JP5224089B2

JP5224089B2 - 熱式センサ

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Publication number: JP5224089B2
Application number: JP2007151209A
Authority: JP
Inventors: 智之月井
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: JP2008304293A

Description

本発明は、サーモパイル素子を用いた熱式センサに関するものである。

サーモパイル素子は、非接触で個々の物体から放射される熱を受け、そのエネルギーに応じた熱起電力を発生する熱式センサに用いられる。この熱式センサは、測定する対象によって流体の有無又は流量を検出する熱式フローセンサあるいは容器の状態変化を検出する熱式加速度センサなどに使用される。
特許文献１には、ガス等の流体の流量を検出する流体検知センサが開示されている。この流体検知センサは、図８に示すように、ヒータの抵抗値を小さくして発熱を大きくすると共にサーモパイルのゼーベック係数を高くしてセンサの感度を向上させている。薄膜状のブリッジ部１３５の上面にポリシリコンからなるヒータ１３６を設け、その両側にサーモパイル１３７、１３８を配置する。このサーモパイル１３７、１３８はポリシリコンとアルミニウムの細線によって構成されている。ここでヒータ１３６とサーモパイル１３７、１３８のポリシリコン細線１４１には、Ｐ（燐）がイオン注入等によってドーピングされており、ヒータ１３６のドーピング量がポリシリコン細線１４１よりも大きくなっている。

この流体検知センサが形成されたシリコン基板１３２には、ヒータ１３６及びその両側に配置されたサーモパイル素子１３７、１３８の一部を載置するようにダイヤフラム構造が設けられている。このダイヤフラム構造は、空隙部１３３と、この空隙部１３３を覆うブリッジ部１３５から構成されている。ブリッジ部１３５は、シリコン基板１３２の表面を覆う絶縁薄膜１３４の一部から構成されている。
特許文献２には、状態変化を検知する熱式加速度センサが開示されている。通常の加速度出力の他にセンサの状態を常時モニタできる出力端子を有し、流体の変化による予期せぬ感度低下をシステムに知らせることが可能な熱型加速度センサが記載されている。熱分離された三本の梁のうち中央の梁上には発熱源であるヒータが設けられ、また、左側の梁と中央の梁上には第１熱電対が冷接点と温接点とがそれぞれ左、中央の梁の中心部付近に配置された状態で設けられ、また、同様に右側の梁と中央の梁上には第２熱電対が冷接点と温接点がそれぞれ右、中央の梁の中心部付近に配置された状態で設けられている。
特開２００１−２４９０４０号公報特開２０００−６５８５０号公報

引用文献１、２に示される熱式の流体検知センサ及び加速度センサは、ヒータの直ぐ脇にサーモパイル素子の温点があり、温点を直接暖めて出力を得る構造になっている。しかしながら、ヒータの直ぐ脇にサーモパイル素子を配置すると、温点と冷点の温度差があまりとれず、高出力が得られ難かった。また、サーモパイル素子が一列に並んでいるのでサーモパイル素子の対数を余り増やすことができず、対数が少ないと高出力のセンサが得られないという問題があった。
本発明は、このような事情によりなされたものであって、出力及び感度の向上を可能にするサーモパイル素子を用いた熱式センサを提供する。

本発明の熱式センサの一態様は、半導体基板と、前記半導体基板表面に形成され、間隔をおいて一列に配置された第１、第２及び第３のダイヤフラム構造と、中央に位置する前記第２のダイヤフラム構造上にメンブレンを介して形成されたヒータ素子と、前記第２のダイヤフラム構造の両側に配置された前記第１及び第３のダイヤフラム構造上にそれぞれメンブレムを介して形成された第１及び第２のサーモパイルセンサとを具備した熱式センサにおいて、第４及び第５のダイヤフラム構造を更に有し、前記第１、第２及び第３のダイヤフラム構造からなる配列と、前記第４、第２及び第５のダイヤフラム構造からなる配列とは、互いに直角に配置され、前記第４及び第５のダイヤフラム構造上には、それぞれメンブレムを介して形成された第３及び第４のサーモパイルセンサとを備え、前記ヒータ素子と前記各ダイヤフラム構造上に形成された各サーモパイルセンサとの間隔は、１つのダイヤフラム構造に形成されたヒータ素子とサーモパイルセンサとから構成された熱式センサの前記ヒータ素子と前記サーモパイルセンサとの間隔より広くして、冷点及び温点の温度差を大きくすることを特徴としている。

前記半導体基板は、密閉された容器に収納され、前記第１のサーモパイルセンサによって検出される温度から得られる出力電圧と、前記第２のサーモパイルセンサによって検出される温度から得られる出力電圧との差の変化を測定し、前記容器の状態変化を検出するようにしても良い。前記半導体基板は、流体の流れる方向と、前記第１及び第２のサーモパイルセンサで形成される列の方向とが平行になるように前記流体の流路内に配置され、前記第１のサーモパイルセンサによって検出される温度から得られる出力電圧と、前記第２のサーモパイルセンサによって検出される温度から得られる出力電圧との差の変化を測定し、前記流体の有無又は流量を検出するようにしても良い。

本発明は、ヒータとサーモパイル素子との間隔を従来より広くすることにより、温点と冷点の温度差を広くし出力を向上させると共に感度の向上を可能にする。

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

図１乃至図４を参照して実施例１を説明する。
図１は、熱式センサの平面図及び平面図に示すＡ−Ａ′線に沿う部分の断面図、図２は、図１に示す熱式センサを構成するサーモパイル素子が形成されたシリコン基板の断面図及びサーモパイル素子の模式平面図、図３は、図１に示す熱式センサを構成するヒータの模式平面図、図４は、熱式フローセンサの原理を説明する熱式センサの断面図である。

熱式フローセンサとして用いられる熱式センサが形成されたシリコン基板１には、ヒータ２及びサーモパイル素子３、４が形成されている。シリコン基板１表面にヒータ２を中心にその両側にサーモパイル素子３、４が配置されている。これらヒータ２及びサーモパイル素子３、４は、それぞれ専用のダイヤフラム(diaphragm) 構造の上に形成されている。ダイヤフラム構造は、シリコン基板１上面に上方が広くなった凹状に形成されたキャビティとこのキャビティ上に位置するメンブレンから構成される。第１のダイヤフラム構造は、シリコン基板１に形成されたキャビティ１１と、シリコン基板１表面に形成され、キャビティ１１を被覆するメンブレン１１ａとから構成され、第１のサーモパイル素子３が載置される。第２のダイヤフラム構造は、シリコン基板１に形成されたキャビティ１０と、シリコン基板１表面に形成され、キャビティ１０を被覆するメンブレン１０ａとから構成され、ヒータ２が載置される。第３のダイヤフラム構造は、シリコン基板１に形成されたキャビティ１２と、シリコン基板１表面に形成され、キャビティ１２を被覆するメンブレン１２ａとから構成され、第２のサーモパイル素子４が載置される。第１及び第２のサーモパイル素子３、４の上面にはそれぞれ熱吸収膜１３、１４が形成されている。

図２に示すサーモパイル素子は、熱電対が複数個直列に形成配置して構成されている。サーモパイルは、非接触で個々の物体から放射される赤外線エネルギーを受けると、そのエネルギーに応じた熱起電力を発生する熱式センサであり、そのエネルギー絶対量（温度）が検出可能である。
図２を参照して、サーモパイル素子の一例である図１のシリコン基板１上に形成されたサーモパイル素子４を説明する。この実施例ではこの一例に限らず既存のどのようなサーモパイル素子でも用いることができる。サーモパイル素子を構成する熱電対は、温度計の１種であり、異なる２種類の導電材料の細線の両端を接合し、２つの接合点の温度差により発生する熱起電力を測定することにより温度を測定する装置である。

シリコン基板１上に、異種の導電材料からなる熱電対２４が複数個直列に接続した構造のサーモパイル２３を設ける。熱電対２４の温接点部２２は、シリコン基板１中心付近に、冷接点部２１は、シリコン基板１周辺部になるように配置する。サーモパイル２３の上は、例えば、ＳＯＧ(Spin On Glass) などの黒体用絶縁膜１７で覆われている。この黒体用絶縁膜１７上には、サーモパイル２３の温接点部２２上で且つ冷接点部２１上にかからないように、例えば、金、銀などの熱を吸収する黒体（熱吸収膜）１４がアモルファスシリコン膜１８を介して配設される。

サーモパイル素子４は、シリコン基板１上のダイヤフラム構造の上に設けられている。このサーモパイル素子４を載置するダイヤフラム構造は、キャビティ１２とこのキャビティ１２を覆ってシリコン基板１の表面上に形成されるメンブレン１２ａから構成される。キャビティ１２は、エッチングなどにより形成され、メンブレン１２ａは、例えば、シリコン窒化膜を、例えば、プラズマＣＶＤ法により形成される。厚さは、１００ｎｍ程度である。メンブレン１２ａ上に熱電対２４を構成するポリシリコン膜２０を形成する。ポリシリコン膜２０を、例えば、ＢＰＳＧ(Boron-doped Phospho-Silicate Glass)膜などの絶縁膜１６で被覆し、絶縁膜１６の表面は平坦化される。そして、平坦化された絶縁膜１６上に熱電対を構成するアルミニウム（Ａｌ）膜１９を形成し、アルミニウム膜１９とポリシリコン膜２０とを接合して複数の熱電対２４を形成する。アルミニウム膜１９は、黒体用絶縁膜１７により被覆される。

冷接点部２１は、ヒートシンクの作用をするシリコン基板１上に配置されており熱吸収膜に覆われていないので、気体に接触しても温度は変化し難いが、温接点部２２は、シリコン基板１から浮いたキャビティ１２上に形成されているので、熱容量が小さく、更にその上部に熱吸収膜が形成されているので、加熱された気体に触れると敏感に温度が変化する。
黒体（熱吸収膜）１４がヒータからの熱を吸収し、サーモパイル２３の温接点部２２の温度が上昇し、温接点部２２と冷接点部２１との間に温度差を生じ、これによって熱電対２４にそれぞれ熱起電力が生じる。サーモパイル２３には、これらの熱電対２４の熱起電力が足し合わされ、サーモパイル引き出し電極２５から出力を取り出すことができる。

図３は、シリコン基板１上に形成されたヒータ２である。ヒータ２は、例えば、ポリシリコン膜から構成される。しかし、この材料に限らず既存のどのような抵抗材料を用いることができる。ポリシリコン膜をヒータに用いた場合、熱電対の一方の材料がポリシリコン膜であるので、ヒータ及び熱電対を形成する工程を同一プロセスで形成することができる。また、ポリシリコン膜を用いるとヒータ及び熱電対は、燐などの不純物のポリシリコン膜への添加量を変えることによりその抵抗値などの電気的特性を容易に調整することができる。ヒータ２には両端に引出し電極２６が設けられている。

次に、図４を参照してこの実施例の熱式フローセンサの作用を説明する。
まず、熱式フローセンサは、ヒータ２に電流を流して発熱させながら上流側及び下流側のサーモパイル素子３、４の出力が監視される。気体の流れていない無風時には、サーモパイル素子３の出力電圧とサーモパイル素子４の出力電圧とは等しい。このとき、センサの熱分布２７は、ヒータ２を中心に左右均等に分布している（図４（ａ））。しかし、矢印で示す方向に、上流側から下流側に向けて気体が移動していると、上流側のサーモパイル素子３の温接点はヒータからの熱の影響が低減されるため降温し、出力電圧が小さくなる。一方、気体によって運ばれる熱で下流側のサーモパイル素子４の温接点は温度が上昇し、出力電圧が大きくなる。従って、両サーモパイル素子３、４の出力電圧値の差により空気の流量を測定することができる。また、この実施例のようにヒータ２の両側にサーモパイル素子３、４を配置した構造の場合には、矢印方向と反対向きに気体が流れた場合にも流体流量（ガス流量）を検出することができる。

この実施例では、ダイヤフラム構造が２つのサーモパイル素子とヒータのそれぞれに配置されているので、それぞれを従来より接近させる必要はなく、ヒータとサーモパイル素子との間隔を従来より広くすることができ、その結果温点と冷点の温度差を広くして出力を向上させると共に感度を向上させることが可能になる。

次に、図５及び図６を参照して実施例３を説明する。
図５は、熱式センサの断面図、図６は、熱式加速度センサの原理を説明する熱式センサの断面図である。この実施例では、熱式センサは、密閉された容器内に配置され熱式加速度センサとして用いられる。
熱式加速度センサとして用いられる熱式センサが形成されたシリコン基板１には、ヒータ３６及びサーモパイル素子３７、３８が形成されている。シリコン基板１表面にヒータ３６を中心にその両側にサーモパイル素子３７、３８が配置されている。これらヒータ３６及びサーモパイル素子３７、３８は、それぞれ専用のダイヤフラム構造の上に形成されている。ダイヤフラム構造は、シリコン基板１上面に上方が広くなった凹状に形成されたキャビティとこのキャビティを封止するメンブレンから構成される。第１のダイヤフラム構造は、シリコン基板１に形成されたキャビティ３４と、シリコン基板１表面に形成され、キャビティ３４を被覆するメンブレン３４ａとから構成され、第１のサーモパイル素子３７が載置される。

第２のダイヤフラム構造は、シリコン基板１に形成されたキャビティ３３と、シリコン基板１表面に形成され、キャビティ３３を被覆するメンブレン３３ａとから構成され、ヒータ３６が載置される。第３のダイヤフラム構造は、シリコン基板１に形成されたキャビティ３５と、シリコン基板１表面に形成され、キャビティ３５を被覆するメンブレン３５ａとから構成され、第２のサーモパイル素子３８が載置される。第１及び第２のサーモパイル素子３７、３８の上面にはそれぞれ熱吸収膜３９、４０が形成されている。
サーモパイル素子は、熱電対が複数個直列に形成配置して構成されている。サーモパイルは、非接触で個々の物体から放射される熱を受けると、そのエネルギーに応じた熱起電力を発生する熱式加速度センサであり、そのエネルギー絶対量（温度）が検出可能である。

次に、図６を参照して熱式加速度センサの作用を説明する。
まず、熱式加速度センサは、ヒータ３６に電流を流して発熱させながら上流側及び下流側のサーモパイル３７、３８の出力が監視される。密閉された容器が静止している時には、サーモパイル素子３７の出力電圧とサーモパイル素子３８の出力電圧とは等しい。このとき、センサの熱分布４１は、ヒータ３６を中心に左右均等に分布している（図６（ａ））。しかし、矢印で示す方向に、下流側から上流側に向けて加速、衝撃が加わったときには、上流側のサーモパイル素子３７の温接点は、ヒータからの熱の影響が低減されるため降温し、出力電圧が小さくなる。一方、加速度等により熱分布は、下流側に傾き、サーモパイル素子３８の温接点は、温度が上昇し出力電圧が大きくなる。従って、両サーモパイル素子３７、３８の出力電圧値の差により加速度を測定することができる。
この実施例では、ダイヤフラム構造が２つのサーモパイル素子とヒータのそれぞれに配置されているので、それぞれを従来より接近させる必要はなく、ヒータとサーモパイル素子との間隔を従来より広くすることができ、その結果温点と冷点の温度差を広くして出力を向上させると共に感度を向上させることが可能になる。

次に、図７を参照して実施例３を説明する。
図７は、熱式加速度センサの平面図及びこの平面図のＢ−Ｂ′線に沿う部分の断面図である。本実施例も熱式センサを熱式加速度センサとして応用した例であり、基本的な構造および機能は前述の実施例２と同様である。図７（ａ）に示す様に、シリコン基板１には、ヒータ２及びサーモパイル素子３、４が横方向に一列に形成されている。そして、シリコン基板１表面にヒータ２を中心にその上下方向の両側にサーモパイル素子５、６が配置されている。これらヒータ２及びサーモパイル素子３、４、５、６は、それぞれ専用のダイヤフラム(diaphragm) 構造の上に形成されている。ダイヤフラム構造は、シリコン基板１上面に上方が広くなった凹状に形成されたキャビティとこのキャビティを封止するメンブレンから構成される。第１乃至第３のダイヤフラム構造は、既に述べ、図５に示した通りであるので説明を略す。

図７（ｂ）に示す様に、第４のダイヤフラム構造は、シリコン基板１に形成されたキャビティ２９と、シリコン基板１表面に形成され、キャビティ２９を被覆するメンブレン２９ａとから構成され第３のサーモパイル素子５が載置される。第５のダイヤフラム構造は、シリコン基板１に形成されたキャビティ３０と、シリコン基板１表面に形成され、キャビティ３０を被覆するメンブレン３０ａとから構成され、第４のサーモパイル素子６が載置される。第１乃至第４のサーモパイル素子３、４、５、６の上面にはそれぞれ熱吸収膜１３、１４、３１、３２が形成されている。

この実施例では、ヒータ２を中心に２つの軸を構成するようサーモパイル素子が配置されている。すなわち、サーモパイル素子３、ヒータ２、サーモパイル素子４の配列により第一の軸が構成され、サーモパイル素子５、ヒータ２、サーモパイル素子５の配列により第二の軸が構成される。これにより２つの軸方向に対する加速度を測定することができる。

実施例１に係る熱式センサの平面図及び平面図に示すＡ−Ａ′線に沿う部分の断面図。熱式センサを構成するサーモパイル素子が形成されたシリコン基板の断面図及びサーモパイル素子の模式平面図。図１に示す熱式センサを構成するヒータの模式平面図。熱式フローセンサの原理を説明する熱式センサの断面図。実施例２に係る熱式センサの断面図。熱式加速度センサの原理を説明する熱式センサの断面図。実施例３に係る熱式センサの平面図及びこの平面図のＢ−Ｂ′線に沿う部分の断面図。従来の流体検知センサの平面図及びＣ−Ｃ線断面図。

符号の説明

１・・・シリコン基板
２・・・ヒータ
３、４・・・サーモパイル素子
１０、１１、１２・・・キャビティ
１０ａ、１１ａ、１２ａ・・・メンブレン
１３、１４・・・熱吸収膜
２１・・・冷接点部
２２・・・温接点部
２３・・・サーモパイル
２４・・・熱電対
２７、２８・・・熱分布

Claims

半導体基板と、前記半導体基板表面に形成され、間隔をおいて一列に配置された第１、第２及び第３のダイヤフラム構造と、中央に位置する前記第２のダイヤフラム構造上にメンブレンを介して形成されたヒータ素子と、前記第２のダイヤフラム構造の両側に配置された前記第１及び第３のダイヤフラム構造上にそれぞれメンブレムを介して形成された第１及び第２のサーモパイルセンサとを具備した熱式センサにおいて、第４及び第５のダイヤフラム構造を更に有し、前記第１、第２及び第３のダイヤフラム構造からなる配列と、前記第４、第２及び第５のダイヤフラム構造からなる配列とは、互いに直角に配置され、前記第４及び第５のダイヤフラム構造上には、それぞれメンブレムを介して形成された第３及び第４のサーモパイルセンサとを備え、前記ヒータ素子と前記各ダイヤフラム構造上に形成された各サーモパイルセンサとの間隔は、１つのダイヤフラム構造に形成されたヒータ素子とサーモパイルセンサとから構成された熱式センサの前記ヒータ素子と前記サーモパイルセンサとの間隔より広くして、冷点及び温点の温度差を大きくすることを特徴とする熱式センサ。
前記半導体基板は、密閉された容器に収納され、前記第１のサーモパイルセンサによって検出される温度から得られる出力電圧と、前記第２のサーモパイルセンサによって検出される温度から得られる出力電圧との差の変化を測定し、前記容器の状態変化を検出することを特徴とする請求項１に記載の熱式センサ。
前記半導体基板は、流体の流れる方向と、前記第１及び第２のサーモパイルセンサで形成される列の方向とが平行になるように前記流体の流路内に配置され、前記第１のサーモパイルセンサによって検出される温度から得られる出力電圧と、前記第２のサーモパイルセンサによって検出される温度から得られる出力電圧との差の変化を測定し、前記流体の有無又は流量を検出することを特徴とする請求項１に記載の熱式センサ。