温度传感器和使用该温度传感器的装置以及温度测定方法与流程

本公开涉及测定物体的温度的温度传感器和使用该温度传感器的装置以及温度测定方法。
背景技术：
：作为测定食品等物体的温度的温度传感器，在烹调装置等中使用红外线传感器。专利文献1的红外线传感器信号的修正方法具有第一修正步骤和第二修正步骤。第一修正步骤具有与基于环境温度的补偿修正量A相加或相减的步骤。第二修正步骤在第一修正步骤之后进行，具有与基于环境温度的修正系数B相乘的步骤。当从测定对象物辐射的红外线到达红外线传感器部时，与红外线能量对应的红外线传感器信号SIR作为电压值输出。在第一修正步骤中，将根据环境温度求出的补偿修正量A与红外线传感器信号SIR进行相加或相减，从而得到第一修正信号。在此，补偿修正量A是根据红外线传感器装置的红外线传感器部的种类和环境温度的函数来确定的修正量。补偿修正量A用包含环境温度的3次和/或2次的项的函数表示。关于补偿修正量A，例如在环境温度不同的多个条件下对恒定温度的测定对象物进行测定。然后，根据此时的红外线传感器信号在横轴标示环境温度，并在纵轴标示红外线传感器信号，从而作为环境温度的函数而得到补偿修正量A。即，确定各环境温度下的补偿修正量A。接着，当作为第二修正步骤将第一修正信号与根据环境温度求出的修正系数B相乘时，可得到相对于环境温度大致恒定的第二修正信号。在此，修正系数B是没有单位的系数，与将第一修正信号与补偿修正量A进行相加或相减之后得到的信号进行相乘。公开了如下内容，即，通过像上述那样进行两个阶段的修正，从而进行基于环境温度的修正。此外，专利文献2的温度传感器具备红外线传感器、热敏电阻、以及运算部。红外线传感器由热电堆构成，并将热能变换为电能。热敏电阻测定红外线传感器的温度。运算部由IC元件构成，基于红外线传感器和热敏电阻的输出电压来运算作为测定对象的物体的温度。在该红外线传感器中，利用热敏电阻测定红外线传感器的温度，并基于热敏电阻的输出电压对红外线传感器的输出电压进行修正。在先技术文献专利文献专利文献1：日本特开2012-78160号公报专利文献2：日本特开2012-13517号公报技术实现要素：本公开的温度传感器具备第一红外线测定单元、第二红外线测定单元、以及运算部。第一红外线测定单元测定从物体辐射的红外线，并输出第一电压。第二红外线测定单元测定从物体的周边辐射的红外线，并输出第二电压。运算部根据第一电压计算出物体的输出温度，根据第二电压计算出物体的周边温度，并根据周边温度对输出温度进行修正，从而计算出物体的温度。此外，本公开的装置除了具备上述温度传感器以外，还具备按照来自运算部的修正信号进行动作的动作部。此外，在本公开的温度测定方法中，测定从物体辐射的红外线，并输出第一电压，测定从物体的周边辐射的红外线，并输出第二电压，根据第一电压计算出物体的输出温度，根据第二电压计算出物体的周边温度，根据周边温度对输出温度进行修正，从而计算出物体的温度。附图说明图1是基于本实施方式的温度传感器的剖视图。图2是基于本实施方式的、去掉封装件盖的状态下的温度传感器的立体图。图3是基于本实施方式的、从开口部观察的封装件盖的立体图。图4是具有基于本实施方式的温度传感器的装置的剖视图。图5是基于本实施方式的红外线传感器的主要部分顶视图。图6是基于本实施方式的红外线传感器的主要部分顶视图。图7是图6的线7-7处的剖视图。图8是基于本实施方式的红外线传感器的等效电路图。图9是具有基于本实施方式的温度传感器的装置的框图。图10是示出基于本实施方式的温度传感器的探测区域的图。图11是示出在基于本实施方式的温度传感器的修正中使用的高斯滤波器的图。图12是示出在基于本实施方式的温度传感器的修正中使用的二次微分滤波器的图。图13是示出基于本实施方式的温度传感器的实验结果的图。具体实施方式在以往的温度传感器中，修正的方法复杂。此外，因为使用高次的函数，所以运算处理复杂，且处理时间长。因此，需要高性能的运算电路。进而，难以充分反映物体的周边温度的影响。(实施方式)以下，使用附图对本实施方式的温度传感器进行说明。图1是基于本实施方式的温度传感器1的剖视图。图2是基于本实施方式的、去掉封装件盖25的状态下的温度传感器1的立体图。图3是基于本实施方式的、从开口部观察的封装件盖25的立体图。图4是具有基于本实施方式的温度传感器1的装置5的剖视图。图5是基于本实施方式的红外线传感器2的主要部分顶视图。图6是基于本实施方式的红外线传感器2的主要部分顶视图。图7是图6的线7-7处的剖视图。图8是基于本实施方式的红外线传感器2的等效电路图。图9是具有基于本实施方式的温度传感器1的装置5的框图。另外，为了使结构易懂，在图5、图6中省略了层间绝缘膜44和钝化膜46。本公开的温度传感器1具备第一红外线测定单元、第二红外线测定单元、以及运算部7。第一红外线测定单元测定从物体6辐射的红外线，并输出第一电压(输出电压)。第二红外线测定单元测定从物体6的周边辐射的红外线，并输出第二电压(输出电压)。运算部7根据第一电压计算出物体6的输出温度Tout，根据第二电压计算出物体6的周边温度Tamb，并根据周边温度Tamb对输出温度Tout进行修正，从而计算出物体6的温度Tobj。另外，在本实施方式中，红外线传感器2兼用作第一红外线测定单元和第二红外线测定单元。但是，也可以使用独立的红外线传感器来构成第一红外线测定单元和第二红外线测定单元。以下，对温度传感器1进行详细说明。温度传感器1具有红外线传感器2(红外线测定单元)和运算部7。运算部7具有IC元件3。红外线传感器2和运算部7容纳在封装件4中。温度传感器1装配到装置5(参照图4)。红外线传感器2测定物体6的温度，并输出输出信号。运算部7对来自红外线传感器2的输出信号进行修正，并向设置于装置5的动作部8发送修正信号。动作部8按照来自运算部7的修正信号使装置5动作。另外，在本实施方式中，将温度传感器1的探测区域70(参照图10)、和测定对象的物体6的与温度传感器1对置的面设为正方形。而且，在图4中，将被探测的测定对象的物体6的面积S1的一边设为边P1，并将与温度传感器1的探测区域70对应的面积S2的一边设为边P2。如图1所示，封装件4具有封装件主体24和封装件盖25。封装件主体24具有电磁屏蔽层32和由绝缘材料构成的基体30。红外线传感器2和运算部7横向并列地安装在基体30。封装件盖25与封装件主体24气密地接合，以便将红外线传感器2和运算部7包围。封装件盖25由金属帽26和红外线透射构件28构成。金属帽26设置在封装件主体24的表面。在金属帽26的与红外线传感器2对应的部位，形成有开口部27。红外线透射构件28将开口部27堵塞，并且使红外线透射。在红外线传感器2的上方配置有红外线透射构件28。红外线透射构件28由透镜构成。红外线透射构件28使红外线向红外线传感器2汇聚。另外，虽然在本实施方式中作为红外线透射构件28使用了透镜，但是红外线透射构件28不限于透镜，例如，也可以是平板状的物质。红外线传感器2具有像素部13(非接触式红外线探测元件)、布线部(未图示)、以及端子部(未图示)。像素部13具有热型红外线检测部11和像素切换部40。在热型红外线检测部11埋设有作为热电变换部的感温部10。感温部10由热电堆构成，将从作为测定对象的物体辐射的红外线所产生的热能变换为电能。像素切换部40由MOS晶体管12构成，用于导出感温部10的输出电压。像素部13在半导体基板14上配置为a行b列的一维状或二维状。另外，如图8所示，在本实施方式中，对像素部13由8行8列(a＝8、b＝8)构成的例子进行说明。但是，像素部13不限于8行8列，只要是a行b列(a≥1、b≥1)即可。即，像素部13也可以是一个。此外，红外线传感器2可以不固定于基体30，而是能够移动的。特别是，在像素部13为一个的情况(a＝1、b＝1)等像素部13的数目少的情况下，优选不将红外线传感器2固定，而使其进行往返移动等动作。通过这样，从而与将红外线传感器2固定的情况相比，能够使能由红外线传感器2探测的面积变广。像这样，即使在像素部13的数目少的情况下，也能够通过使红外线传感器2移动，从而得到本实施方式的效果。热型红外线检测部11具有支承部34和检测部36。支承部34由第一薄膜构造部16、红外线吸收部17、层间绝缘膜44、以及钝化膜46层叠而构成。第一薄膜构造部16由硅氧化膜形成。红外线吸收部17由硅氮化膜形成。支承部34形成在半导体基板14之上且形成在空腔部15的周边。检测部36由第一薄膜构造部16、红外线吸收部17、感温部10(或者红外线吸收层50)、层间绝缘膜44、以及钝化膜46层叠而构成。检测部36形成在半导体基板14的上方。在检测部36与半导体基板14之间形成有空腔部15。即，在检测部36的正下方形成有空腔部15。在红外线吸收部17中，红外线被吸收。通过形成红外线吸收层50，从而可抑制第一薄膜构造部16的翘曲。第一薄膜构造部16被多个线状的狭缝19分离为多个第二薄膜构造部18。第二薄膜构造部18配置在空腔部15的上部。相邻的第二薄膜构造部18彼此通过连结片38连结(参照图5)。在MOS晶体管12中，在形成在半导体基板14的表面的第一导电型的阱区域(未图示)内，分离地形成有第二导电型的源极区域(未图示)和第二导电型的漏极区域(未图示)。在本实施方式中，阱区域构成沟道形成用区域(未图示)。在图8的等效电路图中，用电阻的图记号表示感温部10。红外线传感器2具备经由MOS晶体管12的源极区域-漏极区域连接各列的8个(b个)像素部13的感温部10的一端的8根(b根)第一布线20。此外，在红外线传感器2中，为了防止在各MOS晶体管12的栅极电极与源极电极之间施加过电压，而具备将阴极与第二布线21的每一个连接的多个齐纳二极管29。在齐纳二极管29中，在第一扩散区域形成有阳极电极(未图示)，在第二扩散区域形成有两个阴极电极(未图示)。齐纳二极管29的阳极电极与第五焊盘Vzd电连接。齐纳二极管29的一个阴极电极经由一个第二布线21与连接到第二布线21的MOS晶体管12的栅极电极电连接。齐纳二极管29的另一个阴极电极与连接到第二布线21的第二焊盘Vsel1～Vsel8中的一个电连接。此外，红外线传感器2具备连接了半导体基板14的基板偏压用的第六焊盘Vsu。此外，红外线传感器2具备8根(a根)第二布线21、8根(b根)第三布线22、以及8根(b根)第四布线23。8根第二布线21形成在各行的每一个。8根第三布线22与各行的MOS晶体管12的阱区域连接。8根第四布线23与各列的8个感温部10的另一端连接。红外线传感器2具备8个(b个)第一焊盘Vout1～Vout8、8个(a个)第二焊盘Vsel1～Vsel8、第三焊盘Vch、以及第四焊盘Vrefin。8个第一焊盘Vout1～Vout8是输出用的，分别连接有第一布线20。8个第二焊盘Vsel1～Vsel8是像素部13选择用的，分别连接有第二布线21。在第三焊盘Vch连接有第三布线22。第四焊盘Vrefin是基准偏压用的，通连接有第四布线23。通过上述的结构，红外线传感器2以时序方式读出全部的感温部10的输出电压。即，对用于选择各像素部13的第二焊盘Vsel1～Vsel8的电位进行控制，使得MOS晶体管12依次成为导通状态，从而依次读出各个像素部13的输出电压。运算部7具有基于红外线传感器2的输出电压来运算测定对象的物体的温度的IC元件3。接着，对使用了温度传感器1的物体温度的计算方法进行说明。图10是示出基于本实施方式的温度传感器1的探测区域70的图。在图10中，示出了与物体6的面积S1对应的面积SS1和探测区域70。探测区域70内的编号与红外线传感器2的各像素部13对应。另外，在本实施方式的实验中，在与温度传感器1相距200mm的位置，作为物体6设置有大小为10000mm2的黑体炉。然后，测定该黑体炉的温度。将从红外线传感器2输出到运算部7的输出电压设为Vout，并将A、B、C作为系数，使用以下的数学式3计算出输出温度Tout。另外，关于根据输出电压推导出输出温度的运算的细节，记载于日本特开2012-13517。[数学式3]使用数学式3，并使用假定红外线传感器2的输出电压Vout与红外线传感器2的吸收能量密度和红外线传感器2的辐射能量密度的差分成比例而求出的运算式，对物体6的温度Tobj进行运算，其中，红外线传感器2的吸收能量密度按照普朗克的辐射定律来表示，并依赖于物体6的温度Tobj，红外线传感器2的辐射能量密度按照斯蒂芬-玻耳兹曼定律来表示，并依赖于红外线传感器2的温度。由此，能够提高物体6的温度Tobj的检测精度。使用假定与红外线传感器2的吸收能量密度和辐射能量密度的差分成比例而得到的运算式，对物体6的Vout进行运算。Tobj通过数学式3使用红外线传感器2的输出电压Vout来表示。吸收能量密度由依赖于物体6的温度Tobj的普朗克的辐射定律来表示。辐射能量密度按照斯蒂芬-玻耳兹曼定律来表示，并依赖于红外线传感器2的温度。作为由红外线传感器2检测到的温度，计算出输出温度Tout。但是，在实际的红外线传感器2中，如图4、图10所示，在测定对象的物体6的面积S1小于红外线传感器2的探测区域70的面积S2的情况下，不仅检测出测定对象的物体6的温度，还检测出物体6的周边的温度。因此，红外线传感器2的输出温度Tout中不仅包含物体6的物体温度Tobj，而且包含物体6的周边温度Tamb。因此，当仅用红外线传感器2的输出温度Tout计算出物体6的温度时，会与物体6的实际的温度产生偏差。而且，物体温度Tobj与周边温度Tamb之差越大，该偏差的大小也越大。在本实施方式中，通过使用周边温度Tamb进行修正，从而能够准确地测定物体6的物体温度Tobj。在本实施方式中，红外线传感器2由8行8列的像素部13构成，并根据像素部13的输出电压计算出红外线传感器2的输出温度Tout和物体6的周边温度Tamb。如图10所示，设在8行8列的像素部13的探测区域70之中物体6的大小为5行3列左右，在以下对输出温度Tout和周边温度Tamb的计算方法进行说明。将在图10所示的红外线传感器2的探测区域70的四角、即在探测区域A1、A8、A57、A64(以下，设为周边温度探测区域Famb)中检测的温度作为周边温度Tamb。然后，计算出在探测区域A1、A8、A57、A64以外的探测区域(以下，设为物体温度探测区域Fobj)中检测的温度，输出温度Tout。首先，对输出温度Tout的计算方法进行说明。在要计算出输出温度Tout的探测区域之中，获取包含探测区域A4的列、即获取由探测区域A4、A12、A20、A28、A36、A44、A52、A60构成的列(以下，设为判定列L)的输出电压。在此，在对判定列L的各像素的输出电压进行了比较时，在判定列L的中央部的输出电压大于两端的输出电压的情况下，即，在探测区域A28、A36的输出电压大于探测区域A4、A60的输出电压的情况下，判定为物体6的温度比物体6的周边的温度高。另一方面，在对判定列L的各像素的输出电压进行了比较时，在判定列L的中央部的输出电压小于两端的输出电压的情况下，即，在探测区域A28、A36的输出电压小于探测区域A4、A60的输出电压的情况下，判定为物体6的温度比周边的温度低。在此，在判定列L的结果中，在中央部的输出电压大于两端的输出电压的情况下，将根据物体温度探测区域Fobj之中的、输出电压为最大的像素的输出电压导出的温度作为输出温度Tout。此外，在判定列L的结果中，在中央部的输出电压小于两端的输出电压的情况下，将根据物体温度探测区域Fobj之中的、输出电压为最小的像素的输出电压导出的温度设为输出温度Tout。像这样，通过计算出输出温度Tout，从而无论在物体6的温度比周边的温度高的情况下，还是在物体6的温度比周边的温度低的情况下，均可决定输出温度Tout。另外，还考虑如下情况，即，物体6置于物体温度探测区域Fobj的端部，而不是置于中央，在判定列L的结果中，不能判定物体6的温度比周边的温度高还是低。在这种情况下，例如，只要将探测区域A25～A32作为判定行进行判定，或者将其它列作为第二判定列L进行判定即可。即，判定列L不限于探测区域A4、A12、A20、A28、A36、A44、A52、A60，也可以使用其它行、其它列。此外，在存在多个测定对象的物体6的情况下，根据要进行判定的列的不同而有如下情况，即，中央部的输出大于两端的输出的情况和中央部的输出小于两端的输出的情况同时存在。即，在判定列之中，或者，根据判定列的选择方式的不同，输出的最大值、最小值存在多个。在这种情况下，只要对全部的探测区域按照以下的过程将多个物体分离，并对每个物体计算出物体6的温度即可。首先，对逐个探测区域执行高斯滤波器。由此使探测区域的数据平滑化。在图11示出高斯滤波器的例子。在该例子中，将图11的高斯滤波器之中的值分别与某个探测区域的值相乘，并将它们全部相加，将得到的值作为某个探测区域的值。接着，执行图12所示的二次微分滤波器。通过二次微分滤波器能够提取在多个物体之间存在的温度拐点，并将被温度拐点包围的部分检测为物体。接着，对检测为物体6的部分分别计算出温度。在存在多个测定对象的物体6的情况下，只要像上述那样计算出物体6的温度即可。接着，对周边温度Tamb的计算方法进行说明。周边温度Tamb基于周边温度探测区域Famb的输出电压进行计算。具体地，计算出根据周边温度探测区域Famb的探测区域A1、A8、A57、A64的输出电压之中的、除最大值和最小值以外的剩余的两个探测区域的输出电压的平均值导出的温度，将其作为周边温度Tamb。通过像这样计算出周边温度Tamb，从而即使例如用周边温度探测区域Famb的一部分的像素来探测物体6的温度，也能够准确地探测周边温度Tamb。另外，也可以将像素部13的外周全部用作周边温度的探测区域。但是，在该情况下，物体温度探测区域Fobj会变狭小。在本实施方式中，使用一个红外线传感器2求出输出温度Tout和周边温度Tamb。但是，也可以使用两个红外线传感器分别测定输出温度Tout和周边温度Tamb。即，可以用第一红外线传感器(第一红外线测定单元)计算出输出温度Tout，并用第二红外线传感器(第二红外线测定单元)计算出周边温度Tamb。在该情况下，只要朝向不检测物体6的温度的方向(例如，天花板、墙壁等)设置第二红外线传感器即可。此外，为了测定周边温度Tamb，也可以使用热敏电阻等。此外，在本实施方式中，作为周边温度Tamb的计算方法，对周边温度探测区域Famb的输出电压之中除最大值和最小值以外的剩余的两个探测区域的输出电压取平均而计算出周边温度Tamb。但是，不限于此，例如，也可以根据周边温度探测区域Famb的全部的输出电压的平均值计算出周边温度Tamb。此外，在本实施方式中，示出了像素部13配置为8行8列的二维状的例子。但是，像素部13也可以配置为一维状。即，关于像素部13，在a行b列中，可以是a＝1或b＝1。在像素部13配置为一维状的情况下，只要将在与两端的像素部对应的探测区域中检测的温度作为周边温度Tamb即可。然后，将在与两端的像素部以外的像素部对应的探测区域中检测的温度作为输出温度Tout即可。在图13示出像上述那样求出的输出温度Tout和物体温度Tobj的关系。在图13中，将在本实验中使用的10000mm2的物体6的大小设为中，示出了将物体的大小变更为大、中、小的结果。利用数学式3计算出输出温度Tout。此外，在本实验中，物体6是黑体炉，因此输出温度Tout是已知的。根据图13可明了，输出温度Tout像数学式4那样表示为物体温度Tobj的一次式。[数学式4]Tout＝d·Tobj+e在此，根据图13可知，当物体的大小改变时，斜率d和截距e也改变。斜率d使用物体6的一边的长度A、物体6的面积A2、常数d1、d2、d3像数学式5那样由A的二次式来表示。[数学式5]d＝d1·A2+d2·A+d3同样地，截距e使用常数e1、e2、e3像数学式6那样由大小A的二次式来表示。[数学式6]e＝e1·A2+e2·A+e3在像数学式5、数学式6那样表示了斜率d和截距e的情况下，可以将Tout看作一次式，因此系数e1、e2、e3能够像由数学式7、数学式8、数学式9表示的那样使用常数e11、e12、e21、e22、e31、e32由周边温度Tamb的一次式来表示。[数学式7]e1＝e11·Tamb+e12[数学式8]e2＝e21·Tamb+e22[数学式9]e3＝e31·Tamb+e32通过将数学式5～数学式9代入到数学式4，从而可得到数学式2。即，通过使用物体6的面积A2、物体6的一边的长度A、周边温度Tamb、常数d1、d2、d3、e11、e12、e21、e22、e31、e32对输出温度Tout进行修正，从而能够将物体温度Tobj表示为数学式2。[数学式2]其中，将以实验方式来求出常数d1、d2、d3、e11、e12、e21、e22、e31、e32的结果的一个例子示于表1。[表1]d1-0.00000194d20.00159676d30.66484689e110.00000207e12-0.00001095e21-0.001735e220.011537e310.3695e32-2.8664如表1所示，常数d1、d2与常数d3相比为1/100以下，常数e11、e12、e21、e22与常数e32相比为1/100以下。因此，省略常数d1、d2、e11、e12、e21、e22，将物体温度Tobj表示为数学式1。即，通过对输出温度Tout进行修正，从而物体温度Tobj可由数学式1来表示。[数学式1]像这样，通过使用以实验方式求出的常数d3、e31、e32和周边温度Tamb对输出温度Tout进行修正，从而能够以简单的运算高精度地计算出物体温度Tobj。如上所述，通过省略常数d1、d2、e11、e12、e21、e22，从而能够像数学式1那样通过简单的修正高精度地计算出物体温度Tobj。但是，也可以使用数学式2计算出物体温度Tobj。当使用数学式2时，运算会变得复杂，但是能够使用物体6的一边的长度A和面积A2计算出物体温度Tobj。因此，能够以更高精度测定物体温度Tobj。作为测定物体6的大小的方法，例如，可考虑根据温度传感器1所给出的物体温度探测区域Fobj的各像素部的输出电压来计算出物体6的大小的方法。此外，也可以与温度传感器1分开设置对物体6的大小进行测定的其它传感器。如上所述，可以设置用于测定物体6的大小的物体尺寸获取单元。此外，在根据温度传感器1的使用条件在某种程度上已经知道物体的大小的情况下，也可以将温度传感器1的使用条件下的物体6的平均的大小预先记录在运算部7中来作为物体尺寸获取单元，并使用平均的大小对物体温度Tobj进行运算。通过这样，即使不设置对物体的大小进行测定的单元，与使用数学式1对物体温度Tobj进行运算时相比，也能够以更高精度测定物体温度Tobj。另外，关于本实施方式中的基于数学式2的运算，只要在253K(-20℃)以上、且373K(100℃)以下的范围内，运算值与实验值就会很好地一致，可得到0.99以上的相关系数。另外，在本实施方式中，将进行物体温度Tobj的运算的运算部7设置于温度传感器1。但是，不限于此，例如，也可以不将运算部7设置在温度传感器1，而设为其它结构。例如，也可以将运算部7设置在基于温度传感器1的测定结果而动作的微波炉等装置的微型计算机等中。通过上述结构，本公开能够使用低次的函数对物体的温度进行运算。因此，能够高效地且高精度地测定物体的温度。产业上的可利用性本公开的温度传感器使用测定对象的物体的周边温度，进而使用物体的大小来进行修正，从而能够高精度地测定物体温度。因此，在微波炉等测定物体的温度并对物体进行加热的烹调装置等中特别有用。附图标记说明1温度传感器2红外线传感器3IC元件4封装件5装置6物体7运算部8动作部10感温部11热型红外线检测部12MOS晶体管13像素部14半导体基板15空腔部16第一薄膜构造部17红外线吸收部18第二薄膜构造部19狭缝20第一布线21第二布线22第三布线23第四布线24封装件主体25封装件盖26金属帽27开口部28红外线透射构件29齐纳二极管30基体32电磁屏蔽层34支承部36检测部38连结片40像素切换部44层间绝缘膜46钝化膜50红外线吸收层70、A1～A64探测区域当前第1页1 2 3