(57)【要約】【課題】ガスフロー、ガス濃度、気圧、放射などの物理量を計測するための温度差センサの測定点の出力をハードウエア的な回路構成だけで構成できる絶対温度出力センサを提供する。【解決手段】熱電対などの温度差センサ２０とダイオードや測温抵抗体などの絶対温度センサ３０とは、所定の使用温度域において、特定の温度領域では、それぞれ温度係数がほぼ一定であることを利用する。温度差センサ２０と絶対温度センサ３０とを組み合わせ、これらのセンサの出力電圧を必要に応じて増幅し、それらの温度係数が所望の温度域で同一になるように調整手段２００で調節し、その後、それらの出力を加算手段３００で加算処理して、その出力が、温度差センサ２０の測定点の絶対温度に比例した出力になるようにした絶対温度出力センサを提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
温度差センサ（２０）と、その基準点の温度と同一の温度になるように設置した絶対温度センサ（３０）とを用いて、温度差センサ（２０）の測定点の温度を絶対温度に変換する絶対温度出力センサにおいて、該温度差センサ（２０）からの出力Ｖｏｔと該絶対温度センサ（３０）からの出力Ｖｏａとの温度係数の大きさが、少なくとも測定点の所望の温度域において同一になるように調整する調整手段（２００）と、前記出力Ｖｏｔと出力Ｖｏａとを加算する加算手段（３００）とを備え、該加算手段（３００）の出力から前記測定点の絶対温度を求めるようにしたことを特徴とする絶対温度出力センサ。
【請求項２】
絶対温度センサ（３０）をダイオードとした請求項１記載の絶対温度出力センサ。
【請求項３】
絶対温度センサ（３０）を測温抵抗体とした請求項１記載の絶対温度出力センサ。
【請求項４】
絶対温度センサ（３０）に所定の一定電流を流した時の絶対温度センサ（３０）の両端の電圧から前記出力Ｖｏａを出力するように構成した請求項１から３のいずれかに記載の絶対温度出力センサ。
【請求項５】
温度差センサ（２０）と絶対温度センサ（３０）が同一の基板（１）に形成されてある請求項１から４のいずれかに記載の絶対温度出力センサ。
【請求項６】
基板（１）として単結晶シリコンとした請求項１から５のいずれかに記載の絶対温度出力センサ。
【請求項７】
温度差センサ（２０）の一方の熱電材料が基板（１）の材料である請求項１から６のいずれかに記載の絶対温度出力センサ。
【請求項８】
温度差センサ（２０）が基板（１）から空洞を介して熱分離されている薄膜（１０）に形成してある請求項１から７のいずれかに記載の絶対温度出力センサ。
【請求項９】
加算手段（３００）として、演算増幅器を用いた１から８のいずれかに記載の絶対温度出力センサ。
【請求項１０】
薄膜（１０）に、ヒータ（２５）も形成した請求項１から９のいずれかに記載の絶対温度出力センサ。
【請求項１１】
所定のサイクルで薄膜（１０）を加熱と冷却を繰り返すようにヒータ（２５）に周期的な加熱用電圧を印加するようにした請求項１から１０のいずれかに記載の絶対温度出力センサ。
【請求項１２】
温度差センサ（２０）をヒータ（２５）として兼用できるようにした請求項１０もしくは１１に記載の絶対温度出力センサ。
【請求項１３】
薄膜（１０）の熱時定数の１０分の１以下の短い加熱停止時間Δｔだけ加熱サイクル中のヒータ（２５）の加熱を停止し、この加熱停止時間Δｔ中に薄膜（１０）の温度を温度差センサ（２０）で計測するか、もしくは加熱サイクル終了直後の前記加熱停止時間Δｔ内に薄膜（１０）の温度を温度差センサ（２０）で計測するかして、前記出力Ｖｏｔを求めるようにして、前記薄膜（１０）の加熱中の測定点の絶対温度を推定するようにした請求項１２に記載の絶対温度出力センサ。
【請求項１４】
ヒータ（２５）を所定の矩形波状の一定電力でジュール加熱し、該ジュール加熱中の温度上昇に基づく温度差センサ（２０）からの出力電圧を微分してその傾きを求める微分手段と、該微分手段後の出力を積分する積分手段を備え、該積分手段の出力を利用して測定点の絶対温度を推定するようにした請求項１２記載の絶対温度出力センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度センサに関し、熱電対やサーモパイルである温度差センサと、ダイオードや測温抵抗体などの絶対温度センサとを組み合わせ、絶対温度センサの出力で、温度差センサの基準点の絶対温度の温度（基準温度）を補正し、温度差センサの測定点を絶対温度表示できるようにした絶対温度出力センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、温度差センサである熱電対やそれを多数直列接続して感度を上げたサーモパイルを用い、更に、白金（Ｐｔ）などの測温抵抗体やダイオードなどの絶対温度センサを用いて、その室温である基準点の絶対温度を計測して室温補正するようにしていた。これは、周囲環境温度である室温を基準としてガスフロー、ガス濃度、絶対湿度、放射温度などの物理量を計測する熱型センサを絶対温度センサだけで構成しようとした場合、２個の絶対温度センサ、例えば、測温抵抗体、を必要とし、一方は室温を計測し、もう一方は、被検出物理量により変化した絶対温度を計測して、これらの差を求める形にならざるを得ないからである。これらの２個の絶対温度センサは、その温度係数と抵抗値とがそれぞれ等しくないので、室温の大きな変動に対して、どうしても高精度にそれらの温度係数と抵抗値とを同時に等しくすることができなかった。このために、先ずは、室温の絶対温度を絶対温度センサで計測し、そこからの被検出物理量により変化した温度分のみしか出力しない温度差センサを使用して、それぞれの温度を計測した方が、誤差が少なく、高精度に被検出物理量が計測できるからある。そして、そこでは、被検出物理量に晒される温度差センサの測定点の絶対温度の計測において、それらの出力を温度又は温度に換算する出力に直してから加算して求めるようにしていた。
【０００３】
また、従来、温度差センサの基準点での基準温度と同一温度の個所に白金抵抗測温体、ｐｎ接合ダイオード、トランジスタ、サーミスタなどの絶対温度センサを形成もしくは設置し、絶対温度センサの基準温度の信号出力をデジタル変換し、温度差センサの標準温度と測定点との間の温度差出力もデジタル変換し、基準点のゼロ点補正と予め用意したデータを基に直線化処理を施すなどして、演算処理装置ＭＰＵ(microprocessor Unit)を介したソフトウエア上で、各温度特性のメモリデータを利用して、温度差センサの測定点の絶対温度を求めるようにしていた（特許文献１）。また、各熱電対出力と絶対温度センサ出力のそれぞれの増幅後のデジタル変換と、メモリに内蔵した０℃を基準にした熱電対の温度―熱起電力の基準特性を利用して測定点の絶対温度を、ＭＰＵを介して算出するようにしていた（特許文献２）。そのためには、メモリ機能を内蔵したＭＰＵや直線化補正処理回路を設けるなどが必要であり、高価な絶対温度センサにならざるを得なかった。
【０００４】
本出願人は、半導体基板から空洞を介して熱分離した薄膜に、ヒータと熱電対を形成して、この薄膜をヒータで加熱し、熱電対でこの薄膜の温度を計測できるようにした熱伝導型センサを発明した（特許文献３）。温度計測に温度差センサである熱電対を用いると、基準点のある基板からの温度差のみしか出力しないこと、所定電力で加熱すると、周囲温度（室温）に依らず基準点での室温から温度上昇し、加熱を止めると、やがて温度上昇分はゼロ、すなわち室温に戻り、出力がゼロになるという性質があり、高精度計測であるゼロ位法が適用しやすいためである。また、周囲媒体の気圧、流れ、ガス濃度などの物理量により等価的にその媒体の熱伝導率が変化するので、ヒータ加熱した薄膜からの放熱量がこれらの物理量により変化することを利用したセンサが熱伝導型センサである。ヒータ加熱中や冷却過程で、薄膜からの熱の奪われ方が変化することを利用したこのような熱伝導型センサでは、ゼロ位法が適用できる温度差センサが好適である。そこでは、熱電対の基準点が形成してある基板にダイオード等の絶対温度センサも形成してあり、この基準点の絶対温度（基準温度）をダイオードで計測し、この基準点と測定点の温度差を熱電対で計測するものであった。一般に必ずしも測定点の絶対温度を知る必要があるとは限らないが、気体の熱伝導率に関係する物理量計測の場合は、気体の熱伝導率が絶対温度に依存するので、絶対温度を知る必要がある。基板の温度である基準点の絶対温度と、ここを基準とした測定点の温度差を上述のようにソフトウエア上で合計することもできるが、基準点の絶対温度の出力と、基準点と測定点との温度差に基づく電気的な出力とを、同一の温度係数に直してそのまま加算する、所謂、ハード的にも測定点の絶対温度を求めることができる仕方は、直接的で回路だけで済み高速であるので、単純で安価にできるという利点があり、小型で安価なセンサとして、可能な限りハード的な回路を用いて、測定点の絶対温度を簡単に求めることができる絶対温度出力センサが求められていた。
【０００５】
本出願人は、更に、熱電対を温度差センサ兼ヒータとして使用することを発明した（特許文献４）。１個の薄膜熱電対を温度差センサとヒータとの兼用として用いると、極めて構造が簡単になり、製造工程も簡略化でき、歩留まりの良いセンサチップを形成しやすいという利点と、小型化しやすいので、大量生産化できるので安価なセンサチップができるという利点の他に、薄膜熱電対は、温度差センサであるから、上述のように、室温からヒータ加熱した薄膜は、ヒータ停止後、必ず室温に戻るので、室温との温度差を計測すると高精度な計測技術であるゼロ位法が適用できるという大きな利点がある。しかしながら、ヒータとして熱電対を動作させたときには、温度センサとしての動作を停止させて、ヒータとしての加熱を停止した時から温度センサ（温度差センサ）としての動作をさせる必要がある。すなわち、ヒータ機能と温度センサ機能とは、同時に動作させることは極めて困難なものである。従って、加熱中の薄膜の温度を計測するには、時分割動作をさせるなどの工夫が必要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第１６１０５２９号
【特許文献２】特許第４２１２９５２号
【特許文献３】特許第４９９５６１７号
【特許文献４】特許第５０７６２３５号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述の問題点を解消するためになされたもので、熱電対やサーモパイルの温度差センサは、その基準点と測定点との温度差に基づく電圧のみ出力するので、この温度差出力と、基準点（基準点として、温接点でも良いが、本明細書では冷接点を基準点として統一し表現している）の絶対温度に係る電圧出力を取り出し、同一の温度係数になるように調整した後、少なくとも回路上でこれらの電圧出力を合計することができるやり方で、温度差センサの測定点の絶対温度を、簡単に求めるようにした絶対温度出力センサを提供することを目的としている。これは、例えば、一定電流を流した時のダイオードの順電圧（順方向電圧）や測温抵抗体の電圧降下は、絶対温度にほぼ直線的に変化すること、そして、温度差センサの出力も０℃から数百℃までの広範な温度領域でほぼ直線的に温度差に比例して電圧出力が得られることを利用するもので、従って、これらの組み合わせも、ほとんど、リニアライズ（直線化処理）なしで済むことに由来する絶対温度出力センサの提供である。もちろん、例えば、増幅回路の帰還抵抗に、非直線抵抗素子を挿入して多少の直線性の補償を行うことも含むものである。特に、半導体ＳＯＩ基板に、空洞を介して熱分離形成したカンチレバ状などの温度係数が大きい半導体熱電対やサーモパイルなどの半導体温度差センサと、基板に容易に形成できるｐｎ接合ダイオードなどのダイオードや測温抵抗体を絶対温度センサとして用い、これらを組み合わせることで、温度差センサの測定点における絶対温度を求めるようにする、すなわち、絶対温度センサを用いて、回路的に温度差センサの室温補正を自動的にさせて、測定温度精度には欠けるが、大まかな温度差センサの測定点における絶対温度を自動的に知るようにしたものである。そして、この測定点の絶対温度の出力を利用して、設定した所望の薄膜温度に到達した時に、ヒータ電圧の印加を停止させるなどの動作にも利用できるようにすることが主眼である。
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる絶対温度出力センサは、温度差センサ２０と、その基準点の温度と同一の温度になるように設置した絶対温度センサ３０とを用いて、温度差センサ２０の測定点の温度を絶対温度に変換する絶対温度出力センサにおいて、該温度差センサ２０からの出力Ｖｏｔと該絶対温度センサ３０からの出力Ｖｏａとの温度係数の大きさが、少なくとも測定点の所望の温度域において同一になるように調整する調整手段２００と、前記出力Ｖｏｔと出力Ｖｏａとを加算する加算手段３００とを備え、該加算手段３００の出力から前記測定点の絶対温度を求めるようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】
温度差センサ２０の基準点の基準温度と同一の温度になるようにしている絶対温度センサ３０とは、基板に温度差センサ２０を形成しているときには、この基板に金属などの高い熱伝導率を持つ材料を介して市販のｐｎ接合ダイオードなどの絶対温度センサ３０を基板に形成した温度差センサ２０の基準点付近に充分良い熱コンタクトをさせて備えておいても良いし、直接、絶対温度センサ３０を基準点付近に形成させても良い。絶対温度センサ３０としてダイオードやトランジスタのような半導体デバイスの場合、基板が半導体基板でも良いし、半導体でない基板でも、その上に半導体層を密着形成しておき、その中にダイオード等を形成しておいても良い。もちろん、白金（Ｐｔ）抵抗体などの測温抵抗体の場合は、アルミナ基板などの半導体でない基板の上に、直接、白金膜をスパッタリングなどで形成し、フォトリソグラフィなどでパターン形成すると良い。
【００１０】
絶対温度センサ３０としてダイオードを使用するには、ダイオードに一定の順電流、例えば、１ミリアンペア（ｍＡ）を流しておくと、その時の順電圧の大きさがダイオードの接合温度（絶対温度）に対して、直線的に変化することが知られている。この場合、この接合温度が大きくなると直線的に順電圧が小さくなり、その温度係数がダイオードやその順電流値によっても異なるが、シリコンのｐｎ接合ダイオードでは、-2.0から-2.5ｍＶ／Ｋ程度の大きさであることが知られている。一方、シリコンのゼーベック係数である熱起電力の温度係数は、ｎ型の場合で抵抗率が、0.01Ωｃｍでは、測定点の温度を高くすると、測定点には、基準点に対して正の熱起電力が現れ、温度依存性もあるが、ほぼ、０.７ｍＶ/Ｋであり、ダイオードの順電圧の温度係数より小さいことが知られている。このｎ型シリコンと金属との熱電対では、金属のゼーベック係数は、ｎ型シリコンに比べて、無視できるほど小さいので、この熱電対の温度係数は、ほぼｎ型シリコンのゼーベック係数と考えて良い。このようにダイオードを絶対温度センサ３０として用いた場合、絶対温度センサ３０からの生の出力電圧（直接の出力電圧と呼ぶことにする）を調整手段２００としての調整手段２００ａを用いて、増幅して出力Ｖｏａを得るようにする。また、温度差センサ２０からの直接の出力電圧をその調整手段２００としての調整手段２００ｔを用いて、増幅して出力Ｖｏｔを得るようにする。そして、これらの所望の温度域、例えば、200℃から250℃において、これらの温度係数（例えば、その単位は（Ｖ／Ｋ）となる）がほぼ一致するようにするものである。このようにすると出力Ｖｏａと出力Ｖｏｔとは、同一の温度係数の出力であるから、これらの加算手段３００を用いてそのまま加算するだけで、絶対温度に比例した出力が得られる。調整手段２００における増幅には、演算増幅器（ＯＰアンプ）が好適である。なお、上述での増幅の意味は、増幅率が１以上ばかりで無く、１以下の減衰をも含むものとする。もちろん、増幅率が１の場合は、演算増幅器自体を設けない状態、例えば、直接配線で接続しても良いし、また、演算増幅器を用いて、単に、インピーダンス変換をさせるようにすることもできる。
【００１１】
上述では、調整手段２００として、絶対温度センサ３０用の調整手段２００ａと温度差センサ２０用の調整手段２００ｔとの両方を用いた場合であったが、調整手段２００として、絶対温度センサ３０と温度差センサ２０とで、温度係数が大きい方用の調整手段２００ａもしくは調整手段２００ｔを用いないで、大きい方の温度センサの直接の出力電圧を出力Ｖｏａもしくは出力Ｖｏｔとして利用するようにしても良い。例えば、絶対温度センサ３０からの直接の出力電圧と温度差センサ２０からの直接の出力電圧とのうち、絶対温度センサ３０からの直接の出力電圧が大きい場合には、小さい方の温度差センサの直接の出力電圧をその調整手段２００ｔを用いて増幅（ここでは、増幅率が1以上）し、大きい方の絶対温度センサ３０の直接の出力電圧Ｖｏａの温度係数に合わせるようにしても良い。この場合、大きい方の絶対温度センサ３０用の調整手段２００ａは、必ずしも必要ではなく、小さい方の温度差センサ用の調整手段２００ｔのみを用いることで良い。
【００１２】
絶対温度センサ３０として白金（Ｐｔ）などの測温抵抗体を使用する場合は、その抵抗温度係数が約３．９ｘ１０−３/Kであるが、その調整手段２００ａを用いて増幅して出力Ｖｏａを得るようにしたときの温度係数（Ｖ／Ｋ）は、測温抵抗体に流す電流により異なる。従って、絶対温度センサ３０としての測温抵抗体に適当な駆動電流を流し、その両端の電圧を必要に応じて増幅し、温度差センサ２０からの出力Ｖｏｔの温度係数と所望の温度域において一致するように調整すると良い。温度差センサ２０として熱電対を用いた場合は、その基準点と測定点との間の温度差に基づく熱起電力（ゼーベック電圧）が小さく、従って、その熱起電力のゼーベック係数自体が小さい温度差センサなので、それ自体の温度係数が小さいものである。しかし、これを増幅することにより実効的な温度係数を大きくさせるような電圧出力Ｖｏｔとさせると共に、熱起電力を反映した出力電圧の温度係数の大きさを調整することができる。熱電対のゼーベック係数には、温度係数の温度依存性が多少あり、所望の温度域（例えば、２００℃から２５０℃）における平均的なゼーベック係数（温度係数に対応）を選択するなどして、熱電対の増幅器による増幅率を決めると良い。
【００１３】
調整手段２００ｔ、２００ａとして、上述のように、増幅率が1以上の出力を増大させる増幅器もあるが、逆に、増幅率が1以下の増幅器も含まれ、さらに、絶対温度センサ３０の出力電圧Ｖｏａの温度係数が大きい場合は、熱電対２０のゼーベック係数に基づく直接の出力電圧を増幅して、出力Ｖｏａの温度係数とが等しくなるような出力Ｖｏｔを得るのではなく、大きな出力Ｖｏａを、例えば、抵抗分割などにより、小さな温度係数の出力Ｖｏａを得るように出力電圧を実効的に小さくして、熱電対２０の出力Ｖｏｔの温度係数と等しくさせるようにすることもできる。
【００１４】
また、温度差センサ２０としての熱電対を複数本直列接続したサーモパイルは、その熱起電力は、その分大きくなり、ダイオードや測温抵抗体である絶対温度センサ３０の増幅前の生の温度係数、すなわち、直接の温度係数、を上回ることが多い。この場合は、所定の電流を流しているダイオードや測温抵抗体である絶対温度センサ３０の方の直接の出力を、調整手段２００ａを介して増幅して出力電圧Ｖｏａを得て、その実効的な温度係数を、サーモパイルの熱起電力の温度係数に等しくさせることもできる。
【００１５】
本発明の請求項２に係わる絶対温度出力センサは、絶対温度センサ３０をダイオードとした場合である。
【００１６】
ダイオードとしては、半導体のｐｎ接合ダイオードやショットキ接合ダイオードなどがある。また、トランジスタのエミッタとベース間のダイオードを利用しても良く、このとき、コレクタとベースを短絡して用いると効果的である。ダイオードに所定の一定電流を流すと、その時のダイオードの順電圧であるそのダイオードでの電圧降下がそのダイオードの温度（正確には、そのｐｎ接合などの接合温度）の絶対温度の変化と共に直線的に変化することが知られており、サーモダイオードの原理になっている。
【００１７】
本発明の請求項３に係わる絶対温度出力センサは、絶対温度センサ３０を測温抵抗体とした場合である。
【００１８】
測温抵抗体として、サーミスタや白金（Ｐｔ）抵抗体がある。白金（Ｐｔ）抵抗体は、スパッタリング形成とフォトリソグラフィで容易に形成することができると共に、温度に対する抵抗変化の直線性が良く安定であるので、好適である。
【００１９】
本発明の請求項４に係わる絶対温度出力センサは、絶対温度センサ３０に所定の一定電流を流した時の絶対温度センサ３０の両端の電圧から前記出力Ｖｏａを出力するように構成した場合である。
【００２０】
絶対温度センサ３０として、ダイオードや測温抵抗体に所定の一定電流を流した時、その両端の電圧は、絶対温度センサ３０の内部抵抗に比例するが、この両端の電圧である直接の出力電圧を、必要に応じて調整手段２００ａを介して増幅して、出力Ｖｏａを得るものである。絶対温度センサ３０の内部抵抗が、温度依存性を有しているので、絶対温度センサ３０からの出力Ｖｏａの温度係数が、温度差センサ２０からの出力Ｖｏｔの温度係数と、所望の温度域で同一になるように調整して、加算手段３００を介して温度差センサ２０の測定点の絶対温度が求められるように調整するものである。
【００２１】
本発明の請求項５に係わる絶対温度出力センサは、温度差センサ２０と絶対温度センサ３０が同一の基板１に形成されてある場合である。
【００２２】
温度差センサ２０の基準点とダイオードなどの絶対温度センサ３０とは、同一の環境温度にしておく必要があるので、少なくとも温度差センサ２０の基準点と絶対温度センサ３０とが熱伝導性の良い同一の基板１、例えば、シリコンなどの半導体基板に形成しておくことが望ましく、更に、互いに近接して設置することが望ましい。
【００２３】
本発明の請求項６に係わる絶対温度出力センサは、基板１として単結晶シリコンとした場合である。
【００２４】
本発明の絶対温度出力センサは、実用上、熱型センサであるガス濃度センサ（絶対湿度や水素ガスなどを含む）、真空センサ（気圧センサ）、放射温度計などに応用され、熱電対もダイオードも半導体、特に集積回路が作りやすいシリコンの単結晶基板に作り込むことが好適である。従って、これを見越して、例えば、絶対温度出力センサのセンシング部である温度差センサやヒータ及びダイオードを同一の単結晶シリコンの基板に形成することが望ましい。単結晶シリコンの基板であれば、これらの信号処理をする集積回路（ＩＣ）もこの基板に搭載することもできる。
【００２５】
本発明の請求項７に係わる絶対温度出力センサは、温度差センサ２０の一方の熱電材料が基板１の材料である場合である。
【００２６】
温度差センサ２０やヒータ２５は、小さな消費電力で高速に、大きな温度変化が欲しい場合が多いので、空洞を介して基板１の一部の材料であるが、基板１から熱分離してある薄膜であるカンチレバなどに形成しておくことが製作上望ましい。このためには、例えば、基板１としてＳＯＩ基板を用いて、このＳＯＩ層の一部を、空洞を介してカンチレバ状の薄膜１０にして、そこに温度差センサやヒータを形成すると良い。もちろん、温度差センサ２０をヒータとしても兼用にすることもできる。また、ダイオードなどの絶対温度センサ３０は、基板１のうち、温度差センサ２０の基準点付近に形成し、たとえ、カンチレバ状の薄膜１０の加熱により、基板１の基準点付近の温度が上昇してしまっても、この基板１のこの付近の温度を基準温度として捉えて、この温度の絶対温度に直線的に関係する出力が出るようにして室温補正をすると良い。
【００２７】
本発明の請求項８に係わる絶対温度出力センサは、温度差センサ２０が基板１から空洞を介して熱分離されている薄膜１０に形成してある場合である。
【００２８】
上述のように、熱型センサへの応用では、温度差センサ２０やヒータ２５は、小さな消費電力で高速に、しかも大きな温度変化が望ましいので、空洞を介して基板１から熱分離してある薄膜１０であるカンチレバや架橋構造、更にはダイアフラム状に形成しておくと良い。
【００２９】
本発明の請求項９に係わる絶対温度出力センサは、加算手段３００として、演算増幅器を用いた場合である。
【００３０】
出力Ｖｏｔと出力Ｖｏａとを加算する加算手段３００として、それぞれメモリに入力し、これらをソフトウエア上で加算しても良いが、ここでは、特に、ハードウエア的な加算手段として便利な演算増幅器を用いた場合である。
【００３１】
本発明の請求項１０に係わる絶対温度出力センサは、薄膜１０に、ヒータ２５も形成した場合である。
【００３２】
熱型赤外線センサや熱型放射温度計の受光部の絶対温度を計測する場合は、熱源は、ターゲットからの輻射熱であるが、フローセンサ、ガス濃度センサや絶対湿度センサなどの熱伝導型センサとして使用するときには、薄膜１０を、そこに形成してあるヒータ２５で加熱する方がコンパクトで容易である。もちろん、その温度上昇分の計測は、同様に薄膜１０に形成してある熱電対やサーモパイルなどの温度差センサ２０で計測することになる。
【００３３】
本発明の請求項１１に係わる絶対温度出力センサは、所定のサイクルで薄膜１０を加熱と冷却を繰り返すようにヒータ２５に周期的な加熱用電圧を印加するようにした場合である。
【００３４】
シリコン基板に設けたカンチレバ状の薄膜１０は、その熱時定数が、例えば、１０ミリ秒（msec）程度で短くできるので、ヒータ２５への周期的な加熱用電圧である、例えば、矩形波電圧入力により、ヒータ２５が形成してある薄膜１０を加熱と冷却とを１秒間に何回も繰り返すことができる。もちろん、このようにして、この薄膜１０の周りの気体や液体なども周期的に加熱させることもできる。例えば、１秒間に１０回以上も加熱と冷却とを繰り返して、その都度の温度に関するデータを取得して、コンデンサなどで平均化させることにより、Ｓ／Ｎが大きい出力を得ることもできる。
【００３５】
本発明の請求項１２に係わる絶対温度出力センサは、温度差センサ２０をヒータ２５として兼用できるようにした場合である。
【００３６】
熱電対などの温度差センサ２０も抵抗体であるので、電流を流すことによりヒータ２５としても兼用できることになり、別にヒータ２５を用意する必要がないからコンパクトな絶対温度出力センサとなる。しかし、上述したように、ヒータ作用をさせるときには、温度差センサとしての作用は、特別の場合を除き、中止せざるを得ない。温度差センサが搭載されている薄膜１０は、熱容量があり、熱時定数を有するので、これに比べて極めて短時間のヒータ加熱中止時間を設け、その期間中に、薄膜１０の温度を計測するようにすることもできる。
【００３７】
本発明の請求項１３に係わる絶対温度出力センサは、薄膜１０の熱時定数の１０分の１以下の短い加熱停止時間Δｔだけ加熱サイクル中のヒータ２５の加熱を停止し、この加熱停止時間Δｔ中に薄膜１０の温度を温度差センサ２０で計測するか、もしくは加熱サイクル終了直後の前記加熱停止時間Δｔ内に薄膜１０の温度を温度差センサ２０で計測するかして、前記出力Ｖｏｔを求めるようにして、前記薄膜１０の加熱中の測定点の絶対温度を推定するようにした場合である。
【００３８】
温度差センサ２０とヒータ２５とを別に設けた場合は、必ずしもヒータ２５の加熱を停止して、その時間に温度差センサ２０で温度を計測する必要はないが、ヒータ加熱中は、加熱電力供給中なので雑音が多く、Ｓ／Ｎ向上のためにヒータ２５の加熱を停止して温度計測しても良い。ただ、温度差センサ２０をヒータ２５としても兼用にするには、ヒータ２５の加熱を停止して、その停止時間内に温度差センサ２０で温度を計測することが望ましい。温度差センサ２０が搭載されている薄膜の熱容量が、例えば、２０ミリ秒であったとき、例えば、加熱停止時間Δｔとして１０マイクロ秒（μsec）だけ、ヒータ加熱を停止し、この停止期間中に温度差センサ２０で薄膜１０の温度を計測するようにして、これをヒータ加熱サイクル期間、例えば、１００ミリ秒（ｍsec）のヒータ加熱サイクル期間中に連続して１ミリ秒毎に繰り返し温度計測すれば、薄膜１０の温度の立ち上がり状況や温度上昇が停止し飽和状態になって行く温度上昇の様子を誤差が少なく計測することもできる。また、単に、薄膜１０の温度上昇が飽和状態になった最終値を知りたい場合は、ヒータ加熱サイクル期間の終了のヒータ入力印加電圧の信号を利用して、ヒータ加熱サイクル期間の終了直後の短いΔｔ＝１０マイクロ秒の間に薄膜の温度を温度差センサ２０で計測することにより、実効的に冷却効果が現れない状態でのほぼ加熱終了時の薄膜１０の温度を計測することができる。このような短いヒータ加熱停止期間での温度計測は、サンプリングホールド回路と組み合わせて行うと便利である。
【００３９】
本発明の請求項１４に係わる絶対温度出力センサは、ヒータ２５を矩形波状の所定の一定電力でジュール加熱し、該ジュール加熱中の温度上昇に基づく温度差センサ２０からの出力電圧を微分してその傾きを求める微分手段と、該微分手段後の出力を積分する積分手段を備え、該積分手段の出力を利用して測定点の絶対温度を推定するようにした場合である。
【００４０】
所定の一定電力は、ヒータ２５の抵抗温度係数がほぼゼロで、無視できるようであれば、一定電流駆動や一定電圧駆動と同等になる。一般に、薄膜１０を２００℃に昇温させるには、ヒータ２５に３Ｖ程度の印加電圧が必要であるが、温度差センサ２０である熱電対（低抵抗半導体と金属から構成される）の出力電圧は、実験によると高々２８ｍＶ程度である。すなわち、印加電圧の１００分の１程度である。ヒータ２５の抵抗温度係数が無視できる場合、所定の一定電力でのヒータ２５駆動は、所定の一定電圧でのヒータ２５駆動に相当し、矩形波形のヒータ２５駆動電圧でヒータ加熱することになる。このように、一定の電圧とは、直流成分であり、これを微分するとゼロの出力になるはずであり、これに対して、ヒータ加熱による薄膜の温度上昇分に基づく温度差センサ３０の出力は、ほぼ温度上昇に比例した時間変化する出力電圧となる。従って、ヒータ加熱中の電圧には、この温度差センサ３０の温度上昇に比例した出力電圧が重畳されており、この成分を微分回路で取り出すことができる。そして、これを更に積分することにより、薄膜１０の温度上昇分を取り出すことができる。この値は、本来、基板１から温度差センサ３０の測定点における温度差に等しいものである。ここでは、上述のようにして、矩形波状の一定電圧となる部分の直流成分の印加電圧に重畳されている温度上昇に比例した時間変化する出力電圧である温度差センサ３０の出力電圧成分を取り出すようにして、基板１からの温度差センサ３０の測定点の温度の上昇分を取り出すようにするものである。
【００４１】
薄膜１０をヒータ２５で所定の一定電力で加熱すると、薄膜１０は、ある熱時定数で温度上昇して、やがて放熱とのバランスで飽和する。実際に矩形波形のヒータ２５駆動電圧であっても、ヒータ２５に電流が流れると浮遊インダクタンスやキャパシタンスのために、ヒータ２５のヒータ加熱駆動初期やヒータ加熱駆動停止直後では、ヒータ２５駆動電圧が矩形状ではなく、過度状態となり時間変動をきたす。これらのヒータ加熱駆動初期やヒータ加熱駆動停止直後における時間変化が極めて大きいので、これらの時間領域を除いた形で、矩形波形のヒータ２５駆動電圧における時間的に変動しない時間領域（時間的に直流成分となっている領域）だけの出力電圧の微分出力を取り出すようにする必要がある。そして、この微分時間領域以外の加熱時間に基づく薄膜１０の温度上昇分を追加するようにして、測定点の基板１からの温度上昇分を求めるようにすることが大切であり、この手段も講じる必要がある。
【００４２】
微分手段や積分手段としては、演算増幅器とコンデンサとの組み合わせによる回路や、単に、抵抗とコンデンサの組み合わせの回路であるハード（ハードウエア）的な積分手段でも良い。また、メモリ回路を利用したデジタル回路を用いて、ソフト（ソフトウエア）上で、微分や積分するようにしても良い。
【発明の効果】
【００４３】
本発明の絶対温度出力センサでは、温度差センサ２０の０℃付近から数百℃までは、ほぼ一定の熱起電力の温度係数を有していること、すなわち、温度差センサの基準点と測定点の温度差にほぼ比例して（ほぼ直線的に）熱起電力が発生することと、一定の順電流を流したダイオードの順電圧や測温抵抗体が、環境温度にほぼ直線的な関係があることを利用しているので、メモリやＭＰＵを用いた特別のソフトウエア上のリニアライズ機構を有しなくて済み、簡単なハード的な回路だけで構成ができることとなり、温度精度は得られ難いが、安価でコンパクトな温度差センサの測定点の温度を絶対温度で表示できる絶対温度出力センサが提供できるという利点がある。
【００４４】
本発明の絶対温度出力センサでは、所望の温度差センサ２０の測定点の絶対温度付近で温度精度が得られやすいように、温度差センサ２０の熱起電力の生の温度係数を増幅回路の増幅率の大きさで調整できるので、温度精度も高くすることもできる。更に、ダイオードやサーミスタのような非線形抵抗素子を、温度差センサ２０の熱起電力の温度係数を増幅回路の利得調整用の帰還抵抗素子の一部として挿入するか、もしくは、これに代わるハード的な回路を挿入することにより、広い温度範囲にわたり絶対温度の温度精度が簡単に達成できるという利点がある。
【００４５】
本発明の絶対温度出力センサでは、熱伝導率の高い半導体の基板１を用いた場合、この半導体基板から熱分離したカンチレバなどの薄膜１０に、ヒータ２５と温度差センサ２０の測定点を形成しておき、半導体基板の空洞を除く部分には、ダイオードや測温抵抗体の絶対温度センサ３０と、温度差センサ２０の基準点とを形成すると、温度差センサ２０の熱起電力の出力の温度係数を測温抵抗体からの出力の温度係数と一致するように増幅調整することで、容易にカンチレバなどの薄膜１０の測定点の温度を、ハード的な簡単な回路だけで絶対温度表示できるという利点がある。また、必要に応じて、半導体基板に演算増幅器を含む集積回路を形成して、このハード的な簡単な集積回路を含む絶対温度出力センサとして提供できるという利点がある。
【００４６】
本発明の絶対温度出力センサでは、温度差センサ２０とヒータ２５とを兼用することができるので、コンパクトな絶対温度出力センサを提供できるという利点がある。
【００４７】
本発明の絶対温度出力センサでは、温度差センサ２０とヒータ２５とを兼用した場合でも、温度差センサ２０の熱起電力発生は、極めて速いので、温度差センサ２０が搭載されている薄膜１０のヒータ加熱中の測定点の絶対温度も、薄膜１０の熱時定数に比べて極めて短い時間、例えば、熱時定数の１００分の１程度の時間Δｔだけヒータ加熱を止めて、この時間内に計測できる。もちろん、加熱終了後は、いつでも薄膜１０の絶対温度を温度差センサ２０の本来の温度差に基づく熱起電力出力を用いて測定点の絶対温度を計測できる。そして、ヒータ加熱停止直後の短い計測時間を利用すれば、ほぼ、加熱中の温度の加熱停止直前の温度として認めることができるという利点がある。
【００４８】
本発明の絶対温度出力センサでは、ヒータ駆動中でも、時間的に一定な駆動電圧（矩形波電圧）等でのヒータ加熱を行うことと、微分手段と積分手段の組み合わせを行うことにより、薄膜１０に形成してある温度差センサ２０の測定点における基板１からの温度上昇分を復元させて、そこの絶対温度を計測できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の絶対温度出力センサの電子回路構成の概略を示す一実施例である。（実施例１、３、４、５、６）
【図２】本発明の絶対温度出力センサの電子回路構成の概略を示す他の一実施例である。（実施例２、３、５、６）
【図３】本発明の絶対温度出力センサを実施するためのセンサチップの一実施例を示す平面概略図である。（実施例３、６）
【図４】本発明の絶対温度出力センサの図３に示すセンサチップのＸ−Ｘ線に沿った断面概略図である。（実施例３、６）
【図５】本発明の絶対温度出力センサを実施するためのセンサチップの他の一実施例である。（実施例３、４、６）
【図６】本発明の絶対温度出力センサのヒータ加熱による薄膜の温度の他の一実施例のタイムチャートである。（実施例４）
【図７】本発明の絶対温度出力センサのヒータ加熱による薄膜の温度の他の一実施例のタイムチャートである。（実施例４、６）
【図８】本発明の絶対温度出力センサの矩形波電圧ヒータ加熱による薄膜の絶対温度推定回路の一実施例である。（実施例５、６）
【図９】本発明の絶対温度出力センサの矩形波電圧ヒータ加熱による薄膜の絶対温度推定の一実施例の熱電対の出力や温度波形等のタイムチャートである。（実施例５）
【発明を実施するための形態】
【００５０】
以下、本発明の絶対温度出力センサチップは、成熟した半導体集積化技術とMEMS技術を用いて、シリコン（Si）基板で形成できる。このシリコン（Si）の基板１を用いて製作した場合の図面を参照して、実施例に基づき詳細に説明する。
【実施例１】
【００５１】
図１は、本発明の絶対温度出力センサにおいて、絶対温度センサ３０として、ダイオードを用いた場合の電子回路構成の概略を示す一実施例である。温度差センサ２０の熱起電力の温度係数の大きさ（絶対値）と、一定電流下のダイオードの順電圧の温度係数の大きさ（絶対値）とが、どちらが大きくとも調整手段２００による増幅度調整により、温度差センサ２０からの出力Ｖｏｔと絶対温度センサ３０からの出力Ｖｏａとの温度係数の大きさが、温度差センサ２０の測定点の所望の温度域において同一になるようにして、単純な加算手段３００による絶対温度表示への対応ができるようにしたものである。温度差センサ２０は、その測定点２２と基準点２１との温度差に、ほぼ直線的な依存性で比例した熱起電力を発生することが知られている。図１の図面を参照して、本発明の絶対温度出力センサの構成と動作を説明する。ｐｎ接合ダイオードなどの絶対温度センサ３０を温度差センサ２０の基準点２１と同一の温度になるように設置しておく。例えば、温度差センサ２０を形成している半導体の基板１に、絶対温度センサ３０をできるだけ基準点２１の近傍に形成するか、もしくは、例えば、市販のダイオードを、熱コンタクトを良くして、基準点２１の近傍に設置しても良い。ダイオードは、ｐｎ接合ダイオード、トランジスタのｐｎ接合部の利用、ショットキダイオードなどのダイオードが好適である。ダイオードの順電圧（順方向電圧）は、そこに流す順電流（順方向電流）を一定にすると、直線的な絶対温度依存性を示すこと、そして、ダイオードの温度（正確には、接合温度）を上昇させると、順電圧はそれに応じて直線的に小さくなることが知られている。図１の回路において、ダイオードに一定の電流を流すためには、その時のダイオードの順電圧の抵抗に対して、調整手段２００aの入力抵抗Ｒ１の値が十分大きくしておく必要がある。シリコン（Ｓｉ）のｐｎ接合では、順電流の大きさや接合の形状などにより異なるが、その直接（生）の温度係数は−２．０ｍＶ／Ｋから−２．５ｍＶ／Ｋであることが知られている。ただ、ダイオードを特定し、そこに流す順電流を特定すれば、例えば、−２．３ｍＶ／Ｋに固定することもできるものである。ダイオードはＳｉなどの半導体であるので、この半導体の温度範囲はどちらかと言えば低温側にあり、７７Ｋから４００Ｋ程度の範囲内で使用できるものである。また、この温度係数の値は、一般の金属や半導体の熱電対の熱起電力の温度係数より大きい値であり、例えば、０．０１Ω・ｃｍの抵抗率のｎ型半導体のゼーベック係数である熱電能（熱起電力の温度係数）−０．５ｍＶ／Kより大きな絶対値の値である。
【００５２】
温度差センサ２０である熱電対の熱起電力は、増幅器Ａ１を有する調整手段２００ｔで増幅率を調整できる。その増幅率を調整して、例えば、調整手段２００の中の可変抵抗器ＶＲ１により、調整手段２００ｔの出力電圧Ｖ０ｔの温度係数を１０ｍＶ／Kになるように調整することができる。次に、定電流源から所定の一定電流（５０マイクロアンペアから１ミリアンペア程度）をダイオードに流した時の順電圧（温度係数の大きさが、ここでは、例えば、―２．３ｍＶ／K）の温度依存性を利用し、増幅器Ａａを有する調整手段２００aでダイオードの調整手段２００aの出力電圧Ｖ０ａの温度係数の大きさ（絶対値で表現する）を、所望の絶対温度域において、同様に、１０ｍＶ／Kに等しくなるように、可変抵抗器ＶＲａ２で調節する。次に、この温度係数が等しくなるように調整された温度差センサ２０からの出力電圧Ｖ０ｔと、ダイオードからの出力電圧Ｖ０ａとを、次の加算手段３００としての演算増幅器Ａ２の反転入力端子に加え、これらの温度係数が等しくされたそれぞれの出力電圧による電流を加算させて、演算増幅器Ａ２の可変帰還抵抗ＶＲ２に流し、所望の薄膜１０の絶対温度域において、絶対温度に比例する出力電圧Ｖ０が得られるようにする。演算増幅器Ａ２の可変帰還抵抗ＶＲ２の大きさの調節は、所望の温度域における測定点２２の絶対温度表示に相応しい値になるように、例えば、測定点２２の温度が３００Ｋでは出力電圧Ｖ０が３．０Ｖ、５００Ｋでは出力電圧Ｖ０が５．０Ｖになるようにさせると良い。更に、必要に応じて、出力電圧Ｖ０の符号を変えるような回路（例えば、演算増幅器による反転回路）を追加しても良い。
【００５３】
温度差センサ２０の熱起電力を所望の増幅率で増幅するのに、増幅器Ａ１として演算増幅器を使用すると、その帰還抵抗と、温度差センサ２０の内部抵抗とそれへの直列抵抗との和の抵抗との比で、容易に増幅率が決定できるので好適である。この場合、温度差センサ２０の内部抵抗の影響が無視できるような大きな直列抵抗を挿入することも良いが、温度差センサ２０の内部抵抗は、温度依存性を有するので、この温度変化を利用して、温度に対して非線形的な増幅特性とさせることもできる。一般に、熱電対の熱起電力の温度係数は、温度が高いほど大きくなる傾向にある。例えば、縮退した半導体や一般の金属では、一般に高温になるに連れて、その内部抵抗が大きくなるので、増幅器Ａ１の演算増幅器の増幅率は高温になるに連れて小さくなる。従って、この場合は、高温になるに連れて、増幅された温度差センサの温度係数の大きさが、これを打ち消す方向で小さくなるので、好都合である。また、例えば、熱電対の熱起電力が大きくなる（温度が高いことに対応）と帰還抵抗への電流が大きくなるので、それに連れて抵抗値が小さくなるような抵抗素子Ｒｎやそのような作用の回路を帰還抵抗ＶＲ１に直列に挿入することや、そのような回路を途中に設けて、増幅器Ａ１の増幅率が多少飽和傾向の非線形増幅になるようにさせて、温度差センサ２０の熱起電力の温度係数の非線形成分を打ち消すようにして、所望の測定点の温度領域で高精度の絶対温度表示ができるように調整することもできる。例えば、抵抗素子Ｒｎとしてダイオードやサーミスタなどの非線形抵抗素子を用いても良い。
【実施例２】
【００５４】
図２は、本発明の絶対温度出力センサにおいて、絶対温度センサ３０として、測温抵抗体を用いた場合の電子回路構成の概略を示す一実施例である。絶対温度センサ３０として、ダイオードであった場合の実施例１と、絶対温度センサ３０として、測温抵抗体である場合の実施例２とは、絶対温度センサ３０に一定の電流を流し、その時の絶対温度センサ３０の温度に対して、ほぼ直線的にその両端の電位差（でんあつ）降下が変化することを利用しているので、本質的に同一である。周囲温度が高くなると、ダイオードの方は、電圧降下が小さくなるのに対して、白金（Ｐｔ）などの測温抵抗体では、その電圧降下が大きくなるという違いがあり、それに伴い、温度差センサ２０の出力を温度差センサ２０の調整手段２００ｔの入力端子を図２では反転入力端子に接続してある点が異なるだけである。図１の回路と同様に、図２の回路においても、測温抵抗体に一定の電流を流すためには、その時の測温抵抗体の抵抗に対して、調整手段２００aの入力抵抗Ｒ１の値が十分大きくしておく必要がある。本発明の絶対温度出力センサの動作における調整等は、実施例１とほぼ同様であるので、ここではその詳細な説明を省略する。
【実施例３】
【００５５】
図３は、本発明の絶対温度出力センサを実施するためのセンサチップの一実施例を示す平面概略図である。図４は、図３のＸ−Ｘ線に沿ったセンサチップの断面概略図である。絶対温度出力センサのセンサチップで、温度差センサ２０とヒータ２５とを別々に、薄膜１０に形成した場合の例で、シリコン（Ｓｉ）の基板１、特にＳＯＩ基板を用いた場合の例であり、薄膜１０は、基板１から空洞４０を介してｎ型のＳＯＩ層１１から成るカンチレバ１２形状に形成して有り、基板１から熱分離した形になっている。温度差センサ２０の基準点２１は、基板１の空洞４０を除く熱容量が大きい額縁に形成して、この近くに絶対温度センサ３０としての（ｐｎ接合）ダイオードが形成されている。なお、単結晶シリコンは、金属なみの大きな熱伝導率を有するので、温度差センサ２０の基準点２１の近傍の基板１に絶対温度センサ３０を形成すると、ほぼ、基準点２１の温度と絶対温度センサ３０の温度とが等しいと考えることができる。また、ｎ型のＳＯＩ層１１が絶対温度センサ３０としてのダイオードのｎ型領域と温度差センサ２０のｎ型ＳＯＩ層１１から成る熱電導体１２０aが導通していることになる。従って、温度差センサ２０の基準点２１の電極パッド７０ｂとダイオードのＳＯＩ層１１側の電極パッド７２aとがＳＯＩ層１１を介して導通しているので、等電位になっている。本絶対温度出力センサの回路構成上、この共通電位である基準点２１の電極パッド７０ｂと電極パッド７２aとを共通のアース電位として取り扱うことができて好適である。温度差センサ２０の他方の熱電導体１２０ｂとして、ここでは、薄膜１０上に形成してあるヒータ２５と同時に形成することができるように、シリコン酸化膜である絶縁膜５０の上に形成した高融点のニクロム薄膜を用いた場合であり、ニクロムのスパッタリング堆積による薄膜状にしている。０．０１Ω・ｃｍ程度の低い抵抗率の半導体とニクロム金属とからなる熱電対でも、ほぼ金属側の熱起電力は半導体の熱起電力比べて無視できる程度に小さいので、温度差センサ２０の熱起電力は、ほぼ半導体のゼーベック係数により定まるといっても過言ではない。このように、ｎ型のＳＯＩ層１１の半導体と金属との温度差センサ２０の熱起電力は、ほぼ半導体により定まり、温度が高くなる測定点２２の方が基準点２１に対して、正の電位（＋電位）となることが分かっている。
【００５６】
ヒータ２５にその電極パッド７１ａと７１ｂに所定の電圧を印加することにより、薄膜１０を加熱すると、温度差センサ２０の熱起電力は、基板１に形成された温度差センサ２０の基準点２１のｎ型ＳＯＩ層１１側の電極パッド７０ｂが負の電位（−電位）に、同一温度の電極パッド７０ａが、測定点２２の電位にほぼ等しく正の電位になるように、測定点２２と基準点２１との温度差にほぼ比例して発生する。
【００５７】
絶対温度センサ３０としてダイオードを用いた場合、所定の一定順電流、例えば、１ミリアンペア（ｍＡ）を流したダイオードの順電圧の出力と、温度差センサ２０から測定点２２と基準点２１との温度差にほぼ比例して発生した熱起電力の出力とを、実施例１で述べた図１に示す回路に適用することにより、ヒータ２５により加熱された薄膜１０の熱電対の測定点２２の温度を、絶対温度表示できるようにすることができる。例えば、図１の回路において、温度差センサ２０の熱起電力の出力を、増幅器Ａ１を用いて温度差センサ２０からの熱起電力の実効的な温度係数が、順電圧のダイオードから出力の温度係数に等しくなるようにさせる方法や、これらの出力を加算させる方法、更に、温度差センサ２０の測定点２２における温度を絶対温度に比例するようにする方法に関しては、実施例１で述べてあるので、ここではその詳細な説明を省略する。なお、測定点２２でのＳＯＩ層１１から成る熱電導体１２０aとニクロム薄膜から成る、熱電導体１２０bとは、オーミックコンタクト６０で導通させてあり、同様に、ＳＯＩ層１１から成る熱電導体１２０aとその基準点２１における電極パッド７０ｂともオーミックコンタクト６０で導通させている。実施例２における図２における絶対温度センサ３０として測温抵抗体を用いた場合も同様である。
【００５８】
本発明の絶対温度出力センサは、例えば、熱伝導型のセンサとしての絶対湿度センサに好適である。空気中の湿度は、１立方メートル（ｍ３）中の含有する水分量の絶対湿度で表わすことができ、グラム（ｇ）／立方メートル（ｍ３）で一般に表示される。この絶対湿度は、空気の温度が分かれば、その温度における飽和水蒸気量が分かるので、相対湿度に換算することができる。空気中に含まれる水分量は、温度と共に急激に多くなるが、水蒸気を含む空気（湿潤空気）の熱伝導率は、１２０℃から１５０℃程度の温度で空気の熱伝導率とほぼ等しくなり、これ以下の温度では、水蒸気量が多くなると純粋空気の熱伝導率よりも下がり、これ以上の温度では湿潤空気の熱伝導率が急速に大きくなる。従って、絶対湿度センサとして湿潤空気の熱伝導率を利用して絶対湿度を計測する原理においては、実施例１に示した図３、図４、図５に示すセンサチップを用いて計測することができる。そこでのセンシング部であるヒータ２５と温度差センサ２０の測定点２２が搭載されている薄膜１０を、２００℃以上の高温に温度上昇させて計測し、しかも、その絶対温度を知る必要がある。むしろ、熱伝導率が大きい非常に高い所定の絶対温度、例えば、４００℃まで昇温させて、その時の薄膜１０の雰囲気の空気の温度も熱平衡状態での放熱状態を計測することが求められる。
【００５９】
そのためには、薄膜１０に形成してある薄膜熱電対などの温度差センサ２０の測定点２２の絶対温度を計測して、ヒータ加熱により薄膜１０の温度が、所定の絶対温度である４００℃になった時にヒータ２５の加熱を停止させる必要がある。室温が変化しても測定点２２の絶対温度を所定の温度、例えば、４００℃にさせる必要があり、このためには、本発明の絶対温度出力センサを使用することが好適である。すなわち、ヒータ加熱により薄膜１０の温度を代表する測定点２２の絶対温度が、所望の絶対温度である４００℃になった時に、図１や図２に示した電子回路の出力Ｖ０の４００℃に対応した値を利用して、コンパレータなどを用いてヒータ２５の加熱を停止させるようにする。そして、冷却期間中の出力変化から空気中の絶対湿度を求めるようにすることができる。このとき、含有する水蒸気量に熱伝導率が無関係になるような温度である１２０℃から１５０℃付近の温度を基準にして計測することにより、室温の温度の効果を打ち消すことができることも知られている。このような熱伝導型のセンサとしての絶対湿度センサでの薄膜１０の昇温は、所定の温度の精度が問題ではなく、繰り返し計測しても、例えば、４００℃の付近の温度で、繰り返しの再現性があれば、事足りることである。このようなことで、温度差センサ２０の熱起電力の温度係数の温度依存性、すなわち、熱起電力と温度差との直線性は、余り問題にしなくとも済む。
【実施例４】
【００６０】
図５には、本発明の絶対温度出力センサを実施するためのセンサチップの他の一実施例を示す。ここでは、温度差センサ２０をヒータ２５と兼用にした場合の例である。もちろん、薄膜１０に測温抵抗体などを形成して、その薄膜１０の絶対温度を計測することもできるが、白金などの金属の測温抵抗体では、抵抗値が小さく、微細な細線のパターン化が必要であり、その面積を必要とし、均一なパターンの製作が困難である。また、ダイオードなどの半導体を用いた場合は、その使用温度が１５０℃以下でしか使用できないもので、薄膜１０の絶対温度が４００℃程度で使用する場合は、熱電対など温度差センサ２０と基板１に形成したダイオードなどの絶対温度センサ３０との組み合わせを用いた本発明の絶対温度出力センサが好適である。
【００６１】
図６は、本発明の絶対温度出力センサのヒータ加熱による薄膜１０の温度の一実施例のタイムチャートで、ヒータ２５による薄膜１０の加熱と冷却を繰り返した場合である。ここでは、ヒータ２５の加熱期間を加熱サイクルとし、冷却期間を冷却サイクルと表記している。ヒータ２５による薄膜１０を加熱した時の加熱サイクルでの温度上昇の薄膜温度Ｔ（測定点２２の温度で代表している）の時間経過とヒータ加熱を停止した後の冷却サイクルでの薄膜１０の温度下降の時間経過の状況を示している。また、例えば、薄膜１０の熱時定数が３０ミリ秒（ｍsec）程度の場合、この熱時定数に比べて１００分の１以下である１０マイクロ秒（μsec）程度の時間Δｔだけ、ヒータ加熱を停止させても、薄膜１０の温度は、その熱時定数のためにほとんど下がらず、この短い時間Δｔの間でもほぼヒータ加熱を停止させない時の温度を維持していると考えることができる。このような短い時間Δｔの加熱サイクル中のヒータ加熱を停止や、ヒータ加熱サイクルが終了して次の冷却サイクルに突入した場合でも、ヒータ加熱サイクルのヒータ加熱停止直後の短い時間Δｔの間では、やはり、ほぼヒータ加熱サイクル最後の温度を維持していると考えることができる。
【００６２】
図７には、本発明の絶対温度出力センサのヒータ加熱による薄膜の温度の他の一実施例のタイムチャートで、ヒータ２５による薄膜１０を加熱した時の加熱サイクル中に、周期的に上述の図６の時のような熱時定数に比べて充分短い時間Δｔだけ、ヒータ加熱を停止させた場合の例を示している。そして、この短い時間Δｔ内に温度差センサ２０で、上述の図１に示す回路で測定点２２の絶対温度に対応する出力電圧Ｖ０を計測し、所望の温度、例えば、４００℃になった時に対応する出力電圧Ｖ０の値の到達した時点で、ヒータ２５の加熱サイクルを停止させて、次の冷却サイクルに移行させるようにした場合の例でもある。この図７では、ヒータ加熱サイクルで加熱初めから時間ｔｎになった時に加熱サイクルを停止させて、次の冷却サイクルに移行する場合を示している。このためには、ここでは示していないが、４００℃になった時に対応する出力電圧Ｖ０の値に等しい比較用の電圧を生成しておき、この電圧と４００℃対応の出力電圧Ｖ０とコンパレータなどで比較して、ヒータ２５の加熱サイクルを停止させるようにすると良い。
【００６３】
次の冷却サイクルはタイマーＩＣなどで所望の時間を決めて設定し、その動作が終了したら再び加熱サイクルにするようにすることは、純粋のハード的な回路構成で既知の技術で容易に達成できるものである。このようにして、所望の絶対温度の４００℃の測定点２２の温度が周期的に達成されることになる。これを絶対湿度センサにおける湿潤空気の熱伝導率の高い高温設定温度として利用し、例えば、冷却サイクル中の薄膜１０の測定点２２の温度降下特性や、所定の高温に到達させるためのヒータ２５の消費電力の大きさから湿潤空気中の絶対湿度を、予め用意してある校正データと比較して絶対湿度に換算して求めることができる。１５０℃以上の高温では、湿潤空気中の水蒸気量が大きいと湿潤空気の熱伝導率が大きくなるので、速く測定点２２の温度降下が生じることになる。この様子は、例えば、冷却サイクル中での図１に示した回路の出力電圧Ｖ０を時間積分することにより、その積分値の大きさで温度降下の速さを評価することもできる。時間積分値の大きさが小さいと速く温度降下したことになり、その分、絶対湿度が大きいことになる。また、同様に、絶対湿度が大きいと、所定の温度、例えば４００℃に到達させるには、その分、大きなヒータの消費電力が必要となる。逆に、大きな消費電力で有れば、その分、絶対湿度が大きいことになる。このようにして、絶対湿度を求めることができる。
【実施例５】
【００６４】
温度差センサ２０をヒータ２５として動作させているときには、簡単には、温度差センサ２０を本来の温度センサとして動作できない。それは、ヒータ２５を数百℃に加熱するために必要な加熱電圧と温度差センサ２０である熱電対の温度差に基づく熱起電力とに、桁違いの電圧の差があり、熱起電力としての電圧は、無視できる程度の大きさでしかないからである。しかしながら、ヒータ２５の駆動電圧が、一定値であるならば、この時間微分値は、本質的にゼロであるのに対して、ヒータ加熱による薄膜１０の温度上昇は、時間的に変化するものであるから、この成分は時間微分をすることによりゼロでない温度上昇に関連する出力を取り出すことができる。更に、この時間微分した出力特性を時間積分することにより、元の薄膜１０の温度上昇分を再現することができる。図８は、このようにして、元の薄膜１０の温度上昇分を再現するため、本発明の絶対温度出力センサで、時間微分をゼロにできる矩形波電圧でのヒータ加熱による薄膜１０の絶対温度を推定するためのブロック図を含む回路の一実施例である。
【００６５】
図８に示す実施例では、実施例１における図１と同様に、絶対温度センサ３０としてダイオードを用いた場合を示している。もちろん、実施例２の図２のように、絶対温度センサ３０として測温抵抗体を用いても良い。動作の概要を説明すると次のようである。図９には、本発明の絶対温度出力センサの矩形波電圧ヒータ加熱による薄膜１０の絶対温度推定の一実施例の熱電対からの出力や温度波形等のタイムチャートを示している。温度差センサ２０をヒータ２５と兼用にしているので、ヒータ２５としての役割として、図９（a）に示すような、ヒータ加熱用の繰返し矩形波の電源電圧Vh’をヒータ２５に印加する。このとき、ヒータ２５に実際に印加される電圧は、一般に配線抵抗や浮遊容量や浮遊インダクタンスなどで決まる同図（ｂ）に示すようなヒータ電圧印加直後やヒータ電圧印加停止直後に過度状態を有する電圧波形となるが、これらの過度状態の時間領域（過度領域と呼ぶ）を除くと、時間的にほぼ平坦である微分時間の領域とした直流成分的ヒータ印加電圧Vhとなる。本来、矩形波の電源電圧Vh’をヒータ２５に印加すると、過度領域を除くと時間的に全く平坦である直流成分の時間帯のヒータ印加電圧Vhとなるはずであるが、ヒータ２５を温度差センサ２０である熱電対と兼用にしているので、同図（ｃ）に示すようなヒータ２５の温度上昇（飽和値温度Th）に基づき、わずかではあるが、温度上昇と共に熱起電力が発生する。このために、同図（ｂ）のほぼ平坦な時間領域（微分時間の領域）は、ここでは小さくて描けないが、時間と共にほんの僅か右上がりとなり、やがて飽和するような電圧波形が重畳されている。このような同図（ｂ）のほぼ平坦な時間領域である微分時間の領域を、図８に示す時間設定手段を用いて、ヒータ加熱の過度領域を除いた時間領域として取り出すようにする。
【００６６】
同図（ｂ）のほぼ平坦な時間領域である微分時間の領域を微分手段により時間的に微分すると、同図（d）に示すような同図（ｃ）の温度波形を微分したような波形が得られる。ここでは、温度差センサ２０が熱電対であり、ほぼ薄膜１０の温度（測定点２２の温度で代表している）の基板１からの温度上昇分に熱起電力が比例しているとしている。このような同図（d）に示すような微分波形を、今度は積分手段により積分して、増幅回路により利得の調整で同図（ｃ）の微分時間内の波形に相似形の同図（e）に示すような出力電圧波形（最終値：Vth-Vts）を得ることができる。そして、例えば、同図（e）の出力波形から、その熱時定数を求めて、ヒータ２５の加熱開始（時刻０）から過度領域を避けた微分を開始する時刻ｔｄまでに、薄膜１０が温度上昇した分を割り出し、その時間内に温度上昇をした分に相当する熱起電力に基づく電圧Vtsを求めて、この分を電子回路的もしくは、ソフトウエア上で加えることにより、同図（ｃ）に示す薄膜１０の到達温度Thに対応する、同図（ｆ）に示すような再現電圧波形（飽和値：Vth）を求めるものである。もちろん、この同図（ｆ）の再現電圧波形（飽和値：Vth）から、同図（ｃ）の薄膜１０の到達温度Th を、予め用意してある校正データを利用して求める。
【００６７】
微分手段や積分手段は、公知のコンデンサと抵抗の組み合わせによる電子回路でも良いし、演算増幅器と組み合わせて、増幅された出力電圧を得るようにしても良い。もちろん、デジタル回路を用い、ソフトウエアを利用して出力電圧を、時間的に微分したり、積分したりする微分手段や積分手段でも良い。
【実施例６】
【００６８】
本発明の絶対温度出力センサは、図３、図４および図５で示したセンサチップを用いて、薄膜１０の温度を所定の絶対温度までヒータ加熱するやり方で、フローセンサや水素ガスセンサなどに応用することができる。所定の絶対温度まで薄膜１０を昇温させる方法は、実施例４で絶対湿度センサに適用した図７や実施例５の図８に示したように、所定の絶対温度になった時にヒータ加熱を停止させる方式で達成できる。ガスフローセンサでは、気体の熱伝導率はガスの環境温度により異なるので、加熱した薄膜１０の絶対温度を知る必要がある。また、水素ガスセンサでも、熱伝導型水素ガスセンサでは、空気の熱伝導率もその環境温度により異なり、ヒータ加熱された薄膜１０の周囲の加熱された空気の温度を知り、補正する必要がある。このように熱伝導型センサとして使用する加熱された薄膜１０の絶対温度に基づく熱伝導率の補正には、本発明の絶対温度出力センサが図１や図２に示した単純な回路で達成されるので、好適である。
【００６９】
本発明の絶対温度出力センサは、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
アナログ回路だけで、被計測物理量に晒される室温補正をした温度差センサの測定点の絶対温度を求めることは、単純な回路で済み、高価なＭＰＵ等を用いないで済むので、安価でコンパクトな絶対温度出力センサが提供できる。熱電対などの温度差センサの出力と、一定電流を流したダイオードの順電圧出力や測温抵抗体での電圧降下による電圧出力とが、共に温度変化に対する良い直線性を利用しているので、特に、室温付近で温度変化がそれほど大きくない温度領域では、非常に高精度の絶対温度出力センサとして提供できる。また、特に、半導体基板を用いた場合は、半導体熱電対とｐｎ接合ダイオードや白金（Pt）測温抵抗体を同一のこの半導体基板に形成できるので、極めてコンパクトな絶対温度出力センサとして提供できる。また、４００℃以上の高温でも、１００℃以下における被計測物理量計測であっても、ヒータ加熱による所定の高温が再現性良く達成されれば良く、高精度の絶対温度の値が望まなくても済むような熱伝導型センサとしての絶対湿度センサ、ガスフローセンサ、水素ガスセンサ、気圧センサなどには、本発明の絶対温度出力センサを適用すれば、単純な回路構成で、高速応答でかつ小型で安価な熱伝導型センサの装置が提供できる。また、耳式体温計やターゲットの温度を非接触で計測できる放射温度計、ヒータを外部に設けて気体や液体などの流体を介してその流体の熱伝導率の大きさや変化を利用する物理量計測用のセンサなど、本発明の絶対温度出力センサのチップにヒータを有しないような物理量計測装置も提供できる。
【符号の説明】
【００７１】
１  基板
１０  薄膜
１１  ＳＯＩ層
１２  カンチレバ
１５  下地基板
２０  温度差センサ
２１  基準点
２２  測定点
２５  ヒータ
３０  絶対温度センサ
４０  空洞
５０  絶縁膜
６０  オーム性コンタクト
７０ａ、７０ｂ  電極パッド
７１ａ、７１ｂ  電極パッド
７２ａ、７２ｂ  電極パッド
１２０a, １２０b  熱電導体
２００、２００a, ２００ｔ  調整手段
３００  加算手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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