JPH0362223B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、非常に微小な部分を局部的に冷却す
ることのできる冷却用集積素子に関するものであ
る。

〔従来の技術〕

集積回路が広く普及した今日、集積回路技術に
より、いわゆるソリツドステートセンサが数多く
発表されている。

一般にソリツドステートセンサは温度依存性が
強く、温度の影響をどのように処理するかが重要
である。信号処理回路で補正演算をおこなうこと
で対処する場合も多いが、センサの種類によつて
はセンサ自身の温度をコントロールしなければな
らない場合もある。

この場合、センサに発熱体を集積することは比
較的簡単であり、たとえば、抵抗体を集積し、こ
の抵抗体に電流を流し、ジユール熱によりセンサ
自身の温度を上昇させることができる。

ところが、センサを冷却しなければならない場
合、従来はセンサとは別に冷却装置を要し、例え
ばペルチエ効果を利用した冷却装置の上にセンサ
を配するなどしていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、従来の冷却装置ではセンサに比
べ冷却装置の方が大きく、冷却装置とセンサを含
めた全体が大きくなり、また、冷却装置が消費す
る電力による発熱の影響を少なくするように設計
されなければならず、装置設計上の制約がある。
したがつて、冷却装置を必要とするセンサは使い
難い場合が多かつた。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明の冷却用集積素子は、上記問題点に鑑み
てなされたものであり、冷却部を冷却用集積素子
の中央部に集中させたペルチエ冷却手段を中央部
が除去されている基板上に形成したものである。

〔作用〕

基板が除去されている冷却用集積素子の中央部
にペルチエ冷却手段の冷却部を集中させたので、
この冷却部が熱的に絶縁され、微弱な電流で局部
冷却が可能となる。

〔実施例〕

以下、本発明の冷却用集積素子を実施例と共に
説明する。なお、本発明の具体的な用途も併せて
理解できるように、以下に示す実施例は、本発明
に係る冷却用集積素子に冷却温度検出手段、水滴
検出手段および室温検出手段を付加した湿度検出
用素子（露点湿度計の湿度検出用素子）として説
明するものである。

まず、本実施例の湿度検出用素子を製造工程に
したがつて説明する。

第１図は本実施例の製造途中における斜視図で
ある。

基板２０はステンレス鋼等の金属あるいは単結
晶シリコンウエフア等の材料から成る。この基板
２０の上に、まず絶縁層２２として耐湿性の良好
な窒化シコン（Si₃N₄）膜をプラズマCVD装置に
より6000Å程度の厚さに生成する。

次に、第１のペルチエ金属２４、第１の熱電対
金属２８、および測温抵抗体３２となる厚さ2μ
のＰ型のテルル鉛（PbTe）の薄膜を上記絶縁層
２２の上に蒸着により生成する。

そして、写刻技術により、このＰ型のテルル鉛
の薄膜を第１図に示す第１のペルチエ金属２４、
第１の熱電対金属２８および測温抵抗体３２のパ
ターンと成るように選択的にエツチングする。

すなわち、第１のペルチエ金属２４は絶縁層２
２表面の周辺部から中心部に延びる帯状のパター
ンを所定の間隔で複数配列したものであり、ま
た、第１の熱電対金属２８は第１のペルチエ金属
２４と同じく周辺部から中心部に延びる帯状のパ
ターンである。

さらに、測温抵抗体３２は第１のペルチエ金属
２４および第１の熱電対金属２８を囲うように絶
縁層２２表面の周辺部にパターニングされてい
る。なお、この測温抵抗体３２は室温検出手段と
して機能するものである。

次に、上記のように第１のペルチエ金属２４等
がパターニングされた表面上に絶縁層２２として
の窒化シリコン膜をプラズマCVD装置により
3000Å程度の厚さに生成する。

しかる後、写刻技術によりこの窒化シリコン膜
を選択的にエツチングすることで、第１のペルチ
エ金属２４と後に形成されら第２のペルチエ金属
２５との接合部のためのコンタクトホール、およ
び第１の熱電対金属２８と後に形成される第２の
熱電対金属２９との接合部のためのコンタクトホ
ールを生成する。これらのコンタクトホールは、
第１のペルチエ金属２４および第１の熱電対金属
２８の端部に形成される。

ついで、第２のペルチエ金属２５およ第２の熱
電対金属２９となる厚さ2μ程度のｎ型のテルル
鉛の薄膜をコンタクトホールを含む絶縁層２２上
全面に蒸着により生成する。

その後、写刻技術により第１図に示す第２のペ
ルチエ金属２５および第２の熱電対金属２９のパ
ターンとなるように選択的にエツチングする。

すなわち、第２のペルチエ金属２５は第１のペ
ルチエ金属２４の中央部側端部（この上部には上
記コンタクトホールが形成されている）と、この
第１のペルチエ金属２４と隣接する別の第１のペ
ルチエ金属２４の周辺部側端部（この上部にもコ
ンタクトホールが形成されている）とを接続する
ように帯状にパターニングされる。

ただし、複数ある第２のペルチエ金属２５のう
ちの一つは、一端のみが第１のペルチエ金属２４
と接合されるもので、その他端は後述するペルチ
エ冷却手段の一方の電極部となる。また、複数あ
る第１のペルチエ金属２４のうちの一つも、一端
のみが第２のペルチエ金属２５と接合されてお
り、その他端がペルチエ冷却手段の他方の電極部
となる。

このパターニングにより、第１のペルチエ金属
２４と第２のペルチエ金属２５とが交互に連続的
に接続され、電気的に一体化されて、ペルチエ冷
却手段を構成する。

すなわち、第１のペルチエ金属２４と第２のペ
ルチエ金属２５との接合部のうち、基板２０の中
心部にあるものを第１接合部群２６とし、周辺部
にあるものを第２の接合部群２７とすると、所定
の方向に電流を流すことにより第１の接合部群２
６に吸熱作用が生じ、第２の接合部群２７に発熱
作用が生じる。この吸熱作用を利用して、第１の
接合部群２６が集中している素子中央部を冷却す
ることができるものである。

第２の熱電対金属２９はコンタクトホールが形
成された第１の熱電対金属２８の中央部側端部か
ら第１の熱電対金属２８と平行に周辺部まで延び
る帯状のパターンとする。第１の熱電対金属２８
と第２の熱電対金属２９との接合部が感温部３０
となり、両金属の他端部が冷却温度検出手段とし
ての熱電対の電極部となる。

続いて、ペルチエ冷却手段、室温検出手段およ
び冷却温度検出手段を覆うように、再び絶縁層２
２となる窒化シリコン膜をプラズマCVD装置に
より6000Å程度の厚さに生成し、写刻技術により
窒化シリコン膜を選択的にエツチングすること
で、ペルチエ冷却手段、冷却温度検出手段および
室温検出手段の各電極部にコンタクトホールを形
成する。

その後、アルミニウム等の厚さ1μ程度の金属
薄膜を、絶縁層２２上にコンタクトホールを含む
全面にわたつて蒸着により生成し、写刻技術によ
りこの金属の薄膜を選択的にエツチングして第２
図の斜視図に示すようなペルチエ冷却手段のパツ
ド３４ａ，３４ｂ、冷却温度検出手段のパツド３
５ａ，３５ｂ、室温検出手段のパツド３６ａ，３
６ｂおよび水滴検出手段３３をパターニングす
る。

水滴検出手段３３は、第２図の斜視図から判る
ように、素子中央部において２つの櫛型の電極３
３ａ，３３ｂを互いに噛み合うように対向させた
平板状のコンデンサを構成している。

次に、素子の表裏両面に窒化シリコン膜をプラ
ズマCVD装置により6000Å程度の厚さに生成す
る。これは、窒化シリコンが極めて安定した材料
であるために保護膜として使うためである。

そして、写刻技術を使い、基板２０の裏側の中
央部の窒化シリコン膜をプラズマエツチングによ
り選択的に除去して開口を形成し、さらに、この
開口を通して基板２０を絶縁層２２までエツチン
グ除去する。第３図はこのときの状態を示す断面
図であり、基板２０の裏面からのエツチングによ
り凹部２１が基板２０の中央部に形成されている
ことが判る。

最終工程として、第４図の概略斜視図に示すよ
うに、素子表面の窒化シリコン膜のうちの凹部２
１の周辺部の一部を写刻技術により選択的にエツ
チングすることで、素子表面と凹部２１とを連通
する貫通孔２３を形成すると共に、電極３３ａ，
３３ｂ，……，３６ａ，３６ｂにおける外部回路
との接続のためのボンデイングパツド開口部を形
成する。なお、この貫通孔２３は、凹部２１内の
空気と絶縁層２２の上面に接する大気との圧力差
を無くすための形成されるものである。その後は
基板をダイシングし、各々のチツプに切り出し、
所定のパツケージを行なう。

以上の工程を経て、本実施例の湿度検出用素子
が造られる。

なお、凹部２１を基板２０の裏面からのエツチ
ングにより形成したが、第５図および第６図の斜
視図に示すようにシリコン基板の異方性エツチン
グにより実現されるマイクロブリツジ構造を適用
することも可能である。

また、第１のペルチエ金属２４、第２のペルチ
エ金属２５のパターンは、冷却部である第１の接
合部群２６が所定の場所に集中できるものであれ
ば、実施例のパターンに限られるものではないこ
とは言うまでもない。

また、本実施例ではペルチエ冷却手段２は第１
のペルチエ金属２４と第２のペルチエ金属２５と
を交互に接続して１組の直列回路を構成している
が、少なくとの１組の直列回路が形成されていれ
ばよく、２組以上の直列回路を並列接続したもの
でも構わない。

さらに、第１のペルチエ金属２４と第２のペル
チエ金属２５との接合部が、使用する金属によつ
てはオーミツク接合とならずに半導体接合（例え
ばシヨツトキ接合等）となる場合があるが、その
ような場合には、ニツケル等第３の金属を介して
電気的接合をとれば冷却部におけるジユール熱の
生を抑えることができ、冷却能力の低下を防止で
きる。

さらに、第１のペルチエ金属２４と第２のペル
チエ金属２５との接合部が、使用する金属によつ
てはオーミツク接合部とならずに半導体接合（例
えばシヨツトキ接合等）となる場合があるが、そ
のような場合には、ニツケル等第３の金属を介し
て電気的接合をとれば冷却部におけるジユール熱
の生を抑えることができ、冷却能力の低下を防止
できる。

つぎに、本実施例の湿度検出用素子を実際に露
点湿度計として用いる場合の回路構成を第７図の
ブロツク図に基づいて説明する。

一点鎖線で囲まれた部分が湿度検出用素子１で
あり、ペルチエ冷却手段２、水滴検出手段３、冷
却温度検出手段４、室温検出手段５を含む。

電流発生回路６はペルチエ冷却手段２に必要な
電流を供給する回路であり、ペルチエ冷却手段２
の冷却能力を決定する回路である。

水滴検出回路７は、直接的には水滴検出手段３
のインピーダス変化を検出する回路であり、この
変化を検出して水滴の有無を判断する。すなわ
ち、水滴検出手段３を構成するコンデンサの容量
が水滴の付着により大きく変化することを用して
水滴の有無を検出するものである。

温度差検出回路８は、冷却温度検出手段４とし
ての熱電対がペルチエ冷却手段２における冷却部
と室温との差に基づいて発生する起電力を検出
し、この起電力から冷却部と室温との温度差を検
出する回路である。

室温検出回路９は、室温検出手段５としての測
温抵抗体３２に接続され、測温抵抗体３２の抵抗
変化から室内温度Taを検出する機能を有する。

マイクロコンピユータ１０は、電流発生回路
６、水滴検出回路７、温度差検出回路８、室温検
出回路９とバス１２を介して接続され、水滴検出
回路７により検出される水滴の有無に応じて電流
発生回路６を制御するとともに、温度差検出回路
８によつて検出される温度差ΔTと室温検出回路
９によつて検出される室温温度Taを使つて演算
により絶対湿度と相対湿度を求める機能を有す
る。

インターフエース１１はマイクロコンピユータ
１０に接続され、マイクロコンピユータ１０から
の露点温度、絶対湿度、相対湿度等の関する情報
を図示しない外部機器に送る機能を有する。

次に、このように構成された露点湿度計の動作
について、第８図に示すマイクロコンピユータ１
０が実行するフローチヤートにしたがつて説明す
る。

まず、マイクロコンピユータ１０は電流発生回
路６に最大電流をペルチエ冷却手段２に流すよう
に指示する（ステツプ101）。

ペルチエ冷却手段２に電流が流れると接合部群
２６，２７においてペルチエ効果が生じる。すな
わち、第１の接合部群２６では吸熱作用、第２の
接合部群２７では発熱作用が生じる。

第１の接合部群２６は湿度検出用素子１の中央
部に集中しており、表裏両面が空気中に露出する
薄膜層内に形成されているため、熱的に絶縁され
た状態となつている。したがつて、第１の接合部
群２６の近傍すなわち冷却部の冷却は極めて微少
の電流にて実現できることになる。

一方、第２の接合部群２７は湿度検出用素子１
の周辺部に分散しており、基板２０に密着した薄
膜層内に形成されているため、その発熱は直ちに
基板２０内に伝達される。したがつて、第２の接
合部群２７の近傍での温度上昇は殆どなく、第１
の接合部群２６の冷却作用に対して全くその影響
を与えることはない。

したがつて、湿度検出用素子１の中央部に位置
する冷却部は露点温度以下に速やかに冷却される
ことになり、この冷却部の上に形成されている水
滴検出手段３のさらにその上の絶縁層２２上に結
露現象が現れ、水滴が付着する。

水滴検出手段３は前述したように、対向する互
いに分離した２本の電極３３ａ，３３ｂからなる
ことから、絶縁層２２上に水滴が付着すると、誘
電率が増加し、電極３３ａ，３３ｂ間のインピー
ダンスが急激に低下することになる。

水滴検出回路７はこの水滴検出手段３のインピ
ーダンスの変化を検出し、マイクロコンピユータ
１０は水滴検出回路７の出力から水滴の有無を知
る（ステツプ102）。

水滴検出回路７としては、例えば、一定周期の
発振パルスで水滴検出手段３を励起し、この水滴
検出手段３のインピーダンス値を積分回路で対応
する電圧値に変換し、この電圧値を所定のレベル
と比較するコンパレータをもつて水滴付着の有無
を検出するといつた構成が考えられる。

最大電流をもつてペルチエ冷却手段２の冷却部
を冷却することで所定時間内に水滴が付着し、水
滴検出回路７がこれを検出するとマイクロコンピ
ユータ１０は冷却電流をＮ％減少させる（ステツ
プ105）。なお、このとき、所定時間経過しても水
滴が付着しない場合には、雰囲気の状態が測定レ
ンジ範囲外にあるので、その旨の表示信号を出力
する（ステツプ103，104）。

冷却電流をＮ％減少させた後、所定時間経過し
た時点で、再び水滴の有無を判断する（ステツプ
106）。冷却電流の減少によつても水滴検出回路７
が水滴有りの信号を出し続けているときは、マイ
クロコンピユータ１０はさらに冷却電流をＮ％減
少させ（ステツプ105）、このような循環を経るこ
とでペルチエ冷却手段２の冷却能力を徐々に減少
させる。

ペルチエ冷却手段２の冷却能力の減少により水
滴が付着しなくなり、さらに蒸発により水滴が消
失し始める。

水滴検出回路７が水滴の消失を検出すると、今
度は逆に冷却電流をＭ（＜Ｎ）％増加し冷却能力
を増すことで水滴の付着し始める露点温度に戻す
ことになる（ステツプ107）。

水滴検出回路７が水滴の付着を検出すると今度
は逆却電流をＭ（＜Ｎ）％増加し冷却能力を増す
ことで水滴の付着し始める露点温度に戻すことに
なる（ステツプ107）。

水滴検出回路７が水滴の付着を検出すると（ス
テツプ108）、マイクロコンピユータ１０は冷却温
度検出手段４が検出する冷却部と室温との温度差
ΔTおよび室温検出手段５が検出する室内温度Ta
を、それぞれ温度差検出回路８および室温検出回
路９を介して読み取る（ステツプ110，111）。

なお、冷却電流をＭ％増加させていく循環（ス
テツプ107，108，109）で、冷却電流が最大とな
つてしまつた場合には、雰囲気の状態が測定レン
ジ範囲外にあることを意味し、その旨の表示信号
を出力する（ステツプ104）。

冷却温度検出手段４は前述したように感温部３
０を素子１のほぼ中央に配置する熱電対２８，２
９からなり、この熱電対２８，２９の他端は素子
１の周辺部すなわち凹部２１でない基板２０上に
配置されることから、この温度差ΔTは室温状態
にある基板２０の温度値とペルチエ冷却手段の冷
却部の温度値との差分値である。

室温検出手段５は前述したように測温抵抗体３
２からなり、室温変化に伴う抵抗値の変化を微少
電流を流して電圧値に変換することで室温値を検
出する。

マイクロコンピユータ１０は温度差ΔTと室内
温度Taを読み込むと、 Td＝Ta−ΔT を求める（ステツプ112）。このTdがペルチエ冷
却手段２の冷却部の露点温度である。

マイクロコンピユータ１０内の図示しない
ROMには、第９図に示す公知の雰囲気温度と飽
和水蒸気圧力との関係のグラフが関数近似により
テーブル化されている。したがつて、室内温度
Taと露点温度Tdが求まるとマイクロコンピユー
タ１０はこのテーブルを使つて室内温度Taと露
点温度Tdにおける飽和水蒸気圧力Pa，Pdを求め
ることができる。

絶対温度はこの飽和水蒸気圧力Pdで定義され、
相対湿度はPd／Paで定義されることから演算に
より湿度値がすべて求めることになる（ステツプ
113）。

マイクロコンピユータ１０は使用者の要求に応
じ、インターフエース１１を介して露点温度Td，
絶対湿度Pd、相対湿度Pd／Paを外部機器に出力
する（ステツプ114）。

以上のフローチヤートのステツプにおいて、冷
却電流を最大値から徐々にＮ％毎減少させ、結露
現象が消失してから逆に冷却電流を徐々にＭ％増
加させて露点を実現する方法を示した。そして、
Ｎの値をＭの値より大きく設定することで大凡の
露点温度を見つけ、それから細かく正確な露点温
度を見つけ出すことで応答性を高めようとしたも
のであるが、初めから冷却電流を最大値からゆつ
くりと減少させ、結露現象の生じた時点での温度
データをもつて露点温度してもよい。さらに、冷
却電流を最小値から増加させたり、デユーテイ比
で実効的に変えるものでも構わない。

また、上記実施例では、水滴検出手段として互
いに対向する二つの電極３３を用いたが、水滴の
付着によつてその特性が急激に変化する感湿素子
たとえばZn₃（PO₄）₂やZn₃（PO₄）₂とLiPO₄を用い
てもよい。

また、いわゆるIC技術により製造することが
可能なため、電子回路を集積したシリコンウエフ
アを基板に使用することで信号前置処理機能等を
一体化でき、インテリジエツト化した素子とする
ことができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明による湿度検出用
の冷却用集積素子によれば、複数の薄膜状ペルチ
エ素子が形成された薄膜層を基板上に有し、この
薄膜層上に複数のペルチエ素子の全ての吸熱接合
部および全ての発熱接合部を同一面上に形成した
ので、冷却部が熱的に絶縁され真に冷却の必要な
局部のみを冷却でき、しかも、微弱な電流で急速
に冷却できる。

また、局部のみが冷却されるということは、冷
却部近傍の空気のみが冷却されることを意味し、
例えば、露点湿度計の湿度検出用素子に本発明を
利用した場合等においては、被計測空気を熱的に
乱すことが少なくなるので狭い空間での湿度計測
が可能である。

さらに、いわゆるIC製造技術を使用して製造
できるため、IC技術で製造可能なセンシング機
能素子を本発明の冷却用集積素子内に集積するこ
とが可能であり、しかも、一度に多量の生産が可
能であるため、高信頼性を有し安価で多機能な集
積素子とすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はいずれも本発明による湿
度検出用の冷却用集積素子の一実施例である湿度
検出用素子の製造途中における斜視図、第３図は
本発明の一実施例の製造途中における断面図、第
４図は本発明の一実施例を示す概略断面図、第５
図および第６図は基板の凹部の他の形成方法を示
す斜視図、第７図は本実施例の湿度検出用素子を
実際に露点湿度計として用いた場合のブロツク
図、第８図はマイクロコンピユータの動作を示す
フローチヤート、第９図は雰囲気温度と飽和水蒸
気圧力との関係を示すグラフである。 １……湿度検出用素子、２……ペルチエ冷却手
段、３，３３……水滴検出手段、４……冷却温度
検出手段、５……室温検出手段、２４……第１の
ペルチエ金属、２５……第２のペルチエ金属、２
６……第１の接合部群、３０……感温部。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 複数の薄膜状ペルチエ素子が形成された薄膜
   層を基板上に有し、前記複数のペルチエ素子の発
   熱接合部は前記薄膜層の周辺部に位置し、前記複
   数のペルチエ素子の吸熱接合部は前記薄膜層の中
   央の冷却部に互いに隣接して位置し、前記薄膜層
   の周辺部は基板に接合し、前記薄膜層の中央部は
   前記基板と遊離し、前記複数のペルチエ素子の全
   ての吸熱接合部および全ての発熱接合部は同一面
   上に形成されていることを特徴とする湿度検出用
   の冷却用集積素子。