(57)【要約】【課題】カンチレバやダイアフラム上に温接点や冷接点が形成されても、容易に精密な温度校正や補正ができるような電流検出型熱電対等の校正方法、関連する電流検出型熱電対と熱型赤外線センサ及び赤外線検出装置を提供する。【解決手段】熱電対の校正は、検出用熱電対と同一の熱電対材料で形成した校正用熱電対を用い、校正用熱電対の絶対熱電能Ｅｒｏを求めておく。検出用熱電対も同一のＥｒｏを有すると見做す。検出用熱電対の内部抵抗ｒｓを求め、演算増幅器で被測定温度差△Ｔｓによる短絡電流値Ｉｓを計測して被測定温度差△Ｔｓを求める。演算増幅器のオフセット校正も行う。熱電対とスイッチを演算増幅器の反転入力端子に接続し、センサの選択も可能とする。また、これらを非反転入力端子に接続し、小さな抵抗ｒを反転入力端子に接続した等価的な電流検出型熱電対を用い、複数の熱電対を切り替え可能にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の熱電対の短絡電流を利用して温度差を検出する電流検出型熱電対の校正方法において、検出用熱電対と同一の熱電対材料で形成した校正用熱電対を用い、加熱手段により校正用熱電対の温接点と冷接点となる二つの接合部間に任意の温度差△Ｔｒを発生させて、この前記温度差△Ｔｒを測定して、そのときの校正用熱電対の開放起電力Ｖｒから校正用熱電対の絶対熱電能Ｅｒｏを求めておくこと、検出用熱電対も同一の絶対熱電能Ｅｒｏを有すると見做すこと、検出用熱電対を含む系の被測定温度付近における内部抵抗ｒｓを測定すること、検出用熱電対を演算増幅器の反転入力端子に接続し、該演算増幅器の仮想短絡を利用して、検出用熱電対に発生している被測定温度差△Ｔｓによる短絡電流値Ｉｓを計測し、上記の校正用熱電対の絶対熱電能Ｅｒｏと内部抵抗ｒｓを使用して被測定温度差△Ｔｓを求めるようにしたこと、を特徴とする電流検出型熱電対の校正方法。
【請求項２】
校正用熱電対と検出用熱電対とは、同一の基板に形成した薄膜熱電対である請求項１に記載の電流検出型熱電対の校正方法。
【請求項３】
加熱手段としてヒータを用いた請求項１または2のいずれかに記載の電流検出型熱電対の校正方法。
【請求項４】
校正用熱電対の二つの接合部間の温度差△Ｔｒを、少なくとも校正用熱電対と同一基板に形成した一対の温度センサで計測した請求項１から３のいずれかに記載の電流検出型熱電対の校正方法。
【請求項５】
熱電対を構成する導体のうち、少なくとも一方の導体を、縮退する程度に高い密度の不純物を添加して、低抵抗化した半導体を用いた請求項１から４のいずれかに記載の電流検出型熱電対の校正方法。
【請求項６】
検出用薄膜熱電対の接合部を基板から熱分離した薄膜に形成し、熱電対の他端を基板上に形成した請求項１から５のいずれかに記載の電流検出型熱電対の校正方法。
【請求項７】
熱電対の短絡電流を利用して温度差を検出する電流検出型熱電対の短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正方法において、熱起電力が無視できる所定の抵抗を備え、該抵抗を電流検出型の熱電対と同一もしくは異なる演算増幅器の入力段に接続できるようにしてあり、該熱電対による演算増幅器の出力と、該抵抗による演算増幅器の出力とを比較できるように構成して、これらの比較データを基にして演算増幅器のオフセットを校正するようにしたことを特徴とする演算増幅器のオフセットの校正方法。
【請求項８】
演算増幅器のオフセットの校正方法において、一つの演算増幅器を用い、その入力段に接続している熱電対の代わりに所定の抵抗に切り替えることができるように構成してあり、所定の抵抗に切り替えたときのデータを基にして校正するようにした請求項７記載の演算増幅器のオフセットの校正方法。
【請求項９】
熱電対の短絡電流を利用して温度差を検出する電流検出型熱電対の短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正方法において、同一の被測定温度差△Ｔｓが生じる箇所に二対の熱電対が互いに逆向きの接続できるよう形成してあり、一方の熱電対で被測定温度差△Ｔｓを計測し、熱起電力が互いに打ち消し合うように互いに逆向きの接続したときに演算増幅器のオフセットが校正できるようにしたことを特徴とする演算増幅器のオフセットの校正方法。
【請求項１０】
熱電対に流れる短絡電流を利用して温度差を検出する電流検出型熱電対において、電流検出型の熱電対が形成されている同一基板に、加熱手段を備えたことを特徴とする電流検出型熱電対。
【請求項１１】
熱電対の短絡電流を利用して温度差を検出する電流検出型熱電対において、基板から熱分離した薄膜に該熱電対の一端となる接合部が形成されていること、該熱電対の他端は基板に形成してあること、該熱電対を構成する導体は、５ｘ１０−２Ω・ｃｍ以下の低抵抗率を有する導体であること、該熱電対を構成する二つの導体は、絶縁膜を挟んだサンドイッチ構造であること、該サンドイッチ構造の複数の梁で上記接合部を有する薄膜を支持する構造であることを特徴とする電流検出型熱電対。
【請求項１２】
熱電対に流れる短絡電流を利用して温度差を検出する電流検出型熱電対であって、複数個のそれぞれの熱電対にそれぞれ直列接続したスイッチを用いて、それぞれの熱電対の出力が独立に取り出せるように構成したこと、これらの熱電対が演算増幅器の反転入力端子に接続されていること、熱電対に流れる短絡電流が計測できるように演算増幅器の仮想短絡が利用できるように構成したこと、を特徴とする電流検出型熱電対。
【請求項１３】
一対の熱電対、もしくは複数の熱電対を直列接続した熱電対を演算増幅器の非反転入力端子に接続し、抵抗ｒを演算増幅器の反転入力端子に接続してあること、該演算増幅器の仮想短絡を利用して、該抵抗ｒには、該熱電対の被測定温度差△Ｔｓに基づく開放熱起電力Ｖｓが直接印加され、該開放熱起電力Ｖｓに基づく短絡電流Ｉｓが流れ、更に、その短絡電流Ｉｓの値は、等価内部抵抗ｒｓとしての抵抗ｒの値で該開放熱起電力Ｖｓを除した値となるようにしたこと、該演算増幅器の反転入力端子と出力端子間に接続した帰還抵抗Ｒｆにも該短絡電流Ｉｓが流れるように構成したこと、これらのことがらに基づく該演算増幅器の出力電圧から被測定温度差△Ｔｓが算出できるようにしたこと、を特徴とする等価的な電流検出型熱電対。
【請求項１４】
抵抗ｒが、熱電対の実際の内部抵抗ｒｓ０より小さくなるようにした請求項１３記載の電流検出型熱電対。
【請求項１５】
熱電対を複数個備えてあり、該複数個のそれぞれの熱電対にそれぞれ直列接続したスイッチを用いて、それぞれの熱電対の出力が独立に取り出せるように構成した請求項１３または１４のいずれかに記載の電流検出型熱電対。
【請求項１６】
演算増幅器の仮想短絡を利用して、一対の熱電対に流れる短絡電流を検出して温度差を検出できるようにした電流検出型熱電対を、１つのユニットとして用いること、該ユニットを複数個備えてあること、該複数個のそれぞれのユニットにそれぞれ直列接続したスイッチを用いて、それぞれのユニットの出力が独立に取り出せるように構成したこと、を特徴とする電流検出型熱電対。
【請求項１７】
基板から熱分離した薄膜に該熱電対の接合部が形成されている請求項１２から１６のいずれかに記載の電流検出型熱電対。
【請求項１８】
熱電対を構成している二種類の導体であって、薄膜を支持している複数の梁を通して基板に導かれたこれらの二種類の導体は、基板上において５ｘ１０−２Ω・ｃｍ以下の低抵抗率を有する導体を用いて、それぞれ一括されて二端子となるように構成した請求項１１または１７のいずれかに記載の電流検出型熱電対。
【請求項１９】
基板に形成された薄膜の複数のカンチレバのそれぞれに、少なくとも一対の熱電対が搭載していること、これらの複数のカンチレバのそれぞれに形成されている熱電対が、さらに並列に接続されて一括して二端子となるように構成していること、演算増幅器の仮想短絡を利用して、前記二端子間の熱電対に流れる短絡電流を検出して温度差を検出できるようにしていること、を特徴とする電流検出型熱電対。
【請求項２０】
熱電対が形成されている薄膜を支持している基板に絶対温度センサを設けて、基板温度が計測できるようにした請求項１１、もしくは１７から１９のいずれかに記載の電流検出型熱電対。
【請求項２１】
請求項１０から２０のいずれかに記載の電流検出型熱電対を用いる赤外線センサにおいて、少なくとも熱電対の接合部付近に、赤外線吸収膜を設けた赤外線センサ。
【請求項２２】
熱電対の接合部が形成されている薄膜の下部に位置する基板領域に赤外線センサの周辺回路の少なくとも一部を形成した請求項２１記載の赤外線センサ。
【請求項２３】
請求項２１または２２のいずれかに記載の赤外線センサの出力を基にした演算結果が表示できるように、少なくとも、赤外線センサと演算回路部及び表示部を備えたことを特徴とする赤外線検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電対を用いて温度差を検出するに当たり、熱起電力の開放電圧の大きさから求めるのではなく、熱電対を含む閉回路を構成して、そこを流れる電流から被検出温度差を求める、所謂、電流検出型熱電対において、その電流検出型熱電対の校正方法、その電流検出型熱電対の短絡電流を計測するための演算増幅器のオフセットの校正方法および電流検出型熱電対、等価的な電流検出型熱電対及びこれを応用した赤外線センサと赤外線検出装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、温度差を検出するのに、ある基準温度に対して被検出温度差を有する箇所に熱電対の温接点と冷接点となる二つの接合部間に温度差を形成して、その開放熱起電力から温度差を求めていた。
【０００３】
また、本発明者は、先に「温度差の検出方法、温度センサおよびこれを用いた赤外線センサ」（特願2004-026247）を発明して、熱電対の温接点と冷接点となる二つの接合部間の温度差による熱起電力を開放電圧で測定するのではなく、短絡電流を計測して温度差を計測する方法を提案し、これを電流検出型熱電対と名づけ、実験的にその優位性を示してきた。
【０００４】
この電流検出型熱電対の基本原理は、次のようなことに基づくものである。半導体のゼーベック係数αsは、抵抗率ρに関し、次の数式１で表現されることが分かっている。
【０００５】
【数１】
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ここで、ｋはボルツマン定数、ｑは電荷素量であり、Siでは、ρ0＝５ｘ10−６Ωｍ、ｍ＝２．６である。従来は、上式から抵抗率ρが大きい方がゼーベック係数αsも大きくなるので、抵抗率ρの大きい半導体を使用して、熱電対やサーモパイルを作成する傾向にあった。しかし、余り大きな抵抗率の半導体を使用すると、内部抵抗の極めて大きなサーモパイルになり、その妥協点を探していた。しかし、上式数1は、次のことも意味していることに本発明者が気づいた。すなわち、抵抗率ρが３〜４桁下がっても、ゼーベック係数αsは、３〜９分の１程度しか下がらないことを意味する。抵抗率の逆数である導電率は、熱電対（サーモカップル）を短絡するとそこを流れる電流に比例するので、抵抗率の極めて小さい熱電対を作成し、何らかの方法でその短絡電流が計測できれば、従来のサーモカップルやサーモパイルなどの開放電圧を計測するより極めて高い感度とＳ／Ｎが得られると予想される。
【０００６】
しかし、電流検出型熱電対はその形状により内部抵抗が異なり、同一の熱起電力があっても流れる電流が異なること、カンチレバ、マイクロエアブリッジやダイアフラム上に温接点が形成されている場合などは、精密な温度変化を検出するための校正法が確立していなかったので、その単純な構成で容易にできる校正方法とこれを用いた電流検出型熱電対が求められていた。
【０００７】
また、耳式体温計などの放射温度計に用いる赤外線センサでは、熱電対を直列接続して同一の温度差があっても開放起電力が大きくできるサーモパイルを用いていた。しかし、極めて細い（２μｍ程度）熱電対を１００本近く直列接続しているので、極めて内部抵抗が大きいためにＳ/N が小さくなってしまうと共に、感度が小さく、更に、製作においても高度の技術を必要としていた。
【０００８】
複数個の熱電対のそれぞれの出力が独立に取り出せるようにするには、それぞれの熱電対にそれぞれ演算増幅器を取り付ければ簡単であるが、個数が多くなるとその分、多くの演算増幅器を用意する必要がある。例えば、１個の演算増幅器を用いて複数個の熱電対のそれぞれの出力が独立に取り出せるようにするには、スイッチを用いて切り替えて演算増幅器に接続するようにすれば良いが、一般にスイッチのオン抵抗が市販のアナログスイッチの場合には５Ω程度もある。この大きいスイッチのオン抵抗が熱電対に直列接続になると、熱電対の内部抵抗が大きく見えて、このスイッチのオン抵抗によって電流検出型熱電対の短絡電流が制限されてしまうという問題があり、１個の演算増幅器を用いて複数個の熱電対のそれぞれの出力が独立に取り出せる簡便な方法が求められていた。
【特許文献１】特願2004-026247
【非特許文献１】P.  M.  ＳＡＲＲＯら、 Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，  Ｖｏｌ． １０，１９８６, ｐｐ．３２１−３４６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、カンチレバ、マイクロエアブリッジやダイアフラム上に温接点や冷接点が形成されている場合でも、その単純な構造で容易に、精密な温度校正や補正ができるような電流検出型熱電対の校正方法及び電流検出型熱電対の短絡電流を計測するために用いる演算増幅器の主に温度ドリフトなどによるオフセットを補正し、校正するための校正方法を提供すると共に、校正に必要な部品を備えた電流検出型熱電対と、等価的に内部抵抗が小さくできる電流検出型熱電対、複数の熱電対から特定の熱電対を選択する方法、およびこれらの熱電対を用いる高感度で安価な赤外線センサと赤外線検出装置を提供すること目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる電流検出型熱電対の校正方法は、熱電対の短絡電流を利用して温度差を検出する電流検出型熱電対の校正方法において、検出用熱電対と同一の熱電対材料で形成した校正用熱電対を用い、加熱手段により校正用熱電対の温接点と冷接点となる二つの接合部間に任意の温度差△Ｔｒを発生させて、この前記温度差△Ｔｒを測定して、そのときの校正用熱電対の開放起電力Ｖｒから校正用熱電対の絶対熱電能Ｅｒｏを求めておくこと、検出用熱電対も同一の絶対熱電能Ｅｒｏを有すると見做すこと、検出用熱電対を含む系の被測定温度付近における内部抵抗ｒｓを測定すること、検出用熱電対に発生している被測定温度差△Ｔｓによる短絡電流値Ｉｓを計測し、上記の校正用熱電対の絶対熱電能Ｅｒｏと内部抵抗ｒｓを使用して被測定温度差△Ｔｓを求めるようにしたものである。
【００１１】
なお、演算増幅器は、電流検出手段の測定器の内部抵抗が等価的に打ち消されてゼロになるような測定器であれば良く、ここでは、この作用を持つ電流検出手段の代表として演算増幅器（OPアンプ）と表現している。
【００１２】
熱電対は、一般には、異なる２つの導体、例えば、金属同士、半導体同士（ｐ型とｎ型との組み合わせ）、半金属同士、または、金属と半導体との組み合わせなどを接合して、接合部を形成し、例えば、この接合部を温接点とし、異なる２つの導体の他端を基準温度としての冷接点として用い、この冷接点にあるこれら２個の導体間の開放熱起電力を計測して、温接点と冷接点との温度差に対応させて、計測するものである。また、冷接点は、ヒートシンクに形成されることが多い。
【００１３】
本発明に係わる電流検出型熱電対における温度差の検出は、従来の開放熱起電力を計測する方式の場合とは異なり、熱電対を電流検出型として用いるようとしているために、電流検出手段を用いるが、演算増幅器（ＯＰアンプ）のように、電流検出手段の測定器の内部抵抗が等価的に打ち消されてゼロになるような測定器にする方が良く、熱電対に流れる短絡電流を容易に計測できるようにしている。また、熱電対の内部抵抗は、熱電対を構成する二つの導体の材料、寸法や形状などにより異なり、同一の熱起電力に対して大きな電流が流れるように可能な限り内部抵抗が小さくなる導体材料の組み合わせとする必要があり、その中でも熱起電力が大きい熱電対、すなわち、絶対熱電能Ｅｏに相当するゼーベック係数の大きな材料を用いた方が良い。
【００１４】
本発明に係わる電流検出型熱電対の校正方法では、加熱手段により発生させた校正用熱電対の二つの接合部間の温度差△Ｔｒ、そのときの校正用熱電対の開放起電力Ｖｒから校正用熱電対の絶対熱電能Ｅｒｏは、Ｖｒ/△Ｔｒ として求めることができる。検出用熱電対も同一の絶対熱電能Ｅｒｏを有すると見做すので、検出用熱電対自体とそのリード線などを含めた検出用熱電対を含む系の被測定温度付近における測定した内部抵抗ｒｓを利用すれば、検出用熱電対に発生している被測定温度差△Ｔｓによる測定した短絡電流値Ｉｓを用いて、被測定温度差△Ｔｓは、次のように表される。なお、ここで、テブナンの定理により、検出用熱電対に被測定温度差△Ｔｓにより発生した開放起電力（△Ｔｓ・Ｅｒｏ）を、検出用熱電対を含む系の内部抵抗ｒｓで除した値が短絡電流値Ｉｓとなることを利用する。
【００１５】
【数２】
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【００１６】
本発明の請求項２に係わる電流検出型熱電対の校正方法は、校正用熱電対と検出用熱電対とは、同一の基板に形成した薄膜熱電対である場合で、両熱電対は近接配置ができるので、校正精度を上げることができるという利点がある。
【００１７】
本発明の請求項３に係わる電流検出型熱電対の校正方法は、加熱手段としてヒータを用いた場合である。レーザ光などを照射して基板の一部を熱して温度差△Ｔｒを生じさせることもできるが、ジュール熱によるヒータを利用した方が便利である。
【００１８】
ヒータを基板に形成した場合、ヒータが最初から設けてあるので、温度差△Ｔｒの発生の再現性が良く、校正が容易である。
【００１９】
本発明の請求項４に係わる電流検出型熱電対の校正方法は、校正用熱電対の二つの接合部間の温度差△Ｔｒを、少なくとも校正用熱電対と同一基板に形成した一対の温度センサで計測する場合である。一対の温度センサが校正用熱電対と同一基板に形成してあるので、校正が容易である。
【００２０】
一対の温度センサとして、ｐｎ接合ダイオードやトランジスタなどのｐｎ接合を用いると、半導体基板に形成する場合は、ヒータや熱電対などと同一工程で、しかもフォトリソグラフィーで高精度、かつ大量に形成できるという利点がある。
【００２１】
一対の温度センサとして、熱電対を用いた場合には、熱電対として、例えば、純粋な金属から成る、たとえば、金とニッケル薄膜からなる既知の薄膜熱電対を用いることができる。この場合、温度差△Ｔｒは、例えば、１℃程度の大きな値にできるので、この既知の薄膜熱電対でも十分な精度が得られるから、従来の熱電対のようにして開放熱起電力から温度差を求めると良い。
【００２２】
本発明の請求項５に係わる電流検出型熱電対の校正方法は、熱電対を構成する導体のうち、少なくとも一方の導体を、縮退する程度に高い密度の不純物を添加して、低抵抗化した半導体を用いた場合である。一般にシリコン半導体では、ｐ型よりも移動度が大きい多数キャリアが電子であるｎ型の方が低抵抗化できるので、縮退したn型半導体を用いる方が良い。他方の導体は、熱起電力が小さくとも抵抗率の小さい金属薄膜を用いた方が得策である。
【００２３】
本発明の請求項６に係わる電流検出型熱電対の校正方法は、検出用薄膜熱電対の接合部（例えば、温接点）を基板から熱分離した薄膜に形成し、熱電対の他端である接合部（例えば、冷接点）を基板上に形成した場合である。基板から熱分離した薄膜とは、カンチレバ、マイクロエアブリッジやダイアフラムなどの基板からの薄膜の梁などを用いた支持により宙に浮いた薄膜で基板から熱抵抗を大きくして、熱伝導が起こり難い構造にした薄膜のことである。
【００２４】
本発明の請求項７に係わる演算増幅器のオフセットの校正方法は、熱電対の短絡電流を利用して温度差を検出する電流検出型熱電対の短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正方法において、熱起電力が無視できる所定の抵抗を備え、この抵抗を電流検出型の熱電対と同一もしくは異なる演算増幅器の入力段に接続できるようにしてあり、この熱電対による演算増幅器の出力と、この抵抗による演算増幅器の出力とを比較できるように構成して、これらの比較データを基にして演算増幅器のオフセットを校正するようにしたことを特徴とするものである。
【００２５】
赤外線センサとして電流検出型熱電対を用いた場合など、温度差が極めて小さい場合は、電流検出型の熱電対の短絡電流は極めて小さく、短絡電流検出用の演算増幅器の温度ドリフトなどに伴う入力段のオフセット電流と同程度になることが多い。また、温度ドリフトなどに伴う入力段のオフセット電圧に基づく回路電流とも区別し難くなることがある。チョッパ入りの演算増幅器を使用するとその必要がないことが多いが、必要に応じて、周囲温度の変化や演算増幅器内の自己発熱などによる温度ドリフトを補正するなどして校正する必要がある。
【００２６】
二個の演算増幅器を用意し、一方の演算増幅器の入力段には、電流検出型の熱電対を接続し、他方の演算増幅器の入力段には、所定の抵抗を接続しておき、これらの差動回路により演算増幅器のオフセットを校正するようにすることができる。この場合、二個の演算増幅器は、同一の半導体チップに形成されたものを利用した方が、ほぼ同一の温度特性を有すること、ほぼ同一の温度環境に晒されること、などから好都合である。また、所定の抵抗の値も電流検出型の熱電対の内部抵抗に等しい方が好適である。さらに、周囲からの誘導ノイズに晒され方もほぼ同一とするために、所定の抵抗も電流検出型の熱電対が形成されている領域に形成しておくと良い。
【００２７】
本発明の請求項８に係わる演算増幅器のオフセットの校正方法は、上述の請求項７の演算増幅器のオフセットの校正方法のうち、一つの演算増幅器を用い、その入力段に接続している電流検出型の熱電対の代わりに所定の抵抗に切り替えることができるように構成してあり、所定の抵抗に切り替えたときのデータを基にして校正するようにした場合である。
【００２８】
本発明の請求項９に係わる電流検出型熱電対の短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正方法は、同一の被測定温度差△Ｔｓが生じる箇所に、二対の熱電対が互いに逆向きの接続できるよう形成してあり、一方の熱電対で被測定温度差△Ｔｓを計測し、熱起電力が互いに打ち消し合うように互いに逆向きの接続したときに演算増幅器のオフセットが校正できるようにしたことを特徴とするものである。
【００２９】
二対の熱電対は、全く独立の熱電対同士でも良いが、熱電対を構成する二つの導体のうちの一方を共通にして利用できるように構成した方が良い。特に二つの導体が、半導体と金属である場合には、抵抗率が大きいために断面積を大きくして低抵抗化したい方の導体である半導体を共通にすると良い。
【００３０】
本発明の請求項１０に係わる電流検出型熱電対は、電流検出型の熱電対が形成されている同一基板に、加熱手段を備えた場合である。電流検出型熱電対自体の校正や温度ドリフトなどによる演算増幅器のオフセットの校正がし易く、また、コンパクトな電流検出型熱電対が提供できる。
【００３１】
本発明の請求項１１に係わる電流検出型熱電対は、熱電対の短絡電流を利用して温度差を検出する電流検出型熱電対において、基板から熱分離した薄膜にこの熱電対の一端となる接合部が形成されていること、この熱電対の他端は基板に形成してあること、この熱電対を構成する導体は、５ｘ１０−２Ω・ｃｍ以下の低抵抗率を有する導体であること、この熱電対を構成する二つの導体は、絶縁膜を挟んだサンドイッチ構造であること、このサンドイッチ構造の複数の梁で上記接合部を有する薄膜を支持する構造とした場合である。
【００３２】
製作するごとに異なる内部抵抗や絶対熱電能も校正できるので、精度の高い電流検出型熱電対が提供できるという利点がある。複数の梁で熱電対の接合部を有する薄膜を支持しているので、熱電対としてはその内部抵抗が並列接続になり内部抵抗が小さくなるので、同一の温度差に対して熱電対に大きな電流が流れることになり、その分Ｓ／Ｎが向上する。また、熱電対を構成する二種類の導体は、絶縁膜を挟んだサンドイッチ構造であるので、高感度で極めてコンパクトな温度センサが提供できる。
【００３３】
本発明の請求項１２に係わる電流検出型熱電対は、熱電対に流れる短絡電流を利用して温度差を検出する電流検出型熱電対であって、複数個のそれぞれの熱電対にそれぞれ直列接続したスイッチを用いて、それぞれの熱電対の出力が独立に取り出せるように構成したこと、これらの熱電対が演算増幅器（ＯＰアンプ）の反転入力端子に接続されていること、熱電対に流れる短絡電流が計測できるように演算増幅器の仮想短絡が利用できるように構成したこと、を特徴とする場合である。
【００３４】
熱電対に直列接続するスイッチとしては、ＦＥＴなどを利用したアナログスイッチでも良いし、機械的なMEMS型の接触式スイッチでも良い。熱電対に直列に接続されるので、可能な限り小さなオン抵抗のスイッチが望ましい。各ピクセルに熱電対を一次元や二次元に配列して、赤外線イメージセンサなどに使用することが出来る。なお、電流検出型熱電対を形成する半導体基板にＦＥＴなどのアナログスイッチを特別に形成すると、本センサでは耐圧が小さくて済むので、市販のアナログスイッチよりもオン抵抗が極めて小さいスイッチを設計製作できる。
【００３５】
本発明の請求項１３に係わる電流検出型熱電対は、一対の熱電対、もしくは複数の熱電対を直列接続した熱電対を演算増幅器の非反転入力端子に接続し、抵抗ｒを演算増幅器の反転入力端子に接続してあること、この演算増幅器の仮想短絡を利用して、この抵抗ｒには、この熱電対の被測定温度差△Ｔｓに基づく開放熱起電力Ｖｓが直接印加され、この開放熱起電力Ｖｓに基づく短絡電流Ｉｓが流れ、更に、その短絡電流Ｉｓの値は、この開放熱起電力Ｖｓを等価内部抵抗ｒｓとしての抵抗ｒの値で除した値となるようにしたこと、この演算増幅器の反転入力端子と出力端子間に接続した帰還抵抗Ｒｆにもこの短絡電流Ｉｓが流れるように構成したこと、これらのことがらに基づくこの演算増幅器の出力電圧から被測定温度差△Ｔｓが算出できるようにしたこと、を特徴とする等価的な電流検出型熱電対である。
【００３６】
この熱電対の開放熱起電力Ｖｓは、別に用意した校正用熱電対を用いて、その開放熱起電力Ｖｒと温度差との校正データと検出用熱電対の系の内部抵抗とを利用して、被測定温度差△Ｔｓを算出することができる。校正用熱電対として、熱電対（検出用の熱電対）と不純物濃度のレベルも含めた同一の材料で作成したものを用いると良い。
【００３７】
詳述すると、次のようになる。電流検出型熱電対では、熱電対の実際の内部抵抗ｒｓ０を可能な限り小さくする方が良いし、その値は製作する毎に異なるので、計測しておいて使用する必要がある。しかし、本発明の請求項１３に係わる電流検出型熱電対では、演算増幅器の非反転入力端子に、熱電対（サーモパイル）を接続する回路構成にしているので、実際にはここに電流は流れず、非反転入力端子には、熱電対（サーモパイルも含む）の被測定温度差△Ｔｓに基づく開放熱起電力Ｖｓに相当する電位のみを与えることになる。したがって、演算増幅器の反転入力端子に抵抗ｒを接続すると、演算増幅器の仮想短絡（イマージナリショート）ために、抵抗ｒに直接、熱電対の被測定温度差△Ｔｓに基づく開放熱起電力Ｖｓが印加されるように回路構成している。このとき抵抗ｒには、開放熱起電力Ｖｓを抵抗ｒの値で除した短絡電流Ｉｓが流れるから、抵抗ｒは熱電対の等価内部抵抗ｒｓと言える、すなわち、抵抗ｒは、熱電対の等価内部抵抗ｒｓとして作用する。演算増幅器の反転入力端子と出力端子間に帰還抵抗Ｒｆを接続しておくと、この帰還抵抗Ｒｆにもこの短絡電流Ｉｓが流れるので、演算増幅器の出力には、被測定温度差△Ｔｓに基づく開放熱起電力Ｖｓに比例する出力電圧成分が現れるから、被測定温度差△Ｔｓが算出できるようになる。予め用意してある熱電対の開放熱起電力Ｖｓ、もしくは別に用意した校正用熱電対の開放熱起電力Ｖｒと温度差との校正データを利用して被測定温度差△Ｔｓを推定するものである。
【００３８】
このことから、熱電対の実際の内部抵抗ｒｓ０が大きくとも、所望の小さな抵抗ｒを採用して演算増幅器の反転入力端子に接続することにより、抵抗ｒを熱電対の実際の内部抵抗ｒｓ０を等価的な小さな等価内部抵抗ｒｓとして扱うことができるし、所定の小さな値にすることができる。したがって、熱電対の開放熱起電力Ｖｓを抵抗ｒの値で除した短絡電流Ｉｓが、熱電対の等価内部抵抗ｒｓである抵抗ｒに流れるから、短絡電流Ｉｓは、熱電対の実際の内部抵抗ｒｓ０に依らず、抵抗ｒの値に依存し、熱電対の開放熱起電力Ｖｓに比例した値となる。ただし、演算増幅器の入力端子間を極端に小さな抵抗で短絡する、または、これに等価的な回路にすると、演算増幅器が動作しなくなるので、抵抗ｒを小さくさせるには限界がある。
【００３９】
演算増幅器の非反転入力端子に接続する熱電対は、一対の熱電対でも良いし、必要に応じて複数の熱電対を直列接続した熱電対であるサーモパイルでも良い。しかし、サーモパイルとした場合には、一般にその内部抵抗が大きいために大きな内部抵抗を有する信号源となるので、Ｓ／Nが小さくなってしまう。特に、演算増幅器から長いリード線で内部抵抗が大きいサーモパイルを接続したときに問題になる。したがって、可能な限り小さな内部抵抗にする方が良い。
【００４０】
本発明の請求項１４に係わる電流検出型熱電対は、請求項１３記載の電流検出型熱電対において、抵抗ｒが、熱電対の実際の内部抵抗ｒｓ０より小さくなるようにした場合である。抵抗ｒを小さくすることにより、同一の熱電対に発生した熱起電力により大きな短絡電流Ｉｓが抵抗ｒに流れるので、その分、大きな感度の電流検出型熱電対が提供できる。ただし、演算増幅器では、その入力端子間に小さな信号でもその内部抵抗が小さすぎると演算増幅器が飽和するなど、その機能が達成できなくなることがあるので、極端に抵抗ｒを小さくすることはできないことに注意を要する。
【００４１】
本発明の請求項１５に係わる電流検出型熱電対は、請求項１３または１４のいずれかに記載の電流検出型熱電対において、熱電対を複数個備えてあり、これらの複数個のそれぞれの熱電対にそれぞれ直列接続したスイッチを用いて、これらの複数個のそれぞれの熱電対の出力が独立に取り出せるように構成した場合である。
【００４２】
１個の演算増幅器を用いて複数個の熱電対のそれぞれの出力が独立に取り出せるようにするには、スイッチを用いて切り替えて演算増幅器に接続するようにすれば良いが、一般にスイッチとしてアナログスイッチを用いた場合には、そのオン抵抗が５Ω程度もある。このスイッチの大きいオン抵抗が熱電対に直列接続になると、熱電対の内部抵抗が大きく見えて、このスイッチのオン抵抗によって電流検出型熱電対の短絡電流が制限されたり、また、スイッチをオン、オフした場合のオン抵抗値の再現性が無視できないという問題が生じる場合がある。
【００４３】
そこで、本発明の請求項１５に係わる電流検出型熱電対では、請求項１３に記載したように、固定の抵抗ｒを演算増幅器の反転入力端子に接続し、複数個の熱電対を演算増幅器の非反転入力端子に接続するに当たり、それぞれの熱電対に直列に接続したスイッチを通して行うものである。このように各熱電対を演算増幅器の非反転入力端子に接続すると、この各熱電対には電流が流れない（極めて小さく無視できる）ので、ここでの電圧降下が無視できる。したがって、各熱電対に直列接続した比較的大きな抵抗を有するアナログスイッチなどのスイッチでも電圧降下が無視できるので、スイッチの内部抵抗には関係なく、演算増幅器の仮想短絡のために、熱電対で発生した開放熱起電力Ｖｓは、演算増幅器の反転入力端子に接続された抵抗ｒに直接印加されることになる。このようにして、スイッチのオン、オフによりスイッチの内部抵抗には無関係に所望の熱電対を選択することができる。マトリックス状やアレー状に接続した多くの熱電対をそれぞれに接続したスイッチを通して、任意に選択することができる。各熱電対の温接点に赤外線吸収膜を形成して、熱電対をマトリックス状に配置した構造の非冷却イメージセンサなどに利用するのに好適である。なお、スイッチをオフにするときには、極めて高抵抗になるので、演算増幅器が不安定になるから、スイッチをオフにすると同時に、小さな抵抗に切替えられるようにする方が良い。
【００４４】
本発明の請求項１６に係わる電流検出型熱電対は、演算増幅器の仮想短絡を利用して、一対の熱電対に流れる短絡電流を検出して温度差を検出できるようにした電流検出型熱電対を、１つのユニットとして用いること、このユニットを複数個備えてあること、この複数個のそれぞれのユニットにそれぞれ直列接続したスイッチを用いて、それぞれのユニットの出力が独立に取り出せるように構成したこと、を特徴とした場合である。なお、１つのユニットの出力端子は、このユニットを構成している演算増幅器（ＯＰアンプ）の出力端子と同一である。
【００４５】
この場合、ユニット毎にＯＰアンプを必要とするので、多くのユニットを配列するには困難なことがあるが、個数が少ないときには極めて有効である。スイッチとしては、アナログスイッチでも、例えば、MEMS型の機械的な接触式でも良い。
【００４６】
複数のユニットからのスイッチを通して、別に設けた演算増幅器の入力端に接続することができる。この場合、請求項１２に記載した熱電対の代わりに、各ユニットの出力端子を、この別に設けた演算増幅器の反転入力端子に接続して良いし、または、請求項１３に記載した熱電対のように、各ユニットの出力端子をこの別に設けた演算増幅器の非反転入力端子に接続して良い。
【００４７】
本発明の請求項１７に係わる電流検出型熱電対は、基板から熱分離した薄膜に熱電対の接合部が形成されている請求項１２から１６に記載されている電流検出型熱電対の場合である。基板から熱分離した薄膜に形成された熱電対の接合部は温接点として、熱電対の他端は、基板上に形成し、冷接点とすると良い。また、基板から熱分離した薄膜は、熱容量が小さく、熱コンダクタンスも小さいので、小さな熱量で大きな温度変化が得られることになり、高速で高感度の温度センサとなる。赤外線吸収膜を熱分離した薄膜に形成して、熱型赤外線センサとして利用することができるし、また、熱せられたガスや液体などの流れの検出、気体や液体の熱伝導率の変化に伴う放熱状態の変化から種々の物理量を求めるセンサとしても利用できる。
【００４８】
本発明の請求項１８に係わる電流検出型熱電対は、請求項１１または１７のいずれかに記載の電流検出型熱電対において、薄膜を支持している複数の梁を通して基板に導かれたこれらの二種類の導体は、基板上において５ｘ１０−２Ω・ｃｍ以下の低抵抗率を有する導体を用いて、それぞれ一括されて二端子となるように構成された場合である。
【００４９】
詳述すると、次のようである。基板から熱分離した薄膜（宙に浮いている薄膜）は、例えば、熱型赤外線センサの受光部として利用する場合は、Ｓ／Ｎの向上からその面積を大きくしたい場合が多い。この薄膜を基板から支持するには、複数の梁で支持した方が、強度の強い構造となるので都合が良い。しかし、受光部とした宙に浮いた薄膜からの基板への熱の逃げを考慮すると、細い複数の梁で支持する方が好適である。しかし、それぞれの梁は細く長いので、その電気抵抗は大きくならざるを得ない。そこで、本発明は、これらの梁の抵抗が並列接続となるようにして、更に電気抵抗の小さい導体で、基板上でそれぞれ一括されて二端子となるように接続して構成した場合である。
【００５０】
本発明の請求項１９に係わる電流検出型熱電対は、基板に形成された薄膜の複数のカンチレバのそれぞれに、少なくとも一対の熱電対が搭載していること、これらの複数のカンチレバのそれぞれに形成されている熱電対が、さらに並列に接続されて一括して二端子となるように構成していること、演算増幅器の仮想短絡を利用して、前記二端子間の熱電対に流れる短絡電流を検出して温度差を検出できるようにしていること、を特徴とするものである。
【００５１】
熱型赤外線センサの受光部として熱電対を搭載した薄膜のカンチレバを利用すると、その熱時定数はカンチレバの寸法に大きく依存する。高速動作の熱型赤外線センサでは、その受光部である薄膜のカンチレバの面積を小さくせざるを得ない。しかし、受光部は大きくしたい場合が多い。本発明は、特にこのような目的のためになされたもので、例えば、極めて小型の薄膜のカンチレバ型赤外線受光部を、二次元アレー状に形成しておき、これらを並列接続することにより、受光面積を等価的に大きくなるようにすると共に、熱時定数はそれぞれのカンチレバの寸法に依存するので、高速に動作するようにしたものである。特に、テラヘルツ波のように波長が長い電磁波の受信や波長の長い赤外線受光には有効である。カンチレバの長さを５μｍ程度にすると、その厚みにも依るが、その熱時定数を１マイクロ秒程度にすることができる。
【００５２】
本発明の請求項２０に係わる電流検出型熱電対は、請求項１１、もしくは１７から１９のいずれかに記載の電流検出型熱電対において、熱電対が形成されている薄膜を支持している基板に絶対温度センサを設けて、基板温度が計測できるようにした場合である。電流検出型熱電対は、温度差だけしか計測しないので、基準となる基板の絶対温度を計測しておく必要がある場合が多い。
【００５３】
絶対温度センサとしては、サーミスタ、白金抵抗体、ｐｎ接合を利用したダイオードサーミスタやトランジスタサーミスタなど既存の絶対温度センサが使用できる。ダイオードサーミスタやトランジスタサーミスタなどのように、同一の半導体基板に成熟したフォトファブリケーションなどで作成できる方が好適である。
【００５４】
本発明の請求項２１に係わる熱型赤外線センサは、請求項１０から２０のいずれかに記載の電流検出型熱電対を用いた熱型赤外線センサにおいて、少なくとも熱電対の接合部付近に、赤外線吸収膜を形成して受光部としたものである。この赤外線吸収膜を形成した領域である受光部は、基板から熱分離した薄膜上に形成した方が、熱容量と熱コンダクタンスが小さくできるので高感度で高速応答の熱型赤外線センサとなる。
【００５５】
本発明の請求項２２に係わる熱型赤外線センサは、熱電対の接合部が形成されている基板から熱分離した薄膜の下部に位置する基板の領域に、熱型赤外線センサの周辺回路の少なくとも一部を形成した請求項２１の熱型赤外線センサである。特に、薄膜に形成した熱電対をマトリックス状に配置した構造の非冷却イメージセンサなどにおいては、特定の熱電対を選択するためのスイッチ（アナログスイッチなど）などの集積回路である周辺回路の一部をそれぞれの熱電対に接続させる必要がある。熱電対の接合部が形成されている赤外線の薄膜受光部の下部に、このような熱型赤外線センサの周辺回路の一部である集積回路を形成するとセンサチップの面積に対して受光部の占める割合が大きく形成できるので、Ｓ／Ｎが大きくなり好都合である。
【００５６】
また、非冷却イメージセンサなどへの適用の際、赤外線の薄膜の受光部をピクセルとして二次元アレー化が必要である。このときに、アレー化した受光部の全体に対する各ピクセルとなる薄膜受光部の面積の割合を大きくするために、薄膜の受光部を基板から支持する梁などの熱抵抗の大きい支持部を薄膜の受光部と基板との間に形成するようにすると良い。すなわち、支持部が入射赤外線に対して、薄膜の受光部の陰に隠れるような構造にすると良い。
【００５７】
本発明の請求項２３に係わる赤外線検出装置は、請求項２１または２２のいずれかに記載の熱型赤外線センサの出力を基にして、フィルタを通した赤外線の絶対量やターゲットの温度表示などの種々の演算結果が表示できるように、少なくとも、熱型赤外線センサと演算回路部及び表示部を備えたものである。
【発明の効果】
【００５８】
本発明の電流検出型熱電対の校正方法では、校正用熱電対を備えており、加熱手段により校正用熱電対に大きな温度差△Ｔｒを発生させることができるので、容易に校正用熱電対の絶対熱電能Ｅｒｏを求めることができる。検出用熱電対も校正用熱電対と同一の条件で製作できるので、容易に高い精度で検出用熱電対を校正できるという利点がある。
【００５９】
本発明の電流検出型熱電対の校正方法では、校正用熱電対と検出用熱電対とが、同一の基板に薄膜熱電対として形成でき、しかも近接配置ができるので、校正精度を上げることができるという利点がある。
【００６０】
本発明の電流検出型熱電対の校正方法では、加熱手段としてジュール熱を利用するヒータを用いて基板の一部を熱し、温度差△Ｔｒを生じさせることもできるので、簡便な校正方法となる。
【００６１】
本発明の電流検出型熱電対の校正方法では、校正用熱電対の二つの接合部（温接点と冷接点）間の温度差△Ｔｒを、校正用熱電対と同一基板に形成した一対の温度センサで計測するので、高精度の校正が容易にできるという利点がある。
【００６２】
本発明の電流検出型熱電対の校正方法では、熱電対を構成する導体のうち、少なくとも一方の導体を、縮退する程度に高い密度の不純物を添加して、低抵抗化した半導体を用いると、高抵抗の半導体よりは熱起電力が一般に小さくなるが、それでも数分の一程度であるのに対して、抵抗は例えば4桁も小さくできるので、高感度の温度センサが提供できる。また、低抵抗化した半導体は、一般に金属よりは内部抵抗が大きいので、金属配線は抵抗が小さいので、熱電対の内部抵抗をほぼ低抵抗化した半導体の部分の抵抗（せいぜい１０Ω程度）として取り扱うことができる。従って、金属配線を用いてもこの部分の抵抗が小さいので、校正時に配線抵抗が無視できると言う利点がある。また、演算増幅器（ＯＰアンプ）を用いて電流変化を検出する際には、演算増幅器への入力抵抗を余り小さくできないので、この点からも低抵抗化した半導体を用いることは好都合である。
【００６３】
本発明の電流検出型熱電対の校正方法では、基板から熱分離した薄膜（例えば、宙に浮いた薄膜）であるカンチレバ、マイクロエアブリッジやダイアフラムなどに熱電対の一方の接合部（例えば、温接点）を形成した場合でも校正が容易である。
【００６４】
本発明の電流検出型熱電対の短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正方法により、電流検出型熱電対による微小短絡電流であっても、演算増幅器の温度ドリフトに基づくオフセットの変動を、マイクロヒータの加熱手段（電流検出型の熱電対自体をヒータとして利用してもよい）による既知の温度上昇分も利用できること、電流検出型の熱電対と同等な熱電対を新たに形成して差動動作をさせること、また、電流検出型の熱電対の内部抵抗と同等な抵抗を用いるなどして、補正し、更には校正することができるから、高精度の温度差検出センサが提供できる。
【００６５】
本発明の電流検出型熱電対では、同一基板に検出用熱電対と校正用熱電対および校正用熱電対の温度差検出用の一対の温度センサとを備えることができ、更にヒータも同様に形成できるから電流検出型熱電対の形状効果による内部抵抗の違いも補正して校正できるので、信頼性が高く、高感度で高精度の温度センサが提供できる。更に、ＭＥＭＳ技術を利用した大量生産性があり、小型で低コストの高感度、高精度の熱型の熱型赤外線センサなどへの応用も期待できる。
【００６６】
本発明の電流検出型熱電対では、複数個の熱電対のそれぞれに直列接続したスイッチを用いて、演算増幅器の反転入力端子に接続し、演算増幅器の仮想短絡（イマージナリショート）を利用して、それぞれの熱電対の出力を独立に取り出すことが出来るので、センサアレーである高感度の赤外線イメージセンサなどが提供できると言う利点がある。
【００６７】
本発明の電流検出型熱電対では、演算増幅器の非反転入力端子に熱電対（サーモパイルも含む）を接続する回路構成にでき、反転入力端子に抵抗ｒを接続すると、演算増幅器の仮想短絡（イマージナリショート）ために、抵抗ｒは熱電対の等価内部抵抗ｒｓと見做すことができる。従って、抵抗ｒを１０Ω程度の小さな抵抗に選べば、この小さな抵抗ｒが等価的に熱電対の等価内部抵抗ｒｓとなり、実際の熱電対の内部抵抗ｒｓ０が大きくとも所望の等価的な小さな内部抵抗ｒｓとして扱うことができるので、高感度の電流検出型熱電対が提供できると言う利点がある。
【００６８】
本発明の電流検出型熱電対では、熱電対に直列接続したスイッチを演算増幅器の反転入力端子に接続した回路を１つのユニットとして用い、さらに複数のユニットを備えて、それぞれの出力を独立に取り出すことが出来るようにし、これらの出力を更に別に設けた演算増幅器の仮想短絡を利用して、各熱電対に流れる電流を出力電圧として取り出すことが出来るので、センサアレーなどの高感度の温度差検出ができると言う利点がある。
【００６９】
本発明の電流検出型熱電対では、熱電対を搭載した薄膜の複数の小さなカンチレバを二次元アレー状に配列して、これを等価的に大面積の赤外線受光部とすることができる。これらの熱電対を並列接続して、電流を大きくなるようにすると共に、各受光部は小型であるから高速応答となり、二次元アレー配列により等価的に大面積の赤外線受光部を有する高速応答の熱型赤外線センサが提供できるという利点がある。
【００７０】
本発明の電流検出型熱電対の接合部を基板から熱分離した薄膜に形成できるので、熱容量と、熱コンダクタンスが小さくできる。したがって、微少の熱量で温度上昇が大きくできるので、高速で高感度の電流検出型熱電対が提供できる。
【００７１】
本発明の電流検出型熱電対を用いると、ヒータからの熱量を気体や液体の流れによる温度変化を高感度で、しかも高速で計測できるので、気体や液体のフローセンサ、周囲気体による放熱を計測する真空センサ、更には気体や液体の組成分析、発熱反応、赤外線や放射線の検出など、高感度で、高速応答の種々の熱型センサが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００７２】
以下、本発明の電流検出型熱電対等の校正方法、電流検出型熱電対、熱型赤外線センサおよび赤外線検出装置の実施例について、検出用熱電対を基板から熱分離した薄膜構造であるカンチレバ型やマイクロエアブリッジ型とした場合について、それらの図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００７３】
図１は、本発明の電流検出型熱電対とその校正方法を説明するための電流検出型熱電対を搭載したセンサチップ１の一実施例の斜視概略図である。ここでは、検出用熱電対２０を利用した熱型赤外線センサとして実施する場合で、校正用熱電対２１、校正のための一対の温度センサ１０１，１０２および自己発熱のヒータ１５０を搭載している。ｐ型のＳＯＩ層１１を有する基板１０（ＳＯＩ基板）を用い、そのＳＯＩ層１１に縮退する程度に高密度のリンなどのｎ型不純物を添加したｎ型拡散領域２２を検出用熱電対２０と校正用熱電対２１の一方の導体２０Ａとし、他方の導体２０Ｂを、例えば、ニッケル（Ｎｉ）にした場合で、ＳＯＩ層１１を主体して、薄膜のカンチレバ３０状に検出用熱電対２０を形成したときの例を示している。なお、熱電対の一方の導体２１Ａである縮退したｎ型半導体薄膜と他方の導体２１ＢであるＮｉとは、それぞれ温接点２６が正と負に帯電すること、更に単純な材料で、しかも縮退したｎ型半導体薄膜は電気抵抗が小さいにもかかわらず熱起電力が大きいので、本実施例では、熱電対材料として採用し、互いの熱起電力が相加わり大きくなるようにしている。また、図２は、図１における検出用熱電対２０を通る断面の概略図である。
【００７４】
本発明の電流検出型熱電対の検出用熱電対２０を利用して、これを熱型赤外線センサとして実施する場合は、次のようにして作成される。ＳＯＩ基板の薄いｐ型のＳＯＩ層１１（例えば、厚み２μｍ）を細長いカンチレバとして残して、ＭＥＭＳ技術でその下部に空洞４０を形成してあり、このカンチレバ３０にはリン不純物を１０２１ｃｍ−３程度の高密度に熱拡散して添加した縮退したｎ型半導体のｎ型拡散領域２２にしてあり、この上に形成してある薄いＳｉＯ２膜である絶縁薄膜５０を介して、その上には温接点２６が負に帯電する導体２０ＢであるＮｉ（ニッケル）薄膜を形成しておく。したがって、熱電対を構成する導体２０Ａ，２０Ｂとして、それぞれＳｉの縮退したｎ型半導体薄膜とＮｉ薄膜を用いており、カンチレバ３０の主材料にもなっている。基板１０としてのＳＯＩ基板のＢＯＸ層１２であるＳｉＯ２膜のうち、薄膜のカンチレバ３０の下部の空洞４０部分に対応する箇所は、むしろ、一度エッチング除去して、その後、保護膜として、薄いＳｉＯ２膜を形成しておいた方が、熱伝導と熱容量を可能な限り小さくする観点から好ましい。熱電対（検出用熱電対２０と校正用熱電対２１）の温接点２６となる接合部２５は、カンチレバ３０の先端付近に形成しておく。熱電対の他端の冷接点２７は、Ｓｉの基板１０（ヒートシンクとしての役目もする）上に形成したアルミニウム（Ａｌ）からなる電極６０や配線１１０を利用する。基板１０には、必要に応じ、演算増幅器などの周辺回路の一部を形成して、信号処理、増幅や温度センサとしての駆動などが行えるようにすると良い。
【００７５】
熱型の赤外線センサとして実施しているので、薄膜のカンチレバ３０の先端付近にある検出用熱電対２０の温接点２６に対応の接合部２５をカバーする領域に赤外線を吸収する赤外線吸収膜２００を薄膜状に形成して、赤外線の受光部２１０としている。
【００７６】
ここでは、図示していないが、検出用熱電対２０の温接点２６付近に赤外線の受光部２１０としての赤外線吸収膜２００を有するカンチレバや橋架構造、更にはダイアフラムをアレー状にして、それぞれを画素とするイメージセンサとして利用しても良い。
【００７７】
本発明の電流検出型熱電対の校正用熱電対２１は、例えば、検出用熱電対２０と同一のＳＯＩを有する基板１０の薄いＳＯＩ層に検出用熱電対２０と同一の寸法、もしくは、少し長めの寸法にして、しかも検出用熱電対２０と同一工程で、リン不純物を１０２１ｃｍ−３程度の高密度に熱拡散して添加した縮退したｎ型半導体とＮｉ（ニッケル）薄膜を形成して作成する。ただし、校正用熱電対２１は、検出用熱電対２０のようなカンチレバとはせずに、すなわち下地基板１５を空洞化しないでＳＯＩ基板に直に形成しておくと良い。
【００７８】
また、図1では、本発明の電流検出型熱電対の校正用の一対の温度センサ１０１，１０２として、それぞれ、ｐｎ接合ダイオードをダイオードサーミスタとして使用した場合を示している。この一対の温度センサ１０１，１０２と校正用熱電対２１および自己発熱のヒータ１５０を利用して、検出用熱電対２０を校正する仕方について述べる。まず、ｐｎ接合ダイオードをダイオードサーミスタとして使用するために、例えば、それぞれの温度センサ１０１，１０２としてのｐｎ接合ダイオードの順方向電圧0.60Ｖにおける順方向電流Ifの温度依存性を計測しておき（Ifは、絶対温度Ｔの逆数1/Tに対して指数関数的な依存性を示す）、そのIfの計測から温度センサ１０１，１０２の温度が分かるようにしておく。次に、ヒータ１５０にその電極パッド９０Ａ，９０Ｂを通して電流を流し、加熱して温度センサ１０１，１０２の温度差△Ｔｒを計測する。温度センサ１０１，１０２は、ヒータ１５０からの熱の流れに対して校正用熱電対２１の温接点２６と冷接点２７の位置に対応した箇所に形成してあるので、校正用熱電対２１の開放熱起電力Ｖｒから校正用熱電対の絶対熱電能Ｅｒｏを、Ｖｒ/△Ｔｒ として求める。このとき温度センサ１０１，１０２の温度差△Ｔｒは、例えば、３℃程度の大きな値にしておくと、校正用熱電対２１の開放熱起電力Ｖｒも誤差が少なく計測できる。次に、検出用熱電対２０の被測定温度付近における測定した内部抵抗ｒｓを検出用熱電対２０の電極パッド７０（７０Ａ、７０Ｂ）を通して計測しておく。また、検出用熱電対２０も校正用熱電対２１と同時に作成しているので同一の絶対熱電能Ｅｒｏを有すると見做す。熱型赤外線センサとしてのカンチレバ３０の先端に形成してある赤外線吸収膜２００に、被測定赤外線を照射したときにその吸収熱による基板１０に対する温度上昇分（温接点２６と冷接点２７の温度差）である被測定温度差△Ｔｓにより検出用熱電対２０に流れる短絡電流Ｉｓを計測する。短絡電流Ｉｓは、図３に示すように、演算増幅器（ＯＰアンプ）の入力端子は、イマージナリショートとして動作することを利用して計測することが出来る。短絡電流Ｉｓが帰還抵抗Ｒｆに流れると、演算増幅器の出力電圧Vsoは短絡電流Ｉｓと帰還抵抗Ｒｆの積（Ｉｓ・Ｒｆ）として観測される。帰還抵抗Ｒｆは既知で、出力電圧Vsoは観測可能であるから短絡電流Ｉｓを求めることが出来る。上述の（数１）を利用して、赤外線受光による検出用熱電対２０の被測定温度差△Ｔｓを求めることが出来る。なお、図3では、演算増幅器の非反転入力端子が直接アースに直結しているが、アースとこの非反転入力端子との間に図4のように抵抗Ｒｃを入れると出力電圧Vsoを大きくすると共に、ＯＰアンプのオフセット電圧調整が容易となる。抵抗Ｒｃと帰還抵抗Ｒｆが等しい値のときは、抵抗Ｒｃにも熱電対の短絡電流Ｉｓが流れるので、出力電圧Vsoは、図3に示した非反転入力端子が直接アースに直結している場合の2倍の出力が得られる。ただし、抵抗Ｒｃが大きいとS/Nが悪くなるので注意を要する。
【００７９】
実験によると、ＳＯＩ層１１に形成した導体２１Ａとしての縮退したｎ型拡散領域２２と導体２１ＢとしてのＮｉ薄膜の校正用熱電対２１における絶対熱電能Ｅｒｏは、約２００μＶ/Kであり、検出用熱電対２０の内部抵抗ｒｓは、約３０Ωであった。帰還抵抗Ｒｆを１００ＫΩとしたときに、演算増幅器の出力電圧Vsoが約８０ｍＶであったので、短絡電流Ｉｓは、８０μＡであり、検出用熱電対２０の赤外線照射による温度上昇分である被測定温度差△Ｔｓは、上述の数式２から０．１２℃となる。
【００８０】
熱電対の一方の導体として、上述のように金属（例えば、Ｎｉ）薄膜や半金属を用いた時には、金属や半金属の電気抵抗が、縮退した半導体薄膜に比べ、一般に極めて小さいので、縮退した半導体薄膜よりも薄く、且つ、細く形成しても良い。
【実施例２】
【００８１】
図５は、本発明の電流検出型熱電対とその校正方法を説明するための電流検出型熱電対を搭載したセンサチップ１の他の一実施例の斜視概略図であって、上述の図１と同様であるが、異なる点は、校正用熱電対２１の温度差を検出するための温度センサ１０１として異なる導体１２０Aと導体１２０Bからなる熱電対を利用した場合である。導体１２０Aと導体１２０Bを、例えば、金（Au）とニッケル（Ni）などとしてこの熱電対を形成することができる。
【実施例３】
【００８２】
上述の実施例１（図１）及び実施例２（図５）における基板に形成したヒータ１５０の代わりに、ここでは図示しないが、ヒータ１５０を別に作製しておき、このヒータ１５０を基板に近接させて用いるか、または、基板に接触させるかなどして、校正用熱電対２１と一対の温度センサ１０１，１０２（場合により温度センサ１０１のみ用いる）を利用して、上述の方法で検出用熱電対２０を校正することができる。
【実施例４】
【００８３】
図６には、本発明の電流検出型熱電対を熱型赤外線センサとして実施した場合のセンサチップの平面概略図を示す。また、図7には、図6におけるＡ−Ａ線における横断面図の概略図を示す。この熱型赤外線センサでは、基板１０から空洞４０と溝４１により熱分離されてあり、4本の梁３１で支持された薄膜５に形成された受光部２１０に赤外線吸収膜２００を形成してあり、この下に電流検出型熱電対（熱電対１２０）の接合部２５があり、そこが温接点２６となっている。4本の梁３１は、それぞれ熱電対１２０となっており、実施例では、ｐ型のＳＯＩ層１１に縮退するほど高濃度に不純物を添加してｎ型にしたｎ型拡散領域２２を形成して、この領域を熱電対１２０の一方の導体１２０Ａとし、シリコン（Ｓｉ）の熱酸化膜などの絶縁薄膜５０を介して他方の導体１２０Ｂが形成された構造にしている。すなわち、4本の梁３１と受光部２１０の直ぐ下の領域は、０．３μｍ程度の厚みの絶縁薄膜５０を一方の導体１２０Ａと他方の導体１２０Ｂとでサンドイッチにした構造になっている。このため、構造が簡単であると共に、薄く熱容量が小さい赤外線の受光部２１０が達成できる。また、熱電対１２０の冷接点２７となる基板１０上の電極６０では、熱電対１２０の導体１２０Ａと導体１２０Ｂが、それぞれ並列に接続となるように配線１１０を介して一括して二端子（電極パッド７０Ａ、７０Ｂ）となるように構成している。導体１２０Ａとしてのｎ型拡散領域２２はできるだけ低抵抗になるように、少なくとも５ｘ１０−２Ω・ｃｍ以下の低抵抗率になるようにすると良いし、ｎ型拡散領域２２とは、反対の符号のゼーベック係数の材料を選ぶ方が良いが、電気抵抗を小さくしたいので、電気抵抗が大きくなってしまうｐ型半導体よりも、むしろ、ゼーベック係数がそれほど大きくなくともニッケル（Ｎｉ）などの金属の電気抵抗が小さい材料を選択した方が良いことがある。
【００８４】
図６では、更に、絶対温度センサ１００として、ｐｎ接合ダイオード１０５を基板１０上に形成して、基板１０を基準温度とし、赤外線受光による受光部２１０の温度上昇分を検出できるようにしている。
【実施例５】
【００８５】
図８は、本発明の電流検出型熱電対を高速で大受光面積となる小型の薄膜のカンチレバアレー１３０からなる熱型赤外線センサとしての一実施例で、熱電対１２０を搭載した極めて小さいカンチレバ３０が二次元アレー状に形成してあり、各熱電対１２０は並列に接続されて一括して二端子となるように構成している場合である。なお、この熱電対１２０を構成する二種類の導体１２０Ａ、１２０Ｂは、図５に示した赤外線受光用のカンチレバ型薄膜上に形成された検出用熱電対センサ２０と同様に、絶縁膜を挟んだサンドイッチ構造の場合である。なお、図８に示す薄膜の各カンチレバ３０は、実際は絶縁膜を挟んだサンドイッチ構造であるが、二種類の導体１２０Ａ、１２０Ｂだけを示し、単純化して図示している。
【００８６】
このように、極めて小型の薄膜のカンチレバアレー１３０は、カンチレバ状の赤外線受光部を、二次元アレー状に形成しておき、これらを並列接続することにより、受光面積を等価的に大きくなるようにすると共に、熱時定数はそれぞれのカンチレバの寸法に依存するので、高速に動作するようにしている。
【００８７】
各熱電対１２０は、共有する垂直配線１１１と水平配線１１２を介して並列に接続されて、さらに一括して二つの端子１１５Ａ、１１５Ｂとなるように構成した二端子の赤外線受光による出力は、演算増幅器の仮想短絡を利用して、二端子間の各熱電対に流れる短絡電流の総和を検出して温度差を検出できるようにしているので、高感度で高速の熱型赤外線センサとなる。演算増幅器（ＯＰアンプ）は、カンチレバアレー１３０が形成されている基板と同一の基板１に形成すれば好都合である。
【実施例６】
【００８８】
図９は、本発明の電流検出型熱電対の一実施例を示す概略回路図であり、熱型赤外線センサに応用した場合を示すものである。赤外線吸収膜を形成した受光部２１０に形成している熱電対１２０を複数備えてあり、各熱電対１２０には、スイッチ３１０を直列接続してあり、それぞれスイッチ３１０により選択されて演算増幅器（同図では、ＯＰＡｍｐと記載している）の反転入力端子に接続している。受光部２１０は、カンチレバなどの基板から熱分離した薄膜に形成した方が良い。
【００８９】
スイッチ３１０として、ＦＥＴなどのアナログスイッチを用いても良いし、機械的なMEMS型の接触式のスイッチなどを用いても良い。これらのスイッチ３１０との組み合わせでマトリックス状に形成したカンチレバなどの受光部とした赤外線イメージセンサが提供できる。赤外線イメージセンサの受光部と同一の基板に、スイッチやＯＰアンプや集積回路などを形成しておくと良い。
【実施例７】
【００９０】
図１０は、本発明の等価的な電流検出型熱電対の一実施例を示す概略回路図であり、熱型赤外線センサに応用した場合を示すものである。熱電対１２０を演算増幅器（同図では、ＯＰＡｍｐと記載している）の非反転入力端子に接続するように構成した場合である。この構成では、実際には、熱電対１２０に電流がほとんど流れず、熱起電力のみ与えることになる。この回路構成では、熱電対１２０としては、ここには電流がほとんど流れず、熱起電力のみ与えることになるので、一対の熱電対ばかりでなく、熱電対を直列接続した熱電対（サーモパイル）を用いてもよい。
【００９１】
本実施例では、熱電対１２０を利用した熱型赤外線センサに応用した場合で、受光部２１０となる赤外線吸収膜２００の下に熱電対１２０の温接点２６を有している。このような回路構成により抵抗ｒには、この熱電対１２０の被測定温度差△Ｔｓに基づく開放熱起電力Ｖｓを抵抗ｒの値で除した短絡電流Ｉｓが流れるようになる。演算増幅器の帰還抵抗Ｒｆにもこの短絡電流Ｉｓが流れるように構成してあるので、演算増幅器の出力電圧Ｖｓｏは、Ｖｓ（１＋Ｒｆ／ｒ）で表現できるから、この出力電圧Ｖｓｏと、この熱電対（検出用熱電対）の予め用意してある開放熱起電力Ｖｓもしくは、別に用意した校正用熱電対の開放熱起電力Ｖｒと温度差との校正データを利用して利用して、被測定温度差△Ｔｓが算出できるようにしたものである。なお、校正用熱電対としては、検出用熱電対と不純物レベルも含めて同一熱電材料で形成してあるものを用いるか、少なくともこれに換算できるものを用いる。
【００９２】
更に詳述すると、このような回路構成にすることにより、熱電対１２０に発生した被測定温度差△Ｔｓに基づく開放熱起電力Ｖｓが、演算増幅器の仮想短絡（イマージナリショート）のためと、非反転入力端子には実質的に電流が流れないために熱電対１２０での電圧降下が無視できるから、熱電対１２０の本当の内部抵抗ｒｓ０の大きさによらず、反転入力端子に接続した抵抗ｒに全て印加されることになる。したがって、演算増幅器の入力側の熱電対１２０と抵抗ｒとアースとを含む閉回路（等価的な短絡回路）を考えると、抵抗ｒは等価的に熱電対１２０の等価内部抵抗ｒｓのように見做すことができる。このようなことで、抵抗ｒを小さな値に選択することにより、等価的に小さな内部抵抗の熱電対１２０が達成できたことにより、同一の熱起電力Ｖｓに対して大きな短絡電流Ｉｓが流れ、適当な帰還抵抗Ｒｆの選択により大きな出力電圧Ｖｓｏが取り出されるので、このような回路構成は、等価的な電流検出型熱電対と呼ぶにふさわしいと考えられる。
【００９３】
抵抗ｒは、固定抵抗として、例えば、１０Ωとしておくと、熱電対１２０の実際の内部抵抗ｒｓ０の大きさが、例えば、１００Ωあったとしても、熱電対１２０の等価内部抵抗ｒｓは抵抗ｒの値である１０Ωとなる。もし、赤外線を受光して熱型赤外線センサとしての熱電対１２０の熱起電力Ｖｓが、１ｍＶであるならば、短絡電流ＩｓはＶｓ／ｒ＝１００μＡとなる。帰還抵抗Ｒｆ＝１０ｋΩに選ぶと、演算増幅器の出力電圧Ｖｓｏは、１．０Ｖとなる。ここで注意を要するのは、抵抗ｒに対して帰還抵抗Ｒｆが大きすぎると、演算増幅器の出力電圧Ｖｓｏが演算増幅器の直流電源電圧よりも大きくなり、演算増幅器が飽和してしまうことである。また、熱電対１２０の実際の内部抵抗ｒｓ０が大きいと、ノイズが大きくなり、Ｓ／Ｎが小さくなる。特に、熱電対１２０として、熱電対を直列接続したサーモパイルを用いても良いが、内部抵抗が大きくなるので注意を要する。
【実施例８】
【００９４】
図１１は、本発明の等価的な電流検出型熱電対の一実施例で、実施例７における図１０と同様であるが、複数の熱電対を一個の演算増幅器を用いて、それぞれの熱電対１２０の出力をスイッチ３１０により選択して演算増幅器の出力電圧Ｖｓｏとして取り出す場合を示している。ここでは、熱電対１２０を熱型赤外線センサ（赤外線の受光部２１０を有している）に応用して、例えば、非冷却イメージセンサに応用した場合の回路構成図を示している。非冷却イメージセンサでは、極めて多数の受光部２１０を小さい面積に集積して形成するので、実際のセンサチップに形成する場合、基板上の配線を可能な限り共有して、配線の混雑を避けるようにすると良い。
【００９５】
一般に、スイッチ３１０としてアナログスイッチを使用すると、このアナログスイッチの内部抵抗が１００Ω程度と比較的大きいので、このアナログスイッチの内部抵抗を無視できるような回路にするために、熱電対１２０とこれに直列接続したスイッチ３１０とを演算増幅器の非反転入力端子に接続したものである。各スイッチ３１０のうち、オン状態のスイッチ３１０に接続された熱電対１２０の開放熱起電力Ｖｓが選択されて、その開放熱起電力Ｖｓが抵抗ｒに印加されて、短絡電流Ｉｓが上述の実施例７の図１０の場合と同様にして流れることになる。
【実施例９】
【００９６】
図１２は、本発明の等価的な電流検出型熱電対の一実施例で、実施例６における図９における構成回路を、実施例８における図１１に適用した場合を示している。ここでは、上述の実施例８における図１１と同様に熱型赤外線センサのアレー、例えば、非冷却イメージセンサに応用できるようにした場合の回路構成の概略図を示している。
【実施例１０】
【００９７】
図１３は、熱電対１２０と演算増幅器（ＯＰアンプ）との組み合わせによるユニットの概略図である。すなわち、一対の熱電対１２０と、仮想短絡を利用する演算増幅器（ＯＰアンプ）により熱電対１２０に流れる熱起電力に基づく短絡電流を電圧に変換する回路を、ユニットとして取り扱うもので、熱型赤外線センサのユニットとして受光部２１０に熱電対の温接点を形成している場合である。もちろん、受光部２１０は、基板から熱分離した薄膜上に形成した方が良い。このユニットを更に演算増幅器（ＯＰアンプ）の反転入力端子や非反転入力端子に接続して、上述の実施例の熱電対の代わりにこのユニットを用いると良い。
【実施例１１】
【００９８】
図１４は、本発明の電流検出型熱電対を熱型赤外線センサに応用した場合の一実施例を示す断面概略図である。熱電対１２０を同一の基板１０上に複数個形成し、熱型赤外線センサレーにしたもので、しかも、犠牲層５５の部分的なエッチング除去による空洞部４０で基板１０から熱分離した受光部２１０となる薄膜５を形成している。更に、この空洞部４０の下部に当たる領域の基板１０にスイッチ３１０などを含む熱型赤外線センサの周辺回路の一部である集積回路３００を設けてある場合の例である。熱型赤外線センサレーの受光部２１０には、赤外線吸収膜２００が形成されてあり、この部分は熱電対１２０の温接点２６となっている。また、各熱電対の冷接点２７はヒートシンクの役目を果たす基板１０上に形成されている。熱電対１２０の一方の導体１２０Ａは、ｎ型の縮退するほどの高不純物濃度の多結晶シリコン薄膜とし、他方の導体１２０Ｂには、例えば、ｎ型半導体（この場合、多結晶シリコン薄膜）とは、ゼーベック係数の符号が異なるニッケル（Ｎｉ）薄膜を用いると良い。図中使用した符号は、上述の他の実施例における符号と同様であること、また、公知の単結晶シリコンの基板１０を用いたＭＥＭＳ技術のプロセスでセンサチップ１が作成できることから、ここでは説明を省略する。
【００９９】
図１４に示す実施例では、熱電対１２０の一方の導体１２０Ａと他方の導体１２０Ｂは、架橋構造の薄膜５で、互いに反対側に延びている場合の例であるが、図１や図６に示したように、絶縁膜を一方の導体１２０Ａと他方の導体１２０Ｂとで挟むサンドイッチ構造にし、受光部２１０を支持する梁も同様にサンドイッチ構造にしても良い。
【０１００】
熱型赤外線センサレーを非冷却イメージセンサに応用するときなどは、各赤外線受光部２１０が一般に１個のピクセルになるので、これらの選択のためのスイッチや抵抗、コンデンサを含む集積回路３００が各ピクセルに近傍に形成し、しかも大きな赤外線量のための受光部の面積の割合を大きくさせる必要がある。このためには、本発明のこの実施例のように赤外線受光部２１０の裏側に位置する箇所に集積回路３００を形成することが有効である。
【実施例１２】
【０１０１】
図１５は、本発明の電流検出型熱電対の短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正方法の一実施例を説明するための電流検出型の熱電対を搭載したセンサチップ１の平面概略図とその演算増幅器の回路の概略を示したものである。同一の被測定温度差△Ｔｓが生じる箇所であるカンチレバ３０に、二対の熱電対２０、１２０を互いに熱起電力が逆向きに接続できるように形成してあり、スイッチSWを一方の熱電対２０側に切り替えたときに、カンチレバ３０の先端部と支持側に生じている被測定温度差△Ｔｓを計測できるようにしている。また、スイッチSWを他方の熱電対１２０の電極パッド７０R側に切り替えたときには、二対の熱電対２０、１２０の熱起電力が互いに打ち消し合うように逆向きに接続しているので、本来短絡電流が流れない。したがって、演算増幅器のオフセットがゼロになるべきであり、これを基準に演算増幅器（OP  Amp）の温度ドリフトなどに基づくオフセット分を校正するものである。
【０１０２】
なお、図１５では、SOI基板からなる基板１０のSOI層１１の全面に深く、高濃度のｎ型拡散領域２２を形成してあり、このSOI層１１からなるカンチレバ３０に、二対の熱電対２０、１２０を形成している。それぞれの熱電対２０、１２０では、熱電対を形成する１つの導体２０Aであるｎ型拡散領域２２の縮退した低抵抗の半導体層を、共通の導体として使用している。この温接点２６は、カンチレバ３０の先端部に位置する熱電対の接合部２５である電極６０のところであり、冷接点２７は、電極パッド７０Aの箇所である（基板１０は同一温度とみなしており、基板１０も冷接点２７と考えることができる）。熱電対２０、１２０を構成している他方の導体２０B,２０Rは、例えば、ニッケル（Ni）薄膜やアルミニウム（Al）薄膜などで形成できる。高温に晒すときには、白金や金などの酸化され難い金属薄膜が好適である。また、図１５では、絶対温度センサ１００としてのｐｎ接合ダイオードも基板１０に形成してあり、カンチレバ３０に形成した電流検出型の熱電対の冷接点２７の温度を計測できるようにしている。
【０１０３】
図１５では、図示しなかったが、カンチレバ３０を赤外線センサの受光部として利用することができる。この場合、カンチレバ３０の全面または先端部付近に金黒などの赤外線吸収膜を形成しておくと良い。もちろん、マイクロヒータと組み合わせて反応熱や流体検出用の各種の熱型センサとして使用することができる。
【実施例１３】
【０１０４】
図１６には、本発明の電流検出型熱電対の短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正方法の他の一実施例を示している。熱起電力が無視できる所定の抵抗１７０を備え、この抵抗１７０を同一もしくは異なる演算増幅器の入力段に接続できるようにしてあり、この電流検出型熱電対による演算増幅器の出力と、この抵抗による演算増幅器の出力とを比較できるように構成して、これらの比較データを基にして演算増幅器のオフセットを校正するようにした場合である。実施例１２の図１５と同様に、SOI層１１からなるカンチレバ３０に電流検出型の（検出用）熱電対２０を形成した場合である。
【０１０５】
ここでは、演算増幅器を図示しなかったが、実施例１２の図１５に示すように、一つの演算増幅器（OP  Amp）を用い、スイッチSWを使用して、演算増幅器の入力段に電流検出型の熱電対を接続する場合と、所定の抵抗１７０を電流検出型の熱電対の代わりに接続する場合とに切り替えるように回路を構成する。所定の抵抗１７０を接続した場合は、オフセット分がゼロになるはずであるから、これを基準に短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正をする場合である。この図１６では、抵抗１７０を基板１０に形成した場合であるが、電流検出型の（検出用）熱電対２０が形成してあるカンチレバ３０上に抵抗温度係数が極めて小さく、酸化され難いニクロムなどの金属抵抗薄膜で形成しても良い。なお、抵抗１７０の大きさは、電流検出型の（検出用）熱電対２０の電極パッド７０A、７０Bを含む系の内部抵抗に等しい抵抗値にする方が回路のバランス上、好適である。
【実施例１４】
【０１０６】
図１７は、本発明の電流検出型熱電対の短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正方法の他の一実施例を説明するための測定回路の概略図を示すものである。実施例１３の図１６の場合と同様に、熱起電力が無視できる所定の抵抗Rを使用して、演算増幅器（OP  Aｍｐ１）のオフセットを校正する場合であるが、この抵抗Rを異なる演算増幅器（OP  Aｍｐ２）の入力段に接続して、電流検出型の熱電対TCによる演算増幅器（OP  Aｍｐ１）の出力と、この抵抗Rによる演算増幅器（OP  Aｍｐ２）の出力とを差動増幅回路（OP  Aｍｐ３）で比較できるように構成して、これらの比較データを基にして演算増幅器のオフセットを校正するようにした場合である。なお、これらの３つの演算増幅器（OP  Aｍｐ１、OP  Aｍｐ２、OP  Aｍｐ３）は、同一の半導体チップのIC素子内に形成されているものが望ましいが、少なくとも、熱電対TC用の演算増幅器（OP  Aｍｐ１）と抵抗R用の演算増幅器（OP  Aｍｐ２）とは、同一の半導体チップに形成されているものが望ましい。また、抵抗Rも、実施例１３の図１６に図示したように電流検出型の熱電対TCが形成されている基板１０に形成した場合でも良いが、可能ならば、熱電対TCが作成してあるカンチレバ３０などの領域に一緒に形成することがノイズの除去の点からも望ましい。
【実施例１５】
【０１０７】
図１８は、本発明の電流検出型熱電対を用いた赤外線検出装置の一実施例を示すブロック回路図であり、赤外線検出装置の基本部には、電流検出型熱電対を利用した熱型赤外線センサ、演算回路部及び表示部を備えている。この例では、これらに電力供給のための電源回路部や赤外線検出装置として動作させるための駆動回路を含む各種の制御を行う制御回路部も備えた場合の例を示している。
【０１０８】
本発明の電流検出型熱電対、熱型赤外線センサ、赤外線検出装置および電流検出型熱電対の校正方法は、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、種々の変形が許容される。
【産業上の利用可能性】
【０１０９】
熱型赤外線センサを用いた体温計である鼓膜温度センサや放射温度計では、被測定物体の温度を小型で安価に計測するために、チョッパ無しで測定したいという要望がある。この場合、熱電対は、基本的に温度差のみを検出できるので、熱電対に赤外線吸収膜を備えた熱型赤外線センサとして利用すれば、その赤外線量を温度上昇分として検出してターゲットの温度を計測するのに好都合である。もちろん、温度センサの基準となる冷接点の絶対温度を知る必要があるが、この基準温度は、サーミスタを用いて絶対温度として検出しておき、この基準温度からの赤外線受光による温度上昇のみ（温度差のみ）を検出した方が、絶対温度だけを計測するサーミスタだけを用いるよりも、各種の校正において有利である。これは、サーミスタでは、温度差を検出するのに必ず補償素子を必要とするからである。
【０１１０】
従来、このために１本の熱電対では、感度が極めて小さいので、熱電対を多数直列接続し、それぞれの開放熱起電力が足し算になり、出力電圧の増加が見込めるサーモパイルを用いていた。しかし、サーモパイルは、極めて細い熱電対のパターン（例えば、２μｍ幅）を形成する必要があり、そのラインとスペースの幅が精度を要求し、高度な技術と高価な設備を必要としていた。
【０１１１】
これに対し、本願発明に係わる温度差の検出方法では、熱電対を電流検出型として利用するので、可能な限り内部抵抗の小さい材料で構成された熱電対を用い、ゼーベック係数が大きく、熱伝導率が小さな材料の薄膜で熱電対を構成し、この熱電対に流れる電流の内部抵抗が無視できる電流検出手段を用いて計測するものであるから、小さな熱起電力でも大きな電流が流れるので、高感度になる。しかしながら、特に半導体を利用した熱電対では、そのゼーベック係数が、不純物濃度とその分布及び不純物の種類などにより微妙に異なり、更に、内部抵抗が異なるので、何らかの校正が必要となった。
【０１１２】
本発明の電流検出型熱電対とその校正方法では、校正用熱電対と検出用熱電対とは、同一の基板に、かつ同時に形成した薄膜熱電対を用いることができるので、ヒータなどでの温度差形成により検出用熱電対と同一の性質を有する校正用熱電対を用いて高精度で校正することができるという利点があり、更に、検出用熱電対単体では校正が困難な耳式体温計などの赤外線を利用した放射温度計などが、上述の校正用熱電対を具備した高精度なセンサチップを用いることにより安価に提供できる。
【０１１３】
高精度の演算増幅器を用いるとそれほど問題にならないが、安価な演算増幅器を使用するときには、温度ドリフトなどに基づくオフセットの変動が生じ、極めて微小な入力電流を検出するときには、その補正と校正が必要になる。しかしながら、本願発明に係わる電流検出型熱電対の短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正方法では、別に形成した熱電対や所定の抵抗を用いて高精度に補正し、校正できるので、高精度な温度差計測用のセンサが提供できる。
【０１１４】
温度差の検出方法では、熱電対を電流検出型として利用するので、可能な限り内部抵抗の小さい材料で構成された熱電対を用い、ゼーベック係数が大きく、熱伝導率が小さな材料の薄膜で熱電対を構成し、この熱電対に流れる電流の内部抵抗が無視できる電流検出手段を用いて計測するものであるから、小さな熱起電力でも大きな電流が流れるので、高感度になる。しかしながら、特に半導体を利用した熱電対で
【０１１５】
また、熱電対を複数備えた熱型赤外線センサのアレーとして用いる、例えば、イメージセンサなどにおいては、各熱電対をスイッチで切り替えて時系列で選択してそれぞれの出力を表示する必要がある。本発明の電流検出型熱電対において、熱電対を演算増幅器の反転入力側に取り付ける構成でも、その各熱電対にスイッチを直列接続して用いてもよいが、スイッチの内部抵抗が大きい場合に問題となるので、各熱電対とこれに直列接続したスイッチを演算増幅器の非反転入力側に取り付けること、所望の小さい抵抗値の抵抗ｒを熱電対の代わりに演算増幅器の反転入力側に取り付けることによるスイッチの内部抵抗を無視できるように回路構成する、所謂、抵抗ｒを熱電対の等価的な内部抵抗に見えるようにする等価的な電流検出型熱電対を提案した。この等価的な電流検出型熱電対により、熱電対の内部抵抗が多少大きくなっても、また、スイッチの内部抵抗も多少大きくとも、それらの内部抵抗は、演算増幅器の反転入力側に取り付けた小さな抵抗ｒの値として取り扱うことができるので、好都合である。
【０１１６】
本発明の電流検出型熱電対では、熱型赤外線センサとして利用したときにその受光部の下に熱型赤外線センサのスイッチなどを含む周辺回路を集積回路として備えることにより、受光部のセンサチップの実質的な面積割合を大きくできるので、高感度でＳ／Ｎの大きい熱型赤外線センサが提供できる。
【０１１７】
本発明の電流検出型熱電対では、基板に絶対温度センサも組み込むことができること、また、この絶対温度センサも、ダイオードやトランジスタなどの半導体接合を用いたものにすることに好適であるので、全て、成熟した半導体微細加工技術で、しかも、現在の集積回路の主流であるシリコン単結晶を利用できるので、高精度なセンサチップが安価に提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１】本発明の電流検出型熱電対とその校正方法を説明するための電流検出型熱電対を搭載したセンサチップの一実施例の斜視概略図である。（実施例１）
【図２】図１における検出用熱電対２０を通る断面の概略図である。（実施例１）
【図３】本発明の電流検出型熱電対の測定回路の一実施例である。（実施例１）
【図４】本発明の電流検出型熱電対の測定回路の他の一実施例である。（実施例１）
【図５】本発明の電流検出型熱電対とその校正方法を説明するための電流検出型熱電対を搭載したセンサチップの他の一実施例の斜視概略図である。（実施例２）
【図６】本発明の電流検出型熱電対を熱型赤外線センサとして実施した場合のセンサチップの一実施例の平面概略図を示す。（実施例４）
【図７】図6におけるＡ−Ａ線における横断面図の概略図を示す。（実施例４）
【図８】本発明の電流検出型熱電対を高速で大受光面積となる熱型赤外線センサとしての一実施例である。（実施例５）
【図９】本発明の電流検出型熱電対の一実施例を示す概略回路図である。（実施例６）
【図１０】本発明の等価的な電流検出型熱電対の一実施例の回路構成で熱型赤外線センサに応用した場合を示す。（実施例７）
【図１１】本発明の等価的な電流検出型熱電対の他の一実施例の回路構成で、熱型赤外線センサに応用した場合を示す。（実施例８）
【図１２】本発明の等価的な電流検出型熱電対の一実施例で、熱型赤外線センサに応用した場合を示す。（実施例９）
【図１３】熱電対１２０と演算増幅器（ＯＰアンプ）との組み合わせによるユニットの概略図である。（実施例１０）
【図１４】本発明の電流検出型熱電対を熱型赤外線センサに応用した場合の一実施例を示す断面概略図である。（実施例１１）
【図１５】本発明の電流検出型熱電対の短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正方法を説明するための電流検出型の熱電対を搭載したセンサチップの一実施例の平面概略図と回路の概略図を示す。（実施例１２）
【図１６】本発明の電流検出型熱電対の短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正方法を説明するための他の一実施例におけるセンサチップの平面概略図を示す。（実施例１３）
【図１７】本発明の電流検出型熱電対の短絡電流検出用の演算増幅器のオフセットの校正方法の他の一実施例の回路概略図を示す。（実施例１４）
【図１８】本発明の電流検出型熱電対を用いた赤外線検出装置の一実施例を示すブロック回路図を示す。（実施例１５）
【符号の説明】
【０１１９】
１  センサチップ
５  薄膜
１０  基板
１１  ＳＯＩ層
１２  ＢＯＸ層
１５  下地基板
１６  カンチレバ支持部
２０  検出用熱電対
２０R  参照用熱電対
２０Ａ，２０Ｂ、２０R  導体  
２１  校正用熱電対
２１Ａ，２１B  導体
２２  ｎ型拡散領域
２５  接合部
２６  温接点
２７  冷接点
３０  カンチレバ
３１  梁
４０  空洞
４１  溝
５０、５１、５１、５２  絶縁薄膜
５５  犠牲層
６０、６０Ａ、６０Ｂ  電極
６１  合金層
６２  オーム性コンタクト
７０、７０Ａ、７０Ｂ、７０R  電極パッド
８０、８０Ａ、８０Ｂ  電極パッド
９０、９０Ａ、９０Ｂ  電極パッド
１００  絶対温度センサ
１０１、１０２  温度センサ
１０５  ｐｎ接合ダイオード
１１０  配線
１１１  垂直配線
１１２  水平配線
１１５A、１１５B  端子
１２０  熱電対
１２０Ａ，１２０Ｂ  導体
１３０  カンチレバアレー
１５０  ヒータ
１７０  抵抗
２００  赤外線吸収膜
２１０  受光部
３００  集積回路
３１０  スイッチ
【図１】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１３】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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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７】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１８】
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