JP4749794B2 - 温度測定方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱電対を用いて測温対象部の絶対温度を測定する温度測定方法及びその装置に関する。

半導体ウエハや液晶用ガラス基板等の薄板状精密基板（以下、単に「基板」と称する。）の製造過程では、熱処理炉において基板に対する熱処理が施される。このような熱処理工程では基板に対する熱処理を均一に行う必要がある。そのため従来から実際に製品となる実基板と同形同材であり、かつその表面に形成された多数の凹部に対して熱電対を植設した測温用のダミー基板を用い、実基板を熱処理するのに先立って、実基板を熱処理する際の温度分布をシミュレーションする技術が知られている（例えば、特許文献１）。

一般に熱電対は２種の異なる材料が接合した２つの接点に温度差がある場合、その温度差に応じた熱起電力を発生するものであることから、特許文献１に開示される技術において温度測定を行う場合、熱電対を構成する素線に補償導線を接続して熱処理炉の外部に引き出し、該補償導線の端部を温度が既知の部分に接続することにより、炉内に配置された熱電対素線先端の測温接点と炉外の補償導線端部との温度差により生じる起電力を測定するように構成されている。

ところが、特許文献１に開示されるダミー基板を使用する場合、熱電対の素線や補償導線が基板表面から浮いた状態で多数配線されるため、熱処理炉内等での配線の引っ掛かりや絡まりが発生し易く、断線等を生じて正確な測温ができなくなるという問題があった。

一方、熱電対パターン層を支持シート上に形成した転写シートを用いて基板上に熱電対パターンを転写積層することにより、熱電対温度センサを基板上に一体形成することが提案されている（例えば、特許文献２）。かかる技術を適用すれば熱電対の素線や補償導線を基板表面に一体形成でき、上述した配線の引っ掛かりや絡まり等の問題を解消できるという利点がある。

特開平１１−５１７７６号公報 特開２００５−５５３３８号公報

しかしながら、特許文献２に開示される熱電対パターンは、基板上に形成された異なる材料から成る２つの配線パターンによって構成されており、２つの配線パターンが互いに接合して測温接点を形成する先端部と、互いに離間した状態で非接合とされる終端部との間に温度差がある場合、その温度差に応じた熱起電力を生じるものである。言い換えれば、基板上の熱電対パターン先端部の測温接点を測温対象部としたとき、熱電対パターン終端部が測温基準部となり、出力起電力は基板上の測温基準部の温度を基準にした測温対象部の温度を示すものである。そのため、熱電対パターンとして形成された熱電対温度センサの出力起電力を測定しても、測温対象部の絶対温度を測定することができないという問題がある。

特許文献１のような一般的な熱電対を使用する場合には、補償導線を接続することにより、測温接点との温度差を規定する測温基準部を補償導線の端部に設けることができるが、特許文献２のように基板上に一体形成された熱電対パターンの終端部に対して導線を接続したとしても、一般的な熱電対に補償導線を接続した場合のように、測温基準部が熱電対パターンの終端部から導線の端部に移る訳ではない。そのため、熱電対温度センサが発生する熱起電力を取り出すために熱電対パターンの終端部に対して導線を接続しただけの構成である場合、基板上の温度差は把握できるものの、測温対象部の絶対温度を把握できないのである。

本発明は、上述のような従来の課題を解決することを目的としてなされたものであり、温度差に応じた熱起電力を出力する熱電対温度センサを設ける場合において測温対象部の絶対温度を測定できるようにした温度測定方法及びその装置を提供するものである。

上記目的を達成するため、本発明に係る温度測定方法が解決手段として採用したところは、熱電対温度センサ(8)を構成する二種の配線(2)(3)の互いに接合した先端部の測温接点(7)を測温対象部(5)に配置すると共に、互いに離間した終端部(P1)(P1)を測温基準部(6)に配置し、測温基準部(6)と測温対象部(5)の温度差に応じた起電力を前記終端部から出力する温度測定方法において、前記測温基準部(6)と測温対象部(5)の温度差を表す熱起電力を測定する工程と、前記熱電対温度センサ(8)を構成する二種の配線(2)(3)のうち、前記測温基準部(6)において温度変化に応じて抵抗値を変化する少なくとも一部の配線部分を基準温度測定手段(2a)として、該基準温度測定手段(2a)の抵抗値を検出し、該抵抗値に基づいて測温基準部(6)の基準絶対温度を測定する工程と、前記基準絶対温度と前記熱起電力に基づいて、測温対象部(5)の測定温度を計測する工程とから成る方法とした点にある。かかる方法により、熱電対温度センサの出力により測温基準部と測温対象部の温度差を求めることができる一方、測温基準部の温度が基準温度測定手段の抵抗値から求められるので、これらの値から測温対象部の絶対温度を求めることができるようになる。

また本発明に係る温度測定装置が解決手段として採用したところは、熱電対温度センサ(8)を構成する二種の配線(2)(3)の互いに接合した先端部の測温接点(7)を測温対象部(5)に配置すると共に、互いに離間した終端部(P1)(P1)を測温基準部(6)に配置し、測温基準部(6)と測温対象部(5)の温度差に応じた起電力を前記終端部から出力する温度測定装置において、前記熱電対温度センサ(8)を構成する二種の配線(2)(3)のうち、前記測温基準部(6)において温度変化に応じて抵抗値を変化する少なくとも一部の配線部分により基準温度測定手段(2a)を構成し、該基準温度測定手段(2a)の抵抗値を検知する抵抗値測定手段(11)と、検知した抵抗値に基づいて測温基準部(6)の基準絶対温度を検出する基準温度算出手段(14)を設けており、前記基準絶対温度と前記熱起電力に基づいて、測温対象部(5)の測定温度を計測するように構成した点にある。かかる構成により、熱電対温度センサの出力により測温基準部と測温対象部の温度差を求めることができる一方、測温基準部の温度が基準温度測定手段の抵抗値から求められるので、これらの値から測温対象部の絶対温度を求めることができるようになる。

本発明によれば、測温基準部と測温対象部の温度差に応じた熱起電力が測定されるので、その測定値によって測温基準部と測温対象部の温度差を求めることができるように構成される一方、測温基準部の温度変化に応じて抵抗値が変化する導電材料からなる基準温度測定手段の抵抗値が検出されるので、その抵抗値から測温基準部の基準絶対温度が測定されるように構成されるため、これらの値から測温対象部の絶対温度を求めることが可能な構成となっている。そのため熱電対温度センサに対して、一般的な熱電対に接続されるような補償導線を接続できない場合であっても、本発明の構成によれば、測温対象部の絶対温度を測定できるようになる。

そして基準温度測定手段を、熱電対温度センサを構成する二種の配線のうち、測温基準部に配線された少なくとも一部の配線部分を用いて構成することにより、比較的簡単な構成で測温対象部の絶対温度を測定できるという利点がある。

以下図面に基づいて本発明の好ましい実施形態を詳述する。図１は本発明に係る温度測定方法を実行するように構成された温度測定装置１の一態様を示す図である。温度測定装置１は、測温対象部５の温度Ｔ２と測温基準部６の温度Ｔ１との温度差に応じた熱起電力を発生する熱電対温度センサ８を備えており、電圧測定器１０がその熱起電力を検出するように構成される。したがって、電圧測定器１０が熱電対温度センサ８の熱起電力を測定することにより、測温基準部６に対する測温対象部５の相対的な温度は検出可能である。しかし、電圧測定器１０が熱電対温度センサ８の熱起電力を測定するだけでは測温対象部５の絶対温度Ｔ２は検出することができない。そこで本実施形態では、温度変化に応じて抵抗値が変化する導電材料からなる基準温度測定手段２ａを測温基準部６に配置して、その基準温度測定手段２ａの抵抗値を測定し、その抵抗値から測温基準部６の基準温度（絶対温度）Ｔ１を求め、この基準温度Ｔ１と電圧測定器１０で検出される熱起電力から測温対象部５の絶対温度Ｔ２を計測するように構成される。

そのため本実施形態における温度測定装置１は、図１に示す如く、熱電対温度センサ８と電圧測定器１０に加え、更に基準温度測定手段２ａの抵抗値を測定して測温対象部５の絶対温度Ｔ２を求めるために、抵抗値測定手段１１、基準温度算出部１４、特性データ記憶手段１５、及び絶対温度算出部１６を設けた構成である。尚、図１及び以下の説明においては、熱電対温度センサ８を構成する配線パターンの一部を基準温度測定手段２ａとして用いる場合を例示するが、これに限定されるものではなく、例えば測温基準部６に対して熱電対温度センサ８を構成する配線パターンとは独立した配線パターンを設けて基準温度測定手段２ａを構成してもよい。以下、各部の詳細について説明する。

熱電対温度センサ８は、板状若しくはシート状の基材４の測温対象部５と測温基準部６との間に異なる材料（金属若しくは半導体）で形成された二種の配線パターン２，３を設け、測温対象部５においてそれら二種の配線２，３が互いに接合状態とされた熱電対パターンとして形成され、測温対象部５における接合点７は熱電対の測温接点を構成する。そして測温対象部５の温度Ｔ２と測温基準部６の温度Ｔ１との間に温度差がある場合、熱電対温度センサ８はその間の配線経路にかかわらず、その温度差に応じた熱起電力を発生させる。

図２は熱電対温度センサ８の測温対象部５の近傍を拡大して示す図である。本実施形態では、熱電対温度センサ８は半導体温度センサとして構成され、配線パターン２は例えばＣｏを約５％ドープしたβ−ＦｅＳｉ₂からなるケイ化鉄系Ｎ型半導体層によって構成される一方、配線パターン３は例えばＭｎを約１０％ドープしたβ−ＦｅＳｉ₂からなるケイ化鉄系Ｐ型半導体層によって構成される。これらの半導体層は例えば２０〜１００μｍ程度の厚膜層として基材４の表面に成層される。そして配線パターン２，３の先端部は測温接点７で接合し、Ｎ型半導体層がＰ型半導体層の上に積層されたＰＮ接合を形成する。尚、Ｎ型半導体層の上にＰ型半導体層を積層した構成であっても構わない。

一方、測温基準部６においては、図１に示す如く、二種の配線パターン２，３の終端部Ｐ１，Ｐ２は互いに離間した状態で非接合とされている。但し、各配線パターン２，３の終端部Ｐ１，Ｐ２は互いに近接した位置に配置されることが好ましい。

熱電対温度センサ８として上述の半導体温度センサを使用することにより、Ｋ型熱電対等の従来タイプの熱電対を使用する場合と比較すれば、より高精度に温度を測定できるようになる。図３はこれを説明するための図であり、半導体温度センサ及びＫ型熱電対が温度差に応じて発生する起電力の特性を示している。図３において特性曲線Ｄ１は上述の半導体温度センサが温度差に応じて発生する起電力の特性を示しており、特性曲線Ｄ２はＫ型熱電対が温度差に応じて発生する起電力の特性を示している。図３から明らかなように、熱電対温度センサ８として上述の半導体温度センサを利用すれば、温度差の変化に対する起電力の変化が極めて大きいので、測温対象部５と測温基準部６との温度差を高分解能で検出することができ、高精度な温度測定が可能である。

また熱電対温度センサ８を上述の半導体温度センサとして構成することにより、従来の一般的な熱電対と比較して耐腐食性に優れた温度センサが得られるという利点もある。

そして温度測定装置１は、熱電対温度センサ８が発生する起電力を測定するため、電圧測定器１０を測温基準部６における配線パターン２，３の終端部Ｐ１，Ｐ２に接続した構成を有している。電圧測定器１０は熱電対温度センサ８の熱起電力を測定する起電力測定手段として設けられたものであり、熱電対温度センサ８の出力起電力（即ち、測温対象部５の温度Ｔ２と測温基準部６の温度Ｔ１との温度差ΔＴ（＝Ｔ２−Ｔ１或いはＴ１−Ｔ２）に応じた熱起電力Ｅ）を検出し、その起電力Ｅを後段の絶対温度算出部１６に出力する。

また温度測定装置１は、測温基準部６に配線された二種の配線パターン２，３のうちの少なくとも一方の配線パターン２において、その一部から構成される基準温度測定手段２ａの抵抗値を測定する抵抗値測定手段１１を備えている。尚、図１では基準温度測定手段２ａが配線パターン２の一部に設けられ、抵抗値測定手段１１が配線パターン２の基準温度測定手段２ａに相当する部分の抵抗値を測定するように配置された場合を例示するが、これに限定されるものではない。この抵抗値測定手段１１は、例えば図１に示す如く、更に電流電圧測定器１２と抵抗値算出部１３を備えて構成される。

図４は電流電圧測定器１２の構成例を示す図であり、（ａ）は２線接続式の構成例を示しており、（ｂ）は４線接続式の構成例を示している。図４に示すように電流電圧測定器１２はその内部構成として、直流電源２１、電圧計２２及び電流計２３を備えており、（ａ）及び（ｂ）のいずれの構成も、測温基準部６における配線パターン２の基準温度測定手段２ａとして規定される第一点Ｐａ及び第二点Ｐｂに導線を接続し、第一点Ｐａ〜第二点Ｐｂの区間を流れる電流Ｉと、その区間の電圧Ｖを測定するものである。尚、電流電圧測定器１２は、図４（ａ）及び（ｂ）に示す構成のうちのいずれを採用してもよい。そして電流電圧測定器１２によって検出される電流Ｉ及び電圧Ｖは抵抗値算出部１３に出力される。

抵抗値算出部１３は電流電圧測定器１２から入力する電流Ｉ及び電圧Ｖに基づいて所定の演算を行うことにより、配線パターン２の区間Ｐａ〜Ｐｂにおける抵抗値Ｒを算出する。そして抵抗値算出部１３によって求められる抵抗値Ｒは、抵抗値測定手段１１の出力信号となって基準温度算出部１４に与えられる。

本実施形態において配線パターン２の区間Ｐａ〜Ｐｂにおける温度−抵抗特性は予め測定されており、その特性データＲＤはメモリ等の記憶手段１５に格納される。図５は配線パターン２の区間Ｐａ〜Ｐｂにおける温度−抵抗特性を予め測定した特性データＲＤの一例を示す図である。図５に示すように抵抗値Ｒの対数と温度Ｔの逆数は一次式で近似される直線関係にあり、この特性データＲＤを参照すれば、配線パターン２の区間Ｐａ〜Ｐｂにおける抵抗値Ｒが上述のようにして求められると、その抵抗値Ｒから一義的にその部分の温度を求めることができる。言い換えると、本実施形態では抵抗値Ｒが温度変化に応じて変化する際、その特性として、抵抗値Ｒの対数と温度Ｔの逆数とが互いに比例し、一次式で近似される直線関係となるような材質のものを用いて、基準温度測定手段２ａを形成しているのである。そして基準温度算出部１４は、抵抗値測定手段１１から入力する抵抗値Ｒに基づいて、記憶手段１５に記憶された特性データＲＤを参照することにより、測温基準部６の基準温度（絶対温度）Ｔ１を求めるように構成される。そしてその結果得られる基準温度Ｔ１を絶対温度演算部１６に出力する。

本実施形態において測温基準部６に配置した導電材料からなる基準温度測定手段２ａの抵抗値Ｒを測定することにより測温基準部６の基準温度Ｔ１を求める構成としている理由は、図５に示すように抵抗値Ｒの常用対数を求めると、その値は温度Ｔの逆数と一次式で近似できる直線関係となるからであり、例えば抵抗値以外の他のパラメータを測定して二次以上の多次式で温度Ｔ１との関係を近似した場合と比較すると、本実施形態のように直線近似の場合には近似誤差が極めて少なくなるという利点がある。

絶対温度演算部１６は、測温基準部６の基準温度Ｔ１と熱電対温度センサ８の熱起電力Ｅに基づいて測温対象部５の絶対温度Ｔ２を算出する。即ち、熱電対温度センサ８の熱起電力Ｅに基づいて測温基準部６と測温対象部５の間の温度差ΔＴを求め、測温基準部６の基準温度Ｔ１に対して温度差ΔＴを加算する、若しくは測温基準部６の基準温度Ｔ１から温度差ΔＴを減算することにより、測温対象部５の絶対温度Ｔ２を導出する。

このように温度測定装置１は基材４の表面にパターン形成した熱電対温度センサ８を使用しつつ、測温対象部５の絶対温度Ｔ２を正確に測定できる構成となっている。即ち、熱電対温度センサ８が発生する起電力を測定することにより、測温基準部６と測温対象部５との温度差を求めることができると共に、測温基準部６に配置された基準温度測定手段２ａの抵抗値を測定することにより測温基準部６の絶対温度Ｔ１を求めることができるので、これらの値から測温対象部５の絶対温度Ｔ２を求める構成となっている。

そして上述の温度測定装置１は、熱電対温度センサ８を構成する二種の配線パターン２，３のうち、測温基準部６に配置された少なくとも一部の配線部分を、基準温度測定手段２ａとして用いる構成であるので、測温基準部６に対して二種の配線パターン２，３とは別途独立した基準温度測定手段２ａを設ける場合と比較すれば基材４上に配置される部材が少なくなり、構成が簡略化されるという利点がある。

また本実施形態では測温基準部６における抵抗値Ｒの対数を求め、この対数と直線関係にある温度の逆数の特性から測温基準部６の温度Ｔ１を求めるので、比較的正確に測温基準部６の温度Ｔ１を求めることができる。そのため最終的に導出される測温対象部５の絶対温度Ｔ２についても比較的誤差が少なく、正確に求めることができるように構成されている。

尚、上述の温度測定装置１では、測温基準部６の抵抗値Ｒから温度Ｔ１を求めるための構成として、特性データＲＤをメモリ等の記憶手段１５に記憶しておくことを例示したが、これに限定されるものではなく、他の手法、例えばアナログ回路等によって抵抗値Ｒの対数に比例する温度逆数値を出力するように構成してもよい。

また上述の温度測定装置１は、例えば基板の製造過程において実基板を熱処理する際の温度分布をシミュレーションするための温度センサとして有益に用いることができるが、それ以外の他の技術分野における温度センサとしても有益に用いることができるものである。したがって、上述した温度測定装置１の利用分野は特に限定されるものではない。

温度測定装置の一構成例を示す図である。 熱電対温度センサの測温対象部の近傍を拡大して示す図である。 半導体温度センサ及びＫ型熱電対が温度差に応じて発生する起電力の特性を対比して示す図である。 抵抗値測定手段における電流電圧測定器の構成例を示す図である。 配線パターンの温度−抵抗特性を示す図であり、抵抗値Ｒの対数と温度Ｔの逆数が一次式で近似される直線関係にあることを示している。

符号の説明

１ 温度測定装置
２ 配線パターン
２ａ 基準温度測定手段
３ 配線パターン
４ 基材
５ 測温対象部
６ 測温基準部
８ 熱電対温度センサ
１０ 電圧測定器
１１ 抵抗値測定手段
１２ 電流電圧測定器
１３ 抵抗値算出部
１４ 基準温度算出部
１５ 特性データ
１６ 絶対温度演算部

Claims (2)

1. 熱電対温度センサ(8)を構成する二種の配線(2)(3)の互いに接合した先端部の測温接点(7)を測温対象部(5)に配置すると共に、互いに離間した終端部(P1)(P1)を測温基準部(6)に配置し、測温基準部(6)と測温対象部(5)の温度差に応じた起電力を前記終端部から出力する温度測定方法において、
   前記測温基準部(6)と測温対象部(5)の温度差を表す熱起電力を測定する工程と、
   前記熱電対温度センサ(8)を構成する二種の配線(2)(3)のうち、前記測温基準部(6)において温度変化に応じて抵抗値を変化する少なくとも一部の配線部分を基準温度測定手段(2a)として、該基準温度測定手段(2a)の抵抗値を検出し、該抵抗値に基づいて測温基準部(6)の基準絶対温度を測定する工程と、
   前記基準絶対温度と前記熱起電力に基づいて、測温対象部(5)の測定温度を計測する工程とから成ることを特徴とする温度測定方法。
2. 熱電対温度センサ(8)を構成する二種の配線(2)(3)の互いに接合した先端部の測温接点(7)を測温対象部(5)に配置すると共に、互いに離間した終端部(P1)(P1)を測温基準部(6)に配置し、測温基準部(6)と測温対象部(5)の温度差に応じた起電力を前記終端部から出力する温度測定装置において、
   前記熱電対温度センサ(8)を構成する二種の配線(2)(3)のうち、前記測温基準部(6)において温度変化に応じて抵抗値を変化する少なくとも一部の配線部分により基準温度測定手段(2a)を構成し、該基準温度測定手段(2a)の抵抗値を検知する抵抗値測定手段(11)と、検知した抵抗値に基づいて測温基準部(6)の基準絶対温度を検出する基準温度算出手段(14)を設けており、
   前記基準絶対温度と前記熱起電力に基づいて、測温対象部(5)の測定温度を計測するように構成したことを特徴とする温度測定装置。

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