JP2014122870A - Absolute temperature output sensor formed by combination of temperature difference sensor and absolute temperature sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、温度センサに関し、熱電対やサーモパイルである温度差センサと、ダイオードや測温抵抗体などの絶対温度センサとを組み合わせ、絶対温度センサの出力で、温度差センサの基準点の絶対温度の温度(基準温度)を補正し、温度差センサの測定点を絶対温度表示できるようにした絶対温度出力センサに関するものである。 The present invention relates to a temperature sensor, which combines a temperature difference sensor such as a thermocouple or a thermopile with an absolute temperature sensor such as a diode or a resistance temperature detector, and the absolute temperature sensor outputs the absolute temperature at the reference point of the temperature difference sensor. This is related to an absolute temperature output sensor in which the temperature (reference temperature) is corrected and the measurement point of the temperature difference sensor can be displayed as an absolute temperature.
従来、温度差センサである熱電対やそれを多数直列接続して感度を上げたサーモパイルを用い、更に、白金(Pt)などの測温抵抗体やダイオードなどの絶対温度センサを用いて、その室温である基準点の絶対温度を計測して室温補正するようにしていた。これは、周囲環境温度である室温を基準としてガスフロー、ガス濃度、絶対湿度、放射温度などの物理量を計測する熱型センサを絶対温度センサだけで構成しようとした場合、2個の絶対温度センサ、例えば、測温抵抗体、を必要とし、一方は室温を計測し、もう一方は、被検出物理量により変化した絶対温度を計測して、これらの差を求める形にならざるを得ないからである。これらの2個の絶対温度センサは、その温度係数と抵抗値とがそれぞれ等しくないので、室温の大きな変動に対して、どうしても高精度にそれらの温度係数と抵抗値とを同時に等しくすることができなかった。このために、先ずは、室温の絶対温度を絶対温度センサで計測し、そこからの被検出物理量により変化した温度分のみしか出力しない温度差センサを使用して、それぞれの温度を計測した方が、誤差が少なく、高精度に被検出物理量が計測できるからある。そして、そこでは、被検出物理量に晒される温度差センサの測定点の絶対温度の計測において、それらの出力を温度又は温度に換算する出力に直してから加算して求めるようにしていた。 Conventionally, thermocouples, which are temperature difference sensors, and thermopiles that are connected in series to increase sensitivity, and temperature sensors such as platinum (Pt) and absolute temperature sensors such as diodes are used to measure the room temperature. The absolute temperature of the reference point is measured to correct the room temperature. This is because two absolute temperature sensors are used when a thermal sensor that measures physical quantities such as gas flow, gas concentration, absolute humidity, and radiation temperature is composed of only the absolute temperature sensors, with the ambient temperature being room temperature. Because, for example, a resistance temperature detector is required, one must measure the room temperature, and the other must measure the absolute temperature changed by the physical quantity to be detected, and find the difference between them. is there. Since these two absolute temperature sensors do not have the same temperature coefficient and resistance value, the temperature coefficient and the resistance value can be equalized with high accuracy at the same time for large fluctuations in room temperature. There wasn't. For this purpose, first of all, it is better to measure the absolute temperature of the room temperature with an absolute temperature sensor and measure each temperature using a temperature difference sensor that outputs only the temperature changed by the detected physical quantity from there. This is because there is little error and the detected physical quantity can be measured with high accuracy. Then, in the measurement of the absolute temperature at the measurement point of the temperature difference sensor exposed to the physical quantity to be detected, the output is converted to the temperature or the output converted to the temperature and then added.
また、従来、温度差センサの基準点での基準温度と同一温度の個所に白金抵抗測温体、pn接合ダイオード、トランジスタ、サーミスタなどの絶対温度センサを形成もしくは設置し、絶対温度センサの基準温度の信号出力をデジタル変換し、温度差センサの標準温度と測定点との間の温度差出力もデジタル変換し、基準点のゼロ点補正と予め用意したデータを基に直線化処理を施すなどして、演算処理装置MPU(microprocessor Unit)を介したソフトウエア上で、各温度特性のメモリデータを利用して、温度差センサの測定点の絶対温度を求めるようにしていた(特許文献1)。また、各熱電対出力と絶対温度センサ出力のそれぞれの増幅後のデジタル変換と、メモリに内蔵した0℃を基準にした熱電対の温度―熱起電力の基準特性を利用して測定点の絶対温度を、MPUを介して算出するようにしていた(特許文献2)。そのためには、メモリ機能を内蔵したMPUや直線化補正処理回路を設けるなどが必要であり、高価な絶対温度センサにならざるを得なかった。 Conventionally, an absolute temperature sensor such as a platinum resistance thermometer, a pn junction diode, a transistor, or a thermistor is formed or installed at the same temperature as the reference temperature at the reference point of the temperature difference sensor. The digital signal output is converted, the temperature difference output between the standard temperature of the temperature difference sensor and the measurement point is also digitally converted, and the zero point correction of the reference point and linearization processing are performed based on data prepared in advance. Thus, the absolute temperature at the measurement point of the temperature difference sensor is obtained by using memory data of each temperature characteristic on software via an arithmetic processing unit MPU (microprocessor Unit) (Patent Document 1). Also, the absolute value of the measurement point can be determined using the digital conversion after amplification of each thermocouple output and absolute temperature sensor output and the temperature-thermo-electromotive force reference characteristics of the thermocouple based on 0 ° C built in the memory. The temperature was calculated via the MPU (Patent Document 2). For this purpose, it is necessary to provide an MPU with a built-in memory function, a linearization correction processing circuit, and the like, and it has been necessary to be an expensive absolute temperature sensor.
本出願人は、半導体基板から空洞を介して熱分離した薄膜に、ヒータと熱電対を形成して、この薄膜をヒータで加熱し、熱電対でこの薄膜の温度を計測できるようにした熱伝導型センサを発明した(特許文献3)。温度計測に温度差センサである熱電対を用いると、基準点のある基板からの温度差のみしか出力しないこと、所定電力で加熱すると、周囲温度(室温)に依らず基準点での室温から温度上昇し、加熱を止めると、やがて温度上昇分はゼロ、すなわち室温に戻り、出力がゼロになるという性質があり、高精度計測であるゼロ位法が適用しやすいためである。また、周囲媒体の気圧、流れ、ガス濃度などの物理量により等価的にその媒体の熱伝導率が変化するので、ヒータ加熱した薄膜からの放熱量がこれらの物理量により変化することを利用したセンサが熱伝導型センサである。ヒータ加熱中や冷却過程で、薄膜からの熱の奪われ方が変化することを利用したこのような熱伝導型センサでは、ゼロ位法が適用できる温度差センサが好適である。そこでは、熱電対の基準点が形成してある基板にダイオード等の絶対温度センサも形成してあり、この基準点の絶対温度(基準温度)をダイオードで計測し、この基準点と測定点の温度差を熱電対で計測するものであった。一般に必ずしも測定点の絶対温度を知る必要があるとは限らないが、気体の熱伝導率に関係する物理量計測の場合は、気体の熱伝導率が絶対温度に依存するので、絶対温度を知る必要がある。基板の温度である基準点の絶対温度と、ここを基準とした測定点の温度差を上述のようにソフトウエア上で合計することもできるが、基準点の絶対温度の出力と、基準点と測定点との温度差に基づく電気的な出力とを、同一の温度係数に直してそのまま加算する、所謂、ハード的にも測定点の絶対温度を求めることができる仕方は、直接的で回路だけで済み高速であるので、単純で安価にできるという利点があり、小型で安価なセンサとして、可能な限りハード的な回路を用いて、測定点の絶対温度を簡単に求めることができる絶対温度出力センサが求められていた。 The present applicant forms a heater and a thermocouple on a thin film thermally separated from a semiconductor substrate through a cavity, heats the thin film with a heater, and allows the thermocouple to measure the temperature of the thin film. A type sensor was invented (Patent Document 3). If a thermocouple, which is a temperature difference sensor, is used for temperature measurement, only the temperature difference from the substrate with the reference point is output, and when heated at a predetermined power, the temperature from the room temperature at the reference point does not depend on the ambient temperature (room temperature). This is because if the temperature rises and the heating is stopped, the temperature rise will eventually return to zero, that is, return to room temperature and the output will become zero, and the zero-position method, which is high-precision measurement, is easy to apply. In addition, since the thermal conductivity of the medium is equivalently changed by physical quantities such as atmospheric pressure, flow, and gas concentration of the surrounding medium, a sensor using the fact that the amount of heat released from the heater-heated thin film is changed by these physical quantities It is a heat conduction type sensor. A temperature difference sensor to which the zero-point method can be applied is suitable for such a heat conduction type sensor utilizing the fact that the heat deprivation changes from the thin film during heating of the heater or during the cooling process. There, an absolute temperature sensor such as a diode is also formed on the substrate on which the reference point of the thermocouple is formed, and the absolute temperature (reference temperature) of this reference point is measured with a diode. The temperature difference was measured with a thermocouple. In general, it is not always necessary to know the absolute temperature of the measurement point, but in the case of physical quantity measurement related to the thermal conductivity of gas, it is necessary to know the absolute temperature because the thermal conductivity of gas depends on the absolute temperature. There is. The absolute temperature of the reference point, which is the temperature of the substrate, and the temperature difference between the measurement points based on this can be summed on the software as described above, but the output of the absolute temperature of the reference point and the reference point The electrical output based on the temperature difference from the measurement point is directly converted to the same temperature coefficient and added as it is. Absolute temperature output that can be obtained simply and inexpensively, and can easily determine the absolute temperature of the measurement point using a hardware circuit as much as possible as a small and inexpensive sensor. A sensor was sought.
本出願人は、更に、熱電対を温度差センサ兼ヒータとして使用することを発明した(特許文献4)。1個の薄膜熱電対を温度差センサとヒータとの兼用として用いると、極めて構造が簡単になり、製造工程も簡略化でき、歩留まりの良いセンサチップを形成しやすいという利点と、小型化しやすいので、大量生産化できるので安価なセンサチップができるという利点の他に、薄膜熱電対は、温度差センサであるから、上述のように、室温からヒータ加熱した薄膜は、ヒータ停止後、必ず室温に戻るので、室温との温度差を計測すると高精度な計測技術であるゼロ位法が適用できるという大きな利点がある。しかしながら、ヒータとして熱電対を動作させたときには、温度センサとしての動作を停止させて、ヒータとしての加熱を停止した時から温度センサ(温度差センサ)としての動作をさせる必要がある。すなわち、ヒータ機能と温度センサ機能とは、同時に動作させることは極めて困難なものである。従って、加熱中の薄膜の温度を計測するには、時分割動作をさせるなどの工夫が必要である。 The present applicant further invented the use of a thermocouple as a temperature difference sensor / heater (Patent Document 4). When one thin film thermocouple is used as both a temperature difference sensor and a heater, the structure becomes extremely simple, the manufacturing process can be simplified, and it is easy to form a sensor chip with a good yield. The thin film thermocouple is a temperature difference sensor in addition to the advantage that an inexpensive sensor chip can be manufactured because it can be mass-produced. Therefore, as described above, a thin film heated from room temperature must be at room temperature after the heater is stopped. Since it returns, measuring the temperature difference from room temperature has the great advantage that the zero position method, which is a highly accurate measurement technique, can be applied. However, when the thermocouple is operated as a heater, it is necessary to stop the operation as the temperature sensor and to operate as the temperature sensor (temperature difference sensor) from the time when the heating as the heater is stopped. That is, it is extremely difficult to operate the heater function and the temperature sensor function simultaneously. Therefore, in order to measure the temperature of the thin film being heated, it is necessary to devise a time-division operation.
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、熱電対やサーモパイルの温度差センサは、その基準点と測定点との温度差に基づく電圧のみ出力するので、この温度差出力と、基準点(基準点として、温接点でも良いが、本明細書では冷接点を基準点として統一し表現している)の絶対温度に係る電圧出力を取り出し、同一の温度係数になるように調整した後、少なくとも回路上でこれらの電圧出力を合計することができるやり方で、温度差センサの測定点の絶対温度を、簡単に求めるようにした絶対温度出力センサを提供することを目的としている。これは、例えば、一定電流を流した時のダイオードの順電圧(順方向電圧)や測温抵抗体の電圧降下は、絶対温度にほぼ直線的に変化すること、そして、温度差センサの出力も0℃から数百℃までの広範な温度領域でほぼ直線的に温度差に比例して電圧出力が得られることを利用するもので、従って、これらの組み合わせも、ほとんど、リニアライズ(直線化処理)なしで済むことに由来する絶対温度出力センサの提供である。もちろん、例えば、増幅回路の帰還抵抗に、非直線抵抗素子を挿入して多少の直線性の補償を行うことも含むものである。特に、半導体SOI基板に、空洞を介して熱分離形成したカンチレバ状などの温度係数が大きい半導体熱電対やサーモパイルなどの半導体温度差センサと、基板に容易に形成できるpn接合ダイオードなどのダイオードや測温抵抗体を絶対温度センサとして用い、これらを組み合わせることで、温度差センサの測定点における絶対温度を求めるようにする、すなわち、絶対温度センサを用いて、回路的に温度差センサの室温補正を自動的にさせて、測定温度精度には欠けるが、大まかな温度差センサの測定点における絶対温度を自動的に知るようにしたものである。そして、この測定点の絶対温度の出力を利用して、設定した所望の薄膜温度に到達した時に、ヒータ電圧の印加を停止させるなどの動作にも利用できるようにすることが主眼である。 The present invention has been made to solve the above-described problems. The temperature difference sensor of a thermocouple or a thermopile outputs only a voltage based on the temperature difference between the reference point and the measurement point. And extract the voltage output related to the absolute temperature of the reference point (the reference point may be a hot junction, but in this specification the cold junction is used as a reference point) so that the same temperature coefficient is obtained. The aim is to provide an absolute temperature output sensor that can easily determine the absolute temperature of the measuring point of the temperature difference sensor in such a way that, after adjustment, these voltage outputs can be summed at least on the circuit. . This is because, for example, the forward voltage of the diode when a constant current is passed and the voltage drop of the resistance temperature detector change almost linearly to the absolute temperature, and the output of the temperature difference sensor is also Utilizing the fact that voltage output is obtained almost linearly in proportion to the temperature difference over a wide temperature range from 0 ° C to several hundreds of ° C. Therefore, these combinations are almost linearized (linearization processing). ) To provide an absolute temperature output sensor. Of course, this includes, for example, compensating for some linearity by inserting a non-linear resistance element into the feedback resistor of the amplifier circuit. In particular, a semiconductor temperature difference sensor such as a semiconductor thermocouple or a thermopile with a large temperature coefficient such as a cantilever formed by thermal separation through a cavity on a semiconductor SOI substrate, a diode such as a pn junction diode or a measurement that can be easily formed on the substrate. By using a temperature resistor as an absolute temperature sensor and combining them, the absolute temperature at the measurement point of the temperature difference sensor is obtained.In other words, the absolute temperature sensor is used to correct the temperature difference of the temperature difference sensor in a circuit. Although the measurement temperature accuracy is lacking automatically, the absolute temperature at the measurement point of the rough temperature difference sensor is automatically known. Then, the output of the absolute temperature at the measurement point is used to make it possible to use it for an operation such as stopping the application of the heater voltage when the set desired thin film temperature is reached.
上記の目的を達成するために、本発明の請求項1に係わる絶対温度出力センサは、温度差センサ20と、その基準点の温度と同一の温度になるように設置した絶対温度センサ30とを用いて、温度差センサ20の測定点の温度を絶対温度に変換する絶対温度出力センサにおいて、該温度差センサ20からの出力Votと該絶対温度センサ30からの出力Voaとの温度係数の大きさが、少なくとも測定点の所望の温度域において同一になるように調整する調整手段200と、前記出力Votと出力Voaとを加算する加算手段300とを備え、該加算手段300の出力から前記測定点の絶対温度を求めるようにしたことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, an absolute temperature output sensor according to
温度差センサ20の基準点の基準温度と同一の温度になるようにしている絶対温度センサ30とは、基板に温度差センサ20を形成しているときには、この基板に金属などの高い熱伝導率を持つ材料を介して市販のpn接合ダイオードなどの絶対温度センサ30を基板に形成した温度差センサ20の基準点付近に充分良い熱コンタクトをさせて備えておいても良いし、直接、絶対温度センサ30を基準点付近に形成させても良い。絶対温度センサ30としてダイオードやトランジスタのような半導体デバイスの場合、基板が半導体基板でも良いし、半導体でない基板でも、その上に半導体層を密着形成しておき、その中にダイオード等を形成しておいても良い。もちろん、白金(Pt)抵抗体などの測温抵抗体の場合は、アルミナ基板などの半導体でない基板の上に、直接、白金膜をスパッタリングなどで形成し、フォトリソグラフィなどでパターン形成すると良い。
The
絶対温度センサ30としてダイオードを使用するには、ダイオードに一定の順電流、例えば、1ミリアンペア(mA)を流しておくと、その時の順電圧の大きさがダイオードの接合温度(絶対温度)に対して、直線的に変化することが知られている。この場合、この接合温度が大きくなると直線的に順電圧が小さくなり、その温度係数がダイオードやその順電流値によっても異なるが、シリコンのpn接合ダイオードでは、-2.0から-2.5mV/K程度の大きさであることが知られている。一方、シリコンのゼーベック係数である熱起電力の温度係数は、n型の場合で抵抗率が、0.01Ωcmでは、測定点の温度を高くすると、測定点には、基準点に対して正の熱起電力が現れ、温度依存性もあるが、ほぼ、0.7mV/Kであり、ダイオードの順電圧の温度係数より小さいことが知られている。このn型シリコンと金属との熱電対では、金属のゼーベック係数は、n型シリコンに比べて、無視できるほど小さいので、この熱電対の温度係数は、ほぼn型シリコンのゼーベック係数と考えて良い。このようにダイオードを絶対温度センサ30として用いた場合、絶対温度センサ30からの生の出力電圧(直接の出力電圧と呼ぶことにする)を調整手段200としての調整手段200aを用いて、増幅して出力Voaを得るようにする。また、温度差センサ20からの直接の出力電圧をその調整手段200としての調整手段200tを用いて、増幅して出力Votを得るようにする。そして、これらの所望の温度域、例えば、200℃から250℃において、これらの温度係数(例えば、その単位は(V/K)となる)がほぼ一致するようにするものである。このようにすると出力Voaと出力Votとは、同一の温度係数の出力であるから、これらの加算手段300を用いてそのまま加算するだけで、絶対温度に比例した出力が得られる。調整手段200における増幅には、演算増幅器(OPアンプ)が好適である。なお、上述での増幅の意味は、増幅率が1以上ばかりで無く、1以下の減衰をも含むものとする。もちろん、増幅率が1の場合は、演算増幅器自体を設けない状態、例えば、直接配線で接続しても良いし、また、演算増幅器を用いて、単に、インピーダンス変換をさせるようにすることもできる。
In order to use a diode as the
上述では、調整手段200として、絶対温度センサ30用の調整手段200aと温度差センサ20用の調整手段200tとの両方を用いた場合であったが、調整手段200として、絶対温度センサ30と温度差センサ20とで、温度係数が大きい方用の調整手段200aもしくは調整手段200tを用いないで、大きい方の温度センサの直接の出力電圧を出力Voaもしくは出力Votとして利用するようにしても良い。例えば、絶対温度センサ30からの直接の出力電圧と温度差センサ20からの直接の出力電圧とのうち、絶対温度センサ30からの直接の出力電圧が大きい場合には、小さい方の温度差センサの直接の出力電圧をその調整手段200tを用いて増幅(ここでは、増幅率が1以上)し、大きい方の絶対温度センサ30の直接の出力電圧Voaの温度係数に合わせるようにしても良い。この場合、大きい方の絶対温度センサ30用の調整手段200aは、必ずしも必要ではなく、小さい方の温度差センサ用の調整手段200tのみを用いることで良い。
In the above description, both the adjusting means 200a for the
絶対温度センサ30として白金(Pt)などの測温抵抗体を使用する場合は、その抵抗温度係数が約3.9x10−3/Kであるが、その調整手段200aを用いて増幅して出力Voaを得るようにしたときの温度係数(V/K)は、測温抵抗体に流す電流により異なる。従って、絶対温度センサ30としての測温抵抗体に適当な駆動電流を流し、その両端の電圧を必要に応じて増幅し、温度差センサ20からの出力Votの温度係数と所望の温度域において一致するように調整すると良い。温度差センサ20として熱電対を用いた場合は、その基準点と測定点との間の温度差に基づく熱起電力(ゼーベック電圧)が小さく、従って、その熱起電力のゼーベック係数自体が小さい温度差センサなので、それ自体の温度係数が小さいものである。しかし、これを増幅することにより実効的な温度係数を大きくさせるような電圧出力Votとさせると共に、熱起電力を反映した出力電圧の温度係数の大きさを調整することができる。熱電対のゼーベック係数には、温度係数の温度依存性が多少あり、所望の温度域(例えば、200℃から250℃)における平均的なゼーベック係数(温度係数に対応)を選択するなどして、熱電対の増幅器による増幅率を決めると良い。
When a resistance temperature detector such as platinum (Pt) is used as the
調整手段200t、200aとして、上述のように、増幅率が1以上の出力を増大させる増幅器もあるが、逆に、増幅率が1以下の増幅器も含まれ、さらに、絶対温度センサ30の出力電圧Voaの温度係数が大きい場合は、熱電対20のゼーベック係数に基づく直接の出力電圧を増幅して、出力Voaの温度係数とが等しくなるような出力Votを得るのではなく、大きな出力Voaを、例えば、抵抗分割などにより、小さな温度係数の出力Voaを得るように出力電圧を実効的に小さくして、熱電対20の出力Votの温度係数と等しくさせるようにすることもできる。
As the adjusting means 200t and 200a, there is an amplifier that increases the output with an amplification factor of 1 or more as described above, but conversely, an amplifier with an amplification factor of 1 or less is also included, and the output voltage of the
また、温度差センサ20としての熱電対を複数本直列接続したサーモパイルは、その熱起電力は、その分大きくなり、ダイオードや測温抵抗体である絶対温度センサ30の増幅前の生の温度係数、すなわち、直接の温度係数、を上回ることが多い。この場合は、所定の電流を流しているダイオードや測温抵抗体である絶対温度センサ30の方の直接の出力を、調整手段200aを介して増幅して出力電圧Voaを得て、その実効的な温度係数を、サーモパイルの熱起電力の温度係数に等しくさせることもできる。
Further, a thermopile in which a plurality of thermocouples as the
本発明の請求項2に係わる絶対温度出力センサは、絶対温度センサ30をダイオードとした場合である。
The absolute temperature output sensor according to
ダイオードとしては、半導体のpn接合ダイオードやショットキ接合ダイオードなどがある。また、トランジスタのエミッタとベース間のダイオードを利用しても良く、このとき、コレクタとベースを短絡して用いると効果的である。ダイオードに所定の一定電流を流すと、その時のダイオードの順電圧であるそのダイオードでの電圧降下がそのダイオードの温度(正確には、そのpn接合などの接合温度)の絶対温度の変化と共に直線的に変化することが知られており、サーモダイオードの原理になっている。 Examples of the diode include a semiconductor pn junction diode and a Schottky junction diode. Further, a diode between the emitter and base of the transistor may be used. At this time, it is effective to use the collector and base short-circuited. When a predetermined constant current is passed through the diode, the voltage drop at the diode, which is the forward voltage of the diode at that time, is linear with changes in the absolute temperature of the diode temperature (precisely, the junction temperature such as the pn junction). It is known to change to the principle of the thermo diode.
本発明の請求項3に係わる絶対温度出力センサは、絶対温度センサ30を測温抵抗体とした場合である。
The absolute temperature output sensor according to
測温抵抗体として、サーミスタや白金(Pt)抵抗体がある。白金(Pt)抵抗体は、スパッタリング形成とフォトリソグラフィで容易に形成することができると共に、温度に対する抵抗変化の直線性が良く安定であるので、好適である。 Examples of the resistance temperature detector include a thermistor and a platinum (Pt) resistor. A platinum (Pt) resistor is suitable because it can be easily formed by sputtering and photolithography, and the resistance change linearity with temperature is good and stable.
本発明の請求項4に係わる絶対温度出力センサは、絶対温度センサ30に所定の一定電流を流した時の絶対温度センサ30の両端の電圧から前記出力Voaを出力するように構成した場合である。
The absolute temperature output sensor according to the fourth aspect of the present invention is configured to output the output Voa from the voltage across the
絶対温度センサ30として、ダイオードや測温抵抗体に所定の一定電流を流した時、その両端の電圧は、絶対温度センサ30の内部抵抗に比例するが、この両端の電圧である直接の出力電圧を、必要に応じて調整手段200aを介して増幅して、出力Voaを得るものである。絶対温度センサ30の内部抵抗が、温度依存性を有しているので、絶対温度センサ30からの出力Voaの温度係数が、温度差センサ20からの出力Votの温度係数と、所望の温度域で同一になるように調整して、加算手段300を介して温度差センサ20の測定点の絶対温度が求められるように調整するものである。
When a predetermined constant current is passed through the diode or the resistance temperature detector as the
本発明の請求項5に係わる絶対温度出力センサは、温度差センサ20と絶対温度センサ30が同一の基板1に形成されてある場合である。
The absolute temperature output sensor according to
温度差センサ20の基準点とダイオードなどの絶対温度センサ30とは、同一の環境温度にしておく必要があるので、少なくとも温度差センサ20の基準点と絶対温度センサ30とが熱伝導性の良い同一の基板1、例えば、シリコンなどの半導体基板に形成しておくことが望ましく、更に、互いに近接して設置することが望ましい。
Since the reference point of the
本発明の請求項6に係わる絶対温度出力センサは、基板1として単結晶シリコンとした場合である。
The absolute temperature output sensor according to claim 6 of the present invention is a case where the
本発明の絶対温度出力センサは、実用上、熱型センサであるガス濃度センサ(絶対湿度や水素ガスなどを含む)、真空センサ(気圧センサ)、放射温度計などに応用され、熱電対もダイオードも半導体、特に集積回路が作りやすいシリコンの単結晶基板に作り込むことが好適である。従って、これを見越して、例えば、絶対温度出力センサのセンシング部である温度差センサやヒータ及びダイオードを同一の単結晶シリコンの基板に形成することが望ましい。単結晶シリコンの基板であれば、これらの信号処理をする集積回路(IC)もこの基板に搭載することもできる。 The absolute temperature output sensor of the present invention is practically applied to a gas concentration sensor (including absolute humidity and hydrogen gas), a vacuum sensor (atmospheric pressure sensor), a radiation thermometer, etc., which are thermal sensors, and a thermocouple and a diode. However, it is preferable to fabricate the semiconductor on a single crystal substrate of silicon, in which an integrated circuit can be easily formed. Therefore, in view of this, for example, it is desirable to form a temperature difference sensor, a heater, and a diode, which are sensing parts of an absolute temperature output sensor, on the same single crystal silicon substrate. If the substrate is a single crystal silicon substrate, an integrated circuit (IC) for performing these signal processings can also be mounted on the substrate.
本発明の請求項7に係わる絶対温度出力センサは、温度差センサ20の一方の熱電材料が基板1の材料である場合である。
The absolute temperature output sensor according to
温度差センサ20やヒータ25は、小さな消費電力で高速に、大きな温度変化が欲しい場合が多いので、空洞を介して基板1の一部の材料であるが、基板1から熱分離してある薄膜であるカンチレバなどに形成しておくことが製作上望ましい。このためには、例えば、基板1としてSOI基板を用いて、このSOI層の一部を、空洞を介してカンチレバ状の薄膜10にして、そこに温度差センサやヒータを形成すると良い。もちろん、温度差センサ20をヒータとしても兼用にすることもできる。また、ダイオードなどの絶対温度センサ30は、基板1のうち、温度差センサ20の基準点付近に形成し、たとえ、カンチレバ状の薄膜10の加熱により、基板1の基準点付近の温度が上昇してしまっても、この基板1のこの付近の温度を基準温度として捉えて、この温度の絶対温度に直線的に関係する出力が出るようにして室温補正をすると良い。
Since the
本発明の請求項8に係わる絶対温度出力センサは、温度差センサ20が基板1から空洞を介して熱分離されている薄膜10に形成してある場合である。
The absolute temperature output sensor according to claim 8 of the present invention is a case where the
上述のように、熱型センサへの応用では、温度差センサ20やヒータ25は、小さな消費電力で高速に、しかも大きな温度変化が望ましいので、空洞を介して基板1から熱分離してある薄膜10であるカンチレバや架橋構造、更にはダイアフラム状に形成しておくと良い。
As described above, in the application to the thermal sensor, the
本発明の請求項9に係わる絶対温度出力センサは、加算手段300として、演算増幅器を用いた場合である。 The absolute temperature output sensor according to claim 9 of the present invention is a case where an operational amplifier is used as the adding means 300.
出力Votと出力Voaとを加算する加算手段300として、それぞれメモリに入力し、これらをソフトウエア上で加算しても良いが、ここでは、特に、ハードウエア的な加算手段として便利な演算増幅器を用いた場合である。 As the adding means 300 for adding the output Vot and the output Voa, they may be respectively input to a memory and added in software. However, in this case, an operational amplifier that is particularly useful as a hardware adding means is used. This is the case.
本発明の請求項10に係わる絶対温度出力センサは、薄膜10に、ヒータ25も形成した場合である。
The absolute temperature output sensor according to claim 10 of the present invention is a case where the
熱型赤外線センサや熱型放射温度計の受光部の絶対温度を計測する場合は、熱源は、ターゲットからの輻射熱であるが、フローセンサ、ガス濃度センサや絶対湿度センサなどの熱伝導型センサとして使用するときには、薄膜10を、そこに形成してあるヒータ25で加熱する方がコンパクトで容易である。もちろん、その温度上昇分の計測は、同様に薄膜10に形成してある熱電対やサーモパイルなどの温度差センサ20で計測することになる。
When measuring the absolute temperature of the light receiving part of a thermal infrared sensor or thermal radiation thermometer, the heat source is radiant heat from the target, but as a heat conduction sensor such as a flow sensor, gas concentration sensor or absolute humidity sensor When used, it is more compact and easier to heat the
本発明の請求項11に係わる絶対温度出力センサは、所定のサイクルで薄膜10を加熱と冷却を繰り返すようにヒータ25に周期的な加熱用電圧を印加するようにした場合である。
The absolute temperature output sensor according to the eleventh aspect of the present invention is a case where a periodic heating voltage is applied to the
シリコン基板に設けたカンチレバ状の薄膜10は、その熱時定数が、例えば、10ミリ秒(msec)程度で短くできるので、ヒータ25への周期的な加熱用電圧である、例えば、矩形波電圧入力により、ヒータ25が形成してある薄膜10を加熱と冷却とを1秒間に何回も繰り返すことができる。もちろん、このようにして、この薄膜10の周りの気体や液体なども周期的に加熱させることもできる。例えば、1秒間に10回以上も加熱と冷却とを繰り返して、その都度の温度に関するデータを取得して、コンデンサなどで平均化させることにより、S/Nが大きい出力を得ることもできる。
Since the thermal time constant of the cantilever-like
本発明の請求項12に係わる絶対温度出力センサは、温度差センサ20をヒータ25として兼用できるようにした場合である。
The absolute temperature output sensor according to the twelfth aspect of the present invention is a case where the
熱電対などの温度差センサ20も抵抗体であるので、電流を流すことによりヒータ25としても兼用できることになり、別にヒータ25を用意する必要がないからコンパクトな絶対温度出力センサとなる。しかし、上述したように、ヒータ作用をさせるときには、温度差センサとしての作用は、特別の場合を除き、中止せざるを得ない。温度差センサが搭載されている薄膜10は、熱容量があり、熱時定数を有するので、これに比べて極めて短時間のヒータ加熱中止時間を設け、その期間中に、薄膜10の温度を計測するようにすることもできる。
Since the
本発明の請求項13に係わる絶対温度出力センサは、薄膜10の熱時定数の10分の1以下の短い加熱停止時間Δtだけ加熱サイクル中のヒータ25の加熱を停止し、この加熱停止時間Δt中に薄膜10の温度を温度差センサ20で計測するか、もしくは加熱サイクル終了直後の前記加熱停止時間Δt内に薄膜10の温度を温度差センサ20で計測するかして、前記出力Votを求めるようにして、前記薄膜10の加熱中の測定点の絶対温度を推定するようにした場合である。
The absolute temperature output sensor according to the thirteenth aspect of the present invention stops the heating of the
温度差センサ20とヒータ25とを別に設けた場合は、必ずしもヒータ25の加熱を停止して、その時間に温度差センサ20で温度を計測する必要はないが、ヒータ加熱中は、加熱電力供給中なので雑音が多く、S/N向上のためにヒータ25の加熱を停止して温度計測しても良い。ただ、温度差センサ20をヒータ25としても兼用にするには、ヒータ25の加熱を停止して、その停止時間内に温度差センサ20で温度を計測することが望ましい。温度差センサ20が搭載されている薄膜の熱容量が、例えば、20ミリ秒であったとき、例えば、加熱停止時間Δtとして10マイクロ秒(μsec)だけ、ヒータ加熱を停止し、この停止期間中に温度差センサ20で薄膜10の温度を計測するようにして、これをヒータ加熱サイクル期間、例えば、100ミリ秒(msec)のヒータ加熱サイクル期間中に連続して1ミリ秒毎に繰り返し温度計測すれば、薄膜10の温度の立ち上がり状況や温度上昇が停止し飽和状態になって行く温度上昇の様子を誤差が少なく計測することもできる。また、単に、薄膜10の温度上昇が飽和状態になった最終値を知りたい場合は、ヒータ加熱サイクル期間の終了のヒータ入力印加電圧の信号を利用して、ヒータ加熱サイクル期間の終了直後の短いΔt=10マイクロ秒の間に薄膜の温度を温度差センサ20で計測することにより、実効的に冷却効果が現れない状態でのほぼ加熱終了時の薄膜10の温度を計測することができる。このような短いヒータ加熱停止期間での温度計測は、サンプリングホールド回路と組み合わせて行うと便利である。
In the case where the
本発明の請求項14に係わる絶対温度出力センサは、ヒータ25を矩形波状の所定の一定電力でジュール加熱し、該ジュール加熱中の温度上昇に基づく温度差センサ20からの出力電圧を微分してその傾きを求める微分手段と、該微分手段後の出力を積分する積分手段を備え、該積分手段の出力を利用して測定点の絶対温度を推定するようにした場合である。
The absolute temperature output sensor according to the fourteenth aspect of the present invention joule-heats the
所定の一定電力は、ヒータ25の抵抗温度係数がほぼゼロで、無視できるようであれば、一定電流駆動や一定電圧駆動と同等になる。一般に、薄膜10を200℃に昇温させるには、ヒータ25に3V程度の印加電圧が必要であるが、温度差センサ20である熱電対(低抵抗半導体と金属から構成される)の出力電圧は、実験によると高々28mV程度である。すなわち、印加電圧の100分の1程度である。ヒータ25の抵抗温度係数が無視できる場合、所定の一定電力でのヒータ25駆動は、所定の一定電圧でのヒータ25駆動に相当し、矩形波形のヒータ25駆動電圧でヒータ加熱することになる。このように、一定の電圧とは、直流成分であり、これを微分するとゼロの出力になるはずであり、これに対して、ヒータ加熱による薄膜の温度上昇分に基づく温度差センサ30の出力は、ほぼ温度上昇に比例した時間変化する出力電圧となる。従って、ヒータ加熱中の電圧には、この温度差センサ30の温度上昇に比例した出力電圧が重畳されており、この成分を微分回路で取り出すことができる。そして、これを更に積分することにより、薄膜10の温度上昇分を取り出すことができる。この値は、本来、基板1から温度差センサ30の測定点における温度差に等しいものである。ここでは、上述のようにして、矩形波状の一定電圧となる部分の直流成分の印加電圧に重畳されている温度上昇に比例した時間変化する出力電圧である温度差センサ30の出力電圧成分を取り出すようにして、基板1からの温度差センサ30の測定点の温度の上昇分を取り出すようにするものである。
The predetermined constant power is equivalent to constant current drive or constant voltage drive if the temperature coefficient of resistance of the
薄膜10をヒータ25で所定の一定電力で加熱すると、薄膜10は、ある熱時定数で温度上昇して、やがて放熱とのバランスで飽和する。実際に矩形波形のヒータ25駆動電圧であっても、ヒータ25に電流が流れると浮遊インダクタンスやキャパシタンスのために、ヒータ25のヒータ加熱駆動初期やヒータ加熱駆動停止直後では、ヒータ25駆動電圧が矩形状ではなく、過度状態となり時間変動をきたす。これらのヒータ加熱駆動初期やヒータ加熱駆動停止直後における時間変化が極めて大きいので、これらの時間領域を除いた形で、矩形波形のヒータ25駆動電圧における時間的に変動しない時間領域(時間的に直流成分となっている領域)だけの出力電圧の微分出力を取り出すようにする必要がある。そして、この微分時間領域以外の加熱時間に基づく薄膜10の温度上昇分を追加するようにして、測定点の基板1からの温度上昇分を求めるようにすることが大切であり、この手段も講じる必要がある。
When the
微分手段や積分手段としては、演算増幅器とコンデンサとの組み合わせによる回路や、単に、抵抗とコンデンサの組み合わせの回路であるハード(ハードウエア)的な積分手段でも良い。また、メモリ回路を利用したデジタル回路を用いて、ソフト(ソフトウエア)上で、微分や積分するようにしても良い。 The differentiating means and integrating means may be a circuit using a combination of an operational amplifier and a capacitor, or a hardware integrating means that is simply a circuit combining a resistor and a capacitor. Alternatively, differentiation or integration may be performed on software (software) using a digital circuit using a memory circuit.
本発明の絶対温度出力センサでは、温度差センサ20の0℃付近から数百℃までは、ほぼ一定の熱起電力の温度係数を有していること、すなわち、温度差センサの基準点と測定点の温度差にほぼ比例して(ほぼ直線的に)熱起電力が発生することと、一定の順電流を流したダイオードの順電圧や測温抵抗体が、環境温度にほぼ直線的な関係があることを利用しているので、メモリやMPUを用いた特別のソフトウエア上のリニアライズ機構を有しなくて済み、簡単なハード的な回路だけで構成ができることとなり、温度精度は得られ難いが、安価でコンパクトな温度差センサの測定点の温度を絶対温度で表示できる絶対温度出力センサが提供できるという利点がある。
In the absolute temperature output sensor of the present invention, the
本発明の絶対温度出力センサでは、所望の温度差センサ20の測定点の絶対温度付近で温度精度が得られやすいように、温度差センサ20の熱起電力の生の温度係数を増幅回路の増幅率の大きさで調整できるので、温度精度も高くすることもできる。更に、ダイオードやサーミスタのような非線形抵抗素子を、温度差センサ20の熱起電力の温度係数を増幅回路の利得調整用の帰還抵抗素子の一部として挿入するか、もしくは、これに代わるハード的な回路を挿入することにより、広い温度範囲にわたり絶対温度の温度精度が簡単に達成できるという利点がある。
In the absolute temperature output sensor of the present invention, the temperature coefficient of the thermoelectromotive force of the
本発明の絶対温度出力センサでは、熱伝導率の高い半導体の基板1を用いた場合、この半導体基板から熱分離したカンチレバなどの薄膜10に、ヒータ25と温度差センサ20の測定点を形成しておき、半導体基板の空洞を除く部分には、ダイオードや測温抵抗体の絶対温度センサ30と、温度差センサ20の基準点とを形成すると、温度差センサ20の熱起電力の出力の温度係数を測温抵抗体からの出力の温度係数と一致するように増幅調整することで、容易にカンチレバなどの薄膜10の測定点の温度を、ハード的な簡単な回路だけで絶対温度表示できるという利点がある。また、必要に応じて、半導体基板に演算増幅器を含む集積回路を形成して、このハード的な簡単な集積回路を含む絶対温度出力センサとして提供できるという利点がある。
In the absolute temperature output sensor of the present invention, when the
本発明の絶対温度出力センサでは、温度差センサ20とヒータ25とを兼用することができるので、コンパクトな絶対温度出力センサを提供できるという利点がある。
In the absolute temperature output sensor of the present invention, since the
本発明の絶対温度出力センサでは、温度差センサ20とヒータ25とを兼用した場合でも、温度差センサ20の熱起電力発生は、極めて速いので、温度差センサ20が搭載されている薄膜10のヒータ加熱中の測定点の絶対温度も、薄膜10の熱時定数に比べて極めて短い時間、例えば、熱時定数の100分の1程度の時間Δtだけヒータ加熱を止めて、この時間内に計測できる。もちろん、加熱終了後は、いつでも薄膜10の絶対温度を温度差センサ20の本来の温度差に基づく熱起電力出力を用いて測定点の絶対温度を計測できる。そして、ヒータ加熱停止直後の短い計測時間を利用すれば、ほぼ、加熱中の温度の加熱停止直前の温度として認めることができるという利点がある。
In the absolute temperature output sensor of the present invention, even when the
本発明の絶対温度出力センサでは、ヒータ駆動中でも、時間的に一定な駆動電圧(矩形波電圧)等でのヒータ加熱を行うことと、微分手段と積分手段の組み合わせを行うことにより、薄膜10に形成してある温度差センサ20の測定点における基板1からの温度上昇分を復元させて、そこの絶対温度を計測できるという利点がある。
In the absolute temperature output sensor of the present invention, the
以下、本発明の絶対温度出力センサチップは、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)の基板1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。
Hereinafter, the absolute temperature output sensor chip of the present invention can be formed on a silicon (Si) substrate using mature semiconductor integration technology and MEMS technology. With reference to the drawings in the case of manufacturing using the silicon (Si)
図1は、本発明の絶対温度出力センサにおいて、絶対温度センサ30として、ダイオードを用いた場合の電子回路構成の概略を示す一実施例である。温度差センサ20の熱起電力の温度係数の大きさ(絶対値)と、一定電流下のダイオードの順電圧の温度係数の大きさ(絶対値)とが、どちらが大きくとも調整手段200による増幅度調整により、温度差センサ20からの出力Votと絶対温度センサ30からの出力Voaとの温度係数の大きさが、温度差センサ20の測定点の所望の温度域において同一になるようにして、単純な加算手段300による絶対温度表示への対応ができるようにしたものである。温度差センサ20は、その測定点22と基準点21との温度差に、ほぼ直線的な依存性で比例した熱起電力を発生することが知られている。図1の図面を参照して、本発明の絶対温度出力センサの構成と動作を説明する。pn接合ダイオードなどの絶対温度センサ30を温度差センサ20の基準点21と同一の温度になるように設置しておく。例えば、温度差センサ20を形成している半導体の基板1に、絶対温度センサ30をできるだけ基準点21の近傍に形成するか、もしくは、例えば、市販のダイオードを、熱コンタクトを良くして、基準点21の近傍に設置しても良い。ダイオードは、pn接合ダイオード、トランジスタのpn接合部の利用、ショットキダイオードなどのダイオードが好適である。ダイオードの順電圧(順方向電圧)は、そこに流す順電流(順方向電流)を一定にすると、直線的な絶対温度依存性を示すこと、そして、ダイオードの温度(正確には、接合温度)を上昇させると、順電圧はそれに応じて直線的に小さくなることが知られている。図1の回路において、ダイオードに一定の電流を流すためには、その時のダイオードの順電圧の抵抗に対して、調整手段200aの入力抵抗R1の値が十分大きくしておく必要がある。シリコン(Si)のpn接合では、順電流の大きさや接合の形状などにより異なるが、その直接(生)の温度係数は−2.0mV/Kから−2.5mV/Kであることが知られている。ただ、ダイオードを特定し、そこに流す順電流を特定すれば、例えば、−2.3mV/Kに固定することもできるものである。ダイオードはSiなどの半導体であるので、この半導体の温度範囲はどちらかと言えば低温側にあり、77Kから400K程度の範囲内で使用できるものである。また、この温度係数の値は、一般の金属や半導体の熱電対の熱起電力の温度係数より大きい値であり、例えば、0.01Ω・cmの抵抗率のn型半導体のゼーベック係数である熱電能(熱起電力の温度係数)−0.5mV/Kより大きな絶対値の値である。
FIG. 1 is an example showing an outline of an electronic circuit configuration when a diode is used as the
温度差センサ20である熱電対の熱起電力は、増幅器A1を有する調整手段200tで増幅率を調整できる。その増幅率を調整して、例えば、調整手段200の中の可変抵抗器VR1により、調整手段200tの出力電圧V0tの温度係数を10mV/Kになるように調整することができる。次に、定電流源から所定の一定電流(50マイクロアンペアから1ミリアンペア程度)をダイオードに流した時の順電圧(温度係数の大きさが、ここでは、例えば、―2.3mV/K)の温度依存性を利用し、増幅器Aaを有する調整手段200aでダイオードの調整手段200aの出力電圧V0aの温度係数の大きさ(絶対値で表現する)を、所望の絶対温度域において、同様に、10mV/Kに等しくなるように、可変抵抗器VRa2で調節する。次に、この温度係数が等しくなるように調整された温度差センサ20からの出力電圧V0tと、ダイオードからの出力電圧V0aとを、次の加算手段300としての演算増幅器A2の反転入力端子に加え、これらの温度係数が等しくされたそれぞれの出力電圧による電流を加算させて、演算増幅器A2の可変帰還抵抗VR2に流し、所望の薄膜10の絶対温度域において、絶対温度に比例する出力電圧V0が得られるようにする。演算増幅器A2の可変帰還抵抗VR2の大きさの調節は、所望の温度域における測定点22の絶対温度表示に相応しい値になるように、例えば、測定点22の温度が300Kでは出力電圧V0が3.0V、500Kでは出力電圧V0が5.0Vになるようにさせると良い。更に、必要に応じて、出力電圧V0の符号を変えるような回路(例えば、演算増幅器による反転回路)を追加しても良い。
The amplification factor of the thermoelectromotive force of the thermocouple which is the
温度差センサ20の熱起電力を所望の増幅率で増幅するのに、増幅器A1として演算増幅器を使用すると、その帰還抵抗と、温度差センサ20の内部抵抗とそれへの直列抵抗との和の抵抗との比で、容易に増幅率が決定できるので好適である。この場合、温度差センサ20の内部抵抗の影響が無視できるような大きな直列抵抗を挿入することも良いが、温度差センサ20の内部抵抗は、温度依存性を有するので、この温度変化を利用して、温度に対して非線形的な増幅特性とさせることもできる。一般に、熱電対の熱起電力の温度係数は、温度が高いほど大きくなる傾向にある。例えば、縮退した半導体や一般の金属では、一般に高温になるに連れて、その内部抵抗が大きくなるので、増幅器A1の演算増幅器の増幅率は高温になるに連れて小さくなる。従って、この場合は、高温になるに連れて、増幅された温度差センサの温度係数の大きさが、これを打ち消す方向で小さくなるので、好都合である。また、例えば、熱電対の熱起電力が大きくなる(温度が高いことに対応)と帰還抵抗への電流が大きくなるので、それに連れて抵抗値が小さくなるような抵抗素子Rnやそのような作用の回路を帰還抵抗VR1に直列に挿入することや、そのような回路を途中に設けて、増幅器A1の増幅率が多少飽和傾向の非線形増幅になるようにさせて、温度差センサ20の熱起電力の温度係数の非線形成分を打ち消すようにして、所望の測定点の温度領域で高精度の絶対温度表示ができるように調整することもできる。例えば、抵抗素子Rnとしてダイオードやサーミスタなどの非線形抵抗素子を用いても良い。
When an operational amplifier is used as the amplifier A1 to amplify the thermoelectromotive force of the
図2は、本発明の絶対温度出力センサにおいて、絶対温度センサ30として、測温抵抗体を用いた場合の電子回路構成の概略を示す一実施例である。絶対温度センサ30として、ダイオードであった場合の実施例1と、絶対温度センサ30として、測温抵抗体である場合の実施例2とは、絶対温度センサ30に一定の電流を流し、その時の絶対温度センサ30の温度に対して、ほぼ直線的にその両端の電位差(でんあつ)降下が変化することを利用しているので、本質的に同一である。周囲温度が高くなると、ダイオードの方は、電圧降下が小さくなるのに対して、白金(Pt)などの測温抵抗体では、その電圧降下が大きくなるという違いがあり、それに伴い、温度差センサ20の出力を温度差センサ20の調整手段200tの入力端子を図2では反転入力端子に接続してある点が異なるだけである。図1の回路と同様に、図2の回路においても、測温抵抗体に一定の電流を流すためには、その時の測温抵抗体の抵抗に対して、調整手段200aの入力抵抗R1の値が十分大きくしておく必要がある。本発明の絶対温度出力センサの動作における調整等は、実施例1とほぼ同様であるので、ここではその詳細な説明を省略する。
FIG. 2 is an example showing an outline of an electronic circuit configuration when a resistance temperature detector is used as the
図3は、本発明の絶対温度出力センサを実施するためのセンサチップの一実施例を示す平面概略図である。図4は、図3のX−X線に沿ったセンサチップの断面概略図である。絶対温度出力センサのセンサチップで、温度差センサ20とヒータ25とを別々に、薄膜10に形成した場合の例で、シリコン(Si)の基板1、特にSOI基板を用いた場合の例であり、薄膜10は、基板1から空洞40を介してn型のSOI層11から成るカンチレバ12形状に形成して有り、基板1から熱分離した形になっている。温度差センサ20の基準点21は、基板1の空洞40を除く熱容量が大きい額縁に形成して、この近くに絶対温度センサ30としての(pn接合)ダイオードが形成されている。なお、単結晶シリコンは、金属なみの大きな熱伝導率を有するので、温度差センサ20の基準点21の近傍の基板1に絶対温度センサ30を形成すると、ほぼ、基準点21の温度と絶対温度センサ30の温度とが等しいと考えることができる。また、n型のSOI層11が絶対温度センサ30としてのダイオードのn型領域と温度差センサ20のn型SOI層11から成る熱電導体120aが導通していることになる。従って、温度差センサ20の基準点21の電極パッド70bとダイオードのSOI層11側の電極パッド72aとがSOI層11を介して導通しているので、等電位になっている。本絶対温度出力センサの回路構成上、この共通電位である基準点21の電極パッド70bと電極パッド72aとを共通のアース電位として取り扱うことができて好適である。温度差センサ20の他方の熱電導体120bとして、ここでは、薄膜10上に形成してあるヒータ25と同時に形成することができるように、シリコン酸化膜である絶縁膜50の上に形成した高融点のニクロム薄膜を用いた場合であり、ニクロムのスパッタリング堆積による薄膜状にしている。0.01Ω・cm程度の低い抵抗率の半導体とニクロム金属とからなる熱電対でも、ほぼ金属側の熱起電力は半導体の熱起電力比べて無視できる程度に小さいので、温度差センサ20の熱起電力は、ほぼ半導体のゼーベック係数により定まるといっても過言ではない。このように、n型のSOI層11の半導体と金属との温度差センサ20の熱起電力は、ほぼ半導体により定まり、温度が高くなる測定点22の方が基準点21に対して、正の電位(+電位)となることが分かっている。
FIG. 3 is a schematic plan view showing an embodiment of a sensor chip for implementing the absolute temperature output sensor of the present invention. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the sensor chip taken along line XX of FIG. This is an example in which the
ヒータ25にその電極パッド71aと71bに所定の電圧を印加することにより、薄膜10を加熱すると、温度差センサ20の熱起電力は、基板1に形成された温度差センサ20の基準点21のn型SOI層11側の電極パッド70bが負の電位(−電位)に、同一温度の電極パッド70aが、測定点22の電位にほぼ等しく正の電位になるように、測定点22と基準点21との温度差にほぼ比例して発生する。
When the
絶対温度センサ30としてダイオードを用いた場合、所定の一定順電流、例えば、1ミリアンペア(mA)を流したダイオードの順電圧の出力と、温度差センサ20から測定点22と基準点21との温度差にほぼ比例して発生した熱起電力の出力とを、実施例1で述べた図1に示す回路に適用することにより、ヒータ25により加熱された薄膜10の熱電対の測定点22の温度を、絶対温度表示できるようにすることができる。例えば、図1の回路において、温度差センサ20の熱起電力の出力を、増幅器A1を用いて温度差センサ20からの熱起電力の実効的な温度係数が、順電圧のダイオードから出力の温度係数に等しくなるようにさせる方法や、これらの出力を加算させる方法、更に、温度差センサ20の測定点22における温度を絶対温度に比例するようにする方法に関しては、実施例1で述べてあるので、ここではその詳細な説明を省略する。なお、測定点22でのSOI層11から成る熱電導体120aとニクロム薄膜から成る、熱電導体120bとは、オーミックコンタクト60で導通させてあり、同様に、SOI層11から成る熱電導体120aとその基準点21における電極パッド70bともオーミックコンタクト60で導通させている。実施例2における図2における絶対温度センサ30として測温抵抗体を用いた場合も同様である。
When a diode is used as the
本発明の絶対温度出力センサは、例えば、熱伝導型のセンサとしての絶対湿度センサに好適である。空気中の湿度は、1立方メートル(m3)中の含有する水分量の絶対湿度で表わすことができ、グラム(g)/立方メートル(m3)で一般に表示される。この絶対湿度は、空気の温度が分かれば、その温度における飽和水蒸気量が分かるので、相対湿度に換算することができる。空気中に含まれる水分量は、温度と共に急激に多くなるが、水蒸気を含む空気(湿潤空気)の熱伝導率は、120℃から150℃程度の温度で空気の熱伝導率とほぼ等しくなり、これ以下の温度では、水蒸気量が多くなると純粋空気の熱伝導率よりも下がり、これ以上の温度では湿潤空気の熱伝導率が急速に大きくなる。従って、絶対湿度センサとして湿潤空気の熱伝導率を利用して絶対湿度を計測する原理においては、実施例1に示した図3、図4、図5に示すセンサチップを用いて計測することができる。そこでのセンシング部であるヒータ25と温度差センサ20の測定点22が搭載されている薄膜10を、200℃以上の高温に温度上昇させて計測し、しかも、その絶対温度を知る必要がある。むしろ、熱伝導率が大きい非常に高い所定の絶対温度、例えば、400℃まで昇温させて、その時の薄膜10の雰囲気の空気の温度も熱平衡状態での放熱状態を計測することが求められる。
The absolute temperature output sensor of the present invention is suitable for an absolute humidity sensor as a heat conduction type sensor, for example. Humidity in the air, can be represented by the absolute humidity of the moisture content contained in one cubic meter (m 3), is generally expressed in grams (g) / cubic meter (m 3). If the temperature of the air is known, the absolute humidity can be converted into relative humidity because the amount of saturated water vapor at that temperature is known. The amount of moisture contained in the air increases rapidly with temperature, but the thermal conductivity of air containing moisture (humid air) is approximately equal to the thermal conductivity of air at a temperature of about 120 ° C to 150 ° C. At a temperature lower than this, as the amount of water vapor increases, the thermal conductivity of pure air decreases. At higher temperatures, the thermal conductivity of wet air rapidly increases. Therefore, in the principle of measuring the absolute humidity using the thermal conductivity of wet air as an absolute humidity sensor, it is possible to measure using the sensor chip shown in FIGS. 3, 4 and 5 shown in the first embodiment. it can. Therefore, it is necessary to measure the temperature of the
そのためには、薄膜10に形成してある薄膜熱電対などの温度差センサ20の測定点22の絶対温度を計測して、ヒータ加熱により薄膜10の温度が、所定の絶対温度である400℃になった時にヒータ25の加熱を停止させる必要がある。室温が変化しても測定点22の絶対温度を所定の温度、例えば、400℃にさせる必要があり、このためには、本発明の絶対温度出力センサを使用することが好適である。すなわち、ヒータ加熱により薄膜10の温度を代表する測定点22の絶対温度が、所望の絶対温度である400℃になった時に、図1や図2に示した電子回路の出力V0の400℃に対応した値を利用して、コンパレータなどを用いてヒータ25の加熱を停止させるようにする。そして、冷却期間中の出力変化から空気中の絶対湿度を求めるようにすることができる。このとき、含有する水蒸気量に熱伝導率が無関係になるような温度である120℃から150℃付近の温度を基準にして計測することにより、室温の温度の効果を打ち消すことができることも知られている。このような熱伝導型のセンサとしての絶対湿度センサでの薄膜10の昇温は、所定の温度の精度が問題ではなく、繰り返し計測しても、例えば、400℃の付近の温度で、繰り返しの再現性があれば、事足りることである。このようなことで、温度差センサ20の熱起電力の温度係数の温度依存性、すなわち、熱起電力と温度差との直線性は、余り問題にしなくとも済む。
For that purpose, the absolute temperature of the
図5には、本発明の絶対温度出力センサを実施するためのセンサチップの他の一実施例を示す。ここでは、温度差センサ20をヒータ25と兼用にした場合の例である。もちろん、薄膜10に測温抵抗体などを形成して、その薄膜10の絶対温度を計測することもできるが、白金などの金属の測温抵抗体では、抵抗値が小さく、微細な細線のパターン化が必要であり、その面積を必要とし、均一なパターンの製作が困難である。また、ダイオードなどの半導体を用いた場合は、その使用温度が150℃以下でしか使用できないもので、薄膜10の絶対温度が400℃程度で使用する場合は、熱電対など温度差センサ20と基板1に形成したダイオードなどの絶対温度センサ30との組み合わせを用いた本発明の絶対温度出力センサが好適である。
FIG. 5 shows another embodiment of a sensor chip for implementing the absolute temperature output sensor of the present invention. In this example, the
図6は、本発明の絶対温度出力センサのヒータ加熱による薄膜10の温度の一実施例のタイムチャートで、ヒータ25による薄膜10の加熱と冷却を繰り返した場合である。ここでは、ヒータ25の加熱期間を加熱サイクルとし、冷却期間を冷却サイクルと表記している。ヒータ25による薄膜10を加熱した時の加熱サイクルでの温度上昇の薄膜温度T(測定点22の温度で代表している)の時間経過とヒータ加熱を停止した後の冷却サイクルでの薄膜10の温度下降の時間経過の状況を示している。また、例えば、薄膜10の熱時定数が30ミリ秒(msec)程度の場合、この熱時定数に比べて100分の1以下である10マイクロ秒(μsec)程度の時間Δtだけ、ヒータ加熱を停止させても、薄膜10の温度は、その熱時定数のためにほとんど下がらず、この短い時間Δtの間でもほぼヒータ加熱を停止させない時の温度を維持していると考えることができる。このような短い時間Δtの加熱サイクル中のヒータ加熱を停止や、ヒータ加熱サイクルが終了して次の冷却サイクルに突入した場合でも、ヒータ加熱サイクルのヒータ加熱停止直後の短い時間Δtの間では、やはり、ほぼヒータ加熱サイクル最後の温度を維持していると考えることができる。
FIG. 6 is a time chart of an example of the temperature of the
図7には、本発明の絶対温度出力センサのヒータ加熱による薄膜の温度の他の一実施例のタイムチャートで、ヒータ25による薄膜10を加熱した時の加熱サイクル中に、周期的に上述の図6の時のような熱時定数に比べて充分短い時間Δtだけ、ヒータ加熱を停止させた場合の例を示している。そして、この短い時間Δt内に温度差センサ20で、上述の図1に示す回路で測定点22の絶対温度に対応する出力電圧V0を計測し、所望の温度、例えば、400℃になった時に対応する出力電圧V0の値の到達した時点で、ヒータ25の加熱サイクルを停止させて、次の冷却サイクルに移行させるようにした場合の例でもある。この図7では、ヒータ加熱サイクルで加熱初めから時間tnになった時に加熱サイクルを停止させて、次の冷却サイクルに移行する場合を示している。このためには、ここでは示していないが、400℃になった時に対応する出力電圧V0の値に等しい比較用の電圧を生成しておき、この電圧と400℃対応の出力電圧V0とコンパレータなどで比較して、ヒータ25の加熱サイクルを停止させるようにすると良い。
FIG. 7 is a time chart of another embodiment of the temperature of the thin film due to the heater heating of the absolute temperature output sensor of the present invention. During the heating cycle when the
次の冷却サイクルはタイマーICなどで所望の時間を決めて設定し、その動作が終了したら再び加熱サイクルにするようにすることは、純粋のハード的な回路構成で既知の技術で容易に達成できるものである。このようにして、所望の絶対温度の400℃の測定点22の温度が周期的に達成されることになる。これを絶対湿度センサにおける湿潤空気の熱伝導率の高い高温設定温度として利用し、例えば、冷却サイクル中の薄膜10の測定点22の温度降下特性や、所定の高温に到達させるためのヒータ25の消費電力の大きさから湿潤空気中の絶対湿度を、予め用意してある校正データと比較して絶対湿度に換算して求めることができる。150℃以上の高温では、湿潤空気中の水蒸気量が大きいと湿潤空気の熱伝導率が大きくなるので、速く測定点22の温度降下が生じることになる。この様子は、例えば、冷却サイクル中での図1に示した回路の出力電圧V0を時間積分することにより、その積分値の大きさで温度降下の速さを評価することもできる。時間積分値の大きさが小さいと速く温度降下したことになり、その分、絶対湿度が大きいことになる。また、同様に、絶対湿度が大きいと、所定の温度、例えば400℃に到達させるには、その分、大きなヒータの消費電力が必要となる。逆に、大きな消費電力で有れば、その分、絶対湿度が大きいことになる。このようにして、絶対湿度を求めることができる。
The next cooling cycle is determined by setting a desired time with a timer IC or the like, and once the operation is completed, the heating cycle can be set again. This can be easily achieved by a known technique with a pure hardware circuit configuration. Is. In this way, the temperature of the
温度差センサ20をヒータ25として動作させているときには、簡単には、温度差センサ20を本来の温度センサとして動作できない。それは、ヒータ25を数百℃に加熱するために必要な加熱電圧と温度差センサ20である熱電対の温度差に基づく熱起電力とに、桁違いの電圧の差があり、熱起電力としての電圧は、無視できる程度の大きさでしかないからである。しかしながら、ヒータ25の駆動電圧が、一定値であるならば、この時間微分値は、本質的にゼロであるのに対して、ヒータ加熱による薄膜10の温度上昇は、時間的に変化するものであるから、この成分は時間微分をすることによりゼロでない温度上昇に関連する出力を取り出すことができる。更に、この時間微分した出力特性を時間積分することにより、元の薄膜10の温度上昇分を再現することができる。図8は、このようにして、元の薄膜10の温度上昇分を再現するため、本発明の絶対温度出力センサで、時間微分をゼロにできる矩形波電圧でのヒータ加熱による薄膜10の絶対温度を推定するためのブロック図を含む回路の一実施例である。
When the
図8に示す実施例では、実施例1における図1と同様に、絶対温度センサ30としてダイオードを用いた場合を示している。もちろん、実施例2の図2のように、絶対温度センサ30として測温抵抗体を用いても良い。動作の概要を説明すると次のようである。図9には、本発明の絶対温度出力センサの矩形波電圧ヒータ加熱による薄膜10の絶対温度推定の一実施例の熱電対からの出力や温度波形等のタイムチャートを示している。温度差センサ20をヒータ25と兼用にしているので、ヒータ25としての役割として、図9(a)に示すような、ヒータ加熱用の繰返し矩形波の電源電圧Vh’をヒータ25に印加する。このとき、ヒータ25に実際に印加される電圧は、一般に配線抵抗や浮遊容量や浮遊インダクタンスなどで決まる同図(b)に示すようなヒータ電圧印加直後やヒータ電圧印加停止直後に過度状態を有する電圧波形となるが、これらの過度状態の時間領域(過度領域と呼ぶ)を除くと、時間的にほぼ平坦である微分時間の領域とした直流成分的ヒータ印加電圧Vhとなる。本来、矩形波の電源電圧Vh’をヒータ25に印加すると、過度領域を除くと時間的に全く平坦である直流成分の時間帯のヒータ印加電圧Vhとなるはずであるが、ヒータ25を温度差センサ20である熱電対と兼用にしているので、同図(c)に示すようなヒータ25の温度上昇(飽和値温度Th)に基づき、わずかではあるが、温度上昇と共に熱起電力が発生する。このために、同図(b)のほぼ平坦な時間領域(微分時間の領域)は、ここでは小さくて描けないが、時間と共にほんの僅か右上がりとなり、やがて飽和するような電圧波形が重畳されている。このような同図(b)のほぼ平坦な時間領域である微分時間の領域を、図8に示す時間設定手段を用いて、ヒータ加熱の過度領域を除いた時間領域として取り出すようにする。
The embodiment shown in FIG. 8 shows a case where a diode is used as the
同図(b)のほぼ平坦な時間領域である微分時間の領域を微分手段により時間的に微分すると、同図(d)に示すような同図(c)の温度波形を微分したような波形が得られる。ここでは、温度差センサ20が熱電対であり、ほぼ薄膜10の温度(測定点22の温度で代表している)の基板1からの温度上昇分に熱起電力が比例しているとしている。このような同図(d)に示すような微分波形を、今度は積分手段により積分して、増幅回路により利得の調整で同図(c)の微分時間内の波形に相似形の同図(e)に示すような出力電圧波形(最終値:Vth-Vts)を得ることができる。そして、例えば、同図(e)の出力波形から、その熱時定数を求めて、ヒータ25の加熱開始(時刻0)から過度領域を避けた微分を開始する時刻tdまでに、薄膜10が温度上昇した分を割り出し、その時間内に温度上昇をした分に相当する熱起電力に基づく電圧Vtsを求めて、この分を電子回路的もしくは、ソフトウエア上で加えることにより、同図(c)に示す薄膜10の到達温度Thに対応する、同図(f)に示すような再現電圧波形(飽和値:Vth)を求めるものである。もちろん、この同図(f)の再現電圧波形(飽和値:Vth)から、同図(c)の薄膜10の到達温度Th を、予め用意してある校正データを利用して求める。
When the differential time region, which is a substantially flat time region in FIG. 5B, is differentiated in terms of time by the differentiating means, a waveform obtained by differentiating the temperature waveform in FIG. 5C as shown in FIG. Is obtained. Here, the
微分手段や積分手段は、公知のコンデンサと抵抗の組み合わせによる電子回路でも良いし、演算増幅器と組み合わせて、増幅された出力電圧を得るようにしても良い。もちろん、デジタル回路を用い、ソフトウエアを利用して出力電圧を、時間的に微分したり、積分したりする微分手段や積分手段でも良い。 Differentiating means and integrating means may be an electronic circuit using a combination of a known capacitor and resistor, or may be combined with an operational amplifier to obtain an amplified output voltage. Of course, a differentiating means or integrating means for differentiating and integrating the output voltage with respect to time using a digital circuit and software may be used.
本発明の絶対温度出力センサは、図3、図4および図5で示したセンサチップを用いて、薄膜10の温度を所定の絶対温度までヒータ加熱するやり方で、フローセンサや水素ガスセンサなどに応用することができる。所定の絶対温度まで薄膜10を昇温させる方法は、実施例4で絶対湿度センサに適用した図7や実施例5の図8に示したように、所定の絶対温度になった時にヒータ加熱を停止させる方式で達成できる。ガスフローセンサでは、気体の熱伝導率はガスの環境温度により異なるので、加熱した薄膜10の絶対温度を知る必要がある。また、水素ガスセンサでも、熱伝導型水素ガスセンサでは、空気の熱伝導率もその環境温度により異なり、ヒータ加熱された薄膜10の周囲の加熱された空気の温度を知り、補正する必要がある。このように熱伝導型センサとして使用する加熱された薄膜10の絶対温度に基づく熱伝導率の補正には、本発明の絶対温度出力センサが図1や図2に示した単純な回路で達成されるので、好適である。
The absolute temperature output sensor of the present invention is applied to a flow sensor, a hydrogen gas sensor, etc. by heating the
本発明の絶対温度出力センサは、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。 The absolute temperature output sensor of the present invention is not limited to the present embodiment. Naturally, various modifications can be made while the gist, operation, and effect of the present invention are the same.
アナログ回路だけで、被計測物理量に晒される室温補正をした温度差センサの測定点の絶対温度を求めることは、単純な回路で済み、高価なMPU等を用いないで済むので、安価でコンパクトな絶対温度出力センサが提供できる。熱電対などの温度差センサの出力と、一定電流を流したダイオードの順電圧出力や測温抵抗体での電圧降下による電圧出力とが、共に温度変化に対する良い直線性を利用しているので、特に、室温付近で温度変化がそれほど大きくない温度領域では、非常に高精度の絶対温度出力センサとして提供できる。また、特に、半導体基板を用いた場合は、半導体熱電対とpn接合ダイオードや白金(Pt)測温抵抗体を同一のこの半導体基板に形成できるので、極めてコンパクトな絶対温度出力センサとして提供できる。また、400℃以上の高温でも、100℃以下における被計測物理量計測であっても、ヒータ加熱による所定の高温が再現性良く達成されれば良く、高精度の絶対温度の値が望まなくても済むような熱伝導型センサとしての絶対湿度センサ、ガスフローセンサ、水素ガスセンサ、気圧センサなどには、本発明の絶対温度出力センサを適用すれば、単純な回路構成で、高速応答でかつ小型で安価な熱伝導型センサの装置が提供できる。また、耳式体温計やターゲットの温度を非接触で計測できる放射温度計、ヒータを外部に設けて気体や液体などの流体を介してその流体の熱伝導率の大きさや変化を利用する物理量計測用のセンサなど、本発明の絶対温度出力センサのチップにヒータを有しないような物理量計測装置も提供できる。 Finding the absolute temperature of the measurement point of a temperature difference sensor that has been subjected to room temperature correction that is exposed to the physical quantity to be measured using only an analog circuit is a simple circuit and does not require an expensive MPU. An absolute temperature output sensor can be provided. Since the output of a temperature difference sensor such as a thermocouple and the forward voltage output of a diode that passed a constant current and the voltage output due to a voltage drop at a resistance temperature detector both use good linearity with respect to temperature changes, In particular, in a temperature range where the temperature change is not so large near room temperature, it can be provided as an extremely accurate absolute temperature output sensor. In particular, when a semiconductor substrate is used, a semiconductor thermocouple, a pn junction diode, and a platinum (Pt) resistance temperature detector can be formed on the same semiconductor substrate, so that it can be provided as an extremely compact absolute temperature output sensor. Moreover, even if the measured physical quantity is measured at a high temperature of 400 ° C. or higher or at a temperature of 100 ° C. or lower, it is sufficient that the predetermined high temperature by the heater heating is achieved with good reproducibility, and a high-precision absolute temperature value is not desired. If the absolute temperature output sensor of the present invention is applied to an absolute humidity sensor, a gas flow sensor, a hydrogen gas sensor, an atmospheric pressure sensor, etc. as a heat conduction type sensor, it is possible to achieve a simple circuit configuration, a high-speed response and a small size. An inexpensive heat conduction sensor device can be provided. In addition, ear-type thermometers and radiation thermometers that can measure the temperature of the target in a non-contact manner, and physical quantity measurement that uses heaters outside and uses the magnitude and change of the thermal conductivity of the fluid via a fluid such as gas or liquid It is also possible to provide a physical quantity measuring apparatus that does not have a heater in the chip of the absolute temperature output sensor of the present invention, such as the above sensor.
1 基板
10 薄膜
11 SOI層
12 カンチレバ
15 下地基板
20 温度差センサ
21 基準点
22 測定点
25 ヒータ
30 絶対温度センサ
40 空洞
50 絶縁膜
60 オーム性コンタクト
70a、70b 電極パッド
71a、71b 電極パッド
72a、72b 電極パッド
120a, 120b 熱電導体
200、200a, 200t 調整手段
300 加算手段
DESCRIPTION OF
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Cited By (2)
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JP2019070557A (en) * | 2017-10-06 | 2019-05-09 | 株式会社アドバンテスト | Calorimetric sensor, manufacturing method therefor, and inspection device using the same |
CN113494948A (en) * | 2020-03-19 | 2021-10-12 | 株式会社石田 | Weighing sensor unit and weighing device |
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2013
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CN113494948A (en) * | 2020-03-19 | 2021-10-12 | 株式会社石田 | Weighing sensor unit and weighing device |
CN113494948B (en) * | 2020-03-19 | 2023-02-28 | 株式会社石田 | Weighing sensor unit and weighing device |
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