JP7164177B2 - 温度センサ及びその製造方法 - Google Patents
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Description
[温度センサ]
図1は、本発明の実施の形態の温度センサ1の構造を示す斜視図であり、図2(a)は、図1の上からの平面図、図2(b)は、(a)のI-I’線に沿った断面図である。
図1及び図2に示すように、本発明の実施の形態の温度センサ1は、温度検知部6と、温度検知部6に隣接して配設される流路4aと、必要に応じて配設される別の流路4bと、温度検知部6上または周囲に隣接して配設される第1電極3aと、流路4a、4b内もしくは流路4a、4b外において電極3aとは電気的に接続されていない第2電極3b1、3b2と、流路4a、4b内にそれぞれ満たされる熱電変換液体2a、2bと、温度検知部6と第1電極3aと、第2電極3b1と、第2電極3b2との間の絶縁/断熱層7とを、少なくとも含んで構成されていることを特徴とする。
図5は、温度センサ1の製造方法の一例を、順次に示す模式的な断面図である。
図5(A)に示すように、Si層13(ここでは流路形成として用いる)、SiO2層14、ハンドリング用Si層15(ここでは温度検知部用としても用いる)を有する基板16を準備する。SOI基板を例にするが、Si基板上にSiO2、Siを製膜した基板でもよい。なお、今回用いた温度センサ1における各層の厚みは、Si層13:100μm、SiO2層14:1μm、Si層15:250μmである。
図5(C)に示すように、基板16に対し、流路4a、4bの一部の絶縁/断熱層7上に、第1電極3a、第2電極3b1、3b2を形成する。流路4a、4bの側壁にも、第1電極3a、第2電極3b1、3b2を成膜する必要があるので、今回はステンシルマスクによるリフトオフパターニングを用いる。
図5(E)に示すように、テンパックスガラス17を準備する。
図5(F)に示すように、テンパックスガラス17に、流路4a、4bの入口4a1と4b1及び出口4a2と4b2、第2電極3b1および3b2へのアクセス用貫通孔18の形成を行う。このガラスのエッチングには、サンドブラストを使用することができる。
最後に図5(H)に示すように、基板16とテンパックスガラス17とを接合する。接合条件の一例は、110℃、数100gの加熱加圧である。
なお、温度検知部6の形成は必ずしもSiの加工である必要はなく、検知面から熱電変換液側に伝熱できればよいので、例えば金属線を埋め込む等で代替してもよい。
以上で、温度センサ1が作製される。
温度センサ1の製造方法の変形例として、1種の熱電変換液体2a、2bを用いるセンサの製造方法について説明する。Siやガラス等の固い基板の場合でも、ポリマー等のフレキシブルな基板を用いた場合も、基本的には同様の工程で作製することができる。フレキシブル型のセンサの製造方法を例に述べる。
図6は、温度センサ1を1種の熱電変換液体2a、2bを用いたフレキシブルなセンサの場合の製造方法の1例を説明する図である。
図6(B)に示すように、基板16上のSi層13にパターニングを施し,温度検知部6を形成する。
図6(C)に示すように、温度検知部6側の上面一面に絶縁/断熱層7としてSiO2を成膜する。
図6(D)に示すように、温度検知部6上を除いて、フォトレジストまたはポリミド層19をパターニングする。
図6(F)に示すように、ポリミドシート20上に、第2電極3b1を形成する。フォトレジストマスクによるエッチングでも、ステンシルマスクによるリフトオフでも、どちらの手法でもパターニングできる。
図6(G)に示すように、ポリミドシート20上にポリマー層21による流路4aを形成する。ポリジメチルシロキサンのような多少粘着性のあるポリマーのシートに対して、所望の形状、流路や穴をカッティング加工してから、ポリミドシート20と接合してもよいし、ポリマーを塗布した後、フォトリソグラフィ等の何らかの方法でパターニングしてもよい。
図6(I)に示すように、ポリミドシート20と基板16とを、第1電極3aへの接続部22にアクセスできる状態を維持して接合する。
図6(J)に示すように、不要なSiO2層14とSi層15とを除去する。
図6(K)に示すように、必要であれば、温度検知部6の内部を空洞に追加工する。
また、前記基板16として金属シートやカーボンシート用い,それそのものを第1電極3aとして用いる場合、図6(A)から(E),(I)から(K)の工程を行わず、図6(F)から(G)の工程を行った後、基板16と接合する。なお,基板16に断熱用の層を設ける場合,接合前に断熱層を基板16上にパターニングする。
図7は、図5に示す製造方法を用いて製作した温度センサ1を示す光学顕微鏡像である。
図7に示すように、電極2組、第1電極3aと第2電極3b1および3b2(うち1つ(第1電極3a)は共通)、電極へのアクセス用貫通孔18、2つの流路4aおよび4bが確認できる。流路4a、4bとアクセス用貫通孔18以外は接着層8で覆われており、干渉縞が見えないことから、接合が成功したと判断できる。
図8は、温度検知部6に隣接して配設される流路4a、4bに0.4M LiI&I2水溶液、3%NaOH含有PEGを導入した後の、温度検知部6周囲の光学顕微鏡像である。特に漏れ等もないことが確認できる。
次に、温度検知部6を、加熱用レーザ23を用いて加熱し、その時の電圧を検出した。図9は、その実験系を示す。温度検知部6に照射する加熱用レーザ23の強度を変化させた際の電圧変化を、電圧計24で検出する。図10は、実際の温度センサ1と同様の構造にて、温度検知部6に加熱用レーザ23を照射した際の、温度検知部6の温度変化を有限要素法により解析的に算出した図である。
2a、2b 熱電変換液体(イオン液体)
3a 第1電極
3b1.3b2 第2電極
4a、4b 流路
4a1.4b1 入口
4a2.4b2 出口
5 区分壁
6 温度検知部
7 絶縁/断熱層
8 接着層
9シール部
10 熱源
11 高温領域
12 低温領域
13 Si層
14 SiO2層
15 (ハンドリング用)Si層
16 基板
17 テンパックスガラス
18 アクセス用貫通孔
19 フォトレジストまたはポリミド層
20 ポリミドシート
21 ポリマー層
22 接続部
23 加熱用レーザ
24 電圧計
Claims (8)
- 1または複数の層により形成され、各層は、シリコン(Si)製またはガラス(SiO 2 )製の固い材料から成る基板、または、フレキシブル材料から成る基板を用いて形成されており、
温度変化に対して電気的特性が変化する熱電変換液体と、
温度検知部と、
該温度検知部上または周囲に備えられた第1電極と、
前記温度検知部に隣接して配設された流路と、
該流路内外に備えられた、前記第1電極とは電気的に接続されていない第2電極とを有し、
前記熱電変換液体は、少なくとも1種類以上から成り、前記流路中に保持され、前記第1電極と前記第2電極に接しており、
前記温度検知部で発生する熱を、前記熱電変換液体の温度変化に伴う電気的特性の変化として検知するよう構成されていることを
特徴とする温度センサ。 - 温度変化に対して電気的特性が変化する熱電変換液体と、
温度検知部と、
該温度検知部上または周囲に備えられた第1電極と、
前記温度検知部に隣接して配設され、入口及び出口を有している流路と、
該流路内外に備えられた、前記第1電極とは電気的に接続されていない第2電極とを有し、
前記熱電変換液体は、少なくとも1種類以上から成り、前記流路中に保持され、前記第1電極と前記第2電極に接しており、
前記温度検知部で発生する熱を、前記熱電変換液体の温度変化に伴う電気的特性の変化として検知するよう構成されていることを
特徴とする温度センサ。 - 温度変化に対して電気的特性が変化する熱電変換液体と、
内部が空洞になっている温度検知部と、
該温度検知部上または周囲に備えられた第1電極と、
前記温度検知部に隣接して配設された流路と、
該流路内外に備えられた、前記第1電極とは電気的に接続されていない第2電極と、
前記流路を区分するよう前記温度検知部に接続された区分壁とを有し、
前記熱電変換液体は、少なくとも1種類以上から成り、前記流路中に保持され、前記第1電極と前記第2電極に接しており、
前記区分壁は断熱のため、5~10μmまで幅寸法が細くなっており、
前記温度検知部で発生する熱を、前記熱電変換液体の温度変化に伴う電気的特性の変化として検知するよう構成されていることを
特徴とする温度センサ。 - 温度変化に対して電気的特性が変化する熱電変換液体と、
温度検知部と、
該温度検知部上または周囲に備えられた第1電極と、
前記温度検知部に隣接して配設された流路と、
該流路内外に備えられた、前記第1電極とは電気的に接続されていない第2電極とを有し、
前記熱電変換液体は、少なくとも1種類以上から成り、前記流路中に保持され、前記第1電極と前記第2電極に接しており、
前記流路は、内部に保持される前記熱電変換液体の流速を制御可能であり、
前記温度検知部で発生する熱を、前記熱電変換液体の温度変化に伴う電気的特性の変化として検知するよう構成されていることを
特徴とする温度センサ。 - 温度変化に対して電気的特性が変化する熱電変換液体と、
温度検知部と、
該温度検知部上または周囲に備えられた第1電極と、
前記温度検知部に隣接して配設された流路と、
該流路内外に備えられた、前記第1電極とは電気的に接続されていない第2電極とを有し、
前記熱電変換液体は、少なくとも1種類以上から成り、前記流路中に保持され、前記第1電極と前記第2電極に接しており、
前記温度検知部の周囲または一部が、Siおよび金属より熱伝導率の低い断熱層でおおわれており、
前記温度検知部で発生する熱を、前記熱電変換液体の温度変化に伴う電気的特性の変化として検知するよう構成されていることを
特徴とする温度センサ。 - 第1基板に対して、30 W/mKを超える熱伝導率を有する材料から成る温度検知部を形成する工程と、
該温度検知部の内部を空洞にする工程と、
前記温度検知部の周りに断熱絶縁層を形成し、前記温度検知部の側壁に接するよう第1電極を形成する工程と、
前記温度検知部に隣接して流路を配設する工程と、
該流路上に断熱絶縁層を形成する工程と、
前記第1電極と絶縁された第2電極を、前記流路に、前記第1電極と対峙して形成する工程と、
第2基板に対して、前記流路の入口および出口、前記第1電極および前記第2電極との接続孔を形成する工程と、
前記第1基板と前記第2基板とを接合する工程と、
温度変化に対して電気的特性が変化する熱電変換液体を、前記流路に収納する工程とを、
有することを特徴とする温度センサの製造方法。 - 前記第1基板は、導電性かつ30 W/mKを超える熱伝導率の基板またはフレキシブルシートから成り、
前記第1電極は、前記第1基板そのものから成り、
前記第1基板の上面および/または下面を、断熱のため、部分的に、Siおよび金属より熱伝導率の低い材料で覆う工程を有することを
特徴とする請求項6記載の温度センサの製造方法。 - 前記第2基板に対して、前記第2電極および前記流路を形成することを特徴とする請求項7記載の温度センサの製造方法。
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US20130276850A1 (en) | 2012-04-20 | 2013-10-24 | Acreo Swedish Ict Ab | Thermoelectric device |
WO2017155046A1 (ja) | 2016-03-09 | 2017-09-14 | 国立研究開発法人科学技術振興機構 | 熱電変換材料とそれを有する熱電変換装置、熱化学電池及び熱電センサー |
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2018
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