KR100440509B1

KR100440509B1 - 온도측정장치, 열형 적외선 이미지센서 및 온도측정방법

Info

Publication number: KR100440509B1
Application number: KR10-2002-7008195A
Authority: KR
Inventors: 미쯔테루 기무라
Original assignee: 도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬
Priority date: 2000-01-12
Filing date: 2001-01-11
Publication date: 2004-07-15
Anticipated expiration: 2021-01-11
Also published as: WO2001051902A1; EP1248088A4; EP1248088A1; US20030038332A1; US6851849B2; JP2001264176A; KR20020065606A; JP3583704B2

Abstract

순방향 바이어스된 최소한 1개의 전위장벽을 갖는 반도체 다이오드를 온도감도를 미세하게 조절할 수 있는 온도센서로서 사용 가능하도록 한다.

온도센서로서의 전위장벽을 갖는 반도체 다이오드 D에 직류 또는 구형파형의 순방향 바이어스 전압을 인가할 때, 연산증폭회로 A1를 통해 행한다. 반도체 다이오드 D의 전위장벽의 높이가 온도감도를 결정하고 있는 것을 이용하고, 바이어스 전압회로(2)로부터 출력하는 순방향 바이어스 전압이 직접 반도체 다이오드 D에 인가되도록 함으로써, 이것을 미세하게 조절하여 원하는 온도감도가 얻어지도록 함과 동시에, 고정 순방향 바이어스 전압 인가시에 반도체 다이오드 D에 흐르는 지수관수적인 온도 의존성을 갖는 전류에 관계한 출력전압이 얻어지도록 한다.

Description

온도측정장치, 열형 적외선 이미지센서 및 온도측정방법{Method and Apparatus for Temperature Measurement, and Thermal Infrared Image Sensor}

기술분야

본 발명은 반도체 다이오드를 이용한 온도측정장치, 열형 적외선 이미지센서 및 온도측정방법에 관한 것이다. 본 발명은 예를 들어 집적회로의 온도분포의 검출, 플로(flow)센서, 피라니 진공계, 열형 적외선 센서, 열형 적외선 온도계, 열형 적외선 이미지센서 등으로 이용되는 것이다.

배경기술

종래부터 반도체의 pn접합을 이용한 온도센서가 개발되고 있다. 이 온도센서는 pn접합 다이오드의 순방향 시동전압의 온도 의존성, 즉 일정 전류를 흘렸을 때의 순방향 바이어스 전압 Vf은 그 때의 온도(절대온도) T에 비례하는 것을 이용한 것으로, 다이오드 온도센서라 불리고 있다. 또한, 동일하게 바이폴러 트랜지스터의 에미터와 베이스간은 pn접합으로 되어 있기 때문에, 순방향의 에미터·베이스간 전압 Ve이 콜렉터 전류를 일정하게 한 경우에는 거의 온도 T에 비례하는 것을 이용한 트랜지스터 온도센서라 불리고 있는 것이 있다.

또한, 본 발명자는 쇼트키접합 온도센서를 발명하고(특원평3-284266), 쇼트키장벽 다이오드의 역방향 바이어스를 지정했을 때의 역방향 전류의 온도 의존성은 꼭 서미스터의 온도 의존성과 유사하여, 서미스터로서 사용 가능함을 나타내고, 또한 쇼트키장벽 다이오드의 장벽높이가 등가(等??)의 서미스터의 B상수에 대응하고, 쇼트키장벽 다이오드의 장벽높이는 반도체의 종류와 쇼트키금속의 종류가 결정되면 거의 정해지는 것은, 쇼트키장벽 다이오드를 작성하면 B상수가 확정되는 특징이 있음을 나타내어(예를 들어, Schottky Barrier Thermistor; 11th Sensor Symp. 1992), 쇼트키장벽 서미스터라 명명을 제안하였다.

또한, 본 발명자는 바이폴러 트랜지스터의 일정한 콜렉터 전압에 대한 콜렉터 전류의 온도 의존성이 꼭 바이폴러 트랜지스터를 서미스터로 간주했을 때의 온도 의존성과 일치하는 것을 이용하고, 그 서미스터의 B상수는 바이폴러 트랜지스터의 에미터와 베이스간의 전위장벽높이에 대응하고 있기 때문에, 순방향의 에미터·베이스간 전압 Ve을 조절함으로써 에미터와 베이스간의 전위장벽높이를 조절하고, 원하는 B상수로 조절 가능하도록 할 수 있는 것을 발견하고, 트랜지스터 서미스터로서 그 등가의 B상수를 미세하게 조정하는 것, 큰 전압도 인가할 수 있어 큰 출력이 얻어지도록 할 수 있는 것, 게다가 이것은 MOSFET에도 적용할 수 있는 것을 제안하고, 「온도측정장치, 열형 적외선 이미지센서 및 온도측정방법」의 특허로서 출원하였다(특원평11-022863, 이하 선발명이라 한다).

발명의 개시

그러나, 종래의 다이오드 온도센서와 트랜지스터 온도센서는 각각 일정 전류를 흐르게 한 상태에서의 pn접합의 순방향 바이어스 전압 Vf과 순방향의 에미터·베이스간 전압 Ve의 온도 의존성을 이용한 것으로, 그 출력은 절대온도 T에 비례한다는 장점이 있지만, 예를 들어 실리콘 반도체를 이용했을 때에는 순방향 시동전압 자체가 겨우 0.65V 정도이기 때문에, 온도변화에 의한 순방향 바이어스 전압 Vf 또는 Ve의 변화분이 되는 온도센서 자체의 출력전압은 극히 작고, 감도가 비교적 낮았다.

또한, 역방향 바이어스한 쇼트키장벽 서미스터에 있어서도, 실제로는 반도체의 종류와 쇼트키금속의 종류가 결정되어도 쇼트키장벽 다이오드의 작성온도의 차이, 역방향의 리크전류의 차이, 동작역방향 인가전압의 차이에 의해 미세하게 B상수가 다르고, 쇼트키장벽 다이오드인 쇼트키장벽 서미스터에 인가하는 전압이 지정되어져 큰 전압을 인가할 수 없기 때문에, 출력이 작고 그 나눔은 큰 역방향 저항으로 되어, SN이 비교적 작아졌다.

또한, 보통의 서미스터에 있어서는 고장난 서미스터를 다른 새로운 서미스터로 바꿀 때 온도감도를 결정하는 B상수가 원래의 것과 가까운 서미스터를 선택하고, 이것에 직렬이나 병렬로 저항을 접속하여, 원래의 서미스터와 유사하도록 했었지만, 저항값의 지수관수적 온도 의존성을 갖는 서미스터에 온도 의존성이 거의 없는 저항을 접속해도 본질적으로 다르기 때문에, 종래의 서미스터의 호환성이 요구되고 있고, 온도감도를 조절할 수 있는 온도센서가 요구되고 있었다.

또한, 트랜지스터 서미스터에 있어서는, 고감도이지만 3단자소자로 특히 열형 적외선 센서나 열형 적외선 이미지센서에의 응용의 경우에 적외선 수광부가 되고 온도센서부인 트랜지스터 서미스터가 형성되는 경우는, 기판과 열적 분리를 도모하기 위해서 상하로 공동을 갖는 공중에 뜬 박막구조로 하지만, 최소한 3개의 배선이 필요하고, 게다가 그들 전극면적 등도 매우 작은 수광면적에 대하여 큰 비율을 차지하여, 가능하면 2단자로 하는 것이 요구되고 있었다. 또한, 게다가 열형 적외선 센서나 열형 적외선 이미지센서에 응용할 때, 트랜지스터의 콜렉터 손실을 위한 열발생에 의해, 큰 콜렉터 전압을 인가할 수 없었다.

또한, pn접합 다이오드의 순방향 저항은 작아, 온도에 의한 전류변화를 측정하기 위해 pn접합 다이오드에 직렬로 저항을 삽입하면 그곳에서의 전압강하가 발생하고, 외부의 일정 전원전압 하에서는 pn접합 다이오드에 인가되는 바이어스 전압이 변화해 버린다. 또한, 직렬로 삽입한 출력저항에서의 전압강하를 작게 하면 그 만큼 출력전압도 작아지기 때문에, 원하는 온도감도를 얻기 어려웠다.

게다가, pn접합 다이오드의 순방향 전압에서는 인가전압에 대해 지수관수적으로 다이오드 전류가 증대하기 때문에, 순방향 전압의 매우 작은 변동이 큰 전류의 변화가 되고, 이 전류변동은 피측정온도의 변화로 오인되는 경우가 있고, 통상의 안정화 전원에서는 온도정밀도가 엉성해지기 쉽기 때문에, 온도센서로서 pn접합 다이오드를 이용하는 경우는 지금까지는 본 발명과 같은 전압제어형이 아니고, 제어가 용이한 전류를 제어하는 타입의 상기 다이오드 온도센서가 이용되고 있었다.

본 발명은 상기의 점을 감안한 다이오드 온도센서의 일종이고, 특히 2단자인 반도체 다이오드의 순방향 바이어스 전압을 고정한 경우의 지수관수적인 온도 의존성을 갖는 반도체 다이오드의 전류·전압특성을 이용하여, 고감도, 고정밀도로 SN비가 큰 온도센서를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명은 예를 들어 p측도 n측도 오그라들 정도로 불순물을 많게 하지만, 불순물의 확산시간을 길게 하여 공핍층 폭을 길게 하는 등 터널 전류를 확산전류에 비해 무시할 수 있을 정도로 작게 한 pn접합 다이오드를 이용함으로써, 온도 의존성을 완만하게 하여, 고정밀도의 온도측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 고정 순방향 바이어스 전압을 조정시킴으로써, 온도감도를 조정할 수 있는 온도측정장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 그것을 이용한 각종 디바이스를 제공하는 것을 목적으로 한다. 게다가, 본 발명은 미세하고 안정하게 순방향 전압조정이 가능한 바이어스 전압회로를 이용하고, 게다가 이 미세하게 조정된 바이어스 전압이 반도체 다이오드에 직접 인가되도록 함으로써, 고정밀도, 고감도의 온도측정장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 제1 해결수단에 의하면, 출력전압을 제1 및 제2 출력 사이에 출력하는 바이어스 전압회로와, 상기 바이어스 회로의 제1 출력이 순방향 바이어스 전압으로서 일단에 인가되는 반도체 다이오드와, 상기 반도체 다이오드의 다른 단이 접속되는 제1 입력과, 상기 바이어스 전압회로의 제2 출력이 공급되는 제2 입력과, 온도측정을 위한 출력을 갖는 연산증폭회로를 갖추고, 상기 바이어스 전압회로의 출력전압의 조절에 의해 상기 반도체 다이오드의 순방향 바이어스 전압을 조절시키고, 그 전위장벽높이를 조절함으로써, 원하는 온도감도를 갖도록 조절할 수 있도록 한 온도측정장치를 제공한다.

본 발명의 제2 해결수단에 의하면, 상기 온도측정장치에 있어서 상기 반도체 다이오드 및 상기 바이어스 전압회로를 복수개 매트릭스상으로 배열하고, 각각의 상기 반도체 다이오드로부터의 수광 적외선에 의한 온도에 관한 신호출력을 읽어내도록 한 열형 적외선 이미지센서를 제공한다.

본 발명의 제3 해결수단에 의하면, 전류를 지배하는 최소한 1개의 전위장벽을 갖는 반도체 다이오드의 전류·전압특성의 온도 의존성을 이용하는 온도측정방법에 있어서, 바이어스 전압회로와 반도체 다이오드와 연산증폭회로의 입력쪽을 직렬로 접속하고, 상기 바이어스 전압회로의 출력전압을, 도중의 전압강하를 무시할 수 있을 정도로 작게 하여, 직접 상기 반도체 다이오드에 순방향 바이어스 전압으로서 인가하고, 상기 연산증폭회로의 출력이 상기 반도체 다이오드를 흐르는 순방향 전류와 관계하도록 하고, 상기 바이어스 전압회로의 출력전압의 조절에 의해 상기 반도체 다이오드의 순방향 바이어스 전압을 변화시켜, 전위장벽높이를 조절함으로써, 원하는 온도감도를 갖도록 조절할 수 있게 한 온도측정방법을 제공한다.

도면의 간단한 설명

도1은 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제1 실시형태의 구성도이다.

도2는 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제2 실시형태의 구성도이다.

도3은 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제3 실시형태의 구성도이다.

도4는 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제1 단면도이다.

도5는 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제2 단면도이다.

도6은 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제3 단면도이다.

도7은 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제4 단면도이다.

도8은 복수의 반도체 다이오드를 갖는 경우의 반도체 다이오드 온도측정장치의 회로도이다.

도9는 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치를 열형 적외선 이미지센서에 응용한 경우의 회로도이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

(1) 동작원리 및 개요

본 발명에 따른 반도체 다이오드 온도측정장치는 전류를 지배하는 최소한 1개의 전위장벽을 갖는 반도체 다이오드의 전류·전압특성의 온도 의존성을 이용하는 것으로, 바이어스 전압회로와 온도센싱부(온도센서)인 반도체 다이오드와 연산증폭회로를 갖춘다. 바이어스 전압회로의 출력전압이 도중의 전압강하없이, 직접 반도체 다이오드에 순방향 바이어스 전압으로서 연산증폭회로를 통해 인가할 수 있도록 하고, 연산증폭회로의 출력이 온도센서인 반도체 다이오드를 흐르는 순방향 전류와 관계하도록 상기 연산증폭회로를 구성하고, 상기 바이어스 전압회로의 출력전압의 조절에 의해, 이 반도체 다이오드의 순방향 바이어스 전압을 조절시켜 그 전위장벽높이를 조절함으로써, 원하는 온도감도를 갖도록 조절할 수 있게 한 것이다.

선발명의 트랜지스터 서미스터에 있어서도, 온도감도를 결정하는 것은 에미터·베이스 간의 pn접합 다이오드의 전위장벽의 높이이고, 에미터의 캐리어 중, 이 장벽을 넘은 캐리어가 거의 재결합하지 않고 콜렉터로 들어가서, 콜렉터 전류가 되어 있었다. 이 때문에 에미터 전류와 콜렉터 전류는 거의 같고, 일정한 콜렉터 전압에 대해 콜렉터 저항이 서미스터 저항으로서 취급할 수 있는 것을 이용한 것이 트랜지스터 서미스터였다. 한편, 본 발명의 전류를 지배하는 최소한 1개의 전위장벽을 갖는 반도체 다이오드를 이용한 반도체 다이오드 온도측정장치는 반도체 다이오드의 전위방벽의 높이를 외부로부터의 순방향 바이어스 전압인가에 의해 조절함으로써, 온도센서로서의 온도감도(여기서는 순방향 전류의 온도 T의 역수와의 비에대응)를 조절할 수 있다. 또한, 반도체 다이오드를 연산증폭회로와 조합시키면, 바이어스 전압회로의 출력인 순방향 바이어스 전압을 온도센서인 반도체 다이오드로 그대로 인가할 수 있음과 동시에, 연산증폭회로의 귀환저항에는 이 온도에 의해 변화하는 순방향 전류가 그대로 흐르도록 구성할 수 있기 때문에, 이 귀환저항이 말하자면 선발명의 트랜지스터 서미스터의 콜렉터 저항과 같이 작용하도록 하는 것을 알 수 있다. 이와 같이 생각하면, 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치는 선발명의 트랜지스터 서미스터와 동일하지만, 콜렉터 손실로서 열발산하는 부분이 연산증폭회로의 귀환저항으로서 이용되기 때문에, 본 발명에서는 온도센서부에는 없게 되고, 게다가 트랜지스터 서미스터의 3단자 대신에 2단자의 고감도의 온도센서를 달성할 수 있음과 동시에, 열발생이 되는 부분은 외부에 설치할 수 있다는 메리트가 생긴다.

최소한 1개의 전위장벽을 갖는 반도체 다이오드로서, pn접합 다이오드를 예로 들면, pn접합 다이오드의 순방향 전류 I는 인가전압을 V, 온도를 T로 했을 때, qV가 kT에 비해 약 4배 이상 되면, 거의 유사식으로서 다음식과 같이 나타내어진다.

I=qA(n_nDe/Le+p_pDh/Lh)exp{-q(Vd-V)/nkT}

여기서, n_n, p_p는 각각 n형, p형의 다수 캐리어로 거의 각각의 불순물 밀도, De, Dh는 각각 전자, 정공의 확산계수, Le, Lh는 각각 전자, 정공의 확산길이이고,이들은 pn접합 다이오드가 형성되고, 온도가 결정되면 결정되지만, 온도 의존성이 작고, 극히 저온이지 않으면 거의 일정값으로 생각할 수 있다. Vd는 pn접합의 확산전위이고, 반도체의 불순물 밀도를 많게 하면 온도 의존성이 완만해지고, p측도 n측도 오그라들 만큼 불순물이 많아지도록(불순물 밀도(농도)가 높아지도록) 작성하면, 온도에 의하지 않고 거의 일정값으로 생각할 수 있다. 즉, pn접합 다이오드는 높은 불순물 농도에 의해, 반도체의 페르미 준위의 온도 의존성이 작아진다. 따라서, 고정밀도의 온도측정장치로 하는데는, p측도 n측도 오그라드는 만큼 불순물을 많게 할 필요가 있다. 게다가, 터널 다이오드가 되지 않게 pn접합부는 공핍층을 넓히도록 pn접합 형성시의 불순물 확산시간을 길게 하는 등 완만한 불순물 분포로 하는 것이 바람직하다. q, k와 n은 각각 전하소량, 볼쯔만 상수와 이상계수이다. 이상계수 n은 단결정의 특성이 우수한 pn접합 다이오드에서는 1인데 비해, 다결정 반도체를 이용했을 때에는 이상적 pn접합 다이오드에서 벗어나, n은 예를 들어 1.1부터 1.7 정도의 범위의 작성시에 결정되는 상수가 된다. A는 pn접합면적이다. 또한, q(Vd-V)는 pn접합의 전위장벽높이로, pn접합 다이오드의 순방향 전류 I 중, 제작후 변화할 수 있는 것은 이 요소뿐으로, 게다가 온도 T와 함께 지수관수적인 기여를 하는 요소이고, 전류 I의 온도감도 S를 나타내는 부분이다.

pn접합 다이오드의 순방향 전류 I의 자연대수(로그)를 취하면,

log_eI=-S/T+C

S=q(Vd-V)/nk

C=qA(n_nDe/Le+p_pDh/Lh)

가 되고, 상기식에서 C는 거의 일정값이기 때문에, 순방향 전류 I의 대수(log_eI)와 온도의 역수(1/T)와는 비례관계에 있고, 그 비례상수가 순방향 전류 I의 온도감도 S가 된다.

그리고, 이 온도감도 S는 pn접합의 전위장벽높이 q(Vd-V)에 비례하고, pn접합 다이오드의 순방향 바이어스 전압 V에 의해, 조절할 수 있는 것을 알 수 있다. 실리콘(Si)의 pn접합 다이오드의 확산전위 Vd는 1.0V 정도이기 때문에, 본 발명의 온도측정장치에서는 그보다도 작은 순방향 바이어스 전압 V으로 pn접합 다이오드는 작동한다.

본 발명의 온도측정장치에서는 측정가능 온도의 상한은 주로 반도체 다이오드에 사용하는 반도체의 에너지갭 Eg에 의해 결정되고, 큰 에너지갭 Eg을 갖는 반도체에서는 그만큼 고온까지 작동할 수 있다. 예를 들어, 실리콘으로는 150℃가 상한으로 생각되어지지만, 탄화규소(SiC)를 이용하면 700℃ 이상의 온도 측정이 가능해진다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 다이오드 온도측정장치에 있어서는, 바이어스전압회로의 출력전압을 소정의 순방향 바이어스 전압으로 한 거의 구형(矩形)의 단일파형 또는 반복파형열로서, 연산증폭회로로부터의 출력을 인가 순방향 바이어스 전압에 동기하여 꺼내어지도록 할 수 있다. 이 경우, 바이어스 전압회로에 구형파 발진회로를 설치하거나, 공지의 파형정형회로로 단일의 구형파를 형성하는 등, 이 전압을 미세하게 조절할 수 있도록 해도 좋고, 미세하게 조절한 순방향 바이어스 전압을 위한 직류 안정화 전원출력을 MOSFET 등을 이용한 아날로그 스위치 등으로 단속(斷續) 또는 전환하는 등, 실제로 반도체 다이오드에 인가되는 전압이 거의 구형의 단일파형 또는 반복파형열이 되도록 해도 좋다. 이 경우, 연산증폭회로에 흐르는 전류는 거의 구형의 전류파형이 되기 때문에, 거의 구형의 전류파형이 0이 아닌 일정한 전류값(반도체 다이오드의 온도에 의존한다)이 되어 있을 때의 전류만을 출력으로 꺼낼 필요가 있고, 이 0이 아닌 일정 전류가 흐를 때와 타이밍을 동기시켜 그 부분의 출력을 꺼내도록 하고 있다. 이와 같이 인가 순방향 바이어스 전압을 시간적으로 단속 또는 펄스적으로 더함으로써, 반도체 다이오드의 자기발열을 억제하고, 또한 인가 순방향 바이어스 전압과 동기하여 출력신호를 꺼냄으로써 SN비가 개선되기 때문에, 고정밀도 온도측정장치를 실현할 수 있다. 게다가, 상기 설명에서, 거의 구형이라는 표현은 예를 들어 구형파를 입력해도 저항이나 용량 게다가 인덕턴스 등 때문에 파형이 둔화되어, 깨끗한 구형이 되기 어려운 것을 표현한 것이다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 다이오드 온도측정장치에 있어서는, 온도센서로서의 전류를 지배하는 최소한 1개의 전위장벽을 갖는 반도체 다이오드를 쇼트키접합 다이오드, pn접합 다이오드, 불순물 농도가 다른 n형 반도체 또는 p형 반도체를 접합한 n+n접합 다이오드 또는 p+p접합 다이오드, 헤테로접합 다이오드 등의 적절한 다이오드로 구성할 수 있다. 쇼트키접합 다이오드는 작성하기 쉽고 pn접합이 만들기 어려운 SiC 등의 밴드갭이 큰 반도체 등에 사용할 수 있다. 또한, n+n접합 또는 p+p접합 다이오드는 저온에서 이용할 수 있다. 이들 반도체 다이오드의 전류는 상술한 pn접합 다이오드와 같이 온도와 전위장벽높이에 대해 지수관수적 특성을 갖기 때문에, 온도감도 S는 S=q(Vd-V)/nk로 나타내어지기 때문이다. p형과 n형이 pn접합으로서 형성되기 어려운 반도체 재료인 경우나, 열용량과 열 컨덕턴스를 함께 작게 하기 위해 상하로 공동을 갖는 반도체 박막에 반도체 다이오드를 형성하는 경우 등, 쇼트키접합 다이오드로서 이용하는 것이 좋은 경우가 있다. 또한, pn접합이 아니어도 동일한 전도타입인 n+n접합 또는 p+p접합 다이오드에도 내부에 전류를 지배하는 전위장벽이 있고, 이 장벽을 넘는 열적 캐리어를 이용할 수 있기 때문에, 온도센서로서 이용할 수 있다. 일반적으로는, 온도가 높은 경우, 동일한 전도타입인 n+n접합 또는 p+p접합은 정류성을 갖지 않고, 옴성 접촉이 된다. 그러나, 저온으로 하면, 즉 이들 접합의 전위장벽이 온도의 에너지 kT와 같은 정도 또는 높은 경우에는 정류성을 나타내고, 이 전위장벽이 이들 반도체 다이오드의 전류를 지배하게 된다. 물론, 헤테로접합 다이오드에서도 내부에 전위장벽이 생기기 때문에, 본 발명의 온도센서로서 이용할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 다이오드 온도측정장치에 있어서는, 상하로 공동을 갖는 공중에 뜬 박막(박막 구조체)에 반도체 다이오드를 형성할 수 있다. 이 경우, 온도센서인 반도체 다이오드는 기판과의 사이에 틈이 있기 때문에, 열적으로 분리되고, 게다가 박막상으로 형성할 수 있기 때문에, 열용량, 열 컨덕턴스를 극히 작게 할 수 있어, 열형 적외선 센서나 열형 적외선 이미지센서를 작성할 때에도 유효하다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 다이오드 온도측정장치에 있어서는, 반도체 다이오드를 동일 기판에 복수개 형성시키고, 각각에 인가하는 순방향 바이어스 전압을 바이어스 전압회로의 출력조절로 각각의 온도감도가 동일 또는 거의 동일하게 되도록 할 수 있다. 예를 들어, 열형 적외선 센서를 작성할 때에, 2개의 상하로 공동을 갖는 공중에 뜬 박막에 각각 반도체 다이오드를 형성하고, 한쪽을 실제로 피측정 적외선을 수광하는 온도센서, 다른 쪽을 차광하여 온도보상용의 온도센서로 하는 경우 등에 이용된다. 물론, 박막 구조체의 온도센서를 매트릭스상으로 형성하여 열형 적외선 이미지센서를 작성할 때에도 유효하다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 다이오드 온도측정장치에 있어서는, 반도체 다이오드를 동일 기판에 최소한 2개 이상 형성시키고, 그들 전류신호의 차동출력이 얻어지도록 연산회로를 구성할 수 있다. 이 경우, 열형 적외선 체온계 등의 온도계측과 같이 미세한 온도변화를 계측하는데 적당하다. 또한, 본 발명에 따른 반도체다이오드 온도측정장치는 동일 기판에 형성한 2개 이상의 반도체 다이오드 중 최소한 1개는 아래에 공동을 갖는 박막에 형성시키고, 최소한 1개는 기판의 온도를 측정할 수 있도록 기판에 바로 형성시킬 수 있다. 이 경우, 역시 열형 적외선 센서나 열형 플로센서 등에 사용하는 경우에 기판온도와의 차의 온도를 검출할 수 있기 때문에 특히 유효하다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 다이오드 온도측정장치에 있어서는 절연체나 박막 구조체 상에 온도센서로서의 반도체 다이오드가 형성되기 쉽도록 다결정 반도체를 이용하여, 반도체 다이오드를 형성할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 다이오드 온도측정장치는 반도체 다이오드가 원하는 온도감도를 갖도록 미세하게 조절할 수 있는 순방향 바이어스 전압이 얻어지도록, 미리 설정된 분압저항을 갖춘 바이어스 전압회로를 준비하고, 예를 들어 용이하게 원하는 온도측정범위가 얻어지도록 할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 반도체 다이오드 온도측정장치는 바이어스 전압회로 중의 정전압전원회로를 하나 이용하여, 복수개의 반도체 다이오드의 각각에 순방향 바이어스 전압을 인가할 수 있도록 해도 좋다. 이것은 많은 반도체 다이오드의 각각에 정전압전원회로를 설치하면, 고가의 것이 되고, 또한 대형이 되기 때문에 1개로 해결되도록 한 것이다. 또한, 본 발명에 따른 반도체 다이오드 온도측정장치는 바이어스 전압회로 중 최소한 정전압전원회로의 일부를 1개 또는 복수개의 상기 반도체 다이오드와 동일 기판에집적화해도 좋다. 예를 들어, 바이어스 전압회로 중 정전압전원회로의 기준전압 발생용의 제너 다이오드와 주변회로를 동일 기판에 집적화해 두고, 이 제너 다이오드의 일정 전압을 분압저항으로 분담하여, 원하는 순방향 바이어스 전압이 반도체 다이오드에 인가할 수 있도록 해도 좋다. 다만, 이 경우의 분압저항은 이 분압저항에서의 전압강하를 무시할 수 있고, 직접 순방향 바이어스 전압이 반도체 다이오드에 인가되도록, 그 순방향 바이어스 전압에 있어서 반도체 다이오드의 저항에 비해, 충분히 작게 해둘 필요가 있다.

또한, 본 발명에 따른 반도체 다이오드 온도측정장치에 있어서는, 단일 연산증폭회로에 각각의 원하는 순방향 바이어스 전압을 인가할 수 있도록 한 복수개의 반도체 다이오드로부터의 전류를 순차 유입할 수 있도록 해도 좋다. 이것은 각각의 반도체 다이오드에 1개씩 연산증폭회로를 설치하는 것이 아니고, 1개의 연산증폭회로에서 공급하도록 하여, 열형 적외선 이미지센서와 같이 방대한 개수의 반도체 다이오드에 대해서도 예를 들어 1개로 해결되도록 한 것이다.

또한, 본 발명에 따른 열형 적외선 이미지센서는 상하로 공동을 갖는 박막에 형성한 온도센서로, 각각이 적외선 센서로서 작용하는 반도체 다이오드를 복수개 매트릭스상으로 배열형성하고, 각각의 반도체 다이오드로부터의 수광 적외선에 의한 온도에 관한 신호출력을 읽어내도록 한 것이다. 이 경우, X-Y 평면상(수평-수직 평면상)에 각각 열형 적외선 센서의 어레이를 매트릭스상으로 나열하고, 이 위에적외선 렌즈 또는 오목거울로 화상이 맺히는 광학계로 하고 있고, 각각의 열형 적외선 센서는 화상의 화소(1픽셀을 구성)가 되도록 하고 있다. 각 반도체 다이오드에는 예를 들어 원하는 온도감도를 이루도록 순방향 바이어스 전압 V을 안정화 전원으로부터 각각 분압하여 인가할 수 있도록 한 것이 좋다. 이와 같이 하여 텔레비전과 같이 적외선 화상표시가 가능하다.

또한, 본 발명에 따른 열형 적외선 이미지센서는 복수개 매트릭스상으로 배열 형성한 많은 반도체 다이오드에 대해 1개의 연산증폭회로로 해결되도록 회로구성을 한 것으로, 아날로그 스위치 등과 조합시켜 순차 각 반도체 다이오드에 순방향 바이어스 전압이 그 반도체 다이오드가 선택되어 있을 때만 인가되고, 그 반도체 다이오드로부터의 전류가 1개의 연산증폭회로에 유입하도록 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 온도측정방법은 상기와 같은 반도체 다이오드 온도측정장치를 이용하여 원하는 온도감도를 갖도록 반도체 다이오드의 순방향 바이어스 전압을 조절할 수 있도록 한 온도의 측정방법이다. 또한, 본 발명에 따른 온도측정방법은 소정의 순방향 바이어스 전압으로서 거의 구형의 단일파형 또는 반복파형열이 되도록 함과 동시에, 연산증폭회로로부터의 출력을 인가 순방향 바이어스 전압과 동기하여 꺼내도록 한 것으로, 온도센서인 반도체 다이오드에서의 소비전력을 낮춤과 동시에, 동기시킴으로써 SN의 향상을 도모한 것이다.

(2) 반도체 다이오드 온도측정장치

이하, 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치와 이 응용 디바이스의 실시형태에 대해서 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도1은 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제1 실시형태의 구성도이다. 온도센서로서의 반도체 다이오드 D에 바이어스 전압회로(2)로부터의 출력전압인 순방향 바이어스 전압 V을 인가하고, 순방향 바이어스 전압 V을 조정함으로써, 가변온도감도를 달성할 수 있도록 하고 있다. 이 예에서는 연산증폭기 A1를 통해 바이어스 전압회로(2)로부터의 출력전압인 순방향 바이어스 전압 V이 반도체 다이오드 D에 직접 인가되도록 연산증폭기 A1와 반도체 다이오드 D에는 바이어스 전압회로(2) 이외 아무것도 중간에 두지 않도록 하고 있고, 연산증폭기 A1의 +입력단자는 직접 어스(접지)하고 있다. 연산증폭기 A1의 출력전압 V0은 반도체 다이오드 D를 흐르는 전류 I가 그대로 귀환저항 Rf을 흐르게 되기 때문에 V0=I·Rf가 되고, 귀환저항 Rf은 일정하기 때문에, 출력전압 V0은 온도 T에 지수관수적으로 의존하는 전류 I에 비례하게 된다. 예를 들어, 반도체 다이오드 D로서 실리콘의 pn접합 다이오드인 경우, 실온 T=300K인 경우에 인가 순방향 바이어스 전압 V을 0.3, 0.4, 0.5, 0.6과 같이 0.7V까지 증가시켜 가면, 지수관수적으로 다이오드 전류 I가 증가해 가고, 온도센서로서는 pn접합의 전위장벽이 작아져 가기 때문에, 온도감도 S는 작아지는, 즉 온도변화에 대해 둔감한 전류 변화가 된다. 또한, 순방향 바이어스 전압 V을 예를 들어, 0.5V로 고정하면, 온도감도 S는 일정한 채, 저온에서는 온도T에 대하여 지수관수적으로 전류가 작아지고, 고온에서는 지수관수적으로 전류가 커지기 때문에, 귀환저항 Rf을 흐르는 다이오드 전류 I를 위해 연산증폭기 A1의 출력전압 V0은 온도 의존성을 갖는 다이오드 전류 I와 귀환저항 Rf과의 곱으로 나타내어지고, 온도 T에 대하여 지수관수적인 특성이 된다. 귀환저항 Rf이 1㏀일 때, 어느 온도에서 I=100㎂이면, 출력전압 V0=0.1V가 된다. 게다가, 저온, 예를 들어 T=100K여도, 그 온도에 있어서 반도체 다이오드 D의 전류·전압특성의 시동전압 부근까지 순방향 바이어스 전압 V을 인가해 두면, 이와 같은 저온에서도 온도계측이 가능하다. 고온에 있어서는, 반도체의 밴드갭 Eg을 통한 열 여기된 캐리어가 전위장벽을 넘는 열 여기된 캐리어에 비해, 충분히 작은 범위 내에서 계측할 수 있지만, 순방향 바이어스 전압 V을 크게 하면 다이오드 전류 I가 너무 커지고, 온도감도 S도 작아지기 때문에, 가능한 한 작은 순방향 바이어스 전압 V로 작동시키는 것이 좋다.

예를 들어, 탄화규소(SiC)의 pn접합 다이오드나 쇼트키접합 다이오드를 이용하면, SiC의 밴드갭 Eg은 약 3eV이기 때문에, T=약 1000K 정도까지의 고온까지 사용할 수 있다. 또한, 순방향 바이어스 전압 V을 2.5V 정도 더해 두면, 저온에서의 동작도 가능하기 때문에, 동일한 탄화규소(SiC)의 pn접합 다이오드나 쇼트키접합 다이오드의 순방향 바이어스 전압 V의 조정에 의해, 저온에서 고온까지의 온도계측이 가능해진다.

작성된 반도체 다이오드 D를 2 이상의 온도 T와 2 이상의 순방향 바이어스 전압 V에서 전류 I를 측정하고 교정하면, 상술한 이상계수 n와 확산전위차 Vd가 구해지고, 어느 인가 순방향 바이어스 전압 V에서의 온도감도 S가 구해진다.

도2에는 도1의 구성에 바이어스 전압회로(2)로부터의 출력전압으로서, 원하는 전압에 세트할 수 있는 직류의 인가 순방향 바이어스 전압이 아니고, 구형 또는 거의 구형의 전압파형의 인가 순방향 바이어스 전압이 인가된 경우의 동기적분회로(8)를 더 부가한 경우의 회로블록도가 나타나 있다. 이 동기적분회로(8)에서는 예를 들어, 바이어스 전압회로(2)로부터의 인가 순방향 바이어스 전압에 동기한 구형파 전압의 OUT을 파선으로 나타낸 것과 같이, 아날로그 SW(스위치)(3)로 인가하여 스위칭하고, 연산증폭기 A1로부터의 출력전압 V0이 동기하여 적분증폭회로(4)로 들어가도록 하여, 상술한 바와 같이, SN비가 향상한 출력전압 V00이 얻어지도록 하고 있다. 게다가, 적분증폭회로(4)에는 피크홀드회로를 삽입해도 좋다. 또한, 구형파 전압 OUT은 구형파에 한정되지 않고, 톱니파, 삼각파, 펄스파 등 적당한 전압파형으로 해도 좋다.

도3은 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제3 실시형태의 구성도이다. 여기에서는 온도센서로서의 반도체 다이오드 D에 순방향 바이어스 전압 V을 인가하는데 적당하고, 바이어스 전압회로(2)로부터의 출력전압을 연산증폭기 A1의 +입력단자에 접속하고, 연산증폭기 A1의 -입력단자와 어스간에 직접 반도체 다이오드 D를 접속하여, 이 반도체 다이오드 D에 순방향 바이어스 전압 V이 직접 인가되도록 하고 있다. 이 경우, 귀환저항 Rf1을 통한 1단의 증폭회로에서는 그 출력전압(P단자)에 순방향 바이어스 전압 V의 성분이 남기 때문에, 이 분을 캔슬하기 위해, 바이어스 전압회로(2)의 출력전압인 순방향 바이어스 전압 V을 다음 단의 차동증폭기인 연산증폭기 A2의 차동입력(Q단자)으로 하고, 게다가 1단째의 출력을 증폭하도록 하고 있다. 이 경우, Rf2/R1=Rc/R2=K가 되도록 저항값을 정하면, 1단째(연산증폭기 A1)의 신호출력인 I·Rf1의 K배의 전압이 2단째(연산증폭기 A2)의 출력 V0이 된다. 예를 들어, Rf2=Rc=10㏀, R1=R2=1㏀로 하면, K=10이 된다. 이 경우, 순방향 바이어스 전압 V의 전원과 반도체 다이오드 D의 방향을 함께 반대로 접속해 두면, 2단째의 출력전압 V0의 부호를 반대로 할 수 있다. 물론, 이 경우도 바이어스 전압회로(2)로부터의 출력전압을 조절하여 반도체 다이오드 D에의 순방향 바이어스 전압 V을 조절하면, 온도센서로서의 온도감도 S를 조절할 수 있다.

도3의 바이어스 전압회로(2)로부터의 출력전압으로서, 도1의 경우와 같이, 원하는 전압에 세트할 수 있는 직류의 인가 순방향 바이어스 전압이어도 좋고, 도2와 같이, 동기적분회로(8) 등을 더 갖추고, 구형 등의 적절한 전압파형의 인가 순방향 바이어스 전압이어도 좋다.

도4는 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제1 단면도이다. 이 도면은 온도센서인 반도체 다이오드 D와, 바이어스 전압회로(2) 중, 정전압전원회로의 전압기준이 되는 제너 다이오드(30)와 저항회로의 확산저항(40)을 동일한 n형의 실리콘(Si) 기판(1)에 집적화시킨 경우의 개략을 도시한 것이다. 이 확산저항(40)은 정전압전원회로로부터 분압시키기 위해 이용하는 분압저항, 또는 귀환저항으로서 이용할 수도 있다.

이 디바이스는 예를 들어, 다음과 같이 하여 작성할 수 있다. 먼저, n형 Si기판(1)의 표면을 열산화하고, 0.5㎛ 정도의 실리콘 산화막(50, 51)을 성장시키고, 그 후 공지의 포토리소그래피 기술을 이용하여 Si기판(1)의 표면에 창을 열고, 처음에 예를 들어 3㎛ 깊이 정도로 p형 불순물(예를 들어 붕소)을 열확산에 의해 첨가하여, p형 불순물층인 제너 다이오드(30)의 p형층(31), 반도체 다이오드 D의 p형층(11) 및 확산저항(40)의 절연분리용의 p형층(41)을 형성한다. 다음에 Si기판(1)을 더 열산화하고, 필요한 개소에 창을 열고, 이번에는 예를 들어 1㎛ 깊이 정도로 n형 불순물(예를 들어 인)을 열확산이나 이온주입기술에 의해 첨가하여, n형 불순물층인 제너 다이오드(30)의 n형층(32), 반도체 다이오드 D용의 음성 컨덕트층(22), 및 확산저항이 되는 n형 확산저항층(42)을 형성한다. 그 후, 다시 열산화하고, 전극용 창을 연 후, 배선용 금속화를 행하여, 배선이나 확산저항(40)용 전극(65a, 65b), 반도체 다이오드 D의 전극(61, 62), 제너 다이오드(30)의 전극(63, 64), 그리고 패드 등을 형성시킨다. 제너 다이오드(30)의 역방향 내압은거의 pn접합 양측의 불순물 밀도로 결정되고, 불순물 밀도가 큰 만큼, 역내압은 작아진다. 이와 같이 불순물 밀도가 큰 경우는 역내압은 정말 제너 효과로 발생하고, 이것은 터널 효과이기 때문에, 이 내압은 극히 온도에 좌우되지 않는 안정한 정전압전원회로의 기준전압이 될 수 있다(예를 들어, 6V의 역내압이 되도록 설계할 수 있다). 확산저항값은 n형 확산저항층(42)의 불순물 밀도와 그 수치로 결정되기 때문에, 원하는 저항값이 되도록 예를 들어 확산저항(40)의 저항값 1㏀가 되도록 설계할 수 있다. 전극으로는 예를 들어, 종래 반도체 디바이스의 전극재로서 이용되고 있는 Si함유 Al의 진공증착막 등을 이용할 수 있다.

도시하지 않았지만, 동일한 p형 Si기판(1)에도 1개 또는 복수의 반도체 다이오드를 형성하거나, 도4와는 반대의 전도 타입의 불순물 첨가에 의해 형성할 수 있다.

도5는 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제2 단면도이다. 이 도면은 온도센서로서의 1개의 반도체 다이오드 D를 상하로 공동을 갖는 공중에 뜬 박막인 박막 구조체(7) 위에 형성한 경우의 개략을 도시한 것이다. 이와 같이 반도체 다이오드 D를 박막 구조체(7) 상에 형성한 경우, 상하로 공동을 가져서 반도체 다이오드 D의 열용량과 열 컨덕턴스가 작게 가능하기 때문에, 열형 적외선 센서의 수광부나 열형 적외선 이미지센서의 매트릭스 중 1개의 픽셀로서 이용하는데 적합하다. 게다가, 상하로 공동을 갖는다는 표현은 하부의 공동(5)은 명확하지만, 상부의공동(6)은 박막 구조체(7)의 상부의 공간을 의미한다. 이와 같은 반도체 다이오드 온도측정장치 예를 들어 열형 적외선 센서 등으로서 이용할 때에는 일반적으로 본 디바이스 상에 캡을 씌우고, 그곳에 공간이 생기기 때문에, 이 부분 공간을 상부의 공동(6)이라 칭하고 있다.

이 디바이스는 예를 들어, 다음과 같이 하여 작성할 수 있다. Si기판(1)에 산화막 또는 질화막 등의 절연막(53)을 형성하고, 그 위에 n형의 다결정 Si박막(10)을 형성한 것, 또는 n형의 단결정 Si박막(10)을 형성한 것(SOI 기판)을 이용하고, 공지의 포토리소그래피 기술 및 마이크로머신 기술을 이용하여, n형의 Si박막(10)의 원하는 치수(예를 들어, 30㎛의 사각형)의 패턴화를 행한다. 다음에, p형 불순물의 열확산에 의한 p형층(11)의 형성, SiO₂박막 등의 절연박막(55)의 형성과 패턴화, 반도체 다이오드 D(이 경우는 pn접합 다이오드)의 전극(61, 62)의 형성을 행한다. 또한, Si기판(1) 뒷면의 실리콘 산화막(51)의 창을 이용한 히드라진이나 KOH 용액 등의 알칼리 에칭에 의한 이방성 에칭으로, 공동(5)의 형성을 행한다. 이와 같이 하여, 공중에 뜬 박막 구조체(7)를 형성할 수 있다. 게다가, 전극(61, 62)으로서 알칼리 에칭액에 침해되지 않는 금속 예를 들어, Au나 Mo 등을 이용하면 좋다. 또한, 적외선의 수광부로서 이용할 때에는 수광부 영역에 적외선 흡수층을 형성해 두면 좋다. 공중에 뜬 박막 구조체(7)로는, 전 주위가 Si기판(1)에 얽혀있는 다이아프램형, 양단지지의 가교 구조형, 일단지지의 컨티레버형이어도좋다. 도5에서는 이 중 일례로서 다이아프램형 또는 양단지지의 가교 구조형의 경우의 예를 나타내고 있다.

도6은 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제3 단면도이다. 이 도면은 온도센서로서의 1개의 반도체 다이오드 D를 상하로 공동을 갖는 박막 상에 형성한 경우의 개략을 도시한 것이다. 또한, 정전압전원회로(100)의 전압기준이 되는 제너 다이오드(30), 저항회로의 확산저항(40a, 40b)을 동일한 n형 실리콘(Si) 기판에 집적화시키고 있다. 공지의 기술인 Si기판(1) 위에 희생층 에칭에 의해 하부의 공동(5)을 형성함과 동시에, Si기판(1)에 바이어스 전압회로(2) 중 정전압전원회로의 제너 다이오드(30)나 분압저항이 되는 확산저항(40a, 40b) 등도 동시에 집적화시킨 예이다. 게다가, 도4, 도5 등에 나타낸 경우와 동일한 기능을 갖는 개소는 동일한 부호를 부여하고 있다.

도7은 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치의 제4 단면도이다. 이 도면은 온도센서로서의 1개의 반도체 다이오드 D를 상하로 공동을 갖는 박막 상에 형성한 경우의 개략을 도시한 것으로, 하부의 공동(5)을 Si기판(1)의 윗면에서부터 이방성 에칭에 의해 형성하고 있다. 이와 같이 Si기판(1)의 윗면에서부터의 에칭에 의해 작은 박막 구조체(7)를 형성할 수 있다. 여기에서의 예는 SOI 기판이 얇은 n형의 단결정 Si박막(10)에 p형의 불순물 확산에 의해 p형층(11)을 형성하고 있지만, p형층(11)이 하부의 절연박막인 실리콘 산화막(50)에 도달해 있는 경우로, pn접합은 p형층(11)의 주위에 형성된 경우이다. 또한, 여기에서의 예는 박막 구조체(7)로서, 가교구조나 컨티레버형의 경우로 얇은 n형의 단결정 Si박막(10)으로부터의 전극은 이 단면도에는 보이지 않고, 속에 있는 경우이다. 물론, 열형 적외선 센서 등으로서 이용하는 경우는 적외선 흡수막을 박막 구조체(7)의 수광부에 형성해 두는 것이 좋다.

(3) 복수의 반도체 다이오드를 이용한 온도측정장치 및 열형 적외선 센서

도8은 복수의 반도체 다이오드를 갖는 경우의 반도체 다이오드 온도측정장치의 회로도이다. 이 도면은 온도센서인 2개의 반도체 다이오드 D1, D2를 예를 들어 동일한 온도감도 S를 갖도록 순방향 바이어스 전압 V1, V2으로 조정할 수 있도록 한 경우를 도시한 것이다. 여기에서는 정전압전원회로(100)의 전압기준이 되는 1개의 제너 다이오드(30)를 이용하고, 이것으로부터의 전압을 저항 Ra과 저항 Rk으로 분압하고, 게다가 반도체 다이오드 D1, D2에 각각 가변저항 Rv1, Rv2을 이용하여, 미세한 순방향 바이어스 전압 V1, V2을 조정할 수 있도록 하고 있다. 또한, 바이어스 전압회로(2)의 출력전압이 되는 순방향 바이어스 전압 V1, V2이 그대로 반도체 다이오드 D1, D2에 직접 인가되고, 온도변화에 의한 반도체 다이오드 D1, D2의 큰 전류변화에 대해 안정한 순방향 바이어스 전압 V1, V2이 얻어지도록 하기 위해, 가변저항 Rv1, Rv2 중 각각의 순방향 바이어스 전압 V1, V2을 만드는 분압저항분은 그들의 순방향 바이어스 전압 V1, V2 인가시의 반도체 다이오드 D1, D2의 저항에 비해 무시할 수 있을 정도의 작은 저항값이 되도록 설정해두면 좋다. 여기에서는도3에 있어서의 회로도를 기본으로 하여 구성하고 있고, 연산증폭회로에는 2개의 연산증폭기 A11, A12를 이용하고, 각각에 귀환저항 Rf11, Rf12을 삽입하여, 증폭출력이 얻어지도록 하고 있다. 또한, 여기에서는 회로를 이해하기 쉽게 하기 위해, 도3의 회로도에 있어서의 제2단째의 연산증폭회로에 대응하고 있는 회로는 생략하고 있고, 도3의 P, Q는 각각의 반도체 다이오드 D1, D2 마다 P1, Q1; P2, Q2로서 대응시키고 있다. 여기에서는 예를 들어 제너 전압 Vz이 6V의 제너 다이오드(30)에 대해, 7V의 직류전원 EB, 이것에 접속하고 있는 직렬저항 Rz을 100Ω 정도로 하여 사용하여, 정전압전원회로(100)를 형성할 수 있다.

본 실시형태에서는 2개의 반도체 다이오드 D1, D2를 이용한 경우였지만, 동일하게 하여 다수개로 확장할 수 있다. 또한, 2개의 반도체 다이오드 D1, D2의 한쪽을 상하로 공동을 갖는 공중에 뜬 박막(박막 구조체(7)) 상에 형성하여 적외선의 수광량에 대응한 출력을 얻도록 하고, 다른 쪽을 반도체 기판에 형성하여 주변온도를 검출하도록 하던가, 2개의 반도체 다이오드 D1, D2의 양쪽을 각각 박막 구조체 상에 형성하고, 한쪽을 적외선을 수광할 수 있도록 하고, 다른 쪽을 피측정 적외선으로부터 차폐하도록 하는 등, 도7의 회로를 이용하여 2개의 반도체 다이오드 D1, D2의 차동출력(P1과 P2의 차동출력 등)이 얻어지도록 차동증폭기를 부가하여 열형 적외선 센서를 구성할 수 있다.

또한, 도8에서는 정전압전원회로(100)에 직류전원 EB을 이용한 경우였지만,이 직류전원 EB 대신에, 예를 들어 구형파의 발진기를 이용하여, 구형파 전압열을 발생시켜 인가해도 좋다. 또한, 이 구형파 전압열에 동기시켜 도2에 나타낸 것과 같은 동기적분회로(8)를 부가하여 SN비가 향상한 온도센서의 출력을 표시하도록 해도 좋다.

도9에는 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치를 열형 적외선 이미지센서에 응용한 경우의 회로도를 나타낸다. 매트릭스상으로 배열한 반도체 다이오드 D11, D12; D21, D22는 예를 들어 상하로 공동을 갖는 공중에 뜬 박막(박막 구조체) 상에 형성되고, 적외선 센서의 감온부가 되어 열형 적외선 이미지 센서의 픽셀을 형성하도록 하고 있다. 또한, 각각의 온도감도 S가 예를 들어 동일하게 되도록 가변저항 Rv11, Rv12; Rv21, Rv22을 조절하고, 각각에 연산증폭기 A1를 통해 필요한 순방향 바이어스 전압을 인가할 수 있도록 하고 있다. 각 매트릭스에 배열된 반도체 다이오드가 공지의 수직주사회로(110)와 수평주사회로(210)와, MOSFET(211, 212; 111, 112; 121, 122)을 이용하여, 순차 각 반도체 다이오드 D11, D12; D21, D22를 구동할 수 있도록 되어 있다. 이 경우는 바이어스 전압회로(2)의 삽입개소를 제외하면, 도1에 나타낸 회로도를 기본으로 하고 있고, 1개의 정전압전원회로(100)로부터 저항 Ra, Rk을 통해 분담전압이 얻어지도록 하고, 게다가, 개별 반도체 다이오드마다 연산증폭기를 가지는 것이 아니고, 회로의 고안에 의해 공통의 1개의 연산증폭기 A1로 해결되도록 하고 있다.

또한, 도9의 회로구성에서는 수직주사회로(110)와 수평주사회로(210)와, MOSFET(211, 212; 111, 112; 121, 122)을 이용하여 선택된 반도체 다이오드는 선택되어 있을 때만 전압이 인가되고, 그곳을 흐르는 전류가 공통하는 1개의 연산증폭기 A1에 유입하여 출력되도록 되어 있다. 따라서, 각각의 반도체 다이오드에는 소정의 구형파 전압 등의 순방향 바이어스 전압이 인가되게 된다.

또한, 상술한 반도체 다이오드를 개별로 제작 후, 바이어스 전압회로(2)로 온도감도를 조정할 수 있도록 해도 좋고, 제작시에는 원하는 온도감도가 되도록 붙박이 바이어스 전압회로(2)를 집적화해 두는 등 반도체 다이오드 온도측정장치를 작성할 수도 있다. 또한, 이 반도체 다이오드는 온도센서이기 때문에, 이것과 마이크로히터나 펠티에 소자 등과 조합시킨 온도제어회로나 온도검출회로를 구성할 수도 있다. 게다가, 반도체의 n형 p형 등의 형, 재료, 두께, 사이즈 등은 적절히 설계할 수 있다.

상술한 실시형태는 본 발명의 한 실시형태에 지나지 않고, 본 발명의 주지 및 작용, 효과가 동일하면서, 본 발명의 많은 변형이 있는 것은 명백하다.

산업상의 이용가능성

본 발명은 이상과 같이, 다이오드 온도센서의 일종이고, 특히 2단자인 반도체 다이오드의 순방향 바이어스 전압을 고정한 경우의 지수관수적인 온도 의존성을갖는 반도체 다이오드의 전류·전압특성을 이용하여, 고감도, 고정밀도로 SN비가 큰 온도센서를 제공할 수 있다. 본 발명에 의하면, 예를 들어 p측과 n측도 오그라들 정도로 불순물을 많게 한 pn접합 다이오드를 이용함으로써, 온도 의존성이 완만해지고, 고정밀도의 온도측정장치를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 고정 순방향 바이어스 전압을 조정시킴으로써, 온도감도를 조정할 수 있는 온도측정장치를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 그것을 이용한 각종 디바이스를 제공할 수 있다. 게다가, 본 발명에 의하면, 미세하고 안정하게 순방향 전압조정이 가능한 바이어스 전압회로를 이용하고, 게다가 이 미세하게 조정된 바이어스 전압이 반도체 다이오드에 직접 인가되도록 함으로써, 고정밀도, 고감도의 온도측정장치 및 방법을 제공할 수 있다.

또한, 이상 설명한 바와 같이, 종래의 서미스터는 한번 서미스터를 제작하면, 그 온도감도가 대응하는 B상수의 제어가 극히 곤란했지만, 본 발명의 반도체 다이오드를 이용한 온도측정장치 및 그 응용 디바이스에서는 온도센서인 반도체 다이오드에의 순방향 바이어스 전압을 연산증폭회로를 통해 인가하고, 그 순방향 바이어스 전압을 조정함으로써, 온도센서로서의 온도감도를 크고, 미세하게 변화시킬 수 있다.

또한, 순방향 바이어스 전압으로서, 직류전압뿐만 아니라, 구형파의 전압을 인가해도 좋고, 구형파의 전압을 인가하고 그 구형파의 폭을 작게 함으로써, 반도체 다이오드에서의 소비전력을 적게 하고, 고정밀도의 온도측정장치를 달성할 수 있고, 또한 이 구형파의 전압과 동기하여 출력전압을 꺼내도록 함으로써 SN비가 큰 온도측정장치를 제공할 수 있다.

또한, 선발명한 트랜지스터 서미스터에서도 제작 후 온도감도에 대응하는 B상수를 제어할 수 있었지만, 트랜지스터 때문에 3단자인 것, 콜렉터 손실 때문에 큰 전류가 흐르기 어려운 것에 비해, 본 발명의 반도체 다이오드 온도측정장치 및 그 응용 디바이스에서는 반도체 다이오드이기 때문에, 본질적으로 2단자로 해결되고 콜렉터와 같은 고저항 부분이 없기 때문에 큰 전류를 흘려도 자기발열을 극히 작게 할 수 있다는 현저한 효과가 있다.

또한, 본 발명은 복수의 온도센서인 반도체 다이오드의 온도감도를 동일하게 세트할 수 있어, 큰 주위온도의 변화가 있어도 온도계수가 같아지기 때문에, 예를 들어 그 중 1개의 반도체 다이오드를 기준온도 계측용으로 한 열형 적외선 센서나 체온계, 열형 적외선 이미지센서, 플로센서나 가스센서, 피라니 진공계 등에의 고감도·고정밀도의 온도센서로서의 응용에 적당하다.

Claims

출력전압을 제1 및 제2 출력 사이에 출력하는 바이어스 전압회로;

상기 바이어스 전압회로의 제1 출력이 순방향 바이어스 전압으로서 일단에 인가되는 반도체 다이오드; 및

상기 반도체 다이오드의 다른 단이 접속되는 제1 입력과, 상기 바이어스 전압회로의 제2 출력이 공급되는 제2 입력과, 온도측정을 위한 출력을 갖는 연산증폭회로;

로 이루어지고, 상기 바이어스 전압회로의 출력전압의 조절에 의해 상기 반도체 다이오드의 순방향 바이어스 전압을 조절시키고, 그 전위장벽높이를 조절함으로써, 원하는 온도감도를 갖도록 조절할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
제1항에 있어서, 상기 연산증폭회로의 출력을 인가 순방향 바이어스 전압에 동기하여 꺼내기 위한 동기출력회로를 더 포함하여 이루어지며,

상기 바이어스 전압회로가 구형 또는 거의 구형의 단일파형 또는 반복파형열을 출력하도록 한 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
제1항에 있어서, 상기 바이어스 전압회로와 상기 연산증폭회로와의 접속전압이 공급되는 제1 입력과, 상기 연산증폭회로의 출력이 공급되는 제2 입력과, 온도측정을 위한 출력을 갖는 제2 연산증폭회로를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드는 상부, 하부, 횡부 또는 이들을 복수 조합시킨 곳에 공동을 갖도록 박막에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드는 쇼트키접합 다이오드, pn접합 다이오드, n+n접합 다이오드, p+p접합 다이오드, 헤테로접합 다이오드 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드는 pn접합 다이오드이고, 그 p측 및 n측 반도체가 오그라들 정도로 불순물을 많게 하지만, 순방향 바이어스 전압 인가시에는 확산전류에 비해 터널 전류가 무시할 수 있을 정도인 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서, 상기 반도체 다이오드 및 상기 바이어스 전압회로는 동일 기판에 복수 조가 형성되고, 각각의 상기 바이어스 전압회로의 출력을 조절하도록 한 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
제7항에 있어서, 동일 기판에 2개 이상 형성된 상기 반도체 다이오드를 흐르는 각 전류 중, 최소한 하나의 상기 반도체 다이오드에 흐르는 전류와 다른 상기 반도체 다이오드에 흐르는 각 전류와의 차동출력이 얻어지도록 하는 연산회로를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
제7항에 있어서, 동일 기판에 2개 이상 형성된 상기 반도체 다이오드의 최소한 1개는 아래에 공동을 갖는 박막에 형성되고, 최소한 1개는 기판의 온도를 측정할 수 있도록 기판 상에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
제7항에 있어서, 복수의 상기 바이어스 전압회로에 대해 공통의 정전압전원회로를 갖추고, 복수개의 상기 반도체 다이오드에 순방향 바이어스 전압을 인가할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
제10항에 있어서, 상기 바이어스 전압회로 중, 최소한 정전압전원회로의 일부를 최소한 하나의 상기 반도체 다이오드와 동일 기판에 집적화한 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서, 상기 연산증폭회로를 복수의 상기 반도체 다이오드 및 상기 바이어스 회로에 대해 공통으로 설치하고,

단일의 상기 연산증폭회로에 복수의 상기 반도체 다이오드 및 상기 바이어스 회로로부터의 출력을 순차 공급할 수 있도록 한 주사회로를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 온도측정장치.
상기 제1항 내지 제3항의 어느 한 항 기재의 온도측정장치에 있어서, 상기 반도체 다이오드 및 상기 바이어스 전압회로를 복수개 매트릭스상으로 배열하고, 각각의 상기 반도체 다이오드로부터의 수광 적외선에 의한 온도에 관한 신호출력을 읽어내도록 한 열형 적외선 이미지센서.
전류를 지배하는 최소한 1개의 전위장벽을 갖는 반도체 다이오드의 전류·전압특성의 온도 의존성을 이용하는 온도측정방법에 있어서,

바이어스 전압회로와 반도체 다이오드와 연산증폭회로의 입력 쪽을 직렬로 접속하고, 상기 바이어스 전압회로의 출력전압을 도중의 전압강하를 무시할 수 있을 정도로 작게 하여, 직접 상기 반도체 다이오드에 순방향 바이어스 전압으로서 인가하고,

상기 연산증폭회로의 출력이 상기 반도체 다이오드를 흐르는 순방향 전류에 관계하도록 하고,

상기 바이어스 전압회로의 출력전압의 조절에 의해 상기 반도체 다이오드의 순방향 바이어스 전압을 변화시키고, 전위장벽높이를 조절함으로써, 원하는 온도감도를 갖도록 조절할 수 있게 한 것을 특징으로 하는 온도측정방법.
제14항에 있어서, 상기 바이어스 전압회로의 출력전압이 소정의 순방향 바이어스 전압에 있어서 구형 또는 거의 구형의 단일파형 또는 반복파형열이 되도록 하고,

상기 연산증폭회로로부터의 출력을 인가 순방향 바이어스 전압에 동기하여꺼내도록 한 것을 특징으로 하는 온도측정방법.