WO2022196438A1 - 気圧検出センサ、気圧検出装置及び気圧検出装置の製造方法 - Google Patents

気圧検出センサ、気圧検出装置及び気圧検出装置の製造方法 Download PDF

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WO2022196438A1
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thermistor
atmospheric pressure
detection sensor
atmospheric
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百花 山崎
俊幸 野尻
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Ｓｅｍｉｔｅｃ株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L21/00—Vacuum gauges
    • G01L21/10—Vacuum gauges by measuring variations in the heat conductivity of the medium, the pressure of which is to be measured
    • G01L21/12—Vacuum gauges by measuring variations in the heat conductivity of the medium, the pressure of which is to be measured measuring changes in electric resistance of measuring members, e.g. of filaments; Vacuum gauges of the Pirani type
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L11/00—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00
    • G01L11/002—Measuring steady or quasi-steady pressure of a fluid or a fluent solid material by means not provided for in group G01L7/00 or G01L9/00 by thermal means, e.g. hypsometer

Definitions

  • the present invention relates to an atmospheric pressure detection sensor, an atmospheric pressure detection device, and a method for manufacturing an atmospheric pressure detection device.
  • thermal conduction vacuum gauges are used to measure pressure in a vacuum in order to control and improve product quality by controlling the vacuum environment to an appropriate state.
  • Pirani vacuum gauges and thermistor vacuum gauges are available as total pressure gauges that utilize this pressure dependence of heat conduction.
  • the Pirani vacuum gauge is a vacuum gauge that measures pressure by detecting changes in electrical resistance caused by temperature changes due to gas heat conduction in thin metal wires of platinum or tungsten that are electrically heated. Although the structure is simple, stability and accuracy cannot be expected, and there is also the problem of poor temporal responsiveness.
  • a thermistor vacuum gauge is a vacuum gauge that uses a semiconductor oxide thermistor with a large temperature resistance coefficient instead of the metal wire of the Pirani vacuum gauge.
  • Early thermistor vacuum gauges used bead-type thermistors. Bead-type thermistors have large variations in resistance value, and there is also variation in size, which poses a problem of interchangeability.
  • Various proposals have been made to improve the sensitivity and accuracy of thermistor vacuum gauges (see Patent Documents 1 to 5).
  • the embodiments of the present invention have been made in view of the above circumstances, and aim to provide an air pressure detection sensor, an air pressure detection device, and a method of manufacturing an air pressure detection device that can be expected to further improve accuracy.
  • the atmospheric pressure detection sensor of the embodiment of the present invention enables vacuum measurement and atmospheric pressure measurement greater than the atmospheric pressure.
  • An atmospheric pressure detection sensor includes a pressure detection thermistor that detects a change in heat loss amount according to the thermal conductivity of an atmosphere, and a pressure compensation thermistor that serves as a reference for pressure detection.
  • the thermistor for pressure detection and the thermistor for pressure compensation are characterized in that at least resistance values are paired as electrical characteristics, and at least heat dissipation constants are paired as thermal characteristics. This can be expected to improve accuracy.
  • the atmospheric pressure detection sensors are bridge-connected to form a bridge circuit.
  • the method of manufacturing the atmospheric pressure detection device includes a thin film thermistor for pressure detection that detects a change in the amount of heat loss according to the thermal conductivity of the atmosphere, and a pressure compensation device that serves as a reference for pressure detection.
  • the thermistor for pressure detection and the thermistor for pressure compensation are paired with at least a resistance value as electrical characteristics and at least a heat dissipation constant as thermal characteristics, and are bridge-connected.
  • a method of manufacturing an atmospheric pressure detection device having a bridge circuit characterized by comprising an offset adjustment step of adjusting an output voltage of the atmospheric pressure detection device to zero under atmospheric pressure.
  • a vacuum detection sensor capable of improving accuracy
  • an air pressure detection sensor capable of measuring air pressure higher than the atmospheric pressure
  • an air pressure detection device capable of measuring air pressure higher than the atmospheric pressure
  • a method of manufacturing the air pressure detection device it is possible to provide a vacuum detection sensor capable of improving accuracy, an air pressure detection sensor capable of measuring air pressure higher than the atmospheric pressure, an air pressure detection device, and a method of manufacturing the air pressure detection device.
  • the atmospheric pressure detection sensor of the embodiment can measure atmospheric pressure higher than atmospheric pressure, it can be applied to sensors and wind speed detection devices that can detect wind speed by measuring wind pressure.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a thin film thermistor according to an embodiment of the invention
  • FIG. It is a top view which makes a cross section and shows the base member in the same thin film thermistor. It is a top view which expands and shows the same thin film thermistor.
  • 4 is a cross-sectional view taken along line XX in FIG. 3;
  • FIG. It is a perspective view showing a same atmospheric pressure detection sensor.
  • It is a top view which shows a same atmospheric pressure detection sensor.
  • It is a connection diagram showing a same atmospheric pressure detection device.
  • 4 is a graph showing reproducibility as an output characteristic of the same atmospheric pressure detection device.
  • 4 is a graph showing output stability as output characteristics of the same atmospheric pressure detection device.
  • 4 is a graph showing the relationship between pressure and output voltage as output characteristics of the same atmospheric pressure detection device.
  • the atmospheric pressure detection device of this embodiment uses a thermal conduction type atmospheric pressure detection sensor that detects the pressure of the atmosphere by utilizing the fact that the thermal conductivity of the atmosphere changes with the pressure.
  • This atmospheric pressure detection sensor comprises a pressure detection thermistor and a pressure compensation thermistor that are paired in terms of temperature and thermal characteristics. is detected, and this temperature change is detected as a resistance change of the thermistor.
  • FIG. 1 to 4 show a thin film thermistor as a thermal resistance element
  • FIGS. 5 and 6 show an atmospheric pressure detection sensor.
  • the atmospheric pressure detection sensor 1 includes a thin film thermistor 10 as a pair of pressure detection thermistors and a thin film thermistor 10' as a pressure compensation thermistor serving as a reference for pressure detection.
  • a thin film thermistor 10 for pressure compensation and a thin film thermistor 10' for pressure compensation are housed in a substantially rectangular parallelepiped case 2.
  • the pressure-detecting thin-film thermistor 10 and the pressure-compensating thin-film thermistor 10' are thermal resistance elements that are paired with high accuracy and have approximately the same characteristics as will be described later.
  • the thin film thermistor 10 for pressure detection will be described with reference to FIG. Since the thin film thermistor 10 for pressure detection and the thin film thermistor 10' for pressure compensation basically have the same configuration, the thin film thermistor 10 for pressure detection will be described as a representative.
  • a thin film thermistor 10 for pressure detection is of a surface mount type and has an insulating substrate 11 , a pair of electrode layers 12 a and 12 b as electrode portions, a heat sensitive film 13 and a protective film 14 . Moreover, the thin film thermistor 10 is formed in a substantially rectangular parallelepiped shape, and preferably has a substrate thickness of 200 ⁇ m or less and a size of 1 mm in width ⁇ 0.5 mm in length or more. As a result, it is possible to reduce the thickness and size while ensuring a predetermined surface area.
  • a lead member 20 is connected to the thin film thermistor 10 as shown in FIGS.
  • the insulating substrate 11 has a substantially rectangular shape and is made of insulating ceramic material such as zirconia, silicon nitride, alumina, or a mixture of at least one of these.
  • the insulating substrate 11 is thinned to a thickness of 200 ⁇ m or less, preferably 100 ⁇ m or less.
  • the bending strength of the insulating substrate 11 is 690 MPa or more, and the average grain size of the ceramic material after firing is 0.1 ⁇ m to 2 ⁇ m. By setting the range of the average grain size in this way, it is possible to ensure a bending strength of 690 MPa or more, and to suppress cracks during the production of the thin insulating substrate 11 .
  • the thickness dimension of the insulating substrate 11 is small, the heat capacity can be reduced.
  • the pair of electrode layers 12a and 12b are formed on the insulating substrate 11, are portions to which the heat-sensitive film 13 is electrically connected, and are arranged to face each other with a predetermined gap.
  • the pair of electrode layers 12a and 12b is formed by forming a metal thin film to a thickness of 1 ⁇ m or less by a thin film forming technique such as a sputtering method, and the metal material is gold (Au). , silver (Ag), copper (Cu), platinum (Pt), and palladium (Pd), and alloys thereof, such as Ag--Pd alloys.
  • the pair of electrode layers 12a and 12b is a portion to which a lead member 20, which will be described later, is joined by welding.
  • Cu melting point 1085° C.
  • an alloy containing at least one of these as a main component is preferably used.
  • the electrode layers 12a and 12b are formed under the heat-sensitive film 13 in this embodiment, they may be formed on or in the heat-sensitive film 13. FIG.
  • the heat-sensitive film 13 is a heat-sensitive thin film, and is a thermistor thin film made of an oxide semiconductor having a negative temperature coefficient.
  • the heat-sensitive film 13 is formed on the electrode layers 12a and 12b by a thin film forming technique such as a sputtering method so as to straddle the electrode layers 12a and 12b, and is electrically connected to the electrode layers 12a and 12b. ing.
  • the heat-sensitive film 13 is composed of two or more elements selected from transition metal elements such as manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), and iron (Fe), and has a spinel crystal structure. It is composed of a thermistor material containing as a main component a composite metal oxide with In addition, subcomponents may be contained for the purpose of improving properties and the like. The composition and content of the main component and subcomponents can be appropriately determined according to the desired properties.
  • the protective film 14 covers the region where the heat-sensitive film 13 is formed, and covers the electrode layers 12a and 12b by forming exposed portions 121a and 121b so that at least parts of the electrode layers 12a and 12b are exposed.
  • the protective film 14 can be formed by forming a film of silicon dioxide, silicon nitride, or the like by a thin film forming technique such as a sputtering method, or by forming lead glass, borosilicate glass, lead borosilicate glass, or the like by a printing method. can.
  • a pair of lead members 20a and 20b are welded and electrically connected to the thin film thermistor 10 as described above.
  • the lead members 20a and 20b are elastic bodies having elasticity formed by chemical etching, pressing, or the like, and are plate-shaped thin narrow metal plates, which are lead frames.
  • the lead members 20a and 20b have a thickness of 100 ⁇ m or less, preferably about 30 ⁇ m, and a width of 80 ⁇ m to 200 ⁇ m. Also, a material having a thermal conductivity of 50 W/m ⁇ K or less is used.
  • the lead member 20 for example, constantan, which has a low thermal conductivity of 19.5 W/m ⁇ K, is used.
  • a material such as Hastelloy (registered trademark) may be used as a material with low thermal conductivity.
  • lead members 20a and 20b are connected to the electrode layers 12a and 12b while being welded by laser welding. Therefore, the mutual metals of the electrode layers 12a, 12b and the lead members 20a, 20b are melted and joined. Therefore, there is no additional material such as a filler material (brazing material) used for soldering between the electrode layers 12a, 12b and the lead members 20a, 20b. can be reduced, the thermal time constant can be reduced, and the thermal response of the thin film thermistor 10 can be increased.
  • a filler material soldering material
  • the heat capacity and heat dissipation constant of the thin film thermistor 10 due to the lead member 20 can be reduced. Since the thin film thermistor 10 is thin and miniaturized, the thin film thermistor 10 having high sensitivity and excellent thermal response can be realized.
  • the lead members 20a and 20b are formed to have joint portions 21a and 21b and lead portions 22a and 22b integrally extending from the joint portions 21a and 21b.
  • the joint portions 21a and 21b are portions that are joined to the electrode layers 12a and 12b of the thermal element 10 by welding, and are arranged in a direction perpendicular to the direction in which the electrode layers 12a and 12b are arranged side by side.
  • the lead portions 22a and 22b are bent outward from the joint portions 21a and 21b and extend in a direction parallel to the joint portions 21a and 21b.
  • the width of the joints 21a and 21b joined to the electrode layers 12a and 12b of the thin film thermistor 10 is narrower than the width of the lead parts 22a and 22b.
  • the thin-film thermistor 10 is joined to the tips of the joining portions 21a and 21b so as to be connected in a cross-linking manner.
  • the lead members 20a and 20b are made of a low-melting-point metal, that is, a metal having a melting point of 1300° C. or less. .
  • a constantan material is used as described above.
  • the melting point of the lead members 20a and 20b is 1300° C. or less, so that they can be melted by heating with a laser beam or the like.
  • the temperature does not exceed the melting point of 1300°C. Therefore, since the melting point of the ceramic substrate of 1600° C. to 2100° C. is not exceeded, damage to the electrode layers 12a and 12b of the thermal element 10 and the insulating substrate 11 immediately below the electrode layers 12a and 12b is suppressed, and the lead members 20a and 20b are removed. can be spliced.
  • the connecting (joining) portion is not joined in a state where the additional material is substantially added, and the thickness dimension does not increase. High sensitivity and high speed thermal response can be achieved without increasing the heat capacity.
  • iron-based metals such as stainless steel, kovar, and nickel alloys are used for the lead members as described above.
  • This iron-based metal has a high melting point.
  • the temperature may rise to about 1538° C., the melting point of iron.
  • the lead member and its surroundings are heated to a high temperature, and the insulating substrate (for example, an alumina substrate) is easily damaged. Occur.
  • solder bonding has a problem that the heat resistance temperature is 150° C. or less in consideration of the temperature cycle, and the heat resistance of 200° C. or more cannot be ensured.
  • the configuration of the present embodiment it is possible to ensure heat resistance of 200°C or more, and to solve such problems. Further, since no additional material or filler material (brazing material) is interposed between the electrode layers 12a, 12b and the lead members 20a, 20b, the amount of the inclusions does not vary. Therefore, variations in the output characteristics of individual thin film thermistors can be suppressed.
  • the base member 30 is a substantially disk-shaped metal member, and the conductive terminal portion 32 is inserted through the insulating member 31 .
  • Lead members 20a and 20b led out from the thin film thermistor 10 are electrically connected to the conductive terminal portion 32 by welding.
  • the insulating member 31 is made of an insulating material such as glass or resin.
  • the base member 30 is made of an insulating material, the insulating member 31 can be eliminated. Also, the conductive terminal portion 32 may be configured by a printed wiring board or the like.
  • the atmospheric pressure detection sensor 1 accommodates a thin film thermistor 10 for pressure detection and a thin film thermistor 10' for pressure compensation which are paired with high accuracy and have approximately the same characteristics in a case 2. It is
  • the case 2 has a substantially rectangular parallelepiped outer shape, and is formed by partitioning a pair of tapered cylindrical storage spaces 21 and 21'.
  • the case 2 preferably has a thermal conductivity of 80 W/m ⁇ K or more, and is made of aluminum, for example, so that the temperature inside the case 2 can be kept constant by suppressing the influence of ambient temperature fluctuations.
  • the case 2 may be heated using a temperature adjusting means such as a heater. In this case, it is possible to further suppress the influence of ambient temperature fluctuations.
  • a thin film thermistor 10 for pressure detection is housed in the housing space 21 .
  • a through hole 21a that opens outward is formed at the tip side of the housing space 21, and the housing space 21 communicates with the outside air (atmosphere) through the through hole 21a. Therefore, the thin film thermistor 10 for pressure detection is in a state of being affected by the outside air.
  • a thin film thermistor 10' for pressure compensation is housed in a sealed state under a constant pressure, specifically atmospheric pressure.
  • the thin film thermistor 10 for pressure detection is in a state where it is not affected by outside air (atmosphere).
  • the pressure-detecting thin-film thermistor 10 and the pressure-compensating thin-film thermistor 10' have substantially the same shape of the case 2, more specifically, the housing space 21 and the housing space 21', and their peripheral walls. is housed in case 2 of The through hole 21 a of the housing space 21 is formed to have a smaller diameter than the inner diameter of the housing space 21 . Therefore, there is no large difference in volume between the accommodation space portion 21 and the accommodation space portion 21'. Therefore, the pressure detecting thin film thermistor 10 and the pressure compensating thin film thermistor 10' are placed in substantially the same thermal environment, and the difference in thermal influence between them can be reduced.
  • Variation in the heat dissipation constant between the thin film thermistor 10 for pressure detection and the thin film thermistor 10' for pressure compensation including radiation heat from the inner peripheral wall of the portion 21', can be reduced.
  • Conductive terminal portions 32 and 32' are led out from the rear end side of the case 2.
  • the case for accommodating the thin film thermistor 10 for pressure detection and the case for accommodating the thin film thermistor 10' for pressure compensation may be constructed separately so as to form substantially the same thermal environment. (pairing) Pairing of the thin film thermistor 10 for pressure detection and the thin film thermistor 10' for pressure compensation will be described.
  • the characteristics of a thermistor are basically determined by its resistance value (zero load resistance value at 25°C), B constant, heat dissipation constant, and thermal time constant. Also, the resistance value and B constant can be grasped as electrical characteristics, and the heat dissipation constant and thermal time constant can be grasped as thermal characteristics.
  • the variation (tolerance) of the resistance value of this type of thermistor is ⁇ 5%
  • the variation of the B constant is ⁇ 3%
  • the variation of the heat dissipation constant is about ⁇ 10%
  • the accuracy of the atmospheric pressure detection sensor is ⁇ 20%.
  • the pairing of the characteristic values of the thin film thermistor 10 for pressure detection and the thin film thermistor 10' for pressure compensation has a resistance value of ⁇ 0.2% or less and a B constant of ⁇ 0.
  • the accuracy is 0.2% or less.
  • the heat dissipation constant as a thermal characteristic is ⁇ 0.2% or less.
  • the electrode surface of the thin-film thermistor and part of the thin-film thermistor body are shaved by laser irradiation or sandblasting. and trimming method is applied.
  • the thickness of the insulating substrate of the thin film thermistor when correcting the variation in the heat dissipation constant, the thickness of the insulating substrate of the thin film thermistor, the uniformity of the dicing size when cutting the thin film thermistor from the same wafer, and the case having the same shape and almost the same size are used. Processing measures such as exposure to a thermal environment and joining the lead members by welding are applied as appropriate.
  • a means of sorting the manufactured thin film thermistors may be applied.
  • Electrodes No. 1 to No. 8 Eight thin-film thermistor samples (elements No. 1 to No. 8) subjected to pairing processing were prepared. Element no. 1 to No. The resistance value (K ⁇ ) at 25°C, the resistance value (K ⁇ ) at 85°C, and the heat dissipation constant (mw/°C) in 8 are obtained. The average value, maximum value, minimum value and variation value of were calculated.
  • the resistance value accuracy (tolerance) of the bead type thermistor is about ⁇ 15%, and the heat dissipation constant is a reference value, and the accuracy is not controlled at present. is.
  • the resistance value accuracy of the thin film thermistor is about ⁇ 5%, and the heat dissipation constant is a reference value like the bead type thermistor, and the accuracy is not controlled. This is because there was no way to accurately measure the heat dissipation constant.
  • the inventors focused on the heat dissipation constant established a technique for measuring the heat dissipation constant with high accuracy, and applied it to the present invention.
  • the accuracy of the atmospheric pressure detection sensor cannot be less than ⁇ 15%.
  • the heat dissipation constant is about ⁇ 15%, the accuracy of the atmospheric pressure detection sensor cannot be less than ⁇ 15%.
  • the accuracy of thermal conductivity type vacuum sensors currently on the market is ⁇ 15% to ⁇ 50%.
  • the resistance value should be controlled to ⁇ 1% or less, and the heat dissipation constant should be precisely controlled to ⁇ 1% or less.
  • high precision can be achieved by "Regarding the resistance value of ⁇ 1% or less” indicates a tolerance based on the average value of the resistance values of the thin film thermistor 10 for pressure detection and the thin film thermistor 10' for pressure compensation. The same is true for heat dissipation constants. Therefore, specifically, the pairing of the resistance value and the heat dissipation constant is performed by controlling and manufacturing with a predetermined tolerance.
  • the thin-film thermistor 10 for pressure detection and the thin-film thermistor 10' for pressure compensation are paired with at least resistance values as electrical characteristics, and at least heat dissipation constants as thermal characteristics. It is possible to improve the accuracy.
  • the atmospheric pressure detection device 100 has a bridge circuit in which a power source V is connected to the atmospheric pressure detection sensor 1 .
  • a differential output between the output voltages Vout1 and Vout2 can be detected as the output voltage Vout.
  • An output terminal is connected to the middle of each series circuit, and the potential difference between the middle points of the output voltages Vout 1 and Vout 2 can be detected as the output voltage Vout.
  • the thin film thermistor 10 for pressure detection and the thin film thermistor 10' for pressure compensation may be connected in parallel to form a bridge circuit.
  • the series circuit of the fixed resistor R1 and the thin film thermistor 10 for pressure detection, the fixed resistor R2 , the variable resistor RV and the thin film thermistor 10' for pressure compensation are connected to the power source V by a limiting resistance. are connected in parallel via the device R3.
  • An output terminal is connected to the middle of each series circuit, and the potential difference between the middle points of the output voltages Vout 1 and Vout 2 can be detected as the output voltage Vout. If vibration or the like becomes a problem, a fixed resistor can be combined without using a variable resistor.
  • an offset adjustment process is performed to adjust the offset voltages of the output voltages Vout1 and Vout2 to zero under atmospheric pressure. Specifically, the potential difference between the output voltages Vout1 and Vout2 is adjusted to zero by adjusting the resistance value of the variable resistor RV . Since the pressure compensating thin film thermistor 10' is housed in the case 2 in a sealed state under atmospheric pressure, offset adjustment can be performed with high precision and ease.
  • the atmospheric pressure detection sensor 1 is arranged in the atmosphere to be measured.
  • the pressure detecting thin film thermistor 10 detects a change in the state of heat dissipation, that is, a change in the amount of heat loss, based on the thermal conductivity of the atmosphere to be measured, and detects this temperature change as a resistance change. do.
  • output voltages Vout 1 and Vout 2 are detected, and the potential difference at the midpoint between them is detected as the output voltage Vout. Since the thermal conductivity of the atmosphere depends on the pressure, the pressure of the atmosphere to be measured can be detected from the output voltage Vout.
  • the output voltage Vout is input to a control processing means such as a microcomputer (not shown) where it is arithmetically processed and the pressure of the atmosphere to be measured is output as a detection output.
  • the thin film thermistor 10 for pressure detection and the thin film thermistor 10' for pressure compensation are controlled so that their self-heating temperature is 200° C. or less in order to ensure heat resistance.
  • FIG. 8 is a graph showing the results of confirmation of repeatability
  • FIG. 9 is a graph showing output stability
  • FIG. 10 is a graph showing the relationship between pressure and output voltage. (Repeatability)
  • samples 1 and 2 of two atmospheric pressure detection devices were prepared and the repeatability was measured.
  • the horizontal axis indicates the number of measurements (times), and the vertical axis indicates the output voltage (mV).
  • the ambient temperature is 25° C. and the atmospheric pressure of the atmosphere to be measured is 100 Pa under the same conditions, but the divided atmosphere to be measured is changed for each number of measurements from the first to the fourth times.
  • FIG. 9 the stability of the output of the atmospheric pressure detection device was measured.
  • the horizontal axis indicates time (s), and the vertical axis indicates output voltage (mV).
  • the ambient temperature is 25° C. and the atmospheric pressure of the atmosphere to be measured is 100 Pa.
  • the output voltage hardly changes in the range of 60 seconds to 9000 seconds and is extremely stable. (Relationship between pressure and output voltage)
  • sample 1 and sample 2 of two atmospheric pressure detection devices were prepared, and the relationship between pressure and output voltage was measured.
  • the horizontal axis indicates pressure (Pa), and the vertical axis indicates output voltage (mV).
  • Such output characteristics are obtained because the thin film thermistor 10 for pressure detection and the thin film thermistor 10' for pressure compensation are paired with high precision.
  • the surface area can be increased compared to a conventional bead type thermistor, and the lead members 20a and 20b have a thermal conductivity of 50 W/m. ⁇ Because a material with a low thermal conductivity of K or less is used, the heat dissipation constant can be reduced and the sensitivity can be improved.
  • the thin film thermistor 10 for pressure detection and the thin film thermistor 10' for pressure compensation are paired with high accuracy, the measurement accuracy can be improved and variations in the individual atmospheric pressure detection sensors 1 can be reduced. can do.
  • the pressure-detecting thin-film thermistor 10 and the pressure-compensating thin-film thermistor 10' are arranged in substantially the same thermal environment in the case 2 having the same shape, and that the pressure-detecting thin-film thermistor 10 It is believed that this is because the lead members 20a and 20b are joined by welding to the thin film thermistor 10' for compensating for pressure, thereby reducing variations in the heat dissipation constant.
  • a lead member may be joined to this wiring pattern using a material.
  • Reference numerals 1 atmospheric pressure detection sensor 2: case 10: thin film thermistor for pressure detection 10': thin film thermistor for pressure compensation Reference Signs List 11 Insulating substrates 12a, 12b Electrode layers 13 Thermal films 14 Protective films 20 Lead members 21 . . . accommodation space portion 21a .. through hole 22a . . . . conductive terminal portion 100 .. atmospheric pressure detection device

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Abstract

精度の向上が期待できる気圧検出センサ、気圧検出装置及び気圧検出装置の製造方法を提供する。　気圧検出センサ（１）は、雰囲気の熱伝導率に応じて熱損失量の変化を検出する圧力検出用のサーミスタ（１０）と、圧力検出の基準となる圧力補償用のサーミスタ（１０´）とを備え、前記圧力検出用のサーミスタ（１０）と前記圧力補償用のサーミスタ（１０´）とは、電気的特性として少なくとも抵抗値がペアリングされ、熱的特性として少なくとも熱放散定数がペアリングされている。

Description

気圧検出センサ、気圧検出装置及び気圧検出装置の製造方法
　本発明は、気圧検出センサ、気圧検出装置及び気圧検出装置の製造方法に関する。
　従来、例えば、薄膜形成プロセス等の生産設備において、真空環境を適正な状態に制御して製品の品質を管理及び向上させるため、真空中での圧力測定に熱伝導真空計が用いられている。この熱伝導の圧力依存を利用した全圧計としてピラニ真空計やサーミスタ真空計がある。
　ピラニ真空計は、通電加熱した白金やタングステンの金属細線の気体の熱伝導による温度変化を、その電気抵抗の変化として検知することにより、圧力を測定する真空計である。構造が簡単な反面、安定性や精度が期待できず、また、時間的な応答性が悪いという問題を有している。
　サーミスタ真空計は、ピラニ真空計の金属細線の代わりに大きな温度抵抗係数を有する半導体酸化物のサーミスタを用いる真空計である。初期のサーミスタ真空計には、ビード型サーミスタが用いられていた。ビード型サーミスタは抵抗値のばらつきが大きく、さらに、大きさのばらつきがあり互換性に課題がある。また、サーミスタ真空計において、感度及び精度の向上を図るため、種々の提案がなされている（特許文献１乃至特許文献５参照）。
実公昭３８－８７９３号公報 実公昭３８－８７９４号公報 特許第３１２４８５７号公報 特開２０１２－１９８１８７号公報 特許第５７６４７２３号公報
　しかしながら、サーミスタ真空計において、種々の提案がなされているが、満足できるものではなく、従来に比し一層の精度の向上が期待されている。
　本発明の実施形態は、上記のような状況に鑑みなされたもので、一層の精度の向上が期待できる気圧検出センサ、気圧検出装置及び気圧検出装置の製造方法を提供することを目的とする。加えて、本発明の実施形態の気圧検出センサは真空計測及び大気圧よりも大きな気圧測定を可能とするものである。
　本発明の実施形態による気圧検出センサは、雰囲気の熱伝導率に応じて熱損失量の変化を検出する圧力検出用のサーミスタと、圧力検出の基準となる圧力補償用のサーミスタとを備え、前記圧力検出用のサーミスタと前記圧力補償用のサーミスタとは、電気的特性として少なくとも抵抗値がペアリングされ、熱的特性として少なくとも熱放散定数がペアリングされていることを特徴とする。これにより精度の向上が期待できる。
　本発明の実施形態による気圧検出装置は、気圧検出センサがブリッジ接続されてブリッジ回路を構成している。
　また、本発明の実施形態による気圧検出装置の製造方法は、雰囲気の熱伝導率に応じて熱損失量の変化を検出する圧力検出用の薄膜サーミスタと、圧力検出の基準となる圧力補償用の薄膜サーミスタとを備え、前記圧力検出用のサーミスタと前記圧力補償用のサーミスタとは、電気的特性として少なくとも抵抗値がペアリングされ、熱的特性として少なくとも熱放散定数がペアリングされ、ブリッジ接続されてブリッジ回路が構成されている気圧検出装置の製造方法であって、前記気圧検出装置の出力電圧を大気圧下でゼロに調整するオフセット調整工程を有することを特徴とする。
　本発明の実施形態によれば、精度の向上が可能な真空検出センサ、大気圧よりも大きな気圧を測定できる気圧検出センサ、気圧検出装置及び気圧検出装置の製造方法を提供することができる。
　また、実施形態の気圧検出センサは、大気圧よりも大きな気圧を測定できることから、風圧を計測すれば風速検知も可能となるセンサ及び風速検知装置への応用が可能である。
本発明の実施形態に係る薄膜サーミスタを示す斜視図である。 同薄膜サーミスタにおけるベース部材を断面にして示す平面図である。 同薄膜サーミスタを拡大して示す平面図である。 図３中、Ｘ－Ｘ線に沿って示す断面図である。 同気圧検出センサを示す斜視図である。 同気圧検出センサを示す平面図である。 同気圧検出装置を示す結線図である。 同気圧検出装置の出力特性として、繰り返し再現性を示すグラフである。 同気圧検出装置の出力特性として、出力の安定性を示すグラフである。 同気圧検出装置の出力特性として、圧力と出力電圧との関係を示すグラフである。
　以下、本発明の実施形態に係る気圧検出センサ及び気圧検出装置について図１乃至図１０を参照して説明する。なお、各図では、各部材を認識可能な大きさとするために、説明上、各部材の縮尺を適宜変更している。また、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
　本実施形態の気圧検出装置は、雰囲気の熱伝導率が圧力によって変化することを利用して、雰囲気の圧力を検出する熱伝導式の気圧検出センサを用いている。この気圧検出センサは、温度的特性及び熱的特性においてペアリングされた圧力検出用のサーミスタと圧力補償用のサーミスタとを備えていて、雰囲気の熱伝導率により、サーミスタの熱放散の状態の変化を検出し、この温度変化をサーミスタの抵抗変化として検出する。
　［気圧検出センサ］
　図１乃至図６を参照して気圧検出センサについて説明する。図１乃至図４は、感熱抵抗素子としての薄膜サーミスタを示し、図５及び図６は、気圧検出センサを示している。
　まず、図５及び図６に示すように気圧検出センサ１は、一対の圧力検出用のサーミスタとして薄膜サーミスタ１０及び圧力検出の基準となる圧力補償用のサーミスタとして薄膜サーミスタ１０´と、この圧力検出用の薄膜サーミスタ１０及び圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´が収容された略直方体形状のケース２とを備えている。圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とは、後述するように略等しい特性を有する高精度にペアリングされた感熱抵抗素子である。
　次に、図１を参照して圧力検出用の薄膜サーミスタ１０について説明する。なお、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とは、基本的には同じ構成であるため、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０を代表として説明する。
　圧力検出用の薄膜サーミスタ１０は、表面実装型のものであり、絶縁性基板１１と、電極部として一対の電極層１２ａ、１２ｂと、感熱膜１３と、保護膜１４とを有している。また、薄膜サーミスタ１０は、略直方体形状に形成されており、基板の厚さ寸法が２００μｍ以下であって、横の寸法１ｍｍ×縦の寸法０．５ｍｍ以上のサイズであることが好ましい。これにより所定の表面積を確保しつつ薄型小型化が可能となる。
　図２乃至図４に示すように薄膜サーミスタ１０には、リード部材２０が接続されており、このリード部材２０は、ベース部材３０に接続されている。
　絶縁性基板１１は、略長方形状をなしていて、絶縁性のジルコニア、窒化ケイ素、アルミナ又はこれらの少なくとも１種の混合物等のセラミック材料を用いて形成されている。この絶縁性基板１１は厚さ寸法が２００μｍ以下、より好ましくは、１００μｍ以下に薄型化されて形成されている。また、絶縁性基板１１の曲げ強度は６９０ＭＰａ以上であり、セラミック材料の焼成後の平均粒径は０．１μｍ～２μｍとなっている。このように平均粒径の範囲を設定することにより、６９０ＭＰａ以上の曲げ強度を確保することができ、薄型化された絶縁性基板１１の作製時における割れを抑制することが可能となる。また、絶縁性基板１１の厚さ寸法が薄いため熱容量を少なくすることができる。
　一対の電極層１２ａ、１２ｂは、絶縁性基板１１上に形成されており、感熱膜１３が電気的に接続される部分であり、所定の間隔を有して対向するように配置されている。詳しくは、一対の電極層１２ａ、１２ｂは、金属薄膜をスパッタリング法等の薄膜形成技術によって厚さ寸法１μｍ以下に成膜して形成されるものであり、その金属材料には、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属やこれらの合金、例えば、Ａｇ－Ｐｄ合金等が適用される。
　なお、一対の電極層１２ａ、１２ｂは、後述するリード部材２０が溶接により接合される部分であり、低融点金属として金（Ａｕ：融点１０６４℃）、銀（Ａｇ：融点９６１℃）、銅（Ｃｕ：融点１０８５℃）又はこれらの少なくとも１種を主成分として含む合金を用いるのが好ましい。また、電極層１２ａ、１２ｂは、本実施形態においては、感熱膜１３の膜下に形成しているが、感熱膜１３の膜上又は膜中に形成してもよい。
　感熱膜１３は、感熱薄膜であり、負の温度係数を有する酸化物半導体からなるサーミスタの薄膜である。感熱膜１３は、前記電極層１２ａ及び１２ｂの上に、スパッタリング法等の薄膜形成技術によって成膜して電極層１２ａ及び１２ｂを跨ぐように形成され、電極層１２ａ及び１２ｂと電気的に接続されている。
　感熱膜１３は、マンガン（Ｍｎ）、ニッケル（Ｎｉ）、コバルト（Ｃｏ）、鉄（Ｆｅ）等の遷移金属元素の中から選ばれる２種又はそれ以上の元素から構成され、スピネル型結晶構造を有する複合金属酸化物を主成分として含むサーミスタ材料で構成される。また、特性向上等のために副成分が含有されていてもよい。主成分、副成分の組成及び含有量は、所望の特性に応じて適宜決定することができる。
　保護膜１４は、感熱膜１３が形成された領域を覆うとともに、前記電極層１２ａ、１２ｂの少なくとも一部が露出するように露出部１２１ａ、１２１ｂを形成して電極層１２ａ、１２ｂを覆っている。保護膜１４は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素等をスパッタリング法等の薄膜形成技術によって成膜して形成したり、鉛ガラス、ホウケイ酸ガラス及びホウケイ酸鉛ガラス等を印刷法によって形成したりすることができる。
　以上のような薄膜サーミスタ１０には、一対のリード部材２０ａ、２０ｂが溶接された状態で接合されて電気的に接続されている。リード部材２０ａ、２０ｂは、化学エッチングやプレス等の手段で形成された弾性を有する弾性体であって、板状の薄い細幅の金属板であり、リードフレームである。また、リード部材２０ａ、２０ｂの厚さ寸法は１００μｍ以下、好ましくは３０μｍ程度であり、幅寸法が８０μｍ～２００μｍである。また、その熱伝導率は５０Ｗ/ｍ・Ｋ以下の材料が用いられている。
　具体的には、リード部材２０は、例えば、熱伝導率が１９．５Ｗ/ｍ・Ｋの熱伝導率が低いコンスタンタンが用いられている。熱伝導率が低い材料としてハステロイ（登録商標）のような材料を用いてもよい。
　これらリード部材２０ａ、２０ｂは、レーザ溶接によって溶接された状態で電極層１２ａ、１２ｂに接続されている。したがって、電極層１２ａ、１２ｂとリード部材２０ａ、２０ｂとの相互の金属が溶けて接合されている。このため、電極層１２ａ、１２ｂとリード部材２０ａ、２０ｂとの間には、半田付け等の場合に用いられる溶加材（ろう材）等の付加材料がなく、つまり、介在物がないので熱容量を小さくすることができ、熱時定数を小さくして薄膜サーミスタ１０の熱応答性を速くすることができる。
　このように、リード部材２０の材料の熱伝導率を５０Ｗ/ｍ・Ｋ以下で、かつ溶接が可能な材料を選定することで、リード部材２０による薄膜サーミスタ１０の熱容量及び熱放散定数を小さくでき、薄膜サーミスタ１０が薄型小型化されていることと相俟って、高感度で、かつ熱応答性の優れた薄膜サーミスタ１０が実現可能となる。
　詳しくは、リード部材２０ａ、２０ｂは、接合部２１ａ、２１ｂと、この接合部２１ａ、２１ｂから一体的に延出されるリード部２２ａ、２２ｂを有して形成されている。接合部２１ａ、２１ｂは、感熱素子１０の電極層１２ａ、１２ｂに溶接により接合される部分であり、電極層１２ａ及び電極層１２ｂが並んで配置される方向と直交する方向に配置されている。リード部２２ａ、２２ｂは、接合部２１ａ、２１ｂから外側へ折曲し、接合部２１ａ、２１ｂと平行する方向に延出している。薄膜サーミスタ１０の電極層１２ａ、１２ｂに接合される接合部２１ａ、２１ｂの幅寸法は、リード部２２ａ、２２ｂの幅寸法より細幅に形成されている。この接合部２１ａ、２１ｂの先端部に薄膜サーミスタ１０が接合されて架橋状に接続されるようになっている。
　リード部材２０ａ、２０ｂは、低融点金属、すなわち、融点が１３００℃以下の金属から形成されていて、例えば、コンスタンタン、ハステロイ（登録商標）、マンガニン等の銅を主成分に含む銅合金が用いられる。本実施形態では、具体的には既述のようにコンスタンタンの材料が用いられている。
　薄膜サーミスタ１０の電極層１２ａ、１２ｂとリード部材２０ａ、２０ｂとを例えば、レーザ溶接によって接合する場合、リード部材２０ａ、２０ｂの融点は１３００℃以下であるからレーザ光等で加熱し溶融しても融点の１３００℃以上の温度にならない。したがってセラミック基板の融点１６００℃～２１００℃を超えることがないため、感熱素子１０の電極層１２ａ、１２ｂや電極層１２ａ、１２ｂ直下の絶縁性基板１１の損傷を抑制してリード部材２０ａ、２０ｂを接合することができる。また、この場合、バンプ等の付加材料を用いないので、接続（接合）箇所に付加材料が実質的に付加された状態で接合されることなく、厚さ寸法が大きくなることがなく、また、熱容量も増加することなく、高感度で、熱応答性を高速にすることが可能となる。
　従来、上記のようなリード部材には、ステンレス、コバール、ニッケル合金等の鉄系の金属が用いられている。この鉄系の金属は、融点が高く、例えば、ステンレス、コバールはいずれも鉄系の合金であることから鉄の融点１５３８℃程度まで温度上昇してしまうことがある。このような高融点金属のリード部材にレーザ溶接用のレーザ光を照射すると、リード部材及びその周囲が高温に熱せられて、絶縁性基板（例えば、アルミナ基板）が損傷を受けやすくなるという問題が発生する。また、はんだでの接合では、温度サイクルを考慮した耐熱温度が１５０℃以下となり、２００℃以上の耐熱性の確保ができない問題がある。
　上記本実施形態の構成によれば、２００℃以上の耐熱性を確保することができ、このような問題を解決することができる。また、電極層１２ａ、１２ｂとリード部材２０ａ、２０ｂとの間には、介在物として付加材料やはんだによる溶加材（ろう材）が介在しないので、この介在物の量的なばらつきが生じることがなく、個々の薄膜サーミスタの出力特性のばらつきを抑制できる。
　図２に代表して示すようにベース部材３０は、略円盤状に形成された金属製の部材であり、絶縁部材３１を介して導電端子部３２が挿通されている。この導電端子部３２には、薄膜サーミスタ１０から導出されたリード部材２０ａ、２０ｂが溶接によって電気的に接続されている。絶縁部材３１は、ガラスや樹脂等の絶縁材料で形成されている。
　なお、ベース部材３０を絶縁材料で形成する場合には、絶縁部材３１を不要とすることができる。また、導電端子部３２は、プリント配線基板等で構成してもよい。
　図５及び図６に示すように気圧検出センサ１は、ケース２内に略等しい特性を有する高精度にペアリングされた圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とが収容されている。
　ケース２は、外形が略直方体形状をなしていて、一対の先細り円筒状の収容空間部２１、２１´が区画されて形成されている。ケース２は、熱伝導率が８０Ｗ/ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、例えば、アルミニウム製であり、周囲温度の変動による影響を抑制してケース２内の温度を一定に保つようになっている。なお、ケース２の温度を一定に調整するため、ケース２を例えば、ヒータ等の温度調整手段を用いて加熱するようにしてもよい。この場合、周囲温度の変動による影響を一層抑制することが可能となる。
　収容空間部２１には、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０が収容されている。収容空間部２１の先端側には外側に開口する貫通孔２１ａが形成されており、この収容空間部２１は貫通孔２１ａを通じて外気（雰囲気）と連通状態となっている。したがって、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０は、外気の影響を受ける状態となっている。
　一方、収容空間部２１´には、圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´が一定の気圧、具体的には大気圧下において密封状態で収容されている。これにより、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０は、外気（雰囲気）の影響を受けることがない状態となっている。
　このように圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とは、同一形状のケース２、具体的には収容空間部２１及び収容空間部２１´やその周壁の形態が略同一のケース２に収容されている。なお、収容空間部２１の貫通孔２１ａは、収容空間部２１の内径より小さく縮径されて形成されている。このため、収容空間部２１と収容空間部２１´との容積に大きな差は生じていない。したがって、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とは、略同一の熱的環境におかれ、両者間の熱的影響の差を小さくでき、収容空間部２１及び収容空間部２１´の内周壁からの輻射熱を含めた圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´との熱放散定数のばらつきを小さくすることができる。ケース２の後端側からは導電端子部３２、３２´が導出されている。なお、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とを収容するケースは、略同一の熱的環境を形成するようにそれぞれ別体に構成してもよい。
　（ペアリング）
　圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とのペアリングについて説明する。
　サーミスタの特性は、基本的には抵抗値（２５℃におけるゼロ負荷抵抗値）、Ｂ定数、熱放散定数及び熱時定数によって定められる。また、抵抗値及びＢ定数は電気的特性として把握でき、熱放散定数及び熱時定数は熱的特性として把握できる。
　圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´との関係において、これらの特性値が完全に一致することが理想的であるが、完全な一致は困難である。したがって、高精度な特性値のばらつきの範囲内におけるペアリングの実現を図ることが重要となる。
　一般的には、この種サーミスタの抵抗値のばらつき(許容差)は±５％、Ｂ定数のばらつきは±３％、熱放散定数のばらつきは±１０％程度であり、加えて電源等のばらつきを考慮すると気圧検出センサの精度は±２０％となる。
　本実施形態では、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´との特性値のペアリングは、電気的特性としの抵抗値は±０．２％以下、Ｂ定数も±０．２％以下の精度となっている。また、熱的特性としての熱放散定数についても±０．２％以下となっている。
　因みに、このような高精度なペアリングを実現する処理手段としては、抵抗値のばらつきを補正する場合には、レーザ照射やサンドブラスト法によって、薄膜サーミスタの電極面や薄膜サーミスタ本体の一部を削ってトリミングする方法が適用される。また、熱放散定数のばらつきを補正する場合には、薄膜サーミスタの絶縁性基板の厚さ、薄膜サーミスタを同一のウエハーから切削するときのダイシングサイズの均一化、ケースを同一形状にして略同一の熱的環境におくこと及びリード部材を溶接によって接合する等の処理手段が適宜適用される。また、作製された薄膜サーミスタを選別するという手段が適用される場合もある。
　続いて、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とを高精度にペアリングするための指標につて説明する。許容できる特性のばらつき値を導き出したものである。
　ペアリング処理手段が施された薄膜サーミスタの試料を８個（素子Ｎｏ．１～Ｎｏ．８）用意した。素子Ｎｏ．１～Ｎｏ．８における２５℃における抵抗値（ＫΩ）、８５℃における抵抗値（ＫΩ）、熱放散定数（ｍｗ／℃）の測定算出値を求め、２５℃の抵抗値、８５℃の抵抗値並びに熱放散定数の平均値、最大値、最小値及びばらつき値を算出した。
　この種サーミスタの製造工程の品質管理において、ビード型サーミスタの抵抗値精度（許容差）は±１５％程度であり、熱放散定数については参考値であり、その精度は管理されていないのが現状である。一方、薄膜サーミスタの抵抗値精度は±５％程度であり、熱放散定数はビード型サーミスタと同様に参考値となり、その精度は管理されていない状態である。熱放散定数については精度よく測定する方法がなかったためにこのような状況になっている。発明者らは、熱放散定数に着目し、熱放散定数を高精度に測定する技術を確立して本発明に適用している。
　抵抗値精度は±１５％程度のサーミスタを使用すれば気圧検出センサの精度は、±１５％以下の精度は実現できない。一方、熱放散定数が±１５％程度であれば気圧検出センサの精度は、±１５％以下の精度は実現できない。現在市販されている熱伝導方式の真空センサの精度は±１５％～±５０％である。
　以上に基づいて検討及び実験を行った結果、従来の熱伝導方式よりも高精度にするには、抵抗値については±１％以下、熱放散定数については±１％以下にばらつきを精密に制御することで高精度化を実現できるとの結論に至っている。「抵抗値については±１％以下」は、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´との各抵抗値の平均値を基準とした許容差を示している。熱放散定数についても同様である。したがって、具体的には、抵抗値及び熱放散定数のペアリングは、所定の許容差で管理し製造することにより行われる。
　よって、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とは、電気的特性として少なくとも抵抗値がペアリングされ、熱的特性として少なくとも熱放散定数がペアリングされていることにより測定精度の向上が図ることが可能となる。
　［気圧検出装置］
　図７に示すように気圧検出装置１００は、気圧検出センサ１に電源Ｖが接続されてブリッジ回路が構成されている。出力電圧Ｖout１とＶout２との差動出力を出力電圧Ｖoutとして検出できるようになっている。
　圧力検出用の薄膜サーミスタ１０及び圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´の直列回路と、固定抵抗器Ｒ１、可変抵抗器ＲＶ及び固定抵抗器Ｒ２の直列回路とが電源Ｖに対して制限抵抗器Ｒ３を介して並列に接続されている。また、各直列回路の中間に出力端子が接続されていて、出力電圧Ｖout１及びＶout２としてその中間点の電位差を出力電圧Ｖoutとして検出できるようになっている。
　なお、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とを並列に接続してブリッジ回路を構成するようにしてもよい。この場合、固定抵抗器Ｒ１及び圧力検出用の薄膜サーミスタ１０の直列回路と、固定抵抗器Ｒ２、可変抵抗器ＲＶ及び圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とが電源Ｖに対して制限抵抗器Ｒ３を介して並列に接続される。そして、各直列回路の中間に出力端子が接続されて、出力電圧Ｖout１及びＶout２としてその中間点の電位差を出力電圧Ｖoutとして検出できるようになる。振動等が問題になる場合は可変抵抗器を用いずに固定抵抗器を組み合わせて構成することができる。
　また、気圧検出装置１００の製造（作製）にあたっては、出力電圧Ｖout１及びＶout２のオフセット電圧を大気圧下でゼロに調整するオフセット調整工程が行われる。具体的には、可変抵抗器ＲＶの抵抗値を調整して出力電圧Ｖout１とＶout２との電位差をゼロに調整する。圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´が大気圧下において密封状態でケース２に収容されていることから、オフセット調整が精度高く容易に行われるようになる。
　続いて、図７を参照して気圧検出装置１００の動作の概略について説明する。まず、気圧検出センサ１を被測定雰囲気中に配置する。気圧検出装置１００を駆動すると、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０が被測定雰囲気の熱伝導率によって熱放散の状態の変化、つまり、熱損失量の変化を検出し、この温度変化を抵抗変化として検出する。圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´を基準として出力電圧Ｖout１及びＶout２としてその中間点の電位差を出力電圧Ｖoutとして検出する。雰囲気の熱伝導率は圧力に依存していることから出力電圧Ｖoutにより被測定雰囲気の圧力を検出することができる。
　出力電圧Ｖoutは、図示しないマイクロコンピュータ等の制御処理手段に入力され、演算処理されて検出出力として被測定雰囲気の圧力が出力される。なお、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０及び圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´は、耐熱性の確保のため、自己発熱温度が２００℃以下になるように制御されている。
　［出力特性］
　上記実施形態の気圧検出装置１００による出力特性について図８乃至図１０を参照して説明する。図８は、繰り返し再現性を確認した結果を示すグラフであり、図９は、出力の安定性を示すグラフであり、図１０は、圧力と出力電圧の関係を示すグラフである。
　（繰り返し再現性）
　図８において、２つの気圧検出装置の試料１及び試料２を用意し、繰り返し再現性を測定した。横軸は測定回数（回）を示し、縦軸は出力電圧（ｍＶ）を示している。なお、周囲温度は２５℃であり、被測定雰囲気の気圧は１００Ｐａの同一条件であるが、１回目～４回目までの測定回数ごとに区画された被測定雰囲気を変えている。
　図に示すように、測定回数１回目では、試料１と試料２との出力電圧の差は約±１．４％にとどまり、その後の測定回数２回目～４回目では出力電圧は略一定の２４０ｍＶとなっている。したがって、繰り返し再現性が良好であることが分かる。
　（出力の安定性）
　図９において、気圧検出装置の出力の安定性を測定した。横軸は時間（ｓ）を示し、縦軸は出力電圧（ｍＶ）を示している。周囲温度は２５℃であり、被測定雰囲気の気圧は１００Ｐａの条件である。
　図に示すように、出力電圧は６０秒～９０００秒の範囲で変化はほとんどなく、極めて安定していることが分かる。
　（圧力と出力電圧の関係）
　図１０において、２つの気圧検出装置の試料１及び試料２を用意し、圧力と出力電圧の関係を測定した。横軸は圧力（Ｐａ）を示し、縦軸は出力電圧（ｍＶ）を示している。
　図に示すように、６０Ｐａ～１０００００Ｐａの広範囲にわたって出力電圧のばらつきが少ないことが分かる。特に、６０Ｐａ～３００Ｐａの範囲では略出力電圧が一致し極めてばらつきが少ない結果が得られている。一方、大気圧の絶対圧０．１ＭＰａよりも大きな圧力である絶対圧０．２ＭＰａの場合は符号が変わり約－４ｍＶの出力が得られることを確認している。
　このような出力特性が得られるのは、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とが高精度にペアリングされていることに起因していると考えられる。
　以上のように本実施形態によれば、感度及び精度の向上が可能な気圧検出センサ１、気圧検出装置１００及び気圧検出装置の製造方法を提供することができる。
　具体的には、圧力検出用及び圧力補償用として薄膜サーミスタを用いているので、従来のビード型サーミスタに比し表面積を大きくでき、また、リード部材２０ａ、２０ｂには熱伝導率が５０Ｗ/ｍ・Ｋ以下の熱伝導率が低い材料が用いられているので、熱放散定数を小さくして感度の向上を図ることができる。
　また、圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とが高精度にペアリングされているので測定精度の向上を図ることができるとともに、個々の気圧検出センサ１のばらつきを少なくすることができる。これは、主として圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´とは、同一形状のケース２で略同一の熱的環境に配設されること、及び圧力検出用の薄膜サーミスタ１０と圧力補償用の薄膜サーミスタ１０´にはリード部材２０ａ、２０ｂが溶接により接合されることにより、熱放散定数のばらつきを小さくすることができることに起因していると考えられる。
　なお、上記実施形態では、リード部材２０ａ、２０ｂを電極層１２ａ、１２ｂに接続する場合について説明したが、電極層にさらに配線パターンを接続する構成の場合には、配線パターンに熱伝導率が低い材料を用い、この配線パターンにリード部材を接合するようにしてもよい。
　なお、本発明は、上記実施形態の構成に限定されることなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。また、上記実施形態は、一例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１・・・・・・・・気圧検出センサ
２・・・・・・・・ケース
１０・・・・・・・圧力検出用の薄膜サーミスタ
１０´・・・・・・圧力補償用の薄膜サーミスタ
１１・・・・・・・絶縁性基板
１２ａ、１２ｂ・・電極層
１３・・・・・・・感熱膜
１４・・・・・・・保護膜
２０・・・・・・・リード部材
２１・・・・・・・収容空間部
２１ａ・・・・・・貫通孔
２２ａ・・・・・・電極部
２２ｂ・・・・・・リード部
３０・・・・・・・ベース部材
３２・・・・・・・導電端子部
１００・・・・・・気圧検出装置

Claims (14)

  1. 　雰囲気の熱伝導率に応じて熱損失量の変化を検出する圧力検出用のサーミスタと、
    　圧力検出の基準となる圧力補償用のサーミスタとを備え、
    　前記圧力検出用のサーミスタと前記圧力補償用のサーミスタとは、電気的特性として少なくとも抵抗値がペアリングされ、熱的特性として少なくとも熱放散定数がペアリングされていることを特徴とする気圧検出センサ。
  2. 　前記圧力検出用のサーミスタ及び前記圧力補償用のサーミスタは、薄膜サーミスタであることを特徴とする請求項１に記載の気圧検出センサ。
  3. 　前記圧力検出用のサーミスタ及び前記圧力補償用のサーミスタは、それぞれ区画された収容空間部を有するケースに収容され、略同一の熱的環境に配設されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気圧検出センサ。
  4. 　前記圧力検出用のサーミスタが収容される収容空間部は、外気と連通状態となっており、前記圧力補償用のサーミスタが収容される収容空間部は、一定の気圧で密封状態となっていることを特徴とする請求項３に記載の気圧検出センサ。
  5. 　前記圧力検出用のサーミスタ及び前記圧力補償用のサーミスタの電極層には、リード部材が溶接された状態で接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の気圧検出センサ。
  6. 　前記リード部材は、熱伝導率が５０Ｗ/ｍ・Ｋ以下であることを特徴とする請求項５に記載の気圧検出センサ。
  7. 　前記抵抗値のペアリングは、±１％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の気圧検出センサ。
  8. 　前記熱放散定数のペアリングは、±１％以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の気圧検出センサ。
  9. 　前記圧力検出用のサーミスタ及び前記圧力補償用のサーミスタの基板の厚さ寸法は２００μｍ以下であって、横の寸法１ｍｍ×縦の寸法０．５ｍｍ以上のサイズであることを特徴とする請求項２乃至請求項７のいずれか一項に記載の気圧検出センサ。
  10. 　前記ケースの温度を一定に調整するように構成されていることを特徴とする請求項３乃至請求項９のいずれか一項に記載の気圧検出センサ。
  11. 　請求項１乃至請求項１０のいずれか一項に記載の気圧検出センサは、ブリッジ接続されてブリッジ回路が構成されていることを特徴とする気圧検出装置。
  12. 　前記ブリッジ回路の出力電圧は大気圧下でゼロに調整されていることを特徴とする請求項１１に記載の気圧検出装置。
  13. 　前記気圧検出センサにおける前記圧力検出用のサーミスタ及び前記圧力補償用のサーミスタは、自己発熱温度が２００℃以下になるように制御されていることを特徴とする請求項１１又は請求項１２に記載の気圧検出装置。
  14. 　雰囲気の熱伝導率に応じて熱損失量の変化を検出する圧力検出用のサーミスタと、圧力検出の基準となる圧力補償用のサーミスタとを備え、前記圧力検出用のサーミスタと前記圧力補償用のサーミスタとは、電気的特性として少なくとも抵抗値がペアリングされ、熱的特性として少なくとも熱放散定数がペアリングされ、ブリッジ接続されてブリッジ回路が構成されている気圧検出装置の製造方法であって、
    　前記気圧検出装置の出力電圧を大気圧下でゼロに調整するオフセット調整工程を有することを特徴とする気圧検出装置の製造方法。
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