JP6870954B2

JP6870954B2 - 熱浸透率センサ

Info

Publication number: JP6870954B2
Application number: JP2016209833A
Authority: JP
Inventors: 英章浅尾
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2016-10-26
Filing date: 2016-10-26
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2036-10-26
Also published as: JP2018072085A

Description

本発明は、対象物の熱浸透率を測定することが可能な熱浸透率センサに関する。

対象物の熱浸透率を測定する装置として、特許文献１のような装置が提案されている。この装置は、試料台と、プローブとを有している。そして、試料台上に対象物を載置するとともにこの対象物にプローブ接触させ、接触前後の温度および電圧を計測することで対象物の熱浸透率を測定することができる。

特開２００９−２５８０３２号公報

近年、熱浸透率センサは、種々の機器への搭載が検討されており、さらなる小型化が要求されている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、小型の熱浸透率センサを提供することを目的とする。

本発明の一態様に係る熱浸透率センサは、基板と、可変抵抗体と、回路配線と、第１被覆層とを具備している。可変抵抗体は、基板上に位置している。回路配線は、可変抵抗体を組み込んだホイーストンブリッジ回路を有している。第１被覆層は、可変抵抗体を被覆している。

本発明によれば、熱浸透率センサを小型化することができる。

第１実施形態の熱浸透率センサの斜視図である。図１の熱浸透率センサのII−II線での断面図である。図２の熱浸透率センサのIII−III線での断面図である。回路配線の回路図である。熱浸透率の測定結果を示すグラフである。第２実施形態の熱浸透率センサの断面図である。図６の熱浸透率センサのVII−VII線での断面図である。第３実施形態の熱浸透率センサの断面図である。図８の熱浸透率センサのIX−IX線での断面図である。

熱浸透率センサの各種実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図１〜図７には、右手系のＸＹＺ座標系を付しており、以下では、便宜上、Ｚ軸方向を上下方向として説明をするが、上下方向が必ずしも鉛直方向に限定されない。また、鉛直方向における上下が逆であってもよい。

図１は、第１実施形態の熱浸透率センサ１０の斜視図である。図２は、図１のII−II線における熱浸透率センサ１０の断面図である。図３は、図２のIII−III線における熱浸透率センサ１０の断面図である。すなわち、図３は、可変抵抗体２の平面視形状を示している。

熱浸透率センサ１０は、基板１と、可変抵抗体２と、回路配線（図示せず）と、第１被覆層３とを具備している。

基板１は、可変抵抗体２を支持している。基板１としては、樹脂材料あるいはセラミック材料等の絶縁体が用いられる。基板１に用いられる樹脂材料としては、例えば、エポキシ樹脂またはポリイミド樹脂等が挙げられる。また、基板１に用いられるセラミック材料としては、例えば、シリカ、アルミナまたはジルコニア等が挙げられる。また、基板１は、樹脂材料とセラミック材料との複合体が用いられてもよく、あるいは、金属と絶縁体との積層体が用いられてもよい。

可変抵抗体２は、基板１上に位置している。可変抵抗体２は、電圧を印加することで発熱が生じる抵抗体である。また、可変抵抗体２は、温度変化に応じて電気抵抗値が変化する特性も有している。このような可変抵抗体２に用いられる材料としては、例えば、白金、ニッケルまたは銅等の測温抵抗体が用いられる。

可変抵抗体２は、熱浸透率センサ１０の使用時において、ヒーターとして利用される。そのため、可変抵抗体２は、単位面積あたりの占有率を高めることによって、発生する熱量を高めてもよい。このような構成としては、例えば、図３に示すような、複数の屈曲部を有する構成（ミアンダ形状等）としてもよい。

可変抵抗体２は、蒸着法またはスパッタリング法等の薄膜形成方法、金属ペーストの塗布あるいはめっき等の方法を用いて作製することができる。また、可変抵抗体２の製造においては、フォトリソグラフィ法等を用いたパターニングを行なってもよい。

第１被覆層３は、可変抵抗体２を被覆している絶縁層である。第１被覆層３の上面（＋Ｚ側の表面）は、測定対象である対象物に接触される。そして、可変抵抗体２で生じた熱が第１被覆層３を介して対象物に伝えられる。可変抵抗体２で生じた熱の損失を低減して効率よく対象物に伝えるという観点からは、第１被覆層３の可変抵抗体２を被覆している部位における厚み（可変抵抗体２の上面から第１被覆層３の上面までの厚み）は、０．０１〜５０μｍであってもよい。

第１被覆層３は絶縁材料が用いられる。このような絶縁材料としては、例えば、ガラスまたはセラミックス等の無機物が用いられてもよく、ＰＰＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリパラキシレン樹脂またはエポキシ樹脂等の樹脂が用いられてもよい。あるいは、絶縁材料としては、有機物と無機物のハイブリッド材料が用いられてもよい。第１被覆層３は、対象物との間に不要な寄生容量が生じるのを低減して精度を高めるという観点からは、樹脂であってもよい。

回路配線は、図４に示すようなホイーストンブリッジ回路を有している。図４において、Ｒ１、Ｒ２およびＲ３は電気抵抗であり、Ｒｘは可変抵抗体２である。Ｒ１〜Ｒ３を含む配線は、基板１の表面または内部、あるいは第１被覆層３の表面または内部に位置している。そして、この配線が、可変抵抗体２と電気的に接続されることによって、可変抵抗体２を組み込んだホイーストンブリッジ回路が構成されている。

熱浸透率センサ１０は、以下のようにして使用することができる。まず、第１被覆層３
の上面を、測定対象である対象物に接触させる。次に、回路配線の入力電圧Ｖin（図４参照）に電圧を印加する。これによって、可変抵抗体２が発熱し、その熱が第１被覆層３を介して対象物に伝えられる。このときの回路配線の出力電圧Ｖout（図４参照）の値を測
定し、図５に示すような時間および出力電圧Ｖoutのデータを得る。そして、一定時間ｔ
が経過したときの出力電圧Ｖoutを評価することで、対象物の熱浸透率を導出することが
できる。つまり、対象物の熱浸透率が高いほど、可変抵抗２で発生した熱が対象物に吸収されやすくなるため、一定時間ｔが経過したときの出力電圧Ｖoutの値は低い値となる傾
向がある。そこで、熱浸透率が既知の材料を用いて予め同様の測定をしておいたデータと比較することにより、対象物の熱浸透率を精度よく導き出すことが可能となる。

以上のことから、本開示の熱浸透率センサ１０は、従来のようなプローブを用いた構成とする必要はなく、配線基板の作製技術を用いて微細な構成とすることができ、小型で精度の高い熱浸透率センサとなる。

なお、図１〜図３では、熱浸透率センサ１０は、可変抵抗体２が位置する部位しか記載していないが、これ以外の部位の構成は特に限定されない。熱浸透率センサ１０の回路配線は、基板１あるいは第１被覆層３の可変抵抗体２が位置している部位とは異なる部位に形成されていてもよい。また、熱浸透率センサ１０を対象物に接触しやすくするという観点からは、可変抵抗体２が位置している部位の上面（第１被覆層３の上面）が他の部位よりも高い位置（他の部位よりも＋Ｚ方向側）にあってもよい。

＜変形例１＞
本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。例えば、以下に示すような各種変形例を用いてもよい。

図６は第２実施形態の熱浸透率センサ２０の断面図である。また、図７は、図６の熱浸透率センサ２０のVII−VII線での断面図である。図６および図７において、第１実施形態の熱浸透率センサ１０と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。

第２実施形態の熱浸透率センサ２０は、第１皮膜層３の表面（＋Ｚ側の表面）に、導電層４と、第２被覆層５とをさらに具備している点で、第１実施形態の熱浸透率センサ１０と異なっている。導電層４は、図７に示すように、平面透視したときに（−Ｚ方向に見たときに）、第１被覆層３を介して可変抵抗体２を覆っている。また、第２被覆層５は、図６に示すように、導電層４を被覆している。

このような構成によって、熱浸透率センサ２０の測定精度をさらに高めることができる。つまり、第１実施形態の熱浸透率センサ１０では、第１被覆層３の上面に対象物を接触させた際、可変抵抗体２と対象物との間に寄生容量が生じやすくなり、出力電圧Ｖoutに寄生容量の成分が加わる場合がある。この寄生容量は対象物の種類によって大きさが異なるため、対象物が未知のものであれば寄生容量による誤差を補正するのが困難となる場合がある。そこで、第２実施形態の熱浸透率センサ２０のように、第１被覆層３を介して可変抵抗体２を覆うように導電層４を配置することによって、寄生容量の成分を低減することができる。その結果、対象物が未知のものであっても、より高い精度で測定することが可能となる。

導電層４は、金属等の導電性の材料が用いられ、厚みが例えば、０．００５〜５０μｍ程度であってもよい。また、導電層４は、可変抵抗体２で生じた熱を第２被覆層５を介して対象物に良好に伝えるという観点からは、熱伝導性が高い材料であってもよい。このよ
うな材料としては、例えば銅が挙げられる。また、導電層４は、寄生容量による影響を低減するという観点からは、平面視において、可変抵抗体２が占有する領域全体を覆っていてもよい。

第２被覆層５は、導電層４を被覆している絶縁層である。第２被覆層５の上面（＋Ｚ側の表面）は、測定対象である対象物に接触される。そして、可変抵抗体２で生じた熱が第１被覆層３、導電層４および第２被覆層５を介して対象物に伝えられる。可変抵抗体２で生じた熱の損失を低減して効率よく対象物に伝えるという観点からは、第２被覆層５の導電層４を被覆している部位における厚み（導電層４の上面から第２被覆層５の上面までの厚み）は、０．０１〜５０μｍであってもよい。

第２被覆層５は絶縁材料が用いられる。このような絶縁材料としては、例えば、ガラスまたはセラミックス等の無機物が用いられてもよく、ＰＰＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、フッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリパラキシレン樹脂またはエポキシ樹脂等の樹脂が用いられてもよい。あるいは、絶縁材料としては、有機物と無機物のハイブリッド材料が用いられてもよい。第２被覆層５は、対象物との間に不要な寄生容量が生じるのをより低減してより精度を高めるという観点からは、樹脂であってもよい。

＜変形例２＞
図８は第３実施形態の熱浸透率センサ３０の断面図である。また、図９は、図８の熱浸透率センサ３０のIX−IX線での断面図である。図８および図９において、第１実施形態の熱浸透率センサ１０および第２実施形態の熱浸透率センサ２０と同じ構成のものには同じ符号を付しており、詳細な説明は省略する。

第３実施形態の熱浸透率センサ３０は、第１被覆層３の上に位置している導電層３４が、その上下面に開口する複数の貫通孔３４ａを具備している点で、第２実施形態の熱浸透率センサ２０と異なっている。

このような構成によって、導電層３４と第１被覆層３との界面、あるいは導電層３４と第２被覆層５との界面の密着性を高めることができ、より信頼性の高いものとなる。導電層３４を平面視したときに、貫通孔３４ａの直径は０．０１〜２００μｍ程度であってもよい。また、導電層３４を平面視したときに、貫通孔３４ａの占有面積率は１０〜５０％であってもよい。

１：基板
２：可変抵抗体
３：第１被覆層
４、３４：導電層
３４ａ：貫通孔
５：第２被覆層
１０、２０、３０：熱浸透率センサ

Claims

基板と、
前記基板上に位置する可変抵抗体と、
前記可変抵抗体を組み込んだホイーストンブリッジ回路を有する回路配線と、
前記可変抵抗体を被覆する第１被覆層と、
前記第１被覆層を介して前記可変抵抗体を覆う導電層と、
前記導電層を被覆する第２被覆層と
を具備する熱浸透率センサ。
前記可変抵抗体は複数の屈曲部を有している、請求項１に記載の熱浸透率センサ。
前記導電層は複数の貫通孔を有している、請求項１に記載の熱浸透率センサ。
前記導電層は銅を含む、請求項１または３に記載の熱浸透率センサ。
前記第１被覆層は樹脂を含む、請求項４に記載の熱浸透率センサ。
前記第２被覆層は樹脂を含む、請求項１、３または４のいずれかに記載の熱浸透率センサ。