JP3402525B2 - 熱依存性検出装置 - Google Patents

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
する被測定対象の物理量を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図８は、従来の検出チップの一例を説明
するための構成図で、図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）
は図８（ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示し、図中、１は例え
ばＳｉ基板、２は該Ｓｉ基板１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、ＳｉＯ₂，
Ｔａ₂Ｏ₅等のような絶縁膜３からなるブリッジが架けら
れ、該ブリッジの上には、例えば、Ｐｔ，ＮｉＣｒ等か
らなる抵抗体パターン４が配設され、更に、該抵抗体パ
ターン４の上には、ＳｉＯ₁，Ｔａ₂Ｏ₅等からなる保護
膜５が設けられ、これら１乃至５によって検出チップ１
０を形成している。６はボンデングワイヤで、該ボンデ
ングワイヤ６を通して前記抵抗体パターン４に電流が流
され、該抵抗体パターン４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、抵抗パターン４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１と空間を隔てて
（基板１に空洞２を設けて基板１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洞２を設けると、発熱部又は感温部
Ａと空洞壁２ｂの距離が、特に空洞底部２ａに対して５
０〜３００μm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１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１からの熱輻射および空洞２
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】図９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、１は基板、２は空洞、３
は絶縁膜、４は発熱又は感温材料、４ａは該発熱又は感
温材料４に対するリードパターン、６はボンデングワイ
ヤ、７はリードワイヤ、８はパッケージベース、９はパ
ッケージキャップで、基板１乃至リードパターン４ａよ
りなる検出チップ１０は、図８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。

【０００６】上述のごとき検出装置において、基板上の
感温材料４が受ける熱の影響として、周辺基板１からの
熱輻射（ａ₁）、外部パッケージ９からの熱輻射
（ａ₂）、ブリッジのサスペンションからの熱伝導
（ｂ₁）、パッケージベース８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４の
周囲温度の変化に対する応答時間は、周囲温度が８０℃
である状態を２０℃にした場合、感温材料が２０℃にな
るまでに約２０minを要する。感温材料４は、基板１の
空洞部２を介しているため、パッケージ８,９や基板１
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。

【０００７】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。

【０００８】

【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。

【０００９】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、空洞部を有し、該空洞部の上に発熱
及び／又は感温材料を有する検出装置において、前記発
熱及び／又は感温材料の周囲の雰囲気を強制的に対流さ
せ、もって、発熱，感温材料の応答特性を改善すること
を目的としてなされたものである。

【００１０】

【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）空洞を有する基板と、該空洞の上
部に片持梁式に延長されたカンチレバーと、該カンチレ
バー上に配設された発熱及び／又は感温部材とを有し、
該発熱及び／又は感温部材に電流を流して該発熱及び／
又は感温部材の抵抗値を検出し、その抵抗値より周囲雰
囲気の物理量を検出する熱依存性検出装置において、前
記カンチレバーが熱膨張率の異なる少なくとも２層によ
って構成されていること、或いは、（２）空洞を有する
基板と、前記空洞の上部に架橋されたブリッジ上に配設
された発熱及び／又は感温部材とを有し、該発熱及び／
又は感温部材の抵抗値より周囲雰囲気の物理量を検出す
る熱依存性検出装置において、前記空洞に上部に延長す
るカンチレバーを有し、該カンチレバーは熱膨張率の異
なる少なくとも２層によって構成され、かつ、発熱部を
有し、該発熱部を加熱して該カンチレバーを振動させる
ようにしたこと、或いは、（３）空洞を有する基板と、
該空洞の上部に片持梁式に延長されたカンチレバーと、
該カンチレバー上に配設された発熱及び／又は感温部材
とを有し、該発熱及び／又は感温部材に電流を流して該
発熱及び／又は感温部材の抵抗値を検出し、その抵抗値
より周囲雰囲気の物理量を検出する熱依存性検出装置に
おいて、前記カンチレバーが圧電材料層と、該圧電材料
層を挟む２層の電極層を有すること、更には、（４）前
記（３）において、前記カンチレバーにヒータを具備す
るとともに、前記２層の電極層が熱膨張係数の異なる材
料によって構成されていること、更には、（５）前記
（４）において、前記ヒータが周囲温度を検出するため
の発熱体或いは周囲雰囲気を検出するセンサ部材である
こと、更には、（６）前記（１）乃至（５）のいずれか
において、前記空洞が前記基板を貫通する貫通空洞であ
ることを特徴としたものである。

【００１１】

【作用】発熱及び／又は感温部材を有し、該発熱及び／
又は感温部材に電流を流して該発熱及び／又は感温部材
の抵抗値を測定し、該抵抗値より周囲雰囲気の物理量
（温度，湿度，ガス，赤外線，圧力，真空度，加速度，
流量，流速等）を検出する熱依存性の検出装置におい
て、前記発熱及び／又は感温部材付近の雰囲気を強制的
に対流させ、もって、該発熱及び／又は感温部材を周囲
の雰囲気になじむようにする。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の一実施例（請求項１，６）
を説明するための平面図及び断面図で、図中、１は基
板、２，２′は該基板１を貫通して設けられた空洞、３
はＴａ₂Ｏ₅等の絶縁膜、４，４ａはＰｔ等の導電体で、
４は発熱又は感温部材、４ａは該発熱又は感熱部材４に
電流を流すための導体パターン部で、図示例の場合、発
熱又は感温部材４は、導体パターン部４ａと同一の導体
（例えばＰｔ）で構成され、この発熱部材４に一定電流
を流した時の抵抗値によって、周囲温度を検出するよう
にしたものであるが、この発熱部材４に、例えば、イオ
ン性解離基を有する有機高分子材料を用いると、周囲湿
度を検出することができる。５はＳｉＯ₂等から成る保
護膜、６はワイヤボンデング、７はリードワイヤ、８は
ベースプレート（パッケージケース）で、本発明におい
ては、発熱又は感温部材４が貫通空洞２の上部に片持梁
式に延長したカンチレバー１１上に配設されている。

【００１３】而して、本発明においては、前記カンチレ
バー１１は、ジュール熱によりバイメタル動作するよう
な材料で構成されており、発熱又は感温部材４に電流を
流すことによって生じる熱によって、このカンチレバー
１１を機械的に運動させ、発熱又は感温部材４を周囲の
雰囲気によくなじむ様にしたものである。カンチレバー
１１を構成する各層の材料として、線膨張率の異るもの
を選定すると、感温部のパターンを流れる電流が生じさ
せるジュール熱によって各層の寸法の伸びが異ってく
る。その結果、カンチレバー１１はタワミを生じ、バイ
メタル材料の様に曲がる（図１（ｃ））。カンチレバー
は微小寸法であるから、電流のＯＦＦと共に直ちに温度
が下がり、元の形態になる。従って、電流のＯＮ，ＯＦ
Ｆをくりかえせば、周囲の雰囲気を扇ることになり、対
流を起こさせる。この動作によって、より速く周囲の雰
囲気の温度を検出することができる。なお、上述のごと
きカンチレバーを複数個並べてより効果を大きくするこ
ともできるし、別のカンチレバーはただ対流を起こさせ
るためにのみ使用する（請求項２）などのバリエーショ
ンも可能である。

【００１４】図２及び図３は、本発明の他の実施例（請
求項１）を説明するための図で、図２は要部平面図、図
３（ａ）〜（ｃ）は図２のIII−III線からみた断面図で
ある。而して、この実施例は、図１に示した貫通空洞２
を、図３に示すように、有底の空洞２としたもので、カ
ンチレバー１１を、図１に関して説明したごとくして上
下に移動させると、カンチレバー１１と空洞２との間の
ギャップＧに、図中に矢印Ａにて示すように空気の流れ
が生じ、発熱及び感温部材４の温度を周囲雰囲気の温度
に速くなじませることができる。

【００１５】図３は、図２のIII−III線断面図で、図３
（ａ）はカンチレバー１１（検出チップ１０）が水平状
態のある時の図、図３（ｂ）はカンチレバー１１が押し
下げられた時の図、図３（ｃ）はカンチレバー１１が押
し上げられた時の図で、カンチレバー１１が下る時は、
図３（ｂ）に示すように、空洞２内の気体が矢印Ａにて
示すように排出され、上る時は、図３（ｃ）に示すよう
に、外周囲の気体が矢印Ａにて示すように空洞２内に流
入し、発熱又は感温部材４を周囲の雰囲気になじませ
る。ギャップＧの寸法は、カンチレバー１１の上下動に
よって給排出される気体の移動量，可動部のカンチレバ
ーの面積，および、気体の粘性率等に依存するが、一般
的には、ギャップの面積はカンチレバーの面積より小さ
くする。

【００１６】図４は、本発明の他の実施例（請求項３，
４，５）を説明するための平面図及び断面図で、図中、
１２は圧電材料層、１３は該圧電材料のための電極、１
４はヒータ層又は発熱又は感温部材、１５は絶縁層で、
その他、図１乃至図３に示した実施例と同様の作用をす
る部分には、図１乃至図３の場合と同一の参照番号を付
してある。而して、本実施例においては、カンチレバー
１１部に圧電材料層１２を有し、該圧電材料層１２にリ
ードパターン１３ａ及び電極層１３を通して電圧を印加
し、図１に関して説明したように該圧電材料層１２を変
位させ、もって、発熱又は感温部材の近傍の雰囲気を撹
拌するようにしたものである。この場合、電極層１３，
１３に前述のごとく熱膨張系数の異なるものを使用すれ
ば、ヒータ（発熱又は感温部材で兼用可）４をオン、オ
フすることによって、前記圧電材料層１２による変位に
加えて、これら電極１３，１３のバイメタル作用による
変位が加わり、より効果的に発熱又は感温部材を周囲の
雰囲気になじませることができる。

【００１７】一方、近年、マイクロマシンの技術の例と
して、基板上にフォトエッチングを用いてモータ等の可
動部品を成形することが数多く行われているが、この部
品を組み合せることにより、検出チップを速やかに周囲
の雰囲気の温度になじませることができる。基板以外の
部分にファンを取付ける方法もあるが、基板に内蔵させ
れば、取付位置合せなどの精度が格段に向上し、ファン
による気体の流れにムラがなくなり、特性が安定する。

【００１８】図５は、上述のごときファンを用いて検出
チップの温度を周囲温度になじますようにした例を説明
するための図で、この例は、パッケージケース９と一体
化してファン１６を取り付けて、取り付け位置を一定化
してムラのないようにして、検出チップ１０の上部にフ
ァン１６を設け、このファン１６を回転して検出チップ
１０付近の雰囲気を対流させ、該検出チップ上の発熱又
は感温部材の温度を周囲雰囲気温度になじます様にした
ものである。

【００１９】図５（ａ）は、パッケージケース９の上部
に、上述のごとくして形成したファン１６を一体的に取
り付け、ファン１６の取り付け位置を一定にして取り付
けムラ等がないようにし、ファン１６からの気流が検出
チップ１０上の発熱又は感温部材に流れるようにしたも
のであり、図５（ｂ）は、ファン１６と検出チップ１０
の間にフィルタを兼ねた整流板１７を設け、検出チップ
１０付近の気体の流れを常に一定にして安定した特性を
得るようにしたものである。なお、図中の９ａ，８ａは
通気孔である。

【００２０】図６は、他の例を説明するための図で、図
６（ａ）は平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線
断面で、前述のごとく、空洞２上に発熱又は感温部材４
を有する基板１内に、ＩＣ微細加工法を用いてファン１
６を一体的に組み込んで設け、前述の発熱又は感温部材
４に該ファン１６を回転することによって生じる気流を
強制的に流すようにしたものである。この場合、基板１
にダクト１８を一体的に形成し、ファン１６からの気流
を該ダクト１８を通して発熱又は感温部材４に流すよう
にすると、より効果的に小型化でき、しかも、発熱又は
感温部材４の温度を周囲雰囲気の温度に迅速になじます
ことができ、特性も安定する。

【００２１】図７は、図５，図６に示したセンサユニッ
ト使用形態の一例を説明するための図で、図７（ａ）に
全体の概略構成、図７（ｂ）に測定、制御系の構成を示
し、図中、２０は図５，図６に示したセンサユニット、
２１は該センサユニット２０を先端部に有するプロー
ブ、２２は前記センサユニット２０に電力を供給し、更
には、該センサユニット２０からの検出信号を受け取る
ためのリード線を有するコード、２３は測定・制御系
で、該測定・制御系２３は、図７（ｂ）に示すように、
タイマ２３ａ、センサ電源２３ｂ、測定回路２３ｃ、撹
拌機構２３ｄ、制御系２３ｅ等から成り、タイマ２３ａ
により、例えば、所定時刻にセンサ電源２３ｂ、測定回
路２３ｂ、及び、撹拌機構２３ｃを駆動して、センサユ
ニット２０を働かせ、周囲の温湿度等、センサユニット
２０近傍の雰囲気の状態を測定回路２３ｃで測定し、そ
の測定結果に基いて、例えば、空調機構等の制御系２３
ｅを作動し、雰囲気の状態を所望の状態に制御する。

【００２２】

【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、発熱又は感温部材の周囲の雰囲気を強制的に
対流させるようにしたので、前記発熱又は感温部材の温
度が周囲雰囲気の温度に効果的になじみ、迅速かつ正確
に周囲雰囲気の物理量を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による熱依存性検出装置の一実施例を
説明するための要部平面及び断面図である。

【図２】 本発明による熱依存性検出装置の他の実施例
を説明するための要部平面図である。

【図３】 図３に示したカンチレバーの動作説明をする
ための図で、図２のIII−III線断面図である。

【図４】 本発明の他の実施例を説明するための断面図
である。

【図５】 ファンを用いて検出チップの温度を周囲温度
になじますようにした例を説明するための平面図及び断
面図である。

【図６】 ファンを用いて検出チップの温度を周囲温度
になじますようにした他の例を説明するための平面図及
び断面図である。

【図７】 熱依存性検出装置の一使用形態を説明するた
めの図である。

【図８】 従来の検出装置の一例を説明するための平面
図及び断面図である。

【図９】 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…基板、２，２′…空洞、３…絶縁膜、４…発熱又は
感温部材、４ａ…リードパターン、５…保護膜、６…ボ
ンデングワイヤ、７…リードワイヤ、８…パッケージケ
ース（ベースプレート）、９…パッケージキャップ、１
０…検出チップ、１１…カンチレバー、１２…圧電材
料、１３…電極層、１４…ヒータ、１５…絶縁層、１６
…ファン、１７…整流兼フィルタ板、１８…ダクト、２
０…センサユニット、２１…プローブ、２２…コード、
２３…測定制御系。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ // Ｈ０１Ｌ 31/02 Ｈ０１Ｌ 31/02 Ｂ (56)参考文献 特開 平４−337449（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−368481（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) G01D 21/00 G01J 1/02 G01K 7/16 G01N 25/00 G01N 27/18 H01L 31/02

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空洞を有する基板と、該空洞の上部に片
   持梁式に延長されたカンチレバーと、該カンチレバー上
   に配設された発熱及び／又は感温部材とを有し、該発熱
   及び／又は感温部材に電流を流して該発熱及び／又は感
   温部材の抵抗値を検出し、その抵抗値より周囲雰囲気の
   物理量を検出する熱依存性検出装置において、前記カン
   チレバーが熱膨張率の異なる少なくとも２層によって構
   成されていることを特徴とする熱依存性検出装置。
2. 【請求項２】 空洞を有する基板と、前記空洞の上部に
   架橋されたブリッジ上に配設された発熱及び／又は感温
   部材とを有し、該発熱及び／又は感温部材の抵抗値より
   周囲雰囲気の物理量を検出する熱依存性検出装置におい
   て、前記空洞に上部に延長するカンチレバーを有し、該
   カンチレバーは熱膨張率の異なる少なくとも２層によっ
   て構成され、かつ、発熱部を有し、該発熱部を加熱して
   該カンチレバーを振動させるようにしたことを特徴とす
   る熱依存性検出装置。
3. 【請求項３】 空洞を有する基板と、該空洞の上部に片
   持梁式に延長されたカンチレバーと、該カンチレバー上
   に配設された発熱及び／又は感温部材とを有し、該発熱
   及び／又は感温部材に電流を流して該発熱及び／又は感
   温部材の抵抗値を検出し、その抵抗値より周囲雰囲気の
   物理量を検出する熱依存性検出装置において、前記カン
   チレバーが圧電材料層と、該圧電材料層を挟む２層の電
   極層を有することを特徴とする熱依存性検出装置。
4. 【請求項４】 前記カンチレバーにヒータを具備すると
   ともに、前記２層の電極層が熱膨張係数の異なる材料に
   よって構成されていることを特徴とする請求項３に記載
   の熱依存性検出装置。
5. 【請求項５】 前記ヒータが周囲温度を検出するための
   発熱体或いは周囲雰囲気を検出するセンサ部材であるこ
   とを特徴とする請求項４に記載の熱依存性検出装置。
6. 【請求項６】 前記空洞が前記基板を貫通する貫通空洞
   であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記
   載の熱依存性検出装置。