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技術 温度検出方法

出願人 セイコーNPC株式会社
発明者 菱沼邦之
出願日 2015年10月22日 (4年5ヶ月経過) 出願番号 2015-208447
公開日 2017年5月18日 (2年10ヶ月経過) 公開番号 2017-083185
状態 特許登録済
技術分野 温度及び熱量の測定
主要キーワード 測定対象領域内 状態判別装置 歪状態 周波数分析器 機械的挙動 ピエゾ薄膜 形状記憶合金製 多元的
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年5月18日)のものです。
また、この項目は機械的に抽出しているため、正しく解析できていない場合があります

図面 (6)

課題

経年的に安定な特性を有する感歪センサを用いて測定物やその配置場所に左右されない温度測定方法を提供する。

解決手段

感歪センサ2は半導体基板の主面に形成された回路構造部と、前記回路構造部上にパッシベーション膜を介して形成された感歪機能を有するピエゾ薄膜と、前記回路構造部の一部を構成し前記ピエゾ薄膜からのその歪状態に基づく出力信号を処理する信号処理回路とを有し、感歪センサ2を測定対象物3上又は測定対象領域内に配置する。前記ピエゾ薄膜の歪に応じた前記信号処理回路からの出力に基づいて測定対象物3の温度情報を得る。

概要

背景

感歪センサは、シリコンなどの半導体基板に形成され、歪を検出するセンサ部とセンサ部からの出力を増幅処理する信号処理部から構成されている。例えば、P−型単結晶シリコン基板の表面領域に不純物拡散してP+拡散層を形成し、これを歪検知する半導体ピエゾ領域とする。センサ部に隣接する信号処理部にはMOSトランジスタなどのトランジスタを含む信号処理回路が形成されている。半導体ピエゾを用いた歪センサでは感度を確保するためにダイヤフラム構造を用いることがある。

出願人は、先に、ピエゾ薄膜を有する新規な構造の感歪センサを開発した(特願2015−116149)。この感歪センサは、感度を十分維持しながら小型化が可能であって、IC機能(集積回路)が形成された半導体基板の上にピエゾ薄膜を形成して経年的に安定な特性を有するようにした圧力センサである。さらに、このセンサは、前記ピエゾ薄膜を形成してから当該半導体基板のバックグラインドを行って基板の薄化によりセンサ感度確定できる。

この圧力センサは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、センサ機能を有するピエゾ薄膜と、前記半導体基板の表面領域に形成され、前記ピエゾ薄膜からの出力を信号処理する信号処理回路とを具備し、前記ピエゾ薄膜は、前記信号処理回路を被覆保護するパッシベーション膜上に形成されていることを特徴としている。また、このセンサの製造方法は、半導体基板の表面領域に信号処理回路を形成後、当該信号処理回路をパッシベーション膜で被覆保護する工程と、前記パッシベーション膜上にセンサ機能を有するピエゾ薄膜を形成する工程とを具備し、前記信号処理回路は、前記ピエゾ薄膜からの出力を信号処理することを特徴としている。このセンサは、感度を十分維持しながら小型化が可能であり、IC機能(集積回路)が形成され、安定したパッシベーション膜の上にピエゾ薄膜を形成することにより経年的に安定な特性を有することが可能になる。また、前記ピエゾ薄膜を形成してから当該半導体基板のバックグラインドを行って基板の薄化をすることによりセンサ感度を容易に確定することが出来る。

また、感歪センサを温度測定に用いることも知られている(引用文献1及び引用文献2参照)。引用文献1には歪ゲージを貼った形状記憶合金棒流路に置き、棒の振動数から温度を推定する技術が開示されている。この技術は、ダクト内を流れる気流又は液流温度検出装置に関し、周波数分析して温度を測定するものである。ダクトの内壁には形状記憶合金製の小棒の一端が固定具で固定されている。小棒には歪センサが取付けられ、リード線増幅器周波数分析器へ接続される。流体の流れにより小棒の後方に渦が発生し、小棒はその固有振動数励振される。歪ゲージにより検出された小棒の振動は周波数分析器でその固有振動数が検出される。温度が変化すると、小棒の縦弾性係数が変化し、そのため固有振動数も変化するので周波数から温度が検出できるというものである。

特許文献2にはゴム板両面に歪ゲージを貼り一方を測定対象物に接触させ歪差から温度差を検出する技術が開示されている。この技術は、機械的挙動熱的挙動とを同時に検出し得るセンサ、工作機械状態判別装置及び状態判別方法を提供するものである。シリコンゴムの上面に歪ゲージA1、A2を配置し、下面側に歪ゲージB1、B2を配設する。そして、該歪ゲージA1、A2を工具の下面に張り付け、歪ゲージB1、B2側に鋼鈑を取り付け自由界面とする。そして、該歪ゲージA1〜B2から、工具の歪変化が重畳された工具と自由界面との熱流束を出力させる。測定対象の歪変化(機械的挙動)と熱流束(熱的挙動)との重畳した信号即ち該機械的挙動と熱的挙動とを同時に出力するため、加工の状態を多元的に捕らえることができる。
また、従来のサーミスタ等の温度センサを用いる場合、通常測定したい物質に接触させて測定していた。つまり、熱伝導による温度測定を行っていた(図5参照)。図5の床暖房温度測定方法では、ヒータが埋め込まれた床材の表面に温度センサを置いて測定していた。

概要

経年的に安定な特性を有する感歪センサを用いて測定物やその配置場所に左右されない温度測定方法を提供する。 感歪センサ2は半導体基板の主面に形成された回路構造部と、前記回路構造部上にパッシベーション膜を介して形成された感歪機能を有するピエゾ薄膜と、前記回路構造部の一部を構成し前記ピエゾ薄膜からのその歪状態に基づく出力信号を処理する信号処理回路とを有し、感歪センサ2を測定対象物3上又は測定対象領域内に配置する。前記ピエゾ薄膜の歪に応じた前記信号処理回路からの出力に基づいて測定対象物3の温度情報を得る。

目的

この技術は、機械的挙動と熱的挙動とを同時に検出し得るセンサ、工作機械の状態判別装置及び状態判別方法を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

半導体基板の主面に形成された回路構造部と、前記回路構造部上にパッシベーション膜を介して形成された感歪機能を有するピエゾ薄膜と、前記回路構造部の一部を構成し前記ピエゾ薄膜からのその歪状態に基づく出力信号を処理する信号処理回路とを具備する感歪センサを用いた温度測定方法において、前記感歪センサを測定対象物上又は測定対象領域内に配置し、前記ピエゾ薄膜の歪に応じた前記信号処理回路からの出力に基づいて、前記測定対象物又は前記測定対象領域温度情報を得ることを特徴とする温度測定方法。

技術分野

0001

本発明は、ピエゾ薄膜を有する感歪センサを利用して温度を検出する方法に関するものである。

背景技術

0002

感歪センサは、シリコンなどの半導体基板に形成され、歪を検出するセンサ部とセンサ部からの出力を増幅処理する信号処理部から構成されている。例えば、P−型単結晶シリコン基板の表面領域に不純物拡散してP+拡散層を形成し、これを歪検知する半導体ピエゾ領域とする。センサ部に隣接する信号処理部にはMOSトランジスタなどのトランジスタを含む信号処理回路が形成されている。半導体ピエゾを用いた歪センサでは感度を確保するためにダイヤフラム構造を用いることがある。

0003

出願人は、先に、ピエゾ薄膜を有する新規な構造の感歪センサを開発した(特願2015−116149)。この感歪センサは、感度を十分維持しながら小型化が可能であって、IC機能(集積回路)が形成された半導体基板の上にピエゾ薄膜を形成して経年的に安定な特性を有するようにした圧力センサである。さらに、このセンサは、前記ピエゾ薄膜を形成してから当該半導体基板のバックグラインドを行って基板の薄化によりセンサ感度確定できる。

0004

この圧力センサは、半導体基板と、前記半導体基板上に形成され、センサ機能を有するピエゾ薄膜と、前記半導体基板の表面領域に形成され、前記ピエゾ薄膜からの出力を信号処理する信号処理回路とを具備し、前記ピエゾ薄膜は、前記信号処理回路を被覆保護するパッシベーション膜上に形成されていることを特徴としている。また、このセンサの製造方法は、半導体基板の表面領域に信号処理回路を形成後、当該信号処理回路をパッシベーション膜で被覆保護する工程と、前記パッシベーション膜上にセンサ機能を有するピエゾ薄膜を形成する工程とを具備し、前記信号処理回路は、前記ピエゾ薄膜からの出力を信号処理することを特徴としている。このセンサは、感度を十分維持しながら小型化が可能であり、IC機能(集積回路)が形成され、安定したパッシベーション膜の上にピエゾ薄膜を形成することにより経年的に安定な特性を有することが可能になる。また、前記ピエゾ薄膜を形成してから当該半導体基板のバックグラインドを行って基板の薄化をすることによりセンサ感度を容易に確定することが出来る。

0005

また、感歪センサを温度測定に用いることも知られている(引用文献1及び引用文献2参照)。引用文献1には歪ゲージを貼った形状記憶合金棒流路に置き、棒の振動数から温度を推定する技術が開示されている。この技術は、ダクト内を流れる気流又は液流温度検出装置に関し、周波数分析して温度を測定するものである。ダクトの内壁には形状記憶合金製の小棒の一端が固定具で固定されている。小棒には歪センサが取付けられ、リード線増幅器周波数分析器へ接続される。流体の流れにより小棒の後方に渦が発生し、小棒はその固有振動数励振される。歪ゲージにより検出された小棒の振動は周波数分析器でその固有振動数が検出される。温度が変化すると、小棒の縦弾性係数が変化し、そのため固有振動数も変化するので周波数から温度が検出できるというものである。

0006

特許文献2にはゴム板両面に歪ゲージを貼り一方を測定対象物に接触させ歪差から温度差を検出する技術が開示されている。この技術は、機械的挙動熱的挙動とを同時に検出し得るセンサ、工作機械状態判別装置及び状態判別方法を提供するものである。シリコンゴムの上面に歪ゲージA1、A2を配置し、下面側に歪ゲージB1、B2を配設する。そして、該歪ゲージA1、A2を工具の下面に張り付け、歪ゲージB1、B2側に鋼鈑を取り付け自由界面とする。そして、該歪ゲージA1〜B2から、工具の歪変化が重畳された工具と自由界面との熱流束を出力させる。測定対象の歪変化(機械的挙動)と熱流束(熱的挙動)との重畳した信号即ち該機械的挙動と熱的挙動とを同時に出力するため、加工の状態を多元的に捕らえることができる。
また、従来のサーミスタ等の温度センサを用いる場合、通常測定したい物質に接触させて測定していた。つまり、熱伝導による温度測定を行っていた(図5参照)。図5床暖房温度測定方法では、ヒータが埋め込まれた床材の表面に温度センサを置いて測定していた。

先行技術

0007

特開平08−54294号公報
特開平10−286742号公報

発明が解決しようとする課題

0008

温度情報を取得するためのセンサデバイスとして感歪センサを用いることは前述のように従来知られている。しかし、これらの方法は構造が複雑であり実用的ではない。また、熱伝導率が良いものや表面状態平坦な部材であれば、その上に感歪センサを直接形成するという手段もあるが、逆に、熱伝導率の悪いものや直接形成が困難な部材に対しては、適用手段及び応用方法は未だ検討されていない。熱伝導率の低い材質の温度を測定したい場合、例えば、床暖房などの木材の下部又は内部にヒータが設置されている場合、図5のように、温度を測定する場所によって(ヒータからの距離)によって測定値が異なるという問題があった。
本発明は、このような事情によりなされたものであり、経年的に安定な特性を有する感歪センサを用いて測定物やその配置場所に左右されない温度測定方法を提供する。

課題を解決するための手段

0009

本発明の温度測定方法は、半導体基板の主面に形成された回路構造部と、前記回路構造部上にパッシベーション膜を介して形成された感歪機能を有するピエゾ薄膜と、前記回路構造部の一部を構成し前記ピエゾ薄膜からのその歪状態に基づく出力信号を処理する信号処理回路とを具備する感歪センサを用いた温度測定方法において、前記感歪センサを測定対象物上又は測定対象領域内に配置し、前記ピエゾ薄膜の歪に応じた前記信号処理回路からの出力に基づいて、前記測定対象物又は前記測定対象領域の温度情報を得ることを特徴としている。

発明の効果

0010

本発明に用いる感歪センサは、感度を十分維持しながら小型化が可能であり、IC機能(集積回路)が形成され、安定したパッシベーション膜の上にピエゾ薄膜センサを形成することにより経年的に安定な特性を有することが可能になる。また、前記ピエゾ薄膜を形成してから当該半導体基板のバックグラインドを行って基板の薄化をすることによりセンサ感度を容易に確定することが出来る。
本発明は、測定対象物や配置場所に左右されない感歪センサを用いた温度測定方法であり、熱伝導率が良いもの、表面状態が平坦な部材のみならず、熱伝導率の悪い対象物などに対しても配置が可能である。また、信号処理回路が一体となって小型化ができ、設置場所の自由度が広がる。

図面の簡単な説明

0011

実施例1に係る温度測定方法を説明する床材に取り付けられた感歪センサの断面図。
図1の感歪センサの断面図。
図2の半導体基板上に形成されたピエゾ薄膜の平面図。
図1の温度測定に用いる感歪センサの特性を説明する特性図。
従来の温度測定方法を説明する床材に取り付けられた温度センサの断面図。

0012

以下、実施例を参照して発明の実施の形態を説明する。

0013

図1乃至図4を参照して実施例1を説明する。
この実施例の感歪センサ20は、図2に示すように、半導体基板10と、この半導体基板10上に形成されたセンサ機能を有するピエゾ薄膜1と、半導体基板10の表面領域に形成され、ピエゾ薄膜1からの出力を信号処理する信号処理回路とを有している。図ではピエゾ薄膜1の形成された領域をセンサ部といい、信号処理回路が形成された領域をIC部もしくは信号処理部という。
信号処理回路は、MOSトランジスタ15などが形成された集積回路であり、パッシベーション膜11により被覆保護されている。ピエゾ薄膜1は、パッシベーション膜11上に形成されている。この実施例では、パッシベーション膜11は、例えば、プラズマCVDにより形成されたシリコン窒化膜から構成されている。プラズマCVDは、化学的気相成長法CVD)の1種であり、この方法による膜は、耐湿性機械的強度等に優れた保護絶縁膜であることが半導体製造技術では知られている。

0014

プラズマCVD法は、形成しようとする薄膜材料を構成する元素からなる化合物ガスを基板上に供給し、気相又は基板表面における化学反応解離、反応させて所望の薄膜を得る方法であり、ガス分子励起する励起源プラズマ放電を用いるのをプラズマCVDという。
ピエゾ薄膜1は、感歪素子として用いられ、ピエゾ薄膜1としては通常知られている材料を用いる。例えば、Cr系の薄膜、酸化タンタルなどの酸化物チタン酸鉛チタンジルコン酸鉛チタン酸バリウムタンタル酸リチウムニオブ酸リチウム等が知られている。そして、例えば、酸化タンタル膜は、ターゲット金属タンタルを用い、アルゴン酸素反応ガスに用いてパッシベーション膜11上に形成される。ピエゾ薄膜1は、感歪素子としての感度を良くするためにパッシベーション膜11の上に4つ形成される(図3参照)。この実施例では、図3に示すように、スネーク状に複数のピエゾ薄膜1を複数形成し、ピエゾ抵抗を大きくしてセンサ感度を大きくする工夫がなされている。
半導体基板10は、P−型単結晶シリコンからなり、その表面領域に不純物を拡散してP+拡散層を形成してMOSトランジスタ15などのトランジスタを含む信号処理回路が形成されている。

0015

以上、この実施例の感歪センサは、感度を十分維持しながら小型化が可能であり、IC機能(集積回路)が形成され、安定したパッシベーション膜の上にピエゾ薄膜を形成することにより経年的に安定な特性を有することが可能になる。プラズマ窒化膜は、ひずみは大きいが安定性が高く、水分を遮断する機能が高いので、前述のような特性が得られる。

0016

次に、図1図4を参照して、この実施例における感歪センサを用いた温度測定方法を説明する。
この温度測定方法は、感歪センサを測定対象物上又は測定対象領域内に配置し、前記ピエゾ薄膜の歪に応じた前記信号処理回路からの出力に基づいて、前記測定対象物又は前記測定対象領域の温度情報を得ることを特徴としている。この実施例では床暖房システムにおける温度測定方法を説明する。この暖房システムでは、床材3にサーミスタなどのヒータ4が埋め込まれている。電源回路に繋がるスイッチを入れるとヒータ4は加熱されて暖房が始まる。所定の温度に達した後、この温度を維持すべく当該電源回路に含まれ、感歪センサ2に繋がる温度制御回路に基づいて、前記電源回路に流れる電流オンオフ制御する。この制御によってシステム過熱を防止し、対象領域の温度を一定に保持することができる。前記所定の温度は、床材3に埋め込まれた感歪センサ2によって得られた温度情報により取得する。

0017

感歪センサ2は、床材3のその部分における歪の変化を検知し、その変化に基づいてセンサが置かれた部分の温度を測定する。感歪センサ2が計測した測定対象物上もしくは測定対象領域内の歪量とそのときのその場所の温度は、例えば、図4に示すような歪(D)—温度(T)特性線に示す関係を有する。図4において、縦軸は、歪量Dであり、横軸は温度Tである。
従来は、熱伝導率の低いものの温度を測定した場合、例えば、床暖房に使われる木材(床材)の下部もしくは内部にヒータが設置されている場合、温度を測定する場所(即ち、ヒータからの距離)によって測定値が違ってくる。しかしながら、この実施例のように熱によって発生する物質のソリや歪みなどの伸び縮みを捉えるセンサを用い、物質の伸び縮みを温度変換に用いることによって温度測定を行う。即ち、この実施例では、熱伝導による温度測定ではなく、熱膨張線膨張)による温度測定を行うものである。物質の伸び縮みから物質がもっている温度を類推するものであり、このような温度測定を床暖房システムに用いれば、体感温度床温度に大きな隔たりがなく温度制御できる。

0018

実施例1では、室内の床暖房システムに用いた温度測定方法を説明したが、本発明は、床暖房のみに限定されるものではない。実施例2では、例えば、自動車内の空調に用いた例を説明する。従来、例えば、夏季の暑い盛りに、外部から運転手などが遠隔操作エンジン起動し、車内を空調して乗員が乗る前に車内温度下げておくことがある。この実施例では、車内の温度を下げておき、乗車時に快適に乗車が出来るようにしたものである。
感歪センサは、空調装置の温度制御回路に接続され、車内のインパネハンドルシート等の各所に取り付けられる。車を駆動するエンジンを起動するバッテリーに空調装置を接続し、車内を冷房もしくは暖房する。空調装置は、生じた冷風もしくは暖風などを放出する複数の吹き出し口を有し、そこからの送風をこれら感歪センサが感知し、感知したデータを前記空調装置の温度制御回路に送り、その温度情報に基づいて空調を行う。夏季にはインパネやハンドル等の部分は特に他の部分より暑くなる傾向にあるので、この部分の吹き出し口の数を多くし、あるいは吹き出し口を大きくし、これらの吹き出し口に対応して感歪センサを配置して速やかに風量を多くするなど送風データを取得して室内の温度を下げることができる。

実施例

0019

この実施例は、測定対象物や配置場所に左右されない感歪センサを用いた温度測定方法であり、表面状態が平坦な部材のみならず、熱伝導率の悪い対象物などに対しても配置が可能である。また、信号処理回路が一体となって小型化ができ、設置場所の自由度が広がる。

0020

1・・・ピエゾ薄膜
2・・・チップ(感歪センサ)
3・・・床材
4・・・ヒータ
10・・・半導体基板
11・・・パッシベーション膜
15・・・MOSトランジスタ

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