JP5076235B2 - Thermocouple heater and temperature measurement device using the same - Google Patents

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Description

本発明は、温度差センサである熱電対をヒータとしても利用することに関し、気圧、真空度、流速、濃度、物質のエンタルピ変化などの物理量を計測できる熱伝導型のセンサに用いる熱電対ヒータと、この熱電対ヒータと組み合わせて熱伝導型センサを構成して、このセンサの周囲にある媒体の上記物理量に基づく温度変化を用いて、これらの被測定物理量を計測するための温度計測装置に関するものである。   The present invention relates to the use of a thermocouple, which is a temperature difference sensor, as a heater, and a thermocouple heater used for a heat conduction type sensor capable of measuring physical quantities such as atmospheric pressure, degree of vacuum, flow rate, concentration, and enthalpy change of a substance, The present invention relates to a temperature measuring device for measuring a physical quantity to be measured using a temperature change based on the physical quantity of a medium around the sensor, comprising a heat conduction type sensor in combination with the thermocouple heater. It is.

従来、本出願人は、これまで宙に浮いた薄膜に、白金薄膜などの抵抗体を形成してヒータとする「電熱器」(特願昭54−027559;特許第1398241号)を発明し、現在では、フローセンサや真空センサなどのマイクロヒータとして応用されている。更に本出願人は、半導体ダイオードをヒータとする「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」(特願2005-68266;特開2006−250736)を発明した。そして、半導体ダイオードは温度センサとしても利用できるので、ヒータ兼温度センサとして利用することを提案した。その後、本出願人は、「温度差の検出方法、温度センサおよびこれを用いた赤外線センサ」(特願2004-026247;特開2005−221238)や「電流検出型熱電対等の校正方法、電流検出型熱電対、赤外線センサおよび赤外線検出装置」(特願2005−332341;特願2006−58260;特願2006−262343;特願2006-300301)を発明して、一対の熱電対を用いて、従来の開放電圧を計測して温度差を計測するのではなく、熱電対の熱起電力に基づく短絡電流を計測した方がサーモパイルよりも感度が大きくなることを理論的にも示し、電流検出型熱電対と名づけた。この高感度の電流検出型熱電対は、熱型赤外線センサのように外部からの赤外線を受光し吸収して、その温度上昇分を計測するのにも利用できるが、フローセンサや薄膜ピラニ真空計に用いるときには、別にヒータを設ける必要があった。   Conventionally, the present inventor has invented an “electric heater” (Japanese Patent Application No. 54-027559; Japanese Patent No. 1398241) which forms a heater by forming a resistor such as a platinum thin film on a thin film that has been suspended in the air. Currently, it is applied as a micro heater for flow sensors and vacuum sensors. Further, the applicant of the present invention uses a semiconductor diode as a heater “a heating diode temperature measuring device, an infrared temperature measuring device using the same, a flow rate measuring device, and a method for manufacturing a flow rate sensing unit” (Japanese Patent Application No. 2005-68266; 250736) was invented. Since the semiconductor diode can also be used as a temperature sensor, it has been proposed to use it as a heater / temperature sensor. Thereafter, the present applicant has made the following: “Temperature difference detection method, temperature sensor and infrared sensor using the same” (Japanese Patent Application No. 2004-026247; JP 2005-221238), “Current detection type thermocouple calibration method, current detection, etc. Type thermocouple, infrared sensor, and infrared detector "(Japanese Patent Application No. 2005-332341; Japanese Patent Application No. 2006-582260; Japanese Patent Application No. 2006-262343; Japanese Patent Application No. 2006-300301), and a conventional thermocouple using a pair of thermocouples. Rather than measuring the temperature difference by measuring the open-circuit voltage, it is theoretically shown that measuring the short-circuit current based on the thermoelectromotive force of the thermocouple is more sensitive than the thermopile. Named as a pair. This high-sensitivity current detection type thermocouple can receive and absorb infrared rays from the outside like a thermal type infrared sensor, and can be used to measure the temperature rise. When used for the above, it was necessary to provide a separate heater.

一般に、基板に熱分離した薄膜において、加熱された薄膜は、加熱を止めるとニュートンの冷却の法則により、基板の温度(加熱される前の周囲温度)Tcと加熱された薄膜の温度Tとの温度差(T-Tc)に比例して放熱・冷却され、最終的には基板の温度に等しくなる。このように、加熱された物体の温度が周囲媒体へ熱伝導して、周囲媒体のそのときの熱伝導率に関係して温度上昇したり、温度降下したりするときの温度センサの温度変化を計測して周囲媒体の被測定物理量、例えば、流速、真空度、不純物濃度、エンタルピ変化などを計測するために用いる熱伝導型センサでは、絶対温度センサよりも基板の温度Tcと加熱された薄膜の温度Tとの温度差が重要である。 In general, in a thin film thermally separated from a substrate, when the heated thin film is stopped, the temperature of the substrate (ambient temperature before heating) Tc and the temperature T of the heated thin film are determined by Newton's law of cooling. Heat is dissipated and cooled in proportion to the temperature difference (T-Tc), and finally becomes equal to the substrate temperature. Thus, the temperature change of the temperature sensor when the temperature of the heated object conducts heat to the surrounding medium and the temperature rises or falls in relation to the current thermal conductivity of the surrounding medium. The thermal conductivity sensor used to measure and measure the physical quantity to be measured of the surrounding medium, for example, flow velocity, degree of vacuum, impurity concentration, enthalpy change, etc., the substrate temperature Tc and the heated thin film rather than the absolute temperature sensor The temperature difference from the temperature T is important.

宙に浮いた薄膜に形成した絶対温度センサである温度感度の高いサーミスタなどは、基板と加熱した薄膜の温度差を計測するには、二個のサーミスタを用いて計測する必要がる。しかし、二個のサーミスタの特性のバラつきなどのために、基板温度を含めた周囲温度Tcが変動するときに高精度に計測することは、極めて困難である。 A thermistor with high temperature sensitivity, which is an absolute temperature sensor formed on a thin film floating in the air, needs to use two thermistors to measure the temperature difference between the substrate and the heated thin film. However, due to variations in the characteristics of the two thermistors, it is extremely difficult to measure with high accuracy when the ambient temperature Tc including the substrate temperature varies.

温度差センサとして高感度であるサーモパイルでは、多数の熱電対を直列接続した構造なので、製作歩留まりが悪く、小型に作成することが困難であった。 The thermopile, which has high sensitivity as a temperature difference sensor, has a structure in which a large number of thermocouples are connected in series, so that the production yield is poor and it is difficult to make it small.

また、熱伝導型センサを小型化と単純構造にするために、高感度の温度差センサで、ヒータとしても利用できるデバイスが求められていた。
特許第1398241号 特開2006−250736号公報 特開2005−221238号公報
Further, in order to reduce the size and the simple structure of the heat conduction type sensor, a highly sensitive temperature difference sensor and a device that can also be used as a heater have been demanded.
Japanese Patent No. 1398241 JP 2006-250736 A JP 2005-221238 A

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、電流検出型熱電対などの熱電対を温度センサとして用いるが、外部に別のヒータを用いなくとも、熱電対自体に電流を流し、ジュール熱による自己加熱によりヒータとしても動作させて、この熱電対を取り巻く環境媒体である気体や液体、また必要に応じて固体の流量、流速、真空度、濃度、放射線や赤外線量、液体や固体のエンタルピ変化などの物理量を計測するための加熱用のヒータとしても利用しようとするもので、単純な構造で高感度、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用の加熱用ヒータとこれを用いた温度計測装置を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above-described problems. A thermocouple such as a current detection type thermocouple is used as a temperature sensor, but a current is supplied to the thermocouple itself without using a separate heater. It is also operated as a heater by self-heating by Joule heat, gas and liquid that are environmental media surrounding this thermocouple, and if necessary, solid flow rate, flow rate, vacuum, concentration, radiation and infrared amount, liquid It is a thermal sensor that can be used as a heater for heating to measure physical quantities such as enthalpy changes in solids and solids, and has a simple structure, high sensitivity, high accuracy, and a wider measurement range. An object of the present invention is to provide a heating heater for a heat conduction type sensor and a temperature measuring device using the same.

上記の目的を達成するために、本発明の請求項1に係わる熱電対ヒータは、基板1から熱分離した薄膜10に熱電対が形成されているか、もしくは該薄膜10の主体が熱電対となっていること、スイッチの切替により、該熱電対を熱電対ヒータ部として、所定の電力、所定の電圧または所定の電流で薄膜10をジュール加熱できるようにするか、もしくは、所定の温度になるまで電流を流して薄膜10をジュール加熱できるようにしたこと、前記スイッチの切替により、熱電対への加熱通電を止めて、該熱電対を温度差センサとして利用できるように構成して、薄膜10の温度が加熱停止後の時間経過と共に低下してゆくとき、所定の温度に到達するまでの時間の計測、熱時定数の計測、もしくは、所定に時間経過後の温度やその変化分の計測により、周囲媒体の熱伝導に関連する被測定物理量の計測ができるようにしたこと、を特徴とするとするものである。 In order to achieve the above object, in the thermocouple heater according to claim 1 of the present invention, a thermocouple is formed on the thin film 10 thermally separated from the substrate 1 or the main body of the thin film 10 is a thermocouple. By switching the switch, the thermocouple can be used as a thermocouple heater section so that the thin film 10 can be Joule-heated with a predetermined power, a predetermined voltage or a predetermined current, or until a predetermined temperature is reached. The thin film 10 can be Joule-heated by passing an electric current, and the heat conduction to the thermocouple is stopped by switching the switch so that the thermocouple can be used as a temperature difference sensor. When the temperature decreases with the passage of time after stopping the heating, measure the time until it reaches the predetermined temperature, measure the thermal time constant, or measure the temperature after the predetermined time and its change Accordingly, it has to be able to measure the measured physical quantity related to the heat conduction of the surrounding medium, it is an characterized.

このように、熱電対は本来、温接点と冷接点との間の温度差ΔTを、この温度差ΔTにより発生する熱起電力Vを計測して、校正された温度差ΔTと熱起電力Vとの関係から温度差ΔTを求めるものであるが、本発明では、スイッチの切替により、該熱電対を熱電対ヒータ部として、所定の電力、所定の電圧または所定の電流で薄膜10をジュール加熱できるようにするか、もしくは、所定の温度になるまで薄膜10をジュール加熱できるように、熱電対に電流を流し、熱電対の持つ内部抵抗でジュール熱による自己加熱をさせて、熱電対の周囲の媒体(気体、液体、固体)を加熱し、温度上昇させるようにしたヒータとして利用するものである。 Thus, the thermocouple originally measures the temperature difference ΔT between the hot junction and the cold junction, measures the thermoelectromotive force V generated by the temperature difference ΔT, and calibrates the temperature difference ΔT and the thermoelectromotive force V. In the present invention, by switching the switch, the thermocouple is used as a thermocouple heater unit, and the thin film 10 is Joule-heated with a predetermined power, a predetermined voltage, or a predetermined current. The current is passed through the thermocouple so that the thin film 10 can be joule-heated until the temperature reaches a predetermined temperature, and self-heating by Joule heat is performed by the internal resistance of the thermocouple, and the surroundings of the thermocouple This medium (gas, liquid, solid) is used as a heater that heats and raises the temperature.

また、本発明では、前記スイッチの切替により、熱電対への加熱通電を止めて、該熱電対を本来の温度差センサとして利用するように構成して、薄膜10の温度が加熱停止後の時間経過と共に低下してゆくとき、所定の温度に到達するまでの時間の計測、熱時定数の計測、もしくは、所定に時間経過後の温度やその変化分の計測により、周囲媒体の熱伝導に関連する被測定物理量の計測ができるようにしたものである。 Further, in the present invention, the switch is switched to stop the heating energization to the thermocouple , and the thermocouple is used as an original temperature difference sensor, and the temperature of the thin film 10 is the time after the heating is stopped. When it decreases over time, it is related to the heat transfer of the surrounding medium by measuring the time until it reaches the predetermined temperature, measuring the thermal time constant, or measuring the temperature and its change after the predetermined time. The physical quantity to be measured can be measured .

熱電対ヒータ部の加熱に必要な電力が一般に大きいので、その分、印加する電圧や電流が、熱起電力よりも極めて大きくなる。本発明では、例えば、アナログスイッチなどを利用して、熱電対への加熱通電を止めると共に、スイッチ切替をして、温度差センサとしての熱電対として、温度計測ができるようにしている。 Since the electric power required for heating the thermocouple heater is generally large, the applied voltage and current become much larger than the thermoelectromotive force. In the present invention, for example, an analog switch or the like is used to stop heating energization of the thermocouple and switch the switch so that the temperature can be measured as a thermocouple as a temperature difference sensor.

本発明の請求項に係わる熱電対ヒータは、薄膜10に複数の熱電対を形成してあり、そのうちの少なくとも1つの熱電対が熱電対ヒータ部として動作するように構成した場合である。 The thermocouple heater according to claim 2 of the present invention is a case where a plurality of thermocouples are formed on the thin film 10 and at least one of the thermocouples operates as a thermocouple heater section.

薄膜10に複数の熱電対が形成させてあるので、そのうちの一対は熱電対ヒータ部としてジュール加熱できるようにし、熱電対ヒータ部でジュール加熱しながら他の残りの熱電対を用いて薄膜10内の箇所の温度差を求めても良いし、一対は熱電対ヒータ部を本来の熱電対としての動作が行えるように、熱電対ヒータ部の加熱を止めた後、スイッチ切替をして、今度は本来の温度差センサとして動作させるようにしても良い。 Since a plurality of thermocouples are formed on the thin film 10, a pair of them can be Joule-heated as a thermocouple heater part, and the remaining thermocouple is used in the thin film 10 while being Joule-heated by the thermocouple heater part. The temperature difference at the location of the thermocouple heater may be obtained, or the pair of thermocouple heaters may be operated as an original thermocouple. You may make it operate | move as an original temperature difference sensor.

本発明の請求項に係わる熱電対ヒータは、複数の熱電対を本来の温度差センサであって、それらの差動動作できるように結線して、薄膜10内の箇所間、もしくは該薄膜10外の箇所との温度差が計測できるように構成した場合である。熱電対では、本質的に温度差がなければ熱起電力が発生しないので、例えば、2対の熱電対間の差動動作できるように結線した熱電対間の微細な温度差を検出できる。 The thermocouple heater according to claim 3 of the present invention is an original temperature difference sensor in which a plurality of thermocouples are connected so as to be able to perform differential operation thereof, and between the locations in the thin film 10 or the thin film 10. This is a case where the temperature difference from the outside location can be measured. A thermocouple essentially does not generate a thermoelectromotive force unless there is a temperature difference. For example, a minute temperature difference between thermocouples connected so that differential operation between two thermocouples can be detected.

薄膜10が、例えば、二つの薄膜である薄膜Aと薄膜Bとに分割されてあり、それぞれに熱電対が形成されていた場合には、一度、これらの熱電対を熱電対ヒータ部として動作させて、薄膜Aと薄膜Bとを加熱させておき、その後、ヒータ動作を止めて、今度はこれらの熱電対を本来の温度差センサである熱電対として、しかも薄膜Aと薄膜Bとの温度差を計測する差動動作できるように結線して動作させる。そのようにすれば、気体などの周囲媒体への熱伝導を反映して、薄膜Aと薄膜Bのそれぞれの温度が加熱停止後の時間経過と共に低下してゆくので、これらの所定の温度に到達するまでの時間の計測、熱時定数の計測、所定に時間経過後の温度やその変化分の計測などにより、周囲媒体の熱伝導に関連する被測定物理量、例えば、真空度、濃度、質量変化や流速などの計測をすることができる。 For example, when the thin film 10 is divided into two thin films A and B, and thermocouples are formed on each of them, these thermocouples are once operated as a thermocouple heater unit. Then, the thin film A and the thin film B are heated, and then the heater operation is stopped. Next, these thermocouples are used as thermocouples, which are the original temperature difference sensors, and the temperature difference between the thin film A and the thin film B. Connect and operate so that differential operation can be measured. By doing so, reflecting the heat conduction to the surrounding medium such as gas, the temperature of each of the thin film A and the thin film B decreases with the passage of time after the heating is stopped, so that these predetermined temperatures are reached. Measurement of physical quantities related to the heat conduction of the surrounding medium, such as the degree of vacuum, concentration, mass change, etc. And can measure the flow velocity.

本発明の請求項に係わる熱電対ヒータは、熱電対を電流検出型熱電対として動作させた場合である。 The thermocouple heater according to claim 4 of the present invention is a case where the thermocouple is operated as a current detection type thermocouple.

電流検出型熱電対は、上述のように本出願人が発明し、名づけたもので、熱電対の熱起電力に基づく短絡電流を計測して温度差を計測するものである。同一の温度差に対して、熱電対の内部抵抗rの値が小さい方が大きな短絡電流が流れるので、一般にゼーベック係数が大きく、電気抵抗率の小さく、かつ熱伝導度が小さい材料が望ましい。このことは、結局、熱電材料の性能指数Zが大きい材料が望ましいことに対応する。実際には、熱電対の一方の導体として、半導体の集積回路と組み合わせる場合は、熱伝導度は大きいが、シリコン(Si)単結晶基板を用いることが多く、Siが有利である。この場合は、可能な限り不純物を添加して抵抗率を小さくさせたn型Siが、p型よりも抵抗率が小さくできるので、有利である。他方の熱伝導体としては、金属薄膜が抵抗値が小さくなるので望ましい。もちろん、熱電対として熱電材料の性能指数Zが大きい材料である、BiTeやBiSe系などの化合物半金属を用いるのも良い。 The current detection type thermocouple is invented and named by the applicant of the present invention as described above, and measures a temperature difference by measuring a short-circuit current based on the thermoelectromotive force of the thermocouple. A smaller short-circuit current flows when the value of the internal resistance r of the thermocouple is smaller for the same temperature difference. Therefore, in general, a material having a large Seebeck coefficient, a low electrical resistivity, and a low thermal conductivity is desirable. This eventually corresponds to the desirability of a material with a high figure of merit Z for the thermoelectric material. Actually, when combined with a semiconductor integrated circuit as one conductor of the thermocouple, the thermal conductivity is large, but a silicon (Si) single crystal substrate is often used, and Si is advantageous. In this case, n-type Si in which the resistivity is reduced by adding impurities as much as possible is advantageous because the resistivity can be made smaller than that of the p-type. As the other heat conductor, a metal thin film is desirable because the resistance value becomes small. Of course, it is also possible to use a compound semimetal such as BiTe or BiSe, which is a material having a large figure of merit Z of the thermoelectric material as the thermocouple.

熱電対の熱起電力に基づく短絡電流を計測するには、OPアンプの入力端子の仮想短絡を利用すると良い。 In order to measure the short-circuit current based on the thermoelectromotive force of the thermocouple, it is preferable to use a virtual short circuit of the input terminal of the OP amplifier.

本発明の請求項に係わる温度計測装置は、上述の請求項1から5のいずれかに記載の熱電対ヒータを用いたこと、該熱電対ヒータの熱電対ヒータ部の熱電対もしくは他の熱電対の周囲の熱伝導環境に基づく温度変化を計測するに必要な増幅回路、演算回路と制御回路とを少なくとも具備したこと、を特徴とするものである。 A temperature measuring device according to claim 5 of the present invention uses the thermocouple heater according to any one of claims 1 to 5 described above, a thermocouple of a thermocouple heater portion of the thermocouple heater, or another thermocouple. It is characterized by comprising at least an amplification circuit, an arithmetic circuit and a control circuit necessary for measuring a temperature change based on the heat conduction environment around the pair.

本発明の温度計測装置の増幅回路は、温度差センサとしての熱電対の温度差情報の信号を増幅する回路が主であり、演算回路は、その中にあるメモリ回路と組み合わせて、熱電対の温度差情報から周囲媒体の被測定物理量を算出することを主にした回路である。また、制御回路は、熱電対の温度差センサ動作と熱電対のヒータ動作との切替制御、ヒータ動作時の温度制御やヒータ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。 The amplification circuit of the temperature measuring device of the present invention is mainly a circuit that amplifies a signal of temperature difference information of a thermocouple as a temperature difference sensor, and the arithmetic circuit is combined with a memory circuit therein to This circuit mainly calculates the measured physical quantity of the surrounding medium from the temperature difference information. The control circuit is a circuit that controls switching between the thermocouple temperature difference sensor operation and the thermocouple heater operation, temperature control during heater operation, energization time and interval during pulse driving of the heater, and the like.

本発明の熱電対ヒータでは、薄膜に極めて小型にできる薄膜熱電対が形成できること、この小型の熱電対をヒータとしても動作できるので、極めて小型の熱伝導型センサが提供できるという利点がある。 The thermocouple heater of the present invention is advantageous in that a thin film thermocouple that can be made extremely small can be formed on the thin film, and that this small thermocouple can also operate as a heater, so that an extremely small heat conduction type sensor can be provided.

本発明の熱電対ヒータでは、一個の超小型カンチレバ状の薄膜にも複数の薄膜熱電対を形成し、それらの幾つかの薄膜熱電対を利用し、そのうちの一対の熱電対でジュール加熱動作を行わせておき、更に、その加熱動作を行わせながら、残りの複数の薄膜熱電対を利用してそれらの差動動作の結線により、超小型カンチレバ内の温度分布をも計測することができるという利点がある。 In the thermocouple heater of the present invention, a plurality of thin film thermocouples are formed on one ultra-small cantilever-like thin film, and some of these thin film thermocouples are used, and a pair of thermocouples performs Joule heating operation. In addition, while performing the heating operation, it is possible to measure the temperature distribution in the micro cantilever by connecting the differential operation using the remaining thin film thermocouples. There are advantages.

本発明の熱電対ヒータでは、複数の超小型カンチレバ状の薄膜に、それぞれ一対の薄膜熱電対をそれぞれ形成し、そのうちの1個の超小型カンチレバ状の薄膜に形成した一対の薄膜熱電対を熱電対ヒータ部として動作させるように構成し、他の超小型カンチレバに形成した薄膜熱電対を利用して、それらの差動動作により、熱電対ヒータ部を形成した超小型カンチレバを取り囲む超小型カンチレバ間の温度差を計測することにより、媒体の微細な被計測物理量の変化を計測できるという利点がある。 In the thermocouple heater of the present invention, a pair of thin film thermocouples are respectively formed on a plurality of ultra-small cantilever-like thin films, and one pair of thin-film thermocouples formed on the ultra-small cantilever-like thin film is a thermocouple. Between the ultra-small cantilevers that are configured to operate as a pair of heaters and surround the ultra-small cantilever where the thermocouple heater is formed by using the thin film thermocouples formed on other ultra-small cantilevers by their differential operation By measuring this temperature difference, there is an advantage that a minute change in the measured physical quantity of the medium can be measured.

本発明の温度計測装置では、熱電対を本来の温度差センサとして使用すると共に、ヒータとしても動作できるようにしているので、構造が単純で、超小型の熱伝導型センサとなりえる。このことは、その分、小型で安価な温度計測装置が提供できるという利点がある。 In the temperature measuring device of the present invention, the thermocouple is used as an original temperature difference sensor and can also operate as a heater. Therefore, the structure is simple, and an ultra-compact heat conduction type sensor can be obtained. This has the advantage that a small and inexpensive temperature measuring device can be provided.

以下、本発明の熱電対ヒータは、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、本発明の熱電対ヒータを用いた温度計測装置は、そのブロック図を用いて説明する。   Hereinafter, the thermocouple heater of the present invention can be formed on a silicon (Si) substrate using mature semiconductor integration technology and MEMS technology. With reference to the drawings in the case of manufacturing using this silicon (Si) substrate, a detailed description will be given based on examples. Moreover, the temperature measuring apparatus using the thermocouple heater of this invention is demonstrated using the block diagram.

図1は、本発明の熱電対ヒータの一実施例を示し、熱伝導型センサチップ100部分(平面概略図)とその熱電対24を熱電対ヒータ部25として動作させる場合と、本来の熱電対24の温度差センサ20としても動作させるための回路図例も示している。図2には、図1のX-X線に沿った熱伝導型センサチップ100の横断面図の概略図を示している。回路図としては、スイッチS1とS2とを連動してあり、共に熱電対をヒータとして動作させる場合のスイッチの状態を示してある。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、基板1に空洞40によりカンチレバ15として形成した構造になっている。そして、熱電対24がp型シリコン(Si)単結晶からなるSOI層11に形成したカンチレバ15の主材料になるようにした場合である。熱電対24の熱電対導体として、一方の熱電対導体120aをSOI層11に縮退するほど高濃度に不純物拡散して形成したn型拡散領域21としてあり、他方の熱電対導体120bをSOI層11上の熱酸化したシリコン酸化膜50を介して、例えば、コバルト(Co)とニッケル(Ni)の重ねた二重層とした場合を示している。   FIG. 1 shows an embodiment of a thermocouple heater according to the present invention, in which a heat conduction type sensor chip 100 portion (plan view schematic) and its thermocouple 24 are operated as a thermocouple heater section 25, and an original thermocouple. An example of a circuit diagram for operating the temperature difference sensor 20 is also shown. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the heat conduction type sensor chip 100 taken along the line XX of FIG. As a circuit diagram, the switches S1 and S2 are linked to each other, and both show the state of the switch when the thermocouple is operated as a heater. Here, this is a case where an SOI substrate is used as the substrate 1, and the thin film 10 having a structure floating in the air for thermal separation from the substrate 1 is formed as a cantilever 15 in the substrate 1 by the cavity 40. It has become. In this case, the thermocouple 24 is the main material of the cantilever 15 formed in the SOI layer 11 made of p-type silicon (Si) single crystal. As the thermocouple conductor of the thermocouple 24, one thermocouple conductor 120 a is formed as an n-type diffusion region 21 formed by diffusing impurities so as to degenerate into the SOI layer 11, and the other thermocouple conductor 120 b is used as the SOI layer 11. For example, a case where a double layer in which cobalt (Co) and nickel (Ni) are overlapped with each other through the thermally oxidized silicon oxide film 50 is shown.

図1には、更に熱伝導型センサチップ100には、その基板1の絶対温度を検出するための温度センサ200として、pn接合ダイオード23を搭載している様子も示しており、pn接合ダイオード23を絶対温度センサとしてのダイオードサーミスタやサーモダイオードとして動作させることもできる。この温度センサ200は、熱電対24を熱電対ヒータ部25として加熱動作させる前の周囲媒体の温度Tcと考えることができる。また、図1に示すスイッチS1とスイッチS2の状態で、熱電対24を、電源Eを用いて、例えば、所定の温度にジュール加熱した後、加熱を止めて、次に温度差センサとして動作させたときには、熱電対24の冷接点がpn接合ダイオード23が形成されている基板1に形成されてあり、この基板1の温度を基準(冷接点)として、カンチレバ15の先端部にある熱電対24の接合部(オーム性コンタクト29)が温接点となっているので、これらの温度差ΔTをカンチレバ15の熱電対24で計測することになる。温度差センサとしての電流検出型熱電対の動作は、スイッチS1とS2とを共に図1に示す状態の反対側に倒して、熱電対24を演算増幅器(OPアンプ;図1ではOPと表示)の入力端子の仮想短絡を利用して、熱起電力を短絡電流に変換して行う。この短絡電流は、OPアンプの帰還抵抗Rfの電圧降下による出力電圧V0に変換する形で温度差検出する。ここでは、スイッチS1をOPアンプの非反転入力端子に接続するようにしてあり、ここには電流が流れないので、スイッチS1の接触抵抗の大きさが問題にならないような接続方法にしている。なお、図1において、熱電対24は薄膜熱電対として形成してあり、その温度差センサとしての動作や熱電対ヒータとしての動作のための熱電対24の電極パッド70a、70bは、熱電対24を構成する二つの熱電対導体120a, 120bから引き出している。また、配線110を用いて、熱電対24の温度差センサとしての動作や熱電対ヒータ部としての動作のための制御回路、信号の増幅回路および加熱用の電源供給回路であるOPアンプやスイッチS1,S2を含む回路と熱伝導型センサチップ100とを結んでいる。 FIG. 1 also shows a state in which a pn junction diode 23 is mounted on the heat conduction sensor chip 100 as a temperature sensor 200 for detecting the absolute temperature of the substrate 1. Can be operated as a diode thermistor or a thermo diode as an absolute temperature sensor. The temperature sensor 200 can be considered as the temperature Tc of the surrounding medium before the thermocouple 24 is heated as the thermocouple heater unit 25. Further, in the state of the switches S1 and S2 shown in FIG. 1, the thermocouple 24 is joule heated to a predetermined temperature using the power source E, for example, and then the heating is stopped, and then the thermocouple 24 is operated as a temperature difference sensor. In this case, the cold junction of the thermocouple 24 is formed on the substrate 1 on which the pn junction diode 23 is formed, and the thermocouple 24 at the tip of the cantilever 15 is based on the temperature of the substrate 1 (cold junction). Therefore, the temperature difference ΔT is measured by the thermocouple 24 of the cantilever 15. The operation of the current detection type thermocouple as a temperature difference sensor is as follows. The switches S1 and S2 are both turned to the opposite side of the state shown in FIG. 1, and the thermocouple 24 is an operational amplifier (OP amplifier; shown as OP in FIG. 1). The thermal electromotive force is converted into a short-circuit current using a virtual short circuit of the input terminal. This short-circuit current is detected as a temperature difference by converting it to an output voltage V 0 due to a voltage drop across the feedback resistor Rf of the OP amplifier. Here, the switch S1 is connected to the non-inverting input terminal of the OP amplifier. Since no current flows therethrough, the connection method is such that the magnitude of the contact resistance of the switch S1 does not become a problem. In FIG. 1, the thermocouple 24 is formed as a thin film thermocouple, and the electrode pads 70a and 70b of the thermocouple 24 for the operation as a temperature difference sensor and the operation as a thermocouple heater are the thermocouple 24. Are drawn from two thermocouple conductors 120a and 120b. The wiring 110 is used to control the thermocouple 24 as a temperature difference sensor or as a thermocouple heater, a control circuit for operating as a thermocouple heater, a signal amplification circuit, and an OP amplifier or switch S1 that is a power supply circuit for heating. , S2 and the heat conduction type sensor chip 100 are connected.

次に、本発明の熱電対ヒータを用いた図1および図2を参照して、熱電対24をヒータとして利用する熱電対ヒータ部25としての動作と、熱電対24の本来の温度差センサ20としての動作をさせて、薄膜ピラニ真空センサに応用した場合の一実施例を簡単に述べる。熱電対24を熱電対ヒータ部25として動作させるのに、図1の回路図のスイッチS1とスイッチS2とを図1に示してあるように倒し、直流電源Eからの電圧Vを調整して熱電対ヒータ部25の電流Iを流す。図1の回路図のOPアンプの出力電圧V0は、帰還抵抗RfをスイッチS2により短絡してあるので、出力電圧V0が熱電対ヒータ部25に印加される電圧Vに等しい値を示す。したがって、出力電圧V0の読みを見ながら所定の電圧Vに調整すると良い。実験に依れば、カンチレバ15の長さが約1mmの場合は、その熱時定数τが約50ms(ミリ秒)であり、熱電対24である熱電対ヒータ部25の抵抗は、20Ω程度であり、熱電対ヒータ部25を基板1の温度から10℃温度上昇させるには、1気圧の空気の下では、約10mW(ミリワット)の電力を供給すればよいことが分かっている。したがって、熱電対ヒータ部25への印加電圧Vが0.45V印加して、熱電対ヒータ部25が形成されているカンチレバ15の先端部を1気圧の状態で約10℃温度上昇させておく。次に、連動のスイッチS1およびスイッチS2を図1に示してあるときとは反対側に倒すことにより、熱電対ヒータ部25への電力供給を止め、熱電対24を温度差センサ20として動作させる。そして、その電力供給停止のスイッチ動作から、例えば、丁度、t=50ms経過後の熱電対24である温度差センサ20の温度差ΔTを計測する。次に種々の被測定物理量である周囲気体の真空度状態で熱電対ヒータ部25に所定の一定電力(例えば、1気圧で約10℃上昇させるために必要な電力である10mW一定を供給)を供給して、その度毎に、t=50ms経過後の熱電対24である温度差センサ20の温度差ΔTを計測して、そのときの真空度を予め用意してある校正曲線を用いて計測する。校正曲線は半導体メモリに入れておき、これを利用して演算回路で算出すると良い。 Next, referring to FIG. 1 and FIG. 2 using the thermocouple heater of the present invention, the operation as the thermocouple heater unit 25 using the thermocouple 24 as a heater and the original temperature difference sensor 20 of the thermocouple 24. One embodiment when applied to a thin film Pirani vacuum sensor will be briefly described. In order to operate the thermocouple 24 as the thermocouple heater section 25, the switches S1 and S2 in the circuit diagram of FIG. 1 are turned down as shown in FIG. The current I of the heater unit 25 is supplied. Output voltage V 0 which OP amp circuit diagram of FIG. 1, since the feedback resistor Rf are short-circuited by the switch S2, indicating the value equal to the voltage V of the output voltage V 0 is applied to the thermocouple heater unit 25. Therefore, it is preferable to adjust to the predetermined voltage V while looking at the reading of the output voltage V 0 . According to the experiment, when the length of the cantilever 15 is about 1 mm, the thermal time constant τ is about 50 ms (milliseconds), and the resistance of the thermocouple heater 25 that is the thermocouple 24 is about 20Ω. In order to raise the temperature of the thermocouple heater 25 by 10 ° C. from the temperature of the substrate 1, it is known that about 10 mW (milliwatts) of power should be supplied under 1 atmosphere of air. Therefore, the applied voltage V to the thermocouple heater section 25 is 0.45 V, and the tip of the cantilever 15 where the thermocouple heater section 25 is formed is raised by about 10 ° C. at 1 atm. Next, the interlocking switch S1 and switch S2 are tilted to the opposite side as shown in FIG. 1 to stop the power supply to the thermocouple heater 25 and operate the thermocouple 24 as the temperature difference sensor 20. . Then, for example, the temperature difference ΔT of the temperature difference sensor 20 which is the thermocouple 24 after the elapse of t 0 = 50 ms is measured from the power supply stop switch operation. Next, a predetermined constant power (for example, a constant power of 10 mW for supplying about 10 ° C. at 1 atm) is supplied to the thermocouple heater unit 25 in a vacuum state of ambient gas as various physical quantities to be measured. Each time, the temperature difference ΔT of the temperature difference sensor 20 which is the thermocouple 24 after t 0 = 50 ms elapses is measured, and the degree of vacuum at that time is measured using a calibration curve prepared in advance. measure. The calibration curve may be stored in a semiconductor memory and calculated by an arithmetic circuit using this.

熱電対ヒータ部25への所定の一定電力供給、例えば、P=10mW一定、時の高真空度の下と低真空度の下で、十分加熱されて飽和状態になった後に、加熱を止めた直後の基板1とカンチレバ15の先端の温度差ΔT(高真空度での温度差ΔTh0、低真空度での温度差ΔTl0)と、その後のそれぞれの冷却されて行く状態の概要を示す冷却曲線を図3に示す。熱電対ヒータ部25への所定の一定電力供給で加熱された熱電対ヒータ部25において、同一の雰囲気ガスで、同一の真空度の下では、定まった温度上昇分ΔTとなり、高真空度の下では、熱電対ヒータ部25からの周囲気体への熱の逃げが小さくなるので、その分、温度上昇分ΔTh0が大きくなると共に、冷却の熱時定数τも大きくなるから、所定の一定時間t経過後の基板1からの温度差分ΔTも高い状態である。しかし、真空度が低下すると(低真空度の下)、熱放散が大きくなるので、熱電対ヒータ部25の温度上昇分ΔTl0も小さくなると共に、熱時定数τも小さくなり、所定の一定時間t経過後の温度差分ΔTl0も非常に小さくなる。このように、所定の一定電力供給の下では、熱電対ヒータ部25の温度上昇分ΔTと所定の一定時間t経過後の熱電対ヒータ部25の基板1からの温度差分ΔTが真空度の関数であり、更に、その温度差分ΔTの低下傾向に拍車がかかり、差が広がる方向であるので、真空度計測には好都合である。 A predetermined constant power supply to the thermocouple heater 25, for example, P = 10 mW constant, under high vacuum and low vacuum at that time, after being sufficiently heated and saturated, heating was stopped An outline of the temperature difference ΔT 0 between the substrate 1 and the tip of the cantilever 15 immediately after that (temperature difference ΔT h0 at a high vacuum level, temperature difference ΔT 10 at a low vacuum level) and the respective cooled states are shown. The cooling curve is shown in FIG. In the thermocouple heater unit 25 heated by a predetermined constant power supply to the thermocouple heater unit 25, the same atmospheric gas and the same vacuum level result in a predetermined temperature increase ΔT, and the lower the high vacuum level. Then, since the escape of heat from the thermocouple heater 25 to the surrounding gas is reduced, the temperature rise ΔT h0 is increased correspondingly, and the thermal time constant τ h of cooling is also increased. The temperature difference ΔT h from the substrate 1 after t 0 has also been high. However, when the degree of vacuum decreases (under a low degree of vacuum), heat dissipation increases, so that the temperature rise ΔT 10 of the thermocouple heater 25 decreases and the thermal time constant τ 1 also decreases to a predetermined constant value. The temperature difference ΔT 10 after the time t 0 has also become very small. Thus, under a predetermined constant power supply, the temperature difference ΔT from the substrate 1 of the thermocouple heater section 25 after the elapse of the predetermined constant time t 0 and the temperature rise ΔT of the thermocouple heater section 25 are in the degree of vacuum. This is a function, and further, the downward tendency of the temperature difference ΔT is spurred and the difference is widened, which is convenient for measuring the degree of vacuum.

前述では、本発明の熱電対ヒータを薄膜ピラニ真空センサに応用した場合の一実施例を示したが、これを例えば、封止したパッケージ内の熱型赤外線センサの真空度チェックに用いることもできる。図1および図2に示したように熱型赤外線センサの受光部をカンチレバ15とし、ここに赤外線吸収膜を形成してターゲットからの赤外線による昇温(ターゲットの温度が受光部より高いとき)や降温(ターゲットの温度が受光部より低いとき)に基づく受光部の温度変化を、受光部に形成した熱電対24で検出する。熱電対24として電流検出型熱電対とした方が高感度になる。もちろん、サーモパイルにしても良い。これが熱型赤外線センサとしての動作である。パッケージの内部の真空度が高いと受光部からの熱の逃げがカンチレバ15を通しての基板1への熱の逃げのみになるから高感度の熱型赤外線センサが達成される。しかし、真空度が低くなると周囲気体への熱放散が激しくなり、赤外線吸収による温度上昇が低下するので、赤外線受光感度が低下する。安定した赤外線センサとして動作させるには、この真空度のチェックが必要となる。このためには、上述の薄膜ピラニ真空センサとしての動作をさせると良い。すなわち、熱電対24に所定の電流を流しジュール加熱して、そのときの所定の時間経過後の基板1から温度差ΔTを計測してその大きさが初期の状態から低下しているかどうかで、真空度のチェックができる。真空度が低下していれば、その分、温度差ΔTが小さくなる。熱電対24として、図1に示すように電流検出型熱電対が好適である。 In the above description, an example in which the thermocouple heater of the present invention is applied to a thin film Pirani vacuum sensor has been described. However, this can also be used, for example, for checking the degree of vacuum of a thermal infrared sensor in a sealed package. . As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the light receiving part of the thermal infrared sensor is a cantilever 15, and an infrared absorption film is formed thereon to raise the temperature by infrared rays from the target (when the temperature of the target is higher than the light receiving part). The temperature change of the light receiving part based on the temperature drop (when the temperature of the target is lower than the light receiving part) is detected by the thermocouple 24 formed in the light receiving part. If the thermocouple 24 is a current detection type thermocouple, the sensitivity becomes higher. Of course, a thermopile may be used. This is the operation as a thermal infrared sensor. When the degree of vacuum inside the package is high, the heat escape from the light receiving part is only the heat escape to the substrate 1 through the cantilever 15, so that a highly sensitive thermal infrared sensor is achieved. However, when the degree of vacuum is lowered, heat dissipation to the surrounding gas becomes intense, and the temperature rise due to infrared absorption is reduced, so that the infrared light receiving sensitivity is lowered. In order to operate as a stable infrared sensor, it is necessary to check the degree of vacuum. For this purpose, it is preferable to operate as the above-mentioned thin film Pirani vacuum sensor. That is, a predetermined current is passed through the thermocouple 24 and Joule heating is performed, and a temperature difference ΔT is measured from the substrate 1 after a predetermined time at that time, and whether or not the magnitude has decreased from the initial state, The degree of vacuum can be checked. If the degree of vacuum is lowered, the temperature difference ΔT is reduced accordingly. As the thermocouple 24, a current detection type thermocouple is suitable as shown in FIG.

図1および図2に示した本発明の熱電対ヒータにおける熱伝導型センサチップ100の製作工程において、基板1のSOI層11(p 型)を用いた場合、温度センサ200であるpn接合ダイオードや、温度差センサ20としての熱電対24及びその熱電対ヒータ部25およびカンチレバなどは、公知のMAEMS用の半導体微細加工技術により容易に形成できるので、詳細説明は省略する。 In the manufacturing process of the heat conduction type sensor chip 100 in the thermocouple heater of the present invention shown in FIGS. 1 and 2, when the SOI layer 11 (p type) of the substrate 1 is used, a pn junction diode as the temperature sensor 200 or The thermocouple 24, the thermocouple heater 25, the cantilever, and the like as the temperature difference sensor 20 can be easily formed by the known semiconductor microfabrication technology for MAEMS, and detailed description thereof is omitted.

図4は、本発明の熱電対ヒータに関し、熱電対ヒータ部25を有する熱伝導型センサチップ100とその熱電対の配線を含む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p型の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、3個あり、それぞれ薄膜の熱電対24から成り立っているが、中央の薄膜10は熱電対24を熱電対ヒータ部25として動作させるようにした場合である。熱電対ヒータ部25では、熱電対でありながらジュール加熱するので、例えば、50mAもの電流を流すので、中央の熱電対ヒータ部25の両側にある2個の薄膜10は熱電対24の熱起電力とそれに伴う短絡電流(電流検出型熱電対として使用するときの温度差検出電流)に、その影響が及ぼさないように、SOI層11に、BOX層51(この図4には示していないが、同等なカンチレバ15を有する構造の横断面図である図2には示してある)にまで到達する溝41を形成して、中央の薄膜10の熱電対ヒータ部25とその両側の2個の薄膜10に形成した熱電対24とは電気的に分離するようにしてある。3個のそれぞれの薄膜10に形成してある熱電対24の構造とその作用は、1個の薄膜10を示した上述実施例1の図1および図2と概略同一であるので、ここでは説明を省略する。 FIG. 4 is a schematic plan view showing another embodiment of the thermocouple heater according to the present invention, including another example of the heat conduction type sensor chip 100 having the thermocouple heater portion 25 and the wiring of the thermocouple. Here, as in the first embodiment, a p-type SOI substrate is used as the substrate 1, and the thin film 10 having a structure floating in the air for thermal separation from the substrate 1 is 3 The thin film 10 at the center is a case where the thermocouple 24 is operated as the thermocouple heater unit 25. Since the thermocouple heater unit 25 is Joule-heated while being a thermocouple, for example, a current of 50 mA flows, so the two thin films 10 on both sides of the central thermocouple heater unit 25 are the thermoelectromotive force of the thermocouple 24. And the accompanying short circuit current (temperature difference detection current when used as a current detection type thermocouple), the SOI layer 11 has a BOX layer 51 (not shown in FIG. 4). A groove 41 is formed to reach a structure having an equivalent cantilever 15 (shown in FIG. 2 which is a cross-sectional view of the structure), and the thermocouple heater portion 25 of the central thin film 10 and the two thin films on both sides thereof. 10 is electrically separated from the thermocouple 24 formed in FIG. The structure and operation of the thermocouple 24 formed on each of the three thin films 10 are substantially the same as those of the first embodiment shown in FIG. 1 and FIG. Is omitted.

本発明の熱電対ヒータの実施例の図4に示す3個の薄膜10を有する熱電対ヒータは、例えば、気体や液体のフローセンサとして利用できる。例えば、3個の薄膜10の中央の薄膜10の熱電対ヒータ部25をジュール加熱して、流体の流れ(フロー)がない状態で周囲環境温度Tcよりも10℃だけ温度上昇させるように一定電力の供給制御をする。中央の薄膜10の熱電対ヒータ部25に対して対称な位置に、同等な2個の薄膜10が形成してあるので、この流れがないときには、熱電対ヒータ部25の両側の薄膜10の熱電対24は温度上昇が等しいが熱電対ヒータ部25から離れているので、10℃よりも小さい温度上昇をしている。流れを発生させると(図4中の矢印方向)、中央の薄膜10の熱電対ヒータ部25に対して上流側の薄膜10の熱電対24は、周囲環境温度Tcの流体が流れてくるので、その温度は低められるが、熱電対ヒータ部25の熱を少しは受けているので、周囲環境温度Tcよりは高い温度になっている。しかし、下流側の薄膜10の熱電対24は、熱電対ヒータ部25の熱を貰うので、流れがないときに比べて温度上昇する傾向にある。したがって、上流側の熱電対24と下流側の熱電対24とを温度差の出力が得られるように、それらの電極パッド70b同士を、外部の配線110を用いて短絡し端子Cを形成し、また、外部の配線110を用いて、それぞれの電極パッド70aと電極パッド70aからそれぞれ端子Bと端子Aと形成する。上流側の熱電対24と下流側の熱電対24との温度差の出力は、端子Bと端子A間で計測できるし、上流側の熱電対24の出力は端子Bと端子C間で、下流側の熱電対24の出力は端子Cと端子A間で計測できる。これらの出力は、流体の流れ(フロー)の速度、又は、質量流量との関数となり、校正曲線を用いて流体の流れ(フロー)の速度、又は、質量流量に換算計測する。 The thermocouple heater having the three thin films 10 shown in FIG. 4 of the embodiment of the thermocouple heater of the present invention can be used as a gas or liquid flow sensor, for example. For example, the thermocouple heater portion 25 of the thin film 10 at the center of the three thin films 10 is Joule-heated so that the temperature is increased by 10 ° C. above the ambient temperature Tc in the absence of fluid flow. The supply control. Since two equivalent thin films 10 are formed at symmetrical positions with respect to the thermocouple heater section 25 of the central thin film 10, when there is no such flow, the thermoelectric of the thin film 10 on both sides of the thermocouple heater section 25 is formed. The pair 24 has the same temperature rise, but is away from the thermocouple heater 25, and therefore has a temperature rise of less than 10 ° C. When a flow is generated (in the direction of the arrow in FIG. 4), the fluid at the ambient temperature Tc flows through the thermocouple 24 of the thin film 10 upstream of the thermocouple heater 25 of the thin film 10 at the center. Although the temperature is lowered, the thermocouple heater unit 25 receives a little heat, so that the temperature is higher than the ambient environment temperature Tc. However, since the thermocouple 24 of the thin film 10 on the downstream side receives heat from the thermocouple heater section 25, the temperature tends to rise as compared to when there is no flow. Therefore, in order to obtain an output of a temperature difference between the upstream thermocouple 24 and the downstream thermocouple 24, the electrode pads 70b are short-circuited using the external wiring 110 to form the terminal C, Further, the external wiring 110 is used to form the terminal B and the terminal A from the electrode pad 70a and the electrode pad 70a, respectively. The output of the temperature difference between the upstream thermocouple 24 and the downstream thermocouple 24 can be measured between the terminal B and the terminal A, and the output of the upstream thermocouple 24 is downstream between the terminal B and the terminal C. The output of the side thermocouple 24 can be measured between the terminal C and the terminal A. These outputs are a function of the fluid flow velocity or the mass flow rate, and are converted into the fluid flow velocity or mass flow rate using the calibration curve.

上述では、流体の流れ(フロー)の速度、又は、質量流量を計測するときに、熱電対ヒータ部25に対して、上流側と下流側のそれぞれの温度差センサ20である熱電対24を用いて、流れに伴うそれら温度差を用いたが、熱電対ヒータ部25のジュール加熱を周期的に行い、上流側と下流側のそれぞれの温度差センサ20に到達する時間差を利用しても良いし、更に微細な流量を検出するには、上流側と下流側の温度差センサ20に到達する温度上昇又は降下の位相差を検出するようにしても良い。 In the above description, the thermocouple 24 that is the temperature difference sensor 20 on each of the upstream side and the downstream side is used with respect to the thermocouple heater unit 25 when measuring the velocity of the fluid flow (flow) or the mass flow rate. Although the temperature differences associated with the flow are used, Joule heating of the thermocouple heater unit 25 may be periodically performed to use the time difference to reach the temperature difference sensors 20 on the upstream side and the downstream side. Further, in order to detect a finer flow rate, the phase difference between the temperature rise and fall reaching the temperature difference sensor 20 on the upstream side and the downstream side may be detected.

上述では、一定電力供給によるジュール加熱の例を示したが、熱電対ヒータ部25が周囲環境温度Tcに対して、一定温度差になるような制御をするとか、一定の電流や電圧の印加によるジュール加熱の方法を用いても良い。 In the above description, an example of Joule heating by constant power supply is shown. However, the thermocouple heater unit 25 is controlled so as to have a constant temperature difference with respect to the ambient environment temperature Tc, or by application of a constant current or voltage. A Joule heating method may be used.

図4では、基板1の温度を計測する温度センサ200を図示していないが、図1と同様に熱伝導型センサチップ100に、温度センサ200であるpn接合ダイオード23やショットキダイオード、更には、トランジスタなどを形成しておき、これを周囲環境温度Tcの計測用として利用することができる。 In FIG. 4, the temperature sensor 200 for measuring the temperature of the substrate 1 is not shown, but the pn junction diode 23, the Schottky diode, which is the temperature sensor 200, A transistor or the like is formed, and this can be used for measuring the ambient temperature Tc.

図5に、本発明の熱電対ヒータに関し、熱電対ヒータ部25を有する熱伝導型センサチップ100の他の一実施例を示す平面概略図である。ここでは、空洞40にカンチレバ15として基板10から飛び出した構造の薄膜10を薄膜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15状に飛び出し、更に、薄膜10Aも基板1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。そして、熱抵抗部45は、共に薄膜10に形成したスリット42により幅が狭い構造で、基板1への熱伝導を小さくして、温度変化が大きくなるようにしている。薄膜10Aには、薄膜の熱電対24が形成され、熱電対ヒータ25として動作できるようにしてある。また、薄膜10Bに形成した熱電対24は、電流検出型熱電対としてのうち薄膜10Aに近い方のオーム性コンタクト29を設け、そこから基板1に向かって、熱電対24の熱電対導体120bと同一金属材料である配線110により電極パッド71aに導いているので、薄膜10Bに形成した熱電対24は、ほぼ、薄膜10Aに形成した熱電対ヒータ部25の温度を基準(ヒータ近くなので、一般には、温接点となる)として、そこからカンチレバ15の先端部にある薄膜10Bに形成した熱電対24の冷接点となるオーム性コンタクト29までの温度差を計測することになる。 薄膜10Bに形成した熱電対24は、電極パッド71aと電極パッド71bとを用いて、電流検出型熱電対として動作させると、高感度に温度差を検出することができる。 FIG. 5 is a schematic plan view showing another embodiment of the heat conduction type sensor chip 100 having the thermocouple heater portion 25 in the thermocouple heater of the present invention. Here, the thin film 10 having a structure that protrudes from the substrate 10 into the cavity 40 as a cantilever 15 is divided into a thin film 10A and a thin film 10B. The thin film 10B is formed into a cantilever 15 shape from the thin film 10A through the thermal resistance portion 45. Further, the thin film 10 </ b> A also has a structure in which the thin film 10 </ b> A protrudes from the substrate 1 through the thermal resistance portion 45 in a cantilever shape. The thermal resistance portion 45 has a narrow structure due to the slits 42 formed in the thin film 10, and the thermal conduction to the substrate 1 is reduced to increase the temperature change. A thin film thermocouple 24 is formed on the thin film 10 </ b> A so that it can operate as a thermocouple heater 25. Further, the thermocouple 24 formed on the thin film 10B is provided with an ohmic contact 29 closer to the thin film 10A among the current detection type thermocouples, and from there toward the substrate 1, the thermocouple conductor 120b of the thermocouple 24 and Since the same metal material 110 is led to the electrode pad 71a, the thermocouple 24 formed on the thin film 10B is substantially based on the temperature of the thermocouple heater section 25 formed on the thin film 10A (since it is near the heater, The temperature difference is measured from there to the ohmic contact 29 which is the cold junction of the thermocouple 24 formed on the thin film 10B at the tip of the cantilever 15. When the thermocouple 24 formed on the thin film 10B is operated as a current detection type thermocouple using the electrode pad 71a and the electrode pad 71b, a temperature difference can be detected with high sensitivity.

本発明の実施例3の熱電対ヒータでの図5に示す構造では、ピラニ型薄膜真空センサに応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に形成されている熱電対ヒータ25で、薄膜10Aをジュール加熱したとき、高真空度、例えば、10−5Paにおいて、周囲環境温度Tcよりも例えば100℃程度高い温度になるように、一定電力供給するように加熱制御する。このとき、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、薄膜10Bと薄膜10A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、薄膜10Bと薄膜10Aとの温度差は、ほぼゼロとなり、薄膜10Bの熱電対24の熱起電力がゼロで、したがって、これ電流検出型熱電対として使用すれば、その短絡電流もゼロとなる。このように、薄膜10Bの熱電対24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すると、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、薄膜10Aの温度は、熱電対ヒータ25の加熱を止めて、その直後の温度や時間経過後の温度を熱電対ヒータ25を本来の熱電対として動作させることにより、加熱中の温度を知ることができる。 In the structure shown in FIG. 5 of the thermocouple heater of Example 3 of the present invention, the operation when applied to a Pirani type thin film vacuum sensor will be described as follows. When the thin film 10A is Joule-heated by the thermocouple heater 25 formed on the thin film 10A floating in the air, the temperature becomes, for example, about 100 ° C. higher than the ambient environment temperature Tc at a high degree of vacuum, for example, 10 −5 Pa. Thus, heating control is performed so that constant power is supplied. At this time, the thin film 10B has a structure protruding from the thin film 10A in a cantilever shape. Further, since the thermal radiation due to radiation is extremely small at about 100 ° C., the temperature of the thin film 10B and the thin film 10A is high under a high degree of vacuum. Is approximately the same temperature. That is, at a high degree of vacuum, the temperature difference between the thin film 10B and the thin film 10A is almost zero, and the thermoelectromotive force of the thermocouple 24 of the thin film 10B is zero. Therefore, if this is used as a current detection type thermocouple, Short circuit current is also zero. As described above, when a current detection type thermocouple that measures only a temperature difference with respect to the thin film 10A is used as the thermocouple 24 of the thin film 10B, the zero reference method can be applied. Can be measured. The temperature of the thin film 10A is determined by stopping the heating of the thermocouple heater 25 and operating the thermocouple heater 25 as the original thermocouple by operating the temperature immediately after that or the temperature after the elapse of time. be able to.

上述では、薄膜10Aの温度を熱電対ヒータ部25への一定電力供給によりほぼ100℃一定に維持して、ピラニ型薄膜真空センサとして、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、熱電対ヒータ部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℃程度に上昇させることもできる。また、基板1の絶対温度を測定する温度センサを省略したが、例えば、pn接合ダイオードを基板1に形成しておき、これを用いても良い。 In the above description, the case where the thin film 10A is implemented as a Pirani type thin film vacuum sensor by maintaining the temperature of the thin film 10A at a constant temperature of approximately 100 ° C. by supplying constant power to the thermocouple heater 25 has been described. Since it is small, its thermal time constant is, for example, about 20 milliseconds. Since such a thin film 10 is used, even a current flowing through the thermocouple heater section 25 can sufficiently respond even with a rectangular wave pulse of about 50 milliseconds. Therefore, since the change in ambient temperature is generally slow, the temperature of the thin film 10A can be periodically raised to, for example, about 100 ° C. with such a short pulse current. Further, although the temperature sensor for measuring the absolute temperature of the substrate 1 is omitted, for example, a pn junction diode may be formed on the substrate 1 and used.

また、上述の実施例3の図5においては、薄膜10Bの熱電対24として、薄膜10Aの温度を基準にするような構造にしているが、これに対して基板1を基準にすることもできる。このような場合は、図5の薄膜10Bの熱電対24のn型拡散領域21を基板1まで延ばす構造にし、そこにもオーム性コンタクト29と電極を形成しておき、基板1を基準にするときには、基板1に形成したその電極と電極パッド71bとを用いて、基板1の温度と薄膜10Bの先端部の温度との温度差を計測するようにしても良い。高真空度状態では、上述のように、薄膜10Bの温度と薄膜10Aとは同一になるので、基板1からの薄膜10Bの温度を測定して、薄膜10Aをジュール加熱しながら薄膜10Aの温度を、上述のように100℃一定に保持するように制御することができる。 Further, in FIG. 5 of the above-described third embodiment, the thermocouple 24 of the thin film 10B has a structure based on the temperature of the thin film 10A. However, the substrate 1 can be used as a reference. . In such a case, the n-type diffusion region 21 of the thermocouple 24 of the thin film 10B in FIG. 5 is extended to the substrate 1, and an ohmic contact 29 and an electrode are also formed there, and the substrate 1 is used as a reference. Sometimes, the temperature difference between the temperature of the substrate 1 and the temperature of the tip of the thin film 10B may be measured using the electrode formed on the substrate 1 and the electrode pad 71b. In the high vacuum state, as described above, the temperature of the thin film 10B is the same as that of the thin film 10A. Therefore, the temperature of the thin film 10B from the substrate 1 is measured, and the temperature of the thin film 10A is adjusted while Joule heating the thin film 10A. As described above, the temperature can be controlled to be kept constant at 100 ° C.

なお、上述の各実施例において、熱電対24は、一方の熱電対導体120aをp型のSOI層11にn型不純物(例えば、リンP)を縮退するほど高濃度に熱拡散などで添加した薄膜層とし、他方の熱電対導体120bとして、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ニッケル(Ni)やコバルト(Co)などの薄膜層を用いると良い。また、実施例3における図5の薄膜10Aと薄膜10Bとは、p型のSOI層11で形成してあり、一方の熱電対導体120aはそこに形成したn型であるので、pn接合が形成されており、薄膜10Aと薄膜10Bに形成されている熱電対は互いに電気的分離がなされている構造となっている。また、Niは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好適である。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や熱電対導体120bをアルミニウム(Al)としても良い。 In each of the above-described embodiments, the thermocouple 24 is added with one of the thermocouple conductors 120a to the p-type SOI layer 11 by thermal diffusion or the like so that n-type impurities (for example, phosphorus P) are degenerated. A thin film layer such as nickel (Ni) or cobalt (Co), which is durable to hydrazine used during anisotropic etching of silicon, may be used as the thin film layer and the other thermocouple conductor 120b. Further, the thin film 10A and the thin film 10B in FIG. 5 in Example 3 are formed by the p-type SOI layer 11, and one thermocouple conductor 120a is the n-type formed there, so that a pn junction is formed. The thermocouples formed on the thin film 10A and the thin film 10B are electrically separated from each other. Ni is more preferable because it is a Seebeck coefficient having an opposite sign to that of the n-type semiconductor. However, since the Seebeck coefficient of the n-type semiconductor is an order of magnitude larger than that of Ni, even if aluminum (Al) having the same sign as the Seebeck coefficient of the n-type semiconductor is used, it does not change so much. In forming the thin film 10 by DRIE without using an anisotropic etchant such as hydrazine, aluminum (Al) may be used. Since Al is widely used as a wiring material in IC technology, the wiring 110 and the thermocouple conductor 120b may be aluminum (Al) for the purpose of integration.

上述の実施例では、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として、カンチレバ15を用いていたが、必ずしも、カンチレバ15である必要はなく、空洞40を橋架する両端支持の橋状であっても、また、空洞40の上に形成したダイアフラム構造であっても良い。 In the above-described embodiment, the cantilever 15 is used as the thin film 10 having a structure floating in the air for heat separation from the substrate 1. However, the cantilever 15 is not necessarily required, and the cavity 40 is bridged. It may be a bridge shape that is supported at both ends, or may be a diaphragm structure formed on the cavity 40.

図6に、本発明の熱電対ヒータを用いた温度計測装置の一実施例を示すブロック概略図を示す。ここには、温度計測装置の熱電対ヒータ、熱電対の周囲の熱伝導環境に基づく温度変化を計測するに必要な増幅回路、制御回路と演算回路とを少なくとも具備した基本部を破線で囲った部分に示し、電源部や被測定物理量の表示部をも含む温度計測装置の全体のブロック概略図を示している。増幅回路、制御回路、演算回路、電源部や表示部は、従来の技術で達成されるので、ここでは、その詳細は省略した。 FIG. 6 is a block schematic diagram showing an embodiment of a temperature measuring device using the thermocouple heater of the present invention. Here, a thermocouple heater of the temperature measuring device, a basic section including at least an amplifier circuit, a control circuit and an arithmetic circuit necessary for measuring a temperature change based on the heat conduction environment around the thermocouple are surrounded by a broken line. The block schematic diagram of the whole temperature measurement apparatus shown in the section and including the power supply unit and the display unit of the physical quantity to be measured is shown. Since the amplification circuit, control circuit, arithmetic circuit, power supply unit and display unit are achieved by conventional techniques, details thereof are omitted here.

本発明の熱電対ヒータとこれを用いた温度計測装置は、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。 The thermocouple heater of the present invention and the temperature measuring device using the same are not limited to the present embodiment, and various modifications can be naturally made while the gist, operation and effect of the present invention are the same.

本発明の熱電対ヒータは、気体や液体の流量、流速、特定物質の濃度、真空度、更に熱分析による材料のエンタルピ変化などの物理量を、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伝導型センサに用いられる。例えば、本発明の熱電対ヒータをピラニ型薄膜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、1個の熱電対ヒータと1個の温度差センサだけで、または、この1個の熱電対を、熱電対ヒータと温度差センサとの兼用にした1個だけで、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、本発明の熱電対ヒータを搭載した温度計測装置は、制御系を含み、例えば、真空計や流速計、熱分析装置などに好適である。   The thermocouple heater of the present invention measures physical quantities such as gas and liquid flow rates, flow rates, specific substance concentrations, vacuum levels, and enthalpy changes of materials by thermal analysis with high sensitivity and high accuracy as temperature changes. It is used for heat conduction type sensors. For example, when the thermocouple heater of the present invention is applied to a Pirani-type thin film vacuum sensor, it is an ultra-compact current detection type thermoelectric sensor that detects only a temperature difference with high sensitivity and high accuracy on a thin film suspended in a cantilever shape. Since a pair can be used, only one thermocouple heater and one temperature difference sensor, or one thermocouple that is used as both a thermocouple heater and a temperature difference sensor, It can be used as a vacuum sensor with a wide band, especially with a measurement area extended to the high vacuum side. Furthermore, since an extremely minute temperature difference can be detected by the zero reference measurement method, it is suitable for measuring the concentration of a minute amount of a specific gas or the like and a minute flow rate. In addition, the temperature measuring device equipped with the thermocouple heater of the present invention includes a control system, and is suitable for, for example, a vacuum gauge, a velocimeter, a thermal analyzer, and the like.

本発明の熱電対ヒータの一実施例を示す平面概略図である。(実施例1)It is the plane schematic which shows one Example of the thermocouple heater of this invention. Example 1 本発明の熱電対ヒータの図1におけるX-X線に沿った熱伝導型センサチップの横断面図の概略図である。(実施例1)It is the schematic of the cross-sectional view of the heat conductive type sensor chip along the XX line in FIG. 1 of the thermocouple heater of this invention. Example 1 本発明の熱電対ヒータにおける熱電対ヒータ部への所定の一定電力供給後の冷却曲線の概略図である。(実施例1)It is the schematic of the cooling curve after the predetermined constant electric power supply to the thermocouple heater part in the thermocouple heater of this invention. Example 1 本発明の熱電対ヒータの他の一実施例を示す平面概略図である。(実施例2)It is a schematic plan view showing another embodiment of the thermocouple heater of the present invention. (Example 2) 本発明の熱電対ヒータの他の一実施例を示す平面概略図である。(実施例3)It is a schematic plan view showing another embodiment of the thermocouple heater of the present invention. (Example 3) 本発明の温度計測装置のブロック概略図を示している。(実施例4)The block schematic diagram of the temperature measuring device of the present invention is shown. Example 4

符号の説明Explanation of symbols

1 基板
10、10A、10B 薄膜
11 SOI層
12 下地基板
15 カンチレバ
20 温度差センサ
21 n型拡散領域
23 pn接合ダイオード
24 熱電対
25 熱電対ヒータ部
29 オーム性コンタクト
40 空洞
41 溝
42 スリット
45 熱抵抗部
50 シリコン酸化膜
51 BOX層
70a、70b 電極パッド
71a、71b 電極パッド
100 熱伝導型センサチップ
110 配線
120a, 120b 熱電対導体
200 温度センサ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 10, 10A, 10B Thin film 11 SOI layer 12 Base substrate 15 Cantilever 20 Temperature difference sensor 21 N-type diffusion region 23 Pn junction diode 24 Thermocouple 25 Thermocouple heater part 29 Ohmic contact 40 Cavity 41 Groove 42 Slit 45 Thermal resistance Part 50 Silicon oxide film 51 BOX layer 70a, 70b Electrode pad 71a, 71b Electrode pad 100 Thermal conduction type sensor chip 110 Wiring 120a, 120b Thermocouple conductor 200 Temperature sensor

Claims (5)

基板(1)から熱分離した薄膜(10)に熱電対が形成されているか、もしくは該薄膜(10)の主体が熱電対となっていること、スイッチの切替により、該熱電対を熱電対ヒータ部として、所定の電力、所定の電圧または所定の電流で薄膜(10)をジュール加熱できるようにするか、もしくは、所定の温度になるまで電流を流して薄膜(10)をジュール加熱できるようにしたこと、前記スイッチの切替により、熱電対への加熱通電を止めて、該熱電対を温度差センサとして利用できるように構成して、薄膜10の温度が加熱停止後の時間経過と共に低下してゆくとき、所定の温度に到達するまでの時間の計測、熱時定数の計測、もしくは、所定の時間経過後の温度やその変化分の計測により、周囲媒体の熱伝導に関連する被測定物理量の計測ができるようにしたこと、を特徴とする熱電対ヒータ。 A thermocouple is formed on the thin film (10) thermally separated from the substrate (1), or the main body of the thin film (10) is a thermocouple. As a unit, the thin film (10) can be Joule-heated with a predetermined power, a predetermined voltage or a predetermined current, or a current is allowed to flow until a predetermined temperature is reached so that the thin film (10) can be Joule-heated. In other words, by switching the switch, the heating power supply to the thermocouple is stopped, and the thermocouple can be used as a temperature difference sensor. The temperature of the thin film 10 decreases with the passage of time after the heating is stopped. The physical quantity to be measured related to the heat conduction of the surrounding medium by measuring the time to reach the predetermined temperature, measuring the thermal time constant, or measuring the temperature and its change after the predetermined time. It has to be able to measure, thermocouple heater according to claim. 薄膜(10)に複数の熱電対を形成してあり、そのうちの少なくとも1つの熱電対が熱電対ヒータ部として動作するように構成した請求項記載の熱電対ヒータ。 Thin film (10) Yes forming a plurality of thermocouples, at least one thermocouple heater according to claim 1, wherein the thermocouple is configured to operate as a thermocouple heater of them. 複数の熱電対を、温度差センサの差動動作ができるように結線して、薄膜(10)内の箇所間、もしくは該薄膜(10)外の箇所との温度差が計測できるように構成した請求項に記載の熱電対ヒータ。 A plurality of thermocouples are connected so that the differential operation of the temperature difference sensor can be performed, and the temperature difference between the locations in the thin film (10) or the locations outside the thin film (10) can be measured. The thermocouple heater according to claim 2 . 熱電対を電流検出型熱電対として動作させた請求項1からのいずれかに記載の熱電対ヒータ。 The thermocouple heater according to any one of claims 1 to 3 , wherein the thermocouple is operated as a current detection type thermocouple. 請求項1からのいずれかに記載の熱電対ヒータを用いたこと、該熱電対ヒータの熱電対ヒータ部の熱電対もしくは他の熱電対の周囲の熱伝導環境に基づく温度変化を計測するに必要な増幅回路、演算回路と制御回路とを少なくとも具備したこと、を特徴とする温度計測装置。 Use of the thermocouple heater according to any one of claims 1 to 4 , for measuring a temperature change based on a heat conduction environment around a thermocouple of a thermocouple heater portion of the thermocouple heater or other thermocouple A temperature measuring device comprising at least a necessary amplification circuit, arithmetic circuit and control circuit.
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