(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板に、複数個の測定用サーモパイルと遮光された補償用サーモパイルを設けるとともに、前記測定用サーモパイルおよび補償用サーモパイルのそれぞれの信号取り出しのためのスイッチを設けたサーモパイルアレイセンサにおいて、前記測定用サーモパイルが複数のｍ行ｎ列（ｍ，ｎは１以上かつ同時に１ではない整数）に配置されているとともに、前記補償用サーモパイルは前記測定用サーモパイルの複数のｍ行ごとに設けられ、行スキャンごとに前記測定用サーモパイルおよび補償用サーモパイルのそれぞれから取り出される信号の出力部には、信号の極性を反転または非反転処理する反転・非反転部が設けられており、前記測定用サーモパイルの非反転出力と反転出力をＡＤ変換し、これらのＡＤ変換出力の差である測定用サーモパイルのＡＤ変換データを求めるとともに、前記補償用サーモパイルの非反転出力と反転出力をＡＤ変換し、これらのＡＤ変換出力の差である補償用サーモパイルのＡＤ変換データを求め、それら測定用サーモパイルのＡＤ変換データと補償用サーモパイルのＡＤ変換データとの差に基づいて測定対象の演算処理を行うように構成したことを特徴とするサーモパイルアレイセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、例えば二次元的な広がりのある対象物の温度を非接触で測定する温度測定装置などに用いられるサーモパイルアレイセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開２００２−２２６５２号公報
前記サーモパイルアレイセンサとしては、例えば前記特許文献１に記載されるように、赤外二次元画像などを解析する装置に組み込まれるなどして用いられている。図７は、従来のサーモパイルアレイセンサ７０の一例を概略的に示すもので、前記サーモパイルアレイセンサ７０は、Ｓｉ基板などの半導体基板よりなるセンサチップ７１に測定用サーモパイル７２を複数並設してなる。そして、このような構成のサーモパイルアレイセンサ７０においては、各測定用サーモパイル７２からの出力を、センサチップ７１に設けられたスイッチ７３の切換えによって順次取り出し、この取り出した信号をＤＣアンプ７４で増幅した後、ＡＤ変換器７５を介してＣＰＵ７６に取り込んで温度など測定対象の演算処理を行うように構成されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記構成のサーモパイルアレイセンサ７０においては、測定用サーモパイル７２自身の固有抵抗成分７２Ｒに起因するホワイトノイズや、サーモパイルアレイセンサ７０の周囲温度変化に起因するノイズ、さらには、ＤＣアンプ７４に起因する１／ｆノイズなどが発生し、これらノイズがサーモパイルアレイセンサ７０の出力に重畳し、結果的にＳ／Ｎが悪くならざるを得なかった。
【０００４】
この発明は、上述の事柄に留意してなされたもので、その目的は、センサー自身のホワイトノイズや周囲温度変化に起因するノイズやＤＣアンプに起因する１／ｆノイズなど影響を巧みに除去し、Ｓ／Ｎに優れた測定結果を得ることができるサーモパイルアレイセンサを提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、この発明では、半導体基板に、複数個の測定用サーモパイルと遮光された補償用サーモパイルを設けるとともに、前記測定用サーモパイルおよび補償用サーモパイルのそれぞれの信号取り出しのためのスイッチを設けたサーモパイルアレイセンサにおいて、前記測定用サーモパイルが複数のｍ行ｎ列（ｍ，ｎは１以上かつ同時に１ではない整数）に配置されているとともに、前記補償用サーモパイルは前記測定用サーモパイルの複数のｍ行ごとに設けられ、行スキャンごとに前記測定用サーモパイルおよび補償用サーモパイルのそれぞれから取り出される信号の出力部には、信号の極性を反転または非反転処理する反転・非反転部が設けられており、前記測定用サーモパイルの非反転出力と反転出力をＡＤ変換し、これらのＡＤ変換出力の差である測定用サーモパイルのＡＤ変換データを求めるとともに、前記補償用サーモパイルの非反転出力と反転出力をＡＤ変換し、これらのＡＤ変換出力の差である補償用サーモパイルのＡＤ変換データを求め、それら測定用サーモパイルのＡＤ変換データと補償用サーモパイルのＡＤ変換データとの差に基づいて測定対象の演算処理を行うように構成したことを特徴としている。
【０００６】
アンプには、電圧・電流オフセットと１／ｆノイズがあり、前記オフセットは、周囲温度により変化する。また、前記１／ｆノイズは、周波数が低いほど大きくなる。したがって、上記のように、複数個の測定用サーモパイルを複数のｍ行ｎ列に配置して設けた半導体基板にその測定用サーモパイルの複数のｍ行ごとに補償用サーモパイルを設けることにより、測定用サーモパイルと補償用サーモパイルとが同じ抵抗値を持ち、同一特性を有することになるので、前記半導体基板に形成されたスイッチを例えば高速でスイッチング動作させて行スキャンを行い、この行スキャンごとにそれぞれの信号を取り出し、それらをＡＤ変換したデータをＣＰＵに順次入力して両者の差をとることにより、前記各ノイズの影響を大幅に低減することができる。また、サーモパイルは、その周囲温度が変化すると、その温度変化の微分値に比例する信号が本来の信号に加算されるが、前記測定用サーモパイルと補償用サーモパイルの出力の差を取ることにより、前記周囲温度変化の影響も除去される。
しかも、前記測定用サーモパイルおよび補償用サーモパイルのそれぞれから取り出される信号の極性を反転または非反転処理して測定用サーモパイルおよび補償用サーモパイルの非反転出力と反転出力をＡＤ変換し、これらのＡＤ変換出力の差である測定用サーモパイルのＡＤ変換データと補償用サーモパイルのＡＤ変換データとの差に基づいて測定対象の演算処理を行うことによって、ＤＣアンプなど外部回路のバイアス電流などによるオフセットをもキャンセルすることができる。
【０００７】
【０００８】
なお、本発明に係るサーモパイルアレイセンサにおいて、前記行スキャンが、補償用サーモパイルの出力の取り出しを前記測定用サーモパイルの出力の取り出しよりも先行して行われるようにしてもよい。
【０００９】
また、前記複数のｍ行ｎ列に配置された測定用サーモパイルに共通に一つの補償用サーモパイルを設け、全ての測定用サーモパイルの出力を取り出した後に前記補償用サーモパイルの出力を取り出すようにしてもよい。
【００１０】
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の詳細を、図を参照しながら説明する。図１〜図６は、この発明の一つの実施の形態を示している。図１は、この発明のサーモパイルアレイセンサを組み込んだ温度計測装置を概略的に示すもので、この図において、１は温度計測装置で、赤外光ＩＲを遮断するように形成された筒体２内に、サーモパイルアレイセンサ３が収容され、筒体２の一端側、すなわち、サーモパイルアレイセンサ３の前面側には赤外光集光レンズ４が設けられている。この赤外光集光レンズ４は、例えばカルコゲンガラスやＢａＦ2  など赤外光透過性素材よりなる。なお、赤外光集光レンズ４は、球面、非球面、フレネルレンズ形状などいずれの形状であってもよい。
【００１２】
前記サーモパイルアレイセンサ３は、半導体基板（半導体チップ）としてのシリコン基板（シリコンチップ）５に複数のサーモパイル６を縦横に複数個、例えば４行×５列マトリックス状に配置してなるもので、そのうち４行×４列は測定用サーモパイル（以下、符号Ａ1 〜Ａ4  ，Ｂ1 〜Ｂ4 ，Ｃ１ 〜Ｃ4 ，Ｄ1 〜Ｄ4 で表す）であり、４行×１列は補償用サーモパイルパイル（以下、符号Ｘ1 〜Ｘ4 で表す）である。
【００１３】
前記サーモパイルアレイセンサ３の構造を、図２を参照しながら、より詳しく説明すると、シリコン基板５の上面には、４×５個の平面視矩形状の凹部７が形成してあって、それぞれの凹部７の下方には、サーモパイル素子６ａが設けられており、サーモパイル６が形成されている。前記サーモパイル素子６ａは、前記凹部７を横断するように水平に設けられる絶縁薄膜８の上面に熱伝導材料を接続した複数の熱電対９を直列に接続してなるもので、サーモパイル素子６ａの下方は、熱放出空間１０となるように外部に開放されている。また、前記凹部７のサーモパイル素子６ａの上面側の側面１１は、ミラー面に形成されるとともに上方に向かって末広がり状に傾斜して、上方から凹部７内に入射する光（赤外光ＩＲ）をサーモパイル素子６ａ方向に集光するように形成してある。
【００１４】
そして、前記サーモパイル６のうち、符号Ａ1 〜Ａ4  ，Ｂ1 〜Ｂ4 ，Ｃ１ 〜Ｃ4 ，Ｄ1 〜Ｄ4 で示す４×４個（図２では、Ｄ4 のみ示している）については、前記凹部７の上面が開放され、赤外光集光レンズ４を経た赤外光ＩＲがそのまままたはミラー面１１に反射されてサーモパイル素子６ａに入射する測定用サーモパイルに形成される一方、符号Ｘ1 〜Ｘ4 で示す４×１個（図２では、Ｘ4 のみ示している）については、前記凹部７の上面に赤外光ＩＲの凹部７内への入射を阻止する例えばアルミニウム膜などの遮光膜１２が設けられ、サーモパイル素子６ａへの赤外線ＩＲの入射が遮断された構造の補償用サーモパイルに形成されている。
【００１５】
つまり、この実施の形態におけるサーモパイルアレイセンサ３は、４×４素子よりなる測定用サーモパイルＡ1 〜Ａ4  ，Ｂ1 〜Ｂ4 ，Ｃ１ 〜Ｃ4 ，Ｄ1 〜Ｄ4  と、４×１個の補償用サーモパイルＸ1 〜Ｘ4とが一つのシリコン基板５にマトリックス状に形成されており、しかも、前記測定用サーモパイルおよび補償用サーモパイルは、遮光膜１２を除いて、互いに形状（サイズ）および構造が同一であり、同じ特性を有する。なお、測定用サーモパイルＡ1 〜Ａ4  ，Ｂ1 〜Ｂ4 ，Ｃ１ 〜Ｃ4 ，Ｄ1 〜Ｄ4 と、補償用サーモパイルＸ1 〜Ｘ4 を総称するときは、単にサーモパイル６という。
【００１６】
図３は、前記サーモパイルアレイセンサ３の電気回路の一例を示すもので、この図において、１３は測定部であり、１４はこの測定部１３に連なる信号出力部である。まず、測定部１３は、前記各サーモパイル６および各サーモパイル６にそれぞれ設けられる信号取り出しスイッチとしての行選択用スイッチＱr11 〜Ｑr45 および列選択用スイッチＱc11 〜Ｑc45 とから主として構成されている。これらのスイッチＱr11 〜Ｑr45 ，Ｑc11 〜Ｑc45 には、行選択用スイッチＳＷ−１〜ＳＷ−Ｘ、列選択用スイッチＳＷ−Ａ〜ＳＷ−Ｄを介してそれぞれ入力される行選択信号、列選択信号によってオン、オフ制御される。なお、行選択用スイッチＱr11 〜Ｑr45および列選択用スイッチＱc11 〜Ｑc45 をそれぞれ総称するときは、行選択用スイッチＱr 、列選択用スイッチＱc という。
【００１７】
そして、信号出力部１４は、測定部１３における各サーモパイル６によってそれぞれ得られる信号を出力するもので、この実施の形態においては、反転・非反転部１５と出力端子部１６とからなる。反転・非反転部１５は、前記各サーモパイル６の信号の極性を反転または非反転するもので、反転用接続スイッチＱi1 ，Ｑi2 と非反転用接続スイッチＱn1 ，Ｑn2 とを組み合わせてなり、これらの接続スイッチＱi1 ，Ｑi2 ，Ｑn1 ，Ｑn2は、反転信号入力スイッチＳＷ−ＩＮＶ、非反転信号入力スイッチＳＷ−ＮＩＮＶを介してそれぞれ入力される反転信号、非反転信号によってオン、オフ制御される。そして、出力端子部１６は、正の端子１６Ｐと負の端子１６Ｎとからなる。また、Ｑsは短絡用スイッチで、前記正の端子１６Ｐと負の端子１６Ｎをそれらの入力側において短絡するように設けられ、短絡信号入力スイッチＳＷ−ＳＨＯＲＴを介して入力される短絡信号によって制御される。
【００１８】
なお、上記各スイッチＱr ，Ｑｃ ，Ｑi1 ，Ｑi2 ，Ｑn1 ，Ｑn2 ，Ｑs は、例えばＭＯＳ−ＦＥＴ（アナログ４スイッチ）で構成されている。また、図３において 、Ｃ−Ａ1 〜Ｃ−Ａ4 ，Ｃ−Ｂ1 〜Ｃ−Ｂ4 ，Ｃ−Ｃ1 〜Ｃ−Ｃ4 ，Ｃ−Ｄ1 〜Ｃ−Ｄ4 ，Ｃ−Ｘ1 〜Ｃ−Ｘ4 は、各サーモパイル６の一端側に接続されるコンデンサ、Ｃ−ＣＯＭは、前記各サーモパイル６の他端側に共通して接続されるコンデンサである。
【００１９】
さらに、図３において、１７はオペアンプ、１８はＡＤ変換回路、１９はＣＰＵである。
【００２０】
次に、上記構成のサーモパイルアレイセンサ３の作動について、図４〜図６をも参照しながら説明する。例えば被測定対象（図示していない）からの赤外光ＩＲは、赤外光集光レンズ４を経てサーモパイルアレイセンサ３に向かう。この場合、測定用サーモパイルＡ1 〜Ａ4  ，Ｂ1 〜Ｂ4 ，Ｃ１ 〜Ｃ4 ，Ｄ1 〜Ｄ4 が形成されている凹部７に入った赤外光ＩＲは、サーモパイル素子６ａに入射するが、補償用サーモパイルＸ1 〜Ｘ4 が形成されている凹部７には、その入口側に遮光膜１２が形成されているので、前記赤外光ＩＲはそのサーモパイル素子６ａに入射することはない。
【００２１】
前記赤外光ＩＲの入射によって、サーモパイルアレイセンサ３の測定部１３におけるサーモパイル６においてはそれぞれ信号が発生する。これら各サーモパイル６における信号は、図４に示すように、各行選択用スイッチＱr および各列選択用スイッチＱc をそれぞれ行選択信号、列選択信号によってオン、オフ制御することにより、順次取り出される。すなわち、図４に示す例では、例えば、第１行の測定用サーモパイルＡ1 〜Ｄ1 における信号を取り出した後に、補償用サーモパイルＸ1 の出力を取り出すようにし、第２行以下のサーモパイルにおいても同様にしている。つまり、行スキャンごとにその行に位置する補償用サーモパイルＸ1 〜Ｘ4 の信号を取り出すようにしている。なお、図３において、Ｔr は各行の測定時間、Ｔf は全行の測定時間を示している。
【００２２】
上述のようにして、各サーモパイル６から取り出された信号は、信号出力部１４に順次送られ、その反転・非反転部１５において、反転または非反転の処理を受けて、出力端子部１６の負端子１６Ｎまたは正端子１６Ｐに出力される。より詳しくは、反転用接続スイッチＱi1 ,Ｑi2 および非反転用接続スイッチＱn1 ，Ｑn2 を、反転信号入力スイッチＳＷ−ＩＮＶ、非反転信号入力スイッチＳＷ−ＮＩＮＶを経て入力される反転信号または非反転信号によってオン、オフ制御することにより、前記接続スイッチＱi1 , Ｑi2 ，Ｑn1 ，Ｑn2 が適宜オンまたはオフとなる。そして、接続スイッチＱn1 ，Ｑn2 がオンで、接続スイッチＱi1 , Ｑi2 がオフのときは、前記サーモパイルＡ1 〜Ａ4  ，Ｂ1 〜Ｂ4 ，Ｃ１ 〜Ｃ4 ，Ｄ1 〜Ｄ4 の信号がそのままの極性で正端子１６Ｐに出力される。また、接続スイッチＱn1 ，Ｑn2 がオフで、接続スイッチＱi1 , Ｑi2 がオンのときは、前記信号の極性が反転され負端子１６Ｎに出力される。
【００２３】
そして、上記正端子１６Ｐおよび負端子１６Ｎに出力された各サーモパイル６の出力信号は、オペアンプ１７およびＡＤ変換回路１８を経て、ＣＰＵ１９に順次入力する。そして、前記ＣＰＵ１９においては、図５に示すように、前記非反転時のＡＤ変換出力と反転時のＡＤ変換出力との差に基づいて演算処理を行う。これにより、オペアンプ１７やＡＤ変換回路１８などの外部回路のバイアス電流などに起因するオフセットが巧みにキャンセルされる。
【００２４】
上述したように、上記実施の形態におけるサーモパイルアレイセンサ３においては、一つのシリコン基板５に、測定用サーモパイルＡ1 〜Ａ4  ，Ｂ1 〜Ｂ4 ，Ｃ１ 〜Ｃ4 ，Ｄ1 〜Ｄ4を複数並設するとともに、遮光された補償用サーモパイルＸ1 〜Ｘ4 を設け、測定用サーモパイルＡ1 〜Ａ4  ，Ｂ1 〜Ｂ4 ，Ｃ１ 〜Ｃ4 ，Ｄ1 〜Ｄ4の出力と補償用サーモパイルＸ1 〜Ｘ4の出力の差に基づいて演算処理を行うようにしているので、以下のような優れた効果を奏する。
【００２５】
すなわち、今、ｒ行、ｃ列目の測定用サーモパイルのＡＤ変換データ（非反転時出力と反転時出力との差）をＶrcとし、ｒ行の補償用サーモパイルのＡＤ変換データ（非反転時出力と反転時出力との差）をＶrxとすると、測定対象の温度計算に、前記ＡＤ変換データＶrcおよびＶrxの差（Ｖrc−Ｖrx）を用いることにより、シリコン基板５内のリーク電流、チャージインジェクション、あるいは、サーモパイルアレイセンサ３の周囲温度の急変によるサーモパイル６の起電力（冷接点と温接点との間の熱抵抗、温接点・受光部の熱容量に起因する）などに基づく誤差要因がキャンセルされる。したがって、Ｓ／Ｎに優れた測定結果を得ることができる。
【００２６】
そして、上記実施の形態においては、サーモパイルアレイセンサ３の測定部１３の各サーモパイル６において発生する信号を、図３に示すように、各行選択用スイッチＱr および各列選択用スイッチＱc をそれぞれ行選択信号、列選択信号によってオン、オフ制御することにより、順次取り出すとともに、信号出力部１４の反転・非反転部１５において、反転用接続スイッチＱi1 , Ｑi2 および非反転用接続スイッチＱn1 ，Ｑn2 を切換えることにより、反転出力および非反転出力を取り出すようにしているが、行選択用スイッチＱr および極性反転のためのスイッチＱi1 , Ｑi2 ，Ｑn1 ，Ｑn2の切換え時のチャージインジェクションが生ずることがある。
【００２７】
そこで、この実施の形態においては、前記各スイッチＱr ，Ｑi1 , Ｑi2 ，Ｑn1 ，Ｑn2のゲート電圧は、図５における符号ａ，ｂで示す部分を拡大して示した図６（Ａ），（Ｂ）に示すように、列選択用スイッチＱcをオフ状態にしてから変更するようにして、上記切換え時にチャージインジェクションが生じないようにしている。このとき、外部回路であるオペアンプ１７の入力インピーダンスを低く抑えるため、短絡用スイッチＱs をオン状態にしておく。これによって、行選択用スイッチＱr および極性反転のためのスイッチＱi1 , Ｑi2 ，Ｑn1 ，Ｑn2のチャージインジェクションの放電経路が形成される。
【００２８】
この発明は、上述の実施の形態に限られるものではなく、種々に変形して実施することができ、測定用サーモパイルＡ1 〜Ａ4  ，Ｂ1 〜Ｂ4 ，Ｃ１ 〜Ｃ4 ，Ｄ1 〜Ｄ4の出力と補償用サーモパイルＸ1 〜Ｘ4の出力を交互に取り出すようにしてもよい。つまり、例えば、図３において、第１行の測定用サーモパイルＡ1 〜Ｄ1 の出力を読み取る場合、Ａ1 →Ｘ1 →Ｂ1 →Ｘ1 →Ｃ1 →Ｘ1 →Ｄ1 →Ｘ1 というように、行スキャンそれぞれにおいて測定用サーモパイルと補償用サーモパイルとから信号を交互に取り出すのである。この場合、チョッピングを加えるようにしてもよく、このようにした場合、ノイズをより低減することができる。
【００２９】
また、全ての測定用サーモパイルＡ1 〜Ａ4  ，Ｂ1 〜Ｂ4 ，Ｃ１ 〜Ｃ4 ，Ｄ1 〜Ｄ4に対して共通に一つの補償用サーモパイルＸを設け、全ての測定用サーモパイルＡ1 〜Ａ4  ，Ｂ1 〜Ｂ4 ，Ｃ１ 〜Ｃ4 ，Ｄ1 〜Ｄ4 の出力を取り出した後に補償用サーモパイルＸの出力を取り出すようにしてもよい。
【００３０】
また、それぞれのサーモパイル６に並列にコンデンサを設けるようにしてもよく、このようにした場合、サーモパイル６自身のホワイトノイズをより低減することができるとともに、スパイクノイズも低減することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上のように、この発明のサーモパイルアレイセンサは、一つの半導体基板に、測定用サーモパイルを複数のｍ行ｎ列（ｍ，ｎは１以上かつ同時に１ではない整数）に配置するとともに、これら測定定用サーモパイルの複数のｍ行ごとに遮光された補償用サーモパイルを設け、行スキャンごとに測定用サーモパイルの出力と補償用サーモパイルの出力の差に基づいて測定対象の演算処理を行うようにしているので、センサー自身のホワイトノイズや周囲温度変化に起因するノイズやＤＣアンプに起因する１／ｆノイズなど影響を巧みに除去することができるとともに、ＤＣアンプなど外部回路のバイアス電流などによるオフセットをもキャンセルすることができ、Ｓ／Ｎに優れた測定結果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明のサーモパイルアレイセンサを組み込んだ温度測定装置を概略的に示す斜視図である。
【図２】  前記サーモパイルアレイセンサの構成を概略的に示す図である。
【図３】  前記サーモパイルアレイセンサの電気的構成の一例を示す図である。
【図４】  サーモパイルからの信号取り出しを説明するためのタイミングチャートである。
【図５】  前記信号取り出し時における反転・非反転を説明するためのタイミングチャートである。
【図６】  （Ａ）は図５におけるａ部分の拡大図、（Ｂ）は図５におけるｂ部分の拡大図である。
【図７】  従来のサーモパイルアレイセンサを概略的に示す図である。
【符号の説明】
３…サーモパイルアレイセンサ、５…半導体基板、Ａ1 〜Ａ4 ，Ｂ1 〜Ｂ4 ，Ｃ１ 〜Ｃ4 ，Ｄ1 〜Ｄ4 …測定用サーモパイル、Ｘ1 〜Ｘ4 …補償用サーモパイル、Ｑr11 〜Ｑr45 ，Ｑc11 〜Ｑc45 …信号取り出しのためのスイッチ。
【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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