WO2011136203A1 - 温度センサ素子及びこれを用いた放射温度計、並びに温度センサ素子の製造方法と、フォトレジスト膜を用いた多重層薄膜サーモパイル及びこれを用いた放射温度計、並びに多重層薄膜サーモパイルの製造方法 - Google Patents
温度センサ素子及びこれを用いた放射温度計、並びに温度センサ素子の製造方法と、フォトレジスト膜を用いた多重層薄膜サーモパイル及びこれを用いた放射温度計、並びに多重層薄膜サーモパイルの製造方法 Download PDFInfo
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Abstract
Description
本願の第二の発明は、温度センサであるサーモパイルの高感度化するために温度感応部を多重層薄膜とした多重層薄膜サーモパイルに関し、多重層薄膜を所定の寸法や形状に容易に形成できること、特に上下の層薄膜に形成された層サーモパイル同士を導通するための孔の形成が容易であることなどからフォトレジストを使用したものである。赤外線などの放射光を受光する熱形赤外線センサとしての高感度の温度センサ、気体を含む流体の温度やその変化、流体の流速などを検出するための温度センサ、熱分析用の温度センサなどに用いるサーモパイルを、高感度化し、高精度で安価に製造できるフォトレジスト膜を用いた多重層薄膜サーモパイル及びこれを用いた放射温度計、並びに多重層薄膜サーモパイルの製造方法を提供するものである。
サーモパイルは、複数の熱電対を直列に接続して同一の温度差ΔTに対して、センサ出力である熱起電力が大きくなるように構成した熱型センサであり、また温度差センサである。
(第二の発明について)
本発明者は、先の特許出願に、多重層薄膜サーモパイルの原型である「温度センサ素子及びこれを用いた放射温度計、並びに温度センサ素子の製造方法」を発明した(特願2010-100578)。そこでは、5マイクロメートル程度の薄さの有機材料であるPETフィルム(ポリエチレンテレフタラートフィルム)を層薄膜として利用し、この層薄膜上に熱電材料としてのBiとSbとからなる熱電対を多数直列接続して形成した層サーモパイルを、各層薄膜の貫通孔を介して直列接続して形成する多重層薄膜に形成した合成サーモパイルがあった。しかしながら、PETフィルムを多層に貼り合わせる工程や上下の層サーモパイル同士を導通させるための貫通孔を形成する必要があり、また、導通にも銀ペーストを用いる必要があるなど大量生産上より改善が望まれる点があった。
本発明は、サーモパイルの内部抵抗rをそれほど上げずに、熱電対総数nの個数を増やすことができて、高出力で高いS/Nのサーモパイルを用いた温度センサ素子を提供すること、これを用いた高感度な放射温度計を提供すること、更に、そのサーモパイルを形成する薄膜を有機材料で構成するときの製作方法をも提供することを目的としている。
本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、空洞により基板から熱分離した多重層薄膜とこれを構成する層薄膜が、所定の形状、厚み、寸法が容易に形成できること、貫通孔が層薄膜の所定の箇所に容易に形成できること、貫通孔を介して上下の層サーモパイル同士を容易に導通できることで、画一的で安価な高感度の多重層薄膜サーモパイルとこれを応用した高感度な放射温度計およびその製造方法を提供することを目的とする。
上記の目的を達成するために、本発明の請求項1に係わる温度センサ素子は、基板から熱分離した薄膜に形成したサーモパイルを温度感応部に設けた温度センサ素子において、前記薄膜は、複数の接合された多重層薄膜を有し、その多重層薄膜を構成する各層薄膜には、それぞれ層サーモパイルが形成されていること、前記の各層サーモパイルを構成する各熱電対の冷接点と温接点のうちの一方の接点が前記基板の位置に形成されてあり、他方の接点が前記各層薄膜のうち基板から熱分離された領域に形成されていること、前記基板は、前記薄膜に比べて大きな熱容量でありヒートシンクとして作用していること、前記各層薄膜に形成されている各層サーモパイルは順次直列接続されて合成サーモパイルが形成されていること、その直列接続は合成サーモパイルの出力が大きくなるように構成されていること、を特徴とするものである。
赤外線吸収膜として、金黒などの特別の吸収膜を受光部に形成しても良いが、多重層膜が所望の赤外線波長域に吸収帯を有する場合は、この多重層膜を利用して、特別に金黒などの吸収膜を形成する必要はない。
各層薄膜に形成した層サーモパイルの熱電対数には限界があり、受光部の薄膜の中央付近に、層サーモパイルを構成する熱電対アレーの接点を形成したいが、どうしても、各接点の面積と熱電対数との関係から薄膜中央からずらした領域に熱電対アレーの各接点を形成せざるを得ない。一般に、赤外線吸収膜は、受光部となる薄膜の全面に形成してあり、この薄膜の中央部が最も赤外線受光で高温になる。この中央部付近を含んだ形で、各層薄膜のうち基板から熱分離した薄膜の領域に形成した層サーモパイルの熱電対アレーの接点まで、中央部の高温の熱を伝導する熱伝導薄膜を延在形成させることで、高感度の赤外線センサ素子が達成できる。なお、赤外線吸収膜は、多重層薄膜に形成すれば良く、各層薄膜ごとに形成する必要はない。
(第二の発明)
温度感応部に設けてある薄膜が同一面積であるのに、本発明の温度センサ素子では、k枚の層サーモパイルの層薄膜を多重化して形成する合成サーモパイルとするので、熱電対総数nが同一であっても、従来の単一の層の薄膜に形成したサーモパイルに対して、kの2乗分の1の小さな内部抵抗になり、大きなS/Nの温度センサ素子となるという利点がある。
(第二の発明)
本発明の多重層薄膜サーモパイルでは、フォトレジスト膜で基板から熱分離した多重層薄膜を構成する各層薄膜の主体がフォトレジスト膜であり、貫通孔は、このフォトレジスト膜自体の露光と現像に基づくパターン化により微細で精度が良く、しかも容易に形成できること、また、この貫通孔を通して層サーモパイル同士を容易に直列接続できること、更に、露光・現像によりパターン化できるフォトレジスト膜による多重層薄膜の形成のため工程数が少なくて済むという利点がある。
2、2A、2B 薄膜
3 サーモパイル
5、5A、5B 温度感応部
6 熱電対
7 受光部
8 犠牲領域
9 凹凸
10 空洞
11 貫通孔
12、12A、12B、12C 層薄膜
13、13A、13B、13C 層サーモパイル
14、14A、14B 合成サーモパイル
15、15A、15B 多重層薄膜
16 熱電導体A
17 熱電導体B
18 接点A
19 接点B
20 配線
21、21A、21B 電極端子A
22、22A、22B 電極端子B
23 電極
24 上下層薄膜導通部
25 赤外線吸収膜
26 熱伝導薄膜
27 接着剤
28 絶縁層
29 導電性材料
30 コンタクトホール
31、31A、31B、31C 枠
32 ピン電極
33 外部電極端子
34 絶対温度センサ
35 薄膜ヒータ
36 スリット
41 基板アレー
42 基板アレー結合部
50 赤外線センサ素子
55 放射温度計
60 被温度計測物体
65 ヒータ電極
70 レンズ系(受光部アレー)
91 メッキ膜
100 補強用薄膜
110 集積回路
121 垂直走査回路
122 水平走査回路
140 合成サーモパイルアレー
(第一発明の実施例)
これらの各回路は、公知の技術で達成できるものであるので、詳細は省略する。
結晶シリコン薄膜の成長と層サーモパイル13B,13Cを形成して、合成サーモパイル14を作成する。さらに、その上にオキシナイトライド薄膜などの絶縁層28を成長させて、ニクロム薄膜などの金属抵抗体薄膜などで、薄膜ヒータ(マイクロヒータ)35をパターン形成する。これらの一連のパターン化は、公知のフォトリソグラフィーにより達成できる。その後、基板1の裏面から空洞10をエッチングにより形成して、スリット36を形成して、基板1から熱分離して多重層薄膜15を作成することができる。多重層薄膜15はカンチレバ形でも良いし、ダイアフラムにスリット36を入れた形でもよい。このように、層薄膜12に絶縁層28を形成した後、その上に層サーモパイル13を形成して多重層薄膜15を形成した方が、極めて薄い層サーモパイル13を支持することができるなど、望ましい。
(第二発明の実施例)
フォトレジスト膜からなる多重層薄膜15は、基板1に形成された空洞10を架橋する架橋構造として形成されてあり、空洞10を有しているために、熱的に基板1から分離された構造になっている場合である。この多重層薄膜15を構成するフォトレジスト膜を主体とする各層薄膜12(12A、12B、12C)には、層サーモパイル13(13A、13B、13C)が形成されてあり、上下の層サーモパイル13の熱起電力が大きくなるように、感光性材料であるフォトレジスト膜の特徴を生かしてそれ自体に、露光・現像してパターン化形成した貫通孔11を利用し、上下層薄膜導通部24を介して直列接続されて、全体として合成サーモパイル14が形成されて、電極端子A21と電極端子B22から外部に合成サーモパイル14の熱起電力の基づく信号が出力されるようにしている。多重層薄膜15は、フォトレジスト膜からなる各層薄膜12をスピンコートにより容易に形成できる。このフォトレジスト膜は互いに接着力が大きいので、他の接着剤などは、一般に不要である。
また、フォトレジスト膜は、感光性材料なので、容易に、しかも高精度に、所望の形状にパターン化できるので、端子となる電極、例えば、電極端子A21や電極端子B22を露出させたり、貫通孔11を各層薄膜12に高精度で形成することもできる。なお、各層サーモパイル13の一方の接点A18(例えば、冷接点)は、熱容量の大きいためにヒートシンクとして作用する基板1の上に位置するようにしてあり、他の接点B19(例えば、温接点)は、基板1から熱分離した多重層薄膜15のうち、受光部7で温度感応部5となる架橋構造の中央付近に形成するようにする。本実施例では、受光部7の架橋構造の中央付近が最も高温になるが、この付近を均一な温度にするために金属薄膜や熱電導体などで形成した熱伝導薄膜26を中央付近に形成し、その上に接点B19を配置形成するようにしている。
本発明の温度センサ素子は、上述のように、基板1から熱分離した薄膜2に形成したサーモパイル6を温度感応部5に設けた温度センサ素子であって、薄膜2は、複数の接合された多重層薄膜15を有し、その各層薄膜12には、それぞれ層サーモパイル13が形成されていること、小型かつ安価に製造できるものである。薄膜2として、無機材料でも有機材料でも使用できる。そして、本発明により、S/Nの高い温度センサ素子として、高感度の熱型赤外線センサやフローセンサなどに応用できるものである。従って、微小温度差を高精度で、しかも高感度に計測する必要がある赤外線放射温度計、特に耳式体温計の温度差センサとしても有望であり、また、微流量の液体や気体のフローセンサ、水素などの可燃性ガスセンサにおける微小発熱量の計測による水素などのガス検出、熱伝導型ガスセンサ、ピラニ真空計、熱型湿度センサや気圧センサなどの圧力センサなどの温度差計測に最適である。
(第二の発明)
本発明の多重層薄膜サーモパイルは、上述のように、基板1から熱分離したフォトレジスト膜を主体とした多重層薄膜15に形成したサーモパイル3を温度感応部5に設けた温度差を検出する温度センサ素子であって、多重層薄膜15は、複数の重なった層薄膜12を有し、その各層薄膜12には、それぞれ層サーモパイル13が形成されていること、上下の層サーモパイル13間をフォトレジスト膜自体に形成した貫通孔11を利用して直列接続させることが容易であること、高感度で小型かつ安価に製造できるものである。本発明により、温度差のみを検出できるS/Nの高い温度センサ素子として、高感度の熱型赤外線センサやフローセンサなどに応用できるものである。従って、微小温度差を高精度で、しかも高感度に計測する必要がある赤外線放射温度計やイメージセンサ、特に耳式体温計の温度差センサとしても有望であり、また、微流量の液体や気体のフローセンサ、水素などの可燃性ガスセンサにおける微小発熱量の計測による水素などのガス検出、熱伝導型ガスセンサ、ピラニ真空計、熱型湿度センサや気圧センサなどの圧力センサなどの温度差計測に最適である。
Claims (26)
- 基板から熱分離した薄膜に形成したサーモパイルを温度感応部に設けた温度センサ素子において、前記薄膜は、複数の接合された多重層薄膜を有し、その多重層薄膜を構成する各層薄膜には、それぞれ層サーモパイルが形成されていること、前記の各層サーモパイルを構成する各熱電対の冷接点と温接点のうちの一方の接点が前記基板の位置に形成されてあり、他方の接点が前記各層薄膜のうち基板から熱分離された領域に形成されていること、前記基板は、前記薄膜に比べて大きな熱容量でありヒートシンクとして作用していること、前記各層薄膜に形成されている各層サーモパイルは順次直列接続されて合成サーモパイルが形成されていること、その直列接続は合成サーモパイルの出力が大きくなるように構成されていること、を特徴とする温度センサ素子。
- 前記多重層薄膜は、無機薄膜を主体とする材料から成る請求項1記載の温度センサ素子。
- 前記多重層薄膜は、有機薄膜を主体とする材料から成る請求項1記載の温度センサ素子。
- 前記多重層薄膜を接着剤で接合して、一枚の前記薄膜とした請求項2記載の温度センサ素子。
- 前記多重層薄膜に形成した各層サーモパイルの層間接続を、各層サーモパイルの電極の上に形成した対応する層薄膜の貫通孔を通して電気的に接続してある請求項1から4のいずれかに記載の温度センサ素子。
- 前記温度感応部を複数個アレー状に前記基板に配列させて構成した請求項1から5のいずれかに記載の温度センサ素子。
- 前記温度感応部に、サーモパイルの他に、少なくとも1個の薄膜ヒータを具備した請求項1から6のいずれかに記載の温度センサ素子。
- 基板に絶対温度センサを形成し、これを前記基板の温度検出用センサとした請求項1から7のいずれかに記載の温度センサ素子。
- 前記温度感応部を赤外線の受光部とし、赤外線センサとして実施した請求項1から8のいずれかに記載の温度センサ素子。
- 赤外線吸収膜が前記薄膜の受光部に具備してあり、該受光部で受けた熱を伝導する熱伝導薄膜を、前記受光部中央付近を含み、前記各層薄膜に形成した層サーモパイルの該赤外線受光部領域に形成されてある接点まで延在形成した請求項9記載の温度センサ素子。
- 熱伝導薄膜は、受光部の前記薄膜に対して赤外線吸収膜とは反対側に形成してある請求項10記載の温度センサ素子。
- 赤外線センサとしての1つの受光部に、基板から熱分離した複数の温度感応部を有し、かつ該複数の温度感応部も互いに熱分離してある前記薄膜からなる請求項9から11のいずれかに記載の温度センサ素子。
- 請求項9から12のいずれかに記載の温度センサ素子を用いて、物体からの赤外線を受光して、前記温度センサからの電気信号に基づいて前記物体の温度もしくは温度分布を表示するようにしたことを特徴とする放射温度計。
- 有機薄膜の各層薄膜に層サーモパイルを形成し、多重層化して形成した合成サーモパイルを温度感応部に設けた温度センサ素子の製造方法において、有機薄膜の各層薄膜に、それぞれ多重層化のための層薄膜数を想定して作成する各層毎の層サーモパイル形成工程、前記各層の必要な箇所に電極導通用の貫通孔を形成する貫通孔作成工程、前記有機薄膜の各層薄膜を重ね合わせて接合する多重層接合工程、各層薄膜に形成した各層サーモパイルが直列接続になるように貫通孔を通して上下層の電極間を導通させる導通工程、個別の温度センサ素子のヒートシンクを兼ねた基板のアレーに前記接合された多重層有機薄膜を接合させる基板接合工程、各温度センサ素子に分離する素子分離工程、を含むことを特徴とする温度センサ素子の製造方法。
- 空洞により、該基板から熱分離されている多重層薄膜がそれぞれの層薄膜から成り立っていること、該層薄膜にそれぞれ層サーモパイルが形成されていること、これらの上下の層薄膜に形成された層サーモパイル同士は、層薄膜に形成された貫通孔を通して直列接続されて、少なくとも1つの合成サーモパイルを構成する多重層薄膜サーモパイルにおいて、多重層薄膜を構成する各層薄膜の主体がフォトレジスト膜であり、貫通孔は該フォトレジスト膜自体の露光・現像に基づくパターン化により作成したことを特徴とする多重層薄膜サーモパイル。
- 多重層薄膜は、犠牲領域の上に形成されたものであり、該犠牲領域の除去により出現した空洞により基板から熱分離された請求項15記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 犠牲領域は、基板に所定の寸法に形成された前記空洞に、犠牲物質を充填させて形成された請求項16に記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 前記基板をシリコン単結晶とした請求項15から17のいずれかに記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 多重層薄膜とは異なる材料の補強用薄膜を前記多重層薄膜に密着形成して、該多重層薄膜を補強した請求項15から18のいずれかに記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 前記犠牲領域に形成した凹凸を反映して多重層薄膜の厚みを実効的に増大させて、多重層薄膜の曲げ強度を増大させた請求項15から19のいずれかに記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 合成サーモパイルを複数個アレー状に前記基板に配列させて構成した請求項15から20のいずれかに記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 基板に絶対温度センサを形成し、これを前記基板の温度計測用センサとした請求項15から21のいずれかに記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 半導体の基板を用い、該基板に増幅器を含む集積回路を形成した請求項15から22のいずれかに記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 合成サーモパイルの一方の接点を、赤外線の受光部に形成して、熱型赤外線センサとして実施した請求項15から23のいずれかに記載の多重層薄膜サーモパイル。
- 請求項24記載の多重層薄膜サーモパイルを用いて、物体からの赤外線を受光して生じた多重層薄膜サーモパイルからの出力信号に基づいて物体の温度や温度分布を表示できるようにしたことを特徴とする放射温度計。
- 多重層薄膜サーモパイルの製造方法において、基板に犠牲領域を形成する犠牲領域形成工程、犠牲領域と基板とを覆うフォトレジスト膜を塗布するフォトレジスト塗布工程、このフォトレジスト膜を露光しパターン化するパターン化工程、層サーモパイルを形成する層サーモパイル形成工程、前記フォトレジスト塗布工程から層サーモパイル形成工程までの一連の工程を繰り返し、多重層薄膜を形成する繰り返し工程およびその後の犠牲領域を除去する犠牲領域除去工程を含むことを特徴とする多重層薄膜サーモパイルの製造方法。
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