JP5067648B2 - 加熱ダイオード温度測定装置とこれを用いた赤外線温度測定装置および流量測定装置ならびに流量センシング部の製作方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体のダイオード２に順方向電圧を印加して発熱させ、ヒータとして動作させると共に、同時に温度センサとしても動作できるようにする場合や、ダイオード２をヒータとして動作と温度センサとしての動作を時間的に分けて動作できるようにした加熱ダイオード温度測定装置と、これを用いて熱型の赤外線温度測定装置や、気体や液体のフローセンサとして利用する流量測定装置に応用し、更に流量測定装置の要となる流量センシング部の製作方法を提供するものである。本発明の加熱ダイオード温度測定装置は、真空センサや湿度センサ、熱分析用の温度センサや気体中の微量成分を熱伝導型として検出するセンサ、更に気体や液体の流量などを計測する装置に応用できるものである。

本出願人は、先に特許３３６６５９０号「温度測定装置、熱型赤外線イメージセンサ及び温度測定方法」を発明し、トランジスタをサーミスタとして取り扱うことが出来ることを示した。更に特開２００２−２９６１２１号「温度測定装置」を発明し、トランジスタのコレクタ損失を利用して発熱させ、さらにトランジスタを絶対温度センサとして利用できること、更に、フローセンサなどにも利用できることを示した。

また、本出願人は、先に特許３５８３７０４号「温度測定装置、熱型赤外線イメージセンサ及び温度測定方法」を発明し、ｐｎ接合などの半導体ダイオードも、上述のトランジスタと同様にサーミスタのように動作させることができること、さらに、成熟した半導体技術が利用できるので、安価で、極めて高感度しかも経時変化が無視できる温度センサと熱型の赤外線センサが提供できることを示した。
特許３３６６５９０号公報 特開２００２−２９６１２１号公報 特許３５８３７０４号公報

上述のトランジスタのコレクタ損失を利用して発熱させた場合には、コレクタ抵抗が大きく、そこを流れるコレクタ電流によるコレクタ損失は大きく、発熱しやすいという利点があるが、基板から熱分離した半導体薄膜に形成したバイポーラトランジスタは、接合が2つあり寸法が大きくなり、厚みが大きくなるので、熱容量も大きくなり時定数が大きく、高速応答は困難になること、更に、その分、同一の温度に加熱するには、消費電力も大きくなるということがはっきりしてきた。さらに、3端子であるからダイオードの2端子に比べて小型化が困難である。

本発明は、経時変化が無視でき、しかも高感度、高速応答、かつ信頼性及び測定精度が高い計測できると共に、トランジスタのコレクタ損失を用いたヒータ兼温度センサよりも小型となり、更に低消費電力化が達成でき、絶対温度を計測できる温度センサを提供すること、更に、これを用いた小型の赤外線温度測定装置と流量計測装置および流量のセンシング部の製作方法を提供することを目的としている。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係わる加熱ダイオード温度測定装置は、基板から熱分離した半導体のダイオード（２）に順方向電圧を印加して、ヒータとしての動作と温度センサとしての動作が同時にできるようにすること、半導体のダイオード（２）をヒータとしての動作と温度センサとしての動作を時分割で行う場合は、半導体のダイオード（２）に、それぞれの動作に必要な所定の電圧供給をスイッチにより切り替えて行うようにしたことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に係わる加熱ダイオード温度測定装置は、ダイオード２としてｐｎ接合もしくはショットキ接合を用いた場合である。

ダイオード２が、例えば、シリコンのｐｎ接合ダイオードである場合は、順方向電圧Ｖｆに対して、順方向ダイオード電流Ｉｆは、指数関数的に増大するので、室温ではＶｆ＝０．６０Ｖで1μＡ程度しか流れていない電流が、Ｖｆ＝０．７０ＶではＩｆ＝１ｍＡ程度まで急に電流が流れ始める。消費電力はそのときの順方向電圧Ｖｆと順方向電流Ｉｆとの積で表され、これがダイオードのｐｎ接合部に発生するので、このｐｎ接合部がこの消費電力で加熱されることになる。このようにｐｎ接合ダイオードの順方向電圧印加でも、熱容量や熱伝導が小さい場合には、ヒータとして利用できることが分かる。例えば、Ｖｆ＝０．７Ｖで、Ｉｆ＝１ｍＡは、０．７ｍＷの消費電力で、これは宙に浮いた薄膜に形成したｐｎ接合ダイオードでは、薄膜の熱コンダクタンスＧの大きさによるが、時には１０℃程度の温度上昇、すなわち、ヒータとして動作する。もちろん、順方向電圧Ｖｆが１．５Ｖにもなると、室温から１００℃程度にも達するようにすることもできることが実験から判明した。

シリコンのｐｎ接合ダイオードの場合は１２０℃以下ならば、特許３５８３７０４号「温度測定装置、熱型赤外線イメージセンサ及び温度測定方法」で述べているように、ｐｎ接合ダイオードの順方向バイアス電圧Ｖｆを印加してそれを固定したときの順方向電流Ｉｆの温度依存性からｐｎ接合部の温度を知ることができる。ｐｎ接合ダイオードの順方向電流Ｉｆの温度依存性が丁度、サーミスタに一定の電圧を印加したときの流れる電流と同一の指数関数的な温度依存性を持つことからダイオードサーミスタと呼んでいる。温度が大きくなると指数関数的に電流が増大するから、逆に、電流を計測することにより、そのときの絶対温度Ｔを計測することができる。

上述のようにして、半導体の接合をもつダイオード２に順方向電流を流し、ジュール加熱して、ヒータとして動作させると共に、時分割などで高速かつ短時間に切り替えて適当な順方向バイアス電圧を印加して、今度は、ダイオードサーミスタとしての温度センサとして動作させて、ダイオード２またはこのダイオード２が形成されている場所の温度を計測するようにすることができる。もちろん、加熱温度が、例えば、１０℃程度ならば、時分割によらず、順方向電流によるジュール加熱をしながら、そのままの順方向の印加電圧Ｖ_ｆで温度を計測することもできる。また、ダイオード２をヒータとしてのみ利用して、その温度の影響をダイオード２に近接して配置したダイオードなどの温度センサ（個別温度センサ）を用いて温度計測しても良い。

また、本発明の請求項３に係わる加熱ダイオード温度測定装置は、ダイオード２が真性領域で動作するような温度で使用するときに、そのダイオード２に逆方向バイアスを印加して、そのときの逆方向電流から温度を知るようにした場合である。シリコンのｐｎ接合ダイオードの場合は、半導体が１５０℃以上になると、価電子帯から伝導帯に熱励起による電子のバンド間遷移が主体となり、真性領域になる。このような場合には、半導体の接合に逆方向バイアス電圧を例えば、１Ｖ程度印加し、そのときの逆方向電流（ｐｎ接合ダイオードの場合は、飽和電流となり、逆方向電圧が０．５Ｖでも１Ｖでも、電流値はほとんど変わらない）の値やその変化から温度や温度変化を計測できるので、ヒータとして利用する場合は、必要な順方向バイアス電圧Ｖｆを印加して、ダイオードを加熱し、その後、例えば、時分割により、高速に逆方向バイアス電圧を１Ｖ程度印加して、そのときの逆方向電流値から温度を計測する。特に、湿潤空気の熱伝導度の違いから含有水蒸気量、すなわち絶対湿度を計測するときや、気体の熱伝導度から含有ガス成分を検出するときに有効である。

また、本発明の請求項４に係わる加熱ダイオード温度測定装置は、ダイオード２を基板１から熱分離した半導体薄膜１５に形成した場合である。ダイオード２を基板１から熱分離するには、基板１上の犠牲層エッチにより、宙に浮いた構造の半導体薄膜１５を形成しても良いし、基板１の一部を異方性エッチし、基板１に直に堆積形成していた薄膜を宙に浮いた構造の半導体薄膜１５としてもよい。また、やはり基板１の一部（例えば、下地基板）を異方性エッチして基板の一部としての半導体薄膜１５（例えば、ＳＯＩ層）を宙に浮いた構造にすることも出来る。このようにして基板１から熱分離した半導体薄膜１５は、熱容量が極めて小さく、かつ熱伝導度が極めて小さくなるので、低消費電力で高速で高温に温度上昇できるから、乾電池駆動で長時間の動作が可能となる。ダイオード２は、上述のような宙に浮いた構造の半導体薄膜１５に形成されているので、ダイオード２に順方向バイアス電圧を印加すると容易にヒータとして発熱させることができる。

宙に浮いた構造の半導体薄膜１５の熱時定数は、半導体薄膜１５の熱容量と熱コンダクタンスによりほぼ定まる。半導体薄膜１５に形成したヒータへの電力供給が半導体薄膜１５の熱時定数に比べて、十分短時間だけ中断した場合には、その中断期間中の温度の低下が小さい。ダイオード２をヒータ兼温度センサとして利用した場合には、この中断期間中に今度はダイオード２をヒータの代わりに温度センサとして動作させて（時分割で動作させる）、ほぼ、半導体薄膜１５の平均的な温度として計測することが出来る（実際はダイオード２の接合部の温度を計測することにはなる）。また、流す順方向電流が少なく、発熱がそれほど大きくないならば、ダイオード２を時分割で温度センサとして動作させる必要はなく、ダイオード２をヒータとして動作させている間に、同時に温度センサとしても動作させることが出来る。

ダイオード２を温度センサとして動作させるのに、流す電流を一定にさせてそのときの順電圧の温度依存性から温度を検出しても良いし、または、順電圧を一定に固定させて、そのときの順方向電流の温度依存性から温度を検出（ダイオードサーミスタ）しても良い。真性領域のような温度が高い場合には、上述のように逆方向印加電圧で、温度を計測した方が良い。

本発明の請求項５に係わる赤外線温度測定装置は、請求項１から４のいずれかに記載の加熱ダイオード温度測定装置のダイオード２を半導体薄膜１５に形成してあり、この半導体薄膜１５を赤外線の受光部としたものである。半導体薄膜１５は、宙に浮いた構造で基板１から熱分離しているので、熱容量と熱コンダクタンスとも小さくなり、高速応答で高感度の熱型の赤外線センサとしてのボロメータが達成できる。

半導体薄膜１５に形成したダイオード２、例えば、ｐｎ接合ダイオードに順方向電流を流せばジュール熱が発生し、ダイオード２は加熱される。上述したように、ダイオード２に順バイアスを印加すると、その分、ダイオードサーミスタとしてのＢ定数が小さくなり、一見、温度感度は小さくなる。しかし、電流が大きく流れるので、その分、演算増幅器（ＯＰアンプ）などを用い、その帰還抵抗に流すと外部に取り出す電圧または電力が大きくなり、Ｓ／Ｎが大きくなるので、大きな増幅が可能となり、結局、総合的に見ると感度を大きくすることが出来ることになる。

従来、熱型の赤外線温度センサ（ボロメータ）は、被測定物（ターゲット）の温度を検出するのに、熱型の赤外線温度センサの自己発熱を可能な限り抑えるように、そこでの消費電力を小さくさせるように駆動してきた。すなわち、サーミスタボロメータでは、可能な限り自己発熱がないように流す電流を抑えるようにしてきた。これに対し、本願発明者は、このことについてよく検討した結果、次のように結論に達した。加熱した熱型の赤外線温度センサの温度は、例えば、ターゲット以上の温度になったとしても、周囲温度よりも赤外線温度センサの温度が大きいので、周囲への放射があり、更に窓を通してのターゲットへの熱放射がある。ターゲットの温度が高いとその分、ターゲットへの放射が少なくなるから加熱させている赤外線温度センサの温度が高くなる。逆にターゲットの温度が低いとその分、加熱させている赤外線温度センサの温度が低くなる。このようにターゲットへの温度のフィードバックがあり、さらに上述のようにＳ／Ｎが大きくなるので、むしろ、温度検出部を加熱したダイオード２では、それ自体の連流の大きさによる感度の変化があり、その電流の大きさの程度はあるが、積極的に電流を大きくして加熱した方が高感度にターゲットの温度の計測できる領域があることになるということである。

本発明の請求項６に係わる流量測定装置は、加熱ダイオード温度測定装置を流量測定装置に応用した場合である。加熱ダイオード温度測定装置のダイオード２を流路に設け、更に基板１とダイオード２とも熱分離した個別温度センサをダイオード２の上流側、下流側、または上流側と下流側の両方における流路に設けてあり、上流側と下流側の少なくとも一方の個別温度センサからのダイオード２の温度変化に基づく被測定流体の温度に関する情報を利用して流路の被測定流体の流量や流速を計測できるようにしたものである。なお、ダイオード２からの温度や加熱タイミングなどの情報を入れると更に高感度で高精度の計測が可能となる。

本発明の請求項７に係わる製作方法は、請求項６の加熱ダイオード温度測定装置を用いた流量測定装置における流量センシング部の製作方法に関するものである。第1の基板１の同一側の表面付近に、ダイオード２と、ダイオード２の上流側、下流側、または上流側と下流側の両方に、ダイオード２から所定の間隔を空けた状態で個別温度センサを形成するセンサ形成工程、ダイオード２を含む領域と個別温度センサを含む領域とをそれぞれ島状に残すように第1の基板（１）を溝で囲むエッチング工程、第１の基板１のうちダイオード２と上記個別温度センサとが形成されている面を第2の基板に接着させる接着工程、第２の基板に接着させた第1の基板１の裏面を少なくとも上記溝が露出するまで研磨して、ダイオード２を含む領域と個別温度センサを含む領域とが、島状に残された状態で第１の基板１から分離するようにする研磨工程、熱絶縁性の第３の基板に少なくとも島状のダイオード２を含む領域と個別温度センサを含む領域との一部または全部を接合する接合工程、第１の基板１と第２の基板とを分離する分離工程、および流路を閉じ込めるための蓋をするカバーリング工程とを含むようにした製作方法である。

個別温度センサを含む領域の温度センサ部は、ダイオード２と同一工程で同一の大きさと構造にすることも出来る。島状のダイオード２を含む領域と個別温度センサを含む領域とが熱絶縁性の第３の基板に接合する際に、全面に渡り接着接合しないように、第３の基板に凹部を形成しておき、この凹部のために島状の領域のダイオード２（発熱部）や個別温度センサを含む領域の温度センサ部が宙に浮く状態で、接合することも出来る。

第２の基板に接着させた第1の基板１の裏面を少なくとも上述の溝が露出するまで研磨する研磨工程は、研磨材で研磨するばかりでなく、異方性エッチングや等方性エッチングにより、化学的に研磨しても良い。

本発明の加熱ダイオード温度測定装置は、2端子である半導体の接合を用いたダイオード２に順方向電圧を印加して発熱させるヒータとして用いると共に、このダイオード２を温度センサとしても用いるので、小型であり、ヒータとしては低消費電力であり、温度センサとしては高感度のセンサが提供できるという利点がある。

本発明の加熱ダイオード温度測定装置は、半導体の成熟した技術で製作が容易で安定な接合であるｐｎ接合もしくはショットキ接合をダイオード２として用いるので、画一的な特性が得られ、長寿命となるという利点がある。

本発明の加熱ダイオード温度測定装置は、ダイオード２を加熱して真性領域で動作するような温度、例えば、シリコンのｐｎ接合ダイオードでは、１５０℃から５００℃程度の温度で使用する時には、そのダイオード２に例えば、０．５Ｖから１Ｖ程度の小さな逆方向バイアスを印加すればよく、しかも高速に温度を計測することができるという利点がある。

本発明の加熱ダイオード温度測定装置は、ダイオード２を基板から熱分離した半導体薄膜１５に形成できるので、加熱に際して低消費電力、高速で、しかも周囲の気体や液体との接触する表面積が大きいから、これらとの相互作用が大きいという利点がある。

本発明の赤外線温度測定装置は、加熱ダイオード温度測定装置の半導体薄膜１５を赤外線の受光部として用いると、高感度、高速応答であり、小型で安価な熱型の温度測定装置が提供できるという利点がある。

本発明の流量測定装置は、高感度で小型の加熱ダイオード温度測定装置を用いているので、液体や気体の流速、流量の計測、さらに超小型の流量センシング部にすることができるから、流速や流量の分布も計測できるという利点がある。

本発明の流量測定装置の流量センシング部の製作方法は、ＭＥＭＳ技術による加熱ダイオード温度測定装置の流量センシング部（ダイオード２を含む領域と個別温度センサを含む領域）を形成するに当たり、この流量センシング部が形成される半導体の基板が半導体ウエーハの状態で取扱が可能であり、更に、流量センシング部が、基板から全く熱的にも、空間的にも島状に分離し、熱伝導率の極めて小さいプラスチックなどの第3の基板に接合できるので、一般に半導体基板は熱伝導率が良く、ダイオード２のヒータの熱が基板を介して個別温度センサに熱伝導して、被測定流体の熱伝導以外の熱のため、微流量の計測が困難になるという問題が解消され、更にプラスチックには流路も形成できるなど安価なセンサが製作できるという利点がある。

プラスチックなどの熱絶縁性の第3の基板に接合するときに、第3の基板に凹部などを形成しておき、島状に形成されたダイオード２を含む領域と個別温度センサを含む領域とが、この凹部に架ける橋のように、各領域の端部のみを接合すると、ダイオード２や個別温度センサが凹部のところで宙に浮く構造になるので、断熱性が高まる。このような流量センシング部構造を用いた流量測定装置は、気体の流量計測には適するが、液体の場合には、微流量計測の場合を除き破損の恐れがあり、大流量の液体計測の場合には、島状に形成されたダイオード２を含む領域および、同様に島状に形成された個別温度センサのそれぞれの全面を熱絶縁性の第3の基板に接着接合しても良い。

ＳＯＩ基板は現在、一般の単結晶シリコン基板に対して１０倍ほど高価であるので、一般の単結晶シリコン基板を使用したい。本発明の流量測定装置の流量センシング部の製作方法では、必ずしもＳＯＩ基板を使用する必要がない。単結晶シリコン基板の（100）面に形成してある溝は、例えば、異方性エッチにより形成してあるとＶ型にすることができる。そして、その深さは、溝の形成時の幅によりほぼ決定され、エッチング時間に寄らずほぼ一定に保つことができる。このことを利用して、第1の基板１である単結晶シリコン基板の裏側からこの溝が露出するまで研磨またはエッチングすると、そこに形成されているダイオード２を含む領域と個別温度センサを含む領域の半導体薄膜の厚みを容易に制御することができる。従って、安価な流量センシング部を形成することができるという利点がある。

加熱ダイオード温度測定装置の半導体基板１としてｐ型のシリコン単結晶であるＳＯＩ基板を用い、このＳＯＩ層にｎ型不純物を熱拡散してｐｎ接合のダイオード２を形成する。ＳＯＩ基板の下地基板の一部を異方性エッチなどにより除去し空洞を形成して、このダイオード２が形成されているＳＯＩ層である薄膜の領域を残すようにして、基板１から熱分離した宙に浮いた構造の半導体薄膜１５を形成する。従って、この半導体薄膜１５には、ｐｎ接合のダイオード２が形成されており、順方向にバイアス電圧を印加するとジュール熱のためダイオード２が加熱され、ヒータとして利用することが出来る。また、順方向にバイアス電圧を印加した場合には、ダイオード２をサーミスタとして考えるとその温度感度であるＢ定数が、そのバイアス電圧により調整できるので、１５０℃以下の温度（シリコン半導体を用いた場合）では、温度センサとして利用することが出来る。また、１５０℃程度以上のシリコンの真性領域となる温度では、逆方向のバイアス電圧、例えば、-１Ｖ程度を印加し、そのときの逆方向飽和電流の大きさからダイオード２の温度を計測することが出来る。ダイオード２をヒータとして動作させている間で、半導体薄膜１５の熱時定数に比べて遥かに小さな時間の間に、温度センサとして動作させることにより、ヒータ動作と温度センサ動作をほぼ同時に達成させることが出来る。もちろん、ヒータとしての加熱温度上昇が余り大きくないときには、ヒータとして動作させていながら（同時に）温度センサとしても動作させることが出来る。このようにして、加熱ダイオード温度測定装置が構成できる。

宙に浮いた構造の半導体薄膜１５に、赤外線を吸収する薄膜を形成しておくと、赤外線を吸収して半導体薄膜１５が温度上昇する。半導体薄膜１５は、そこに形成してあるダイオード２に順方向電流を流しているので、ジュール熱が発生し、ヒータにもなっている。また、このダイオード２は温度センサとしても動作しているので、半導体薄膜１５の平均的な温度（実際は、ダイオード２の接合温度）を計測している。ヒータとしてのジュール熱に加えて、赤外線の吸収により、さらに温度上昇するので、その温度上昇分から入射した赤外線量を計測できるし、このデータから赤外線の光源（ターゲット）の温度も知ることが出来る。このようにして、熱型の赤外線温度測定装置が提供できる。ここでは赤外線と表現したが、もちろん、吸収できるならば放射線でもよく、可視光線でもテラヘルツ波などでも良い。

ＳＯＩ基板は一般に高価であるので、加熱ダイオード温度測定装置の半導体の第1の基板１として一般の単結晶シリコンウエーハを使用して、下記の概要のような工程で流量測定装置の流量センシング部を形成する。先ず、例えば、ｐ型のシリコン単結晶基板である第1の基板１にｎ型の不純物を熱拡散してｐｎ接合ダイオード２や個別温度センサとなるｐｎ接合ダイオードを、このヒータ兼温度センサとしてのｐｎ接合ダイオード２を挟むように上流および下流側に空間的に離して形成する（センサ形成工程）。ダイオード２や２個の個別温度センサのそれぞれの電極パッドも含めた領域が、この後の工程で島状に残るように異方性エッチングにより断面がＶ字型になるような溝で取り囲んでおく（エッチング工程）。第２の基板として、再利用可能で安定な、例えばアルミナ基板を用い、有機溶剤で溶解しやすいように、ワックスなどで第1の基板１のダイオード２や２個の個別温度センサが形成されている面と第２の基板を接着する（接着工程）。そして、第1の基板１の裏面を溝が露出するまで、研磨材で研磨する（研磨工程）。その後、第３の基板としてプラスチックであり熱絶縁性で耐久性のあるたとえば、ポリカーボネートの板を使用し、例えば、エポキシ樹脂で第１の基板１のｐｎ接合ダイオード２や個別温度センサとなるｐｎ接合ダイオードを含む領域を第３の基板に接合する（接合工程）。このとき、流体の慣性が大きい液体の流量を計測するためには、ｐｎ接合ダイオード２や個別温度センサとなるｐｎ接合ダイオードを含む領域の全面をエポキシ樹脂で接着しておく。気体の流量を計測するためには、ポリカーボネートの板に凹部を形成しておき、ダイオード２や個別温度センサの感温部がこの凹部により橋のように宙に浮く構造にすると良い。次に、接着用のワックスなどを溶解して、第1の基板１と第２の基板とを分離する（分離工程）。その後、流路用の凹部を有し、更に、ダイオード２や個別温度センサのそれぞれの電極パッドから外部に配線が出来るような、例えば、プリント配線を施したプラスチックカバーを被せて接合する（カバーリング工程）。このようにして、流量測定装置の流量センシング部が作成される。

図１は、本発明の加熱ダイオード温度測定装置のうちの加熱部及び温度センシング部となるダイオード２が形成されている半導体の基板１の平面概略図と加熱ダイオード温度測定装置の駆動回路１００の一実施例を示している。図２は、図１のＸ−Ｘ線に沿った断面の概略図である。半導体の基板１としてＳＯＩ基板を用い、基板1から空洞３を介して熱分離した半導体薄膜１５にｐｎ接合ダイオード２を形成し、このダイオード２をヒータとして動作させることができると共に、必要に応じて温度センサとしても動作できるようにしている。この加熱ダイオード温度測定装置は、気体や液体の流れやピラニー真空計のような熱伝導型の真空計やガスクロマトグラフィーのガス分析装置や液体クロマトグラフィの微流量計測などに用いることができる。

ｐｎ接合ダイオード２に、ＯＰアンプを有する駆動回路１００で順方向バイアス電圧を直流電源Ｅ１から、例えば、１．５Ｖを印加し、ヒータとして動作させる。実験によると宙に浮いた半導体薄膜１５の温度は、大体１００℃程度となる。また、スイッチＳを切り替えて、ｐｎ接合ダイオード２に直流電源Ｅ２から例えば０．７０Ｖ印加して、ダイオードサーミスタとしての温度センサとして動作させて、そのダイオード電流の大きさから半導体薄膜１５の温度を計測する。このとき、ｐｎ接合ダイオード２を温度センサとして動作させるためのスイッチＳの切り替え時間は、宙に浮いた半導体薄膜１５の熱時定数より十分短い時間として、その間に温度を計測するようにする。宙に浮いた半導体薄膜１５の大きさが０．５ｍｍ角で、厚みが５マイクロメートルの場合には、その熱時定数は、おおよそ３０ミリ秒程度である。ｐｎ接合ダイオード２をヒータとして動作させたとき、Ｅ１の電圧を大きくして、ヒータ温度が１５０℃を超えるようであれば、温度センサとして動作させるｐｎ接合ダイオード２への印加電圧Ｅ２は、図１に描かれている電圧の向きを逆にして、ｐｎ接合ダイオード２には逆方向の電圧を１Ｖ程度印加して、ｐｎ接合ダイオード２の逆方向飽和電流の温度依存性から温度を計測するようにすると良い。もちろん、室温よりも数十℃程度の小さな温度上昇ならば、スイッチＳを切り替えるまでもなく、設定したＥ１の電圧のままで、温度を計測することもできる。このとき、その大きさの程度にもよるが温度のセンシング部であるダイオード２自体の温度感度は小さくなるが、ｐｎ接合ダイオード２に流れる順方向電流が大きいので、ＯＰアンプの帰還抵抗Ｒｆでの電圧降下が大きくなり、その分、結局、大きな出力Ｖ０として外部にＳ／Ｎの大きい状態で取り出すことができる。

基板１の温度計測のために、基板１にｐｎ接合ダイオード２と同時に、しかも同一の構造のｐｎ接合ダイオードを形成してあり、温度センサ５としている。

基板１に形成する宙に浮いた構造の半導体薄膜１５とここに形成するｐｎ接合ダイオード２のＭＥＭＳ技術による製作工程の概要を述べると次のようである。ｐ型ＳＯＩ基板のウエーハを基板１とし、このＳＯＩ層８にｎ型の不純物を熱拡散によりｎ型領域６を形成する。更に、ｐ型の不純物拡散によりｐ型領域７を形成する。この工程でｐｎ接合ダイオード２の電極がない状態の構造が出来上がる。その後、宙に浮いた構造の半導体薄膜１５として残すようにＳＯＩ層をエッチング除去しておく。その後、異方性エッチャントに耐えるように、クロムと白金とを重ねてスパッタリングして、シンタリング後、薄膜配線２０やｎ型用やｐ型用電極パッド１６，１７が残るようにパターン化してエッチングする。さらに、基板１の裏面のシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）である絶縁膜５１のうち、半導体薄膜１５として残す領域に対応させて、その裏面の一部をエッチング除去する。次に、この絶縁膜５１をマスクとして、異方性エッチングを行うことにより空洞３を形成して、宙に浮いた構造で、基板1から熱分離した構造の半導体薄膜１５が完成する。このとき同時に、基板側にも温度センサ５としてのｐｎ接合のダイオード１４を形成しておく。

ここでは図示しないが、半導体薄膜１５の上に、赤外線吸収膜を形成しておき、ここを赤外線受光部とすると、熱型の赤外線センサとなり、これを利用して、従来技術により熱型赤外線温度測定装置を製作することができる。

図３には、本発明の加熱ダイオード温度測定装置を用いた液体用の流量測定装置における流量センシング部の一実施例を示している。図３（Ａ）は、その平面図の概略図であり、図３（Ｂ）は、図３（Ａ）におけるＹ−Ｙ線に沿った横断面図の概略図である。

第３の基板１３０として、電気的絶縁性で、かつ熱絶縁性であるポリカーボネート板を用い、半導体の基板１から取り出されたダイオード２を含む島状の領域３０と、その上流側と下流側に所定の間隔（例えば、１ｍｍ）をあけて設置してある個別温度センサ５A、５Bを含む島状の領域３５とを第３の基板１３０上に、エポキシ系樹脂などで接合してある。なお、ここでは、個別温度センサ５A、５Bは、ダイオード２と同じく、ｐｎ接合ダイオード１２，１３で構成されている。更に、断面が凹部である流路１６０が長手方向に形成してある蓋１５０を、第３の基板１３０上に接着剤で接合してある。このとき、流路１６０がダイオード２とその両脇の個別温度センサ５A、５Bを通るように、しかも、液体が接合部から漏れないように接合している。また、蓋１５０の幅を狭くしてあり、ダイオード２を含む島状の領域３０と個別温度センサ５A、５Bを含む島状の領域３５とに形成してあるｎ型用電極パッド１６とｐ型用電極パッド１７とが、蓋１５０の外側に露出するように形成してあり、これらの電極パッドから更に外部に配線が出来るように工夫してある。また、図３には描いていないが、流路１６０の上流側と下流側には、流体用の配管が施されている。

流量センシング部の動作は、次のようである。ダイオード２の順方向に電流を流しジュール熱により、液体の温度よりも例えば、５℃だけ上昇するように、流量測定装置で制御しておく。このような状態で、被測定液体に流れがないときには、上流側の個別温度センサ５Ａと下流側の個別温度センサ５Ｂとは、ダイオード２に対して対称に、しかも近接して配置されているので、被測定液体の温度は、加熱するダイオード２に対して対称形でほぼ等しく熱せられている。このような状態で流路１６０に流入した被測定液体は、先ず、上流側の個別温度センサ５Ａを冷やし、下流側の個別温度センサ５Ｂを加熱されたダイオード２の熱を受けて温度上昇させるように作用する。このとき個別温度センサ５Ａの温度情報と下流側の個別温度センサ５Ｂの温度情報、およびダイオード２または、別に流路に設けた温度センサ（上述の個別温度センサ５Ａでも良いし、更に別に個別温度センサ５Ａの上流側に設けても良い）からの被測定流体（ここでは液体の例である）の温度に関する情報などを利用して、従来技術により流路１６０中の流量、更には、流路１６０に流入する以前の全体の流量や流速などを計測することが出来る。ダイオード２での被測定流体の温度情報は、ダイオード２が加熱していないときにダイオード２を温度センサとして動作させて被測定流体の温度を計測しても良いし、また、別に流路に設けた個別温度センサで被測定流体の温度情報を得るときには加熱するダイオード２の影響を受けにくい上流側に設置して被測定流体の温度を計測するようにすると良い。

上述では、ダイオード２に対して上流側の個別温度センサ５Ａと下流側の個別温度センサ５Ｂとの温度差を利用して、流量や流速を計測するようにしたが、ダイオード２の温度を周期的に変動させるようにして、流れがあったときには上流側の個別温度センサ５Ａと下流側の個別温度センサ５Ｂに到達する熱波に時間差または位相差が生じることを測定原理にしても良い。

図４には、上述の実施例２で説明した液体用の流量センシング部の一実施例に対して、気体の流量や液体でも微流速の計測などに用いられるようにした場合の一実施例を示すものである。図３（Ｂ）との違いは、図３（Ｂ）の横断面図では、プラスチックなどの第３の基板１３０にダイオード２を含む島状の領域３０や個別温度センサを含む島状の領域３５が、全面に渡り接着されているのに対して、本実施例の流量センシング部の構造では、図４に示すように、第３の基板１３０に凹部１３５を設けてあり、ダイオード２を含む島状の領域３０と個別温度センサ５A、５Bを含む島状の領域３５の両端付近のみ第３の基板１３０に接着接合してあり、ダイオード２や個別温度センサ５A、５Bが宙に浮く構造にして、第３の基板１３０に熱伝導し難い構造にしている点である。動作は、液体を気体などに変えただけで同様であるから、ここでは説明を省略する。

図５には、本発明の流量測定装置の流量センシング部の製作工程の概略ブロック図を示している。P型（１００）面のシリコン単結晶ウエーハを用いて、MEMS加工技術で製作される。フォトリソグラフィーなどによる成熟した半導体の集積化技術を用いて、ｐｎ接合ダイオードや薄膜配線などが形成できるので、画一的な流量センシング部が形成できる。

図3に示した図面も参照すると、次のようである。先ず、ｐ型のシリコン単結晶基板である第1の基板にｎ型の不純物を熱拡散してｐｎ接合ダイオード２や個別温度センサ５A、５Bとなるｐｎ接合ダイオード１２、１３をこのヒータ兼温度センサとしてのｐｎ接合ダイオード２を挟むように上流および下流側に空間的に離して形成する（センサ形成工程）。次に、ダイオード２と２個の個別温度センサ５A、５Bのそれぞれの電極パッドも含めた領域３０、３５が島状に残るように異方性エッチングにより断面がＶ字型になるような溝で取り囲んでおく（エッチング工程）。第２の基板１１０として、再利用可能で安定なアルミナ基板を用い、有機溶剤で溶解しやすいように、ワックスで第1の基板１のダイオード２や２個の個別温度センサ５A、５Bが形成されている面と第２の基板１１０を接着する（接着工程）。そして、第1の基板１の裏面を溝が露出するまで、研磨材で研磨する（研磨工程）。その後、第３の基板１３０としてプラスチックであり熱絶縁性で耐久性のあるたとえば、ポリカーボネートの板を使用し、例えば、エポキシ樹脂で第１の基板１のｐｎ接合ダイオード２と個別温度センサ５A、５Bとなるｐｎ接合ダイオードの領域３０、３５を第３の基板１３０に接合する（接合工程）。このとき、液体の流量を計測するために、ｐｎ接合ダイオード２や個別温度センサ５A、５Bとなるｐｎ接合ダイオード１２、１３の領域の全面をエポキシ樹脂で接着しておく。気体の流量を計測するためには、ポリカーボネートの板に凹部を形成しておき、ダイオード２や個別温度センサ５A、５Bの感温部がこの凹部により橋のように宙に浮く構造にすると良い。次に、接着用のワックスを溶解して、第1の基板１と第２の基板１１０とを分離する（分離工程）。その後、流路用の凹部を有し、更に、ダイオード２や個別温度センサ５A、５Bのそれぞれの電極パッド１６、１７から外部に配線が出来るように、少なくともそれぞれの電極パッド１６、１７が露出するような幅の狭い蓋１５０にするか、または電極パッド１６、１７に電気的に接続できるプリント配線を施した蓋１５０を被せて接合する（カバーリング工程）。蓋１５０の材料として、プラスチックを用いると、安価で容易に流路用の凹部が作成できるので、好適である。なお、流路用の凹部は、必ずしも、蓋１５０のみに形成しなくとも良い。このようにして、流量測定装置の流量センシング部が作成される。

ダイオード２とこれを挟むように形成した２個のｐｎ接合ダイオード１２、１３およびこれらの電極パッドを含む領域３０、３５は、その後の工程で島状に取り残されるように溝で取り囲む。このとき溝の配置はこれらが形成されている第１の基板１の結晶方位を考慮して設けられ、異方性エッチング後は、その断面がＶ字型になるように配置されている。また、それぞれの電極パッド１６，１７となる部分は広くなるように設計しておくと良い。

上述の実施例は、それぞれ一実施例に過ぎず、本願発明の主旨と作用および効果が同様でありながら、種々の変形があることは当然である。

本発明の加熱ダイオード温度測定装置のうちのダイオード２が形成されている半導体の基板１の平面概略図と駆動回路の概略図である。（実施例１） 図１のＸ−Ｘ線に沿った断面の概略図である。（実施例１） 本発明の加熱ダイオード温度測定装置を用いた流量測定装置の流量センシング部の概略図で、（Ａ）は平面概略図で、（Ｂ）は横断面概略図である。（実施例２） 本発明の加熱ダイオード温度測定装置を用いた流量測定装置の流量センシング部の他の一実施例を示す横断面概略図である。（実施例３） 本発明の流量測定装置の流量センシング部の製作工程の概略ブロック図である。（実施例４）

符号の説明

１ 基板
２、１２、１３、１４ ダイオード
３ 空洞
５ 温度センサ
５A、５B 個別温度センサ
６ ｎ型領域
７ ｐ型領域
８ SOI層
１１ 下地基板
１５ 半導体薄膜
１６ ｎ型用電極パッド
１７ ｐ型用電極パッド
２０ 薄膜配線
３０ ダイオード２を含む島状の領域
３５ 個別温度センサを含む島状の領域
５０ 埋め込み絶縁膜（BOX層）
５１ 絶縁膜
１００ 駆動回路
１０１ 配線
１１０ 第２の基板
１３０ 第３の基板
１３５ 凹部
１５０ 蓋
１６０ 流路

Claims (7)

1. 基板から熱分離した半導体のダイオード（２）に順方向電圧を印加して、ヒータとしての動作と温度センサとしての動作が同時にできるようにすること、半導体のダイオード（２）をヒータとしての動作と温度センサとしての動作を時分割で行う場合は、半導体のダイオード（２）に、それぞれの動作に必要な所定の電圧供給をスイッチにより切り替えて行うようにしたことを特徴とする加熱ダイオード温度測定装置。
2. ダイオード（２）としてｐｎ接合もしくはショットキ接合とした請求項１記載の加熱ダイオード温度測定装置。
3. ダイオード（２）が真性領域で動作するような温度で使用するときに、そのダイオード（２）に逆方向バイアスを印加して、そのときの逆方向電流から温度を知るようにした請求項１または２のいずれかに記載の加熱ダイオード温度測定装置。
4. ダイオード（２）を基板（１）から熱分離した半導体薄膜（１５）に形成したことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の加熱ダイオード温度測定装置。
5. 請求項１から４のいずれかに記載の加熱ダイオード温度測定装置のダイオード２を半導体薄膜１５に形成してあり、この半導体薄膜１５を赤外線の受光部としたことを特徴とする熱型の赤外線温度測定装置。
6. 請求項1から４のいずれかに記載の加熱ダイオード温度測定装置におけるダイオード（２）を流路に設け、更に該ダイオード（２）とも熱分離した個別温度センサをダイオード（２）の上流側、下流側、または上流側と下流側の両方における流路に設けてあり、該ダイオード２の温度変化に基づいて被測定流体を介して生じる、上流側と下流側の少なくとも一方の個別温度センサからの温度変化に関する情報を利用して流路の被測定流体の流量や流速を計測できるようにしたことを特徴とする流量測定装置。
7. 請求項６に記載の流量測定装置の流量センシング部の製作方法において、第1の基板（１）の同一側の表面付近に、ダイオード（２）と、ダイオード（２）の上流側、下流側、または上流側と下流側の両方に、ダイオード（２）から所定の間隔を空けた状態で個別温度センサを形成するセンサ形成工程、ダイオード（２）を含む領域と個別温度センサを含む領域とをそれぞれ島状に残すように第1の基板（１）を溝で囲むエッチング工程、第1の基板（１）のうちダイオード（２）と上記個別温度センサとが形成されている面を第2の基板に接着させる接着工程、第2の基板に接着させた第1の基板（１）の裏面を少なくとも上記溝が露出するまで研磨して、ダイオード（２）を含む領域と個別温度センサを含む領域とが、島状に残された状態で第1の基板（１）から分離するようにする研磨工程、熱絶縁性の第3の基板に少なくとも島状のダイオード（２）を含む領域と個別温度センサを含む領域との一部または全部を接合する接合工程、第1の基板（１）と第2の基板とを分離する分離工程、および流路を閉じ込めるための蓋をするカバーリング工程とを含むことを特徴とした流量センシング部の製作方法。

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