JP2009079965A - 熱電対ヒータとこれを用いた温度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】熱電対を本来の温度センサとして用いるが、物理量を計測するための加熱用のジュール加熱によるヒータとしても動作させて、単純な構造で、高感度、高精度の熱伝導型センサ用の熱電対ヒータとこれを用いた温度計測装置を提供する。
【解決手段】基板１から熱分離した薄膜１０に熱電対を形成し、この熱電対を熱電対ヒータ部として電流を流して薄膜１０をジュール加熱できるようにした熱電対ヒータと、ジュール加熱を止めて、本来の温度差センサとしても動作させるようにする。温度差センサとして、熱電対を電流検出型熱電対として利用する。更に熱電対ヒータを用いて、少なくとも増幅回路、演算回路、制御回路を有する温度計測装置とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、温度差センサである熱電対をヒータとしても利用することに関し、気圧、真空度、流速、濃度、物質のエンタルピ変化などの物理量を計測できる熱伝導型のセンサに用いる熱電対ヒータと、この熱電対ヒータと組み合わせて熱伝導型センサを構成して、このセンサの周囲にある媒体の上記物理量に基づく温度変化を用いて、これらの被測定物理量を計測するための温度計測装置に関するものである。

従来、本出願人は、これまで宙に浮いた薄膜に、白金薄膜などの抵抗体を形成してヒータとする「電熱器」（特願昭５４−０２７５５９；特許第１３９８２４１号）を発明し、現在では、フローセンサや真空センサなどのマイクロヒータとして応用されている。更に本出願人は、半導体ダイオードをヒータとする「加熱ダイオード温度測定装置とこれを用いた赤外線温度測定装置および流量測定装置ならびに流量センシング部の製作方法」（特願2005-68266；特開２００６−２５０７３６）を発明した。そして、半導体ダイオードは温度センサとしても利用できるので、ヒータ兼温度センサとして利用することを提案した。その後、本出願人は、「温度差の検出方法、温度センサおよびこれを用いた赤外線センサ」（特願2004-026247；特開２００５−２２１２３８）や「電流検出型熱電対等の校正方法、電流検出型熱電対、赤外線センサおよび赤外線検出装置」(特願２００５−３３２３４１；特願２００６−５８２６０；特願２００６−２６２３４３；特願2006-300301）を発明して、一対の熱電対を用いて、従来の開放電圧を計測して温度差を計測するのではなく、熱電対の熱起電力に基づく短絡電流を計測した方がサーモパイルよりも感度が大きくなることを理論的にも示し、電流検出型熱電対と名づけた。この高感度の電流検出型熱電対は、熱型赤外線センサのように外部からの赤外線を受光し吸収して、その温度上昇分を計測するのにも利用できるが、フローセンサや薄膜ピラニ真空計に用いるときには、別にヒータを設ける必要があった。

一般に、基板に熱分離した薄膜において、加熱された薄膜は、加熱を止めるとニュートンの冷却の法則により、基板の温度（加熱される前の周囲温度）Tcと加熱された薄膜の温度Tとの温度差（T-Tc)に比例して放熱・冷却され、最終的には基板の温度に等しくなる。このように、加熱された物体の温度が周囲媒体へ熱伝導して、周囲媒体のそのときの熱伝導率に関係して温度上昇したり、温度降下したりするときの温度センサの温度変化を計測して周囲媒体の被測定物理量、例えば、流速、真空度、不純物濃度、エンタルピ変化などを計測するために用いる熱伝導型センサでは、絶対温度センサよりも基板の温度Tcと加熱された薄膜の温度Tとの温度差が重要である。

宙に浮いた薄膜に形成した絶対温度センサである温度感度の高いサーミスタなどは、基板と加熱した薄膜の温度差を計測するには、二個のサーミスタを用いて計測する必要がる。しかし、二個のサーミスタの特性のバラつきなどのために、基板温度を含めた周囲温度Ｔｃが変動するときに高精度に計測することは、極めて困難である。

温度差センサとして高感度であるサーモパイルでは、多数の熱電対を直列接続した構造なので、製作歩留まりが悪く、小型に作成することが困難であった。

また、熱伝導型センサを小型化と単純構造にするために、高感度の温度差センサで、ヒータとしても利用できるデバイスが求められていた。
特許第１３９８２４１号 特開２００６−２５０７３６号公報 特開２００５−２２１２３８号公報

本発明は、上述の問題点を解消するためになされたもので、電流検出型熱電対などの熱電対を温度センサとして用いるが、外部に別のヒータを用いなくとも、熱電対自体に電流を流し、ジュール熱による自己加熱によりヒータとしても動作させて、この熱電対を取り巻く環境媒体である気体や液体、また必要に応じて固体の流量、流速、真空度、濃度、放射線や赤外線量、液体や固体のエンタルピ変化などの物理量を計測するための加熱用のヒータとしても利用しようとするもので、単純な構造で高感度、高精度、さらに計測できる範囲を拡大できるような熱型センサである熱伝導型センサ用の加熱用ヒータとこれを用いた温度計測装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる熱電対ヒータは、基板１から熱分離した薄膜１０に熱電対が形成されているか、もしくは該薄膜１０の主体が熱電対となっていること、該熱電対を熱電対ヒータ部として電流を流して薄膜１０をジュール加熱できるようにしたこと、を特徴とするとするものである。

このように、熱電対は本来、温接点と冷接点との間の温度差ΔTを、この温度差ΔTにより発生する熱起電力Vを計測して、校正された温度差ΔTと熱起電力Vとの関係から温度差ΔTを求めるものであるが、本発明では、熱電対に電流を流し、熱電対の持つ内部抵抗でジュール熱による自己加熱をさせて、熱電対の周囲の媒体（気体、液体、固体）を加熱し、温度上昇させるようにしたヒータとして利用するものである。

本発明の請求項２に係わる熱電対ヒータは、熱電対への加熱通電を止めて、該熱電対を本来の温度差センサとして利用するように構成した場合である。

熱電対ヒータ部の加熱に必要な電力が一般に大きいので、その分、印加する電圧や電流が、熱起電力よりも極めて大きくなる。本発明では、例えば、アナログスイッチなどを利用して、熱電対への加熱通電を止めると共に、スイッチ切替をして、温度差センサとしての熱電対として、温度計測ができるようにしている。

本発明の請求項３に係わる熱電対ヒータは、薄膜１０に複数の熱電対を形成してあり、そのうちの少なくとも1つの熱電対が熱電対ヒータ部として動作するように構成した場合である。

薄膜１０に複数の熱電対が形成させてあるので、そのうちの一対は熱電対ヒータ部としてジュール加熱できるようにし、熱電対ヒータ部でジュール加熱しながら他の残りの熱電対を用いて薄膜１０内の箇所の温度差を求めても良いし、一対は熱電対ヒータ部を本来の熱電対としての動作が行えるように、熱電対ヒータ部の加熱を止めた後、スイッチ切替をして、今度は本来の温度差センサとして動作させるようにしても良い。

本発明の請求項４に係わる熱電対ヒータは、複数の熱電対を本来の温度差センサであって、それらの差動動作できるように結線して、薄膜１０内の箇所間、もしくは該薄膜１０外の箇所との温度差が計測できるように構成した場合である。熱電対では、本質的に温度差がなければ熱起電力が発生しないので、例えば、２対の熱電対間の差動動作できるように結線した熱電対間の微細な温度差を検出できる。

薄膜１０が、例えば、二つの薄膜である薄膜Aと薄膜Bとに分割されてあり、それぞれに熱電対が形成されていた場合には、一度、これらの熱電対を熱電対ヒータ部として動作させて、薄膜Aと薄膜Bとを加熱させておき、その後、ヒータ動作を止めて、今度はこれらの熱電対を本来の温度差センサである熱電対として、しかも薄膜Aと薄膜Bとの温度差を計測する差動動作できるように結線して動作させる。そのようにすれば、気体などの周囲媒体への熱伝導を反映して、薄膜Aと薄膜Bのそれぞれの温度が加熱停止後の時間経過と共に低下してゆくので、これらの所定の温度に到達するまでの時間の計測、熱時定数の計測、所定に時間経過後の温度やその変化分の計測などにより、周囲媒体の熱伝導に関連する被測定物理量、例えば、真空度、濃度、質量変化や流速などの計測をすることができる。

本発明の請求項５に係わる熱電対ヒータは、熱電対を電流検出型熱電対として動作させた場合である。

電流検出型熱電対は、上述のように本出願人が発明し、名づけたもので、熱電対の熱起電力に基づく短絡電流を計測して温度差を計測するものである。同一の温度差に対して、熱電対の内部抵抗rの値が小さい方が大きな短絡電流が流れるので、一般にゼーベック係数が大きく、電気抵抗率の小さく、かつ熱伝導度が小さい材料が望ましい。このことは、結局、熱電材料の性能指数Zが大きい材料が望ましいことに対応する。実際には、熱電対の一方の導体として、半導体の集積回路と組み合わせる場合は、熱伝導度は大きいが、シリコン（Si）単結晶基板を用いることが多く、Siが有利である。この場合は、可能な限り不純物を添加して抵抗率を小さくさせたｎ型Siが、p型よりも抵抗率が小さくできるので、有利である。他方の熱伝導体としては、金属薄膜が抵抗値が小さくなるので望ましい。もちろん、熱電対として熱電材料の性能指数Zが大きい材料である、BiTeやBiSe系などの化合物半金属を用いるのも良い。

熱電対の熱起電力に基づく短絡電流を計測するには、OPアンプの入力端子の仮想短絡を利用すると良い。

本発明の請求項６に係わる温度計測装置は、上述の請求項１から５のいずれかに記載の熱電対ヒータを用いたこと、該熱電対ヒータの熱電対ヒータ部の熱電対もしくは他の熱電対の周囲の熱伝導環境に基づく温度変化を計測するに必要な増幅回路、演算回路と制御回路とを少なくとも具備したこと、を特徴とするものである。

本発明の温度計測装置の増幅回路は、温度差センサとしての熱電対の温度差情報の信号を増幅する回路が主であり、演算回路は、その中にあるメモリ回路と組み合わせて、熱電対の温度差情報から周囲媒体の被測定物理量を算出することを主にした回路である。また、制御回路は、熱電対の温度差センサ動作と熱電対のヒータ動作との切替制御、ヒータ動作時の温度制御やヒータのパルス駆動時の通電時間と間隔などの制御を行う回路である。

本発明の熱電対ヒータでは、薄膜に極めて小型にできる薄膜熱電対が形成できること、この小型の熱電対をヒータとしても動作できるので、極めて小型の熱伝導型センサが提供できるという利点がある。

本発明の熱電対ヒータでは、一個の超小型カンチレバ状の薄膜にも複数の薄膜熱電対を形成し、それらの幾つかの薄膜熱電対を利用し、そのうちの一対の熱電対でジュール加熱動作を行わせておき、更に、その加熱動作を行わせながら、残りの複数の薄膜熱電対を利用してそれらの差動動作の結線により、超小型カンチレバ内の温度分布をも計測することができるという利点がある。

本発明の熱電対ヒータでは、複数の超小型カンチレバ状の薄膜に、それぞれ一対の薄膜熱電対をそれぞれ形成し、そのうちの1個の超小型カンチレバ状の薄膜に形成した一対の薄膜熱電対を熱電対ヒータ部として動作させるように構成し、他の超小型カンチレバに形成した薄膜熱電対を利用して、それらの差動動作により、熱電対ヒータ部を形成した超小型カンチレバを取り囲む超小型カンチレバ間の温度差を計測することにより、媒体の微細な被計測物理量の変化を計測できるという利点がある。

本発明の温度計測装置では、熱電対を本来の温度差センサとして使用すると共に、ヒータとしても動作できるようにしているので、構造が単純で、超小型の熱伝導型センサとなりえる。このことは、その分、小型で安価な温度計測装置が提供できるという利点がある。

以下、本発明の熱電対ヒータは、成熟した半導体集積化技術とMEMS技術を用いて、シリコン（Si）基板で形成できる。このシリコン（Si）基板を用いて製作した場合の図面を参照して、実施例に基づき詳細に説明する。また、本発明の熱電対ヒータを用いた温度計測装置は、そのブロック図を用いて説明する。

図１は、本発明の熱電対ヒータの一実施例を示し、熱伝導型センサチップ１００部分（平面概略図）とその熱電対２４を熱電対ヒータ部２５として動作させる場合と、本来の熱電対２４の温度差センサ２０としても動作させるための回路図例も示している。図２には、図1のX-Ｘ線に沿った熱伝導型センサチップ１００の横断面図の概略図を示している。回路図としては、スイッチS1とＳ2とを連動してあり、共に熱電対をヒータとして動作させる場合のスイッチの状態を示してある。ここでは、基板１としてSOI基板を用いて実施した場合であり、基板１からの熱分離のために宙に浮いた構造にしてある薄膜１０は、基板１に空洞４０によりカンチレバ１５として形成した構造になっている。そして、熱電対２４がp型シリコン（Si）単結晶からなるSOI層１１に形成したカンチレバ１５の主材料になるようにした場合である。熱電対２４の熱電対導体として、一方の熱電対導体120ａをSOI層１１に縮退するほど高濃度に不純物拡散して形成したｎ型拡散領域２１としてあり、他方の熱電対導体120ｂをSOI層１１上の熱酸化したシリコン酸化膜５０を介して、例えば、コバルト（Co）とニッケル（Ni）の重ねた二重層とした場合を示している。

図1には、更に熱伝導型センサチップ１００には、その基板１の絶対温度を検出するための温度センサ２００として、ｐｎ接合ダイオード２３を搭載している様子も示しており、ｐｎ接合ダイオード２３を絶対温度センサとしてのダイオードサーミスタやサーモダイオードとして動作させることもできる。この温度センサ２００は、熱電対２４を熱電対ヒータ部２５として加熱動作させる前の周囲媒体の温度Tcと考えることができる。また、図1に示すスイッチS1とスイッチS2の状態で、熱電対２４を、電源Eを用いて、例えば、所定の温度にジュール加熱した後、加熱を止めて、次に温度差センサとして動作させたときには、熱電対２４の冷接点がｐｎ接合ダイオード２３が形成されている基板1に形成されてあり、この基板1の温度を基準（冷接点）として、カンチレバ15の先端部にある熱電対２４の接合部（オーム性コンタクト２９）が温接点となっているので、これらの温度差ΔTをカンチレバ15の熱電対２４で計測することになる。温度差センサとしての電流検出型熱電対の動作は、スイッチS1とS2とを共に図1に示す状態の反対側に倒して、熱電対２４を演算増幅器（OPアンプ；図1ではOPと表示）の入力端子の仮想短絡を利用して、熱起電力を短絡電流に変換して行う。この短絡電流は、OPアンプの帰還抵抗Ｒｆの電圧降下による出力電圧V₀に変換する形で温度差検出する。ここでは、スイッチS1をOPアンプの非反転入力端子に接続するようにしてあり、ここには電流が流れないので、スイッチS1の接触抵抗の大きさが問題にならないような接続方法にしている。なお、図1において、熱電対２４は薄膜熱電対として形成してあり、その温度差センサとしての動作や熱電対ヒータとしての動作のための熱電対２４の電極パッド７０a、７０ｂは、熱電対２４を構成する二つの熱電対導体１２０a, １２０bから引き出している。また、配線１１０を用いて、熱電対２４の温度差センサとしての動作や熱電対ヒータ部としての動作のための制御回路、信号の増幅回路および加熱用の電源供給回路であるOPアンプやスイッチS1,S2を含む回路と熱伝導型センサチップ１００とを結んでいる。

次に、本発明の熱電対ヒータを用いた図1および図2を参照して、熱電対24をヒータとして利用する熱電対ヒータ部２５としての動作と、熱電対24の本来の温度差センサ２０としての動作をさせて、薄膜ピラニ真空センサに応用した場合の一実施例を簡単に述べる。熱電対24を熱電対ヒータ部２５として動作させるのに、図1の回路図のスイッチS1とスイッチS２とを図1に示してあるように倒し、直流電源Eからの電圧Vを調整して熱電対ヒータ部２５の電流Iを流す。図1の回路図のOPアンプの出力電圧V₀は、帰還抵抗RfをスイッチS２により短絡してあるので、出力電圧V₀が熱電対ヒータ部２５に印加される電圧Vに等しい値を示す。したがって、出力電圧V₀の読みを見ながら所定の電圧Vに調整すると良い。実験に依れば、カンチレバ１５の長さが約１ｍｍの場合は、その熱時定数τが約５０ｍｓ（ミリ秒）であり、熱電対24である熱電対ヒータ部２５の抵抗は、２０Ω程度であり、熱電対ヒータ部２５を基板１の温度から１０℃温度上昇させるには、1気圧の空気の下では、約１０mＷ（ミリワット）の電力を供給すればよいことが分かっている。したがって、熱電対ヒータ部２５への印加電圧Vが０．４５V印加して、熱電対ヒータ部２５が形成されているカンチレバ１５の先端部を1気圧の状態で約１０℃温度上昇させておく。次に、連動のスイッチS1およびスイッチS２を図1に示してあるときとは反対側に倒すことにより、熱電対ヒータ部２５への電力供給を止め、熱電対24を温度差センサ２０として動作させる。そして、その電力供給停止のスイッチ動作から、例えば、丁度、ｔ_０＝５０ｍｓ経過後の熱電対24である温度差センサ２０の温度差ΔTを計測する。次に種々の被測定物理量である周囲気体の真空度状態で熱電対ヒータ部２５に所定の一定電力（例えば、1気圧で約１０℃上昇させるために必要な電力である１０mＷ一定を供給）を供給して、その度毎に、ｔ_０＝５０ｍｓ経過後の熱電対24である温度差センサ２０の温度差ΔTを計測して、そのときの真空度を予め用意してある校正曲線を用いて計測する。校正曲線は半導体メモリに入れておき、これを利用して演算回路で算出すると良い。

熱電対ヒータ部２５への所定の一定電力供給、例えば、P＝１０mＷ一定、時の高真空度の下と低真空度の下で、十分加熱されて飽和状態になった後に、加熱を止めた直後の基板１とカンチレバ１５の先端の温度差ΔT_０（高真空度での温度差ΔT_h０、低真空度での温度差ΔT_l０）と、その後のそれぞれの冷却されて行く状態の概要を示す冷却曲線を図3に示す。熱電対ヒータ部２５への所定の一定電力供給で加熱された熱電対ヒータ部２５において、同一の雰囲気ガスで、同一の真空度の下では、定まった温度上昇分ΔTとなり、高真空度の下では、熱電対ヒータ部２５からの周囲気体への熱の逃げが小さくなるので、その分、温度上昇分ΔT_ｈ０が大きくなると共に、冷却の熱時定数τ_ｈも大きくなるから、所定の一定時間ｔ_０経過後の基板１からの温度差分ΔT_ｈも高い状態である。しかし、真空度が低下すると（低真空度の下）、熱放散が大きくなるので、熱電対ヒータ部２５の温度上昇分ΔT_ｌ０も小さくなると共に、熱時定数τ_ｌも小さくなり、所定の一定時間ｔ_０経過後の温度差分ΔT_ｌ０も非常に小さくなる。このように、所定の一定電力供給の下では、熱電対ヒータ部２５の温度上昇分ΔTと所定の一定時間ｔ_０経過後の熱電対ヒータ部２５の基板１からの温度差分ΔTが真空度の関数であり、更に、その温度差分ΔTの低下傾向に拍車がかかり、差が広がる方向であるので、真空度計測には好都合である。

前述では、本発明の熱電対ヒータを薄膜ピラニ真空センサに応用した場合の一実施例を示したが、これを例えば、封止したパッケージ内の熱型赤外線センサの真空度チェックに用いることもできる。図1および図2に示したように熱型赤外線センサの受光部をカンチレバ１５とし、ここに赤外線吸収膜を形成してターゲットからの赤外線による昇温（ターゲットの温度が受光部より高いとき)や降温（ターゲットの温度が受光部より低いとき)に基づく受光部の温度変化を、受光部に形成した熱電対２４で検出する。熱電対２４として電流検出型熱電対とした方が高感度になる。もちろん、サーモパイルにしても良い。これが熱型赤外線センサとしての動作である。パッケージの内部の真空度が高いと受光部からの熱の逃げがカンチレバ15を通しての基板1への熱の逃げのみになるから高感度の熱型赤外線センサが達成される。しかし、真空度が低くなると周囲気体への熱放散が激しくなり、赤外線吸収による温度上昇が低下するので、赤外線受光感度が低下する。安定した赤外線センサとして動作させるには、この真空度のチェックが必要となる。このためには、上述の薄膜ピラニ真空センサとしての動作をさせると良い。すなわち、熱電対２４に所定の電流を流しジュール加熱して、そのときの所定の時間経過後の基板１から温度差ΔTを計測してその大きさが初期の状態から低下しているかどうかで、真空度のチェックができる。真空度が低下していれば、その分、温度差ΔTが小さくなる。熱電対２４として、図1に示すように電流検出型熱電対が好適である。

図１および図２に示した本発明の熱電対ヒータにおける熱伝導型センサチップ１００の製作工程において、基板１のSOI層１１（ｐ 型）を用いた場合、温度センサ２００であるｐn接合ダイオードや、温度差センサ２０としての熱電対２４及びその熱電対ヒータ部２５およびカンチレバなどは、公知のMAEMS用の半導体微細加工技術により容易に形成できるので、詳細説明は省略する。

図４は、本発明の熱電対ヒータに関し、熱電対ヒータ部２５を有する熱伝導型センサチップ１００とその熱電対の配線を含む他の一実施例を示す平面概略図である。ここでは、上述の実施例１と同様に基板１としてp型のSOI基板を用いて実施した場合であり、基板１からの熱分離のために宙に浮いた構造にしてある薄膜１０は、3個あり、それぞれ薄膜の熱電対２４から成り立っているが、中央の薄膜１０は熱電対２４を熱電対ヒータ部２５として動作させるようにした場合である。熱電対ヒータ部２５では、熱電対でありながらジュール加熱するので、例えば、５０mＡもの電流を流すので、中央の熱電対ヒータ部２５の両側にある2個の薄膜10は熱電対24の熱起電力とそれに伴う短絡電流（電流検出型熱電対として使用するときの温度差検出電流）に、その影響が及ぼさないように、SOI層１１に、BOX層５１（この図４には示していないが、同等なカンチレバ1５を有する構造の横断面図である図２には示してある）にまで到達する溝４１を形成して、中央の薄膜１０の熱電対ヒータ部２５とその両側の2個の薄膜１０に形成した熱電対２４とは電気的に分離するようにしてある。3個のそれぞれの薄膜10に形成してある熱電対２４の構造とその作用は、1個の薄膜10を示した上述実施例１の図1および図2と概略同一であるので、ここでは説明を省略する。

本発明の熱電対ヒータの実施例の図４に示す3個の薄膜10を有する熱電対ヒータは、例えば、気体や液体のフローセンサとして利用できる。例えば、3個の薄膜10の中央の薄膜10の熱電対ヒータ部２５をジュール加熱して、流体の流れ(フロー)がない状態で周囲環境温度Tcよりも10℃だけ温度上昇させるように一定電力の供給制御をする。中央の薄膜10の熱電対ヒータ部２５に対して対称な位置に、同等な２個の薄膜10が形成してあるので、この流れがないときには、熱電対ヒータ部２５の両側の薄膜10の熱電対２４は温度上昇が等しいが熱電対ヒータ部２５から離れているので、10℃よりも小さい温度上昇をしている。流れを発生させると（図４中の矢印方向）、中央の薄膜10の熱電対ヒータ部２５に対して上流側の薄膜10の熱電対２４は、周囲環境温度Tcの流体が流れてくるので、その温度は低められるが、熱電対ヒータ部２５の熱を少しは受けているので、周囲環境温度Tcよりは高い温度になっている。しかし、下流側の薄膜10の熱電対２４は、熱電対ヒータ部２５の熱を貰うので、流れがないときに比べて温度上昇する傾向にある。したがって、上流側の熱電対２４と下流側の熱電対２４とを温度差の出力が得られるように、それらの電極パッド７０ｂ同士を、外部の配線１１０を用いて短絡し端子Ｃを形成し、また、外部の配線１１０を用いて、それぞれの電極パッド７０aと電極パッド７０aからそれぞれ端子Ｂと端子Aと形成する。上流側の熱電対２４と下流側の熱電対２４との温度差の出力は、端子Ｂと端子A間で計測できるし、上流側の熱電対２４の出力は端子Ｂと端子Ｃ間で、下流側の熱電対２４の出力は端子Ｃと端子A間で計測できる。これらの出力は、流体の流れ(フロー)の速度、又は、質量流量との関数となり、校正曲線を用いて流体の流れ(フロー)の速度、又は、質量流量に換算計測する。

上述では、流体の流れ(フロー)の速度、又は、質量流量を計測するときに、熱電対ヒータ部２５に対して、上流側と下流側のそれぞれの温度差センサ２０である熱電対２４を用いて、流れに伴うそれら温度差を用いたが、熱電対ヒータ部２５のジュール加熱を周期的に行い、上流側と下流側のそれぞれの温度差センサ２０に到達する時間差を利用しても良いし、更に微細な流量を検出するには、上流側と下流側の温度差センサ２０に到達する温度上昇又は降下の位相差を検出するようにしても良い。

上述では、一定電力供給によるジュール加熱の例を示したが、熱電対ヒータ部２５が周囲環境温度Tcに対して、一定温度差になるような制御をするとか、一定の電流や電圧の印加によるジュール加熱の方法を用いても良い。

図４では、基板１の温度を計測する温度センサ２００を図示していないが、図1と同様に熱伝導型センサチップ１００に、温度センサ２００であるｐｎ接合ダイオード２３やショットキダイオード、更には、トランジスタなどを形成しておき、これを周囲環境温度Tcの計測用として利用することができる。

図5に、本発明の熱電対ヒータに関し、熱電対ヒータ部２５を有する熱伝導型センサチップ１００の他の一実施例を示す平面概略図である。ここでは、空洞４０にカンチレバ１５として基板１０から飛び出した構造の薄膜１０を薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとに二分割した場合であり、薄膜１０Ｂが薄膜１０Ａから熱抵抗部４５を介してカンチレバ１５状に飛び出し、更に、薄膜１０Ａも基板１から熱抵抗部４５を介してカンチレバ状に飛び出した構造になっている。そして、熱抵抗部４５は、共に薄膜１０に形成したスリット４２により幅が狭い構造で、基板1への熱伝導を小さくして、温度変化が大きくなるようにしている。薄膜１０Ａには、薄膜の熱電対２４が形成され、熱電対ヒータ２５として動作できるようにしてある。また、薄膜１０Bに形成した熱電対２４は、電流検出型熱電対としてのうち薄膜１０Ａに近い方のオーム性コンタクト２９を設け、そこから基板１に向かって、熱電対２４の熱電対導体１２０ｂと同一金属材料である配線１１０により電極パッド７１aに導いているので、薄膜１０Bに形成した熱電対２４は、ほぼ、薄膜１０Ａに形成した熱電対ヒータ部２５の温度を基準（ヒータ近くなので、一般には、温接点となる）として、そこからカンチレバ１５の先端部にある薄膜１０Bに形成した熱電対２４の冷接点となるオーム性コンタクト２９までの温度差を計測することになる。 薄膜１０Bに形成した熱電対２４は、電極パッド７１aと電極パッド７１ｂとを用いて、電流検出型熱電対として動作させると、高感度に温度差を検出することができる。

本発明の実施例３の熱電対ヒータでの図５に示す構造では、ピラニ型薄膜真空センサに応用した場合の動作を説明すると次のようである。宙に浮いた薄膜１０Ａに形成されている熱電対ヒータ２５で、薄膜１０Ａをジュール加熱したとき、高真空度、例えば、１０^−５Ｐａにおいて、周囲環境温度Ｔｃよりも例えば１００℃程度高い温度になるように、一定電力供給するように加熱制御する。このとき、薄膜１０Ｂは、薄膜１０Ａからカンチレバ状に飛び出した構造であること、さらに、１００℃程度では、輻射による熱放射は極めて小さいので、高真空度の下では、薄膜１０Ｂと薄膜１０Ａの温度とは、ほぼ等しい温度となる。すなわち、高真空度では、薄膜１０Ｂと薄膜１０Ａとの温度差は、ほぼゼロとなり、薄膜１０Ｂの熱電対２４の熱起電力がゼロで、したがって、これ電流検出型熱電対として使用すれば、その短絡電流もゼロとなる。このように、薄膜１０Ｂの熱電対２４として、薄膜１０Ａを基準とした温度差のみ計測する電流検出型熱電対を使用すると、ゼロ基準法が適用できるので、特に高真空度において高精度に真空度が計測できる。なお、薄膜１０Ａの温度は、熱電対ヒータ２５の加熱を止めて、その直後の温度や時間経過後の温度を熱電対ヒータ２５を本来の熱電対として動作させることにより、加熱中の温度を知ることができる。

上述では、薄膜１０Ａの温度を熱電対ヒータ部２５への一定電力供給によりほぼ１００℃一定に維持して、ピラニ型薄膜真空センサとして、実施する場合を述べたが、薄膜１０は、極めて熱容量が小さいので、その熱時定数が例えば、２０ミリ秒程度となる。このような薄膜１０を用いているので、熱電対ヒータ部２５に流す電流も５０ミリ秒程度の矩形波パルスでも充分応答する。したがって、一般に周囲温度の変化は緩慢なので、このような短いパルス電流で周期的に薄膜１０Ａの温度を、例えば、１００℃程度に上昇させることもできる。また、基板１の絶対温度を測定する温度センサを省略したが、例えば、ｐｎ接合ダイオードを基板１に形成しておき、これを用いても良い。

また、上述の実施例３の図５においては、薄膜１０Ｂの熱電対２４として、薄膜１０Ａの温度を基準にするような構造にしているが、これに対して基板１を基準にすることもできる。このような場合は、図５の薄膜１０Ｂの熱電対２４のｎ型拡散領域２１を基板１まで延ばす構造にし、そこにもオーム性コンタクト２９と電極を形成しておき、基板１を基準にするときには、基板１に形成したその電極と電極パッド７１ｂとを用いて、基板１の温度と薄膜１０Ｂの先端部の温度との温度差を計測するようにしても良い。高真空度状態では、上述のように、薄膜１０Ｂの温度と薄膜１０Ａとは同一になるので、基板１からの薄膜１０Ｂの温度を測定して、薄膜１０Ａをジュール加熱しながら薄膜１０Ａの温度を、上述のように100℃一定に保持するように制御することができる。

なお、上述の各実施例において、熱電対２４は、一方の熱電対導体１２０aをｐ型のＳＯＩ層１１にｎ型不純物（例えば、リンＰ）を縮退するほど高濃度に熱拡散などで添加した薄膜層とし、他方の熱電対導体１２０ｂとして、シリコンの異方性エッチング時に使用するヒドラジンに耐久性があるニッケル（Ｎｉ）やコバルト（Ｃｏ）などの薄膜層を用いると良い。また、実施例３における図５の薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとは、ｐ型のＳＯＩ層１１で形成してあり、一方の熱電対導体１２０aはそこに形成したｎ型であるので、ｐｎ接合が形成されており、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂに形成されている熱電対は互いに電気的分離がなされている構造となっている。また、Ｎｉはｎ型半導体と逆符号のゼーベック係数であることにより好適である。しかし、ｎ型半導体のゼーベック係数が、Ｎｉのゼーベック係数より桁違いに大きいので、ｎ型半導体のゼーベック係数と同一符号であるアルミニウム（Ａｌ）を使用してもそれほど変わらない。ヒドラジンなどの異方性エッチャントを用いずＤＲＩＥによる薄膜１０の形成では、アルミニウム（Ａｌ）を使用しても差し支えない。ＡｌはＩＣ技術では、配線材料として多く利用されているので、集積化の目的では、配線１１０や熱電対導体１２０ｂをアルミニウム（Ａｌ）としても良い。

上述の実施例では、基板１からの熱分離のために宙に浮いた構造にしてある薄膜１０として、カンチレバ１５を用いていたが、必ずしも、カンチレバ１５である必要はなく、空洞４０を橋架する両端支持の橋状であっても、また、空洞４０の上に形成したダイアフラム構造であっても良い。

図６に、本発明の熱電対ヒータを用いた温度計測装置の一実施例を示すブロック概略図を示す。ここには、温度計測装置の熱電対ヒータ、熱電対の周囲の熱伝導環境に基づく温度変化を計測するに必要な増幅回路、制御回路と演算回路とを少なくとも具備した基本部を破線で囲った部分に示し、電源部や被測定物理量の表示部をも含む温度計測装置の全体のブロック概略図を示している。増幅回路、制御回路、演算回路、電源部や表示部は、従来の技術で達成されるので、ここでは、その詳細は省略した。

本発明の熱電対ヒータとこれを用いた温度計測装置は、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうる。

本発明の熱電対ヒータは、気体や液体の流量、流速、特定物質の濃度、真空度、更に熱分析による材料のエンタルピ変化などの物理量を、温度変化として高感度で、しかも高精度で計測するための熱伝導型センサに用いられる。例えば、本発明の熱電対ヒータをピラニ型薄膜真空センサに適用した場合、カンチレバ状の宙に浮いた薄膜に温度差のみを高感度で、しかも高精度で検出する、超小型の電流検出型熱電対が使用できるので、１個の熱電対ヒータと１個の温度差センサだけで、または、この１個の熱電対を、熱電対ヒータと温度差センサとの兼用にした1個だけで、極めて広帯域、特に高真空側に測定域を延ばした真空センサとして利用できる。更に、ゼロ基準測定法により極めて微小な温度差を検出できるので、微量の特定ガスなどの濃度や微流量計測に適する。また、本発明の熱電対ヒータを搭載した温度計測装置は、制御系を含み、例えば、真空計や流速計、熱分析装置などに好適である。

本発明の熱電対ヒータの一実施例を示す平面概略図である。（実施例１） 本発明の熱電対ヒータの図１におけるX-Ｘ線に沿った熱伝導型センサチップの横断面図の概略図である。（実施例１） 本発明の熱電対ヒータにおける熱電対ヒータ部への所定の一定電力供給後の冷却曲線の概略図である。（実施例１） 本発明の熱電対ヒータの他の一実施例を示す平面概略図である。（実施例２） 本発明の熱電対ヒータの他の一実施例を示す平面概略図である。（実施例３） 本発明の温度計測装置のブロック概略図を示している。（実施例４）

符号の説明

１ 基板
１０、１０A、１０B 薄膜
１１ ＳＯＩ層
１２ 下地基板
１５ カンチレバ
２０ 温度差センサ
２１ ｎ型拡散領域
２３ ｐｎ接合ダイオード
２４ 熱電対
２５ 熱電対ヒータ部
２９ オーム性コンタクト
４０ 空洞
４１ 溝
４２ スリット
４５ 熱抵抗部
５０ シリコン酸化膜
５１ BOX層
７０ａ、７０ｂ 電極パッド
７１ａ、７１ｂ 電極パッド
１００ 熱伝導型センサチップ
１１０ 配線
１２０a, １２０b 熱電対導体
２００ 温度センサ

Claims (6)

1. 基板（１）から熱分離した薄膜（１０）に熱電対が形成されているか、もしくは該薄膜（１０）の主体が熱電対となっていること、該熱電対を熱電対ヒータ部として電流を流して薄膜（１０）をジュール加熱できるようにしたこと、を特徴とする熱電対ヒータ。
2. 熱電対への加熱通電を止めて、該熱電対を温度差センサとして利用するように構成した請求項１記載の熱電対ヒータ。
3. 薄膜（１０）に複数の熱電対を形成してあり、そのうちの少なくとも1つの熱電対が熱電対ヒータ部として動作するように構成した請求項１又は２のいずれかに記載の熱電対ヒータ。
4. 複数の熱電対を、温度差センサの差動動作ができるように結線して、薄膜（１０）内の箇所間、もしくは該薄膜（１０）外の箇所との温度差が計測できるように構成した請求項３に記載の熱電対ヒータ。
5. 熱電対を電流検出型熱電対として動作させた請求項１から４のいずれかに記載の熱電対ヒータ。
6. 請求項１から５のいずれかに記載の熱電対ヒータを用いたこと、該熱電対ヒータの熱電対ヒータ部の熱電対もしくは他の熱電対の周囲の熱伝導環境に基づく温度変化を計測するに必要な増幅回路、演算回路と制御回路とを少なくとも具備したこと、を特徴とする温度計測装置。

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