JP3733839B2

JP3733839B2 - Infrared detector and thermometer

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Publication number: JP3733839B2
Application number: JP2000169695A
Authority: JP
Inventors: 茂美佐藤; 修岩本; 康弘塩原; 裕二織田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2000-06-06
Filing date: 2000-06-06
Publication date: 2006-01-11
Anticipated expiration: 2020-06-06
Also published as: JP2001349785A

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】
ここで、従来のこの種の赤外線検出素子およびそれを利用した測温計では、上記の基準温度の温度検出手段（感温素子等）を、サーミスタ等の単独の温度検出手段（感温素子等）により構成して、赤外線センサ周辺の環境温度を基準温度として測定している。しかし、この場合、熱源から放射された赤外線の受光機構の仕組みによっては、熱源の温度を測定する際の誤差要因となり、また、そのほかにも、受光機構の環境温度と基準温度との温度差や、基準温度の検出誤差など、種々の誤差要因があり、これらのことが、測定精度向上の障害となっていた。
【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、温度測定の精度を向上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、方形の主面を有する半導体基板と、前記半導体基板の主面上に当該主面を構成する四辺のそれぞれと平行な四辺により構成される方形に形成され、赤外線を受光する熱吸収体と、前記熱吸収体から四方に延在する複数の熱電対とを有し、前記各熱電対の温接点と冷接点との温度差に基づいて電圧を発生する熱電堆と、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と、前記熱電堆の基準温度を検出する基準温度検出手段と、を備え、前記基準温度検出手段は、前記基準温度の温度変化に感応する感温部として、入出力特性が前記温度変化に応じて変化する２つの半導体素子を有し、前記２つ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し、前記２つの半導体素子は、前記半導体基板内に、ダイオードとして機能するように形成されると共に、前記半導体基板と前記赤外線レンズとの接合部近傍、且つ、前記熱吸収体に対し、相互に前記熱吸収体の一方の対角方向に対向して前記複数の冷接点を方形に囲うように形成されており、一方の半導体素子は、前記半導体基板の平面視四隅のうちの、前記熱吸収体の他方の対角方向に位置する一方の隅部から他方の隅部まで、前記熱吸収体の四辺のなかの相互に直角を為す二辺に沿って延びる第１Ｐ＋領域と、当該第１Ｐ＋領域の内側および外側のいずれかに位置して、前記一方の隅部から前記他方の隅部まで、前記熱吸収体の二辺に沿って延びる第１Ｎ＋領域と、から構成され、他方の半導体素子は、前記一方の隅部から前記他方の隅部まで、前記熱吸収体の二辺に対向して相互に直角を為す対向二辺に沿って延びる第２Ｐ＋領域と、当該第２Ｐ＋領域の内側および外側のいずれかに位置して、前記一方の隅部から前記他方の隅部まで、前記熱吸収体の対向二辺に沿って延びる第２Ｎ＋領域と、から構成され、前記第１Ｐ＋領域と前記第２Ｐ＋領域とは、一端が前記一方の隅部に配設された共通アノード端子にそれぞれ接続され、前記第１Ｎ＋領域と前記第２Ｎ＋領域とは、一端が前記他方の隅部に配設された２つのカソード端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の赤外線検出素子は、方形の主面を有する半導体基板と、前記半導体基板の主面上に当該主面を構成する四辺のそれぞれと平行な四辺により構成される方形に形成され、赤外線を受光する熱吸収体と、前記熱吸収体から四方に延在する複数の熱電対とを有し、前記各熱電対の温接点と冷接点との温度差に基づいて電圧を発生する熱電堆と、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と、前記熱電堆の基準温度を検出する基準温度検出手段と、を備え、前記赤外線レンズは、レンズとして加工形成された半導体から成るレンズ基板を有し、前記基準温度検出手段は、前記基準温度の温度変化に感応する感温部として、入出力特性が前記温度変化に応じて変化する２つの半導体素子を有し、前記２つ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し、前記２つの半導体素子は、前記赤外線レンズのレンズ基板内に、ダイオードとして機能するように形成されると共に、前記半導体基板と前記赤外線レンズとの接合部近傍、且つ、前記熱吸収体に対し、相互に前記熱吸収体の一方の対角方向に対向して前記複数の冷接点を方形に囲うように形成されており、
一方の半導体素子は、前記半導体基板の平面視四隅のうちの、前記熱吸収体の他方の対角方向に位置する一方の隅部から他方の隅部まで、前記熱吸収体の四辺のなかの相互に直角を為す二辺に沿って延びる第１Ｐ＋領域と、当該第１Ｐ＋領域の内側および外側のいずれかに位置して、前記一方の隅部から前記他方の隅部まで、前記熱吸収体の二辺に沿って延びる第１Ｎ＋領域と、から構成され、他方の半導体素子は、前記一方の隅部から前記他方の隅部まで、前記熱吸収体の二辺に対向して相互に直角を為す対向二辺に沿って延びる第２Ｐ＋領域と、当該第２Ｐ＋領域の内側および外側のいずれかに位置して、前記一方の隅部から前記他方の隅部まで、前記熱吸収体の対向二辺に沿って延びる第２Ｎ＋領域と、から構成され、前記第１Ｐ＋領域と前記第２Ｐ＋領域とは、一端が前記一方の隅部に配設された共通アノード端子にそれぞれ接続され、前記第１Ｎ＋領域と前記第２Ｎ＋領域とは、一端が前記他方の隅部に配設された２つのカソード端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の赤外線検出素子は、方形の主面を有する半導体基板と、前記半導体基板の主面上に当該主面を構成する四辺のそれぞれと平行な四辺により構成される方形に形成され、赤外線を受光する熱吸収体と、前記熱吸収体から四方に延在する複数の熱電対とを有し、前記各熱電対の温接点と冷接点との温度差に基づいて電圧を発生する熱電堆と、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と、前記熱電堆の基準温度を検出する基準温度検出手段と、を備え、前記赤外線レンズは、レンズとして加工形成された半導体から成るレンズ基板と、前記レンズ基板を前記半導体基板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と、を有し、前記基準温度検出手段は、前記基準温度の温度変化に感応する感温部として、入出力特性が前記温度変化に応じて変化する２つの半導体素子を有し、前記２つ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し、前記２つの半導体素子は、前記赤外線レンズの接合基板内に、ダイオードとして機能するように形成されると共に、前記半導体基板と前記赤外線レンズとの接合部近傍、且つ、前記熱吸収体に対し、相互に前記熱吸収体の一方の対角方向に対向して前記複数の冷接点を方形に囲うように形成されており、一方の半導体素子は、前記半導体基板の平面視四隅のうちの、前記熱吸収体の他方の対角方向に位置する一方の隅部から他方の隅部まで、前記熱吸収体の四辺のなかの相互に直角を為す二辺に沿って延びる第１Ｐ＋領域と、当該第１Ｐ＋領域の内側および外側のいずれかに位置して、前記一方の隅部から前記他方の隅部まで、前記熱吸収体の二辺に沿って延びる第１Ｎ＋領域と、から構成され、他方の半導体素子は、前記一方の隅部から前記他方の隅部まで、前記熱吸収体の二辺に対向して相互に直角を為す対向二辺に沿って延びる第２Ｐ＋領域と、当該第２Ｐ＋領域の内側および外側のいずれかに位置して、前記一方の隅部から前記他方の隅部まで、前記熱吸収体の対向二辺に沿って延びる第２Ｎ＋領域と、から構成され、前記第１Ｐ＋領域と前記第２Ｐ＋領域とは、一端が前記一方の隅部に配設された共通アノード端子にそれぞれ接続され、前記第１Ｎ＋領域と前記第２Ｎ＋領域とは、一端が前記他方の隅部に配設された２つのカソード端子にそれぞれ接続されていることを特徴とする。
【００１０】
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、熱電堆の基準温度を検出する基準温度検出手段と、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。また、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。
また、サーモパイル型の赤外線センサを利用した測温計等における原理的な基準温度は、熱電堆（サーモパイル）の冷接点の温度である。この赤外線検出素子では、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であり、かつ、原理的基準点である冷接点の近傍に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、測温計等に利用した場合に高精度の測定精度が可能な赤外線検出素子となる。
半導体素子は一般に、熱（温度）や光などにより内部抵抗が変化し、ダイオードの場合、温度上昇に伴って内部抵抗が小さくなる。この赤外線検出素子では、感温部は、ダイオードとして機能するように構成された半導体素子なので、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。
さらに、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２つの半導体素子（ダイオード）を有し、２つ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、２つ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。
【００１１】
しかも、これらの赤外線検出素子において、感温部は、半導体から成る半導体基板内、レンズ基板内または接合基板内に、半導体素子（ダイオード）として形成されているので、一体形成することにより、小型化・低廉化に適している。
【００３７】
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検出された前記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。
【００３８】
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検出された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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
【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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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）。
【００６０】
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。
【００６１】
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）。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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）。
【００９３】
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。
【００９４】
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。
【００９５】
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。
【００９６】
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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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。
【０１００】
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。
【０１０１】
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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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）。
【０１０５】
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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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）。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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）。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
【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、温度測定の精度を向上できる、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
ＰＮＤＰＮ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]
Here, in the conventional infrared detecting element of this type and a thermometer using the same, the temperature detecting means (temperature sensitive element, etc.) of the reference temperature is replaced with a single temperature detecting means (temperature sensitive element, etc.) such as a thermistor. ) And the ambient temperature around the infrared sensor is measured as a reference temperature. However, in this case, depending on the mechanism of the infrared light receiving mechanism emitted from the heat source, it may cause an error in measuring the temperature of the heat source.In addition, the temperature difference between the ambient temperature of the light receiving mechanism and the reference temperature, There are various error factors such as a reference temperature detection error, and these are obstacles to improvement in measurement accuracy.
[0006]
An object of the present invention is to provide an infrared detection element capable of improving the accuracy 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 is formed in a rectangular shape composed of a semiconductor substrate having a rectangular main surface and four sides parallel to each of the four sides constituting the main surface on the main surface of the semiconductor substrate, A heat absorber that receives light, and a plurality of thermocouples extending in four directions from the heat absorber, and a thermopile that generates a voltage based on a temperature difference between a hot junction and a cold junction of each thermocouple; An infrared lens that is bonded onto the main surface of the semiconductor substrate and condenses the infrared light on the heat absorber, and a reference temperature detection means that detects a reference temperature of the thermopile, the reference temperature detection means Has two semiconductor elements whose input / output characteristics change according to the temperature change as a temperature sensing part sensitive to a temperature change of the reference temperature, and based on outputs from the two semiconductor elements, the reference The two semiconductors detect the temperature A child is formed in the semiconductor substrate so as to function as a diode, and is close to the junction between the semiconductor substrate and the infrared lens, and one of the heat absorbers with respect to the heat absorber. The plurality of cold junctions are formed in a square shape so as to face each other diagonally, and one of the semiconductor elements is the other diagonal of the heat absorber among the four corners in plan view of the semiconductor substrate. A first P + region extending along two sides perpendicular to each other among the four sides of the heat absorber from one corner portion to the other corner portion, and either the inner side or the outer side of the first P + region. And the first N + region extending along two sides of the heat absorber from the one corner to the other corner, and the other semiconductor element is the one corner Heat absorption from the other corner to the other corner A second P + region extending along two opposite sides that are opposite to each other and perpendicular to each other, and located on either the inside or the outside of the second P + region, from the one corner to the other corner A second N + region extending along two opposite sides of the heat absorber, and the first P + region and the second P + region have a common anode with one end disposed at the one corner One end of each of the first N + region and the second N + region is connected to two cathode terminals disposed at the other corner, respectively.
[0008]
Another infrared detection element of the present invention is formed in a rectangular shape composed of a semiconductor substrate having a rectangular main surface and four sides parallel to each of the four sides constituting the main surface on the main surface of the semiconductor substrate, A thermoelectric generator having a heat absorber that receives infrared rays and a plurality of thermocouples extending in four directions from the heat absorber, and generating a voltage based on a temperature difference between a hot junction and a cold junction of each thermocouple. An infrared lens which is bonded onto the main surface of the semiconductor substrate and collects the infrared light on the heat absorber; and a reference temperature detecting means for detecting a reference temperature of the thermoelectric stack, the infrared lens. Has a lens substrate made of a semiconductor processed as a lens, and the reference temperature detecting means functions as a temperature-sensitive portion sensitive to a temperature change of the reference temperature, and input / output characteristics change according to the temperature change. With two semiconductor elements The reference temperature is detected based on outputs from the two semiconductor elements, and the two semiconductor elements are formed in the lens substrate of the infrared lens so as to function as a diode, and Near the joint with the infrared lens, and to the heat absorber, and is formed so as to squarely surround the plurality of cold junctions facing each other in the diagonal direction of the heat absorber,
One of the semiconductor elements is located on one of the four sides of the heat absorber from one corner located in the other diagonal direction of the heat absorber to the other of the four corners in plan view of the semiconductor substrate. A first P + region extending along two sides that are perpendicular to each other, and located on either the inside or the outside of the first P + region, from one corner to the other corner of the heat absorber. A first N + region extending along two sides, and the other semiconductor element is perpendicular to the two sides of the heat absorber from the one corner to the other corner. A second P + region extending along the two opposite sides, and located on either the inside or the outside of the second P + region, from the one corner to the other corner, on the opposite two sides of the heat absorber. And a second N + region extending along the first P + region. And the second P + region are connected to a common anode terminal disposed at one end at the one corner, and one end of the first N + region and the second N + region are disposed at the other corner. The two cathode terminals are connected to each other.
[0009]
Another infrared detection element of the present invention is formed in a rectangular shape composed of a semiconductor substrate having a rectangular main surface and four sides parallel to each of the four sides constituting the main surface on the main surface of the semiconductor substrate, A thermoelectric generator having a heat absorber that receives infrared rays and a plurality of thermocouples extending in four directions from the heat absorber, and generating a voltage based on a temperature difference between a hot junction and a cold junction of each thermocouple. An infrared lens which is bonded onto the main surface of the semiconductor substrate and collects the infrared light on the heat absorber; and a reference temperature detecting means for detecting a reference temperature of the thermoelectric stack, the infrared lens. Has a lens substrate made of a semiconductor processed as a lens, and a bonded substrate made of a semiconductor processed as a bonding portion for bonding the lens substrate to the semiconductor substrate, and the reference temperature detecting means includes: Reference temperature As a temperature sensing part sensitive to a temperature change, it has two semiconductor elements whose input / output characteristics change according to the temperature change, detects the reference temperature based on the outputs from the two semiconductor elements, The two semiconductor elements are formed in the bonding substrate of the infrared lens so as to function as a diode, in the vicinity of the bonding portion between the semiconductor substrate and the infrared lens, and with respect to the heat absorber. The plurality of cold junctions are formed in a square shape so as to face one diagonal direction of the heat absorber, and one of the semiconductor elements is the heat absorption of the four corners in plan view of the semiconductor substrate. A first P + region extending from one corner located in the other diagonal direction of the body to the other corner along two sides perpendicular to each other among the four sides of the heat absorber; and the first P + region Inside and outside A first N + region extending along two sides of the heat absorber from the one corner to the other corner, and the other semiconductor element has the one corner A second P + region extending along two opposing sides that are perpendicular to each other and opposite the two sides of the heat absorber from one part to the other corner, and located on either the inside or the outside of the second P + region A second N + region extending along two opposite sides of the heat absorber from the one corner to the other corner, and the first P + region and the second P + region are at one end. Are connected to a common anode terminal disposed at the one corner, and the first N + region and the second N + region are respectively connected to two cathode terminals disposed at the other corner. It is characterized by being.
[0010]
In this infrared detection element, a semiconductor substrate, a thermopile that is formed on the main surface thereof and generates a voltage based on the temperature of a heat absorber that receives infrared rays, and a reference temperature detection unit that detects a reference temperature of the thermopile Therefore, it has a function of a so-called thermopile type infrared sensor, and can be reduced in size and cost by using a semiconductor manufacturing process. In addition, an infrared lens that is bonded onto the main surface of the semiconductor substrate and collects infrared rays on the heat absorber is further provided, so that external heat is used compared to the case of using a waveguide (light guide tube) or the like. The influence (interference) of the radiated infrared rays due to (error heat) can be reduced, and the incident angle of infrared rays received by the heat absorber can be limited, 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.
The fundamental reference temperature in a thermometer or the like using a thermopile type infrared sensor is the temperature of the cold junction of a thermopile (thermopile). In this infrared detecting element, 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 and in the vicinity of the cold junction which is the principle reference point. The measurement error based on the distance between the sensor and the reference point and the environmental difference is small, and when used in a thermometer or the like, an infrared detection element capable of high measurement accuracy is obtained.
In general, the internal resistance of a semiconductor element changes due to heat (temperature), light, or the like. In the case of a diode, the internal resistance decreases as the temperature rises. In this infrared detection element, the temperature sensing part is a semiconductor element configured to function as a diode, so the reference temperature can be detected based on the temperature characteristics of the diode, and since it is a diode, it is easily integrated into the semiconductor structure. Suitable for downsizing and low cost.
Furthermore, this infrared detection element has two semiconductor elements (diodes) whose input / output characteristics change according to the temperature change of the reference temperature as the temperature sensing unit, and based on the outputs from the two semiconductor elements, the reference Detect temperature. In this case, based on the outputs of the two semiconductor elements, an average value or a difference between them can be obtained. Therefore, an environmental difference due to a difference in the arrangement position of the semiconductor elements, or 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.
[0011]
In addition, in these infrared detecting elements, the temperature sensing part is formed as a semiconductor element (diode) in a semiconductor substrate made of semiconductor, in a lens substrate, or in a bonded substrate.・ Suitable for cost reduction.
[0037]
In addition, the present invention Measurement The thermometer Above Any of The Based on an infrared detection element, an output voltage of the infrared detection element from the thermopile and the detected reference temperature ,in front Temperature measurement value determining means for determining the temperature of the heat source that radiates the infrared rays.
[0038]
In this thermometer, Above And a temperature measurement value determining means for determining the temperature of the heat source that radiates the received infrared ray based on the output voltage from the thermopile of the infrared detection element and the detected reference temperature. It can be applied to a thermometer that measures the temperature of a heat source that emits infrared rays, for example, a thermometer that measures body temperature. 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.
[0039]
Also, Above The temperature of the heat source Is The eardrum temperature is preferably human.
[0040]
This thermometer can be applied to an ear-type thermometer because the temperature of the heat source is the human eardrum temperature.
[0041]
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.
[0042]
As shown in FIGS. 1 and 2, the ear thermometer 1 uses a main body case 11 and a specimen (ear) as a heat source S to receive infrared rays from the heat source S, and the temperature of the heat source S (body temperature: eardrum temperature). To the circuit board 3 based on the output voltage of the infrared light receiving detector 2, the infrared light receiving detector 2 for extracting an electrical signal (voltage) corresponding to A temperature measurement value determining unit 4 that determines the temperature of the heat source S (temperature measurement value: temperature measurement value: body temperature value measured (detected)) by various electronic components 4C mounted thereon, and a temperature measurement (temperature measurement) value and other displays LCD section 5 for performing the above and a power supply section 6 for supplying power to each section.
[0043]
As shown in FIG. 1, the power supply unit 6 includes a power switch SW6, a button battery 61 as a power supply, a battery terminal fitting 62 for attaching the button battery 61 and connecting it to the circuit pattern of the circuit board 3, and at the time of battery replacement. And a battery box cover 63 for opening and closing. The LCD unit 5 includes an LCD panel 51 for performing various displays, a connector 52 for mounting the LCD panel 51 and connecting to the circuit board 3 (circuit pattern thereof), and a panel frame 53 for instructing the LCD panel 51. A transparent cover 54 made of, for example, plastic that protects the surface of the LCD panel 51 in a visible manner is provided.
[0044]
The temperature measurement value determining unit 4 includes a temperature measurement switch SW4 and various electronic components 4C. As shown in FIG. 2, the amplifier 41 that amplifies the voltage signal corresponding to the body temperature (the eardrum temperature) output from the infrared light receiving detector 2 and the output of the amplifier A are directly related to the temperature (body temperature) detection. A / D converter 42 that performs / D conversion, a CPU 44 that numerically processes the output value to determine a temperature measurement value and displays it on the LCD panel 51 of the LCD unit 5, and a RAM 43 that serves as a work area for various processes in the CPU 44 It is equipped with.
[0045]
Further, the ear thermometer 1 includes a reference point temperature sensing element 73 (described later) in the infrared light reception detection unit 2, and the temperature measurement value determination unit 4 includes an amplifier 71 that amplifies the output of the reference point temperature sensing element 73. And an A / D converter 72 for A / D converting the output. As a logical block, the reference temperature detector 73, the amplifier 71, and the A / D converter 72 constitute the reference temperature detector 7. The CPU 44 inputs the temperature detected by the reference temperature detection unit 7 as a reference temperature, and determines a temperature measurement value based on the input temperature.
[0046]
Specifically, first, the power switch SW6 and the temperature measuring switch SW4 are connected to the input port of the CPU 44. In the initial state when the power is turned off, the CPU 44 is in a standby state and other circuits are in a non-energized state. In this state, when the power switch SW6 is pressed by the user, the CPU 44 detects the level change as an interrupt signal and is activated, and the other circuits are energized. When activated, the CPU 44 first displays all the lights on the LCD panel 51 (initial display), and then prepares for measurement such as initialization processing of various flags and the like. "Is displayed.
[0047]
Next, in this measurement (preparation OK) state, when the temperature measurement switch SW4 is pressed by the user, the CPU 44 activates the A / D converter 42 and the A / D converter 72, and the infrared light reception detection unit 2 The output voltage is input as a digital value through the amplifier 41 and the A / D converter 42, and the output from the reference point temperature sensing element 73 is input through the amplifier 71 and the A / D converter 72, and the offset voltage of each amplifier is input. The reference temperature is obtained from the output of the A / D converter 72 while correcting by the above, and based on this, the temperature measurement value (body temperature: eardrum temperature in this case) is calculated from the output of the A / D converter 42.
[0048]
When the temperature measurement value calculation (temperature value determination) is completed, the temperature measurement value is displayed on the LCD panel 51 as a measurement result together with a beep sound and the A / D converters 42 and 72 are inactivated. Let In this state, by pressing the power switch SW6, or if there is no operation of the power switch SW6 or the temperature measuring switch SW4 within a certain period of time thereafter, the power-off initial state is restored by auto power-off.
[0049]
As shown in FIG. 1, the infrared light reception detection unit 2 forms the core of the infrared light reception detection unit 2, receives infrared light corresponding to the temperature of the heat source S (body temperature: eardrum temperature), and outputs a voltage signal corresponding thereto. An infrared detection chip 21 (see FIG. 5B) having a thermopile chip SPC and a binary lens BL for condensing infrared rays at a light receiving portion thereof, and a bonding wire for connecting the thermopile chip SPC to the circuit board 3 26, a cover 22 made of, for example, plastic that protects them, an infrared transparent film 23 that prevents entry of dust and the like, a film pressing O-ring 24 that supports the film 23, and insertion into the ear hole at the time of temperature measurement And an infrared transmissive probe cap 25 attached so as to cover the entire infrared light receiving detector 2.
[0050]
When using the ear thermometer 1 described above, the user first presses the power switch SW6 and confirms that the LCD panel 53 changes from the initial display to the display indicating “measurement preparation OK”. Subsequently, when the probe cap 25 is inserted into the ear hole and the temperature measurement switch SW4 is pressed, the measurement is started. After a few seconds, the temperature measurement value is displayed on the LCD panel 51 together with the notification sound. (Body temperature) can be confirmed. After that, the power can be turned off by pressing the power switch SW6 or by leaving it to auto power off.
[0051]
By the way, as described above, in the infrared light reception detection unit 2, infrared light corresponding to the temperature of the heat source S (body temperature: eardrum temperature) is collected by the binary lens BL and received by the thermopile chip SPC. That is, a so-called infrared sensor is used, and among these, a thermopile type is particularly used. As described above, the infrared sensor includes a pyroelectric sensor that uses the pyroelectric effect and a bolometer that uses a resistance change. However, the ear thermometer 1 uses a thermopile type in order to reduce the size and cost. We are using.
[0052]
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 ear thermometer 100, the waveguide 206 is supported by the support fitting 207, and the infrared rays from the probe cap 25 are guided to the infrared detection chip 210 by the waveguide 206. In the ear-type thermometer 100, the temperature measurement switch SW4 is connected to the circuit board 3 by the lead wire 201. These differences lie in the method of inducing infrared rays and the portion for detecting the temperature from the infrared rays, and will be described below.
[0053]
First, in the ear thermometer 100 described above, as shown in FIGS. 3, 4 (a) and 5 (a), the incident infrared light is propagated into the waveguide 206 and guided to the infrared detection chip 210. . In the infrared detection chip 210, a thermopile type infrared sensor 209 and a thermistor 211 for detecting a reference temperature are mounted on a package base material 212, and the whole is integrated by a package case 213 so that infrared rays are incident on a window. Is provided with a filter (infrared filter) 208 made of silicon (Si) or the like for blocking visible light and transmitting infrared light.
[0054]
On the other hand, in the ear thermometer 1 of FIG. 1 (this embodiment), first, as shown in FIG. 5B, the thermopile chip SPC corresponding to the infrared sensor 209 is directly contacted (joined) to the surface. A binary lens BL is provided and integrated as an infrared detection chip 21. The binary lens BL is a binary lens that collects infrared rays as a whole by forming a multi-stage binary element BLb (exaggerated) by etching or the like on a silicon (or germanium: Si or Ge) substrate BLa. This is a lens (function) substrate that is made to function, and is directly bonded to the surface of the thermopile chip SPC. In addition, from the composition, like the infrared filter 208 described above, it also has a function as an infrared filter that blocks visible light and transmits infrared light, but further narrows the wavelength region such as blocking near infrared rays, etc. Infrared coating BLc with a multilayer film of zinc sulfide (ZnS) or germanium (Ge) is applied.
[0055]
As shown in FIG. 4A (as in the ear-type thermometer 100), when guiding infrared rays using the waveguide 206, the viewing angle viewed from the window surface (detection surface) of the infrared filter 208 is There is almost 180 °, and light (such as infrared rays) from outside the waveguide 206 is also incident (incident), and is also subjected to interference such as infrared rays radiated to the inside by external heat (error heat) Sd. Therefore, the light irregularly reflected inside is also guided and incident on the detection surface, so that the measurement error increases. On the other hand, in principle, as shown in the same figure (b) (as in the ear thermometer 1), the incident angle can be limited (restricted) by condensing with the binary lens BL. The error factor can be reduced and the measurement accuracy can be improved.
[0056]
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.
[0057]
With respect to this point, as described above with reference to FIG. 5A, in the infrared detection chip 210 of the ear thermometer 100, the thermistor 211 for detecting the reference temperature is mounted on the package substrate 212. For this reason, although the accuracy is higher than the case where a thermistor or the like is provided outside the package (outside the chip), the distance between the reference temperature measurement point measured by the thermistor 211 and the infrared sensor 209 (cold junction) still remains. It is large and it is difficult to measure the temperature of the cold junction to be measured as an accurate reference temperature.
[0058]
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 waveguide 206 in FIG. 4A is simply replaced with a lens. However, if the waveguide 206 is simply replaced with a lens, the distance between the lens and the infrared sensor 209 (cold junction) is increased, and the temperature between the lens itself and the infrared sensor 209 (cold junction) is increased. Since a temperature difference occurs and measurement is performed through a lens having a temperature environment different from the temperature environment of the reference point, this also becomes an error factor and affects the measurement accuracy.
[0059]
With respect to these points, in the ear thermometer 1, first, as described above with reference to FIG. 5B, the binary lens BL is provided so as to be in direct contact (bonding) with the surface of the thermopile chip SPC as the infrared detection chip 21. It is integrated. Further, as shown in FIG. 2, the reference point described above with reference to FIG. 2 is provided in the vicinity of the junction between the binary lens BL and the thermopile chip SPC and in the vicinity of the cold junction (the reference point in principle: the reference point in principle). A PN diode PND is formed as the temperature sensing element 73 (see FIG. 8).
[0060]
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 temperature sensing element 73, the miniaturization can be promoted, thereby further reducing the distance between the cold junction and the lens. Formation enables mass production and the like, and facilitates cost reduction (reduction in price).
[0061]
Hereinafter, the above-described configuration will be described in detail. First, in the infrared sensor 209 of the ear thermometer 100 described above with reference to FIG. 5A, the center of the lower surface (back surface) is hollowed by etching or the like (dotted line portion) as shown in FIG. A heat absorber (gold black body) 81 is formed on the upper surface (surface, main surface) of the silicon substrate 80 (with a membrane structure) by sputtering deposition of gold (gold black: gold black). In this case, in order to prevent the heat absorbed by the black body 81 from escaping to the surroundings and increase the temperature rise, the black body 81 has an oxide film (SiO 2 with poor thermal conductivity). ₂ : Hereinafter described and illustrated as “SiO 2” or “SiO” as appropriate. 94, 96, nitride film (Si _Three N _Four : Hereinafter described and illustrated as abbreviated as “SiN” where appropriate. ) 97 or the like and formed on a thin film layer having a thickness of several microns (see FIG. 8).
[0062]
Further, a hot junction 83 of a highly sensitive thermocouple 82 is provided in the vicinity of the black body 81 (so as to be close to each other via the thin film layer etc.), and a cold junction 84 is a substrate of the silicon substrate 80 outside the membrane structure. Provide in the peripheral area where the part remains. In this case, the silicon substrate 80 also has a function as a heat sink of the cold junction 84. In this state, in the thermocouple 82, an electromotive force (electromotive voltage) corresponding to the temperature rise of the black body 81 is generated between the hot junction 83 and the cold junction 84. However, since a single thermocouple 82 does not have a sufficient electromotive voltage, a plurality of these are connected in series (for example, see FIG. 14), and both ends are connected to a terminal (for example, a + terminal) 86 and a terminal (for example, a − terminal) 87. And a thermopile 85 having the voltage between the terminals 86 and 87 as an output voltage is configured.
[0063]
6, not only the infrared sensor 209 of the ear thermometer 100 but also the thermopile chip SPC of the ear thermometer 1 have the same configuration (black body 81, thermopile 85, etc.) as shown in FIG. ). As a combination of conductors constituting the thermocouple 82, aluminum (Al) is distinguished from “phosphorous doped” polysilicon (“P−” of a PN junction described later in the illustration and description) with “Si”. -P "), molybdenum silicite, titanium nitride, tungsten silicite, and the like are conceivable. In the following, description will be mainly made of polysilicon.
[0064]
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 temperature sensing element 73 described above. As shown in FIG. 8, a “P +” region (hereinafter “P + region”) DP1 (or DP2) with a large amount of acceptor impurity doping or an “N +” region (hereinafter “N +” region with a large amount of donor impurity doping). N + region ") DN1 (or DN2) is actually formed below aluminum (Al) 91 and polysilicon (Si-P) 92 constituting thermocouple 82, but is easy to see in FIGS. It is illustrated on the surface with emphasis on. Further, a portion 93 shown by a dotted line in the N + region DN1 (or DN2) in FIG. 8 becomes a PN junction region as a diode.
[0065]
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 temperature sensing element 73. Yes. Specifically, connected to the common anode terminal DA and connected to the N + region DN1 and the cathode terminal DK2 connected to the cathode terminal DK1 corresponding to the P + region DP1 extending to one side and the P + region DP2 extending to the other side, respectively. N + region DN2 is formed.
[0066]
Conventionally, for example, in the infrared sensor 209 described above with reference to FIG. 6, an oxide film (SiO 2) 94 or the like is first formed on the surface (main surface) of the silicon substrate 80 (for example, by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method (chemical vapor deposition method) or the like). The semiconductor manufacturing process is started from the formation of the thin film layer. Before the thermopile chip SPC, the oxide film (SiO2: for example, field oxide film) 95 shown in FIG. The P + region DP1 (and DP2) and the N + region DN1 (and DN2) are formed by doping (which results in a relative P-substrate 80), and then various metals and semiconductors such as an oxide film (SiO2) 94 are again formed. These layers are formed by patterning.
[0067]
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).
[0068]
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 slit 98 described later in FIG. By removing the thin film layer to be formed, it can be formed in the above etching step. 7 to 9, the P + region is disposed and formed on the inner side and the N + region is disposed on the outer side. However, it can be reversed. In the above example, the P + region and the N + region of the two diodes are formed to extend in different directions. For example, as shown in FIGS. 10 and 11, the N + region is sandwiched so as to sandwich the common P + region DP. Region DN1 and N + region DN2 may be formed. These may be appropriately selected in consideration of the temperature characteristics as a diode, the yield as a chip, or the ease of handling (handling: whether or not it is convenient to collect each terminal in one place).
[0069]
The above-described diode element constitutes the reference point temperature sensing element 73 described above with reference to FIG. 2. Next, a configuration example of the amplifier 71 that inputs the output will be described.
[0070]
In the amplifier 71 of this example, as shown in FIG. 12, first, the diode formed between the anode terminal DA and the cathode terminal DK1 described above with reference to FIG. 9 or FIG. 10 is the diode D1, the anode terminal DA, and the cathode terminal DK2. A diode D2 is a diode D2, a current source for flowing a forward current IF1 including a transistor J1 and a resistor R1 (for example, 50 kΩ), and a forward current IF2 including a transistor J2 and a resistor R2 (for example, 100 kΩ). Are respectively connected to current sources for flowing current VF1 (potential difference between the anode terminal DA and the cathode terminal DK1) VF1 proportional to the internal resistance of the diode D1, and proportional to the internal resistance of the diode D2. Take forward voltage (potential difference between anode terminal DA and cathode terminal DK2) VF2 The
[0071]
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 amplifier 71 and, as described above with reference to FIG. 2, the digital value is input to the CPU 44 via the A / D converter 72.
[0072]
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 CPU 44 obtains a table of the relationship between the temperature and voltage in the above equation or obtains the relationship between the temperature and the voltage from the measured value and stores it and refers to it, so that the CPU 44 detects the forward voltage VF ( The reference temperature can be obtained (determined) based on the digital value).
[0073]
In contrast, the thermopile chip SPC of the ear thermometer 1 uses (forms) two diodes D1 and D2 as described above. In this case, the forward current IF1 and the forward current IF2 are set to different values. That is, by setting resistances R1 (for example, 50 kΩ) and R2 (for example, 100 kΩ) respectively connected to the transistors J1 and J2 having the same configuration to have different resistance values, the forward current from one current source (transistor J1 + resistance R1). IF1 and the forward current IF2 generated by the other current source (transistor J2 + resistor R2) have different values.
[0074]
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.
[0075]
Also in these cases, the CPU 44 determines the reference temperature based on the detected voltage difference ΔVF (the digital value thereof) in accordance with the above formula or by referring to a table showing the relationship between the voltage difference and the temperature. Can be determined (determined). In the above example, the forward currents IF1 and IF2 of the two diodes D1 and D2 are consciously different values, and the reference temperature is obtained from the difference between them. However, the same circuit including the resistors R1 and R2 is used. The reference temperature may be obtained by using the average value or the like of the detected forward voltage VF1 and forward voltage VF2 as a detected value. In this case as well, it is possible to cancel out a difference in characteristics, an environmental difference, or a deviation from a theoretical value (design value) due to a difference in the formation position of the diode.
[0076]
That is, in the thermopile chip SPC of the ear thermometer 1, since two diodes D1 and D2 are formed (used) as the reference point temperature sensing element 73, different diodes such as the above-described reverse saturation current are used for each chip. Measurement errors due to characteristic differences (differences in characteristics) or other measurement errors due to noise, potential fluctuations, and other factors in the measurement environment can be offset to improve measurement accuracy. In the above example, the number of diodes (temperature sensing elements) is two, but the number can be increased to improve the accuracy.
[0077]
As described above, in the thermopile chip (infrared detecting element) SPC of the ear thermometer 1, the silicon substrate (semiconductor substrate) 80 and the black body (heat absorber) 81 formed on the main surface and receiving infrared rays are disposed. A thermopile 85 that generates a voltage based on the temperature and a reference temperature detector (reference temperature detecting means) 7 that detects the reference temperature of the thermopile 85 are provided, so that the function of 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.
[0078]
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 thermopile 85 is formed, the distance from the thermopile 85 can be shortened, As a result, the measurement accuracy of the reference temperature detection of the thermopile 85 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. In addition, since the reference temperature temperature sensing element (temperature sensing portion) 73 is configured to function as the diodes D1 and D2, the reference temperature can be detected based on the temperature characteristics as the diode, and since it is a diode, it is a semiconductor. It can be easily integrated into the structure and is suitable for miniaturization and cost reduction.
[0079]
Further, since the semiconductor substrate is the silicon substrate 80, it is easy to form a thin film, etch, etc. by a general manufacturing method in semiconductor manufacturing such as a CVD method. Diode) is easy to form integrally, suitable for downsizing and low cost, and easy to place reference temperature measurement point near the cold junction of thermopile. Moreover, it can have the function as a heat sink of the cold junction 84 of the thermopile 85. Specifically, since the diodes D1 and D2 (reference temperature temperature sensing element (temperature sensing portion) 73) are arranged immediately below (near) the cold junction, which is the fundamental reference point for detecting the reference temperature, the measurement point The infrared detection element is small in measurement error based on the distance between the reference point and the reference point and environmental differences, and is capable of high measurement accuracy.
[0080]
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.
[0081]
The advantage of only having a plurality of semiconductor elements as the temperature sensing part is that, for example, in the infrared detection chip 210 of the ear thermometer 100 described above with reference to FIG. 5A, the thermistor 211 for detecting the reference temperature is packaged. It can also be obtained by mounting a plurality (for example, two) on the material 212. That is, in the case where a plurality of (two) semiconductor elements having the same output value for the same input value at the same temperature are installed as design values, the same input is applied in principle. The same output can be obtained in any measurement environment (temperature environment, etc.). Conversely, when different output values are obtained for the same input value, the difference is the difference in measurement environment (temperature environment, etc.) due to the installation position, etc., or the actual characteristic difference (design value and This is considered to be caused by a deviation from the design value such that the input values that should be the same are actually different.
[0082]
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 infrared detection chip 21 of the ear thermometer 1 has the same silicon substrate 80 (that is, in an environment where the same characteristics are easily obtained). B) Since a plurality of (two) diodes D1 and D2 are formed, the error factor of the measurement error can be easily canceled by synergy with the integration.
[0083]
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.
[0084]
In this case, like the plural (two) diodes D1 and D2 of the infrared detection chip 21 of the ear thermometer 1 described above, the output change value with respect to the same temperature change changes corresponding to the input value at that time. When semiconductor elements are used, input values with different values (for example, application of forward currents with different values as described above) can be used to change the output change value for the same temperature change. Are two semiconductor elements having different values. Therefore, the temperature can be detected based on the difference between these outputs (for example, the above-described forward voltage difference ΔVF, etc.), and the measurement error due to noise, potential fluctuation, and other measurement environment fluctuation factors can be offset, Thereby, measurement accuracy can be improved.
[0085]
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 infrared detection chip 21 described above has a plurality of (2 in the environment where it is easy to obtain the same characteristics) on the same silicon substrate 80. Therefore, the error factor of the measurement error can be easily canceled by the synergistic action with the integration. In addition, since a plurality (two) can be formed similarly (for example, in the same process), it is suitable for mass production and cost reduction. It is also possible to switch between the measurement method for obtaining the difference and the measurement method for obtaining the average.
[0086]
Further, in the above-described infrared detection chip 21, the binary lens BL and the thermopile chip SPC are joined and integrated, so that the external heat (error) is smaller than when a waveguide (light guide tube) or the like is used. The influence (interference) of the radiated infrared rays due to the heat) can be reduced, and the incident angle of the infrared rays received by the heat absorber can be limited, thereby reducing error factors and improving the measurement accuracy. Further, the integration can reduce the measurement error due to the temperature difference between the reference temperature (temperature at the measurement point) and the lens temperature, and the formation (placement) positions of the diodes D1 and D2 in this case are shown in FIG. However, as described above, since it is in the vicinity of the cold junction (principal reference point) 83 and also in the vicinity of the junction between the binary lens BL and the thermopile chip SPC, the lens temperature can be grasped at the same time as detecting the reference temperature, Since temperature correction such as lens characteristics (condensing characteristics) is also possible, the measurement accuracy can be further improved.
[0087]
In the ear-type thermometer 1 (thermometer), the temperature of the heat source is the human eardrum temperature, the infrared detector 2 includes the infrared detection chip (infrared detection element) 21 including the above-described thermopile chip SPC, and the diode D1 The reference temperature is obtained from the voltage difference ΔVF between the forward voltages VF1 and VF2 of D2 (temperature sensing part), and the temperature of the heat source S (body temperature: human eardrum temperature) is determined based on the output voltage of the thermopile 85 and the reference temperature. Since the temperature measurement value determination unit (temperature measurement value determination means) 4 to be determined is further provided, it functions as a thermometer that measures body temperature. In addition, since the infrared detection chip (infrared detection element) 21 that can improve the temperature detection accuracy while reducing the size and the cost is used, the temperature detection accuracy can be reduced while reducing the size and the cost. Can be improved.
[0088]
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.
[0089]
Therefore, the ear thermometer 1 is devised to increase the sensitivity of temperature measurement while applying a thermopile type to reduce the size and cost. This will be described below.
[0090]
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.
[0091]
As the thermopile 85 applicable also to the thermopile chip | tip SPC (infrared detector) of the ear-type thermometer 1, the structure shown, for example in FIG. 14 can be considered. As shown in the figure (and FIG. 8 or FIG. 11), each thermocouple 82 of this thermopile 85 has aluminum (Al) 91 and polysilicon (Si-P) 92 as two kinds of conductors. A hot junction 83 is provided on the side close to the black body 81 (upper surface of the membrane structure portion only of the thin film layer), and a cold junction 84 is provided on the far side (upper surface of the peripheral portion of the silicon substrate 80 serving as a heat sink). Yes.
[0092]
Here, the above configuration is divided in terms of characteristics, a hot junction support region that supports a portion of the hot junction 83 and a black body (heat absorber) 81, a cold junction support region that supports a portion of the cold junction 84, and It is considered that it is divided into an intermediate support region that supports the conductors 91 and 92 that connect them. In this case, as described above, the substrate of the thermopile chip SPC has a thin plate portion whose main surface side is a hot junction support region and an intermediate support region and a thin plate portion whose main surface side is a cold junction support region and a thick plate thickness. It has a plate part and a hollow part (heat insulation part: lower part of the membrane structure) KW formed by the difference in plate thickness between the thin plate part and the thick plate part (see FIGS. 5, 7, 8, etc.).
[0093]
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 black body 81 and the hot contact 83 in the hot junction support region, and The heat conduction from the thermocouple conductors 91 and 92 is reduced, the temperature difference between the hot and cold junctions is secured, the electromotive force (electromotive voltage) of each thermocouple 82 is increased, and the temperature measurement sensitivity (measurement) Sensitivity). As described above, on the first substrate layer 80 made of a silicon (Si) layer having a high thermal conductivity, the second films made of oxide films (SiO) 94, 97 having a low thermal conductivity, nitride film (SiN) 97, etc. After forming the substrate layer (becomes the original semiconductor substrate), the hollow portion KW can be easily formed from the back side in an etching process, which is a general semiconductor manufacturing process.
[0094]
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 cold junction 84 is brought close to the environmental temperature (room temperature, etc.), the temperature difference between the hot junction cold junction is secured, and the electromotive force of each thermocouple 82 is Suitable for enlargement.
[0095]
14 can be obtained by the structure shown in FIG. 14. In the thermopile chip SPC of the ear thermometer 1, as shown in FIG. 15 and FIG. 16 (FIG. 16 shows (1)-in FIG. 2), a configuration example of a cross section viewed from the cold junction 83 side (right side in the figure) is shown), and each thermocouple 82 is configured in an intermediate support region that supports the conductors 91 and 92 that configure each thermocouple 82 described above. A slit (hollow communication path) 98 communicating from the main surface to the hollow portion KW on the back surface side is provided between the pair of conductors 91 and 92 and the conductor of the adjacent thermocouple 82. Since the slit 98 can also be formed in the etching process for forming the hollow portion KW as described above, it can be formed without going through a special process.
[0096]
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 cold junctions 84 can be reduced, the temperature difference between the two contacts can be secured, the electromotive force (electromotive voltage) of each thermocouple 82 can be increased, and the measurement sensitivity can be increased. In this case, as shown in the figure, the slit 98 has a longitudinal direction in which the portion of the hot junction 83 and the portion of the cold junction 84 are connected, so that the heat retaining action in the longitudinal direction (that is, between the hot junction cold junctions). This is suitable for downsizing, since the density in the direction perpendicular to it (the left-right direction in the cross section of FIG. 16) can be increased.
[0097]
In the ear thermometer 1 (thermometer), the temperature of the heat source is the human eardrum temperature, the infrared detector 2 includes the infrared detection chip (infrared detection element) 21 including the above-described thermopile chip SPC, and a diode. The reference temperature is obtained from the voltage difference ΔVF between the forward voltages VF1 and VF2 of D1 and D2 (temperature sensing section), and the temperature of the heat source S (body temperature: human eardrum temperature) based on the output voltage of the thermopile 85 and the reference temperature. Since the temperature measurement value determination unit (temperature measurement value determination means) 4 for determining the temperature is provided, it functions as a thermometer that measures body temperature. In addition, since the infrared detection chip (infrared detection element) 21 that can improve the temperature detection accuracy and can increase the sensitivity while reducing the size and cost is used, the thermometer can be reduced in size and cost. The accuracy of temperature detection can be improved while improving the sensitivity.
[0098]
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 adjacent thermocouple 82. ), The thermoelectric stack 85 may have the same configuration as that in the case where the hollow communication passage is not formed unless particularly necessary. By forming the slit 98, the hot junction cooling is performed. It is possible to reduce the heat conduction between the contacts to ensure a temperature difference, increase the electromotive force, and increase the measurement sensitivity.
[0099]
Further, for example, as shown in FIGS. 17 and 18 (FIG. 18 shows a configuration example of a cross section viewed from the cold junction 83 side (right side in the figure) in (3)-(4) of FIG. 17), in the intermediate support region An oxide film (SiO) 99 or the like is provided between one conductor (for example, aluminum (Al)) 91 and the other conductor (for example, polysilicon (Si-P)) 92, and the conductor 91, The measurement sensitivity may be further increased by stacking 92 vertically and increasing the density to further reduce the size, or as shown in the figure, the slit 98 may be enlarged without changing the entire surface area.
[0100]
Also, the slit 98 can be provided within the width of one or both conductors. For example, as shown in FIGS. 19 and 20 (FIG. 20 shows a configuration example of a cross section as viewed from the cold junction 83 side (the right side in the figure) in (5)-(6) of FIG. 19), An opening that leads from the surface of the conductor (for example, polysilicon (Si-P)) 92 to the slit 98 is provided. That is, since the opening is directly connected to the slit 98, it becomes 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 of can be increased, it is suitable for downsizing. In this case, an opening (concave portion) connected to the lower surface of the conductor may be provided instead of the opening penetrating from the upper surface of the conductor.
[0101]
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 thermoelectric stack 85, is a so-called n-type semiconductor doped with so-called Group 5 element P (phosphorus) as a donor impurity. Further, it can be changed to a semiconductor material having lower resistivity and thermal conductivity.
[0102]
For example, a p-type semiconductor doped with an acceptor impurity such as a so-called group 3 element can be used as the conductor. In the above example, the other conductor is metal aluminum (Al), but a combination of a p-type semiconductor and an n-type semiconductor may be used as the pair of conductors of the thermocouple. In this case, since the Seebeck coefficients of the p-type semiconductor and the n-type semiconductor are opposite in polarity, the p-type semiconductor and the n-type semiconductor can be alternately connected in series. It is also possible to use a metal having a lower resistivity only for the portion in charge of the cold junction.
[0103]
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.
[0104]
By the way, in the ear thermometer 1 of the above-described embodiment, as described above with reference to FIG. 5B, the binary lens BL is provided so as to be in direct contact (bonding) with the surface of the thermopile chip SPC as the infrared detection chip 21. Specifically, in order to make it close to the junction between the binary lens BL and the thermopile chip SPC and close to the cold junction (principal reference point), specifically, as the reference point temperature sensing element 73 described above with reference to FIG. A PN diode PND (diodes D1 and D2) was formed almost immediately below the cold junction 84 (see FIG. 8).
[0105]
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.
[0106]
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.
[0107]
In this example, as shown in FIG. 21A and FIG. 22, the infrared chip 12 has a binary lens chip BLC (however, in FIG. 21A, the binary element BLb is exaggerated similarly to FIG. 5B). 1), a diode chip DDC, and a thermopile chip SPC (except that the PN diode PND is formed on the diode chip DDC side), which are joined and integrated. All of these are bonded to a predetermined silicon (or germanium) substrate after being formed by etching or the like, as described above. Further, after bonding, the bonding wire 26 is pulled out only from one side (the left side in the figure) and connected to the circuit board 3.
[0108]
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.
[0109]
Further, in this example, the reference point temperature sensing element 73 described above with reference to FIG. 2 is provided below the diode chip DDC (joint portion with the thermopile chip SPC) as shown in FIGS. 21 (b) and 22 (b). As the PN diode PND, two diodes (diodes D1 and D2 in FIG. 12) are formed.
[0110]
Specifically, first, a diode cathode pattern DKP1 connected to the cathode terminal DKT1, an N + region DN1 corresponding thereto, a diode cathode pattern DKP2 connected to the cathode terminal DKT2, an N + region DN2 corresponding thereto, and a 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.
[0111]
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 silicon substrate 180 of the diode chip DDC, and the P + region DP1 (and DP2) and the N + region DN1 (and DN2) are formed. Then, a diode anode pattern DAP1 (and DAP2) or a diode cathode pattern DKP1 made of a thin film layer (semiconductor layer) such as an oxide film (SiO) 106 or a nitride film (SiN) 107, or aluminum (Al) is formed. Various metal / semiconductor layers such as a metal layer (and DKP2) and other terminals (anode terminal DAT and the like) are formed by patterning.
[0112]
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 cold junction 84 of the thermopile 85. The P + region DP1 (and DP2) and the N + region DN1 (and DN2) are provided so that the region 103 is formed. As a result, the temperature sensing part (diodes D1 and D2) is arranged immediately above the cold junction 84, which is the principle reference point for detecting the reference temperature, so that the distance between the measurement point and the reference point and the environmental difference are affected. The measurement error based on this can be further reduced, and the measurement accuracy can be further improved.
[0113]
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 infrared chip 12, As shown in FIG. 22C, bonding terminals DAS, DKS1, and DKS2 are provided on the thermopile chip SPC side, and correspond to the terminals DAT, DKT1, and DKT2 of the diode chip DDC in FIG. is doing. Corresponding terminals are provided in the peripheral part from the aforementioned part in FIGS. 21 (b) and 21 (c), that is, in the positions shown in FIGS. 22 (b) and (c), as shown in FIG. 23 (a), Aluminum (Al) layers constituting the opposing terminals are connected by solder 110 (see FIG. 5B).
[0114]
Further, as described above, in this example, the bonding wire 26 is pulled out from each terminal DA, DK1, DK2 as the infrared chip 12 and connected to the circuit board 3 as shown in FIG. To do.
[0115]
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 infrared detection unit 2 includes the binary lens chip BLC, the diode chip DDC, and the thermopile chip. An infrared detection chip (infrared detection element) 12 including SPC and the like is provided, and a reference temperature is obtained from a voltage difference ΔVF using diodes D1 and D2 (temperature sensing units), and based on the output voltage and reference temperature of the thermopile 85. Since the temperature measurement value determining unit (temperature measurement value determining means) 4 for determining the temperature of the heat source S (body temperature: human eardrum temperature) is provided, it functions as a thermometer for measuring the body temperature. In addition, the infrared detection chip (infrared detection element) 12 that can improve the temperature detection accuracy and increase the sensitivity while reducing the size and cost is utilized, so that the thermometer can be reduced in size and cost. The accuracy of temperature detection can be improved while improving the sensitivity.
[0116]
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.
[0117]
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).
[0118]
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.
[0119]
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.
[0120]
In the above-described example, the bonding wire 26 is pulled out only from one side (the left side in the figure) (connected to the circuit board 3), but may be from both the left and right sides, and the thermopile chip SPC is attached to the binary lens so that it can be pulled out from the entire peripheral portion. It can also be formed slightly larger than BL (binary lens chip BLC + diode chip DDC) (this point is the same as in the above example in FIG. 5B).
[0121]
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 cold junction 84 in the vicinity of the cold junction 84 in the above example in FIGS. In the same way as in the case of forming on the binary lens chip BLC side in 23 to 23, it may be formed around the cold junction 84 (as described above, in FIG. 7 and FIG. Therefore, if a diode is provided almost at the position shown in FIGS. 7 and 9, it can be constructed around the cold junction 84). In this case, similarly to the above-described example in FIGS. 21 to 23 (but so as to be upside down), for example, as shown in FIG. 24, the diode anode pattern DAP1 (and DAP2) and the diode cathode pattern DKP1 (and DKP2) ) Or the like may be provided so as to eliminate the potential difference at the same potential as the diode, thereby ensuring a more reliable operation.
[0122]
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.
[0123]
【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 is applied and the temperature measurement accuracy can be improved while reducing the size and the 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 amplifier 71 in FIG. 2. FIG.
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

A semiconductor substrate having a rectangular main surface;
On the main surface of the semiconductor substrate, a heat absorber that receives infrared rays and is formed in a square shape that is formed by four sides parallel to each of the four sides that constitute the main surface, and a plurality that extends in four directions from the heat absorber A thermocouple that generates a voltage based on a temperature difference between a hot junction and a cold junction of each thermocouple, and
An infrared lens bonded onto the main surface of the semiconductor substrate and condensing the infrared light on the heat absorber;
A reference temperature detecting means for detecting a reference temperature of the thermopile;
With
The reference temperature detecting means has two semiconductor elements whose input / output characteristics change according to the temperature change as a temperature sensing part sensitive to a temperature change of the reference temperature, and outputs to the outputs from the two semiconductor elements. Based on the reference temperature,
The two semiconductor elements are formed in the semiconductor substrate so as to function as a diode, near the junction between the semiconductor substrate and the infrared lens, and with respect to the heat absorber. It is formed so as to surround the plurality of cold junctions in a rectangular shape facing one diagonal direction of the absorber,
One of the semiconductor elements is located on one of the four sides of the heat absorber from one corner located in the other diagonal direction of the heat absorber to the other of the four corners in plan view of the semiconductor substrate. A first P + region extending along two sides that are perpendicular to each other, and located on either the inside or the outside of the first P + region, from one corner to the other corner of the heat absorber. A first N + region extending along two sides,
The other semiconductor element includes a second P + region extending from the one corner to the other corner along two opposing sides that are opposite to the two sides of the heat absorber and are perpendicular to each other, and the second P + A second N + region that is located on either the inner side or the outer side of the region and extends from the one corner to the other corner along two opposite sides of the heat absorber,
One end of each of the first P + region and the second P + region is connected to a common anode terminal disposed at the one corner,
The first N + region and the second N + region are respectively connected at one end to two cathode terminals arranged at the other corner.

A semiconductor substrate having a rectangular main surface;
On the main surface of the semiconductor substrate, a heat absorber that receives infrared rays and is formed in a square shape that is formed by four sides parallel to each of the four sides that constitute the main surface, and a plurality that extends in four directions from the heat absorber A thermocouple that generates a voltage based on a temperature difference between a hot junction and a cold junction of each thermocouple, and
An infrared lens bonded onto the main surface of the semiconductor substrate and condensing the infrared light on the heat absorber;
A reference temperature detecting means for detecting a reference temperature of the thermopile;
With
The infrared lens has a lens substrate made of a semiconductor processed as a lens,
The reference temperature detecting means has two semiconductor elements whose input / output characteristics change according to the temperature change as a temperature sensing part sensitive to a temperature change of the reference temperature, and outputs to the outputs from the two semiconductor elements. Based on the reference temperature,
The two semiconductor elements are formed in the lens substrate of the infrared lens so as to function as a diode, and in the vicinity of the junction between the semiconductor substrate and the infrared lens and with respect to the heat absorber. The plurality of cold junctions are formed in a square shape so as to face one diagonal direction of the heat absorber.
One of the semiconductor elements is located on one of the four sides of the heat absorber from one corner located in the other diagonal direction of the heat absorber to the other of the four corners in plan view of the semiconductor substrate. A first P + region extending along two sides that are perpendicular to each other, and located on either the inside or the outside of the first P + region, from one corner to the other corner of the heat absorber. A first N + region extending along two sides,
The other semiconductor element includes a second P + region extending from the one corner to the other corner along two opposing sides that are opposite to the two sides of the heat absorber and are perpendicular to each other, and the second P + A second N + region that is located on either the inner side or the outer side of the region and extends from the one corner to the other corner along two opposite sides of the heat absorber,
One end of each of the first P + region and the second P + region is connected to a common anode terminal disposed at the one corner,
The first N + region and the second N + region are respectively connected at one end to two cathode terminals arranged at the other corner.

A semiconductor substrate having a rectangular main surface;
On the main surface of the semiconductor substrate, a heat absorber that receives infrared rays and is formed in a square shape that is formed by four sides parallel to each of the four sides that constitute the main surface, and a plurality that extends in four directions from the heat absorber A thermocouple that generates a voltage based on a temperature difference between a hot junction and a cold junction of each thermocouple, and
An infrared lens bonded onto the main surface of the semiconductor substrate and condensing the infrared light on the heat absorber;
A reference temperature detecting means for detecting a reference temperature of the thermopile;
With
The infrared lens has a lens substrate made of a semiconductor processed as a lens, and a bonded substrate made of a semiconductor processed as a bonding portion for bonding the lens substrate to the semiconductor substrate,
The reference temperature detecting means has two semiconductor elements whose input / output characteristics change according to the temperature change as a temperature sensing part sensitive to a temperature change of the reference temperature, and outputs to the outputs from the two semiconductor elements. Based on the reference temperature,
The two semiconductor elements are formed in the bonding substrate of the infrared lens so as to function as a diode, and in the vicinity of the bonding portion between the semiconductor substrate and the infrared lens and with respect to the heat absorber. The plurality of cold junctions are formed in a square shape so as to face one diagonal direction of the heat absorber.
One of the semiconductor elements is located on one of the four sides of the heat absorber from one corner located in the other diagonal direction of the heat absorber to the other of the four corners in plan view of the semiconductor substrate. A first P + region extending along two sides that are perpendicular to each other, and located on either the inside or the outside of the first P + region, from one corner to the other corner of the heat absorber. A first N + region extending along two sides,
The other semiconductor element includes a second P + region extending from the one corner to the other corner along two opposing sides that are opposite to the two sides of the heat absorber and are perpendicular to each other, and the second P + A second N + region that is located on either the inner side or the outer side of the region and extends from the one corner to the other corner along two opposite sides of the heat absorber,
One end of each of the first P + region and the second P + region is connected to a common anode terminal disposed at the one corner,
The first N + region and the second N + region are respectively connected at one end to two cathode terminals arranged at the other corner.

An infrared detection element according to any one of claims 1 to 3,
Based on the output voltage from the thermopile of the infrared detection element and the detected 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.