JPS61125157A

JPS61125157A - 冷却用集積素子

Info

Publication number: JPS61125157A
Application number: JP24611584A
Authority: JP
Inventors: Ikuo Nishimoto; 育夫西本; Shiyouji Jiyouunten; 昭司上運天; Takao Kuroiwa; 黒岩　孝朗
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 1984-11-22
Filing date: 1984-11-22
Publication date: 1986-06-12
Also published as: JPH0362223B2

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〕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
わゆるソリッドステートセンサが数多く発表されている
。

一般にソリッ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、センサの種類によっ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、ジュ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、例えばペルチェ効果
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。

したがって、冷却装置を必要とするセンサは使い難い場
合が多かった。

〔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
させたベルチェ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ベルチ
ェ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っ
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
ンウェファ等の材料から成る。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リコン（Ｓｔ
、Ｎ４）膜をプラズマＣＶＤ装置により６０００人程度
０厚さに生成する。

次に、第１のペルチェ金属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のペルチェ金属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のペルチェ金属２４は絶縁層２２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２
８は第１のペルチェ金属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のペルチェ金属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のペルチェ金属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３０００人程度０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のペルチェ金属２４と後
に形成される第２のペルチェ金属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のペルチェ金属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のペルチェ金属２５および第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のペルチェ金
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のペルチェ金属２５は第１のペルチェ金
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のペルチェ金属２
４と隣接する別の第１のペルチェ金属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のペルチェ金属２５のうちの一つ
は、一端のみが第１のペルチェ金属２４と接合されるも
ので、その他端は後述するベルチェ冷却手段の一方の電
極部となる。また、複数ある第１のペルチェ金属２４の
うちの一つも、一端のみが第２のペルチェ金属２５と接
合されており、その他端がペルチェ冷却手段の他方の電
極部となる。

このバターニングにより、第１のペルチェ金属２４と第
２のペルチェ金属２５とが交互に連続的に接続され、電
気的に一体化されて、ペルチェ冷却手段を構成する。

すなわち、第１のペルチェ金属２４と第２のペルチェ金
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の接合部群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・２６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の中央部側端部がら第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、ペルチェ冷却手段、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６０００人程度
０厚さに生成し、与剤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、ペルチェ冷却手段、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って
蒸着により生成し、与剤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
ルチェ冷却手段のパッド３４ａ、３４ｂ、冷却温度検出
手段のバッド３５ａ、３５ｂ、室温検出手段のパッド３
６ａ、３６ｂおよび水滴検出手段３３をバターニングす
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３３ａ、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ＣＶ
Ｄ装置により６０００人程度０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、与剤技術を使い、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
子表面の窒化ンリコン膜のうちの凹部２１の周辺部の一
部を与剤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２Ｉとを連通ずるＷｉｆｆｉ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ィングバッ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に形成され
るものである。その後は基板をダイシングし、各々のチ
ップに切り出し、所定のパッケージを行なう。

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
イクロブリッヂ構造を適用することも可能である。

また、第１のペルチェ金属２４．第２のペルチェ金属２
５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ェ冷却手段２は第１のペルチ
ェ金属２４と第２のペルチェ金属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のペルチェ金属２４と第２のペルチェ金属
２５との接合部が、使用する金属によってはオーミック
接合とならずに半導体接合（例えばショットキ接合等）
となる場合があるが、そのような場合には、ニッケル算
筆３の金属を介して電気的接合をとれば冷却部における
ジュール熱の発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図のプロ・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
ルチェ冷却手段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はペルチェ冷却手段２に必要な電流を供
給する回路であり、ペルチェ冷却手段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
することを利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
対がペルチェ冷却手段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。

マイクロコンピュータ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とハス１
２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によって検出される温度差ΔＴと室
温検出回路９によって検出される室内温度Ｔａを使って
演算により絶対湿度と相対湿度を求める機能を有ずろ。

インターフェース１１はマイクロコンピュータ１０に接
続され、マイクロコンピュータＩＯからの露点温度、絶
対湿度、相対湿度等に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ュータ１０が実行するフ
ローチャートにしたがって説明する。

まず、マイクロコンピュータ１０は電流発生回路６に最
大電流をペルチェ冷却手段２に流すように指示する（ス
テップ１０１）。

ペルチェ冷却手段２に電流が流れると接合部群２６．２
７においてペルチェ効果が生じる。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っている。

したがって、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ｌ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。したがって、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。

したがって、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木の電極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３
３ａ、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９”ン
スの変化を検出し、マイクロコンピュータ１０は水滴検
出回路７の出力から水滴の有無を知る（ステップ１０２
）。

水滴検出回路７としては、例えば、一定周期のの発振パ
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
もって水滴付着の有無を検出するといった構成が考えら
れる。

最大電流をもってペルチェ冷却手段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ュータ１０は冷却電流
をＮ％減少させる（ステップ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（ステップ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（ステップ１０６）。冷却
電流の減少によっても水滴検出回路７が水滴有りの信号
を出し続けているときは、マイクロコンピュータ１０は
さらに冷却電流をＮ％減少させ（ステップ１０５）、こ
のような循環を経ることでペルチェ冷却手段２の冷却能
力を徐々に減少させる。

ペルチェ冷却手段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（ステッ
プ１０７）。

水滴検出回路７′が水滴の付着を検出すると（ステップ
１０８）、マイクロコンピュータ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へＴおよび室温
検出回路段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（
ステップ１１０゜１１１）。

なお、冷却電流をＭ％増加させていく循環（ステップ１
０７，１０８，１０９）で、冷却電流が最大となってし
まった場合には、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（ステッ
プ１０４）。

冷却温度検出手段４は前述したように怒温部３０を素子
１のほぼ中央に配置する熱電、対２８．２９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
ェ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３２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。

マイクロコンピュータＩＯは温度差ΔＴと室内温度Ｔａ
を読み込むと、Ｔ　ｄ　＝　Ｔ　ａ−ΔＴを求める（ステップ１１２）。このＴｄがペルチェ冷却
手段２の冷却部の露点温度である。

マイクロコンピュータ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
たがって、室内温度Ｔａと露点温度Ｔｄが求まるとマイ
クロコンピュータ１０はこのテーブルをを使って室内温
度Ｔａと露点温度Ｔｄにおける飽和水蒸気圧力Ｐａ、Ｐ
ｄを求めることができる。

絶対湿度はこの飽和水蒸気圧力Ｐｄで定義され、相対湿
度はＰ　ｄ　／　Ｐ　ａで定義されることから演算によ
り湿度値がすべて求まることになる（ステップ１１３）
。

マイクロコンピュータ１０は使用者の要求に応し、イン
ターフェース１１を介して露点温度Ｔｄ。

絶対湿度Ｐｄ、相対湿度Ｐ　ｄ　／　Ｐ　ａを外部機器
に出力する（ステップ１１４）。

以上のフローチャートのステップにおいて、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の値より太き（設
定することで大凧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っ
っくりと減少させ、結露現象の生じた時点での温度デー
タをもっ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、デユーティ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、水滴の付着によってそ
の特性が急激に変化する怒湿素子たとえばＺｎ５（ＰＯ
４）ｚやＺｎ５（ＰＯＪｙとＬｉＰＯａ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ェファを基板に使用
することで信号前置処理機能等を一体化でき、インテリ
ジェン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、本発明の冷却用集積素子によれば
、冷却部を湿度検出用素子の中央部に集中させたペルチ
ェ冷却手段を中央部が除去されている基板上に集積した
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、高信頼性を存
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ック図、第８図はマイク
ロコンピュータの動作を示すフローチャート・、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・・・ペルチェ冷却手段、
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のペルチェ
金属、２５・・・第２のペルチェ金属、２６・・・第１
の接合部群、３ｏ・・・感温部。特許出願人　山武ハネウェル株式会社代　理　人　山川　政権（はが２名）第５図　　　　　　第６図第７図第８図

Claims

【特許請求の範囲】

　基板上に、複数の第１の金属パターンと第２の金属パ
ターンとを交互に配列し第１の金属パターンの端部と第
２の金属パターンの端部とを順次接続しこの接続部を一
つおきに前記基板の中央部と周辺部に配列したペルチェ
冷却手段を絶縁層を介して形成すると共に、前記基板の
中央部を除去したことを特徴とする冷却用集積素子。