JPS63244701A

JPS63244701A - 薄膜温度センサ

Info

Publication number: JPS63244701A
Application number: JP7780987A
Authority: JP
Inventors: 敏嗣植田; 幸坂　扶佐夫; 大輔山崎
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 1987-03-31
Filing date: 1987-03-31
Publication date: 1988-10-12
Anticipated expiration: 2011-09-04
Also published as: JP2530840B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、Ｎ躾でｍ温体を形成した薄膜温度センサの改
善に関するものである。

〔従来の技術〕

測温抵抗体としては、現在成る種の金属、例えば白金（
Ｐｓ）やニッケル（Ｎｔ＞を巻線型にした抵抗体が一般
的に広く使用されている。バルク（ｂｕｌｋ）としての
高純度の白金は、高いＴＣＲ（ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ
　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ　ｏｆ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃ
ｅ　−・・抵抗温度係数）を有し、この抵抗体に、歪み
、衝撃、応力等を加えなければこのＴＣＲ値は安定であ
る。

しかも同一の純度で同一の形状とした白金抵抗体のＴＣ
Ｒ値は同一であるため抵抗体のとしての互換性がある。

例えば、Ｉ　Ｐ　Ｔ　Ｓ　（１ｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　５ｃ
ａｌｅ　）を満たす白金抵抗体のＴＣＲ値は、３９２５
１）ｌ’ｌｌｌ／’Ｃである。この（ＰＴＳの規格によ
る白金抵抗体は非常に高純度であるため高いＴＣＲ値を
有するが、反面、歪み、衝撃、応力によりＴＣＲ値が変
化し、取扱に困難性があるという問題を持っている。

そこで歪み、！ＩＩＩ、応力等の影響を受けにくいよう
に不純、物を加えて白金純度を下げたＪ　Ｉｓ。

ＤＩＮ等が規定されている。例えば、ＪＩＳによれはＴ
ＣＲ値は３９１６１）ｌ）ＴＩ　／’Ｃ１ＤＩＮによれ
ばＴＣＲ値は３８５０１）ｌ）Ｉ　／’Ｃである。

このようにＩＰＴＳ、ＪＩＳ等による巻線型測温抵抗体
（バルクとしての抵抗体）は、高いＴＣＲ値を持ち、同
一の規格同士の測温抵抗体は互換性を持つが、形状が大
きいという問題点を共通に有している。しかも測温抵抗
体の形状が大きいと熱容量が大きくなるため熱応答性が
悪い。

このような問題点を解決するため、本出願人は実願昭５
５−１４６６５８号「薄膜センサ」゛（以下先願と言う
）の出願をした。この先願の＊Ｉ！センサを第７図に示
す。第７図において、１は絶縁基板であり、２はＮ　ｉ
　＋　Ｏｒ　ｌ　Ｐ　を等の薄膜で形成した抵抗体であ
り、４は絶縁基板１に設けた空間部である。この第７図
によれば、薄膜抵抗体２の大部分は空間部４に位置され
るものであるから小型化、熱応答性の問題点を解決する
ことができる。

しかし、先願の測湿抵抗体は、業界で広く使用されてい
るＩＰＴＳ、ＪＩＳ等の規格による測温抵抗体と互換性
を得ることができない問題点を有している。その理由を
述べると、ＩＰＴＳ、ＪＩＳ等で規定しているｍ湿紙抗
体は巻線型（巻線型は金属の塊で構成したものと見るこ
とができこの巻線型を以下パバルク”と記す）であり、
先願の測温抵抗体は゛薄膜″である。

ここで同一純度の白金（白金に限らない）を“バルク″
の抵抗体として構成した場合と゛”１膜″の抵抗体とし
て構成した場合とで、ＴＣＲ値や固有抵抗値が異なるこ
とが知られている。即ち、固有抵抗値は゛薄膜”の方が
高く、ＴＣＲ値は゛バルク″の方が高い。それは、“バ
ルク″の抵抗体は金属が結晶状に配列された構成である
が、゛薄膜“の抵抗体は結晶状でなく金属粒子の集合状
態であるという構成上の差異に基づく。従って、“バル
ク”と＊Ｓ”とではＴＣＲ値や固有抵抗値が異なるので
ある。

そこで、′薄膜”で構成した抵抗体を高温度で熱処理す
ると薄膜を構成していた個々の金属粒子が再配列して結
晶状となる。即ち、薄膜抵抗体をａｉｉ！度で熱処理す
ることにより、ＴＣＲ値や固有抵抗値を変化させ、“バ
ルク”と同一にすることができる。しかも、熱処理の温
度等により、１１躾測温抵抗体をＩ　ＰＴＳやＪＩＳ等
による“バルク”の測温抵抗体の特性と同一にすること
ができ、る。

しかし先願（第７図）の構成の薄膜ｌｌ瀉抵抗体を高温
で熱処理すると、絶縁基板１と抵抗体２との付着力が低
下し、抵抗体２が剥離する問題が２ある。例えば抵抗体
２に電流を流し、その時の発熱により抵抗体２を高熱に
して熱処理をした場合、第７図に示すＡ部も高温となり
、抵抗体２が剥離するのである。従って、先願の薄膜抵
抗体は高温で熱処理ができないのである。

〔発明が解決しようとする問題点３以上のように先願の構成に係る薄膜ｍｓ抵抗体は、剥離
の面から熱処理ができない問題がある。

また仮に′Ｒ温で付着力の低下しない接着手段を発明し
たとしても先願には次の問題がある。

先願（第７図）の構成は、抵抗体２の一部が絶縁基板１
に接着されている。即ち、抵抗体２と絶縁基板１との熱
絶縁が悪いことにより ■　熱処理をした場合、所望のＴＣＲ値や固有抵抗値を
得ることが困難である。

この０を補足すると、熱処理の温度により薄膜測温抵抗
体のＴＣＲ値や固有抵抗値は変化するので、ＴＣＲ値や
固有抵抗値を目標値と一致させる（例えばＩ　ＰＴＳや
ＪＩＳと一致させる）には、Ｎ膜１１１１温抵抗体の各
部の濃度を均一に目的の濃度に・保つ（温度分布を少な
く保つ）ことが必要である。しかし、第７図の構成では
、抵抗体２を均一な温度に保つことができない。熱処理
により高温の抵抗体２と比べ、絶縁基板１の温度が低（
、後述する第４図（１１）のように大きな温度分布が発
生するからである。

■　絶縁基板１の温度が伝達され、ｍ瀉抵抗体自身の温
度特性が得られない。

■　絶縁基板１の熱容量の影彎を受け、迷い熱応答がで
きない。

本発明の目的は、高部で熱処理しても測温抵抗体が絶縁
基板から剥離することがなく、しかも絶縁基板と測温抵
抗体との熱絶縁が優れた構成の薄膜温度センサを提供す
ることである。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明は、上記問題点を解決するために空間部を有した
絶縁基板と、この絶縁基板の空間部に配置され、断面積がＳｏである
波状パターンの薄膜抵抗体と、この抵抗体のパターンの
頂点部から頂点部までの長さＬＯの所に絶縁基板までの
長さＬ＋＋断面槓Ｓ１の突起である支持部とを有し、こ
の支持部を介して絶縁基板に固定された’１１４ｍ抵抗
体と、を備え、（Ｌｏ　／Ｓｏ　）＜　（Ｌ＋　／Ｓ＋
　）となるようにしたものである。

〔実施例〕

以下、図面を用いて本発明の詳細な説明する。

第１図と第２図は、本発明に係る薄膜温度センサの一実
施例を示した図、第３図は第１図及び第２図の製造工程
の例を示した図、第４図と第５図は本発明の要部を現用
するための図、第６図は第１図の要部を拡大して示した
図である。

第１図と第２図において、１は絶Ｊ＠基板であり、その
一部に図に示すような空間部４が設けられている。この
絶縁基板１の材質として例えば、シリコン、水晶等異方
性エツチングできる材質のものが使用される。

２は波状パターンをした薄膜の抵抗体である。

波状パターンは第１図、第２図で示すように矩形波状の
ものに限定往ず、例えば正弦波状、又は広義に繰返す形
状のものを含むものである。この抵抗体２は前記絶縁塞
板１の空間部４に配置される。

そして、この抵抗体２には、支持部３で示す突起が設け
られ°【いる。この支持部３は抵抗体２と同一材質で一
体化されたものである。第１図では、この支持部３は波
状パターンの各頂点部に１つ設けられているが、第２図
では矩形波の１辺ごとに設けられている。本明細書では
、この抵抗体２と支持部３とを合せて測温抵抗体と称し
ている。測温抵抗体は、この支持部３を介して絶縁基板
１に固定されている。５．６は抵抗体２の抵抗値を電気
信号として取出す電極である。この測温抵抗体は、例え
ばＰ　ｔ　ｒ　Ｎ　を等通常、抵抗として使用する物質
の単体あるいは複合体が用いられる。

本発明では、抵抗体２の波状パターンの長さと断面積、
及び支持部３の長さと断面積の関係に特徴があるから、
この点を第６図を参照して詳しく説明する。本発明は、
断面積がＳｏである抵抗体と「抵抗体のパターン２の頂
点部から頂点部までの長さＬｏＪの所に「絶縁基板１ま
での長さＬ＋＋断面積Ｓ１の突起である支持部３」を設
け（Ｌｏ　／Ｓｏ　）＜　（Ｌ＋　／Ｓ＋　）となるよ
うに構成する。このように構成することで、上述した先
願の問題点を解決できる。

ここで１抵抗体のパターンの頂点部から頂点部までの長
さＬｏｊとは、第６図“’Ｌｏ”に示ず経路の長さのこ
とである。即ち、支持部３は波状パターンをした抵抗体
２の頂点部に設けられるが、この２つの頂点に設けられ
た支持部３との間を結ぶ抵抗体の長さのことである。

第１図では支持部３は各矩形波の頂点に１本ずつ設けら
れているため、「抵抗体のパターンの頂点部から頂点部
までの長ざＬｏＪは第６図のようになる。もつとも、第
１図では、“Ｌｏ”の長さを概略各矩形波の１辺の長さ
として図示したが、正確には第６図に示す“ＬｏＩＩで
ある。

一方、第２図のように各矩形波の１辺ごとに支持部３が
設けられている場合は、「抵抗体のパターンの頂点部か
ら頂点部までの長さＬｏＪは各矩形波の１辺の長さと一
致する。

また、１絶縁基板１までの長さＬ＋の支持部Ｊとは、第
１図、第２図、第６図に示す長さ“Ｌ　、　ＩＩのこと
である。ここで支持部３の長さは＜１＋＋Δ）である。

即ち、支持部３を介して測温抵抗体は絶縁基板１に固定
されるが、固定する部分の長さΔ″が必要である。

以下、（Ｌｏ　／Ｓｏ　）＜　（Ｌ＋　／Ｓ＋　）とな
るように構成すると、上述した先願の問題点を解決でき
る理由を説明する。即ち、第１図、第２図のように構成
すると、絶縁基板１の熱容量の影響を受けず、抵抗体２
のみ高温にすることができ、しかも抵抗体、２のパター
ン全体のｖＡｒ！Ｊを均一にすることができる理由を説
明する。

第４図は温度が１０であって互いに距離したけ離れた絶
縁基板１０．１１の間に断面積（Ｓ−ａ−ｂ）の抵抗体
１２を橋渡しした状態を示した図（１）と、この抵抗体
１２における温度分布を示した図（１１）である。

抵抗体１２をなんらかの方法で加熱する。第４図（１）
に示すように、左側の絶縁基板１０のエツジの位置をχ
＝０として、熱伝導基本式を表すと、（＋）式となる。

λ：熱伝導率ｑｏ：発生熱流束このこの（１）式を解くと、χ軸上における抵抗体１２
の温度Ｔは次式で表される。

この（１）′式を図で示したのが第４図（１１）である
。

抵抗体１２における最大温度Ｔ１は、 χ−（Ｌ／２）としてＴｍ−Ｔｏ＋（Ｑｏ／８λ）１２　　　　　　　　（２
）一方、抵抗体１２の全発熱ｆｆｔＱは次式で表される
。

Ｑ−Ｑｏ　・Ｓ　−Ｌ　　　　　　　　　　　　　　（
３）（Ｓ−ａ−ｂ）（３）式を（２）式に代入してＴｍ　−Ｔｏ　＋　（Ｌ／８λＳ　）　Ｑ　　　　　　
　　（４）以上のように、温度Ｔｏの基板１０．１１の
間を発熱する抵抗体１２で橋渡しした時には（１）〜（
４）式が成立つ。

第５図は第１図、第２図の一部（Ｐ　１〜１２点）即ち
、抵抗体２の１つの頂点部からもう一方の頂点部までを
抜出して示した図である。もつとも、第１図においては
、抵抗体２と支持部３とは、第６図のようになるが、こ
の第６図であっても、矩形に曲がった抵抗体２を直線で
表せば、等価的に第５図と見ることができる。

第５図において、１は第１図、第２図の絶縁基板であり
、空間部の距離は（Ｌｏ　＋２Ｌ＋　）である。２は抵
抗体であり、その長さはＬｏｔ断面積はＳｏである。３
は支持部であり、絶縁基板１までの長さＬｓと絶縁基板
１に接着する部分“Δ”を有する。また、その断面積は
Ｓｌである。　ここで第５図の図中に示すように、空間
部４に接する絶縁基板１のエツジの温度をＴｌ＋支持部
３へ移行する抵抗体２の温度をＴｏｏ最大温度をＴ１と
する。また、抵抗体２の一方のエツジを原点として、第
５図（１）の方向へχ軸とχ′軸をとる。

抵抗体２に関しては次式が成立する。

ＴｍＴｏ　＋　（Ｑｏ　／　２　Ａ　）χ（Ｌｏ−χ）
（５）Ｔ１１１　　＝Ｔｏ　　＋　（Ｑ６　　／８　　
λ　）Ｌｏ　　コ　　　　　　　　　　　（６）Ｑ＝ｑ
ｏ　＃　Ｓｏ　−Ｌｏ　　　　　　　　　　　（７）（
Ｑは抵抗体２の総発熱量）また、支持ａｌ１３に関しては次式が成立する。

ＴｍＴｏ　＋　（１／Ｌ＋　＞（Ｔ＋　−Ｔｏ　）χ′
（８）Ｑ　　′　−（Ｓ＋　　／Ｌ＋　　）　　λ　（
Ｔｏ　　　　Ｔ＋＞　　　　　　　（９）（Ｑ−は支持
部３への総熱流ｍ）抵抗体２で発生した総発熱ＪＩＱが総べて、支持部３へ
の総熱流ＪＩＱ”となって逃げるとすると、Ｔｏ　　Ｔ
１−　（Ｑｏ　Ｓｏ　Ｌｏ　Ｌ＋　）／２Ｓ＋λ・・・
００抵抗体２の温度分布（Ｔｔ　　Ｔｏ）と抵抗体２と絶縁
基板１とのｍ度差（Ｔｏ　　Ｔ＋）の比は（６）式と０
０式を用いて次式で得られる。

第５図（１１）は、左側の絶縁基板１のエツジを原点と
してこの位置からの温度勾配を描いた図である。

抵抗体２を何らかの手段で加熱する。（１１）図におい
て、支持部３は温度Ｔ、を起点として位置０→Ｌ＋まで
は、（８）式に従って直線的に温度が上昇し、抵抗体２
へ移る位置し１においては、温度Ｔ０となる。

位置Ｌ＋〜（Ｌ＋　＋Ｌｏ　）は抵抗体２におけるｍ度
であり、この部分は（５）式に従って、２次曲線で変化
する。抵抗体２の中央位置で、最大温度Ｔ電となる。

位Ｉｔ　（Ｌ　＋　＋　Ｌ　ｏ　）　〜（２Ｌ　＋　十
Ｌ　ｏ　）は、再び支持部３の温度であり、位置０　”
　Ｌ　Ｌと逆の勾配となる。

ここで抵抗体２の温度をより均一にするには、（Ｔｔ　
　Ｔｏ）の値を小さくすれば良い。従って、（１１）式
より（Ｌｏ　／Ｓｏ　）／　（Ｌ＋　／ＳＩ）を選択す
ることになる。（Ｔｍ−丁。）の許容値及び絶縁基板１
の温度Ｔ１の許容温度により異なるが、一般的には（Ｌ
ｏ　／Ｓｏ　）＜　（Ｌ＋　／Ｓｔ　＞とすることによ
りＳＳ抵抗体の温度分布（Ｔｔ　　Ｔｏ）を小さくする
ことができるので、均一な温度にして熱処理を行なうこ
とができる。

熱処理を行なうには、電極５．６を介して抵抗体２へ電
流を流す手段、又はレーザ光を抵抗体２のみ照射にする
手段等がある。

なお、薄膜抵抗体２の抵抗値は次式で表されるため、所
望の抵抗値ＲＯとなるようにパターン寸法を決定するこ
とができる。

Ｒｏ＝ρ・（ｉＦ／ａｂ）　　　　［Ω］ρ：固有抵抗Ｉｌ＝抵抗体のパターンの全長（第１図では／＝ｎ−Ｌｏであるンａ：抵抗体の厚さｂ＝抵抗体の幅次に第１図及び第２図の様に製造する工程例を第３図に
示す。第３図は第１図のＢ−Ｂ　′における断面に相当
する図である。

第３図〈イ）において、絶縁基板１の両側に基板エツヂ
フグ時のマスク３１を設ける。更に一方の基板エツチン
グマスク３１の上にＮ躾３２を例えばスパッタや蒸着で
設ける。

次に、薄＠３２の上にレジストパターン３３を設けると
（ロ）となる。このレジストパターン３３が抵抗体２と
なる。

次に、′ａ膜エツヂングを行なうと（ハ）となる。

次に、レジスト３３の除去を行なうと（ニ）となる。

次に、絶縁基板１を異方性エツチングすると（ホ）とな
る。

次に、基板エツチング時のマスク３１をエツチングする
と（へンとなり、第１図の様な形状の簿膜温度センサが
できる。

なお、薄膜として白金を用いた場合は第３図の工程では
なく所謂リフトオフ法が用いられる。白金はエツチング
が不可能だからである。このリフトオフ法も、公知であ
るためその製造工程の説明は省略する。

また、以上では抵抗体をスパッタや蒸着で設けると説明
したが不純物拡散により形成しても良い。

（本発明の効果）以上述べたように、本発明によれば抵抗体２を支持部３
にて絶縁基板１の空間部４に吊るように構成している。

しかも、支持部３を長＜　（Ｌ＋　）、厚み（ａ）を簿
（、幅（ｂ）を狭く構成しているため、抵抗体２は絶縁
基板１の温度の影響を受けない。従って次の効果が得ら
れる。

■　薄膜抵抗体パターンを均一な温度で熱処理できるた
め、ＴＣＲ値等を所定の目標値にすることができるので
、ＩＰＴＳ、ＪＩＳ等の測温抵抗体と互換性のあるＳ膜
温度センサを制作できる。

■　高温の熱処理をしても、抵抗体２が絶縁基板１から
剥Ｉｗｌすることがない。

■　絶縁基板の影響を受けないため、薄膜抵抗体自身の
特性が得られる。

■　絶縁基板の熱容量に関係せず、速い熱応答が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図と第２図は本発明に係る簿膜温度センサの一実施
例を示した図、第３図は第１図及び第２図の製造工程の
例を示した図、第４図と第５図は本発明の詳細な説明す
るための図、第６図は第１図の要部を拡大して示した図
、第７図は先願の構成を示した図である。１・・・絶縁基板、２・・・抵抗体、３・・・支持部、
４・・・空間部。丁へ代理人　　弁理士　　　小　沢　信　助１　．；′げ・
′ 第１図第２図第４図第５図 □イ立、Ｌ

Claims

【特許請求の範囲】

（１）空間部を有した絶縁基板と、この絶縁基板の空間部に配置され、断面積がＳ＿０であ
る波状パターンの薄膜抵抗体と、この抵抗体のパターン
の頂点部から頂点部までの長さＬ＿０の所に絶縁基板ま
での長さＬ＿１、断面積Ｓ＿１の突起である支持部とを
有し、この支持部を介して絶縁基板に固定された測温抵
抗体と、を備え、（Ｌ＿０／Ｓ＿０）＜（Ｌ＿１／Ｓ＿１）とな
るようにした薄膜温度センサ。
（２）前記波状パターンとして矩形波状であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜温度センサ。
（３）前記波状パターンとして正弦波状であることを特
徴とする特許請求の範囲第１項記載の薄膜温度センサ。
（４）前記測温抵抗体に電流を流すことにより熱処理し
た特許請求の範囲第１項記載の薄膜温度センサ。