JPH03214030A

JPH03214030A - 温度センサ

Info

Publication number: JPH03214030A
Application number: JP911990A
Authority: JP
Inventors: Kinichi Seki; 關　金一; Kunio Matsukura; 松倉　国男; Hiroshi Nakanishi; 博中西
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1990-01-18
Filing date: 1990-01-18
Publication date: 1991-09-19

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】［発明の目的］（産業上の利用分野）本発明は、ミクロンオーダの微小領域の温度分布を測定
する温度センサに係わり、特に電荷転送素子（ＣＣＤ）
を用いた温度センサに関する。

（従来の技術）近年、マイクロエレクトロニクスやバイオテクノロジー
の分野では、ミクロンオーダの微小領域の温度分布を測
定する必要性が生じている。

しかし、ミクロンオーダでの温度分布を測定するには問
題が多く、マイクロエレクトロニクスやバイオテクノロ
ジーの分野で望まれている微小領域の温度測定はできて
いないのが現状である。

従来、温度を測定する装置として各種の温度計が用いら
れているが、温度計はその原理上、力学的な量を利用し
て温度を測定するもの、電気的な量を測定するもの、さ
らに放射を利用したものに大別できる。

力学的温度計には、液体の膨張収縮を利用した液体温度
計、圧力が温度により変化することを利用した圧力式温
度計、気体の体積及び圧力を利用した気体温度計、熱膨
張係数の違い２種類の金属を張り合わせその曲りを利用
したバイメタル温度計等がある。これらの力学的温度計
は、感温部が比較的大きく、感温部全体が計ろうとする
温度になって初めて正しい温度測定ができるため、微小
領域の温度測定には不向きである。

電気的温度計には、電気抵抗か温度によって変化するこ
とを利用した抵抗温度計と、起電力を利用した熱電対温
度計がある。このような電気的温度計は、力学的温度計
に比べれば感温部を小さくできるものの、ミクロンオー
ダの微小領域の温度分布を測定するにはその大きさが大
きく、また微小化するには構造が複雑になる。

また、放射を利用した温度計は、高温（７００℃以上）
領域では、測定する物体からの黒体放射が可視光になる
ため実用になるが、常温や低温域では測定感度が著しく
低く実用的でない。

（発明が解決しようとする課題）このように従来の温度計にあっては、感温部が大きすぎ
る、微小化に向かない、測定温度範囲が狭い等の問題が
あり、ミクロンオーダでの温度分布を良好に測定するこ
とは困難セあった。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目
的とするところは、ミクロンオーダの微小領域の温度分
布を良好に測定することのできる温度センサを提供する
ことにある。

［発明の構成］（課題を解決するための手段）本発明の骨子は、ＣＯＤの熱雑音による電荷の蓄積量が
、温度に対して変化することを利用して、ＣＣＤの各セ
ルの大きさ（ミクロンオーダ）に相当する微小領域の温
重分布を測定することにある。

即ち本発明は、ミクロンオーダの微小領域の温度を測定
する温度センサにおいて、半導体基板上に絶縁膜を介し
て複数の転送電極を形成して構成される電荷転送素子を
１次元若しくは２次元状に配置してなり、この電荷転送
素子を被測定物体に密着させ、熱雑音により該電荷転送
素子に蓄積される電荷量の変化を測定することにより、
被測定物体の微小領域の温度分布を得るようにしたもの
である。

また、本発明は上記構成に加え、ＣＣＤの測定感度を上
げるためにＣＣＤを液体窒素温度に冷却した金属基体上
に設置する、さらに光の侵入を防止するためにＣＣＤ表
面に光遮蔽膜を被着するようにしたものである。

（作用）本発明によれば、温度を検知する方法が従来の温度計の
それとは根本的に異なり、ＣＣＤの熱雑音による電荷の
蓄積量の変化を利用しているので、ＣＣＤのセルの大き
さに相当する微小領域の温度分布が測定可能になる。ま
た、放射を利用した温度計とは異なり常温や低温域でも
温度ｎｊ定を行うことができる。

（実施例）以下、本発明の詳細を図示の実施例によって説明する。

第１図は本発明の一実施例に係わる温度センサを示す概
略構成図である。図中１０はＣＣＤチップであり、この
ＣＣＤチップ１０はＣｕ等の金属基体３０上に取り付け
られている。金属基体３０は、液体窒素やドライアイス
等の寒剤５０の入った金属容器４０に接触しており、こ
れにより金属基体３０及びＣＣＤチップ１０が冷却され
る。そして、ＣＣＤチップ１０は被測定物体６０に密着
配置されるものとなっている。

なお、冷却は必ずしも必要ないが、感度向上には必要で
ある。また、冷却下でのＣＣＤ周辺の結露については、
全体を真空下に置く等の対策をとればよい。

ＣＣＤチップ１０は例えば２相クロツクφ１゜φ２で駆
動されるもので、第２図（ａ）に示す如く構成されてい
る。即ち、ライン状のＣＣＤチャネル上に転送電極を配
置したＣＣＤ部１１゜読出しゲート１２．読出しアンプ
１３　リセットゲート１４及びクロ・ツク発生回路１５
等がら構成されている。ここで、ＣＣＤ部１１はイメノ
センサ等のように受光部を備えたものであってもよいし
、シフトレジスタのように受光部のないものであっても
よい。

ＣＣＤ部１１は、第２図（ｂ）　１．：示す如＜Ｓｉ基
板２１上にゲート酸化膜２２を介して複数の転送電極２
３を形成したものであり、転送電極２３の大きさがセル
の大きさに相当する。そして、ＣＣＤ部１１の各セルの
大きさは、例えばｌＯμｍφとなっている。また、ＣＣ
Ｄ部１１への光の侵入による電荷の発生を防止するため
に、第２図（ｃ）に示す如＜ＣＣＤＣＤ部上１上遮蔽膜
２４を被着してもよい。

このような構成であれば、被測定物体６０の熱がＣＣＤ
チップ１０に伝わると、ＣＣＤチップｌＯのＣＣＤ部１
１の各セルでは熱雑音により電荷が蓄積される。そして
、この電荷は一定時間だけ蓄積されたのち、順次読み出
される。

ここで、ＣＣＤ部１１の各セルに蓄積される電荷の量は
該セルに近接する領域の温度に比例したものとなる。さ
らに、各セルは前述したように極めて小さいものである
。従って、ＣＣＤチップ〕Ｏの出力から被測定物体６０
の微小領域の温度分布を測定することが可能となる。

本発明者らは、前記第１図に示す如き温度センサを構成
するために、市販のＣＣＤイメージセンサ（東芝製ＴＣ
Ｄ１３１Ｄ）を用い、このウィンドガラスを取り外し、
光の侵入による電荷の発生を防止するためにＣＣＤ受光
面へのＡＩの蒸着を行った。そして、被測定物体６０内
に熱源７０を配置し、被測定物体６０に温度差を付けて
測定を行った。なお、測定は真空下で行い、寒剤５０と
して液体窒素を用い、熱源７０の温度を４０℃、被測定
物体６０に熱源７０を接触させてから３０ｓｅｃ後に、
Ｉ　ＭＨｚのクロックでＣＣＤチップ１０の蓄積電荷を
読出した。

その結果、第３図に示す如き結果が得られた。

ここで、横軸はセル位置を示し、縦軸は検出電圧（蓄積
電荷量に相当）を示している。Ａの位置が熱源７０の位
置に相当し、そこからの熱分布か１謬られている。温度
が高いほど蓄積電荷量が大きくなることから、検出電圧
が基準電圧Ｅｏより負側に高いほど温度が高いことを示
しティる。Ａの位置（４０℃）での検出電圧は０，０５
Ｖであり、これから離れるに伴い検出電圧が負側に高く
　（測定温度が低く）なっている。そして、各セルの検
出電圧値を温度に換算することによって、被測定物体６
０の微小領域の温度分布が得られる。

このように本実施例によれば、ＣＣＤチップ１０を被測
定物体６０に密着させ、一定時間だけ熱雑音による電荷
の蓄積を行い、その後この電荷の読出しを行う二出によ
り、被測定物体６０のＣＣＤチップ１０と密着した領域
の温度分布を測定することができる。そしてこの場合、
ＣＣＤ部１１の各セルが１０μｍ幅と極めて小さいため
、微小領域の温度分布を測定することができる。また、
ＣＣＤチップ１０を冷却しているため、初期状態におけ
る熱雑音による電荷の発生を少なくすることができ、こ
れにより測定感度の向上をはかることができる。

なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではな
い。実施例ではりニアイメージセンサタイプのＣＣＤを
用いたが、２次元分布が必要ならばエリアタイプのＣＣ
Ｄを用いればよい。

また、本発明の原理からして必ずしも受光部は必要では
なく、ＣＣＤのみが配置されたものであってもよい。ま
た、実施例では光の侵入による電荷の発生を防止するた
め表面に光遮蔽膜を設けたが、ＣＣＤを不透明な被測定
物体に密着して用いる場合、光遮蔽膜は省略することも
できる。また、ＣＣＤを冷却する手段として寒剤の代わ
りにベルチェ素子等を用いることも可能である。さらに
、ＣＣＤを冷却しなくても、被測定物体からの電熱によ
り蓄積電荷の変化量が大きい場合、冷却手段を省略して
もよい。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々変形して実施することができる。

［発明の効果］以上詳述したように本発明によれば、ＣＣＤの熱雑音に
よる電荷の蓄積量が、温度に対して変化することを利用
して、ＣＣＤの各セルの大きさ（ミクロンオーダ）に相
当する微小領域の温度を測定することができ、これによ
り微小領域の温度分布を良好に測定することのできる温
度センサ実現することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係わる温度センサを示す概
略構成図、第２図は上記実施例に用いたＣＣＤチップの
具体的構成を示す図、第３図は上記実施例による測定結
果を示す図である。１０・・・ＣＣＤチップ、１１・・・ＣＣＤ部、１２・・・読出しゲート、１３・・・読出しアンプ、１４・・・リセットゲート、１５・・・クロック発生回路、３０・・・Ｃｕ板（金属基体）、０・・・金属容器、０・・・液体窒素。ドライアイス等の寒剤、０・・・被測定物体、０・・・熱源。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）半導体基板上に絶縁膜を介して複数の転送電極を
形成して構成される電荷転送素子を１次元若しくは２次
元状に配置してなり、この電荷転送素子を被測定物体に
密着させ、熱雑音により該電荷転送素子に蓄積される電
荷量の変化を測定することにより、被測定物体の微小領
域の温度分布を得ることを特徴とする温度センサ。
（２）前記電荷転送素子を金属基体上に設置し、該金属
基体を液体窒素温度に冷却してなることを特徴とする請
求項１記載の温度センサ。
（３）前記電荷転送素子表面に、光の侵入を防止する光
遮蔽膜を被着してなることを特徴とする請求項１記載の
温度センサ。