JP2003098012A - 温度測定装置およびこれ用いたガス濃度測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】４００℃以上の温度でも安定な薄膜ヒータと１
５０℃以上でも高感度で安定な温度センサとを基板から
熱分離した薄膜に集積化した温度測定装置と、これを用
いた高感度かつ小型で携帯できる安定なガス濃度測定装
置を提供する。 【解決手段】温度測定装置の温度センサチップには、半
導体基板を用い、この基板から熱分離した薄膜に、薄膜
ヒータと、温度センサとしてのｐｎ接合ダイオードとを
集積化させ、このｐｎ接合ダイオードの逆方向飽和電流
Ｉｓの温度依存性から、薄膜ヒータによりジュール加熱
されたこの薄膜の温度を知るように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は 基板から熱分離し
た薄膜に薄膜ヒータと半導体ｐｎ接合ダイオードの温度
センサとを集積化した温度センサチップを有する温度測
定装置と、この温度測定装置のガス濃度測定装置への応
用に関するもので、気体中の特定ガス、特に水蒸気量、
すなわち湿度を計測するのに利用できるものである。

【０００２】

【従来の技術】これまで、本願発明者は、ガス濃度測定
装置、特に特定ガスを水蒸気とした絶対湿度センサを報
告した（例えば、Ｍ．Ｋｉｍｕｒａ、ｅｔ．ａｌ．；
“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ａｉｒ−ｂ
ｒｉｄｇｅ ｍｉｃｒｏｈｅａｔｅｒ ｔｏ ｇａｓ
ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”，Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃ
ｔｕａｔｏｒｓ，Ｂ２４−２５（１９９５）８５７−８
６０；「湿度センサ」特開平８−１８４５７５）。しか
し、従来の絶対湿度センサは、薄膜ヒータの抵抗体とし
て白金薄膜を利用し、かつ、温度センサとしても、この
白金薄膜の抵抗の抵抗温度係数を利用しており、ヒータ
と温度センサとを兼用していた。これは、水蒸気は空気
より熱伝導率が大きくなるのは１２０から１５０℃以上
になるときで、実際には２００℃以上でないと測定誤差
が大きくなるので、薄膜ヒータの温度は２００℃以上が
必要で、実際には水蒸気の熱伝導率が温度と共に大きく
なるので、高感度にするために４００℃程度に薄膜ヒー
タを熱して使用していた。このように、この程度の高温
において高感度で、手軽な温度センサが他に見つからな
かったので、従来、熱的に安定で抵抗が低く、抵抗温度
係数の大きな白金薄膜抵抗体がヒータと温度センサとの
兼用にされていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、白金薄
膜抵抗体は一般にスパッタリングにより形成されてお
り、バルク白金抵抗体と異なり、抵抗温度係数にバラツ
キがあり、かつ４００℃以上の温度に熱すると経時変化
が大きくなり、これが消費電力に影響し、温度センサと
しても信頼性に欠けるものになっていた。したがって、
これに代わる薄膜ヒータとこのような高温領域で高感度
で安定な温度センサが要求されていた。

【０００４】本発明は、薄膜ヒータと温度センサとを分
離し、４００℃以上の温度でも安定な薄膜ヒータと１５
０℃以上でも高感度で安定な温度センサとを基板から熱
分離した薄膜に集積化して、低消費電力で高速応答の薄
膜ヒータで加熱したこの薄膜の温度を高精度で測定する
温度測定装置を提供することと、この温度測定装置を用
いて、水蒸気などの特定ガスの濃度を測定する高感度か
つ小型で携帯できるガス濃度測定装置を提供することを
目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の請求項１に係わる温度測定装置は、基板
から熱分離した薄膜に、薄膜ヒータと、温度センサとし
てのｐｎ接合ダイオードとを集積化させてあり、この薄
膜ヒータはジュール熱で発熱する電熱ヒータで、また、
温度センサとしてのｐｎ接合ダイオードは、逆方向にバ
イアスされており、この逆方向飽和電流Ｉｓの温度依存
性から、薄膜ヒータによりジュール加熱されたこの薄膜
の温度を知るように構成したものである。

【０００６】また、本発明の請求項２に係わる温度測定
装置は、基板から熱分離した薄膜は、単結晶シリコン薄
膜を含み、この単結晶シリコン薄膜に温度センサとして
のｐｎ接合ダイオードを形成したものである。

【０００７】また、本発明の請求項３に係わる温度測定
装置は、請求項２記載の温度測定装置で、単結晶シリコ
ン薄膜の一部に、例えば、単結晶シリコン薄膜の導電型
とは異なる導電型の不純物を拡散するなどして、部分的
に半導体の拡散抵抗として薄膜ヒータを形成するように
構成したもので、薄膜ヒータも温度センサであるｐｎ接
合ダイオードも共に単結晶シリコン薄膜に集積化したも
のである。

【０００８】また、本発明の請求項４に係わるガス濃度
測定装置は、上述の請求項1乃至３記載の温度測定装置
を用い、薄膜ヒータを１５０℃以上に熱して、気体中の
特定ガスの濃度に基づく熱伝導率の変化から薄膜の熱放
散による温度センサ（逆方向バイアスされたｐｎ接合ダ
イオード）からの温度出力情報を利用して、特定ガスの
濃度を知るように構成したものである。

【０００９】また、本発明の請求項５に係わるガス濃度
測定装置は、上述の請求項４記載のガス濃度測定装置に
おいて、特定ガスとして水蒸気に特定した場合で、湿度
センサ、特に絶対湿度センサとして利用できるものであ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の温度測定装置およ
びこれ用いたガス濃度測定装置の実施例について、図面
を参照して詳細に説明する。

【００１１】

【実施例１】図１は、本発明の温度測定装置の温度測定
部となる温度センサチップの概略図を示したもので、同
図（ａ）には、その平面図を、同図（ｂ）には、同図
（ａ）におけるＸ−Ｘから見た断面形状図を示す。

【００１２】この温度センサチップは、シリコンのＳＯ
Ｉ基板である基板1を用いた場合の実施例で、下地基板
２には空洞３が形成してあり、空洞３の上部には、スリ
ット３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄを設けたために残
された4箇所にある薄膜支持部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ
で支えられた形の薄膜５が形成されてあり、この薄膜５
はＳＯＩ基板の絶縁薄膜１０と単結晶シリコン薄膜２０
を主構成材料としている。このため、薄膜５は、宙に浮
いた構造で、基板１から熱分離された形になっている。
また、この単結晶シリコン薄膜２０はｎ型層２１０の場
合であり、ここにｐ型の不純物拡散により形成したｐ型
拡散層２２０を薄膜ヒータ６として利用できるようにし
ている。このｐ型拡散層２２０の薄膜ヒータ６は、周囲
のｎ型層２１０に対して異なる導電型なので、これらの
間にｐｎ接合が形成されており、この薄膜ヒータ６を周
囲のｎ型層２１０から電気的に絶縁分離されている構造
である。したがって、ヒータ電極１００ａ、１００ｂ
に電流を流した時、薄膜ヒータ６だけに電流が流れるよ
うにすることができ、薄膜ヒータ６だけをジュール加熱
できる。また、薄膜５のほぼ中央付近には、ＳＯＩ基板
の絶縁薄膜１０だけを残して一周する溝４０により取り
残された島状の単結晶シリコン薄膜２０があり、ここに
は上述のｐ型拡散層２２０と同時に形成されたｐ型拡散
層２２０ａが存在し、この上に形成した高濃度ｎ型拡散
層２３０との間には、ｐｎ接合ダイオード７が形成され
ている。このようにｐｎ接合ダイオード７は、同一の薄
膜５に集積化されていながら、一周する溝４０により薄
膜ヒータ６とは電気的に絶縁した構造にしている。この
ｐｎ接合ダイオード７に逆方向バイアス電圧を印加し、
逆方向飽和電流Ｉｓの温度依存性から、この薄膜ヒータ
６によって高温に熱せられた薄膜５の温度を測定するも
のである。

【００１３】なお、上述した図１に示す温度センサチッ
プは、単結晶シリコンの公知のフォトリソグラフィーを
利用した半導体微細加工技術、異方性エッチング技術を
用いて形成でき、不純物拡散工程、熱酸化工程などを用
いること、ヒータのコンタクトホール５１０ａ、５１０
ｂ、ｐ型拡散層のコンタクトホール５２０ａ、５２０ｂ
や高濃度ｎ型拡散層のコンタクトホール５３０の形成、
各種の電極１００ａ、１００ｂ；１２０；１３０の形成
などもフォトリソグラフィーで容易に形成できる。ま
た、電極などの金属化は、基板１の裏面にある空洞３の
形成時に用いる異方性エッチングであるアルカリエッチ
ング溶液への耐性のある金属を用いる方が良い。しか
し、アルミニウムなどの耐性の無い金属を使用するとき
は、その上に保護膜を形成しておいてから異方性エッチ
ングを行う必要がある。

【００１４】次に薄膜ヒータ６で熱せられた薄膜５と、
ｐｎ接合ダイオード７による薄膜５の温度計測、および
温度測定装置について説明する。

【００１５】基板１であるＳＯＩ基板のＳＯＩ薄膜（こ
の部分が単結晶シリコン薄膜２０である）の厚みを６μ
ｍ、スリット３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄで囲まれ
た薄膜５の大きさを１０００μｍ ｘ ５００μｍ、絶
縁薄膜１０の厚みを２μｍとし、薄膜５のほぼ全面にｐ
型不純物拡散をした場合、不純物拡散温度やその時間に
も依るが、薄膜ヒータ６の抵抗はほぼ３０Ωであった。
ヒータ電極１００ａ、１００ｂを通して、電圧５Ｖの矩
形波電圧を印加し、電流を流すと、熱時定数が数百ミリ
秒で薄膜ヒータ６が４００℃以上に温度上昇した。図１
では図示していないが、薄膜５全体が一様発熱するよう
に、薄膜ヒータ６にスリットや溝を設け、電流の流路を
制限すると良い。薄膜５のほぼ中心部に形成してある温
度センサとしてのｐｎ接合ダイオード７は、主に絶縁薄
膜１０を通しての熱伝導により薄膜ヒータ６でのジュー
ル熱が伝わり、温度上昇し、ほぼ薄膜５全体の温度と等
しくなる。シリコンのｐｎ接合ダイオード７は、逆方向
バイアスされると逆方向飽和電流Ｉｓが流れるが、この
逆方向飽和電流Ｉｓは、ほぼシリコンの真性半導体の温
度依存性と同様になり、指数関数的な温度依存性のた
め、温度が１５０℃以上になると急激に、その電流値が
増大する。温度が室温付近の比較的低温では、指数関数
的な温度依存性のため電流の変化はあるが、極めて抵抗
が高く（電流が小さく）、リーク電流が主体となり温度
測定は極めて困難になる。このように、温度Ｔが１５０
℃以上で、この逆方向バイアスされたシリコンのｐｎ接
合ダイオード７は、実質的に有効で、逆方向飽和電流Ｉ
ｓを計測し、その温度Ｔ依存性から薄膜５の温度が計測
できる。

【００１６】本発明の温度測定装置では、温度センサと
してのｐｎ接合ダイオード７に一定の逆方向バイアス電
圧、例えば１．０Ｖを印加すればよいが、一般にｐｎ接
合ダイオードは、印加電圧に依らずほぼ一定の逆方向飽
和電流Ｉｓが流れるので、その印加電圧の精度は余り必
要としないと言う利点がある。

【００１７】また、本発明の温度測定装置では、薄膜５
が小型に形成できるので、熱時定数が小さく、消費電力
が小さくて済み、乾電池駆動ができるので、携帯用とし
て好適である。

【００１８】本実施例では、温度測定装置の中の最も特
徴的な温度センサチップを取り上げ説明しており、この
温度センサチップのパッケージや温度測定装置としての
電源回路、信号処理回路などは省略したが、これらは従
来技術が利用できる。

【００１９】

【実施例２】次に本発明の温度測定装置を用いたガス濃
度測定装置について説明する。

【００２０】ガス濃度測定装置は、従来からその原理が
知られているように、気体中の特定ガスの濃度により気
体の熱伝導率が異なることを利用し、気体中の特定ガス
の濃度が変化した時に、上述した本発明の温度測定装置
の温度センサチップ中の薄膜５の温度Ｔを、例えば、一
定に保つようにするために必要な薄膜ヒータ６の消費電
力Ｐの変化から気体中の特定ガスの濃度を計測するもの
である。

【００２１】本発明のガス濃度測定装置を大気中の水蒸
気の濃度、すなわち、絶対湿度の計測である絶対湿度計
に応用した時の例で説明すると次のようである。

【００２２】先ず、薄膜ヒータ６で４００℃以上、例え
ば４５０℃一定になるように、すなわち、ｐｎ接合ダイ
オード７は薄膜５の部分の温度を検出する温度センサで
あるから、逆方向バイアス電圧、例えば１．０Ｖを印加
した温度センサとしてのｐｎ接合ダイオード７の逆方向
飽和電流Ｉｓを出力し、この値（１ｍＡ程度）が維持で
きるように薄膜ヒータ６に流す電流Ｉｈを制御する。例
えば、１２０℃から１５０℃以上になると大気中の水蒸
気は、純粋の空気より熱伝導率が大きくなるので、高温
４５０℃の薄膜５に接する水蒸気を含む空気は、ほぼ４
５０℃で、その雰囲気温度での水蒸気の熱伝導率が、純
粋の空気の時よりも大きくなるから、純粋の空気の時よ
りも水蒸気を含む空気の方が高温の薄膜５から熱を奪い
やすく、薄膜５を高温４５０℃に維持するには、それだ
け多くの電流を薄膜ヒータ６に流し、消費電力Ｐによる
ジュール発熱を大きくしなければならなくなる。また、
含有する水蒸気量が少ないと薄膜ヒータ６は少ない消費
電力Ｐで済むので、少ない電流を薄膜ヒータ６に流すだ
けで済むことになる。このようにｐｎ接合ダイオード７
の逆方向飽和電流Ｉｓの出力信号を一定になるように、
薄膜ヒータ６の消費電力Ｐを制御する回路を構成すれ
ば、薄膜５が一定の温度に制御されることになる。この
ような制御で薄膜ヒータ６の消費電力Ｐまたは、薄膜ヒ
ータ６に流すヒータ電流を計測し、このヒータ電流と空
気中の絶対湿度との関係から、そのときの環境温度にお
ける空気中の絶対湿度を算出するか、または、環境温度
を考慮して相対湿度に換算する。なお、本発明のガス濃
度測定装置の制御回路や信号処理回路などの回路構成に
は、既知の回路が利用できるので、ここでは省略してい
る。

【００２３】上述では、気体中の特定ガスとして水蒸気
の例を示したが、空気中の炭酸ガス、水素、ヘリウム、
アルゴンなどを特定ガスとして測定することもできるこ
とは、測定原理からして言うまでも無い。

【００２４】また、複数の特定ガスが混在した場合で
も、温度と熱伝導率の温度依存性から複数の特定ガスの
濃度を算出することができる。

【００２５】上述の例では、本発明の温度測定装置をガ
ス濃度測定装置に応用した例であったが、ｐｎ接合ダイ
オード７の逆方向飽和電流Ｉｓの温度依存性は、サーミ
スタと同等なので、高温使用ではあるが、ピラニ−型真
空計、ガスフローセンサなどにも応用することができ
る。

【００２６】また、上述の例では、温度センサチップに
必要最小限度の薄膜ヒータ６と温度センサのｐｎ接合ダ
イオードのみを集積化したものであったが、上述の各種
装置に必要な回路のうち半導体基板に集積化できる回路
は、必要に応じて同一基板に集積化できることは言うま
でもない。

【００２７】また、上述した実施例は、一実施例であ
り、本願発明の主旨、作用、効果が同一の各種の変形が
ありえることも言うまでもないことである。

【００２８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、基板1
から熱分離した薄膜５に薄膜ヒータ６と温度センサとし
ての逆方向バイアス電圧を印加したｐｎ接合ダイオード
７が集積化されているので、熱容量が小さくなり、低消
費電力で、かつその温度制御が高速かつ高精度で達成で
き、さらに、乾電池駆動ができるので携帯用となりえる
という有利な効果が得られる。また、薄膜ヒータ６も単
結晶シリコンで形成でき、高温にしても安定なシリコン
酸化膜で覆われているので、その経時変化が極めて小さ
く、かつ単結晶シリコン薄膜のpｎ接合ダイオードを用
いているので、極めて安定な温度測定装置が提供できる
という有利な効果が得られる。

【００２９】また、本発明の温度測定装置をガス濃度測
定装置に応用した場合は、１５０℃以上の雰囲気におけ
る高温での特定のガス濃度測定も可能で、例えば、特定
のガスとして水蒸気を用いた絶対湿度計として実施した
ときには、周囲の環境温度が室温であっても、薄膜ヒー
タ６により急速に熱せられる空気の温度は、設定した薄
膜５の高い温度、例えば、４５０℃程度に瞬間的になる
ので、環境温度が室温での絶対湿度が計測できるばかり
でなく、環境温度が２００から３００℃程度の高温中の
絶対湿度も、極めて安定に、かつ高精度に計測できると
共に、携帯用の小型湿度センサが提供できるという利点
がある。

【００３０】また、基板１としてシリコン半導体基板に
形成できるので、各種の信号処理回路、メモリ回路、電
源回路、表示回路など、温度測定装置やガス濃度測定装
置に必要な回路を集積化できるので、極めて小型で消費
電力が小さく、信頼性の高い温度測定装置やガス濃度測
定装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の温度測定装置とこれを用いたガス濃度
測定装置の中に備える温度センサチップの一実施例で、
同図（ａ）は、その平面図であり、同図（ｂ）は、その
同図（ａ）のX-Xにおける断面図を示す。

【符号の説明】

１ 基板 ２ 下地基板 ３ 空洞 ５ 薄膜 ６ 薄膜ヒータ ７ ｐｎ接合ダイオード １０ 絶縁薄膜 ２０ 単結晶シリコン薄膜 ３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、３０ｄ スリット ４０ 溝 ５１、５２ シリコン酸化膜 １００ａ、１００ｂ ヒータ電極 １２０ ｐｎ接合ダイオードのｐ型電極 １３０ ｐｎ接合ダイオードのｎ型電極 ２１０ ｎ型層 ２２０、２２０ａ ｐ型拡散層 ２３０ 高濃度ｎ型拡散層 ５１０ａ、５１０ｂ ヒータのコンタクトホール ５２０ａ、５２０ｂ ｐ型拡散層のコンタクトホール ５３０ 高濃度ｎ型拡散層のコンタクトホール

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板（１）から熱分離した薄膜（５）に、
   薄膜ヒータ（６）と、温度センサとしてのｐｎ接合ダイ
   オード（７）とを集積化した温度センサチップを有する
   温度測定装置において、該ｐｎ接合ダイオード（７）の
   逆方向飽和電流Ｉｓの温度依存性を利用して、該薄膜ヒ
   ータ（６）によりジュール加熱した該薄膜（５）の温度
   を知るように構成したことを特徴とする温度測定装置。
2. 【請求項２】薄膜（５）には単結晶シリコン薄膜（２
   ０）を含み、該単結晶シリコン薄膜（２０）に温度セン
   サとしてのｐｎ接合ダイオード（７）を形成してある請
   求項１記載の温度測定装置。
3. 【請求項３】単結晶シリコン薄膜（２０）のうちの一部
   を薄膜ヒータ（６）とした請求項２記載の温度測定装
   置。
4. 【請求項４】請求項1乃至３記載の温度測定装置を用
   い、薄膜ヒータ（６）を１５０℃以上に熱して、気体中
   の特定ガスの濃度に関係した薄膜（５）の熱放散の変化
   によるｐｎ接合ダイオード（７）からの温度情報を利用
   して、特定ガスの濃度を知るようにしたことを特徴とす
   るガス濃度測定装置。
5. 【請求項５】特定ガスとして水蒸気とした請求項４記載
   のガス濃度測定装置。