JPH03204011A - 温度制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電子デバイス例えば、フォトダイオード、
レーザダイオードのような半導体素子等を一定、かつ、
高精度に動作させるだめの温度制御装置に関する。

半導体素子を用いた寸法測定器、光フアイバ破断点測定
器等の光学的測定装置では、受光素子、発光素子の温度
による受光感度、発振周波数のゆらぎなどが測定精度の
劣化につながるので、半導体素子を温度的に一定の状態
で動作させる必要がある。この発明はこれらの目的のた
めに使用するものである。

〔従来の技術〕

従来、各種電子デバイス等の温度制御には、ペルチェ素
子を用いた温度制御装置が用いられてきた。この場合、
温度センサからの温度検出信号をペルチェ素子に流れる
電流にフィードバックさせて、温度制御していた。

このような温度制御における問題点としては、被温度制
御物が発生ずる熱あるいは外部からの熱によって制御の
精度が乱されることがあった。

つまり、従来の温度制御では、ペルチェ素子に電流を流
してから、被温度制御物の温度制御をすべき面の温度を
一定に保つまでの熱応答時間が長いために、＞ｔ＜　温
度制御物例えば、半導体レーザの発熱による瞬時の温度
変化に高速かつ精密に対応する温度制御は困難であった
。したがって、高速かつも１密な温度制御を実現するた
めに、ペルチェ素子の熱応答時間の短縮が必要であった
。

次式に熱応答時間を求める式を示す。

熱応答時間−熱抵抗×熱容量 ただし　熱抵抗−長さ／（熱伝導率×断面積）熱容尾−
密度×体積×比熱 従来、吸熱（発熱）電極から温度制御をすべき面までは
、熱伝導率が約２００　（Ｊ／ｓ、ｍ、Ｋ）の高熱伝導
性セラミックが用いられ、厚さは一般的に約１（ｍｍ）
であった。

また、電極には熱伝導性のよいＡ１等の金属が用いられ
てきた。Ａｆの密度が２．７（ｇ／ｃｍ３）、比熱が０
．９　（Ｊ／ｇ、　Ｋ）であり、厚さが一般的に約０．
３（ｍｍ）であった。Ａｊ２の吸熱（発熱）電極の熱容
量と、高り１ノ５伝導性セラミツクの熱抵抗とから熱応
答時間が求められる。

その結果、吸熱（発熱）電極から温度制御をすべき而ま
での熱応答時間は約４　Ｘ　１０−”　（Ｓ）であった
。一方、ペルチェ効果を発生させるｎ型あるいはｐ型の
熱雷半導体自身が、熱的に安定になるまでの時間も問題
になる。これらの熱電半導体には従来からビスマス（Ｂ
ｉ）、テルル（Ｔｅ）の化合物が用いられてきた。ビス
マス（Ｂｉ）の熱伝導率が８（Ｊ／ｓ。

ｍ、Ｋ）、テルル（Ｔｅ）が同様に２　（Ｊ／ｓ、ｎ＋
、Ｋ）であり、厚さがどちらも一般的に約２　（ｍｍ）
であった。

Ａｐの吸熱（発熱）電極の熱容量よ、ビスマス（Ｂｉ）
、テルル（Ｔｅ）の化合物の熱抵抗とから熱応答時間が
求められる。その結果、これら熱電半導体の熱応答時間
は約０．２〜０．７（Ｓ）であった。

このように熱雷半導体の熱応答時間は、高熱伝導性セラ
ミックの熱応答時間の約５０〜１７５倍であった。

つまり、温度制御装置の熱応答時間は、はとんど熱電半
導体の熱応答時間で決定されていた。

したがって、温度制御装置の熱応答時間を短縮して精密
かつ高速な温度制御をするためには、従来のペルチェ効
果のみを用いた温度制御装置では限界があることがわか
った。

一方、高速かつ精密な温度制御のためには、被温度制御
素子の温度を高速かつ精密に測定することが当然必要で
あり、高速応答型温度センサとしては、同一出願人が平
成１年１２月５日特許出願した「半導体素子の温度制御
装置と、それに用いた温度センサ」において、３　Ｘ　
１Ｏ−５（Ｓ）まで熱応答時間が短縮された旨の報告が
されている。

以上述べたように、高速応答型温度センサを生かした高
速応答型温度制御装置を実現することは従来型ペルチェ
素子を用いる限り困難であった。

〔発明が解決しようとする課題〕

半導体レーザ等の半導体素子における急な発熱でも、高
速に応答させることにより、被温度制御物を常に一定に
かつ高精度に制御でき、しかも発熱量の多少に拘らず常
に一定にかつ高精度に制御できる温度制御装置を実現す
ることが、この発明の課題である。

〔課題を解決するための手段〕

この発明では、ペルチェ素子上に第１の薄膜温度センサ
があり、さらにその上にヒータ、第２の２；す膜温度セ
ンサがあり、しかもそれぞれの間に絶縁膜を設けること
により、ペルチェ素子表面の温度と、温度制御をすべき
面（以下、単に温度制御面とも言う）の温度をそれぞれ
独立に検出し、ペルチェ素子表面の検出信号とを、ペル
チェ素子の温度制御回路に、又、温度制御面の検出借上
をヒータ温度制御回路にそれぞれ独立にフィードバッり
することにより、温度制御面の温度を制御させる。ここ
で、温度センサおよびヒータを薄膜化させ、熱容￥、熱
抵抗を小さくさせる構造とすることにより、温度制御面
とヒータとの間の熱応答時間、及び温度制御面と第２の
薄膜温度センサとの間の熱応答時間を共に短縮させる温
度制御装置を実現するものである。

〔作用〕

本発明の温度制御装置において、温度制御面の温度制御
はペルチェ素子により粗に、ヒータにより密に行なって
いる。また、ヒータと温度制御面の間の絶縁膜は、熱伝
導率が低い場合は膜厚を薄く、膜厚が厚い場合は熱伝導
率の高いものを用いている。その結果、温度制御装置の
熱応答時間は少なくとも０．１　（Ｓ）以下であり、第
２の薄膜温度センサの熱応答時間は少なくともＩ　Ｘ　
１Ｏ−５（Ｓ）以下である。また、薄膜半導体プロセス
を用いることにより、温度センサも積層化させることが
できるため、外部からの温度センサの取付等は不要であ
る。

〔実施例〕

第１回は、本発明による温度制御装置卸の一実施例の概
念図である。この発明では、第１の薄膜温度センサ３の
温度検出信号をペルチェ素子１にフィードバックするこ
とより、温度制御すべき面すなわち第４の絶縁膜８（以
下、温度制御面という）の温度を粗に制御している。そ
して、さらに第２の薄膜温度センサ７の温度検出信号を
ヒータ５にフィードバンクすることにより、温度制御面
の温度を密に制御している。これらの特徴があるので、
温度制御装置の熱応答時間は短縮でき、温度制ｊｌＵ面
を高速かつ精密に温度制御できる。また第２の薄膜温度
センサ７の上には第４の絶縁膜８しかないので、第２の
薄膜温度センサ７の熱応答時間も短縮でき、薄膜半導体
プロセスにより温度センサも積層化されているため、外
部からの温度センサの取付けが不要であることも特徴で
ある。

第１表は、温度制御装置の熱応答時間と第２の薄膜温度
センサ７の熱応答時間とについて、それぞれ従来のもの
と本発明のものとの比較を示した。

第１表 単位（Ｓ）：秒 二の第１表かられかるように、本発明による温度制御装
置、及び第２の薄膜温度センサ７の熱応答時間は、従来
のものに比べ短縮されている。−また、本発明の温度制
御装置では、第３及び第４の絶縁膜６．８に熱伝導率２
０（Ｊ／ｓ、ｍ、Ｋ）、密度３．９（ｇ／ｃｍ３）、比
熱０．８（Ｊ／ｇ、Ｋ）の　八！２０３を５（ｌ１ｍ）
だけ用いた場合、温度制御装置の熱応答時間は８×１０
−“（Ｓ）、第２の薄膜温度センサ７の熱応答時間は４
×１Ｏ−６（Ｓ）まで短縮できた。これらの高速化は、
フォトエツチングに代表される薄膜半導体プロセスを用
いることにより、この温度制御装置を薄膜の積層構造に
できたことによる。ここで、本発明による温度制御装置
の製造法について説明する。

第１の絶縁膜２としてはＡＩ！、ｚ（１＋、ＡＩ　Ｎ、
　５１３Ｎ４等の絶縁性基板を用いるペルチェ素子１で
は、温度を粗に制御するため、この絶縁性基板の熱応答
速度は短かい必要はない。この絶縁性基板上に第１の薄
膜温度センサ３を形成する。第２図は、この薄膜温度セ
ンサ３の実施例である。

本発明に係る温度制御装置に用いる第１の薄膜温度セン
サ３及び第２の薄膜温度センサ７としては、温度を検出
できる構造で、かつ各電極の一部がそれぞれ露出してい
ればよい。−例として、第２図に示す橋絡接合型あるい
は単なる薄膜抵抗体型がある。抵抗値温度係数の大きな
薄膜抵抗体としては、ａ　−Ｓ　ｉ　：　ＩＩ、ａ　−
Ｇ　ｅ　：　Ｉｆ等の非晶質半導体薄膜が用いられるが
、抵抗値温度係数の大きな薄膜抵抗体であれば何でもよ
い。一方、抵抗値温度係数の小さな薄膜抵抗体としては
、Ｔａ２Ｎ等の薄膜抵抗体が用いられるが、抵抗値温度
係数の小さな薄膜抵抗体であれば何でもよい。また、電
極には、Ａｕ等の金属が用いられる。これらの物質を用
いてフォトエツチングに代表される薄膜半導体プロセス
を行なうことにより、薄膜温度センサを形成する。

続いて、薄膜形成技術により　Ａ　１２２０３＋　ａ　
−Ｓ　ｉＮ　ｘＳｉｎ、熱硬化性ポリイミド等の絶縁膜
を形成する。

この絶縁膜が第２の絶縁膜４である。ペルチェ素子ｌで
は温度を粗に制御するため、この絶縁膜４の熱応答時間
は必ずしも短かい必要はない。

また、この絶縁膜４は第１の薄膜温度センサ３の各電極
の一部をそれぞれ露出するように形成されることが望ま
しい。続いて、ヒータ５を形成する。温度制御面の温度
面内均一性を考えると、ヒータ５は薄膜状で全体に広が
っていることが望ましい。ヒータ５の材料としては、Ｎ
ｉＣｒ等が用いられる。続いて、　ＡＩ！、２０３　、
　ａ−３ｉＮｘ等の絶縁膜を形成する。この絶縁膜が第
３の絶縁膜６である。

ヒータ５では温度を密に制御するため、この絶縁膜６の
熱応答時間は短かくなくてはならない。

正確には、第３の絶縁膜６と第４の絶縁膜８の熱応答時
間の合計が０．１（Ｓ）以下になるようにする。第３の
絶縁膜６は、ヒータ５の電極を露出させるように形成す
る。

続いて、第２の薄膜温度センサ７を形成する。

この第２の薄膜温度センサ７の作製法及び構造は第１の
薄膜温度センサ３と同様である。続いて。

Ａｊ２　ｚｏ：＋＋ａ−３ｉＮＸ等の絶縁膜を形成する
。この絶縁膜が第４の絶縁膜８である。第４の絶縁膜８
の熱応答時間は４　Ｘ　１Ｏ−６（Ｓ）まで短縮できる
。この絶縁膜８も、第２の絶縁膜４と同様に、第２の薄
膜温度センサ７の各電極の一部をそれぞれ露出するよう
に、形成されなければならない。そして、第１の絶縁膜
２である絶縁性基板を、ペルチェ素子１上に取り付ける
。その結果、本発明に係る温度制御装置２０が得られる
。

第３図に本発明に係る温度制御装置卸の一実施例を示す
。

第１の温度コントローラ９は、第１の薄膜温度センナ３
からの温度検出信号をフィードバックすることにより、
ペルチェ素子ｌに電流を流し、温度制御面の温度を粗に
、例えば±１００１００（程度に制御する。

一方、第２の温度コントローラ１０は、第２の薄膜温度
センサ７からの温度検出信号をフィードバックすること
により、ヒータ５に電流を流し、温度制御面の温度を密
に例えば±１０（ｍＫ）以下に制御する。その結果、温
度制御面の温度を高速かつ精密に制御する。

なお、本実施例では、温度コントローラを第１と第２の
２つに分けているが、１つの装置に組み込んでも全く差
し支えない。

また、本発明における非晶質を用いた橋絡接続の薄１１
り温度センサでは、温度検出電圧１　（ｍＶ／Ｘ）以上
が得られているため、被温度制御面の温度安定度は±１
０　（ｍＫ）以下が得られる。

〔発明の効果］ 本発明に係る温度制御装置では、第１の薄膜温度センサ
の温度検出信号から、ペルチェ素子により温度を粗に制
御し、かつ第２の薄膜温度センサの温度検出信号から、
ヒータにより温度を密に制御し、かつ第２の薄膜温度セ
ンサの温度制御面に対する熱応答時間を短縮できる温度
制御装置としたから、次に示すような固有の効果を有す
る。

（１）熱応答時間がｌ　ｘ　１Ｏ−５（Ｓ）以下と短い
ので、高速かつ精密な温度制御装置を実現することがで
きた。

（２）温度センサが組み込まれているので、新たに外部
から温度センサを取付ける必要がなく、作業性がよい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る温度制御装置の一実施例の概念図
を、第２図は本発明に用いる薄膜温度センサの一実施例
を、第３図は本発明の温度制御装置の一実施例をそれぞ
れ示す。 図において、１はペルチェ素子、２は第１の絶縁膜、３
は第１の薄膜温度センサ、４は第２の絶縁膜、５はヒー
タ、６は第３の絶縁膜、７は第２の薄膜温度センサ、８
は第４の絶縁膜、９は第１の温度コントローラ、１０は
第２の温度コントロラ、卸は温度制御装置をそれぞれ示
す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ペルチェ素子（１）と； 該ペルチェ素子（１）上に形成された第１の絶縁膜（２
   ）と； 該第１の絶縁膜上に形成された第１の薄膜温度センサ（
   ３）と； 該第１の薄膜温度センサ上に形成された第２の絶縁膜（
   ４）と； 該第２の絶縁膜上に形成されたヒータ（５）と；該ヒー
   タ上に形成された第３の絶縁膜（６）と；該第３の絶縁
   膜上に形成された第２の薄膜温度センサ（７）と； 該第２の薄膜温度センサ上に形成された第４の絶縁膜（
   ８）と； 前記第１の薄膜温度センサの温度検出信号を受けて、前
   記第４の絶縁膜の表面温度を粗く制御するための電流を
   前記ペルチェ素子に送り出す第１の温度コントローラ（
   ９）と； 前記第２の薄膜温度センサの温度検出信号を受けて、前
   記第４の絶縁膜の表面温度を密に制御するための電流を
   前記ヒータに送り出す第２の温度コントローラ（１０）
   とを備えたことを特徴とする温度制御装置。