JP2013217789A - 熱電トランスデューサーおよび熱電トランスデューサーの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】変換効率を高めた熱電トランスデューサーを提供する。
【解決手段】流量センサー（熱電トランスデューサー）１は、減圧された空洞部１００ｂが形成されているシリコン基板１００と、前記空洞部１００ｂを閉塞している上層部（酸化シリコン膜）１００ｄと、前記酸化シリコン膜の表面に設けられた熱線（熱電変換部）１１と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は熱エネルギーと電気エネルギーの変換を行う熱電トランスデューサーおよび熱電トランスデューサーの製造方法に関する。

従来、ＳＯＮ（Silicon On Nothing）構造を有する半導体センサーが知られている。特許文献１には、シリコン基板に空洞を形成し、空洞の蓋に相当する部分に発熱抵抗体を設けることで、断熱効果を高めたエアフローセンサーが記載されている。

特開２００２−５７６３号公報

しかし、特許文献１に記載されたエアフローセンサーでは、発熱抵抗体が設けられる基板の蓋に相当する部分は、シリコンと酸化シリコンの二層構造になっている。このため、酸化シリコンと発熱抵抗体の下にあるシリコン層が寄生容量を形成し、感度を低下させるという問題がある。

本発明は熱電トランスデューサーの変換効率を高めることを目的の１つとする。

（１）上記目的を達成するための熱電トランスデューサーは、減圧された空洞部が形成されているシリコン基板と、前記空洞部を閉塞している酸化シリコン膜と、前記酸化シリコン膜の表面に設けられた熱電変換部と、を備える。本発明によると、熱電変換部と空洞部の間には酸化シリコン膜のみが存在するため、熱電変換部と空洞部の間に寄生容量が生じない。また、標準大気圧に対して減圧された空洞部と酸化シリコン膜とによって熱電変換部が断熱される。したがって、変換効率が高い熱電トランスデューサーを実現することができる。

（２）上記目的を達成するための熱電トランスデューサーにおいて、前記熱電変換部は導電膜でもよい。この構成を採用することにより製造コストを低減することができる。

（３）上記目的を達成するための熱電トランスデューサーの製造方法は、減圧された空洞部をシリコン基板に形成し、前記空洞部を閉塞しているシリコン膜の全体を熱酸化することにより酸化シリコン膜を形成し、前記酸化シリコン膜の表面に熱電変換部を形成する、ことを含む。本発明によると、熱電変換部と空洞部の間に寄生容量が生じない熱電トランスデューサーを製造できる。また、標準大気圧に対して減圧された空洞部と酸化シリコン膜とによって熱電変換部を断熱できる。したがって、変換効率が高い熱電トランスデューサーを実現することができる。

本発明の実施形態にかかる断面図。 本発明の実施形態にかかる断面図。 本発明の実施形態にかかる断面図。 本発明の実施形態にかかる断面図。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。

１．第一実施例
図１は本発明の第一実施例としての流量センサー１を示している。流量センサー１は、基板１００の表面に形成された熱線１１に電流を流して発熱させ、流体への放熱に伴う熱線１１の電気抵抗の変化を電圧として取り出す熱線式流量センサーである。

基板１００には減圧された空洞部１００ｂが形成されている。空洞部１００ｂの気圧は真空が好ましい。真空にすることによって空洞部１００ｂの熱伝導率が低くなるため、流量センサー１の感度が高まる。

空洞部１００ｂは膜部１００ｃによって閉塞されている。膜部１００ｃを含む基板１００の上層部１００ｄは酸化シリコンからなり、基板１００のその他の部分はシリコンからなる。膜部１００ｃは５μｍ以下の薄膜であって、薄いほどよく、例えば０．５μｍとする。薄くするほど膜部１００ｃの熱容量が小さくなるため、流量センサー１の感度が高まる。酸化シリコンからなる上層部１００ｄの厚さは、膜部１００ｃ以上に厚ければよい。空洞部１００ｂの高さは１μｍ以上が望ましく、高くするほど断熱効果が高まるとともに、熱線１１と基板１００の下層部によって形成される寄生容量を低減できる。基板１００全体の厚さは剛性等を考慮して適宜定めればよい。

熱線１１は白金等の導電膜からなる。熱線１１の平面視パターンは蛇行させることが好ましい。熱線１１の厚さは適宜設定すれば良く、例えば０．１μｍとする。

熱線１１には定電流電源回路１３と出力回路１２が接続される。定電流電源回路１３によって熱線１１に電流が流れると電気抵抗によって熱線１１が発熱する。熱線１１の周囲の流体に熱を奪われることによって熱線１１の電気抵抗が変化する。熱線１１の電気抵抗の変化は出力回路１２に電圧の変化として入力され、出力回路１２によって流量を示す信号に変換される。

次に図２および図３に基づいて流量センサー１の製造方法を説明する。
はじめに図２Ａに示すように、シリコンからなる基板１００の表面に所定パターンの保護膜１０１を形成する。

次に図２Ｂに示すように、保護膜１０１の開口部から露出している基板１００の領域にＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって複数の溝又は孔１００ａを形成する。溝又は孔の幅（直径）と間隔は例えばそれぞれ２μｍ、深さは１０μｍとする。ここで形成される溝又は孔の形状が空洞部１００ｂの形状を規定する。

次に、保護膜１０１を除去した後に、酸素が存在しない減圧した雰囲気において基板１００を加熱する。その結果、シリコン原子が基板１００の表面積を最小化するように図２Ｃ、図２Ｄに示すように流動し、空洞部１００ｂおよび膜部１００ｃが形成される。温度条件は例えば１１００℃とする。雰囲気は真空または水素ガスとする。このときの雰囲気が空洞部１００ｂの圧力と組成を規定する。温度が常温に戻ると空洞部の圧力は通常上記雰囲気の圧力よりも下がることになる。すなわち、空洞部１００ｂは減圧され、基板１００の表面と平行に形成された膜部１００ｃによって閉塞されることになる。膜部１００ｃは複数の溝又は孔１００ａが配置されていなかった領域で基板１００と一体に連結されている。

次に図３Ａに示すように基板１００の上層部１００ｄを熱酸化する。このとき、膜部１００ｃ全体が酸化されるように加熱時間を設定する。その結果、膜部１００ｃが酸化シリコン膜となる。なお、加熱時間は膜部１００ｃの厚さ以上に深い領域まで基板１００が酸化されるように設定すれば良く、膜部１００ｃの厚さと酸化される領域の深さとを一致させる必要はない。

次に図３Ｂに示すように膜部１００ｃの表面にスパッタ法、蒸着法等によって所定パターンの熱線１１を形成する。

その後に基板１００をダイシングし、図１に示すように定電流電源回路１３および出力回路１２を熱線１１に接続すると流量センサー１が完成する。なお、定電流回路１３および出力回路１２は基板１００とともにパッケージしても良いし、基板１００とは別にパッケージしても良い。

以上説明した本発明の第一実施例によると、膜部１００ｃの全体が酸化シリコンからなり、シリコンからなる基板１００の下層部と熱線１１との間には空洞部１００ｂが形成されているため、基板１００の下層部と熱線１１との間の寄生容量が実質的に形成されない。このため、シリコンと絶縁層からなる二層構造の膜部の表面に熱線を設ける場合に比べて流量センサー１の感度が高まる。また、空洞部１００ｂの熱伝導率と熱容量はシリコンおよび酸化シリコンよりも遥かに低いため、空洞部が無い場合に比べて流量センサー１の熱が基板側へ逃げることを防ぐことができ、流量センサー１の感度を高めることができる。また、酸化シリコンの熱伝導率はシリコンの熱伝導率よりも遙かに小さいため、膜部１００ｃがシリコンの単層構造またはシリコンと酸化シリコンの二層構造である場合に比べて流量センサー１の感度が高まる。

２．第二実施例
図４は、本発明の第二実施例としての熱音響素子２である。熱音響素子２は、基板１００の表面に形成された導電膜１５に交流電源回路１４を接続して熱の振動を発生させ、熱音響現象による音波を発生させる。導電膜１５はタングステン等からなる。

熱音響素子２は、膜部１００ｃの全体が酸化シリコンからなり、シリコンからなる基板１００の下層部と導電膜１５との間には空洞部１００ｂが形成されているため、基板１００の下層部と導電膜１５との間の寄生容量が実質的に形成されない。このため、シリコンと絶縁層からなる膜部の表面に導電膜を設ける場合に比べて、熱音響素子２の変換効率が高まる。また、空洞部１００ｂの熱伝導率が低いため、空洞部が無い場合に比べて熱音響素子２の熱が基板側へ逃げることを防ぐことができ、熱音響素子２を高い精度で制御することができる。また、酸化シリコンの熱伝導率はシリコンの熱伝導率よりも遙かに小さいため、膜部１００ｃがシリコンの単層構造またはシリコンと酸化シリコンの二層構造である場合に比べて熱音響素子２を高い精度で制御することができる。

３．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。

例えば、熱電変換部は、単層の導電膜に限らず、熱エネルギーと電気エネルギーの変換を行うものであればどのような構造であってもよい。ＰＺＴ等の圧電膜を用いた焦電型赤外センサーを上記膜部の上に形成してもよい。
また、熱電トランスデューサーの製造方法は、上述した方法に限らない。例えばシリコン基板に空洞部になる凹部をエッチングによって形成した後に、酸化シリコンの基板で凹部を閉塞し、その後に酸化シリコンの基板を薄く加工しても良い。また例えば、シリコン基板に空洞部になる凹部をエッチングによって形成した後に、犠牲層によって凹部を埋めて平坦化し、犠牲層の表面に酸化シリコン膜を積層し、その後に犠牲層を除去しても良い。

１…流量センサー、２…熱音響素子、１１…熱線、１２…出力回路、１３…定電流電源回路、１４…交流電源回路、１５…導電膜、１００…基板、１００ｂ…空洞部、１００ｃ…膜部、１００ｄ…上層部、１０１…保護膜

Claims (3)

1. 減圧された空洞部が形成されているシリコン基板と、
   前記空洞部を閉塞している酸化シリコン膜と、
   前記酸化シリコン膜の表面に設けられた熱電変換部と、
   を備える熱電トランスデューサー。
2. 前記熱電変換部は導電膜である、
   請求項１に記載の熱電トランスデューサー。
3. 減圧された空洞部をシリコン基板に形成し、
   前記空洞部を閉塞しているシリコン膜の全体を熱酸化することにより酸化シリコン膜を形成し、
   前記酸化シリコン膜の表面に熱電変換部を形成する、
   ことを含む熱電トランスデューサーの製造方法。

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