JP4995617B2 - 熱伝導型センサとこれを用いた熱伝導型計測装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱伝導型のセンサに関し、気圧、真空度、流速、濃度などの物理量を計測できる熱伝導型センサと、この熱伝導型のセンサを用いて、これらの被測定物理量を計測するための熱伝導型計測装置に関するものである。

従来、本出願人が発明した宙に浮いた薄膜を二分割し、更に互いに熱抵抗を持つように構成してあり、一方の薄膜１０Ａにヒータと温度センサ２０Ａとを形成し、他方の薄膜１０Ｂに温度センサ２０Ｂを形成して、周囲媒体である気体への熱伝導による温度変化を利用して気体の流れや真空度などを計測する熱伝導型のセンサがあった（特許文献１参照）。この熱伝導型センサ（特開2004-286492）を薄膜ピラニ型真空計に応用した場合、周囲の気体への熱伝導による温度変化を計測する薄膜２０Ｂ側も、この薄膜２０Ｂを支持するための梁が基板１との間に存在しても構わないものと考えていた。しかし、実際には、この梁を通して薄膜２０Ｂから基板１への熱伝導が存在するために、高真空のために周囲の気体がなくなっても、周囲の気体への熱伝導による温度変化を計測する薄膜２０Ｂの温度は、ヒータがある薄膜２０Ａと基板１との中間の不安定な温度になってしまうという問題および周囲温度が変化すると基板温度も変化するので、梁を通して薄膜２０Ｂの温度も真空度に拘らず変化してしまうと言う問題に直面した。

また、半導体のプロセスガスの真空度制御には、低真空領域を利用するので、ピラニ真空計が用いられていた。この従来の白金ワイヤを用いたピラニ真空計を白金ワイヤの代わりに薄膜にして、真空中の気体との接触面積が増加させて感度を増加させた薄膜ピラニ型真空センサがあった。しかし、一気圧に近い真空度では、気体分子の平均自由行程がサブミクロンメートル領域となり極めて小さく、加熱された薄膜から熱エネルギーを得て、薄膜表面から飛び去る気体分子による熱の放散を利用する熱伝導型の薄膜ピラニ型真空計においても、真空圧の増加と平均自由行程の減少とが打ち消しあい、この加熱された薄膜からの熱の放散が飽和し、大気圧に近い領域の真空度が計測できないと言う問題に直面していた。

一方、高真空度側では、周囲気体のガス分子密度が極めて小さくなるので、加熱された宙に浮いた薄膜からのガス分子衝突による熱の逃げが少なくなり、宙に浮いた薄膜を支持している梁からの基板などの支持体への熱の逃げが主体になり、この支持体への熱の逃げの不確定さが、高真空度側の測定限界を決定していた。

また、従来、温度差のみ検出できる温度差センサとして、従来のサーモパイルや熱電対のほかに、本出願人が発明した電流検出型熱電対があった（特許文献２参照）。これは、一対の熱電対であるが、内部抵抗を極端に小さくして短絡電流としてのゼーベック電流を検出するようにしたもので、構造が単純であり超小型化できると共に高感度であるからサーモパイルの代わりに使用できるものである。

また、従来、熱の方程式からヒータによる温度上昇分ΔTは、定常状態では、ヒータへ供給する電力Pを、周囲への熱伝導を決める熱コンダクタンスGで割算した形で表現されることが知られている。したがって、熱コンダクタンスGが一定ならば、ヒータに電力Pを供給すると、ヒータが形成してある薄膜は、周囲温度よりΔTだけ温度上昇することが分かる。

一般に、ヒータの抵抗体が、その抵抗温度係数（ＴＣＲ）が金属のように正の場合と半導体のように負の場合がある。ＴＣＲが正のヒータの場合は、温度が上がるとその抵抗が大きくなるので、一定電流を流すとどんどん時間と共に温度上昇する傾向にある。一方、ＴＣＲが負のヒータの場合は、温度が上がるとその抵抗が小さくなるので、一定電圧を印加するとどんどん時間と共に温度上昇する傾向にある。例えば、ダイオードヒータの場合、ＴＣＲが負のヒータであるので、時間と共に温度が上昇する傾向になるが、周囲温度からの温度差が大きくなるので、その分、放熱も多くなり、実際には、ある温度に落ち着くことになる。このように、ＴＣＲが正負のヒータでは、電流や電圧を所定の一定値に保つことにより、ヒータの温度の上昇が図れ、このヒータの温度の上昇分を周囲のガスなどへの放熱とのバランスで調節できることになり、センサとして用いれば、高感度なセンサとさせることができる。
特開2004-286492号公報 特開2005-221238号公報

本発明は、上述の問題点を解消するためになされたもので、気体や液体の流量、流速、真空度、濃度、放射線や赤外線量などの物理量を計測するための高感度で高精度、さらに計測できる範囲を拡大できるような熱型センサである熱伝導型センサとこれを用いた熱伝導型計測装置を提供することを目的としている。

上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる熱伝導型センサは、基板１から熱分離した薄膜１０が薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとに分割され、互いに熱抵抗を有するように熱抵抗部４５を設けた構造であり、一方の薄膜１０Ａにはヒータ２５と温度センサ２０Ａとが備えてあり、他方の薄膜１０Ｂには温度センサ２０Ｂが備えてあり、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出する熱伝導型センサにおいて、薄膜１０Ｂは、薄膜１０Ａから熱抵抗４５を介してカンチレバ状に飛び出した構造であるか、もしくは、薄膜１０Ｂは、薄膜１０Ａと完全に空間的に分離した形として熱抵抗部４５を実現するとともに基板１から熱抵抗４５を介してカンチレバ状に飛び出した構造であること、更に、薄膜１０Ｂは、加熱された薄膜１０Ａから熱を受け取り加熱される構造であることを特徴とするものである。

薄膜１０Ｂを、薄膜１０Ａからカンチレバ状に飛び出した構造にすることにより、例えば、この熱伝導型センサを薄膜ピラニ型真空計として実施した場合、極めて高真空では、周囲の気体分子がほとんどないので、ヒータ２５により薄膜１０Ａを通して熱せられた薄膜１０Ｂからの周囲への熱伝導がなくなり、薄膜１０Ａとほとんど同一の温度になる。すなわち、輻射が無視できるような１００℃程度に熱せられた場合には、高真空で薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとに温度差がほとんどゼロになり、薄膜１０Ｂもほとんど１００℃になる。このように、基準となる高真空で、本質的に薄膜２０Ａと薄膜２０Ｂとの間に温度差が発生しないようにして、高真空でゼロ出力とする、すなわち、これをゼロ基準とする（この方法をゼロ基準法と呼ぶことにする）ことが出来るので、極めて高精度の薄膜ピラニ型真空計が提供できることになる。

また、ヒータ２５で熱せられた薄膜１０Ａから薄膜１０Ｂへの熱伝導が、主に周囲媒体としての気体などを媒介とした熱伝導になるようにすることもできる。この場合、上述のように薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとを一枚の薄膜１０にスリットを形成して熱抵抗が大きくなるようにし、薄膜１０Ｂが薄膜１０Ａからカンチレバ状に飛び出した構造にしても良いし、薄膜１０Ｂが、例えば、基板１からカンチレバ状に飛び出す構造として、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとを一枚の薄膜１０を横断するスリットで完全に空間的に接触させずに分離して、互いに近接して配置形成しても良い。後者の場合、薄膜１０Ｂの支持は、宙に浮いて基板１から支持されている薄膜１０Ａに対向している基板１からカンチレバ状に飛び出した構造にすると良い。更に、この薄膜１０Ｂも微少の熱量でも温度上昇がしやすいように、支持している基板１との間にも熱抵抗部４５を形成すると良い。もちろん、一般に宙に浮いている薄膜１０Ａも基板１から更に熱抵抗が大きくなるように、狭い梁により支持されている構造にすると良い。

本発明の請求項２に係わる熱伝導型センサは、分割された二つ以上の薄膜１０Ｂa、１０Ｂbから成り、例えば、二つの場合は、それぞれの薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂbには、少なくとも一つの温度センサ２０Ｂaと温度センサ２０Ｂbとがそれぞれに備えてあり、これらの薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂbとは、例えば、薄膜１０Ａからカンチレバ状にそれぞれ飛び出した構造にした場合である。すなわち、請求項１において、薄膜１０Ｂが複数個備えてある場合に相当する。

本発明の請求項３に係わる熱伝導型センサは、二つ以上の薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂbが被測定物理量を除く物理量に対して同等に構成してある場合である。

本発明の請求項４に係わる熱伝導型センサは、二つ以上の薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂbとの間の温度差が測定できるように構成してある場合である。

二つ以上の薄膜１０Ｂa、１０Ｂbにおいて、一方を被測定物理量の検出用にし、他方を参照用に用いることができる。例えば、本発明の熱伝導型センサをガスフローセンサに適用した場合は、気流などの流速が被測定物理量に対応し、薄膜１０Ａからカンチレバ状に独立に飛び出した構造のうち、一方の薄膜１０Ｂaを流れに晒すようにして、他方の薄膜１０Ｂbは流れに晒されないようにするが、流れを除く環境、例えば、薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂｂの寸法や質量、更には周囲温度の影響などは全く同等になるように構成することである。このようにして、流速に基づくカンチレバ状の二つの薄膜１０Ｂa、１０Ｂbの温度差のみを検出することにより、上述のゼロ基準法が適用できることになる。従って、高精度のガスフローセンサが達成できる。

ここでは、これらの薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂbとの間の温度差は、それぞれに形成してある温度センサ２０Ｂaと温度センサ２０Ｂbとを用いて測定できるように構成した場合である。

本発明の請求項５に係わる熱伝導型センサは、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂ、１０Ｂa、１０Ｂbとの温度差をそれぞれに形成した温度センサ２０Ａと温度センサ２０Ｂ、２０Ｂa、２０Ｂbとを用いて検出するようにした場合である。

薄膜１０Ａに形成した温度センサ２０Ａと、薄膜１０Ｂ、１０Ｂa、１０Ｂbのそれぞれに形成した温度センサ２０Ｂ、２０Ｂa、２０Ｂbとがサーミスタのような絶対温度センサである場合は、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂ、１０Ｂa、１０Ｂbのそれぞれに形成した絶対温度センサを使用してそれらの温度差を計測する必要があるが、温度センサ２０Ｂ、２０Ｂa、２０Ｂbが温度差のみを計測できる温度差検出型温度センサ（温度差センサ）である熱電対、サーモパイルや電流検出型熱電対である場合は、薄膜１０Ａの温度を基準として温度差を求めることもできる。

本発明の請求項６に係わる熱伝導型センサは、薄膜１０Ａなどを所定の場所として利用し、そこの温度を基準にして薄膜（１０Ｂ、１０Ｂa、１０Ｂb）との温度差を検出するために、温度センサ２０Ｂ、２０Ｂa、２０Ｂbとして、所定の場所からの温度差を検出する温度差センサとした場合である。熱の基本式から高温物体から低温物体への伝達熱量は、それらの物体間の温度差に比例する。もちろん、温度センサ２０Ａと温度センサ２０Ｂとを、どちらも温度差のみ検出する温度差センサとしても良い。

温度センサ２０Ｂや温度センサ２０Ｂaと温度センサ２０Ｂbとして、それぞれサーミスタのような絶対温度を計測する温度センサとしても、もちろん良い。しかし、ここでは、温度センサ２０Ｂaと温度センサ２０Ｂbとして、温度差のみ検出できる温度差センサである熱電対、サーモパイルや電流検出型熱電対を用いた方が良く、これらの冷接点と温接点とをそれぞれ薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂa、および薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂｂとに配置する構造とし、それらの差動増幅をするようにした方が良い。なぜなら、上述のゼロ基準法が使用できるので、高精度の物理量計測が可能になるからである。なお、所定の場所からの温度差とは、熱電対、サーモパイルなどの冷接点を、例えば、所定の場所としての薄膜１０Ａに形成し、温接点を薄膜１０Ｂや薄膜１０Ｂaなどに形成したときに、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂや薄膜１０Ｂaとの温度差を意味し、この温度差を計測することである。また、所定の場所として、基板を利用すると電極形成などに好都合である。

本発明の請求項７に係わる熱伝導型センサは、温度差検出型温度センサとして電流検出型熱電対とした場合である。温度差センサとして、特に超小型で高感度となり得る電流検出型熱電対とした場合は、単純構造で高感度であるので好都合である。

一般に、熱電対といえば、サーモパイルと同様に開放起電力で温度を計測するが、電流検出型熱電対は、内部抵抗を小さくした熱電対の温度差による熱起電力に基づく短絡電流を計測して、温度差を検出するもので、サーモパイルのように沢山の熱電対を用いる必要がなく、一対で済むので、温度差センサを極めて小型化できるし、高感度で高精度となる。特に、本発明の熱伝導型センサを、薄膜ピラニ型真空センサのようにゼロ基準法が利用できるときに有利で、その特長を発揮する。

本発明の請求項８に係わる熱伝導型計測装置は、上述の請求項1から７のいずれかに記載の熱伝導型センサを備え、その熱伝導型センサの薄膜１０Ａの温度を所定の温度になるように、ヒータ２５と温度センサ２０Ａとの組合せにより制御すると共に、少なくとも温度センサ２０Ｂの出力を利用して、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出して被測定物理量を計測するようにしたことを特徴とするものである。

ヒータ２５として、不純物を拡散した拡散抵抗ヒータ２５や白金などの薄膜ヒータでも良い。更に、ダイオードの順方向電圧印加によるダイオードヒータでも良いし、トランジスタやＦＥＴに電流を流して、ヒータ２５として動作させても良い。

温度センサ２０Ａは、薄膜１０Ａに形成するのでＩＣ技術で製作できるトランジスタサーミスタやダイオードサーミスタなどの絶対温度センサでもよく、基板１を冷接点として、薄膜１０Ａを温接点とする電流検出型熱電対でも良い。

所定の温度として、本熱伝導型計測装置の適用目的により異なるが、薄膜ピラニ型真空計に適用した場合には、例えば、薄膜１０Ａの温度が１００℃になるように、温度センサ２０Ａで温度計測して、また、そこに形成してあるヒータ２５を駆動するようにフィードバック制御するとよい。この制御は従来の公知の方法で容易に達成できる。

本発明の請求項９に係わる熱伝導型計測装置は、薄膜１０Ａの温度を少なくとも異なる所定の二つの温度になるように、周囲温度の変化が無視できる程度の短時間に制御して、薄膜１０Ａのこれらの異なる二つの温度での温度センサ２０Ａの出力とそれぞれに対応する温度センサ２０Ｂの出力を利用して、周囲温度の効果を打ち消すようにした場合である。

本発明の熱伝導型計測装置を薄膜ピラニ型真空計に適用した場合には、実験によると、薄膜１０Ａの所定の二つの異なる温度として、１００℃と８０℃に設定し、温度センサ２０Ａとその近傍に形成されているヒータ２５とを用いて、１００ミリ秒毎に、これらの温度の切り替え制御をして、それぞれの温度に対応する薄膜１０Ｂに形成されている温度センサ２０Ｂの温度を計測して、それらの差動動作を行わせることにより、周囲温度の効果を除去することができた。

基板１や蓋が余り加熱されないように、矩形波パルスなどの所定の周期でヒータ２５を短時間加熱するように制御した方が良い。

本発明の請求項１０に係わる熱伝導型計測装置は、基板１から熱分離した薄膜１０には、ヒータ２５と温度センサ２０とが備えてあり、この温度センサ２０は、薄膜（１０）でヒータ（２５）より先端部のカンチレバ状に飛び出した部分に形成されてあり、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出するようにした熱伝導型センサを備え、この熱伝導型センサのヒータ２５を加熱するのに所定の一定の電力を供給するように制御すると共に、少なくとも温度センサ２０の出力を利用して、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出して被測定物理量を計測するようにしたことを特徴とするものである。

ヒータ２５が形成してある薄膜の熱コンダクタンスGが一定ならば、ヒータ２５に一定の電力Pを供給すると周囲温度よりΔTだけ温度上昇する。したがって、周囲温度が異なっても、その周囲温度を基準にして、それよりもΔTだけ温度上昇することになる。また、ΔTの温度上昇分は、宙に浮いた薄膜１０に突起状のカンチレバから周囲への熱コンダクタンスGに反比例するから、突起状のカンチレバに形成した温度センサ２０Ｂの温度に関する出力を利用して、真空度などの被測定物理量に関係する熱コンダクタンスGを知ることができるし、熱コンダクタンスGと真空度との対応から真空度を計測できる。もちろん、真空度ばかりでなく、気流や液体の流れによる熱コンダクタンスGの変化を利用すれば、被測定物理量として気流や液体の流速などを計測することもできる。

ヒータ２５への所定の一定電力の供給方法は、ヒータ２５への印加電圧Vと流れる電流Iとの積が一定になるように制御すればよく、例えば、それぞれの成分を公知の対数変換回路と逆対数変換回路を用いた掛け算回路を用いて掛け算をして、その出力が一定になるように制御することにより容易に達成できる。

ここでは、熱伝導型センサのヒータ２５に所定の一定の電力を供給するように制御する場合、必ずしもヒータ２５の温度を制御するために、ヒータ２５の温度を計測する専用の温度センサを必要としない。薄膜１０のカンチレバ状に飛び出した部分に形成された温度センサ２０があり、この温度センサ２０の温度に関する出力を利用して、真空度などの被測定物理量を計測する。被測定物理量と温度センサ２０の出力との関係の校正曲線を求めておくことにより、被測定物理量の計測ができる。

なお、温度センサ２０として、基板１を基準にして、薄膜１０のカンチレバ状に飛び出した部分に形成された温度センサ２０との温度差のみ検出する温度差センサを用いると良い。これは周囲温度が変化しても、その周囲温度からの温度上昇分である温度差は、熱時定数よりも充分長い時間経過後では、供給電力と熱コンダクタンスにより決定され、供給電力を指定すると被測定物理量に係る周囲への熱伝導だけで冷却されるからである。したがって、周囲温度依存性のない被測定物理量の計測が可能になる。

本発明の請求項１１に係わる熱伝導型計測装置は、基板１から熱分離した薄膜１０には、ヒータ２５と温度センサ２０とが備えてあり、この温度センサ２０は、薄膜（１０）でヒータ（２５）より先端部のカンチレバ状に飛び出した部分に形成されており、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出するようにした熱伝導型センサを備え、この熱伝導型センサのヒータ２５を加熱するのに所定の一定の電流を流すように制御すると共に、少なくとも温度センサ２０の出力を利用して、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出して被測定物理量を計測するようにしたことを特徴とする場合である。

ヒータ２５をｐｎ接合やショットキ接合などの半導体ダイオードとし、その順方向に電圧を印加すると、印加電圧はそれほど変化しないで、電流だけを大きく変化させることができる。すなわち、半導体ダイオードに流す順方向電流の大きさで、ほぼヒータ２５への供給電力が決まる。このように例えば、定電流回路を用いて、一定の順方向電流を半導体ダイオードに流すと、請求項１０に記述のように、ほぼ熱伝導型センサのヒータ２５に所定の一定の電力を供給するように制御した場合と同等になる。実際には、多少、一定の電力を供給するように制御した場合と異なるが、一定の順方向電流を半導体ダイオードに流した状態で真空度などの被測定物理量と温度センサ２０Ｂの出力との関係の校正曲線を求めておくことにより、被測定物理量の計測ができる。

金属的のように抵抗温度係数（ＴＣＲ）が正であるヒータ２５の場合には、所定の一定電流を流すことにより、ヒータ２５の温度が上昇すれば、一層、消費電力が大きくなり、一層温度上昇するように作用する。しかし、周囲温度との温度差が大きくなるので、放熱が大きくなり、ある温度に落ち着く。この温度上昇分は、気体、液体の密度や流れなどの周囲の環境によるので、高感度になり、これらの物理量を計測するセンサには好適である。

本発明の請求項１２に係わる熱伝導型計測装置は、基板１から熱分離した薄膜１０には、ヒータ２５と温度センサ２０とが備えてあり、この温度センサ２０は、薄膜（１０）でヒータ（２５）より先端部のカンチレバ状に飛び出した部分に形成されており、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出するようにした熱伝導型センサを備え、この熱伝導型センサのヒータ２５を加熱するのに所定の一定の電圧を印加するように制御すると共に、少なくとも温度センサ２０の出力を利用して、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出して被測定物理量を計測するようにしたことを特徴とする場合である。

ヒータ２５のＴＣＲが負の場合、所定の一定の電圧を印加して加熱すると時間と共に温度が上昇する傾向になる。しかし、周囲温度からの温度差が大きくなるので、その分、放熱も多くなり、実際には、ある温度に落ち着く。このように、ＴＣＲが負のヒータ２５では、電圧を所定の一定値に保つことにより、ヒータ２５の温度が上昇し、真空度や気体や液体流の変化などで、ヒータ２５からの放熱状態が変わるので、その上昇分が変化する。このような熱伝導型センサとして用いれば、高感度なセンサとさせることができる。

本発明の請求項１３に係わる熱伝導型計測装置は、ヒータ２５に少なくとも所定の異なる少なくとも二つの電圧を周囲温度の変化が無視できる程度の短時間に印加し、薄膜１０のこれらの異なる二つの電圧印加での温度センサ２０の出力を利用して、周囲温度の効果を打ち消すようにした場合である。

熱伝導型センサでは、周囲温度との温度差に基づいてヒータ２５からの熱放散が行われることが多い。周囲温度は変動するので、これを補正することは困難なことである。周囲温度が変動した場合、マイクロヒータのように極めて高速に温度上昇する（熱時定数が小さい）ヒータ２５であれば、ヒータ加熱の時間を短くすると周囲温度が変動していないと見做すことができる。このように、二つのパルス加熱で差動動作させることにより共通となる周囲温度効果を除去することができる。

本発明の請求項１４に係わる熱伝導型計測装置は、基板１から熱分離した薄膜１０には、ヒータ２５と温度センサ２０とが備えてあり、この温度センサ２０は、薄膜１０でヒータ（２５）より先端部のカンチレバ状に飛び出した部分に形成されており、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化をこの温度センサ２０で検出するようにした熱伝導型センサを備え、この熱伝導型センサのヒータ２５を、この温度センサ２０の温度が周囲温度に対して所定の一定温度分だけ上昇するように制御すると共に、少なくとも、そのときのヒータ２５に流す電流、ヒータ２５の印加電圧もしくはヒータ２５の供給電力を計測し、この計測出力を利用して被測定物理量を計測するようにしたことを特徴とする場合である。

上述の周囲温度の基準として基板１を利用すると便利である。また、ヒータ２５により加熱された薄膜１０は、周囲温度に対して熱伝導するので、その熱伝導は薄膜１０を基板１から支持している梁と周囲媒体により行われる。支持している梁を通した熱伝導に寄与する熱コンダクタンスは、ほぼ一定と考えられる。したがって、薄膜１０を所定の一定温度上昇に加熱するための供給電力の変動は、被測定物理量に関わる周囲媒体の熱コンダクタンスの変化と見ることができる。供給電力は電流や電圧で表示することもできるので、供給電力を直接計測しなくとも、ヒータ２５に流す電流や印加する電圧を計測しても良い。このように、本請求項は、薄膜１０を周囲温度から所定の一定温度上昇になるようにヒータ２５を制御することで被測定物理量を計測する場合である。

本発明の請求項１５に係わる熱伝導型計測装置は、ヒータ２５として半導体ダイオードを用いた場合である。

半導体ダイオードは、半導体であるので抵抗温度係数が負であり、これをヒータ２５として用い、所定の一定順方向電圧で駆動すると、温度上昇すれば、一層、接合抵抗が小さくなり、一層電流が流れるようになる。基板や周囲気体などへの熱伝導でやがて一定温度に落ち着く。しかし、周囲気体などの密度や流れなどに温度上昇は極めて敏感であるから、高感度のセンシングシステムが構築できる。例えば、熱伝導型計測装置を薄膜ピラニ型真空計として使用すると、高真空になると気体の密度が小さくなるので、気体への熱伝導が少なくなり、ヒータ２５の温度上昇が大きくなる。この温度上昇分が真空度により異なり、謂わば、熱増幅機構が働いた形で、高真空側でも高感度となる薄膜ピラニ型真空計が提供できる。

薄膜１０に形成される温度センサも半導体ダイオードにした場合には、ヒータ２５をも半導体ダイオードにすると、同一工程で一緒に形成できるので、安価な熱伝導型計測装置が提供できる。

半導体ダイオードをヒータ２５とすると電気抵抗となる接合部が極めて小さくできるので、局部発熱が可能であり、接合部を広くすると面発熱ができる。また、シリコン（Ｓｉ）で作成したときには、特に、接合部を含めて表面を熱酸化膜ＳｉＯ_２で覆うことができるので、絶縁性及び耐熱性に富むことから好適である。

本発明の請求項１６に係わる熱伝導型計測装置は、少なくとも電源回路、演算回路および制御回路を備えた場合である。電源回路は、ヒータ２５の駆動や他の回路への電源の供給に関わる回路であり、演算回路は、温度センサ２０Aや温度センサ２０Bからの出力を利用し、更にメモリ回路との組み合わせにより被測定物理量、例えば、真空度を算出するために用いることを主にした回路である。また、制御回路は、ヒータ２５の温度制御やヒータ２５のパルス駆動時の通電時間と間隔などの制御を行う回路である。

本発明の熱伝導型センサでは、ヒータ２５が備えてある薄膜１０Ａから薄膜１０Ｂをカンチレバ状に飛び出した構造にすることにより、薄膜１０Ａから薄膜１０Ｂを通して基板１に逃げる熱は、周囲気体などの周囲を取り巻く物質を通してのみ伝導することになり、例えば、この熱伝導型センサを薄膜ピラニ型真空計として実施した場合には、極めて高真空では、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとに温度差がほとんどゼロになるので、ゼロ基準法が適用できるから高精度で高感度の薄膜ピラニ型真空計が提供できるという利点がある。

本発明の熱伝導型センサでは、薄膜１０Ｂを分割された二つ以上の薄膜１０Ｂa、１０Ｂbとして、薄膜１０Ａからカンチレバ状にそれぞれ飛び出した構造にできるので、一方を物理量の検出用にし、他方を参照用に用いることができる。これらは同等な構造にすることによりすることにより、温度差検出を利用したゼロ基準法が適用できるから高精度で高感度の熱伝導型センサが提供できるという利点がある。

本発明の熱伝導型センサでは、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂまたは、薄膜１０Ａと分割したそれぞれの薄膜１０Ｂa、１０Ｂbとの温度差を検出するので、温度差だけを検出する温度センサが適用できる。特に、超小型で高感度の電流検出型熱電対が利用できるので小型で、高精度で高感度の熱伝導型センサが提供できるという利点がある。

薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとに形成されたそれぞれの温度センサ２０A、２０Bのどちらも電流検出型熱電対のような温度差センサを用いると、薄膜１０Ａの温度は、温度センサ２０Aを用いて、例えば基板１との温度差を高精度で計測できるし、薄膜１０Ｂの温度も、温度センサ２０Bを用いて、薄膜１０Ａを基準とする温度差を、周囲温度に寄らず精度よく計測することができるという利点がある。

本発明の熱伝導型計測装置では、使用している熱伝導型センサのセンシング部が、超小型の宙に浮いた薄膜であり、熱容量が小さく、低消費電力で高速応答であること、しかも物理量を温度変化として検出する温度センサがカンチレバ状薄膜に形成されているので、基板の温度の影響を直接受けないこと、しかも物理量を高速に計測できるばかりでなく、周囲温度の緩慢な変化の間に、二つ以上の短時間加熱が可能であることから、異なる二つ以上の設定温度におけるデータを利用して周囲温度の効果を消去できるという利点がある。

本発明の熱伝導型計測装置では、ヒータ２５が備えてある薄膜１０をカンチレバ状に飛び出した構造にし、そこに温度センサ２０を形成してあり、また、ヒータ２５への一定電力の供給制御を行うと、薄膜１０から周囲への熱コンダクタンスGにより薄膜１０の温度上昇分ΔTが決定されるので、特に温度センサ２０を温度差センサにして、周囲温度からの温度差に関する温度出力を利用すれば、簡単に周囲温度変化による誤差を極めて小さくさせて被測定物理量を計測する熱伝導型計測装置を提供できるという利点がある。

本発明の熱伝導型計測装置では、ヒータ２５を半導体ダイオードとし、その所定の一定順方向電流を流すことにより、ほぼ一定の電力をヒータ２５に供給したことと等価になり、単純な回路構成の熱伝導型計測装置を提供できるという利点がある。

本発明の熱伝導型計測装置では、極めて熱容量と熱コンダクタンスの小さい宙に浮いた薄膜にマイクロヒータ２５と温度センサが形成されており、ヒータ２５の抵抗温度係数（ＴＣＲ）の正であるか、または負であるか、に応じて、それぞれ、所定の一定電流を流してヒータ加熱するか、または所定の一定電圧を印加してヒータ加熱するか、することにより、高感度で高速センシングの物理量計測装置が提供できると言う利点がある。

本発明の熱伝導型計測装置では、例えば、基板１の温度を周囲温度と見做し、ヒータ２５が備えてある薄膜１０をカンチレバ状に飛び出した構造にして、そこに形成してある温度センサ２０を用いて、その温度が基板１の温度より所定の一定温度だけ温度上昇するように制御することができるので、真空度などの被測定物理量の変化に基づくヒータ２５への電力供給量、ヒータ２５に流れる電流または印加電圧などを計測することにより、被測定物理量を求めることができる。したがって、単純な回路構成になると言う利点がある。特に、温度センサ２０として、電流検出型熱電対などの温度差センサが好適である。

以下、本発明の熱伝導型センサは、成熟した半導体集積化技術とMEMS技術を用いて、シリコン（Si）基板で形成できる。このシリコン（Si）基板を用いて製作した場合の図面を参照して、実施例に基づき詳細に説明する。また、本発明の熱伝導型センサを用いた熱伝導型計測装置は、そのブロック図を用いて説明する。

図１は、本発明の熱伝導型センサの一実施例を示す平面概略図である。ここでは、基板１としてSOI基板を用いて実施した場合であり、基板１からの熱分離のために宙に浮いた構造にしてある薄膜１０は、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとに二分割した場合であり、薄膜１０Ｂが薄膜１０Ａから熱抵抗部４５を介してカンチレバ状に飛び出した構造になっている。熱抵抗部４５は、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとの間に設けたスリット４１により熱伝導がし難い構造にして、熱抵抗を持たせている。

また、ここでは、薄膜１０Ａに形成した温度センサ２０Ａと薄膜１０Ｂに形成した温度センサ２０Ｂとも、ダイオードサーミスタとしても良いし、サーモダイオードのように絶対温度に直線的な出力（順電圧の大きさ）が取出せるようにしても良い。また、一方をダイオードサーミスタ、他方をサーモダイオードのようにしても良い。ここでは高感度であるダイオードサーミスタとして利用した場合を例にする。更に、ヒータ２５もｐｎ接合ダイオードの順方向電流により薄膜１０を加熱するようにした場合である。ここで、ダイオードサーミスタとは、ｐｎ接合ダイオードに所定の順方向バイアス（例えば、０．５５Ｖ）を印加して固定したときの順方向電流の温度依存性を観測するもので、サーミスタと同様に、絶対温度の逆数と順方向電流の対数とが直線関係であり、高感度で絶対温度Ｔが計測できる温度センサである。なお、このダイオードサーミスタは、順方向バイアス電圧の大きさによりその温度係数が調整できるという特徴がある。もちろん、ヒータ２５として不純物拡散による半導体拡散抵抗や白金薄膜抵抗などを用いても良い。

薄膜１０を薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとの二分割すると共に、薄膜１０Ｂをカンチレバ状に飛び出した構造とする場合、上述の実施例では、薄膜１０に形成したスリット４１により熱抵抗部４５を形成し、薄膜１０Ａと薄膜１０Bとに熱抵抗を持たせて分割し、薄膜１０からカンチレバ状に飛び出した構造としたが、他の方法として、薄膜１０Ａと薄膜１０Bとは、宙に浮いた薄膜１０ではあるが、一枚ではなく、薄膜１０を切断するスリット４１を介して完全に分離した状態で近接配置してあり、薄膜１０Ａと薄膜１０Bのそれぞれを基板１からの梁１８を介して支持すると共に、薄膜１０Bは基板１からカンチレバ状に飛び出す構造とすることもできる。これらの方法の違いにより、薄膜１０Ａから薄膜１０Bへの熱伝達が、次のように異なると予想される。例えば、この熱伝導型センサを薄膜ピラニ型真空センサに適用すると、薄膜１０Ａに形成されているヒータ２５を熱したときに、前者では、真空中の気体とスリット４１の周囲の狭い梁部である熱抵抗部４５を通して熱伝達が行われるのに対して、後者では、ほとんど、真空中の気体を通して熱伝達が行われることになる。このように、後者は、真空度に極めて敏感な真空センサとなる。後者については、更に実施例５で詳述する。

図１に示した本発明の熱伝導型センサにおける基板１の加工の製作工程の概要を説明すると次のようである。基板１のSOI層１１がn 型を用いた場合、温度センサ２０Aと温度センサ２０B及びヒータ２５としてのｐn接合ダイオードは、公知の半導体微細加工技術によりｐ型拡散領域２２を熱拡散により形成し、さらに良好なオーム性接触を得るためにｎ型拡散領域２１を形成する。その後、アルミニウム（Ａl）系の金属のスパッタリング薄膜形成とフォトリソグラフィにより、電極６０ａ、６０ｂ、６１ａ、６１ｂ、６２ａ、６２ｂの形成、配線１１０と電極パッド７０ａ、７０ｂ、７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂの形成を行う。 更に、スリット４１、４２となるべき箇所をBOX層までエッチング除去する。次に、基板１の裏面からDRIEにより空洞４０を形成して、上記スリット４１、４２の貫通も達成させる。このようにして、宙に浮いた薄膜１０がスリット４１による熱抵抗部４５を介して二分割されて薄膜１０Ａと薄膜１０Ａからカンチレバ状にと飛び出した構造の薄膜１０Ｂが形成され、また、ヒータ２５としてのｐｎ接合ダイオードと温度センサ２０Ａとしてのｐｎ接合ダイオードとが薄膜１０Ａに形成され、ｐｎ接合ダイオードの温度センサ２０Ｂが薄膜１０Ｂに形成される。これらの薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂからなる薄膜１０は、狭い梁１８で基板１から支持された構造となっている。また、真空センサに適用した場合には、薄膜１０Ｂは、真空度に応答して放熱する領域であるので、薄膜１０Ａからカンチレバのような構造にして、基板１への熱の伝達がし難い構造にしている。

また、ここでは、薄膜１０Ａと薄膜１０Bに形成してあるそれぞれの温度センサ２０Aと温度センサ２０Bとは、ｐn接合ダイオードをサーミスタのようにして用いており、更にヒータ２５としてもｐn接合ダイオードの順方向電流により加熱するようにしている。これらは同一の工程で形成できるので、好都合である。これらの温度センサ２０Aと温度センサ２０Bとの電気的な配線は、薄膜１０Ａを支えている梁１８の上の絶縁膜であるシリコン酸化膜５１に形成した配線１１０により基板１に形成した電極パッド７１ａ、７１ｂ、７２ａ、７２ｂに導かれている。

図２は、本発明の熱伝導型センサの他の一実施例を示す平面概略図である。ここでは、上述の実施例１と同様に基板１としてSOI基板を用いて実施した場合であり、基板１からの熱分離のために宙に浮いた構造にしてある薄膜１０は、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとに二分割した場合であり、薄膜１０Ｂが薄膜１０Ａから熱抵抗部４５を介してカンチレバ状に飛び出した構造になっている。上述の実施例１との違いの主体は、熱抵抗部４５は、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとの間に設けたスリット４１により括れた構造になっており、熱伝導がし難い構造にしていること、薄膜１０Ｂに形成した温度センサ２０Ｂが、温度差のみを検出する電流検出型熱電対を使用していること、SOI基板としてｐ型のSOI層１１を使用して、不純物拡散によるｎ型ＳＯＩ層とした電流検出型熱電対の一方の熱電対導体１２０aとは、ｐｎ接合による電気的分離をしていること、などである。

電流検出型熱電対は、温度差に基づく熱起電力（ゼーベック電圧）により流れる短絡電流（短絡時のゼーベック電流）を計測するために、極めて低抵抗にする必要がある。このために、ｐ型のSOI層１１を使用して、薄膜１０Ｂの全部と、薄膜１０Ａのうち薄膜１０Ｂに近い領域の一部とに、ｎ型不純物を縮退するほど高濃度に熱拡散などで添加してｎ型拡散領域２１を形成して、熱電対の一つの導体の役割としていると共に、薄膜１０Ａに形成してあるヒータ２５や温度センサ２０Ａと電気的分離するためにｐｎ接合が形成されるようにしている。ここでは、温度センサ２０Ｂとしての電流検出型熱電対の温接点はカンチレバ上の薄膜１０Ｂの先端部に形成されたオーミック性の電極６２aであり、冷接点は薄膜１０Ａのうち薄膜１０Ｂに近く、しかも薄膜１０Ｂから連続しているｎ型拡散領域２１である。

本発明の熱伝導型センサを薄膜ピラニ型真空センサとして使用した場合の動作を説明すると次のようである。宙に浮いた薄膜１０Ａに形成されているヒータ２５で、薄膜１０Ａを加熱したとき、やはり、薄膜１０Ａに形成されている温度センサ２０Ａが、ここではダイオードサーミスタとしての絶対温度センサであるので、薄膜１０Ａの絶対温度が計測できる。ヒータ２５への矩形波パルス電流で、周囲温度よりも高い温度、例えば１００℃になるように加熱する。このとき薄膜１０Ｂに形成されている温度センサ２０Ｂの温度は、周囲気体の圧力、すなわち真空度に依存して熱が奪われるので、温度センサ２０Ａの１００℃より小さな温度となる。しかし、薄膜１０Ｂは、薄膜１０Ａからカンチレバ状に飛び出した構造であること、さらに、１００℃程度では、輻射による熱放射は極めて小さいので、高真空度の下では、温度センサ２０Ａの温度と温度センサ２０Ｂの温度とは、ほぼ等しい温度となる。すなわち、高真空度では、温度センサ２０Ａの温度と温度センサ２０Ｂの温度差は、ほぼゼロとなる。また、温度センサ２０Ｂとして、薄膜１０Ａを基準とした温度差のみ計測する電流検出型熱電対を使用しており、ゼロ基準法が適用できるので、特に高真空度において高精度に真空度が計測できる。

なお、温度センサ２０Ｂとしての電流検出型熱電対における基板1への二本の配線１１０は、薄膜１０Ａのうちの等しい温度として認められる熱抵抗部４５に近い部分から同一の金属材料を用いて分岐するようにすると良い。ここでの実施例では、電流検出型熱電対の一方の熱電導体１２０aである高濃度のｎ型拡散領域２１からオーム性接触となる電極６２ｂからの配線１１０を、他方の熱電導体１２０ｂと同一の材料であるニッケル（Ｎｉ）を用いている。Ｎｉはシリコンの異方性エッチング時に使用するヒドラジンに耐久性があること、また、ｎ型半導体と逆符号のゼーベック係数であることにより使用された。しかし、ｎ型半導体のゼーベック係数が、Ｎｉのゼーベック係数より桁違いに大きいので、ｎ型半導体のゼーベック係数と同一符号であるアルミニウム（Ａｌ）を使用してもそれほど変わらない。ヒドラジンなどの異方性エッチャントを用いずＤＲＩＥによる薄膜１０の形成では、アルミニウム（Ａｌ）を使用しても差し支えない。ＡｌはＩＣ技術では、配線材料として多く利用されているので、集積化の目的では、配線１１０をアルミニウム（Ａｌ）としても良い。

上述では、薄膜１０Ａの温度を１００℃一定に維持して、薄膜ピラニ型真空センサとして、実施する場合を述べたが、薄膜１０は、極めて熱容量が小さいので、その熱時定数が例えば、２０ミリ秒程度となる。このような薄膜１０を用いているので、ヒータ２５に流す電流も５０ミリ秒程度の矩形波パルスでも充分応答する。したがって、一般に周囲温度の変化は緩慢なので、このような短いパルス電流で周期的に薄膜１０Ａの温度を例えば、１００℃一定と８０℃一定になるような異なる二つの温度に設定して、ヒータ２５をパルス加熱駆動する。そして薄膜１０Ａがそれぞれの温度になったときの薄膜１０Ｂの温度のデータを利用して、周囲温度の効果を差し引くようにして除去することにより、周囲温度に無関係に真空度のみを測定するようにできる。温度差を求めることになるので、温度センサ２０Ｂとして、本質的に温度差のみ検出する温度差検出温度センサ、特に電流検出型熱電対が最適である。

図３は、本発明の熱伝導型センサの他の一実施例を示す平面概略図である。上述の実施例２に記述した場合の図２との大きな違いは、薄膜１０Ｂを薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂｂとに二分割してあり、同等の形状にしてある点、また、それぞれに形成した温度センサ２０Ｂaと温度センサ２０Ｂｂとは、図２と同様に電流検出型熱電対であるが、薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂｂとの温度差が直接計測できるように直列接続している点である。このようにして、薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂｂのそれぞれに形成した温度センサ２０Ｂaと温度センサ２０Ｂｂとを、種々の物理量の計測において、熱に関してゼロ基準法が適用できるようにしている。

ここには図示していないが、電流検出型熱電対である温度センサ２０Ｂaと温度センサ２０Ｂｂとは、図３のように直列接続せずに、それぞれから配線１１０を引き出し、並列接続して、これらの短絡電流がＯＰアンプとの組み合わせで互いに差し引かれるように構成をして、薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂｂとの温度差が直接計測できるようにすることもできる。

また、ここには図示していないが、本発明の熱伝導型センサを気流センサに適用する場合、基板１に形成された薄膜１０には直接接触しないように空隙を設けて、基板１を二枚の蓋でサンドイッチするように張り合わせて使用する。そして二枚の蓋に、例えば、薄膜１０Ｂaの箇所に対応する位置に、穴を開けて、被測定気流がこの穴を通して薄膜１０Ｂaにのみ当たるようにして、気流センサを構成することができる。この場合、薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂｂとの隙間に当たるスリット４２の箇所に二枚の蓋のうち少なくともどちらかから延びた隔壁で、気流の流れを一方の薄膜１０Ｂaのみに当たり、薄膜１０Ｂｂにはこの隔壁のために当たらないようにする。

図４は、本発明の熱伝導型センサの他の一実施例を示す平面概略図の部分拡大図である。本実施例４の図４において、前述の図３との大きな違いは、薄膜１０のうち、薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂｂとに二分割してある薄膜１０Ｂを中心に、薄膜１０Ａとの接合部付近を部分的に拡大してあること、薄膜１０Ａからカンチレバ状に飛び出した構造の薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂｂとを形成してあるが、これらの薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂｂの先端部の先には基板１が存在しないように、基板１の一部がエッチング除去した構造であり、文字通りカンチレバ状の薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂｂが基板１から飛び出した構造にしていること、更に、薄膜１０Ｂの一方の薄膜１０Ｂaには、被検出ガスや液体などの物質に反応して発熱や吸熱を生じる感応物質２１０を例えば薄膜状に形成し、他方の薄膜１０Ｂｂには、感応物質２１０を形成した薄膜１０Ｂaと同一の質量になるように被検出ガスや液体には反応しない物質であるバランス膜２２０を形成して、ヒートサイクルに対して被検出ガスや液体がないときにはほぼ等しい温度となり、ゼロ基準法が適用できるようにした点である。

感応物質２１０として、例えば、グルコースオキシダーゼという酵素を薄膜状に固定形成すると、これはグルコースに選択的に反応し、４０℃程度の温度の下で酸化される。このときの発熱反応を利用して、血糖値や、尿や汗などの体液からの糖の検出などに適用することができる。

感応物質２１０として、他の被検出ガスや被検出液体などに選択性のある物質を採用するとガスセンサや液体の濃度センサとして利用できる。

また、感応物質２１０やバランス膜２２０を用いなくとも、カンチレバ状の薄膜１０Ｂaと薄膜１０Ｂｂが基板１から飛び出した構造と蓋との組み合わせにより、被検出ガスや液体にカンチレバ状の一方の薄膜１０Ｂaだけを容易に晒すような構造にする事ができる。

図５は、本発明の熱伝導型センサの他の一実施例を示す平面概略図である。これは、上述の実施例２における図２に示した場合との大きな違いは、薄膜１０を薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとに二分割するに当たり、熱抵抗を持たせるためのスリット４１を拡大し、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂを完全に空間的に分離した形として熱抵抗部４５を実現したこと、薄膜１０Ｂの支持を基板１とし、カンチレバ状に基板１から飛び出した薄膜１０Ｂをスリット４２により熱抵抗部４５をここにも形成して基板１への熱伝導を困難にさせたこと、更に、基板１の絶対温度を計測するために、基板１にも絶対温度センサとしての温度センサ２０Ｃを形成したことである。温度センサ２０Ｃとして、温度センサ２０Ａやヒータ２５と同一工程で作製できるｐｎ接合ダイオードとしてある。本実施例では、薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂを完全に分離した形なので、加熱された薄膜１０Ａからの熱を周囲の気体や液体を介して薄膜１０Ｂに熱伝達されることになる。例えば、薄膜ピラニ型真空センサとして実施した場合には、高真空では、加熱された薄膜１０Ａから薄膜１０Ｂへの熱伝達がほとんど行われないので、薄膜１０Ｂの温度は基板１の温度にほぼ等しくなり、本実施例では、温度センサ２０Ｂを温度差センサ、特に、電流検出型熱電対としているので、基板１の温度を基準としたゼロ基準法が適用できる。高精度で高感度の薄膜ピラニ型真空センサが提供できる。

実施例２の図２に示す熱伝導型センサを用いて、このヒータ２５としてのｐｎ接合ダイオード２３に所定の一定電力となるように順方向印加電圧Vと順方向電流Iとを制御する場合を示す。ｐｎ接合ダイオード２３の順方向電圧が０．７V以上であれば、順方向電圧が余り変化しなくとも流れる電流は大きく変化するので、ほぼ定電流回路を用いて電流Iを制御することになる。例えば、１．０Vの順方向電圧Vを加えたときに電流I＝１００mＡ流れたとすると、消費電力Ｐは１００ｍWとなる。実験では、このP＝１００ｍWの電力供給で約200℃の温度上昇ΔTが達成された。このとき、薄膜１０の温度上昇ΔTや温度センサ２０Bが搭載されている薄膜１０Bの温度上昇ΔTは、熱伝導型センサを真空センサとして用いた場合、真空度が同一であれば、周囲温度に拘わらずそれぞれ一定であった。もちろん、被測定物理量として真空度とすれば、その真空度に応じて薄膜から周囲の真空ガスへの熱コンダクタンスGが変化するので、薄膜１０の温度が変化し、特に温度センサ２０Bが搭載されているヒータ２５から熱抵抗を有する薄膜１０Bの温度変化が大きくなる。

図２に示す熱伝導型センサでは、薄膜１０Bに形成されている温度センサ２０Bが熱電対であるので、薄膜１０Aを基準にした薄膜１０Bの温度差が検出される。したがって、温度センサ２０Bの出力は、薄膜１０Aを基準にした薄膜１０Bの温度差に関する情報である。この薄膜１０Bの薄膜１０Aとの温度差は、薄膜１０Bが薄膜１０Aからカンチレバ状に飛び出した構造であるので、極めて高真空ではゼロになる。真空度が低下すると真空中のガスへの熱伝導により熱コンダクタンスGが大きくなるので、薄膜１０Bの温度が下がり、薄膜１０Bの薄膜１０Aとの温度差は大きくなる。ヒータ２５への一定電力Pを供給しているときのこの温度差を温度センサ２０Bで計測して、この出力データを利用して、真空度に対する校正曲線を作成すれば、温度センサ２０Bの出力を利用した周囲温度に依らない真空度の計測ができる。

上述では、薄膜１０Bに形成されている温度センサ２０Bが熱電対である場合であったが、温度センサ２０Bとして図1に示すようにダイオードサーミスタを用い、絶対温度を計測しても良い。この場合、ダイオードサーミスタは、絶対温度センサであるので、ヒータ２５への一定電力Pを供給しているときの薄膜１０Bの温度上昇分ΔTが計測できない。温度上昇分ΔTを計測するために、ヒータ２５への一定電力Pを供給していないときの薄膜１０Bの温度をダイオードサーミスタである温度センサ２０Bで計測しておくと良い。真空度を計測する場合で、例えば、時々刻々真空度が変化したり、周囲温度が変化したりする場合には、ヒータ２５への一定電力Pを供給していないときの薄膜１０Bの温度計測とヒータ２５への一定電力Pを供給しているときの温度計測とを交互に、しかも真空度や周囲温度の変化が無視できる程度の短時間に温度センサ２０Bを用いて計測を終了するようにすると良い。幸い本発明の熱伝導型センサは、宙に浮いた微小の薄膜１０を用いているので、熱応答速度も10ミリ秒程度であるから好都合である。これらの温度上昇分ΔTに関するデータと真空度との関係に関する校正曲線を作成しておき、これを利用して真空度を計測すると良い。

また、上述の実施例における図1や図２に示す熱伝導型センサのヒータ２５に、一定の電力供給を行う場合には、薄膜１０の周囲への熱コンダクタンスGが一定であれば周囲温度に関係なく、温度上昇分ΔTが一定になるので、必ずしも、薄膜１０Aに形成されている温度センサ２０Aが不必要である。すなわち、図示しないが、薄膜１０Aにはヒータ２５だけを作成し、薄膜１０Bに温度センサ２０Bを形成しておくだけで良いし、更には、薄膜１０を二分割せずに、薄膜１０にヒータ２５と温度センサ２０を形成するだけでも良い。もちろん、この場合、ヒータ２５と温度センサ２０とを兼用にすることもできる。

図６には、本発明の熱伝導型計測装置のセンシングデバイスである本発明の熱伝導型センサに関して、実施例２の図２における薄膜１０Aに形成された温度センサ２０Aを、温度差センサである電流検出型熱電対とした場合を示している。冷接点としての基板１に電極７１aと電極７１ｂを形成している。温接点として薄膜１０Aにオーム性の電極６１aが形成されており、そこではニッケルやクロムなどの熱電対導体１２０bと他の熱電対導体１２０aとしての高濃度のｎ型拡散領域２１の薄膜半導体（SOI層を利用）が接合している。この電流検出型熱電対としての温度センサ２０Aの構造は、ほぼ、実施例２における電流検出型熱電対としての温度センサ２０Bと同様であるので、詳細は省略する。

薄膜ピラニ型真空センサ（ピラニ真空センサ）として適用した場合、基板１を周囲温度とほぼ等しくなるように真空チャンバなどと熱接触を良好にしておき、公知の掛け算回路を用いるなどして、ヒータ２５に所定の一定電力の供給をすると、ヒータ２５と温度センサ２０Aが形成されている薄膜１０Aの温度は、薄膜１０Aを基板１から支持している梁１８を通しての基板１への熱伝導の熱コンダクタンスGｂと真空中のガスへの熱伝導の熱コンダクタンスGaとで決まる温度上昇ΔTが定まる。熱コンダクタンスGｂは一度真空センサが製作されると構造のみによるので、既知の一定値となる。極めて高真空の場合は、熱コンダクタンスGaはゼロと考えることができるので、このときの温度上昇ΔT＝ΔT_０は一定値となる。真空度が低下するように変化したときは、温度上昇ΔT＝ΔT_０より小さな温度上昇となる。このときのΔT＝ΔT_０からの温度変化分を計測することにより真空度を校正曲線も用いて計測する。

上述の実施例７では、図６において、ヒータ２５に所定の一定電力を供給する場合であったが、本実施例は、薄膜１０Aの温度が、周囲温度から所定の一定の温度上昇分だけ昇温するように、温度差センサである電流検出型熱電対を温度センサ２０Bとして用いて、ヒータ２５を制御すると共に、このときのヒータ２５への供給電力または、ヒータ２５への供給電圧や電流である計測出力を利用して真空度などの被測定物理量を計測する場合である。温度センサ２０Bは、必ずしも温度差センサである必要がないが、温度差を検出したいので、温度差センサが好適である。なお、温度差センサとしては、サーモパイルや熱電対でも良い。また、周囲温度の基準として、薄膜１０Aが形成してある基板１が最適である。

上述の実施例では、図２や図６に示す熱伝導型センサを用いて、このヒータ２５としてのｐｎ接合ダイオード２３に所定の一定電力となるように順方向印加電圧Vと順方向電流Iとを制御したり、周囲温度から所定の一定の温度上昇分だけ昇温するように、制御する場合を示したが、ここでは、所定の一定順方向電圧を印加して、薄膜ピラニ型真空センサなどとしての熱伝導型計測装置を実現する場合を示す。ｐｎ接合ダイオード２３であるヒータ２５に、例えば、１．４０Ｖの電圧と１．２５Ｖの順方向電圧を印加すると、消費電力Ｐは、実験によると、それぞれ、１２５ｍＷと７５ｍＷになり、それぞれ１気圧中の大気中では、約１２０℃と７０℃程度になる。しかし、真空中では、ヒータ２５からの周囲気体への熱放散が少なくなるので、５℃程度の温度上昇が得られる。この温度上昇分は、高真空であればあるほど大きくなり、特に、熱放散が少なくなるので、高温になるが、最終的には薄膜１０を支持している梁１８による基板１への熱伝導により決まる。また、ｐｎ接合ダイオード２３であるヒータ２５が負の抵抗温度係数（ＴＣＲ）を有しているので、それぞれ一定の電圧である１．４０Ｖの電圧と１．２５Ｖの順方向電圧を保持すると、高真空である程高温になり、それだけヒータ電流が多く流れて、更に高温になると言う熱増幅作用が生じる。しかし、やはり周囲温度（ほとんど基板１の温度）との温度差が大きくなるので、ある程度の温度上昇で落ち着く。この温度上昇分は、高真空ほど大きく、真空度に依存するので、特に、感度が小さくなってしまう高真空側での感度の増大が期待できる。もちろん、この温度上昇分は、温度センサ２０や温度センサ２０Ｂで計測する。

ヒータ２５に、それぞれ一定の電圧である二つの異なる電圧、１．４０Ｖの電圧と１．２５Ｖの順方向電圧を、例えば、矩形パルスで印加し、その保持時間を薄膜１０の熱時定数より大きくしておき、更に、これらの二つの異なる電圧を印加する時間間隔を周囲温度の変化が無視できる程度に短くする。そして、これらの出力の差を求めれば、周囲温度の効果を差し引き、除去することができるので、このときの真空度などの物理情報を周囲温度に無関係に得ることができる。この場合、一定温度になるように温度制御をしなくて済むので、ＳＮの大きい計測ができる。

上述の実施例では、本発明の熱伝導型センサの薄膜１０を薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとに分割してある場合を例にしたが、ヒータへの電力供給を一定にしたり、所定の一定電圧や一定電流を供給して加熱した場合は、必ずしも、薄膜１０を分割せずに、カンチレバの先端付近に温度センサ２０を１個形成し、ヒータ２５の温度を専用に計測するための温度センサ（上述では、温度センサＡ）は、必ずしも必要としない。すなわち、薄膜１０には、１個のヒータ２５と１個の温度センサ２０だけで済む。

また、上述では、本発明の熱伝導型センサの薄膜１０を薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂとに分割してある場合、ヒータ２５と温度センサＡとの配置において、温度センサＡと温度センサＢとが接近してあり、ヒータ２５が温度センサＢから離れている場合の実施例の図面にしてある。しかし、ここでは図示しないが、ヒータ２５と温度センサＡとの位置関係が逆の配置、すなわち、ヒータ２５が温度センサＢに近い方に配置する形でも良い。この方が、むしろ、カンチレバの部分に形成してある温度センサＢの根元の温度がヒータ２５により固定されやすいので、周囲温度の補正において有利であることが多い。

図７には、本発明の熱伝導型計測装置のブロック概略図を示している。適用目的により異なるが、そこには、少なくとも、上述の本発明の熱伝導型センサや他の回路に電力を供給するための電源回路、熱伝導型センサからの出力を利用して真空度などの物理量を求める演算回路、熱伝導型センサの駆動のための制御回路を有しており、ここでは、更に、真空度などの物理量を表示する表示部も備えた場合を示している。

長時間ヒータ２５を加熱しているとシリコンの基板１やここには図示しないが、基板１をサンドイッチにして接合する二枚の蓋（必要に応じて通気用の多くのスリットを形成しておく）も加熱されて温度上昇してしまい測定に誤差が生じやすいこと、低消費電力化のためにも、薄膜１０の熱時定数程度の短い時間のヒータ加熱となるように、矩形波パルス電流によるヒータ加熱の駆動にした方が良い。

薄膜ピラニ型真空計に適用した場合には、本発明の熱伝導型センサを用いて、薄膜１０Ａの温度が１００℃と８０℃に交互になるように、ヒータ２５を５０ミリ秒程度ごとにパルス加熱して、温度センサ２０Ａで温度計測して、また、そこに形成してあるヒータ２５を駆動するようにフィードバック制御するとよい。この制御は従来の公知の方法で容易に達成できる。これらの薄膜１０Ａの温度１００℃と８０℃に対応するそれぞれの薄膜１０Ｂの温度を計測する。薄膜１０Ａと薄膜１０Ｂの温度差の計測や、異なる時間での薄膜１０Ｂの温度差の計測（温度センサ２０Ｂの出力を、ピークホールド回路などを利用して計測する）によるデータを利用して周囲温度の影響を除去することができる。なお、熱伝導型センサの温度センサ２０Ｂとして、温度差のみ検出する電流検出型熱電対が好適である。

本発明の熱伝導型センサとこれを用いた熱伝導型計測装置は、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうる。

本発明の熱伝導型センサは、気体や液体の流量、流速、特定物質の濃度、真空度、更に放射線や赤外線量などの物理量を、温度変化として高感度で、しかも高精度で計測するための熱型センサである。例えば、本発明の熱伝導型センサを薄膜ピラニ型真空センサに適用した場合、カンチレバ状の宙に浮いた薄膜に温度差のみを高感度で、しかも高精度で検出する、超小型の電流検出型熱電対が使用できるので、極めて広帯域、特に高真空側に測定域を延ばした真空センサとして利用できる。更に、ゼロ基準測定法により極めて微小な温度差を検出できるので、微量の特定ガスなどの濃度や微流量計測に適する。また、本発明の熱伝導型センサを搭載した熱伝導型計測装置は、制御系を含み、例えば、真空計や流速計などに好適である。

本発明の熱伝導型センサの一実施例を示す平面概略図である。（実施例１、実施例６、実施例９） 本発明の熱伝導型センサの他の一実施例を示す平面概略図である。（実施例２、実施例６、実施例９） 本発明の熱伝導型センサの他の一実施例を示す平面概略図である。（実施例３、実施例９） 本発明の熱伝導型センサの他の一実施例を示す平面概略図の部分拡大図である。（実施例４） 本発明の熱伝導型センサの他の一実施例を示す平面概略図である。（実施例５） 本発明の熱伝導型計測装置に用いる熱伝導型センサの他の一実施例を示す平面概略図である。（実施例７、実施例８、実施例９） 本発明の熱伝導型計測装置のブロック概略図を示している。（実施例１０）

符号の説明

１ 基板
１０、１０A、１０B 薄膜
１１ ＳＯＩ層
１８ 梁
２０、２０A、２０B、２０Ｃ 温度センサ
２１ ｎ型拡散領域
２２ ｐ型拡散領域
２３ ｐｎ接合ダイオード
２５ ヒータ
４０ 空洞
４１、４２ スリット
４５ 熱抵抗部
５１ シリコン酸化膜
６０ａ、６０ｂ 電極
６１ａ、６１ｂ 電極
６２ａ、６２ｂ 電極
６３ａ、６３ｂ 電極
７０ａ、７０ｂ 電極パッド
７１ａ、７１ｂ 電極パッド
７２ａ、７２ｂ 電極パッド
７３ａ、７３ｂ 電極パッド
１１０ 配線
１２０a, １２０b 熱電対導体
２１０ 感応物質
２２０ バランス膜

Claims (16)

1. 基板（１）から熱分離した薄膜（１０）が薄膜（１０Ａ）と薄膜（１０Ｂ）とに分割され、互いに熱抵抗を有するように熱抵抗部（４５）を設けた構造であり、一方の薄膜（１０Ａ）にはヒータ（２５）と温度センサ（２０Ａ）とが備えてあり、他方の薄膜（１０Ｂ）には温度センサ（２０Ｂ）が備えてある、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出する熱伝導型センサにおいて、薄膜（１０Ｂ）は、薄膜（１０Ａ）から熱抵抗（４５）を介してカンチレバ状に飛び出した構造であるか、もしくは、薄膜（１０Ｂ）は、薄膜（１０Ａ）と完全に空間的に分離した形として熱抵抗部（４５）を実現するとともに基板（１）から熱抵抗（４５）を介してカンチレバ状に飛び出した構造であること、更に、薄膜（１０Ｂ）は、加熱された薄膜（１０Ａ）から熱を受け取り加熱される構造であることを特徴とする熱伝導型センサ。
2. 薄膜（１０Ｂ）は、分割された二つ以上の薄膜（１０Ｂa、１０Ｂb）から成り、それぞれの薄膜（１０Ｂa、１０Ｂb）には、少なくとも一つの温度センサ（２０Ｂa、２０Ｂb）をそれぞれ備えている請求項１記載の熱伝導型センサ。
3. 二つ以上の薄膜（１０Ｂa、１０Ｂb）は、被測定物理量を除く物理量に対して同等になるように構成してある請求項２記載の熱伝導型センサ。
4. 二つ以上の薄膜（１０Ｂa、１０Ｂb）間の温度差が、それぞれに形成してある温度センサ（２０Ｂa、２０Ｂb）を用いて測定できるように構成した請求項２または３のいずれかに記載の熱伝導型センサ。
5. 薄膜（１０Ａ）と薄膜（１０Ｂ、１０Ｂa、１０Ｂb）との温度差をそれぞれに形成した温度センサ（２０Ａ）と温度センサ（２０Ｂ、２０Ｂa、２０Ｂb）とを用いて検出するようにした請求項１から４のいずれかに記載の熱伝導型センサ。
6. 所定の場所を基準として、その場所と温度センサ（２０Ｂ、２０Ｂa、２０Ｂb）が形成されている薄膜（１０Ｂ、１０Ｂa、１０Ｂb）との温度差を、温度差検出型温度センサとして動作する温度センサ（２０Ｂ、２０Ｂa、２０Ｂb）で検出するようにした請求項１から５のいずれかに記載の熱伝導型センサ。
7. 温度差検出型温度センサとして電流検出型熱電対とした請求項６記載の熱伝導型センサ。
8. 請求項1から７のいずれかに記載の熱伝導型センサを備え、その熱伝導型センサの薄膜（１０Ａ）の温度を所定の温度になるように、ヒータ（２５）と温度センサ（２０Ａ）との組合せにより制御すると共に、少なくとも温度センサ（２０Ｂ）の出力を利用して、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出して被測定物理量を計測するようにしたことを特徴とする熱伝導型計測装置。
9. 薄膜（１０Ａ）の温度を、少なくとも異なる所定の二つの温度になるように、周囲温度の変化が無視できる程度の短時間に制御して、薄膜（１０Ａ）の上記の異なる二つの温度での温度センサ（２０Ａ）の出力とそれぞれに対応する温度センサ（２０Ｂ）の出力を利用して、周囲温度の効果を打ち消すようにした請求項８記載の熱伝導型計測装置。
10. 基板（１）から熱分離した薄膜（１０）には、ヒータ（２５）と温度センサ（２０）とが備えてあり、該温度センサ（２０）は、薄膜（１０）でヒータ（２５）より先端部のカンチレバ状に飛び出した部分に形成されてあり、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出するようにした熱伝導型センサを備え、該熱伝導型センサのヒータ（２５）を加熱するのに所定の一定の電力を供給するように制御すると共に、少なくとも温度センサ（２０）の出力を利用して、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出して被測定物理量を計測するようにしたことを特徴とする熱伝導型計測装置。
11. 基板（１）から熱分離した薄膜（１０）には、ヒータ（２５）と温度センサ（２０）とが備えてあり、該温度センサ（２０）は、薄膜（１０）でヒータ（２５）より先端部のカンチレバ状に飛び出した部分に形成されており、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出するようにした熱伝導型センサを備え、該熱伝導型センサのヒータ（２５）を加熱するのに所定の一定の電流を流すように制御すると共に、少なくとも温度センサ（２０）の出力を利用して、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出して被測定物理量を計測するようにしたことを特徴とする熱伝導型計測装置。
12. 基板（１）から熱分離した薄膜（１０）には、ヒータ（２５）と温度センサ（２０）とが備えてあり、該温度センサ（２０）は、薄膜（１０）でヒータ（２５）より先端部のカンチレバ状に飛び出した部分に形成されており、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出するようにした熱伝導型センサを備え、該熱伝導型センサのヒータ（２５）を加熱するのに所定の一定の電圧を印加するように制御すると共に、少なくとも温度センサ（２０）の出力を利用して、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化を検出して被測定物理量を計測するようにしたことを特徴とする熱伝導型計測装置。
13. ヒータ（２５）に少なくとも所定の異なる二つの電圧を周囲温度の変化が無視できる程度の短時間に印加し、薄膜（１０）のこれらの異なる二つの電圧印加での温度センサ（２０）の出力を利用して、周囲温度の効果を打ち消すようにした請求項１２記載の熱伝導型計測装置。
14. 基板１から熱分離した薄膜（１０）には、ヒータ（２５）と温度センサ（２０）とが備えてあり、この温度センサ（２０）は、薄膜（１０）でヒータ（２５）より先端部のカンチレバ状に飛び出した部分に形成されており、周囲媒体への熱伝導に基づく温度変化をこの温度センサ（２０）で検出するようにした熱伝導型センサを備え、この熱伝導型センサのヒータ（２５）を、この温度センサ（２０）の温度が周囲温度に対して所定の一定温度分だけ上昇するように制御すると共に、少なくとも、そのときのヒータ（２５）に流す電流、ヒータ（２５）の印加電圧もしくはヒータ（２５）の供給電力を計測し、この計測出力を利用して被測定物理量を計測するようにしたことを特徴とする熱伝導型計測装置。
15. ヒータ（２５）として半導体ダイオードを用いた請求項８から１４のいずれかに記載の熱伝導型計測装置。
16. 少なくとも電源回路、演算回路および制御回路を備えた請求項８から１５のいずれかに記載の熱伝導型計測装置。

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