JP2006071644A

JP2006071644A - 容量型温度センサー

Info

Publication number: JP2006071644A
Application number: JP2005256687A
Authority: JP
Inventors: Sang-Wook Kwon; 相旭權; Young-Hoon Min; 英 ▲フン▼ 閔
Original assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Current assignee: Samsung Electronics Co Ltd
Priority date: 2004-09-03
Filing date: 2005-09-05
Publication date: 2006-03-16
Also published as: US20070237204A1; KR100680173B1; KR20060021577A

Abstract

【課題】容量型温度センサーを提供すること。
【解決手段】第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に挟まれ、温度変化によって体積が変化する第１の誘電体が設けられた誘電体層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の電位差に対応する温度を算出する温度算出部と、を備えることを特徴とする温度センサー。
【選択図】図３

Description

本発明は温度センサーに係り、詳しくは、ＭＥＭＳ（マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム）に適用して好適な温度センサーに関する。

ＭＥＭＳ技術とは、機械的な部品を半導体工程により電気的な素子として実現する技術である。また、これを用いることにより、数μｍ以下の超微細構造を有する機械・装備を設計することが可能になることから、電子・機械・医療・防産などあらゆる産業分野に甚だしい変革をもたらすと見込まれる。特に、近年脚光を浴びているＭＥＭＳ技術により製造されたセンサーは、通常超小型のものとして製造可能であることから、携帯電話などの各種の小型機器などに組み込まれて各種の情報を感知・提供する。

これまでＭＥＭＳには、ほとんど抵抗型の温度センサーが適用されていた。これは、抵抗型の温度センサーが、温度の測定感度と正確度に優れているためである。しかしながら、抵抗型温度センサーは非常に多くの電力を消耗するため、無線機器、モバイル機器などには向いていない。
抵抗型温度センサーとは異なり、容量型温度センサーは、電力消耗量があまり多くない。従来の容量型温度センサーは、温度変化によってバイメタルの変位が起こり、その変位によってキャパシタンスが変化するという特性に基づき、温度を測定していた。

しかしながら、従来の容量型温度センサーは、温度の測定感度と正確度が良好ではないという欠点がある。さらに、従来の容量型温度センサーは、残留応力による初期変位により校正を行い難いため、その製造工程に難点がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、温度の測定感度と正確度に優れており、電力の消耗量が多くないほか、単純な製造工程を有する容量型温度センサーを提供するところにある。

前記目的を達成するために、本発明に係る温度センサーは、第１の電極層と、第２の電極層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に挟まれ、温度変化によって体積が変化する第１の誘電体が設けられた誘電体層と、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の電位差に対応する温度を算出する温度算出部とを備える。
また、前記第１の誘電体の体積変化によって前記第１及び前記第２の電極層と前記第１の誘電体の接合面積が変化し、前記接合面積の変化によって前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の電位差が変化する構成であることが好ましい。

さらに、前記第１の誘電体の温度変化による体積変化は線形的であることが好ましい。
さらに、前記第１の誘電体は、トルエン、オクタノール、プロパノール、エタノール及びメタノールのうちいずれか１種であればよい。
さらに、前記誘電体層には、温度変化によって体積が変化する第２の誘電体がさらに設けられることが好ましい。

さらに、前記第１の誘電体の体積変化によって前記第１及び前記第２の電極層と前記第１の誘電体の接合面積である第１の接合面積が変化し、前記第２の誘電体の体積変化によって前記第１及び前記第２の電極層と前記第２の誘電体の接合面積である第２の接合面積が変化し、前記第１及び前記第２の接合面積の変化によって前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の電位差が変化する構成であることが好ましい。

さらに、前記第１の誘電体の温度変化による体積変化及び前記第２の誘電体の温度変化による体積変化が線形的であることが好ましい。
さらに、前記第１の誘電体は、トルエン、オクタノール、プロパノール、エタノール及びメタノールのうちいずれか１種であり、前記第２の誘電体は、トルエン、オクタノール、プロパノール、エタノール及びメタノールのうちいずれか１種でありうる。

さらに、前記温度算出部は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の電位差を検出し、検出された前記電位差に基づいて前記第１の電極層と前記第２の電極層との間のキャパシタンスを算出した後、算出された前記キャパシタンスに対応する温度を算出する。
さらに、前記誘電体層は、真空室をさらに備え、前記誘電体層は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に挟まれる真空室をさらに備える構成とすることが好ましい。

さらに、本発明に係る温度センサーは、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に設けられる多数の電極層をさらに備えても良い。

本発明に係る容量型温度センサーは、温度の測定感度と正確度に優れているだけではなく、抵抗体を用いないことから、電力の消耗量が多くない。さらに、本発明に係る容量型温度センサーは、駆動体を用いないことから、校正と製造工程が容易に行える。

［実施形態１］

以下、添付図面に基づき、本発明を詳述する。
図１は、本発明の一実施の形態による容量型温度センサーを示す図である。図１に示すように、本発明に係る容量型温度センサーは、キャパシタ１００及び温度算出部２００を備える。
キャパシタ１００は、上部電極層１１０、誘電体層１２０及び下部電極層１３０を備える。
誘電体層１２０は、上部電極層１１０と下部電極層１３０との間に挟まれる。また、誘電体層１２０の左側端には誘電体１２１が設けられ、誘電体層１２０の右側端には真空室１２２が設けられる。さらに、図において、‘ε’は誘電体１２１の誘電率であり、‘ε₀’は真空室１２２の誘電率である。

誘電体１２１は、温度変化によって体積変化が激しい物質（液体や気体）、すなわち、温度変化によって体積変化率（熱膨張率）が高い物質により実現することが好ましい。また、誘電体１２１は、温度変化による体積変化が線形的に起こる物質、すなわち、温度変化による体積変化率が一定している物質により実現することが好ましい。温度変化による体積変化が激しくて線形的に起こる物質としては、トルエン（Ｃ₇Ｈ₈）、オクタノール（ＣＨ₃（ＣＨ₂）₃ＯＨ）、プロパノール（Ｃ₃Ｈ₈）、エタノール（Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ）、メタノール（ＣＨ₃ＯＨ）などが挙げられる。このため、誘電体１２１は、好ましくは、これらの物質のうちいずれか１種により実現される。

温度算出部２００は、上部電極層１１０と下部電極層１３０との間の電位差を検出し、検出された電位差に対応する温度を算出する。このとき、温度算出部２００は、検出された電位差を用いてキャパシタ１００のキャパシタンスを算出した後、算出されたキャパシタンスに対応する温度を算出することも可能である。
以下、図１に示す容量型温度センサーの温度算出原理について、図２Ａ及び図２Ｂを参照しながら詳述する。

図２Ａには、基準温度Ｔ₁における本発明に係る容量型温度センサーの状態が示してある。図２Ａに示すように、基準温度Ｔ₁において、上部電極層１１０と下部電極層１３０との間の長さは‘ｄ’であり、‘誘電体１２１と上下部電極層１１０，１３０との間の接合面積’（以下、単に‘誘電体１２１の接合面積’と称する。）は‘Ｓ₁（Ｔ₁）’であり、‘真空室１２２と上下部電極層１１０，１３０との間の接合面積’（以下、単に‘真空室１２２の接合面積’と称する）は、‘Ｓ₂（Ｔ₁）’であることが分かる。

このとき、基準温度Ｔ₁における‘キャパシタ１００のキャパシタンス’（以下、単に‘キャパシタンス’と称する）‘Ｃ_T1’及び基準温度Ｔ₁における‘上部電極層１１０と下部電極層１３０との間の電位差’（以下、単に‘電位差’と称する）‘Ｖ_T1’は、下記式１を満足する。下記式１において、‘Ｑ’は、上部電極層１１０の電荷量または下部電極層１３０の電荷量を意味する。

図２Ｂには、温度が基準温度Ｔ₁から現在温度Ｔ₂（Ｔ₂＞Ｔ₁）へと昇温した場合における本発明に係る容量型温度センサーの状態を示す。図２Ｂと図２Ａを比較すると、上部電極層１１０と下部電極層１３０との間の長さは‘ｄ’と不変である。しかし、誘電体１２１の接合面積は‘Ｓ₁（Ｔ₂）’（Ｓ₁（Ｔ₂）＞Ｓ₁（Ｔ₁））に増え、真空室１２２の接合面積は、‘Ｓ₂（Ｔ₂）’（Ｓ₂（Ｔ₂）＜Ｓ₂（Ｔ₁））に減ったことが分かる。

これは、温度が基準温度Ｔ₁から現在温度Ｔ₂（Ｔ₂＞Ｔ₁）に昇温し、誘電体１２１の体積が大きくなることにより、誘電体１２１の接合面積が増えた（Ｓ₁（Ｔ₂）＞Ｓ₁（Ｔ₁））ためである。また、誘電体１２１の体積増加により相対的に真空室１２２の体積が減ることとなり、真空室１２２の接合面積が減った（Ｓ₂（Ｔ₂）＜Ｓ₂（Ｔ₁））ためである。
このとき、現在温度Ｔ₂におけるキャパシタンス‘Ｃ_T2’及び現在温度Ｔ₂における電位差‘Ｖ_T2’は、下記式２を満足する。

前記式２と前記式１を比較すると、現在温度Ｔ₂におけるキャパシタンスＣ_T2と基準温度Ｔ₁におけるキャパシタンスＣ_T1は相異なる値を有することが分かる。そして、現在温度Ｔ₂における電位差Ｖ_T2と基準温度Ｔ₁における電位差Ｖ_T1も相異なる値を有することが分かる。

キャパシタンスＣに変化が起こった理由は、温度上昇により、誘電体１２１の接合面積Ｓ₁が増えたのに対し、真空室１２２の接合面積Ｓ₂が減ったためである。誘電体１２１の誘電率εが真空室１２２の誘電率ε₀よりも高い場合であれば、温度上昇によりキャパシタンスＣは高くなる。
そして、電位差Ｖに変化が起こった理由は、温度上昇によりキャパシタンスＣが変わったためである。

結局、温度変化はキャパシタンスＣを変化させ、キャパシタンスＣの変化は電位差Ｖを変化させるということが確認できる。
一方、キャパシタンスＣの変化が温度変化に線形的であると仮定すれば、現在温度Ｔ₂は下記式３または下記式４により求めることができる。

ここで、‘κ’と‘α’（＝κ×Ｑ）は所定の定数値であって、キャパシタ１００の構造及び誘電体１２１の種類によって相異なる値を有し、実験により求めることができる。
そして、温度算出部２００は、前記式３または前記式４を用いて、現在温度Ｔ₂を求めることができる。

前記式３による場合、温度算出部２００は現在温度Ｔ₂における電位差Ｖ_T2を検出し、検出された電位差Ｖ_T2を用いて現在温度Ｔ₂におけるキャパシタンスＣ_T2を算出した後、算出されたキャパシタンスＣ_T2及び既知の値であるκ、基準温度Ｔ₁、基準温度におけるキャパシタンスＣ_T1を用いて現在温度Ｔ₂を算出する。
一方、前記式４による場合、温度算出部２００は、現在温度Ｔ₂における電位差Ｖ_T2を検出し、検出された電位差Ｖ_T2及び既知の値であるα、基準温度Ｔ₁、基準温度における電位差Ｖ_T1を用いて現在温度Ｔ₂を算出する。

以下では、図１とは異なるように実現された容量型温度センサーについて説明するが、図１に示す容量型温度センサーと共通する内容についての説明は省き、異なる内容を中心として説明を進める。
図３は、本発明の他の実施の形態による容量型温度センサーを示す図である。図３に示す誘電体層１２０の構造と図１に示す誘電体層１２０の構造は、互いに異なる。すなわち、図３に示す誘電体層１２０の左側端には第１の誘電体１２１ａが設けられ、右側端には第２の誘電体１２１ｂが設けられ、そして中間端には真空室１２２が設けられる。

誘電体層１２０の左側端に設けられた第１の誘電体１２１ａと右側端に設けられた第２の誘電体１２１ｂは、相異なる種類の物質であっても良いが、以下では、説明の便宜のために、両者を同じ種類の物質として扱う。すなわち、第１の誘電体１２１ａの誘電率と第２の誘電体１２１ｂの誘電率は両方とも‘ε’と同じ値として扱う。
以下、図３に示す容量型温度センサーの温度算出原理について、図４Ａ及び図４Ｂを参照しながら詳述する。

図４Ａには、基準温度Ｔ₁における本発明に係る容量型温度センサーの状態が示してある。図４Ａに示すように、基準温度Ｔ₁において、上部電極層１１０と下部電極層１３０との間の長さは‘ｄ’であり、第１の誘電体１２１ａの接合面積は‘Ｓ_1a（Ｔ₁）’であり、真空室１２２の接合面積は‘Ｓ₂（Ｔ₁）’であり、第２の誘電体１２１ｂの接合面積は‘Ｓ_1b（Ｔ₁）’であることが分かる。

このとき、基準温度Ｔ₁におけるキャパシタンス‘Ｃ_T1’及び基準温度Ｔ₁における電位差‘Ｖ_T1’は、下記式５を満足する。

図４Ｂには、温度が基準温度Ｔ₁から現在温度Ｔ₂（Ｔ₂＞Ｔ₁）へと昇温した場合における本発明に係る容量型温度センサーの状態が示してある。図４Ｂと図４Ａを比較してみれば、上部電極層１１０と下部電極層１３０との間の長さは‘ｄ’と不変である。しかし、第１の誘電体１２１ａの接合面積は‘Ｓ_1a（Ｔ₂）’（Ｓ_1a（Ｔ₂）＞Ｓ_1a（Ｔ₁））に増え、第２の誘電体１２１ｂの接合面積は‘Ｓ_1b（Ｔ₂）’（Ｓ_1b（Ｔ₂）＞Ｓ_1b（Ｔ₁））に増えたが、真空室１２２の接合面積は‘Ｓ₂（Ｔ₂）’（Ｓ₂（Ｔ₂）＜Ｓ₂（Ｔ₁））に減ったことが分かる。

このとき、現在温度Ｔ₂におけるキャパシタンス‘Ｃ_T2’及び現在温度Ｔ₂における電位差‘Ｖ_T2’は、下記式６を満足する。

前記式５と前記式６及び前記式１と前記式２を比較すれば、前記式５と前記式６の場合の方が、一層高い‘温度変化によるキャパシタンスＣの変化度’を有することが分かる。すなわち、図３に示す容量型温度センサーの‘温度変化によるキャパシタンスＣの変化度’は、図１に示す容量型温度センサーの‘温度変化によるキャパシタンスＣの変化度’よりも大きい。これは、図３に示す容量型温度センサーは、誘電体層１２０に第１の誘電体１２１ａと第２の誘電体１２１ｂが設けられているためである。

一方、温度算出部２００は、前記式３または前記式４を用いて現在温度Ｔ₂を算出することができる。これは、図１に示す容量型温度センサーの場合と同様であるため、これについての詳細な説明は省く。
以下、図１及び図３とは異なるように実現された容量型温度センサーについて、図５を参照しながら説明する。図５は、本発明のさらに他の実施の形態による容量型温度センサーのキャパシタを示す図である。

図５に示すキャパシタ１００は、多数の電極層１４１〜１４７を備えているため、‘温度変化によるキャパシタンスＣの変化度’が一層大きくなり、容量型温度センサーのセンシング感度を一層高めることが可能になる。このとき、当然のことながら、キャパシタ１００に設けられる電極層の数には制限がない。
これまで、温度変化によって体積が変化する誘電体が設けられたキャパシタの温度変化によるキャパシタンスの変化原理を用いた容量型温度センサーを提案し、その具体例を挙げながら述べてきた。本発明に係る容量型温度センサーは、ＭＥＭＳに適用して好適であり、これを適用することにより優れた効果を得ることができる。

さらに、以上では、本発明の好適な実施の形態について図示及び説明したが、本発明は上述した如き特定の実施の形態に何ら制限されるものではなく、特許請求の範囲に記載の本発明の要旨を逸脱しない範囲内であれば、当該発明が属する技術分野において通常の知識を有する者にとって各種の変形実施が可能であることは言うまでもない。よって、これらの変形実施は本発明の技術的な思想や展望から個別的に理解さるべきものではない。

本発明に係る容量型温度センサーはＭＥＭＳに適用して好適であり、これを適用することにより優れた効果を得ることができる。

本発明の一実施の形態による容量型温度センサーを示す図である。図１に示す容量型温度センサーの温度算出原理を説明するための図である。図１に示す容量型温度センサーの温度算出原理を説明するための図である。本発明の他の実施の形態による容量型温度センサーを示す図である。図３に示す容量型温度センサーの温度算出原理を説明するための図である。図３に示す容量型温度センサーの温度算出原理を説明するための図である。本発明のさらに他の実施の形態による容量型温度センサーのキャパシタを示す図である。

符号の説明

１００キャパシタ
１１０上部電極層
１２０誘電体層
１２１誘電体
１２１ａ第１の誘電体
１２１ｂ第２の誘電体
１２２真空室
１３０下部電極層
２００温度算出部

Claims

第１の電極層と、
第２の電極層と、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に挟まれ、温度変化によって体積が変化する第１の誘電体が設けられた誘電体層と、
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の電位差に対応する温度を算出する温度算出部と、
を備えることを特徴とする温度センサー。
前記第１の誘電体の体積変化によって前記第１及び前記第２の電極層と前記第１の誘電体の接合面積が変化し、
前記接合面積の変化によって前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の電位差が変化することを特徴とする請求項１に記載の温度センサー。
前記第１の誘電体の温度変化による体積変化は、線形的であることを特徴とする請求項２に記載の温度センサー。
前記第１の誘電体は、トルエン、オクタノール、プロパノール、エタノール及びメタノールのうちいずれか１種であることを特徴とする請求項３に記載の温度センサー。
前記誘電体層には、温度変化によって体積が変化する第２の誘電体がさらに設けられることを特徴とする請求項１に記載の温度センサー。
前記第１の誘電体の体積変化によって前記第１及び前記第２の電極層と前記第１の誘電体の接合面積である第１の接合面積が変化し、
前記第２の誘電体の体積変化によって前記第１及び前記第２の電極層と前記第２の誘電体の接合面積である第２の接合面積が変化し、
前記第１及び前記第２の接合面積の変化によって前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の電位差が変化することを特徴とする請求項５に記載の温度センサー。
前記第１の誘電体の温度変化による体積変化及び前記第２の誘電体の温度変化による体積変化は、線形的であることを特徴とする請求項６に記載の温度センサー。
前記第１の誘電体は、トルエン、オクタノール、プロパノール、エタノール及びメタノールのうちいずれか１種であり、
前記第２の誘電体は、トルエン、オクタノール、プロパノール、エタノール及びメタノールのうちいずれか１種であることを特徴とする請求項７に記載の温度センサー。
前記温度算出部は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間の電位差を検出し、検出された前記電位差に基づいて前記第１の電極層と前記第２の電極層との間のキャパシタンスを算出した後、算出された前記キャパシタンスに対応する温度を算出することを特徴とする請求項１に記載の温度センサー。
前記誘電体層は、真空室をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の温度センサー。
前記誘電体層は、前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に挟まれる真空室をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の温度センサー。
前記第１の電極層と前記第２の電極層との間に設けられる多数の電極層をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載の温度センサー。