(57)【要約】【課題】特定の表面に作用する外部の影響の動的な熱的「痕跡」を特定すること。【解決手段】上部に電子回路を有する基板を含む熱特性判定チップ。該電子回路は、半導体回路と該半導体回路上の薄膜回路とを含み、複数の熱領域を画定する。各熱領域は、該熱領域内の熱パラメータを変化させる外部の影響を受容するための受容表面の一部を画定する。前記電子回路は更に、各熱領域の熱パラメータを経時的に監視するための監視回路を含む。【選択図】図１
2004219413.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱特性判定チップであって、
上部に電子回路(10)を有する基板であって、該電子回路(10)が半導体回路(14)と該半導体回路の上部の薄膜回路(12)とを含む、基板を含み、
前記電子回路(10)が、複数の熱領域(T1,T2)を画定し、該熱領域(T1、T2)の各々が、該熱領域内の熱パラメータを変化させる外部の影響を受容する受容表面の一部を画定し、
前記電子回路(10)が更に、所定の検査期間にわたって前記各熱領域内の前記熱パラメータを監視するための監視回路を含む、熱特性判定チップ。
【請求項２】
前記熱パラメータが前記熱領域の温度である、請求項１に記載の熱特性判定チップ。
【請求項３】
前記熱パラメータが前記各熱領域に供給される電力レベルである、請求項１に記載の熱特性判定チップ。
【請求項４】
前記薄膜回路(12)が、前記各熱領域(T1,T2)から該チップの残りの部分への熱伝達速度を低下させるための少なくとも１つの熱障壁層(28)を含む、請求項１に記載の熱特性判定チップ。
【請求項５】
前記熱領域(T1,T2)間に所与の度合いの熱隔離を提供する熱隔離機構を更に含む、請求項１に記載の熱特性判定チップ。
【請求項６】
前記熱隔離機構が、前記複数の熱領域(T1,T2)を互いに物理的に分離させる物理的な溝部(30)である、請求項５に記載の熱特性判定チップ。
【請求項７】
前記薄膜回路(12)が、前記各熱領域(T1,T2)を加熱するための薄膜抵抗(22)を形成する、請求項１に記載の熱特性判定チップ。
【請求項８】
前記監視回路が、所定のサンプリングレートで前記熱パラメータをサンプリングするサンプリング回路を含む、請求項１に記載の熱特性判定チップ。
【請求項９】
前記各熱領域が特徴となる熱時定数を有し、前記サンプリングレートが該時定数の逆数と等しく又は該逆数よりも大きい、請求項８に記載の熱特性判定チップ。
【請求項１０】
動的な熱的な痕跡を生成する方法であって、
複数の熱領域(T1,T2)を画定する半導体(14)及び薄膜回路(12)を含む電子回路(10)を有する基板を配設し、前記複数の熱領域の各々が受容表面の一部を画定し、
熱パラメータが変化するよう前記受容表面を通過する熱流束に影響を与える外部の影響に該受容表面を接触させ、
前記複数の熱領域(T1,T2)の各々の前記熱パラメータを経時的に監視する、
という各ステップを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、例えば外部の影響の熱的な「痕跡」を特定するための装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
様々な用途において、特定の表面に作用する外部の影響の動的な熱的「痕跡」を特定できることが望ましい。動的な熱的痕跡は、２次元表面上の熱パラメータの経時的なマッピングと見なすことができる。動的な熱的痕跡に関する情報が得られると、用途に応じて、更なる処理、操作、及び表示等を行うことができる。例えば、「ラボ・オン・チップ(lab on a chip)」用途の一部として、極めて小さな化学反応の熱的痕跡を基板上で特定することが望ましい場合がある。これを行うために、反応が生じるエリア上で、熱流束及び／又は「温度」対「位置」及び「時間」を判定できることが有用である。この情報から、微小反応の熱特性判定及び進展を正確に追跡することができる。場合によっては、複数の異なる熱領域に所望の不均一な温度を時々刻々と加えて幾つかの反応を生じさせることが望ましいこともある。外部の物質の熱特性の変化のために不均一で動的な熱的挙動を用いることもでき、これは動的な表示装置として用いることが可能なものとなる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
熱特性判定チップは、電子回路を上部に有する基板を含み、該電子回路は、半導体回路と該半導体回路の上部の薄膜回路とを含み、該電子回路が複数の熱領域を画定し、該複数の熱領域の各々が、その熱領域内の熱パラメータを変化させる外部の影響を受容するための受容表面の一部を画定し、該電子回路が、所定の検査期間にわたって各熱領域内の熱パラメータを監視するための監視回路を含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００４】
本発明の一実施形態は、外部の影響の動的な熱的痕跡を得るための装置及び方法に関するものである。該装置は、半導体チップであり、本書では「熱特性判定チップ」又は単に「チップ」と称する。熱特性判定チップは、通常は物質又は物体と熱特性判定チップの受容表面との間の物理的な接触を伴うあらゆる外部の影響（熱的、化学的、電気的、又は磁気的影響など）による作用を測定することができる。該物質又は物体は、固相、液相、若しくは気相、又はそれらの組み合わせを有することができる。該物質又は物体は、例えば、生組織、化学物質、化学物質の化合物又は反応物、細胞物質などを含むことができる。外部の影響が熱特性判定チップの受容表面と接触すると、その外部の影響がチップの受容表面の熱パラメータを変化させる。変化する熱パラメータとしては、例えば、受容表面の温度や、受容表面において所定の温度を維持するために必要となる電力レベルを用いることができ、又は受容表面を通る熱流束を用いることができる。
【０００５】
チップの受容表面は、複数の熱領域に分割され、その各熱領域が別個に制御可能となり監視される。特定の実施形態では、受容表面の複数の熱領域は、２次元のアレイに物理的に配列される。チップ内の監視回路は、検査中に各熱領域毎に別個に熱パラメータを監視する。該監視回路により生成されるデータは、外部の影響の動的な熱的痕跡を共に構成するものとなる。該動的な熱的痕跡は、経時的な熱パラメータの２次元マッピングである。
【０００６】
図１は、熱特性判定チップの特定の実施形態を示している。該チップは、基礎をなす基板（図１には図示せず）を含み、該基板上に電子回路及びデバイス層10が配置される。該電子回路及びデバイス層10は、半導体回路14と、該半導体回路14の上部の薄膜回路12とを含む。該電子回路及びデバイス層10は、複数の熱領域を画定し、該複数の熱領域が共にチップの受容表面を構成する。符号T1,T2は、熱特性判定チップの受容表面上の２つの例示的な熱領域を表しているが、図示のように、電子回路及びデバイス層は、複数の熱領域を含み、その具体的な数は特定の用途によって決まる。以下で一層詳細に説明するように、薄膜回路12はそれ自体が複数の層を含むことができ、その各層が特定の機能を有するものとなる。概して言えば、薄膜回路層12は、外部の影響を受容し捕捉するよう構成される。半導体層14は一般に、チップ上の熱領域を別個に監視し、検出し、及び／又は制御するための回路を含む。
【０００７】
ここで図２及び図３を参照して、薄膜層12及び半導体層14の実施形態について一層詳細に説明する。図２は、図１に示す熱特性判定チップを部分的に拡大して示す平面図である。図２が平面図であるため、薄膜層12の受容表面の（熱領域T1を含む）拡大部分しか見ることができない。図２に示すように、各熱領域は、開口した「溝部」16により包囲することが可能であり、該溝部が、熱領域間の熱的な隔離を提供する。図面は簡略化されているので、各熱領域を完全に包囲する溝部が示されているが、熱特性判定チップにわたる薄膜電源バスの引き回しを可能にするために該溝部に中断部分が形成されることになると思われる。該電源バスは、熱領域に関連する（以下で説明する）薄膜抵抗に電源を供給するのに好ましいものである。一実施形態では、該電源バスは、各熱領域に対する熱の影響を最小限に抑えるために、熱領域の対角線を横切って引き回される。
【０００８】
図３は、図２に示す熱特性判定チップの拡大部分の概略的な断面図である。図３に示すように、薄膜層12は、複数の異なる層から構成することが可能である。上部層は、導電材料層20とすることが可能である。該導電層20は、電源（図３には図示せず）から電流を受容し、各熱領域に関連する（以下で説明する）薄膜抵抗にエネルギーを供給するよう構成される。上述のように、電源は、薄膜電源バスを介して電流を供給することが可能である。導電層20の下は、例えばタンタルアルミニウム又は窒化タングステンシリコン（すなわちTaAl又はWSiN）といった抵抗材料層22である。各熱領域の抵抗層22は、先に参照された、各熱領域のための薄膜抵抗を含む。一実施形態では、各熱領域の抵抗層22は、その温度の変化に応じて抵抗が変化するように、温度依存性の可変抵抗を有する。該抵抗層22の下にはパッシベーション層24があり、これは例えば窒化シリコンから構成することが可能である。該パッシベーション層24は、抵抗層22を（以下で説明する）熱導体層26から隔離させて、該熱導体層26が導電体である場合に電気的な短絡を防止するよう構成される。パッシベーション層24の下には熱導体層があり、これは例えばアルミニウムから構成されることができる。各熱領域の熱導体層26は、関連する抵抗層22（薄膜抵抗）により消散される熱エネルギーに応じて温度を変化させるよう構成される。最後に、熱導体層26の下には熱障壁層28があり、これは熱導体層26と半導体層14との間の熱的な隔離を提供するよう構成される。該熱障壁層28は、熱導体層26の熱消散を制限し、更に該熱導体層26に関連する熱変化から半導体層14を保護するものとなる。薄膜層12は、導電層20上のパッシベーション層（図示せず）といった他の層を更に含むことが可能である。
【０００９】
薄膜層12の熱障壁層28の下には（以下で一層詳細に説明する）半導体デバイス層14があり、これは下層をなす基板18上に配置される。該基板は、シリコン等の集積回路を構成するための既知の種々な材料から作成することが可能である。必ずしも必要ではないが、溝部16は、符号30で示すように半導体層14及び下層をなす基板18の中まで延びて、熱領域とそれに関連する半導体層14内の温度制御の場所との間に更なる熱的な隔離を提供することができる。
【００１０】
図４は、熱特性判定チップの受容表面の熱領域（例えばT1,T2）を概略的に示し、更に制御回路をブロック図で示している。図４では、熱領域（例えばT1及びT2）は、物理的に２次元のアレイに配列される。図４は更に、熱特性判定チップの各熱領域が「選択」信号（図４に「列選択」110(a)及び「行選択」110(b)として示す）と電気的に連絡していることを示している。該「選択」信号は、システム制御及び入力／出力118により制御される。「選択」信号は、チップ内の様々な熱領域の温度を選択的にかつ別個に制御するために、及び各熱領域に関する熱領域出力信号を時間と共に選択的にかつ別個に検知するために使用される。本質的には、「列選択」信号110(a)及び「行選択」信号110(b)は、２次元アレイ内の各熱領域毎の一意の一組の座標を規定するために用いられる。該一意の座標を用いることにより、各熱領域を別個に及び排他的に制御し及び検知することができる。図４は更に、熱領域出力信号バス111を示しており、該バスを介して、各熱領域毎の熱領域出力信号（V-Flux）が、どの熱領域が選択されるかに依存して出力される。該熱領域出力信号は、システム制御及び入力／出力118によって処理され出力される。
【００１１】
ここで、熱領域を制御し監視するための図５に示す更に詳細な例示的な制御回路について説明する。一実施形態では、該制御回路は、図３に示すように、半導体層14としてデバイス内に集積化される。この本発明の実施形態によれば、制御及び監視回路の目的は、外部の熱的な影響にかかわらず、各熱領域の温度を設定温度に維持することにある。各熱領域の温度は、各熱領域内の薄膜抵抗を介して供給される電力（電流）を調整して、外部の影響による作用を相殺するよう薄膜抵抗の熱消散を増減させることにより、維持される。各熱領域の設定温度を維持するために必要となる電力の変化は、外部の影響の熱特性に対応するものとなる。
【００１２】
図５の上方には複数の熱領域（例えばT1,T2）が示されている。３つの熱領域（熱領域1,熱領域2,熱領域n）がアレイ内に示されているが、本開示に照らして当業者が容易に理解できるような態様で、一層多くの（又は一層少ない）熱領域をアレイ内に接続することが可能である。各熱領域内の薄膜抵抗22は、図５では抵抗R1として概略的に示されている。該抵抗R1は、その関連する熱領域を加熱するために該抵抗中を流れる電流の量に関連して熱エネルギーを消散する。抵抗R1は、その抵抗レベルが温度に依存するような可変抵抗を有する。電源116は、各熱領域1〜nの抵抗R1に定電圧を供給する。図３に関して上述したように、該電圧は各熱領域の導電層20に供給される。電源116からの定電圧の公称値は、本発明に密接に関連するものではなく、純粋に設計上の選択事項である。該定電圧は事実上、抵抗R1の上側ノードに一定の「基準」電圧レベルを確立する。各抵抗R1は、個々のトランジスタQ1と直列に接続され、該トランジスタが駆動された際にグランドへの電流経路が提供される。トランジスタQ1は事実上、制御信号に依存する可変抵抗として機能する。これは、トランジスタQ1のゲートに印加される電圧レベルが増大した際に該トランジスタQ1の両端の固有抵抗が低下するからである。したがって、所与の熱領域に関し、（電源116から定電圧が供給された）導電層レベル20にわたる全抵抗は、R1とQ1の固有抵抗との和となる。このため、各熱領域毎に、抵抗R1及びトランジスタQ1が事実上、分圧回路を形成する。
【００１３】
抵抗R1とトランジスタQ1との間のノードの電圧レベル（熱領域出力信号）が検出され、演算増幅器OP1に「フィードバック」信号として提供される。その目的は以下で説明する。熱領域出力信号はT-gate1を介して制御され、該信号はシステム制御及びI/O 118からの選択信号110によって選択的にアクティブにされる。選択信号110は、各熱領域毎にT-gate2を選択的にアクティブにするものでもあり、各熱領域毎に一意の識別を有するディジタルワードとすることが可能である。これにより、各熱領域毎のT-gate1及びT-gate2を、他の熱領域に関するT-gateとは別個にアクティブにすることが可能となる。実際に、選択信号110として機能するディジタルワードは、チップ内の各熱領域を一意に識別する「列選択」部分及び「行選択」部分の両方を実施することが可能である。選択信号110は、システム制御及びI/O 118によって生成される。例えば、選択信号110が熱領域1に関連する値を有する場合には、T-gate1(a)及びT-gate2(a)が両方ともアクティブにされ、関連する熱領域との間の信号経路をそれぞれ提供する。T-gate1を介した信号経路は、抵抗R1とトランジスタQ1との間のノードの電圧レベルを、フィードバック信号として演算増幅器OP1に提供することを可能にし、T-gate2を介した信号経路は、演算増幅器OP1の出力信号109をトランジスタQ1のゲートに供給することを可能にする。OP1の出力信号109が（各熱領域1〜n毎の）各トランジスタQ1のゲートを制御するため、制御信号109は各トランジスタQ1に関連する可変抵抗を制御する。
【００１４】
演算増幅器OP1の出力信号109はまた、「基準領域」120の一部であるトランジスタQ2のゲートを制御する。基準領域120は、熱領域（例えばT1,T2）から熱的に隔離され、一般に各熱領域が比較の対象とすることができる基準を提供するために、及び熱領域1〜nの温度を示す（後述する）最終的な出力信号V-Flux 111を提供するために用いられる。基準領域120は、抵抗R2と（OP1制御信号109から）ゲートへの入力電圧に依存する可変固有抵抗を有するトランジスタQ2とを含むという意味で、熱領域1〜nの各々の基本的な分圧回路構造と電気的に鏡像をなすものである。各熱領域1〜nと同様に、基準領域120には、電源116から一定の電圧レベルが供給される。出力信号V-Flux 111は、抵抗R2とトランジスタQ2との間のノードから得られ、T-gate3を介してA-Dコンバータ112の入力端子に提供される。V-Flux 111信号は、A-Dコンバータ112によってアナログ電圧信号からディジタルワード出力へと変換され、ディジタルワードとしてシステム制御及びI/O 118に提供される。以下で説明するように、A-Dコンバータ112によりシステム制御及びI/O 118に提供されるディジタルワードは、選択信号110によって現在アクティブにされている特定の熱領域1〜nの温度変化を示すものである。この特定の実施形態は、A-Dコンバータを用いてアナログV-Flux信号からディジタルワード出力を生成するが、V-Flux信号はまた、ディジタルワードへと変換することなくアナログ回路で処理し操作することが可能である。
【００１５】
上述のように、熱領域1〜nから出力信号として導出されるフィードバック信号108は、演算増幅器OP1への１つの入力である。演算増幅器OP1への他の入力信号は、D-Aコンバータ107により提供される設定電圧信号である。設定電圧信号は、最初に各熱領域で所望の設定「基準」温度を確立するために熱領域1〜nに供給するのに適した、対応する設定温度を表すものである。D-Aコンバータ107への入力は、システム制御及びI/O 118により提供されるディジタルワードである。この本発明の特定の実施形態は、本書では、設定電圧信号を提供するためにD-Aコンバータ107を有するものとして説明してきたが、本発明の範囲内で、設定電圧を提供する多数の他の方法（演算増幅器OP1にアナログ設定電圧を直接提供することを含む）を採用することが可能である。
【００１６】
この特定の実施形態の上記構成は、外部の影響（すなわち外部の物質）の熱的な「痕跡」を検知する機能を実行するのに十分なものであるが、更なる機能を実行するための更なる信号経路が図５に示されている。例えば、V-Flux信号111とフィードバック信号入力108との間にT-gate4を介して信号経路114が設けられる。該T-gate4は、システム制御及びI/Oからのイネーブル信号に応じて選択的にアクティブにされる。（「非選択」を示す選択信号110を提供することにより）熱領域1〜nからの全ての出力信号を選択的に非アクティブにし、及びT-gate4をアクティブにすることにより、演算増幅器OP1に提供されるフィードバック信号が、熱領域1〜nのうちの１つからではなく基準領域120の出力から提供される。この動作モードは、較正のために有用なものとなる。通常の動作時には、T-gate4は通常は非アクティブにされる。
【００１７】
同様に、信号経路113は、上述の回路の実施形態に更なる機能を提供する。信号経路113は、T-gate5を介して各熱領域1〜nのT-gate1とA-Dコンバータ112の入力端子との間に延びる。該T-gate5は、システム制御及びI/O 118からのイネーブル信号に応じて選択的にアクティブにされる。信号経路113は、事実上、各熱領域1〜nからの出力電圧信号をA-Dコンバータに直接供給して該A-Dコンバータ112によりディジタル出力ワードに復号化することを可能にする。例えば、T-gate3が非アクティブにされ、T-gate5がアクティブにされた場合には、A-Dコンバータに供給される入力信号は、選択信号110によりアクティブにされた特定の熱領域1〜nの抵抗R1とトランジスタQ1との間のノードから導出されることになる。この動作モードもまた、較正、検査、及び／又は単なる異なる動作モードのために有用なものとなる。通常の動作時には、T-gate5は通常は非アクティブ状態にされることになる。
【００１８】
ここで、図５及び図６を参照して上記回路を動作させる例示的な方法について説明する。一般に、図６のステップ701,703に示すように、外部の影響の結果としての熱領域の温度変化を監視する前に、各熱領域1〜nについて公称設定温度が画定される。各熱領域1〜nは、１つずつ設定温度に初期化される。すなわち、選択信号110が、Q1のゲートへの入力電圧信号を受信するよう（T-gate1,2をアクティブにすることにより）各熱領域を１つずつアクティブにし、熱領域における所望の設定温度を確立する。この目的を果たすために、所望の設定温度を示すディジタルワードがシステム制御及びI/O 118によりD-Aコンバータ107に提供される。該ディジタルワードは、図５に「設定」信号として示すアナログ電圧信号へと変換され、該「設定」信号が演算増幅器OP1の入力端子に供給される。公称設定温度は、各熱領域について同じ値とすることが可能であり、また所定のパターンで１つの熱領域と次の熱領域とで異ならせることが可能である。
【００１９】
上述のように、演算増幅器OP1の他方の入力端子に提供されるフィードバック信号108は、熱領域1〜nの出力信号から導出される。演算増幅器OP1の出力は、熱領域1〜nのゲートに提供される出力信号109（電圧信号であると考えられる）であり、事実上、熱領域1〜nの可変固有抵抗を制御する。本開示に照らして、本書に記載した回路の構成が抵抗R1とトランジスタQ1との間の各熱領域の出力ノードに定電圧レベルを画定するよう機能することが当業者には理解されよう。その結果として、各熱領域1〜nは、抵抗R1の上側のノードに（電源116により）定電圧レベルが印加され、また（演算増幅器OP1を介したフィードバックループの結果として）抵抗R1とトランジスタQ1との間の出力ノードに定電圧レベルが画定されることになる。したがって、R1の両端の電圧降下は、最初は各熱領域1〜n毎に一定レベルに固定されることになる。抵抗R1を流れる電流は、抵抗R1の両端の電圧降下に対応する熱エネルギーを消散し、その結果として、熱領域（デバイスの熱導体層26）の温度が設定温度に等しくなる。
【００２０】
各熱領域1〜nが設定温度に「初期化」されるため、演算増幅器OP1からの同じ出力電圧信号109が基準領域120のトランジスタQ2のゲートにも供給される。該基準領域が電源116により供給される定電圧もまた受信することを想起されたい。その結果として、抵抗R2とトランジスタQ2との間の電圧レベル（すなわちV-Flux 111）は、最初に熱領域1〜nの抵抗R1とトランジスタQ1との間の電圧レベルに等しくなるよう設定される。このようにして、出力信号（V-Flux 111）は、最初に各熱領域1〜nの（抵抗R1とトランジスタQ1との間のノードにおける）出力信号と鏡像をなすものとなる。本書で説明するように、出力信号V-Flux 111は、熱領域の温度をその設定温度に維持するために必要となる電力（電流）の変化を示すものとなり、ひいては外部の影響の熱特性に対応するものとなる。出力信号V-Flux 111は、A-Dコンバータの入力端子に提供されてディジタルワードへと変換される。アナログ／ディジタルコンバータ112により生成される複数のディジタルワード（各熱領域の各サンプリング毎に１つずつ）は、熱特性判定チップの出力を構成し、外部の影響の熱的な「痕跡」を示すものとなる。
【００２１】
各熱領域1〜nが所望の設定温度に初期化された後、図６のステップ705に示すように、各熱領域1〜nの定常状態出力が監視されて、熱特性判定チップの受容表面に関する「基準」が確立される。各熱領域1〜nは、以下で詳述するように、各熱領域を順に周期的にアクティブにし、及び該熱領域に関する出力信号V-Flux 111をサンプリングすることにより、監視される。
【００２２】
各熱領域1〜nが所望の設定温度に初期化され、及び定常状態電力レベルが監視され判定された後、熱特性判定チップは、外部の影響により引き起こされる熱領域の温度変化を監視し検出することができる状態になる。図６のステップ707に示すように、あらゆる物体又は物質といった外部の影響は、薄膜層12の受容表面と接触させて配置することができる。次いで、ステップ709に示すように、（外部の影響の結果として生じる）各熱領域の電力密度の変化が、以下で説明する態様で時間と共に監視される。
【００２３】
外部の物体又は物質からの様々な温度は、各熱領域1〜nの抵抗層22（すなわち抵抗R1）の温度に影響を及ぼす。例えば、外部の影響の温度が、接触している熱領域の温度よりも低い場合には、外部の影響が該熱領域からエネルギーを吸収し、これにより該熱領域及び抵抗R1の温度が下がる傾向にある。抵抗R1の温度の変化は、抵抗R1の両端の電圧の変化を生じさせる傾向を有するものである。しかし、（T-gate1を介して「フィードバック」信号108として演算増幅器OP1に入り、及びT-gate2を介してトランジスタQ1のゲートに至る）フィードバックループは、抵抗R1とトランジスタQ1との間のノードの電圧レベルを強制的に設定電圧にする傾向を有する。抵抗R1とトランジスタQ1との間のノードの電圧レベルが、外部の物質の温度の影響の結果として変化し始めると、演算増幅器OP1へのフィードバック信号108が変化する。演算増幅器OP1は、フィードバック信号を電圧設定信号と等しくさせる傾向を有する。したがって、トランジスタQ1のゲートに加えられるOP1の出力信号109は、抵抗R1とトランジスタQ1との間のノードにおける所望の定電圧レベルを維持するようにトランジスタQ1の固有抵抗を調整する。抵抗R1を流れる電流の量は、トランジスタQ1の固有抵抗の変化に応じて変化し、その結果として、熱領域の温度を設定温度に維持するように抵抗R1により消散される熱エネルギーが変化することになる。こうして、（外部物質の影響により引き起こされる）R1の抵抗の変化は、最終的には、抵抗R1とトランジスタQ1との間のノードにおける当初の電圧レベルを維持するようにQ1の固有抵抗を変化させるものとなる。
【００２４】
OP1の出力信号109は基準領域120のトランジスタQ2にも提供されることを想起されたい。したがって、トランジスタQ1の固有抵抗がOP1の出力信号109により調整される際に、トランジスタQ2の固有抵抗もまた調整される。しかし、（基準領域120の）抵抗R2の抵抗は温度に依存しないものであり、及び／又は基準領域120は熱領域1〜n及び外部の影響から熱的に隔離される。それゆえ、トランジスタQ2の固有抵抗が変化する際には、それに比例して出力信号V-Flux 111も変化する。その結果として、V-Flux 111の変化は、熱領域1〜nのうちの１つ（すなわち選択信号110に応じてアクティブにされた熱領域）の電力密度の変化を示すものとなる。該電力密度の変化は外部の影響の熱特性に対応するものである。V-Flux出力信号111は、T-gate3を通してA-Dコンバータ112の入力端子に提供され、該A-Dコンバータ112において、アナログ出力信号V-Flux 111が、更なる処理や表示その他にとって適したディジタルワードへと変換される。
【００２５】
本発明の上記の実施形態によれば、各熱領域は、選択信号110に応じて別個にかつ排他的にアクティブにされる。それゆえ、上述のように、熱領域1〜nを所望の設定温度に初期化する際には、各熱領域が１つずつ初期化される。同様に、熱領域1〜nが外部の影響を検知する際には、外部物質の結果としての熱領域の任意の温度変化を引き出すために各熱領域1〜nが別個にかつ排他的にサンプリングされる。具体的には、選択信号110に応じて、特定の時点で１つの熱領域1〜nが（T-gate1,2をアクティブにすることにより）アクティブにされる。特定の熱領域がアクティブにされると、フィードバックループは、該アクティブにされた熱領域からの出力信号に依存し、その結果として、OP1出力信号109が該アクティブにされた熱領域に依存するものとなる。基準領域120のトランジスタQ2、及び最終的には出力信号V-Flux 111が、OP1出力信号109に依存するため、A-Dコンバータにより生成されるディジタルワードは、外部の影響による温度変化の結果として生じるアクティブにされた熱領域の電力密度の変化を示すものとなる。したがって、システム制御及びI/O 118は、一般に、時間と共に各熱領域を有効に「サンプリングする」ために、選択信号110が熱領域1〜nを連続して１つずつアクティブにするようにする。このため、各熱領域1〜nは、システム制御及びI/O 118により決定される特定のサンプリングレートでサンプリングされる。A-Dコンバータ112により生成されるディジタルワードは、システム制御及びI/O 118又は本実施形態では示していない他の回路により、例えば、格納し、操作し、又は処理することができる。
【００２６】
上記のようにして、熱特性判定チップは事実上、一定の温度プロファイルを維持するために必要とされる電力レベルの変化を測定する。各熱領域毎の電力レベルの変化が時間と共に各熱領域毎に測定される。所与の熱領域について、経時的な電力レベルの変化は、その特定の熱領域に関する「熱的な痕跡」を構成し、２次元アレイに配列された個々の熱領域に関する複数の熱的な痕跡は、外部の影響全体についての熱的な痕跡を構成する。外部の影響に対する「熱的な痕跡」を構成するデータは、図６のステップ711に示すように、動的な熱的な痕跡の（人が視認することができる）表現の生成といった様々な方法で処理し表示することが可能である。
【００２７】
本発明の上記の実施形態では、熱領域1〜nのサンプリング周波数を該熱領域の熱時定数及び／又は検知すべき外部の物質の特定のタイプに基づいて画定することが有用である。所与の熱領域に関する熱時定数は、比較的熱い熱領域が温度検知チップ10の残りの部分に対して冷たくなる速度に関連する該熱領域の材料特性である。熱時定数は、熱領域の熱容量、及び熱領域から熱が流出するのを妨げることが可能な熱障壁といった、様々な要因による影響を受ける。所与の熱領域の熱時定数を画定するための１つの方法として、ヒータ入力等の駆動機能が存在しない場合に１つの熱領域の温度を1／e倍だけ下げるのに要する時間τが挙げられる。該熱時定数τは、当業者に既知の様々な熱伝達モデル（例えば「集中キャパシタンス」モデル）を用いた推定により決定することが可能である。この場合には、1／τ又はそれ以上の周波数で各熱領域のサンプリングを行って外部の影響に関する精確な２次元の動的な痕跡を得ることが有用である。
【００２８】
更に、熱領域1〜nをサンプリングする周波数は、監視すべき外部の物質の予想されるタイプによる影響を受ける可能性がある。。上記実施形態では、システム制御及びI/O 118は、選択信号110が異なる熱領域を選択的にアクティブにする速度を増減させることにより、温度変化の検出のために熱領域1〜nをサンプリングするサンプリングレートを動的に調整することができる。該サンプリングレートは、異なる外部の影響について、又は単一の外部の影響についての熱的な痕跡が取得されている間であっても、調整することが可能である。熱領域の望ましい数の温度変化を捕捉するだけの十分に高いサンプリングレートを維持することが有用である。
【００２９】
本開示は、本実施形態で用いた様々な抵抗及びトランジスタに関する如何なる特定の公称サイズをも指定するものではなく、公称サイズは一般に単なる設計上の選択事項である。しかし、本実施形態では、そのサイズにかかわらず、（各熱領域1〜nの）抵抗R1及び（各熱領域1〜nの）トランジスタQ1がそれぞれ同じ仕様のものであることが望ましい。（基準領域120の）抵抗R2及びトランジスタQ2は、熱領域1〜nにおける対応する抵抗R1及びトランジスタQ1と同じ仕様のものとすることが可能である。しかし、抵抗R2及びトランジスタQ2は、それらに対応する抵抗R1及びトランジスタQ1とは異なるサイズのものとすることも可能である。例えば、出力信号V-Flux 111を一層大きな値へと増大させることでＳＮ比を増大させために、R2及びQ2のサイズをそれらに対応するR1及びQ1よりも比例的に大きくすることが有用となる可能性がある。
【００３０】
単一のグループ化された熱領域1〜nに関して、熱特性判定チップの監視及び制御回路について説明してきたが、熱特性判定チップは様々な態様でグループ化された多数の熱領域を含み得ることが考慮されている。具体的には、熱特性判定チップは、上述のものと類似した多数の熱領域グループを含むことが可能である。更に、本発明の例示的な実施形態では、（図５の抵抗R1とQ1との間のノードにおける）電圧レベルを検知することにより熱領域出力信号を検知して該熱領域の温度を制御することについて解説した。当業者であれば、熱領域の熱パラメータを検知する代替的な方法（薄膜抵抗を流れる電流を直接検知し、そのパラメータを用いて熱領域の温度を維持する等）が本発明の範囲内で理解されよう。
【００３１】
上記の好ましい実施形態及び代替的な形態を参照して本発明を具体的に図示し説明してきたが、特許請求の範囲で規定する本発明の思想及び範囲から逸脱することなくそれらの実施形態に様々な変更を加え得ることが当業者には理解されよう。本発明のこの説明は、本書に記載する構成要素の全ての新規のかつ自明でない組み合わせを含むものであり、特許請求の範囲は、それらの構成要素のあらゆる新規のかつ自明でない組み合わせに関する上記適用例又は後の適用例において提供することが可能なものである、ということを理解されたい。上記実施形態は例示を目的としたものであり、上記適用例又は後の適用例において請求することができる全ての考え得る組み合わせにとって必要不可欠となる機構又は構成要素は１つも存在しない。請求項で同等の「１つの」又は「第１の」装置と規定した場合、かかる請求項は、１つ又は２つ以上のかかる構成要素を組み込むことを含み、また２つ以上のかかる構成要素を必要とするものでも排除するものでもないことを理解されたい。更に、用語「第１」及び「第２」等の使用は、該用語によって特定される構成要素に対する時間的な順序のみを意味するものではない。本発明は特許請求の範囲によって限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】熱特性判定チップの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】熱特性判定チップの一実施形態を示す部分拡大平面図である。
【図３】図２に示す熱特性判定チップの概要を示す断面図である。
【図４】熱特性判定チップの一実施形態の概要を示すブロック図であり、受容表面上の熱領域と特定の電子回路が示されている。
【図５】熱特性判定チップの一実施形態における制御及び検知回路の一実施形態を示す回路図である。
【図６】熱特性判定チップを用いて動的な熱的痕跡を生成する方法の一実施形態の各ステップを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３３】
10     電子回路及びデバイス層
14     半導体回路
12     薄膜回路
T1,T2  熱領域
【図１】
2004219413.tif 000003
【図２】
2004219413.tif 000004
【図３】
2004219413.tif 000005
【図４】
2004219413.tif 000006
【図５】
2004219413.tif 000007
【図６】
2004219413.tif 000008