JPWO2007125873A1 - 赤外線センサ - Google Patents

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Abstract

受光部で変換された電気信号をより高精度に補正することができるようにした赤外線センサを提供する。被対象物体(例えば、人体)から輻射される赤外線のエネルギーを電気信号に変換して出力する赤外線センサ(100)であって、量子型の赤外線検出素子(11)を有し、赤外線のエネルギーを電気信号に変換する受光部(10)と、受光部(10)からの出力信号を補正するための補正部(20)と、を有し、受光部(10)と補正部(20)とが同一の基板(1)上に同一の材料で形成され、且つ、赤外線が同じように入射するように同一の構造を有する。

Description

本発明は、赤外線センサに関し、特に、被対象物体の温度を精度良く測定できるようにした技術に関する。
微小のエネルギーをもつ10μm付近の長波長の赤外線、例えば人体からの輻射を検知する赤外線センサとしては、一般に熱型センサである焦電センサ、サーモパイルセンサ、ボロメータセンサが知られている(例えば、特許文献1参照。)。焦電センサは、赤外輻射を吸収する吸収体に設けられた焦電体の温度変化によって出力電圧信号が発生するように構成されているが、動く被検出物体、又は光の入射量が変化したときのみしか、出力信号が得られない。これに対して、サーモパイルやボロメータは一定の赤外線の輻射量に比例した電気信号を出力することができ、人体検知に加えて輻射温度計などにも使用することができる。
また、輻射温度計の一例として耳内式体温計がある。耳内式体温計は、測定時に外耳道に挿入されるプローブ部内に、鼓膜付近から放射された赤外線を検出するサーモパイル及び該サーモパイルへ上記赤外線を導く導波管が設けられている。そして、サーモパイルからの出力を演算手段において体温に変換して表示するようにしている(例えば、特許文献2参照)。
なお、赤外線センサに関連する上記以外の文献公知発明としては、下記の特許文献3〜6がある。特許文献3には、フォトダイオードの起電圧を取り出す方法の一例として、複数のフォトダイオードを多段に直列接続にする構成が記載されている。このような構成によれば、個々のフォトダイオードの起電圧の段数倍の出力が得られるので、フォトダイオードの1個当たりの起電圧が小さくても、全体として大きな電圧を得ることができる。また、特許文献4には、その図5に記載されているように、基準電圧回路と、フォトダイオードと、演算増幅回路と、抵抗素子とを備え、フォトダイオードで発生する電流(起電流)を信号増幅し、これを出力として取り出す構成の赤外線センサが記載されている。
さらに、特許文献5には、逆バイアス電圧が与えられるフォトダイオードと、このフォトダイオードの光電流を増幅する差動増幅器とを備え、このフォトダイオードの一方の端子に、逆バイアス電圧が与えられるダイオードを接続した構成の受光素子回路が記載されている。このような構成によれば、フォトダイオードの出力変動を少なくすることができる。また、特許文献6には、量子型の赤外線検出素子を受光部に有する赤外線センサ記載されており、この赤外線検出素子の受光面にInAsxSb1−x(0≦x≦1)を使用することが記載されている。
特開平6−201477号公報 特許第3690387号公報 特開平5−191161号公報 特開2000−341055号公報 特開平5−234120号公報 国際公開2005/027228号パンフレット
ところで、特許文献1のような熱型センサでは、被対象物体から放射される赤外線を、焦電体、サーモパイル又はボロメータ等の検出素子が吸収することで当該素子自体の温度が上昇し、この温度上昇分の特性変化を検出することで、被対象物体の温度測定が行われる。このため、一般に、検出素子は温度による抵抗変化率が大きい材料で構成されているが、赤外線の吸収を開始してから検出素子の温度が安定するまでには時間がかかる。このため、上記の熱型センサにおいては温度の検出速度(即ち、応答性)が低く、検出精度も十分でないという問題があった。
また、上記の熱型センサでは、被対象物体以外からの熱吸収や、放熱を防止するために、抵抗素子の周囲(受光面を除く)にヒートシンク(熱遮蔽部材)が設けられている。さらに、検出素子の感度を高く保持するために、熱型センサを収納するパッケージ内には窒素(N)等の熱伝導性の低いガスが封入されている場合もある。このように、上記の熱型センサにおいては、ヒートシンクやN等を封入可能な大型のパッケージが必要であり、センサの小型・薄型化が難しいという問題があった。
そこで、本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであって、小型・薄型化が可能であり、光電変換によって得られた電気信号を高精度に補正することができるようにした赤外線センサの提供を目的とする。 上記目的を達成するために、発明1の赤外線センサは、被対象物体から輻射される赤外線のエネルギーを電気信号に変換して出力する赤外線センサであって、量子型の赤外線検出素子を有し、前記赤外線のエネルギーを前記電気信号に変換する受光部と、前記受光部からの出力信号を補正するための補正部と、を有し、前記受光部と前記補正部とが同一の基板上に同一の材料で形成され、且つ、前記赤外線が同じように入射するように同一の構造を有することを特徴とするものである。ここで、「量子型の赤外線検出素子」とは、赤外線の光量子(フォトン)の吸収によって電気的性質が変化する素子、即ち、光電変換を行う素子のことである。このような量子型の赤外線検出素子としては、例えば、pn接合又はpin接合を有するフォトダイオードがある。
発明2の赤外線センサは、発明1の赤外線センサにおいて、前記受光部は、多段に直列接続された複数の前記赤外線検出素子を有することを特徴とするものである。
発明3の赤外線センサは、発明1の赤外線センサにおいて、前記補正部は、前記受光部の出力信号の温度特性を補償する温度特性補償素子を有することを特徴とするものである。
発明4の赤外線センサは、発明1の赤外線センサにおいて、前記補正部は、前記受光部の温度を測定する温度測定素子を有することを特徴とするものである。
発明5の赤外線センサは、発明1の赤外線センサにおいて、前記補正部は、前記受光部の出力信号の温度特性を補償する温度特性補償素子と、前記受光部の温度を測定する温度測定素子と、を有することを特徴とするものである。
発明6の赤外線センサは、発明3の赤外線センサにおいて、前記補正部は、多段に直列接続された複数の前記温度特性補償素子を有し、温度特性補償用の出力信号は直列接続された前記複数の温度特性補償素子のうち任意の接続点から取り出されることを特徴とするものである。
発明7の赤外線センサは、発明4の赤外線センサにおいて、前記補正部は、多段に直列接続された複数の前記温度測定素子を有し、前記受光部の温度を測定した温度信号は直列接続された前記複数の温度測定素子のうち任意の接続点から取り出されることを特徴とするものである。
発明8の赤外線センサは、発明3の赤外線センサにおいて、前記赤外線検出素子は第1のフォトダイオードからなり、前記温度特性補償素子は第2のフォトダイオードからなり、前記第1のフォトダイオードと前記第2のフォトダイオードは、同一の前記基板上に同一の材料で形成され、且つ、前記赤外線が同じように入射するように同一の構造を有する、ことを特徴とするものである。
発明9の赤外線センサは、発明4の赤外線センサにおいて、前記赤外線検出素子は第1のフォトダイオードからなり、前記温度測定素子は第3のフォトダイオードからなり、前記第1のフォトダイオードと前記第3のフォトダイオードは、同一の前記基板上に同一の材料で形成され、且つ、前記赤外線が同じように入射するように同一の構造を有することを特徴とするものである。
発明10の赤外線センサは、発明4の赤外線センサにおいて、前記温度測定素子により測定された温度信号に基づき前記受光部の出力信号を補正する補正演算部、を有することを特徴とするものである。
発明11の赤外線センサは、発明3又は発明6の赤外線センサにおいて、前記受光部の出力信号を増幅する演算増幅回路と、前記演算増幅回路の反転入力端子と出力端子との間に接続される抵抗素子と、基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、を備え、前記受光部の一方の端子は前記演算増幅回路の非反転入力端子に接続され、前記温度特性補償素子の一方の端子は前記演算増幅回路の反転入力端子に接続され、前記受光部の他方の端子と前記温度特性補償素子の他方の端子は前記基準電圧発生回路に共通接続されることを特徴とするものである。
発明12の赤外線センサは、発明11の赤外線センサにおいて、前記受光部が有する前記赤外線検出素子は第1のフォトダイオードからなり、前記温度特性補償素子は第2のフォトダイオードからなり、前記第1のフォトダイオードと前記第2のフォトダイオードは、同一の前記基板上に同一の材料で形成され、且つ、前記赤外線が同じように入射するように同一の構造を有し、前記受光部の一方の端子は前記第1のフォトダイオードのアノード端子であり、前記受光部の他方の端子は前記第1のフォトダイオードのカソード端子であり、前記温度特性補償素子の一方の端子は前記第2のフォトダイオードのカソード端子であり、前記温度特性補償素子の他方の端子は前記第2のフォトダイオードのアノード端子であることを特徴とするものである。
発明13の赤外線センサは、発明3又は発明6の赤外線センサにおいて、前記温度特性補償素子に電流を供給する電流源と、前記受光部の出力信号と前記温度特性補償素子の出力信号とを比較するコンパレータ回路と、基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、を備え、前記受光部の一方の端子は前記コンパレータ回路の一方の入力端子に接続され、前記温度特性補償素子の一方の端子と前記電流源の一方の端子は前記コンパレータ回路の他方の入力端子に接続され、前記受光部の他方の端子と前記温度特性補償素子の他方の端子及び前記電流源の他方の端子は前記基準電圧発生回路に共通接続されることを特徴とするものである。
発明14の赤外線センサは、発明3又は発明6の赤外線センサにおいて、前記受光部の出力信号をバッファリングするボルテージフォロア回路と、前記温度特性補償素子の一方の端子が反転入力端子に接続される演算増幅回路と、前記反転入力端子と前記演算増幅回路の出力端子との間に接続される抵抗素子と、前記演算増幅回路の非反転入力端子に接続され基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、を備え、前記ボルテージフォロア回路の出力端子と前記温度特性補償素子の他方の端子が接続されることを特徴とするものである。
発明15の赤外線センサは、発明10の赤外線センサにおいて、前記温度測定素子に電流を供給する計測部と、基準電圧を発生する基準電圧発生回路とを有し、前記受光部の一方の端子は前記補正演算部に接続され、前記温度測定素子の一方の端子は前記計測部を介して前記補正演算部に接続され、前記受光部の他方の端子と前記温度測定素子の他方の端子は前記基準電圧発生回路に共通接続されることを特徴とするものである。
発明16の赤外線センサは、発明15の赤外線センサにおいて、前記受光部の少なくとも一部と前記温度測定素子の少なくとも一部は素子を共有し、前記受光部と前記温度測定素子とを交互に動作させて、前記受光部からの出力信号と前記温度測定素子からの前記温度信号とを前記補正演算部に交互に入力させる制御部、を有することを特徴とするものである。
発明17の赤外線センサは、発明3又は発明6の赤外線センサにおいて、前記受光部は、第1受光部と、前記第1受光部から出力される第1出力信号と極性が逆の第2出力信号を出力する第2の受光部と、を有し、前記第1受光部の前記第1出力信号を増幅する第1演算増幅回路と、前記第2受光部の前記第2出力信号を増幅する第2演算増幅回路と、前記第1演算増幅回路の出力信号と前記第2演算増幅回路の出力信号を増幅する第3演算増幅回路と、前記第1演算増幅回路の非反転入力端子と出力端子の間に接続される第1抵抗素子と、前記第2演算増幅回路の反転入力端子と出力端子の間に接続される第2抵抗素子と、基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、を備え、前記第1受光部の一方の端子は前記第1演算増幅回路の反転入力端子に接続され、前記温度特性補償素子の一方の端子は前記第1演算増幅回路の非反転入力端子に接続され、前記第1受光部の他方の端子は前記基準電圧発生回路に接続され、前記第2受光部の一方の端子は前記第2演算増幅回路の非反転入力端子に接続され、前記温度特性補償素子の他方の端子は前記第2演算増幅回路の反転入力端子に接続され、前記第2受光部の他方の端子は前記基準電圧発生回路に接続されることを特徴とするものである。
発明18の赤外線センサは、発明17の赤外線センサにおいて、前記第1受光部が有する第1赤外線検出素子と、前記第2受光部が有する第2赤外線検出素子はそれぞれ第1のフォトダイオードからなり、前記温度特性補償素子は第2のフォトダイオードからなり、前記第1のフォトダイオードと前記第2のフォトダイオードは、同一の前記基板上に同一の材料で形成され、且つ、前記赤外線が同じように入射するように同一の構造を有し、前記第1赤外線検出素子を構成する前記第1のフォトダイオードのアノード端子は前記第1演算増幅回路の反転入力端子に接続されると共に、そのカソード端子は前記基準電圧発生回路に接続され、前記第2赤外線検出素子を構成する前記第1のフォトダイオードのカソード端子は前記第2演算増幅回路の非反転入力端子に接続されると共に、そのアノード端子は前記基準電圧発生回路に接続され、前記温度特性補償素子を構成する前記第2のフォトダイオードのカソード端子は前記第1演算増幅回路の非反転入力端子に接続されると共に、そのアノード端子は前記第2演算増幅回路の反転入力端子に接続されることを特徴とするものである。
発明19の赤外線センサは、発明18の赤外線センサにおいて、前記補正部は、複数の前記温度特性補償素子を有し、一方の前記温度特性補償素子を構成する前記第2のフォトダイオードのカソード端子は前記第1演算増幅回路の非反転入力端に接続されると共に、そのアノード端子は前記第2演算増幅回路の反転入力端子に接続され、他方の前記温度特性補償素子を構成する前記第2のフォトダイオードのカソード端子は前記第2演算増幅回路の反転入力端子に接続されると共に、そのアノード端子は前記第1演算増幅回路の非反転入力端子に接続されることを特徴とするものである。
発明20の赤外線センサは、発明8又は発明9の赤外線センサにおいて、前記第1のフォトダイオードは、In及びSbの少なくとも一方を有する化合物からなることを特徴とするものである。
発明21の赤外線センサは、発明8又は発明9の赤外線センサにおいて、前記第1のフォトダイオードの受光面には、InAsxSb1−x(0≦x≦1)が使用されていることを特徴とするものである。
発明22の赤外線センサは、発明8又は発明9の赤外線センサにおいて、前記第1のフォトダイオードは、基板と、前記基板上に形成されたn型のInSb層と、前記n型のInSb層上に形成されたノンドープのInSb層と、前記ノンドープのInSb層上に形成されたAlInSb層と、前記AlInSb層に形成されたp型のInSb層と、を備えることを特徴とするものである。
発明23の赤外線センサは、発明10の赤外線センサにおいて、前記補正演算部は、前記温度測定素子の周辺雰囲気の温度を所定の温度に設定し、前記被対象物体の温度を変化させたときの、前記受光部の出力データと前記温度測定素子の温度データとの対応関係を記憶する記憶手段と、前記記憶手段が記憶した前記対応関係と、実際に測定された前記温度データとに基づいて、前記被対象物体の温度と前記受光部の出力との関係を示す関係式を演算により決定する演算手段と、決定された前記関係式に実際に測定された前記出力データを当てはめて、前記被対象物体の温度を算出する算出機能と、を備えることを特徴とするものである。
発明24の赤外線センサは、発明10の赤外線センサにおいて、前記補正演算部は、前記被対象物体の温度を所定の温度に設定し、前記温度測定素子の周辺雰囲気の温度を変化させたときの、前記受光部の出力データと前記温度測定素子の温度データとを記憶する記憶手段と、前記記憶手段が記憶した前記対応関係と、実際に測定された前記温度データとに基づいて、前記被対象物体の温度と前記受光部の出力との関係を示す関係式を演算により決定する演算手段と、決定された前記関係式に実際に測定された前記出力データを当てはめて、前記被対象物体の温度を算出する算出機能と、を備えることを特徴とするものである。
発明25の温度計は、発明1から発明24の何れか一の赤外線センサを備え、被対象物体の温度を測定することを特徴とするものである。
発明26の体温計は、発明1から発明24の何れか一の赤外線センサを備え、人体の温度を測定することを特徴とするものである。
発明27の人感センサは、発明1から発明24の何れか一の赤外線センサを備え、人体を検知することを特徴とするものである。
発明28の温度補正方法は、温度測定素子により測定した温度に基づき受光部の出力信号を補正する温度補正方法であって、前記温度測定素子の周辺雰囲気の温度を一定温度に設定し、被対象物体の温度を変化させて、前記受光部の出力データを測定する第1ステップと、前記温度測定素子の周辺雰囲気の温度を前記第1ステップとは別の一定温度に設定し、前記被対象物体の温度を変化させて、前記受光部の出力データを測定する第2ステップと、前記第1ステップ及び前記第2ステップにより測定した出力データに基づき、前記被対象物体の温度と前記受光部の出力との関係式を求める第3ステップと、を備えることを特徴とするものである。
発明29の温度補正方法は、温度測定素子により測定した温度に基づき受光部の出力信号を補正する温度補正方法であって、被対象物体の温度を一定温度に設定し、前記温度測定素子の周辺雰囲気の温度を変化させて、前記受光部の出力データを測定する第1ステップと、前記被対象物体の温度を前記第1ステップとは別の一定温度に設定し、前記温度測定素子の周辺雰囲気の温度を変化させて、前記受光部の出力データを測定する第2ステップと、前記第1ステップ及び前記第2ステップにより測定した出力データに基づき、前記被対象物体の温度と前記受光部の出力との関係式を求める第3ステップと、を備えることを特徴とするものである。
本発明によれば、小型・薄型化が可能であり、光電変換によって得られた電気信号を高精度に補正することができる。
本発明の第1実施形態に係る赤外線センサ100の構成例を示す概念図である。 受光部10の構成例を示す断面図である。 赤外線センサ100の出力電圧Voutの測定結果の一例を示す図である。 本発明の第2実施形態に係る赤外線センサ200の構成例を示す概念図である。 本発明の第3実施形態に係る赤外線センサ300の構成例を示す概念図である。 本発明の第4実施形態に係る赤外線センサ400の構成例を示す概念図である。 本発明の第4実施形態に係る赤外線センサ500の構成例を示す概念図である。 赤外線センサ500の実験時の構成例を示す概念図である。 受光部50の相対抵抗ROとその温度TSとの関係を示す図である。 受光部50の温度TSと黒体炉99の温度TEとの関係を示す図である。 赤外線センサ500を一定温度に保持した状態での温度TEと温度TSとの関係を示す図である。 温度TEと、受光部の温度TS及び出力電圧VOの関係を示す図である。 本発明の第5実施形態を簡単に説明する図である。 本発明の第5実施形態に係る赤外線センサ600の構成例を示す概念図である。 赤外線センサ600が有する赤外線センサチップの構成例を示す図である。 赤外線センサ600と従来例のそれぞれの出力電圧を比較した実験の結果図である。 本発明の第6実施形態を簡単に説明する図である。 本発明の第6実施形態に係る赤外線センサ700の構成例を示す概念図である。 赤外線センサ700が有する赤外線センサチップの構成例を示す図である。 本発明の第7実施形態に係る耳内式体温計800の構成例を示す図である。 耳内式体温計800の構成例を示す概念図である。 耳内式体温計800による体温測定の手順を示すフローチャートである。 本発明の第7実施形態に係る耳内式体温計900の構成例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
(1)第1実施形態
図1は、本発明の第1実施形態に係る赤外線センサ100の構成例を示す概念図である。図1に示すように、この赤外線センサ100は、量子型の赤外線検出素子11を有する受光部10と、温度特性補償素子21を有する補正部20と、基準電圧発生回路51と、演算増幅回路53と、抵抗素子55と、出力端子57とを備えるものである。
基準電圧発生回路51は、赤外線検出素子11および温度特性補償素子21に印加すべき所望の基準電圧を生成する。この基準電圧発生回路51は、例えば接地電位(0V)を基準に所望の基準電圧VREFを発生する。赤外線検出素子11は、赤外線を検出する素子である。また、温度特性補償素子21は、赤外線検出素子11の出力信号(出力電圧)の温度特性を補償する素子である。そして、受光部10と補正部20は、周囲温度の影響が同じになるように同一の基板1上に隣接して形成されている。
ここで、「同一の基板上に隣接して形成されている」とは、モノシリック、即ち、一個の半導体基板上に形成されている、ということである。この受光部10と補正部20の両方が形成されている基板1は、例えば半絶縁性の半導体基板であり、その一例を挙げるとGaAsやSi基板である。図1において、この赤外線センサ100では、受光部10と補正部20とによって1個の赤外線センサチップが構成されている。
また、温度特性補償素子21は、赤外線検出素子11の内部抵抗と同一の温度係数を持たせるために、赤外線検出素子11と同一の構造を有し、且つ、同一の材料により形成されている。受光部10は例えばn段に直列接続された赤外線検出素子11から構成されており、補正部20は例えば、1個またはm個の直列接続された温度特性補償素子21から構成されている。n、mは2以上の整数である。
具体的には、赤外線検出素子11は第1のフォトダイオードで構成され、温度特性補償素子21は第2のフォトダイオードで構成されている。これら赤外線検出素子11及び温度特性補償素子21の各pn構造は同一の構造であり、これらpn構造を構成する各層の材質(即ち、化合物半導体材料の種類や、組成、その中に含まれる不純物のドープ量)とその膜厚も同一である。但し、これらpn構造の面積(即ち、平面視による縦、横の長さ)は異なっていても良い。また、赤外線検出素子11及び温度特性補償素子21を構成する第1、第2フォトダイオードはpn構造ではなく、例えばpin構造でも良い。
pn構造(又は、pin構造)のp型層とn型層は、例えばIn(インジウム)およびSb(アンチモン)の少なくとも一方を含む化合物からなる。そのなかでも、特にInSbやInAsSbはバンドギャップが小さく、波長3μm〜10μm付近の赤外線の検出に適しており、抵抗の温度変化も大きいので、本発明に適した材料である。赤外線検出素子11を構成する第1のフォトダイオードと、温度特性補償素子21を構成する第2のフォトダイオードは、それぞれのpn接合の接合部に赤外線が同じように入射するように構成されている。
図2は、受光部10の構成例を示す断面図である。受光部10は、例えば、半絶縁性のGaAs基板1上に直列接続された1500個の赤外線検出素子11で構成され、これら赤外線検出素子11はその1個1個がInSb系の量子型pinフォトダイオードからなる。この受光部10では、各フォトダイオード間は接続配線19によって直列に接続されている。図2の実線矢印で示すように、この受光部10では、基板1の裏面(即ち、フォトダイオードが形成されている面の反対)側から赤外線が入射すると、その赤外線輻射量に応じた光起電力がフォトダイオードで発生し、接続配線19を通って受光部10の外へ出力されるようになっている。
ここで、赤外線検出素子(フォトダイオード)11を構成する各層について説明する。図2において、個々のフォトダイオードは、基板1上に第一化合物半導体層15と、第二化合物半導体層16と、第三化合物半導体層17と、第四化合物半導体層18とが順次積層された構造となっている。第一化合物半導体層15の材料としては、インジウム(ln)及びアンチモン(Sb)を含むものであればいずれを用いても良いが、好ましい材料としてはInSb、または、InAsSb1−x(0≦x≦1)を用いる。InAsSb1−x(0≦x≦1)は化合物半導体の中でも特にキャリアの移動度が大きいのでシート抵抗を小さくすることができ、人体から放出される波長10μm付近の赤外線を効率良く光電変換することができる。第一化合物半導体層15の膜厚は、例えば0.1μm以上1μm以下である。
また、第二化合物半導体層16の材料としては、インジウム(In)及びアンチモン(Sb)を含むものであればいずれを用いても良いが、好ましい材料としては、例えば、InSb、InAsSb1−x(0≦x≦1)、InSbNなどを用いる。第二化合物半導体層16の膜厚は、例えば0.5μm以上4μm以下である。
第三化合物半導体層17の材料としては、バンドギャップが第二化合物半導体層16よりも大きい材料を用いる。このような材料として、例えば、AlInSb、GaInSb、AlAs、GaAs、InAs、AlSb、GaSb、AlAsSb、GaAsSb、AlGaSb、AlGaAs、AlInAs、GaInAs、AlGaAsSb、AlInAsSb、GaInAsSb、AlGaInSb、AlGaInSb、AlGaInAsSbの何れかを用いることが好ましい。第三化合物半導体層17の膜厚は、例えば0.02μm以上である。
第四化合物半導体層18は、接続配線19とのコンタクト抵抗が小さい材料であることが好ましく、例えばP型の不純物が高濃度にドーピングされている材料が好ましい。このような材料としては、例えばインジウム(In)及びアンチモン(Sb)を含むものであれば何れを用いても良いが、より好ましい材料はキャリア移動度の大きいInSbである。第四化合物半導体層18の膜厚は、例えば0.1μm以上2μm以下である。
図2に示すように、赤外線検出素子(フォトダイオード)11は、接続配線19によって連続的に直列接続されている。即ち、図2において、図面の中央に配置されたフォトダイオードの第一化合物半導体層15とその右隣に配置されたフォトダイオードの第四化合物半導体層18とが接続配線19により直列に接続されている。また、図面の中央に配置されたフォトダイオードの第四化合物半導体層18とその左隣に配置されたフォトダイオードの第一化合物半導体層15とが接続配線19により直列に接続されている。また、図示しないが、直列接続の両端に位置するフォトダイオードはそれぞれ電極パッドに接続されている。
このようにフォトダイオードを直列に接続することで、赤外線入射により各々で生じる出力電圧(起電圧)を足し合わせることが可能となり、受光部10全体の出力電圧を飛躍的に向上させることができる。
一方、温度特性補償素子21も、図2に示した赤外線検出素子11と同一の構造を有し、それぞれのpn接合の接合部に赤外線検出素子11と同じように赤外線が入射できるように構成されている。つまり、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21の両方とも、同一の基板1上に第一化合物半導体層15と、第二化合物半導体層16と、第三化合物半導体層17と、第四化合物半導体層18とが順次積層され、同じように赤外線を浴びる構造のフォトダイオードからなる。
そして、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21の両方とも、その上下には赤外線の入射を完全に遮るような遮光膜は形成されておらず、同一の構造を有する。すなわち、本発明の構造は、赤外線検出素子11には赤外線が入射できるように形成され且つ温度特性補償素子21には赤外線の入射を遮るような遮光膜が形成されている構造とは異なる。
更に、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21の両方とも、その周囲に熱の出入りを積極的に遮断するような断熱部は設けられておらず、同一の構造を有する。ここで、断熱部とは、素子の周辺に設けられ素子以外の部分からの熱の出入りを遮断するような断熱材であり、素子が形成される台座部又は基板に設けられた空洞である。すなわち、本発明の構造は、赤外線検出素子11にはその周囲に熱の出入りを遮断するような断熱材が形成され且つ温度特性補償素子21には断熱材が形成されていない構造とは異なる。また、本発明の構造は、赤外線検出素子11の下部に、基板からの熱の出入りを遮断するような空洞が形成され且つ温度特性補償素子21には空洞が形成されていない構造とも異なる。
このように、本発明の構造は、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21は同一の構造を有するため、同じ環境下に置かれていることになる。
このようなフォトダイオードの製造には、公知の製造プロセスが使用される。
図1に戻って、受光部10が有するn段に直列接続された複数個の赤外線検出素子(フォトダイオード)11は、そのカソード側の端子が基準電圧発生回路51に接続され、そのアノード側の端子が演算増幅回路53の非反転入力端子(+入力端子)に接続されている。また、補正部20が有する1個またはm個の直列接続された温度特性補償素子(フォトダイオード)21は、そのアノード側の端子が基準電圧発生回路51に接続され、そのカソード側の端子が演算増幅回路53の反転入力端子(?入力端子)に接続されている。このような接続により、基準電圧発生回路51が発生する基準電圧VREFは、赤外線検出素子11のカソード側と、温度特性補償素子21のアノード側にそれぞれ印加される。
また、演算増幅回路53は、赤外線検出素子11の出力信号を増幅(電圧増幅)する回路であり、その出力端子57と反転入力端子との間に帰還抵抗である抵抗素子55が接続されている。この出力端子57から赤外線センサ100の出力信号(以下、出力電圧ともいう。)Voutが取り出される。
次に、上記の赤外線センサ100の動作例について説明する。
図1において、受光部10に赤外線が照射されると、n段に直列接続された複数個の赤外線検出素子(フォトダイオード)11はそれぞれ赤外線を受け、その受光量に応じた電流が流れ、赤外線検出素子11の両端には受光量に応じた電流と内部抵抗の積で表される出力電圧が発生する。このため、受光部10の両端には、各々の赤外線検出素子11の出力電圧の総和が発生する。
一方、温度特性補償素子21は、赤外線検出素子11と全く同じ材質及び同じ構造になっているため、赤外線検出素子11の内部抵抗と同じような温度特性の内部抵抗を持っている。さらに、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21は同一の基板1上に形成されており、赤外線が同じように入射するように構成されているため赤外線の入射に対する内部温度の上昇や、周囲温度の変化が同じように起こる。つまり、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21は、赤外線が入射しているときも入射していないときも、ほぼ同じ温度となる。
ところで、量子型である赤外線検出素子11に赤外線が入射すると、光エネルギーに比例して光電流が生じる。赤外線検出素子11の出力電圧(起電圧)は、赤外線検出素子11の内部抵抗と光電流の積で表される。赤外線検出素子11の内部抵抗R0は温度依存性を有し、例えば温度が高いほど内部抵抗R0は小さくなる。それゆえ、赤外線検出素子11の出力電圧は、温度変化に対する内部抵抗の大きな変化に伴って大きく変化する。
ここで、演算増幅回路53の増幅率Gは、温度特性補償素子21の内部抵抗をR1、抵抗素子55の抵抗をR2とすると、次の式(1)のようになる。
G=1+(R2/R1)・・・(1)
例えば、周囲温度が上昇すると赤外線検出素子11の内部抵抗が減少し、赤外線検出素子11の出力電圧が減少する。しかしながら、赤外線検出素子11と同じように温度特性補償素子21の内部抵抗R1も周囲温度の上昇に合わせて減少するので、式(1)より、演算増幅回路53の増幅率Gは増加する。これにより、演算増幅回路53の出力電圧Voutは温度補償される。
一方、周囲温度が低下すると、赤外線検出素子11の内部抵抗が増加し、赤外線検出素子11の出力電圧も増加する。しかしながら、赤外線検出素子11と同じように温度特性補償素子21の内部抵抗R1も周囲温度の低下に合わせて増加するので、式(1)より、演算増幅回路53の増幅率Gは減少する。これにより、演算増幅回路53の出力電圧Voutは温度補償される。
このように、温度特性補償素子21の内部抵抗の変化によって、赤外線検出素子11の出力電圧(起電圧)の温度変化がキャンセルされる。温度特性補償素子21の温度特性によって、赤外線検出素子11の温度特性を打ち消すことができるので、演算増幅回路53の出力電圧Voutの温度に依存した変化量を小さくすることができる。
図3は、赤外線センサ100の出力電圧Voutの測定結果の一例を示す。図3の横軸(X軸)は周囲温度を示し、縦軸(Y軸)は赤外線センサ100の出力電圧Voutを示す。この例は、周囲温度が25℃のときの出力電圧を「1」に規格化したものである。図3に示すように、周囲温度の上昇に伴って出力電圧Voutは減少しているが、この出力電圧Voutの減少の割合は、温度特性補償素子21が用意されていない場合と比べて緩やかなものである。
このように、本発明の第1実施形態によれば、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21とを同一の基板1上に同一の材料で形成し、更に赤外線が同じように入射するように同一の構造に形成することにより、赤外線検出素子11の起電力を取り出して増幅する場合であっても、その起電圧の温度変化を温度特性補償素子21でキャンセルすることができる。つまり、赤外線センサ100の出力信号Voutの温度依存性を小さくすることができ、出力信号Voutの温度特性を赤外線検出素子11の起電流(光電流)の温度特性と同等にすることができる。従って、受光部10で変換された電気信号をより高精度に補正することができ、赤外線のエネルギーを高精度に検出することができる。
温度特性補償素子21は、その内部抵抗の温度特性が赤外線検出素子11と同様の素子であればどの様な形態でも良いが、同一材料及び同一構造であればより温度係数が揃うのでより望ましい。
また、抵抗素子55の抵抗値は、実際の回路上はある制限をもった値の中に収める必要があるが、このためには、赤外線検出素子11は出力電圧(起電圧)を増やせるn段の多段構成とし、増幅率を決定する温度特性補償素子21は1個、またはm個の多段型の構成とし、これらの組み合わせを変えるようにすれば良い。これにより、演算増幅回路53の入力オフセット電圧の影響を受けない赤外線検出素子11の出力電圧を実現でき、更に抵抗素子55を適正な値に設定して、任意の増幅率を決定できるという、最適な回路の実現が可能となる。この点で、赤外線検出素子11や温度特性補償素子21は、多段に構成するのがより好ましい。
なお、ここでは、赤外線検出素子と同じ温度特性を有する抵抗体(即ち、温度特性補償素子)として量子型pinフォトダイオードを使用する場合について説明した。周知のように、ダイオードは整流作用を持ち、順バイアス方向には電流が流れ易く、逆バイアス方向には電流が流れにくい。
しかしながら、フォトダイオードを流れる電流が極めて小さいとき(例えば、電流が−1.0E−6〜1.0E−6[A]のとき)には、順バイアス方向にも逆バイアス方向にも同じように電流が流れ、電流−電圧特性に線形性が見られる。本発明の実施形態で説明した量子型pinフォトダイオードは、この極めて小さい電流範囲で使用するものであり、電流−電圧特性に線形性があるため、抵抗体として使用することができる。
フォトダイオードの温度が高くなると、その電流−電圧特性の傾き(即ち、内部抵抗の逆数)は例えば大きくなる。また、フォトダイオードの温度が低くなると、その電流−電圧特性の傾き(即ち、内部抵抗の逆数)は例えば小さくなる。このように、本発明の実施形態では、フォトダイオードを流れる電流が極めて小さいために、温度特性を有する可変抵抗体、即ち、温度特性補償素子としてフォトダイオードを使用することができる。
(2)第2実施形態
図4は、本発明の第2実施形態に係る赤外線センサ200の構成例を示す概念図である。図4において、図1と同一の構成及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの詳細な説明は省略する。
図4に示すように、この赤外線センサ200は、量子型の赤外線検出素子11と、温度特性補償素子21と、基準電圧発生回路51と、定電流回路61と、コンパレータ回路63と、出力端子65とを備えるものである。赤外線検出素子11は受光部であり、温度特性補償素子21は補正部である。第1実施形態と同様、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21は、周囲温度の影響が同じになるように同一の基板1上に隣接して形成されている。赤外線検出素子11及び温度特性補償素子21は例えば量子型pinフォトダイオードであり、これらフォトダイオードは同一の材料で形成され、且つ、赤外線が同じように入射するように同一の構造を有する。
また、定電流回路61は、温度特性補償素子21に定電流を供給する電流源である。この定電流回路61は、所望の定電流を生成し、生成した定電流を温度特性補償素子21に供給する。コンパレータ回路63は、赤外線検出素子11の出力信号(電圧)と、温度特性補償素子21の出力信号(電圧)とを比較してその結果を出力する。
図4に示すように、赤外線検出素子(フォトダイオード)11は、そのカソード側の端子が基準電圧発生回路51に接続され、そのアノード側の端子がコンパレータ回路63の非反転入力端子(+入力端子)に接続されている。また、温度特性補償素子(フォトダイオード)21は、そのアノード側の端子が基準電圧VREFに接続され、そのカソード側の端子がコンパレータ回路63の反転入力端子(?入力端子)に接続されている。このような接続により、赤外線検出素子11のカソード側と、温度特性補償素子21のアノード側に、基準電圧発生回路51が発生する基準電圧VREFがそれぞれ印加される。
また、温度特性補償素子21には定電流回路61が並列に接続され、これにより、定電流回路61から温度特性補償素子21に所望の定電流を供給し、温度特性補償素子21は、その内部抵抗の値に応じた電圧を発生し、この発生電圧がコンパレータ回路63のしきい値電圧(基準電圧)としてその反転入力端子に供給されるようになっている。
次に、この赤外線センサ200の動作例について説明する。図4において、赤外線検出素子11に赤外線が照射されると、その受光量に応じた電流が流れ、赤外線検出素子11の両端には出力電圧(起電圧)が発生し、この出力電圧はコンパレータ回路63の非反転入力端子に入力される。一方、温度特性補償素子21にも赤外線検出素子11と同じように赤外線が入射し、その両端に電圧が発生する。この電圧は、しきい値電圧としてコンパレータ回路63の反転入力端子に入力される。コンパレータ回路63は、赤外線検出素子11の出力電圧がしきい値電圧以上になるとHレベルを出力し、それがしきい値電圧以下になるとLレベルを出力する。
ここで、温度特性補償素子21は、赤外線検出素子11と同一材料で形成され、同一構造になっているため、その内部抵抗は赤外線検出素子11と同じような温度特性を持っている。さらに、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21は、同一の基板1上に形成されているため同一温度になり易く、周囲温度の変化に対して同様に変化する。
ここで、赤外線検出素子11の出力電圧(起電圧)は、温度変化に対する内部抵抗の大きな変化に伴って大きく変化する。例えば、周囲温度が低下すると、赤外線検出素子11の内部抵抗が増加し、これにより出力電圧が増加するため、コンパレータ回路63の非反転入力端子の入力電圧は上昇する。このときには、温度特性補償素子21の内部抵抗も増加し、温度特性補償素子21の両端に生じる電圧は増加するので、コンパレータ回路63の反転入力端子のしきい値電圧は上昇する。
一方、周囲温度が増加すると、赤外線検出素子11の内部抵抗が低下し、これにより、出力電圧が低下するため、コンパレータ回路63の非反転入力端子の入力電圧は低下する。このときには、温度特性補償素子21の内部抵抗も低下し、温度特性補償素子21の両端に生じる電圧は低下するので、コンパレータ回路63の反転入力端子のしきい値電圧が低下する。このため、コンパレータ回路63の出力端子26からの出力信号VoutのHiまたはLowの切り替え閾値の、温度依存性が小さくなる。
このように、本発明の第2実施形態によれば、第1実施形態と同様、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21とを同一の基板1上に同一の材料で形成しているので、出力信号Voutの温度依存性を小さくすることができる。従って、受光部10で変換された電気信号をより高精度に補正することができ、赤外線エネルギーを高精度に検出することができる。
なお、この第2実施形態では、コンパレータ回路63がヒステリシスを持たない構成としたが、ヒステリシスを持つようにするのが好ましい。この場合には、コンパレータ回路63の出力の反転に応じて、定電流回路61の電流値を所定値変化させて、しきい値電圧にヒステリシスを持たせるようにする。
(3)第3実施形態
図5は、本発明の第3実施形態に係る赤外線センサ300の構成例を示す概念図である。図5において、図1と同一の構成及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの詳細な説明は省略する。
図5に示すように、この赤外線センサ300は、量子型の赤外線検出素子11を有する受光部10と、温度特性補償素子21を有する補正部20と、基準電圧発生回路51、52と、演算増幅回路53、73と、抵抗素子55と、出力端子57とを備えるものである。第1実施形態と同様、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21は、周囲温度の影響が同じになるように同一の基板1上に隣接して形成されている。赤外線検出素子11及び温度特性補償素子21は例えば量子型pinフォトダイオードであり、これらフォトダイオードは同一の材料で形成され、且つ、赤外線が同じように入射するように同一の構造を有する。
図5に示すように、受光部10が有する1個またはm個の直列接続された赤外線検出素子(フォトダイオード)11は、そのカソード側の端子が基準電圧発生回路51に接続され、そのアノード側の端子が演算増幅回路73の非反転入力端子(+入力端子)に接続されている。演算増幅回路73の出力端子は自身の反転入力端子(−入力端子)に接続され、ボルテージフォロア回路を構成している。
また、補正部20が有する1個またはm個の直列接続された温度特性補償素子(フォトダイオード)21は、そのカソード側の端子が演算増幅回路53の反転入力端子(?入力端子)に接続され、演算増幅回路53は、その非反転入力端子(+入力端子)が基準電圧発生回路52に接続され、その反転入力端子(−入力端子)が抵抗素子55介して自身の出力端子に接続され、第1実施形態の非反転増幅回路とは異なり、反転増幅回路を構成している。
そして、演算増幅回路73の出力端子は、補正部20が有する1個またはm個の直列接続された温度特性補償素子(フォトダイオード)21のアノード側の端子に接続されており、ボルテージフォロア回路と反転増幅回路が縦続接続される構成となる。
次に、上記の赤外線センサ300の動作例について説明する。
図5において、受光部10に赤外線が照射されると、第1実施形態と同様に、赤外線検出素子11の両端には受光量に応じた電流と内部抵抗の積で表される出力電圧が発生する。このため、受光部10の両端には、各々の赤外線検出素子11の出力電圧の総和が発生する。
一方、第1実施形態と同様に、温度特性補償素子21は、赤外線検出素子11と全く同じ材質及び同じ構造になっており、赤外線検出素子11と同一の基板1上に形成されているので、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21は、赤外線が入射しているときも入射していないときも、ほぼ同じ温度となる。
ここで、演算増幅回路53の増幅率Gは、温度特性補償素子21の内部抵抗をR1、抵抗素子55の抵抗をR2とすると、次の式(2)のようになる。
G=−(R2/R1)・・・(2)
例えば、周囲温度が上昇すると赤外線検出素子11の内部抵抗が減少し、赤外線検出素子11の出力電圧が減少し、演算増幅回路73の出力も減少する。しかしながら、赤外線検出素子11と同じように温度特性補償素子21の内部抵抗R1も周囲温度の上昇に合わせて減少し、ボルテージフォロア回路と反転増幅回路の縦続接続された構成なので、式(2)より、演算増幅回路53の増幅率Gは増加する。これにより、演算増幅回路53の出力電圧Voutは温度補償される。
一方、周囲温度が低下すると、赤外線検出素子11の内部抵抗が増加し、赤外線検出素子11の出力電圧も増加し、演算増幅回路73の出力も増加する。しかしながら、赤外線検出素子11と同じように温度特性補償素子21の内部抵抗R1も周囲温度の低下に合わせて増加し、ボルテージフォロア回路と反転増幅回路の縦続接続された構成なので、式(2)より、演算増幅回路53の増幅率Gは減少する。これにより、演算増幅回路53の出力電圧Voutは温度補償される。
このように、第1実施形態と同様に、温度特性補償素子21の内部抵抗の変化によって、赤外線検出素子11の出力電圧(起電圧)の温度変化がキャンセルされる。温度特性補償素子21の温度特性によって、赤外線検出素子11の温度特性を打ち消すことができるので、演算増幅回路53の出力電圧Voutの温度に依存した変化量を小さくすることができる。
(4)第4実施形態
4.1)第1の構成例
図6は、本発明の第4実施形態に係る赤外線センサ400の構成例を示す概念図である。図6において、図1、4と同一の構成及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの詳細な説明は省略する。
図6に示すように、この赤外線センサ400は、基板1と、量子型の赤外線検出素子を有する受光部10と、温度測定素子30を有する補正部と、計測部35と、補正演算部40と、基準電圧発生回路51とを有する。
上述したように、受光部10は、n段に直列接続された赤外線検出素子(例えば、フォトダイオード)から構成されており、光電変換によって赤外線エネルギーを電気エネルギーに変換する部分である。量子型であるため、受光部10の赤外線検出感度は当該受光部10及びその周辺の熱容量に影響されずに済む。また、例えば図2を参照しながら説明したように、受光部10が有する赤外線検出素子の受光面は、例えばInAsxSb1−x(0≦x≦1)で構成されており、人体から放出される波長10μm付近の赤外線を効率良く光電変換することができるようになっている。
温度測定素子30は、温度に反応する素子であり、サーミスタ、熱電対、半導体のpnフォトダイオード、またはpinフォトダイオード等で構成することができるが、ここでは一例として、温度測定素子30は量子型pinフォトダイオードで構成されている場合を想定する。
受光部10は第1のフォトダイオードで構成され、温度測定素子30は第3のフォトダイオードで構成されている。
即ち、温度測定素子30は、受光部10が有する赤外線検出素子と同じ構造で、同じ材料からなる。
受光部10と温度測定素子30は、赤外線が同じように入射するように同一の構造を有し、その上下には赤外線の入射を完全に阻むような遮光膜は設けられておらず、同一の構造を有する。すなわち、本発明の構造は、赤外線検出素子11には赤外線が入射できるように形成され且つ温度測定素子30には赤外線の入射を遮るような遮光膜が形成されている構造とは異なる。
また、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21の両方とも、その周囲に熱の出入りを積極的に遮断するような断熱部は設けられておらず、同一の構造を有する。ここで、断熱部とは、素子の周辺に設けられ素子以外の部分からの熱の出入りを遮断するような断熱材であり、素子が形成される台座部又は基板に設けられた空洞である。すなわち、本発明の構造は、赤外線検出素子11にはその周囲に熱の出入りを遮断するような断熱材が形成され且つ温度測定素子30には断熱材が形成されていない構造とは異なる。また、本発明の構造は、赤外線検出素子11の下部に、基板からの熱の出入りを遮断するような空洞が形成され且つ温度測定素子30には空洞が形成されていない構造とも異なる。
このように、受光部10と温度測定素子30は、周囲温度の影響が同じになるように、同一の基板1上に隣接して形成されており、受光部10と温度測定素子30とによって1個の赤外線センサチップが構成されている。温度測定素子30を構成するフォトダイオードの個数は1個又は複数個であり、例えば、複数個のフォトダイオードが直列接続された構成を有する。
なお、温度測定素子30はサーミスタでも良い。この場合には、サーミスタの電気抵抗(以下、単に「抵抗」という。)を測定するために電源が必要である。例えば、サーミスタに一定の電流を流して、そのときのサーミスタ両端の電位差(電圧値)を計測部35で測定する。計測部35で測定された電圧値からサーミスタの抵抗値が算出されるが、サーミスタの抵抗値と温度との間には相関があるので、電圧値から温度を把握することができる。これは最も簡易な温度測定方法である。また、温度測定素子30が熱電対である場合には、温度に応じて起電力が発生するので計測部7は必ずしも必要ではない。熱電対で発生した起電力を補正演算部40に向けて直接出力するようにしても良い。
基準電圧発生回路51は、受光部10および温度測定素子30に印加すべき所望の基準電圧を生成するようになっている。この基準電圧発生回路51は、接地電位を基準に所望の基準電圧VREFを発生する。
図1に示すように、受光部10はその一端が補正演算部40に接続されており、その他端が基準電圧発生回路51に接続されている。そして、受光部10で光電変換によって生じた電気信号は、センサ出力信号(以下、出力信号、又は、出力電圧という。)VOとして補正演算部40に出力されるようになっている。図1では、出力信号VOは例えばアナログ信号である。また、温度測定素子30はその一端が計測部35に接続されており、その他端は受光部10の他端と共に基準電圧発生回路51に共通接続されている。
図1に示すように、上述の計測部35はその一端が補正演算部に接続され、その他端が温度測定素子30に接続されている。そして、温度測定素子30から出力された温度情報を含む信号が計測部35から補正演算部9に出力されるようになっている。例えば、温度測定素子(フォトダイオード)30の抵抗に比例した電圧値を計測部35が測定する。上述したように、フォトダイオードを流れる電流が極めて小さいとき(例えば、電流が−1.0E−6〜1.0E−6[A]のとき)には、順バイアス方向にも逆バイアス方向にも同じように電流が流れ、電流−電圧特性に線形性が見られるので、抵抗体として使用することができる。計測部35によって測定された電圧値は、電圧信号VROとして補正演算部40に出力される。図1では、電圧信号VROは例えばアナログ信号である。
補正演算部40は、受光部10から出力された出力信号VOを、計測部35から出力された(または、温度測定素子30から直接出力された)電圧信号VROに基づいて補正し、補正後のデータを出力信号VSとして赤外線センサ400の外部に出力する機能を備えたものである。この補正演算部40は、例えばロジックICとメモリー素子とで構成されており、電圧信号VROに基づいて出力信号VOを補正するための補正式(関係式)等が格納されている。この補正式については、第4実施形態の「(3.3)補正式の求め方」の欄で説明する。出力信号VSは例えばアナログ信号である。
4.2)第2の構成例
図7は、本発明の第4実施形態に係る赤外線センサ500の構成例を示す概念図である。図7において、図1、4、5と同一の構成及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの詳細な説明は省略する。
図7に示すように、この赤外線センサ500は、基板1と、受光部50と、計測部35と、切替回路36と、補正演算部40と、基準電圧発生回路51とを有する。ここで、受光部50は、受光部10と同様、量子型の赤外線検出素子をn段に直列接続したものであって、光電変換により赤外線エネルギーから電気信号を発生させるものである。受光部50の具体的な構成は、例えば図2に示した受光部10と同一であるが、第1の構成例とは異なりこの第2の構成例では、受光部50は温度測定素子30としての役割も担っている。即ち、この赤外線センサ500では、受光部50において赤外線を光電変換すると共に、受光部50の温度をその抵抗から把握するようになっている。
例を挙げて説明すると、図2に示したように、受光部50は複数個の赤外線検出素子(フォトダイオード)11で構成されており、これら複数個の赤外線検出素子11は接続配線19によって直列に接続されている。計測部35は、この直列の一端から他端の間で抵抗値を測定する。例えば、受光部50に一定の電流を流すとその両端には抵抗値に比例した電圧が発生する。発生した電圧は計測部35で測定され、その測定結果は電圧信号VROとして補正演算部40に出力されるようになっている。電圧信号VROは例えばアナログ信号である。切替回路36は、補正演算部40からの制御信号Sを受けて、受光部50の一端を端子Aに接続したり端子Bに接続したりするようになっている。
基準電圧発生回路51は、受光部50に印加すべき所望の基準電圧を生成するようになっている。この基準電圧発生回路51は、接地電位を基準に所望の基準電圧VREFを発生する。
また、上述したように、補正演算部40は、受光部50から出力された出力信号VOを、計測部35から出力された電圧信号VROに基づいて補正し、補正後のデータを信号VSとして赤外線センサ500の外部に出力する機能を備えたものである。出力信号VSは例えばアナログ信号である。
さらに、この第2の構成例では、補正演算部40は、切替回路36を制御して受光部50と端子A、Bとの接続関係を切り替える機能も備えている。受光部50から出力信号VOとその抵抗に比例した電圧信号VROの両方を得るために、補正演算部40は切替回路36を定期的に動作させて、受光部50を端子Aと端子Bとに交互に接続させることが可能となっている。
即ち、切替回路36によって受光部50の接続が端子A側に切り替えられた場合、ある一定の電流が計測部35から受光部50に流され、受光部50の抵抗に比例した電圧値が計測部35によって測定される。測定された電圧値は、受光部50の温度に関する情報を含み、電圧信号VROとして補正演算部40へ出力される。一方、切替回路36によって受光部50の接続が端子B側に切り替えられた場合、受光部50に入射した赤外線は出力信号VOに変換され、補正演算部40に出力される。補正演算部40に入力された出力信号VOは、当該信号VOの入力直前または入力直後に、補正演算部40に入力された直近の電圧信号VROに基づいて補正される。
このような構成であれば、受光部50の温度が時間の経過に伴って変化した場合でも、その変化に対応して出力信号VOを逐次補正することができる。従って、温度変化にほとんど影響されずに、赤外線エネルギーの検出精度(即ち、出力信号VSの精度)を高く維持することが可能である。
なお、赤外線センサ500では、計測部35によって受光部50の抵抗を測定する際に、受光部50が発熱しないように、低いレベルの電圧・電流信号を利用するのが望ましい。また、長波長赤外線の受光部50に用いられる光電変換素子の具体的な例としては、図2に示したように、InAsxSb1−x(0≦x≦1)の半導体材料のpn、もしくは、pin接合を用いたフォトダイオードが挙げられる。このようなフォトダイオードを受光部50として使用した場合、例えば、人体から放出される波長10μm付近の赤外線を光電変換することができる。
なお、上記のpn、もしくは、pinフォトダイオードを用いた場合、電圧・電流バイアスを印加せず、光起電力モードで動作した場合でも、光電変換した開放電圧・短絡電流信号が得られる。ここで、「光起電力モード」とは、VREF等の電源電圧を印加せずに、光によって、pn、もしくは、フォトダイオードに光によって発生した開放電圧・短絡電流を発生させるモードを示す。
このようなpn、もしくは、pinフォトダイオードを受光部50に使用した場合、ゼロバイアス付近の抵抗値を読み取ることで、光電流の影響を受けずに、受光部50の温度情報を正確に得ることができる。長波長の赤外線エネルギーは低いため、用途に応じて高感度の受光部50が要求されるが、例えば図2に示したように、直列接続した多数段のフォトダイオードで受光部50を構成することで、受光部50のS/N比(signal to noise ratio)を向上させることが可能である。
また、図2に示したように、直列接続した多数段のpn、もしくは、pinフォトダイオードで受光部50を構成した場合、ゼロバイアス付近の抵抗値も高くなり、抵抗測定が容易となる可能性がある。このように、多数段のpn、もしくは、pinフォトダイオードを利用することによって、受光部50に温度測定素子としての役割を担わせることが容易となる。即ち、多数段のpn、もしくは、pinフォトダイオードを利用することによって、出力信号VOの値の大きさが適切で、しかも測定しやすい抵抗値を備えた受光部50の実現が容易となる。
なお、上記の第1、第2の構成例では、電圧信号VROと、信号VSがそれぞれアナログ信号である場合について説明したが、これらはアナログ信号に限られることはなく、用途に応じてデジタル信号であっても良い。例えば、第1の構成例では、計測部35から補正演算部40へデジタル信号VROが出力され、補正演算部40では受光部10から出力されたアナログ信号VOと、計測部35から出力されたデジタル信号VROとを参照してデジタル演算を行い、このデジタル演算の結果に基づいてデジタル信号VSが出力されるような構成でも良い。
4.3)補正式の求め方(その1)
次に、補正演算部40に記憶させる補正式(関係式)の求め方について説明する。上記の補正式は、例えば図6に示した赤外線センサ400や、図7に示した赤外線センサ500等を用いて実験を行うことによって求めることが可能であるが、ここでは、図8に示すような赤外線センサ500の構成例で実際に実験を行い、その結果から補正式を求める場合について説明する。
図8は、赤外線センサ500の実験時の構成例を示す概念図である。図8に示すように、この実験では、例えば、端子Aと補正演算部40との間に電圧計37を配置して、受光部50から出力される電気エネルギーの大きさを測定するようにする。電圧計37で測定された値は、出力信号VOとして補正演算部40に出力される。この例では、電圧計37から出力される出力信号VOはデジタル信号である。
また、この実験では、受光部50の抵抗を測定する計測部35に例えばデジタルマルチメーターを用いると共に、補正演算部40にデジタル計算機を用いる。さらに、この実験では、輻射温度設定を変更可能な黒体炉99を赤外線輻射源として利用する。また、受光部50の温度を変化させるために、受光部50を温度可変の恒温槽(図示せず)内に配置する。
ここで、赤外線センサ500の出力は被対象物体(ここでは、黒体炉99)の温度と受光部50の温度差に比例した値である。したがって、赤外線センサ500の出力電圧と、受光部50の温度とがわかっていれば被対象物体の温度を求めることができる。受光部50の温度は、その抵抗を測定することで求めることができ、その測定結果をプロットすると例えば図9のようになる。
図9は、受光部50の相対抵抗ROとその温度TSとの関係を示す図である。図9の横軸は受光部50の温度TS[℃]であり、縦軸は受光部50の相対抵抗ROを示す。相対抵抗ROは、受光部50の温度TSが25℃のときに計測部35で測定される抵抗値を基準(即ち、1)とした相対値である。図9に示す曲線は、例えば、以下の方法によって実際に抵抗値を測定し、その値を上記基準に対して相対値化する(即ち、ROに換算する)ことによって得られる。
即ち、受光部50を恒温槽内に配置する。これにより、受光部50の温度は恒温槽の温度とほぼ同じ値となる。次に、恒温槽内の温度を変化させながら、恒温槽内に配置されている受光部50の抵抗値を測定してROに換算する。
なお、この抵抗値の測定を行う前に、受光部50と黒体炉99との位置関係を予め調整して、黒体炉99の輻射が受光部50の受光面に正しく照射されるようにしておく。受光部50は恒温槽内に配置されているので、受光部50の温度は黒体炉99からの輻射にはほとんど影響されないはずである。このような方法で、温度TSに対して抵抗値を測定し、ROに換算してプロットすることで、図9の曲線を得ることができる。この曲線は、例えば最小2乗法によって式(a)のように近似される。
RO = 2.123 e−0.03048TS …(3)
図10は、受光部50の温度TSと黒体炉99の温度TEとの関係を示す図である。図10の横軸は黒体炉の温度TEであり、縦軸は受光部50から出力される出力信号VOである。図10は、例えば、以下の方法によって実際に測定することによって得られる。
即ち、受光部50を恒温槽内に配置する。これにより、受光部50の温度は恒温槽の温度とほぼ同じ値となる。次に、恒温槽の温度(即ち、受光部50の温度TS)を例えば0℃に設定する。そして、恒温槽の温度が0℃で安定した後で黒体炉99の温度TEを変化させ、そのときに受光部50から出力される出力信号VOをプロットする。同様に、恒温槽の温度を例えば25℃または50℃に変更し、恒温槽の温度が安定した後で、黒体炉99の温度TEを変化させ、そのときに受光部50から出力される出力信号VOをプロットする。図10では、受光部50の温度が25℃で、且つ黒体炉99の温度が35℃のときに出力される出力信号VOを基準電圧(即ち、1)とし、規格化した。
これにより、図10に示すような複数の曲線を得ることができる。図10からわかるように、黒体炉99の温度が一定(例えば、35℃)のとき、出力信号VOは受光部50の温度TSに依存している。この例では、受光部50の温度TSが0℃〜50℃の範囲では、黒体炉99の温度TEが一定温度のとき、出力信号VOの絶対値は温度TSが低いほど大きくなっている。
図10に示す曲線は、例えば最小2乗法によって式(4)〜(6)のように近似される。
VO|TS=0℃=1.258×10−5TE+1.023×10−3TE+9.921×10−2TE−6.056×10−2 …(4)
VO|TS=25℃=6.182×10−6TE+5.602×10−4TE+4.720×10−2TE−1.633 …(5)
VO|TS=50℃=2.743×10−6TE+3.757×10−4TE+1.167×10−2TE−2.004 …(6)
VO|TS=0℃は、受光部50の温度TSが0℃のときの出力信号VOであり、VO|TS=25℃は、受光部50の温度TSが25℃のときの出力信号VOであり、VO|TS=50℃は、受光部50の温度TSが50℃のときの出力信号VOである。
式(4)〜(6)からわかるように、温度0〜50℃のときの出力信号VOは、式(7)で示すように定義することもできる。
VO|TS=A×TE+B×10−4TE+C×TE+D …(7)
式(7)において、A、B、C、Dは受光部50の温度TSに依存した定数である。
4.4)温度補正方法(その1)
赤外線センサを用いて被対象物体(実験では、黒体炉を使用した)の温度を測定する場合には、予め式(3)〜(6)(または、式(3)、(7)と、温度TSに対応した定数A〜D(即ち、補正係数)を補正演算部40に格納しておく。そして、被対象物体の温度を測定するたびに、式(3)〜(6)(または、式(3)、(7)と、温度TSに対応した定数A〜Dを利用する。式(3)〜(6)(または、式(3)、(7)と、温度TSに対応した定数A〜D)は、受光部50の出力データと温度データであり、これらは補正演算部40又は補正演算部40に繋がる記憶装置(例えば、光学式ディスク、または、ハードディスク等)に格納しておき、演算処理時に適宜読み出すようにすれば良い。
また、実際の測定では、赤外線エネルギーに対応した電圧の絶対値を電圧計37で測定することとなるが、その絶対値を基準電圧(即ち、受光部50の温度が25℃で、且つ黒体炉99の温度が35℃のときに測定される電圧の絶対値)に基づいて相対値化することで、式(3)〜(6)(または、式(3)、(7)と、温度TSに対応した定数A〜D)を利用することができる。このような絶対値の相対値化は、例えば補正演算部40の演算機能を用いて行うことができる。
以上の点を踏まえて、図8に示した赤外線センサ500における検出温度の補正方法について説明する。
図8において、切替回路36は補正演算部40によって操作され、受光部50と切替回路36との接続関係が端子B側となっているときは、受光部50の抵抗値が計測部35によって測定され、計測部35から抵抗値に対応した電圧信号VROが補正演算部40に出力される。例えば、計測部35から受光部50にはある一定の電流値が印加され、受光部50の抵抗に比例した電圧値が計測部35で測定される。この計測部35で得られた測定値には受光部50に関する温度情報が含まれており、この温度情報を含む測定値は、例えばデジタル信号の形で、電圧信号VROとして補正演算部40へ出力される。
また、補正演算部40からの制御信号Sによって、受光部50と切替回路36との接続関係が端子A側に切り替えられると、赤外線の光電変換によって生じた電圧の絶対値が電圧計37によって測定される。そして、例えばデジタル信号の形で、電圧計37から補正演算部40に出力信号VOが出力される。
一方、補正演算部40は、電圧信号VROを式(3)に代入して、受光部50の温度TSを算出する。そして、算出した温度TSの値から、式(4)〜(6)から適切な補正式を選択する(または、温度TSに対応した定数A〜Dを選択し、選択した各定数値を式(7)に代入して、補正式を確定する。)。そして、選択(または、決定)した補正式に、電圧計37から送られてきた出力信号VOの数値を代入して、被対象物体の温度TEを算出する。この温度TEは出力信号VSとして、赤外線センサの外部に出力される。
このように、本発明の第4実施形態によれば、受光部10、50は量子型であるため、その赤外線検出感度は当該受光部10、50及びその周辺の熱容量に影響されない。従って、受光部10、50と温度測定素子30と同一の基板1上に隣接して配置することができ、受光部10で変換された電気信号をより高精度に補正することができる。
また、図7、7に示した赤外線センサ500のように、直列接続した多数段のフォトダイオードで受光部50を構成して、受光部50に温度測定素子30としての役割を担わせることが可能である。受光部50そのものが温度測定素子であるため、受光部50の温度をより正確に把握することができる。これにより、受光部50で変換された電気信号を高精度に補正することができ、精度の高い信号VSを出力することができる。
なお、この第4実施形態では、受光部の温度TSを0℃、25℃、50℃の3つの温度ゾーンに分けて補正式を用意する場合について説明した。しかしながら、より正確な温度補正を行うためには、温度TSをより細かく分けて設定し、設定された温度(以下、設定温度ともいう。)TSに対応してより多くの近似式(または、定数A〜D)を求めておき、求めた多くの補正式を補正演算部40に記憶させておく必要がある。
例えば、0℃〜50℃の範囲で、受光部の温度TS=0、1、2、・・・、50℃というように1℃間隔で出力信号VOを測定しておく。そして、この測定値に基づいて近似式(または、定数A〜D)をそれぞれ求めておく。このような構成であれば、温度補正の際に、実際に測定された温度TSと設定温度とのギャップが少ない、好適な補正式を選択できる可能性が高くなるので、より正確な温度補正が可能となる。
また、式(3)から算出された温度TSの値が、近似式の設定温度TSからかけ離れている(即ち、実際に測定された温度TSと設定温度とのギャップが大きい)場合には、最も近い設定温度TSから定数A〜Dを推算して使用しても良い。例えばTS=1.5℃の場合、TS=1℃でのA〜Dの定数と、TS=2℃でのA〜Dの定数とから、近似した定数A〜Dを利用することも可能である。
このように、補正演算部40は、温度測定素子30の周辺雰囲気の温度を所定の温度に設定し、被対象物体(例えば、黒体炉99)の温度を変化させたときの、出力信号VOと電圧信号VROの対応関係(例えば、式(3)、(7)と、温度TSに対応した定数A〜D)を記憶する記憶機能と、上記対応関係と実際に測定された電圧信号VROとに基づいて最適な補正式を演算する演算機能と、上記演算により決定された最適な補正式に実際に測定された出力信号VOを当てはめて、被対象物体の温度を算出する算出機能、を備えている。
さらに、図7に示した補正演算部40は、受光部50に入射した赤外線輻射に応じた信号VS(補正されたVOの電圧値)を出力するようになっているが、用途に応じて、VSではなく温度(温度情報)TEを出力しても良い。
また、図8では、受光部50を構成する直列接続された赤外線検出素子(フォトダイオード)の両端の電位を測定することで、赤外線エネルギーに関する測定値と、温度に関する測定値とを得る場合について示しているが、直列接続のうち、任意の区間に、一定の電流を流して発生する電位差を見るようにしても良い。例えば、赤外線エネルギーに関する測定値は直列接続の始点から終点までを測定することで信号強度の大きなデータを入手し、一方、温度に関する抵抗の測定値は直列接続の始点から終点ではなく途中の中間点までを見て(即ち、温度を特定するのに必要な区間だけ見て)データを入手するようにしても良い。
4.5)補正式の求め方(その2)
ところで、式(7)の定数A,B,CおよびD(即ち、補正係数)を求めるための測定を実施するには、被対象物体(例えば、黒体炉)の温度を変化させて出力信号VOを測定する必要がある。この測定を行っている間は、受光部50の温度を一定に保たなければならない。
しかしながら、実際の測定では、受光部50は被対象物体から輻射の影響を受け、その温度は(多少ではあるが)変動してしまう場合が多い。例えば、図11は、赤外線センサ500を一定温度に保持した状態での、黒体炉99の温度TEと、受光部50の温度TSとの関係を示す図である。この図は、27℃に設定した恒温槽内に赤外線センサ500を配置してその温度を安定させた状態で、黒体炉99の温度TEを35℃から41℃まで変化させながら赤外線センサ500の出力信号VOを測定したときの、受光部50の温度TSの変化をプロットしたものである。図11の横軸は黒体炉99の温度TEを示し、縦軸は受光部50の温度TSを示す。図11に示すように、黒体炉99の温度TEの上昇に伴い、赤外線の輻射の影響で受光部50の温度TSも僅かながら上昇している。
この結果からわかるように、式(7)の補正係数を真に正確に求めるならば、受光部50の温度を一定に保ったまま、出力信号VOの測定を実施することが必須である。そのためには、黒体炉99の温度を変えるたびに恒温槽の温度設定を調節して受光部50の温度が常に一定になるよう制御する必要があり、恒温槽の温度が安定するまで測定を待たなければならない。また、測定を開始した後も、上記輻射の影響を排除するために、恒温槽の温度をこまめに調整する必要があり、手間がかかる。
そこで、ここでは上記の手間を低減することができ、補正係数の具体的な数値を取得する際に受光部50の温度が被対象物体からの輻射により変動した場合でも、補正係数の値を正確に求めることができる方法について説明する。
図8において、まず始めに、温度を一定に保った恒温槽内に赤外線センサ500の受光部50を配置し、黒体炉99の温度を測定したい範囲(例えば、36℃以上41℃以下)で変化させて、受光部50からの出力信号VO及び受光部50の抵抗値を測定する。1回の測定は測定系全体が定常状態になるまで待ってから行う。次に、測定した抵抗値より式(3)を用いて受光部50の温度を計算し、横軸に受光部50の温度TS、縦軸に出力信号VOをとってプロットする。図10では、出力信号VOを被対象物体の温度TEの関数として表したが、ここでは出力信号VOを受光部63の温度TSの関数で表す。
例として、受光部63の温度が約10℃〜40℃までの範囲で、黒体炉99の温度TEを35℃から41℃まで1℃刻みで測定した場合のTS−VOのプロットを図12(a)に示す。このプロットをもとに、黒体炉99の温度TEに対する受光部50の温度TSと出力電圧VOの関係式を最小2乗法により求めておく。これにより、TSとVOの関係を例えば2次関数で式(8)のように表現できると共に、各温度TEに対応した、A0、A1、A2の具体的な数値をそれぞれ得ることができる。
VO|TE=A0+A1×TS+A2×TS…(8)
式(8)において、A0、A1、A2は被対象物体(例えば、黒体炉99)の温度TEに依存した定数である。例えば、温度TEが35℃のときのA0〜A2と、温度TEが36℃のときのA0〜A2とでは、その数値が異なる。
このような測定を行っている間、黒体炉99の温度を一定に保つことは専用の制御電源などを使用することにより容易に行える。恒温槽の温度を調節して受光部50の温度を一定に保つ場合と比べてはるかに簡単である。
4.6)温度補正方法(その2)
上述の式(8)等に基づいて、被対象物体の温度を測定する場合には、予め式(3)および(8)と各温度TEに対応した係数A0〜A2を、例えば、補正演算部40又は補正演算部40に繋がる記憶装置(例えば、光学式ディスク、または、ハードディスク等)に格納しておく。そいて、演算処理時に、上記データを適宜読み出すようにすれば良い。
詳しく説明すると、まず始めに、受光部50を被対象物体に向けて、出力信号VO、および相対抵抗ROを測定する。次に、式(3)に相対抵抗ROの数値を代入して受光部50の温度TSを算出する。図12(a)から明らかなように、温度TSが決まると、出力電圧VOを被対象物体の温度TEの関数で表すことができる。つまり、算出された温度TSと、式(8)及び補正係数A0〜A2の情報を用いることで、被対象物体の温度TE(例えば、35℃〜41℃の範囲で1℃ごと)における出力信号VOを計算することができる。
横軸に被対象物体の温度TE、縦軸に出力信号VOの計算値をプロットしたものが図12(b)である。これより出力信号VOと被対象物体の温度TEの関係式が最小2乗法で求まる。この関係式は一例を挙げると式(9)のようになる。
VO=−1021.3+8.713TE+0.967TE・・・(9)
式(9)を利用すれば出力信号VOから、被対象物体の温度TEを算出することができる。
このように、補正演算部40は、被対象物体(例えば、黒体炉99)の温度を所定の温度に設定し、温度測定素子30の周囲雰囲気の温度を変化させたときの、出力信号VOと電圧信号VROとの対応関係(例えば、式(3)、(8)と温度TEに対応した定数A0〜A2)を記憶する記憶機能と、上記対応関係と実際に測定された電圧信号VROとに基づいて最適な補正式を演算する演算機能と、上記演算により決定された最適な補正式に実際に測定された出力信号VOを当てはめて、被対象物体の温度を算出する算出機能、を備えている。
(5)第5実施形態
上述の第1、第2実施形態では、量子型の赤外線検出素子11と温度特性補償素子21とを同一の基板1上に形成する場合について説明した。また、第4実施形態では、量子型の赤外線検出素子を有する受光部10と、温度測定素子30とを同一の基板1上に形成する場合について説明した。しかしながら、本発明では、上記の第1実施形態と第4実施形態、又は、第2実施形態と第4実施形態とを組み合わせた構成でも良い。
即ち、図13(a)に示すように、赤外線検出素子11と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30を同一の基板1上に形成しても良い。複数個の赤外線検出素子11からなる受光部10と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30の両方を有する補正部とによって、1個の赤外線センサチップを構成する。
このような構成によれば、温度特性補償素子21によって温度補償された出力信号(出力電圧)を、赤外線検出素子11の温度に基づいてさらに補正することができるので、より精度の高い温度データを提供することが可能である。この第4実施形態では、このような例について説明する。なお、図13(a)は、赤外線検出素子11、温度特性補償素子21及び温度測定素子30の各々の端子、計6端子を全て外部に引き出した構成を示しているが、例えば図13(b)に示すように、赤外線検出素子11、温度特性補償素子21、温度測定素子30の各端子を基板1内で接続して、計4端子の構成としても良い。このような構成によれば、配線接続の自由度が低下するものの、端子数を減らすことができるので、素子製造時には、配線や端子の負荷を減らすことができ、更に本発明の素子をプリント基板やその他配線基板に装着する場合にも、配線、接合接点数が減らせ、製造時の手間が簡便で作りやすく、製造の資材も減らせるので自然環境にもやさしい物となる。
図14は、本発明の第5実施形態に係る赤外線センサ600の構成例を示す概念図である。図14において、図1、4〜6と同一の構成及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの詳細な説明は省略する。
図14に示すように、この赤外線センサ600は、基板1と、量子型の赤外線検出素子を有する受光部10と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30の両方を有する補正部と、計測部35と、補正演算部40と、基準電圧発生回路51と、演算増幅回路53と、抵抗素子55と、出力端子57と、を有する。
図15(a)に示すように、受光部が有する赤外線検出素子11は例えばフォトダイオードであり、その構成は図2に示した通りである。図15(a)では赤外線検出素子11としてフォトダイオードを一個のみ記載しているが、これは図面の複雑化を回避するためであり、赤外線検出素子11の個数を1つに限定するものではない。この第5実施形態においても、受光部は例えばn段に直列接続された複数個の赤外線検出素子11から構成されており、多段に直列接続されることによって大きな出力信号(電圧)を発生させるようになっている。
また、図15(b)に示すように、温度特性補償素子21も例えばフォトダイオードであり、その構成は図2に示した通りである。図15(b)では温度特性補償素子21としてフォトダイオードを一個のみ記載しているが、これは温度特性補償素子21の個数を1つに限定するものではない。温度特性補償素子21は例えば1個またはm個のフォトダイオードが直列に接続されることにより構成されている。さらに、図15(b)に示すように、温度測定素子30も例えばフォトダイオードであり、その構成は図2に示した通りである。温度測定素子30を構成するフォトダイオードも1個に限定されるものではない。温度測定素子30は例えば多段に直列接続されたフォトダイオードにより構成されている。
また、この赤外線センサ600では、赤外線検出素子11を有する受光部と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30が同一の基板1上に形成されている。つまり、図14に示す受光部10と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30を有する補正部とによって、1個の赤外線センサチップが構成されている。これら赤外線検出素子11、温度特性補償素子21又は温度測定素子30は、同一の材料で形成され、且つ、赤外線が同じように入射するように同一の構造を有する。
次に、この赤外線センサ600内の接続関係について説明する。図14、図15(b)に示すように、赤外線検出素子(例えば、フォトダイオード)11を有する受光部10は、そのカソード側の端子が基準電圧発生回路51に接続され、そのアノード側の端子が演算増幅回路53の反転入力端子に接続されている。また、温度特性補償素子(例えば、フォトダイオード)21は、そのカソード側の端子が演算増幅回路53の非反転入力端子に接続され、そのアノード側の端子が受光部10のカソード側と共に基準電圧発生回路51に共通接続されている。さらに、温度測定素子(例えば、フォトダイオード)30は、そのカソード側の端子が受光部10のカソード側と共に基準電圧発生回路51に共通接続されており、そのアノード側の端子が計測部35の入力端子に接続されている。
また、図14に示すように、演算増幅回路53の非反転入力端子と出力端子57との間には帰還抵抗である抵抗素子55が接続されている。そして、この出力端子57と計測部35の出力端子とが補正演算部40に接続されている。
このように、本発明の第5実施形態によれば、受光部10と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30が同一の基板1上に形成されている。従って、受光部10と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30の全てをほぼ同一の温度環境下におくことができる。また、温度特性補償素子21によって温度補償された出力信号(即ち、出力端子57から出力される信号)を、赤外線検出素子11の温度に基づいてさらに補正することができる。従って、第1〜第4実施形態よりも、さらに精度の高い温度データを提供することが可能である。
なお、図16(a)及び(b)は、赤外線センサ600の出力信号(出力電圧)VSと従来例の出力電圧とを比較した実験結果を示す図である。この実験での周囲温度及び、センサ温度は25℃である。図16(a)及び(b)の横軸は時間を示す。また、図16(a)の縦軸は赤外線センサ600から出力される電圧(センサ電圧)を示し、図16(b)の縦軸は受光部10の温度を示す。図16(a)の実線は第4実施形態に係る赤外線センサ600の出力信号(電圧)VSを示し、図16(a)の破線は従来技術の出力信号VSを示す。図16(b)に示すように、受光部10に赤外線が入射するとその内部温度は時間の経過と共に緩やかに上昇する。従来技術では、このような温度上昇に伴って、図16(a)の破線で示すようにセンサ電圧が大きく低下していた。これに対し、本発明の赤外線センサ600では、時間経過に伴ってその内部温度が上昇してもセンサ電圧はほぼ一定である。
このように、本発明の第4実施形態によれば、従来技術と比べて、受光部10の内部温度にほとんど影響されず、被対象物の温度を正確に反映したセンサ電圧を出力することができる、ということが確認できた。
(6)第6実施形態
上記の第6実施形態では、赤外線検出素子11と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30を同一の基板1上に形成する場合について説明したが、本発明では、このような構成に加えて、赤外線検出素子11の出力信号を差動出力として取り出すようにしても良い。即ち、図17(a)に示すように、赤外線検出素子11と、温度特性補償素子21と、温度測定素子30とを同一の基板1上に形成すると共に、赤外線検出素子11の出力をプラス(+)とマイナス(−)及びその中点12の3端子構成にし、出力信号を差動出力として取り出せるようにしても良い。2つの出力信号の差を演算増幅回路で増幅する(即ち、差動アンプする)ことによって、受光部内の配線やその外部のラインに発生する同相ノイズをキャンセルすることができ、信号成分のみを増幅することが可能となる。
なお、図17(a)は、赤外線検出素子11、温度特性補償素子21及び温度測定素子30の各々の端子と、赤外線検出素子11の中点12に繋がる端子、計7端子を全て外部に引き出した構成を示しているが、例えば図17(b)に示すように、赤外線検出素子11の中点12と温度測定素子30の一方の端子とを基板1内で接続することによって計6端子の構成としても良い。このような構成によれば、配線接続の自由度が低下するものの、端子数を減らすことができるので、素子製造の場合には、配線や端子の負荷を減らすことができ、更に本発明の素子をプリント基板やその他配線基板に装着する場合には、配線、接合接点数が減らせ、製造時の手間が簡便で作りやすく、製造の資材も減らせるので自然環境にもやさしいものになる。
図18は、本発明の第6実施形態に係る赤外線センサ700の構成例を示す概念図である。図18において、図1、4〜6、13と同一の構成及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの詳細な説明は省略する。
図18に示すように、この赤外線センサ700は、基板1と、量子型の赤外線検出素子を有する第1の受光部10と、量子型の赤外線検出素子を有する第2の受光部110と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30の両方を有する補正部と、計測部35と、補正演算部40と、基準電圧発生回路51と、第1の演算増幅回路53と、第2の演算増幅回路153と、第1の抵抗素子55と、第2の抵抗素子155と、第1の出力端子57と、第2の出力端子157と、第3の演算増幅回路160とを有する。
これらの中で、受光部10、110は、それぞれn段に直列接続された赤外線検出素子から構成されている。受光部10、110は、同一の材料で形成され、且つ、赤外線が同じように入射するように同一の構造を有する。この赤外線センサ700は、これら2つの受光部10、110と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30が同一の基板1上に形成されており、受光部10、110と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30によって1個の赤外線センサチップが構成されている。
図19(a)に示すように、第1、第2の受光部がそれぞれ有する赤外線検出素子11は例えばフォトダイオードであり、その構成は例えば図2に示した通りである。図19(a)では、第1、第2の受光部がそれぞれ有する赤外線検出素子11として、フォトダイオードを各1個ずつ記載しているが、これは図面の複雑化を回避するためであり、赤外線検出素子11の個数をそれぞれ1個ずつに限定するものではない。第1、第2の受光部は、それぞれn段に直列接続された複数個の赤外線検出素子11から構成されており、多段直列によって大きな出力信号(電圧)を発生させるようになっている。
また、図19(b)に示すように、温度特性補償素子21や温度測定素子30も例えばフォトダイオードであり、その構成は図2に示した通りである。温度特性補償素子21や温度測定素子30は、例えば複数段に直列接続されたフォトダイオードで構成されている。これら赤外線検出素子11、温度特性補償素子21又は温度測定素子30は、同一の基板1上に同一の材料で形成され、且つ、赤外線が同じように入射するように同一の構造を有する。
次に、この赤外線センサ700内の接続関係について説明する。図18、図19(b)に示すように、赤外線検出素子(例えば、フォトダイオード)11を有する第1の受光部10は、そのカソード側の端子が基準電圧発生回路51に接続され、そのアノード側の端子が第1の演算増幅回路53の反転入力端子に接続されている。また、赤外線検出素子(例えば、フォトダイオード)11を有する第2の受光部110は、そのカソード側の端子が第2の演算増幅回路153の非反転入力端子に接続され、そのアノード側の端子が基準電圧発生回路51に接続されている。さらに、温度特性補償素子(例えば、フォトダイオード)21は、そのカソード側の端子が演算増幅回路53の非反転入力端子に接続され、そのアノード側の端子が演算増幅回路153の反転入力端子に接続されている。また、温度測定素子(例えば、フォトダイオード)30は、そのカソード側の端子が計測部35の入力端子に接続されており、そのアノード側の端子が基準電圧発生回路51に接続されている。つまり、受光部10のカソード側の端子と、受光部110のアノード側の端子と、温度測定素子30のアノード側の端子は基準電圧発生回路51に共通接続されている。
このような接続により、受光部10から出力される第1出力信号と、受光部110から出力される第2出力信号は極性が互いに逆となる。また、第1出力信号は演算増幅回路53で反転増幅され、第2出力信号は演算増幅回路153で非反転増幅される。
また、図18に示すように、演算増幅回路53の非反転入力端子と出力端子57との間には帰還抵抗である抵抗素子55が、演算増幅回路153の反転入力端子と出力端子157との間には帰還抵抗である抵抗素子155がそれぞれ接続されている。そして、第3の演算増幅回路160の一方の入力端子(例えば、反転入力端子)は出力端子57に接続され、その他方の入力端子(例えば、非反転入力端子)は出力端子157に接続されている。また、演算増幅回路160の出力端子と、計測部35の出力端子は補正演算部40に接続されている。
このような接続により、第1の演算増幅回路53の出力信号と第2の演算増幅回路153の出力信号は演算増幅回路160で差動出力される。つまり、回路の前半では上下対称な二つの演算増幅回路53、153により第1、第2出力信号がそれぞれ増幅され、回路の後半ではこれら増幅された出力信号が演算増幅回路160で引き算される。これにより、受光部10、110内の配線や、外部のラインに発生する同相ノイズをキャンセルすることができ、信号成分のみを増幅することが可能となる。演算増幅回路160で差動出力された信号は補正演算部40に入力される。そして、計測部35から出力される信号に基づいてその値が補正され、出力信号VSが赤外線センサ700の外部に出力される。
このように、本発明の第6実施形態によれば、第5実施形態と同様に、赤外線検出素子11と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30が同一の基板1上に同一の材料で形成され、且つ、赤外線が同じように入射するように同一の構造を有する。従って、受光部10と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30の全てをほぼ同一の温度環境下におくことができ、温度特性補償素子21によって温度補償された出力信号を、赤外線検出素子11の温度に基づいてさらに補正することができる。また、この第6実施形態では、温度補償された第1、第2出力信号を差動出力しているので、受光部10、110内やその外部で生じる同相ノイズを低減することができる。これにより、さらに精度の高い温度データを提供することが可能である。
なお、この赤外線センサ700では、図19(c)に示すように、温度特性補償素子を逆方向に並列に配置しても良い。即ち、第1の温度特性補償素子(例えば、フォトダイオード)21と、第2の温度特性補償素子(例えば、フォトダイオード)121とを用意し、第1の温度特性補償素子21のカソードと、第2の温度特性補償素子121のアノードを演算増幅回路53(図18参照。)の非反転入力端子に共通接続すると共に、第1の温度特性補償素子21のアノードと、第2の温度特性補償素子121のカソードを演算増幅回路153(図18参照。)の反転入力端子に共通接続しても良い。このような構成であれば、温度特性補償素子からダイオードの方向性を除くことができる。
(7)第7実施形態
次に、本発明の赤外線センサを応用した温度計(一例として、体温計)について説明する。
図20は、本発明の第7実施形態に係る耳内式体温計800の構成例を示す概念図である。図20、21、23において、図1、4〜7、14、18と同一の構成及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの詳細な説明は省略する。

図20に示すように、この耳内式体温計800は、赤外線センサ400と、処理部302と、情報入出力端子303と、各種操作スイッチ304と、表示部305と、これらを内側に収納するケース306と、を含んだ構成となっている。図1に示すように、処理部302は配線を介して赤外線センサ400、情報入出力端子303、各種操作スイッチ304、表示部305と電気的に接続されている。
図21に示すように、赤外線センサ400は、基板1と、受光部10と、温度測定素子30と、計測部35と、補正演算部40と、基準電圧発生回路51と、を含んだ構成となっている。上述したように、受光部10は、n段に直列接続された赤外線検出素子(例えば、フォトダイオード)から構成されており、その具体的な構造は例えば図21に示したとおりである。また、温度測定素子30も、例えば受光部10と同じ構造で、同じ材料からなる赤外線検出素子から構成されている。そして、これら受光部10と温度測定素子30は、同一の基板1上に形成されている。
さらに、補正演算部40には、電圧信号VROに基づいて出力信号VOを補正するための補正式等が格納されているが、この補正式の求め方と、出力信号VOの補正方法は、第4実施形態の、3.3)〜3.6)で説明したとおりである。
また、図21に示すように、この耳内式体温計800では、赤外線センサ400の補正演算部40から出力された信号VSは、処理部302へ送られるようになっている。処理部302は赤外線センサ400から出力された信号VSを処理する部分であり、CPU251、メモリー252、電子時計253等を含んだ構成となっている。CPU251はデジタル化された信号を処理し、メモリー252に情報を記憶したり、メモリー252に記憶された情報を情報入出力端子303から出力させたりする機能を有する。また、CPU251に接続されている表示部305は、赤外線センサ400による測定温度や、測定時間、メモリー252の残量、測定開始時間及び測定終了時間など、種々の測定状態等を表示することができる。
図21に示すように、この処理部302のCPU251には、電源スイッチや、体温を測定する開始と停止等制御できるスイッチ、また測定のインターバルを変更できるスイッチ等を含む各種操作スイッチ(SW)304が接続されている。また、処理部302には情報入出力端子303も接続されている。情報入出力端子303は処理部302の処理部に記憶されたメモリー内に記憶された体温の時間変化や制御情報を外部のパソコン、PDA等の情報処理端末へ出力することができ、また外部のパソコン、PDA等情報処理端末からの専用プログラムを利用した信号を処理部302のCPU251に入力することができる。
この情報入出力端子303により外部の情報処理端末に接続することも可能となる。CPU251は、赤外線センサ400に制御信号(例えばS1)を発信することによって、その補正演算部40に適正な処理を行わせることができる。また、各種操作スイッチ304から入力される指示情報にしたがって、電源のON,OFFや、測定開始時間及び測定終了時間、測定の間隔、測定精度等を変更することができる。
なお、赤外線センサ400の補正演算部40は処理部302のCPU251に組み込むこともできる。このようにすることで、部品が減らせ、省スペース化、軽量化が計られる。この場合、VOとVROは直接、処理部302に送られ、補正演算部40と同義の処理をCPU251で実施できる。VO及びVROがアナログ信号である場合には、CPU251でデジタル信号に変換され、その後、演算、判断処理等が行われる。また、メモリー252、電子時計253等は、その機能が損なわれないならば、CPU251に設置されても、またCPU251のプログラム上に構成されたものでも構わない。
次に、耳内式体温計800による体温測定の手順を図22にしたがって説明する。まず、各種操作スイッチ304で電源を入れる(ステップs1)。これにより待機状態となる(ステップs2)。この状態で各種操作スイッチ304中の測定開始スイッチを押す(ステップs3)と、処理部302のCPU251より赤外線センサ400の補正演算部40へ測定開始の制御信号(S1等)が送られ、これによって測定を開始できる。またこの待機状態中に、下記に述べる測定条件等の情報を、自動測定条件を設定できるプログラムを有する外部の情報処理端末から取得する(ステップs4)。情報は、情報入出力端子303及び、各種操作スイッチ304からの入力により取得することもできる。
ここでいう測定条件とは測定開始時間及び測定終了時間や、測定精度、測定時間間隔等の記録制御の情報であり、これらの情報は処理部302のメモリー252に記憶することもできるし、予め変更が可能な不揮発性のメモリーに記憶することもできる。また情報入出力端子303から外部の情報処理端末に接続し、測定データを外部の情報端末に送信することもできる。
次に、処理部302のCPU251が測定を開始するか否かを判断し(ステップs5)、測定を開始する場合には、赤外線センサ400に制御信号を送信して温度測定を開始させる(ステップs6)。また、赤外線センサ400からの出力信号VSは処理部302のADコンバーターでデジタル変換され、CPU251へ送られる。CPU251では予め設定されていた測定条件にしたがって出力信号を測定した時間と共にメモリーに記憶する。
またこの際、測定データやメモリーの残量等の装置情報は必要に応じて表示部305に表示される。またこの装置では予め設定した測定条件にしたがって、測定を開始したり、停止させたり、一定の記録周期でメモリーに記録したり、その記録周期や精度を変更したりすることもできる。この場合は測定開始時間にCPUは自動的に電源を入れることができ、必要が無ければ電源を切ることもできる。また測定の終了時間に測定を停止し、メモリーに記録した情報を保持したまま電源を切ることもできる。これらの記録された情報は情報入出力端子303を通じて出力ですることもできる(ステップs7〜s11)。 このように、本発明の第7実施形態によれば、受光部10は量子型であるため、その赤外線検出感度は当該受光部10及びその周辺の熱容量に影響されない。従って、受光部10と温度測定素子30と同一の基板1上に隣接して配置することができ、受光部10で変換された電気信号をより高精度に補正することができる。これにより、非接触で連続的に人体の体温を測定することができ、人体の疾病の発見や手術中の体温管理、婦人病、バースコントロールに重要な体温、基礎体温、睡眠中の体温変化を連続的に少ない誤差で測定できる。しかも超小型の素子で構成することが可能であり、患者への負担が少なくできる。

なお、この第7実施形態では、第4実施形態で説明した赤外線センサ400を温度計(例えば、体温計)に応用する場合について説明したが、温度計に応用可能な赤外線センサ400はこれに限られることはない。本発明の第1〜第4実施形態で説明した各赤外線センサは、その全てが温度計に応用可能である。
例えば、図23に示すように、第4実施形態で説明した赤外線センサ500と、処理部302、情報入出力端子303、各種操作スイッチ304、表示部305と、ケース306とを組み合わせて、耳内式体温計900を構成しても良い。図23において、図7及び図21と同一の構成及び同一の機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの詳細な説明は省略する。このような構成であれば、受光部50は温度測定素子としての役割も担うので、受光部50自体の温度をより正確に把握することができ、受光部50で変換された電気信号をより高精度に補正することができる。従って、よりいっそう誤差の少ない温度データを提供することができる。 なお、上記の第1〜6実施形態では、赤外線センサに基準電圧発生回路を設け、受光部や温度特性補償素子に基準電圧VREFを印加する場合について説明したが、この基準電圧VREFは例えば0V(即ち、接地電位)でも良い。或いは、基準電圧発生回路そのものを省いて、受光部や温度特性補償素子をグラウンド端子に直接接続しても良い。このような構成であれば、例えば演算増幅回路の入力オフセット電圧の調整等が難しくなるものの、その一方で、回路構成が簡略化されるので、素子製造時には、配線や端子の負荷を減らすことができ、更に本発明の素子をプリント基板やその他配線基板に装着する場合にも、配線、接合接点数が減らせ、製造時の手間が簡便で作りやすく、製造の資材も減らせるので自然環境にもやさしいものとなる。
本発明の赤外線センサは人体から発せられる赤外線も検知することができるので、人体が存在しない状態と人体が存在する場合の電圧出力等の電気信号、ゆらぎ、波形等を比較することによって、その電圧信号に基づいて、人体を検知する人感センサとしても使用することができる。これらには本発明の第1〜第6実施形態を用いることができ、特に赤外線センサ素子の温度が変動した場合でもその電気的信号を補正することができ、より精密な人体検知が可能となる。特に第4〜第6実施形態において、温度演算部に人体検知の判断機構を組み込むことによって、更に高い精度で人体等を検知することができ、防犯、照明、空調等の家電や住宅設備、産業用途の人感センサとして好適に使用することができる。
なお、図1、図4、図5、図14、図18では、補正部20もしくは受光部10の接続の向きを逆向きにしても良いし、受光部10及び補正部20の両方の接続の向きをそれぞれ逆向きにしても良い。受光部10を逆向きに接続した場合、演算増幅回路53の後の回路の処理がしやすい場合がある。
補正部20に流れる電流が低い場合、補正部20を抵抗とみなしてもよく、どちらの向きで電流が流れても同じ温度情報が得られる。従って、補正部20の接続の向きはどちらの向きでも良い。しかし、図1、図5、図14、図18の場合、演算増幅回路53及び演算増幅回路153の増幅率が高い場合(抵抗素子55、155を大きくした場合)、その出力電圧が高くなり、補正部20のダイオードにかかる電圧も増加する。この場合、補正部20のダイオードに逆方向に電流が流れるように接続をした方が、回路全体の消費電力が低くなり、好ましい場合もある。
発明17の赤外線センサは、発明3又は発明6の赤外線センサにおいて、前記受光部は、第1受光部と、前記第1受光部から出力される第1出力信号と極性が逆の第2出力信号を出力する第2の受光部と、を有し、前記第1受光部の前記第1出力信号を増幅する第1演算増幅回路と、前記第2受光部の前記第2出力信号を増幅する第2演算増幅回路と、前記第1演算増幅回路の出力信号と前記第2演算増幅回路の出力信号を増幅する第3演算増幅回路と、前記第1演算増幅回路の反転入力端子と出力端子の間に接続される第1抵抗素子と、前記第2演算増幅回路の反転入力端子と出力端子の間に接続される第2抵抗素子と、基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、を備え、前記第1受光部の一方の端子は前記第1演算増幅回路の反転入力端子に接続され、前記温度特性補償素子の一方の端子は前記第1演算増幅回路の反転入力端子に接続され、前記第1受光部の他方の端子は前記基準電圧発生回路に接続され、前記第2受光部の一方の端子は前記第2演算増幅回路の非反転入力端子に接続され、前記温度特性補償素子の他方の端子は前記第2演算増幅回路の反転入力端子に接続され、前記第2受光部の他方の端子は前記基準電圧発生回路に接続されることを特徴とするものである。
発明18の赤外線センサは、発明17の赤外線センサにおいて、前記第1受光部が有する第1赤外線検出素子と、前記第2受光部が有する第2赤外線検出素子はそれぞれ第1のフォトダイオードからなり、前記温度特性補償素子は第2のフォトダイオードからなり、前記第1のフォトダイオードと前記第2のフォトダイオードは、同一の前記基板上に同一の材料で形成され、且つ、前記赤外線が同じように入射するように同一の構造を有し、前記第1赤外線検出素子を構成する前記第1のフォトダイオードのアノード端子は前記第1演算増幅回路の反転入力端子に接続されると共に、そのカソード端子は前記基準電圧発生回路に接続され、前記第2赤外線検出素子を構成する前記第1のフォトダイオードのカソード端子は前記第2演算増幅回路の非反転入力端子に接続されると共に、そのアノード端子は前記基準電圧発生回路に接続され、前記温度特性補償素子を構成する前記第2のフォトダイオードのカソード端子は前記第1演算増幅回路の反転入力端子に接続されると共に、そのアノード端子は前記第2演算増幅回路の反転入力端子に接続されることを特徴とするものである。
発明19の赤外線センサは、発明18の赤外線センサにおいて、前記補正部は、複数の前記温度特性補償素子を有し、一方の前記温度特性補償素子を構成する前記第2のフォトダイオードのカソード端子は前記第1演算増幅回路の反転入力端に接続されると共に、そのアノード端子は前記第2演算増幅回路の反転入力端子に接続され、他方の前記温度特性補償素子を構成する前記第2のフォトダイオードのカソード端子は前記第2演算増幅回路の反転入力端子に接続されると共に、そのアノード端子は前記第1演算増幅回路の反転入力端子に接続されることを特徴とするものである。
このように、本発明の構造は、赤外線検出素子11と温度特性補償素子21は同一の構造を有するため、同じ環境下に置かれていることになる。
このようなフォトダイオードの製造には、公知の製造プロセスが使用される。
図1に戻って、受光部10が有するn段に直列接続された複数個の赤外線検出素子(フォトダイオード)11は、そのカソード側の端子が基準電圧発生回路51に接続され、そのアノード側の端子が演算増幅回路53の非反転入力端子(+入力端子)に接続されている。また、補正部20が有する1個またはm個の直列接続された温度特性補償素子(フォトダイオード)21は、そのアノード側の端子が基準電圧発生回路51に接続され、そのカソード側の端子が演算増幅回路53の反転入力端子(入力端子)に接続されている。このような接続により、基準電圧発生回路51が発生する基準電圧VREFは、赤外線検出素子11のカソード側と、温度特性補償素子21のアノード側にそれぞれ印加される。
また、定電流回路61は、温度特性補償素子21に定電流を供給する電流源である。この定電流回路61は、所望の定電流を生成し、生成した定電流を温度特性補償素子21に供給する。コンパレータ回路63は、赤外線検出素子11の出力信号(電圧)と、温度特性補償素子21の出力信号(電圧)とを比較してその結果を出力する。
図4に示すように、赤外線検出素子(フォトダイオード)11は、そのカソード側の端子が基準電圧発生回路51に接続され、そのアノード側の端子がコンパレータ回路63の非反転入力端子(+入力端子)に接続されている。また、温度特性補償素子(フォトダイオード)21は、そのアノード側の端子が基準電圧VREFに接続され、そのカソード側の端子がコンパレータ回路63の反転入力端子(入力端子)に接続されている。このような接続により、赤外線検出素子11のカソード側と、温度特性補償素子21のアノード側に、基準電圧発生回路51が発生する基準電圧VREFがそれぞれ印加される。
一方、周囲温度が増加すると、赤外線検出素子11の内部抵抗が低下し、これにより、出力電圧が低下するため、コンパレータ回路63の非反転入力端子の入力電圧は低下する。このときには、温度特性補償素子21の内部抵抗も低下し、温度特性補償素子21の両端に生じる電圧は低下するので、コンパレータ回路63の反転入力端子のしきい値電圧が低下する。このため、コンパレータ回路63の出力端子26からの出力信号VoutのHまたはLの切り替え閾値の、温度依存性が小さくなる。
図5に示すように、受光部10が有する1個またはm個の直列接続された赤外線検出素子(フォトダイオード)11は、そのカソード側の端子が基準電圧発生回路51に接続され、そのアノード側の端子が演算増幅回路73の非反転入力端子(+入力端子)に接続されている。演算増幅回路73の出力端子は自身の反転入力端子(−入力端子)に接続され、ボルテージフォロア回路を構成している。
また、補正部20が有する1個またはm個の直列接続された温度特性補償素子(フォトダイオード)21は、そのカソード側の端子が演算増幅回路53の反転入力端子(入力端子)に接続され、演算増幅回路53は、その非反転入力端子(+入力端子)が基準電圧発生回路52に接続され、その反転入力端子(−入力端子)が抵抗素子55介して自身の出力端子に接続され、第1実施形態の非反転増幅回路とは異なり、反転増幅回路を構成している。
温度測定素子30は、温度に反応する素子であり、サーミスタ、熱電対、半導体のpnフォトダイオード、またはpinフォトダイオード等で構成することができるが、ここでは一例として、温度測定素子30はpinフォトダイオードで構成されている場合を想定する。
受光部10は第1のフォトダイオードで構成され、温度測定素子30は第3のフォトダイオードで構成されている。
また、赤外線検出素子11と温度測定素子30の両方とも、その周囲に熱の出入りを積極的に遮断するような断熱部は設けられておらず、同一の構造を有する。ここで、断熱部とは、素子の周辺に設けられ素子以外の部分からの熱の出入りを遮断するような断熱材であり、素子が形成される台座部又は基板に設けられた空洞である。すなわち、本発明の構造は、赤外線検出素子11にはその周囲に熱の出入りを遮断するような断熱材が形成され且つ温度測定素子30には断熱材が形成されていない構造とは異なる。また、本発明の構造は、赤外線検出素子11の下部に、基板からの熱の出入りを遮断するような空洞が形成され且つ温度測定素子30には空洞が形成されていない構造とも異なる。
基準電圧発生回路51は、受光部10および温度測定素子30に印加すべき所望の基準電圧を生成するようになっている。この基準電圧発生回路51は、接地電位を基準に所望の基準電圧VREFを発生する。
に示すように、受光部10はその一端が補正演算部40に接続されており、その他端が基準電圧発生回路51に接続されている。そして、受光部10で光電変換によって生じた電気信号は、センサ出力信号(以下、出力信号、又は、出力電圧という。)VOとして補正演算部40に出力されるようになっている。図では、出力信号VOは例えばアナログ信号である。また、温度測定素子30はその一端が計測部35に接続されており、その他端は受光部10の他端と共に基準電圧発生回路51に共通接続されている。
に示すように、上述の計測部35はその一端が補正演算部に接続され、その他端が温度測定素子30に接続されている。そして、温度測定素子30から出力された温度情報を含む信号が計測部35から補正演算部9に出力されるようになっている。例えば、温度測定素子(フォトダイオード)30の抵抗に比例した電圧値を計測部35が測定する。上述したように、フォトダイオードを流れる電流が極めて小さいとき(例えば、電流が−1.0E−6〜1.0E−6[A]のとき)には、順バイアス方向にも逆バイアス方向にも同じように電流が流れ、電流−電圧特性に線形性が見られるので、抵抗体として使用することができる。計測部35によって測定された電圧値は、電圧信号VROとして補正演算部40に出力される。図では、電圧信号VROは例えばアナログ信号である。
補正演算部40は、受光部10から出力された出力信号VOを、計測部35から出力された(または、温度測定素子30から直接出力された)電圧信号VROに基づいて補正し、補正後のデータを出力信号VSとして赤外線センサ400の外部に出力する機能を備えたものである。この補正演算部40は、例えばロジックICとメモリー素子とで構成されており、電圧信号VROに基づいて出力信号VOを補正するための補正式(関係式)等が格納されている。この補正式については、第4実施形態の「(.3)補正式の求め方」の欄で説明する。出力信号VSは例えばアナログ信号である。
さらに、この第2の構成例では、補正演算部40は、切替回路36を制御して受光部50と端子A、Bとの接続関係を切り替える機能も備えている。受光部50から出力信号VOとその抵抗に比例した電圧信号VROの両方を得るために、補正演算部40は切替回路36を定期的に動作させて、受光部50を端子Aと端子Bとに交互に接続させることが可能となっている。
即ち、切替回路36によって受光部50の接続が端子側に切り替えられた場合、ある一定の電流が計測部35から受光部50に流され、受光部50の抵抗に比例した電圧値が計測部35によって測定される。測定された電圧値は、受光部50の温度に関する情報を含み、電圧信号VROとして補正演算部40へ出力される。一方、切替回路36によって受光部50の接続が端子側に切り替えられた場合、受光部50に入射した赤外線は出力信号VOに変換され、補正演算部40に出力される。補正演算部40に入力された出力信号VOは、当該信号VOの入力直前または入力直後に、補正演算部40に入力された直近の電圧信号VROに基づいて補正される。
なお、上記のpn、もしくは、pinフォトダイオードを用いた場合、電圧・電流バイアスを印加しなくても、光電変換した開放電圧・短絡電流信号が得られる。即ち、開放電圧・短絡電流は、電圧・電流バイアスを印加しなくても、pn、もしくは、pinフォトダイオードで発生する。
このようなpn、もしくは、pinフォトダイオードを受光部50に使用した場合、ゼロバイアス付近の抵抗値を読み取ることで、光電流の影響を受けずに、受光部50の温度情報を正確に得ることができる。長波長の赤外線エネルギーは低いため、用途に応じて高感度の受光部50が要求されるが、例えば図2に示したように、直列接続した多数段のフォトダイオードで受光部50を構成することで、受光部50のS/N比(signal to noise ratio)を向上させることが可能である。
即ち、受光部50を恒温槽内に配置する。これにより、受光部50の温度は恒温槽の温度とほぼ同じ値となる。次に、恒温槽内の温度を変化させながら、恒温槽内に配置されている受光部50の抵抗値を測定してROに換算する。
なお、この抵抗値の測定を行う前に、受光部50と黒体炉99との位置関係を予め調整して、黒体炉99の輻射が受光部50の受光面に正しく照射されるようにしておく。受光部50は恒温槽内に配置されているので、受光部50の温度は黒体炉99からの輻射にはほとんど影響されないはずである。このような方法で、温度TSに対して抵抗値を測定し、ROに換算してプロットすることで、図9の曲線を得ることができる。この曲線は、例えば最小2乗法によって式()のように近似される。
式(4)〜(6)からわかるように、温度0〜50℃のときの出力信号VOは、式(7)で示すように定義することもできる。
VO|TS=A×TE+B×10−4TE+C×TE+D …(7)
式(7)において、A、B、C、Dは受光部50の温度TSに依存した定数である。
4.4)温度補正方法(その1)
赤外線センサを用いて被対象物体(実験では、黒体炉を使用した)の温度を測定する場合には、予め式(3)〜(6)(または、式(3)、(7)と、温度TSに対応した定数A〜D(即ち、補正係数)を補正演算部40に格納しておく。そして、被対象物体の温度を測定するたびに、式(3)〜(6)(または、式(3)、(7)と、温度TSに対応した定数A〜Dを利用する。式(3)〜(6)(または、式(3)、(7)と、温度TSに対応した定数A〜D)は、受光部50の出力データと温度データであり、これらは補正演算部40又は補正演算部40に繋がる記憶装置(例えば、光学式ディスク、または、ハードディスク等)に格納しておき、演算処理時に適宜読み出すようにすれば良い。
このように、本発明の第4実施形態によれば、受光部10、50は量子型であるため、その赤外線検出感度は当該受光部10、50及びその周辺の熱容量に影響されない。従って、受光部10、50と温度測定素子30と同一の基板1上に隣接して配置することができ、受光部10で変換された電気信号をより高精度に補正することができる。
また、図7に示した赤外線センサ500のように、直列接続した多数段のフォトダイオードで受光部50を構成して、受光部50に温度測定素子30としての役割を担わせることが可能である。受光部50そのものが温度測定素子であるため、受光部50の温度をより正確に把握することができる。これにより、受光部50で変換された電気信号を高精度に補正することができ、精度の高い信号VSを出力することができる。
即ち、図13(a)に示すように、赤外線検出素子11と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30を同一の基板1上に形成しても良い。複数個の赤外線検出素子11からなる受光部10と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30の両方を有する補正部とによって、1個の赤外線センサチップを構成する。
このような構成によれば、温度特性補償素子21によって温度補償された出力信号(出力電圧)を、赤外線検出素子11の温度に基づいてさらに補正することができるので、より精度の高い温度データを提供することが可能である。この第実施形態では、このような例について説明する。なお、図13(a)は、赤外線検出素子11、温度特性補償素子21及び温度測定素子30の各々の端子、計6端子を全て外部に引き出した構成を示しているが、例えば図13(b)に示すように、赤外線検出素子11、温度特性補償素子21、温度測定素子30の各端子を基板1内で接続して、計4端子の構成としても良い。このような構成によれば、配線接続の自由度が低下するものの、端子数を減らすことができるので、素子製造時には、配線や端子の負荷を減らすことができ、更に本発明の素子をプリント基板やその他配線基板に装着する場合にも、配線、接合接点数が減らせ、製造時の手間が簡便で作りやすく、製造の資材も減らせるので自然環境にもやさしい物となる。
次に、この赤外線センサ600内の接続関係について説明する。図14、図15(b)に示すように、赤外線検出素子(例えば、フォトダイオード)11を有する受光部10は、そのカソード側の端子が基準電圧発生回路51に接続され、そのアノード側の端子が演算増幅回路53の反転入力端子に接続されている。また、温度特性補償素子(例えば、フォトダイオード)21は、そのカソード側の端子が演算増幅回路53の反転入力端子に接続され、そのアノード側の端子が受光部10のカソード側と共に基準電圧発生回路51に共通接続されている。さらに、温度測定素子(例えば、フォトダイオード)30は、そのカソード側の端子が受光部10のカソード側と共に基準電圧発生回路51に共通接続されており、そのアノード側の端子が計測部35の入力端子に接続されている。
また、図14に示すように、演算増幅回路53の反転入力端子と出力端子57との間には帰還抵抗である抵抗素子55が接続されている。そして、この出力端子57と計測部35の出力端子とが補正演算部40に接続されている。
このように、本発明の第5実施形態によれば、受光部10と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30が同一の基板1上に形成されている。従って、受光部10と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30の全てをほぼ同一の温度環境下におくことができる。また、温度特性補償素子21によって温度補償された出力信号(即ち、出力端子57から出力される信号)を、赤外線検出素子11の温度に基づいてさらに補正することができる。従って、第1〜第4実施形態よりも、さらに精度の高い温度データを提供することが可能である。
このように、本発明の第実施形態によれば、従来技術と比べて、受光部10の内部温度にほとんど影響されず、被対象物の温度を正確に反映したセンサ電圧を出力することができる、ということが確認できた。
(6)第6実施形態
上記の第実施形態では、赤外線検出素子11と、温度特性補償素子21及び温度測定素子30を同一の基板1上に形成する場合について説明したが、本発明では、このような構成に加えて、赤外線検出素子11の出力信号を差動出力として取り出すようにしても良い。即ち、図17(a)に示すように、赤外線検出素子11と、温度特性補償素子21と、温度測定素子30とを同一の基板1上に形成すると共に、赤外線検出素子11の出力をプラス(+)とマイナス(−)及びその中点12の3端子構成にし、出力信号を差動出力として取り出せるようにしても良い。2つの出力信号の差を演算増幅回路で増幅する(即ち、差動アンプする)ことによって、受光部内の配線やその外部のラインに発生する同相ノイズをキャンセルすることができ、信号成分のみを増幅することが可能となる。
次に、この赤外線センサ700内の接続関係について説明する。図18、図19(b)に示すように、赤外線検出素子(例えば、フォトダイオード)11を有する第1の受光部10は、そのカソード側の端子が基準電圧発生回路51に接続され、そのアノード側の端子が第1の演算増幅回路53の反転入力端子に接続されている。また、赤外線検出素子(例えば、フォトダイオード)11を有する第2の受光部110は、そのカソード側の端子が第2の演算増幅回路153の非反転入力端子に接続され、そのアノード側の端子が基準電圧発生回路51に接続されている。さらに、温度特性補償素子(例えば、フォトダイオード)21は、そのカソード側の端子が演算増幅回路53の反転入力端子に接続され、そのアノード側の端子が演算増幅回路153の反転入力端子に接続されている。また、温度測定素子(例えば、フォトダイオード)30は、そのカソード側の端子が計測部35の入力端子に接続されており、そのアノード側の端子が基準電圧発生回路51に接続されている。つまり、受光部10のカソード側の端子と、受光部110のアノード側の端子と、温度測定素子30のアノード側の端子は基準電圧発生回路51に共通接続されている。
このような接続により、受光部10から出力される第1出力信号と、受光部110から出力される第2出力信号は極性が互いに逆となる。また、第1出力信号は演算増幅回路53で反転増幅され、第2出力信号は演算増幅回路153で非反転増幅される。
また、図18に示すように、演算増幅回路53の反転入力端子と出力端子57との間には帰還抵抗である抵抗素子55が、演算増幅回路153の反転入力端子と出力端子157との間には帰還抵抗である抵抗素子155がそれぞれ接続されている。そして、第3の演算増幅回路160の一方の入力端子(例えば、反転入力端子)は出力端子57に接続され、その他方の入力端子(例えば、非反転入力端子)は出力端子157に接続されている。また、演算増幅回路160の出力端子と、計測部35の出力端子は補正演算部40に接続されている。
このような接続により、第1の演算増幅回路53の出力信号と第2の演算増幅回路153の出力信号は演算増幅回路160で差動出力される。つまり、回路の前半では同一の二つの演算増幅回路53、153により第1、第2出力信号がそれぞれ増幅され、回路の後半ではこれら増幅された出力信号が演算増幅回路160で引き算される。これにより、受光部10、110内の配線や、外部のラインに発生する同相ノイズをキャンセルすることができ、信号成分のみを増幅することが可能となる。演算増幅回路160で差動出力された信号は補正演算部40に入力される。そして、計測部35から出力される信号に基づいてその値が補正され、出力信号VSが赤外線センサ700の外部に出力される。
なお、この赤外線センサ700では、図19(c)に示すように、温度特性補償素子を逆方向に並列に配置しても良い。即ち、第1の温度特性補償素子(例えば、フォトダイオード)21と、第2の温度特性補償素子(例えば、フォトダイオード)121とを用意し、第1の温度特性補償素子21のカソードと、第2の温度特性補償素子121のアノードを演算増幅回路53(図18参照。)の反転入力端子に共通接続すると共に、第1の温度特性補償素子21のアノードと、第2の温度特性補償素子121のカソードを演算増幅回路153(図18参照。)の反転入力端子に共通接続しても良い。このような構成であれば、温度特性補償素子からダイオードの方向性を除くことができる。
(7)第7実施形態
次に、本発明の赤外線センサを応用した温度計(一例として、体温計)について説明する。
さらに、補正演算部40には、電圧信号VROに基づいて出力信号VOを補正するための補正式等が格納されているが、この補正式の求め方と、出力信号VOの補正方法は、第4実施形態の、.3)〜.6)で説明したとおりである。
また、図21に示すように、この耳内式体温計800では、赤外線センサ400の補正演算部40から出力された信号VSは、処理部302へ送られるようになっている。処理部302は赤外線センサ400から出力された信号VSを処理する部分であり、CPU251、メモリー252、電子時計253等を含んだ構成となっている。CPU251はデジタル化された信号を処理し、メモリー252に情報を記憶したり、メモリー252に記憶された情報を情報入出力端子303から出力させたりする機能を有する。また、CPU251に接続されている表示部305は、赤外線センサ400による測定温度や、測定時間、メモリー252の残量、測定開始時間及び測定終了時間など、種々の測定状態等を表示することができる。
またこの際、測定データやメモリーの残量等の装置情報は必要に応じて表示部305に表示される。またこの装置では予め設定した測定条件にしたがって、測定を開始したり、停止させたり、一定の記録周期でメモリーに記録したり、その記録周期や精度を変更したりすることもできる。この場合は測定開始時間にCPUは自動的に電源を入れることができ、必要が無ければ電源を切ることもできる。また測定の終了時間に測定を停止し、メモリーに記録した情報を保持したまま電源を切ることもできる。これらの記録された情報は情報入出力端子303を通じて出力ですることもできる(ステップs7〜s1
このように、本発明の第7実施形態によれば、受光部10は量子型であるため、その赤外線検出感度は当該受光部10及びその周辺の熱容量に影響されない。従って、受光部10と温度測定素子30と同一の基板1上に隣接して配置することができ、受光部10で変換された電気信号をより高精度に補正することができる。これにより、非接触で連続的に人体の体温を測定することができ、人体の疾病の発見や手術中の体温管理、婦人病、バースコントロールに重要な体温、基礎体温、睡眠中の体温変化を連続的に少ない誤差で測定できる。しかも超小型の素子で構成することが可能であり、患者への負担が少なくできる。
なお、この第7実施形態では、第4実施形態で説明した赤外線センサ400を温度計(例えば、体温計)に応用する場合について説明したが、温度計に応用可能な赤外線センサ400はこれに限られることはない。本発明の第1〜第4実施形態で説明した各赤外線センサは、その全てが温度計に応用可能である。

Claims (29)

  1. 被対象物体から輻射される赤外線のエネルギーを電気信号に変換して出力する赤外線センサであって、
    量子型の赤外線検出素子を有し、前記赤外線のエネルギーを前記電気信号に変換する受光部と、
    前記受光部からの出力信号を補正するための補正部と、を有し、
    前記受光部と前記補正部とが同一の基板上に同一の材料で形成され、且つ、前記赤外線が同じように入射するように同一の構造を有することを特徴とする赤外線センサ。
  2. 前記受光部は、多段に直列接続された複数の前記赤外線検出素子を有することを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。
  3. 前記補正部は、前記受光部の出力信号の温度特性を補償する温度特性補償素子を有することを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。
  4. 前記補正部は、前記受光部の温度を測定する温度測定素子を有することを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。
  5. 前記補正部は、前記受光部の出力信号の温度特性を補償する温度特性補償素子と、前記受光部の温度を測定する温度測定素子と、を有することを特徴とする請求項1に記載の赤外線センサ。
  6. 前記補正部は、多段に直列接続された複数の前記温度特性補償素子を有し、
    温度特性補償用の出力信号は直列接続された前記複数の温度特性補償素子のうち任意の接続点から取り出されることを特徴とする請求項3に記載の赤外線センサ。
  7. 前記補正部は、多段に直列接続された複数の前記温度測定素子を有し、
    前記受光部の温度を測定した温度信号は直列接続された前記複数の温度測定素子のうち任意の接続点から取り出されることを特徴とする請求項4に記載の赤外線センサ。
  8. 前記赤外線検出素子は第1のフォトダイオードからなり、
    前記温度特性補償素子は第2のフォトダイオードからなり、
    前記第1のフォトダイオードと前記第2のフォトダイオードは、同一の前記基板上に同一の材料で形成され、且つ、前記赤外線が同じように入射するように同一の構造を有する、ことを特徴とする請求項3に記載の赤外線センサ。
  9. 前記赤外線検出素子は第1のフォトダイオードからなり、
    前記温度測定素子は第3のフォトダイオードからなり、
    前記第1のフォトダイオードと前記第3のフォトダイオードは、同一の前記基板上に同一の材料で形成され、且つ、前記赤外線が同じように入射するように同一の構造を有することを特徴とする請求項4に記載の赤外線センサ。
  10. 前記温度測定素子により測定された温度信号に基づき前記受光部の出力信号を補正する補正演算部、を有することを特徴とする請求項4に記載の赤外線センサ。
  11. 前記受光部の出力信号を増幅する演算増幅回路と、
    前記演算増幅回路の反転入力端子と出力端子との間に接続される抵抗素子と、
    基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、を備え、
    前記受光部の一方の端子は前記演算増幅回路の非反転入力端子に接続され、前記温度特性補償素子の一方の端子は前記演算増幅回路の反転入力端子に接続され、前記受光部の他方の端子と前記温度特性補償素子の他方の端子は前記基準電圧発生回路に共通接続されることを特徴とする請求項3又は請求項6に記載の赤外線センサ。
  12. 前記受光部が有する前記赤外線検出素子は第1のフォトダイオードからなり、
    前記温度特性補償素子は第2のフォトダイオードからなり、
    前記第1のフォトダイオードと前記第2のフォトダイオードは、同一の前記基板上に同一の材料で形成され、且つ、前記赤外線が同じように入射するように同一の構造を有し、
    前記受光部の一方の端子は前記第1のフォトダイオードのアノード端子であり、
    前記受光部の他方の端子は前記第1のフォトダイオードのカソード端子であり、
    前記温度特性補償素子の一方の端子は前記第2のフォトダイオードのカソード端子であり、
    前記温度特性補償素子の他方の端子は前記第2のフォトダイオードのアノード端子であることを特徴とする請求項11に記載の赤外線センサ。
  13. 前記温度特性補償素子に電流を供給する電流源と、
    前記受光部の出力信号と前記温度特性補償素子の出力信号とを比較するコンパレータ回路と、
    基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、を備え、
    前記受光部の一方の端子は前記コンパレータ回路の一方の入力端子に接続され、前記温度特性補償素子の一方の端子と前記電流源の一方の端子は前記コンパレータ回路の他方の入力端子に接続され、前記受光部の他方の端子と前記温度特性補償素子の他方の端子及び前記電流源の他方の端子は前記基準電圧発生回路に共通接続されることを特徴とする請求項3又は請求項6に記載の赤外線センサ。
  14. 前記受光部の出力信号をバッファリングするボルテージフォロア回路と、
    前記温度特性補償素子の一方の端子が反転入力端子に接続される演算増幅回路と、
    前記反転入力端子と前記演算増幅回路の出力端子との間に接続される抵抗素子と、
    前記演算増幅回路の非反転入力端子に接続され基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、
    を備え、
    前記ボルテージフォロア回路の出力端子と前記温度特性補償素子の他方の端子が接続されることを特徴とする請求項3又は請求項6に記載の赤外線センサ。
  15. 前記温度測定素子に電流を供給する計測部と、基準電圧を発生する基準電圧発生回路とを有し、
    前記受光部の一方の端子は前記補正演算部に接続され、前記温度測定素子の一方の端子は前記計測部を介して前記補正演算部に接続され、前記受光部の他方の端子と前記温度測定素子の他方の端子は前記基準電圧発生回路に共通接続されることを特徴とする請求項10に記載の赤外線センサ。
  16. 前記受光部の少なくとも一部と前記温度測定素子の少なくとも一部は素子を共有し、
    前記受光部と前記温度測定素子とを交互に動作させて、前記受光部からの出力信号と前記温度測定素子からの前記温度信号とを前記補正演算部に交互に入力させる制御部、を有することを特徴とする請求項15に記載の赤外線センサ。
  17. 前記受光部は、第1受光部と、前記第1受光部から出力される第1出力信号と極性が逆の第2出力信号を出力する第2の受光部と、を有し、
    前記第1受光部の前記第1出力信号を増幅する第1演算増幅回路と、
    前記第2受光部の前記第2出力信号を増幅する第2演算増幅回路と、
    前記第1演算増幅回路の出力信号と前記第2演算増幅回路の出力信号を増幅する第3演算増幅回路と、
    前記第1演算増幅回路の非反転入力端子と出力端子の間に接続される第1抵抗素子と、
    前記第2演算増幅回路の反転入力端子と出力端子の間に接続される第2抵抗素子と、
    基準電圧を発生する基準電圧発生回路と、を備え、
    前記第1受光部の一方の端子は前記第1演算増幅回路の反転入力端子に接続され、前記温度特性補償素子の一方の端子は前記第1演算増幅回路の非反転入力端子に接続され、前記第1受光部の他方の端子は前記基準電圧発生回路に接続され、
    前記第2受光部の一方の端子は前記第2演算増幅回路の非反転入力端子に接続され、前記温度特性補償素子の他方の端子は前記第2演算増幅回路の反転入力端子に接続され、前記第2受光部の他方の端子は前記基準電圧発生回路に接続されることを特徴とする請求項3又は請求項6に記載の赤外線センサ。
  18. 前記第1受光部が有する第1赤外線検出素子と、前記第2受光部が有する第2赤外線検出素子はそれぞれ第1のフォトダイオードからなり、
    前記温度特性補償素子は第2のフォトダイオードからなり、
    前記第1のフォトダイオードと前記第2のフォトダイオードは、同一の前記基板上に同一の材料で形成され、且つ、前記赤外線が同じように入射するように同一の構造を有し、
    前記第1赤外線検出素子を構成する前記第1のフォトダイオードのアノード端子は前記第1演算増幅回路の反転入力端子に接続されると共に、そのカソード端子は前記基準電圧発生回路に接続され、
    前記第2赤外線検出素子を構成する前記第1のフォトダイオードのカソード端子は前記第2演算増幅回路の非反転入力端子に接続されると共に、そのアノード端子は前記基準電圧発生回路に接続され、
    前記温度特性補償素子を構成する前記第2のフォトダイオードのカソード端子は前記第1演算増幅回路の非反転入力端子に接続されると共に、そのアノード端子は前記第2演算増幅回路の反転入力端子に接続されることを特徴とする請求項17に記載の赤外線センサ。
  19. 前記補正部は、複数の前記温度特性補償素子を有し、
    一方の前記温度特性補償素子を構成する前記第2のフォトダイオードのカソード端子は前記第1演算増幅回路の非反転入力端に接続されると共に、そのアノード端子は前記第2演算増幅回路の反転入力端子に接続され、
    他方の前記温度特性補償素子を構成する前記第2のフォトダイオードのカソード端子は前記第2演算増幅回路の反転入力端子に接続されると共に、そのアノード端子は前記第1演算増幅回路の非反転入力端子に接続されることを特徴とする請求項18に記載の赤外センサ。
  20. 前記第1のフォトダイオードは、In及びSbの少なくとも一方を有する化合物からなることを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の赤外線センサ。
  21. 前記第1のフォトダイオードの受光面には、InAsxSb1−x(0≦x≦1)が使用されていることを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の赤外線センサ。
  22. 前記第1のフォトダイオードは、基板と、前記基板上に形成されたn型のInSb層と、前記n型のInSb層上に形成されたノンドープのInSb層と、前記ノンドープのInSb層上に形成されたAlInSb層と、前記AlInSb層に形成されたp型のInSb層と、を備えることを特徴とする請求項8又は請求項9に記載の赤外線センサ。
  23. 前記補正演算部は、
    前記温度測定素子の周辺雰囲気の温度を所定の温度に設定し、前記被対象物体の温度を変化させたときの、前記受光部の出力データと前記温度測定素子の温度データとの対応関係を記憶する記憶手段と、
    前記記憶手段が記憶した前記対応関係と、実際に測定された前記温度データとに基づいて、前記被対象物体の温度と前記受光部の出力との関係を示す関係式を演算により決定する演算手段と、
    決定された前記関係式に実際に測定された前記出力データを当てはめて、前記被対象物体の温度を算出する算出機能と、を備えることを特徴とする請求項10に記載の赤外線センサ。
  24. 前記補正演算部は、
    前記被対象物体の温度を所定の温度に設定し、前記温度測定素子の周辺雰囲気の温度を変化させたときの、前記受光部の出力データと前記温度測定素子の温度データとを記憶する記憶手段と、
    前記記憶手段が記憶した前記対応関係と、実際に測定された前記温度データとに基づいて、前記被対象物体の温度と前記受光部の出力との関係を示す関係式を演算により決定する演算手段と、
    決定された前記関係式に実際に測定された前記出力データを当てはめて、前記被対象物体の温度を算出する算出機能と、を備えることを特徴とする請求項10に記載の赤外線センサ。
  25. 請求項1から請求項24の何れか一項に記載の赤外線センサを備え、被対象物体の温度を測定することを特徴とする温度計。
  26. 請求項1から請求項24の何れか一項に記載の赤外線センサを備え、人体の温度を測定することを特徴とする体温計。
  27. 請求項1から請求項24の何れか一項に記載の赤外線センサを備え、人体を検知することを特徴とする人感センサ。
  28. 温度測定素子により測定した温度に基づき受光部の出力信号を補正する温度補正方法であって、
    前記温度測定素子の周辺雰囲気の温度を一定温度に設定し、被対象物体の温度を変化させて、前記受光部の出力データを測定する第1ステップと、
    前記温度測定素子の周辺雰囲気の温度を前記第1ステップとは別の一定温度に設定し、前記被対象物体の温度を変化させて、前記受光部の出力データを測定する第2ステップと、
    前記第1ステップ及び前記第2ステップにより測定した出力データに基づき、前記被対象物体の温度と前記受光部の出力との関係式を求める第3ステップと、を備えることを特徴とする温度補正方法。
  29. 温度測定素子により測定した温度に基づき受光部の出力信号を補正する温度補正方法であって、
    被対象物体の温度を一定温度に設定し、前記温度測定素子の周辺雰囲気の温度を変化させて、前記受光部の出力データを測定する第1ステップと、
    前記被対象物体の温度を前記第1ステップとは別の一定温度に設定し、前記温度測定素子の周辺雰囲気の温度を変化させて、前記受光部の出力データを測定する第2ステップと、
    前記第1ステップ及び前記第2ステップにより測定した出力データに基づき、前記被対象物体の温度と前記受光部の出力との関係式を求める第3ステップと、を備えることを特徴とする温度補正方法。
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