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。
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
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
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
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2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
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
本発明の請求項3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
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
本発明の請求項4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5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
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
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
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、t0=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、t0=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
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ΔT0(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τhも大きくなるから、所定の一定時間t0経過後の基板1からの温度差分ΔTh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τlも小さくなり、所定の一定時間t0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t0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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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.
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
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