JP3358684B2

JP3358684B2 - 熱依存性検出装置

Info

Publication number: JP3358684B2
Application number: JP26249594A
Authority: JP
Inventors: 順二間中; 重樹高野; 一寿永井
Original assignee: Ricoh Elemex Corp
Current assignee: Ricoh Elemex Corp
Priority date: 1994-10-26
Filing date: 1994-10-26
Publication date: 2002-12-24
Anticipated expiration: 2017-12-24
Also published as: JPH08122163A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱依存性検出装置、よ
り詳細には、温度，湿度，ガス，赤外線，圧力，真空
度，加速度，流量・流速等，測定値が熱（温度）に依存
する被測定対象物理量を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の検出装置の一例を説明す
るための構成図で、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は
図５（ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示し、図中、３１は、例
えばＳｉ基板、３２は該Ｓｉ基板３１に設けられた空洞
で、周知のように、該空洞２の上部には、例えば、Ｓｉ
Ｏ₂，Ｔａ₂Ｏ₅等のような絶縁膜子からなる橋３３が架
けられ、該橋３３の上には、例えば、Ｐｔ，ＮｉＣｒ等
からなる抵抗体パターン３４が配設され、更に、該抵抗
体パターン３４の上には、ＳｉＯ₁，Ｔａ₂Ｏ₅等からな
る保護膜３５が設けられ、ボンデングワイヤ３６を通し
て前記抵抗体パターン３４に電流が流され、該抵抗体パ
ターン３４は、その発熱部もしくは感温（熱）部Ａが加
熱される。

【０００３】上述のごとき検出器を用いて、例えば、湿
度を測定する場合を例に説明すると、抵抗３４の抵抗値
が周囲の温度及び湿度に依存するため、例えば、最初に
湿度感度が０になるような微少電流を流して周囲温度に
関する抵抗値を測定し、次いで、湿度感度を有する電流
を流して周囲温度及び湿度に関する抵抗値を測定し、次
いで、この温度及び湿度に関する測定値から前記温度に
関する測定値を差し引いて、周囲の湿度を測定するよう
にしている。

【０００４】上述のごとき検出装置は、半導体及び集積
回路の微細加工技術を用いて、基板３１と空間を隔てて
（基板３１に空洞３２を設けて基板３１との熱伝導を避
けて）発熱又は感温部Ａを形成しているが、チップは半
導体製造技術の通常の程度からして、そのサイズは厚さ
０.１〜２mm、広さ０.５×０.５mm〜１０×１０mmであ
る。この寸法内に上述の空洞３２を設けると、発熱部又
は感温部Ａと空洞壁３２ｂの距離が、特に空洞底部３２
ａに対して５０〜３００μmと接近してしまい、大きな
間隔をとれない。この距離が近いと、発熱部Ａよりはる
かに熱容量の大きい基板３１の温度状態により発熱部が
影響を受けてしまい、せっかくの空洞部による熱絶縁の
効果がなくなってしまう。すなわち、基板３１からの熱
輻射および空洞３２内の雰囲気の熱伝導が距離が近いた
めに、このような熱絶縁の効果がなくなってしまうとい
う欠点を生ずる。

【０００５】また、基板３１の温度が低く、雰囲気中の
水分が凝縮して、基板３１の周囲に水滴を付着している
ような状態で、例えば、湿度を測定する場合において
は、感温（熱）部Ａが加熱されることにより感温（熱）
部Ａ近傍の水滴は蒸発して気化熱を奪われるので、感温
（熱）部Ａにより検出された温度は、実際の雰囲気温度
よりも低い温度として検出される。この結果、検出され
た湿度も実際の湿度よりも高くなり、温度、湿度が正し
く検出されないという欠点が生ずる。

【０００６】図６は、従来の検出装置の他の例を説明す
るための要部構成図で、図中、３１は基板、３２は空
洞、３３は絶縁膜からなる橋、３４は発熱又は感温材
料、３４ａは該発熱又は感温材料３４に対するリードパ
ターン、３６はボンデングワイヤ、３７はリードワイ
ヤ、３８はパッケージベース、３９はパッケージキャッ
プで、基板３１乃至ボンデングワイヤ３６よりなる検出
部は、図５の場合と同様にして、周囲の温度，湿度，そ
の他の物理量を測定する。

【０００７】上述のごとき検出装置において、基板上の
感温材料３４が受ける熱の影響として、周辺基板３１か
らの熱輻射（ａ₁）、外部パッケージ３９からの熱輻射
（ａ₂）、ブリッジのサスペンション３３からの熱伝導
（ｂ₁）、パッケージベース３８からの熱伝導（ｂ₂）、
周辺の対流（ｂ₃）の熱伝導等がある。この感温材料３
４の周囲温度の変化に対する応答時間は、周囲温度が８
０℃である状態を２０℃にした場合、感温材料３４が２
０℃になるまでに約２０minを要する。感温材料３４
は、基板３１の空洞部３２を介しているため、パッケー
ジ３８,３９や基板３１と接触しておらず、しかも、微
小熱容量であることもあり、もっと急速に周囲雰囲気の
温度になじんでも良いものと考えられるが、実際は、上
述のように多大な時間を要してしまう。因に、パッケー
ジベースの応答時間も約２０minである。従って、感温
材料は空洞部が有っても無くても応答時間は短くならな
い。

【０００８】上述のごとき検出装置においては、発熱又
は感温部の材料及びその配置をアレンジすることによ
り、例えば、温度，湿度，ガス，赤外線，圧力，真空
度，加速度，流量・流速等を被測定対象の物理現象とし
て、以下の１〜７の原理、すなわち、１．電気抵抗体の抵抗値変化として、２．雰囲気を脱吸着させる感応膜を有し、該感応膜の電
気抵抗値が変化するものとして、３．雰囲気を脱吸着させる感応膜を有し、該感応膜の静
電容量が変化するものとして、４．雰囲気を脱吸着させる感応膜を有し、該感応膜の重
量変化を共振周波数変化として、５．雰囲気を脱吸着させる感応膜を有し、該感応膜の化
学反応により反応熱を生じ、この熱を別の抵抗体の抵抗
値変化として、６．温度変化を熱電対膜の出力電圧変化として、７．たわみ量をピエゾ抵抗効果の出力電圧変化として、
利用することにより測定される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】前記１乃至７の測定原
理を用いて被測定対象の物理量を測定する場合、その測
定値は、温度により影響を受けるものであるから、被測
定対象の温度が正確に分っていないと、意味のない測定
結果になってしまう。例えば、気体の圧力をピエゾ抵抗
によって検出する際に、その気体の温度が分っていない
と、正確な圧力は分らない。気体の温度とピエゾ抵抗の
温度（ピエゾ抵抗に温度依存性がある）が、ある知られ
た関係にあれば良いが、そうでない場合には、温度補償
なる手段により解決しようとする。しかし、温度平衡に
なるまでピエゾ抵抗を気体中に放置すれば別であるが、
実際には、気体の温度変動とピエゾ抵抗の温度変動がピ
エゾ抵抗の多大なる熱容量が原因で追従できない。その
結果、温度補償が不完全になってしまう。

【００１０】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたもので、特に、基板上に発熱又は感温材料等の熱依
存性検出器が設けられた検出装置において、熱依存性検
出器が設けられた基板全体の温度が雰囲気温度に達した
ことを検出し、該検出信号の指令により熱依存性検出器
の信号を読み取り、正しい雰囲気温度における熱依存性
検出器の信号が得られるようにすることを目的としてな
されたものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、（１）ベースプレート上に一端側が固着
され、片持梁状に支持された板状の基板を有し、該基板
上の前記ベースプレートの固着側に第１感温センサを、
前記固着側から離間した自由端側に第２感温センサおよ
び被測定対象の物理量を検知する熱依存性検出器を設
け、前記第１感温センサおよび前記第２感温センサによ
り検知された温度が実質的に等しい温度に達した時点に
おいて、該温度における熱依存性の被測定対象の物理量
を前記熱依存性検出器により検知すること、更には、
（２）前記熱依存性検出器を、熱依存性の被測定対象の
物理量が抵抗値として検出される検出器とし、該熱依存
性検出器で前記第２感温センサを兼用したことを特徴と
するものである。

【００１２】

【作用】ベースプレート上に、平板状のＳｉ基板面一端
側を固着して片持梁状に支持する。これにより基板自由
端側の熱応答を速め、該基板の自由端側に熱依存性検出
器と自由端側の温度を検出するための第２感温センサを
設け、熱応答の遅い前記基板の固着側には、固着側の温
度を検出するための第１感温センサを設け、基板上の第
１，第２感温センサによる検出温度が等しくなった時点
の温度が雰囲気温度にあるので、検出温度が等しくなっ
た温度比較信号の指令により、該雰囲気温度における被
測定対象の物理量を熱依存性検出器で検知する。

【００１３】

【実施例】以下、本発明による熱依存性検出装置の実施
例を湿度検出装置とし、該湿度検出装置を図に基づいて
説明する。〔実施例１〕（請求項１に対応）図１は、本発明に係る湿度検出器の実施例１の構造を説
明するための図であり、図中、１はベースプレート、２
はＳｉ基板（以下、基板と記す）、３，４は空洞部、５
は橋、６は第１感温センサ、７は第２感温センサ、８は
湿度センサ、９はリード端子、１０はボンデングワイヤ
である。

【００１４】図１において、基板２は、例えば、矩形板
状にカットされたＳｉ結晶板で、表面にＳｉＯ₂等の絶
縁膜が形成されており、該基板２には、異方性エッチン
グにより基板２の略中央に空洞３が、基板２の一方の端
部近傍には、空洞４が各々形成され、空洞４の上部には
ＳｉＯ₂等の絶縁膜からなる橋５が架けられている。更
に、基板２の対称軸Ｏ−Ｏ線上には、空洞部３，４を挟
んでＰｔやＮｉＣｒ等からなる軸対称な抵抗パターンに
よるる第１感温センサ６および第２感温センサ７が設け
られている。また、橋５の上面には吸湿により抵抗変化
する、例えば、ＴｉＯ₂，Ｖ₂Ｏ₅等の多孔質燒結体、ス
チレンの共重合体等の合成樹脂からなる感湿導電性材料
等をリード８ａ，８ｂ間に接続された湿度センサ８が設
けられており、第１感温センサ６、第２感温センサ７、
湿度センサ８が形成された基板２上には、例えば、Ｓｉ
Ｏ₂，Ｔａ₂Ｏ₅等の絶縁膜が被膜され保護されている。

【００１５】第１感温センサ６、第２感温センサ７およ
び湿度センサ８が形成された基板２は、湿度センサ８と
第２感温センサ７とが基板２の自由端側に配置されるよ
うに第１感温センサ６側でベースプレート１に固着さ
れ、片持梁状に支持される。基板２が固着されたベース
プレート１には、複数のリード端子９が設けられ、該リ
ード端子９は基板２上の第１感温センサ６のリード６
ａ，６ｂ、第２感温センサ７のリード７ａ，７ｂおよび
湿度センサ８のリード８ａ，８ｂの各々のパッドと各々
ボンディングワイヤ１０で接続されている。なお、ベー
スプレート１に基板２が固着されるとき、第１感温セン
サ６の中心はベースプレート１および基板２に対して中
心線である対称線軸Ｏ−Ｏ線に一致させることが好まし
い。

【００１６】上述のように、図１に示した湿度検出器に
は、片持梁状に支持された基板２の先端（感湿センサ８
が配置されている自由端側）付近に第２感温センサ７、
根元（ベースプレート１への固着側）付近に第１感温セ
ンサ６が配置してある。このため、基板２の感湿センサ
８部分の熱容量は小さく雰囲気温度に迅速に応答する
が、第１感温センサ６が配置された根元部分ではベース
プレート１に固着されており熱容量が大きく、しかも、
周囲雰囲気の対流も妨げられ熱交換されにくいので熱応
答性は遅く雰囲気温度の変化に対しての応答が緩慢にな
るという作用がある。従って、第１感温センサ６と第２
感温センサ７の検出温度を比較することによって基板２
の温度が雰囲気温度と等しい温度であるか否かが確認さ
れる。更に、第１感温センサ６と第２感温センサ７、感
湿センサ８との間に空洞部３が設けられているので、ベ
ースプレート１側から第２感温センサ７、感湿センサ８
側への熱伝導が小さく、更に、湿度センサ８は空洞部４
に架けられた橋５上に設けられているので、ベースプレ
ート１側から第２感温センサ７および感湿センサ８への
熱影響が小さくなり、前記の作用をより高め雰囲気温度
検知精度を向上させることができる。

【００１７】図２は、図１に示した湿度検出器による湿
度計測回路のブロック図であり、図中、１１は駆動部、
１２は比較回路、１３は判定回路、１４はスイッチング
回路、１５は湿度センサ駆動回路、１６は湿度計測回
路、１７は湿度データ出力であり、図１と同様の作用を
する部分には、図１の場合と同じ参照番号が付してあ
る。

【００１８】図２において、第１感温センサ６と第２感
温センサ７とは直列接続され、駆動部１１により、例え
ば、定電流で駆動される。このとき、第１感温センサ６
と第２感温センサ７の抵抗値が同一温度において等しい
抵抗値に選んであると、同一温度においては、第１感温
センサ６、第２感温センサ７の両端電圧は等しいので比
較回路１２により、第１感温センサ６による検出温度
と、第２感温センサ７による検出温度が等しいか否かが
電圧比較により判定される。

【００１９】この判定は、判定回路１３によりなされ、
第１感温センサ６と第２感温センサ７の温度が全く等し
いか、或いは、誤差許容範囲で等しいときスイッチング
回路１４をＯＮ（閉路）させ、湿度センサ駆動回路１５
が駆動される。湿度センサ駆動回路１５は、湿度センサ
８に所定レベルの電流を印加するための回路で、湿度セ
ンサ８には周囲温度および湿度に応じた抵抗値が得られ
る。この抵抗値は、計測回路１６により第１感温センサ
６と等しい抵抗値をもった第２感温センサにより検出さ
れた雰囲気温度により補正され、雰囲気温度一定条件で
相対湿度が求められ、データ出力される。

【００２０】上述した湿度計測回路では、基板２のベー
スプレート１側と自由端側の温度が一定であるとき、湿
度センサ８は正しい雰囲気温度での湿度が計測されるこ
とを説明したが、予め第１感温センサ６と第２感温セン
サ７とにより検出された温度に従った雰囲気温度が知ら
れていれば、第１感温センサ６、第２感温センサ７が雰
囲気温度に達するまでの時間を待たずに実質的に雰囲気
温度と等しい温度においての湿度が検出される。また、
スイッチング回路１４の駆動は、点線に示したように、
常時駆動されている湿度センサ８の出力信号をＯＮ，Ｏ
ＦＦさせてもよい。

【００２１】〔実施例２〕（請求項２に対応）図３は、本発明に係る湿度検出器の実施例２の構成の一
例を説明するための図であり、図中、１８は感温セン
サ、１９は湿度センサであり、図１と同様の作用をする
部分には、図１の場合と同じ参照番号が付されてある。

【００２２】図３に示した湿度検出器は、図１に示した
湿度検出器において、基板２の自由端側に併置された第
２感温センサ７による温度検出機能と、湿度センサ８に
よる湿度検出の機能とを一個の湿度センサ１９にもたせ
たものであり、該湿度検出部１９は、図１に示した湿度
検出器と同様に基板２の自由端側の空洞部４に架けられ
た橋５上に設けられ、第１感温センサ６に対応した感温
センサ１８は、図１に示した場合と同様に基板２のベー
スプレート側に設けられている。

【００２３】感温センサ１８は、前記第１感温センサ６
と同様、基板２のＳｉＯ₂膜上に設けられたＰｔやＮｉ
Ｃｒ等の抵抗パターンからなり、湿度センサ１９も前記
湿度センサ８と同様にＳｉＯ₂等の絶縁体膜の橋５上に
所定の間隔をもって対向配置されたリード１９ａ，１９
ｂの間を吸湿により抵抗変化する前記湿度センサ８と同
様な物質の膜を接続されたもので、リード１９ａ，１９
ｂ間に微弱な電流を印加したときには湿度に依存しない
抵抗体として作用し、所定以上の電流を印加したとき湿
度に依存した抵抗値となる作用をもっている。

【００２４】図４は、図３に示した湿度検出器による湿
度計測回路のブロック図であり、図中、２０，２１，２
５は駆動回路、２２は比較回路、２３は判定回路、２４
はスイッチング回路、２７は計測回路、２８はデータ出
力部であり、図３と同様の作用をする部分には、図３の
場合と同じ参照番号を付してある。

【００２５】前述の如く、湿度センサ１９は感温センサ
と感湿センサとの機能を有しているので、感温センサと
して用いられる場合は、感温センサ１９Ｒ、感湿センサ
として用いられる場合は、湿度センサ１９Ｈであらわ
す。従って、感温センサ１９Ｒとして機能させる場合
と、湿度センサ１９Ｈとして機能させる場合とでは印加
される電流値が異なるだけであり、このような２段の電
流を出力する駆動回路は同一のものでもよいが、理解し
易すくするため、図４のブロック図では、湿度センサ１
９を、感温センサ１９Ｒとして使用する場合は駆動回路
２１、湿度センサ１９Ｈとして使用する場合は駆動回路
２５として別記した。

【００２６】感温センサ１８と感温センサ１９Ｒとは直
列接続され、更に、前記感温センサ１８は駆動回路２
０、感温センサ１９Ｒは駆動回路２１に接続され、基板
２上のベースプレート１側と自由端側の温度が検知され
る。各々の両端電圧は比較回路２２で比較され、各々の
検知温度は判定回路２３により所定範囲以上であるか否
かを判定回路２３により判定され、温度判定結果が前記
範囲内にあるとき、スイッチング回路２４を介して感温
センサ１９Ｒの駆動回路を湿度センサ１９Ｈの駆動回路
２５に切り換える。計測回路２７では、前記感温センサ
１８，１９Ｒの抵抗値を減算補正して湿度の関数として
求められた電圧値に基づいて湿度が算出されデータ出力
２８される。また、点線で示したようにスイッチング回
路２４による計測回路２７を開閉駆動してもよい。

【００２７】図３，図４に示した実施例による湿度検出
装置によると、基板２の自由端部に設けた一個の湿度セ
ンサ１９で、感温センサと湿度センサの機能をもたせた
ので、実施例１の場合と同様、正確な雰囲気温度におけ
る湿度を計測することが可能になるとともに、簡易で、
小形の湿度計測装置とすることができる。なお、図１〜
図４においては、湿度計測装置について述べたが、雰囲
気温度により影響を受ける熱依存性検出装置のすべてに
適用される。

【００２８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、以下の効果がある。（１）請求項１に対応する効果：基板の固着された熱容
量の大きい側と、自由端側の熱容量の小さい側に、各々
感温センサを設けたので、各々の感温センサの検出温度
を比較することにより、正確な雰囲気温度が求められ、
雰囲気温度の影響を受ける熱依存性検出装置の計測結果
の信頼性が向上する。（２）請求項２に対応する効果：前記の効果に加え、抵
抗体を温度検出素子とする前記の二つの感温センサの一
つを熱依存性検出器自体の抵抗体を利用したので、簡
易、小型な熱依存性検出装置が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る湿度検出器の実施例１の構造を
説明するための図である。

【図２】図１に示した湿度検出器による湿度計測回路
のブロック図である。

【図３】本発明に係る湿度検出器の実施例２の構成の
一例を説明するための図である。

【図４】図３に示した湿度検出器による湿度計測回路
のブロック図である。

【図５】従来の検出装置の一例を説明するための構成
図である。

【図６】従来の検出装置の他の例を説明するための要
部構成図である。

【符号の説明】

１…ベースプレート、２…Ｓｉ基板（以下、基板と記
す）、３，４…空洞部、５…橋、６…第１感温センサ、
７…第２感温センサ、８…湿度センサ、９…リード端
子、１０…ボンデングワイヤ、１１は駆動部、１２は比
較回路、１３は判定回路、１４はスイッチング回路、１
５は湿度センサ駆動回路、１６は湿度計測回路、１７は
湿度データ出力、１８は感温センサ、１９は湿度セン
サ、２０，２１，２５は駆動回路、２２は比較回路、２
３は判定回路、２４はスイッチング回路、２７は計測回
路、２８はデータ出力部。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０１Ｎ 27/18 Ｇ０１Ｄ 3/04 Ｄ (56)参考文献特開平４−158583（ＪＰ，Ａ) 特開平６−160175（ＪＰ，Ａ) 特開平６−94739（ＪＰ，Ａ) 特開平２−179459（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−263426（ＪＰ，Ａ) 特開平１−96548（ＪＰ，Ａ) 特開平６−174673（ＪＰ，Ａ) 特開平６−140641（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01K 7/16 G01D 3/028 G01D 21/00 G01J 1/02 G01N 25/64 G01N 27/18

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ベースプレート上に一端側が固着され、
片持梁状に支持された板状の基板を有し、該基板上の前
記ベースプレートの固着側に第１感温センサを、前記固
着側から離間した自由端側に第２感温センサおよび被測
定対象の物理量を検知する熱依存性検出器を設け、前記
第１感温センサおよび前記第２感温センサにより検知さ
れた温度が実質的に等しい温度に達した時点において、
該温度における熱依存性の被測定対象の物理量を前記熱
依存性検出器により検知することを特徴とする熱依存性
検出装置。
【請求項２】請求項１記載の熱依存性検出器を、熱依
存性の被測定対象の物理量が抵抗値として検出される検
出器とし、該熱依存性検出器で前記第２感温センサを兼
用したことを特徴とする熱依存性検出装置。