KR101537139B1 - 가열 여진을 이용한 열전도형 기압 센서 - Google Patents

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Abstract

단순한 구조와 회로 구성으로, 극저기압으로부터 1 기압 이상의 기압도 1 개의 센서 칩을 이용하여 계측할 수 있는 고대역의 기압을 고감도, 고정밀도의 (가열 여진을 이용한) 열전도형 기압 센서를 제공한다. 캔틸레버상의 박막 (10) 에, 박막 온도 센서와 가열 수단 및 여진 수단을 형성하고 있고, 박막 히터의 가열 수단에 의한 간헐 가열시의 박막을 구성하는 주된 2 층의 열팽창의 차이에 기초한 휘어 구부러짐을 이용하여 여진 수단으로 한 것, 주된 2 층으로서 열팽창 계수에 매우 큰 차이가 있는 실리콘층과 실리콘 열산화막을 사용한다. 또, 제벡 전류의 소정 시간의 적분에 의해 고감도화되는 회로나 기류의 영향을 억제하는 캡을 구비할 수 있다.

Description

가열 여진을 이용한 열전도형 기압 센서{HEAT CONDUCTION-TYPE BAROMETRIC SENSOR UTILIZING THERMAL EXCITATION}
본 발명은, 기판으로부터 열분리된 가열할 수 있는 박막을 진동시키도록 한 열전도형 기압 센서에 있어서, 극저기압에서 고기압까지 1 개의 센서 칩을 이용하여 광대역의 기압 측정, 특히 1 기압 또는 그 이상의 기압에 있어서도, 진동에 의해 강제 대류에 의한 기류를 발생시켜, 고감도로 진공도를 포함하는 기체 압력을 계측할 수 있도록 한 가열 여진을 이용한 열전도형 기압 센서에 관한 것이다.
온도 센서와 히터를 갖고, 이 히터에 의해 가열한 박막이나 와이어 등의 물체의 기체 등의 주위 매체로의 열전도에 의한 온도 변화를 온도 센서로 계측하여, 주위 매체의 기압, 습도나 유속 등의 물리 정보를 얻는 열형 센서를 일반적으로 열전도형 센서라고 한다. 이와 같은 열전도에 의한 그 물체의 온도 변화로부터 진공도 등의 분위기 기체의 기압을 계측하는 열전도형 기압 센서에 있어서는, 일반적으로, 가열한 물체와 히트싱크까지의 거리 및 기체의 평균 자유 행정과의 관계에서, 기압이 진공으로부터 1 기압 정도로 높아지면, 기압의 변화에 대해 열전도에 따른 열이 빠져나가는 변화가 거의 없어지고, 따라서, 감도가 거의 없어진다는 문제가 있었다.
본 발명자는, 먼저, 열전도형 기압 센서로서의 박막 피라니 진공 센서의 박막을 진동시키는 여진 수단으로서 정전 인력을 이용하여 진동시켜 기류를 발생시킴으로써, 가열된 박막으로부터 열이 빠져나가는 것을 촉진시킴으로써, 1 기압 또는 그 이상의 기압에 있어서도 고감도로 진공도를 포함하는 기체 압력을 계측할 수 있도록 한 열전도형 기압 센서를 발명하였다 (특허문헌 1). 또, 본 발명자는, 먼저, 박막 상태에서 온도 센서로서 이용할 수 있는 것으로서, 다이오드를 이용한 것 (특허문헌 2), 열전쌍의 단락 제벡 전류를 검출하도록 한 전류 검출형 열전쌍 (특허문헌 3) 을 발명하였다. 또, 본 발명자는, 먼저, 박막상(狀) 히터로서, 다이오드를 히터로서 이용하는 것 (특허문헌 4), 열전쌍을 히터로서 이용하는 것 (특허문헌 5) 을 발명하였다. 또한, 이들을 캔틸레버상(狀) 박막으로 형성하여 유속이나 진공도 등을 계측하는 열전도형 센서 (일본 특허출원 2007-103611호) 도 발명하였다. 또, 제벡 전류를 소정의 시간만큼 적분함으로써, 고감도이며 고정밀도로 온도차를 검출할 수 있도록 한 온도 센서 (일본 특허출원 2009-188088호) 도 발명하였다. 본원 발명은, 이들을 조합할 수 있도록 함과 함께, 추가로, 단순한 센싱부의 구조와 구동 회로 구성, 고감도이며 고정밀도의 광대역의 기압을 계측할 수 있는 열전도형 기압 센서를 제공하는 것이다.
일본 공개특허공보 2007-51963호 PCT/JP01/00080, 10/169083 (미국) PCT/JP2006/322842 일본 공개특허공보 2006-250736호 일본 공개특허공보 2009-79965호
그러나, 종래의 1 기압 부근의 기압을 계측하는 열전도형 기압 센서는, 박막을 진동시키는 여진 수단으로서 정전 인력을 이용하고 있었다. 이 때문에 여진용 전극을 박막에 근접하여 형성할 필요가 있고, 실제로는 구조적으로 복잡하여 제조가 곤란했다.
또, 종래의 박막을 진동시키는 여진 수단에서는, 공진을 이용하고 있고, 작은 전력으로 큰 진폭이 얻어져, 큰 기류를 발생시키기에는 바람직했지만, 여진 타이밍이 일치할 필요가 있고, 위상 조정 등 회로적으로도 복잡했기 때문에, 좀 더 단순한 구조이며, 반드시 공진을 이용하지 않아도 되고, 또한 단순한 회로 구성인 것이 요구되고 있었다.
본 발명의 과제는, 공진을 이용하지 않아도 되고, 단순한 구조에서의 캔틸레버 구조나 다이어프램을 사용한 가열 여진을 이용한 열전도형 기압 센서로서, 고진공 영역으로부터, 1 기압 이상의 영역까지의 기압을 측정할 수 있는 가열 여진을 이용한 열전도형 기압 센서를 제공하는 것이다.
본 발명은, 상기 서술한 문제점을 해소하기 위해 이루어진 것으로, 본 발명의 청구항 1 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 기판으로부터 열분리된 박막에, 적어도 1 개의 박막 온도 센서와 상기 박막을 승온시키는 가열 수단 및 상기 박막을 진동시키는 여진 수단을 구비한 열전도형 기압 센서에 있어서, 상기 박막은, 적어도 팽창 계수가 상이한 2 층 이상의 박막으로 이루어지는 것, 상기 여진 수단으로서, 상기 가열 수단에 의한 간헐 가열시의 상기 박막을 구성하는 주된 2 층의 열팽창의 차이에 기초한 휨을 이용하는 것, 이 휨에 기초한 강제 대류에 의해, 가열 수단으로부터 주위 기체로의 열전도를 촉진시켜 상기 박막 온도 센서의 온도 변화를 증대시키도록 한 것, 이 온도 변화의 증대에 의해 피측정 기압의 계측 감도를 증대시키도록 한 것을 특징으로 하는 것이다.
예를 들어, 바이메탈과 같이, 캔틸레버형의 열팽창 계수가 크게 상이한 적어도 2 층으로 이루어지는 기판으로부터 열분리되어 있는 박막에서는, 이 박막에 형성한 박막 히터의 줄 가열 등에 의해 박막을 가열했을 때 박막은 열팽창 계수가 큰 쪽의 층이 더욱 신장되므로, 박막은 휘어 구부러진다. 가열이 계속되면 온도 상승은 포화되므로, 휘어 구부러짐은 일정하게 안정된다. 그러나, 가열을 멈추면 박막은 냉각되어 원래의 온도로 되돌아오므로, 휘어 구부러짐은 가열전 상태로 되돌아간다. 이와 같이, 가열 냉각시에 휘어 구부러짐이 반복되므로, 박막은 진동한다. 이와 같이 주위 기체의 진동에 의한 기류의 발생에는, 여진 수단으로서의 캔틸레버 등의 적어도 2 층으로 이루어지는 기판으로부터 열분리된 (공중에 뜬) 박막의 열팽창 계수의 차이를 이용하여 간헐적으로 가열 냉각을 반복하도록 할 필요가 있다.
간헐적으로 가열 냉각의 주기는, 박막 가열의 열시상수 정도가 바람직하다. 이 주기는 박막의 공진 주파수의 주기와 반드시 일치시키는 것이 필수는 아니다.
본 발명의 청구항 2 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 상기 박막을 캔틸레버 형상으로 한 경우이다.
기판으로부터 열분리된 박막이 캔틸레버 형상인 경우, 캔틸레버의 앞쪽은 기판으로부터 완전하게 열분리되어 있고, 피계측 기압의 대상인 주위의 기체에 접하고 있을 뿐이므로, 예를 들어 캔틸레버 형상의 기판측에 형성한 박막 히터로부터의 열은, 캔틸레버 형상의 선단측에서는, 접하고 있는 주위 기체에 열이 전도되어 빠져나갈 수밖에 없다 (방사열 전달은, 온도 500 K 이하에서는 작기 때문에 거의 무시할 수 있다). 따라서, 극히 고진공 (실질적으로는, 10-4 ㎩ 이하의 기압) 에서는, 캔틸레버 형상의 선단측에 형성한 2 개의 온도 센서의 점에서는, 온도차가 제로가 된다는 특징이 있다. 이와 같이, 온도차를 계측하여 기압의 변화를 고정밀도로 계측하는 데에, 제로를 기준으로 하여 계측하는 방법인 영위법을 적용할 수 있다. 따라서, 박막이 캔틸레버 형상이고, 캔틸레버의 기판 지지측에 가까운 곳에 가열용 히터가 배치되고, 그 캔틸레버의 선단측을 향해, 그 길이 방향으로 배치 형성한 2 개의 온도 센서 (온도차 센서에서는, 1 개이어도 된다) 에 의해 2 점간의 온도차를 계측하는 것은, 고진공도 (매우 낮은 기압) 에서는, 이들 2 점간의 온도차가 본질적으로 제로가 되는 것을 알고 있으므로, 영위법에 의해 고진공도에 있어서도 고정밀도로 기압을 계측할 수 있다.
한편, 상기 박막의 진동에 의한 강제 대류의 효과를 볼 수 있는 높은 기압 영역 (0.1 기압 이상의 영역) 에서는, 주로 상기 박막 히터를 가열 정지시킨 직후 이후의 상태에서의, 캔틸레버 형상의 선단측에 형성한 2 개의 온도 센서의 온도차로부터 피계측 기압을 계측하는 것이 좋다.
본 발명의 청구항 3 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 온도 센서로서, 열전쌍을 사용한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서이다.
여기서, 열전쌍은, 본질적으로 온도차밖에 검출하지 않는 온도차 센서이므로, 상기 서술한 캔틸레버 형상 중의 2 점간의 온도차를 계측하는 데에 바람직하다. 특히, 전류 검출형 열전쌍으로서 동작시키면, 단순 구성으로 고감도의 온도차 계측이 가능하다.
본 발명의 청구항 4 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 박막으로서, 실리콘과 실리콘 산화막의 주된 2 층을 포함하고, 이들 실리콘과 실리콘 산화막의 열팽창 계수의 차이를 이용한 경우이다.
캔틸레버형의 팽창 계수가 크게 상이한 적어도 2 층의 재질로서, SOI 층 등의 실리콘층 (Si 층) 과 SOI 층의 하부의 실리콘 산화막 (BOX 층) 을 이용한 경우이다. 일반적으로 SOI 층의 실리콘 산화막 (BOX 층) 은 석영 박막이고, 열팽창 계수가 매우 작다. 따라서, BOX 층이 부착된 상태의 SOI 층을 캔틸레버로서 형성하면, SOI 기판을 형성했을 때의 고온에서의 SOI 층 (Si 층) 이 신장된 상태로 고정되어 있었기 때문에, SOI 층은 물리적으로 캔틸레버로서 자유로워지면 실온에서의 수축 상태가 되고, SOI 층측으로 캔틸레버가 뒤로 젖혀지는 상태가 된다. 그 때문에, SOI 층 아래의 BOX 층과는 반대측 표면에도 실리콘 산화막을 성장시켜, 신장의 밸런스를 취하고, 구부러지지 않는 캔틸레버로 하는 경우가 많다. 본 발명에서는, SOI 층의 BOX 층과는 반대측 표면에도 실리콘 산화막을 성장시켜도, BOX 층보다는 충분히 얇게 성장시켜, 휘어 구부러짐이 남도록 하여, 열팽창에 의한 바이메탈 효과가 커지는 구조로 하고 있고, 가열 수단에 의한 박막의 가열시에는, 크게 휨이 변화되도록 하고 있다.
본 발명의 청구항 5 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 가열 수단으로 박막 히터를 사용한 경우이다.
박막 히터로서, 금속 박막이나 확산 저항, 온도차 센서인 열전쌍도 저항을 가지므로 히터로서도 이용할 수 있고, 나아가서는, pn 접합 등의 접합을 갖는 다이오드의 순방향 전류에 의한 가열을 이용할 수 있다. 또, 트랜지스터의 컬렉터 저항을 이용하여 박막 히터로 해도 된다.
본 발명의 청구항 6 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 박막 히터의 위치를, 기판으로부터 열분리된 박막 중, 온도 센서보다 기판 지지부에 가까운 측에 형성한 경우이다.
박막 히터의 치수가 동일한 경우에는, 박막 히터의 위치를, 기판으로부터 열분리된 박막의 기판 지지부 부근에 형성함으로써, 2 층의 열팽창 계수에 의한 기판으로부터 열분리된 박막의 휨이 커지고, 기판으로부터 열분리된 박막이 캔틸레버상인 경우에는, 그 휨의 변화가 더욱 현저해진다. 따라서, 휨에 기초한 강제 대류가 증대되어, 주위 기체의 기압 변화를 고감도로 계측할 수 있다. 또한, 실험에 의하면, 휨에 기초한 강제 대류의 효과는, 0.1 기압 (0.1 × 105 ㎩ (파스칼)) 이상의 기압에서 현저해지는 것을 알 수 있다.
본 발명의 청구항 7 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 박막 히터로서, 저항 온도 계수가 1000 ppm/K 이하인 도체를 사용한 경우이다.
일정 전력을 인가하여, 소정의 온도 상승분을 확보하고자 할 때에는, 저항 온도 계수가 작은 금속 박막을 사용하면 편리하다. 그 이유는, 저항 온도 계수가 작으면, 온도 상승에 의해 히터의 저항 변화를 무시할 수 있으므로, 기판으로부터 열분리된 박막의 열 컨덕턴스가 일정할 때에는, 온도 상승분이 공급 전력에 비례하므로, 일정한 공급 전력을 공급하는 데에, 일정한 전압 또는 전류를 히터에 인가하면 되기 때문이다. 이와 같이, 동일한 소비 전력의 히터를 사용하면, 기판으로부터 열분리된 박막의 온도 상승분은, 주위 온도를 기준으로 하여 동일한 온도 상승분이 되는 것으로 이론적으로 알고 있다. 즉, 주위 온도가 바뀌어도, 그 주위 온도로부터 일정한 온도 상승분이 얻어진다는 것이다. 박막 히터로서의 줄 가열 히터에서는, 반복하여 가열해도, 동일한 소비 전력이 되도록 하는 것이 요구되는 경우가 많다. 박막 히터의 저항 온도 계수 (TCR) 가 매우 작고, 가열에 의한 히터의 전기 저항의 변화를 무시할 수 있을 정도이면, 일정한 전압 인가 혹은 일정한 전류 통전에 의해, 일정한 전력 공급을 할 수 있으므로, 소정의 히터의 온도 상승을 기대할 수 있다. 그러나, 그 저항 온도 계수 (TCR) 가 큰 히터에서는, 온도 상승과 함께 저항값이 변화되는 것, 또한, 주위 온도가 상이해도 그 저항값이 상이하므로, 일정한 전력 공급이 곤란하다. 따라서, 박막 히터로서, 저항 온도 계수 (TCR) 가 1000 ppm/K 이하인 도체를 사용하는 것이 좋고, 가능하면, 저항 온도 계수 (TCR) 가 사용 온도에서 무시할 수 있을 만큼 작기 때문에 그 저항 변화를 무시할 수 있는 것이 바람직하다. 일례로서, 니크롬 (NiCr) 박막 등은, 저항 온도 계수 (TCR) 가 수십 ppm/K 정도로, 매우 바람직한 재료이다.
본 발명의 청구항 8 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 박막 히터로서, 열전쌍을 히터로서도 이용할 수 있도록 한 경우이다.
열전쌍은, 2 개의 상이한 도체의 접합을 이용하고, 온도차에 기초한 기전력으로, 온도차를 검출하는 온도차 센서인데, 도체는 저항을 갖고 있으므로, 이것을 히터로서 이용할 수 있다. 특히, 온도차에 기초한 기전력에 의한 단락 전류를 계측하도록 한 전류 검출형 열전쌍에서는, 일방의 도체로서 열기전력이 큰 반도체를 사용하는 경우가 많다. 2 개의 상이한 도체의 접합은 오옴성 접합인데, 열전쌍을 구성하는 반도체 중의 저항으로 발열시킬 수 있고, 기판으로부터 열분리된 박막으로서 SOI 층을 이용한 경우에는, 이 SOI 층을 주된 박막 히터로서 이용할 수 있다. 특히 SOI 층을 사용한 캔틸레버 구조일 때에는, 그 선단부가 기판으로부터 열 분리되어 있으므로, 큰 온도 상승이 얻어지기 쉽다.
본 발명의 청구항 9 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 상기 기판으로부터 열분리된 박막을, 열저항부를 개재하여 적어도 2 개의 박막 (A) 과 박막 (B) 으로 분할하고, 각각의 박막 (A) 과 박막 (B) 에 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 를 형성하고 있고, 이들 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 온도차로부터 피계측 기압을 알도록 한 경우이다.
기판으로부터 열분리된 박막을 캔틸레버 구조로 하여, 그 지지부인 기판측에 가까운 쪽, 또는 기판으로부터 캔틸레버에 이르는 영역도 포함시켜, 캔틸레버의 도중까지 박막 히터를 구성해 두고, 또한, 그 박막 히터보다 캔틸레버의 선단측에, 2 개의 박막 (A) 과 박막 (B) 으로 캔틸레버 구조를 열저항부를 개재하여 분할하는 구조로 한다. 이 분할된 2 개의 박막 (A) 과 박막 (B) 각각에, 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 를 형성하도록 한 구조에 의해, 그들의 온도차를 계측하도록 하는 것이, 극히 저기압에서 1 기압 이상의 고기압까지의 계측 기압 범위를 확대하는 데에 있어서 중요하다.
본 발명의 청구항 10 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 쌍방 모두 열전쌍으로 한 경우이다.
캔틸레버 구조 등의 기판으로부터 열분리된 박막 (공중에 뜬 박막) 의 기판 근처에 형성한 박막 히터로부터의 열을 선단측에서, 그 길이 방향으로 열저항을 개재하여 형성한 2 개의 영역의 온도차를 계측하여, 이 온도차 출력으로부터 피측정 주위 기체의 기압을 계측하는데, 고기압측, 특히 0.1 기압 이상의 높은 기압에서의 강제 진동에 의한 강제 대류 열전달을 촉진함으로써, 온도차를 확대하고자 하는 것이 본원 발명의 주안점이다. 이 온도차 계측을 위해서는, 본질적인 온도차에만 출력이 출현하는 온도차 센서가 최적이 된다. 온도차 센서로서, 단순한 구조로, 박막화할 수 있는 열전쌍이 바람직하고, 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 모두 열전쌍으로 하는 것이 좋다. 또, 기판으로부터 열분리된 박막을 캔틸레버 구조로 하는 것이 좋고, 일방의 도체로서 SOI 기판의 SOI 층 (반도체층) 을 이용하고, 또한, 열팽창 계수의 차이에 의한 휨을 여진 수단으로 하기 위해서는, 열팽창 계수가 매우 작은 BOX 층 (SiO2 막층) 과의 이중 구조층을 이용하는 것이, 단순 구조가 되므로 바람직하다. 또한, 타방의 도체로서, 절연층을 개재한 금속 박막을 이용하면 되고, 가능하면, SOI 층 (반도체층) 과는 반대의 열기전력을 발생하는 금속 박막의 선택이 바람직하다.
본 발명의 청구항 11 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 상기 박막의 진동에 의한 강제 대류의 효과를 볼 수 없는 낮은 기압 영역에서는, 상기 박막 히터를 가열 상태에서의 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 온도차로부터 피계측 기압을 알도록 하고, 상기 박막의 진동에 의한 강제 대류의 효과를 볼 수 있는 높은 기압 영역에서는, 상기 박막 히터를 가열 정지시킨 직후 이후의 상태에서의 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 온도차로부터 피계측 기압을 알도록 한 경우이다.
상기 박막의 진동에 의한 강제 대류의 효과를 볼 수 없는 낮은 기압 영역이란, 거의 0.1 기압 부근 이하의 기압의 진공 상태이고, 극히 고진공 (극히 저기압) 에서는, 특히, 기판으로부터 열분리된 박막을 캔틸레버 구조로 한 경우에는, 이 박막 중, 박막 히터보다 선단측에 형성한 2 개의 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 온도차는, 이 박막을 가열하고 있어도 본질적으로 제로가 되도록 동작하기 때문에, 영위법을 이용하여 고정밀도로 극히 저기압을 계측할 수 있다. 그러나, 상기 박막의 진동에 의한 강제 대류의 효과를 볼 수 있는 높은 기압 영역인 0.1 기압 부근 이상의 기압에서는, 본원 발명에서는, 여진 수단에 의해 피계측 주위 기체에 강제 대류를 발생시켜, 냉각을 촉진시키는 것이기 때문에, 가열하기 시작하여, 팽창 계수가 상이한 2 층의 열팽창에 기초한 진동 (거의 1 회만의 진동) 을 이용하는 캔틸레버 구조체의 진동이 시작되었을 때 계측해도 된다. 그러나, 실험에 의하면, 오히려 가열을 멈추고, 냉각시켜 가는 과정에서의 진동 (거의 1 회만의 진동) 을 이용하여, 열저항부를 사이에 두고 형성되어 있는 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 강제 대류에 의한 온도차를 계측하는 것이, 신호 대 잡음비 (S/N 비) 가 크고, 기압 변화에 따른 온도차 신호의 변화도 커져, 고감도, 고정밀도 검출이 가능해졌다. 이 가열을 멈추고, 냉각시켜 가는 과정에서의 진동을 이용한 경우에는, 캔틸레버의 기판측에 형성한 박막 온도 센서 (THA) 부 (박막 히터보다는 선단측에 형성되어 있다) 의 온도가 빠르게 냉각되고, 열저항부를 사이에 두고 형성된 박막 온도 센서 (THB) 의 온도는, 천천히 냉각되어 가므로, 온도차의 피크를 맞이한 후, 냉각이 진행됨에 따라, 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 온도차도 제로에 가까워지므로, 신호 출력도 제로에 가까워지게 된다. 이 의미에서 영위법을 사용할 수 있으므로, 고감도이며, 고정밀도 계측이 가능하다.
본 발명의 청구항 12 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 상기 기판에, 열전도형 기압 센서의 동작에 필요한 회로 중, 적어도 그 일부를 집적화한 경우이다.
열전도형 기압 센서는, 기판으로부터 열분리된 박막에, 적어도 1 개의 박막 온도 센서와 상기 박막을 승온시키는 가열 수단 및 상기 박막을 진동시키는 여진 수단을 구비하고 있는데, 이들을 동작시켜 출력시키기 위해서는, 여러 가지 회로가 필요하다. 이들 회로 중 전부 또는 그 일부를 기판에 집적화하고자 하는 것이다. 예를 들어, 기판을 실리콘 (Si) 등의 반도체를 사용한 경우에는, 온도 센서로부터의 출력 신호를 증폭시키는 증폭기, 박막 히터 등의 가열 수단의 구동 회로, 여진 수단의 타이밍용 회로, 연산 회로, 표시 회로 등을 동일 기판에 집적화할 수 있다. 이와 같이 하여, 매우 소형, 경량이며 컴팩트한 열전도형 기압 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 청구항 13 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 적어도 기판에 형성한 온도 센서와 가열 수단을 덮도록 형성한 캡이, 밀폐되어 있지 않지만, 주위 기체의 흐름을 방해하도록 하여, 상기 온도 센서와 가열 수단에 직접 기류가 닿지 않도록 한 경우이다.
열전도형 기압 센서는, 기류에 민감하고, 예를 들어 진공 센서로서 사용한 경우에는, 펌프로 진공 배기하기 시작했을 때 등, 기류가 발생한다. 이 경우, 열전도형 기압 센서를 구성하는 온도 센서와 가열 수단으로서의 히터에 기류가 직접 닿으면, 진정한 기압의 계측이 곤란해진다. 따라서, 기류가 온도 센서와 히터에 직접 닿지 않게 할 필요가 있고, 열전도형 기압 센서의 기압 감지부가 되는 온도 센서와 히터를 기류에 노출되지 않도록, 메시나 구멍이 형성된 캡을 씌우거나, 덮도록 하는 것이다. 메시나 구멍이 형성된 캡은, 기판 전체를 덮도록 해도 된다.
본 발명의 청구항 14 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 상기 온도 센서의 출력을 출력 전류가 되도록 하여, 그 출력 전류를 소정의 시간만큼 적분하여, 출력 전압으로 변환하고, 그 출력 전압을 이용하여 피계측 기압을 알도록 한 경우이다.
온도 센서를 전류 검출형 열전쌍으로 하여 단락 제벡 전류를 계측하도록 한 경우나, 기전력을 검출한다고 해도 이것을 전류 변환으로 하여 출력 신호로 하는 경우, 오히려, 이들 출력 전류 (I) 를 콘덴서 C 등에 충전시키도록 하면, 출력 전류 (I) 에 충전 시간 Δt 를 곱한 몫은, 콘덴서 C 에 저장되는 전하 (Q) 가 된다. 이 때 콘덴서 C 의 양단의 전압 (V) (출력 전압) 은, V=Q/C=IΔt/C 이고, 적당한 콘덴서 C 의 값을 선택함으로써, S/N 비가 큰 상태에서, 큰 출력 전압 (V) 이 용이하게 얻어진다. 예를 들어, 열전도형 기압 센서의 히터를 정지시키고, 캔틸레버상 박막의 진동을 개시시킨 직후부터 소정 시간, 예를 들어 20 밀리초간, 연산 증폭기를 이용하여 콘덴서 C 에 상기 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 온도차에 기초한 제벡 전류 신호를 저장함으로써, 큰 출력 전압 (V) 으로 변환하여, 더욱 기압에 관한 감도를 증대시킬 수 있다.
본 발명의 청구항 15 에 관련된 열전도형 기압 센서는, 열전도형 기압 센서의 동작에 필요한 여러 가지 회로인, 가열 수단의 온도를 제어하는 온도 제어 회로, 여진 수단을 구동하는 여진 구동 회로, 온도 센서로부터의 신호를 증폭시키는 증폭 회로, 이 증폭 회로 출력을 이용하여 기압으로 변환하는 연산 회로도 내장시킨 것으로, 이들을 반드시 상기 기판에 탑재하지 않아도 되고, 장치로서 장착한 형태로 열전도형 기압 센서를 동작시키는 경우이다.
본 발명의 열전도형 기압 센서에서는, 기판으로부터 열분리된 박막이, 열팽창 계수가 상이한 적어도 2 층이 바이메탈과 같이 겹치는 구조로 해 둠으로써, 가열 수단의 간헐 가열이 바이모르프 진동을 일으켜 여진 수단이 되므로, 매우 단순한 구조로, 대량 생산에 적합하고, 저가이며 고감도의 열전도형 기압 센서를 제공할 수 있다는 이점이 있다.
진공을 포함하는 기압에 변동이 있으면 그 때의 공진 주파수가 변화하게 되므로, 공진을 이용하면 자려 발진 회로나 위상 검출과 그 조정 등이 필요하게 된다. 본 발명의 열전도형 기압 센서에서는, 공진을 이용해도 되지만, 반드시 그럴 필요가 없고, 박막 히터의 열시상수를 고려한 가열 냉각의 반복만으로 해결되므로, 단순한 회로 구성이면 된다는 이점이 있다.
본 발명의 열전도형 기압 센서에서는, 일반적으로 실리콘 (Si) 기판의 MEMS 기술에 의한 열분리된 박막은, SOI 기판을 이용하므로, SOI 기판의 SOI 층과 BOX 층 (SiO2 층) 의 2 층을 이용할 수 있기 때문에 특별한 구조나 재료를 새롭게 형성할 필요가 없다. 따라서, 실리콘 (Si) 과 실리콘 산화막 (SiO2) 을 주된 2 층으로 기판으로부터 열분리된 박막을 구성함으로써, 매우 열팽창 계수가 큰 Si 와 매우 열팽창 계수가 작은 2 층의 조합이 가능하므로, 저가로 고감도의 열전도형 기압 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 열전도형 기압 센서에서는, 기판으로부터 열분리된 박막을 캔틸레버 형상으로 하여, 가열 수단과 여진 수단의 조합에 의해, 큰 박막의 진동이 얻어지고, 그 만큼, 강제 대류가 커져 기압에 대한 감도가 증대될 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 열전도형 기압 센서에서는, 가열 수단으로서 기판으로부터 열분리된 박막에 형성한 박막 히터를 이용하고, 기판 지지부 부근에 형성할 수 있으므로, 큰 박막 진동이 얻어진다는 이점이 있다.
본 발명의 열전도형 기압 센서에서는, 기판으로부터 열분리된 박막의 어느 영역과 기판 사이의 온도차나, 박막 내의 열저항부를 개재하여 분할한 2 개의 영역의 온도차를 계측하므로, 온도차 센서로서 간편한 열전쌍을 사용할 수 있다. 또, 이 때문에 온도차의 영위법을 적용할 수 있으므로, 고정밀도의 기압의 계측이 가능하게 된다.
본 발명의 열전도형 기압 센서에서는, 박막 히터로서, 저항 온도 계수가 작은 재료를 사용함으로써, 박막 히터의 온도에 따른 저항값의 변화를 무시할 수 있으므로, 일정 전류 혹은 일정 전압 구동에 의해, 주위 온도보다 소정의 온도 상승분을 용이하게 실현할 수 있다는 이점이 있다. 일반적으로, 가열 물체는, 가열을 정지하면 주위 온도로 되돌아오므로, 주위 온도보다 소정의 온도 상승분을 지정할 수 있는 것이 중요하다. 이와 같이, 단순한 구조로, 또한 용이하게 소정의 온도 상승분을 일정하게 할 수 있기 때문에, 주위 온도 의존성을 무시할 수 있는 열전도형 기압 센서를 제공할 수 있다.
본 발명의 열전도형 기압 센서에서는, 기판으로부터 열분리된 박막을 캔틸레버 구조로 함으로써, 박막의 진동에 의한 강제 대류의 효과를 볼 수 없는 저기압 영역 (대체로 0.1 기압 미만) 에서는, 상기 박막 히터를 가열 상태에서의 열저항부를 개재하여 배치되어 있는 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 온도차로부터 피계측 기압을 알도록 하고 있고, 고진공에서는, 이들의 온도차가 제로가 될 것이므로, 영위법이 적응 가능하다.
또, 상기 박막의 진동에 의한 강제 대류의 효과를 볼 수 있는 높은 기압 영역 (대체로 0.1 기압 이상) 에서는, 상기 박막 히터를 가열 정지시킨 직후 이후의 상태에서의 진동에 의한 강제 대류시의 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 온도차로부터 피계측 기압을 알도록 하고 있으므로, 1 기압 이상의 높은 기압의 계측도 가능하고, 1 개의 열전도형 기압 센서의 센서 칩을 이용하여, 극히 고진공 (낮은 기압) 으로부터 높은 기압까지의 광대역의 열전도형 기압 센서를 제공할 수 있다는 이점이 있다.
본 발명의 열전도형 기압 센서에서는, 상기 기판에 형성한 온도 센서와 가열 수단을 덮도록 형성한 캡이, 밀폐되지 않고 주위 기체의 흐름을 방해하도록 되어 있으므로, 진공 배기 중의 기류의 영향도 무시할 수 있게 된다는 이점이 있다.
본 발명의 열전도형 기압 센서에서는, 온도 센서의 출력을 출력 전류가 되도록 하여, 출력 전류를 소정의 시간만큼 콘덴서 등을 이용하여 적분하고, 출력 전압으로 변환하고, 출력 전압을 이용하여 피계측 기압을 알도록 되어 있고, 또한, 초기 상태가 되돌아오도록 정기적으로 콘덴서의 전하를 방전시키므로, 간편한 고감도이며 고정밀도의 열전도형 기압 센서를 제공할 수 있다는 이점이 있다.
도 1 은 본 발명의 열전도형 기압 센서에 관련된 것으로, SOI 층 (11) 을 갖는 기판 (1) 을 이용하여 제조하고, 또한 열전쌍 히터로서의 박막 히터 (25) 를 갖는 열전도형 센서 칩 (100) 의 일 실시예를 나타내는 평면 개략도이다 (실시예 1).
도 2 는 도 1 에 나타내는 본 발명의 열전도형 기압 센서의 X-X 단면에 있어서의 횡단면의 개략도이다 (실시예 1).
도 3 은 본 발명의 열전도형 기압 센서의 열전도형 센서 칩 (100) 의 다른 일 실시예의 평면 개략도이다 (실시예 2).
도 4 는 본 발명의 열전도형 기압 센서에 관련된 것으로, 열전도형 센서 칩 (100) 의 다른 일 실시예를 나타내는 평면 개략도이다 (실시예 3).
도 5 는 본 발명의 열전도형 기압 센서에 관련된 것으로, 피계측 기압을 고감도로 계측할 수 있도록 한 회로의 일 실시예의 회로의 개략도이다 (실시예 4).
도 6 은 도 5 에 있어서의 연산 증폭기 (320) 를 비반전 증폭기로서 이용하고, 그 입력 단자 부근을 중심으로 나타낸 일 실시예의 회로의 개략도이다 (실시예 4).
도 7 은 본 발명의 열전도형 기압 센서에 관련된 것으로, 히트싱크 (150) 도 포함하는 기판 (1) 에 캡 (60) 을 형성한 경우의 일 실시예를 나타내는 횡단면의 개략도이다 (실시예 5).
도 8 은 본 발명의 열전도형 기압 센서에 관련된 것으로, 그 시스템 구성의 일 실시예의 개략을 블록도에 나타낸 것이다 (실시예 6).
도 9 는 본 발명의 열전도형 기압 센서의, 100 밀리초 가열, 100 밀리초 냉각의 경우의 출력 전압의 파형을 나타낸다.
도 10 은 본 발명의 열전도형 기압 센서의 도 9 에 있어서의 P1 시점에서의, 압력 대 출력 전압의 관계를 나타내는 특성이다.
도 11 은 본 발명의 열전도형 기압 센서에서의, 가열 여진이 있는 경우와, 없는 경우의 압력 대 출력 전압의 관계를 나타내는 특성이고, 실시예 2 의 도 3 에 있어서의 온도 센서로서의 열전쌍 (24a) 과 열전쌍 (24b) 의 차이의 출력으로부터 구한 것으로, 실시예 2 의 도 3 에 있어서의 온도 센서로서의 열전쌍 (24a) 과 열전쌍 (24b) 의 차이의 출력으로부터 구한 것이고, 도 9 의 P2 시점에서 계측한 것이다.
본 발명의 열전도형 기압 센서는, SOI 기판을 이용하고, 이 SOI 층인 Si 층과 그 BOX 층인 SiO2 층을 주된 2 층으로 하는 MEMS 기술에 의해 기판으로부터 열분리된 박막으로서의 캔틸레버상으로 형성한다. 온도 센서로서, 온도차 센서인 n 형 Si 박막층과 금속 박막으로 이루어지는 박막 열전쌍을 이용한다. p 형의 SOI 층을 준비하고, SOI 층인 Si 층에 n 형의 고농도 불순물을 첨가해 두거나, 혹은 처음부터 n 형의 고농도 불순물을 첨가한 SOI 층의 기판을 사용하거나 하여, 저저항의 n 형 Si 박막층과 그 위에 BOX 층인 SiO2 층보다 매우 얇은 SiO2 막을 형성하고, 또한 그 위에 니켈 (Ni) 등의 금속 박막을 형성하여, 열전쌍의 일방의 도체로서의 n 형 Si 박막층과 타방의 도체로서의 금속 박막의 접촉 부분을 캔틸레버 선단에 형성한 박막 열전쌍을 이용한다.
특히 박막 열전쌍을 1 쌍의 열전쌍이면 되는 전류 검출형 열전쌍으로서 이용하면 고감도이어서 바람직하다. 물론, 1 쌍의 열전쌍 대신에 서모 파일을 사용해도 된다. 온도 센서에 대해, 가열 수단으로서 캔틸레버의 지지부에 가까운 측에, 예를 들어 니크롬 박막의 박막 히터를 형성한다.
또, 가열 수단으로서도 박막 열전쌍을 이용할 수 있다. 이것은, 캔틸레버의 지지부에 가까운 측에, 예를 들어 박막 열전쌍을 하나 더 형성해 두고, 이것을 캔틸레버 선단의 온도 변화 검출용의 상기 열전쌍의 기준 온도를 검출하기 위한 열전쌍으로서 이용함 (캔틸레버의 지지 기판과 이 열전쌍을 구성하는 n 형 Si 박막층과 금속 박막의 접촉 부분의 온도차를 계측할 수 있다) 과 함께, 박막 히터로서도 이용하는 것이다. 물론, 금속 박막 등의 박막 히터로 해도 된다. 이들 가열 수단을 이용하여, 박막 캔틸레버의 열시상수 근처의 가열 시간으로 박막 캔틸레버를 가열한다. 냉각 시간은 임의로 선택할 수 있는데, 가열 냉각을 박막 캔틸레버의 열시상수 근처의 주기로 반복하여 가열함으로써, SOI 층인 Si 층과 BOX 층인 SiO2 층을 주된 2 층으로 하는 바이메탈 구조의 열팽창에 의한 휘어 구부러짐을 이용한 여진 수단으로 하면 좋다. 이와 같이 하여, 박막 캔틸레버를 진동시켜 주위의 기체에 기류를 발생시키고, 가열한 박막 캔틸레버로부터 열이 빠져나가는 것을 촉진시켜 1 기압이나 그 이상의 기압에 있어서도 고감도로 기압을 계측할 수 있도록 한다.
실시예 1
도 1 은, 본 발명의 열전도형 기압 센서에 관련된 것으로, SOI 층을 갖는 기판 (1) 을 이용하여 제조하고, 또한 가열 수단으로서의 박막 히터 (25) 를 갖는 열전도형 센서 칩 (100) 의 일 실시예를 나타내는 평면 개략도이다. 여기서는, 공동 (40) 에 캔틸레버 (15) 로서 기판 (10) 으로부터 돌출된 구조의 SOI 층 (예를 들어, 10 ㎛ 두께) (Si 층) 과 그 아래에 있는 SiO2 막 (예를 들어, 1 ㎛ 두께) 으로 이루어지는 BOX 층 (실리콘 산화막층) 을 주된 2 층으로 한 캔틸레버상의 박막 (예를 들어, 700 ㎛ 길이) 을, 기판으로부터 열분리된 박막 (10) 으로 한 경우로서, 이 박막 (10) 을, 박막 (10A) 과 박막 (10B) 으로 2 분할한 경우이다. 그리고, 이들 2 층의 열팽창 계수의 차이에 의해 캔틸레버 (15) 를 바이모르프 진동시키도록 하여 여진 수단을 형성한 경우이고, 또, 박막 (10B) 은, 박막 (10A) 으로부터 열저항부 (45b) 를 개재하여 캔틸레버 (15) 상(狀)으로 돌출되고, 또한 박막 (10A) 도 기판 (1) 으로부터 다른 열저항부 (45a) 를 개재하여 캔틸레버상으로 돌출된 구조로 되어 있다. 그리고, 이들 열저항부 (45a, 45b) 는, 모두 박막 (10) 에 형성한 각각의 슬릿 (42a, 42b) 에 의해 폭이 좁은 구조로, 기판 (1) 에 대한 열전도를 작게 하여, 온도 변화가 커지도록 하고 있다. 박막 (10A) 에는, 온도 센서 (20) 로서, 축퇴될수록 고농도로 불순물을 확산한 n 형 확산 영역 (SOI 층) 박막을 열전쌍 제 2 도체 (121a) 와 니켈 박막 등의 열전쌍 제 1 도체 (120a) 로 이루어지는 열전쌍 (24a) (박막 온도 센서 (THA)) 이 형성되고, 가열 수단의 박막 히터 (25) 인 열전쌍 히터로서도 동작할 수 있도록 되어 있다. 또, 박막 (10B) 에 형성한 열전쌍 (24b) (박막 온도 센서 (THB)) 도 그 구성은 열전쌍 (24a) 과 동일하고, 전류 검출형 열전쌍으로서, 박막 (10A) 에 가까운 쪽의 오옴성 컨택트 (29b) 를 형성하고, 그곳으로부터 기판 (1) 을 향해, 열전쌍 (24b) 의 열전쌍 제 1 도체 (120b) 와 동일 금속 재료인 배선 (110) 에 의해 전극 패드 (71a) 에 유도하고 있으므로, 박막 (10B) 에 형성한 열전쌍 (24b) 은, 거의 박막 (10A) 에 형성한 박막 히터 (25) 의 온도에 가까운 박막 (10B) 의 오옴성 컨택트 (29b) 를 기준 (히터 근처이므로, 일반적으로는 온접점이 된다) 으로 하여, 그곳으로부터 캔틸레버 (15) 의 선단부에 있는 박막 (10B) 에 형성한 열전쌍 (24b) 의 냉접점이 되는 오옴성 컨택트 (29'b) (히터측보다 온도가 내려가기 때문에) 까지의 온도차를 계측하게 된다. 박막 (10B) 에 형성한 열전쌍 (24b) 은, 전극 패드 (71a) 와 전극 패드 (71b) 를 이용하여, 전류 검출형 열전쌍으로서 동작시키면, 고감도로 온도차를 검출할 수 있다.
본 발명의 열전도형 기압 센서에 있어서의 도 1 에 나타내는 구조에서는, 피라니형 박막 진공 센서에 응용한 경우의 동작을 설명하면 다음과 같다. (공중에 뜬) 박막 (10A) 에 형성되어 있는 가열 수단으로서의 박막 히터 (25) (열전쌍 히터) 로, 박막 (10A) 을 줄 가열했을 때, 박막 (10A) 의 열저항부 (45a) 가 가장 저항이 커지므로, 가장 가열되는 영역은, 이 기판측에 가깝고 가늘고 긴 열저항부 (45a) (주로 이 영역의 저항이 큰 n 형 확산 영역 (21) 에서 발열한다) 이다. 또, 이 때 고진공도, 예를 들어 10-4 ㎩ 에 있어서, 주위 환경 온도 Tc 보다, 예를 들어 100 ℃ 정도 높은 온도가 되도록, 간헐적인 직사각형파 전류 펄스를 흐르게 하여 가열 제어한다. 이 때, 박막 (10B) 은, 박막 (10A) 으로부터 캔틸레버상으로 돌출된 구조인 것, 또한, 100 ℃ 정도에서는, 복사에 의한 열방사는 매우 작기 때문에, 고진공도하에서는, 박막 (10B) 과 박막 (10A) 의 온도는 거의 동등한 온도가 된다. 즉, 고진공도에서는, 박막 (10B) 과 박막 (10A) 의 온도차는 거의 제로가 되고, 박막 (10B) 의 열전쌍 (24b) 의 열기전력이 제로이고, 따라서, 이것을 전류 검출형 열전쌍으로서 사용하면, 그 단락 전류도 제로가 된다. 이와 같이, 박막 (10B) 의 열전쌍 (24b) 으로서, 박막 (10A) 을 기준으로 한 온도차만 계측하는 전류 검출형 열전쌍을 사용하면, 고정밀도 계측인 영위법을 적용할 수 있으므로, 특히 고진공도에 있어서 고정밀도로 진공도를 계측할 수 있다. 또한, 박막 (10A) 의 온도는, 박막 히터 (25) (열전쌍 히터) 의 가열을 멈추고, 박막 히터 (25) 를 본래의 열전쌍으로서 동작시킴으로써, 그 직후의 온도나 시간 경과 후의 온도를 계측하여, 가열을 멈추기 직전의 온도를 알 수 있다. 이 온도 계측에 의해 영위법을 적용할 수 있는 것이다.
박막 (10) 의 열시상수는, 기판으로부터 열분리되어 있고 열용량이 작기 때문에, 예를 들어 25 밀리초 정도로 작다. 이 경우, 박막 (10A) 의 온도를 박막 히터 (25) 에 대한 직사각형파 전류 공급에 의해 거의 100 ℃ 가 되도록, 직사각형파 전류를 박막 (10A) 의 열시상수인 20 밀리초보다 약간 긴 30 밀리초 정도 흐르게 하고, 또, 30 밀리초 정도의 시간 간격만큼 전류 공급을 멈추고, 냉각 기간으로 한다. 이와 같은 반복적인 간헐 전류 가열에 의해, 박막 (10) 의 가열 냉각을 반복하면, 박막 (10) 은, 캔틸레버 (15) 상의 박막 (10A) 과 박막 (10B) 으로 이루어지는 박막 (10) 은, 가열 전에는 기판 (1) 의 표면으로부터 그 상방으로 휘어 구부러져 있다. 그러나, 가열에 의해, SOI 층 (11) 인 실리콘 (Si) 은 열팽창 계수가 크기 때문에 신장하는 것에 대해, BOX 층인 실리콘 산화막 (SiO2 막) 은, 매우 열팽창 계수가 작기 때문에, 거의 치수가 변화되지 않고, 결국, 열팽창을 이용한 바이메탈과 같이, 캔틸레버 (15) 상의 박막 (10) 은, 기판 (1) 의 표면측으로 돌아오도록 구부러지게 되어, 바이모르프 진동 동작을 한다. 이와 같이 하여, 캔틸레버 (15) 상의 박막 (10) 의 여진 수단으로서 2 층의 열팽창의 차이에 의해 진동시켜, 1 기압 정도의 진공에 비해 기압이 높은 영역에서는, 피라니 진공 센서 등에서는, 1 기압 정도의 높은 압력이 되면, 거의 감도를 가지지 않는데, 본 발명의 가열 여진시키는 열전도형 기압 센서에서는, 박막을 가열하기 시작할 때의 박막의 진동이 시작되었을 때의 강제 대류, 또는 가열 수단에 의한 박막의 가열을 멈추고, 냉각시켜 가는 과정에서의 진동을 이용한 강제 대류를 일으켜, 발열한 캔틸레버 (15) 상의 박막 (10) 으로부터의 열전달을 촉진시킴으로써, 1 기압 이상에서도 높은 감도를 갖게 된다.
도 2 에는, 도 1 에 나타내는 본 발명의 열전도형 기압 센서의 X-X 단면에 있어서의 횡단면의 개략도를 나타내고 있고, 캔틸레버상의 박막 (10) 이 그곳에 형성되어 있는 열전쌍 히터로서의 박막 히터 (25) 의 가열 냉각에 의해 진동하고 있는 모습을 나타내고 있다. 여기서는, 캔틸레버 (15) 상의 박막 (10A) 과 박막 (10B) 으로 이루어지는 박막 (10) 이, 두께 10 마이크로미터 (㎛) 정도의 p 형의 SOI 층 (11) (실제로는, 이 영역에 고농도 n 형 확산 영역 (21) 이 형성되어 있다) 과 BOX 층 (실리콘 산화막) (51) 이 큰 열팽창 계수에 의해 휘어 구부러져, 진동하고 있는 모습이다. 이 p 형의 SOI 층 (11) 에 고농도로 n 형 불순물 (인 등) 을 열확산하여 형성한 n 형 확산 영역 (SOI 층) (21) 을 형성하여 온도 센서 (20) 로서의 온도차 센서인 열전쌍 (24) 이 형성되어 있다.
또한, p 형의 SOI 층 (11) 에 형성한 n 형 확산 영역 (SOI 층) (21) 은, 100 ℃ 정도의 온도에서는, 이들 pn 접합에 의해 전기적으로 박막 히터로서의 박막 히터 (25) 와, 박막 (10B) 에 형성한 열전쌍 (24b) 을 전기적으로 분리하므로 바람직하다. 물론, pn 접합에 의한 전기적 분리가 아니고, 예를 들어 산화 실리콘막 (SiO2 막) 에서의 절연 분리이어도 된다.
박막 히터 (25) 를 이용하여 가열 냉각을 반복함으로써, 캔틸레버 (15) 상의 박막 (10) 은 상하로 진동 (바이모르프 진동) 하고, 주위 기체에 기류를 발생시킨다. 이 때문에 가열된 캔틸레버상의 박막 (10) 은, 냉각이 촉진되어 캔틸레버상의 박막 (10B) 에 형성된 열전쌍 (24b) 은, 그 캔틸레버상의 선단부일수록 차가워지므로, 온도차가 확대되어 고감도로 온도차를 검출할 수 있다. 이 차가워지는 방식은, 주위 기체의 기압이 클수록 큰 기류가 발생하므로, 가열된 캔틸레버상의 박막 (10) 은 쉽게 차가워진다. 이와 같이 하여, 종래의 박막 피라니 진공 센서에서는, 1 기압 부근, 또는 그 이상의 기압 영역에서는, 거의 감도를 가지지 않았지만, 본 발명의 열전도형 기압 센서에서는, 가열 팽창에 의한 여진 진동에 의해 기류를 발생시켜, 가열된 박막 (10) 의 냉각을 촉진시킴으로써, 1 기압 부근이나 그 이상의 기압에서도 포화되지 않고 기압을 계측할 수 있다.
상기 서술한 실시예에서는, 기판 (1) 으로부터의 열분리를 위해 공중에 뜬 구조로 되어 있는 박막 (10) 으로서, 캔틸레버 (15) 를 이용했지만, 반드시 캔틸레버 (15) 일 필요는 없고, 공동 (40) 을 가교하는 양단을 지지한 다리 형상이어도 되고, 또, 공동 (40) 위에 형성한 다이어프램 구조여도 된다.
실시예 2
도 3 은, 실시예 1 에 있어서의 본 발명의 열전도형 기압 센서의 열전도형 센서 칩 (100) 의 도 1 에 나타내는 예와 거의 동일하지만, 다른 일 실시예를 나타낸 것이다. 주된 차이는, 기판으로부터 열분리된 박막 (10) 을, 열저항부 (45b) 를 개재하여 분할 형성되어 있는 박막 (A) 과 박막 (B) 에, 각각 열전쌍 (24a) (박막 온도 센서 (THA)) 과 열전쌍 (24b) (박막 온도 센서 (THB)) 을 형성하고 있는 것은 동일하지만, 이들의 열적 기준이 되는 열전쌍의 냉접점을 기판 (1) 에 형성하고 있는 것, 이들 2 개의 열전쌍의 냉접점으로서, 공유하는 오옴성 컨택트 (29) 로서 동일한 전극 패드 (70) 를 이용하도록 한 것, 그리고, 이들 열전쌍 (24a) 과 열전쌍 (24b) 의 각각의 열전쌍 제 2 도체 (121a, 121b) 를 동일한 SOI 층에 형성한 동일한 n 형 확산 영역으로 한 것, 캔틸레버상의 박막 (10) 중 기판 (1) 에 가까운 측의 박막 (A) 에는, 열전쌍 (24a) 과는 독립적으로 박막 히터 (25) 를 형성하고 있는 것, 따라서, 박막 히터 (25) 의 가열 중에도 열전쌍 (24a) 과 열전쌍 (24b) 의 차이의 출력이 그들 전극 패드 (70a) 와 전극 패드 (70b) 사이로부터 얻어지고, 박막 (A) 과 박막 (B) 의 온도차가 구해지도록 한 것, 또한 박막 히터 (25) 는, 니크롬 박막 등의 저항 온도 계수가 매우 작은 금속 박막 등으로 형성하고 있고, 캔틸레버상 박막 (10) 의 기판 지지부 (48) 를 초과하여 연장되어 있고, 박막 (10) 의 열저항부 (45a) 에 있어서도 가열되어 큰 박막 (10) 의 열팽창 계수의 차이에 의한 휘어 구부러짐이 커지도록 설계되어 있는 것이다.
여기서의 실시예의 특장점의 하나는, 극히 고진공인 매우 낮은 기압의 영역에서는, 캔틸레버상 박막 (10) 은, 박막 히터 (25) 보다 선단부측의 영역에 막 (10) 을 2 개로 분리하고, 열저항부 (45b) 를 개재하여 형성한 박막 (A) 과 박막 (B) 은, 열을 빼앗는 기체 분자가 매우 적어지므로, 동일 온도, 즉, 박막 (A) 과 박막 (B) 의 온도차가 제로가 되는 것이다. 따라서, 박막 히터 (25) 로 가열하고 있으면서, 고정밀도 계측법인 영위법을 적용할 수 있으므로, 1 × 10-3 ㎩ 정도의 고진공까지 계측할 수 있게 된다.
또 하나의 특장점은, 동일한 열전도형 센서 칩 (100) 의 구조이면서, 0.1 기압 (약 0.1 × 105 ㎩) 부근 이상의 기압에서 유효한 열팽창 계수의 차이에 의해 강제 대류를 발생시켜, 높은 압력에서도 감도를 갖도록 할 수 있는 것이다. 이 경우, 박막 히터 (25) 의 가열을 멈추고, 냉각시의 박막 (A) 과 박막 (B) 의 온도차를 이들 각각에 형성한 열전쌍 (24a) 과 열전쌍 (24b) 을 이용하여 계측함으로써, 고감도로 측정할 수 있는 것이다. 또한, 냉각시의 박막 (A) 과 박막 (B) 의 온도차는, 기판 (1) 에 가까운 박막 (A) 이, 냉각 속도가 빠르고, 그에 대해, 열저항부 (45b) 를 갖는 박막 (B) 은 천천히 냉각되는 것, 또한, 시간이 지나면, 박막 (A) 과 박막 (B) 모두, 온도가 낮아지고, 원래의 주위 온도에 가까워져 온도차가 없어진다는 점에서, 온도차의 피크를 가지게 된다. 이 피크의 크기는, 강제 대류하에서는 촉진되고, 또한 기체의 압력 의존성을 가지므로, 0.1 × 105 ㎩ (0.1 기압) 정도 이상의 피계측 기압에서 유효한 기압 센서가 되는 것이 실험적으로 확인되었다.
실시예 3
도 4 는, 본 발명의 열전도형 기압 센서에 관련된 것으로, 실리콘 반도체 등의 기판 (1) 을 이용하여 제조하고, 또한 가열 수단으로서의 박막 히터 (25) 와 온도 센서 (20) 를 갖는 열전도형 센서 칩 (100) 의 다른 일 실시예를 나타내는 평면 개략도이고, 동일한 기판 (1) 에, 열전도형 기압 센서의 동작에 필요한 회로 중, 적어도 그 일부를 집적화한 경우이다. 여기서는, 동일한 실리콘의 단결정의 기판 (1) 에 가열 수단으로서의 박막 히터 (25) 와 온도 센서 (20) 를 갖는 캔틸레버상의 열전도형 센서의 센싱부 (200) 외에, OP 앰프를 포함하는 열전쌍 등의 온도 센서로부터의 피계측 기압에 관련된 신호를 증폭시키는 증폭기 (AMP), 박막 히터에 전력을 공급하기 위한 전력용 집적 회로 (Power IC), 데이터를 축적하는 메모리 회로 (Memory), 및 데이터를 기초로 피계측 기압으로 환산하는 등의 연산 증폭 회로 (Operational IC) 를 탑재한 경우를 나타낸다. 이와 같이, 열전도형 기압 센서의 동작에 필요한 회로의 일부를, 동일한 실리콘 기판에 탑재해 둠으로써, 매우 컴팩트한 열전도형 기압 센서의 시스템을 구축할 수 있으므로, 신호를 무선으로 송신하여, 떨어진 곳에서 수신하도록 할 수 있으므로, 이와 같은 칩을 다수, 복수의 계측하고자 하는 지점에 설치하여, 무선에 의해 개별의 열전도형 기압 센서의 칩을 인식하도록 하면, 집중 관리할 수 있다. 물론, 배기계 등의 제어 시스템과 연동시켜, 진공도의 제어를 달성시킬 수도 있다.
실시예 4
도 5 는, 본 발명의 열전도형 기압 센서에 관련된 것으로, 온도 센서의 출력을 출력 전류가 되도록 하여, 이 출력 전류를 소정의 시간만큼 적분하여, 피계측 기압을 고감도로 계측할 수 있도록 한 회로의 일 실시예의 회로의 개략을 나타낸 것이다. 여기서는, 상기 도 1 이나 도 3 등에 나타내는 온도 센서 (20) 로서 온도차 센서인 열전쌍 (또는 서모 파일) (311) 으로부터의 열기전력에 기초한 단락 전류 (Is) 를, 단락 전류 계측 수단 (301) 으로서의 연산 증폭기 (OP 앰프) (320) 의 가상 단락을 이용하여 발생시켜, 연산 증폭기 (OP 앰프) (320) 의 반전 입력 단자와 출력 단자 사이에 접속되어 있는 적분 수단으로서의 콘덴서 C (325) 에 전류에 비례하는 전하를 소정의 시간 Δt 만큼 저장해 두고, 이 전하에 의한 콘덴서 C (325) 의 양단의 전압을 출력 전압 (Vo) 으로서 관측할 수 있도록 한 경우이다. 소정의 시간 Δt 는, 외부에 형성한 클록 펄스 발생기 (Clock Pulse Generator) 에 의해 발생한 클록 펄스 (330) 를 이용하여 타이밍을 취하고, 시간 설정 수단 (303) 내에 형성되어 있는 스위치 (340) 로, 콘덴서 C (325) 에 저장된 전하를 충방전시키도록 하고 있다. 물론, 전하 제로 (초기 상태) 에서는, 출력 전압 (Vo) 이 제로인데, 스위치 (340) 가 오프시에 충전이 개시되어 그 기간 중에 전하가 저장되고, 콘덴서 C (325) 의 양단의 전압인 출력 전압 (Vo) 이 상승하는 형태로 나타난다. 그러나, 스위치 (340) 가 온일 때에는, 방전이 스위치 (340) 를 통해 개시되어 전하가 없어지고, 초기 상태로 돌아온다. 이와 같이 하여 출력 전압 (Vo) 은, 단락 전류 (Is) 와 시간 Δt 의 곱을, 콘덴서 C (325) 의 크기 C 로 나눈 형태로 표현된다. 일반적으로, 노이즈는, 신호와 달리 시간 평균한 경우에 정 (正) 의 성분과 부 (負) 의 성분이 서로 상쇄되고, 제로가 되므로, 콘덴서 C (325) 에 단락 전류 (Is) 를 소정 시간 Δt 만큼 충전함으로써, 신호 대 노이즈비 (S/N 비) 가 커져, 안정적이며 S/N 비가 큰 신호를 증폭시킬 수 있다. 이와 같이 실제의 콘덴서 C (325) 의 양단의 전압인 출력 전압 (Vo) 은, 단락 전류 (Is) 를 시간 Δt 만큼 적분한 전하에 대응하는 출력 전압이고, 시간 t 와 함께 변화되고, 소정의 적분 시간 Δt 경과했을 때에 최대가 되고, 그 후의 스위치 (340) 가 온일 때에는, 방전을 위해 전압은 급격하게 제로를 향한다. 따라서, 출력 전압 (Vo) 의 최대값을 안정적으로 표시하기 위해, 연산 증폭기 (OP 앰프) (320) 의 후단에, 전압 출력 수단 (305) 으로서의 피크 홀드 회로 (350) 를 접속하여, 직류로서의 안정된 출력 전압 (VOp) 을 취출하고, 피측정 기압의 산출 데이터로서 이용한다. 또한, 상기 도 1 이나 도 3 등에 나타내는 온도 센서 (20) 로서의 열전쌍 (24a) (박막 온도 센서 (THA)) 과 열전쌍 (24b) (박막 온도 센서 (THB)) 의 온도차에 기초한 제벡 단락 전류 (Is) 의 계측에도 바람직하다.
도 6 에는, 상기 도 5 에 있어서의 단락 전류 계측 수단 (301) 의 연산 증폭기 (OP 앰프) (320) 를 비반전 증폭기로서 이용한 경우, 상기 도 5 의 연산 증폭기 (OP 앰프) (320) 의 입력 단자 부근을 중심으로 나타내고 있고, 다른 회로 부분은 생략한 것이다. 여기서는, 가상 단락이 되는 입력 단자의 반전 입력 단자 (321) 에는, 열전쌍이나 서모 파일 (311) 의 내부 저항보다 작은 저항 (307) 을 접속하고, 등가적 단락 전류 (Is) 를 크게 한 등가적인 제벡 단락 전류 검출 회로로 한 경우이며, 전류가 흐르지 않고, 거의 전위만 부여하는 비반전 입력 단자 (322) 와 어스 사이에는 온도 센서 (20) 로서의 열전쌍이나 서모 파일 (311) 을 접속하는 경우이다. 이 경우도 동작은, 상기 서술한 도 5 를 사용한 경우와 거의 동등하므로, 여기서는 설명을 생략한다.
실시예 5
도 7 은, 본 발명의 열전도형 기압 센서에 관련된 것으로, 히트싱크 (150) 도 나타내고, 기판 (1) 에 캡 (60) 을 형성한 경우의 열전도형 센서의 기판 (1) 부근의 일 실시예를 나타내는 횡단면의 개략도이고, 상기 서술한 기판 (1) 에 형성한 온도 센서 (20) 와 가열 수단인 박막 히터 (25) 를 덮도록 구멍 (43) 을 갖는 캡 (60) 을 형성하여, 진공 배기시 등의 기류를 완화시키고, 기류가 열전도형 기압 센서의 센싱부 (200) 에 직접 닿지 않게 되어 있다. 이 때문에 캡 (60) 을 밀폐하지 않도록 하고, 몇 개의 구멍 (43) 을 형성하여 진공 배기시 등에는, 주위 기체의 흐름을 방해하도록 한 경우이다.
구멍 (43) 을 갖는 캡 (60) 은, 알루미늄판 등의 금속이나 플라스틱 등의 재료를 사용할 수 있고, 히트싱크 (150) 의 재료는 열전도율이 좋은 것이 바람직하고, 구리판이나 알루미늄판이 바람직하다. 기판 (1) 과 히트싱크 (150) 의 접합 물질 (160) 의 재료도 열전도율이 좋은 금속적인 것이 최적이다. 여기서는, 히트싱크 (150) 상에 전기 절연체의 전극 패드대 (臺) (80) 를 개재하여 와이어링한 경우로, 와이어로 배선 (110) 을 형성한 경우를 나타내고 있다. 여기서는, 또한 다른 리드선 등은 생략하고 있다.
도 7 에 나타낸 실시예에서는, 캡 (60) 을 기판 (1) 에 형성한 경우의 일 실시예였지만, 캡 (60) 은, 예를 들어 히트싱크 (150) 상에 형성해도 되고, 이들을 싸도록 덮어도 된다.
실시예 6
도 8 은, 본 발명의 열전도형 기압 센서에 관련된 것으로, 그 시스템 구성의 일 실시예의 개략을 블록도에 나타낸 것이다. 여기서는, 가열 수단의 온도를 제어하는 온도 제어 회로 (Temperature control circuits), 여진 수단을 구동하는 여진 구동 회로 (Driving circuits for excitation of vibration), 온도 센서로부터의 신호를 증폭시키는 증폭 회로 (Amplifier), 이 증폭 회로 출력을 이용하여 기압으로 변환하는 연산 회로 (Operational circuits) 를 내장한 시스템 구성의 경우를 나타내고 있다.
각각의 회로에 대해서는, 상기 실시예에서 서술한 것, 공지된 기술로 달성할 수 있으므로 여기서의 상세한 설명은 생략한다.
여기서, 도 9 는, 본 발명의 열전도형 기압 센서의, 100 밀리초 가열, 100 밀리초 냉각의 경우의 출력 전압의 파형을 나타낸다. 또, 도 10 은, 본 발명의 열전도형 기압 센서의 도 9 의 P1 시점에 있어서의, 압력 대 출력 전압의 관계를 나타내는 특성이다. 또한, 도 11 은, 본 발명의 열전도형 기압 센서에서의, 가열 여진이 있는 경우와, 없는 경우의 압력 대 출력 전압의 관계를 나타내는 특성으로, 실시예 2 의 도 3 에 있어서의 온도 센서로서의 열전쌍 (24a) 과 열전쌍 (24b) 의 차이의 출력으로부터 구한 것이고, 도 9 의 P2 시점에서 계측한 것이다.
본 발명의 열전도형 기압 센서는, 본 실시예에 한정되지는 않고, 본 발명의 주지, 작용 및 효과가 동일하면서, 당연히 여러 가지 변형이 있을 수 있다.
산업상 이용가능성
본 발명의 열전도형 기압 센서는, 종래의 열전도형 기압 센서에서는 측정이 곤란했던 영역의 1 기압 (약 1 × 105 ㎩) 부근 또는 그 이상의 기압의 계측에도 고감도로 또한 고정밀도로, 또한 단순한 구조와 회로 구성으로 달성할 수 있는 것, 고진공인 1 × 10-3 ㎩ 의 극저기압까지의 매우 광범위한 기압 (8 자릿수 이상) 을, 1 개의 열전도형 센서 칩을 이용하여 측정할 수 있는 것이다. 따라서, 진공 센서로서의 역할 외에, 차의 타이어압 센서 등의 압력이 높은 영역의 기압 센서로서도 이용을 기대할 수 있다.
1 : 기판
10, 10A, 10B : 박막
11 : SOI 층
12 : 하지 기판
15 : 캔틸레버
20 : 온도 센서
21 : n 형 확산 영역 (SOI 층)
24, 24a, 24b : 열전쌍
25 : 박막 히터
29, 29a, 29'a, 29b, 29'b : 오옴성 컨택트
40, 41 : 공동
42, 42a, 42b : 슬릿
43 : 구멍
45, 45a, 45b : 열저항부
48 : 기판 지지부
50 : 실리콘 산화막
51 : BOX 층 (실리콘 산화막)
60 : 캡
70, 70a, 70b : 전극 패드
71, 71a, 71b : 전극 패드
80 : 전극 패드대
100 : 열전도형 센서 칩
110 : 배선
120, 120a, 120b : 열전쌍 제 1 도체
121, 121a, 121b : 열전쌍 제 2 도체
150 : 히트싱크
160 : 접합 물질
200 : 열전도형 센서의 센싱부
301 : 단락 전류 계측 수단
302 : 적분 수단
303 : 시간 설정 수단
305 : 전압 출력 수단
307 : 저항
311 : 열전쌍 (또는 서모 파일)
320 : 연산 증폭기 (OP 앰프)
321 : 반전 입력 단자
322 : 비반전 입력 단자
325 : 콘덴서 C
330 : 클록 펄스
340 : 스위치
350 : 피크 홀드 회로
360 : 제벡 전류 적분에 의한 온도차 검출 장치부

Claims (15)

  1. 기판으로부터 열분리된 박막에, 적어도 1 개의 박막 온도 센서와 상기 박막을 승온시키는 가열 수단 및 상기 박막을 진동시키는 여진 수단을 구비한 열전도형 기압 센서로서,
    상기 박막은 캔틸레버 형상이고,
    또한, 상기 박막은, 적어도 팽창 계수가 상이한 2 층의 박막으로 이루어지고,
    0.1 기압 이상의 기압 영역에 있어서, 상기 여진 수단으로서, 상기 가열 수단에 의한 간헐 가열시의 상기 박막을 구성하는 적어도 2 층의 열팽창의 차이에 기초한 휨을 이용하여 피측정 기압이 측정되고,
    상기 가열 수단에 의한 상기 박막의 가열을 멈추고, 냉각시켜 가는 과정에서의 상기 박막의 휨에 기초한 진동을 이용한 강제 대류에 의해, 상기 가열 수단으로부터 주위 기체로의 열전도를 촉진시켜 상기 적어도 1 개의 박막 온도 센서의 온도 변화를 증대시켜 피측정 기압의 계측 감도를 증대시키도록 한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 박막 온도 센서로서, 열전쌍을 사용한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
  4. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 박막은, 실리콘과 실리콘 산화막의 적어도 2 층을 포함하고, 상기 실리콘과 실리콘 산화막의 열팽창 계수의 차이를 이용하여 휨의 운동을 일으키는 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열 수단으로 박막 히터를 사용한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 박막 히터의 위치를, 기판으로부터 열분리된 박막 중, 온도 센서보다 기판 지지부에 가까운 측에 형성한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 박막 히터로서, 저항 온도 계수가 1000 ppm/K 이하인 도체를 사용한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
    상기 박막 히터로서, 열전쌍을 히터로서도 이용할 수 있도록 한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판으로부터 열분리된 박막을, 열저항부를 개재하여 적어도 2 개의 박막 (A) 과 박막 (B) 으로 분할하고, 각각의 박막 (A) 과 박막 (B) 에 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 를 형성하고 있고, 이들 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 온도차로부터 피계측 기압을 알도록 한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 쌍방 모두 열전쌍으로 한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 박막의 진동에 의한 강제 대류의 효과를 볼 수 없는 0.1 기압 미만의 기압 영역에서는, 상기 박막 히터를 가열 상태에서의 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 온도차로부터 피계측 기압을 알도록 하고, 상기 박막의 진동에 의한 강제 대류의 효과를 볼 수 있는 높은 기압 영역에서는, 상기 박막 히터를 가열 정지시킨 직후 이후의 상태에서의 박막 온도 센서 (THA) 와 박막 온도 센서 (THB) 의 온도차로부터 피계측 기압을 알도록 한, 열전도형 기압 센서.
  12. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 기판에, 열전도형 기압 센서의 동작에 필요한 회로 중, 적어도 그 일부를 집적화한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
  13. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    적어도 상기 기판에 형성한 온도 센서와 가열 수단을 덮도록 형성한 메시 또는 구멍이 형성된 캡에 의해, 밀폐되어 있지 않지만, 주위 기체의 흐름을 방해하도록 하여, 상기 온도 센서와 가열 수단에 직접 기류가 닿지 않도록 한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
  14. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 온도 센서의 출력을 출력 전류가 되도록 하여, 그 출력 전류를 소정의 시간만큼 적분하여, 출력 전압으로 변환하고, 그 출력 전압을 이용하여 피계측 기압을 알도록 한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
  15. 제 1 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 가열 수단의 온도를 제어하는 온도 제어 회로, 여진 수단을 구동하는 여진 구동 회로, 온도 센서로부터의 신호를 증폭시키는 증폭 회로, 이 증폭 회로 출력을 이용하여 기압으로 변환하는 연산 회로도 내장한 것을 특징으로 하는 열전도형 기압 센서.
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