熱伝導率の高いシリコン（Ｓｉ）層から成る第１基板層８０の上に熱伝導率の低い酸化膜（ＳｉＯ）９４、９７や窒化膜（ＳｉＮ）９７等から成る第２基板層を形成（元の半導体基板となる）した後、裏面側から一般的な半導体製造工程であるエッチング工程において、中空部ＫＷを容易に形成できる。
【００９０】
すなわち、シリコン基板（第１基板層）８０の上に各種薄膜層（第２基板層）を形成することで元の半導体基板を形成でき、その一つの（元の）半導体基板に対して、中空部ＫＷに相当する部分をエッチングにより第２基板層に至るまで裏面側から削除することで、中空部ＫＷを形成できるので、半導体製造工程にて容易に形成できるとともに、温接点支持領域および中間支持領域となる薄板部は、熱伝導率の低い各種薄膜層（第２基板層）のみとなるので、保温に適し、冷接点支持領域となる厚板部には熱伝導率の高いシリコン基板（第１基板層）８０があるので、ヒートシンク機能を有して、冷接点８４を環境温度（室温等）に近づけて、温接点冷接点間の温度差を確保し、各熱電対８２の起電力を大きくするのに適している。
【００９１】
そして、上述までの作用は、図１４に示す構造にて得られるが、耳式体温計１のサーモパイルチップＳＰＣでは、図１５および図１６に示すように（図１６は図１５の▲１▼−▲２▼において冷接点８３側（図示右側）から見た断面の構成例を示す）、上述の各熱電対８２を構成する導電体９１、９２を支持する中間支持領域において、各熱電対８２を構成する一対の導電体９１、９２と隣接する熱電対８２の導電体との間に、主面から裏面側の中空部ＫＷに連通するスリット（中空連通路）９８を設けている。このスリット９８も、前述のように、上記の中空部ＫＷを形成するエッチング工程にて形成できるので、改めて特殊な工程を経ることなく形成できる。
【００９２】
この場合のスリット（中空連通路）９８は、上述の中空部ＫＷと同様に、何らかの熱伝導媒体がある場合に比べて熱の伝導を低減する保温作用があり、これにより、温接点８３側と冷接点８４側の相互間の熱伝導を低減させ、両接点間の温度差を確保して、各熱電対８２の起電力（起電圧）を大きくし、測定感度を高めることができる。また、この場合、スリット９８は、図示のように、温接点８３の部分と冷接点８４の部分とを接続する方向を長手方向とするので、その長手方向における保温作用（すなわち温接点冷接点間の温度差）を十分に確保しつつ、それと直交する方向（図１６の断面の図示左右方向）の密度は高くすることができるので、小型化に適している。
【００９３】
そして、耳式体温計１（測温計）では、熱源の温度が人間の鼓膜温度であり、赤外線検出部２に上述のサーモパイルチップＳＰＣを含む赤外線検出チップ（赤外線検出素子）２１を備え、さらにダイオードＤ１、Ｄ２（感温部）の順方向電圧ＶＦ１、ＶＦ２の電圧差ΔＶＦから基準温度を求め、熱電堆８５の出力電圧と基準温度に基づいて、熱源Ｓの温度（体温：人間の鼓膜温度）を決定する測温値決定部（測温値決定手段）４を備えるので、体温を測定する体温計として機能する。また、小型化・低廉化を図りつつ、温度検出の精度を向上でき、また感度を高くできる赤外線検出チップ（赤外線検出素子）２１を利用するので、測温計としても、小型化・低廉化を図りつつ温度検出の精度を向上でき、感度を高めることができる。
【００９４】
なお、図１５および図１６で上述の例では、各熱電対の一方の導電体（例えばアルミ（Ａｌ）９１）と隣接する熱電対８２の他方の導電体（例えばポリシリコン（Ｓｉ−Ｐ）９２）との間にスリット９８を設けているので、特に必要がなければ熱電堆８５の構成としては中空連通路を形成しない場合と同様の構成で良く、スリット９８を形成することにより、温接点冷接点間の熱伝導を低減させて温度差を確保し、起電力を大きくして、測定感度を高めることができる。
【００９５】
また、例えば図１７および図１８に示すように（図１８は図１７の▲３▼−▲４▼において冷接点８３側（図示右側）から見た断面の構成例を示す）、中間支持領域において、一方の導電体（例えばアルミ（Ａｌ））９１と、他方の導電体（例えばポリシリコン（Ｓｉ−Ｐ））９２との間に、酸化膜（ＳｉＯ）９９等を設けて、導電体９１、９２を上下に重ね、密度を高くしてさらに小型化を図ったり、図示のように、全体の表面積を変えずにスリット９８を大きくしてさらに測定感度を高めても良い。
【００９６】
また、スリット９８を一方または双方の導電体の幅内に設けることもできる。例えば図１９および図２０に示すように（図２０は図１９の▲５▼−▲６▼において冷接点８３側（図示右側）から見た断面の構成例を示す）、中間支持領域において、一方の導電体（例えばポリシリコン（Ｓｉ−Ｐ））９２の表面からスリット９８につながる開口部が設けられている。すなわち、この開口部はスリット９８に直接つながるので、中間支持領域における導電体の熱を中空連通路において保温し易くなり、温接点冷接点間の温度差を十分に確保でき、また、導電体間の密度は高くできるので、小型化に適している。また、この場合、導電体の上側の表面から貫通する開口部でなくても、その導電体の下側の表面につながる開口部（凹部）を設けるようにしても良い。
【００９７】
なお、一般に、良い熱電材料は、抵抗率が小さく、かつ、熱伝導率が小さいことが必要であり、この意味で、抵抗率が小さくても熱伝導率が大きく成りやすい金属より、抵抗率を小さく熱伝導率も小さい材料を得やすい半導体が多く用いられている。言い換えれば、単位温度差当たりの熱起電力を示す絶対熱起電能（いわゆるゼーベック係数）が普通の金属より桁違いに大きい半導体材料も得られる。このため、上述の熱電堆８５における一方の導電体であるポリシリコン（Ｓｉ−Ｐ）は、いわゆる５族元素のＰ（リン）をドナー不純物としてドープしたものであり、いわゆるｎ形半導体であるが、より抵抗率や熱伝導率が小さい半導体材料にも変更できる。
【００９８】
また、例えばいわゆる３族元素等のアクセプタ不純物をドープしたｐ形半導体を導電体として使用することもできる。また、上述の例では、他方の導電体は金属のアルミ（Ａｌ）としたが、熱電対の一対の導電体として、ｐ形半導体とｎ形半導体の組合せを用いても良い。この場合、ｐ形半導体とｎ形半導体のゼーベック係数は反対の極性なので、ｐ形半導体とｎ形半導体とを交互に直列接続した熱電堆とすることもできるし、それらの接続部（温接点や冷接点を担当する部分）にのみ、さらに抵抗率の小さい金属を用いることもできる。
【００９９】
なお、一般に、いわゆるケルビンの関係式やカルノーサイクルの効率式等に基づいて、熱電堆（または熱電発電器）としての効率（あるいはそれらの使用する各種材質の性能係数、ペルチェ係数やトムソン係数等）を考慮すれば、高い効率（あるいは感度）に到達できる。また、一方または双方の導電体として金属を使用する場合でも、温接点冷接点間（すなわち中間支持領域上）のみ熱伝導率の小さい金属や半導体により中継する（中間導体として使用する）ことにより測定感度を向上することもできる。
【０１００】
ところで、上述の実施形態の耳式体温計１では、図５（ｂ）で前述のように、サーモパイルチップＳＰＣの表面に直接接触（接合）するようにバイナリレンズＢＬを設けて、赤外線検出チップ２１として一体化し、このバイナリレンズＢＬとサーモパイルチップＳＰＣの接合部の近傍で、かつ、冷接点（原理的基準点）近傍にするため、具体的には、図２で前述の基準点感温素子７３としてＰＮダイオードＰＮＤ（ダイオードＤ１、Ｄ２）を冷接点８４のほぼ直下に形成した（図８参照）。
【０１０１】
しかし、バイナリレンズＢＬとサーモパイルチップＳＰＣの接合部の近傍で、かつ、冷接点（原理的基準点）近傍の条件を満たす位置であれば、ＰＮダイオードＰＮＤ（ダイオードＤ１、Ｄ２）を別の位置に形成しても良いし、また、バイナリレンズＢＬやサーモパイルチップＳＰＣとしても、別の構成が考えられる。以下、これらの変形例について、説明する。
【０１０２】
まず、ＰＮダイオードＰＮＤ（ダイオードＤ１、Ｄ２）を、図５（ｂ）で前述のバイナリレンズＢＬ側に形成することもできる。また、そのバイナリレンズＢＬを、図２１に示すように、例えばバイナリレンズチップＢＬＣとダイオードチップＤＤＣに分割形成しても良い。もちろん、ＰＮダイオードＰＮＤ（ダイオードＤ１、Ｄ２）を形成しなくても、バイナリレンズＢＬを複数に分割して形成できるが、以下では、効率的に説明するため、上記の双方を採用し、バイナリレンズＢＬを、バイナリレンズチップＢＬＣとダイオードチップＤＤＣに分割形成し、かつ、ＰＮダイオードＰＮＤ（ダイオードＤ１、Ｄ２）を、ダイオードチップＤＤＣに形成する場合について説明する。
【０１０３】
本例では、図２１（ａ）および図２２に示すように、赤外線チップ１２は、バイナリレンズチップＢＬＣ（ただし、図２１（ａ）では図５（ｂ）と同様にバイナリエレメントＢＬｂを誇張して図示）と、ダイオードチップＤＤＣと、サーモパイルチップＳＰＣ（ただし、ＰＮダイオードＰＮＤはダイオードチップＤＤＣ側に形成するため除く）と、を備え、それらを接合して一体化している。これらは全て、前述と同様に、所定のシリコン（またはゲルマニュウム）基板に対して、エッチング等により形成した後に接合する。また、接合後には、ボンディングワイヤ２６を片側（図示左側）からのみ引き出して、回路基板３に接続する。
【０１０４】
まず、バイナリレンズＢＬ（バイナリレンズチップＢＬＣ＋ダイオードチップＤＤＣ）は、図５（ｂ）で前述のバイナリレンズＢＬと同様に、エッチング（所定の半導体製造工程）により加工形成でき、組成を工夫することにより、可視光を遮断する赤外線フィルタとしての機能を兼備させることが可能であるが、さらに波長領域を絞るための赤外線コーティングを施している。これらの場合、バイナリレンズは、多段構成のバイナリエレメントＢＬｂを構成することにより形成できるので、通常の曲面から成るレンズ等に比べて、レンズとしての同一の集光精度を確保するための成形が容易であり、これにより、低廉化が図れる。
【０１０５】
また、本例では、ダイオードチップＤＤＣの下部（サーモパイルチップＳＰＣとの接合部）には、図２１（ｂ）および図２２（ｂ）に示すように、図２で前述の基準点感温素子７３のＰＮダイオードＰＮＤとして、２つのダイオード（図１２のダイオードＤ１およびＤ２）が形成されている。
【０１０６】
具体的には、まず、カソード端子ＤＫＴ１に接続されたダイオードカソードパターンＤＫＰ１、それに対応するＮ＋領域ＤＮ１、カソード端子ＤＫＴ２に接続されたダイオードカソードパターンＤＫＰ２、それに対応するＮ＋領域ＤＮ２、共通のアノード端子ＤＡＴに接続されて２方向のうちの一方に延びるダイオードアノードパターンＤＡＰ１、それに対応するＰ＋領域ＤＰ１、上記アノード端子ＤＡＴに接続されて２方向のうちの他方に延びるダイオードアノードパターンＤＡＰ２、それに対応するＰ＋領域ＤＰ２が形成されている。
【０１０７】
この場合、まず、ダイオードチップＤＤＣのシリコン基板１８０の表面（図示の下面側）に酸化膜（ＳｉＯ）１０５をパターニングして形成し、Ｐ＋領域ＤＰ１（およびＤＰ２）やＮ＋領域ＤＮ１（およびＤＮ２）をドープにより形成し、その後、改めて酸化膜（ＳｉＯ）１０６や窒化膜（ＳｉＮ）１０７などの薄膜層（半導体層）、あるいはアルミ（Ａｌ）から成るダイオードアノードパターンＤＡＰ１（およびＤＡＰ２）やダイオードカソードパターンＤＫＰ１（およびＤＫＰ２）などの金属層、その他の端子（アノード端子ＤＡＴ等）など、種々の金属・半導体の層をパターニングして形成する。
【０１０８】
この場合、できる限り、図２１（ｂ）および（ｃ）に示す関係に近いように（図２２（ｂ）（ｃ）も参照）、すなわち、熱電堆８５の冷接点８４のほぼ直上部にダイオード領域１０３が形成されるように、上記のＰ＋領域ＤＰ１（およびＤＰ２）やＮ＋領域ＤＮ１（およびＤＮ２）を設ける。これにより、基準温度検出の原理的基準点である冷接点８４の直上部に感温部（ダイオードＤ１、Ｄ２）が配置されることになるので、測定点と基準点との距離や環境差に基づく測定誤差をさらに小さくでき、測定精度をさらに向上できる。
【０１０９】
また、本例では、赤外線チップ１２としての端子となるＤＡ、ＤＫ１、ＤＫ２（図７等で前述の例と同じ）に、上述の感温部（ダイオードＤ１、Ｄ２）の出力を接続するため、図２２（ｃ）に示すように、サーモパイルチップＳＰＣ側に、接合用端子ＤＡＳ、ＤＫＳ１、ＤＫＳ２が設けられ、それぞれ同図（ｂ）で上記のダイオードチップＤＤＣの各端子ＤＡＴ、ＤＫＴ１、ＤＫＴ２に対応している。対応する端子は、図２１（ｂ）および（ｃ）で前述の部分より周辺部に、すなわち図２２（ｂ）および（ｃ）に示す位置に設けられ、図２３（ａ）に示すように、相対する各端子を構成するアルミ（Ａｌ）層を半田１１０により接続している（同図（ｂ）参照）。
【０１１０】
また、前述のように、本例においては、上記の赤外線チップ１２としての各端子ＤＡ、ＤＫ１、ＤＫ２から、図２１（ａ）に示すように、ボンディングワイア２６を引き出して、回路基板３に接続する。
【０１１１】
そして、上述の例の場合も、耳式体温計１（測温計）では、熱源の温度が人間の鼓膜温度であり、赤外線検出部２に、上述のバイナリレンズチップＢＬＣ、ダイオードチップＤＤＣ、サーモパイルチップＳＰＣなどを含む赤外線検出チップ（赤外線検出素子）１２を備え、さらにダイオードＤ１、Ｄ２（感温部）を利用して電圧差ΔＶＦから基準温度を求め、熱電堆８５の出力電圧と基準温度に基づいて、熱源Ｓの温度（体温：人間の鼓膜温度）を決定する測温値決定部（測温値決定手段）４を備えるので、体温を測定する体温計として機能する。また、小型化・低廉化を図りつつ、温度検出の精度を向上でき、また感度を高くできる赤外線検出チップ（赤外線検出素子）１２を利用するので、測温計としても、小型化・低廉化を図りつつ温度検出の精度を向上でき、感度を高めることができる。
【０１１２】
なお、上述の例では、Ｐ＋領域ＤＰ１（およびＤＰ２）やＮ＋領域ＤＮ１（およびＤＮ２）の他に、それと接触するように、ダイオードアノードパターンＤＡＰ１（およびＤＡＰ２）やダイオードカソードパターンＤＫＰ１（およびＤＫＰ２）などを設けて、ダイオードとして同電位と成るべき箇所の電位差を無くすようにして、より確実な動作を確保しているが、性能や動作上の問題が無ければ、図７〜９等で前述したのと同様に、Ｐ＋領域ＤＰ１（およびＤＰ２）やＮ＋領域ＤＮ１（およびＤＮ２）から各端子ＤＡＴ、ＤＫＴ１、ＤＫＴ２に直接接続して、各パターンＤＡＰ１、ＤＡＰ２、ＤＫＰ１、ＤＫＰ２等を省略することもできる。また、必要に応じて、周辺側に配置したＰ＋領域ＤＰ１（およびＤＰ２）と内側に配置したＮ＋領域ＤＮ１（およびＤＮ２）との関係を逆にしても良い。
【０１１３】
また、上述の例では、バイナリレンズチップＢＬＣとダイオードチップＤＤＣとを水平面において分割したが、バイナリレンズチップＢＬＣの下面（サーモパイルチップＳＰＣ側の面）の形状に合わせて接合しやすいように、ダイオードチップＤＤＣの形状を形成しても良い。また、このため、バイナリレンズチップＢＬＣの一部はそのまま（ダイオードチップＤＤＣを介さずに）サーモパイルチップＳＰＣに接合しても良い。
【０１１４】
したがって、バイナリレンズＢＬを分割形成する場合であっても、サーモパイルチップＳＰＣに直接接合する部分（接合部の一部）にＰＮダイオードＰＮＤ（ダイオードＤ１、Ｄ２）を形成することもできる（図５（ｂ）で前述のバイナリレンズＢＬ側に形成するのと同様になる）。この場合、バイナリレンズチップＢＬＣも、例えばシリコン等の半導体から成るので、薄膜形成やエッチング等が容易であり、感温部となる半導体素子（感温素子：例えばダイオード）を一体形成し易く、小型化・低廉化に適している。
【０１１５】
すなわち、上述の例では、ＰＮダイオードＰＮＤ（ダイオードＤ１、Ｄ２）を形成するために、「ダイオードチップ」と呼んだが、本質的な意味は、バイナリレンズチップ（レンズ基板）ＢＬＣをサーモパイルチップ（半導体基板）ＳＰＣに接合する接合部として加工形成された半導体から成る接合基板であり、必要に応じた形状に加工することにより、レンズとして加工形成したバイナリレンズチップＢＬＣをサーモパイルチップＳＰＣにピッタリと接合できる。もちろん、ダイオードチップＤＤＣも、例えばシリコン等の半導体から成るので、薄膜形成やエッチング等が容易であり、感温部となる半導体素子（感温素子：例えばダイオード）を一体形成し易く、小型化・低廉化に適している。
【０１１６】
また、上述の例では、ボンディングワイヤ２６を片側（図示左側）からのみ引き出す（回路基板３に接続する）が、左右両側からでも良いし、周辺部全域から取り出せるように、サーモパイルチップＳＰＣをバイナリレンズＢＬ（バイナリレンズチップＢＬＣ＋ダイオードチップＤＤＣ）より一回り大きく形成することもできる（この点、図５（ｂ）で前述の例でも同様である）。
【０１１７】
また、サーモパイルチップＳＰＣ側にＰＮダイオードＰＮＤ（ダイオードＤ１）を形成する場合、図８や図１１で前述の例では、冷接点８４の近傍として冷接点８４の直下にダイオードを構成したが、図２１〜２３で上述のバイナリレンズチップＢＬＣ側に形成する場合と同様に、冷接点８４の近傍としてその周囲に構成しても良い（前述したが、図７や図９では見やすさを重視して表面に図示しているので、ほぼ図７や図９で図示する位置にダイオードを設ければ、冷接点８４の周囲に構成できる）。この場合、図２１〜２３で上述の例と同様に（ただし上下逆の関係となるように）、例えば図２４に示すように、ダイオードアノードパターンＤＡＰ１（およびＤＡＰ２）やダイオードカソードパターンＤＫＰ１（およびＤＫＰ２）などを設けて、ダイオードとして同電位と成るべき箇所の電位差を無くすようにして、より確実な動作を確保するようにしても良い。
【０１１８】
なお、上述の実施形態では、耳式体温計の例を挙げたが、熱源からの赤外線の放射を利用してその熱源の温度を測定するものであれば、他のタイプの体温計はもちろんのこと、他のタイプの測温計にも利用でき、また、測温値を表示等するものでなくても、測定（検出）した温度を用いて各種の制御を行う装置など、他の応用も可能である。また、これらに利用する場合に、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更も可能である。
【０１１９】
【発明の効果】
上述のように、本発明の赤外線検出素子および測温計によれば、サーモパイル型を適用して小型化・低廉化を図りつつ、温度測定の感度を高めることができる、などの効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る赤外線検出素子および測温計を適用した耳式体温計の断面図である。
【図２】図１の耳式体温計の測温系のブロック図である。
【図３】図１の耳式体温計に対応する従来の一例の断面図である。
【図４】図３および図１の耳式体温計における赤外線誘導の原理説明図である。
【図５】図３および図１の耳式体温計における赤外線検出チップの概略断面を示す説明図である。
【図６】図３の耳式体温計における赤外線センサの斜視図である。
【図７】図１の耳式体温計におけるサーモパイルチップの斜視図である。
【図８】図７のサーモパイルチップの半導体構造の一例を示す原理説明図である。
【図９】図７に対応して上面から見たときの平面図である。
【図１０】別の一例を示す、図９と同様の平面図である。
【図１１】図１０に対応する、図８と同様の説明図である。
【図１２】図２のアンプ７１の一例を示す回路構成図である。
【図１３】図１２の回路の作動を説明するための理論式の例を示す図である。
【図１４】熱電堆の構造の一例を示す説明図である。
【図１５】スリットを設ける場合の一例を示す、図１４と同様の説明図である。
【図１６】図１５に対応する断面の一例を示す説明図である。
【図１７】別の一例を示す、図１５と同様の説明図である。
【図１８】図１７に対応する、図１６と同様の説明図である。
【図１９】さらに別の一例を示す、図１５と同様の説明図である。
【図２０】図１９に対応する、図１６と同様の説明図である。
【図２１】図１の耳式体温計における赤外線検出チップの別の一例を示す、図５および図８と同様の説明図である。
【図２２】図２１の赤外線チップの構造およびその接合方法の一例を示す説明図である。
【図２３】図２２の接合部分の断面の説明図である。
【図２４】別の一例を示す、図８と同様の説明図である。
【符号の説明】
１ 耳式体温計
２ 赤外線受光検出部
３ 回路基板
４ 測温値決定部
２１ 赤外線検出チップ
８０ 半導体基板
８１ 黒体（熱吸収体）
８２ 熱電対
８３ 温接点
８４ 冷接点
８５ 熱電堆
９１、９２ …… 導電体
９８ スリット
ＢＬ バイナリレンズ
ＢＬＣ バイナリレンズチップ
Ｄ１、Ｄ２ …… ダイオード
ＤＡ アノード端子
ＤＤＣ ダイオードチップ
ＤＫ１、ＤＫ２ …… カソード端子
ＤＮ１、ＤＮ２ …… Ｎ＋領域
ＤＰ１、ＤＰ２ …… Ｐ＋領域
ＫＷ 中空部
ＰＮＤ ＰＮダイオード
ＳＰＣ サーモパイルチップ[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an infrared detection element and a thermometer.
[0002]
[Prior art]
Infrared detectors and thermometers using them include so-called infrared sensors that detect (sense) infrared rays emitted from heat sources and convert them into electrical signals (detected or measured temperatures (temperature readings)) The whole process until the determination is sometimes referred to as an “infrared sensor”, but in the following, mainly refers to the process until infrared rays are converted into electric signals). In general, this type of infrared sensor uses the Seebeck effect of thermocouples (thermocouples) or thermocouples (thermopiles) connected in series to detect temperature changes due to infrared radiation absorption as thermoelectromotive force ( The thermopile type to be measured), pyroelectric type to detect the change of floating charge due to polarization according to the thermal energy of infrared in the base material composed of ceramics etc. (using the pyroelectric effect), and other thin films such as metal A bolometer that detects a change in resistance value due to heat of a thermosensitive resistor formed by an extra fine wire (using a resistance change) is known.
[0003]
Among these, in the pyroelectric sensor, since polarization occurs only at the moment when thermal energy is applied, it is necessary to provide a shutter on the optical path, and alternately measure the surface to be measured and the reference point temperature. Although it has difficulty in measurement accuracy and can be used for a “human body detection sensor” of an automatic door, it is not suitable for a high accuracy, such as a thermometer, which requires miniaturization and cost reduction. In addition, unlike the other two who detect the relative temperature difference from the reference temperature, the bolometer has the merit of being able to measure absolute temperature, but detection (measurement) accuracy due to error factors such as self-heating due to measurement current and current noise There is a problem in terms of reduction in the number and complexity in handling and handling such as requiring a bias power source. On the other hand, the thermopile type does not use a transient phenomenon like the pyroelectric type, and because a measurement current such as a bolometer is unnecessary, stable temperature detection and measurement are possible. Since it is possible to reduce the size and cost by using the process of manufacturing semiconductors, it is suitable for thermometers such as thermometers.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Infrared detectors equipped with thermopile-type infrared sensors and thermometers that use them, basically contact points (thermal contacts) on the heat absorber (so-called black body) side that receives infrared rays from thermopile Between the hot junction and the cold junction based on the output voltage is detected. Temperature difference), and the temperature of the heat source (temperature measurement value: thermometer) from the reference temperature and the above-mentioned temperature difference between the contacts by detecting the reference temperature separately from other temperature detection means (temperature sensing element, etc.) Etc. to determine body temperature).
[0005]
By the way, in the thermopile type, for example, even when detecting and measuring a temperature about 500 degrees higher than the above-mentioned reference temperature, the temperature rise of the black body is as small as 1 degree or less. Even if it measures to the above, there exists an advantage that there is little deterioration as a sensor, and stable measurement is possible. However, in order to detect a slight temperature change quickly, it is necessary to improve the response (sensitivity). In particular, when used for a thermometer, etc., it is necessary to measure quickly and practically (for example, within the measurement time that can be put up when measuring the body temperature of infants and young children), and sensitivity that can respond to it is necessary. . Also, in order to obtain this sensitivity, if each thermocouple (thermocouple) is lengthened or the number of series connections as a thermopile (thermopile) is increased, the whole becomes large and expensive. Therefore, the advantage of being able to reduce the size and cost is reduced.
[0006]
It is an object of the present invention to provide an infrared detection element capable of increasing the sensitivity of temperature measurement while applying a thermopile type to reduce the size and cost, and a thermometer using the infrared detection element.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The infrared detection element of the present invention comprises a semiconductor substrate, and a thermopile that is formed on the main surface of the semiconductor substrate and generates a voltage based on the temperature of a heat absorber that receives infrared rays. A portion of the hot junction of the thermocouple constituting the thermopile that is close to the heat absorber and a hot junction support region that supports the heat absorber, and a portion of the thermocouple far from the heat absorber. A cold junction support region for supporting a cold junction portion; and connecting the hot junction portion and the cold junction portion to support a conductor constituting each of the thermocouples; An intermediate support region that connects between the cold junction support region, and the intermediate support region is provided with a hollow communication path that communicates from the main surface to the back surface on the opposite side, and constitutes the thermopile At least one of the conductors to be Wherein the openings in the serial intermediate supporting region leading to the hollow communication passage is provided.
[0008]
Since this infrared detecting element includes a semiconductor substrate and a thermopile that is formed on the main surface of the semiconductor substrate and generates a voltage based on the temperature of a heat absorber that receives infrared rays, a so-called thermopile type infrared sensor is provided. In addition, it is possible to reduce the size and cost by using a semiconductor manufacturing process. Here, in principle, in order to increase the sensitivity of the thermopile type infrared sensor, the temperature of the hot junction part on the side close to the heat absorber of each thermocouple constituting the thermopile (thermopile) is slightly increased. The temperature of the cold junction on the side far from the heat absorber of each thermocouple is brought as close as possible to the ambient temperature (room temperature, etc.) to ensure a temperature difference between the two junctions, and the electromotive force (electromotive voltage: This is to increase the potential difference between both contacts (output voltage). For this purpose, it is necessary to increase the absorption of infrared rays by the heat absorber and thereby reduce the conduction of heat to the cold junction side. Therefore, in this infrared detection element, in the semiconductor substrate, the hot junction support region for supporting the hot junction portion and the heat absorber of each thermocouple, the cold junction support region for supporting the cold junction portion of each thermocouple, A hollow communication passage that communicates from the main surface to the back surface on the opposite side to the intermediate support region, which is a region connecting them, and the intermediate support region that supports the conductors constituting each thermocouple. Is provided. In this case, the hollow communication path reduces the heat conduction compared to the case where there is some heat conduction medium, so there is a so-called heat retention action, thereby reducing the heat conduction between the hot junction side and the cold junction side. Thus, the temperature difference between both contacts can be secured, the electromotive force (electromotive voltage) of each thermocouple can be increased, and the temperature measurement sensitivity (measurement sensitivity) can be increased.
Further, in this infrared detection element, at least one of the conductors constituting the thermopile is provided with an opening connected to the hollow communication path in the intermediate support region. That is, since the opening is directly connected to the hollow communication path, it is easy to keep the heat of the conductor in the intermediate support region in the hollow communication path, and a sufficient temperature difference between the hot junction cold junction can be secured. Since the density between them can be increased, it is suitable for miniaturization.
[0009]
Also, Above In the infrared detecting element, the hollow communication path is preferably formed in a slit shape having a longitudinal direction in a direction connecting the hot junction portion and the cold junction portion.
[0010]
In this infrared detection element, the hollow communication path is formed in a slit shape whose longitudinal direction is the direction connecting the hot junction part and the cold junction part. For this reason, it is suitable for miniaturization because the heat retention effect in the longitudinal direction (that is, the temperature difference between the hot junction examples) can be sufficiently ensured and the density in the direction perpendicular thereto can be increased.
[0015]
Also, Each of the above In the infrared detection element, the semiconductor substrate has a thin plate portion with the main surface side serving as the hot junction support region and the intermediate support region and a thin plate portion with the main surface side serving as the cold junction support region. It is preferable to have a plate portion and a hollow portion formed by a difference in plate thickness between the thin plate portion and the thick plate portion.
[0016]
In this infrared detection element, the semiconductor substrate has a thin plate portion whose main surface side is a hot junction support region and an intermediate support region, a thin plate portion, a thick plate portion whose main surface side is a cold junction support region, and a thin plate portion And a hollow part formed by a difference in plate thickness between the thick plate part and the thick plate part. In this case, since the hollow portion reduces heat conduction compared to the case where there is any heat conduction medium, there is a so-called heat retaining action, and thereby, the heat absorber or the hot junction in the hot junction support region, and the thermocouple. The heat conduction from the conductor can be reduced, the temperature difference between the hot and cold junctions can be secured, the electromotive force of each thermocouple can be increased, and the measurement sensitivity can be increased.
[0017]
Also, Above In the infrared detecting element, the hollow communication path is preferably formed in a semiconductor manufacturing process for forming the hollow portion so as to communicate with the hollow portion.
[0018]
In this infrared detection element, the hollow communication path is formed in a semiconductor manufacturing process in which the hollow portion is formed so as to communicate with the hollow portion. For this reason, a hollow communicating path can be formed in the semiconductor manufacturing process which forms a hollow part, without passing through a special process anew.
[0019]
Also, Above In the infrared detecting element, the semiconductor manufacturing process for forming the hollow portion is performed on the hollow portion of the original semiconductor substrate in which the second substrate layer having a low thermal conductivity is formed on the first substrate layer having a high thermal conductivity. It is preferable that it is a process of deleting a corresponding part from the back surface side until it reaches the second substrate layer.
[0020]
In this infrared detecting element, the semiconductor manufacturing process for forming the hollow portion corresponds to the hollow portion of the original semiconductor substrate in which the second substrate layer having a low thermal conductivity is formed on the first substrate layer having a high thermal conductivity. In this step, the portion is deleted from the back side until reaching the second substrate layer. That is, the original semiconductor substrate can be formed by forming the second substrate layer on the first substrate layer, and the hollow portion can be formed by removing the portion corresponding to the hollow portion from the back side until reaching the second substrate layer. Can be easily formed in the semiconductor manufacturing process, and the thin plate portion serving as the hot junction support region and the intermediate support region is only the second substrate layer having a low thermal conductivity. Since the thick plate part, which is the support area, has a first substrate layer with high thermal conductivity, it has a heat sink function and brings the cold junction close to the ambient temperature (room temperature, etc.), and the temperature difference between the hot junction cold junction And is suitable for increasing the electromotive force of each thermocouple.
[0021]
Also, Above In the infrared detecting element, the first substrate layer is preferably composed of a silicon layer, and the second substrate layer is preferably composed of a silicon oxide film or a nitride film.
[0022]
In this infrared detection element, the first substrate layer of the semiconductor substrate is formed of a silicon layer, and the second substrate layer is configured to have a silicon oxide film or a nitride film. Since it is a substrate mainly made of silicon, it is easy to form a thin film by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method (chemical vapor deposition method) or the like, and it can also function as a heat sink for a cold junction of a thermopile. In addition, since it is a silicon substrate, it is easy to form a thin film, etch, and the like, so that various semiconductor elements (such as a temperature-sensitive part described later: a temperature-sensitive element: for example, a diode) can be easily formed integrally. That is, it is easy to form by a general manufacturing method in semiconductor manufacturing, and is therefore suitable for miniaturization and cost reduction.
[0023]
Also, Each of the above-described hollow communication paths formed in the semiconductor manufacturing process In the infrared detection element, the semiconductor manufacturing process for forming the hollow portion is preferably an etching process.
[0024]
In this infrared detection element, the semiconductor manufacturing process for forming the hollow portion is an etching process. That is, the hollow portion can be easily formed in an etching process which is a general semiconductor manufacturing process.
[0025]
Also, Each of the above The infrared detection element preferably further includes a reference temperature detection means for detecting a reference temperature of the thermopile.
[0026]
This infrared detection element further includes a reference temperature detection means for detecting the reference temperature of the thermopile so that not only an electromotive voltage (output voltage) corresponding to a relative temperature difference (temperature difference between the contacts) between the hot junction cold junctions. The reference temperature of the thermopile can be detected, whereby the temperature of the heat source that emits infrared light can be measured.
[0027]
Also, Above In the infrared detecting element, it is preferable that the temperature sensing portion of the reference temperature detecting means is integrally formed in the semiconductor structure in which the thermopile is formed.
[0028]
In this infrared detecting element, the temperature sensing part of the reference temperature detecting means is integrally formed in the semiconductor structure in which the thermopile is formed, so that the distance from the thermopile can be shortened, thereby detecting the reference temperature of the thermopile. The measurement error can be reduced and the measurement accuracy can be improved. Further, the overall size can be further reduced, and it is suitable for mass production, so that the cost can be further reduced.
[0029]
Also, Each of the above-mentioned each provided with the reference temperature detecting means In the infrared detection element, the reference temperature detection means includes a plurality of semiconductor elements whose input / output characteristics change according to a temperature change of the reference temperature as a temperature sensing unit, and based on outputs from the plurality of semiconductor elements. Preferably, the reference temperature is detected.
[0030]
This infrared detection element has a plurality of semiconductor elements (temperature-sensitive elements: diodes, for example) whose input / output characteristics change according to the temperature change of the reference temperature as the temperature sensing unit, and based on outputs from the plurality of semiconductor elements. Detect the reference temperature. In this case, based on the output of a plurality of semiconductor elements, an average value or a difference can be obtained. Therefore, an environmental difference due to a difference in the arrangement position of the semiconductor elements, a characteristic difference between them, a theory It is possible to cancel out error factors such as deviation from the value (design value), noise and other measurement environment fluctuations, thereby further improving measurement accuracy.
[0031]
Also, Each of the above-mentioned each provided with the reference temperature detecting means The infrared detection element further includes an infrared lens that is bonded onto the main surface of the semiconductor substrate and condenses the infrared light on the heat absorber, and the temperature sensing portion of the reference temperature detection means includes the semiconductor substrate and the infrared light. It is preferable that the lens is disposed in the vicinity of the joint with the lens.
[0032]
This infrared detection element is further provided with an infrared lens that is bonded onto the main surface of the semiconductor substrate and condenses the infrared light on the heat absorber, so that compared with the case where a waveguide (light guide tube) or the like is used. In addition to reducing the influence (interference) of radiated infrared rays caused by external heat (error heat), it is possible to limit the incident angle of infrared rays received by the heat absorber, thereby reducing error factors and improving measurement accuracy. . In addition, since they are integrated by bonding, a measurement error due to a temperature difference between the reference temperature (temperature at the measurement point) and the lens temperature can be reduced. Further, in this case, since the temperature sensing part of the reference temperature detecting means is arranged in the vicinity of the junction between the semiconductor substrate and the infrared lens, the lens temperature can be grasped at the same time as the reference temperature is detected, and the lens characteristics (condensing light) Temperature correction and the like can be performed, so that the measurement accuracy can be further improved.
[0033]
In addition, the present invention Measurement The thermometer Above Any of The An infrared detection element, and an output voltage of the infrared detection element from the thermopile and That Based on reference temperature ,Previous Temperature measurement value determining means for determining the temperature of the heat source that radiates the infrared rays.
[0034]
In this thermometer, Above Output voltage from the thermopile of the infrared detection element and infrared detection element That It is equipped with a temperature measuring value determining means that determines the temperature of the heat source that radiates the received infrared rays based on the reference temperature, so it is applied to a thermometer that measures the temperature of the heat source that emits infrared rays, for example, a thermometer that measures body temperature it can. In addition, since the infrared detecting element that can improve the temperature detection accuracy while reducing the size and the cost is used, the thermometer can improve the accuracy of the temperature detection while reducing the size and the cost.
[0035]
Also, Above The temperature of the heat source Is The eardrum temperature is preferably human.
[0036]
This thermometer can be applied to an ear-type thermometer because the temperature of the heat source is the human eardrum temperature.
[0037]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an ear thermometer to which an infrared detection element and a thermometer according to an embodiment of the present invention are applied will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
[0038]
As shown in FIGS. 1 and 2, the
[0039]
As shown in FIG. 1, the
[0040]
The temperature measurement
[0041]
Further, the
[0042]
Specifically, first, the power switch SW6 and the temperature measuring switch SW4 are connected to the input port of the
[0043]
Next, in this measurement (preparation OK) state, when the temperature measurement switch SW4 is pressed by the user, the
[0044]
When the temperature measurement value calculation (temperature value determination) is completed, the temperature measurement value is displayed on the
[0045]
As shown in FIG. 1, the infrared light
[0046]
When using the
[0047]
By the way, as described above, in the infrared light
[0048]
On the other hand, even an ear-type thermometer using a thermopile type infrared sensor similarly has a type that guides light using a waveguide (light guide, waveguide, etc.). For example, as shown in FIG. 3, in this type of
[0049]
First, in the
[0050]
On the other hand, in the
[0051]
As shown in FIG. 4A (as in the ear-type thermometer 100), when guiding infrared rays using the
[0052]
A thermometer (or infrared detector) equipped with a thermopile type infrared sensor, in principle, has a contact (hot contact) on the heat absorber (so-called black body) side that receives infrared rays and a contact on the reference temperature side. The electromotive force (output voltage) generated according to the temperature change of the black body is detected with the (cold junction), and the temperature difference between the hot junction cold junctions (temperature difference between the junctions) is calculated based on the output voltage. Apart from that, the reference temperature is measured by another temperature detection means (such as a temperature sensing element), and the temperature of the heat source S is determined from the reference temperature and the temperature difference between the contacts (temperature measurement value: body temperature in a thermometer). To decide. For this reason, if there is a temperature difference between the measured (detected) reference temperature and the temperature of the cold junction, it also causes an error and affects the measurement accuracy.
[0053]
With respect to this point, as described above with reference to FIG. 5A, in the
[0054]
Further, in FIG. 4B, the binary lens BL is shown separated from the thermopile chip SPC in order to explain the principle, so that it seems that the
[0055]
With respect to these points, in the
[0056]
That is, by arranging the measurement point of the reference temperature in the vicinity of the cold junction (principal reference point), the measurement error due to the temperature difference between the reference temperature and the cold junction temperature is reduced, and the binary lens BL is integrated. By disposing a reference temperature measurement point in the vicinity of the junction point, a measurement error due to a temperature difference between the reference temperature measurement point and the lens temperature can be reduced. In addition, by using the PN diode PND that is easy to be integrally formed in the semiconductor manufacturing process as the reference point
[0057]
Hereinafter, the above-described configuration will be described in detail. First, in the
[0058]
Further, a
[0059]
6, not only the
[0060]
In addition to the above configuration, in the thermopile chip SPC, as shown in FIGS. 7, 8, and 9, in the vicinity (substantially immediately below) of the cold junction (basic reference point: theoretical reference point), FIG. Thus, a PN diode PND is formed as the reference point
[0061]
Further, in the thermopile chip SPC, as shown in FIGS. 7 and 9, two diodes (diodes D1 and D2 described later in FIG. 12) are actually formed as the PN diode PND of the reference point
[0062]
Conventionally, for example, in the
[0063]
That is, thereafter, as in the prior art, the thin film formation, the thermocouple formation, the electrode formation, and the black body (gold black) formation are performed so as to form the layers shown in FIG. Etching up to oxide film (SiO2) 94 according to patterning to form a membrane structure, squave break, single unit inspection (chip inspection), assembly, etc. according to handling needs (joint bonding of binary lens BL manufactured in parallel) Including).
[0064]
Since the oxide film (SiO 2) 94 or the like serves as a stopper against etching or the like from the back surface at the time of forming the membrane structure, a portion where a
[0065]
The above-described diode element constitutes the reference point
[0066]
In the
[0067]
The forward voltage VF1 is amplified via an operational amplifier (hereinafter simply referred to as “amplifier”) U6 (amplified by the amplifier U6), and the forward voltage VF2 is amplified via an amplifier U7 (amplified by the amplifier U7). The voltage difference Vout (hereinafter referred to as “ΔVF” (delta VF), where ΔVF = VF1−VF2) is obtained by inputting to U8. This voltage difference ΔVF becomes the output of the
[0068]
In general, a semiconductor element has predetermined characteristics with respect to heat (temperature), light, and the like, and a diode also has predetermined temperature characteristics. The basic equations (theoretical equations) of the forward current IF and the forward voltage VF in the case of the diode are as shown in equations (1) and (2) in FIG. Therefore, in principle, only one set of the above two sets in FIG. 12 (two sets of diode D1 + transistor J1 + resistor R1 and one set of diode D2 + transistor J2 + resistor R2) is used as a reference. Can detect temperature. That is, the
[0069]
In contrast, the thermopile chip SPC of the
[0070]
In this case, the theoretical formula of the voltage difference ΔVF = VF1−VF2 between the forward voltage VF1 due to the forward current IF1 and the forward voltage VF2 due to the forward current IF2 is the expression (3) in FIG. It becomes like this. Here, since two diodes D1 and D2 formed in the same chip (same semiconductor substrate: same silicon substrate 80) can obtain substantially the same characteristics as the diode, for example, the reverse saturation current IS1 of the diode D1. And the reverse saturation current IS2 of the diode D2 are the same. In this case, the theoretical formula of the voltage difference ΔVF is as shown in the equation (4) in FIG. That is, even if the diode characteristics such as reverse saturation current of the formed diode show values different from the theoretical value (design value), the deviation from the theoretical value can be offset.
[0071]
Also in these cases, the
[0072]
That is, in the thermopile chip SPC of the
[0073]
As described above, in the thermopile chip (infrared detecting element) SPC of the
[0074]
And in this case, since the reference temperature sensing element (the temperature sensing part of the reference temperature detecting means) 73 is integrally formed in the semiconductor structure in which the
[0075]
Further, since the semiconductor substrate is the
[0076]
Further, a plurality of (two in the example) diodes D1 and D2 (semiconductor elements) are formed as the reference temperature temperature sensing element (temperature sensing part) 73, and an average value is obtained or a difference is obtained based on their outputs. Error factors of measurement errors such as environmental differences due to differences in the arrangement position to be formed, their characteristic differences, deviations from theoretical values (design values), noise and other measurement environment fluctuations, etc. It is possible to cancel out, thereby improving the measurement accuracy.
[0077]
The advantage of only having a plurality of semiconductor elements as the temperature sensing part is that, for example, in the
[0078]
In these cases, for example, if two semiconductor elements (thermistor, diode, etc.) are installed at the same distance from the measurement point and the outputs for the same input value are detected and averaged, the above various error factors can be obtained. Can be offset. However, even if a similar method (a method using a plurality of averages) is adopted, the above-described
[0079]
Further, as described above, temperature detection is performed based on a difference between outputs of two semiconductor elements (thermistor, diode, etc.) having different output change values with respect to the same temperature change. You can also. In this case, noise, potential fluctuations, and other variables in the measurement environment often affect the output of the two semiconductor elements in the same way. Thus, those effects can be offset. Therefore, this can improve the measurement accuracy.
[0080]
In this case, like the plural (two) diodes D1 and D2 of the
[0081]
In this case, like the plurality of (two) diodes D1 and D2, the output values for the same input value at the same temperature of the two semiconductor elements are the same semiconductor elements as the design values. Therefore, the influence of the above-described various error factors is likely to be the same, and the measurement error is easily offset. Even if a similar method (a method using a plurality of differences) is adopted, the
[0082]
Further, in the above-described
[0083]
In the ear-type thermometer 1 (thermometer), the temperature of the heat source is the human eardrum temperature, the
[0084]
By the way, in the thermopile type infrared sensor, in general, even when detecting and measuring a temperature about 500 degrees higher than the reference temperature, for example, the temperature rise of the black body is as small as 1 degree or less. Even when measured from below freezing to 1000 ° C. or higher, there is an advantage that there is little deterioration as a sensor, and stable measurement is possible. However, in order to detect a slight temperature change quickly, it is necessary to improve the response (sensitivity). In particular, as in this embodiment, when used for a thermometer or the like, it is necessary to measure the body temperature of an infant or an infant within a time when the body movement can be endured practically (for example, to measure the body temperature of an infant or an infant), and the sensitivity to cope with it is necessary. is necessary. Also, in order to obtain this sensitivity, if each thermocouple (thermocouple) is lengthened or the number of series connections as a thermopile (thermopile) is increased, the whole becomes large and expensive. Therefore, the advantage of being able to reduce the size and cost is reduced.
[0085]
Therefore, the
[0086]
First, in principle, in order to increase the sensitivity of a thermopile type infrared sensor, the temperature of the hot junction part constituting the thermopile (thermopile) is raised as much as possible, and the temperature of the cold junction part is set to the ambient temperature (as much as possible). The temperature difference between the two contacts is secured and the electromotive force of each thermocouple (electromotive voltage: potential difference between both contacts: output voltage) is increased. For this purpose, it is necessary to increase the absorption of infrared rays by the heat absorber and thereby reduce the conduction of heat to the cold junction side.
[0087]
As the
[0088]
Here, the above configuration is divided in terms of characteristics, a hot junction support region that supports a portion of the
[0089]
In this case, the hollow portion KW has a so-called heat retention action because it reduces heat conduction compared to the case where there is some heat conduction medium, and thereby, the
[0090]
That is, an original semiconductor substrate can be formed by forming various thin film layers (second substrate layers) on a silicon substrate (first substrate layer) 80, and the first (original) semiconductor substrate is hollow. Since the hollow portion KW can be formed by removing the portion corresponding to the portion KW from the back side by etching until reaching the second substrate layer, it can be easily formed in the semiconductor manufacturing process, and the hot junction support region and the intermediate support Since the thin plate portion serving as the region is only various thin film layers (second substrate layers) having low thermal conductivity, it is suitable for heat retention, and the thick plate portion serving as the cold junction support region is provided with a silicon substrate having high thermal conductivity (first substrate). 1 substrate layer) 80, so that it has a heat sink function, the
[0091]
14 can be obtained by the structure shown in FIG. 14. In the thermopile chip SPC of the
[0092]
The slit (hollow communication path) 98 in this case has a heat retaining action to reduce heat conduction compared to the case where there is some heat conduction medium, as in the hollow portion KW described above. The heat conduction between the
[0093]
In the ear thermometer 1 (thermometer), the temperature of the heat source is the human eardrum temperature, the
[0094]
In the example described above with reference to FIGS. 15 and 16, one conductor (for example, aluminum (Al) 91) of each thermocouple and the other conductor (for example, polysilicon (Si—P) 92) of the
[0095]
Further, for example, as shown in FIGS. 17 and 18 (FIG. 18 shows a configuration example of a cross section viewed from the
[0096]
Also, the
[0097]
In general, a good thermoelectric material needs to have a low resistivity and a low thermal conductivity. In this sense, the resistivity is lower than a metal that tends to have a high thermal conductivity even if the resistivity is low. Many semiconductors are used which are easy to obtain materials with small thermal conductivity. In other words, a semiconductor material having an absolute thermoelectromotive force (so-called Seebeck coefficient) indicating a thermoelectromotive force per unit temperature difference is orders of magnitude larger than that of a normal metal can be obtained. For this reason, polysilicon (Si-P), which is one of the conductors in the above-described
[0098]
For example, a p-type semiconductor doped with an acceptor impurity such as a so-called
[0099]
In general, the efficiency as a thermopile (or thermoelectric generator) based on the so-called Kelvin relational expression or Carnot cycle efficiency expression (or the performance coefficient, Peltier coefficient, Thomson coefficient, etc. of various materials used) Can be considered high efficiency (or sensitivity). Even when metal is used as one or both conductors, it is measured by relaying with a metal or semiconductor with low thermal conductivity (used as an intermediate conductor) only between the hot and cold junctions (that is, on the intermediate support region). Sensitivity can also be improved.
[0100]
By the way, in the
[0101]
However, the PN diode PND (diodes D1 and D2) is moved to another position if the position satisfies the conditions of the vicinity of the junction between the binary lens BL and the thermopile chip SPC and the vicinity of the cold junction (principal reference point). Other configurations may be considered for the binary lens BL and the thermopile chip SPC. Hereinafter, these modifications will be described.
[0102]
First, the PN diode PND (diodes D1 and D2) can be formed on the binary lens BL side described above with reference to FIG. Further, as shown in FIG. 21, the binary lens BL may be divided into a binary lens chip BLC and a diode chip DDC, for example. Of course, the binary lens BL can be divided into a plurality of parts without forming the PN diode PND (diodes D1 and D2). However, for the sake of efficient explanation, both of the above are adopted and the binary lens is adopted. A case will be described in which BL is divided into binary lens chip BLC and diode chip DDC, and PN diodes PND (diodes D1 and D2) are formed in diode chip DDC.
[0103]
In this example, as shown in FIG. 21A and FIG. 22, the
[0104]
First, the binary lens BL (binary lens chip BLC + diode chip DDC) can be processed and formed by etching (predetermined semiconductor manufacturing process) in the same manner as the binary lens BL described above with reference to FIG. It is possible to have a function as an infrared filter that blocks visible light, but an infrared coating for further narrowing the wavelength region is applied. In these cases, since the binary lens can be formed by configuring the multi-stage binary element BLb, it is easy to mold to ensure the same light collection accuracy as a lens compared to a normal curved lens or the like. Thus, the cost can be reduced.
[0105]
Further, in this example, the reference point
[0106]
Specifically, first, the diode cathode pattern DKP1 connected to the cathode terminal DKT1, the N + region DN1 corresponding thereto, the diode cathode pattern DKP2 connected to the cathode terminal DKT2, the N + region DN2 corresponding thereto, and the common anode terminal DAT Anode anode pattern DAP1 connected to 1 and extending in one of the two directions, a P + region DP1 corresponding thereto, a diode anode pattern DAP2 connected to the anode terminal DAT and extending in the other of the two directions, and a P + region corresponding thereto DP2 is formed.
[0107]
In this case, first, an oxide film (SiO) 105 is formed by patterning on the surface (the lower surface side in the drawing) of the
[0108]
In this case, as much as possible, the diode is arranged as close to the relationship shown in FIGS. 21B and 21C (see also FIGS. 22B and 22C), that is, almost directly above the
[0109]
Moreover, in this example, in order to connect the output of the above-mentioned temperature sensing part (diodes D1 and D2) to DA, DK1, and DK2 (same as the above-described example in FIG. 7 and the like) serving as terminals as the
[0110]
Further, as described above, in this example, the
[0111]
Also in the case of the above-described example, in the ear thermometer 1 (thermometer), the temperature of the heat source is the human eardrum temperature, and the
[0112]
In the above example, in addition to the P + region DP1 (and DP2) and the N + region DN1 (and DN2), the diode anode pattern DAP1 (and DAP2), the diode cathode pattern DKP1 (and DKP2), etc. To eliminate the potential difference at the same potential as the diode to ensure a more reliable operation. However, if there is no problem in performance or operation, the above-described case will be described with reference to FIGS. Similarly, the patterns DAP1, DAP2, DKP1, DKP2, etc. can be omitted by directly connecting to the terminals DAT, DKT1, DKT2 from the P + region DP1 (and DP2) and the N + region DN1 (and DN2). If necessary, the relationship between the P + region DP1 (and DP2) disposed on the peripheral side and the N + region DN1 (and DN2) disposed on the inner side may be reversed.
[0113]
In the above-described example, the binary lens chip BLC and the diode chip DDC are divided on the horizontal plane, but the diode chip is used so that the binary lens chip BLC and the diode chip DDC can be easily joined in accordance with the shape of the lower surface of the binary lens chip BLC (thermopile chip SPC side). A DDC shape may be formed. For this reason, a part of the binary lens chip BLC may be joined to the thermopile chip SPC as it is (without going through the diode chip DDC).
[0114]
Therefore, even when the binary lens BL is divided and formed, the PN diode PND (diodes D1 and D2) can be formed in a portion (part of the joining portion) directly joined to the thermopile chip SPC (FIG. 5 ( It is the same as that formed on the binary lens BL side in b). In this case, since the binary lens chip BLC is also made of, for example, a semiconductor such as silicon, it is easy to form a thin film, etch, and the like, and it is easy to integrally form a semiconductor element (temperature sensing element: for example, a diode) serving as a temperature sensing portion. Suitable for cost reduction and cost reduction.
[0115]
That is, in the above example, the PN diode PND (diodes D1 and D2) is referred to as a “diode chip”. However, in essence, the binary lens chip (lens substrate) BLC is replaced with a thermopile chip (semiconductor substrate). ) A bonding substrate made of a semiconductor processed and formed as a bonding portion to be bonded to the SPC. By processing the semiconductor substrate into a shape according to need, the binary lens chip BLC processed and formed as a lens can be perfectly bonded to the thermopile chip SPC. Of course, since the diode chip DDC is also made of a semiconductor such as silicon, for example, it is easy to form a thin film or etch it, and it is easy to integrally form a semiconductor element (temperature sensing element: for example, a diode) to be a temperature sensing portion. Suitable for cost reduction.
[0116]
In the above-described example, the
[0117]
Further, in the case where the PN diode PND (diode D1) is formed on the thermopile chip SPC side, the diode is configured immediately below the
[0118]
In the above-described embodiment, an example of an ear-type thermometer has been given, but other types of thermometers, of course, as long as the temperature of the heat source is measured using infrared radiation from the heat source, It can be used for other types of thermometers, and other applications such as devices that perform various controls using the measured (detected) temperature are possible even if the measured temperature value is not displayed. is there. Moreover, when using for these, it can change suitably in the range which does not deviate from the summary of this invention.
[0119]
【The invention's effect】
As described above, according to the infrared detection element and the thermometer of the present invention, there is an effect that the thermopile type can be applied to increase the sensitivity of temperature measurement while reducing the size and cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of an ear thermometer to which an infrared detection element and a thermometer according to an embodiment of the present invention are applied.
2 is a block diagram of a temperature measurement system of the ear thermometer of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional example corresponding to the ear thermometer of FIG. 1;
4 is a diagram for explaining the principle of infrared induction in the ear thermometer of FIGS. 3 and 1. FIG.
5 is an explanatory view showing a schematic cross section of an infrared detection chip in the ear thermometer of FIGS. 3 and 1. FIG.
6 is a perspective view of an infrared sensor in the ear thermometer of FIG. 3. FIG.
7 is a perspective view of a thermopile tip in the ear-type thermometer of FIG. 1. FIG.
8 is a principle explanatory view showing an example of a semiconductor structure of the thermopile chip of FIG. 7;
FIG. 9 is a plan view when viewed from above corresponding to FIG. 7;
10 is a plan view similar to FIG. 9, showing another example. FIG.
11 is an explanatory view similar to FIG. 8, corresponding to FIG.
12 is a circuit configuration diagram showing an example of an
13 is a diagram showing an example of a theoretical formula for explaining the operation of the circuit of FIG. 12;
FIG. 14 is an explanatory view showing an example of the structure of a thermopile.
15 is an explanatory view similar to FIG. 14, showing an example of providing a slit. FIG.
16 is an explanatory view showing an example of a cross section corresponding to FIG. 15. FIG.
FIG. 17 is an explanatory view similar to FIG. 15, showing another example.
18 is an explanatory view similar to FIG. 16, corresponding to FIG.
FIG. 19 is an explanatory view similar to FIG. 15, showing still another example.
20 is an explanatory view similar to FIG. 16, corresponding to FIG.
21 is an explanatory view similar to FIGS. 5 and 8, showing another example of the infrared detection chip in the ear thermometer of FIG. 1. FIG.
22 is an explanatory diagram showing an example of a structure of the infrared chip in FIG. 21 and a bonding method thereof.
23 is an explanatory diagram of a cross section of the joint portion of FIG.
FIG. 24 is an explanatory view similar to FIG. 8, showing another example.
[Explanation of symbols]
1 Ear thermometer
2 Infrared light receiving detector
3 Circuit board
4 Temperature measurement value determination part
21 Infrared detection chip
80 Semiconductor substrate
81 Black body (heat absorber)
82 Thermocouple
83 Hot junction
84 Cold junction
85 Thermoelectric stack
91, 92 …… Conductor
98 slits
BL binary lens
BLC binary lens chip
D1, D2 ... Diode
DA anode terminal
DDC diode chip
DK1, DK2 ... Cathode terminal
DN1, DN2 ... N + region
DP1, DP2 ... P + region
KW hollow part
PND PN diode
SPC Thermopile tip
Claims (7)
前記半導体基板の主面上に形成され、赤外線を受光する熱吸収体の温度に基づいて電圧を発生する熱電堆と、
を備え、
前記半導体基板は、
前記熱電堆を構成する各熱電対の前記熱吸収体に近い側の温接点の部分および前記熱吸収体を支持する温接点支持領域と、
前記各熱電対の前記熱吸収体から遠い側の冷接点の部分を支持する冷接点支持領域と、
前記温接点の部分と前記冷接点の部分とを接続して前記各熱電対を構成する導電体を支持するとともに、前記温接点支持領域と前記冷接点支持領域との間を連結する中間支持領域と、
を有し、
前記中間支持領域には、前記主面からその反対側の裏面に連通する中空連通路が設けられ、
前記熱電堆を構成する導電体のうちの少なくとも１の導電体には、前記中間支持領域において前記中空連通路につながる開口部が設けられていることを特徴とする赤外線検出素子。A semiconductor substrate;
A thermopile that is formed on the main surface of the semiconductor substrate and generates a voltage based on the temperature of a heat absorber that receives infrared rays; and
With
The semiconductor substrate is
A portion of the hot junction near the heat absorber of each thermocouple constituting the thermopile and a hot junction support region for supporting the heat absorber;
A cold junction support region for supporting a portion of the cold junction far from the heat absorber of each thermocouple;
An intermediate support region that connects the hot junction portion and the cold junction portion to connect the hot junction support region and the cold junction support region while supporting the conductor constituting each thermocouple by connecting the hot junction portion and the cold junction portion. When,
Have
The intermediate support region is provided with a hollow communication path communicating from the main surface to the back surface on the opposite side,
An infrared detecting element, wherein an opening connected to the hollow communication path is provided in at least one of the conductors constituting the thermopile in the intermediate support region.
前記主面側が前記温接点支持領域および前記中間支持領域となる板厚が薄い薄板部と、
前記主面側が前記冷接点支持領域となる板厚が厚い厚板部と、
前記薄板部と厚板部との板厚の差によって形成される中空部と、
を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の赤外線検出素子。The semiconductor substrate is
A thin plate portion having a thin plate thickness where the main surface side becomes the hot junction support region and the intermediate support region,
A thick plate portion having a thick plate thickness where the main surface side is the cold junction support region,
A hollow portion formed by a difference in plate thickness between the thin plate portion and the thick plate portion;
The infrared detection element according to claim 1, wherein:
前記赤外線検出素子の前記熱電堆からの出力電圧およびその基準温度に基づいて、前記赤外線を放射した熱源の温度を決定する測温値決定手段と、
を備えたことを特徴とする測温計。An infrared detection element according to any one of claims 1 to 5,
Based on the output voltage from the thermopile of the infrared detection element and its reference temperature, temperature measurement value determining means for determining the temperature of the heat source that radiates the infrared rays;
A thermometer characterized by comprising.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000169696A JP3692908B2 (en) | 2000-06-06 | 2000-06-06 | Infrared detector and thermometer |
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