JP4817049B2

JP4817049B2 - 温度センサ及び温度センサシステム

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Publication number: JP4817049B2
Application number: JP2006012003A
Authority: JP
Inventors: 瑞樹岩波; 正文中田
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2006-01-20
Filing date: 2006-01-20
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2026-01-20
Also published as: JP2007192699A

Description

本発明は、温度センサ及び温度センサシステムに関し、特にＬＳＩチップ／パッケージに適用可能な温度センサ及び温度センサシステムに関する。

温度センサとして、接触型温度センサ及び非接触型温度センサが知られている。接触型温度センサは、直接物体に接触して温度を測定する。非接触型温度センサは、物体から放射される赤外線を測定し、その赤外線の量から物体の温度を測定する。

接触型温度センサは、白金測温抵抗体、サーミスタ、及び熱電対に例示される。接触型温度センサは、構成が簡単であることから、家電製品の温度制御や化学工場での温度計測、電子体温計などに広く利用されている。非接触型温度センサは、サーモパイル及びパイロに例示される。非接触型温度センサは、接触型温度センサよりも構成は複雑になるものの、使用温度範囲が広いというメリットを有し、輻射温度計や家電製品などに応用されている。

近年のＬＳＩ高密度実装技術分野においては、大電力を消費するＬＳＩに対応すべく高い放熱効率を持つＬＳＩパッケージを開発することが重要課題の一つとなっている。この課題の解決には、パッケージの熱設計にフィードバック出来る情報（例示：温度、温度分布）を獲得できるツールが必要である。そのようなツールの一つは、ＬＳＩチップ／パッケージに適用可能な微小さを有し、かつ熱勾配に対して高感度な温度センサである。すなわち、このような温度センサを用いてチップやパッケージ周辺で熱分布計測を行い、計測結果を設計に反映させることにより、放熱効率の高いパッケージを開発することが可能となる。

しかし、上記従来型の温度センサをＬＳＩチップ／パッケージ周辺の熱分布計測に適用しようとすると、次のような問題点がある。接触型温度センサは、微小なチップや高密度パッケージ周辺で熱計測を行うには大き過ぎることや、測定のとき接触する必要がありＬＳＩの動作に影響を与える可能性があることにより高精度な計測が困難になるなどの問題がある。また、非接触型温度センサは、微小なチップや高密度パッケージ周辺で熱計測を行うには大き過ぎることや、温度センサの構成が複雑であること、感度が十分ではないことなどの問題がある。ＬＳＩチップ／パッケージに適用可能で、高精度に温度計測が可能な温度センサが望まれる。

特開２００３−２１４９５６号公報に、温度測定方法、温度測定装置、半導体装置の製造方法、及び記憶媒体が開示されている。この温度測定方法は、測定物体の放射光と反射光を複数種類の波長で測定し、前記反射光の測定結果から前記測定物体の放射率を算出し、周囲物体の放射率が波長に依存しないと仮定あるいは依存する場合は既知の値であると仮定し、各測定波長による測定結果から方程式を構築し、この方程式を最も満足する解を求めることで、前記測定物体の温度と前記周囲物体の温度を測定することを特徴とする。

特開２００３−２１４９５６号公報

従って、本発明の目的は、ＬＳＩチップ／パッケージに適用可能で、高精度に温度計測が可能な温度センサ及び温度センサシステムを提供することにある。

また、本発明の他の目的は、小型で高空間分解能であり、ＬＳＩチップ／パッケージにおける微細領域の温度を計測可能な温度センサ及び温度センサシステムを提供することにある。

以下に、発明を実施するための最良の形態で使用される番号・符号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号・符号は、特許請求の範囲の記載と発明を実施するための最良の形態との対応関係を明らかにするために括弧付きで付加されたものである。ただし、それらの番号・符号を、特許請求の範囲に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

上記課題を解決するために、本発明の温度センサは、光ファイバ（１０２）と、光ファイバ（１０２）の先端に設けられた光学材料層（１１２、３０５、４１２）とを具備する。

上記の温度センサにおいて、光学材料層（１１２、３０５、４１２）は、光ファイバ（１０２）を介して入射する光（１１０）を内部で多重反射した後、光ファイバ（１０２）へ反射する。

上記の温度センサにおいて、光学材料層（１１２、３０５、４１２）は、ファブリーペロー共振器構造を有する。

上記の温度センサにおいて、光学材料層（３０５）は、光ファイバ（１０２）の先端に直接形成されている。

上記の温度センサにおいて、光学材料層（１１２、４１２）は、光ファイバ（１０２）を介して入射する光（１１０）の入射方向に略直角であって光学材料層（１１２、４１２）を挟む二つの面に、それぞれ誘電体層（１１１／１１３、４１１／４１２）を有する。

上記の温度センサにおいて、光学材料層（１１２、３０５、４１２）は、ジルコン酸チタン酸鉛、ランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、二酸化チタンのうちから選択される一つの材料を主成分として含む。

上記の温度センサにおいて、光ファイバ（１０２）は、複数ある。複数の光ファイバ（１０２）の各々は、その先端に光学材料層（１１２、３０５、４１２）を具備する。

上記課題を解決するために、本発明の温度センサは、光ファイバ（１０２）と、光ファイバ（１０２）の先端に設けられた発光材料層（７１２）とを具備する。

上記の温度センサにおいて、発光材料層（７１２）は、発光材料（７１２）の温度に対応した発光量の光（２１０）を光ファイバ（１０２）へ出射する。

上記の温度センサにおいて、
発光材料層（７１２）は、光ファイバ（１０２）の先端に直接形成されている
温度センサ。

上記の温度センサにおいて、発光材料層（７１２）は、チタニア−シリカ混合材料、シリコン−シリカ混合材料、及びチタン−シリカ混合材料のうちから選択される一つの材料を主成分として含む。

上記課題を解決するために、本発明の温度センサシステムは、光出力部（１００）と、温度センサ（１０３、３０３、４０３、８００）と、検出部（１１９）と、算出部（１３０）とを具備する。光出力部（１００）は、所定の波長範囲の光（１１０ａ）を出射する。温度センサ（１０３、３０３、４０３、８００）は、光（１１０ａ）の入射に基づいて、反射光（１１０ｃ）を出力し、上記のいずれか一項に記載されている。検出部（１１９）は、反射光（１１０ｃ）に基づいて、共振波長を検出する。算出部（１３０）は、共振波長の変化に基づいて、温度センサ（１０３、３０３、４０３、８００）での温度変化を算出する。

上記課題を解決するために、本発明の温度センサシステムは、温度センサ（７０３）と、検出部（１２０）と、算出部（１４０）とを具備する。温度センサ（７０３）は、温度に対応した発光量の光（２１０）を出力し、上記のいずれか一項に記載されている。検出部（１２０）は、光（２１０）に基づいて、発光量を検出する。算出部（１４０）は、発光量に基づいて、温度センサ（７０３）での温度を算出する。

上記課題を解決するために、本発明の温度センサの製造方法は、（ａ）光ファイバ（１０２）の端面を平滑化する工程と、（ｂ）端面上にエアロゾルデポジション法により光学材料層（３０５、４１２）を製膜する工程と、（ｃ）光学材料層（１１２、３０５、４１２）を熱処理する工程とを具備する。

上記の温度センサの製造方法において、（ｂ）ステップは、（ｂ１）端面上に第１誘電体層（４１１）を製膜する工程と、（ｂ２）上部誘電体層（４１１）上に光学材料層（４１２）を製膜する工程と、（ｂ３）光学材料層（４１２）上に第２誘電体層（４１３）を製膜する工程とを具備する。

上記課題を解決するために、本発明の温度センサの製造方法は、（ｄ）光ファイバ（１０２）の端面を平滑化する工程と、（ｅ）端面上にエアロゾルデポジション法により発光材料層（７１２）を製膜する工程と、（ｆ）発光材料層（７１２）を熱処理する工程とを具備する。

上記課題を解決するために、本発明の温度センサの動作方法は、（ａ）光ファイバ（１０２）の先端に光学材料層（１１２、３０５、４１２）を設けた温度センサ（１０３、３０３、４０３）を、測定対象の回路（１１４）の動作前に、回路（１１４）上の測定点へ配置するステップと、（ｂ）光ファイバ（１０２）を介して、所定の波長範囲の光を光学材料層（１１２、３０５、４１２）へ出射するステップと、（ｃ）光学材料層（１１２、３０５、４１２）からの第１反射光における第１共振周波数を検出するステップと、（ｄ）回路（１１４）の動作後に、光ファイバ（１０２）を介して、光を光学材料層（１１２、３０５、４１２）へ出射するステップと、（ｅ）光学材料層（１１２、３０５、４１２）からの第２反射光における第２共振周波数を検出するステップと、（ｆ）光学材料層（１１２、３０５、４１２）の屈折率の温度依存性（Δｎ／ΔＴ）と第１共振周波数と第２共振周波数とに基づいて、回路（１１４）の動作後における測定点での温度変化（ΔＴ）を算出するステップとを具備する。

上記の温度センサの動作方法において、（ｇ）（ｄ）ステップよりも前であって、回路（１１４）の動作前に、測定点の温度（Ｔ０）を測定するステップと、（ｈ）（ｆ）ステップよりも後に、測定された温度（Ｔ０）と温度変化（ΔＴ）とに基づいて、回路（１１４）の動作後における測定点での温度（Ｔ）を算出するステップとを更に具備する。

上記の温度センサの動作方法において、（ｉ）回路（１１４）上の複数の測定点の各々において、（ａ）ステップ乃至（ｃ）ステップを実施するステップと、（ｊ）複数の測定点の各々について、（ｄ）ステップ乃至（ｆ）ステップを実施するステップと、（ｋ）複数の測定点の各々における温度変化（ΔＴ）に基づいて、回路（１１４）の動作後における回路（１１４）の温度変化分布を求めるステップとを更に具備する。

上記の温度センサの動作方法において、（ｌ）（ｊ）ステップよりも前であって、回路（１１４）の動作前に、複数の測定点のうちの少なくとも一つの測定点の温度（Ｔ０）を測定するステップと、（ｍ）複数の測定点の各々について、測定された温度（Ｔ０）と複数の測定点の各々における温度変化（ΔＴ）とに基づいて、回路（１１４）の動作後における温度（Ｔ）を算出するステップと、（ｎ）複数の測定点の各々における温度（Ｔ）に基づいて、回路（１１４）の動作後における回路（１１４）の温度分布を求めるステップとを更に具備する。

上記の温度センサの動作方法において、温度センサ（１０３、４０３）の光学材料層（１１２、４１２）は、光の入射方向に略直角であって光学材料層（１１２、４１２）を挟む二つの面に、それぞれ誘電体層（１１１／１１３、４１１／４１２）を有する。

上記の温度センサの動作方法において、光学材料層（１１２、３０５、４１２）は、ジルコン酸チタン酸鉛、ランタンが添加されたジルコン酸チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、及び二酸化チタンのうちから選択される一つの材料を主成分として含む。

上記課題を解決するために、本発明の温度センサの動作方法は、（ａ）光ファイバ（１０２）の先端に発光材料層（７１２）を設けた温度センサ（７０３）を、測定対象の回路（１１４）上の測定点へ配置するステップと、（ｂ）回路（１１４）の動作後に、光ファイバ（１０２）を介して、発光材料層（７１２）が発する所定の波長範囲の光を検出するステップと、（ｃ）検出された光の発光量に基づいて、回路（１１４）の動作後における測定点での温度（Ｔ）を算出するステップとを具備する。

上記の温度センサの動作方法において、（ｄ）回路（１１４）上の複数の測定点の各々において、（ａ）ステップ乃至（ｃ）ステップを実施するステップと、（ｅ）複数の測定点の各々における温度（Ｔ）に基づいて、回路（１１４）の動作後における回路（１１４）の温度分布を求めるステップとを更に具備する。

上記の温度センサの動作方法において、発光材料層（７１２）は、チタニア−シリカ混合材料、シリコン−シリカ混合材料、及びチタン−シリカ混合材料のうちから選択される一つの材料を主成分として含む。

本発明により、小型で高空間分解能であり、ＬＳＩチップ／パッケージのような微細領域の温度を計測可能であり、また、高精度に温度計測が可能な温度センサ及び温度センサシステムを得ることができる。

以下、本発明の温度センサ及び温度センサシステムの実施の形態に関して、添付図面を参照して説明する。

（第１の実施の形態）
まず、本発明の温度センサ及び温度センサシステムの第１の実施の形態の構成について説明する。
図１は、本発明の温度センサ及び温度センサシステムの第1の実施の形態の構成を示す図である。図１（ａ）は温度センサシステムを、図１（ｂ）は温度センサをそれぞれ示している。この温度センサシステム１５０は、光ファイバ１０１（１０１ａ、１０１ｂ）、連続レーザ光源１００、光サーキュレータ１０４、温度センサ１０３、光スペクトラムアナライザ１１９、情報処理装置１３０を具備する。

温度センサ１０３は、光ファイバ１０２、及び温度センサ本体１０５を備える。光ファイバ１０２は、コア１０６とクラッド１０７とを含む。コア１０６において、光サーキュレータ１０４からのレーザ光１１０を入射光１１０ａとして温度センサ本体１０５へ出射し、温度センサ本体１０５からの反射光１１０ｃを光サーキュレータ１０４へ出射する。

温度センサ本体１０５は、光ファイバ１０２の先端に接着層１０８を介して接着されている。接着層１０８を用いず、光ファイバ１０２の先端に直接設けても良い。温度センサ本体１０５は、上部誘電体多層反射層１１１、下部誘電体多層反射層１１３、及び光学材料層１１２を備える。

光学材料層１１２は、光ファイバ１０２の先端に接着層１０８及び上部誘電体多層反射層１１１を介して接着された微小な温度測定素子である。光学材料層１１２は、切削、研磨が施され微小加工された結晶でも良いし、成膜装置により形成された膜であってもよい。光学材料層１１２は、温度変化（ΔＴ）に対する屈折率変化（Δｎ）の割合（Δｎ／ΔＴ）が既知の定数を有する物質であることが好ましい。Δｎ／ΔＴの値は大きいことが望ましい。熱勾配に対して、より高感度な温度センサが実現できるからである。また、良好な光共振特性を有することが好ましい。良好な光共振特性とは、後述の光スペクトラムアナライザ１１９にて測定された共振波長におけるディップが鋭く、その半値幅が小さいような特性である。そのような光学材料層１１２としては、Ｐｂ（Ｚｒ_０．６Ｔｉ_０．４）０_３（ジルコン酸チタン酸鉛：以下、ＰＺＴと記す）、ランタン添加ジルコン酸チタン酸鉛、ニオブ酸リチウム、二酸化チタンが例示される。これらを主成分として、上記光共振特性改善のために少量のドーパントを添加したものであっても良い。主成分は、例えば、８０％以上の成分であり、少量とは、例えば、０．１〜２０％である。

上部誘電体他層反射膜１１１及び下部誘電体多層反射層１１３は、それぞれ光学材料層１１２の上面（光ファイバ１０２側）及び底面に設けられ、レーザ光を反射する。上部誘電体他層反射膜１１１及び下部誘電体多層反射層１１３を設けることで、より良好な光共振特性が実現され、より高感度な温度分布計測が実現できる。上部誘電体他層反射膜１１１及び下部誘電体多層反射層１１３は、ＳｉＯ_２／Ｔａ_２Ｏ_５多層膜に例示される。

入射光１１０ａは、上部誘電体多層反射層１１１を介して光学材料層１１２へ入射し、光学材料層１１２内で上部誘電体多層反射層１１１と下部誘電体多層反射層１１３との間で反射し（反射光１１０ｂ）、その後、反射光１１０ｃとしてコア１０６へ送出される。

なお、光ファイバ１０２は、光サーキュレータ１０４に直接接続される必要は無く、例えば、光サーキュレータ１０４に接続された別の光ファイバ及びその別の光ファイバに接続されたカプラを介して、光サーキュレータ１０４に接続されていても良い。

連続レーザ光源１００は、光ファイバ１０１ａに接続され、当該光ファイバ１０１ａへレーザ光１１０を出射する。光サーキュレータ１０４は、光ファイバ１０１ａ、１０１ｂ及び１０２に接続されている。光ファイバ１０１ａからのレーザ光１１０（入射光１１０ａ）を光ファイバ１０２へ出射する。温度センサ１０３は、レーザ光１１０（入射光１１０ａ）を反射し、反射光１１０ｃとして光ファイバ１０２へ出射する。光サーキュレータ１０４は、光ファイバ１０２からのレーザ光１１０（反射光１１０ｃ）を光ファイバ１０１ｂへ出射する。光スペクトラムアナライザ１１９は、レーザ光１１０（反射光１１０ｃ）を電気信号に変換し、レーザ光の波長と強度との間の関係を求め、共振波長を検出する。検出された共振波長は、情報処理装置１３０へ出力される。

情報処理装置１３０は、パーソナルコンピュータに例示され、光スペクトラムアナライザ１１９に接続されている。情報処理装置１３０は、内部の記憶装置（例示：ＨＤ）にプログラムとしての温度導出部１３１を備える。温度導出部１３１は、光スペクトラムアナライザ１１９から出力された共振波長を、内部の記憶装置（例示：ＨＤ）に格納する。そして、例えば、回路基板１１４の動作前後の共振波長の変化に基づいて、回路基板１１４の温度分布を算出する（後述）。本システムの原理（後述）上、温度センサ１０３の温度（＝温度センサ１０３近傍の温度）に応じてその波長が変化する。そのため、測定対象の回路基板１１４上の温度センサ１０３の位置を変えることにより、回路基板１１４の温度分布が得られる。

なお、光スペクトラムアナライザ１１９がレーザ光の波長と強度との間の関係だけを求め、情報処理装置１３０が共振周波数を算出しても良い。更に、情報処理装置１３０の機能は、光スペクトルアナライザ１１９に含まれていても良い。また、光ファイバ１０１ａ、１０１ｂ及び１０２の途中に、例えば、レーザ光１１０を増幅するファイバアンプを入れても良い。それにより、精度がより向上する。また、光ファイバ１０１ａ、１０１ｂ及び１０２の長さ調節のためにカプラを介して光ファイバを追加しても良い。

次に、温度センサ１０３の製造方法について説明する。まず、適当な大きさの光学材料の結晶について、所定の大きさ切削し、表面を研磨し、その後、洗浄して、光学材料層１１２を得る。次に、光学材料層１１２の上面に上部誘電体多層膜反射層１１１を、下面に下部誘電体多層膜反射層１１３を製膜する。そして、上部誘電体多層膜反射層１１１及び下部誘電体多層膜反射層１１３を製膜された光学材料層１１２を、上部誘電体多層膜反射層１１１側で接着層１０８を用いて光ファイバ１０２の端部に接着する。
以上の製造方法により、温度センサ１０３が形成される。

次に、本発明の温度センサシステムによる温度分布計測の温度測定方法を説明する。図２は、本発明の温度センサシステムの第１の実施の形態における動作を示すフローチャートである。

まず、予備実験として回路基板１１４を動作させず、予め温度が既知の状態（例示：Ｔ０）で光学材料層１１２の光共振特性を測定する（ステップＳ３１）。すなわち、測定前に、測定対象の回路基板１１４（例示：ＬＳＩパッケージ）上の所定の各測定点において、その測定点に温度センサ１０３の先端を固定し、そのときの光スペクトラムを計測する。このとき、各測定点と温度センサ１０３の先端との間隔は空いていても良いし（例示：０．５μｍ）、接触させても良い。

具体的には、以下のようにする。連続レーザー光源１００からレーザ光１１０を出射する（ステップＳ１１）。出射されるレーザ光１１０の波長域は、例えば１５００ｎｍ〜１６００ｎｍである。各波長のレーザ光１１０は、光ファイバ１１０ａ、光サーキュレータ１０４及び光ファイバ１０２を通り温度センサ本体１０５に入射光１１０ａとして入射する。光学材料層１１２の上面に施された上部誘電体多層反射層１１１によりレーザ光１１０は一部反射されるが、残りは光学材料層１１２に入射する。光学材料層１１２に入射したレーザ光１１０ｂは、上面に施された上部誘電体多層膜反射層１１１と底面に施された下部誘電体多層膜反射層１１３とにより多重反射しながら再び光ファイバ１０２に反射光１１０ｃとして戻る。反射光１１０ｃは、再び光サーキュレータ１０４を通った後、光ファイバ１０１ｂを介して光スペクトラムアナライザ１１９へ到達する。光スペクトラムアナライザ１１９は、到達したレーザ光１１０（反射光１１０ｃ）を検出する（ステップＳ１２）。

ここで、図３は、光スペクトラムアナライザ１１９により測定される光スペクトラムの一例を示す模式図である。縦軸は光パワーを示し、横軸はレーザ光の波長を示す。光スペクトラムアナライザ１１９に到達したレーザ光１１０（反射光１１０ｃ）の光スペクトラムはピークとディップを繰り返すという特徴を有する。これは、光学材料層１１２がファブリーペロー共振器構造を有しているとみなせるからである。このディップの底における波長は共振波長λｒｅｓであり、以下の式で表される。
λｒｅｓ＝２・ｎ（Ｔ）・ｌ・ｃｏｓθ／ｍ（１）
ただし、ｎ（Ｔ）：光学材料の屈折率
Ｔ：光学材料の温度
ｌ：光学材料の厚み、
θ：入射光の屈折角、
ｍ：整数
屈折率ｎ（Ｔ）が光学材料（光学材料層１１２）の温度Ｔの関数である。すなわち、共振波長λｒｅｓが温度センサ１０３の光学材料層１１２の温度に対応し、温度センサ１０３の光学材料層１１２が回路基板１１４の近傍に固定されていることから、共振波長λｒｅｓは回路基板１１４の温度に対応している（温度を測定している）ことになる。

図２を参照して、光スペクトラムアナライザ１１９は、この共振周波数λｒｅｓを抽出する（ステップＳ１３）。光スペクトラムアナライザ１１９は、回路基板１１４の動作前の共振波長を情報処理装置１３０へ出力する。情報処理装置１３０の温度導出部１３１は、その回路基板１１４の動作前の共振波長に関するデータを、内部の記憶装置（例示：ハードディスク装置、図示されず）に記憶する（ステップＳ１４）。そして、温度センサ本体１０５をＸＹ駆動装置（図示されず）により、回路基板１１４上を所定の間隔、及び移動パターンで移動することで、回路基板１１４上の全ての箇所（測定点）についてステップＳ１１〜ステップＳ１４の測定及び抽出を実行する（ステップＳ１５）。

次に、回路基板１１４を動作させる（ステップＳ３２）。

続いて、動作により回路基板１１４の温度が高くなった状態で、光学材料層１１２の光共振特性を測定する（ステップＳ３３）。すなわち、測定対象の回路基板１１４上の所定の各測定点において、その測定点に温度センサ１０３の先端を固定し、上記（ステップＳ３１）と同様に光スペクトラムを計測する。

具体的には、以下のようにする。連続レーザー光源１００からレーザ光１１０を出射する（ステップＳ２１）。出射されるレーザ光１１０の波長域は、ステップ３１と同じである。各波長のレーザ光１１０は、光サーキュレータ１０４経由で温度センサ本体１０５に入射し、温度センサ本体１０５内で反射され、光サーキュレータ経由で光スペクトラムアナライザ１１９へ到達する。光スペクトラムアナライザ１１９は、到達したレーザ光１１０（反射光１１０ｃ）を検出する（ステップＳ２２）。光スペクトラムアナライザ１１９は、検出した光スペクトラムにおいて共振周波数λｒｅｓを抽出する（ステップＳ２３）。光スペクトラムアナライザ１１９は、回路基板１１４の動作開始後の共振波長を情報処理装置１３０へ出力する。情報処理装置１３０の温度導出部１３１は、その回路基板１１４の動作開始後の共振波長に関するデータを記憶装置に記憶する（ステップＳ２４）。温度導出部１３１は、回路基板１１４上のその測定点に関し、ある共振波長λｒｅｓについて、回路基板１１４の動作前の値と動作開始後の値とを比較し、当該共振波長λｒｅｓのシフト量Δλｒｅｓを求める。そのシフト量Δに基づいて、式（１）を用いて屈折率差のシフト量Δｎを求める。光学材料におけるΔｎ／ΔＴが一定であれば、そのシフト量Δｎに基づいて、回路基板１１４の動作前の温度Ｔ０からの温度差ΔＴを導くことが出来る（ステップＳ２５）。温度Ｔの絶対値を知りたいときには、回路基板１１４の動作前の温度Ｔ０を、予め別の手法（例示：熱電対）で計測し、情報処理装置１３０内に格納しておけばよい。以上により、回路基板１１４上のある測定点において、温度差ΔＴ（又は温度の絶対値Ｔ）を求めることができる。そして、温度センサ本体１０５をＸＹ駆動装置（図示されず）により、回路基板１１４上を所定の間隔、及び移動パターンで移動することで、全ての箇所（測定点）についてステップＳ２１〜ステップＳ２５の測定及び抽出を実行する（ステップＳ２６）。

このように、順次温度センサ１０３の先端（温度センサ本体１０５）の位置を、回路基板１１４に対して相対的に移動させることにより、各位置における温度の違いに対応した共振波長λｒｅｓのシフト量Δλｒｅｓが計測される。それに基づいて、上記方法により、各位置における回路基板１１４の動作前の温度Ｔ０からの温度差ΔＴが求まる。それにより、回路基板１１４の温度分布が得られる

図１においては、光源に連続レーザ光源１００を用いている。しかし、本発明はそれに限定されるものではなく、所定の範囲の波長を有する光を発せられるものであれば良い。例えば、白色光源である。

本発明の温度センサ１０３は、その測定子（温度センサ本体１０５）が従来の温度センサに比べて極めて微小である。そのため、微小領域での熱勾配に対して高感度な測定が可能である。したがって、ＬＳＩチップ／パッケージ近傍で精密な温度分布が計測できる結果、パッケージ熱設計に有効な情報を低コストでかつ迅速に得ることができる。

本発明の温度センサ１０３は、良好な光共振特性を有する光学材料を用い、光ファイバ１０２端面上に形成された光学材料層１１２を備えている。本発明の温度センサシステム１５０は、その温度センサ１０３と光学装置（１１９）とを備えている。そして、温度センサ１０３の光学材料層１１２からの反射光について、その光共振特性の温度変化を光学装置（１１９）でモニタすることで、光ファイバ１０２の先端ほどの微小領域の温度を計測することができる。すなわち、本発明の温度センサ１０３を適用した温度センサシステム１５０は、微細ＬＳＩチップや高密度ＬＳＩパッケージでの温度測定に適用することが可能である。

上記実施の形態では、回路基板１１４を固定し、温度センサ本体１０５をＸＹ駆動装置（図示されず）で移動している。しかし、温度センサ本体１０５を固定し、回路基板１１４をＸＹ駆動装置により、温度センサ本体１０５対して所定の間隔、及び移動パターンで移動しても良い。

また、温度センサ１０３を予め稠密に並べた形で設けることも可能である。図４は、本発明の第１の実施の形態の温度センサ１０３を複数本束ねて形成された温度センサ８００の一例を示す図である。下部誘電体多層膜反射層１１３の側から見た図である。温度センサ８００は、一次元的に並んだ複数の温度センサ１０３が、更に、二次元的に最密充填になるように（千鳥状、蜂の巣状）に束ねられている。そして、各温度センサシステム１５０の光スペクトラムアナライザ１１９からのデータを一台の情報処理装置１３０で処理するようにする。温度センサ１０３をこのように束ねた温度センサ８００を用いて温度分布を測定することで、従来より極めて短時間で、走査させずに高分解能な温度変化の二次元分布を得ることが可能となる。

温度センサ８００は、単に一次元的に一列に並んだ複数の温度センサ１０３だけであっても良い。その場合、束ねた方向に対して垂直な方向へ、狭ピッチで走査させることにより、従来より短時間で高分解能な温度変化の二次元分布を得ることができる。

また、温度センサシステム１５０は一つで、温度センサとして温度センサ８００を用いても良い。その場合、光サーキュレータ１０４と温度センサ８００との間に、レーザ光が入射する温度センサ８００内の温度センサ１０３を連続的に切り替えるレーザ切替部（図示されず）を設ける。このようにすることで、一つの温度センサシステム１５０で連続的に高分解能な温度変化の二次元分布を測定することも可能となる。

また、温度センサ１０３は、光ファイバ１０２の先端に光学材料層１１２が接着層１０８を介して接着された形態となっている。しかし、温度センサはこのような形態に限定されるものではない。例えば、図５に示すような構成でも良い。図５は、本発明の温度センサの第１の実施の形態の構成の他の一例を示す図である。温度センサ４０３は、光ファイバ１０２の先端に直接に形成された温度センサ本体４０５を有している。温度センサ本体４０５は、上部誘電体多層膜反射層４１１、光学材料層４１２及び下部誘電体多層膜反射層４１３がこの順に直接形成されている。光学材料層４１２はファブリーペロー共振器構造を有しているとみなせる。この場合、接着層がない分、感度や精度が向上する。

上記温度センサ４０３の製造方法について説明する。図６は、本発明の温度センサの第１の実施の形態の他の製造方法を示すフローチャートである。

まず、エアロゾルデポジション法による成膜に用いる基板を準備する（ステップＳ０１）。基板は、光ファイバ１０２を用いる。成膜面は、光ファイバ１０２の端面である。光ファイバ１０２の端部に平滑化処理及び平滑化処理を行う。更に、光ファイバ１０２の端面に、上部誘電体多層膜反射層１１１をスパッタ法で形成する。材料はＳｉＯ_２／Ｔａ_２Ｏ_５多層膜であり、膜厚は１．３μｍである。

次に、エアロゾルデポジション法により、光学材料層１１２の成膜を行う（ステップＳ０２）。エアロゾルデポジション装置は、１μｍ以上の膜厚の光学膜（光学材料層）を成膜することができる。当該装置により光ファイバ１０２先端に形成された光学膜（光学材料層）は、極めて良好な光共振特性を有する。エアロゾルデポジション法による成膜条件は、以下のとおりである。光学材料層１１２の成膜の膜厚は６０００ｎｍとした。原料粉末はＰｂ（Ｚｒ_０．６Ｔｉ_０．４）０_３（以下、「ＰＺＴ」と記す）、キャリヤガスは酸素をそれぞれ用いた。基板（光ファイバ１０２の端面）に対するノズルの入射角を１０度、ガス流量を１２リットル／分、ノズル−基板間距離を５ｍｍ、成膜速度を０．８μｍ／ｍｉｎ、加振器の振動数を２５０ｒｐｍとして成膜する。エアロゾルデポジション法は、まず、超微粒子（原料粉末）をエアロゾル発生器に充填する。次に、キャリアガス（例示：窒素、空気）をエアロゾル発生器に導入して超微粒子を均一に分散させたエアロゾルを作り出す。続いて、そのエアロゾルを成膜室に搬送してノズルから基板に向かって噴射し堆積させる。これにより、所望の膜が成膜される。このとき、超微粒子（脆性材料）は機械的衝撃力が付加されて基板に到達するので、基板上で粉砕されながら、堆積する。

その後、熱処理を行う（ステップＳ０３）。すなわち、まず、成膜後、光学材料層１１２を大気中で、６００℃、１５分間程度熱処理する。この熱処理により、光学材料層１１２の所望の光学特性を発現させる。

熱処理後、所定の後処理を行う（ステップＳ０４）。すなわち、熱処理後、光学材料層１１２の膜の表面の凹凸を除去するために、膜厚５４００ｎｍまで研磨し、平坦化し、洗浄した。その後、光学材料層１１２の表面に、下部誘電体多層膜反射層１１３をスパッタ法で形成した。材料はＳｉＯ_２／Ｔａ_２Ｏ_５多層膜であり、膜厚は２．７μｍである。
以上の製造方法により、温度センサ１０３が形成される。

また、図７に示すような構成でも良い。図７は、本発明の温度センサの第１の実施の形態の構成の更に他の一例を示す図である。温度センサ３０３は、光ファイバ１０２の先端に直接形成された温度センサ本体３０５を有する。温度センサ本体３０５は、光学材料層である。温度センサ本体３０５＝光学材料層はファブリーペロー共振器構造を有しているとみなせる。この場合、接着層がない分、感度や精度が向上する。また、製造工程が減るので、製造コストを低く抑えることができる。製造方法としては、図６に記載の製造方法において、上部誘電体多層膜反射層１１１及び下部誘電体多層膜反射層１１３の製膜を行わないことで製造できる。

なお、図５及び図７のいずれの温度センサにおいても、図４のように二次元的に配列された複数の温度センサであっても良いし、単に一次元的に並んだ複数の温度センサだけであっても良い。このように複数の温度センサを用いて温度分布を測定することで、従来の場合より極めて短時間で、走査させずに高分解能な温度変化の二次元分布を得ることが可能となる。

（実施例）
次に、実施例について説明する。
本実施例では、温度センサとして、図７のような光ファイバ１０２の先端に直接温度センサ本体（光学材料層）３０５が形成された温度センサ３０３を用いた。温度センサ本体３０５は、超微粒子脆性材料に機械的衝撃力を負荷して粉砕、接合させ成形体を形成するエアロゾルデポジション法により形成した。膜厚は１２００ｎｍである。Ｐｂ（Ｚｒ_０．６Ｔｉ_０．４）０_３（ＰＺＴ）を原料粉末とし、キャリヤガスは酸素、ノズルと基板の入射角は１０度、ガス流量１２リットル／分、ノズル基板間距離は５ｍｍ、成膜速度は０．８μｍ／ｍｉｎ、加振器の振動数は２５０ｒｐｍで成膜した。成膜後、大気中で、６００℃、１５分間程度熱処理することで光学膜の透明度を向上させた。熱処理後、膜表面の凹凸を除去するために、膜厚１０００ｎｍまで研磨し、平坦化した。

温度センサ３０３を図１に示した温度センサシステム１０５に組み込み、まず回路基板１１４のマイクロストリップ線路上で温度計測を行った。用いた線路は幅１ｍｍのストリップ導体を有し、その特性インピーダンスは５０Ωであり整合終端されている。線路をホットプレート上に固定し、ホットプレートの設定温度を変えながら計測を行った。

図８は、光スペクトラムアナライザ１１９により測定される光スペクトラムの測定結果を示すグラフである。縦軸は光パワーを示し、横軸はレーザ光の波長を示す。温度センサ３０３の先端（ＰＺＴ膜表面）を線路表面に設置し、ホットプレートの設定温度を２０℃、１００℃としたときのそれぞれの光スペクトラムを示している。設定温度を２０℃、１００℃のいずれの場合にも、良好な共振特性（共振波長におけるディップが鋭く、その半値幅が小さい）が得られることが確認された。また、２０℃と１００℃という温度の相違による共振波長のシフトが確認された。すなわち、温度が高くなることにより、共振波長が長くなることが確認された。

図９は、測定対象であるＬＳＩチップ内の計測領域１１４の構成を示す図である。計測領域１１４の中央部にはロジック回路を有する回路領域１１４ｂが存在し、チップ縦方向に幅１０μｍの電源／グランド配線を有する配線領域１１４ａが存在する。測定時、ロジック回路には５０ＭＨｚのクロック信号を供給し、ロジック回路を２５ＭＨｚで動作させた。図１０は、ＬＳＩチップ上で計測された温度分布を示す図である。計測領域の温度分布を濃淡で示している。その温度分布は最大値で規格化してある。図に示すように、微細な温度分布が観測されており、本結果から本発明の温度センサシステムにより精密な温度分布計測が可能であることが分かる。

本発明の温度センサ及び温度センサシステムは、光ファイバの先端の微小な測定子（光学材料層）を用いて温度測定を行うので、小型で高空間分解能であり、ＬＳＩチップ／パッケージにおける微細領域の温度を計測可能である。すなわち、ＬＳＩチップ／パッケージに適用可能で、高精度に温度計測が可能である。

（第２の実施の形態）
本発明の温度センサ及び温度センサシステムの第２の実施の形態の構成について説明する。
図１１は、本発明の温度センサ及び温度センサシステムの第２の実施の形態の構成を示す図である。図１１（ａ）は温度センサシステムを、図１１（ｂ）は温度センサをそれぞれ示している。この温度センサシステム１６０は、温度センサ７０３、光パワーメータ１２０、情報処理装置１４０を具備する。

温度センサ７０３は、光ファイバ１０２、及び温度センサ本体７０５を備える。温度センサ本体７０５は、発光材料を用いた発光材料層を含み、光ファイバ１０２の先端に直接形成（製膜）された微小な温度測定素子である。発光材料層（温度センサ本体７０５）は、所定の波長の光を、温度に対応した強度（発光量）で発光する。発行材料層としては、セラミックス発光材料であるチタニア−シリカ混合材料、シリコン−シリカ混合材料、及びチタン−シリカ混合材料、あるいはこれらを主成分に含み特性向上のためのドーパントが添加されたものが例示される。チタニア−シリカ混合材料のような材料は、発光特性の温度依存性が既知であるため、同材料の発光量から同材料の温度が分かる。光ファイバ１０２は、コア１０６とクラッド１０７とを含む。コア１０６において、温度センサ本体７０５からの光２１０を光パワーメータ１２０へ供給する。

光パワーメータ１２０は、温度センサ７０３からの光２１０（温度センサ本体７０５の発光）を電気信号に変換し、その発光量を検出する。検出された発光量は、情報処理装置１４０へ出力される。

なお、光ファイバ１０２は、光パワーメータ１２０に直接接続される必要は無く、例えば、光パワーメータ１２０に接続された別の光ファイバ及びその別の光ファイバに接続されたカプラを介して、光パワーメータ１２０に接続されていても良い。

情報処理装置１４０は、パーソナルコンピュータに例示され、光パワーメータ１２０に接続されている。情報処理装置１４０は、内部の記憶装置（例示：ハードディスク装置）に、プログラムとしての温度導出部１４１及び発光量と温度との関係を示すテーブル（図示されず）を備える。温度導出部１４１は、光パワーメータ１２０から出力された発光量に基づいて、テーブルを参照して温度を算出する。本システムの原理上、温度センサ７０３近傍の温度に応じてその発光量が変化する。そのため、測定対象の回路基板１１４上の温度センサ７０３の位置を変えることにより温度分布が得られる。

なお、情報処理装置１３０の機能は、光パワーメータ１２０に含まれていても良い。また、光ファイバ１０２の長さ調節のためにカプラを介して光ファイバを追加しても良い。

次に、温度センサ１０３の製造方法について説明する。

まず、エアロゾルデポジション法による成膜に用いる基板を準備する。基板は、光ファイバ１０２を用いる。成膜面は、光ファイバ１０２の端面である。光ファイバ１０２の端部に平滑化処理及び平滑化処理を行う。次に、エアロゾルデポジション法により、温度センサ本体７０５の発光材料層の成膜を行う。エアロゾルデポジション法による成膜条件は、以下のとおりである。光学材料層１１２の成膜の膜厚は６０００ｎｍとした。原料粉末はチタニア−シリカ混合材料、キャリヤガスは酸素をそれぞれ用いた。基板（光ファイバ１０２の端面）に対するノズルの入射角を１０度、ガス流量を１２リットル／分、ノズル−基板間距離を５ｍｍ、成膜速度を０．８μｍ／ｍｉｎ、加振器の振動数を２５０ｒｐｍとして成膜する。エアロゾルデポジション法は、まず、超微粒子（原料粉末）をエアロゾル発生器に充填する。次に、キャリアガス（例示：窒素、空気）をエアロゾル発生器に導入して超微粒子を均一に分散させたエアロゾルを作り出す。続いて、そのエアロゾルを成膜室に搬送してノズルから基板に向かって噴射し堆積させる。これにより、所望の膜が成膜される。成膜後、発光材料層を大気中で、６００℃、１５分間程度熱処理することにより、発光材料層の所望の光学特性を発現させた。熱処理後、発光材料層の膜の表面の凹凸を除去するために、膜厚５４００ｎｍまで研磨し、平坦化し、洗浄する。
以上の製造方法により、温度センサ７０３が形成される。

次に、本発明の温度センサシステムによる温度分布計測の温度測定方法を説明する。図１２は、本発明の温度センサシステムの第２の実施の形態における動作を示すフローチャートである。

まず、回路基板１１４上の所定の各測定点において固定した上で、測定対象の回路基板１１４を動作させる（ステップＳ４１）。測定対象の回路基板１１４が動作により発熱した状態になると、温度センサ７０３の先端（光学材料層７０５）が発光し始める。そして、光パワーメータ１２０は、測定点に配置された光学材料層７０５の発光量を検出し、その発光量を情報処理装置１３０へ出力する（ステップＳ４２）。情報処理装置１３０の温度導出部１４１は、その発光量に関するデータを記憶装置に記憶する。温度導出部１４１は、その発光量に基づいて、予め格納された発光量と温度との関係を示すテーブルを参照して、発光材料層７０５の温度すなわち回路基板の測定点の温度を算出する（ステップＳ４３）。以上により、回路基板１１４上のある測定点における、温度Ｔを求めることができる。そして、温度センサ７０３をＸＹ駆動装置（図示されず）により、回路基板１１４上を所定の間隔、及び移動パターンで移動することで、全ての箇所（測定点）についてステップＳ４２〜ステップＳ４３の測定及び抽出を実行する（ステップＳ４４）。

本発明の温度センサ及び温度センサシステムは、光ファイバの先端の微小な測定子（発光材料層）を用いて温度測定を行うので、小型で高空間分解能であり、ＬＳＩチップ／パッケージにおける微細領域の温度を計測可能である。すなわち、ＬＳＩチップ／パッケージに適用可能で、高精度に温度計測が可能である。

図１は、本発明の温度センサ及び温度センサシステムの第1の実施の形態の構成を示す図である。図２は、本発明の温度センサシステムの第１の実施の形態における動作を示すフローチャートである。図３は、光スペクトラムアナライザにより測定される光スペクトラムの一例を示す模式図である。図４は、本発明の第１の実施の形態の温度センサを複数本束ねて形成された温度センサの一例を示す図である。図５は、本発明の温度センサの第１の実施の形態の構成の他の一例を示す図である。図６は、本発明の温度センサの第１の実施の形態の他の製造方法を示すフローチャートである。図７は、本発明の温度センサの第１の実施の形態の構成の更に他の一例を示す図である。図８は、光スペクトラムアナライザにより測定される光スペクトラムの測定結果を示すグラフである。図９は、測定対象であるＬＳＩチップ内の計測領域の構成を示す図である。図１０は、ＬＳＩチップ上で計測された温度分布を示す図である。図１１は、本発明の温度センサ及び温度センサシステムの第２の実施の形態の構成を示す図である。図１２は、本発明の温度センサシステムの第２の実施の形態における動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１００連続レーザ光源
１０１、１０１ａ、１０１ｂ光ファイバ
１０２光ファイバ
１０３、３０３、４０３、７０３、８００温度センサ
１０４光サーキュレータ
１０５、３０５、４０５、７０５温度センサ本体
１０６コア
１０７クラッド
１０８接着層
１１０、１１０ｂレーザ光
１１０ａ入射光
１１０ｃ反射光
１１１、４１１上部誘電体多層反射層
１１２、４１２光学材料層
１１３、４１３下部誘電体多層反射層
１１４回路基板
１１９光スペクトラムアナライザ
１２０光パワーメータ
１３０、１４０情報処理装置
１３１、１４１温度導出部
１５０、１６０温度センサシステム

Claims

（ｄ）光ファイバの端面を平滑化する工程と、
（ｅ）前記端面上にエアロゾルデポジション法により発光材料層を製膜する工程と、
（ｆ）前記発光材料層を熱処理する工程と
を具備する
温度センサの製造方法。