JPS639167A - 薄膜冷却素子の温度検出方法 - 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】 「対象技術分野」 この発明は基板上にペルチェエレメントを薄膜状に形成
した薄膜冷却素子の温度を検出する方法に関するもので
めろ。

）発明の背景」 一般に固体センサ素子の特性は温度依存性が強く、この
ため固体センサ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素子上に集積するのが一
般的であるが、その分だけ固体でンサ素子の寸法が大き
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１６それかある。

「目的」 この発明はこυン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（その素子の温度
を正確に検出しようとするものである。

「概要」 この発明はその目的を達成するためンこ基板上に薄膜状
に集積したペルチェエレメントに所定の値の電圧および
電流を供給し、これらの電圧および電流値からその供給
時点に２けるペルチェエレメントの抵抗値を求め、この
抵抗値からペルチェエレメントの平均温度を求めるよう
江したものである。

「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
、Ｎ、　）　腹をプラズマＣＶＤ装置により６０００　
Ａ程度の厚さに生成する。

次に、第１のペルチェ金属２４％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、耳側技術により、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および第１の熱電
対金属２８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１０熱寛対金属２
８は第１のペルチェ金属２４と同じ（周辺部から中心部
に延びろ清秋のパターンである。

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Ｑ３０００　Ａ程度の厚さ
に生成する。

しかる後、耳側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）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（゛、で、第２のペルチェ金属２５および第２０熱寛
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な含む絶縁層２２上全面に蒸着によ
り生成する。

その後、耳側技術により第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？接続するように帯状にパターニングされろ。

ただし、複数ある第２のペルチェ金ｐＡ２５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？す、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、ペルチェエレメントが形成され、
これＫ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！＃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に発熱作用が生じろ。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の中央部側端部かも第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２０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＾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な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
段のパッド３５ａ　、３５ｂ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　Ａ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、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罠除去
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
部な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とを連通ずる貫通孔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ボンデインク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
る。

な２、凹部２１を基板２０の照面からのエツチングによ
り形成したが、ＷＪｓ図どよび第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
マイクロブリッジ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Ｍｌの接合部群２６が所
定の場所に集中できろものであれば、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組の直列回路を病成し−（（゛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Ｍ
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にｊ６け
るジュール熱の発生を抑えることがでさ、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ｑ〕温度を
露点湿度計として用（・た場合の回路構成を示すもので
、一点鎖線で囲まｎ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゜水滴検出手段３．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景が水滴の付着ンこより犬キ（
変化することを利用して水面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。

マイクロコンピュータ１０は、電圧電流発生回路６．木
簡検出回路７．温戻差検出回路８とバス１２を介して接
続され、水滴検ｌ１ｔｌ（ロ）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にょっ℃検出される温度差ΔＴと
室内温度Ｔａを使って演算により絶対湿度と相対湿度を
求める機能を有する。

インターフェース１ｌｌｚマイクロコンピユータ１０に
接続され、マイクロコンピュータ１ｏ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ニツイて
、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。

まず、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ｆ＆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（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罠なり、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Ｚし、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％　３３　ａ　、　３３　ｂ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、’ａｆｆ１３３ａ、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＆″！−水
滴検出回路７の出力から水滴の有無を知ろ（ステップ１
０２）。

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
って水滴付着の着熱を検出するといった構成が考えられ
ろ。

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
、再び木調の有無を判断する（ステップ１０６）っ冷却
電流の減少によっても氷山検出回路７が水滴有りの信号
を出し続けているとぎは、マイクロコンピュータ１０は
さらに冷却電流ヲＮ％減少させ（ステップ１０５）、こ
のような循環を経ることでベルチェ冷却手段２の冷却能
力を徐々に減少させろ。

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源ＭＴＯ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８、冷却電流をＭ％増加させてい（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）。

６冷却源度検出手段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ｌ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。

次ニ、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）。

そして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とその温度Ｔ。

との関係は第１近似値として ＲＰ　＝Ｒｏ　（１＋Ｋ　（Ｔ　ｏ−ＴＲ）　）　　・
・ｉｌ）である。

ここで、 Ｋ：ペルチェ冷却手段２の抵抗の温度係数Ｋ　＝　１５
００〜３０００　ＰＰＭ／’ＣＲＯ：基準温度ＴＲにお
けるベ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＝ペルチェ
冷却手段２の温度 ＴＲ：基準温度 であり、（１）式からペルチェ冷却手段２の温度Ｔ。

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は薄膜冷却素子の消費電
力ＰＥからその素子全体の室温に対する温度上昇値Ｔｕ
ｐを算出する（ステップ１１５）サラにマイクロコンピ
ュータ１０はペルチェ冷却手段２の温度Ｔｏと温度上昇
値Ｔｕｐから室温Ｔａを算出する（ステップ１１６）。

続いてマイクロコンピュータ１０は温度差ΔＴとペルチ
ェ冷却手段２の温度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）。

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における飽和水蒸気圧力Ｐａ　、Ｐｄを
求めろことができる。

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ろ（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の値より太き（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感湿素子たとえばＺ１１３　（
Ｆｌｏ４ｈやＺｎ、　（ＰＯ４）、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。

１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および電流を供給し、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【いるので、基板上に測温抵抗体を別に
集積する必要がな（、したがって素子全体の大きさを減
少させろことができ、かつ信頼性の高い素子を得ること
ができろ。

【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
の製造途中における斜視図、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
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・
・・電圧電流発生ＶｏＪ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、２
０・・・基板、２１・・・凹部、２２・・・絶傍層、２
３・・・貫通孔、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
、２７・・・第２の接合部群、２８・・・第１の＃ｌ１
１ＪＬ対金属、２９・・・第２０熱電対金属、３０・・
・感温部、３３・・・水滴検出手段、３４・・・パッド
、３５・・・パッドっ 特　許　出　顯　人　　　山武ハネウェル株式会社第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
   ルチエエレメントに所定の値の電圧および電流を供給し
   、これらの供給電圧値および供給電流値からその供給時
   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
   を求めるようにしたことを特徴とする薄膜冷却素子の温
   度検出方法。