JP5094526B2 - 複合センサ及びこれを用いた炎センサ - Google Patents

Description

本発明は、ＵＶセンサ部とＩＲセンサ部を有する複合センサ及びこれを用いた炎センサに関するものである。

近年において、住宅の高層化及び高齢者の一人暮らしの増加等の観点から、建物内に火災を高感度且つ迅速に検知することができる火災警報器等の設置が重要視されている。また、平成１８年６月の消防法の改正に伴い、新築住宅においても火災警報器の設置が義務付けられている。

従来から、火災警報器としては煙及び熱検知タイプの火災警報器が知られている。しかしながら、煙及び熱検知タイプの火災警報器では火災が一定以上広がらなければ火災を検知することができないため、火災の初期段階での検知が困難であるという問題点があった。また、煙及び熱検知タイプは、屋外が出火源との火災に対して、その初期段階の検知は極めて困難であるという問題点もあった。

かかる問題点を解消する方法として、炎特有の紫外線を検出する方法やかかる紫外線に加えて赤外線を検出する方法があり、これらの方法を利用した炎センサが従来から知られている（特許文献１及び２）。

特許文献１には、金属の外部光電効果及びガス倍増効果を利用するタイプの炎センサが開示されている。また、特許文献２には、異なる波長からの光を利用して炎の有無を検知する炎センサが開示されている。
特開２００６−１０５８７７ 特開平８−２２５８４

特許文献１に開示された炎センサは、外部光電効果を利用することによって、波長が約２００ｎｍから２８０ｎｍの紫外線（以下、ＵＶ−Ｃと称する）の受光の有無に応じて炎の有無を検知しているが、外部光電効果を利用する構造はコスト高、低信頼性及び消費電力が大きいという問題点がある。また、外部光電効果を利用するため所定の大きさのパッケージで覆う必要があり小型化を容易に行うことが困難であった。

特許文献２に開示された炎センサは、炎の有無を検知するためにＵＶ−Ｃを検出するＵＶ検知用光電管及び波長が約４０００ｎｍから５０００ｎｍの赤外線（以下、ＩＲ−Ｃ）を検出する光学フィルタを敷設した熱電対型センサを有している。しかしながら、２つの構造が全く異なるセンサを利用しているため、炎センサとしての小型化が困難であった。また、異なる２つのセンサを配置及び配線するため、炎センサの構造及び回路構成が制限されるという問題点もあった。

本発明は、以上の如き事情に鑑みてなされたものであり、小型化が容易であって構造及び回路構成の制限を緩和することができる複合センサ及びこれを用いた炎センサを提供する。

上述した課題を解決するために、半導体基板上の埋め込み酸化膜上に積層されたＳＯＩ層内に設けられたＰＮ接合領域を含むＵＶセンサ部と、前記ＳＯＩ層に設けられたＮ型の低濃度拡散領域と前記埋め込み酸化膜を介して前記低濃度拡散領域に対向して前記半導体基板内に設けられたＮ型の高濃度拡散領域とを含むＩＲセンサ部と、を有し、前記ＩＲセンサ部は、前記低濃度拡散領域に接続したシリサイド領域と、前記埋め込み酸化膜を介して前記シリサイド領域に対向して前記半導体基板内に設けられたＮ型の追加高濃度拡散領域と、を更に有することを特徴とする複合センサが提供される。

また、前記ＰＮ接合領域を形成するＰ型拡散領域は、円柱状の拡散領域の複数が連なっている形状を有していても良い。

また、前記ＰＮ接合領域を形成するＰ型拡散領域は、半円柱状の拡散領域の複数が交互に同一方向において連なっている形状を有していても良い。

また、前記ＩＲセンサ部は、前記低濃度拡散領域に接続したシリサイド領域と前記埋め込み酸化膜を介して前記シリサイド領域に対向して前記半導体基板内に設けられたＮ型の追加高濃度拡散領域と、を更に有していても良い。

また、前記ＵＶセンサ部は、前記ＳＯＩ層上にスリットを更に有していても良い。

また上述した課題を解決するために、半導体基板上の埋め込み酸化膜上に積層されたＳＯＩ層内に設けられたＰＮ接合領域を含むＵＶセンサ部と、前記ＳＯＩ層に設けられたＮ型の低濃度拡散領域と前記埋め込み酸化膜を介して前記低濃度拡散領域に対向して前記半導体基板内に設けられたＮ型の高濃度拡散領域とを含むＩＲセンサ部と、前記ＵＶセンサ部及び前記ＩＲセンサ部の各々から得られる受光信号に応じて炎の有無を判定する判定部と、を有し、前記ＩＲセンサ部は、前記低濃度拡散領域に接続したシリサイド領域と、前記埋め込み酸化膜を介して前記シリサイド領域に対向して前記半導体基板内に設けられたＮ型の追加高濃度拡散領域と、を更に有することを特徴とする炎センサが提供される。

また、前記ＵＶセンサ部及び前記ＩＲセンサ部の各々は、前記受光信号を増幅する増幅部を更に含んでいても良い。

半導体基板上の埋め込み酸化膜上に積層されたＳＯＩ層内に設けられたラテラルＰＮ接合領域を含むＵＶセンサ部と、前記ＳＯＩ層に設けられたＮ型の低濃度拡散領域及び前記低濃度拡散領域に対向して前記半導体基板内に設けられたＮ型の高濃度拡散領域を含むＩＲセンサ部とを有する故、小型化が容易であって構造及び回路構成の制限を緩和することができる複合センサを提供することができる。

また、前記複合センサに炎の有無を判定する判定部を更に加えることによって、小型化が容易であって構造及び回路構成の制限を緩和することができる炎センサを提供することができる。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施例について添付図面を参照しつつ詳細に説明する。

先ず、図１を参照しつつ、本発明の実施例としての炎センサ１０の構成について詳細に説明する。

炎センサ１０は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板１１に受光した光からＵＶ−Ｃを検出するためのＵＶ受光部１２が形成されている。ＵＶ受光部１２には隣接してＵＶ増幅部１３が形成されている。ＵＶ受光部１２及びＵＶ増幅部１３からＵＶセンサ部１４が構成されている。また、炎センサ１０は、ＳＯＩ基板１１に受光した光からＩＲ−Ｃを検出するためのＩＲ受光部１５が形成されている。ＩＲ受光部１５には隣接してＩＲ増幅部１６が形成されている。ＩＲ受光部１５及びＩＲ増幅部１６からＩＲセンサ部１７が構成されている。更に、ＵＶセンサ部１４及びＩＲセンサ部１７から、受光する光からＵＶ−Ｃ及びＩＲ−Ｃを検出する複合センサ１８が構成されている。なお、ＵＶセンサ部１４とＩＲセンサ部１７とは、素子分離領域（図示せず）によって電気的に素子分離されていても良い。また、各受光部及び各増幅部についても、後述するＳＯＩ層内おいて素子分離されていても良い。

ＵＶセンサ部１４及びＩＲセンサ部１７には、ＵＶセンサ部１４からのＵＶ受光信号とＩＲセンサ部１７からのＩＲ受光信号とから炎の有無を判定する判定部１９が接続されている。判定部１９についてもＳＯＩ基板１１に形成されている。判定部１９は炎を検知した場合に炎の検知信号を出力するための出力端子（図示せず）が設けられている。

上述した構成によって、本発明の実施例における炎センサ１０は、受光した光から炎の特有の波長であるＵＶ−Ｃ及びＩＲ−Ｃを検出して炎の有無を判別し、炎を検知した場合に炎の検知信号を出力することを可能としている。

次に、図２（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、本発明の実施例としての炎センサ１０のＵＶ受光部１２の構造について詳細に説明する。

図２（ａ）に示されているように、ＳＯＩ基板１１は低濃度のＰ型の半導体基板２１、半導体基板２１上に形成された埋め込み酸化膜２２及び埋め込み酸化膜上に形成されたＳＯＩ層２３から構成され、半導体基板２１とＳＯＩ層２３とは埋め込み酸化膜２２によって絶縁分離されている。ここで、ＳＯＩ基板１１の厚さ方向をＺ軸方向と定義し、ＵＶ受光部１２の長辺方向をＸ軸方向と定義することとする。ＳＯＩ層２３上には、Ｚ軸方向に所定の距離だけ離間してスリット２４が設けられている。スリット２４は、ＳＯＩ層２３に到達する光を所定以下の波長に限定（すなわち、所定以上の波長を遮蔽）するために設けられている。

ＳＯＩ層２３にはＮ型拡散領域２５（以下、Ｎ領域２５と称する）と高濃度のＰ型拡散領域２６（以下、Ｐ⁺領域２６と称する）が交互に形成されている。また、Ｎ領域２５とＰ⁺領域２６とによってラテラルＰＮ接合領域を含むラテラル型のダイオードが形成されている。

ここで、ＵＶ受光部１２はＳＯＩ層２３の厚さが薄いほど波長の短い光に感度を有することから、ＳＯＩ層２３の厚さはＵＶ−Ｃより長い波長であるＵＶ−Ａ（波長：３２０から４００ｎｍ）及びＵＶ−Ｂ（波長：２８０から３２０ｎｍ）に感度を有さない厚さであることが望ましい。従って、ＳＯＩ層２３の厚さがＵＶ−Ｃのみに感度を有する厚さに調整された場合には、スリット２４を設けずに直接的に光が照射されても良い。具体的には、ＵＶ−Ｃの波長選択性を向上させるために、ベール法則に基づき約数ｎｍから３０ｎｍの膜厚に設定しても良い。なお、ＳＯＩ層２３に形成される受光面を覆うべく、透明な保護膜（図示せず）をＳＯＩ層２３上に形成しても良い。

図２（ｂ）に示されているように、ＳＯＩ層２３内にＰ型の不純物を複数回に別けて打つ込むことによって、ＳＯＩ層２３の埋め込み酸化膜２２と平行な平面内（すなわち、Ｘ−Ｙ平面内）におけるＰ⁺領域２６は、円状の複数のＰ型の拡散領域が連なっている形状を有していることとなる。すなわち、Ｐ⁺領域２６は円柱状のＰ型の拡散領域が連なって形成されている。ここで、Ｘ軸に垂直であるＵＶ受光部１２の短辺方向をＹ軸方向と定義することとする。

また、Ｎ領域２５とＰ⁺領域２６とによって形成される空乏層（図示せず）の広がり範囲を約４０ｎｍとなるようにＰ⁺領域２６の不純物濃度を調整及びＰ⁺領域２６のＸ軸方向の幅を決定することが望ましい。かかる４０ｎｍが望ましい理由としては、電磁波を遮蔽する金網のメッシュ幅が波長の約１／７であることが知られており、ＵＶセンサ部１２で検出を行う波長はＵＶ−Ｃの波長である約２８０ｎｍであることから、その１／７の値として約４０ｎｍが算出されるからである。ここで、約１／７としたが、これは検出した電気出力を増幅するアンプの分解能によって左右される。さらに、蛍光灯や白色ＬＥＤなどを単一の紫外線センサで検出する目的とする場合には、蛍光灯や白色ＬＥＤは３４０ｎｍ以下の波長を出さないものとして、広がり範囲を４０〜４９ｎｍと設定することも可能である。また、高分解能のアンプを用いる場合には高いフィルタ特性を得るために波長の１／７以下にする必要があり、そのために空乏層の広がりを１０〜４０ｎｍの範囲で設定する場合もある。

Ｘ軸方向における空乏層の広がりは、Ｐ⁺領域２６の不純物濃度の調整及びＰ⁺領域２６のＸ軸方向の幅の決定から所望の広がりに調整することが可能である。しかしながら、Ｐ⁺領域２６が矩形の場合においてはＹ軸方向においてはＸ軸方向よりもその幅が長いため、Ｘ軸方向と同等の空乏層の広がりとすることは一般には困難である。そこで、上述したようにＰ⁺領域２６のＸ−Ｙ平面の形状を円状の拡散領域が複数連なる形状とすることによって、Ｙ軸方向における空乏層の広がりを抑えることが可能となる。このようなＰ⁺領域２６のＸ−Ｙ平面形状によってＵＶ−Ｃを高精度で検出することができることとなる。

上述したＵＶ−Ｃの検出の高精度化について、図３を参照して更に説明する。

図３は、横軸が波長λ（ｎｍ）であり、縦軸が光の透過率及び受光の感度を示している。破線グラフが従来のＵＶセンサと同様にＰ⁺領域２６のＸ−Ｙ平面形状を矩形にした場合であり、実線グラフがＰ⁺領域２６のＸ−Ｙ平面形状を円状の拡散領域を複数連ならせた場合を示している。破線グラフにおいてはそのピークが約２８０ｎｍであり、また３５０ｎｍ以上の光においても感度を有することが判る。従って、従来のＵＶセンサと同様にした場合はＹ軸方向における空乏層の広がりの影響によって、所望の波長においても感度を有してしまうこととなる。一方で、実線グラフにおいてはそのピークが２３０ｎｍ以下であり、また３５０ｎｍ以上においては破線グラフと比較すると感度を殆ど有していないことがわかる。以上のことから、Ｐ⁺領域２６のＸ−Ｙ平面における形状を円状の拡散領域を複数連ねることによってＵＶ−Ｃを高精度で検出することができることとなる。

また、Ｐ⁺領域２６のＸ−Ｙ平面の形状は図４に示されているように、複数の半円状の拡散領域が交互に同一方向において連なっている形状であっても良い。すなわち、図４に示された場合においてＰ⁺領域２６は、半円柱状の拡散領域が交互に同一方向において連なっていることとなる。図４に示された形状は一方向（例えばＸ軸方向）のみにＰ⁺領域２６が偏らない形状であるため、Ｙ軸方向における空乏層の広がりを抑制することが可能となる。

なお、円状及び半円状の拡散領域の数量を多く（すなわち、円状及び半円状の半径ピッチが小さい）することによって、空乏層のＹ軸方向における広がりを抑制することが容易となってＵＶ−Ｃを高精度で検出することができることとなる。

次に、図５を参照しつつ、ＵＶセンサ部１４の等価回路の構成の１例について詳細に説明する。

ＵＶ受光部１２を構成するダイオード５１のアノードは接続点Ｔ１を介して増幅回路５２の負入力端子に接続されている。ダイオード５１のカソードは接地電位に接続されている。増幅回路５２の正入力端子は接地電位に接続され、増幅回路５２の出力端子は外部出力端子Ｖ_out1に接続されている。また、増幅回路５２の電源接続端子は接続点Ｔ２を介してコンデンサＣ０₁に接続され、更にコンデンサＣ０₁を介して接地電位に接続されている。例えば、コンデンサＣ０₁は１０ｐＦとしても良い。

コントロール信号入力端子（以下、ＣＮＴと称する）は、２つのＮＯＴゲート５３、５４を介して接続点Ｔ３に接続され、更に、接続点Ｔ３を介してＮ型ＭＯＳトランジスタＭ１のゲートに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭ１のドレインは接続点Ｔ１を介して増幅回路５２の負入力端子に接続され、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭ１のソースは接地電位に接続されている。

また、ＣＮＴは接続点Ｔ３及びＴ４を介してＮ型ＭＯＳトランジスタＭ２のゲートに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭ２のソースは接続点Ｔ２を介してコンデンサＣ０₁に接続されている。更に、ＣＮＴは接続点Ｔ４を介してＮ型ＭＯＳトランジスタＭ３のゲートに接続されている。Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭ３のドレインは電源電圧ＶＤＤ₁に接続され、ソースは接続点Ｔ５を介して増幅回路５５の電源接続端子に接続されている。

増幅回路５５の出力端子はＮ型ＭＯＳトランジスタＭ２のドレインに接続されている。また、増幅回路５５の負入力端子は接続点６を介して増幅回路５２の出力端子に接続されている。更に、増幅回路５５の正入力端子は接続点Ｔ７を介して抵抗Ｒ１、Ｒ２に接続されている。抵抗Ｒ１の接続点Ｔ７と接続された端部とは異なる端部は接続点Ｔ５に接続されている。また、抵抗Ｒ２の接続点Ｔ７と接続された端部とは異なる端部は接地電位に接続されている。例えば、抵抗Ｒ１を１８０ｋΩとし、抵抗Ｒ２を２０ｋΩとしても良い。

なお、ダイオード５１を除いた破線によって囲まれた部分がＵＶ増幅部１３を構成することとなる。

上述した構成によってＵＶ−Ｃ検出時のＵＶ受光信号を増幅する理由としては、ＵＶ受光部１２の偏光面の偏りを少なくする観点から受光面が小さくしているため、大きなＵＶ受光信号を発生することができないからである。

次に、図５及び図６を参照しつつ、ＵＶ増幅部の動作について説明する。図６の横軸は時間を示し、縦軸は外部出力端子Ｖ_out1におけるＵＶ受光信号の出力電圧値及びＣＮＴにおける信号の電圧値を示している。

先ず、ダイオード５１がＵＶ−Ｃを検出するとＵＶ受光信号である電流が増幅回路５２に向かって流れる。増幅回路５２で所定の増幅率によって増幅されたＵＶ受光信号が、出力電圧値として外部出力端子Ｖ_out1に送信されることとなる。この増幅されたＵＶ受光信号が外部出力端子Ｖ_out1に送信されている状態が、図６の矢印６ａによって示された期間となる。

その後、ＣＮＴからオフセット信号が入力され、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３がオン状態に移行する。かかる状態では、継続してＵＶ−Ｃを検出していてもＮ型ＭＯＳトランジスタのドレインに電流が流れることとなり、出力電圧値は０Ｖ（すなわち、増幅後のＵＶ受光信号は送信されていない状態）となる。かかる態が、図６の矢印６ｂによって示された期間である。また、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭ２、Ｍ３がオン状態に移行することから、かかる出力電圧値０Ｖの状態を基準状態にオフセットすることとなる。

オフセット信号が入力されてから０．０１秒後にオフセット信号の入力が停止され、Ｎ型ＭＯＳトランジスタＭ１、Ｍ２、Ｍ３がオフ状態に移行することとなる。かかる状態において、ＵＶ−Ｃを検出しているとダイオード５１に電荷が充電され徐々に出力電圧値が上昇し、電荷充電が完了すると一定の出力電圧値がＵＶ受光信号として出力されることとなる。かかる状態が、図６の矢印６ｃによって示された期間である。

オフセット信号の入力が停止されてから約1秒後、再びオフセット信号が入力されて上述したオフセットを再度行い、その後も上述した動作を繰り返すこととなる。なお、オフセット信号の入力間隔は、1秒に限られることなくそれ以上であっても良い。また、ダイオード５１の特性上から１秒以上であることが望ましい。

上述した動作を繰り返すことによって、オフセットとしての出力電圧値を０Ｖで安定されることができ、ＵＶ−Ｃを検出した場合に精度よくＵＶ受光信号を増幅することができることとなる。

次に、図７（ａ）、（ｂ）を参照しつつ、本発明の実施例としての炎センサ１０のＩＲ受光部１５の構造について詳細に説明する。

図７（ａ）に示されているように、図２（ａ）で示された構造と同様に半導体基板２１、埋め込み酸化膜２２及びＳＯＩ層２３からＳＯＩ基板１１が構成されている。また、図２（ａ）と同様にＳＯＩ基板１１の厚さ方向をＺ軸方向と定義し、ＩＲ受光部１５の長辺方向をＸ軸方向と定義することとする。更に、図７（ｂ）においても図２（ｂ）と同様に、Ｘ軸に垂直であるＩＲ受光部１５の短辺方向をＹ軸方向と定義することとする。

ＳＯＩ層２３には、Ｎ型の不純物がイオン注入された縮退半導体領域７１が形成され、縮退半導体領域７１に隣接してシリサイド領域７２が形成されている。例えば、シリサイド領域７２はＮ型の不純物と金属とからなり、縮退半導体領域７１の不純物濃度より濃くても良い。縮退半導体領域７１及びシリサイド領域７２のＸ−Ｙ平面における面積はほぼ同等であることが望ましい。これは、後述する熱輻射の発生量を同等にする必要があるからである。また、縮退半導体領域７１及びシリサイド領域７２は素子分離層（図示せず）又はＰ型拡散領域（図示せず）を間に挟むことで離間していても良い。縮退半導体領域７１及びシリサイド領域７２は低濃度のＰ拡散領域７３（以下、Ｐ^-領域７３と称する）によって囲まれている。このとき、シリサイド領域７２にかえて縮退半導体７１よりも不純物濃度の濃いＳＯＩ層とすることも可能である。

縮退半導体領域７１と埋め込み酸化膜２２を介して半導体基板１１内に、Ｎ型の不純物が縮退半導体領域７１のドーズ量よりも大きくイオン注入された高濃度拡散領域７４（以下、Ｎ⁺領域７４と称する）が形成されている。ここで、Ｎ⁺領域７４は縮退半導体領域７１よりも相対的にドーズ量が大きくなっていれば良く、縮退半導体領域７１はＮ⁺領域７４に対して低濃度拡散領域として形成されていることとなる。なお、縮退半導体領域７１及びＮ⁺領域７４のドーズ量はＩＲ−Ｃを検出することができる範囲にベールの法則により決定するものとする。すなわち、縮退半導体領域７１によってＩＲ−Ｃ以下の波長の光を吸収させ、ＩＲ−Ｃ以上の波長の光のみを透過させ、透過したＩＲ−Ｃ以上の波長の光をＮ⁺領域７４によって吸収させるように、各領域のドーズ量を決定する。また、Ｎ⁺領域７４はＸ−Ｙ平面においては縮退半導体領域７１よりもその面積が小さいことが望ましい。これは、縮退半導体領域７１の周囲おいて透過したＩＲ−Ｃ以下の波長の光を、Ｎ⁺領域７４において吸収させないためである。

また、シリサイド領域７２と埋め込み酸化膜２２を介して半導体基板内に、Ｎ型の不純物がイオン注入された追加高濃度拡散領域７５（以下、Ｎ⁺領域７５と称する）が形成されている。Ｎ⁺領域７５は、Ｎ⁺領域７４とほぼ同じドーズ量であっても良い。ここで、シリサイド領域７２は照射される光を反射させ、ＳＯＩ基板１１内に光を透過させることはないが、光が照射させることによって熱輻射が発生する。かかる熱輻射をＮ⁺領域７５によって検知することとなる。縮退半導体領域７１に光が照射された場合にも熱輻射が発生するため、Ｎ⁺領域７５とＮ⁺領域７４とを同じドーズ量にすることによって、両領域から検出される熱輻射を同等程度にすることが可能となる。従って、ＩＲ増幅部１６利用することによってＮ⁺領域７４における熱輻射による受光信号を相殺することができることとなる。

次に、図８を参照しつつ、ＩＲセンサ部１７の等価回路の構成の１例について詳細に説明する。

図８に示されているように、Ｎ⁺領域７４が抵抗Ｒ１１、Ｎ⁺領域７５が抵抗Ｒ１２によって表わされる。抵抗Ｒ１１は、一端が接地電位に接続され、他端が接続点Ｔ１１を介して可変抵抗Ｒ１３に接続されている。また、抵抗Ｒ１２は、一端が接地電位に接続され、他端が接続点Ｔ１２を介して可変抵抗Ｒ１４に接続されている。抵抗Ｒ１１及び可変抵抗Ｒ１３は接続点Ｔ１１を介して増幅回路８１の負入力端子に接続され、抵抗Ｒ１２及び可変抵抗Ｒ１４は接続点Ｔ１２及び接続点Ｔ１３を介して増幅回路８１の正入力端子に接続されている。可変抵抗１３及び可変抵抗１４は、接続点１４及び接続点１５を介して電源電圧ＶＤＤ₂及び増幅回路８１の電源接続端子に接続されている。

増幅回路８１の出力端子は、接続点Ｔ１６を介して外部出力端子Ｖ_out2及び増幅回路８２の正入力端子に接続されている。増幅回路８２の負入力端子は、接続点Ｔ１２及び接続点Ｔ１３を介して抵抗Ｒ１２に接続されている。また、増幅回路８２の出力端子は抵抗Ｒ１５に接続され、更に接続点Ｔ１７を介して増幅回路８１の電源接続端子及びコンデンサＣ０₂に接続されている。更に、コンデンサＣ０₂は接地電位に接続されている。例えば、コンデンサＣ０は１０ｐＦとしても良い。

なお、抵抗Ｒ１１及び抵抗Ｒ１２を除いた破線によって囲まれた部分がＩＲ増幅部１６を構成することとなる。

上述した回路構成によって、Ｎ⁺領域７４において検出されるＩＲ受光信号（すなわち、抵抗Ｒ１１に流れる電流）から、熱輻射による熱輻射受光信号を相殺され、所定の増幅率にて増幅させたＩＲ受光信号が出力電圧値として外部出力端子Ｖ_out2に送信されることとなる。すなわち、上述した回路構成によって抵抗Ｒ１１に発生する電流量から、本来不要である熱輻射による電流量を相殺することで、ＩＲ−Ｃの正確な受光量を検出可能としている。

また、差分を増幅するときのノイズを低減する観点から、抵抗Ｒ１１、抵抗１２、可変抵抗１３及び可変抵抗Ｒ１４との間に数式１の関係が成立することが望ましい。

更に、数式１の関係を保つ回路構成であれば、各抵抗の抵抗値を小さくした場合においてもノイズを低減する機能は有効であるため、各抵抗の面積を減少することが可能となる。

次に、図８及び図９を参照しつつ、ＩＲ増幅部１６の動作について説明する。図９の横軸は時間を示し、縦軸は外部出力端子Ｖ_out1におけるＩＲ受光信号の出力電圧値を示している。

燃焼物が燃え始めるとその炎は徐々に大きくなる。かかる場合に、抵抗Ｒ１１には炎からのＩＲ−Ｃの検出及び熱輻射に伴う電流が発生し、抵抗Ｒ１２には熱輻射に伴う電流が発生することとなる。また、抵抗Ｒ１１及び抵抗Ｒ１２に発生する電流量が徐所に大きくなり、増幅されるＩＲ受光信号の出力電圧値も徐々に大きくなる。かかる状態が、図９の９ａによって示された期間である。すなわち、燃焼物の燃え始めはＩＲ受光信号の出力電圧値は小さいが、徐除に出力電圧値が大きくなっている。また、炎は特有の揺らぎを有していることから、出力電圧値は増減を繰り返しながら徐々に大きくなっていく。

所定の出力電圧値に到達すると、ＩＲ受光信号の出力電圧値が上限を超え、出力電圧値は一定になる。かかる状態が、図９の９ｂによって示された期間である。出力電圧値が所定時間一定となると、増幅回路８２、抵抗１５及びコンデンサＣ０₂によってかかる上限値を基準値となるようにオフセットが行われる。かかるオフセットによって、炎の揺らぎによる出力電圧値の変化を容易に測定することができることとなり、かかる状態が図９の９ｃによって示された期間である。従って、ＩＲ増幅部１６は炎特有の揺らぎを出力電圧値の変化として出力することができることとなる。

次に、図１０を参照しつつ、判定部１９における炎の有無の判定方法について詳細に説明する。

先ず、太陽光及び蛍光灯等の照明に含まれることが少ないＵＶ−Ｃの検出の有無を判断する（ステップＳ１）。ここでは、ＵＶ−Ｃの量（すなわち、ＵＶセンサ部１４からの出力電圧値）の大きさに関係なく、ＵＶ−Ｃを検出しているか否かの判断を行う。ＵＶ−Ｃを検出した場合には次のステップに進み、ＵＶ−Ｃを検出しない場合にはＥＮＤに進む。

ステップＳ１においてＵＶ−Ｃを検出した場合には、ＩＲ−Ｃの検出の有無を判断する（ステップＳ２）。ＩＲ−Ｃを検出しなければ、ステップＳ１で検出されたＵＶ−Ｃは炎から照射されたものでないと判断されＥＮＤに進む。一方、ＩＲ−Ｃを検出した場合にはステップＳ３に進む。

ステップＳ２においてＩＲ−Ｃを更に検出した場合には、検出したＩＲ−Ｃの所定時間内の出力電圧値の変動を測定し、検出されたＩＲ−Ｃが炎から照射されたものであるか否かを判断する（ステップＳ３）。ＩＲ−Ｃは炎以外にも太陽光及び蛍光灯等の照明にも含まれる波長であるが、太陽光及び蛍光灯等の照明から照射されるＩＲ−Ｃはその照射量が常に一定であるため、出力電圧値の変動は見られない。一方で、炎には特有の揺らぎがあることから、かかる揺らぎによってＩＲ−Ｃの出力電圧値が変動するという特性がある。従って、検出されたＩＲ−Ｃの出力電圧値の最大値及び最小値から変動幅を算出し、かかる算出結果が所定の値より大きければステップＳ２で検出されたＩＲ−Ｃは炎から照射されたものと判断することができる。例えば、ＩＲ−Ｃの測定期間は１０秒であっても良い。１０秒間でも炎の揺らぎによる出力電圧値の変動を十分に検出することができるからである。

ステップＳ３においてＩＲ−Ｃが炎から照射されたものであると判断した場合には、炎の存在を検知したとして炎の検知信号を出力する（ステップＳ４）。一方で、ステップＳ３においてＩＲ−Ｃの出力電圧値の変動が所定範囲内である場合には、ＩＲ−Ｃは炎以外からの照射と判断されＥＮＤに進む。

上述した判定フローから、ＵＶ−Ｃ及びＩＲ−Ｃの検出を利用することで、炎の有無を正確かつ素早く判断することが可能となる。

以上のように、本実施例による炎センサ１０によれば、半導体基板２１上の埋め込み酸化膜２２に積層されたＳＯＩ層２３内に設けられたラテラルＰＮ接合領域を含むＵＶセンサ部１４と、ＳＯＩ層２３に設けられたＮ型の低濃度拡散領域である縮退半導体領域７１及び縮退半導体領域７１に対向して半導体基板２１内に設けられたＮ⁺領域７４を含むＩＲセンサ部１７とを有する故、小型化が容易であって構造及び回路構成の制限を緩和することができる複合センサ１８を提供することができる。

また、複合センサ１８に炎の有無を判定する判定部１９を更に加えることによって、小型化が容易であって構造及び回路構成の制限を緩和することができる炎センサ１０を提供することができる。

本発明の実施例としての炎センサの概略構成図である。 （ａ）は本発明の実施例としての炎センサに含まれるＵＶ受光部の断面図であり、（ｂ）は本発明の実施例としての炎センサに含まれるＵＶ受光部の平面図である。 本発明の実施例としての炎センサに含まれるＵＶ受光部及び従来のＵＶセンサの構成を利用した場合の感度特性を示したグラフである。 本発明の実施例としての炎センサに含まれるＵＶ受光部の変形例の平面図である。 本発明の実施例としての炎センサに含まれるＵＶセンサ部の等価回路図である。 本発明の実施例としての炎センサに含まれるＵＶセンサ部からの時間変化に応じた出力電圧値の変化を示したグラフである。 （ａ）は本発明の実施例としての炎センサに含まれるＩＲ受光部の断面図であり、（ｂ）は本発明の実施例としての炎センサに含まれるＩＲ受光部の平面図である。 本発明の実施例としての炎センサに含まれるＩＲセンサ部の等価回路図である。 本発明の実施例としての炎センサに含まれるＩＲセンサ部からの時間変化に応じた出力電圧値の変化を示したグラフである。 本発明の実施例としての炎センサに含まれる判定部における炎の有無の判定フローである。

符号の説明

１０ 炎センサ
１１ ＳＯＩ基板
１２ ＵＶ受光部
１３ ＵＶ増幅部
１４ ＵＶセンサ部
１５ ＩＲ受光部
１６ ＩＲ増幅部
１７ ＩＲセンサ部
１８ 複合センサ
１９ 判定部
２１ 半導体基板
２２ 埋め込み酸化膜
２３ ＳＯＩ層
２４ スリット
２５ Ｎ型拡散領域（Ｎ領域）
２６ Ｐ型拡散領域（Ｐ⁺領域）
７１ 縮退半導体領域
７２ シリサイド領域
７３ Ｐ型拡散領域（Ｐ^-領域）
７４ 高濃度拡散領域（Ｎ⁺領域）
７５ 追加高濃度拡散領域（Ｎ⁺領域）

Claims (6)

1. 半導体基板上の埋め込み酸化膜上に積層されたＳＯＩ層内に設けられたＰＮ接合領域を含むＵＶセンサ部と、
   前記ＳＯＩ層に設けられたＮ型の低濃度拡散領域と前記埋め込み酸化膜を介して前記低濃度拡散領域に対向して前記半導体基板内に設けられたＮ型の高濃度拡散領域とを含むＩＲセンサ部と、を有し、
   前記ＩＲセンサ部は、前記低濃度拡散領域に接続したシリサイド領域と、前記埋め込み酸化膜を介して前記シリサイド領域に対向して前記半導体基板内に設けられたＮ型の追加高濃度拡散領域と、を更に有することを特徴とする複合センサ。
2. 前記ＰＮ接合領域を形成するＰ型拡散領域は、円柱状の拡散領域の複数が連なっている形状を有することを特徴とする請求項１記載の複合センサ。
3. 前記ＰＮ接合領域を形成するＰ型拡散領域は、半円柱状の拡散領域の複数が交互に同一方向において連なっている形状を有することを特徴とする請求項１記載の複合センサ。
4. 前記ＵＶセンサ部は、前記ＳＯＩ層上にスリットを更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１に記載の複合センサ。
5. 半導体基板上の埋め込み酸化膜上に積層されたＳＯＩ層内に設けられたＰＮ接合領域を含むＵＶセンサ部と、
   前記ＳＯＩ層に設けられたＮ型の低濃度拡散領域と前記埋め込み酸化膜を介して前記低濃度拡散領域に対向して前記半導体基板内に設けられたＮ型の高濃度拡散領域とを含むＩＲセンサ部と、
   前記ＵＶセンサ部及び前記ＩＲセンサ部の各々から得られる受光信号に応じて炎の有無を判定する判定部と、を有し、
   前記ＩＲセンサ部は、前記低濃度拡散領域に接続したシリサイド領域と、前記埋め込み酸化膜を介して前記シリサイド領域に対向して前記半導体基板内に設けられたＮ型の追加高濃度拡散領域と、を更に有することを特徴とする炎センサ。
6. 前記ＵＶセンサ部及び前記ＩＲセンサ部の各々は、前記受光信号を増幅する増幅部を更に含むことを特徴とする請求項５記載の炎センサ。

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