JP2010048726A - 加熱励振を利用した熱伝導型気圧センサ - Google Patents

Abstract

【課題】従来の薄膜を振動させる励振手段である静電引力駆動と共振を利用しなくても済む、単純な構造と回路構成となる熱伝導型気圧センサを提供する。
【解決手段】カンチレバ状の薄膜に、薄膜温度センサと加熱手段および励振手段を設けてあり、薄膜ヒータの加熱手段による間欠加熱時の薄膜を構成する主たる二層の熱膨張の違いに基づく反り曲がりを利用して励振手段にしたこと、主たる二層として熱膨張係数に非常に大きな差があるシリコン層とシリコン熱酸化膜を使用する。
【選択図】図２

Description

本発明は、基板から熱分離した加熱できる薄膜を振動させるようにした熱伝導型気圧センサにおいて、特に１気圧またはそれ以上の気圧においても、振動により気流を発生させて、高感度に真空度を含む気体圧力を計測できるようにした熱伝導型気圧センサに関する。

加熱した薄膜やワイヤなどの物体から周囲気体への熱伝導によるその物体の温度変化から真空度などの雰囲気気体の気圧を計測する熱伝導型気圧センサにおいては、一般に、加熱した物体とヒートシンクまでとの距離および気体の平均自由行程との関係で、気圧が真空から1気圧程度に高くなると、気圧の変化に対して熱伝導による熱の逃げの変化がほとんどなくなり、従って、感度がほとんどなくなるという問題があった。

本発明者は、先に、熱伝導型気圧センサとしての薄膜ピラニ真空センサの薄膜を振動させて気流を発生させることで、加熱された薄膜からの熱の逃げを促進させることにより、1気圧またはそれ以上の気圧においても高感度に真空度を含む気体圧力を計測できるようにした熱伝導型気圧センサを発明した（特許文献１）。
特許公開２００７−５１９６３

しかしながら、従来は、薄膜を振動させる励振手段として静電引力を利用していた。このために励振用電極を薄膜に近接して設ける必要があり、実際には、構造的に複雑で製作困難であった。

また、従来の薄膜を振動させる励振手段では、共振を利用しており、小さな電力で大きな振幅が得られ、大きな気流を発生させるには好都合であったが、励振のタイミングが一致する必要があり、位相調整など回路的にも複雑であったので、もう少し単純な構造で、さらに単純な回路構成であることが望まれていた。

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、本発明の請求項１に係わる熱伝導型気圧センサは、基板から熱分離した薄膜に、少なくとも１個の薄膜温度センサとこの薄膜を昇温させる加熱手段および前記の薄膜を振動させる励振手段を具備した熱伝導型気圧センサにおいて、前記薄膜は、少なくとも膨張係数の異なる二層以上の薄膜からなり、前記励振手段として、前記加熱手段による間欠加熱時の前記薄膜を構成する主たる二層の熱膨張の違いに基づく反り曲がりを利用するようにしたことを特徴とするものである。

例えば、バイメタルのように、カンチレバ型の熱膨張係数の大きく異なる少なくとも二層からなる基板から熱分離してある薄膜があり、この薄膜に設けた薄膜ヒータのジュール加熱などで、薄膜を加熱したときに薄膜は熱膨張係数の大きい方の層が余計伸びるので、薄膜は反り曲がる。加熱が続けば温度上昇は飽和するので、反り曲がりは一定に落ち着く。しかし、加熱を止めると薄膜は冷却されて元の温度に戻るので、反り曲がりは加熱前の状態に戻ってゆく。このように、加熱冷却時に反り曲がりが繰り返すので、周囲気体の気流の発生には間欠的に加熱冷却を繰り返す必要がある。

間欠的に加熱冷却の周期は、薄膜加熱の熱時定数程度が望ましい。この周期は薄膜の共振周波数の周期とは必ずしも一致しない。

本発明の請求項２に係わる熱伝導型気圧センサは、薄膜として、シリコンとシリコン酸化膜の主たる二層を含み、これらのシリコンとシリコン酸化膜との熱膨張係数の違いを利用した場合である。

カンチレバ型の膨張係数の大きく異なる少なくとも二層の材質として、SOI層などのシリコン層（Si層）とSOI層の下部のシリコン酸化膜（BOX層）を利用した場合である。一般にSOI層のシリコン酸化膜（BOX層）は、石英薄膜であり、極めて熱膨張係数が小さい。したがって、BOX層が付いたままのSOI層をカンチレバとして形成すると、SOI基板を形成したときの高温でのSOI層（Si層）が伸びた状態で固定されていたので、SOI層は物理的にカンチレバとして自由になると室温での収縮状態になり、SOI層側にカンチレバが反り返る状態になる。そのために、SOI層の下のBOX層とは反対側表面にもシリコン酸化膜を成長させて、伸びのバランスを取り、曲がらないカンチレバにすることが多い。本発明では、SOI層のBOX層とは反対側表面にもシリコン酸化膜を成長させても、BOX層よりは充分薄く成長させて、反り曲がりを残すようにして、熱膨張によるバイメタル効果が大きくなるような構造にしてあり、加熱手段による薄膜の加熱時には、大きく反りが変化するようにしている。

本発明の請求項３に係わる熱伝導型気圧センサは、加熱手段に薄膜ヒータを用いた場合である。

薄膜ヒータとして、金属薄膜や拡散抵抗、更には、ｐｎ接合などの接合を持つダイオードの順方向電流による加熱を利用することができる。また、トランジスタのコレクタ抵抗を利用して薄膜ヒータとしても良い。

本発明の熱伝導型気圧センサでは、熱膨張係数が異なる少なくとも二層がバイメタルのように重なる構造にしておくことにより、加熱手段の間欠加熱が励振手段となるので、極めて単純な構造になるので、大量生産に適し、安価で高感度の熱伝導型気圧センサが提供できるという利点がある。

真空を含む気圧に変動があるとそのときの共振周波数が変化することになるので、共振を利用すると自励発振回路や位相検出とその調整などが必要となる。 これに対して本発明の熱伝導型気圧センサでは、薄膜ヒータの熱時定数を考慮した加熱冷却の繰り返しだけで済むので、単純な回路構成で済むという利点がある。

本発明の熱伝導型気圧センサでは、一般にシリコン（Si）基板のMEMS技術による熱分離した薄膜は、SOI基板を利用するので、特別の構造や材料を新たに設ける必要が無い。従って、シリコン（Si）とシリコン酸化膜（SiO₂）を主たる二層で基板から熱分離した薄膜を構成することで、極めて熱膨張係数の大きなSiと極めて熱膨張係数の小さな二層の組み合わせが可能なので、安価に高感度の熱伝導型気圧センサが提供できる。

SOI基板を利用し、このSOI層であるSi層とそのBOX層であるSiO₂層を主たる二層とするMEMS技術により基板から熱分離した薄膜としてのカンチレバ状に形成する。温度センサとして、温度差センサであるｎ型Si薄膜層と金属薄膜とからなる薄膜熱電対を利用する。ｐ型のSOI層を用意し、SOI層であるSi層にｎ型の高濃度不純物を添加しておき、低抵抗のｎ型Si薄膜層とその上にBOX層であるSiO₂層よりも極めて薄いSiO₂膜を形成して、更にその上にニッケル（Ni）などの金属薄膜を形成して、カンチレバ先端にｎ型Si薄膜層と金属薄膜との接触部分を形成した薄膜熱電対を利用する。特に薄膜熱電対を電流検出型熱電対として利用すると高感度で好適である。加熱手段としてカンチレバの支持部に近い側に、例えば、ニクロム薄膜の薄膜ヒータを設ける。または、加熱手段としてカンチレバの支持部に近い側に、例えば、薄膜熱電対をもう１つ設けておき、これをカンチレバ先端の温度変化検出用の前記の熱電対の基準の温度を検出するための熱電対として利用する（カンチレバの支持基板とこの熱電対を構成するｎ型Si薄膜層と金属薄膜との接触部分との温度差を計測することができる）と共に、薄膜ヒータとしても利用することができる。これらの加熱手段を用いて、薄膜カンチレバの熱時定数近くの加熱時間で薄膜カンチレバを加熱する。冷却時間は任意に選ぶことができるが、加熱冷却を薄膜カンチレバの熱時定数近くの周期で繰り返し加熱することにより、SOI層であるSi層とBOX層であるSiO₂層を主たる二層とするバイメタル構造の熱膨張による反り曲がりを利用した励振手段とするとよい。このようにして、薄膜カンチレバを振動させて周囲の気体に気流を発生させて、加熱した薄膜カンチレバからの熱の逃げを促進して１気圧やそれ以上の気圧においても高感度に気圧が計測できるようにする。

図１は、本発明の熱伝導型気圧センサに関し、ＳＯＩ層を有する基板１を用いて作成し、更に熱電対ヒータ部２５を有する熱伝導型センサチップ１００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ＳＯＩ層（Ｓｉ層）とその下にあるシリコン酸化膜層（ＳｉＯ_２膜からなるＢＯＸ層）とを主たる二層とした薄膜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２４a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２４b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２４b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２４b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２４b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２４ｂ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。

本発明の熱伝導型気圧センサにおける図１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、間欠の矩形波電流パルスを流し加熱制御する。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２４b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２４b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。

薄膜１０の熱時定数は、熱容量が小さいので、例えば、２０ミリ秒程度と小さくなる。この場合、薄膜１０Ａの温度を熱電対ヒータ部２５への矩形波電流供給によりほぼ１００℃になるように、矩形波電流を熱時定数ミリ秒より少し長めの３０ミリ秒程度流し、また、３０ミリ秒程度の時間間隔だけ電流供給を止めて、冷却期間とする。このような繰り返しの間欠電流加熱により、薄膜１０の加熱冷却を繰り返すと、薄膜１０は、カンチレバ１５状の薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとからなる薄膜１０は、加熱前は、基板１の表面からその上方に反り曲がっている。しかし、加熱により、ＳＯＩ層１１であるシリコン（Ｓｉ）は熱膨張係数が大きいので伸びるのに対して、ＢＯＸ層であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２膜）は、極めて熱膨張係数が小さいので、ほとんど寸法が変化せず、結局、熱膨張を利用したバイメタルのように、カンチレバ１５状の薄膜１０は、基板１の表面側に戻るように曲がるようになる。

図２には、図１に示す本発明の熱伝導型気圧センサのＸ−Ｘ断面における横断面の概略図を示してあり、カンチレバ状の薄膜１０がそこに形成してある熱電対ヒータ部２５の加熱冷却により振動している様子を示している。ここでは、カンチレバ１５状の薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとからなる薄膜１０が、厚み１０マイクロメートル（μｍ）程度のｐ型のＳＯＩ層１１（実際には、この領域に高濃度ｎ型拡散領域２１が形成されている）とBOX層（シリコン酸化膜）５１とが大きな熱膨張係数により反り曲がって、振動している様子である。このｐ型のＳＯＩ層１１に高濃度にｎ型不純物（リンなど）を熱拡散して形成したｎ型拡散領域（ＳＯＩ層）２１を形成して温度差センサ２０である熱電対２４が形成してある。

なお、ｐ型のＳＯＩ層１１に形成したｎ型拡散領域（ＳＯＩ層）２１は、１００℃程度の温度では、これらのｐｎ接合により電気的に薄膜ヒータとしての熱電対ヒータ部２５と、薄膜１０Ｂに形成した熱電対２４ｂとを電気的に分離してくれるので好都合である。

熱電対ヒータ部２５を用いて加熱冷却を繰り返すことにより、カンチレバ１５状の薄膜１０は上下に振動し、周囲気体に気流を発生させるので、加熱されたカンチレバ状の薄膜１０は、冷却が促進されてカンチレバ状の薄膜１０Ｂに形成された熱電対２４ｂは、そのカンチレバ状の先端部ほど冷えるので、高感度に温度差検出ができる。この冷え方は、周囲気体の気圧が大きいほど大きな気流が発生するので、加熱されたカンチレバ状の薄膜１０は冷えやすくなる。このようにして、従来の薄膜ピラニ真空センサでは、１気圧付近、またはそれ以上の気圧領域では、ほとんど感度を有しなかったが、本発明の熱伝導型気圧センサでは、加熱膨張による振動により気流を発生させて、加熱された薄膜１０の冷却を促進させることで、１気圧付近やそれ以上の気圧でも飽和せずに気圧を計測できる。

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。

本発明の熱伝導型気圧センサは、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。

本発明の熱伝導型気圧センサは、従来の熱伝導型気圧センサでは得られがたい１気圧付近またはそれ以上の気圧の計測にも高感度で、しかも単純な構造と回路構成で達成できるので、真空センサばかりでなく、車のタイヤ圧センサとしても利用が期待できる。

本発明の熱伝導型気圧センサに関し、ＳＯＩ層１１を有する基板１を用いて作成し、更に熱電対ヒータ部２５を有する熱伝導型センサチップ１００の一実施例を示す平面概略図である。（実施例１） 図１に示す本発明の熱伝導型気圧センサのＸ−Ｘ断面における横断面の概略図である。（実施例１）

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（ＳＯＩ層）
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
４２ スリット
４５ 熱抵抗部
５０ シリコン酸化膜
５１ BOX層（シリコン酸化膜）
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

Claims (3)

1. 基板から熱分離した薄膜に、少なくとも１個の薄膜温度センサと該薄膜を昇温させる加熱手段および前記の薄膜を振動させる励振手段を具備した熱伝導型気圧センサにおいて、前記薄膜は、少なくとも膨張係数の異なる二層以上の薄膜からなり、前記励振手段として、前記加熱手段による間欠加熱時の前記薄膜を構成する主たる二層の熱膨張の違いに基づく反り曲がりを利用するようにしたことを特徴とする熱伝導型気圧センサ。
2. 薄膜は、シリコンとシリコン酸化膜の主たる二層を含み、該シリコンとシリコン酸化膜との熱膨張係数の違いを利用した請求項１記載の熱伝導型気圧センサ。
3. 加熱手段に薄膜ヒータを用いた請求項１または２のいずれかに記載の熱伝導型気圧センサ。

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