CN102197293A

CN102197293A - 利用加热激振的热传导式气压传感器

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Publication number: CN102197293A
Application number: CN2009801416736A
Authority: CN
Inventors: 木村光照
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-08-22
Filing date: 2009-08-21
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2029-08-21
Also published as: CN102197293B; US20120118060A1; JP2010048726A; US8453501B2; KR101537139B1; EP2330396A1; KR20110067100A; JP5745205B2; WO2010021380A1

Abstract

提供一种用于测量高带宽气压的高灵敏高精度的(利用加热激振的)热传导式气压传感器。该传感器拥有简单的结构和电路构成，且利用一个芯片能测量从一个极低气压到1atm或更高的气压。在悬臂状薄膜10上形成薄膜温度感应器、加热装置及激振装置。激振装置利用加热装置间歇加热时基于构成所述薄膜的主2层的热膨胀差异而形成的翘曲和弯曲，作为2个主层使用热膨胀系数有很大差异的硅层和硅热氧化膜。而且，还可以具有通过塞贝克电流对所定时间的积分而变得高灵敏化的电路或抑制气流影响的帽。

Description

利用加热激振的热传导式气压传感器

技术领域

本发明涉及的是一种能使从基板热分离的可加热的薄膜振动的热传导式气压传感器，提供一种用一个芯片能测量从极低气压到高气压的广带宽气压，尤其在1atm或更高的气压中，通过振动产生根据强制对流的气流，能以高灵敏度测量包括真空度的气压的利用加热激振的热传导式气压传感器。

背景技术

把具有温度感应器和加热器，用温度感应器检测通过加热器加热的薄膜或铁丝等物体向周围的如气体等媒体传导热而产生的温度变化，从而获得周围媒体的气压、湿度及流速等物理信息的热型传感器一般叫作热传导式传感器。如上所述的，从通过热传导而产生的该物体的温度变化测量真空度等周围气体气压的热传导式气压传感器，在一般情况中，加热的物体与散热器的距离及气体的平均自由程的关系中，如果气压从真空升到1atm时，对应于气压变化几乎没有通过热传导的热散发的变化，因此，存在几乎没有灵敏度的问题。

本发明人之前发明了一种热传导式气压传感器。该热传导式气压传感器中，作为属于热传导式气压传感器的振动薄膜皮拉尼真空传感器薄膜的激振装置，利用静电引力，振动并产生气流，促进从加热的薄膜中的热散发，从而在1atm及其以上的气压中也能以高灵敏度测量包括真空度的气压(专利文献1)。而且本发明人的发明还有，作为薄膜状态中的温度感应器使用二极管的发明(专利文献2)、能检测热电偶短路塞贝克电流的电流检测型热电偶(专利文献3)、作为薄膜状加热器，使用二极管为加热器的发明(专利文献4)以及使用热电偶作为加热器的发明(专利文献5)等。还发明了把它们形成为悬臂状薄膜，以测量流速或真空度的热传导式传感器(日本专利申请2007-103611号)，还有利用塞贝克电流对所定时间的积分，能以高灵敏度高精度检测温度差的温度感应器(日本专利申请2009-188088号)。本发明能使它们进行组合，同时还提供具有简单的感应部构造与驱动电路构成且能测量广带宽气压的高灵敏高精度热传导式气压传感器。

(专利文献1)日本公开专利公报2007-51963号

(专利文献2)PCT/JP01/00080，10/169083(美国)

(专利文献3)PCT/JP2006/322842

(专利文献4)日本公开专利公报2006-250736号

(专利文献5)日本公开专利公报2009-79965号

发明内容

技术性课题

之前的测量1atm左右气压的热传导式气压传感器，作为振动薄膜的激振装置利用静电引力。因此，需要接近薄膜的位置形成激振用电极，实际上因结构复杂所以制造上有不少困难。

之前的使薄膜振动的激振装置，利用共振，且以小电力获得较大的振幅，从而能产生较大的气流。但是，激振时机要一致，而且需要如相位调整的复杂电路。因此，需要有比较简单的结构的，不一定要利用共振的，而且具有简单的电路构成的激振装置。

本发明的课题是提供一种可以不利用共振，使用简单结构的膜片且利用加热激振，而且能测量从高真空领域到1atm以上领域的气压的热传导式气压传感器。

技术性解决方案

本发明是为了解决所述的问题而形成的。关于本发明技术方案1的热传导式气压传感器是，一种从基板热分离的薄膜上，具有至少一个薄膜状温度感应器与使所述薄膜升温的加热装置以及振动所述薄膜的激振装置的热传导式气压传感器，其特征在于，所述薄膜由至少2层以上膨胀系数相异的薄膜构成；所述激振装置利用所述加热装置间歇加热时基于构成所述薄膜的主2层的热膨胀差异而形成的翘曲和弯曲；并且通过基于所述翘曲和弯曲的强制对流，促进从加热装置到周围气体的热传导，以增大所述薄膜温度感应器的温度变化，且根据该增大的温度变化加强被测定气压的测量灵敏度。

例如，双金属，由悬臂形状的热膨胀系数有很大差异的至少2层构成的从基板热分离的薄膜中，通过该薄膜上形成的薄膜加热器的焦耳加热等方式加热薄膜时，薄膜上热膨胀系数较大的层能更伸长，因此薄膜将翘曲和弯曲。如果一直加热，因温度的上升将饱和，翘曲和弯曲会进入稳定状态。但如果停止加热，则薄膜被冷却且回到原来的温度，因此翘曲和弯曲回到加热前的状态。如上所述，加热冷却时会反复翘曲和弯曲，因此薄膜是振动的。如上所述的根据周围气体的振动而产生气流时，有必要利用薄膜的热膨胀系数的差异进行反复的间歇加热和冷却。该薄膜是从由作为激振装置的如悬臂等至少2层所组成的从基板热分离的(浮在空中)薄膜。

间歇加热冷却的周期的可取值约为加热薄膜的热时间常数。该周期与薄膜的共振频率周期不必一定一致。

关于本发明技术方案2的热传导式气压传感器，其中，所述薄膜为悬臂形状。

从基板热分离的薄膜为悬臂形状时，悬臂的前端完全地从基板热分离，且与被测量气压即周围的气体接触，例如，悬臂形状上靠近基板形成的加热器的热在悬臂形状的先端传导到周围接触的气体，不得不产生热散发(辐射热的热传达在500K以下温度里很小，可以忽略)。因此，在极高真空中(实际上小于等于10^-4Pa)，在悬臂形状的先端形成的2个温度感应器的点中，具有温度差为0的特征。如上所述，在通过测量温度差，以高精度测量气压变化的时，可以适用以0为基准进行测量的零位法。因此，薄膜为悬臂形状，加热用加热器设置在与悬臂的与基板支持部近的位置上，向其悬臂的先端，随着其长的方向配置形成2个温度感应器(在温度差感应器中可以是1个)，而且根据该温度感应器测量2点之间的温度差的时，因为我们知道在高真空(极小的气压)中它们2点的温度差为0，所以可以利用零位法，即使在高真空中也能高精度地测量气压。

一方面，在可以得到通过所述薄膜的振动而产生的强制对流效果的高气压领域中(大于等于0.1atm的领域)，主要在刚刚停止加热薄膜加热器之后的状态中，通过形成于悬臂形状的先端的2个温度感应器温度差测量被测量气压。

关于本发明技术方案3所述的热传导式气压传感器，其特征在于，作为所述温度感应器，使用热电偶。

这里，热电偶本质上是只检测温度差的温度感应器，可以用于测量所述悬臂形状中的2点间的温度差。尤其，使用电流检测型热电偶，可以用简单结构进行高灵敏度的温度差测量。

关于本发明技术方案4所述的热传导式气压传感器中，作为薄膜，包括硅与硅氧化膜2个主层，并利用硅与硅氧化膜的热膨胀系数的差异。

作为悬臂形状的膨胀系数差异很大的2层材料，使用如SOI层的硅层(Si层)与SOI层下部的硅氧化膜(BOX层)。在一般情况中，SOI层的硅氧化膜(BOX层)为石英薄膜，其热膨胀系数特别小。因此，如果把附着BOX层状态的SOI层作为悬臂，形成SOI基板时的高温中的SOI层(Si层)固定为伸长的状态，所以如果SOI层作为悬臂变得有物理性的自由，则在常温中是收缩状态，且悬臂向SOI层向后倾的状态。因此，在与SOI层下面的BOX层相反的表面也生长硅氧化膜，以取伸长的平衡，作为不弯曲的悬臂。在本发明中，即使在SOI层的与BOX层相反的表面也生长硅氧化膜，可以生长成比BOX层薄的膜，以保留翘曲和弯曲，以使通过热膨胀的双金属效果增大，且用加热装置加热薄膜时，使翘曲和弯曲变大。

关于本发明技术方案5所述的热传导式气压传感器，其中，作为加热装置，使用薄膜加热器。

作为薄膜加热器，可以使用金属薄膜或扩散阻抗，属于温度差感应器的热电偶也具有电阻，因此也可以使用为加热器。另外，还可以使用通过如具有pn接合等接合的二极管的正向电流的加热。而且，也可以使用晶体管的集电极电阻作为薄膜加热器。

关于本发明技术方案6所述的热传导式气压传感器，其中，所述薄膜加热器形成于从基板热分离的薄膜上比温度感应器更接近于基板支持部的位置。

薄膜加热器的尺寸相同时，薄膜加热器形成于从基板热分离的薄膜的基板支持部附近，以使从基板热分离的根据2层热膨胀系数的薄膜的翘曲和弯曲变大，当从基板热分离的薄膜为悬臂状时，其翘曲和弯曲的变化更加显著。因此，基于翘曲和弯曲的强制对流增大，从而可以高灵敏度测量周围的气压变化。而且，根据实验，基于翘曲和弯曲的强制对流的效果在0.1atm(0.1×10⁵Pa)以上的气压中更加明显。

关于本发明技术方案7所述的热传导式气压传感器，其中，作为薄膜加热器使用电阻温度系数小于等于1000ppm/K的导体。

接入一定的电流，确保所定温度的增值时，使用电阻温度系数小的金属薄膜则更加便利。其理由是，如果电阻温度系数小，则可以忽略因温度上升的电阻变化，且从基板热分离的薄膜的热导电率一定时，温度的增值与供给的电力成正比，因此，对于一定的电力供给，可以给加热器接入一定的电压或者电流。如上所述，我们理论性的知道，如果用同样耗电量的加热器，以周围的温度为基准，从基板热分离的薄膜温度的增值是相同的。即，即使改变周围的温度，从周围温度获得一定的温度增值。在作为薄膜加热器的焦耳加热器中，即使反复加热，要求使其成为同样的耗电量的情况比较多。如果薄膜加热器的电阻温度系数(TCR)极小，且可以忽略因加热的加热器电阻的变化，则可以通过一定电压的接入或一定电流的通电，供给一定的电力，因此可以得到所定的加热器的温度上升。但是，其电阻温度系数(TCR)比较大的加热器中，随着温度上升电阻值会改变，且如果周围温度不同，则其电阻值也会不同，所以很难供给一定的电力。据此，作为薄膜加热器，应该使用电阻温度系数(TCR)小于等于1000ppm/K的导体，如果可以，因为电阻温度系数(TCR)在使用温度中小得可以忽略，所以最好忽略其电阻的变化。例如，NiCr薄膜的电阻温度系数(TCR)约为几十ppm/K，是可取的材料。

关于本发明技术方案8所述的热传导式气压传感器，其中，作为所述薄膜加热器，也可以使用热电偶为加热器。

热电偶是利用接合2个不同的导体，以基于温度差的电动势检测温度差的温度差感应器。因为导体具有电阻，所以可以使其使用为加热器。尤其在根据基于温度差的电动势检测短路电流的电流检测型热电偶中，作为一端导体，使用热电动势较大的半导体的情况比较多。两个不同导体的接合为欧姆接合，可以用组成热电偶的半导体中的电阻发热，如果作为从基板热分离的薄膜使用SOI层时，可以使用该SOI层作为主薄膜加热器。尤其如果是使用SOI层的悬臂结构时，该先端部是从基板热分离的状态，因此容易获得较高的温度上升。

关于本发明技术方案9所述的热传导式气压传感器，其中，通过介入热阻抗部，把从所述基板热分离的薄膜分割为至少两个薄膜A与薄膜B，在薄膜A与薄膜B上各形成薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB，而且从薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB的温度差中得知被测量的气压。

使从基板热分离的薄膜成为悬臂结构，在其支持部即靠近基板的位置，或包括从基板到悬臂的领域中构成薄膜加热器，而且，比薄膜更靠近悬臂的先端侧形成2个薄膜A与薄膜B，并介入热阻抗部使其成为被分割的结构。在被分割的2个薄膜A与薄膜B中，各形成薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB，通过该结构测量他们的温度差，其对扩大从极低气压到1atm以上的高气压的测量范围有重要的作用。

关于本发明技术方案10所述的热传导式气压传感器，其中，所述薄膜温度感应器THA与所述薄膜温度感应器THB两者都是热电偶。

本发明的着眼点是，如悬臂结构的从基板热分离的薄膜(浮在空中)的热在先端侧通过向其长的方向介入热阻抗而形成两个领域的温度差，测量该温度差并根据该温度差的输出测量周围气体的气压，而在高气压，尤其在大于等于0.1atm的高气压中，促进通过强制振动的强制对流热传达，从而增大温度差。为了测量出该温度差，只对本质的温度差才有输出的温度差感应器为最佳选择。作为温度差感应器可取以简单结构能薄膜化的热电偶，薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB最好两个都使用热电偶。而且，使从基板热分离的薄膜为悬臂结构，作为一端导体使用SOI基板的SOI层(半导体层)，且为了使根据热膨胀系数差异的翘曲和弯曲成为激振装置，使用与热膨胀系数极小的BOX层(SiO₂层)的2层结构层。这些使其成为简单结构，所以是可取的。而且，作为另一端导体，可以使用介入绝缘层的金属薄膜，如果可以，优选产生与SOI层(半导体层)相反的热电动势的金属薄膜。

关于本发明技术方案11所述的热传导式气压传感器，其中，在通过所述薄膜的振动无法得到强制对流效果的低气压领域中，主要从所述薄膜加热器的加热状态中的，薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB的温度差中得知被测量气压；在通过所述薄膜的振动能得到强制对流效果的高气压领域中，主要从刚刚停止所述薄膜加热器的加热之后状态中的，薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB的温度差中得知被测量气压。

所谓无法得到根据所述薄膜振动的强制对流效果的低气压领域是指几乎低于0.1atm左右的真空状态。在极高真空(极低气压)中，尤其从基板热分离的薄膜为悬臂结构时，该薄膜中，即使加热该薄膜，在比薄膜加热器靠近先端侧而形成的2个薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB的温度差本质上为0，因此可以使用零位法高精度地测量极低气压。但是，在能得到根据所述薄膜振动的强制对流效果的高气压领域即0.1atm左右以上的气压中，本发明中通过激振装置产生被测量的周围气体的强制对流，促进冷却。因此，开始加热后，可以在悬臂结构体开始震动(几乎一次振动)时测量，该悬臂结构体利用基于热膨胀系数相异的2个层的振动。但是根据实验，利用停止加热后冷却过程中的振动(几乎一次振动)，测量通过把热阻抗部夹在中间而形成的薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB的强制对流的温度差时，其信号噪音比(S/N)较大，且根据气压变化的温度差信号变化也增大，因此可以进行高灵敏度高精度的测量。利用该停止加热并冷却的过程中的振动时，悬臂上靠近基板形成的薄膜温度感应器THA部(比薄膜加热器形成于先端侧)的温度冷却得较快，中间夹有热阻抗部而形成的薄膜温度感应器THB的温度冷却得较慢，因此，遇到温度差的顶峰后，随着冷却的进行，薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB的温度差也接近0，且输出信号也接近0。在这种意义上可以使用零位法，能进行高灵敏高精度的测量。

关于本发明技术方案12所述的热传导式气压传感器，其中，在所述的基板上集成至少一部分热传导式气压传感器运作所需要的电路。

热传导式气压传感器在从基板热分离的薄膜上具有至少一个薄膜状温度感应器与使所述薄膜升温的加热装置以及振动所述薄膜的激振装置，且为了运作这些装置并进行输出，需要各种电路。就是要集成这些电路的全部或者一部分。例如，作为基板使用如硅(Si)等半导体时，放大温度感应器的输出信号的放大器、薄膜加热器等加热装置的驱动电路、激振装置的计时电路、运算电路以及显示电路等电路可以集成在同一个基板上。这样，可以提供一种小型的、轻的及密集的热传导式气压传感器。

关于本发明技术方案13所述的热传导式气压传感器，其中，用帽至少覆盖在所述基板上形成的温度感应器与加热装置，从而虽然没有封闭，但能妨碍周围气体的流动，因此气流无法直接接触到所述温度感应器与加热装置。

热传导式气压传感器对气流敏感，例如作为真空感应器使用，用空气泵开始真空排气时产生气流。这时，如果构成热传导式气压传感器的温度感应器及作为加热装置的加热器与气流直接接触，很难进行真正的气压测量。据此，有必要不让气流直接接触到温度感应器及加热器，盖上网眼或带孔的帽，以使作为热传导式气压传感器气压感应部的温度感应器及加热器不直接露出在气流中。网眼或带孔的帽可以覆盖整个基板。

关于本发明技术方案14所述的热传导式气压传感器，其中，把所述温度感应器的输出设为输出电流，且通过该输出电流对所定时间的积分，转换为输出电压，并利用该输出电压得知被测量气压。

如果电流检测型热电偶作为温度感应器测量短路塞贝克电流时，或就算检测电动势，对其进行电流转换并作为输出信号时，用该输出电流I给电容器C充电，则输出电流I与充电时间Δt的乘积等于存储于电容器C的电荷量Q。这时，电容器C两端的电压V(输出电压)为，V＝Q/C＝IΔt/C，而且通过选择适当的电容器C的值，在S/N比大的状态中，容易得到较大的输出电压V。例如，停止热传导式气压传感器的加热器，悬臂状薄膜开始振动之后的所定时间如20毫秒内，利用运算放大器在电容器C中存储基于所述薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB的温度差的塞贝克电流信号，转换为较大的输出电压V，更加增大对气压的灵敏度。

关于本发明技术方案15所述的热传导式气压传感器，其中，内置控制所述加热装置温度的温度控制电路、驱动激振装置的驱动电路、放大从温度感应器得到的信号的放大电路以及利用该放大电路的输出转换为气压的运算电路等热传导式气压传感器运作所需要的各种电路。它们不一定要装载在基板上，也可以以作为装置安装的形式运行热传导式气压传感器。

发明的效果

在本发明的热传导式气压传感器中，使从基板热分离的薄膜的结构成为如双金属一样的热膨胀系数相异的至少两层重叠的结构，加热装置的间歇加热产生压电双晶片振动并成为激振装置。可以提供一种具有非常简单结构的，适合进行大量生产的，廉价而高灵敏度的热传导式气压传感器。

如果包括真空的气压有变化时，共振频率也会变化。因此，如果想利用共振，则需要自激震荡电路或相位的检测和调整。在本发明的热传导式气压传感器中，虽然可以利用共振，但不需要一定利用它，可以只进行考虑到薄膜加热器热时间常数的反复加热和冷却，因此可以只用简单的电路结构。

在本发明的热传导式气压传感器中，一般从硅(Si)基板热分离的根据MEMS技术的薄膜，因为使用的是SOI基板，因此可以利用SOI基板的SOI层与BOX层(SiO₂层)2层，而不需要形成新的特殊结构或材料。据此，以硅(Si)与硅氧化膜(SiO₂)作为主二层构成从基板热分离的薄膜，从而可以实现热膨胀系数非常大的Si与热膨胀系数非常小的SiO₂的2层组合，可以提供一种廉价而高灵敏的热传导式气压传感器。

在本发明的热传导式气压传感器中，使从基板热分离的薄膜成为悬臂形状，通过加热装置与激振装置的组合，得到薄膜的较大的振动，据此，强制对流也增大，从而对气压的灵敏度也会增大。

在本发明的热传导式气压传感器中，作为加热装置使用形成于从基板热分离的薄膜上的薄膜加热器，而且可以形成于基板支持部附近，因此可以得到较大的薄膜振动。

在本发明的热传导式气压传感器中，测量从基板热分离的薄膜的某些领域与基板之间的温度差或薄膜中介入热阻抗部并分割而形成的两个领域之间的温度差，因此作为温度感应器可以使用简便的热电偶。因此，可以适用温度差的零位法，可以进行高精度的气压测量。

在本发明的热传导式气压传感器中，作为加热器，使用电阻温度系数较小的材料，从而可以忽略根据薄膜加热器温度的电阻值的变化。因此，通过一定的电流或一定的电压的驱动，容易实现所定温度相对于周围温度的增值。在一般的情况中，被加热的物体停止加热，则回到周围气的温度，因此，重要的是，要能指定相对于周围温度的所定温度的增值。如上所述，以简单的结构容易地实现一定的所定温度的增值，因此可以提供一种能忽略周围温度依赖性的热传导式气压传感器。

在本发明的热传导式气压传感器中，使从基板热分离的薄膜成为悬臂形状，在无法得到根据薄膜振动的强制对流效果的低气压领域中(大约小于等于0.1atm)，从所述薄膜加热器加热的状态中的，介入热阻抗部而形成的薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB的温度差得知被测量气压。在真空中，它们的温度差为0，因此可以适用零位法。

而且，在可以得到通过所述薄膜的振动产生的强制对流效果的高气压领域中(大约大于等于0.1atm)，主要从刚刚停止薄膜加热器的加热之后的状态中的，通过振动产生强制对流时的薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB的温度差得知被测量气压。因此可以测量1atm以上的高气压，使用热传导式气压传感器的一个传感器芯片，提供从极高真空(低气压)到高气压的广带宽的热传导式气压传感器。

在本发明的热传导式气压传感器中，为了覆盖所述基板上形成的温度感应器与加热装置而形成的帽，不封闭且妨碍周围气体的流动。因此，也可以忽略真空排气中的气流的影响。

在本发明的热传导式气压传感器中，使温度感应器的输出成为输出电流，利用电容器，对所定时间积分输出电流，并转换为输出电压，且通过输出电压得知被测量气压。而且，为了使其回到初始状态，电容器定期放电，因此，可以提供一种简便的高灵敏高精度的热传导式气压传感器。

附图说明

图1所示的是在本发明的热传导式气压传感器中，显示热传导式传感器芯片100的一个实施例的平面略图。该热传导式传感器芯片100使用具有SOI层11的基板1而制造，且具有薄膜加热器25，其中该薄膜加热器为热电偶加热器(实施例1)。

图2所示的是图1所示的本发明热传导式气压传感器的X-X断面中的横断面略图(实施例1)。

图3所示的是本发明热传导式气压传感器的热传导式传感器芯片100的另一个实施例的平面略图(实施例2)。

图4所示的是在本发明的热传导式气压传感器中，热传导式传感器芯片100的另一个实施例的平面略图(实施例3)。

图5所示的是在本发明的热传导式气压传感器中，能以高灵敏度测量被测气压的电路的一个实施例的电路略图(实施例4)。

图6所示的是把图5中的运算放大器320使用为非反转放大器的，其输入端附近为中心而显示的，一个实施例的电路略图(实施例4)。

图7所示的是在本发明的热传导式气压传感器中，还包括散热器150的基板1上形成帽60的一个实施例的横断面略图(实施例5)。

图8所示的是在本发明的热传导式气压传感器中，该系统结构的一个实施例的框图(实施例6)。

图9所示的是在本发明的热传导式气压传感器中，加热100毫秒，冷却100毫秒时的输出电压的波形。

图10所示的是在本发明的热传导式气压传感器的图9中，在P1时间点的压力与输出电压之间的关系。

图11所示的是在本发明的热传导式气压传感器中，有加热激振时和没有时的压力与输出电压的关系。其是从实施例2的图3中的作为温度感应器的热电偶24a与热电偶24b的差异中得出的，是在图9中的P2时间点测量的。

符号的说明

1：基板

10，10A，10B：薄膜

11：SOI层

12：下底层

15：悬臂

20：温度感应器

21：n型扩散领域(SOI层)

24，24a，24b：热电偶

25：薄膜加热器

29，29a，29’a，29b，29’b：欧姆性触点

40，41：空穴

42，42a，42b：狭缝

43：孔

45，45a，45b：热阻抗部

48：基板支持部

50：硅氧化膜

51：BOX层(硅氧化膜)

60：帽

70，70a，70b：电极垫

71，71a，71b：电极垫

80：电极垫台

100：热传导式传感器芯片

110：配线

120，120a，120b：热电偶第一导体

121，121a，121b：热电偶第二导体

150：散热器

160：接合物质

200：热传导式传感器的感应部

301：短路电流测量装置

302：积分装置

303：设定时间装置

305：电压输出装置

307：电阻

311：热电偶(或热电堆)

320：运算放大器(OP放大器)

321：反转输入端子

322：非反转输入端子

325：电容器C

330：时钟脉冲

340：开关

350：峰值保持电路

360：通过塞贝克电流积分的温度差检测装置部

具体实施方式

本发明的热传导式气压传感器使用SOI基板，并通过把属于SOI层的Si层与属于BOX层的SiO₂层作为主2层的MEMS技术形成从基板热分离的薄膜的悬臂形状。作为温度感应器，使用属于温度差感应器的n型Si薄膜层和由金属薄膜组成的薄膜热电偶。准备p型SOI层，在属于SOI层的Si层上添加n型的高浓度杂质或一开始就使用添加n型杂质的SOI层基板，从而，在低阻抗的n型Si薄膜层和其上面，形成比属于BOX层的SiO₂层更薄的SiO₂膜，而且，在其上面形成镍(Ni)等金属薄膜，从而利用作为一端导体的n型Si薄膜层与作为另一端导体的金属薄膜的接触部分形成于悬臂的先端的薄膜热电偶。

尤其薄膜热电偶使用为一双热点偶即可的电流检测型热电偶，则因为是高灵敏度，因此是可取的。当然，也可以使用热电堆代替一双热电偶。对于温度感应器，作为加热装置，在与悬臂支持部近的位置上形成如镍铬合金薄膜的薄膜加热器。

而且，作为加热装置也可以使用薄膜热电偶。在与悬臂支持部近的位置，例如再形成一个薄膜热电偶，使其用于检测在悬臂先端的温度变化检测用热电偶的基准温度(可以测量悬臂支持基板与构成该热电偶的n型Si薄膜层与金属薄膜的接触部分的温度差)，同时也可以用为薄膜加热器。当然，也可以使用如金属薄膜为薄膜加热器。利用这些加热装置，加热薄膜悬臂，加热时间大概为薄膜悬臂的热时间常数。冷却时间可以任意选择，对于加热冷却，周期性地反复加热，其周期大概为薄膜悬臂的热时间常数。从而，利用根据属于SOI层的Si层与属于BOX层的SiO₂层作为主2层的双金属结构的热膨胀而形成的翘曲和弯曲作为激振装置。如上所述，通过振动薄膜悬臂产生周围气体的气流，促进从加热的薄膜悬臂的热的散发，从而在1atm或其以上的气压中也可以进行高灵敏度的气压测量。

实施例1

图1所示的是在本发明的热传导式气压传感器中，热传导式传感器芯片100的一个实施例的平面略图。该热传导式传感器芯片100使用具有SOI层的基板1而制造，且具有作为加热装置的薄膜加热器25。这里，空穴40中作为悬臂15，把从基板10突出的结构的SOI层(例如，厚度为10μm)(Si层)与由位于其下面的SiO₂膜(例如，厚度为1μm)组成的BOX层(硅氧化膜层)作为主2层的悬臂状的薄膜(例如，长度为700μm)，作为从基板热分离的薄膜10，且把该薄膜10分割为薄膜10A与薄膜10B。通过该两层的热膨胀系数的差异使悬臂15压电双晶片振动，形成激振装置。而且，从薄膜10A介入热阻抗部45b，使薄膜10B以悬臂15状突出，同时，从基板1介入另一个热阻抗部45a，使薄膜10A成为以悬臂状突出的结构。热阻抗部45a，45b根据在薄膜10形成的狭缝42a，42b为宽度窄的结构，并减少对于基板1的热传导，从而增大温度变化。在薄膜10A中，即随着缩退扩散高浓度杂质的n型扩散领域(SOI层)薄膜中，形成作为温度感应器20的热电偶24a(薄膜温度感应器THA)，该热电偶24a由热电偶第2导体121a与如镍薄膜等热电偶第1导体120a构成，且可以运作为属于加热装置的薄膜加热器25即热电偶加热器。而且，在薄膜10B上形成的热电偶24b(薄膜温度感应器THB)的组成与热电偶24a相同，并且，作为电流检测型热电偶，形成靠近薄膜10A的欧姆性触点29b，从该处向基板1，根据与热电偶24b的热电偶第一导体120b相同金属材料的配线110，引导至电极垫71a。因此，形成于薄膜10B上的热电偶24b检测欧姆性触点29b为基准的位置与欧姆性触点29’b的温度差，其中，薄膜10B的欧姆性触点29b的温度几乎接近于在薄膜10A形成的薄膜加热器25的温度(在加热器附近，因此一般为温接点)，欧姆性触点29’b为在悬臂15的先端部的薄膜10B上形成的热电偶24b的冷接点(因为比加热器一侧温度降得更低)。如果把薄膜10B上形成的热电偶24b，利用电极垫71a与电极垫71b，作为电流检测型热电偶运作，可以以高灵敏度检测温度差。

本发明的热传导式气压传感器图1所示的结构中，利用在皮拉尼薄膜真空传感器的内容具体如下：用(浮在空中的)薄膜10A上形成的作为加热装置的薄膜加热器25(热电偶加热器)焦耳加热薄膜10A时，薄膜10A的热阻抗部45a的电阻变得最大，因此最大被加热的领域是接近基板的细长的热阻抗部45a(主要从该领域的电阻大的n型扩散领域21)。这时，在高真空如10^-4pa中，进行加热控制使其流通间歇的矩形脉冲电流，以使温度比周围温度Tc高出如100℃左右。这时，薄膜10B是以悬臂状从薄膜10A突出的结构，而且，在100℃左右，因为根据辐射的热辐射特别小，所以在高真空中薄膜10B与薄膜10A的温度几乎相同。即在高真空中，薄膜10B与薄膜10A的温度差为0，薄膜10B的热电偶24b的热电动势为0，因此，使用为电流检测型热电偶，其短路电流也为0。如上所述，作为薄膜10B的热电偶24b，如果使用只检测以薄膜10A为基准的温度差的电流检测型热电偶，可以适用高密度测量的零位法，因此可以在高真空中进行高精度高灵敏度的测量。为了测出薄膜10A的温度，停止薄膜加热器25(热电偶加热器)的加热，把薄膜加热器25作为原来的热电偶运作，测量其之后的温度或经过所定时间后的温度，可以知道刚刚停止加热之前的温度。根据该温度的测量可以适用零位法。

薄膜10的热时间常数，因为是从基板热分离的且热容量较小，可以是如25毫秒左右。这时，使矩形波电流流通时间为比薄膜10A的热时间常熟20毫秒稍微长的30毫秒左右，以使薄膜10A的温度为根据矩形波电流的供给大概100℃左右，而且，以30毫秒左右的时间间隔停止电流供给作为冷却时间。如上所述，如果通过反复的间歇的电流加热，反复薄膜10的加热和冷却，则由悬臂15上的薄膜10A与薄膜10B组成的薄膜10在加热之前，向基板1的表面的上方翘曲和弯曲。通过加热，属于SOI层11的硅(Si)因为热膨胀系数大而伸长，反而属于BOX层的硅氧化膜(SiO₂)因热膨胀系数特别小所以尺寸几乎不变，最终，如利用热膨胀的双金属，悬臂15状的薄膜10弯曲得能回到基板1的表面，因此进行压电双晶片振动。如上所述，作为悬臂15状的薄膜10的激振装置根据2层的热膨胀的差异而进行振动，相比1atm左右的真空，在气压高的领域中，虽然如皮拉尼真空传感器，在1atm左右的高压力中，几乎不具有灵敏度，但是本发明的利用加热激振的热传导式气压传感器中，产生强制对流，促进从发热的悬臂15状的薄膜10的热传达，从而在高于等于1atm中也具有高灵敏度。

图2所示的是图一中本发明热传导式气压传感器的X-X断面中的横断面的略图，悬臂状的薄膜10根据作为热电偶加热器的，形成在该薄膜10上的，薄膜加热器25的加热和冷却而振动。这里，由悬臂15状的薄膜10A和薄膜10B组成的薄膜10根据厚度约为10微米(μm)的p型SOI层11(实际上，在该领域中形成了高浓度的n型扩散领域21)与BOX层(硅氧化层)51的较大的热膨胀系数的差异而翘曲和弯曲并振动。在该p型的SOI层11上形成以高浓度热扩散n型杂质(磷等)而形成的n型扩散领域(SOI层)21，从而形成作为温度感应器20的属于温度差感应器的热电偶24。

而且，在p型SOI层11上形成的n型扩散领域(SOI层)21，在100℃左右的温度中，根据它们的pn接合电分离作为薄膜加热器的薄膜加热器25与薄膜10B上形成的热电偶24b，因此是可选的。当然，即使不是根据pn接合的电分离，也可以是如在硅氧化膜(SiO₂膜)上的绝缘分离。

使用薄膜加热器25反复地进行加热与冷却，使悬臂15状的薄膜10上下振动(压电双晶片振动)，并在周围气体中产生气流。因此，加热的悬臂状薄膜10促进冷却，悬臂状薄膜10B上形成的热电偶24b，因为越向悬臂状的先端部越变冷，温度差变大，从而能以高灵敏度检测出温度差。该冷却的方式，因为周围气体的气压越大，则产生越大的气流，因此在加热的悬臂状的薄膜10容易变冷。据此，之前的薄膜皮拉尼真空传感器在1atm左右或其以上的气压领域中，几乎不具有灵敏度，但本发明的热传导式气压传感器中，根据加热膨胀的激振而产生气流，促进冷却加热的薄膜10，从而在1atm或其以上的气压中不饱和并能测量气压。

上面所述的实施例中，作为从基板热分离的浮在空中结构的薄膜10，使用悬臂15，但没有必要一定用悬臂15，也可以是支持加交空穴40两端的桥的形状或空穴40上形成的膜片结构。

实施例2

图3所示的是，与实施例1中本发明的热传导式传感器的热传导式传感器芯片100在图1中所示的几乎相同的另一种实施例。主要区别为，在从基板热分离的薄膜10中介入热阻抗部45b并分割而形成的薄膜A与薄膜B上，各形成有热电偶24a(薄膜温度感应器THA)与热电偶24b(薄膜温度感应器THB)是相同的，但是，成为它们热基准的热电偶冷接点形成于基板1上；作为它们两个的热电偶的冷接点，作为共有的欧姆性触点29，使用同样的电极垫70；还有，热电偶24a与热电偶24b各自的热电偶第二导体121a，121b作为形成在同样的SOI层的同样的n型扩散领域；在悬臂状薄膜10中与基板1接近的薄膜A上，独立于热电偶24a形成薄膜加热器25；因此，即使在薄膜加热器25的加热过程中，热电偶24a与热电偶24b的区别的输出可以从它们的电极垫70a与电极垫70b中获得，并可以求得到薄膜A与薄膜B的温度差；薄膜加热器25由如镍铬合金薄膜等电阻温度系数特别小的金属薄膜形成，延长至超过悬臂状薄膜10的基板支持部48，且在薄膜10的热阻抗部45a中，根据加热的薄膜10的较大的热膨胀系数的差异使翘曲和弯曲变大。

该实施例的特长之一是，极高真空的极小气压领域中，悬臂状薄膜10比薄膜加热器25更接近于先端部领域上，把膜10分割为2部分，介入热阻抗部45b而形成的薄膜A与薄膜B中，因为抢夺热量的分子非常少，所以是同样的温度，即薄膜A与薄膜B的温度差几乎为0。据此，可以用薄膜加热器25进行加热，并适用高精度测量法的零位法，因此可以测量至1×10^-3Pa左右高真空中的气压。

另一个特长是，用同样的热传导式传感器芯片100结构，在约1atm(约1×10⁵Pa)及其以上的气压中，根据有效的热膨胀系数的差异产生强制对流，并在高压力中使其具有灵敏度。这是，停止薄膜加热器25的加热，对于冷却时的薄膜A与薄膜B的温度差，利用各形成在它们上的热电偶24a与热电偶24b进行测量，从而可以以高灵敏度进行测量。而且靠近基板1的薄膜A的冷却速度较快，相比之下，具有热阻抗部45b的薄膜B则冷却的较慢，且随着时间的经过，薄膜A与薄膜B的温度都会降低至接近与周围的温度而几乎没有温度差，因此冷却时的薄膜A与薄膜B的温度差具有温度差波峰。通过实验确认，该峰值的大小在强制对流下被促进且依赖于气体的压力，因此在0.1×10⁵Pa(1atm)左右或以上的被测量气压中会成为有效的气压传感器。

实施例3

图4所示的是，本发明的热传导式气压传感器，使用如硅半导体等基板1而制造，并具有作为加热装置的薄膜加热器25与温度感应器20的热传导式传感器芯片100的另一个实施例略图，且在同样的基板1中集成了热传导式气压传感器运作时需要的电路中的至少一部分电路。这里，在同样的硅单结晶基板1上形成有具有作为加热装置的薄膜加热器25与温度感应器20的悬臂状热传导式传感器的感应部200以外，还有放大从包括OP放大器的热电偶等温度感应器中得到的被测量气压关联信号的放大器(AMP)、用于供给薄膜加热器的电力的电力用集成电路(Power IC)、累积数据的存储器电路(Memory)以及根据数据换算被测量气压的运算放大电路(Operational IC)等。如上所述，热传导式气压传感器运作时所需要的电路的一部分，装载在同样的硅基板上，能构成非常紧密的热传导式气压传感器系统，从而可以通过无线通信，在相距较远的地方接收信号。因此，可以把多数个该芯片放在要测量的地点上，如果根据无线识别个别热传导式传感器芯片，则可以进行集中管理。当然，可以与排气系等控制系统联动，实现真空度的控制。

实施例4

图5所示的是关于本发明热传导式气压传感器的电路的一实施例略图，该电路把温度感应器的输出设为输出电流，通过该电流对所定时间的积分，能以高灵敏度测量被测气压。这里，利用作为短路电流测量装置301的运算放大器(OP放大器)320的假短路，产生从作为所述图1或图3中所示的温度感应器20的属于温度差感应器的热电偶(或热电堆)311的，基于温度差电势的短路电流Is。而且，在运算放大器(OP放大器)320的反转输入端子与输出端子之间的作为积分装置的电容器C325上，存储所定时间Δt内的与电流成正比的电荷，而且，根据该电荷的电容器C325两端的电压作为输出电压V₀并进行观测。对于所定时间Δt，利用通过形成于外部的时钟脉冲发生器(Clock Pulse Generator)而产生的时钟脉冲330而确定时机，而且，使用在时间设置装置303内形成的开关340，对存储在电容器C325中的电荷进行充电放电等控制。当然，电荷为0的时候(初始状态)中，输出电压V₀为0。打开开关340时，开始充电，在该期间存储电荷，电容器C325两端的电压即输出电压V₀增大。但是在开关340合璧时，通过开关340进行放电，电荷减少至回到初始状态。据此，输出电压V₀可以用短路电流Is与乘时间Δt并除于电容器C325的容量C形式表示。在一般情况中，噪音不同于信号，如果按照平均时间，正的成分与负的成分相互抵消并变为0，因此在电容器C325中，以短路电流Is充电Δt时间，从而增大信号噪音比(S/N)，可以放大稳定并S/N比大的信号。如上所述，实际上的电容器C325两端的电压即输出电压V₀是对应于短路电流Is对所定时间Δt的积分的电荷的输出电压，随着时间t而变化，经过所定时间Δt时最大，之后当开关340合璧时，为了放电电压急变为0。据此，为了稳定地表示输出电压V₀的最大值，在运算放大器(OP放大器)320的后端接入作为电压输出装置305的峰值保持电路350，取出直流的稳定的输出电压V_0p，并作为算出被测量气压的数据。而且，也可以用于基于温度差的塞贝克短路电流Is的测量，其中该温度差是作为图1或图3所示的温度感应器20的热电偶24a(薄膜温度感应器THA)与热电偶24b(薄膜温度感应器THB)的温度差。

图6是，把所述图5中的短路电流测量装置301的运算放大器(OP放大器)320用为非反转放大器时，以所述图5的运算放大器(OP放大器)320的输入端子为中心显示的，并省略了其他电路部分。这里，在假短路的输入端子的反转输入端子321上，接入比热电偶或热电堆311等的内部电阻小的电阻307，并作为增大等价短路电流Is的，等价的塞贝克电流的检测电路。在几乎没有电流且几乎只赋予电压的非反转输入端子322与接地之间，接入作为温度感应器20的热电偶或热电堆311。这时的运作与图5中的相同，因此省略说明。

实施例5

图7是，在本发明的热传导式气压传感器中，显示散热器150，也显示在基板1上形成帽60时的热传导式传感器的基板1附近的一实施例的略图。形成具有孔43的帽60，以覆盖所述基板1上所形成的温度感应器20与作为加热装置的薄膜加热器25，从而缓解真空排气时的气流，且不让气流直接接触到热传导式气压传感器的感应部200。因此为了不让封闭，形成几个孔43，从而在真空排气时妨碍周围气体的流动。

具有孔43的帽60的材料可以是铝板等金属或塑料等材料，散热器150的材料优选热传导率优秀的，可选铜板或铝板。基板1与散热器150的结合物质160的材料也最好选热传导率优秀的金属材料。这里，作为在散热器150上介入绝缘体的电极垫台80并布线的情况，用铁丝形成了配线110。这里，省略其他引线。

在图7所示的实施例是，在基板1上形成帽60的一实施例，但帽60可以形成在如散热器150等并覆盖它们。

实施例6

图8所示的是在本发明的热传导式气压传感器中，该系统结构的一个实施例的框图。这里，其显示的是，内置控制加热装置的温度的温度控制电路(Temperature control circuits)，驱动激振装置的激振驱动电路(Driving circuits for excitation of vibration)，放大温度感应器信号的放大电路(Amplifier)，利用该放大电路的输出转换为气压的运算电路(Operational circuits)等的系统。

对于每个电路，可以使用实施例中所述的技术以及公开的技术可以实现，因此省略具体的说明。

这里，图9所示的是在本发明的热传导式气压传感器中，加热100毫秒，冷却100毫秒时的输出电压的波形。而且，图10所示的是在本发明的热传导式气压传感器的图9中，在P1时间点的压力与输出电压之间的关系。而且，图11所示的是在本发明的热传导式气压传感器中，有加热激振时和没有时的压力与输出电压关系，是从实施例2的图3中的作为温度感应器的热电偶24a与热电偶24b的差异的输出得出的，而且是在图9的P2时间点上检测的。

本发明的热传导式气压传感器不局限于本实施例中，不离本发明的主旨，作用及效果的条件下，也可以有各种变形。

产业上利用可能性

在之前的热传导式气压传感器测量有困难的领域即1atm(约1×10⁵Pa)左右及其以上的气压中，本发明的热传导式气压传感器能以简单的结构及电路构成，实现高灵敏度高精度的测量，且利用一个热传导式传感器芯片能测量至高真空即1×10^-3Pa的极低气压的非常广范围(8位数以上)的气压。据此，除了有真空传感器作用外，还可以期待使用为车辆的轮胎压力传感器等高压力领域的气压传感器。

Claims

1.一种从基板热分离的薄膜上，具有至少一个薄膜状温度感应器与使所述薄膜升温的加热装置以及振动所述薄膜的激振装置的热传导式气压传感器，其特征在于，所述薄膜由至少2层以上膨胀系数相异的薄膜构成；所述激振装置利用所述加热装置间歇加热时基于构成所述薄膜的主2层的热膨胀差异而形成的翘曲和弯曲；并且通过基于所述翘曲和弯曲的强制对流，促进从加热装置到周围气体的热传导，以增大所述薄膜温度感应器的温度变化，且根据该增大的温度变化加强被测定气压的测量灵敏度。

2.根据权利要求1所述的热传导式气压传感器，其特征在于，所述薄膜为悬臂形状。

3.根据权利要求1或2所述的热传导式气压传感器，其特征在于，作为所述温度感应器，使用热电偶。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的热传导式气压传感器，其特征在于，所述薄膜包括硅与硅氧化膜2个主层，而且利用所述硅与所述硅氧化膜的热膨胀系数的差异产生翘曲和弯曲运动。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的热传导式气压传感器，其特征在于，作为所述加热装置，使用薄膜加热器。

6.根据权利要求5所述的热传导式气压传感器，其特征在于，所述薄膜加热器形成于，从基板热分离的薄膜上比温度感应器更接近于基板支持部的位置。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的热传导式气压传感器，其特征在于，作为所述薄膜加热器，使用电阻温度系数小于等于1000ppm/K的导体。

8.根据权利要求1至6中任一项所述的热传导式气压传感器，其特征在于，作为所述薄膜加热器，也可以使用热电偶为加热器。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的热传导式气压传感器，其特征在于，通过介入热阻抗部，把从所述基板热分离的薄膜分割为至少两个薄膜A与薄膜B，在薄膜A与薄膜B上各形成薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB，而且从所述薄膜温度感应器THA与所述薄膜温度感应器THB的温度差中得知被测量的气压。

10.根据权利要求9所述的热传导式气压传感器，其特征在于，所述薄膜温度感应器THA与所述薄膜温度感应器THB双方都为热电偶。

11.根据权利要求9或10所述的热传导式气压传感器，其中，在通过所述薄膜的振动无法得到强制对流效果的低气压领域中，主要从所述薄膜加热器的加热状态中的，薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB的温度差中得知被测量气压；在通过所述薄膜的振动能得到强制对流效果的高气压领域中，主要从刚刚停止所述薄膜加热器的加热之后状态中的，薄膜温度感应器THA与薄膜温度感应器THB的温度差中得知被测量气压。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的热传导式气压传感器，其特征在于，在所述的基板上集成至少一部分热传导式气压传感器运作所需要的电路。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的热传导式气压传感器，其特征在于，用具有网眼或孔的帽至少覆盖所述基板上形成的温度感应器与加热装置，从而虽然没有封闭，但能妨碍周围气体的流动，以使气流无法直接接触到所述温度感应器与加热装置。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的热传导式气压传感器，其特征在于，把所述温度感应器的输出设为输出电流，且通过该输出电流对所定时间的积分，转换为输出电压，并利用该输出电压得知被测量气压。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的热传导式气压传感器，其特征在于，内置控制所述加热装置温度的温度控制电路、驱动激振装置的激振驱动电路、放大从温度感应器得到的信号的放大电路以及利用该放大电路的输出转换为气压的运算电路。