JP2008304293A - 熱式センサ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 熱式フロ−センサもしくは熱式加速度センサは、半導体基板1と、半導体基板表面に間隔をおいて一列に配置された第1、第2及び第3のダイヤフラム構造のキャビティ10、11、12と、中央に位置する前記第2のダイヤフラム構造上にメンブレンを介して形成されたヒータ2と、第2のダイヤフラム構造の両側に配置された第1及び第3のダイヤフラム構造上にそれぞれメンブレン11a、12aを介して形成された第1及び第2のサーモパイルセンサ3、4を具備している。キャビティを複数設けたことにより、ヒータ2とサーモパイル素子3、4の間隔を離す事ができる。
【選択図】 図1
Description
特許文献1には、ガス等の流体の流量を検出する流体検知センサが開示されている。この流体検知センサは、図8に示すように、ヒータの抵抗値を小さくして発熱を大きくすると共にサーモパイルのゼーベック係数を高くしてセンサの感度を向上させている。薄膜状のブリッジ部135の上面にポリシリコンからなるヒータ136を設け、その両側にサーモパイル137、138を配置する。このサーモパイル137、138はポリシリコンとアルミニウムの細線によって構成されている。ここでヒータ136とサーモパイル137、138のポリシリコン細線141には、P(燐)がイオン注入等によってドーピングされており、ヒータ136のドーピング量がポリシリコン細線141よりも大きくなっている。
特許文献2には、状態変化を検知する熱式加速度センサが開示されている。通常の加速度出力の他にセンサの状態を常時モニタできる出力端子を有し、流体の変化による予期せぬ感度低下をシステムに知らせることが可能な熱型加速度センサが記載されている。熱分離された三本の梁のうち中央の梁上には発熱源であるヒータが設けられ、また、左側の梁と中央の梁上には第1熱電対が冷接点と温接点とがそれぞれ左、中央の梁の中心部付近に配置された状態で設けられ、また、同様に右側の梁と中央の梁上には第2熱電対が冷接点と温接点がそれぞれ右、中央の梁の中心部付近に配置された状態で設けられている。
本発明は、このような事情によりなされたものであって、出力及び感度の向上を可能にするサーモパイル素子を用いた熱式センサを提供する。
図1は、熱式センサの平面図及び平面図に示すA−A′線に沿う部分の断面図、図2は、図1に示す熱式センサを構成するサーモパイル素子が形成されたシリコン基板の断面図及びサーモパイル素子の模式平面図、図3は、図1に示す熱式センサを構成するヒータの模式平面図、図4は、熱式フローセンサの原理を説明する熱式センサの断面図である。
図2を参照して、サーモパイル素子の一例である図1のシリコン基板1上に形成されたサーモパイル素子4を説明する。この実施例ではこの一例に限らず既存のどのようなサーモパイル素子でも用いることができる。サーモパイル素子を構成する熱電対は、温度計の1種であり、異なる2種類の導電材料の細線の両端を接合し、2つの接合点の温度差により発生する熱起電力を測定することにより温度を測定する装置である。
黒体(熱吸収膜)14がヒータからの熱を吸収し、サーモパイル23の温接点部22の温度が上昇し、温接点部22と冷接点部21との間に温度差を生じ、これによって熱電対24にそれぞれ熱起電力が生じる。サーモパイル23には、これらの熱電対24の熱起電力が足し合わされ、サーモパイル引き出し電極25から出力を取り出すことができる。
まず、熱式フローセンサは、ヒータ2に電流を流して発熱させながら上流側及び下流側のサーモパイル素子3、4の出力が監視される。気体の流れていない無風時には、サーモパイル素子3の出力電圧とサーモパイル素子4の出力電圧とは等しい。このとき、センサの熱分布27は、ヒータ2を中心に左右均等に分布している(図4(a))。しかし、矢印で示す方向に、上流側から下流側に向けて気体が移動していると、上流側のサーモパイル素子3の温接点はヒータからの熱の影響が低減されるため降温し、出力電圧が小さくなる。一方、気体によって運ばれる熱で下流側のサーモパイル素子4の温接点は温度が上昇し、出力電圧が大きくなる。従って、両サーモパイル素子3、4の出力電圧値の差により空気の流量を測定することができる。また、この実施例のようにヒータ2の両側にサーモパイル素子3、4を配置した構造の場合には、矢印方向と反対向きに気体が流れた場合にも流体流量(ガス流量)を検出することができる。
図5は、熱式センサの断面図、図6は、熱式加速度センサの原理を説明する熱式センサの断面図である。この実施例では、熱式センサは、密閉された容器内に配置され熱式加速度センサとして用いられる。
熱式加速度センサとして用いられる熱式センサが形成されたシリコン基板1には、ヒータ36及びサーモパイル素子37、38が形成されている。シリコン基板1表面にヒータ36を中心にその両側にサーモパイル素子37、38が配置されている。これらヒータ36及びサーモパイル素子37、38は、それぞれ専用のダイヤフラム構造の上に形成されている。ダイヤフラム構造は、シリコン基板1上面に上方が広くなった凹状に形成されたキャビティとこのキャビティを封止するメンブレンから構成される。第1のダイヤフラム構造は、シリコン基板1に形成されたキャビティ34と、シリコン基板1表面に形成され、キャビティ34を被覆するメンブレン34aとから構成され、第1のサーモパイル素子37が載置される。
サーモパイル素子は、熱電対が複数個直列に形成配置して構成されている。サーモパイルは、非接触で個々の物体から放射される熱を受けると、そのエネルギーに応じた熱起電力を発生する熱式加速度センサであり、そのエネルギー絶対量(温度)が検出可能である。
まず、熱式加速度センサは、ヒータ36に電流を流して発熱させながら上流側及び下流側のサーモパイル37、38の出力が監視される。密閉された容器が静止している時には、サーモパイル素子37の出力電圧とサーモパイル素子38の出力電圧とは等しい。このとき、センサの熱分布41は、ヒータ36を中心に左右均等に分布している(図6(a))。しかし、矢印で示す方向に、下流側から上流側に向けて加速、衝撃が加わったときには、上流側のサーモパイル素子37の温接点は、ヒータからの熱の影響が低減されるため降温し、出力電圧が小さくなる。一方、加速度等により熱分布は、下流側に傾き、サーモパイル素子38の温接点は、温度が上昇し出力電圧が大きくなる。従って、両サーモパイル素子37、38の出力電圧値の差により加速度を測定することができる。
この実施例では、ダイヤフラム構造が2つのサーモパイル素子とヒータのそれぞれに配置されているので、それぞれを従来より接近させる必要はなく、ヒータとサーモパイル素子との間隔を従来より広くすることができ、その結果温点と冷点の温度差を広くして出力を向上させると共に感度を向上させることが可能になる。
図7は、熱式加速度センサの平面図及びこの平面図のB−B′線に沿う部分の断面図である。本実施例も熱式センサを熱式加速度センサとして応用した例であり、基本的な構造および機能は前述の実施例2と同様である。図7(a)に示す様に、シリコン基板1には、ヒータ2及びサーモパイル素子3、4が横方向に一列に形成されている。そして、シリコン基板1表面にヒータ2を中心にその上下方向の両側にサーモパイル素子5、6が配置されている。これらヒータ2及びサーモパイル素子3、4、5、6は、それぞれ専用のダイヤフラム(diaphragm) 構造の上に形成されている。ダイヤフラム構造は、シリコン基板1上面に上方が広くなった凹状に形成されたキャビティとこのキャビティを封止するメンブレンから構成される。第1乃至第3のダイヤフラム構造は、既に述べ、図5に示した通りであるので説明を略す。
2・・・ヒータ
3、4・・・サーモパイル素子
10、11、12・・・キャビティ
10a、11a、12a・・・メンブレン
13、14・・・熱吸収膜
21・・・冷接点部
22・・・温接点部
23・・・サーモパイル
24・・・熱電対
27、28・・・熱分布
Claims (4)
- 半導体基板と、前記半導体基板表面に形成され、間隔をおいて一列に配置された第1、第2及び第3のダイヤフラム構造と、中央に位置する前記第2のダイヤフラム構造上にメンブレンを介して形成されたヒータ素子と、前記第2のダイヤフラム構造の両側に配置された前記第1及び第3のダイヤフラム構造上にそれぞれメンブレンを介して形成された第1及び第2のサーモパイルセンサとを具備したことを特徴とする熱式センサ。
- 第4及び第5のダイヤフラム構造を更に有し、前記第1、第2及び第3のダイヤフラム構造からなる配列と、前記第4、第2及び第5のダイヤフラム構造からなる配列とは、互いに直角に配置され、前記第4及び第5のダイヤフラム構造上には、それぞれメンブレンを介して形成された第3及び第4のサーモパイルセンサとを備えていることを特徴とする請求項1に記載の熱式センサ。
- 前記半導体基板は、密閉された容器に収納され、前記第1のサーモパイルセンサによって検出される温度から得られる出力電圧と、前記第2のサーモパイルセンサによって検出される温度から得られる出力電圧との差の変化を測定し、前記容器の状態変化を検出することを特徴とする請求項1に記載の熱式センサ。
- 前記半導体基板は、流体の流れる方向と、前記第1及び第2のサーモパイルセンサで形成される列の方向とが平行になるように前記流体の流路内に配置され、前記第1のサーモパイルセンサによって検出される温度から得られる出力電圧と、前記第2のサーモパイルセンサによって検出される温度から得られる出力電圧との差の変化を測定し、前記流体の有無又は流量を検出することを特徴とする請求項1に記載の熱式センサ。
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