JP2011069733A - 加熱励振を利用した熱伝導型気圧センサ - Google Patents
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Abstract
単純な構造と回路構成で、極低気圧から1気圧以上の気圧も1つのセンサチップを用いて計測できる高帯域の気圧を高感度、高精度の(加熱励振を利用した)熱伝導型気圧センサを提供する。
【手段】
カンチレバ状の薄膜10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。また、ゼーベック電流の所定時間の積分により高感度化する回路や気流の影響を抑制するキャップを具備することができる。
【選択図】図2
Description
本発明の課題は、共振を利用しなくとも済み、単純な構造でのダイアフラムを用いた加熱励振を利用した熱伝導型気圧センサであって、高真空領域から、1気圧以上の領域までの気圧を測定できる加熱励振を利用した熱伝導型気圧センサを提供することである。
一方前記薄膜の振動による強制対流の効果が見られる高い気圧領域(0.1気圧以上の領域)では、主に、前記薄膜ヒータを加熱停止させた直後以降の状態での、カンチレバ形状の先端側に設けた2個の温度センサの温度差から被計測気圧を計測した方が良い。
発明の効果
IC)を搭載した場合を示す。このように、熱伝導型気圧センサの動作に必要な回路の一部を、同一のシリコン基板に搭載しておくことにより、極めてコンパクトな熱伝導型気圧センサのシステムが構築できるので、信号を無線で送信して、離れたところで受信するようにすることができるから、このようなチップを多数、複数の計測したい箇所に設置して、無線により個別の熱伝導型気圧センサのチップを認識するようにすれば、集中管理ができる。もちろん、排気系などの制御システムと連動させて、真空度の制御を達成させることもできる。
for excitation of vibration)、温度センサからの信号を増幅する増幅回路(Amplifier)、この増幅回路出力を利用して気圧に変換する演算回路(Operational
circuits)を内蔵したシステム構成の場合を示している。
10、10A、10B 薄膜
11 SOI層
12 下地基板
15 カンチレバ
20 温度センサ
21 n型拡散領域(SOI層)
24、24a、 24b 熱電対
25 薄膜ヒータ
29、29a、29‘a、 29b、29’b オーム性コンタクト
40、41 空洞
42、42a、 42b スリット
43 孔
45、45a、 45b 熱抵抗部
48 基板支持部
50 シリコン酸化膜
51 BOX層(シリコン酸化膜)
60 キャップ
70、70a、70b 電極パッド
71、71a、71b 電極パッド
80 電極パッド台
100 熱伝導型センサチップ
110 配線
120、120a, 120b 熱電対第1導体
121、121a, 121b 熱電対第2導体
150 ヒ―トシンク
160 接合物質
200 熱伝導型センサのセンシング部
301 短絡電流計測手段
302 積分手段
303 時間設定手段
305 電圧出力手段
307 抵抗
311 熱電対(またはサーモパイル)
320 演算増幅器(OPアンプ)
321 反転入力端子
322 非反転入力端子
325 コンデンサC
330 クロックパルス
340 スイッチ
350 ピークホールド回路
360 ゼーベック電流積分による温度差検出装置部
Claims (15)
- 基板から熱分離した薄膜に、少なくとも1個の薄膜状温度センサと前記薄膜を昇温させる加熱手段および前記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を利用し、前記反りに基づく強制対流により、加熱手段から周囲気体への熱伝導を促進させて前記薄膜温度センサの温度変化を増大させるようにして、前記温度変化の増大により被測定気圧の計測感度を増大させるようにしたことを特徴とする熱伝導型気圧センサ。
- 前記薄膜をカンチレバ形状としたことを特徴とする請求項1記載の熱伝導型気圧センサ。
- 前記温度センサとして、熱電対を用いたことを特徴とする請求項1または2のいずれかに記載の熱伝導型気圧センサ。
- 前記薄膜は、シリコンとシリコン酸化膜の主たる二層を含み、前記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て反りの運動を起こすことを特徴とする請求項1から3のいずれか1項記載の熱伝導型気圧センサ。
- 前記加熱手段に薄膜ヒータを用いたことを特徴とする請求項1から4のいずれかに1項記載の熱伝導型気圧センサ。
- 前記薄膜ヒータの位置を、基板から熱分離した薄膜のうち、温度センサよりも基板支持部に近い側に設けたことを特徴とする請求項5記載の熱伝導型気圧センサ。
- 前記薄膜ヒータとして、抵抗温度係数が1000ppm/K以下の導体を用いたことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項記載の熱伝導型気圧センサ。
- 前記薄膜ヒータとして、熱電対をヒータとしても利用できるようにしたことを特徴とする請求項1から6のいずれか1項記載の熱伝導型気圧センサ。
- 前記基板から熱分離した薄膜を、熱抵抗部を介して少なくとも、二つの薄膜Aと薄膜Bとに分割し、それぞれの薄膜Aと薄膜Bに薄膜温度センサTHAと薄膜温度センサTHBを形成してあり、これらの薄膜温度センサTHAと薄膜温度センサTHBとの温度差から被計測気圧を知るようにしたことを特徴とする請求項1から8のいずれか1項記載の熱伝導型気圧センサ。
- 前記薄膜温度センサTHAと薄膜温度センサTHBの双方とも熱電対としたことを特徴とする請求項9記載の熱伝導型気圧センサ。
- 前記薄膜の振動による強制対流の効果が見られない低い気圧領域では、主に、前記薄膜ヒータを加熱状態での薄膜温度センサTHAと薄膜温度センサTHBとの温度差から被計測気圧を知るようにし、前記薄膜の振動による強制対流の効果が見られる高い気圧領域では、主に、前記薄膜ヒータを加熱停止させた直後以降の状態での薄膜温度センサTHAと薄膜温度センサTHBとの温度差から被計測気圧を知るようにした請求項9または10のいずれかに記載の熱伝導型気圧センサ。
- 前記基板に、熱伝導型気圧センサの動作に必要な回路のうち、少なくとも、その一部を集積化したことを特徴とする請求項1から11のいずれか1項記載の熱伝導型気圧センサ。
- 少なくとも前記基板に形成した温度センサと加熱手段とを覆うように設けたメッシュあるいは穴の開いたキャップによって、密閉されていないが、周囲気体の流れを妨げるようにして、前記温度センサと加熱手段に直接気流が触れないようにしたことを特徴とする請求項1から12のいずれか1項記載の熱伝導型気圧センサ。
- 前記温度センサの出力を出力電流となるようにして、該出力電流を所定の時間だけ積分して、出力電圧に変換し、該出力電圧を利用して被計測気圧を知るようにしたことを特徴とする請求項1から13のいずれか1項記載の熱伝導型気圧センサ。
- 前記加熱手段の温度を制御する温度制御回路、励振手段を駆動する励振駆動回路、温度センサからの信号を増幅する増幅回路、この増幅回路出力を利用して気圧に変換する演算回路をも内蔵したことを特徴とする請求項1から14のいずれか1項記載の熱伝導型気圧センサ。
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