JP7284075B2 - temperature measuring device - Google Patents
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Description
本開示は、温度検出素子としてダイオードを備えた温度測定装置に関する。 TECHNICAL FIELD The present disclosure relates to a temperature measurement device having a diode as a temperature detection element.
従来技術の温度測定装置は、例えば、特許文献１に記載されている。この従来技術の温度測定装置は、バンドギャップ回路と、アナログ／デジタル変換回路とによって構成される。 A prior art temperature measuring device is described, for example, in US Pat. This prior art temperature measurement device is composed of a bandgap circuit and an analog/digital conversion circuit.
バンドギャップ回路は、第１の電源端子と第１のノードとの間に配置されたトランジスタと、第１のノードと第２のノードとの間に配置された第１の抵抗と、第１のノードと第３のノードとの間に配置された第２の抵抗と、第２のノードと第２の電源端子との間に配置された第１のダイオードと、第３のノードと第２の電源端子との間に直列に接続された第３の抵抗および第２のダイオードと、第２のノードに接続される反転端子と第３のノードに接続される非反転端子とトランジスタのゲートに接続される出力端子とを有するオペアンプと、を備える。 The bandgap circuit includes a transistor arranged between a first power supply terminal and a first node, a first resistor arranged between the first node and a second node, and a first resistor. a second resistor interposed between the node and the third node; a first diode interposed between the second node and the second power supply terminal; A third resistor and a second diode connected in series between the power supply terminal, an inverting terminal connected to the second node, a non-inverting terminal connected to the third node, and connected to the gate of the transistor. and an operational amplifier having an output terminal to which the output terminal is connected.
第１のノードの電圧と第３のノードの電圧の差が入力アナログ電圧としてアナログ／デジタル変換器（Analog to Digital Convertor：ＡＤＣ）に供給されるとともに、第１のノードの電圧が基準電圧としてＡＤＣに供給され、基準電圧に対する入力電圧の変化が、測定温度として出力される。 The difference between the voltage of the first node and the voltage of the third node is supplied as an input analog voltage to an analog to digital converter (ADC), and the voltage of the first node is the reference voltage of the ADC and the change in input voltage with respect to the reference voltage is output as the measured temperature.
上記特許文献１に記載される従来技術では、温度測定装置の感度を上げる場合、ＡＤＣに入力アナログ信号として供給される、第１のノードの電圧と第３のノードの電圧の差を増幅する必要がある。例えば、電源電圧を３Ｖ、第１のノードの電圧と第３のノードの電圧との差が０．５５Ｖと仮定すると、利得が４．５倍程度であれば、定常電圧成分と温度特性電圧成分との和が、電源電圧３Ｖ以下にクランプされ、利得が制約されてしまい、温度測定装置の感度を上げることができない。したがって、従来から、より高い感度を有する温度測定装置が望まれている。
In the prior art described in
本開示の温度測定装置は、温度測定対象抵抗（Ｒ１）および温度検出素子である一対のダイオードを含み、前記一対のダイオードの入力電圧の温度に応じた変化を前記温度測定対象抵抗（Ｒ１）の入力端と出力端間の電位差として出力する温度測定部と、
前記温度測定対象抵抗（Ｒ１）の入力端に正入力端子が第１正入力側抵抗（Ｒ３）を介して接続され、前記温度測定対象抵抗（Ｒ１）の出力端に負入力端子が第１負入力側抵抗（Ｒ５）を介して接続された比較増幅器と、
前記第１正入力側抵抗（Ｒ３）の出力端と接地端との間に挿入された第２正入力側抵抗（Ｒ４）と、
前記第１負入力側抵抗（Ｒ５）の出力端と前記比較増幅器の出力端との間に挿入された第２負入力側抵抗（Ｒ６）と、を備え、
前記第２正入力側抵抗（Ｒ４）の抵抗値は前記第２負入力側抵抗（Ｒ６）の抵抗値よりも低い値に設定されていることを特徴とする。
The temperature measurement device of the present disclosure includes a temperature measurement target resistor (R1) and a pair of diodes that are temperature detection elements, and changes in the input voltage of the pair of diodes according to temperature are measured in the temperature measurement target resistor (R1). a temperature measurement unit that outputs as a potential difference between the input end and the output end;
A positive input terminal is connected to the input end of the temperature measurement target resistor (R1) via a first positive input side resistor (R3), and a negative input terminal is connected to the output end of the temperature measurement target resistor (R1). a comparison amplifier connected via an input resistor (R5);
a second positive input resistor (R4) inserted between the output end of the first positive input resistor (R3) and the ground;
a second negative input resistor (R6) inserted between the output end of the first negative input resistor (R5) and the output end of the comparison amplifier;
A resistance value of the second positive input side resistor (R4) is set to a value lower than a resistance value of the second negative input side resistor (R6).
本開示の温度測定装置によれば、感度が格段に向上された温度測定装置を提供することができる。 According to the temperature measuring device of the present disclosure, it is possible to provide a temperature measuring device with significantly improved sensitivity.
以下、添付図面を参照して、本開示の温度測定装置の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the temperature measurement device of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings.
図１は本開示の一実施形態の温度測定装置の電気的構成を示すブロック回路図である。本実施形態の温度測定装置１は、一対の温度測定対象抵抗Ｒ１および温度検出素子である一対のダイオードＤ１，Ｄ２を含み、各ダイオードＤ１，Ｄ２の温度に応じた測定電圧Ｖ１，Ｖ２の電位差のドリフト電圧を温度測定電圧（温度測定対象抵抗（Ｒ１）の入力端と出力端間の電位差）として出力する温度測定部２ｓと、温度測定対象抵抗Ｒ１の入力端に正入力端子（非反転入力端子）が第１正入力側抵抗Ｒ３を介して接続され、温度測定対象抵抗Ｒ１の出力端に負入力端子（反転入力端子）が第１負入力側抵抗Ｒ５を介して接続された比較増幅器（コンパレータ）３と、第１正入力側抵抗Ｒ３の出力端および接地端を結ぶ接地線４に挿入された第２正入力側抵抗Ｒ４と、第１負入力側抵抗Ｒ５の出力端および比較増幅器３の出力端に接続された出力線５の間を結ぶ負帰還線６に挿入された第２負入力側抵抗Ｒ６と、を備える。本実施形態において「接地」は、シグナルグラウンド、信号グラウンドまたは基準等電位をいう。また、一対のダイオードは、第１ダイオードＤ１および第２ダイオードＤ１のように少なくとも２つから成るダイオード群であるが、一対のダイオードのうちの一方のダイオードである第２ダイオードＤ２が、複数のダイオードを並列接続したダイオード群から構成されていてもよい。
FIG. 1 is a block circuit diagram showing the electrical configuration of a temperature measurement device according to one embodiment of the present disclosure. The
各ダイオードＤ１，Ｄ２に等しい電流Ｉ１，Ｉ２（Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉ）が流れるようにするために、ノードｎ１，ｎ２に比較増幅器１４を接続し、ノードｎ１の電圧とノードｎ２の電圧が等しくなると比較増幅器１４の出力電圧が安定化する。即ち、温度測定対象抵抗Ｒ１とそれに並列接続された抵抗Ｒ１の各入力端の電圧が安定化する。温度測定対象抵抗Ｒ１の入力端と出力端間の電位差（Ｖ１ｉ－Ｖ１ｏ（Ｖ１ｉ：入力端電圧、Ｖ１ｏ：出力端電圧）であり、例えば温度測定開始温度（０℃（２７３Ｋ）において０．５５Ｖ）は、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の比（Ｒ１／Ｒ２）に依存するとともに温度上昇に応じて上昇する。増幅部２ａの出力電圧Ｖｏは、上記電位差を増幅して得られる。
A
しかしながら、増幅部２ａで上記電位差（Ｖ１ｉ－Ｖ１ｏ）を増幅しようとしても、温度が上昇すると，所望の測定温度範囲（例えば、０℃～６０℃（３２３Ｋ）程度）の上限温度（例えば、６０℃程度）または上限温度未満の温度において、増幅部２ａの出力電圧Ｖｏは電源電圧（例えば、３Ｖ）でクランプする。即ち、上記電位差が、温度に対して不変の定常電圧成分Ｖｄ１，Ｖｄ２と、温度によって変化する温度特性電圧成分ΔＶｄ１，ΔＶｄ２と、を含むことから、測定温度範囲が狭くなったり、温度測定の感度（ｍＶ／℃）が低下する（例えば、１０．８ｍＶ／℃程度）、という問題点があった。本実施形態の温度測定装置１は、好適には定常電圧成分Ｖｄ１，Ｖｄ２を低下させる構成、またはより好適には定常電圧成分Ｖｄ１，Ｖｄ２を無くす構成の増幅部２ａを備える。以下、増幅部２ａの構成について説明する。本実施形態では、増幅部２ａにおいて、第２正入力側抵抗Ｒ４の抵抗値は第２負入力側抵抗Ｒ６の抵抗値よりも低い値に設定されている。なお、図１に示す増幅部２ａにおいて、第１差動増幅器７は、その大きなインピーダンスによって第１正入力側抵抗Ｒ３を流れる電流を微小電流とするとともに温度測定対象抵抗Ｒ１の入力端と入力端電圧Ｖ１ｉを安定化させるバッファまたはボルテージホロワとして機能する。第２差動増幅器８は、その大きなインピーダンスによって第１負入力側抵抗Ｒ５を流れる電流を微小電流とするとともに温度測定対象抵抗Ｒ１の出力端電圧Ｖ１ｏを安定化させるバッファまたはボルテージホロワとして機能する。
However, even if the
温度測定装置１は、第１正入力側抵抗Ｒ３の入力端および温度測定対象抵抗Ｒ１の入力端の間に位置する第１差動増幅器７と、第１負入力側抵抗Ｒ５の入力端および温度測定対象抵抗Ｒ１の出力端の間に位置する第２差動増幅器８と、をさらに含んでいてもよい。
The
第１差動増幅器７の出力端子は、第１正入力側抵抗Ｒ３の入力端に接続される。第１差動増幅器７の正入力端子は、温度測定対象抵抗Ｒ１の入力端に接続され、第１差動増幅器７の負入力端子は、負帰還線９によって該第１差動増幅器７の出力端子に接続される。
The output terminal of the first
第２差動増幅器８の出力端子は、第１負入力側抵抗Ｒ５の入力端に接続される。第２差動増幅器８の正入力端子は、温度測定対象抵抗Ｒ１の出力端に接続され、第２差動増幅器８の負入力端子は、負帰還線１０によって該第２差動増幅器８の出力端に接続される。
The output terminal of the second
第２正入力側抵抗Ｒ４の抵抗値および第２負入力側抵抗Ｒ６の抵抗値は、温度測定開始温度（例えば、０℃）における比較増幅器３の出力電圧Ｖｏを低下させる値に設定されていることがよい。これにより、測定温度範囲の上限温度または上限温度未満の温度において、増幅部２ａの出力電圧Ｖｏが電源電圧でクランプすることを抑えることができる。その結果、温度測定範囲を広げたり、測定温度範囲における温度測定の感度（ｍＶ／℃）を高くする（例えば、５８．８ｍＶ／℃程度）ことができる。
The resistance value of the second positive input side resistor R4 and the resistance value of the second negative input side resistor R6 are set to a value that reduces the output voltage Vo of the
温度測定対象抵抗Ｒ１の出力端は、接続線１１によって、第１ダイオードＤ１のアノード端子に接続される。第１ダイオードＤ１のカソード端子は接地される。温度測定対象抵抗Ｒ１に並列接続された抵抗Ｒ１（温度測定対象抵抗Ｒ１と同じ抵抗値）の出力端は、抵抗Ｒ２を介して接続線１２によって、第２ダイオードＤ２のアノード端子に接続される。第２ダイオードＤ２のカソード端子は接地される。
The output end of the temperature measurement target resistor R1 is connected by a
また、温度測定対象抵抗Ｒ１の出力端は、接続線１３によって、比較増幅器１４の正入力端子（非反転入力端子）に接続される。抵抗Ｒ１の出力端は、接続線１５によって、比較増幅器１４の負入力端子（反転入力端子）に接続される。
Also, the output end of the temperature measurement target resistor R1 is connected to the positive input terminal (non-inverting input terminal) of the
図２は温度測定装置１による温度測定原理を説明するための図であり、図３（ａ）～図３（ｃ）は、それぞれ第１および第２ダイオードＤ１，Ｄ２の温度と測定電圧（比較増幅器３の出力電圧Ｖｏ）との関係を示すグラフである。図３（ａ）は従来例の温度測定装置のグラフであり、図３（ｂ），（ｃ）は本実施形態の温度測定装置１のグラフである。第１ダイオードＤ１の逆方向電流Ｉ１は、下記の式１によって表され、第２ダイオードＤ２の逆方向電流Ｉ２は、下記の式２によって表される。
FIG. 2 is a diagram for explaining the principle of temperature measurement by the
ｋ：ボルツマン定数（１．３７９×１０－２３Ｊ／Ｋ）
ｑ：電気素量（１．６０２×１０－１９Ｃ）
Ｔ：絶対温度
k: Boltzmann constant (1.379×10 −23 J/K)
q: elementary charge (1.602×10 −19 C)
T: absolute temperature
上記の式１および式２から、Ｖ１（第１ダイオードＤ１の入力電圧（アノード電圧））、Ｖ２（第２ダイオードＤ２の入力電圧（アノード電圧））は、下記の式３、式４によって求められる。
From the
第１および第２ダイオードＤ１，Ｄ２に流れる逆方向電流Ｉ１，Ｉ２が、Ｉ１＝Ｉ２＝Ｉで一定とすると、図３（ａ）～図３（ｃ）のグラフの直線の傾きで示されるように、温度測定の感度ΔＶ，ΔＶ´を求めることができる。 Assuming that the reverse currents I1 and I2 flowing through the first and second diodes D1 and D2 are constant at I1=I2=I, the slopes of the straight lines in the graphs of FIGS. , the sensitivities ΔV and ΔV' of the temperature measurement can be obtained.
なお、ΔＶは抵抗Ｒ２の入力端と出力端間の電位差（Ｖ１－Ｖ２）に相当し、ΔＶ´は温度測定対象抵抗Ｒ１の入力端と出力端間の電位差に相当し、ΔＶ´＝（Ｒ１／Ｒ２）・ｌｏｇｅ（１０）・｛（Ｔ・ｋ）／ｑ｝で表され、Ｒ１／Ｒ２＝１０，ΔＶ´＝１０ΔＶ＝＋１．９８ｍＶ／℃である。 ΔV corresponds to the potential difference (V1−V2) between the input terminal and the output terminal of the resistor R2, ΔV′ corresponds to the potential difference between the input terminal and the output terminal of the resistor R1 to be measured, and ΔV′=(R1 /R2)·loge(10)·{(T·k)/q}, where R1/R2=10 and ΔV′=10ΔV=+1.98 mV/°C.
前記従来技術では、温度測定対象抵抗Ｒ１にかかる定常電圧成分Ｖｄが増幅される。定常電圧成分Ｖｄは、Ｖｄ１－Ｖｄ２（Ｖｄ１は温度測定開始温度における温度測定対象抵抗Ｒ１の入力端電圧であり例えば１．１８Ｖ、Ｖｄ２は温度測定開始温度における温度測定対象抵抗Ｒ１の出力端電圧であり例えば０．６３Ｖ）で表され、電源電圧が３Ｖである場合には５．４５倍（３Ｖ／０．５５Ｖ（＝１．１８－０．６３））の利得で出力電圧が電源電圧にクランプするので、温度測定装置１としての感度（ｓｅ１：図３（ａ）に示す直線の傾きで表される）は＋１０．８ｍＶ／℃（＋１．９８ｍＶ／℃×５．４５）である。 In the prior art, the stationary voltage component Vd applied to the temperature measurement object resistor R1 is amplified. The steady-state voltage component Vd is Vd1-Vd2 (Vd1 is the input end voltage of the temperature measurement target resistor R1 at the temperature measurement start temperature, for example 1.18 V, and Vd2 is the output end voltage of the temperature measurement target resistor R1 at the temperature measurement start temperature. For example, 0.63V), and when the power supply voltage is 3V, the output voltage is clamped to the power supply voltage with a gain of 5.45 times (3V/0.55V (=1.18-0.63)). Therefore, the sensitivity of the temperature measuring device 1 (se1: represented by the slope of the straight line shown in FIG. 3A) is +10.8 mV/°C (+1.98 mV/°C x 5.45).
これに対し本実施形態では、温度測定対象抵抗Ｒ１にかかる電圧の定常電圧成分をＶｄ、温度特性成分をΔＶｄ、増幅部２ａの出力電圧をＶｏとすると、Ｖｏは下記の式６で表される。
On the other hand, in the present embodiment, where Vd is the steady-state voltage component of the voltage applied to the temperature measurement object resistor R1, ΔVd is the temperature characteristic component, and Vo is the output voltage of the
ここで、次の式７で示される条件を満たすならば、定常電圧成分Ｖｄ１，Ｖｄ２をキャンセルすることができる。
Here, the stationary voltage components Vd1 and Vd2 can be canceled if the condition expressed by the
ゲインを３０倍（Ｒ５＝１０ｋΩ，Ｒ６＝３００ｋΩでＲ６／Ｒ５＝３０）、Ｒ３＝Ｒ５＝Ｒ＝１０ｋΩと置くと、Ｒ４は以下の式８によって求められる。
次に、上記の式７および式８を一般化すると、以下の式９および式１０のように示すことができる。
ここで、式９は定常電圧成分Ｖｄ＝Ｖｄ１－Ｖｄ２をキャンセルする条件を表す式であり、式１０は式９からＲ４を求めた式であり、Ｒは任意に決めることができる抵抗値であり、（Ｒ６／Ｒ）比によって利得を決定する。Ｖｄ１およびＶｄ２は、シミュレーション、実測、計算等から得ることができる。なお、従来Ｒ４はＲ６と同じ抵抗値（３００ｋΩ）とされていたため、定常電圧成分Ｖｄを低下させたり無くすことができなかった。
Here,
比較増幅器３は、温度測定対象抵抗Ｒ１の入力端（高電位端）に正入力端子が第１差動増幅器７を介して接続され、温度測定対象抵抗Ｒ１の出力端（低電位端）には負入力端子が第２差動増幅器８を介して接続される。温度測定対象抵抗Ｒ１の入力端（電圧Ｖ１ｉ）と出力端（電圧Ｖ１ｏ）間にかかる電位差（Ｖ１ｉ－Ｖ１ｏ）を増幅部２ａで増幅した出力電圧（測定電圧）Ｖｏは、定常電圧成分Ｖｄ（０℃における電圧：１．１８－０．６３＝０．５５Ｖ）に、温度特性電圧成分ΔＶｄが加えられたもの（Ｖｄ＋ΔＶｄ）に基づく。
The
比較増幅器３の出力電圧Ｖｏは、第１正入力側抵抗Ｒ３の入力端の電圧をＶｄ１、第１負入力側抵抗Ｒ５の入力端の電圧をＶｄ２としたとき、以下の式１１によって式６を一般化して表される。
The output voltage Vo of the
ここに、Ｒａ：第１抵抗係数（＝Ｒ４／（Ｒ＋Ｒ４））
Ｒｂ：第２抵抗係数（＝（Ｒ＋Ｒ６）／Ｒ））
Ｒｃ：第３抵抗係数（＝Ｒ６／Ｒ）
Ｒ３＝Ｒ５＝Ｒ
Here, Ra: first resistance coefficient (=R4/(R+R4))
Rb: Second resistance coefficient (=(R+R6)/R))
Rc: third resistance coefficient (=R6/R)
R3=R5=R
したがって、定常電圧成分（Ｖｄ１・Ｒａ・Ｒｂ－Ｖｄ２・Ｒｃ）は、第１抵抗係数Ｒａ（Ｒ６に依存せず、Ｒ４によって調整可能）を調整することによって、小さくし、好ましくはキャンセルすることができる。ここで、「定常電圧成分」とは、オフセット電圧（測定開始温度（＝０℃）において、温度測定対象抵抗Ｒ１に加わる電圧）ともいう。 Therefore, the steady-state voltage component (Vd1·Ra·Rb−Vd2·Rc) can be reduced and preferably canceled by adjusting the first resistance coefficient Ra (independent of R6 and adjustable by R4). can. Here, the "stationary voltage component" is also referred to as an offset voltage (voltage applied to the temperature measurement object resistor R1 at the measurement start temperature (=0° C.)).
上記の実施形態の場合、第２正入力側抵抗Ｒ４の抵抗値を１０．７ｋΩ（式１０から得られる値）を超え３００ｋΩ未満とすることによって、定常電圧成分を低下させることができる。この場合の温度測定の感度（ｓｅ２：図３（ｂ）に示す直線の傾きで表される）は、図３（ａ）の場合の感度（ｓｅ１）よりも向上する。また、第２正入力側抵抗Ｒ４の抵抗値を１０．７ｋΩとすることによって、定常電圧成分を無くす（キャンセルする）ことができる。本実施形態の温度測定装置１において、定常電圧成分を無くすことによって、温度測定の感度（ｓｅ３：図３（ｃ）に示す直線の傾きで表される）を＋５８．８ｍＶ／℃と大幅に向上させることができる。
In the case of the above embodiment, the steady-state voltage component can be reduced by setting the resistance value of the second positive input-side resistor R4 to more than 10.7 kΩ (value obtained from Equation 10) and less than 300 kΩ. The sensitivity of temperature measurement in this case (se2: represented by the slope of the straight line shown in FIG. 3(b)) is improved over the sensitivity (se1) in the case of FIG. 3(a). Further, by setting the resistance value of the second positive input side resistor R4 to 10.7 kΩ, the stationary voltage component can be eliminated (canceled). In the
（他の実施形態）
図４は本開示の他の実施形態の第２正入力側抵抗Ｒ４の構成を示す回路図である。本実施形態の第２正入力側抵抗Ｒ４は、直列に接続される複数の分割抵抗Ｒ４１，Ｒ４２，Ｒ４３，…，Ｒ４ｎ（ｎは３以上の自然数）と、各分割抵抗Ｒ４１～Ｒ４ｎが直列に接続される各接続点に各分割抵抗Ｒ４１～Ｒ４ｎと並列に接続される複数のヒューズＦ４１～Ｆ４ｎ（ｎは３以上の自然数）とを含んで構成される。
(Other embodiments)
FIG. 4 is a circuit diagram showing the configuration of the second positive input side resistor R4 according to another embodiment of the present disclosure. , R4n (n is a natural number of 3 or more) connected in series, and each of the divided resistors R41 to R4n are connected in series. A plurality of fuses F41 to F4n (n is a natural number equal to or greater than 3) connected in parallel with each of the dividing resistors R41 to R4n are included at each connecting point.
各ヒューズＦ４１～Ｆ４ｎを選択的に例えばレーザ光を照射して切断することによって、第２正入力側抵抗Ｒ４の抵抗値をトリミングして調整し、決定することができる。この場合、温度測定装置１の製造時に、パッケージとして組み立てる前の工程で、温度測定装置１の基板であるウェハ上に上記の各分割抵抗Ｒ４１～Ｒ４ｎおよび各ヒューズＦ４１～Ｆ４ｎを形成し、各ヒューズＦ４１～Ｆ４ｎのうちで予め選択した部分をレーザ光で切断することによって、適切な抵抗値の第２正入力側抵抗Ｒ４を得ることができる。
By selectively cutting the fuses F41 to F4n by, for example, laser light irradiation, the resistance value of the second positive input side resistor R4 can be trimmed, adjusted, and determined. In this case, when the
各ヒューズＦ４１～Ｆ４ｎの材料としては、融点の低い導電性金属、例えば鉛（Ｐｂ），亜鉛（Ｚｎ），錫（Ｓｎ），ビスマス（Ｂｉ），銅（Ｃｕ），アンチモン（Ｓｂ），インジウム（Ｉｎ），銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ），ニオブ（Ｎｂ），カドミウム（Ｃｄ）等の金属、またはＳｎＳｂ，ＢｉＳｎ，ＳｎＡｇ，ＺｎＡｌ，ＩｎＳｎ，ＡｌＣｕ等の合金がある。さらには、Ｔｉ層／ＡｌＣｕ層（ＡｌＣｕ層上にＴｉ層を積層した積層構造を表す）、ＴｉＮ層／Ｔｉ層／ＡｌＣｕ層、Ｔｉ層／ＡｌＣｕ層／ＴｉＮ層、ＡｌＣｕ層／Ｎｂ層等の積層構造のヒューズであってもよい。ヒューズの幅、厚みは、トリミングに適した抵抗値を有するとともにレーザ光の照射による溶断に適した幅、厚みがよい。ヒューズの幅は１μｍ～１０μｍ程度、好適には幅１μｍ～５μｍ程度がよく、ヒューズの厚みは０．１μｍ～３μｍ程度、好適には０．２μｍ～１．０μｍ程度がよい。ヒューズの形状は、直線状、蛇行状等の形状である。ヒューズは、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法等の薄膜形成法、メッキ法、蒸着法等によって形成され得る。 Materials for the fuses F41 to F4n include conductive metals with low melting points, such as lead (Pb), zinc (Zn), tin (Sn), bismuth (Bi), copper (Cu), antimony (Sb), indium ( In), silver (Ag), aluminum (Al), niobium (Nb), cadmium (Cd), or alloys such as SnSb, BiSn, SnAg, ZnAl, InSn, AlCu. Furthermore, lamination such as Ti layer/AlCu layer (representing a laminated structure in which a Ti layer is laminated on an AlCu layer), TiN layer/Ti layer/AlCu layer, Ti layer/AlCu layer/TiN layer, AlCu layer/Nb layer, etc. It may be a structural fuse. The width and thickness of the fuse should be such that the fuse has a resistance value suitable for trimming and is suitable for melting by irradiation with a laser beam. The width of the fuse is about 1 μm to 10 μm, preferably about 1 μm to 5 μm, and the thickness of the fuse is about 0.1 μm to 3 μm, preferably about 0.2 μm to 1.0 μm. The shape of the fuse is linear, meandering, or the like. A fuse can be formed by a thin film forming method such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a plating method, a vapor deposition method, or the like.
（実施例）
温度測定の感度が＋５８．８ｍＶ／℃と大幅に向上した前述の温度測定装置１は、容器内の被計測物、例えば細胞培養液、細胞等の温度状態を検出するために好適に用いることができる。温度測定装置１は、容器、例えばシャーレ、フラスコ、マルチウェルプレート等の内部に設置されてもよい。容器の形状、大きさ等は特には限定されないが、例えば細胞が増殖するのに適切なスペースを１つ以上有するものであってもよい。例えば、シャーレであれば、幅または直径が数ｃｍ～数１０ｃｍ程度、高さが数ｍｍ～数ｃｍ程度であり、フラスコであれば、幅または直径が数ｃｍ～数１０ｃｍ程度、高さが５ｃｍ～数１０ｃｍ程度であり、マルチウェルプレートであれば、幅または直径が数ｃｍ～数１０ｃｍ程度、高さが０．５ｃｍ～数ｃｍ程度である。容器は、外部から内部が観察できるように、光学的に透明な材料、例えばプラスチック、ガラス等の材料から成ってもよい。
(Example)
The above-described
またマルチウェルプレートは、一つのウェルの平面視形状が円形、正方形等の四角形、五角形、六角形等の多角形等である。円形は細胞の等法的な増殖に適した形状であり、細胞が増殖しやすいという利点がある。六角形はウェルの最密配置に適した形状であり、マルチウェルプレートの小型化に有利である。 In the multi-well plate, the plan view shape of one well is a circle, a quadrangle such as a square, or a polygon such as a pentagon or a hexagon. A circular shape is suitable for isostatic growth of cells, and has the advantage of facilitating cell growth. A hexagon is a shape suitable for close-packed arrangement of wells, and is advantageous for miniaturization of multiwell plates.
より具体的には、容器は、市販されている細胞培養容器であってもよく、例えば、細胞培養用プレート、細胞培養用フラスコまたは細胞培養用ディッシュであってもよい。これらの細胞培養容器は、蓋を備え、透明な樹脂による射出成形品によって実現されてもよい。 More specifically, the vessel may be a commercially available cell culture vessel, such as a cell culture plate, cell culture flask or cell culture dish. These cell culture vessels are provided with lids and may be realized by injection molding of transparent resin.
容器は、液体、たとえば培養液を収容するための円筒型、逆部分円錐状等の形状の収容部を複数有することが好ましい。容器は、その内側または外側に、細胞および培養培地を収容していない状態で温度測定装置１が設置されており、その後細胞および培養液を供給されてもよく、細胞および培養液を収容した状態で温度測定装置１が設置されてもよい。容器は、細胞が十分に増殖すれば、温度測定装置１を取り外すこともでき、細胞および培養液を回収し、洗浄し、滅菌した後、再び温度測定装置１を設置することもできる。
It is preferable that the container has a plurality of storage portions having a cylindrical shape, an inverted partial conical shape, or the like for storing a liquid, such as a culture solution. The container has the
また、温度測定装置１は、第１アンテナを含む送信部を備えてもよく、第２アンテナを含む受信部を備える外部制御装置との間で非接触通信によって、給電信号、センサ素子制御信号、検出データ信号等の信号を送受信してもよい。例えば、外部制御装置が容器の外部に設置され、温度測定装置１が容器の内部に設置されてもよい。例えば、外部制御装置が容器の外部の底面に接触するように設けられ、温度測定装置１が容器の内部の底面に接触するように設けられてもよい。これによって、温度測定装置１の第１アンテナを外部制御装置の第２アンテナに対して近接して配置することが可能となる。これによって、第１アンテナと第２アンテナとの間で送受信される、給電信号、センサ素子制御信号、検出データ信号等の信号の減衰を抑えるとともに信号へのノイズの混入を低減し、第２アンテナによって高い受信強度で信号を受信することが可能となる。
Further, the
また、温度測定装置１が基板を備えており、基板の第１面（上面）および第２面（下面）のうち第２面（容器側の面）上の少なくとも一部に磁石、磁性層、シリコーン樹脂層等の粘着層などから成る第１吸着部材を配置し、容器の底面上の第１吸着部材に対応する部位に磁石、磁性層、シリコーン樹脂層等の粘着層などから成る第２吸着部材を配置してもよい。その場合、温度測定装置１の容器に対する位置固定が確実となり、容器を運搬する際などに容器が振動したとしても温度測定装置１が位置ずれを起こすことを抑えることができる。
Further, the
また、例えば、温度測定装置１が基板の第２面側に配置されていれば、温度測定装置１が酸性の培養液等の腐食性の被計測物に接することがないので、温度測定装置１の耐久性が高まり長寿命になる、という効果も奏する。例えば、温度測定装置１は容器の内側の側面に配置されていてもよく、その場合透明な容器の上方および下方から容器の内部を観察（モニタリング）することが容易となる。
Further, for example, if the
第１アンテナおよび第２アンテナは、例えばループアンテナによって実現されてもよく、ダイポールアンテナによって実現されてもよい。好ましくは、第１アンテナおよび第２アンテナは、アンテナ長の調整が容易であり受信感度の高いループアンテナであってもよい。 The first antenna and the second antenna may be implemented by loop antennas, or may be implemented by dipole antennas, for example. Preferably, the first antenna and the second antenna may be loop antennas whose antenna lengths can be easily adjusted and whose reception sensitivity is high.
温度測定装置１は、上記の通り基板上に形成されてもよい。基板は、電気絶縁性を有する材料、例えば、ガラス、プラスチック、セラミックス等から成り、平面視における形状が四角形または円形の板状体によって実現されてもよい。また基板は、外部から容器の内部を観察しやすいように透光性を有するものがよい。しかし、基板が容器内部の底面に配置されている場合、外部上方から容器の内部を観察できることから、基板は黒色、褐色等の色に着色されたものであってもよい。
The
基板は、その側面に酸化珪素（ＳｉＯ2）、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）等から成る保護層が配置されていてもよい。この場合、基板の側面が容器の内面等と接触した際に基板の側面、特に基板の角部に摩耗、欠け等の損傷が発生することを防ぐとともに容器内の培養液等の被計測物に基板の破片等の不要物が入り込むことを防ぐことができる。さらに、基板の側面に配置された保護層は、基板の第１面および第２面の少なくとも一方に延出する延出部を有していてもよい。これにより、基板の角部を保護する効果が向上する。また、基板の第１面および第２面の少なくとも一方に配置された絶縁層が基板の側面に延出して保護層となっている構成であってもよく、その場合も基板の角部を保護する効果が向上する。 The substrate may have a protective layer of silicon oxide (SiO 2 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ) or the like disposed on its side surface. In this case, when the side surface of the substrate comes into contact with the inner surface of the container, etc., the side surface of the substrate, particularly the corners of the substrate, can be prevented from being damaged such as abrasion and chipping, and the object to be measured such as the culture solution in the container can be prevented. It is possible to prevent unwanted substances such as fragments of the substrate from entering. Furthermore, the protective layer arranged on the side surface of the substrate may have an extension extending to at least one of the first surface and the second surface of the substrate. This improves the effect of protecting the corners of the substrate. In addition, the insulating layer disposed on at least one of the first surface and the second surface of the substrate may extend to the side surface of the substrate to serve as a protective layer, in which case the corners of the substrate are protected. The effect of doing is improved.
温度測定装置１の第２面（容器の底面側の面）上と容器の底面上との少なくとも一方の少なくとも一部に、シリコーン樹脂（シリコーンゴム）層等の粘着層、またはプラスチックテープ等のテープに粘着剤を両面に塗布、印刷等して形成された両面テープなどから成る粘着部材が、配置されていてもよい。この場合も上記と同様の効果を奏する。さらにこの粘着部材は、透光性を有することがよい。これにより、容器の内部を外部から観察することが容易になる。なお、シリコーン樹脂の粘着力は、微細網目構造を有するシリコーン樹脂が、被粘着物の表面の微細な凹凸面に食い込む効果と、分子間力、ファンデルワールス力等の分子接触による吸着力と、によって生じる。また、粘着剤は、被粘着物の表面の微細な凹凸面に食い込む効果が高い点で好適である。
An adhesive layer such as a silicone resin (silicone rubber) layer or a tape such as a plastic tape is provided on at least a portion of at least one of the second surface (surface on the bottom side of the container) of the
上記の第１吸着部材、第２吸着部材および粘着部材は、第１アンテナおよび第２アンテナの少なくとも一方に重ならない部位に配置されていることがよい。この場合、第１アンテナと第２アンテナとの間で送受信される、給電信号、センサ素子制御信号、検出データ信号等の信号の減衰を抑えるとともに信号へのノイズの混入を低減し、第２アンテナによって、高い受信強度で信号を受信することが可能となる。より好適には、上記の第１吸着部材、第２吸着部材および粘着部材は、第１アンテナおよび第２アンテナの双方に重ならない部位に配置されていることがよい。 It is preferable that the first adsorption member, the second adsorption member, and the adhesive member are arranged in a portion that does not overlap at least one of the first antenna and the second antenna. In this case, attenuation of signals such as a power supply signal, a sensor element control signal, and a detection data signal transmitted and received between the first antenna and the second antenna is suppressed, and noise contamination of the signals is reduced. , it is possible to receive signals with high reception strength. More preferably, the first adsorption member, the second adsorption member, and the adhesive member are arranged in a region that does not overlap with both the first antenna and the second antenna.
また、基板が円板状であることによって、例えば、細胞培養用プレート、細胞培養用フラスコ、または細胞培養用ディッシュなどの細胞の等法的な増殖に適した平面視において円形形状の収容空間を有する容器に適切に使用することができる。また基板は、楕円板状、長円板状等の円板状に近似した形状であってもよい。この場合、基板が円板状である場合と同様の効果を奏する。円板状の基板の収容に適した容器の形状としては、細胞の等法的な増殖に適した円筒状、逆部分円錐状がよい。特に逆部分円錐状の容器は、立体的かつ等法的な細胞の増殖に適している点で良い。 In addition, since the substrate is disk-shaped, a housing space having a circular shape in plan view suitable for the legal growth of cells such as a cell culture plate, a cell culture flask, or a cell culture dish can be provided. can be used appropriately for containers with Further, the substrate may have a shape similar to a disk shape such as an elliptical plate shape or an oval plate shape. In this case, the same effect as when the substrate is disk-shaped is obtained. The shape of the container suitable for housing the disk-shaped substrate is preferably a cylindrical shape or an inverted partial conical shape suitable for isostatic growth of cells. In particular, the inverted partial conical container is suitable for three-dimensional and isotropic cell growth.
細胞の種類は、特に限定されるものではなく、動物細胞、植物細胞、酵母細胞、細菌細胞等であってよい。動物細胞としては、筋肉細胞、肝臓等の内蔵細胞、リンパ球、単球及び顆粒球等の血液細胞、神経細胞、免疫細胞、ｉＰＳ細胞（induced pluripotent stem cell）等がある。 The cell type is not particularly limited, and may be animal cells, plant cells, yeast cells, bacterial cells, and the like. Animal cells include muscle cells, visceral cells such as liver, blood cells such as lymphocytes, monocytes and granulocytes, nerve cells, immune cells, iPS cells (induced pluripotent stem cells), and the like.
これらの細胞は、組織由来の初代細胞であってよく、あるいは継代培養細胞であってもよい。なお、ｉＰＳ細胞は、人間の皮膚等の体細胞に、数種類の遺伝子を導入し培養することによって、ＥＳ細胞（embryonic stem cell：胚性幹細胞）のように様々な組織および臓器の細胞に分化できる分化万能性（pluripotency）と、分裂増殖を経てもそれを維持できる自己複製能、即ちほぼ無限に増殖する能力と、を持たせた細胞である。 These cells may be tissue-derived primary cells or subcultured cells. By introducing several types of genes into somatic cells such as human skin and culturing them, iPS cells can differentiate into cells of various tissues and organs like ES cells (embryonic stem cells). Cells are endowed with pluripotency and self-renewal ability that can be maintained even after division and proliferation, that is, the ability to proliferate almost infinitely.
温度測定装置１は、増殖能力の高いｉＰＳ細胞の温度管理および増殖数の管理に好適に用いることができる。即ち、増殖能力の高いｉＰＳ細胞の増殖数を、高精度の温度管理によって精密に管理することができる。さらに、細胞は、大腸菌細胞などの原核細胞であってもよく、動物細胞、植物細胞などの真核細胞であってもよい。細胞は、例えば、正常細胞、または腫瘍細胞などの異常細胞であってもよく、遺伝子導入された細胞などの人工的に作製された細胞であってもよい。また、細胞は、生体組織の一部として培養される細胞であってもよい。細胞培養は、接着培養であってもよく、浮遊培養であってもよい。
The
温度測定装置１は、温度測定対象抵抗Ｒ１以外の各種のセンサ素子を含むセンサ部を備えてもよい。センサ素子は、ｐＨセンサ素子、電気抵抗センサ素子および撮像センサ素子のうちの少なくとも１種を含んでもよい。さらにセンサ部は、圧力センサ素子、磁気センサ素子、湿度センサ素子、色度センサ素子、照度センサ素子等を含んでいてもよい。
The
例えば、センサ素子は、容器内の液体等の被計測物の、ｐＨの値等を測定してもよい。被計測物は、特に限定されないが、細胞培養用の培養媒質であってよく、培養媒質は、培養液等の液体、ゲル、ゼリー状物、寒天等の半固体状物、固体状物であってよい。液体は、例えば、緩衝液、培養液であってよく、市販されている細胞培養培地を使用することができ、使用する細胞に応じて選択される。 For example, the sensor element may measure a pH value or the like of an object to be measured such as a liquid in a container. The object to be measured is not particularly limited, but it may be a culture medium for cell culture. you can The liquid may be, for example, a buffer solution, a culture medium, or a commercially available cell culture medium can be used, which is selected according to the cells used.
培養媒質は、微生物および細胞等の生物組織の培養において、培養対象に生育環境を提供するものであり、ブドウ糖等の炭素源、ペプトン，硫酸アンモニウム等の窒素源、アミノ酸、ビタミン、リン酸塩等の無機塩類などの栄養素の供給源となるものである。また、細胞の増殖に必要な足場（増殖の基礎部）を与えるものでもある。具体的には、培養媒質としては、細胞の培養に必要な上記の栄養成分を含む液体から成る液体媒質、またはその液体に寒天、ゼラチンなどを加えて固形化した固形媒質がある。また培養液は、例えば、哺乳類細胞を培養する場合にはダルベッコ改変イーグル培地であってもよい。培養液は、細胞を培養するために必要な成分をさらに含んでいてもよく、例えば、ウシ血清アルブミン、成長因子、アミノ酸、抗生物質などを含んでいてもよい。 The culture medium provides a growth environment for the culture target in the culture of biological tissues such as microorganisms and cells, and includes carbon sources such as glucose, nitrogen sources such as peptone and ammonium sulfate, amino acids, vitamins, phosphates, and the like. It is a source of nutrients such as inorganic salts. It also provides a scaffold (foundation for proliferation) necessary for cell proliferation. Specifically, the culture medium includes a liquid medium consisting of a liquid containing the above nutrients necessary for cell culture, or a solid medium obtained by adding agar, gelatin, or the like to the liquid and solidifying it. The culture medium may also be, for example, Dulbecco's Modified Eagle's Medium when culturing mammalian cells. The culture medium may further contain components necessary for culturing cells, and may contain, for example, bovine serum albumin, growth factors, amino acids, antibiotics, and the like.
外部制御装置は、複数の温度測定装置１に対して同時的に非接触給電および／または非接触通信を行う構成であってもよい。この場合、温度測定装置１の駆動制御、計測データの取得等に要する時間が大幅に短縮化され、効率的な運用が可能となる。複数の温度測定装置１に対して同時的に非接触給電および／または非接触通信を行う場合、非接触給電と非接触通信とを同時に行ってよい。この場合、例えば、振幅および周波数が一定の交流信号である非接触給電信号に駆動制御信号等の非接触通信信号を重畳させて合成信号を生成して第１アンテナから発信し、第２アンテナで受信した合成信号を駆動制御部によって分波して非接触給電信号と非接触通信信号とに分離し、それぞれ利用することができる。
The external control device may be configured to perform non-contact power feeding and/or non-contact communication to multiple
また、ほぼ同時とみなせるような極めて短い時間、例えば１０μsec（マイクロ秒）～１０００μsec程度の時間内に、非接触給電と非接触通信とを時分割で行ってもよい。非接触給電および非接触通信は、外部制御装置の第２アンテナから発信した電波（電磁波）が第１アンテナに電磁誘導による誘導電流を発生させることによって行われる。また、上記と逆方向の非接触通信は、温度測定装置１の第１アンテナから発信した電波（電磁波）が外部制御装置の第２アンテナに電磁誘導による誘導電流を発生させることによって行われる。
In addition, contactless power supply and contactless communication may be performed in a time-division manner within an extremely short time that can be regarded as almost simultaneous, for example, a time of about 10 μsec (microseconds) to 1000 μsec. Non-contact power supply and non-contact communication are performed by causing radio waves (electromagnetic waves) emitted from the second antenna of the external control device to generate an induced current by electromagnetic induction in the first antenna. Non-contact communication in the opposite direction to the above is performed by causing the radio waves (electromagnetic waves) emitted from the first antenna of the
以上、本開示の実施形態について詳細に説明したが、本開示は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において、種々の変更、改良等が可能である。上記各実施形態をそれぞれ構成する全部または一部を、適宜、矛盾しない範囲で組み合わせ可能であることは、言うまでもない。 Although the embodiments of the present disclosure have been described in detail above, the present disclosure is not limited to the above-described embodiments, and various modifications, improvements, etc. are possible without departing from the gist of the present disclosure. be. It goes without saying that all or part of each of the above-described embodiments can be appropriately combined within a non-contradictory range.
１ 温度測定装置
２ａ 増幅部
２ｓ 温度測定部
３ 比較増幅器
４ 接地線
５ 出力線
６ 負帰還線
７ 第１差動増幅器
８ 第２差動増幅器
９ 負帰還線
１０ 負帰還線
１１ 接続線
１２ 接続線
１３ 接続線
１４ 比較増幅器
Ｄ１ 第１ダイオード
Ｄ２ 第２ダイオード
Ｒ１、Ｒ１ 温度測定対象抵抗、もう一つの抵抗
Ｒ２ 抵抗
Ｒ３ 第１正入力側抵抗
Ｒ４ 第２正入力側抵抗
Ｒ５ 第１負入力側抵抗
Ｒ６ 第２負入力側抵抗
1
Claims (5)
前記温度測定対象抵抗（Ｒ１）の入力端に正入力端子が第１正入力側抵抗（Ｒ３）を介して接続され、前記温度測定対象抵抗（Ｒ１）の出力端に負入力端子が第１負入力側抵抗（Ｒ５）を介して接続された比較増幅器と、
前記第１正入力側抵抗（Ｒ３）の出力端と接地端との間に挿入された第２正入力側抵抗（Ｒ４）と、
前記第１負入力側抵抗（Ｒ５）の出力端と前記比較増幅器の出力端との間に挿入された第２負入力側抵抗（Ｒ６）と、を備え、
前記第２正入力側抵抗（Ｒ４）の抵抗値は前記第２負入力側抵抗（Ｒ６）の抵抗値よりも低い値に設定されている、温度測定装置。 including a resistor (R1) to be temperature-measured and a pair of diodes serving as temperature-detecting elements; a temperature measurement unit that outputs as a potential difference between output terminals;
A positive input terminal is connected to the input end of the temperature measurement target resistor (R1) via a first positive input side resistor (R3), and a negative input terminal is connected to the output end of the temperature measurement target resistor (R1). a comparison amplifier connected via an input resistor (R5);
a second positive input resistor (R4) inserted between the output end of the first positive input resistor (R3) and the ground;
a second negative input resistor (R6) inserted between the output end of the first negative input resistor (R5) and the output end of the comparison amplifier;
The temperature measuring device, wherein the resistance value of the second positive input side resistor (R4) is set to a value lower than the resistance value of the second negative input side resistor (R6).
前記第１負入力側抵抗（Ｒ５）の入力端および前記温度測定対象抵抗（Ｒ１）の出力端の間に位置する第２差動増幅器と、をさらに含み、
前記第１差動増幅器の出力端子は、前記第１正入力側抵抗（Ｒ３）の入力端に接続され、前記第１差動増幅器の正入力端子は、前記温度測定対象抵抗（Ｒ１）の入力端に接続され、前記第１差動増幅器の負入力端子は、前記第１差動増幅器の出力端子に接続され、
前記第２差動増幅器の出力端子は、前記第２負入力側抵抗（Ｒ５）の入力端に接続され、前記第２差動増幅器の正入力端子は、前記温度測定対象抵抗（Ｒ１）の出力端に接続され、前記第２差動増幅器の負入力端子は、前記第２差動増幅器の出力端に接続されている、請求項１に記載の温度測定装置。 a first differential amplifier positioned between the input end of the first positive input resistor (R3) and the input end of the temperature measurement target resistor (R1);
a second differential amplifier positioned between the input end of the first negative input resistor (R5) and the output end of the temperature measurement target resistor (R1);
The output terminal of the first differential amplifier is connected to the input terminal of the first positive input side resistor (R3), and the positive input terminal of the first differential amplifier is the input of the temperature measurement object resistor (R1). the negative input terminal of said first differential amplifier being connected to the output terminal of said first differential amplifier;
The output terminal of the second differential amplifier is connected to the input terminal of the second negative input side resistor (R5), and the positive input terminal of the second differential amplifier is the output of the temperature measurement target resistor (R1). 2. The temperature measurement device of claim 1, wherein the negative input terminal of said second differential amplifier is connected to the output of said second differential amplifier.
前記第２正入力側抵抗（Ｒ４）の抵抗値および前記第２負入力側抵抗（Ｒ６）の抵抗値は、前記温度測定開始温度における前記定常電圧成分を低下させる値に設定されている、請求項３に記載の温度測定装置。 The output voltage of the comparison amplifier includes a steady-state voltage component that does not change with temperature changes and a temperature characteristic voltage component that changes with temperature changes,
The resistance value of the second positive input side resistor (R4) and the resistance value of the second negative input side resistor (R6) are set to a value that reduces the steady-state voltage component at the temperature measurement start temperature. Item 4. The temperature measurement device according to item 3.
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