JPS638545A - 湿度検出方法 - 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】 「対電技術分野」 この発明は基板上にペルチェエレメントを薄膜状に集積
した薄膜冷却素子を用いて湿度を検出する方法に関する
。

「発明の背景」 一般に固体センサ菓子の特性は温度依存性が強く、この
ため固体センナ素子の温度を検出し、この検出値により
固体センサ素子の特性の補正を行うことが多い。より具
体的には固体センサ素子の温度を検出するための素子た
とえば測温抵抗体を固体センサ菓子上に集積するのが一
般的であるが、その分だけ固体センサ素子の寸法が太ぎ
くなる欠点がある。また集積素子が増加することにより
信頼性の低下が起るおそれがある。

「目的」 この発明はこのような問題点にかんがみ、薄膜冷却素子
の基板の大きさを増大させることな（、簡単な構成で湿
度を正確に検出しようとするものである。

「実施例」 以下図によってこの発明の一実施例について説明する。

まず、この実施例の薄膜冷却素子を製造工程にしたがっ
て説明する。

第１図はこの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（Ｓｉ
、Ｎ４）膜をプラズマＣＶＤ装置により６０００″に程
度の厚さに生成する。

次に、第１のベルチェ金属２４ｉ６よび第１の熱電対金
属２８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、再割技術により、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２４Ｈよび第１の熱電
対金属２８のノ（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）くターンを所定の間
隔で複数配列したものであり、また、第１０熱電対金属
２８は第１のペルチェ金属２４と同じ（周辺部から中心
部に延びろ帯状の）くターンである。

次に、上記のように第１のベルチェ金属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＾程度の厚さに
生成する。

しかる後、再割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の熱寛対金Ｆ４２８と
後に形成されろ第２０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の端部に形成されろ。

ついで、第２のペルチェ金属２５および第２０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、再割技術により第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（この上記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ペ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、その他端がベルチェ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、ベルチェエレメントが形成され、
これによって第７図に示すペルチェ冷却手段２が構成さ
れる。

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１０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、ペルチェ冷却手段および冷却温度検出手段を覆
うように、再び絶縁層２２となる窒化シリコン膜をプラ
ズマＣＶＤ装置により６０００　Ａ程度の厚さに生成し
、耳側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、ペルチェ冷却手段および冷却温度検出手段
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、耳側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
を互いにか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
ｉＴ！膜として使うためである。

そして、耳側技術を使い、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２１の周辺部の一
部を耳側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とを遅過する貫通孔２３を形成すると
共に、電極３３ａ。

３３ｂ、・・・・・・、３６ａ、３６ｂにおけろ外部回
路との接続のためのポンディングパ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、この実施例の薄膜冷却素子が造られ
ろ。

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、この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、少なくとも１組
の直列回路が形成されていればよ（，２組以上の直列回
路を並列接読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、ニッケル等
第３の金属を介して電気的接合をとれば冷却部罠おける
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、第７図はこの実施例の薄膜冷却素子を露点湿度
計として用いた場合の回路構成を示すもので、一点鎖線
で囲まれた部分が湿度検出用薄膜冷却素子１であり、ペ
ルチェ冷却手段２および冷却温度検出手段４を含む。

電圧電流発生回路６はペルチェ冷却手段２に必要な電圧
および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、第８図に示すように印加
電圧計測回路６１と電流発生回路６２とからなる。

水滴検出回路７は、直接的には水滴検出手段３のインピ
ーダン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太き（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２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
部と基板との温度差を検出する回路である。

マイクロコンピュータ１０は、電圧電流発生回路６．水
滴検出回路７．温度差検出回路８とパヌ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
応じて電圧電流発生回路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と室内温度Ｔ
ａを使って演算により絶対湿度と相対湿度を求める機能
を有する。

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１０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〜゛
て、第９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。

ｔ−ｔ’、マイクロコンピュータ１０は電圧電流発生回
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’ＩＥ流が流れると接合部群２６
．２７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は薄膜冷却素子１の中央部に集中し
てＳす、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は薄膜冷却素子１０周辺部に
分散してクリ、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
。したがつ曵、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
（その影響を与えることはない。

したがって、薄膜冷却素子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のインピーダンス
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よしては、例えば、一定周期の発振バル
クで水滴検出手段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８％減少させる（−Ｘ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８％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（ヌテツプ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８％減少させ（ステップ１０５）、こ
のような循環を経ると、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１
０８）、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基板温度ＴＯとの温度差ΔＴを温
度差検出回路８を介して読み取る（ステップ１１０）。

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は前述したように感温部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上に配置されろことから、この温
度差ΔＴは基板温度ＴＯ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。

次に、マイクロコンピュータ１０は電圧電流発生回路６
からペルチェ冷却手段２への供給電圧ＶＰおよび供給電
流Ｉｐを読み取り（ステップ１１１）、これらの値から
ペルチェ冷却手段２の抵抗ＲＰを演算する（ステップ１
１２）。

ソシテマイクロコンピュータ１０はペルチェ冷却手段２
の抵抗値ＲＰからこのペルチェ冷却手段の基板温度Ｔｏ
を演算する（ステップ１１３）。

ペルチェ冷却手段２の抵抗Ｒｐとその基板温度Ｔｏとの
関係は第１近似値として ＲＰ＝ＲＯＣ１＋Ｋ（Ｔｏ−ＴＲ））　　　・　（１）
である。

ここで に：ペルチェ冷却手段２の抵抗の温度係数Ｋ　＝　１５
００〜３０００　Ｐ　Ｐ　Ｍ　／　’ＣＲＯ：基準温度
ＴＲにおけるペルチェエレメントの抵抗値 ＲＰ：ペルチェ冷却手段２の検出抵抗値Ｔｏ二基板温度 ＴＲ：基準温度 であり、（１）式から基板温度Ｔｏは となる。

一方、マイクロコンピュータ１０は供給電圧ＶＰと供給
電流Ｉｐからペルチェ冷却手段２の消費電力ＰＰを演算
し、同時に薄膜冷却素子全体の消費電力ＰＥを算出する
（ステップ１１４）。

次に、マイクロコンピュータ１０は薄膜冷却床、子の消
費電力ＰＥかもその素子全体の室温に対する温度上昇値
Ｔｕｐを算出する（ステップ１１５）。

さらに、マイクロコンピュータ１０は基板温度Ｔｏと温
度上昇値Ｔｕｐから室温Ｔａを算出する（ステップ１１
６）。

続いて、マイクロコンピュータ１０は温度差ΔＴと基板
温度Ｔｏからこのペルチェ冷却手段の冷却部の露点温度
Ｔｄすなわち Ｔｄ＝Ｔｏ−ΔＴ を求める（ステップ１１７）っ マイクロコンピュータ１０内の図に示してないＲＯＭに
は第１０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からマイクロ
コンピュータ１０はこのテーブルを使って室内温度Ｔａ
と露点温度Ｔｄにおけろ飽和水蒸気圧力Ｐａ、Ｐｄを求
めることができろ。

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で定義されろことから演算によ
り湿度値がすべて求まることになる（ステツブ１１３）
。

マイクロコンピュータ１０は使用者の要求に応じ、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
をもって露点温度としてもよい。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ろ
ものでもかまわない。

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
の特性が急激罠変化する感湿素子たとえばＺｎ３　（Ｐ
Ｏ４）　ｔやＺｎｓ　（ｐｏ４）　ｔ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。

「効果」 この発明は上述のように基板上に集積されたペルチェエ
レメントに所定の電圧？よび電流を供給し、これらの値
からペルチェエレメントの抵抗値、さらには平均温度を
求めるようにして（・ろので、基板上に測温抵抗体を別
に集積する必要がなく、したがって素子全体の大きさを
減少させることができ、かつ信頼性の高い素子を得るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図はいずれもこの発明の薄膜冷却素子
の製造途中におけろ斜視図、第３図はこの発明の一実施
例の製造途中における断面図、第４図はこの発明の一実
施例を示す概略斜視図、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図はこの実施例の
薄膜冷却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図は電圧電流発生回路のブロック図、第
９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１０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・・・薄膜冷却素子、２・・・ペルチェ冷却手段、３
・・・水滴検出手段、４・・・冷却温度検出手段、６・
・・電圧１Ｖ流発生回路、７・・・水滴検出回路、８・
・・温度差検出回路、１０・・・マイクロコンピュータ
、１１・・・インターフェース、１２・・・バス、２０
・・・基板、２１・・・凹部、２２・・・絶縁層、２３
・・・貫通孔、２４・・・笛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、
２７・・・第２の接合部群、２８・・・第１の熱電対金
属、２９・・・第２の熱電対金属、３０・・・感温部、
３３・・・水滴検出手段、３４・・・パッド、３５・・
・パッド。 第３図 第４図 第５図　　　第６図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 基板上にペルチエエレメントを薄膜状に集積し、このペ
   ルチエエレメントの吸熱接合部に水滴を生じさせるとと
   もに、この水滴を検出し、かつ上記ペルチエエレメント
   への供給電圧および供給電流を制御し、さらに上記ペル
   チエエレメントの吸熱接合部近傍の温度を計測し、一方
   上記ペルチエエレメントへの供給電圧および供給電流の
   値からその供給時点における上記ペルチエエレメントの
   抵抗値を求め、さらにこの抵抗値から上記ペルチエエレ
   メントの平均温度を求め、また上記供給電圧および供給
   電流から上記ペルチエエレメントの消費電力を求めると
   ともに上記基板を含む素子全体の消費電力を求め、かつ
   上記ペルチエエレメントの消費電力から上記素子全体の
   室内温度に対する温度上昇値を求め、この温度上昇値お
   よび基板温度から室内温度を算出するとともに、この室
   内温度と上記ペルチエエレメントの吸熱接合部近傍の温
   度から湿度を算出するようにした湿度検出方法。