JP2530840B2

JP2530840B2 - 薄膜温度センサ

Info

Publication number: JP2530840B2
Application number: JP62077809A
Authority: JP
Inventors: 敏嗣植田; 扶佐夫幸坂; 大輔山崎
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1987-03-31
Publication date: 1996-09-04
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JPS63244701A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、薄膜で測温体を形成した薄膜温度センサの
改善に関するものである。

〔従来の技術〕

測温抵抗体としては、現在或る種の金属、例えば白金
（P_t）やニッケル（N_i）を巻線型にした抵抗体が一般的
に広く使用されている。バルク（bulk）としての高純度
の白金は、高いTCR（temperature coefficient of resi
stance…抵抗温度係数）を有し、この抵抗体に、歪み、
衝撃、応力等を加えなければこのTCR値は安定である。
しかも同一の純度で同一の形状とした白金抵抗体のTCR
値は同一であるため抵抗体のとしての互換性がある。例
えば、IPTS（international practical temperature sc
ale）を満たす白金抵抗体のTCR値は、3925ppm/℃であ
る。このIPTSの規格による白金抵抗体は非常に高純度で
あるため高いTCR値を有するが、反面、歪み、衝撃、応
力によりTCR値が変化し、取扱に困難性があるという問
題を持っている。

そこで歪み、衝撃、応力等の影響を受けにくいように
不純物を加えて白金純度を下げたJIS,DIN等が規定され
ている。例えば、JISによれはTCR値は3916ppm/℃、DIN
によればTCR値は3850ppm/℃である。

このようにIPTS、JIS等による巻線型測温抵抗体（バ
ルクとしての抵抗体）は、高いTCR値を持ち、同一の規
格同士の測温抵抗体は互換性を持つが、形状が大きいと
いう問題点を共通に有している。しかも測温抵抗体の形
状が大きいと熱容量が大きくなるため熱応答性が悪い。

このような問題点を解決するため、本出願人は実願昭
55−146658号「薄膜センサ」（以下先願と言う）の出願
をした。この先願の薄膜センサを第７図に示す。第７図
において、１は絶縁基板であり、２はN_i,C_r,P_t等の薄膜
で形成した抵抗体であり、４は絶縁基板１に設けた空間
部である。この第７図によれば、薄膜抵抗体２の大部分
は空間部４に位置されるものであるから小型化、熱応答
性の問題点を解決することができる。

しかし、先願の測温抵抗体は、業界で広く使用されて
いるIPTS,JIS等の規格による測温抵抗体と互換性を得る
ことができない問題点を有している。その理由を述べる
と、IPTS,JIS等で規定している測温抵抗体は巻線型（巻
線型は金属の塊で構成したものと見ることができこの巻
線型を以下“バルク”と記す）であり、先願の測温抵抗
体は“薄膜”である。

ここで同一純度の白金（白金に限らない）を“バル
ク”の抵抗体として構成した場合と“薄膜”の抵抗体と
して構成した場合とで、TCR値や固有抵抗値が異なるこ
とが知られている。即ち、固有抵抗値は“薄膜”の方が
高く、TCR値は“バルク”の方が高い。それは、“バル
ク”の抵抗体は金属が結晶状に配列された構成である
が、“薄膜”の抵抗体は結晶状でなく金属粒子の集合状
態であるという構成上の差異に基づく。従って、“バル
ク”と“薄膜”とではTCR値や固有抵抗値が異なるので
ある。

そこで、“薄膜”で構成した抵抗体を高温度で熱処理
すると薄膜を構成していた個々の金属粒子が再配列して
結晶状となる。即ち、薄膜抵抗体を高温度で熱処理する
ことにより、TCR値や固有抵抗値を変化させ、“バル
ク”と同一にすることができる。しかも、熱処理の温度
等により、薄膜測温抵抗体をIPTSやJIS等による“バル
ク”の測温抵抗体の特性と同一にすることができる。

しかし先願（第７図）の構成の薄膜測温抵抗体を高温
で熱処理すると、絶縁基板１と抵抗体２との付着力が低
下し、抵抗体２が剥離する問題がある。例えば抵抗体２
に電流を流し、その時の発熱により抵抗体２を高熱にし
て熱処理をした場合、第７図に示すＡ部も高温となり、
抵抗体２が剥離するのである。従って、先願の薄膜抵抗
体は高温で熱処理ができないのである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

以上のように先願の構成に係る薄膜測温抵抗体は、剥
離の面から熱処理ができない問題がある。また仮に高温
で付着力の低下しない接着手段を発明したとしても先願
には次の問題がある。

先願（第７図）の構成は、抵抗体２の一部が絶縁基板
１に接着されている。即ち、抵抗体２と絶縁基板１との
熱絶縁が悪いことにより熱処理をした場合、所望のTCR値や固有抵抗値を得
ることが困難である。

このを補足すると、熱処理の温度により薄膜測温抵
抗体のTCR値や固有抵抗値は変化するので、TCR値や固有
抵抗値を目標値と一致させる（例えばIPTSやJISと一致
させる）には、薄膜測温抵抗体の各部の温度を均一に目
的の温度に保つ（温度分布を少なく保つ）ことが必要で
ある。しかし、第７図の構成では、抵抗体２を均一な温
度に保つことができない。熱処理により高温の抵抗体２
と比べ、絶縁基板１の温度が低く、後述する第４図（i
i）のように大きな温度分布が発生するからである。

絶縁基板１の温度が伝達され、測温抵抗体自身の温
度特性が得られない。

絶縁基板１の熱容量の影響を受け、速い熱応答がで
きない。

本発明の目的は、高温で熱処理しても測温抵抗体が絶
縁基板から剥離することがなく、しかも絶縁基板と測温
抵抗体との熱絶縁が優れた構成の薄膜温度センサを提供
することである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記問題点を解決するために空間部を有した絶縁基板と、この絶縁基板の空間部に配置され、断面積がS₀である
波状パターンの薄膜抵抗体と、この抵抗体のパターンの
頂点部から頂点部までの長さL₀の所に絶縁基板までの長
さL₁,断面積S₁の突起である支持部とを有し、この支持
部を介して絶縁基板に固定された測温抵抗体と、を備え、（L₀/S₀）＜（L₁/S₁）となるようにしたもので
ある。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明を詳しく説明する。

第１図と第２図は、本発明に係る薄膜温度センサの一
実施例を示した図、第３図は第１図及び第２図の製造工
程の例を示した図、第４図と第５図は本発明の要部を説
明するための図、第６図は第１図の要部を拡大して示し
た図である。

第１図と第２図において、１は絶縁基板であり、その
一部に図に示すような空間部４が設けられている。この
絶縁基板１の材質として例えば、シリコン、水晶等異方
性エッチングできる材質のものが使用される。

２は波状パターンをした薄膜の抵抗体である。波状パ
ターンは第１図，第２図で示すように矩形波状のものに
限定せず、例えば正弦波状、又は広義に繰返す形状のも
のを含むものである。この抵抗体２は前記絶縁基板１の
空間部４に配置される。そして、この抵抗体２には、支
持部３で示す突起が設けられている。この支持部３は抵
抗体２と同一材質で一体化されたものである。第１図で
は、この支持部３は波状パターンの各頂点部に１つ設け
られているが、第２図では矩形波の１辺ごとに設けられ
ている。本明細書では、この抵抗体２と支持部３とを合
せて測温抵抗体と称している。測温抵抗体は、この支持
部３を介して絶縁基板１に固定されている。5,6は抵抗
体２の抵抗値を電気信号として取出す電極である。この
測温抵抗体は、例えばP_t,N_i等通常、抵抗として使用す
る物質の単体あるいは複合体が用いられる。

本発明では、抵抗体２の波状パターンの長さと断面
積、及び支持部３の長さと断面積の関係に特徴があるか
ら、この点を第６図を参照して詳しく説明する。本発明
は、断面積がS₀である抵抗体と『抵抗体のパターン２の
頂点部から頂点部までの長さL₀』の所に『絶縁基板１ま
での長さL₁,断面積S₁の突起である支持部３』を設け（L
₀/S₀）＜（L₁/S₁）となるように構成する。このように
構成することで、上述した先願の問題点を解決できる。

ここで『抵抗体のパターンの頂点部から頂点部までの
長さL₀』とは、第６図“L₀"に示す経路の長さのことで
ある。即ち、支持部３は波状パターンをした抵抗体２の
頂点部に設けられるが、この２つの頂点に設けられた支
持部３との間を結ぶ抵抗体の長さのことである。

第１図では支持部３は各矩形波の頂点に１本ずつ設け
られているため、『抵抗体のパターンの頂点部から頂点
部までの長さL₀』は第６図のようになる。もっとも、第
１図では、“L₀"の長さを概略各矩形波の１辺の長さと
して図示したが、正確には第６図に示す“L₀"である。

一方、第２図のように各矩形波の１辺ごとに支持部３
が設けられている場合は、『抵抗体のパターンの頂点部
から頂点部までの長さL₀』は各矩形波の１辺の長さと一
致する。

また、『絶縁基板１までの長さL₁の支持部』とは、第
１図，第２図，第６図に示す長さ“L₁"のことである。
ここで支持部３の長さは（L₁＋Δ）である。測ち、支持
部３を介して測温抵抗体は絶縁基板１に固定されるが、
固定する部分の長さ“Δ”が必要である。

以下、（L₀/S₀）＜（L₁/S₁）となるように構成する
と、上述した先願の問題点を解決できる理由を説明す
る。即ち、第１図，第２図のように構成すると、絶縁基
板１の熱容量の影響を受けず、抵抗体２のみ高温にする
ことができ、しかも抵抗体２のパターン全体の温度を均
一にすることができる理由を説明する。

第４図は温度がT₀であって互いに距離Ｌだけ離れた絶
縁基板10,11の間に断面積（Ｓ＝ａ・ｂ）の抵抗体12を
橋渡しした状態を示した図（ｉ）と、この抵抗体12にお
ける温度分布を示した図（ii）である。

抵抗体12をなんらかの方法で加熱する。第４図（ｉ）
に示すように、左側の絶縁基板10のエッジの位置をｘ＝
０として、熱伝導基本式を表すと（１）式となる。

λ：熱伝導率 q₀:発生熱流束このこの（１）式を解くと、ｘ軸上における抵抗体12の
温度Ｔは次式で表される。

この（１）′式を図で示したのが第４図（ii）である。
抵抗体12における最大温度Tmは、ｘ＝（L/2）として Tm＝T₀＋｛q₀/8λ）L² （２）一方、抵抗体12の全発熱量Ｑは次式で表される。

Ｑ＝q₀・Ｓ・Ｌ（３）（Ｓ＝ａ・ｂ）（３）式を（２）式に代入して Tm＝T₀＋（L/8λＳ）Ｑ（４）以上のように、温度T₀の基板10,11の間を発熱する低抗
体12で橋渡しした時には（１）〜（４）式が成立つ。

第５図は第１図，第２図の一部（P₁〜P₂点）即ち、抵
抗体２の１つの頂点部からもう一方の頂点部までを抜出
して示した図である。もっとも、第１図においては、抵
抗体２と支持部３とは、第６図のようになるが、この第
６図であっても、矩形に曲がった抵抗体２を直線で表せ
ば、等価的に第５図と見ることができる。

第５図において、１は第１図，第２図の絶縁基板であ
り、空間部の距離は（L₀＋2L₁）である。２は抵抗であ
り、その長さはL₀,断面積はS₀である。３は支持部であ
り、絶縁基板１までの長さL₁と絶縁基板１に接着する部
分“Δ”を有する。また、その断面積はS₁である。ここ
で第５図の図中に示すように、空間部４に接する絶縁基
板１のエッジの温度をT₁,支持部３へ移行する抵抗体２
の温度をT₀,最大温度をTmとする。また、抵抗体２の一
方のエッジを原点として、第５図（ｉ）の方向へｘ軸と
ｘ′軸をとる。

抵抗体２に関しては次式が成立する。

Ｔ＝T₀＋（q₀/2λ）ｘ（L₀−ｘ）（５） Tm＝T₀＋（q₀/8λ）L₀ ² （６）Ｑ＝q₀・S₀・L₀ （７）（Ｑは抵抗体２の総発熱量）また、支持部３に関しては次式が成立する。

Ｔ＝T₀＋（1/L₁）（T₁−T₀）ｘ′ （８）Ｑ′＝（S₁/L₁）λ（T₀−T₁）（９）（Ｑ′は支持部３への総熱流量）低抗体２で発生した総発熱量Ｑが総べて、支持部３への
総熱流量Ｑ′となって逃げるとすると、 T₀−T₁＝（q₀S₀L₀L₁）/2S₁λ ……（10）抵抗体２の温度分布（Tm−T₀）と抵抗体２と絶縁基板
１との温度差（T₀−T₁）の比は（６）式と（10）式を用
いて次式で得られる。

第５図（ii）は、左側の絶縁基板１のエッジを原点と
してこの位置からの温度勾配を描いた図である。抵抗体
２を何らかの手段で加熱する。（ii）図において、支持
部３は温度T₁を起点として位置０→L₁までは、（８）式
に従って直線的に温度が上昇し、抵抗体２へ移る位置L₁
においては、温度T₀となる。

位置L₁〜（L₁＋L₀）は抵抗体２における温度であり、
この部分は（５）式に従って、２次曲線で変化する。抵
抗体２の中央位置で、最大温度Tmとなる。

位置（L₁＋L₀）〜（2L₁＋L₀）は、再び支持部３の温
度であり、位置０〜L₁と逆の勾配となる。

ここで抵抗体２の温度をより均一にするには、（Tm−
T₀）の値を小さくすれば良い。従って、（11）式より
（L₀/S₀）／（L₁/S₁）を選択することになる。（Tm−
T₀）の許容値及び絶縁基板１の温度T₁の許容温度により
異なるが、一般的には（L₀/S₀）＜（L₁/S₁）とすること
により薄膜抵抗体の温度分布（Tm−T₀）を小さくするこ
とができるので、均一な温度にして熱処理を行なうこと
ができる。

熱処理を行なうには、電極5,6を介して抵抗体２へ電
流を流す手段、又はレーザ光を抵抗体２のみ照射にする
手段等がある。

なお、薄膜抵抗体２の抵抗値は次式で表されるため、
所望の抵抗値R₀となるようにパターン寸法を決定するこ
とができる。

R₀＝ρ・（l/ab）［Ω］ ρ：固有抵抗 l:抵抗体のパターンの全長（第１図ではｌ＝ｎ・L₀である） a:抵抗体の厚さ b:抵抗体の幅次に第１図及び第２図の様に製造する工程例を第３図
に示す。第３図は第１図のＢ−Ｂ′における断面に相当
する図である。

第３図（イ）において、絶縁基板１の両側に基板エッ
チング時のマスク31を設ける。更に一方の基板エッチン
グマスク31の上に薄膜32を例えばスパッタや蒸着で設け
る。

次に、薄膜32の上にレジストパターン33を設けると
（ロ）となる。このレジストパターン33が抵抗体２とな
る。

次に、薄膜エッチングを行なうと（ハ）となる。

次に、レジスト33の除去を行なうと（ニ）となる。

次に、絶縁基板１を異方性エッチングすると（ホ）と
なる。

次に、基板エッチング時のマスク31をエッチングする
と（ヘ）となり、第１図の様な形状の薄膜温度センサが
できる。

なお、薄膜として白金を用いた場合は第３図の工程で
はなく所謂リフトオフ法が用いられる。白金はエッチン
グが不可能だからである。このリフトオフ法も、公知で
あるためその製造工程の説明は省略する。

また、以上では抵抗体をスパッタや蒸着で設けると説
明したが不純物拡散により形成しても良い。

〔本発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば抵抗体２を支持部
３にて絶縁基板１の空間部４に吊るように構成してい
る。しかも、支持部３を長く（L₁）、厚み（ａ）を薄
く、幅（ｂ）を狭く構成しているため、抵抗体２は絶縁
基板１の温度の影響を受けない。従って次の効果が得ら
れる。

薄膜抵抗体パターンを均一な温度で熱処理できるた
め、TCR値等を所定の目標値にすることができるので、I
PTS,JIS等の測温抵抗体と互換性のある薄膜温度センサ
を制作できる。

高温の熱処理をしても、抵抗体２が絶縁基板１から
剥離することがない。

絶縁基板の影響を受けないため、薄膜抵抗体自身の
特性が得られる。

絶縁基板の熱容量に関係せず、速い熱応答が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は本発明に係る薄膜温度センサの一実施
例を示した図、第３図は第１図及び第２図の製造工程の
例を示した図、第４図と第５図は本発明の要部を説明す
るための図、第６図は第１図の要部を拡大して示した
図、第７図は先願の構成を示した図である。１……絶縁基板、２……抵抗体、３……支持部、４……
空間部。

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】空間部を有した絶縁基板と、この絶縁基板の空間部に配置され、断面積がS₀である波
状パターンの薄膜抵抗体と、この抵抗体のパターンの頂
点部から頂点部までの長さL₀の所に絶縁基板までの長さ
L₁,断面積S₁の突起である支持部とを有し、この支持部
を介して絶縁基板に固定された測温抵抗体と、を備え、（L₀/S₀）＜（L₁/S₁）となるようにした薄膜温
度センサ。
【請求項２】前記波状パターンとして矩形波状であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜温度セ
ンサ。
【請求項３】前記波状パターンとして正弦波状であるこ
とを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜温度セ
ンサ。
【請求項４】前記測温抵抗体に電流を流すことにより熱
処理した特許請求の範囲第１項記載の薄膜温度センサ。