特開 2024-108233 温度センサ装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024108233

(43)【公開日】2024-08-13

(54)【発明の名称】温度センサ装置

(51)【国際特許分類】

   G01K 7/01 20060101AFI20240805BHJP

【ＦＩ】

G01K7/01 C

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023012491

(22)【出願日】2023-01-31

(71)【出願人】

【識別番号】715010864

【氏名又は名称】エイブリック株式会社

(72)【発明者】

【氏名】冨岡 勉

(72)【発明者】

【氏名】黒田 忠克

(72)【発明者】

【氏名】見谷 真

(72)【発明者】

【氏名】平岡 直洋

【テーマコード（参考）】

2F056

【Ｆターム（参考）】

2F056JT01

(57)【要約】

【課題】微小な温度変化の測定が可能でありながらも、高性能なＩＣテスタを必要とせず低コストで製造が可能な温度センサ装置を提供する。
【解決手段】温度センサ装置は、温度センサ回路２と、検査用温度センサ１を備え、前記検査用温度センサ１は、感温素子であるＰＮ接合素子１５と、前記ＰＮ接合素子１５に少なくとも２値の異なる順方向電流を供給する可変電流源と、前記ＰＮ接合素子１５の順方向電圧と同じ温度特性を有する定電圧を出力する定電圧源１６と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

温度センサ回路と、検査用温度センサを備え、
前記検査用温度センサは、
感温素子であるＰＮ接合素子と、
前記ＰＮ接合素子に少なくとも２値の異なる順方向電流を供給する可変電流源と、
前記ＰＮ接合素子の順方向電圧と同じ温度特性を有する定電圧を出力する定電圧源と、
を備えることを特徴とする温度センサ装置。

【請求項2】

前記検査用温度センサは、
前記ＰＮ接合素子の少なくとも２値の異なる順方向電圧と、前記定電圧を出力する
ことを特徴とする請求項１に記載の温度センサ。

【請求項3】

前記定電圧は、前記ＰＮ接合素子の少なくとも２値の異なる順方向電圧と検査装置のアンプの増幅率及び電圧計の能力を考慮して設定されることを特徴とする請求項１または２に記載の温度センサ装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、温度センサ装置に関する。

【背景技術】

【0002】

様々な用途で用いられる温度センサは、微小な温度変化を測定することが求められる。例えば、温度の検出精度が１℃よりも高いことが要求されることがある。

【0003】

図５は、従来の温度センサを示す回路図である。従来の温度センサは、感温素子であるダイオードに異なる電流値の電流を流した時の順方向電圧の差から温度を求める（例えば、特許文献１参照）。

【0004】

温度センサが出力する電圧の差分ΔＶｏ（Ｖｏ１－Ｖｏ２）は、Ａ（ｋＴ／ｑ）ｌｎ（Ｎ）で表される。ここで、Ｖｏ１はダイオードに順方向電流Ｉ１を流した時の順方向電圧Ｖｆ１をアンプで増幅した電圧、Ｖｏ２はダイオードに順方向電流Ｉ２を流した時の順方向電圧Ｖｆ２をアンプで増幅した電圧、ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子電荷、Ａはアンプの増幅率、Ｎは順方向電流の比Ｉ１／Ｉ２、である。

【0005】

従って、温度ＴはｑΔＶｏ／｛ｋＡｌｎ（Ｎ）｝、温度係数ｄΔＶｏ／ｄＴはｄΔＶｏ／ｄＴ＝Ａ（ｋ／ｑ) ｌｎ（Ｎ）で表される。
ｋ＝１．３８×１０＾－２３［Ｊ／Ｋ］、ｑ＝１．６０×１０＾－１９［Ｃ］であり、Ｎ＝２とすると温度係数ｄΔＶｏ／ｄＴはおよそＡ×６０［ｕＶ／Ｋ］となる。

【0006】

上述のような従来の温度センサは、ダイオードの順方向電圧の差は絶対温度に正比例するため、高精度に温度を測定することが出来る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許第３８１２７１７号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、出荷検査に使用されるＩＣテスタは、一般的に印加温度の分解能が１℃以上である。従って、温度センサは、微小な温度変化を測定する製品とした場合、検査工程において温度を高分解能で印加する高性能なＩＣテスタが必要になるため製造コストが高くなる。

【0009】

また、微小な温度変化、例えば０．１Ｋの温度変化の測定が必要な場合、温度係数ｄΔＶｏ／ｄＴはＡ×６［ｕＶ／０．１Ｋ］となる。この時、ＩＣテスタ等の一般的な電圧計で測定可能な電圧変化（温度係数６００ｕＶ／０．１Ｋ）とするためには、アンプの増幅率Ａは１００以上にする必要がある。一方、ダイオードの順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２がある温度で０．６Ｖ程度の場合、増幅率Ａ＝１００以上のアンプの出力電圧は６０Ｖ以上となる。即ち、このアンプが出力する電圧を測定するためには、高い電圧を高精度に測定する必要がある。

【0010】

従って、従来の温度センサは、検査工程に使用されるＩＣテスタにおいて、高性能な電圧計を必要とするため製造コストが高くなる。
この課題を解決する手段として、従来の温度センサの出力電圧をデジタル処理して出力することが考えられる。

【0011】

しかしながら、従来の温度センサは、２値の順方向電圧から温度を求めて精度を高める方式のため、デジタル化に必要な温度データを格納するレジスタが大きくなり、製品コストが高くなるといった課題が新たに発生する。

【0012】

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、微小な温度変化の測定が可能でありながらも、高性能なＩＣテスタを必要とせず低コストで製造が可能な温度センサ装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の温度センサ装置は、温度センサ回路と、検査用温度センサを備え、検査用温度センサは、感温素子であるＰＮ接合素子と、ＰＮ接合素子に少なくとも２値の異なる順方向電流を供給する可変電流源と、ＰＮ接合素子の順方向電圧と同じ温度特性を有する定電圧を出力する定電圧源を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、微小な温度変化を測定可能でありながらも、高性能なＩＣテスタを必要とせず低コストで製造が可能な温度センサ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本発明の検査用温度センサを備えた温度センサ装置を示すブロック図である。

【図2】本実施形態の検査用温度センサの順方向電圧Ｖｆ１、Ｖｆ２及び定電圧Ｖｂの温度特性を示すグラフである。

【図3】本実施形態の温度センサ装置の温度センサ回路の一例を示す回路図である。

【図4】本実施形態の温度センサの一例を示す回路図である。

【図5】従来の温度センサを示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本発明の検査用温度センサ１を備えた温度センサ装置１００について、図面に基づいて説明する。

【0017】

図１は、本実施形態に係る検査用温度センサ１を備えた温度センサ装置１００を示すブロック図である。
温度センサ装置１００は、検査用温度センサ１と、温度センサ回路２と、出力端子Ｔ１～Ｔ３を備えている。温度センサ装置１００の製品としての温度センサは、温度センサ回路２に含まれている。

【0018】

検査用温度センサ１は、定電流源１１、１２と、スイッチ１３、１４と、感温素子であるダイオード１５と、定電圧源１６とを備えている。定電流源１１、１２とスイッチ１３、１４は、可変電流源を構成している。

【0019】

定電流源１１は、一端が電源端子に接続され、他端がスイッチ１３の一端に接続されている。定電流源１２は、一端が電源端子に接続され、他端がスイッチ１４の一端に接続されている。ダイオード１５は、アノードがスイッチ１３の他端、スイッチ１４の他端、及び端子Ｔ１に接続され、カソードが接地端子に接続されている。定電圧源１６は、一端が端子Ｔ２に接続され、他端が接地端子に接続されている。
温度センサ回路２は、出力端子が端子Ｔ３に接続されている。

【0020】

定電流源１１は、定電流Ｉ１を出力する。定電流源１２は、定電流Ｉ１と異なる電流値の定電流Ｉ２を出力する。ダイオード１５は、定電流Ｉ１が供給されたときに順方向電圧Ｖｆ１を発生し、定電流Ｉ２が供給されたときに順方向電圧Ｖｆ２を発生し、端子Ｔ１へ出力する。

【0021】

定電圧源１６は、ダイオード１５の順方向電圧Ｖｆと同じ温度特性を有する定電圧Ｖｂを端子Ｔ２へ出力する。定電圧源１６は、例えば、ダイオード１５と同種のダイオードに定電流Ｉ１、Ｉ２よりも少し小さい定電流を流した時に発生する順方向電圧を定電圧Ｖｂとして出力するように構成する。定電圧Ｖｂは、例えば、順方向電圧Ｖｆ１、Ｖｆ２よりも少しだけ低い値とする。

【0022】

検査装置は、一般的なＩＣテスタであり、制御装置やアンプを備えている。制御装置は、電圧計などの計測器やメモリを備えている。アンプは、例えば、非反転入力端子に端子Ｔ１を介してダイオード１５のアノードが接続され、反転入力端子に端子Ｔ２を介して定電圧源１６の出力端子が接続され、出力端子が制御装置に接続されている。

【0023】

ここで、定電圧Ｖｂは、ダイオード１５の順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２との差をアンプで増幅したときの電圧が一般的なＩＣテスタの電圧計で測定できる値に設定される。即ち、定電圧Ｖｂは、ダイオード１５の順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２とアンプの増幅率と検査装置の電圧計の能力などを考慮して設定される。

【0024】

上述のように構成された温度センサ装置１００は、高精度に温度測定が可能な検査用温度センサ１が出力する温度データを元に製品としての温度センサである温度センサ回路２の精度の検査を実施することが出来る。
更に、検査装置のアンプは、検査用温度センサ１が出力する順方向電圧Ｖｆ１と定電圧Ｖｂとの差、及び順方向電圧Ｖｆ２と定電圧Ｖｂとの差を増幅するため、増幅率が小さくてよい。従って、検査装置の電圧計は、小さい電圧を高精度で測定すれば良く、高性能である必要はない。

【0025】

本実施形態に係る検査用温度センサ１の動作について説明する。
先ず、スイッチ１３をオン、スイッチ１４をオフして、定電流源１１の定電流Ｉ１をダイオード１５に供給する。ダイオード１５に定電流Ｉ１が順方向電流として流れた時、ダイオード１５に発生する順方向電圧をＶｆ１とする。順方向電圧Ｖｆ１は、ダイオード１５に定電流Ｉ１が流れた時の温度に対応している。

【0026】

次に、スイッチ１３をオフ、スイッチ１４をオンして、定電流源１２の定電流Ｉ２をダイオード１５に供給する。ダイオード１５に定電流Ｉ２が順方向電流として流れた時、ダイオード１５に発生する順方向電圧をＶｆ２とする。順方向電圧Ｖｆ２は、ダイオード１５に定電流Ｉ２が流れた時の温度に対応している。

【0027】

ダイオード１５に発生する順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２は、端子Ｔ１に出力され、検査装置のアンプの非反転入力端子に入力される。定電圧源１６が出力する電圧Ｖｂは、端子Ｔ２に出力され、検査装置のアンプの反転入力端子に入力される。アンプは、順方向電圧Ｖｆ１と電圧Ｖｂの差を増幅率Ａで増幅し、また順方向電圧Ｖｆ２と電圧Ｖｂの差を増幅率Ａで増幅して、制御装置に出力する。

【0028】

図２は、本実施形態の検査用温度センサ１の順方向電圧Ｖｆ１、Ｖｆ２及び定電圧Ｖｂの温度特性を示すグラフである。
本実施形態では、定電流Ｉ１と定電流Ｉ２の関係がＩ１＞Ｉ２、即ち順方向電圧Ｖｆ１と順方向電圧Ｖｆ２の関係がＶｆ１＞Ｖｆ２とする。そして、順方向電圧Ｖｆ１と順方向電圧Ｖｆ２は、共にダイオード１５に発生する順方向電圧であるため温度特性は等しい。
定電圧Ｖｂは、後述する定電圧源１６の回路で発生する、順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２と温度特性が同じで、少しだけ低い電圧である。

【0029】

以下に、上述のように構成した検査用温度センサ１の出力電圧から温度を求める方法について説明する。
検査用温度センサ１は、ダイオード１５に順方向電流Ｉ１及びＩ２を流した時の順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２と定電圧Ｖｂを出力する。検査装置は、これらの出力電圧の差をアンプで増幅した電圧から温度を求める。

【0030】

ダイオードに順方向電流Ｉを流した時の順方向電圧Ｖｆは次式で表される。
Ｖｆ＝（ｋＴ／ｑ）×ｌｎ（Ｉ／Ｉｓ） … （１）
（ｋはボルツマン定数、Ｔは絶対温度、ｑは電子電荷、Ｉｓは飽和電流）

【0031】

式（１）よりダイオードの順方向電圧Ｖｆ１、順方向電圧Ｖｆ２は次式で表される。
Ｖｆ１＝（ｋＴ／ｑ）×ｌｎ（Ｉ１／Ｉｓ） … （２）
Ｖｆ２＝（ｋＴ／ｑ）×ｌｎ（Ｉ２／Ｉｓ） … （３）

【0032】

順方向電圧Ｖｆ１と定電圧Ｖｂとの差、及び順方向電圧Ｖｆ２と定電圧Ｖｂとの差は、それぞれ増幅率Ａのアンプによって増幅される。アンプの出力電圧は、それぞれＶｏ１、Ｖｏ２とすると、次式で表される。
Ｖｏ１＝Ａ｛（ｋＴ／ｑ）×ｌｎ（Ｉ１／Ｉｓ）－Ｖｂ｝ … （４）
Ｖｏ２＝Ａ｛（ｋＴ／ｑ）×ｌｎ（Ｉ２／Ｉｓ）－Ｖｂ｝ … （５）

【0033】

順方向電流Ｉ１及びＩ２の比をＮ：１とすると、アンプの出力電圧の差ΔＶｏは、次式で表される。
ΔＶｏ＝Ｖｏ１－Ｖｏ２＝Ａ（ｋＴ／ｑ）×ｌｎ（Ｎ） … （６）

【0034】

式（６）より、アンプの出力電圧の差をとることで、ダイオードの飽和電流Ｉｓの項に加え、定電圧Ｖｂの項も消去できることがわかる。
また、絶対温度Ｔは、次式で表される。
Ｔ＝ｑ×ΔＶｏ／｛Ａ×ｋ×ｌｎ（Ｎ）｝ … （７）

【0035】

よって、アンプの出力電圧Ｖｏ１及びＶｏ２を電圧計で測定し、式（７）を用いれば温度を求めることができる。
また、式（７）の両辺を微分すると、温度係数ｄΔＶｏ／ｄＴが求められる。
ｄΔＶｏ／ｄＴ＝Ａ×（ｋ／ｑ) ×ｌｎ（Ｎ） … （８）

【0036】

ｋ＝１．３８×１０＾－２３［Ｊ／Ｋ］、ｑ＝１．６０×１０＾－１９［Ｃ］、Ｎ＝２とすると、式（８）から温度係数ｄΔＶｏ／ｄＴは次式で表される。
ｄΔＶｏ／ｄＴ≒Ａ×６０［ｕＶ／Ｋ］ … （９）

【0037】

今、微小な温度変化、例えば０．１Ｋの温度変化の測定が必要な場合、温度係数は式（９）からＡ×６［ｕＶ／０．１Ｋ］となる。この時、ＩＣテスタ等の一般的な電圧計で測定可能な電圧変化（温度係数６００ｕＶ／０．１Ｋ）とするために、アンプの増幅率Ａは１００以上に設定する。ここで、ダイオードの順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２がある温度で０．６Ｖ程度の場合、定電圧Ｖｂを０．５９４Ｖに設定すると、増幅率Ａが１００のアンプの出力電圧は、順方向電圧Ｖｆ１及びＶｆ２と定電圧Ｖｂとの差０．００６Ｖを増幅しているため０．６Ｖ程度となる。

【0038】

以上説明したように、本実施形態の検査用温度センサ１は、検査装置のアンプで増幅された電圧が０．６Ｖ程度でありながら微小な温度変化（温度係数６００ｕＶ／０．１Ｋ）を精度よく測定することが可能である。

【0039】

従って、検査工程に使用される検査装置は、本実施形態の検査用温度センサ１の出力電圧から求めた温度を基準として、温度センサ回路２の検査をすることが可能となる。即ち、検査装置において温度を高分解能で印加する高性能なＩＣテスタを必要としないため製造コストを低くすることが出来る。
更に、検査装置は、アンプで増幅された電圧が０．６Ｖ程度であるため、高性能な電圧計を必要とせず製造コストを低くすることが出来る。

【0040】

図３は、本実施形態の温度センサ装置１００の温度センサ回路２の一例を示す回路図である。
温度センサ回路２は、温度センサ２１と、ＡＤコンバータ２２と、発振回路２３と、インターフェイス２４と、レジスタ２５と、制御回路２６を備えている。温度センサ回路２は、デジタル温度センサとすることで、容易に検出精度を高く出来て、出力がデジタル信号のため検査も容易になる。

【0041】

図４は、本実施形態の温度センサ２１の一例を示す回路図である。
温度センサ２１は、定電流源と感温素子であるダイオードとアンプを備えている。

【0042】

温度センサ２１は、温度センサ回路２をデジタル温度センサとするため、デジタル変換部のサイズが大きくなることが無いような回路構成にすることが望ましい。図４に示した温度センサ２１は、検査用温度センサ１のように２値の順方向電圧から温度を求める方式でないため、デジタル変換部のレジスタサイズを小さくすることが可能である。

【0043】

以上説明したように、本実施形態の温度センサ装置１００は、微小な温度変化を測定可能でありながら、製造コストを抑えることが可能である。

【0044】

温度センサ装置１００は、高精度の検査用温度センサ１を備えたので、検査装置において温度を高分解能で印加する高性能なＩＣテスタを必要としないため製造コストを低くすることが出来る。
また、検査装置のアンプは、検査用温度センサ１が出力する順方向電圧Ｖｆ１と定電圧Ｖｂとの差、及び順方向電圧Ｖｆ２と定電圧Ｖｂとの差を増幅するため、増幅率が小さくてよい。従って、検査装置は、高性能な電圧計を必要としないため製造コストを低くすることが出来る。

【0045】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施形態以外にも様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換えまたは変更することができる。

【0046】

例えば、実施形態では感温素子であるダイオードと説明したが、これに限定されるものではなくＰＮ接合素子であればよい。また、ダイオードの順方向電圧Ｖｆを０．６Ｖ程度、ダイオードの順方向電圧Ｖｆと同じ温度特性を有する定電圧Ｖｂを０．５９４Ｖとして説明したが、それに限定されるものではない。また、可変電流源がダイオードに供給する２値の異なる電流と説明したが、それに限定されるものではなく、３値以上の異なる電流を用いて温度測定を行ってもよい。

【符号の説明】

【0047】

１ 検査用温度センサ
２ 温度センサ回路
１１、１２ 定電流源
１３、１４ スイッチ
１５ ダイオード
１６ 定電圧源
２１ 温度センサ
２２ ＡＤ変換器
２３ 発振回路
２４ インターフェイス
２５ レジスタ
２６ 制御回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】