(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランジスタと、前記トランジスタに接続された容量素子と、を含み、
前記容量素子が第１の電位になるように充電され、
その後、前記トランジスタのゲート電極に前記トランジスタをオフにする電位が所定の期間印加され、
その後、前記トランジスタをオンにする電位が前記ゲート電極に印加され、前記容量素子に残った電荷量あるいはその電荷量に基づく電位に基づき、温度を検出することを特徴とする温度センサ。
【請求項２】
前記トランジスタをオフにする電位が変化して、測定可能温度範囲が設定されることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。
【請求項３】
前記所定の期間が変化して、測定可能温度範囲が設定されることを特徴とする請求項１記載の温度センサ。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の温度センサを、マトリクス状に配置してエリア温度を検出可能にしたことを特徴とする温度センサ。
【請求項５】
トランジスタに接続された容量素子を第１の電位になるように充電し、
その後、前記トランジスタのゲート電極に前記トランジスタをオフにする電位を所定の期間印加し、
その後、前記トランジスタをオンにする電位を前記ゲート電極に印加し、前記容量素子に残った電荷量あるいはその電荷量に基づく電位に基づき、温度を検出することを特徴とする温度検出方法。
【請求項６】
前記トランジスタをオフにする電位を変化させ、測定可能温度範囲を設定することを特徴とする請求項５記載の温度検出方法。
【請求項７】
前記所定の期間を変化させ、測定可能温度範囲を設定することを特徴とする請求項５記載の温度検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、トランジスタを用いた温度センサ、及び温度検出方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）は、種々の基板に対してその大きな面積に、低温でしかも低コストで作製できるため、ディスプレイなど種々の電子機器において、キーデバイスとして期待されている。
近年では、このようなＴＦＴを、温度センサとして用いることが提案されている（例えば、特許文献１〜特許文献７参照）。
【０００３】
前記特許文献１〜７における技術によれば、半導体の温度特性を利用することで、高精度な測定が可能になる。
ただし、前記の技術は、主に表示装置の温度特性を補償するための温度センサを開示するもので、ＴＦＴによる温度センサを表示装置の基板に集積化することは記載されているものの、ＴＦＴを用いた単一の温度センサのみについてしか記載されていない。
【０００４】
一方、抵抗体による温度センサをマトリクス状に配置するとともに、ＴＦＴによるアクティブマトリクス回路を備えて構成された温度エリアセンサも提案されている（例えば、特許文献８参照）。この特許文献８の技術によれば、応用はＤＮＡバイオセンサであるものの、アクティブマトリクス回路によって抵抗体に流れる電流を測定することにより、温度の２次元分布を測定することができる。
【０００５】
ここで、種々の基板に対してその大きな面積に、低温でしかも低コストで作製できるという特長を活かした、ＴＦＴによる温度エリアセンサを考える。
前記特許文献におけるＴＦＴによる温度センサと、抵抗体による温度センサをマトリクス状に配置するとともに、ＴＦＴによるアクティブマトリクス回路を備えて構成された温度センサとを、普通に組み合わせれば、抵抗体をＴＦＴに置き換えた画素回路となり、例えば特許文献４の図２（ａ）や図２（ｃ）に示されるように、２個のＴＦＴによる画素回路となる。このような２個のＴＦＴによる画素回路では、ＴＦＴに適した温度センサの設計・駆動と、アクティブマトリクスのＴＦＴに適した設計・駆動とが、それぞれ可能になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平０６−２１３７３０号公報
【特許文献２】特開２００２−３１１４１６号公報
【特許文献３】特開２００３−３２９９９９号公報
【特許文献４】特開２００６−０７１５６４号公報
【特許文献５】特開２００６−２０１７８４号公報
【特許文献６】特開２００８−０８３２１６号公報
【特許文献７】特開２００８−０８３２１７号公報
【特許文献８】特開２００６−１７０６４２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、前記の２個のＴＦＴによる画素回路では、以下に示す解決すべき課題がある。
・温度測定のときには定常電流がＴＦＴを流れるため、ＴＦＴの自己発熱によって測定誤差が生じる。
・同じく、温度測定のときには定常電流がＴＦＴを流れるため、低消費電力化が難しい。
・信号配線には、走査選択している当該画素の温度センサの電流だけでなく、他の多数の走査選択していない非当該画素のリーク電流も流れるため、測定誤差が生じる。
・ＴＦＴが導通モードで破壊すると、当該信号配線に接続する全画素の温度測定が不可能となる。
・２個のＴＦＴによる画素回路では、温度センサのＴＦＴだけでなく、アクティブマトリクスのＴＦＴも温度特性を持つので、温度測定に誤差が生じる。
・同じく、２個のＴＦＴによる画素回路では、画素回路・配線が少し複雑になり、高解像度化や良品率向上に悪影響を与える。
・最終的には信号は電位として測定されることが多いので、電流−電位変換回路が必要となる。
【０００８】
本発明の一態様は、１個のＴＦＴを用い、基本的に電圧を測定することにより、基本的に電流を測定する場合に比べて検出精度を高めた、温度センサ及び温度検出方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の温度センサは、トランジスタと、前記トランジスタに接続された容量素子と、を含み、前記容量素子が第１の電位になるように充電され、その後、前記トランジスタのゲート電極に前記トランジスタをオフにする電位が所定の期間印加され、その後、前記トランジスタをオンにする電位が前記ゲート電極に印加され、前記容量素子に残った電荷量あるいはその電荷量に基づく電位に基づき、温度を検出することを特徴とする。また、前記トランジスタをオフにする電位が変化して、測定可能温度範囲が設定されることを特徴とする。また、前記所定の期間が変化して、測定可能温度範囲が設定されることを特徴とする。また、前記温度センサを、マトリクス状に配置してエリア温度を検出可能にしたことを特徴とする。
本発明の温度センサは、トランジスタと、前記トランジスタに接続された容量素子と、を含むことを特徴としている。
トランジスタのオフ電流は温度に依存する。また、容量素子に充電された電荷は、トランジスタがオフのとき、このトランジスタのオフ電流の大きさに応じて放電する。したがって、この温度センサによれば、１個のＴＦＴを用い、前記容量素子の電荷量、あるいはこの電荷量に基づく電圧に基づき、温度を検出することが可能になる。よって、従来のように基本的に電流を測定する場合に比べて、検出精度が高まる。
【００１０】
また、前記温度センサにおいては、前記トランジスタのオフ電流によって前記容量素子に充電された電荷が放電した後、該容量素子に残った電荷量あるいはその電荷量に基づく電圧に基づき、温度を検出するのが好ましい。
このようにすれば、容量素子に残った電荷量を、例えば電位（電圧）を読み出すことで測定するため、前述したように電流を測定する場合に比べ、自己発熱等による測定誤差が少なくなり、検出精度が高まる。
【００１１】
また、前記温度センサにおいては、前記トランジスタが、薄膜トランジスタであるのが好ましい。
このようにすれば、種々の基板に対してその大きな面積に、低温でしかも低コストで作製できるという薄膜トランジスタの特長を活かして、例えばこの薄膜トランジスタやこれに接続される容量素子をマトリクス状に配置することにより、２次元的なエリアの温度検出が可能になる。
【００１２】
また、前記温度センサにおいては、前記薄膜トランジスタが、ポリシリコンからなるのが好ましい。
このようにすれば、例えば非晶質のシリコンからなるものに比べて結晶性が良好になるため、温度に対するオフ電流値の感度が良好になる。
【００１３】
また、前記温度センサにおいては、前記温度センサを、マトリクス状に配置してエリア温度を検出可能にするのが好ましい。
このようにすれば、２次元的なエリアの温度検出が可能になることにより、エリア内の温度分布なども容易に検出可能になる。
【００１４】
本発明の温度検出方法は、トランジスタに接続された容量素子を第１の電位になるように充電し、その後、前記トランジスタのゲート電極に前記トランジスタをオフにする電位を所定の期間印加し、その後、前記トランジスタをオンにする電位を前記ゲート電極に印加し、前記容量素子に残った電荷量あるいはその電荷量に基づく電位に基づき、温度を検出することを特徴とする。また、前記トランジスタをオフにする電位を変化させ、測定可能温度範囲を設定することを特徴とする。また、前記所定の期間を変化させ、測定可能温度範囲を設定することを特徴とする。
本発明の温度検出方法は、トランジスタと、前記トランジスタに接続された容量素子と、を用い、前記トランジスタのオフ電流によって前記容量素子に充電された電荷が放電した後、該容量素子に残った電荷量あるいはその電荷量に基づく電圧に基づき、温度を検出することを特徴としている。
この温度検出方法によれば、容量素子に残った電荷量を、例えば電位（電圧）を読み出すことで測定するため、前述したように電流を測定する場合に比べ、自己発熱等による測定誤差が少なくなり、検出精度が高まる。
【００１５】
また、前記温度検出方法においては、前記トランジスタとして、薄膜トランジスタを用いるのが好ましい。
このようにすれば、前述したように薄膜トランジスタの特長を活かして、例えばこの薄膜トランジスタやこれに接続される容量素子をマトリクス状に配置して用いることにより、２次元的なエリアの温度検出が可能になる。
【００１６】
また、前記温度検出方法においては、前記薄膜トランジスタとして、ポリシリコンからなるものを用いるのが好ましい。
このようにすれば、例えば非晶質のシリコンからなるものに比べて結晶性が良好になるため、温度に対するオフ電流値の感度が良好になる。
【００１７】
また、前記温度検出方法においては、前記トランジスタと該トランジスタに接続された容量素子とをマトリクス状に配置して、エリア温度を検出するのが好ましい。
このようにすれば、２次元的なエリアの温度検出が可能になることにより、エリア内の温度分布なども容易に検出可能になる。
【００１８】
また、前記温度検出方法においては、前記容量素子に電荷を充電するリセット期間と、
電荷を充電した前記容量素子をその状態に維持するホールド期間と、
前記ホールド期間後に前記容量素子に保持されている電荷量を検出するデテクト期間と、を備え、
前記ホード期間のホールド時間を可変にすることにより、検出する温度範囲を可変にするのが好ましい。
このようにすれば、ホールド時間を可変にすることによって検出する温度範囲が可変になるため、所望の範囲の温度測定を容易に行うことができる。
【００１９】
また、前記温度検出方法においては、前記容量素子に電荷を充電するリセット期間と、
前記トランジスタをオフ電位にして、電荷を充電した前記容量素子をその状態に維持するホールド期間と、
前記ホールド期間後に前記容量素子に保持されている電荷量を検出するデテクト期間と、を備え、
前記ホード期間における前記トランジスタのオフ電位を可変にすることにより、検出する温度範囲を可変にすることを特徴とする請求項６〜９のいずれか一項に記載の温度検出方法。
このようにすれば、オフ電位を可変にすることによって検出する温度範囲が可変になるため、所望の範囲の温度測定を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る温度エリアセンサの概略構成図である。
【図２】本発明の温度センサの一実施形態の、等価回路図である。
【図３】薄膜トランジスタのＩｇｓ−Ｖｇｓ特性の温度依存性を示すグラフである。
【図４】温度センサの動作説明図である。
【図５】温度センサの動作波形を示すグラフである。
【図６】温度センサの動作波形を示すグラフである。
【図７】温度センサの動作波形を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、図面を参照して本発明を説明する。なお、以下の説明に用いる各図面では、各部材を認識可能な大きさとするため、各部材の縮尺を適宜変更している。
【００２２】
図１は、本発明の温度センサを温度エリアセンサに適用した場合の、一実施形態を示す概略構成図である。図２は、図１に示した温度エリアセンサにおける、単一の温度センサ、すなわち本発明における温度センサの一実施形態となる、温度センサの等価回路図である。図１中符号１０は温度エリアセンサであり、この温度エリアセンサ１０は、図２に示す温度センサ１をマトリクス状に配置し、さらに読み出し回路等を含む制御回路（図示せず）を備えて構成されたものである。
【００２３】
温度センサ１は、基板上に設けられた半導体層に形成され、あるいは半導体基板に形成されたもので、図２に示すようにトランジスタ２と容量３とが直列に接続されて構成されたものである。
前記基板としては、樹脂等からなるフレキシブル基板（可撓性基板）や、ガラス、石英、セラミックス、金属等からなる基板が用いられ、これの上に設けられた半導体層としては、主にシリコンが用いられる。また、半導体基板としては、主にシリコン基板が用いられる。
【００２４】
本実施形態では、特に樹脂からなるフレキシブル基板上にポリシコン層を形成したものが好適に用いられる。具体的には、ＣＶＤ法等によってフレキシブル基板上にアモルファスシリコン層を形成し、その後、レーザーアニール法等によってアモルファスシリコン層を多結晶化し、ポリシリコン層にしたものが用いられる。
トランジスタ２は、前記ポリシリコン層にチャネル領域及びソース／ドレイン領域を形成し、その上に、アルミニウム等の金属などによってゲート電極等の配線を形成した、公知の構成の薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）からなるものである。
【００２５】
容量素子３は、前記ポリシリコン層中やその上に形成された一対の導電層（図示せず）と、これら導電層間に設けられた誘電体層（図示せず）と、からなる公知の構成のものである。そして、図２に示したようにトランジスタ２のドレイン電極（ドレイン領域）２Ｄが容量素子３の一方の導電層３ａに導通することにより、容量素子３は、トランジスタ２に直列に接続したものとなっている。
【００２６】
また、トランジスタ２のソース電極（ソース領域）２Ｓには、信号配線４が接続され、同じくゲート電極２Ｇには、走査配線５が接続されている。また、容量素子３の、他方の導電層３ｂには容量配線６が接続されている。
なお、前記トランジスタ２や容量素子３、さらには各種配線上には、これらを覆って絶縁膜（図示せず）が設けられており、さらに、必要に応じて絶縁膜上に、平坦化膜や保護膜等が設けられている。
【００２７】
ところで、一般にトランジスタは、他の半導体素子と同様に温度特性を有し、薄膜トランジスタはこの温度特性がより大きくなっている。
図３は、薄膜トランジスタのＩｇｓ−Ｖｇｓ特性の温度依存性を示すグラフである。図３に示すように薄膜トランジスタは、その構成に基づいて固有の温度特性を有する。特に、Ｖｇｓ＜０［Ｖ］のオフ領域においては、対数グラフでのダイナミックレンジが大きくなり、したがって縦軸に示すオフ電流の、温度依存性（温度特性）が顕著になる。そこで、本発明はこの薄膜トランジスタ（トランジスタ）の温度依存性（温度特性）を利用することにより、温度を検出するようにしている。
【００２８】
すなわち、本実施形態の温度センサ１にあっては、図４に示すように容量素子３に電荷を充電するリセット期間と、トランジスタ２をオフ電位にして、電荷を充電した容量素子３をその状態に維持するホールド期間と、ホールド期間後に容量素子３に保持されている電荷量を検出するデテクト期間と、を備えることにより、トランジスタ２の近傍の温度が検出可能になっている。
【００２９】
具体的には、リセット期間では、走査配線５にトランジスタ２をオンにする電位（Ｖscan）を印加することによって、信号配線４よりその電位（Ｖsig）を印加し、これにより、容量素子３の保持容量（電位）が、図４中Ｖ０で示す予め設定した値（設定容量Ｖ０）になるように、容量素子３を充電する。
続いてホールド期間では、走査配線５にトランジスタ２をオフにする電位（オフ電位）を印加する。すると、トランジスタ２ではオフ電流（リーク電流）が生じることにより、容量素子３の電荷量が減少する。
【００３０】
その際、オフ電流には温度依存性（温度特性）があることから、トランジスタ２近傍の雰囲気温度（例えば、トランジスタ２がこれを覆う絶縁膜等を介して接触する対象物の温度）によってオフ電流の大きさが変化し、図４中のＶ１〜Ｖ４に示すように容量素子３の電位が低下する。つまり、前記雰囲気温度によってオフ電流が変化し、このオフ電流の変化に伴い、容量素子３に残る電荷量も変化する。
そこで、デテクト期間では再びトランジスタ２をオンにする電位を印加し、容量素子３の電位（Ｖ１〜Ｖ４）を読み出す。すると、読み出した電位は、前記のホールド期間におけるオフ電流（リーク電流）によって、前記設定容量Ｖ０より低下した値となる。
【００３１】
その際、予めホールド期間を所定の期間（時間）に設定し、かつ、オフ電位を所定の電位にしておくことにより、容量素子３の電位から前記の雰囲気温度を求めることが可能になる。つまり、図３に示したように予め温度とオフ電流値との間の相関を求めておくことにより、トランジスタ２近傍の雰囲気温度（接触する対象物の温度）が求まるようになるのである。
【００３２】
したがって、前記温度センサ１にあっては、前記デテクト期間において容量素子３の電荷量（あるいはこれに基づく電圧）を読み出し回路（図示せず）で読み出すことにより、トランジスタ２近傍の雰囲気温度を検出することが可能になる。
すなわち、前記の温度センサ１を、目的とする被温度検出部に接触させ、あるいはその近傍に配置し、その状態で前記のリセット期間、ホールド期間、デテクト期間についてそれぞれに対応した操作を順次行うことにより、被温度検出部の温度を検出することができる。
【００３３】
また、前記トランジスタ（薄膜トランジスタ）２では、走査配線５にトランジスタ２をオフにする電位（オフ電位）を印加し、トランジスタ２にオフ電流（リーク電流）を生じさせることによって容量素子３の電荷量を減少させる時間、すなわちホールド期間を、図５、図６に示すように変化させることにより、その動作波形が変化する。
ここで、図５、図６に示した動作波形は、Ｗ／Ｌ（チャネル幅／チャネル長）＝４．５／５０μｍの薄膜トランジスタと、保持容量が１００ｐＦの容量素子と、からなる温度センサについてのものである。
【００３４】
図５に示したように、ホールド電位（Holdオフ電位）を０Ｖとし、ホールド時間を２ｍｓ（２×１０−３秒）とした場合には、測定可能温度範囲を、５０〜１５０℃に設定することが可能になる。また、図６に示したように、ホールド電位を０Ｖとし、ホールド時間を２０ｍｓ（２×１０−２秒）とした場合には、測定可能温度範囲を、室温〜１００℃に設定することが可能になる。
【００３５】
したがって、本実施形態の温度センサ１にあっては、前記ホード期間のホールド時間を可変にすることにより、検出する温度範囲を可変にするよう構成するのが好ましい。具体的には、ホールド時間と測定可能温度範囲との間の相関を予めとっておき、温度測定の対象となる被温度検出部の予想温度から、前記相関に基づいてホールド時間を決定する。
このように構成することにより、検出する温度範囲が可変になるため、所望の範囲の温度測定を容易に行うことができる。
【００３６】
また、前記トランジスタ（薄膜トランジスタ）２では、ホールド期間において、走査配線５にトランジスタ２をオフにする際の電位（オフ電位）を変化させることによっても、その動作波形が変化する。図６に示した動作波形の薄膜トランジスタを、ホールド期間におけるオフ電位を−２Ｖにし、さらにホールド時間を２２ｍｓ（２×１０−２秒）まで延ばすと、その動作波形は図７に示すようになる。すなわち、測定可能温度範囲を、１１０〜２００℃に設定することが可能になる。
【００３７】
したがって、本実施形態の温度センサ１にあっては、前記ホード期間における前記トランジスタのオフ電位を可変にすることにより、検出する温度範囲を可変にするよう構成するのが好ましい。具体的には、オフ電位と測定可能温度範囲との間の相関を予めとっておき、温度測定の対象となる被温度検出部の予想温度から、前記相関に基づいてオフ電位を決定する。
このように構成することにより、検出する温度範囲が可変になるため、所望の範囲の温度測定を容易に行うことができる。
なお、前記ホード期間のホールド時間と、前記ホード期間における前記トランジスタのオフ電位とを共に可変にすれば、検出する温度をより広い範囲に亘って可変にすることができ、したがって所望の範囲の温度測定をより容易に行うことができる。
【００３８】
また、図１に示した温度エリアセンサ１０にあっては、前記温度センサ１をマトリクス状に多数配置しているので、２次元的なエリアの温度検出が可能になることにより、エリア内の温度分布なども容易に検出することができる。
すなわち、この温度エリアセンサ１０では個々の温度センサ１、１間のピッチを、例えば数十μｍ〜数百μｍ程度に配置することができる。これは、人間（生物）の皮膚における痛点のピッチとほぼ等しく、したがってこの温度エリアセンサ１０は、特に接触式の温度センサとした場合に、人間（生物）に近い感度でのセンサリングが可能になる。
【００３９】
そこで、このような温度エリアセンサ１０を、例えばロボットのアームなどに取り付けることにより、アームで掴んだもの（被温度検出部）の温度を検出するとともに、この被温度検出部の温度分布も容易に検出することができるようになる。
【００４０】
さらに、前記温度センサ１とこれを備えた温度エリアセンサ１０にあっては、以下の優れた作用効果を奏する。
・温度測定のときも、容量素子３の充放電電流という小電流が流れるだけであるので、自己発熱がほとんどなく、したがって測定誤差がほとんど生じないことにより、検出精度を高めることができる。
・同じく、小電流が流れるだけであるので、低消費電力化が容易になる。
・容量素子３は絶縁性が良好になるので、信号配線４には、走査選択していない他の多数の温度センサ１からのリーク電流がないため、測定誤差が生じない。
・ＴＦＴ（トランジスタ２）が導通モードで破壊しても、容量素子３は絶縁性が良好なため、当該信号配線４に接続する他の温度センサ１による温度測定は可能なままになる。
・１個のＴＦＴ（トランジスタ２）を用いた回路であるので、２個のＴＦＴによる回路で生じていた、温度測定の誤差が生じない。
・同じく、２個のＴＦＴによる回路よりも、良品率向上が可能である。
・容量素子３の容量をその電位で測定するため、電流−電位変化回路が不要になる。
【００４１】
なお、本発明は前記実施形態に限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
例えば、前記の温度センサ１やこれをマトリクス状に配置した温度エリアセンサ１０にあっては、温度測定の対象を生体とし、その温度分布の測定に用いることもできる。
また、図２に示した温度センサ１においては、容量素子３と配線寄生容量とのかねあい、あるいは、出力電圧の要求精度により、必要に応じてセンサ１内に増幅器を設けることもできる。
さらに、トランジスタとしては、ポリシリコンからなる薄膜トランジスタに代えて、有機薄膜トランジスタや、単結晶シリコン基板に作製したトランジスタを用いることもできる。
【符号の説明】
【００４２】
１…温度センサ、２…トランジスタ、３…容量素子、４…信号配線、５…走査配線、６…容量配線、１０…温度エリアセンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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