JP2865939B2

JP2865939B2 - センサー素子

Info

Publication number: JP2865939B2
Application number: JP4090749A
Authority: JP
Inventors: 弘皆川
Original assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Current assignee: Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date: 1992-04-10
Filing date: 1992-04-10
Publication date: 1999-03-08
Anticipated expiration: 2014-03-08
Also published as: JPH05288705A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、主に電子レンジやオ
ーブンレンジのような食品調理装置に使用されるセンサ
ー素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種のセンサー素子としては、
シリコン基板の空洞に温度参照（リファレンス）用抵抗
および湿度検出用抵抗として薄膜金属による２つのマイ
クロブリッジを配置した湿度センサー（例えば、特開平
２−１７９４５９号公報参照）や、シリコン基板上に薄
膜金属マイクロブリッジを形成して酸化金属のガス吸着
体を付加したガスセンサー（例えば、「日経メカニカ
ル」１９８５年７−１号参照）が知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】食品調理装置におい
て、このようなセンサー素子を採用するにあたっては、
温度バイアスとして素子のガス・湿度感知部分が約３０
０℃から４００℃となるように電流を流し、自己発熱す
るように外部回路が付加される。センサー素子のガス及
び湿度の感知精度は、この温度バイアスの安定性により
決定されるが、センー素子が設定される環境は極めて厳
しい状況となることが予測される。

【０００４】つまり、センサー素子が設置される調理装
置は食品加熱の為、調理運転初期と食品加熱終了時点で
は調理装置自身の温度が大きく変化し、さらに、食品か
ら発生した蒸気やガスに直接暴露されるためセンサー素
子の温度ドリフトは避けがたい。

【０００５】特に、湿度センサーは温度リファレンス用
抵抗および湿度検出用抵抗ブリッジの温度特性が一致し
ていることが必須条件であるが、湿度検出用抵抗ブリッ
ジが湿気を含んだ空気にさらされるため空洞自身も放熱
することになり、密封されている温度リファレンス用抵
抗ブリッジの空洞との温度差が出てくる。

【０００６】さらに、２つのブリッジの空洞内面温度差
は被測定空気の温度、及び環境温度により差が出るた
め、センサー素子の検出精度に対して悪影響を与える温
度ドリフトを発生させる。従って、センサー素子の採用
にあたってはこの温度ドリフトを配慮した温度補償を行
う必要がある。

【０００７】また、センサー素子の調理装置への設置場
所について、食品からの蒸気・ガスを含んだ気体がオー
ブンから調理装置ケースの排気口にいたるまで確実に検
出できる場所は極めて限定される。従って、それぞれの
素子が独立のパッケージに封入されている場合、調理装
置の構造によっては取り付け場所の制約が出てくる。

【０００８】この発明はこのような事情を考慮してなさ
れたもので、検出の応答性が良好で検出精度が高く、設
置の容易なセンサー素子を提供するものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、温度
参照用抵抗と湿度検出用抵抗とを組合せて湿度を測定す
るように構成したセンサー素子において、表面に第１お
よび第２凹部を有する第１基板と、第１凹部内に設けら
れた湿度検出用抵抗と、第２凹部内に設けられた温度参
照用抵抗と、第１凹部の一部を露出させると共に第２凹
部を密閉するように第１基板を覆う第２基板を備え、第
２凹部の底部肉厚が第１凹部の底部肉厚より薄く設定さ
れたことを特徴とするセンサー素子を提供するものであ
る。

【００１０】また、請求項２の発明は、温度参照用抵抗
と湿度検出用抵抗とを組合せて湿度を測定するように構
成したセンサー素子において、表面に第１および第２凹
部を有する第１基板と、第１凹部内に設けられた湿度検
出用抵抗と、第２凹部内に設けられた温度参照用抵抗
と、第１凹部の一部を露出させると共に第２凹部を密閉
するように第１基板を覆うことによりそれぞれ第１およ
び第２空洞を形成する第２基板を備え、第２空洞を形成
する基板肉厚が第１空洞を形成する基板肉厚より薄く設
定されたことを特徴とするセンサー素子を提供するもの
である。

【００１１】

【作用】請求項１の発明において、センサー素子が湿気
のある空気に暴露されたとき、第２凹部の底部肉厚が第
１凹部の底部肉厚より薄いので、熱伝導効果が向上して
第１および第２凹部の内部温度の平衡が早くとれ、セン
サー素子の応答性が向上する。

【００１２】請求項２の発明において、第２空洞を形成
する基板肉厚が第１空洞を形成する基板肉厚よりも薄い
ので、熱伝導効果が向上して、第１および第２空洞の内
部温度の平衡が早くとれ、センサー素子の応答性が向上
する。

【００１３】

【実施例】以下、図面に示す実施例に基づいてこの発明
を詳述する。これによってこの発明が限定されるもので
はない。

【００１４】実施例１図１は本発明の実施例１のセンサー素子（湿度センサ
ー）を示す断面図、図２はその上面図、図３はその要部
上面図である。これらの図のセンサー素子Ｓ１におい
て、シリコン基板１の凹部とセンサーキャップ２の凹部
によって空洞３と空洞４が形成され、空洞３と空洞４の
内部には、それぞれ温度リファレンス用マイクロブリッ
ジ５と湿度検出用マイクロブリッジ６が設けられてい
る。温度リファレンス用マイクロブリッジ５が密閉され
る空洞３のサイズは、湿度検出用のマイクロブリッジ６
が設けられる空洞４のサイズより大きく設定され、また
このため、空洞３ではセンサーキャップ２の表面からの
肉厚が薄くなっている。

【００１５】７は空洞４に対向するようにセンサーキャ
ップ２に設けられた開口、５ａ、５ｂは温度リファレン
スマイクロブリッジ５の両端に接続された端子電極、６
ａ、６ｂは湿度検出マイクロブリッジ６の両端に接続さ
れた端子電極である。なお、図３は各マイクロブリッジ
５、６のパターン形状を示すためにセンサーキャップ２
を除去したときのシリコン基板１の上面を示している。

【００１６】図４は、図１の湿度センサーＳ１を湿気の
ある空気中に暴露した場合の空洞３と４の内面温度を示
しており、実施例（図４の（Ｃ））では、湿度検出用マ
イクロブリッジ６の空洞４と温度リファレンス用マイク
ロブリッジ５の空洞３との温度平衡が従来例（図４の
（ｂ））に比較し改善されることがわかる。つまり、こ
の湿度センサーＳ１を乾燥空気中においた場合、図４の
（ａ）に示すように、センサー自体からの熱放散量は少
なく、２つの空洞内部温度が平衡するように設定されて
いる。

【００１７】湿気のある空気中においた場合、湿度検出
用マイクロブリッジ６の温度は空気中の水蒸気量に応じ
熱放散量が大きくなり下がる。同時にセンサーの表面温
度、及び空洞３、４の内部表面温度とも低下するが、温
度リファレンス用マイクロブリッジ５は密封されている
ため、シリコン基板１からの熱伝導分しか低下しない。
さらに、密封空洞３のシリコン肉厚が薄く、熱伝導効果
が向上することにより２つの空洞３、４の内部温度の平
衡が早くとれる。

【００１８】図５は、湿度センサーＳ１の駆動回路の例
を示す。図５において、Ｒｒは温度リファレンス用マイ
クロブリッジ５の抵抗を表し、Ｒｓは湿度検出用マイク
ロブリッジ６の抵抗を表す。Ｒ_Lは２つのマイクロブリ
ッジ抵抗部分が自己発熱により約４００℃を維持するた
めの電流制限抵抗である。その他、Ｒ₁とＲ₂は抵抗Ｒ
ｒ，Ｒｓと共に抵抗ブリッジを構成する固定抵抗であ
り、Ｒ₃とＲ₄は抵抗ブリッジにより検出された微小電
圧を、アンプＡで増幅する際の増幅率を決めるための固
定抵抗である。

【００１９】空気中の水蒸気量に応じた熱放散のみで約
４００℃に自己発熱している２つのマイクロブリッジ
５、６が熱不平衡に至る場合、図５の回路における湿度
検出ブリッジ抵抗Ｒｓは熱放散のため抵抗が小さくな
り、固定抵抗Ｒ₁とＲ₂を含む抵抗ブリッジの電圧平衡
が変化し、オペアンプＡの入力抵抗Ｒ₃に電圧変化が生
ずる。

【００２０】オペアンプＡは、このＲ₃の両端電圧をＲ
₄/Ｒ₃倍に増幅し電圧Ｖｏｕｔを出力する。空気中の水
蒸気量が一定で、空気の温度のみが変化する場合、２つ
のマイクロブリッジ抵抗ＲｓとＲｒの温度は同時に変化
するため、抵抗ブリッジにおける抵抗Ｒ₃の両端電圧は
変化しない。従って、この出力電圧Ｖｏｕｔは空気中の
水蒸気量のみに対応する事になる。

【００２１】図６は、空気中の水分含有量が約５g/m³の
乾燥空気中と、約40g/m³の湿気のある空気中において、
本発明の効果を示すグラフである。

【００２２】このグラフにおいては、湿度センサーが絶
対湿度を検知する時の空気の温度と、オペアンプＡの出
力電圧Ｖｏｕｔの関係を示している。前述の様に、空気
中の水蒸気量のみにより２つのマイクロブリッジ抵抗Ｒ
ｓ，Ｒｒに温度不平衡が生ずる場合、図６において水蒸
気が一定ならば水平な実線で示すグラフとなる。

【００２３】しかし、従来の湿度センサーにおいては、
２つのマイクロブリッジを収容する空洞の内部表面温度
が、暴露される空気の温度により不平衡となると、湿度
検出用マイクロブリッジ６つまり抵抗Ｒｓの温度が水蒸
気による熱放散に加えさらに放散された状態となるた
め、図６の破線で示すグラフのように、回路出力電圧Ｖ
ｏｕｔは実際の湿度より高い値を示すことになる。

【００２４】図７は、この実施例の変形例を示す図１対
応図であり、この湿度センサーでは、空洞３、４サイズ
は互いに同一とし、センサーキャップ２の外側を取り去
ることで空洞肉厚を薄くしている。

【００２５】図８は、実施例１のセンサー素子Ｓ１を実
装するためのパッケージの一例を示す分解斜視図であ
り、センサー素子Ｓ１はパッケージ台８に装着され、金
属製の網カバー９で覆われる。なお、網カバー９はリン
グ１０によってパッケージ台８に固定される。

【００２６】実施例１によれば、湿度センサーの湿度検
知用マイクロブリッジの空洞にあける開口サイズが比較
的大きくできる。従って、２つのマイクロブリッジの空
洞内部表面の温度平衡が早くなり、湿度検出の応答性が
向上する。さらに、食品加熱調理機器における自動化調
理においては、食品から発生する蒸気・湿気は食品の調
理状態をあらわす重要な情報であるため、この湿度セン
サーを用いることにより、調理仕上がりのタイミングを
逃さずに調理を終了させることができる。

【００２７】実施例２図９は本発明の実施例２を示すセンサー素子の断面図で
あり、このセンサー素子Ｓ２では、ガスセンサーと湿度
センサーが１つのシリコン基板に設けられる。

【００２８】この素子の作成加工は、公知の半導体作成
プロセスにおけるマイクロマシニング手法を用いる事に
より達成できる。

【００２９】図９において、シリコン基板１１の凹部と
センサーキャップ１２の凹部によって空洞１３、１４、
１５が形成され、中央の空洞１４に湿度センサーの湿度
検出用マイクロブリッジ１７が設けられ、両端の空洞１
３、１５にそれぞれ湿度センサーの湿度リファレンス用
マイクロブリッジ１６とガスセンサーマイクロブリッジ
１８が設けられている。

【００３０】図１０は、センサー素子Ｓ２からセンサー
キャップ１２を除去した、マイクロブリッジ１６、１
７、１８のパターンを示す上面図であり、ガスセンサー
マイクロブリッジ１８は、薄膜ヒーター２３の上に重ね
て配置されている。なお、１６ａ，１６ｂはマイクロブ
リッジ１６の両端に接続された端子電極、１７ａ，１７
ｂはマイクロブリッジ１７の両端に接続された端子電
極、１８ａ，１８ｂはマイクロブリッジ１８の両端に接
続された端子電極、２３ａ，２３ｂはヒーター２３の両
端に接続された端子電極である。

【００３１】図１１はセンサー素子Ｓ２の上面図であ
り、１９と２０は空洞１４（図９）の上部に設けられた
２つの開口、２１と２２は空洞１５（図９）の上部に設
けられた２つの開口である。なお、マイクロブリッジ１
６、１７およびヒーター２３はそれぞれ金属薄膜で形成
（パターニング）された抵抗体であり、マイクロブリッ
ジ１８はＳｎＯ₂薄膜で形成（パターニング）された抵
抗体であり、図１２はこの図９に示す実施例の等価回路
である。

【００３２】図１３は、３つのマイクロブリッジの１
６、１７、１８の空洞内部表面温度を図示したもので、
これにより、湿度センサーがガスセンサーにより温度補
償される状況を示す。つまり、センサー素子Ｓ２が無臭
の乾燥空気中におかれている場合、３つそれぞれのマイ
クロブリッジ１６、１７、１８にはあらかじめ設定され
た温度である約４００℃で安定する様に電流が供給され
る。

【００３３】ガスセンサー用マイクロブリッジ１８と湿
度検出用マイクロブリッジ１７の各空洞１５、１４はそ
れぞれ開口が設けられているが、無臭・乾燥空気を媒体
とする程度の熱放散では空洞内部表面温度低下は密封さ
れているマイクロブリッジ１６の空洞１３とほぼ同等と
なる。

【００３４】センサー素子Ｓ２を湿気のある空気中にお
いた場合、ガスセンサー用マイクロブリッジ１８と湿度
検出用マイクロブリッジ１７の温度は、空気中の水蒸気
による放熱量が大きくなるため低下する。同時にセンサ
ー素子Ｓ２の表面温度、及び空洞内部表面温度とも低下
するが、温度リファレンス用マイクロブリッジの空洞内
部表面温度の低下を比較すると、図１３に示すように湿
度検出用マイクロブリッジ１８が、マイクロブリッジ１
６、１７の温度ドリフトを最少にし、また、においに対
する検知感度を安全に維持するための独立電流供給電源
を持っている場合には、ブリッジ温度の復帰は早く、図
１３に示されるガスセンサーマイクロブリッジ１８の空
洞内部表面温度の低下は緩和されることになり、湿度検
出用マイクロブリッジ１７の空洞内部表面温度に対する
補償はより向上することになる。なお、センサー素子Ｓ
２は、実施例１のセンサー素子Ｓ１と同様に図８に示す
ようなパッケージに実装することができる。

【００３５】食品加熱調理機器における自動化調理にお
いては、食品から発生する蒸気・湿気・におい等は食品
の調理状態をあらわす重要な情報であり、調理仕上がり
のタイミングを逃さずに運転終了に至らせる為にはセン
サーの複合機能化が必要となる。実施例２によれば、ガ
スと湿気に対する独立のセンサーを採用する場合に比較
し、同一取り付けポジジョンで両方を検出できるために
調理機器に対するセンサー素子の設置を容易にする。さ
らに、湿度センサーに対する温度補償が可能であるた
め、センサー素子の環境温度の変動にかかわらず、精度
の高い湿度検出が可能となる。

【００３６】

【発明の効果】この発明によれば、センサー素子の調理
器に対する設置が容易になる。また、応答性および精度
の高い湿度検出が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施例１の断面図である。

【図２】実施例１の上面図である。

【図３】実施例１の要部上面図である。

【図４】実施例１のシリコン基板空洞内面の位置に対す
る温度特性を示すグラフである。

【図５】実施例１に適用される測定回路図である。

【図６】湿度検出される空気温度と出力電圧の関係を示
すグラフである。

【図７】実施例１の変形例を示す図１対応図である。

【図８】実施例１のセンサー素子を実装するパッケージ
の分解図である。

【図９】実施例２の断面図である。

【図１０】実施例２の図３対応図である。

【図１１】実施例２の図２対応図である。

【図１２】実施例２の等価回路図である。

【図１３】実施例２のシリコン基板空洞内面の位置に対
する温度特性を示すグラフである。

【符号の説明】

１シリコン基板２センサーキャップ３、４空洞５温度リファレンス用マイクロブリッジ６湿度検出用マイクロブリッジ７開口

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】温度参照用抵抗と湿度検出用抵抗とを組
合せて湿度を測定するように構成したセンサー素子にお
いて、表面に第１および第２凹部を有する第１基板と、
第１凹部内に設けられた湿度検出用抵抗と、第２凹部内
に設けられた温度参照用抵抗と、第１凹部の一部を露出
させると共に第２凹部を密閉するように第１基板を覆う
第２基板を備え、第２凹部の底部肉厚が第１凹部の底部
肉厚より薄く設定されたことを特徴とするセンサー素
子。
【請求項２】温度参照用抵抗と湿度検出用抵抗とを組
合せて湿度を測定するように構成したセンサー素子にお
いて、表面に第１および第２凹部を有する第１基板と、
第１凹部内に設けられた湿度検出用抵抗と、第２凹部内
に設けられた温度参照用抵抗と、第１凹部の一部を露出
させると共に第２凹部を密閉するように第１基板を覆う
ことによりそれぞれ第１および第２空洞を形成する第２
基板を備え、第２空洞を形成する基板肉厚が第１空洞を
形成する基板肉厚より薄く設定されたことを特徴とする
センサー素子。
【請求項３】上記第２基板は、上記第２凹部を覆う部
分の肉厚が薄く設定されたことを特徴とする請求項１又
は２記載のセンサー素子。
【請求項４】上記第２基板は、上記第２凹部を覆う部
分の周囲の肉厚が薄く設定されたことを特徴とする請求
項１又は３記載のセンサー素子。