JPH03274707A - 温度センサ - 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、特にフォトダイオード、レ
ーザーダイオードのような半導体素子を一定、かつ、高
精度に動作させるための温度制御装置として用い、外部
に基準抵抗体を必要としない集積化温度センサに係り、
特に温度を敏感、かつ、高精度に制御するためのリニア
リティ（直線性）の良い集積化した温度センサに関する
。

精密な温度制御を必要とする半導体素子としては、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に
用いられる受光素子、発光素子がある。これらの半導体
素子は、温度による影響が大きく、温度ドリフトによる
受光感度、発振周波数のゆらぎなどが測定精度の劣化に
つながっており、本発明による温度センサを使用した温
度制御装置は、半導体素子を一定の状態で動作させるこ
とができ、したがって、測定精度を向上させることがで
きるようにする目的を実現するために使用させるもので
ある。

〔従来の技術〕

絶縁性基板上に薄膜抵抗体を用いて橋絡接続を形成した
温度センサは、同一出願人による「半導体素子の温度制
御装置と、それに用いた温度センサ」　（特願平１−３
１５６４４）において既に開示されている。

この開示されている温度センサの特徴は、（１）熱検出
用薄膜抵抗体と基準用抵抗体を集積化させることより配
線等によるノイズをなくし、（２）熱検出部に温度係数
が白金薄膜の有する温度係数よりも大きく、かつ、シー
ト抵抗が白金薄膜よりも数桁大きい非晶質半導体を用い
たので、起生形で、かつ、消費電力の小さい高速・高感
度の温度センサであり、具体的には熱応答速度が０．１
（ｓ）以下と速くでき、しかも検出感度が１　（ｍＶ／
Ｋ）以上と大きくできることであった。

しかしながら、一方では、抵抗温度係数が大きい薄膜抵
抗体と抵抗温度係数が小さい薄膜抵抗体とから構威され
た橋絡接続型の温度センサであるので、測定温度範囲が
広くなると検出電圧の非直線性が生じ、特に基準温度よ
り離れた温度を測定するには、検出感度が相対的に減少
し、したがって、外部的に補正回路が必要であった。

一方、白金やニッケル等温度係数の大きな金属薄膜を用
いた温度センサも実用化されている。

例えば、白金薄膜温度センサでは、形状が１０ｎｍＸ　
３　＋ｗ＋ｎＸ　Ｏ，６ｗ＋ｍ程度と大きく、また基準
抵抗体と組み合わせて橋絡接続型の温度センサを構威し
た場合、第４図の一点鎖線すに示すように検出感度の非
直線性が大きくなり、したがって、高速・高感度型の集
積化した温度センサとしては実現されていなかった。こ
のため、測定温度範囲が広い領域において検出感度が大
きく、しかも直線性に優れた小形でかつ、薄膜型である
高速・高感度型の集積化した温度センサの実現が要望さ
れていた。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 抵抗温度係数が負である薄膜抵抗体と、抵抗温度係数が
正である薄膜抵抗体とを用いて相互の特徴を生かした集
積化温度センサ、特に橋絡接続を用いた回路構成におい
て、検出感度が大きくしかも直線性に優れた小型で、か
つ、薄膜型である高速・高感度型の集積化した温度セン
サを得ることが、この発明の課題である。

［課題を解決するための手段］ この発明は、検出感度が大きくしかも直線性に優れた温
度センサをすなわち、抵抗温度係数が大きく、かつ、負
である非晶質薄膜抵抗体（単に薄膜抵抗体ということも
ある〉と、抵抗温度係数が大きく、かつ、正である金属
薄膜抵抗体（単に薄膜抵抗体ということもある）とを、
フォトエツチングに代表される薄膜半導体プロセスによ
り絶縁性基板上に橋絡接続して検出回路を構威し、シー
ト抵抗の大きな非晶質薄膜抵抗体とシート抵抗の小さな
金属薄膜抵抗体の配列を最適化させれば小型化が図れ、
従って高速・高感度で、かつ、直線性のよい温度センサ
が得られるという発明者の発見した事実に基づく。

この事実を利用して、本発明は、 「絶縁性基板上あるいは、表面を絶縁膜で覆った金属基
板上に、抵抗温度係数が負である薄膜抵抗体と、抵抗温
度係数が正である薄膜抵抗体とを橋絡接続して検出回路
を構威し、その検出できる電圧が大きく、シかも直線性
に優れた小型で、かつ、高速・高感度である温度センサ
」を実現することを目的とするものである。

（作用〕 この発明において、橋絡接続を形成する。

抵抗温度係数が負である非晶質薄膜抵抗体の抵抗温度依
存性は、少なくとも導電率ＩＳ−ｅｍ−’以上において
−０，３（χ７Ｋ）以上あり、抵抗温度係数が正である
薄膜抵抗体の抵抗値温度依存性は、導電率６　Ｘ　１０
’　Ｓ　−Ｃ１ｍ−’以上において少なくとも０．３５
（Ｘ／Ｋ）以上ある。

また、本発明による温度センサに所定の電圧を印加した
場合の検出感度は、常温付近において少なくとも２　（
ｍＶ／Ｋ）以上あり、しかも直線性がよい（以下、特に
断らない限り抵抗温度係数及び検出感度は常温付近の値
とする）。

橋絡接続による抵抗値は少なくとも約１　（ｋΩ）以上
で、消費電力は少なくとも０．２５（ｍＷ）以下である
。また、その抵抗値は少なくとも約１０（ｋΩ）以下で
あるので、熱抵抗に起因するノイズによる検出信号の劣
化はない。

〔実施例］ 第１図は、この発明に係る温度センサの一実施例を示す
図である。

この発明に係る温度センサは、絶縁性基板１あるいは表
面を絶縁膜で覆った金属基板１上に、シト抵抗の大きな
非晶質半導体薄膜抵抗体３ａ、　３ｂとシート抵抗の小
さな金属薄膜抵抗体４ａ、　４ｃとがほぼ同し抵抗値に
なるように最も適した配列としたものであり、２つの電
極対２ａ、　２ｂと２ｃ、２ｄとが前記絶縁性基板１上
の有効面上に実質的に最長距離だけ離れた位置にあり、
抵抗温度係数が負であり、かつ、シート抵抗の大きな非
晶質半導体薄膜抵抗体３ａ、　３ｂはそれぞれ近接して
配置された電極２ａ、　２ｂ間及び電極２ｃ、　２ｄ間
に設けられ、抵抗温度係数が正であり、かつ、シート抵
抗の小さな金属からなる金属薄膜抵抗体４ａ、　４ｂは
それぞれ最長距離だけ離れた電極２ａ、　２ｃ間と電極
２ｂ、　２ｄ間に設けられている。

第２図は、本発明に用いた橋絡接続の検出回路を示す。

温度変化による検出電圧Ｖｏｕｔの大きさをつぎの式で
示す。

Ｖｏｕｔ　＝　ｌ　　（Ｒｐ　−Ｒｎ　）　／　（Ｒｐ
　＋Ｒｎ　）×■。

ここで、　■。はバイヤス電圧、Ｖｏｕｔは検出電圧、
Ｒｎは抵抗温度係数が負である薄膜抵抗体３ａ、　３ｂ
の各抵抗値、Ｒ，は抵抗温度係数が正である薄膜抵抗体
４ａ＋　４ｂの各抵抗値示す。

図に示すように、抵抗温度係数が負である薄膜抵抗体Ｒ
ｎと抵抗温度係数が正である薄膜抵抗体Ｒｐとを組み合
せたので、検出感度が従来型よりも大きくでき、しかも
直線性に優れ、小型で、かつ、薄膜型であることより高
速応答性であることが特徴である。

上記式より、検出電圧Ｖｏｕｔを増大させるためには温
度変化に対する抵抗変化分Ｉ　Ｒｐ　−Ｒｎを増大させ
る必要がある。

同一出願人による　「半導体素子の温度制御装置と、そ
れを用いた温度センサｊ（特願平１−３１５６４４）で
は、抵抗温度係数の大きい薄膜抵抗体Ｒｎと抵抗温度係
数の極めて小さい薄膜抵抗体すなわち、Ｒｐξ０　との
橋絡接続を用いていた。

このため、温度変化に対する抵抗変化分は、薄膜抵抗体
Ｒｎのみであるので小さく、従って、検出電圧Ｖｏｕｔ
も小さかった。また、抵抗温度係数の温度依存性が大き
い非晶質薄膜抵抗体のみを用いていたので検出温度範囲
を大きくすると、検出電圧の直線性からのずれが生して
いた。

これに対し、本発明では、抵抗温度係数が負である薄膜
抵抗体Ｒｎと抵抗温度係数が正である薄膜抵抗体Ｒｐと
の橋絡接続を用いている。

このように、温度係数の極性がお互いに逆のものを組み
合わせた結果、検出感度はそれぞれの絶対値の和となり
、 すなわち、ｌＲｐ　ｌ＋ｌＲｎ　　ｌとなるので、従来
のＲｐのみのものに比較して、第４図に示すように検出
電圧が大きく、シかも直線性に優れた温度センサを実現
することができた。

第３図は、本発明による温度センサに用いた負の温度係
数を有するＢ−Ｇｅ：）ｉｆｆ膜抵抗体と正の温度係数
を有するｐｔ薄膜抵抗体の抵抗値温度依存性の一例をそ
れぞれ実線ａ及び実ｗＡｂで示したものである。横細は
絶対温度の逆数（１／Ｔ）を、また縦軸は抵抗値Ｒ（Ω
）を示す。

第４図は、第３図で示した薄膜抵抗体を用いて構成した
橋絡接続型の温度センサの温度Ｔと検出電圧Ｖｏｕｔと
の関係を示す。図では、ａ−Ｇｅ：Ｈ薄膜抵抗体と抵抗
温度係数が極めて小さい薄膜抵抗体との橋絡接続の場合
を点線ａで、ｐｔ薄膜抵抗体と抵抗温度係数が極めて小
さい薄膜抵抗体との橋絡接続の場合を一点鎖線すで、本
発明の一実施例であるａ−Ｇｅ：Ｈｌ膜抵抗体とｐｔ薄
膜抵抗体との橋絡接続の場合を実線Ｃで示す。

この第４図では、第１図においてオーミック電極２ａ、
　２ｄ間に一定電圧を印加した場合に、オーミック電極
２ｂ、　２ｃ間に生ずる電圧を検出電圧Ｖｏｕｔとして
いる。図に示すように、検出電圧Ｖｏｕｔは２　（ｍＶ
／Ｋ）である。また、ａ−Ｇｅ：Ｆｌ薄膜抵抗体と抵抗
温度係数が極めて小さい薄膜抵抗体との橋絡接続の場合
及びｐｔ薄膜抵抗体と抵抗温度係数が極めて小さい薄膜
抵抗体との橋絡接続の場合に比較し、検出電圧Ｖｏｕｔ
を大きくでき、しかも直線性の向上を図ることができた
。

以上の実施例では、非晶質薄膜抵抗体にａ−Ｇｅ：Ｈ薄
膜抵抗体を、また金属薄膜抵抗体にｐｔを用いた場合に
ついて説明したが、非晶質薄膜抵抗体としては、　ａ−
Ｓｔ：Ｈ，ａ−Ｓｔ：Ｈ：Ｆｉｉ１１ｇ抵抗体を、また
金属薄膜抵抗体としては、ニッケル、鉄、タンタル。

アル果ニウム等の薄膜抵抗体を用いることにより同様な
効果が得られる。

次に、本発明による温度センサの製造方法について述べ
る。

絶縁性基板、あるいは表面を絶縁膜で覆った金属基板１
の材料としては、熱伝導率が高く、厚さが薄いものが望
ましい。基板の厚さを薄くすることにより熱容量と熱抵
抗をともに小さくでき、したがって、温度センサの熱時
定数を短縮することができ、また半導体プロセスに耐え
られるようにするために、酸化還元雰囲気及び酸、アル
カリへの耐性と耐熱性を必要とする。

この条件を満たすものとして、アルミナ基板ＢＮ基板、
　ＳｉＣ基板、　Ｓｉ３Ｎ、基板、　ＡＩＮ基板、ダイ
ヤモンド基板及びＢｅＯ基板等があり、これらの基板を
用いる。

この絶縁性基板１は、有機溶材等で十分に洗浄したあと
２清浄な雰囲気で乾燥させる。

次に、抵抗温度係数が負で、かつ、大きくしかもシート
抵抗を大きくできる薄膜抵抗体を形成する。この薄膜抵
抗体としては、ａ−Ｓｉ：Ｈ，ａ−Ｓｉ：Ｈ：Ｆ＋ａ−
Ｇｅ：Ｈ，ａ−Ｓｔ：Ｇｅ等の非晶質薄膜半導体を用い
る。

これらの非晶質薄膜半導体は、ＳｉＨ，、ＳｉＦ４．　
ＧｅＨａ等のガスを用い、プラズマＣＶＤ法により堆積
する。この際、堆積される薄膜の導電率を制御するため
に、放電パワー、基板温度を変化させたり、あるいはｎ
型半導体にはＰＨ，、ＡｓＨ，、またｐ型半導体にはＢ
２Ｈ６等のドーピングガス供給量を変化させたりする方
法を用いる。詳細は、同一出願人による「感温装置」　
（特開昭５８−１７０００１）に記載されている。

この堆積された非晶質薄膜半導体を、フォトエツチング
技術を用いて不要部を除去し、所定の薄膜抵抗体３ａ、
　３ｂを形成する。このとき、各薄膜抵抗体３ａ、　３
ｂの抵抗値をほぼ等しくする。

続いて、抵抗温度係数が大きく、かつ、正である薄膜抵
抗体４ａ、　４ｂを形成する。この薄膜抵抗体としては
白金、ニクロム、アルミニウム、タンタル、鉄等の金属
薄膜を用いる。これらの薄膜はスパッタ法、あるいは真
空蒸着法により堆積する。

このｆｉｌｌも同様に不要部をエツチングにより除去し
、所定の抵抗値に合わせる。

さらに、金等の電極用金属ｆ！膜を堆積し、同様に不要
部を除去し、２つのオーミック電極対つまり、第１の電
極対２ａ、　２ｂと第２の電極対２ｃ、　２ｄとを形成
する。

なお、表面保護膜とｊ〜て、５ｉｎ２薄膜、５Ｉ３Ｎ−
薄膜等を設ける場合もある。

本発明の温度センサを実現する上で、橋絡接続のバラン
スを取ること、すなわち抵抗温度係数が負で、かつ、シ
ート抵抗の大きな非晶質薄膜抵抗体と、抵抗温度係数が
正で、かつ、シート抵抗の小さな金属薄膜抵抗体の、そ
れぞれの抵抗値をほぼ等しくしている。

第５図は、シート抵抗の小さな金属薄膜を用いて、所定
の抵抗値を得るのに必要なパターン、形状の形成方法を
説明する図で、抵抗温度係数が正である薄膜抵抗体とし
て白金薄膜抵抗体を用いた例である。すなわち、幅がＷ
３１間隔がｗ２である白金薄膜抵抗体で正方形を埋めつ
くした場合における抵抗値１にΩを形成するに必要な一
辺の長さＸとの関係を示している。このとき、用いた白
金薄膜の導電率は９．４Ｘ　１０’　Ｓ−ｃｍ−’であ
り、また膜厚は２０００人である。

橋絡接続による温度センサを構成する上では、温度セン
サ自身の発熱を考慮する必要があり、薄膜抵抗体の各抵
抗値としては、少なくともｌｋΩ以上であることが望ま
しい。設定抵抗値を１にΩとした場合、抵抗温度係数が
負である薄膜抵抗体は、導電率３０Ｓ−ｃｍ−’　、膜
厚約３３００人を用いた場合、シート抵抗は１にΩ／口
となり、抵抗値１にΩを形成するに必要な形状比（＝長
さ７幅）は約ｌである。

一方、抵抗温度係数が正である薄膜抵抗体は、導電率９
．４３−ｃｍ−’　、膜厚２０００Åを用いたときシト
抵抗は０．５６Ω／口となり、抵抗値１にΩを形成する
に必要な形状比は１８００である。

幅が１０ｔＩｍ、、間隔が１０１１ｍの白金薄膜抵抗体
を用いることにより、正方形の温度センサの一辺の長さ
を１同以下にすることができた。

以上、述べた方法を用いることにより、検出感度が大き
く、シかも直線性に優れ、さらに高速応答性を示す温度
センサを実現できた。

〔発明の効果〕

本発明は、温度係数が大きく負で、かつ、シト抵抗の大
きな非晶ｔＦｆ膜抵抗体と、温度係数が大きく正で、か
つ、シート抵抗の小さな金属薄膜抵抗体とを絶縁性基板
上に形状が小形になるように最適なパターンで配列した
橋絡接続型の集積化した温度センサを実現したので、次
に示す固有の効果を有する。

（１）本発明による温度センサは、抵抗温度係数がそれ
ぞれ正と負の薄膜抵抗体をともに用いた橋絡接続型の集
積化した温度センサなので、直線性に優れた検出電圧特
性を実現できる。

（２）温度センサの橋絡接続に用いる抵抗温度係数が負
である非晶１ｈｉｌｊ！抵抗体は、導電率１ｓ・ｃａｎ
−’以上と大きいにもかかわらず、抵抗温度係数が０．
３（χ／Ｋ）と大きく、かつ、抵抗温度係数が正である
薄膜抵抗体は、導電率９．４Ｘ１０’　Ｓ・Ｃ１１１−
１において、抵抗温度係数が０．３５　（Ｘ／Ｋ）以上
と大きいので、検出感度が２　（ｍＶ／）［）以上と大
きく、正確な温度測定ができる。

（３）本発明による温度センサは、２つの電極対がそれ
ぞれ近接して配置され、絶縁性基板上の有効面上に実質
的に最長距離だけ離れた位置に設けられ、抵抗温度係数
が負である相対する一対の薄膜抵抗体は、前記近接して
配置された電極間に設けられ、抵抗温度係数が正である
相対する一対の薄膜抵抗体は該最長距離だけ離れた位置
に設けられたので、小形で、かつ、薄膜化により高速応
答できる。

（４）本発明による温度センサは、その抵抗値が１にΩ
〜１０にΩの範囲にあることから消費電力が小さく、か
つ、熱抵抗ノイズが小さいので、正確な温度の測定がで
きる。

（５）抵抗温度係数が負である薄膜抵抗体、及び抵抗温
度係数が正である薄膜抵抗体は、簡易でかつ、安価な装
置で堆積され、その堆積速度が速く、大面積化ができ、
面内均一性に優れているため、より安価な温度センサが
作製できる。

（６）温度センサプロセスは半導体素子プロセスと両立
し得るので半導体素子の一部に本発明による温度センサ
を組み込んで、温度測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による温度センサの一１戒実施例を示し
た図、第２図は第１図に示した温度センサを用いた温度
検出回路とそ初電圧検出式を示した図、第３図はａ−Ｇ
ｅ：Ｈ薄膜抵抗体及び白金薄膜抵抗体の抵抗値温度依存
性を示す図、第４図は温度センサの検出温度と検出電圧
の大きさとの関係を示す図、第５図は白金薄膜抵抗体の
幅及び間隔と温度センサを構成するに必要な正方形の一
辺の長さとの関係を示す図である。 図において、ｌは絶縁性基板、　　２．２ａ、２ｂ、２
ｃ、２ｄはオーミック電極、　　３．３ａ、３ｂ及び４
．４ａ、４ｂは薄膜抵抗体をそれぞれ示す。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 絶縁性基板（１）と、該絶縁性基板上に設けられた４つ
   の薄膜抵抗体（３ａ，３ｂ，４ａ，４ｂ）と、該４つの
   薄膜抵抗体を橋絡接続するための２つのオーミック電極
   対（２ａ，２ｂ），（２ｃ，２ｄ）とを備えた温度セン
   サであって、 前記２つのオーミック電極対（２ａ，２ｂ），（２ｃ，
   ２ｄ）は、それぞれ電極が近接して配置された電極対で
   あり，前記絶縁性基板上の有効面上に実質的に最長距離
   だけ離れた位置に設けられ、 前記橋絡接続される薄膜抵抗体（３ａ，３ｂ，４ａ，４
   ｂ）のうち、 相対する一対の薄膜抵抗体（３ａ，３ｂ）は、抵抗温度
   係数が負であり，その一方（３ａ）が該近接して配置さ
   れた一対のオーミック電極（２ａ，２ｂ）間に，その他
   方（３ｂ）が該近接して配置された一対のオーミック電
   極（２ｃ，２ｄ）間に設けられ、 他の相対する一対の薄膜抵抗体（４ａ，４ｂ）は、抵抗
   温度係数が正であり，その一方（４ａ）が前記最長距離
   だけ離れた一対のオーミック電極（２ａ，２ｃ）間に，
   その他方（４ｂ）が該最長距離だけ離れた一対のオーミ
   ック電極（２ｂ，２ｄ）間に設けられていることを特徴
   とする温度センサ。