特開 2024-15656 気体物理量検出装置及び気体物理量検出方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024015656

(43)【公開日】2024-02-06

(54)【発明の名称】気体物理量検出装置及び気体物理量検出方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 11/00 20060101AFI20240130BHJP

   G01J 1/02 20060101ALI20240130BHJP

   G01N 25/18 20060101ALI20240130BHJP

   G01L 21/14 20060101ALI20240130BHJP

【ＦＩ】

G01L11/00 T

G01J1/02 C

G01N25/18 D

G01L21/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】8

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022117874

(22)【出願日】2022-07-25

(71)【出願人】

【識別番号】390024729

【氏名又は名称】ＳＥＭＩＴＥＣ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100101834

【弁理士】

【氏名又は名称】和泉 順一

(72)【発明者】

【氏名】小池 泰孝

(72)【発明者】

【氏名】日改 邦充

【テーマコード（参考）】

2F055

2G040

2G065

【Ｆターム（参考）】

2F055AA39

2F055BB08

2F055BB20

2F055CC43

2F055CC59

2F055EE39

2F055FF49

2F055GG49

2G040AB09

2G040BA23

2G040CA02

2G040DA03

2G040DA12

2G040EA02

2G040EC01

2G040GA05

2G040HA08

2G065AA04

2G065AB02

2G065BA11

2G065BA36

2G065CA21

(57)【要約】

【課題】温度測定に広く用いられているサーモパイルを真空度等の物理量の測定に用い、性能の向上を図ることができる気体物理量検出装置及び気体物理量検出方法を提供する。
【解決手段】気体物理量検出装置は、空洞部１３を有する基板１１と、前記基板１１に形成されたメンブレン部１４と、前記メンブレン部１４上に配設された複数の温接点部１５及び冷接点部１６を有する熱電対列とを備えるサーモパイル１と、前記サーモパイル１の熱電対列に電力を供給し、前記サーモパイル１を自己加熱させる電力供給部３と、を備え、前記サーモパイル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。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

空洞部を有する基板と、前記基板に形成されたメンブレン部と、前記メンブレン部上に配設された複数の温接点部及び冷接点部を有する熱電対列とを備えるサーモパイルと、
前記サーモパイルの熱電対列に電力を供給し、前記サーモパイルを自己加熱させる電力供給部と、を備え、
前記サーモパイル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ことを特徴とする気体物理量検出装置。

【請求項2】

前記電力供給部は、定電流源であることを特徴とする請求項１に記載の気体物理量検出装置。

【請求項3】

前記サーモパイルは、ＭＥＭＳ技術によって作製されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気体物理量検出装置。

【請求項4】

前記サーモパイルは、キャップで覆われていて、前記キャップには横向きの開口部が形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気体物理量検出装置。

【請求項5】

前記キャップは金属製であることを特徴とする請求項４に記載の気体物理量検出装置。

【請求項6】

さらに温度補償用のサーミスタが設けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の気体物理量検出装置。

【請求項7】

前記サーモパイルにおける温接点部と冷接点部とは、６０対以上形成されていることを特徴とする請求項 １又は請求項２に記載の気体物理量検出装置。

【請求項8】

空洞部を有する基板と、前記基板に形成されたメンブレン部と、前記メンブレン部上に配設された複数の温接点部及び冷接点部を有する熱電対列とを備えるサーモパイルと、 前記サーモパイルの熱電対列に電力を供給し、前記サーモパイルを自己加熱させる電力供給部とを備え、
前記電力供給部から前記サーモパイルに電力を供給し、サーモパイルを自己加熱するステップと、
サーモパイルの温度変化を起電力の変化として検出するステップと、
前記起電力の変化により被測定雰囲気の圧力を測定結果として出力するステップと、
を具備することを特徴とする気体物理量検出方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、気体物理量検出装置及び気体物理量検出方法に関する。

【背景技術】

【0002】

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。また、建造物用や医薬品運搬バック用等の真空断熱材の圧力測定においても熱伝導真空計が用いられる。

【0003】

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熱電対真空計がある。ピラニ真空計は、通電加熱した白金やタングステンのフィラメントにおける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。熱電対真空計は、ピラニ真空計と同様にフィラメントを通電加熱し、気体によって生じるフィラメントの温度変化を熱電対で測定し、圧力を求める真空計である。

【0004】

これら真空計は、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。さらに、フィラメント等の加熱素子を要するため部品点数が増加するという問題もある。

【0005】

ところで、熱型赤外線検出素子の１つであり、ゼーベック効果によって生じる熱起電力を利用したサーモパイルがある。サーモパイルは、ジュール赤外線の入射エネルギー量に比例した熱起電力を発生するもので、常温で動作し、波長に依存しない分光感度特性を有し、入射エネルギー量に応じた電圧出力が得られ、また、低価格で長寿命であることから温度測定に広く用いられている。

【0006】

一方、熱電対自体に電流を流し、熱による自己加熱よりヒータとしても動作させて、この熱電対を取り巻く気体や液体の流量、流速、真空度及び濃度等の物理量を計測するためのカンチレバ方式の温度計測装置が提案されている（例えば、特許文献４参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開昭４８－５１６７５号公報

【特許文献2】特開昭４９－５４０７８号公報

【特許文献3】特開２０１５―２２７８８０号公報

【特許文献4】特許第５０７６２３５号公報

【特許文献5】特許第４８８８８６１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、従来の提案にみられる熱電対をカンチレバに設けるカンチレバ方式やマイクロエアブリッジ方式では、熱電対数を多くできない欠点があり、熱電対の合成抵抗が小さいためある程度の感度を得るには電流が大きくなる傾向となり、この結果から消費電力が大きくなる問題等がある。このように性能面で満足できるものではなく、従来に比し一層の性能の向上が期待されている。

【0009】

本発明の実施形態は、赤外線を用いた温度測定に広く用いられているサーモパイルを赤外線の影響を極力受けないようにした真空度等の物理量の測定に用い、性能の向上を図ることができる気体物理量検出装置及び気体物理量検出方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の実施形態による気体物理量検出装置は、空洞部を有する基板と、前記基板に形成されたメンブレン部と、前記メンブレン部上に配設された複数の温接点部及び冷接点部を有する熱電対列とを備えるサーモパイルと、前記サーモパイルの熱電対列に電力を供給し、前記サーモパイルを自己加熱させる電力供給部と、を備え、前記サーモパイル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ことを特徴とする。

【0011】

本実施形態の気体物理量検出装置は、気体の真空度等の気圧や風速及び熱伝導式のガスセンサにおけるガス濃度を検出する場合に適用することができる。格別被測定雰囲気の物理量が限定されるものではない。

【0012】

また、本発明の実施形態による気体物理量検出方法は、空洞部を有する基板と、前記基板に形成されたメンブレン部と、前記メンブレン部上に配設された複数の温接点部及び冷接点部を有する熱電対列とを備えるサーモパイルと、前記サーモパイルの熱電対列に電力を供給し、前記サーモパイルを自己加熱させる電力供給部とを備え、前記電力供給部から前記サーモパイルに電力を供給し、サーモパイルを自己加熱するステップと、サーモパイルの温度変化を起電力の変化として検出するステップと、前記起電力の変化により被測定雰囲気の圧力を測定結果として出力するステップと、を具備することを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明の実施形態によれば、サーモパイルを真空度等の物理量の測定に用い、性能の向上を図ることができる気体物理量検出装置及び気体物理量検出方法を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施形態に係る気体物理量検出センサを示す斜視図である。

【図2】同気体物理量検出センサにおいてキャップを取り外して示す斜視図である。

【図3】同気体物理量検出センサを示す断面図である。

【図4】同気体物理量検出センサにおけるサーモパイルの一部を切欠いて示す斜視図である。

【図5】同気体物理量検出センサにおけるサーモパイルを説明するための模式的説明図である。

【図6】図４中、Ｘ－Ｘ線に沿う模式的断面図である。

【図7】同気体物理量検出センサの概略の結線状態を示す結線図である。

【図8】同気体物理量検出センサの動作を示すフローチャートである。

【図9】気圧物理量検出装置における気圧と出力電圧との関係を示すグラフである。

【図10】同印加電圧と温度との関係を示す表である。

【図11】同本実施形態と比較例との特性の対比を示す表である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態に係る気体物理量検出装置及び気体物理量検出方法について図１乃至図７を参照して説明する。図１は、気体物理量検出センサの斜視図であり、図２は、気体物理量検出センサにおいてキャップを取り外して示す斜視図であり、図３は、気体物理量検出センサの断面を示している。図４は、サーモパイルの一部を切欠いて示す斜視図であり、図５は、サーモパイルを説明するための模式的説明図であり、図６は、図４中、Ｘ－Ｘ線に沿う模式的断面図であり、図７は、気体物理量検出センサの概略の結線図である。また、図８は、気体物理量検出センサの動作を示すフローチートである。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。

【0016】

本実施形態の気体物理量検出装置は気圧物理量検出センサを備え、気圧物理量検出センサはメンブレン構造のサーモパイルを用い、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である。サーモパイルを自己加熱させて雰囲気の熱伝導率に応じて熱損失量の変化を検出し、この温度変化を熱起電力の変化として検出する。
図１及び図２に示すように気体物理量検出センサとしての気圧検出センサ１０は、サーモパイル１と、このサーモパイル１を覆うパッケージ２とを備えている。

【0017】

図２及び図４に示すようにサーモパイル１は、略正方形状をなしていて一辺が１ｍｍ以下の長さ寸法であり、基板１１の一面に二酸化ケイ素又は窒化ケイ素等の絶縁膜１２が設けられ、基板１１の裏面側から異方性エッチングによって空洞部１３が形成されている。基板１１はシリコン材料から形成されている。

【0018】

空洞部１３上には絶縁膜１２からなるメンブレン部１４が形成されている。また、メンブレン部１４上には異種金属からなる熱電対の温接点部１５が配置され、メンブレン部１４周辺のヒートシンク部１７には冷接点部１６が配置されていて、これら熱電対は複数個直列に接続された熱電対列を形成している。また熱電対列の温接点部１５には赤外線吸収体１８が載置されている。また、ヒートシンク部１７には熱電対列の引出線が接続される電極パッド１９が形成されている。このような温接点部１５と冷接点部１６とは、６０対以上形成するのが好ましく、本実施形態では、例えば９６対の温接点部１５と冷接点部１６が形成されている。

【0019】

従来の提案にみられる熱電対をカンチレバに設けるカンチレバ方式やマイクロエアブリッジ方式では、熱電対数を多くできない欠点があり、熱電対の合成抵抗が小さいためある程度の感度を得るには電流が大きくなる傾向となり、この結果から消費電力が大きくなる問題等がある。本実施形態では、例えば９６対の温接点部１５と冷接点部１６が形成されていることによりその合成抵抗値は約65kΩとなるので動作時の電流値は極めて小さくなりその結果から消費電力が1.5mWとなる。従来方式は抵抗値が20Ωで消費電力は10mWである。

【0020】

次に、図５において各熱電素子の接続状態を模式的な説明図を参照して説明する。絶縁膜１２上、すなわち、メンブレン部１４上にｎ型多結晶シリコン層２０ａ及びアルミニウム等の金属薄膜層２０ｂがメンブレン部１４の中央部を中心として放射状に形成されている。ｎ型多結晶シリコン層２０ａの温接点部１５は、金属薄膜層２０ｂにより隣接するｎ型多結晶シリコン層２０ａの冷接点部１６と順次接続されている。このようにｎ型多結晶シリコン層２０ａの温接点部１５が、金属薄膜層２０ｂによって、隣接するｎ型多結晶シリコン層２０ａの冷接点部１６に順次連続して接続され、熱電素子が金属薄膜層２０ｂで直列接続されて熱電素子列を形成している。これらの最終端は、図２及び図４に示すように電極パッド１９に接続される。

【0021】

図６に示すようにメンブレン部１４上には、絶縁膜１２を介してｎ型多結晶シリコン層２０ａ及び金属薄膜層２０ｂが積層されて形成されている。また、メンブレン部１４上の中央部には赤外線吸収体１８が形成されている。赤外線吸収体１８は膜状であり、ポリイミド系樹脂、ビニル系樹脂、フェノール系樹脂、エポキシ系樹脂、アクリル系樹脂及び合成ゴム等が用いられる。このようなサーモパイル１は、半導体加工プロセスを用いるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術によってシリコン半導体材料からＭＥＭＳ構造により作製することができる。

【0022】

続いて、図１乃至図３に示すようにパッケージ２は、サーモパイル１を収容し覆う外囲器であり、熱伝導性を有する金属製の略円筒状をなすキャップ２１と、同様に金属製の略円盤状をなすステム２２とを備えている。

【0023】

具体的にはキャップ２１は、遮蔽部２１ａと側壁部２１ｂとを備えている。遮蔽部２１ａは、サーモパイル１の受光部である赤外線吸収体１８と対向していて、サーモパイル１への赤外線の入射、つまり、受光を遮蔽して阻止する機能を有している。また、側壁部２１ｂには開口部２３が形成されている。開口部２３はキャップ２１における内外の雰囲気の状態を同じにする機能を有している。開口部２３はキャップ２１の内外を貫通し連通する円形状の貫通孔である。キャップ２１の大きさは、例えば、軸方向の長さ寸法が４ｍｍ～６ｍｍであり、径寸法がφ５ｍｍ～φ７ｍｍである。なお、開口部２３は径寸法がφ０．５ｍｍ～φ１．５ｍｍ、好ましくはφ１ｍｍの寸法に形成されていて、側壁部２１ｂに対して横向きに形成されている。詳しくは、開口部２３は軸方向の中央部よりサーモパイル１側寄りでサーモパイル１と同様な高さ位置に、軸方向と交差する方向、好ましくは直交する方向に形成されている。これにより外光の影響を少なくすることができる。

【0024】

また、ステム２２上には、検出精度の向上のため温度補償用のサーミスタＣｔが実装されている。さらに、ステム２２には、４本のリード端子２４が上下に貫通して取付けられており、このリード端子２４とサーモパイル１の電極パッド１９及び温度補償用のサーミスタＣｔとが接続されている。これによって、サーモパイル１及び温度補償用のサーミスタＣｔへの駆動電源の供給や検出信号の送出がなされるようになっている。

【0025】

次に、図７を参照して気体物理量検出装置における気圧検出センサ１０（サーモパイル１）の結線状態について説明する。なお、温度補償用のサーミスタＣｔは省略している。サーモパイル１には電力供給部３が直列に接続され、これらの中間に出力端子が接続されていて、この出力端子の起電力を出力電圧Ｖoutとして検出できるようになっている。

【0026】

電力供給部３は、定電流源であり、気圧検出センサ１０におけるサーモパイル１の熱電対列に通電して定電流を流し、サーモパイル１に電力を供給して自己加熱させる機能を有している。この自己加熱により、従来のようにフィラメント等の加熱素子を用いることなく、気圧検出センサ１０として気圧の検出を行うことができる。

【0027】

続いて、図８を参照して気圧検出センサ１０の動作の概略について説明する。気圧検出センサ１０は被測定雰囲気中に配置されている。気圧検出センサ１０を起動すると（ステップＳ１）、電力供給部３から気圧検出センサ１０のサーモパイル１に電力が供給され、サーモパイル１は自己加熱される（ステップ２）。この自己加熱されたサーモパイル１は被測定雰囲気の熱伝導率によって熱放散の状態が変化、つまり、熱損失量が変化する（ステップ３）。このサーモパイル１の温度変化を起電力の変化として出力電圧Ｖoutを検出する（ステップ４）。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測定結果として出力される（ステップ５）。

【0028】

以上のような気圧検出センサ１０の構成によれば、サーモパイル１は側壁部２１ｂに開口部２３が形成されたキャップ２１に覆われているので、サーモパイル１はキャップ２１の外部の雰囲気の状態と同じ状態に置かれる。また、この場合、サーモパイル１はキャップ２１によって保護されるとともにキャップ２１の遮蔽部２１ａによってサーモパイル１への赤外線の入射が遮蔽されるので外乱の影響を抑制することができ、検出精度の向上を図ることができる。したがって、キャップ２１は、サーモパイル１を保護しつつ、雰囲気の流通は許容するが、サーモパイル１への赤外線の入射を遮蔽する機能を有している。

【0029】

なお、サーモパイル１を気圧の検出に用いる場合には、赤外線吸収体１８は必須の構成要素ではないが、赤赤外線吸収体１８の存在によりサーモパイル１への汚れの付着を防止することができ信号の変動が少なくなる効果が期待できる。
また、本実施形態のサーモパイル１はメンブレン構造である。既述のカンチレバ方式に対しメンブレン構造は主として以下の利点を有する。

【0030】

すなわち、メンブレン部１４は平坦状であり全周が基板１１に支持されていて、このメンブレン部１４上にサーモパイル１が形成されている。このためメンブレン部１４は機械的にも熱的にも安定性を有し、出力の安定性の確保が期待できる。加えて、メンブレン部１４上に多数の熱電対を形成できるので応答速度が速くなる傾向となる。
次に図９乃至図１１を参照して気体物理量検出装置における気圧検出センサ１０の出力特性について説明する。
［気圧と電圧］

【0031】

図９は、被測定雰囲気中の気圧と出力電圧との関係を示しており、気圧を変化させた場合の出力電圧の変化を測定している。図中、横軸は気圧（Pa）を示し、縦軸は電圧（v）を示している。

【0032】

定電流源から１ｍＡ、０．６ｍＡ、０．３ｍＡ及び０．１５ｍＡと各電流を流して定電流駆動を行い測定した。測定結果から、気圧が高くなるに従い出力電圧が低下することが分かる。これにより定電流駆動を行うことにより気圧の変化を検出できることが確認できる。
［印加電圧と温度］

【0033】

図１０（ａ）は、サーモパイル１に一定の電流を流したときの印加電圧及び消費電力を示しており、図１０（ｂ）は、サーモパイル１に一定の電流を流して電圧印加したときと電圧印加前のサーモパイル１の温度をサーモカメラで測定したデータを示している。これにより少ない消費電力で温度上昇の変化が測定できることが分かる。
［本実施形態と比較例］

【0034】

図１１は、本実施形態と比較例との特性の対比を示している。比較例は先行技術文献の特許文献４に示されている特性である。雰囲気の気圧を大気圧から１０Ｐａに変化させた場合を示している。

【0035】

この対比から本実施形態の気体物理量検出装置によれば、性能の向上を図ることができる。具体的には、時定数が速く、消費電力が小さく、及び感度が良好で小さい温度上昇で検出が可能となる。

【0036】

なお、本実施形態の気体物理量検出装置は、気圧の測定に適用される場合に限らない。例えば、ガス濃度を検出する熱伝導式のガスセンサや微風速及び風量等の風のセンシングにも適用可能である。

【0037】

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。

【符号の説明】

【0038】

１・・・・・サーモパイル
２・・・・・パッケージ
３・・・・・電力供給部
１０・・・・気圧検出センサ
１１・・・・基板
１２・・・・絶縁膜
１３・・・・空洞部
１４・・・・メンブレン部
１５・・・・温接点部
１６・・・・冷接点部
１７・・・・ヒートシンク部
１８・・・・赤外線吸収体
１９・・・・電極パッド
２１・・・・キャップ
２１ａ・・・遮蔽部
２１ｂ・・・側壁部
２３・・・・開口部
２４・・・・リード端子

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】