JP3875848B2 - 温度センサ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、温度センサに関し、さらに詳しくは小型化と高抵抗値化を図るとともに、測定精度等を向上させることができるようにした温度センサに関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体市場では、最近の微細加工技術(マイクロマシン技術)の進歩にしたがい、ますますウエハの大口径化、パターンの微細化およびコストダウンが進行している。現在では、大口径300mmのウエハに、パターン幅0.13μmの半導体ICの量産化が急速に進展してきている。この場合、例えば、口径300mm、熱膨張係数2.6×10-6/℃のウエハにパターン幅0.13μmのパターンを形成したとき、例えばウエハの中央部と周縁部とでの温度差が0.01℃(10m℃)生じたとすると、パターン幅は±0.0078μm(=300×10-3×2.6×10-6×0.01)伸縮する。つまり、±10m℃の温度差があると、パターン
幅は0.13μm±6%(=0.0078/013)ばらつくことになり、歩留の低下の原因となる。このために、半導体製造装置においてはウエハの大口径化、パターンの微細化を図る上で、温度をより一層高精度に制御する必要性が生じてきている。例えば、±10m℃の温度精度が必要であると、その1桁下(1/10)、すなわち、±1m℃単位の温度制御をする必要がある。よって、温度調節器も1m℃の制御が必要であり、温度センサも1m℃の感度や高信頼性、さらには高速レスポンス(高速応答速度)、低消費電力等のよりレベルの高いものが要求される。現在の温度制御においては、温度センサとして、安定性と信頼性に優れた白金抵抗体式温度センサが通常使用されている。
【0003】
図8に半導体製造装置等に用いられている従来の白金抵抗体式温度センサを示す。この白金抵抗体式温度センサ1は、抵抗温度係数が大きい白金(Pt)を抵抗線2として用い、このPt抵抗線2を細長いガラス管3に巻回して保護管4内に収納している。Pt抵抗線2は、外径が0.01mm程度で、抵抗値が100Ω程度である。ガラス管3はガラスやセラミック等からなり、直径が約0.5〜1mm、長さが5〜10mm程度である。保護管4はSUS304やSUS316等によって形成され、外径が約1.5〜2mm程度である。
【0004】
5はPt抵抗線2と保護管4を絶縁する絶縁チューブで、ポリイミド等によって形成され、外径が約1〜1.5mm、長さが約10mm程度である。6はPt抵抗線2と外部リード線7とを接続する中継用の接続線、8は外部リード線7を保持する金属パイプである。9は金属パイプ8に充填されたエポキシ樹脂等からなる充填材(接着剤)、10は外部リード線7を保護するステンレス編線、11は中継用接続線6と外部リード線7の接続端部12の短絡を防止するガラスクロス絶縁チューブ、13は中継用接続線6の短絡を防止するポリイミド等の絶縁チューブである。
【0005】
保護管4と金属パイプ8との接続は、充填材9の充填によって行われ、保護管4を封止するとともに、中継用接続線6および外部リード線7の固定を同時に行なっている。中継用接続線6は、直径が0.1〜0.3mm、長さが約15mm程度のAg(銀)線等からなり、Pt抵抗線2に対してスポット溶接14され、外部リード線7に対しては半田によって接続されている。
【0006】
保護管4は内径が細いので、通常の太さの外部リード線7を保護管4内に挿入してPt抵抗線2に直接接続することができず、このためPt抵抗線2に2本の細い中継用接続線6を接続し、この接続線6を保護管4から引き出して外部リード線7に接続している。
【0007】
外部リード線7は、通常3本用いられるが、高精度な測定を行なう場合は4本用いられる。リード線が3本の場合(3線式)は、Pt抵抗線2の一端に1本接続し、他端に2本接続する。この場合の測定は、最初にPt抵抗線2の両端のリード線で抵抗値を測定し、次に2本のリード線の抵抗値を測定する。そして、最初の抵抗値から2本のリード線の抵抗値を差し引くことにより、Pt抵抗線2自身の抵抗値を求める。この場合は、残りの1本のリード線と2本のリード線の1/2の抵抗値が一致、つまり全てのリード線の抵抗値が同じであると仮定して測定しているが、Pt抵抗線2は100Ωと抵抗値が低いために温度測定において誤差が生じる。
【0008】
リード線が4本の場合(4線式)は、2本を電流線用とし、残り2本を信号検出線用としてPt抵抗線2の各端にそれぞれ接続し、2本の電流線用リード線で電流を供給し、2本の信号検出線用リード線でPt抵抗線2の電圧を測定する。すなわち、4線式の場合はあるリード線から電流を流して残りのリード線でPt抵抗線2の両端間の電圧を測定するため、リード線の抵抗値に影響なくPt抵抗線2の抵抗値のみを高精度に測定できる利点がある。
【0009】
しかしながら、図8に示した従来の白金抵抗体式温度センサ1の場合は、中継用接続線6を使用しているので、その抵抗値がPt抵抗線2の抵抗値に加算され、かつその温度特性が加わるので、Pt抵抗線2自体に比べて誤差が生じていた。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように従来の白金抵抗体式温度センサ1は、巻き線タイプで抵抗値が低いため、以下の▲1▼〜▲6▼に列記するような問題があった。
【0011】
▲1▼ Pt抵抗線2の抵抗値は通常100Ω程度と低いため、微小な温度変化を測定する場合は大きな電流を供給する必要がある。しかし、この場合は必然的に自己発熱による熱的影響が大きくなるため、高精度な測定ができなくなる。
【0012】
例えば、抵抗値が100Ωの抵抗体を用いた場合、温度が1℃変化したときに抵抗値が約0.4Ω変化し、その時の電流を1mAとすると、信号電圧は0.4mVとなる。したがって、このときの消費電力は10-4W(W=RI2=100×10-3×10-3)となる。それ故、このような温度センサ1を半導体製造装置に用いて1m℃の温度制御を行おうとすると、センサ自体の発熱量(消費電力)が大きく、制御を乱してしまう。したがって、上記した大口径のウエハにパターン幅約0.1μm程度のパターンをフォトエッチングによって形成する場合は、センサ自体の発熱により温度センサの温度がずれたり温度制御の邪魔をすることにより十分な制御ができなくなる。
【0013】
しかしながら、上記した従来のPt抵抗体式温度センサ1は巻線タイプのため、Pt抵抗線2の直径を0.01mm(人が作業できる限界の細いワイヤ)以下にすることができず、抵抗値を高くすることができなかった。何故なら、抵抗値を高くするにはより長いPt抵抗線をガラス管3に巻き付ける必要があるため、必然的に温度検出素子の形状が大きくなり、温度変化に対するレスポンスを犠牲にすることになるからである。また、巻き付け作業も細心な注意を要し難しい作業になる。
【0014】
▲2▼ 中継用接続線6の温度特性(抵抗値)がPt温度検出素子の温度特性や抵抗値に追加されることになり、特性のばらつきや温度精度の低下の原因になる。
【0015】
▲3▼ Pt抵抗線2と保護管4との絶縁を図るために絶縁チューブ5を用いているため、保護管4の外径が一層大きくなり、温度変化に対して感度(レスポンス)が低下する。
【0016】
▲4▼ 充填材9によって保護管4と金属パイプ8を接続しているので、外部環境、特に湿度に弱く液体中で使用することができない。また、湿気や温度変化によって中継用接続線6と外部リード線7との接続部や、保護管4と金属パイプ8との接続部において充填材9が剥離したりクラックが生じると、Pt抵抗線2の抵抗値がドリフトし測定誤差が生じ易い。
【0017】
▲5▼ Pt抵抗線2と中継用接続線6をスポット溶接14によって接続しているため、スポット溶接作業が難しく接続の信頼性が落ちる。すなわち、Pt抵抗線2が著しく細くなると、Pt抵抗線2の端末が残り易く、がラスコートから飛び出し、絶縁不良が生じ易く、また細線になればなる程溶接部のPt抵抗線2は断線し易く、導通不良などが発生し易い。
▲6▼ 絶縁チューブ5を支持する部材がなく、かつPt抵抗線2またはガラス管3のどの部分が保護管4のどの部分に接触するか不確実で、保護管4からの熱の伝達にばらつきが生じ、温度レスポンスのばらつきとなり高精度の制御をする妨げとなる。
【0018】
本発明は上記した従来の問題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、小型化と高抵抗値化の双方を同時に達成でき、低消費電力化と感度を向上させることができるようにした温度センサを提供することにある。
また、本発明は測定精度を向上させることができるようにした温度センサを提供することにある。
さらに、本発明は製造の容易性、信頼性、耐振性等を向上させるとともに、温度レスポンスのばらつきを軽減することができるようにした温度センサを提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために第1の発明は、温度検出用の金属箔抵抗体が基板に形成された温度検出素子と、前記温度検出素子が先端部に取付けられた細長い帯状の本体と、この本体より幅広に形成され外部リード線との接続を行なうランド部を有する接続部とからなるフレキシブルプリント配線板と、前記フレキシブルプリント配線板の前記本体と前記温度検出素子を収納する先端が閉塞する小径の細長い保護管と、前記保護管の基端部が接合された大径のパイプとを備え、前記大径のパイプ内に前記フレキシブルプリント配線板の前記ランド部と外部リード線とを接合するための前記接続部を収納したものである。
第1の発明において、金属箔抵抗体は、フォトエッチングによって形成することができる。また、抵抗値の設定が容易で抵抗線に比べて温度検出素子を小さくできるとともに、高い抵抗値の抵抗体を得ることができる。
【0020】
第2の発明は、上記第1の発明において、温度検出素子金属箔抵抗体にそれぞれ2本からなる電流線と信号検出線を接続したものである。
第2の発明においては、2本の電流線で電流を流し、残り2本の信号検出線で金属箔抵抗体の両端間の電圧を測定することにより4線式の温度センサを構成するものであるから、外部リード線の抵抗値に影響されることがなく、温度を高精度に測定することができる。
【0021】
第3の発明は、上記第1または第2の発明において、温度検出素子をフレキシブルプリント配線板の弾性を利用して保護管の内壁面に押し付けたものである。
第3の発明において、温度検出素子は保護管の内壁面に押し付けられているので、保護管からの温度の伝達が良好で、温度レスポンスにばらつきが生じず、また振動、衝撃等によって動いたりすることもなく、安定した抵抗値を維持することができる。
【0022】
第4の発明は、上記第1、第2または第3の発明において、温度検出素子の金属箔抵抗体とフレキシブルプリント配線板の回路パターンをバンプ接合したものである。
第4の発明において、バンプ接合は、抵抗体のパッド部上に半田ボールなどの半田片(バンプ)を載置し、パッド部が互いに重なり合うように金属箔抵抗体と回路パターンを重ね合わせ、ヒートシンクによって半田片を溶かして融着する接合方法である。したがって、広い接合面積が得られ、またパッド部の位置はフォトエッチングによって正確に形成されているため、半田付け作業に比べて位置決めが容易で、信頼性の高い接合が得られる。
【0023】
第5の発明は、上記第1、第2または第3の発明において、温度検出素子の金属箔抵抗体とフレキシブルプリント配線板の回路パターンをボンディングワイヤによって接続し、そのボンディング部を合成樹脂によってモールドしたものである。
第5の発明においては、ワイヤボンドの接合強度を高める。また、ボンディング部のみを合成樹脂によってモールドしているので、温度が変化したとき合成樹脂と基板または抵抗体との熱膨張係数の差による歪の発生を軽減することができる。したがって、抵抗値のドリフトが生じず、高精度な測定が可能となる。
【0024】
第6の発明は、上記第1、第2または第3の発明において、温度検出素子の金属箔抵抗体をフレキシブルプリント配線板によって覆ったものである。
第6の発明において、金属箔抵抗体はフレキシブルプリント配線板によって覆われているので、保護管と接触し、短絡することがない。
【0025】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1(a)、(b)は本発明に係る温度センサの一実施の形態を示す断面図および素子ユニットの拡大断面図、図2は温度検出素子の平面図、図3はフレキシブルプリント配線板の平面図である。なお、従来技術の欄で示した構成部材と同一または同等のものについては同一符号をもって示し、その説明を適宜省略する。これらの図において、全体を符号20で示す温度センサは、素子ユニット21と、この素子ユニット21が組み込まれる金属パイプ8とで構成されている。
【0026】
前記素子ユニット21は、温度検出素子22と、この温度検出素子22が先端部に取付けられたフレキシブルプリント配線板23と、前記温度検出素子22、フレキシブルプリント配線板23を収納する細長い保護管4と、外部リード線7と、この外部リード線7と前記フレキシブルプリント配線板23を電気的に接続するとともに前記保護管4を気密に封止するハーメチック部品45等で構成されている。
【0027】
前記温度検出素子22は、アルミナ等のセラミック基板24と、このセラミック基板24の表面に形成された金属箔抵抗体25とで構成されている。セラミック基板24は、幅が0.8mm、長さが5mm、厚さが0.4mm程度の薄くて細長いシート状に形成され、前記金属箔抵抗体25が4つのパッド部26(26a〜26d)とともに周知のフォトエッチング技術によって形成されている。
【0028】
前記金属箔抵抗体25は、セラミック基板24の表面に抵抗温度係数が大きいニッケル、白金等の材料を接着し、所定のパターンにエッチングすることにより蛇行状に形成され、両端に前記パッド部26がそれぞれ2つずつ並列に形成されている。そして、金属箔抵抗体25は絶縁膜によって覆われている。金属箔抵抗体25は、線幅が約10μm程度で、抵抗値が約1,000Ωである。前記パッド部26は、セラミック基板4の一端部に形成されている。なお、これらのパターン形状、数値は、本発明を限定するものではない。
【0029】
前記フレキシブルプリント配線板23は、ポリイミド等によって前記セラミック基板24と略同一の幅をもって薄くて細長い帯状に形成された適度な弾性(ばね性)を有する本体23Aと、この本体23Aの基端部に一体に設れられた円形(または角形)の接続部23Bとで構成されている。本体23Aの表面には4本の回路パターン27(27a〜27d)が平行に形成され、その先端にはパッド部28(28a〜28d)が前記金属箔抵抗体25のパッド部26に対応してそれぞれ形成されている。すなわち、回路パターン27a,27bのパッド部28a,28bは、金属箔抵抗体25のパッド部26a,26bに対応し、回路パターン27c,27dのパッド部28c,28dは、金属箔抵抗体25のパッド部26c,26dにそれぞれ対応するように形成されている。さらに、フレキシブルプリント配線板23の先端には、前記温度検出素子24の表面で金属箔抵抗体25が形成されている部分を覆う覆い部23Cが一体に延設されており、これによって金属箔抵抗体25が保護管4の内壁面に接触し、短絡するのを防止している。
【0030】
4本の回路パターン27のうち、例えば両側2本の回路パターン27a,27dは前記金属箔抵抗線25に電流を供給する電流線として用いられ、内側2本の回路パターン27b,27cは金属箔抵抗体25に通電したときの電圧を検出する信号検出線として用いられる。一方、各回路パターン27の基端側にはランド部29がそれぞれ形成されている。これらのランド部29は、前記接続部23Bの表面に形成されており、その中央には前記ハーメチック部品45の端子47が挿通される挿通孔30がそれぞれ形成されている。前記回路パターン27,パッド部28およびランド部29は、プリント配線板成形技術によって同時に形成され、その後回路パターン27のみが絶縁膜によって被覆される。
【0031】
このようなフレキシブルプリント配線板23の回路パターン27と前記温度検出素子22の金属箔抵抗体25とはバンプ接合される。接合に際しては、図4に示すように金属箔抵抗体25の各パッド部26の上にそれぞれ半田ボール等の半田片31を載置し、フレキシブルプリント配線板23を裏返しにして各パッド部28a〜28dがパッド部26a〜26dとそれぞれ一致するように温度検出素子22の上に載置し、高温のヒートシンク33を上から押し当てて半田片31を溶かし、パッド部26とパッド部28を融着する。パッド部26,28は、フォトエッチングによって形成されているため、正確に位置決めすることができる。また、バンプ接合は、広い接合面積を有するので信頼性が高く、また自動化が可能である。なお、バンプ接合に際しては、フレキシブルプリント配線板23の覆い部23Cの先端にもパッド部39を設けておき、このパッド部39を半田片31によって金属箔抵抗体25とは別に設けたパッド部とバンプ接合すると、覆い部23Cが捲れたりすることがなく金属箔抵抗体25を確実に覆うことができ、金属箔抵抗体25の保護管4との短絡を防止することができる。また、パッド部39や金属箔抵抗体25のパッド部がなくて、抵抗体を覆うだけでも同様な効果を得ることができる。
【0032】
前記外部リード線7は4本(図1においては2本のみ示す)からなり、そのうちの2本が電流線用、残り2本が信号検出線用で、前記ハーメチック部品45の端子47にそれぞれ接続されている。外部リード線7と端子47は、半田32によって接続され、その接続部が合成樹脂44によって封止され補強されている。なお、この合成樹脂44は必ずしも必要ではない。
【0033】
前記ハーメチック部品45は、4本からなる前記端子(リード線)47と、両端開放の筒状に形成されたコバール等の金属リング48と、このリング48内に前記端子47を封着する封着用ガラス49とで構成されている。このようなハーメッチク部品45は、封着用型に金属リング48を装着し、さらに金属リング48の内部にプレスで粉末成形した封着用ガラス49を入れ、さらにこの封着用ガラス49に設けられている挿通孔に端子47を挿通して焼成炉で封着用ガラス49を加熱溶融し、端子47と金属リング48を一体に封着することにより製作される。
【0034】
前記端子47は、コバール等によってピン状に形成されて金属リング48を貫通し、前端部が図3に示すように前記回路パターン27のランド部29にそれぞれ接続され、後端部が上記したように前記外部リード線7にそれぞれ接続される。端子47とランド部29の接続は、端子47の先端部をランド部29の小孔30に挿通し、半田35(図5(a))によって接続する。そして、この接続部を合成樹脂35によって封止してもよい。また、ハーメチック部品45の表面には、端子47を補強するために合成樹脂43がポッティングされている。
【0035】
このようなハーメチック部品45は保護管4に直接圧入されるが、金属パイプ48の外周面を半田や金でメッキしておくと、保護管4をより一層高い気密性をもって封止することができ、封止の信頼性を高めることができる。
【0036】
図6(a)、(b)にハーメチック部品の他の実施の形態を示す。
同図(a)は、端子47と、セラミックステム51と、セラミックステム51の外周面にメタライズされた金属膜52とでハーメチック部品53を構成した例を示す。このようなハーメチック部品53は、挿通孔を有するセラミックステム51を仮焼成し、その後挿通孔に端子47を挿通して本焼成することにより製作される。また、別の製作方法としては、本焼成したセラミックステム51の挿通孔に端子47を挿通するとともにセラミックセメントを充填するか、またはセラミックセメントが塗布された端子47を挿通孔に挿通し、このセラミックセメントを焼成してもよい。
【0037】
セラミックステム51の外周面にメタライズされる金属膜52は、溶剤にモリブデン、タングステン等の金属粉を混入したメタライジング液をセラミックステム51の外周面に塗布して焼成することにより形成される。モリブデンやタングステンは、セラミックステム51と熱膨張係数が近いので、割れることなくセラミックステム51の表面をメタライズすることができる。さらに、メタライズされた表面にロー付けし易いニッケル、銅、金等をメッキしておくと、保護管4をより一層高い気密性をもって封止することができ、封止の信頼性を高めることができる。つまり、金属膜52のメタライジングは信頼性をより一層高めるために施すものであるが、金属膜52がなくても密封性は確保できる。
【0038】
同図(b)は、端子47と、セラミックステム51と、これらの外周をそれぞれメタライズする金属膜52と、端子47の周面をメタライズする金属膜54とでハーメチック部品55を構成した例を示す。このようなハーメチック部品55は、挿通孔を有するセラミックステム51を本焼成し、その後挿通孔の内周面を金属膜54によってメタライズし、しかる後端子47を挿通孔に挿通して半田や錫、鉛等のロー材によってロー付けすることにより製作される。セラミックステム51の外周に設けられる金属膜52は、上記したと同様な方法で形成される。金属膜54は、挿通孔の内周面にモリブデン、タングステン、パラジウム、銀等の金属粉を混入したガラスを塗布して焼成することにより形成される。なお、金属膜52は上記と同様になくても密封性を確保できる。
【0039】
前記保護管4は、SUS304やSUS316等によって形成された基端部が開放し、先端側が閉塞する細長い小径パイプ4Aと、この小径パイプ4Aの基端部に嵌装されロー付け、溶接等によって接合された大径パイプ4Bとで構成されている。小径パイプ4Aは、外径が1.2mm、内径が1.0mm、長さが20mm程度で、内部に前記温度検出素子22とフレキシブルプリント配線板23が組み込まれている。大径パイプ4Bは、外径が金属パイプ8の内径と略等しくなっている。また、この小径パイプ4Aと大径パイプ4Bは、ロー付けまたは溶接によって接続されている。そして、大径パイプ4Bは、後端側開口部が前記ハーメチック部品45の圧入によって気密に閉塞され、内部に不活性ガスまたはオイルが封止されている。封入に際しては、加圧して封入することが望ましい。不活性ガスとしては、アルゴン、窒素、乾燥空気等が用いられる。オイルとしては、シリコーンオイル等が用いられる。なお、本実施の形態においては、ロー付けまたは溶接によって接続された小径パイプ4Aと大径パイプ4Bの2部材で保護管4を構成した例を示したが、これに限らず、絞り加工によって前記小径パイプ4Aに相当する小径部と、大径パイプ4Bに相当する大径部とを一体に有する保護管を用いてもよいことは勿論である。
【0040】
ハーメチック部品45(または53,55)の大径パイプ4Bに対する固定方法としては、圧入の他にプロジェクション溶接やロー付けなどもあるが、プロジェクション溶接は大きな溶接設備や電気工事が必要になり、ロー付けはロー付け設備が必要となることから好ましくない。圧入の場合は、設備として小さなハンドプレスのみを用意するだけでよく、また作業も簡単である。また、室内や乾燥空気などあまり環境が厳しくない環境下で温度を計測する場合は、圧入のみで十分である。
【0041】
前記金属パイプ8は、SUS316等によって形成された両端開放のパイプからなり、外径が4.0mm、内径が3.0mm、長さが30〜50mm程度で、前端側に前記大径パイプ4Bが嵌挿され、後端側に前記外部リード線7を保護するステンレス編線10が挿入され、合成樹脂(熱硬化性樹脂)46によって、金属パイプ8の中全体、すなわちハーメチック部品45の所まで充填封着されている。
【0042】
このような温度センサ20の製作に際しては、先ずフレキシブルプリント配線板23と温度検出素子22をバンプ接合によって接合する。次に、フレキシブルプリント配線板23の接続部23Bを図5(a)に示すように折り曲げて端子47を各ランド部29の挿通孔30(図3)に挿通し、半田35によって接続する。さらに、その接続部を合成樹脂36(図1)によってモールドし補強してもよい。
【0043】
次に、温度検出素子22が取付けられたフレキシブルプリント配線板23を保護管4内に挿入し、ハーメチック部品45を大径パイプ4Bに圧入する。このとき、温度検出素子22の前端と裏面を小径パイプ4Aの内壁面に押し付ける。この押し付けは、フレキシブルプリント配線板23自体がもつ弾性と前記接続部23Bの折り曲げによる復帰力を利用して行なう。フレキシブルプリント配線板23の弾性をさらに高める方法としては、図5(b)に示すように本体23Aの中間部にV字状の折曲部58を設けておくとよい。このような折曲部58は、元の形状に戻ろうとする力(復元力)を有するので、本体23Aを伸長させ、温度検出素子22を保護管4の内壁面に確実に押し付けることができる。なお、ハーメチック部品45によって大径パイプ4Bを封止する前に、保護管4の内部に不活性ガスまたはオイルを封入し、素子ユニット21を製作すると、さらに信頼性が高く、かつレスポンスの速い素子ユニットとすることができる。
【0044】
次に、素子ユニット21を金属パイプ8に嵌挿して小径パイプ4Aを外部に突出させるとともに、端子47に接続した外部リード線7のステンレス編線10を合成樹脂46によって金属パイプ8の内部全体に充填することで固定し、もって温度センサ20の製作を終了する。
【0045】
このような構造からなる温度センサ20によれば、金属箔抵抗体25を用いているので、図8に示した従来のPt抵抗線2を用いた巻線タイプの温度センサ1に比べて抵抗体自体に強度が要求されず(ガラス管3に巻く必要がないため)、大きな抵抗値、例えば1,000Ω程度の抵抗体を形成することができ、また、センサの製作も容易で、小型化することができる。すなわち、従来のPt温度センサ1においては、上記した通り抵抗値を高くすると、Pt抵抗線2の長さが長くなり、形状がどうしても大きくなる。このため、抵抗値が1,000Ωの抵抗線を用いることができなかった。
【0046】
一方、金属箔抵抗体25の場合は、フォトエッチングでパターンを作成することができるので、自由に所望する抵抗値をもつ抵抗体を製作することができる。すなわち、パターン幅を細くすれば、抵抗値を高くすることができる(フォトエッチングの限界はあるけれども、巻線タイプのPt抵抗線の比ではない。)ので、微小なセラミック基板24上に抵抗値が1,000Ωの抵抗体を製作することが可能である。また、金属箔抵抗体25の製作は、Pt抵抗線2に比べて比較的容易で、高抵抗値にも拘わらず温度検出素子22自体を細長い帯状に形成することができるので、これを収納する保護管4の小径パイプ4Aの直径を1.2mm以下にまで小径化することができる。したがって、温度センサ20自体も小型化することができる。さらに、保護管4を細く形成できれば熱容量も小さくなるので、被測定対象の温度変化に対する応答性を向上させることができる。
【0047】
また、金属箔抵抗体25の抵抗値が高いので、従来のPt温度センサ1に比べて低電流で発熱量が少なく、高い感度で微小な温度変化を高精度に検出することができる。
【0048】
〔従来のPt温度センサと本発明の温度センサの比較〕
従来のPt温度センサ1は、抵抗値が100Ωで、1〜2mAの測定電流を流し、温度変化出力を取り出している。
例えば、電流が1mAの場合
抵抗体の発熱量(消費電力RI2)は
100×10-3×10-3=10-4W=0.1mWとなる。
感度は、TCR(温度係数)=3850ppm/℃とすると、
1℃における感度は、
100×3850×10-6×1×10-3=385μV/℃
となる。
1m℃における感度は、その1/1000になるので、0.385μV/℃
となる。
すなわち、抵抗値が100Ωの従来のPt温度センサ1では0.1mWの消費電力で0.385μVの温度変化の出力を検出している。
【0049】
これに対して、1,000Ωの同じ抵抗温度係数をもった金属箔抵抗体25を用いた場合は、抵抗値が10倍となるので、同じ感度(温度変化出力)を得るためには、測定電流を0.1mA、つまり1/10とすることができる。
0.385×10-6÷(1000×3850×10-6×10-3)=0.1mA
金属箔抵抗体25の発熱量(消費電力)は、
1000×10-4×10-4=10-5W=0.01/mWで、1/10になる。
したがって、抵抗値を高くすることは、感度を保持したまま消費電力を低減でき、1m℃の温度制御を必要とする半導体製造装置に用いた場合、非常に有効である。
【0050】
また、フレキシブルプリント配線板23に形成した4本の回路パターン27とハーメチック部品45の端子47を介して外部リード線7と金属箔抵抗体25を接続しているので、保護管4の小径化にも拘わらず4線式の温度センサ20とすることができる。したがって、金属箔抵抗体25の両端間の電圧を測定することができ、外部リード線7、回路パターン27および端子47の抵抗値に影響されることなく高精度な温度測定を行うことができる。
【0051】
また、フレキシブルプリント配線板23がもつ弾性によって温度検出素子22の先端面と下面を保護管4の小径パイプ4Aの内壁面に押し付けるようにしているので、保護管4から温度検出素子22への温度の伝達が良好で、温度レスポンスのばらつきが少なく、しかも、振動、衝撃等に対して動いたりすることもないので、安定した抵抗値を維持し、正確な温度測定を行うことができる。
【0052】
また、金属箔抵抗体25と回路パターン27をバンプ接合しているので、通常半田付けによる接合に比べて接合作業が容易で自動化することができ、接合の信頼性を向上させることができる。
【0053】
また、保護管4の大径パイプ4Bをハーメチック部品45によって気密にシールしているので、水、湿気等の侵入を確実に防止することができ、金属箔抵抗体25の電気特性を長期間にわたって安定に維持することができ、信頼性および耐環境性に優れた温度センサとすることができる。さらに、内部に不活性ガスまたはオイルを封入しているので、温度変化に対する応答性を高めることができる。
【0054】
図7(a)、(b)は本発明の他の実施の形態を示す側面図および平面図である。この実施の形態では、温度検出素子22の金属箔抵抗体25とフレキシブルプリント配線板23の回路パターン27をバンプ接合する代わりにボンディングワイヤ60によって接続し、この接続部分を合成樹脂61によって封止し補強している。この場合、合成樹脂61による封止の方法としては、環境特性を高めるために温度検出素子22全体を封止することが望ましいが、そうすると合成樹脂61とセラミック基板24または金属箔抵抗体25との間の熱膨張係数の相違により歪みが発生し、金属箔抵抗体25の抵抗値をドリフトさせるため好ましくない。よって、本実施の形態においては、接合部分のみを合成樹脂61で封止することで、歪みの発生を防止し金属箔抵抗体25の抵抗値のドリフトを防止するようにしている。なお、その他の構造は上記した実施の形態と全く同一である。
【0055】
このような構造においても上記した実施の形態と同一の効果が得られることは明らかであろう。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る温度センサは、センサ自体の小型化と高抵抗値化の双方を同時に達成でき、この結果として消費電力が少なく、特に半導体製造装置などの温度測定に用いて好適である。また、金属箔抵抗体は抵抗線に比べて自由に所望の抵抗値を得ることができる。
【0057】
また、本発明は4線方式を採用しているので、金属箔抵抗体の両端間の電圧を測定できる。したがって、外部リード線の抵抗値に影響されることなく、また抵抗体の抵抗値を大きく設定できるので誤差が少なく高精度な温度測定を行うことができ、センサの測定精度を向上させることができる。
【0058】
また、本発明は金属箔抵抗体とフレキシブルプリント配線板をバンプ接合またはボンディングワイヤによって接合したので、接合が容易で信頼性を向上させることができる。
【0059】
また、本発明は、温度検出素子をフレキシブルプリント配線板がもつ弾性を利用して保護管の内壁面に押し付けているので、温度レスポンスのばらつきが少なく、温度検出素子が振動、衝撃等によって動いたりすることがなく、安定した抵抗値を維持することができる。
【0060】
さらに、本発明はフレキシブルプリント配線板によって金属箔抵抗体を覆っているので、金属箔抵抗体が保護管に接触して短絡することがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】 (a)、(b)は本発明に係る温度センサの一実施の形態を示す断面図および素子ユニットの拡大断面図である。
【図2】 温度検出素子の平面図である。
【図3】 フレキシブルプリント配線板の平面図である。
【図4】 バンプ接合の様子を示す図である。
【図5】 (a)、(b)はフレキシブルプリント配線板と外部リード線との接続を示す図およびフレキシブルプリント配線板を折り曲げて弾性を付与した例を示す図である。
【図6】 (a)、(b)はそれぞれハーメチック部品の他の実施の形態を示す半断面図である。
【図7】 (a)、(b)は金属箔抵抗体と回路パターンをボンディングワイヤによって接続した他の実施の形態を示す側面図および平面図である。
【図8】 従来のPt抵抗体式温度センサを示す断面図である。
【符号の説明】
1…Pt抵抗体温度センサ、2…Pt抵抗線、3…ガラス管、4…保護管、5…絶縁チューブ、6…中継用接続線、7…外部リード線、8…金属パイプ、20…温度センサ、21…素子ユニット、22…温度検出素子、23…フレキシブルプリント配線板、24…セラミック基板、25…金属箔抵抗体、27…回路パターン、37…端子、45…ハーメチック部品、47…端子、60…ボンディングワイヤ、61…合成樹脂。
Claims (6)
- 温度検出用の金属箔抵抗体が基板に形成された温度検出素子と、
前記温度検出素子が先端部に取付けられた細長い帯状の本体と、この本体より幅広に形成され外部リード線との接続を行なうランド部を有する接続部とからなるフレキシブルプリント配線板と、
前記フレキシブルプリント配線板の前記本体と前記温度検出素子を収納する先端が閉塞する小径の細長い保護管と、
前記保護管の基端部が接合された大径のパイプとを備え、
前記大径のパイプ内に前記フレキシブルプリント配線板の前記ランド部と外部リード線とを接合するための前記接続部を収納したことを特徴とする温度センサ。 - 請求項1記載の温度センサにおいて、
金属箔抵抗体にそれぞれ2本からなる電流線と信号検出線を接続したことを特徴とする温度センサ。 - 請求項1または2記載の温度センサにおいて、
温度検出素子をフレキシブルプリント配線板の弾性を利用して保護管の内壁面に押し付けたことを特徴とする温度センサ。 - 請求項1,2または3記載の温度センサにおいて、
温度検出素子の金属箔抵抗体とフレキシブルプリント配線板の回路パターンをバンプ接合したことを特徴とする温度センサ。 - 請求項1,2または3記載の温度センサにおいて、
温度検出素子の金属箔抵抗体とフレキシブルプリント配線板の回路パターンをボンディングワイヤによって接続し、そのボンディング部を合成樹脂によってモールドしたことを特徴とする温度センサ。 - 請求項1,2または3記載の温度センサにおいて、
温度検出素子の金属箔抵抗体をフレキシブルプリント配線板によって覆ったことを特徴とする温度センサ。
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