(57)【要約】【課題】真空度、気体や液体の流量などの物理量を計測するための高感度、高精度、計測範囲拡大ができるような熱伝導型センサを提供する。【解決手段】基板から熱分離した薄膜に搭載したヒータと温度センサの構造で、ノイズが少ないヒータ加熱停止後の冷却過程で、温度センサからの出力を時間積分して出力とする。また、２つの異なる温度での加熱停止後の時間積分出力である高い温度の第１の積分出力と低い温度の第２の積分出力を、時分割で行うか、もしくは、同時に行うようにして、これらの差引積分値、必要に応じて、基板の絶対温度の情報や第１の積分出力値の情報を利用して周囲温度補正も行うようにする。これを水素ガスセンサと絶対湿度センサに適用すると共に、これらに好適なセンサチップも提供する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）から熱分離した薄膜（１０）に、ヒータ（２５）と温度センサ（２０）とを有するセンサチップを備えてあり、周囲媒体の熱伝導率の変化に基づき、上記ヒータ（２５）の加熱による前記薄膜（１０）の温度変化を上記温度センサ（２０）で検出する熱伝導型センサにおいて、所定の電力、電圧、電流で、もしくは、所定の温度になるように上記ヒータ（２５）を加熱して、その加熱停止後の冷却過程で、所定の期間、上記温度センサ（２０）の出力を時間積分して、その時間積分値の出力を利用して周囲媒体の物理量を計測するようにしたことを特徴とする熱伝導型センサ。
【請求項２】
温度センサ（２０）の出力の所定の時間積分期間の始まりを、ヒータ（２５）加熱停止の直後とした請求項１記載の熱伝導型センサ。
【請求項３】
温度センサ（２０）の出力の所定の時間積分期間の終わりを、次のヒータ（２５）の加熱サイクルを始まるときとした請求項１から２のいずれかに記載の熱伝導型センサ。
【請求項４】
温度センサ（２０）を温度差センサとした請求項１から３のいずれかに記載の熱伝導型センサ。
【請求項５】
温度センサ（２０）をヒータ（２５）として兼用した請求項４記載の熱伝導型センサ。
【請求項６】
薄膜（１０）をカンチレバとした請求項１から５のいずれかに記載の熱伝導型センサ。
【請求項７】
基板（１）に絶対温度センサを備えた請求項１から６のいずれかに記載の熱伝導型センサ。
【請求項８】
薄膜（１０）に前記温度センサ（２０）の他に、絶対温度センサを備えた請求項４から７のいずれかに記載の熱伝導型センサ。
【請求項９】
絶対温度センサを半導体ダイオードとした請求項７から８のいずれかに記載の熱伝導型センサ。
【請求項１０】
薄膜（１０）に形成した前記絶対温度センサとしての半導体ダイオードの駆動電源として、前記ヒータ（２５）への加熱用印加電圧の少なくともその一部を利用してあり、該半導体ダイオードには、所定の一定電流を流し、その時の該半導体ダイオードの順電圧を計測できるように構成して、薄膜（１０）の温度を知るようにした請求項９記載の熱伝導型センサ。
【請求項１１】
薄膜（１０）に形成した前記絶対温度センサとしての半導体ダイオードの駆動電源として、前記ヒータ（２５）への加熱用印加電圧の少なくともその一部を利用してあり、該半導体ダイオードには、所定の一定電圧が印加されるようにし、その時の該半導体ダイオードに流れる電流を計測できるように構成して、薄膜（１０）の温度を知るようにした請求項９記載の熱伝導型センサ。
【請求項１２】
単一の薄膜（１０）を用いて、そこに形成してあるヒータ（２５）に少なくとも所定の電圧を印加し、第１のヒータ加熱を行い、その加熱停止後の冷却過程で、前記温度センサ（２０）の出力を所定の期間だけ時間積分をして第１の積分出力とし、その後、周囲温度の変動が無視できる程度の短時間に、第２のヒータ加熱としてヒータを所定の温度になるまで加熱し、その加熱停止後の冷却過程で、前記温度センサ（２０）の出力を、第１のヒータ加熱後の時間積分と同一の期間の時間積分を行い第２の積分出力として、これらの第１の積分出力と第２の積分出力を利用して、周囲媒体の物理量を計測する際の周囲温度の効果を打ち消すようにした請求項１から１１のいずれかに記載の熱伝導型センサ。
【請求項１３】
薄膜（１０）として、同等な形状で形成してある少なくとも２個の薄膜（１０a）と薄膜（１０ｂ）を用意し、一方の薄膜（１０a）には、ヒータ（２５a）と温度センサ（２０a）とを備えて周囲媒体の物理量の検出部とし、他方の薄膜（１０ｂ）には、ヒータ（２５ｂ）と温度センサ（２０ｂ）とを備えて参照部として用い、上記温度センサ（２０a）と温度センサ（２０ｂ）の出力の時間積分情報を利用して、上記物理量を計測する際の周囲温度の効果を打ち消すようにした請求項１から１１のいずれかに記載の熱伝導型センサ。
【請求項１４】
検出部である薄膜（１０a）のヒータ（２５a）には、所定の電力、電圧、電流で、もしくは、所定の温度になるように上記ヒータ（２５a）を加熱して、その加熱を停止後の冷却期間中の所定の期間、上記温度センサ（２０a）の出力を時間積分して、その時間積分値を第１の積分出力とし、参照部である薄膜（１０ｂ）のヒータ（２５ｂ）には、所定の温度になるまで加熱し、その加熱停止後の冷却過程で、前記温度センサ（２０ｂ）の出力を、第１のヒータ加熱後の時間積分と同一の期間の時間積分を行い第２の積分出力として、これらの第１の積分出力と第２の積分出力を利用するようにした請求項１３記載の熱伝導型センサ。
【請求項１５】
少なくとも電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路を備えた請求項１から１４のいずれかに記載の熱伝導型センサ。
【請求項１６】
請求項１から１５のいずれかに記載の熱伝導型センサであって、周囲媒体としての気体中の物理量としての水素ガス濃度に関する信号を出力するようにしたことを特徴とする水素ガスセンサ。
【請求項１７】
熱伝導型センサのセンサチップの同一基板（１）に、更に、基板（１）から熱分離した少なくとももう一つの薄膜（１０ｃ）を備え、該薄膜（１０ｃ）には、水素吸収発熱膜を形成してあり、水素吸収発熱型としても利用できるようにした請求項１６記載の水素ガスセンサ。
【請求項１８】
請求項１から１５のいずれかに記載の熱伝導型センサであって、周囲媒体としての気体中の物理量としての水蒸気濃度に関する信号を出力するようにしたことを特徴とする絶対湿度センサ。
【請求項１９】
請求項１２から１４のいずれかに記載の周囲温度の効果を打ち消すようにした熱伝導型センサを提供するのに、基板（１）から熱分離したカンチレバ状の薄膜（１０）に、ヒータ（２５）と温度差センサから成る温度センサ（２０）と有し、薄膜（１０）に前記温度センサ（２０）の他に、絶対温度センサを備えたことを特徴とする熱伝導型センサチップ。
【請求項２０】
前記カンチレバのうち、前記温度差センサの温接点付近の温度が計測できるように、前記絶対温度センサを、該温接点付近に形成した請求項１９記載の熱伝導型センサチップ。
【請求項２１】
前記絶対温度センサを半導体ダイオードとし、ヒータ（２５）への供給電圧の少なくともその一部を前記半導体ダイオードの駆動電源として利用できるように配線した請求項１９から２０のいずれかに記載の熱伝導型センサチップ。
【請求項２２】
半導体ダイオードに、電流が流入したときに、この半導体ダイオードに印加される電圧を計測するための電圧端子と、この半導体ダイオードに流れている電流を計測するための電流端子とを備えた請求項２１記載の熱伝導型センサチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導型センサに関し、気圧、真空度、流速、ガス濃度などの物理量を計測できる熱伝導型センサと、この熱伝導型センサを、被検出ガスとしての水素ガスと水蒸気に適用した水素ガスセンサと絶対湿度センサの提供、更にそれに必要な構成を有する熱伝導型センサチップに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、本出願人が発明した宙に浮いた薄膜を二分割し、更に互いに熱抵抗を持つように構成してあり、一方の薄膜１０Ａにヒータと温度センサ２０Ａとを形成し、他方の薄膜１０Ｂに温度センサ２０Ｂを形成して、周囲媒体である気体への熱伝導による温度変化を利用して気体の流れや真空度などを計測する気体センシングシステムとしての熱伝導型センサがあった（特許文献１参照）。
また、本出願人は、基板から熱分離した薄膜にヒータと温度センサとを形成し、更にこの薄膜に熱抵抗を持たせて新たにカンチレバ状に飛びださせた別の薄膜を用意し、そこには温度センサのみ形成して、周囲媒体の気圧、真空度、不純物ガス濃度や気流などの物理量を計測できる熱伝導型センサを提案した（特許文献２参照）。
【０００３】
本出願人は、更に、熱電対の熱起電力に基づくゼーベック電流は微小電流であることが多く、これを高いＳ／Ｎで増幅して出力とするのに、このゼーベック電流を時間積分すると良いことを提案した（特許文献３参照）。ゼーベック電流を時間積分することにより、瞬時のゼーベック電流の計測では、ノイズを含み再現性に乏しいが、ノイズとは、長時間時間積分するとその積分値はゼロになるという性質が使用できるので、高いＳ／Ｎが得られること、更に、時間積分することで、ゼーベック電流の小さな変化を積分により大きな値にすることができるので、ゼーベック電流の変化を拡大できる（増幅できる）と考えている。
【０００４】
本出願人は、温度計測に温度差センサである薄膜熱電対を用いると、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）に依らずそこを基準にして温度上昇し、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、ゼロ位法が適用しやすいことなどに気づいた。また、ヒータ加熱した薄膜が周囲媒体の気圧、流れ、ガス濃度などの物理用により等価的にその媒体の熱伝導率が変化することにより、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で、薄膜に形成している温度センサの出力変化を計測して周囲媒体の物理量を計測するという原理の熱伝導型センサには、ゼロ位法が適用できる温度差センサである薄膜熱電対が最も好都合であることに気づいた。更に、この薄膜熱電対をヒータとしても使用できないか検討した。
【０００５】
本出願人は、上述のことから、薄膜熱電対を温度差センサとして使用するばかりでなく、内部抵抗があり、オーム性が良いことから、加熱用ヒータとして利用できること、そして、１個の薄膜熱電対を時分割により、ヒータとしての動作と温度差センサとしての動作を行わせることができることを提案した（特許文献４参照）。しかし、この場合、ヒータとしての動作時は、ヒータ動作での加熱時の印加電圧が大きく、温度上昇に基づくゼーベック熱起電力は、極めて小さいので、ヒータ動作時には、温度センサとして利用することができず、どうしても時分割動作をさせなければならないという問題があった。
【０００６】
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、必ず室温に戻るということで、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、上述のように、熱伝導センサとして、薄膜をヒータ加熱している時の温度を本来計測したいのであるが、そのヒータ加熱中は、温度計測ができないという問題のため、加熱停止直後の温度や加熱停止後の所定の時間後の温度を計測して、これをヒータ加熱中の温度に代替にするという方法を本出願人は、提案した（特許文献４参照）。しかしながら、加熱停止直後の温度変化は、非常に急激な温度変化であり、計測時点の１点の温度を計測すると、必ずその計測時間には幅があるので、大きな測定誤差を伴うという問題があり、この解消方法が求められていた。
【０００７】
本出願人は、先に、水素ガス濃度を含むガス濃度検出器を提案し、水素吸蔵物質に水素が吸蔵されるときの発熱を温度センサで計測すること、そして、加熱して吸蔵された水素を放出させつこと、更に、加熱によるノイズが無い加熱停止後の冷却過程での温度計測が良いことも示した（特許文献５参照他）。しかし、急激な冷却による温度変化の中での瞬間的な温度計測には、誤差が多く、再現性に乏しいことに苦慮していた。
【０００８】
また、本出願人は、先に、絶対湿度センサにおいて、単一の薄膜での測温抵抗体からなる温度センサ兼ヒータを利用して、周囲温度が変化しないうちの短時間に所定の２つの異なる温度に昇温させて、それらの温度にさせるために必要なヒータへの印加電圧の比較により、絶対湿度を計測することを提案した（特許文献６参照）。しかし、湿度となる水蒸気の熱伝導率は、１２０−１５０℃付近より低温では、空気の熱伝導率より小さく、１２０−１５０℃付近より高い温度では、急速に増大する。すなわち、１２０−１５０℃付近では、水蒸気の熱伝導率と空気の熱伝導率が等しくなり、水蒸気濃度に関係なくなるので、この１２０−１５０℃付近の温度を一方の所定の低い方の温度として、他方の所定の温度を４００℃程度の高温にして、それぞれに供給している電力を同時に計測して、それらの差を求めるようにすると絶対湿度が求めやすいことを示した。しかし、更に４００℃以上の高温にさせると高感度になることが分かっていても、Pt薄膜等の測温抵抗体の経時変化が激しくなることと、S/Nの大きいヒータ加熱停止後の冷却過程（繰返し実施の場合は、冷却サイクル）では、上述の原理に基づく以上、原理的に加熱中に温度計測する必要があり、所定の２つの温度でのヒータ供給電力（パワー）や供給電圧の比較ができないので、高精度の絶対湿度計測が困難であるが問題になっていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開2004-286492号公報
【特許文献２】特開2008-233057号公報
【特許文献３】特開２０１１−３８９５１号公報
【特許文献４】特開２００９−７９９６５号公報
【特許文献５】特開２００８−１１１８２２号公報
【特許文献６】特開平０８−１８４５７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
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、周囲媒体である気体や液体の流量、流速、真空度、不純物ガス濃度（湿度は、不純物ガスとして水蒸気を考える）などの物理量を計測するために、ヒータ加熱中ではなく、ノイズの少ない冷却過程での温度計測を行い、高感度、高精度、高速応答で、小型化した熱伝導型センサを提供し、更にこれを水素ガスセンサや絶対湿度センサに適用すると共に、これらを達成するために好適な熱伝導型センサチップを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる熱伝導型センサは、基板１から熱分離した薄膜１０に、ヒータ２５と温度センサ２０とを有するセンサチップを備えてあり、周囲媒体の熱伝導率の変化に基づき、上記ヒータ２５の加熱による前記薄膜１０の温度変化を上記温度センサ２０で検出する熱伝導型センサにおいて、所定の電力、電圧、電流で、もしくは、所定の温度になるように上記ヒータ２５を加熱して、その加熱停止後の冷却過程で、所定の期間、上記温度センサ２０の出力を時間積分して、その時間積分値の出力を利用して周囲媒体の物理量を計測するようにしたことを特徴とするものである。
【００１２】
ヒータ２５で薄膜１０を加熱している時は、周囲温度（一般には、室温である）から温度上昇させるので、冷却効果がある中での加熱で有り、小さな加熱パワーの変動も熱容量の小さい薄膜１０の温度のふら付きは大きく、ノイズが大きいものである。その点、ヒータ加熱停止後の冷却期間（繰返しを行ったときは、冷却サイクル）では、流量などの周囲媒体の流れを被測定物理量として計測する目的以外では、周囲媒体の流れを遮断すると、極めて滑らかに薄膜１０の温度が時間経過と共に低下し、いずれは、初期の周囲温度である室温に戻るので、ノイズが極めて小さい状態で温度計測ができる。もちろん、流体の流れを計測するには、この流れによる等価的な熱伝導率の変化に基づく放熱量に関係する温度変化を計測することになる。
【００１３】
従って、ヒータ２５で薄膜１０を加熱している時に温度を計測するよりも、冷却期間に薄膜１０の温度を計測した方が高いＳ／Ｎで温度計測できるが、この冷却期間では、薄膜１０の温度は、薄膜１０の熱容量が小さいほど早く、激しく温度低下を起こすので、冷却期間の特定の時刻での温度計測は、誤差が大きくなってしまう。しかし、薄膜１０に搭載している温度センサ２０の出力を冷却期間の所定の時間積分することによりこの誤差を小さくすることができるし、さらに、熱的の揺らぎや測定電子回路のノイズなど、正と負の変動（揺らぎ）は、長時間の積分により打ち消すことと、特定の時刻での温度センサ２０の出力値の計測よりもその連続した時間積分により小さな温度変化の差を大きく取り出すことができる、すなわち、増幅作用がある。このようにして、冷却期間での温度センサ２０の出力の時間積分をすれば、必ずしも、ノイズの多い加熱中の薄膜１０の温度を計測しなくて済むことになる。
【００１４】
一般に、周囲媒体が気体の場合は、温度上昇と共にその気体の熱伝導率が大きくなるという性質があり、室温からの温度上昇を数百℃程度に大きくすると、熱伝導型センサとしての動作の基となる周囲媒体の熱伝導率の温度依存性を十分考慮した計測動作をさせる必要がある。このように、薄膜１０を高温に加熱した後加熱を止め、冷却過程に入ると、高温の内は高い熱伝導率のために速く冷え、室温に近づくにつれて、小さな熱伝導率になることにより、熱伝導率の温度依存性がない場合よりもゆっくりと冷却されることになる。このように、例えば、所定の電力、電圧や電圧でヒータ加熱すると、例えば、熱伝導率の大きい不純物ガスが含まれていることにより周囲媒体の熱伝導率が大きくなると、不純物ガスが含まれていない場合よりも温度上昇分は小さく、かつ速く冷えるから、温度センサの出力（高い温度では、大きな出力となると仮定）の時間積分値はさらに小さくなる。このようにして、ヒータ加熱停止後の冷却過程での温度センサの出力の時間積分値から周囲媒体の熱伝導率の大きさ、すなわち、これを例えば、予め取得している校正データを利用して、不純物ガス濃度に対応させることにより、不純物ガス濃度が計測できることになる。
【００１５】
また、周囲媒体の熱伝導率の温度依存性が無視でき、さらにヒータの内部抵抗の抵抗温度係数が小さい場合は、ヒータ抵抗が変化しないので、消費電力は、ヒータの印加電圧だけにより定まり、更に、熱の方程式からヒータの温度上昇分は、上記の条件の下では、ヒータの消費電力だけで定まるから、一定のヒータ加熱電圧印加では、定まった温度までに室温から温度上昇をする。また、このような条件では、所定の電力駆動も、所定の電圧駆動も、さらに所定の電流駆動も、室温から一定の温度上昇分だけ上昇させることになる。
【００１６】
しかしながら、薄膜１０を所定の温度まで室温から上昇させるには、薄膜１０に絶対温度センサを有していないで、薄膜熱電対などの温度差センサを用いた場合は、基準温度を計測する絶対温度センサを基板１などに形成しておき、その基準温度と組み合わせて、薄膜１０が所定の温度に達したことを検出する必要がある。薄膜熱電対などの温度差センサを１個のだけ用いて、これをヒータ２５と兼用にすると、ヒータ加熱しているときには、温度センサとしての動作ができないので温度情報が得られない。所定の温度までヒータ加熱上昇させるには、極めて短い時間のヒータ加熱停止で温度検出させて、温度上昇途中の温度計測を実行するなどの方法が必要で、技術的に困難になる。
【００１７】
本発明の請求項２に係わる熱伝導型センサは、温度センサ２０の出力の所定の時間積分期間の始まりを、ヒータ２５加熱停止の直後とした場合である。
【００１８】
一般に、ヒータ２５の加熱冷却のサイクルは、クロックパルスに基づき、これに同期させて行うことが多い。従って、冷却サイクル（冷却過程）の中で途中から温度センサの出力を時間積分することもできるが、クロックパルスのヒータ加熱停止のタイミングを利用押した方が、安価な回路構成で達成されると共に、ヒータ２５加熱停止の直後の方が、温度センサ２０の出力も大きいので、周囲媒体の熱伝導率の差に基づく温度変化の積分値を大きくさせることができるから、高感度で、高精度の熱伝導型センサが提供できることになる。
【００１９】
更に、本来、熱伝導型センサの機能として、ヒータ加熱により薄膜１０が高温状態の方が、周囲媒体との温度差が大きく、放熱も激しくなるので、むしろ、加熱中の方が高感度であり、高感度化のためには加熱中に熱伝導型センサとしての動作をさせた方が良く、従来も、ガスフローセンサ、水素ガスセンサ、絶対湿度センサ、気圧センサなどの熱伝導型センサでは、加熱中に薄膜１０に形成してある温度センサ２０で周囲媒体の等価的な熱伝導率の変化を計測して、それぞれ、流量や流速、水素ガス濃度、絶対湿度、真空度などの物理量を計測するようにしていた。しかしながら、温度センサ２０が薄膜熱電対のような温度差センサを用い、更に、これをヒータ２５としても兼用するとなれば、ヒータ加熱中に絶対温度計測することが、極めて困難である。従って、本発明では、ヒータ加熱停止後の最も高温であるヒータ加熱直後から温度センサの出力を時間積分することにより、ヒータ加熱中の高い温度を再現させつつ、高感度化させるものである。
【００２０】
本発明の請求項３に係わる熱伝導型センサは、温度センサ２０の出力の所定の時間積分期間の終わりを、次のヒータ２５の加熱サイクルを始まるときとした場合である。
【００２１】
上述のように、ヒータ２５の加熱冷却のサイクルは、クロックパルスに基づき、これに同期させて行うことが多いので、このクロックパルスの冷却サイクルの終わりで、加熱のサイクルが始まるときまで温度センサ２０の出力の所定の時間積分期間を行った方が、積分時間が最大限になることと、特に、室温を基準とした温度差センサを温度センサ２０として採用した時には、その出力は、ゼロに近づくので多少の終了時間のずれがあっても誤差も少ないという利点があり、安価な回路構成にも繋がる。
【００２２】
本発明の請求項４に係わる熱伝導型センサは、温度センサ２０を温度差センサとした場合である。
【００２３】
温度差センサには、熱電対やサーモパイルがある。薄膜１０に形成する温度差センサ２０であるからやはり薄膜であった方が、熱容量も小さく応答も速くMEMS技術などで形成しやすい。上述したが、基板１の温度を基準温度（例えば、冷接点）として、薄膜１０に薄膜ヒータ２５と共に、温度差センサの温接点を形成すると、ヒータ加熱による温度上昇分は、室温が変化しても他の条件が等しいならば、ほぼ供給電力に比例し上昇し、ヒータ加熱を止め、冷却させると、再び室温に戻る。このように、熱伝導型センサでは、このように周囲媒体の温度である室温を基準にした熱の伝達を利用するので、温度差センサ２０として、薄膜状の温度差センサが好適である。
【００２４】
本発明の請求項５に係わる熱伝導型センサは、それぞれの温度センサ２０をそれぞれヒータ２５として兼用した場合である。
【００２５】
温度センサ２０には、白金抵抗体のような金属等の測温抵抗体の抵抗温度係数を利用した絶対温度センサ、ｐｎ接合ダイオードのようなダイオードの順方向または逆方向印加時の電流の温度依存性や所定の電流一定時の順方向電圧の温度依存性を利用する絶対温度センサ、更に、薄膜熱電対などを利用する温度差センサがある。ここでは、これらの温度センサ２０をヒータ２５としても利用する場合である。
【００２６】
白金抵抗体のような絶対温度センサをヒータとしても利用する場合は、ヒータ２５を加熱しながら、同時に温度センサ２０としても動作させることが容易である。しかし、高温動作では、細線にした白金抵抗体の経時変化の問題がある。さらに、絶対温度センサであるから冷却過程で室温に戻っても絶対温度センサからの出力は一般にはゼロにならない、または、ゼロに漸近しないので、時間積分値の再現性を含む精度が良くならないという難点がある。ｐｎ接合ダイオードのような半導体接合の絶対温度センサも半導体から成る薄膜１０に形成しやすいし、微小ｐｎ接合を形成してヒータ２５と温度センサ２０の兼用にしやすいが、同時にヒータ動作と温度センサの動作をさせることは、困難で、時分割でこれらの動作を交互にさせる必要がある。また、薄膜熱電対などの温度差センサを用いた場合も、同時にヒータ動作と温度センサの動作をさせることは、困難で、時分割でこれらの動作を交互にさせる必要がある。温度差センサとしての薄膜熱電対は、一方の熱電材料を、薄膜１０を構成する半導体薄膜で形成し、シリコン酸化膜（ＳｉＯ2膜）などの絶縁膜を介して金属薄膜などの他方の熱電材料を容易に形成することができると共に、オーム性コンタクトを温接点として形成するだけで済み、５００℃以上の高温動作にも耐え、製造工程も極めて簡単である。しかも、冷却過程の最終には、周囲媒体の温度である室温に戻り、温度センサ２０の出力もゼロに戻るという性質があるので、時間積分も多少の積分時間の揺らぎに対しても誤差が少なく、高精度な計測が可能である。
【００２７】
本発明の請求項６に係わる熱伝導型センサは、薄膜１０をカンチレバとした場合である。
【００２８】
薄膜１０をカンチレバとすることにより、このカンチレバの基板１への支持部が片側だけであるから、薄膜１０に形成した温度センサ２０やヒータ２５への基板１からの通電は、やはりこの支持部を通してのみ行われ、基板１への熱伝導も周囲媒体を通しての熱伝導が固体の薄膜１０に比べて極めて小さいので、やはり、この支持部を通してのみ行われると近似できる。
【００２９】
本発明の請求項７に係わる熱伝導型センサは、基板１に絶対温度センサを備えた場合である。
【００３０】
薄膜１０は、基板１から熱分離しており、しかも熱容量が小さく、ヒータ２５への通電、停止により高速に加熱、冷却させるので、その温度が不安定である。それに対して空気などの周囲媒体は、薄膜１０に接触している付近の一部の媒体のみヒータ２５による温度変化を受けるが、その他の大部分は一般には緩慢な温度変化であり、その中に薄膜１０を支持している基板１が長期間存在している。そのために、周囲媒体の温度は、一般に室温で有り、その中の基板１も室温として捉えることができる。従って、基板１の温度を計測すると、周囲媒体の温度である室温を計測したと考えることができる。この基板１に、半導体ダイオードや測温抵抗体（白金抵抗体など）を用いて、基板１の絶対温度を計測できるようにした場合である。この基板１の温度は、ここから熱分離している薄膜１０に形成した温度センサ２０を温度差センサとした場合の基準温度（冷接点）として利用することができる。熱伝導型センサにおいては、物理量の計測に周囲媒体の熱伝導を利用するので、その熱伝導率は、周囲媒体の絶対温度に強く依存する。このような場合には、周囲媒体の絶対温度、すなわち、基板１の絶対温度を知る必要があり、基板１に形成した絶対温度センサを利用することが最適である。
【００３１】
本発明の請求項８に係わる熱伝導型センサは、薄膜１０に前記温度センサ２０の他に、絶対温度センサを備えた場合である。
【００３２】
温度センサ２０として、測温抵抗体や半導体ダイオードなどを用いた場合は、これ自体絶対温度センサであり、ヒータ２５としても兼用できるから、改めて温度センサ２０の他に絶対温度センサを必要としないが、温度センサ２０として、熱電対などの温度差センサを用いた場合は、ヒータ加熱時などで薄膜１０の絶対温度を知る必要があるときには、薄膜１０に絶対温度センサを形成することが回路構成などの点からも好適である。特に、周囲温度の効果を除去しようとする室温補正（周囲媒体の温度補正）を行うときに、この薄膜１０に形成した絶対温度センサを用いると良い。
【００３３】
本発明の請求項９に係わる熱伝導型センサは、絶対温度センサを半導体ダイオードとした場合である。
【００３４】
ｐｎ接合ダイオードやショットキダイオードなどの半導体ダイオードは、一定順方向電流の下での順方向電圧（順電圧）の温度依存性は、絶対温度Ｔに対して直線関係にあることが分かっており、絶対温度センサとして用いられている。また、一定の順電圧の下でのダイオード電流の対数は、絶対温度Ｔの逆数と直線関係にあることも判明しており、ダイオードサーミスタとして利用されている。これらの半導体ダイオードは、バイポーラトランジスタのエミッタＥとベースＢ間のｐｎ接合ダイオードを使用しても良く、この場合は、コレクタＣとベースＢとを外部等で短絡させて、エミッタＥを１つの端子、ベースＢとコレクタＣとの短絡部を他方の端子とする２端子の半導体ダイオードとして利用した方が良い。
【００３５】
半導体ダイオードとしてのｐｎ接合ダイオードでは、ｐｎ接合部を小型に作ることが可能で、局部的な絶対温度を計測するのに好適であり、更に、特に、ｐｎ接合に逆方向電圧（逆電圧）を印加して、逆方向電流の温度依存性を利用して、比較的高温（１５０℃以上）の絶対温度計測がしやすい。ｐｎ接合ダイオードは、基板１や共通のＳＯＩ層１１から成る薄膜１０に形成されており、回路構成の上で、共通アースなどをも考慮する必要がある。このｐｎ接合ダイオードのｐｎ接合部の絶縁性を利用して、これらからの電気的分離、特にヒータ２５の加熱中の電流が、このｐｎ接合ダイオードの温度センサ２０に流れ込むことを防ぐようにすることができる。従って、ヒータ２５の加熱中でも、同時にこのｐｎ接合ダイオードを絶対温度センサとして利用することもできる。もちろん、バイポーラトランジスタのエミッタＥ−ベースＢ間のｐｎ接合ダイオードを絶対温度センサとして利用し、コレクタＣ−ベースＢ間のｐｎ接合を逆方向にバイアスしておくなどで、基板１の半導体や薄膜１０のＳＯＩ層の半導体からこの温度センサ部であるエミッタＥ−ベースＢ間のｐｎ接合を電気的に分離することもできる。また、ヒータ加熱中には、薄膜１０の共通するＳＯＩ層１１に大きなヒータ加熱電流が流れ、このときの電圧降下である比較大きな起電力の発生を、むしろこの絶対温度センサとしての半導体ダイオードの駆動電源に使用したり、この電圧降下には無関係になるような外部電源の制御回路を設けるなどで、所定の電圧もしくは所定の電流で半導体ダイオードを駆動するようにすることができる。
【００３６】
本発明の請求項１０に係わる熱伝導型センサは、薄膜１０に形成した前記絶対温度センサとしての半導体ダイオードの駆動電源として、前記ヒータ２５への加熱用印加電圧の少なくともその一部を利用してあり、該半導体ダイオードには、所定の一定電流を流し、その時の該半導体ダイオードの順電圧を計測できるように構成して、薄膜１０の温度を知るようにした場合である。
【００３７】
薄膜１０にＳＯＩ層を利用すると、ここに容易に温度センサ２０としての薄膜熱電対である温度差センサが形成できるし、これをヒータ２５としても兼用にできる。しかしながら、ＳＯＩ層は、シリコン単結晶薄膜から成り、この共通のＳＯＩ層に絶対温度センサとしてのｐｎ接合ダイオードを形成すると、ヒータ２５として加熱しているときに、ＳＯＩ層（例えば、ｎ型半導体層）に形成したヒータ２５には、例えば、５Ｖの電圧を印加することになる。薄膜熱電対としての一方の熱電材料として、ＳＯＩ層としてのｎ型半導体層を用い、他方の熱電材料としてニッケル薄膜を利用した場合、それらの長さ、幅、厚みなどの寸法にも依るが、ｎ型半導体層は、５０Ω程度、ニッケル薄膜は、５Ω程度となり、ニッケル薄膜の配線には、電圧降下としての約０．５Ｖが印加されることになる。従って、例えば、薄膜１０をカンチレバ状にして、薄膜熱電対の冷接点を基板１に形成し、その温接点をカンチレバ状薄膜１０の先端付近に形成すると、上述の条件でヒータ加熱しているとき、カンチレバ状薄膜１０の先端付近に位置する薄膜熱電対の温接点付近のＳＯＩ層の電位は、基板１に形成したニッケル薄膜の一端をゼロ電位として、０．５Ｖの電位にある。この０．５Ｖの電位差は避けることができないので、むしろ、これを利用すると共に、必要に応じて外部にでも定電流回路を設けて、前記絶対温度センサとしてのｐｎ接合ダイオードに所定の一定電流をヒータ加熱時に流し、その時のそのｐｎ接合ダイオードの順電圧（順方向電圧）を計測するようにすると、所定の一定電流の下での公知のｐｎ接合ダイオードの順電圧とその絶対温度との関係からｐｎ接合ダイオードの温度、すなわち、カンチレバ状薄膜１０の先端付近の温度を知ることができる。
【００３８】
本発明の請求項１１に係わる熱伝導型センサは、薄膜１０に形成した前記絶対温度センサとしての半導体ダイオードの駆動電源として、前記ヒータ２５への加熱用印加電圧の少なくともその一部を利用してあり、該半導体ダイオードには、所定の一定電圧が印加されるようにし、その時の該半導体ダイオードに流れる電流を計測できるように構成して、薄膜１０の温度を知るようにした場合である。
【００３９】
上記したように、ＳＯＩ層に絶対温度センサとしてのｐｎ接合ダイオードを形成すると、ヒータ２５として加熱しているときに、ＳＯＩ層（例えば、ｎ型半導体層）に形成したヒータ２５には、例えば、５Ｖの電圧を印加することになる。そして、一方の熱電材料としてニッケル薄膜を利用した場合、ニッケル薄膜の配線には、約０．５Ｖ印加されることになる。ヒータ加熱時にこのニッケル薄膜に印加される約０．５Ｖを、前記ｐｎ接合ダイオードの所定の一定印加電圧として利用することもできるし、ニッケル薄膜の配線の途中からこの約０．５Ｖを分割して取り出すように分岐配線を設けて、たとえば、０．４５Ｖになるようにして、この電圧を前記ｐｎ接合ダイオードの所定の一定印加電圧として利用することもできる。また、この電圧値が小さい場合など、必要に応じて外部に更に電圧電源を設けて、所定の一定電圧が前記ｐｎ接合ダイオードの印加されるように構成することもできる。そして、前記ｐｎ接合ダイオードに流れる電流を計測できるように、例えば、その時のｐｎ接合ダイオードの順電圧における等価的な内部抵抗よりも充分小さい既知抵抗を直列接続して、その両端の電圧を計測することでｐｎ接合ダイオードを流れている電流を知ることができる。公知の理論により、ｐｎ接合ダイオードに印加している所定の順電圧の下でのそこに流れている電流と絶対温度との関係からｐｎ接合ダイオードの温度、すなわち、これを形成している薄膜１０の絶対温度を知ることができる。
【００４０】
本発明の請求項１２に係わる熱伝導型センサは、単一の薄膜１０を用いて、そこに形成してあるヒータ２５に少なくとも所定の電圧を印加し、第１のヒータ加熱を行い、その加熱停止後の冷却過程で、前記温度センサ２０の出力を所定の期間だけ時間積分をして第１の積分出力とし、その後、周囲温度の変動が無視できる程度の短時間に、第２のヒータ加熱としてヒータを所定の温度になるまで加熱し、その加熱停止後の冷却過程で、前記温度センサ２０の出力を、第１のヒータ加熱後の時間積分と同一の期間の時間積分を行い第２の積分出力として、これらの第１の積分出力と第２の積分出力を利用して、周囲媒体の物理量を計測する際の周囲温度の効果を打ち消すようにした場合である。
【００４１】
熱伝導型センサは、周囲媒体中の不純物ガスや周囲媒体の流れなどの被測定物理量の変化に基づく周囲媒体の熱伝導率の変化（または、等価的な熱伝導率の変化）による加熱された薄膜の温度変化を計測することを、その基本原理にしている。しかし、その周囲媒体の熱伝導率自体、その周囲媒体の絶対温度に依存するものであり、一般には、周囲媒体が気体の場合、絶対温度が大きいほどその熱伝導率も大きくなる。室温で、同一の薄膜１０を一定の電力で加熱すると、室温からほぼ一定の温度上昇ΔＴが達成される。例えば、温度上昇ΔＴがほぼ１００℃であったとすると、そのときの室温が、例えば、０℃であるか５０℃で有るかにより、薄膜１０は、ほぼ１００℃になるか、ほぼ１５０℃になるかということになる。熱伝導率の温度依存性のために、薄膜１０の最高温度が１００℃になったときの冷却のされ方と、１５０℃になったときの冷却のされ方とが異なり、周囲媒体の室温が何℃になっているかが物理量の計測に大きくかかわってくることになる。もちろん、冷却過程での温度センサ２０の出力を所定の期間の時間積分による物理量の計測においても同様なことが生じ、時間積分を用いる本発明の場合は、その周囲温度の効果が時間積分により更に助長されることになるので、その周囲温度の効果を打ち消すようにすることが高精度の物理量の計測には重要である。
【００４２】
単一の薄膜１０には、それぞれ１個のヒータ２５と温度センサ２０を有している。もちろん、温度センサ２０を温度センサ２０兼ヒータ２５として、ヒータ２５としても用いる場合は、これら合わせて１個だけで済む。このように単一の薄膜１０で、周囲媒体の物理量を計測する際の周囲温度の効果を打ち消すようにする、すなわち、周囲温度補正を行うには、例えば、次のようにする。先ず、ヒータ２５の加熱を例えば３００℃程度まで行い、その加熱の停止後、その直後から温度センサ２０である例えば、薄膜熱電対の出力を次の加熱サイクルが行われるまで時間積分して、その出力値である第１の積分出力をピークホールド回路やサンプリングホールド回路等で維持するか、メモリに記録させるなどしておく。次に、緩慢な温度変化しかしていない周囲媒体の温度変化が無視できるような短時間に、引き続き、周囲媒体の温度（室温）よりも高い温度である所定の温度、例えば１００℃になるまで、薄膜１０をヒータ２５で加熱し、その加熱停止直後から次の加熱サイクルが行われるまでの時間だけ積分して（第１の積分出力と同一の時間の積分）、これを第２の積分出力として保持する。そして、先ほどの第１の積分出力値から第２の積分出力値を差し引いた差引積分値は、周囲媒体の温度（室温）には、ほとんど無関係な出力値となるので、室温が２０℃であろうと５０℃になろうとも、所定の１００℃以下の温度の効果が差し引かれるので、第１の積分出力のうち１００℃以上の部分のみが差引積分値となる。この差引積分値は、１００℃以上の時間積分値であるから、１００℃以上の高温部で、熱伝導率が高いほど、例えば、水素ガスが多いほど、１００℃以上の高温での到達温度が低くなり（例えば、所定の加熱パワーで、空気中では、その到達温度が３００℃になる場合でも、水素ガスが多いと、その濃度にもよるが、例えば、２８０℃までしか温度上昇しない）、しかも、急激に冷えることになるので、小さくなる。このようにして、差引積分値を用いることにより、上述のように空気中の水素濃度ばかりでなく、水蒸気ガス濃度（湿度）や流体の流量などの計測ができる。もちろん、必要に応じて、基板１に形成してある絶対温度センサからの情報や第１の積分出力の情報も導入して、周囲温度補正を行うものである。
【００４３】
本発明の請求項１３に係わる熱伝導型センサは、薄膜１０として、同等な形状で形成してある少なくとも２個の薄膜１０aと薄膜１０ｂを用意し、一方の薄膜１０aには、ヒータ２５aと温度センサ２０aとを備えて周囲媒体の物理量の検出部とし、他方の薄膜１０ｂには、ヒータ２５ｂと温度センサ２０ｂとを備えて参照部として用い、上記温度センサ２０aと温度センサ２０ｂの出力の時間積分情報を利用して、上記物理量を計測する際の周囲温度の効果を打ち消すようにした場合である。
【００４４】
単一の薄膜１０では、どうしても所定の電力等で高温にヒータ加熱した後での冷却過程での温度センサ２０の出力の時間積分の第１の積分出力と、その後の所定の温度にまで加熱した後の冷却過程での温度センサ２０の出力の時間積分の第２の積分出力とを時間的にずらして、少なくとも第１の積分出力を保持する（メモリとして保持したり、ホールド回路を用いたりする）必要がり、しかも、周囲媒体の温度変化が見しできる程度の短時間に第２の積分出力を取り出す必要があった。しかし、本発明の熱伝導型センサは、単一の薄膜１０ではなく、２個の薄膜１０aと薄膜１０ｂとを備えた場合であり、一方を周囲媒体の物理量の検出部とし、他方の薄膜１０ｂには、参照部として用いて、周囲温度補正のための第１の積分出力と第２の積分出力の動作を、同時に行うことができるようにした場合である。もちろん、前述と同様、第１の積分出力と第２の積分出力の差引積分値などの情報の他に、必要に応じて、基板１に形成してある絶対温度センサからの情報や第１の積分出力の情報も導入して、周囲温度補正を行うことができる。
【００４５】
本発明では、更に、２個の同等な薄膜１０aと薄膜１０ｂとを備えているので、一方の薄膜１０aである検出部を、例えば、所定の大きなヒータ加熱パワーで高温に加熱し、他方の薄膜１０ｂである参照部は、所定の小さなヒータ加熱パワーで比較的低温に加熱して、これらのヒータ加熱停止後のそれぞれの温度センサ２０aと２０ｂとの出力の時間積分の積分出力値の差、または、ヒータ加熱停止後の時々刻々のそれぞれの温度センサ２０aと２０ｂとの出力差の時間積分の積分出力値を利用するなどして、周囲媒体の特性や周囲媒体の同定をすることもできる。これは、周囲媒体が空気の場合やアルゴンガスの場合など異なるガスでは、同一気圧の下でそれらの熱伝導率の温度依存性が異なるため、２つの異なる温度での加熱された薄膜１０の放熱状態が異なるから、予め用意してある各種周囲媒体の特定温度の熱伝導率やその温度依存性データを基にして、周囲媒体の熱的情報を得ることができると共に、単一の気体であるなどの特定条件下では、周囲媒体の特定することもできる。
【００４６】
本発明の請求項１４に係わる熱伝導型センサは、検出部である薄膜１０aのヒータ２５aには、所定の電力、電圧、電流で、もしくは、所定の温度になるように上記ヒータ２５aを加熱して、その加熱を停止後の冷却期間中の所定の期間、上記温度センサ２０aの出力を時間積分して、その時間積分値を第１の積分出力とし、参照部である薄膜１０ｂのヒータ２５ｂには、所定の温度になるまで加熱し、その加熱停止後の冷却過程で、前記温度センサ２０ｂの出力を、第１のヒータ加熱後の時間積分と同一の期間の時間積分を行い第２の積分出力として、これらの第１の積分出力と第２の積分出力を利用するようにした場合である。
【００４７】
ここでは、２個の薄膜１０aと薄膜１０ｂとを備えているので、これらの検出部である薄膜１０aでの温度センサ２０aの出力の時間積分と、参照部である薄膜１０ｂでの温度センサ２０ｂの出力の時間積分とを同時に行うことができる。第１の積分出力から第２の積分出力を差し引くようにする差引積分値の出力動作は、時々刻々の温度センサ２０aの出力と温度センサ２０ｂの出力とを、差し引きながらその結果を同時に時間積分して、差引積分値を取り出すようにすることもできるし、それぞれ温度センサ２０aの出力の時間積分動作と温度センサ２０ｂの出力の時間積分動作とを独立に、しかも同時に行い、その結果の第１の積分出力と第２の積分出力の差し引き動作により差引積分値を取り出すようにすることもできる。
【００４８】
本発明の請求項１５に係わる熱伝導型センサは、少なくとも電源回路、増幅回路、演算回路および制御回路を備えた場合である。電源回路は、ヒータ２５の駆動や他の回路への電源の供給に関わる回路であり、増幅回路は、温度センサ２０の出力を増幅する回路である。上述で温度センサ２０の出力という表現をしているが、一般には、温度センサ２０の生の出力は小さいので、初段増幅後以降の出力を指すが、もちろん、温度センサ２０の生の出力信号を指すこともある。演算回路は、温度センサ２０aや温度センサ２０ｂからの出力やこれらに基づく差引積分、また、これらの出力信号などを利用し、更にメモリ回路との組み合わせにより被測定物理量、例えば、不純物ガス濃度を算出するために用いることを主にした回路である。また、制御回路は、ヒータ２５の温度制御やヒータ２５のパルス駆動時の通電時間、冷却期間、積分時間の設定、時間積分動作や差引動作などの制御やフィードバック制御などを行う回路である。
【００４９】
本発明の請求項１６に係わる水素ガスセンサは、請求項１から１５のいずれかに記載の熱伝導型センサであって、周囲媒体としての気体中の物理量としての水素ガス濃度に関する信号を出力するようにしたことを特徴とするものである。
【００５０】
水素ガスは、その分子量が気体中で最も小さいことから最も熱伝導率の良いガスである。従って、実験によると、空気中に４から５％以上の水素ガスが存在すると、パラジウム（Pd）などの水素吸収発熱型の水素ガスセンサによる薄膜の温度上昇よりも冷却効果が大きくなり、数％以上の水素ガス濃度検出では、熱伝導型として、水素ガスセンサを利用した方が好適であることが分かっている。
【００５１】
本発明の請求項１７に係わる水素ガスセンサは、熱伝導型センサのセンサチップの同一基板１に、更に、基板１から熱分離した少なくとももう一つの薄膜１０ｃを備え、該薄膜１０ｃには、水素吸収発熱膜を形成してあり、水素吸収発熱型としても利用できるようにした場合である。
【００５２】
空気中の水素ガス濃度が、少なくなると、熱伝導型センサとしての水素ガスセンサの感度が小さくなるので、低濃度の水素ガス検出においては、周囲温度補正にも使用できるように、熱伝導型センサの同一の基板１に、薄膜１０と同様に基板１から熱分離させ、しかも同等な形状をさせた薄膜１０ｃに水素吸収発熱膜形成して、この水素吸収発熱による微少な温度上昇を計測した方が高感度になることも分かっている。従って、ここでは、水素ガス濃度が数％以上１００％までの高水素ガス濃度では、薄膜１０を用いて本発明の熱伝導型センサとして動作させ、水素ガス濃度を計測できるようにして、１ｐｐｍ程度から数％の低水素ガス濃度の計測では、水素吸収発熱型の水素ガスセンサとしても提供できるようにしたものである。
【００５３】
本発明の請求項１８に係わる絶対湿度センサは、請求項１から１５のいずれかに記載の熱伝導型センサであって、周囲媒体としての気体中の物理量としての水蒸気濃度に関する信号を出力するようにしたことを特徴とする場合である。
【００５４】
一般にガスの熱伝導率は温度上昇と共に、ほぼ直線的に大きくなり、水蒸気の熱伝導率の温度に対するその直線の勾配は、空気の熱伝導率の温度に対する勾配よりも大きく、温度１２０℃から１５０℃付近で交差する。すなわち、この温度域で同一の熱伝導率になる。室温は、一般に、１２０℃から１５０℃よりも低い温度なので、所定の一定温度に室温から加熱する場合、所定の温度を、この１２０℃から１５０℃の範囲の温度になるように指定した方が良い。この温度域は、熱伝導率の湿度依存性（水蒸気濃度依存性）が無い温度領域なので、多少の指定した温度にバラつきがあっても、熱伝導型センサとして誤差が小さく、校正が単純になるからである。
【００５５】
本発明の熱伝導型センサを絶対湿度センサに適用するには、例えば、先ず、室温からできるだけ高温、例えば、４５０℃になるように薄膜１０をヒータ２５で加熱し、この時のヒータ加熱停止直後から温度センサ２０の出力を時間積分した第１の積分出力値を出力できるようにしておく。次に、空気中の湿度の変動がなく、しかも周囲温度が変化しない程度の短時間に、１２０℃から１５０℃の範囲のうちの所定の温度、例えば、１３０℃の温度になるように室温から薄膜１０をヒータ２５で加熱し、この時のヒータ加熱停止直後から温度センサ２０の出力を時間積分した第２の積分出力値を出力できるようにしておく。そして、これらの第１の積分出力値から第２の積分出力値を差引演算して、その差引積分値を求めると、室温から１３０℃の温度（１３０℃では、絶対湿度に依らず空気の熱伝導率に等しい）までの室温の温度の影響が除去されるので、差引積分値の値と予め用意してある校正データを基にして、空気中の絶対湿度を周囲温度補正した形で計測できる。
【００５６】
もちろん、第２のヒータ加熱である所定の指定温度に室温から加熱する場合、この１２０℃から１５０℃の範囲の温度域より高い温度、例えば、２５０℃に指定しても良い。この場合でも、その時の差引積分値の値と、これに対応する予め用意してある校正データを基にして、空気中の絶対湿度を周囲温度の効果を打ち消す形（周囲温度補正）で計測することができる。
【００５７】
本発明の請求項１９に係わる熱伝導型センサチップは、請求項１２から１４のいずれかに記載の周囲温度の効果を打ち消すようにした熱伝導型センサを提供するのに、基板１から熱分離したカンチレバ状の薄膜１０に、ヒータ２５と温度差センサから成る温度センサ２０と有し、薄膜１０に前記温度センサ２０の他に、絶対温度センサを備えたことを特徴とするものである。
【００５８】
温度センサ２０として、薄膜１０の上に形成したシリコン酸化膜などの絶縁膜上に白金抵抗体などの薄膜の測温抵抗体の絶対温度センサを用いても良いが、薄膜熱電対などの温度差センサを用いた場合は、所定の（指定した）温度に加熱するのに、何らかの形で薄膜１０の絶対温度を知る必要がある。ヒータ加熱中に薄膜１０の温度を知るには、極めて高速に断続ヒータ加熱をするなどして、そのヒータ加熱を停止した瞬間的な期間に温度差センサとして動作させて、基板１からの温度上昇分をチェックして、基板１に形成している絶対温度センサと組み合わせて、薄膜１０のその時点での温度を計測して、これを繰り返して、薄膜１０の昇温状態を把握し、それぞれの時点での温度を計測すると共に、所定の指定した温度に到達したときにヒータ加熱を止めるといった方法があるが、薄膜１０の熱容量が小さいので、加熱・冷却の温度差が激しく、このような計測は回路的にも困難である。そこで、ここでは、カンチレバ状の薄膜１０に、絶対温度センサを形成して、直接、薄膜１０の温度をリアルタイムで計測できるようにした場合である。薄膜１０を所定の指定した温度に加熱昇温するには好適である。
【００５９】
本発明の請求項２０に係わる熱伝導型センサチップは、前記カンチレバのうち、前記温度差センサの温接点付近の温度が計測できるように、前記絶対温度センサを、該温接点付近に形成した場合である。
【００６０】
薄膜１０がカンチレバ状であれば、その先端部は、薄膜１０の終端部であるから、そこに絶対温度センサを形成すると、ヒータ加熱時のヒータ電流の影響を小さくすることができる。また、前記絶対温度センサを温度差センサ（薄膜熱電対）の温接点付近に形成することにより、温接点付近の絶対温度を計測することができる。薄膜熱電対をヒータ２５としても利用するので、その温接点を、カンチレバの先端付近に設けると最も温度が高い領域であり、更に、薄膜熱電対の温接点は、冷接点（基板１に形成）に対して、ここの温度を計測する個所であるから、絶対温度センサもこの近傍に形成することにより、最も温度が高い領域の温接点付近の絶対温度を計測することになる。熱伝導型センサとしては、高温であるほど、一般にその感度が大きくなるので、薄膜１０の中で最も高温領域の温度計測が重要である。
【００６１】
本発明の請求項２１に係わる熱伝導型センサチップは、請求項１９から２０のいずれかに記載の熱伝導型センサチップにおいて、前記絶対温度センサを半導体ダイオードとし、ヒータ２５への供給電圧の少なくともその一部を前記半導体ダイオードの駆動電源として利用できるように配線をした場合である。
【００６２】
半導体ダイオードは、ｐｎ接合ダイオードやバイポーラトランジスタの２つのｐｎ接合のうちの一方のｐｎ接合、例えば、エミッタEとベースBとの間のｐｎ接合を利用して、公知の絶対温度センサとして利用することができる。
【００６３】
ヒータ２５への電圧供給は、カンチレバ状薄膜１０の上を先端部付近まで延びている金属薄膜配線を通して行われる。特に、温度差センサ兼ヒータとしての動作では、この金属薄膜配線は、熱伝導体薄膜としても用いるもので、数Ω以上の抵抗値を有することが多い。また、その所定の抵抗値になるように設計製作することもできる。２００℃程度の温度上昇を得るためには、例えば、ヒータ２５への供給電圧は５Ｖ程度で有り、前記金属薄膜配線での電圧降下は、０．５Ｖ程度になる。この電圧をそのまま、絶対温度センサとして利用する半導体ダイオードの順電圧として利用しても良いし、この電圧が大きい場合は、前記金属薄膜配線の途中から端子を出して、半導体ダイオードの順電圧として利用できるように配線すると、ヒータ加熱の時にこの電圧を利用して半導体ダイオードを絶対温度センサとして動作させることできる。また、前記半導体ダイオードを絶対温度センサとして動作させるのに必要な駆動電源電圧に達しない場合は、例えば、外部から新たに必要な電圧を導入して、半導体ダイオードの所定の駆動電源電圧が得られるように配線を形成しておくようにしても良い。
【００６４】
本発明の請求項２２に係わる熱伝導型センサチップは、半導体ダイオードに、電流が流入したときに、この半導体ダイオードに印加される電圧を計測するための電圧端子と、この半導体ダイオードに流れている電流を計測するための電流端子とを備えた場合である。
【００６５】
ヒータ加熱の際には、必要に応じて５Ｖ以上の電圧を、ヒータ抵抗５０Ω程度に流すことになるから、数Ωのヒータ２５への配線抵抗でもその両端に発生する電圧は無視できない。本発明では、絶対温度センサとしての半導体ダイオードを、ＳＯＩ層から成る単結晶シリコン薄膜に形成することが多い。この場合、温度センサ２０としての薄膜熱電対とヒータ２５とを兼用にして用い、絶対温度センサとしての半導体ダイオードと同一のＳＯＩ層に形成することになり、特に、ヒータ２５として駆動した時には、共通するＳＯＩ層に、大きなヒータ電流が流れ、ここでの電圧降下の問題、回路構成上の共通アースの問題、比較的ヒータ抵抗値が小さいことなどから、半導体ダイオードを絶対温度センサとして駆動する場合に工夫が必要になる。従って、ここでは、ヒータ電流による電圧降下とは独立に、半導体ダイオードだけに印加される電圧を計測する必要があり、そのために、半導体ダイオードに流れる電る鵜を計測するための電流端子と、半導体ダイオードだけに印加される電圧を計測するための電圧端子とを形成して、四端子法としての正確な半導体ダイオードへの印加電圧を計測できるようにしたものである。もちろん、四端子法では、一方の電流端子側の配線の抵抗での電圧降下が無視できる時には、その端子側では、電圧端子と電流端子とを共通にした三端子として使用することができる。
【発明の効果】
【００６６】
本発明の熱伝導型センサでは、薄膜１０に形成したヒータ２５と温度センサ２０を用いて、ヒータ加熱を停止後の冷却過程での所定の期間、上記温度センサ２０の出力を時間積分して、その時間積分値の出力を利用して周囲媒体の物理量を計測するようにしているので、ノイズが多い加熱サイクル中で温度計測ではなく、ノイズが極めて少ないヒータ停止後の温度センサ２０の出力を取り出すこと、しかも、その冷却過程でその出力の時間積分を行い、その積分出力値を出力として取り出すので、正負に揺らぐノイズを時間平均で除去すると共に、時間積分による時間と温度センサ出力の積の形のために、微小な温度センサ出力でも大きな変化として取り出すことができる。このために高いＳ／Ｎのセンサ出力が得られ、高精度で高感度の熱伝導型センサが提供できるという利点がある。
【００６７】
本発明の熱伝導型センサでは、ヒータ加熱を停止直後の冷却過程での所定の期間、上記温度センサ２０の出力を時間積分して、その時間積分値の出力を利用して周囲媒体の物理量を計測することで、必ずしもヒータ加熱時の温度センサによる温度計測が必要としないという利点がある。
【００６８】
本発明の熱伝導型センサでは、ヒータの加熱・冷却サイクルを、クロックパルスを利用し、これと同期させて行うことができる。このとき、冷却サイクル時のクロックパルスと同期させて、温度センサ２０の出力の所定の時間積分期間の始まりと終わりを決定できるので、単純な回路で済み、安価な熱伝導型センサが提供できるという利点がある。
【００６９】
本発明の熱伝導型センサでは、温度センサ２０を温度差センサとし、更に温度センサ２０をヒータ２５と兼用にすることができるので、極めて単純な構造と回路構成ができると共に、極めてコンパクトな熱伝導型センサチップと、これを用いた安価な熱伝導型センサが提供できるという利点がある。
【００７０】
本発明の熱伝導型センサでは、単一の薄膜１０の加熱を高温側（例えば、４００℃以上）と低温側（例えば、１００℃程度）の２回行い、これらのヒータ加熱後の時間積分値であるそれぞれの第１の積分出力値と第２の積分出力値の差（差引積分値）を利用して、周囲媒体の周囲温度補正を行うことができるという利点がある。
【００７１】
本発明の熱伝導型センサでは、薄膜１０として、同等な形状で形成してある少なくとも２個の薄膜１０aと薄膜１０ｂをそれぞれ検出部と参照部として用意し、これらのヒータ加熱後の同時時間積分値であるそれぞれの第１の積分出力値と第２の積分出力値の差（差引積分値）を利用して、周囲媒体の周囲温度補正を容易に行うことができるという利点がある。
【００７２】
本発明の熱伝導型センサ用の熱伝導型センサチップでは、温度センサ２０としての温度差センサの他に、絶対温度センサとしての半導体ダイオードをも備えて、ヒータ２５の加熱時の薄膜１０の絶対温度を計測するための半導体ダイオードの駆動電源を、ヒータ２５の加熱時のヒータでの電圧降下の一部を利用できるように半導体ダイオードに配線し、電圧端子と電流端子に分割形成することで、容易に薄膜１０の絶対温度の計測が達成できる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の熱伝導型センサの動作を示すタイムチャートで、図１（Ａ）は、クロックパルス信号波形で、図１（Ｂ）は、温度センサ２０からの信号波形の一実施例である。（実施例１）
【図２】本発明の熱伝導型センサを実施するための熱伝導型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１）
【図３】本発明の図２に示す熱伝導型センサチップのＸ−Ｘ線に沿った断面概略図である。（実施例１）
【図４】本本発明の熱伝導型センサを実施するための熱伝導型センサチップの他の一実施例である。（実施例２）
【図５】本発明の熱伝導型センサの他の一実施例の動作を示すタイムチャートである。（実施例２、実施例４、実施例６）
【図６】本発明の熱伝導型センサを実施するための熱伝導型センサチップの他の一実施例である。（実施例３）
【図７】本発明の熱伝導型センサを実施するための熱伝導型センサチップの他の一実施例である。（実施例４）
【図８】本発明の熱伝導型センサを水素ガスセンサとして実施した時の水素ガスセンサチップの一実施例の平面概略図を示す。（実施例５）
【図９】本発明の熱伝導型センサを水素ガスセンサとして実施した時の水素ガスセンサチップの他の一実施例の平面概略図を示す。（実施例６）
【図１０】本発明の熱伝導型センサの動作を示す他の一実施例を示すタイムチャートである。（実施例３、実施例５）
【図１１】本発明の熱伝導型センサを水素ガスセンサとして実施した時の水素ガスセンサチップの他の一実施例の平面概略図を示す。（実施例７）
【図１２】本発明の熱伝導型センサを動作させるための構成の一実施例のブロック概略図である。（実施例８）
【発明を実施するための形態】
【００７４】
以下、本発明の熱伝導型センサおよび熱伝導型センサチップは、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）基板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】
【００７５】
図１は、本発明の熱伝導型センサの動作を示すタイムチャートで、図１（Ａ）は、クロックパルス信号波形で、図１（Ｂ）は、温度センサ２０からの出力信号波形を示す一実施例であり、図２に示すような単純構成の単一の基板１から熱分離した薄膜１０を備えた熱伝導型センサチップを用いて、薄膜１０に形成してヒータ２５兼温度センサ２０のヒータ２５を所定の電力で加熱・冷却した場合である。その加熱サイクル（ここでは、１回だけの加熱や冷却ではなく、繰り返して加熱・冷却が行われるので、サイクルという語句を入れている）および冷却サイクルで出力信号波形の一例を示し、更に、冷却サイクルでの温度センサ２０からの信号出力の時間積分の様子も示している。そして、周囲媒体の熱伝導率が大きい時の予想される波形と、熱伝導率が小さい時の予想される波形を同一の図１（Ｂ）に示している。また、図１（Ａ）には、加熱・冷却のサイクルの時間基準となるクロックパルス信号の一例を示している。
【００７６】
ここでは、実施例として、温度センサ２０として薄膜熱電対（温度差センサ）を用いた場合で、冷却過程では、加熱された薄膜１０は最終的に周囲媒体の温度である室温に戻るので、温度センサ出力は、ゼロに漸近する。なお、温度センサ出力は、薄膜熱電対である温度差センサの出力なので、ほぼ薄膜１０の温度上昇分と考えることができる。すなわち、温度センサ出力は、ゼロということは、温度上昇分がゼロということに対応する。図１（Ｂ）に示すように、周囲媒体の熱伝導率が大きい時は、同一のヒータ供給電力Ｐにおいて、周囲媒体への放熱が激しいので、薄膜１０の温度が上昇し難く、低い温度上昇分となり、更に、冷却過程（冷却サイクル）では、放熱が激しいので、冷却速度が大きく、熱時定数が小さくなる。これに対して、周囲媒体の熱伝導率が小さい時は、同一のヒータ供給電力Ｐにおいて、放熱が小さく、高温まで熱せられて飽和に達する。また、冷却過程では、やはり、放熱が小さいのでゆっくりと冷却されて、その熱時定数が大きくなる。このようなことから、冷却サイクルでのヒータ加熱停止直後から次の加熱サイクルの始まりまでの温度センサ２０の出力の時間積分（図１（Ｂ）の冷却サイクルでの斜線部分の面積）は、周囲媒体の熱伝導率が小さい方が、熱伝導率が大きい場合よりも非常に大きくなっていることが分かる。すなわち、周囲媒体の熱伝導率が小さい場合と大きい場合とのヒータ加熱サイクルでの温度センサ出力波形の終端での値の比よりも、冷却サイクルでの時間積分値（斜線の面積）の比の方が、時間積分の効果で増幅され何倍も大きくなり得ることも分かる。このようにして、ヒータ加熱中に温度センサの出力を計測しなくとも、加熱停止後のノイズが少ない冷却サイクルでの時間積分により、安定して、しかも、増幅した形で出力が得られることが分かる。従って、周囲媒体の不純物ガス濃度や真空度、流量などの物理量の変化により周囲媒体の等価的な熱伝導率が変化することから、これらの物理量が本発明の熱伝導型センサを用いて、高感度で、かつ高精度に計測できることが分かる。
【００７７】
図２は、本発明の熱伝導型センサを実施するための単一の薄膜１０を備えた熱伝導型センサチップの一実施例を示す平面概略図で、図３は、そのＸ―Ｘ線に沿った断面概略図である。これは、公知のＭＥＭＳ製作技術により形成することができる。ここでは、ＳＯＩ基板のＳＯＩ層１１を用いて、カンチレバ３０状の薄膜１０を形成し、ここに温度センサ２０として、温度差センサである薄膜熱電対を形成してあり、これをヒータ２５としても兼用にした例である。薄膜熱電対は、ＳＯＩ層１１（例えば、ｎ型シリコン単結晶膜で、厚み１０μｍ程度）を第１の熱電導体１２０aとし、その上にＳＯＩ層１１を熱酸化して形成したシリコン酸化膜である絶縁膜５０を介して形成してある第２の熱電導体１２０ｂ（例えば、ニッケル薄膜）を形成して、温接点２６としてのオーム性コンタクト６０を作成して形成される。基板１には、薄膜熱電対の冷接点２７を形成している。カンチレバ３０の長さは、７００μｍ程度で良い。また、ここでは、基板温度を計測するために、基板１にバイポーラトランジスタを形成してあり、この中のエミッタＥとベースＢ間のｐｎ接合ダイオード（半導体ダイオード）を利用して、基板１の絶対温度を計測するための絶対温度センサ２３として利用している。ベースＢとコレクタＣとは、電極パッド７３ｂで短絡して一つの端子としている。なお、半導体ダイオード２４を絶対温度センサ２３として使用する方法は、半導体ダイオード２４に、一定の順電圧を印加し、その時のダイオード電流の温度依存性から求める方法、一定の電流を流し、その時のダイオード順電圧の温度依存性から求める方法、高温では、ダイオードの逆方向電流の温度依存性から求める方法などがある。なお、図２に示すように、単一の薄膜１０を用いてこれを加熱した方が、熱伝導型センサチップの重力方向に対する向きの依存性が少なく、熱対流などに対する熱的補正が少なくて済むという利点がある。
【００７８】
本実施例では、温度センサ２０をヒータ２５と兼用にしているが、もちろん、ヒータ２５としてＳＯＩ層１１の上に形成しているシリコン酸化膜の絶縁膜５０の上に、ニクロム薄膜の抵抗体の薄膜を用いて形成しても良い。同様に、温度センサ２０もヒータ２５とは独立に、白金薄膜などの測温抵抗体による温度センサとしても良い。温度センサ２０として、薄膜熱電対のような温度差センサを用いない時には、上述の温度センサ出力波形は、図１（Ｂ）に示す場合とは、多少異なり、一般には、冷却サイクルでの温度センサ出力は、ゼロに漸近せず、周囲媒体の温度である室温での絶対温度出力値に漸近するようになる。このような場合には、ゼロ位法が使用できず、一般には温度センサ２０として温度差センサを用いた場合よりも精度が乏しくなる。
【実施例２】
【００７９】
図４は、本発明の熱伝導型センサを実施するための熱伝導型センサチップの他の一実施例で、図２に示した熱伝導型センサチップにおける薄膜１０を２個設けた場合である。２個の薄膜１０をそれぞれ薄膜１０a（検出部）と薄膜１０ｂ（参照部）とし、それぞれに温度センサ２０aとヒータ２５aおよび温度センサ２０ｂとヒータ２５ｂとを形成してあり、ここでは、特に、それぞれ温度センサ２０aとヒータ２５aおよび温度センサ２０ｂとヒータ２５ｂとを兼用として用いた場合を示している。基板１には、図２と同様、バイポーラトランジスタを半導体ダイオード２４として用いるようにして、絶対温度センサ２３を形成している場合である。
【００８０】
図４に示した熱伝導型センサチップの薄膜１０a（検出部）のヒータ２５aに、例えば、５．０Ｖの矩形波パルスを印加して、薄膜１０a（検出部）を加熱し、その加熱停止後の冷却サイクルで、今度は、ヒータ２５aを温度差センサである温度センサ２０aとして動作させて、その出力をコンデンサに充電するなどして時間積分（第１の出力積分）する。また、このとき薄膜１０ｂ（参照部）には、薄膜１０a（検出部）のヒータ加熱と同期して、例えば、３．０Ｖでそこに形成しているヒータ２５ｂを加熱する。そして、その加熱停止後の冷却サイクルで、今度は、ヒータ２５ｂを温度差センサである温度センサ２０ｂとして動作させて、その出力をコンデンサに充電するなどして時間積分（第２の出力積分）する。この時の様子を、図５に示す。この図５は、本発明の熱伝導型センサの他の一実施例の動作を示すタイムチャートであり、薄膜１０a（検出部）を高温に加熱した時（５．０Ｖで加熱）の加熱サイクルと冷却サイクルの温度センサ２０aの出力波形（検出部波形）と、薄膜１０ｂ（参照部）を比較的低温に加熱した時（３．０Ｖで加熱）の加熱サイクルと冷却サイクルの温度センサ２０ｂの出力波形（参照部波形）を示し、更に、冷却サイクルでの時間積分（斜線部）の第１の出力積分と第２の出力積分をも示している。この場合、前記したが、それぞれの第１の出力積分と第２の出力積分とのそれぞれの積分結果の値（積分出力値）の差を求めて、その出力差（差引積分値）を出力として取り出しても良いが、時々刻々温度センサ２０aと温度センサ２０ｂとの差をコンデンサなどに充電して、積分させても良い。もちろん、これらを、コンデンサを用いずに、ＩＣメモリに入力記録して、デジタル的に加算処理などをしても良い。なお、本実施例では、温度センサ２０aと温度センサ２０ｂとを、共に薄膜熱電対である温度差センサを用いているので、温度センサ出力の縦軸の原点Ｖｏは、本質的にゼロになる。このために高精度な計測が可能となる。
【００８１】
上述のように、第１の出力積分と第２の出力積分の差から熱伝導型センサとして各種の物理量を引き出すことができる。図４に示したように、基板１に絶対温度センサ２３を有しているので、周囲媒体の温度（室温）が分かっている。そして、薄膜１０aと薄膜１０ｂとに供給する電力（ヒータ抵抗の温度による変化が無視できれば、印加電圧や供給電流により定まる）にほぼ比例して温度上昇分が決まる。そして、周囲媒体が気体（ガス）の場合で、１種類の気体であることが分かっている場合（純粋の空気の場合は、窒素ガスと酸素とのはっきりとした混合比率の混合ガスであるので、これを１種類のガスとして取り扱うことができる）、一般にその熱伝導率は、温度上昇と共に直線的に大きくなり、その熱伝導率の温度に対する勾配と熱伝導率の大きさが、気体の種類により異なる。したがって、熱伝導率の大きい気体（一般に、水素ガスのように分子量が小さい気体）の方が、第１の積分出力値が小さく、更に、第１の積分出力値から第２の積分出力値を差し引いた差引積分値は、その気体の熱伝導率の温度に対する勾配に関係するので、これらの情報から周囲媒体を、ほぼ特定することができる。
【００８２】
また、本発明の熱伝導型センサを、絶対湿度センサに適用することができる。その場合、周囲媒体が空気で有り、不純物ガスとして空気中の水蒸気量であり、物理量は絶対湿度（単に体積中に含まれる水蒸気の重量）である。空気中の水蒸気量が多いほど、その湿潤空気の熱伝導率が上昇するが、純粋空気の熱伝導率の温度依存性よりも湿潤空気の熱伝導率の温度依存性が大きく、同一の絶対湿度の下での熱伝導率は温度上昇と共に直線的に上昇するが、その傾きは、絶対湿度が大きいほど大きくなり、約１２０℃から１５０℃で、純粋空気の熱伝導率の温度依存性の直線的上昇カーブと交差する形をとることが分かっている。すなわち、約１２０℃から１５０℃では、水蒸気の量に関わらずその熱伝導率は、純粋の空気の熱伝導率にほぼ等しい。このことは、薄膜１０a（検出部）を４００℃以上になる程度に所定のヒータ加熱パワーで加熱し（第１の積分出力値を得るため）、薄膜１０ｂ（参照部）の方のヒータ加熱は、室温から約１２０℃から１５０℃の範囲に入るような所定の低い加熱パワーで加熱して（第２の積分出力値を得るため）、それらのヒータ加熱停止後の前記の第１の積分出力値から第２の積分出力値を差し引いた差引積分値は、室温の効果を打ち消した情報を与えるので、予め用意してある絶対湿度と差引積分値との関係の校正データ、および必要に応じて第１の積分出力値と基板１の絶対温度をも利用して、空気中の絶対湿度を計測することができる。なお、差引積分値は、絶対湿度が大きいと高温での熱伝導率が大きくなるので、絶対湿度が小さい時に比較して小さくなる。
【００８３】
また、図４では、温度センサ２０aと温度センサ２０ｂとして、温度差センサを用いたが、これを測温抵抗体やｐｎ接合ダイオードなどの絶対温度センサとした場合は、図５に示した温度センサ出力の原点Ｖｏが、ゼロにならず、周囲媒体の室温での絶対温度センサの出力値になり、温度センサ２０の出力波形における冷却サイクルの最終値は、この出力Ｖｏに漸近することになる。従って、第１の積分出力値から第２の積分出力値を差し引いた差引積分値は、周囲温度によらず、第１の積分出力値と第２の積分出力値に共通する出力Ｖｏを差し引くので、温度センサ２０aと温度センサ２０ｂとして、温度差センサを用いた場合と同様に周囲温度からの温度上昇分の出力差を出力として取り出すことができる。そして、第１の積分出力値は、絶対温度センサの出力であるから、その第１の積分出力値と基板１に形成してある絶対温度センサ２３の情報と組み合わせ、予め用意してある校正データを利用して、周囲媒体の室温の影響を除く、すなわち周囲温度補正を行うような熱伝導型センサが提供される。
【実施例３】
【００８４】
図６には、実施例１における図２と同様に、単一の薄膜１０を有する単純構成の熱伝導型センサチップの一実施例の平面概略図を示す。図２との大きな違いは、図６では、薄膜１０に、温度センサ２０の他に、絶対温度センサ２３aを備えていることである。本実施例では、その絶対温度センサ２３aとして、半導体ダイオード２４を使用している。そして、温度センサ２０としての薄膜熱電対の温接点２６の個所から配線１１０を形成し、半導体ダイオード２４の一方の電極８０aに接続してあり、他方の電極８０ｂは、配線１１０により電流端子１１５兼電圧端子１１６である電極パッド７１ｂに接続している。このようにして、ヒータ２５に加熱のための印加電圧、例えば、５．０Ｖを印加した時には、ヒータ２５の一部としても使用している一方の熱電導体１２０ｂでの電圧降下が半導体ダイオード２４の駆動電源の少なくとも一部になるように回路構成している。一方の熱電導体１２０ｂは、たとえば、ニッケル薄膜などの金属で形成しているので抵抗値が小さく、例えば、５Ω程度で有り、これに対して、他方の熱電導体１２０aのＳＯＩ層１１の抵抗値が５０Ω程度あるので、熱電導体１２０ｂでの電圧降下は、０．５Ｖ程度である。この電圧の０．５Ｖ程度が、５．０Ｖのヒータ加熱電圧の印加時に半導体ダイオード２４の順電圧として印加されるように、図６に示した熱伝導型センサチップの外部に回路構成をしている。この外部回路構成では、公知の技術であるために、ここでは詳細を省略するが、半導体ダイオード２４を流れる電流を計測して、その値からカンチレバ３０状の薄膜１０の先端付近の絶対温度を計測することができる。なお、半導体ダイオード２４の感温部であるｐｎ接合部の位置を温度センサ２０としての薄膜熱電対の温接点２６の近くに形成してあるので、ほぼ、温接点２６の絶対温度を計測していると考えて良い。また、外部回路構成では、必要に応じて、熱電導体１２０ｂでの電圧降下である０．５Ｖ程度は、半導体ダイオード２４の駆動電圧として足りない時には、外部から所定の駆動電圧になるように調整する回路機構を備えておくこともできる。
【００８５】
上述では、カンチレバ３０状の薄膜１０の先端付近に形成した半導体ダイオード２４の駆動において、所定の順電圧を印加できるようにして、流れる順電流の温度依存性から絶対温度を計測するようにしているが、これとは逆に、熱電導体１２０ｂでの電圧降下である０．５Ｖの駆動電源をも加味して、所定の一定電流を半導体ダイオード２４に流すように、熱伝導型センサチップの外部回路を構成することもできる。このとき、半導体ダイオード２４に印加されている電圧を計測する必要があるので、半導体ダイオード２４の薄膜熱電対の温接点２６側から配線１１０を介しての一方の電極８０aから配線１１０を介して電圧端子１１６となる電極パッド７１aを形成している。また、半導体ダイオード２４の他方の電極８０ｂからは、配線１１０を介して電流端子１１５兼電圧端子１１６となる電極パッド７１ｂを形成して、擬似的な四端子法で、精密な半導体ダイオード２４の印加電圧を計測できるように、電流端子１１５と電圧端子１１６とを分離形成している。ただ、ここでは、ヒータ２５の一部である熱電導体１２０ｂでの電圧降下は、ヒータ駆動のために大きな電流を流すために大きな値となるが、半導体ダイオード２４には、絶対温度計測のための小さな駆動電流だけであり、実質的に半導体ダイオード２４の内部抵抗が極めて大きいので、他方の電極８０ｂからの金属の配線１１０での電圧降下は無視できる。そのために、これに繋がる電流端子１１５と電圧端子１１６は、共有させて１個にすることができる。なお、ここでの半導体ダイオード２４としては、基板１に形成している絶対温度センサ２３としてのバイポーラトランジスタと同一であるが小型化したものを使用した例である。そこではエミッタＥとベースＢとの間のｐｎ接合ダイオードを使用している。コレクタＣとベースＢとは短絡して、バイポーラトランジスタをダイオードとして利用している。
【００８６】
本実施例の熱伝導型センサでは、上述の図６に示したように、単一のカンチレバ３０状の薄膜１０の先端付近に絶対温度センサ２３aとしての半導体ダイオード２４を形成して、ヒータ２５の加熱時でも、カンチレバ３０状の薄膜１０の先端付近の絶対温度を計測できるようにしている。本実施例における熱伝導型センサの動作を、図１０を用いて説明する。図１０は、本発明の熱伝導型センサの動作を示す他の一実施例を示すタイムチャートで、温度センサ２０である薄膜熱電対の出力の加熱サイクルと冷却サイクルでの出力波形を示し、異なる二つの駆動電力で交互にヒータ駆動した場合である。ここでは、温度センサ２０として温度差センサである薄膜熱電対を使用しているので、図１０における温度センサ出力の原点Ｖｏは、ゼロである。そして、高い温度（周囲媒体の等価的な熱伝導率の関数で、被測定物理量により最適な温度領域が異なるが、例えば、３００℃から５００℃程度までは温度上昇するような電力をヒータに供給する）に加熱するための所定の電力（ヒータ２５の抵抗の温度依存性が無視できる時には、所定の電圧で駆動しても、所定の電流で駆動しても、結局は所定の電力で駆動することに等価である）でヒータ２５を加熱させる。この加熱の停止直後からの冷却サイクルでの温度センサ出力の時間積分が第１の出力積分である。次に、室温の変化が無視できる時間内に、周囲媒体の温度である室温よりも高いが、先ほどの高い温度よりは低い温度であり、所定の指定した温度、例えば、２００℃になるようにヒータ２５（温度センサ２０と兼用）を加熱させる。所定の指定した温度は、絶対温度センサ２３aで計測することができる。この時の加熱の停止後の冷却サイクルでの温度センサ２０の出力の時間積分が第２の出力積分である。室温は、これらの積分時間に比べて十分ゆっくりしか変動しない条件下では、これらの第１の積分出力値から第２の積分出力値を差し引いた差引積分値は、所定の指定した温度以上での出力波形の差引積分値であるから、周囲温度の影響を除去してくれる。従って、このような駆動方式の本発明の熱伝導型センサは、室温に影響されず、ほぼ、絶対湿度、不純物ガス濃度、真空度などの周囲媒体の被測定物理量の等価的な熱伝導率だけの関数になる。このようにして、本実施例の熱伝導型センサにより周囲温度補正が達成される。なお、第１の積分出力値のデータ取得と第２の積分出力値のデータ取得とは、計測時間が異なるので、直接は差し引きができないが、先行する第１の積分出力値を時間的に保持させる回路、例えば、サンプルホールド回路やデジタル的なメモリ回路などを利用して、第２の積分出力値との差を求めることができる。
【実施例４】
【００８７】
実施例３での図６に示した温度センサ２０の他に絶対温度センサ２３aを備えた単一の薄膜１０を有する単純構成の熱伝導型センサチップの代わりに、図７は、図６に示した単一の薄膜１０を、２個の同等な形状の薄膜１０aと薄膜１０ｂとし、この薄膜１０aと薄膜１０ｂを同一の基板１に並べて形成した場合の一実施例の平面概略図である。その他のセンサチップの構成は図６の場合と同様であり、その機能と動作も同様である。ただ、実施例３での図６においては、単一の薄膜１０を有する熱伝導型センサチップであったので、高い温度（例えば、４００℃程度）での所定の電力でのヒータ２５の駆動と、低い温度の所定の温度、例えば、２００℃になるように制御したヒータ２５の駆動とは、２個の薄膜１０aと薄膜１０ｂを利用して、一方の薄膜１０aを検出部とし、他方の薄膜１０ｂを参照部として、同時に加熱・冷却サイクルの駆動ができるので、周囲媒体の温度（室温）が比較的速く変動しても、高速に被測定物理量の計測ができるという利点がある。
【００８８】
上述の実施例２でも図５を用いて、熱伝導型センサの動作を２個の同等な形状の薄膜１０aと薄膜１０ｂとを、同一の基板１に形成した場合の一実施例の説明をした。そこでは、これらの薄膜１０aと薄膜１０ｂに絶対温度センサ２３aと絶対温度センサ２３ｂとが無い場合であったが、本実施例では、薄膜１０aに絶対温度センサ２３aを、薄膜１０ｂに絶対温度センサ２３ｂを備えた場合である。本実施例における動作は、実施例２での図５を用いた場合と同様であるが、その違いを中心に、簡単に本実施例の熱伝導型センサの動作をやはり、図５を用いて説明する。
【００８９】
実施例３での単一の薄膜１０を有する熱伝導型センサチップを用いた場合は、単一の薄膜１０であったので、高い温度、例えば、４００℃、に加熱し、その停止後の冷却サイクルでの温度センサ出力の時間積分が第１の出力積分と、それに引き続く所定の指定した低い温度、例えば、２００℃になるようにヒータ２５加熱停止後の冷却サイクルでの温度センサ出力の時間積分である第２の出力積分とを図１０に示すように交互に行う必要があった。これに対して、本実施例の図７に示す熱伝導型センサチップでは、２個の同等な形状の薄膜１０aと薄膜１０ｂを有するので、図５に示す温度センサの出力波形のように、第１の出力積分と第２の出力積分とを同時に行うことができる点が異なるだけである。その他の機能は、実施例３の場合と同様であるので、詳細な説明を省略する。ただ、本実施例では、温度センサ２０として温度差センサである薄膜熱電対を使用しているので、図５に示す温度センサの出力の原点Ｖｏの値は、ゼロである。このようにして、本実施例によれば、周囲媒体の温度補正ができる熱伝導型センサが提供できる。また、本実施例の図７に示す熱伝導型センサチップには、２つの薄膜１０aと薄膜１０ｂに、それぞれ絶対温度センサ２３aと絶対温度センサ２３ｂとが形成してあるので、例えば、高温側加熱の薄膜１０aの温度も、低温側の薄膜１０ｂの温度も、それぞれ、例えば、所定の温度４５０℃と１００℃とに温度指定ができるという利点もある。
【実施例５】
【００９０】
図８には、熱伝導型センサを水素ガスセンサとして実施した時の水素ガスセンサチップの一実施例の平面概略図を示す。同一基板１に、同等の形状で形成した２個のカンチレバ３０状の薄膜１０と薄膜１０ｃとを基板１から熱分離した形のＳＯＩ層１１で形成してある例を示している。これらの２個のカンチレバ３０状の薄膜１０と薄膜１０ｃには、それぞれ温度センサ２０とヒータ２５とが形成されており、温度センサ２０は、ヒータ２５と兼用にして、温度差センサ２０である薄膜熱電対とした場合である。薄膜１０ｃには、水素吸収発熱型としての水素ガスセンサも提供するために、パラジウム（Ｐｄ）などの水素吸収発熱膜２１０の薄膜が、その先端部付近の薄膜熱電対の温接点２６の上にも絶縁膜を介してでも良いが、重なるように形成してある。水素吸収発熱膜２１０は、微量の水素も吸収し、その吸収時に発熱反応を生じるので、この発熱による薄膜１０ｃの水素吸収発熱膜２１０の温度上昇は、水素ガス濃度が４％程度までの低水素濃度では、水素ガス濃度が多いほど大きい。この温度上昇分を温度差センサ２０である薄膜熱電対で計測して、水素ガス濃度に換算するものである。しかし、水素を吸収した水素吸収発熱膜２１０は、水素吸収が飽和すると発熱反応が止むので、これを放出させるために薄膜１０ｃの水素吸収発熱膜２１０を加熱する必要がある。実験によると、２００℃以上の高温にしないと水素を放出し難く、更に高温に加熱した方が、加熱された水素吸収発熱膜２１０の冷却過程で水素吸収も多くなり、その分、発熱量も多く高感度になることが分かっている。従って、この４％以下の低濃度領域での水素ガス計測では、薄膜１０ｃを検出部として動作させ、周期的に加熱・冷却サイクルを繰り返して、所定の加熱パワーによる加熱サイクルで、例えば、４００℃程度に加熱して、水素の水素吸収発熱膜２１０から放出させ、冷却サイクルで水素吸収発熱による薄膜１０ｃの温度上昇分を、水素吸収発熱型として計測すると良い。そして、もう一つの薄膜１０は、このとき周囲温度補正のための参照部として動作させると良い。このように、図８の熱伝導型センサを水素ガスセンサとして実施した時の水素ガスセンサチップの構造は、実施例１における図２の熱伝導型センサチップでの単一の薄膜１０に、同一形状の薄膜１０Ｃを同一基板１に形成した構造にしている。
【００９１】
水素ガス濃度が４％を越えると、上述したように、水素ガスは、すべての気体の中で最も分子量が小さく、熱伝導率が最も大きいので、加熱しても放熱が激しくなり、むしろ、温度上昇が妨げられるようになる。従って、このような４％以上の水素ガスの高濃度域では、図８の薄膜１０のみを用いて、熱伝導型水素ガスセンサとして動作させた方が好適である。従って、この４％以上の水素ガスの高濃度域では、実施例１における図２の熱伝導型センサの動作と同一で良く、加熱冷却サイクルは、図１に示したように、例えば、薄膜１０を２００℃程度の高温に加熱させて、ヒータ加熱停止直後から温度センサ２０である薄膜熱電対の出力を時間積分させて、その積分出力値の大きさから予め取得していた校正データを基にして水素ガス濃度に換算して、表示できるようにする。水素ガス濃度が大きいと、積分出力値が小さくなる。
【００９２】
このように４％以上の水素ガスの高濃度域では、熱伝導型水素ガスセンサとして使用できるが、その薄膜１０の加熱・冷却サイクルを、高濃度域の同一の水素ガス濃度で、加熱温度を、基板１の温度（室温）より高温ではあるが、異なる温度である高温（例えば、２００℃）と低温（例えば、１００℃）の加熱・冷却サイクルを交互に繰り返すようにして、前述した図１０に示すように、温度センサ２０の出力の加熱停止後の冷却サイクルで時間積分をし、高温側の時間積分を第１の出力積分とし、低温側の時間積分を第２の出力積分として、これらの差し引きした差引積分値を利用すると、周囲媒体である空気中の４％以上の水素ガス濃度を高精度で計測できるばかりでなく、周囲温度補正も達成することができる。なお、本実施例では、温度センサ２０として薄膜熱電対を使用しているので、図１０の温度センサ出力の原点Ｖｏは、ゼロである。このようにして、４％以下の水素ガスの低濃度域での計測は、水素吸収発熱型水素ガスセンサとしての動作で、水素吸収発熱膜２１０の吸収発熱の原理に基づいて薄膜１０ｃを検出部とし、薄膜１０を参照部として動作させ、４％以上１００％までの水素ガスの高濃度域での計測は、熱伝導型水素ガスセンサとして薄膜１０を用いて、水素ガス濃度の計測や水素ガスの検知をすることができる。
【実施例６】
【００９３】
このように４％以上の水素ガスの高濃度域では、熱伝導型水素ガスセンサとして使用できるが、前述の実施例５における図８の熱伝導型センサを水素ガスセンサとして実施した時の水素ガスセンサチップの一実施例に、更に、基板１から熱分離したもう１個の同一の薄膜を追加して、熱伝導型水素ガスセンサとして、温度センサ２０の出力の加熱停止後の冷却サイクルでの時間積分で、高温側の時間積分である第１の出力積分と、低温側の時間積分である第２の出力積分とを、同時に成し遂げるようにした水素ガスセンサチップの他の一実施例の平面概略図を図９に示す。ここでの実施例では、図９に示すように、水素ガス濃度が４％程度以下の低濃度域での水素吸収発熱膜２１０による実施例５で述べたように、水素ガス吸蔵発熱に基づく水素ガス濃度計測に用いる薄膜１０ｃの他に、４％以上の水素ガスの高濃度域での熱伝導型水素ガスセンサ用として、２個の同一形状と同一構造の薄膜１０aと薄膜１０ｂとを、薄膜１０ｃを挟んで対称に備えている。薄膜１０ｃを２個の薄膜１０aと薄膜１０ｂとで対称かつ挟むような構成で配置したのは、これらをヒータ加熱した時に、加熱された周囲ガスが上昇気流となり対流を生じるが、そのようなときでもセンサチップの向きの変化に出力変動が少なくなるように配慮するものである。これらのうち、薄膜１０aは、例えば、所定の電力で高温側の高温加熱するようにし、同時に薄膜１０ｂを、室温よりは高い温度ではあるが、低温側での異なる小さな所定の電力で加熱して、それぞれの加熱停止直後からの冷却サイクルでの温度センサの出力の時間積分である第１の出力積分と第２の出力積分とを、前記した図５に示すように、同時に出力させて、これらの差し引きによる差引積分値を求めるようにする。基板１に形成した絶対温度センサ２３からの周囲媒体の絶対温度情報、第１の積分出力値の情報および差引積分値の情報から、例えば、周囲媒体しての空気中の不純物としての水素ガス濃度（被測定物理量）を、周囲温度に影響されないで、高精度に計測することができる。本実施例の熱伝導型水素ガスセンサにより、同時に第１の出力積分と第２の出力積分とが達成されるので、高速動作の水素ガス濃度計測や水素ガス検知ができる。
【実施例７】
【００９４】
前記実施例４での図７における２個の同等のカンチレバ３０状の薄膜１０aと薄膜１０bとに、それぞれ温度センサ２０aと温度センサ２０ｂの他に、それぞれ絶対温度センサ２３aと絶対温度センサ２３ｂとを備えていたが、本実施例の図１１には、これらの他に、やはり同一形状の薄膜１０ｃの先端部分に、水素吸収発熱膜２１０を形成してあり、水素ガス濃度が４％以下の低濃度域では、前述した水素の吸収発熱での温度上昇を計測する水素吸収発熱型水素ガスセンサを追加した構造の水素ガスセンサチップの平面概略図を示してある。ここでも、実施例６の図９と同様に、ヒータ加熱時の熱対流の効果を打ち消すために、薄膜１０ｃを同一形状の薄膜１０aと薄膜１０bとで対称な構成で、挟むようにして配置してある。この水素吸収発熱型水素ガスセンサの計測については、上述したので、ここでは説明を省略する。また、残りの２個の同等のカンチレバ３０状の薄膜１０aと薄膜１０bを用いた熱伝導型センサの動作は、前記実施例４での図７での動作説明と同様である。ただ、被測定物理量として、周囲媒体としての空気中もしくは他の気体中での水素ガス濃度であり、水素ガス濃度が多いほど、その周囲媒体の熱伝導率が大きくなるので、加熱した１０aと薄膜１０bは、放熱が激しいのでそれほど高温にはなれず、加熱停止直後からの冷却サイクルでの温度センサの出力の時間積分である第１の出力積分と第２の出力積分とも、小さな値となる。実施例６との違いは、温度センサ２０aと温度センサ２０ｂの他に、それぞれ絶対温度センサ２３aと絶対温度センサ２３ｂを備えているので、加熱しながら絶対温度の計測が可能であるから所定の温度になるように制御することができる。すなわち、高温側では、例えば、所定の大きな電力や電圧を、薄膜１０aのヒータ２５に加えると、水素ガス濃度を反映した状態で温度上昇分が定まるが、低温側では、薄膜１０bに形成している絶対温度センサ２３ｂで加熱時に絶対温度を計測して、所定の温度、例えば、１００℃になるように制御する。同時に計測された第１の出力積分と第２の出力積分とから差引積分値を求めることができる。この差引積分値は、周囲温度の効果を打ち消した状態であるので、周囲温度補正がなされ、しかも高速動作の水素ガス濃度の計測や水素ガス検知ができる熱伝導型水素ガスセンサが提供できる。もちろん、本実施例の図１１に示す水素ガスセンサに適用した熱伝導型センサチップには、２つの薄膜１０aと薄膜１０ｂに、それぞれ絶対温度センサ２３aと絶対温度センサ２３ｂとが形成してあるので、例えば、高温側加熱の薄膜１０aの温度も、低温側の薄膜１０ｂの温度も、それぞれ、例えば、所定の温度２００℃と１００℃とに温度指定ができるという利点もある。
【実施例８】
【００９５】
図１２には、本発明の熱伝導型センサを動作させるための構成の一実施例のブロック概略図を示している。熱伝導型センサの適用目的により異なるが、そこには、少なくとも、上述の本発明の熱伝導型センサチップ（熱伝導型水素ガスセンサチップや熱伝導型絶対温度センサチップを含む）や他の回路に電力を供給するための電源回路、熱伝導型センサからの出力を増幅する増幅回路、熱伝導型センサからの出力を利用して物理量を求める演算回路、熱伝導型センサの動作のための制御回路を有しており、ここでは、更に、絶対湿度や水素ガス濃度などの物理量を表示する表示部も備えた場合を示している。
【００９６】
本発明の熱伝導型センサとこれを用いた水素ガスセンサや絶対湿度センサ、更には、これらのセンサチップは、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】
【００９７】
基板から熱分離した薄膜に、ヒータと温度センサとを搭載して、ヒータ加熱したこの薄膜の周囲媒体への熱伝導による放熱状態を温度センサで計測するが、周囲媒体の流量、流速、特定物質の濃度、真空度、更に放射線や赤外線量などの被測定物理量を、等価的な熱伝導率の変化を通して計測するが、本発明の熱伝導型センサは、ヒータ加熱中の温度計測ではなく、ヒータ加熱停止後の冷却過程でのノイズが小さい期間に、温度センサからの出力を時間積分して出力とするので、高いＳ／Ｎが得られ、更に時間積分により微小信号の増幅が達成されるので、高感度の熱伝導型センサが提供できる。温度センサとして、温度差センサである薄膜熱電対を使用すると、これはヒータとしても兼用できるので、非常に単純な構造の熱伝導型センサチップとなると共に、温度センサ兼ヒータとしての動作は、丁度、加熱サイクルでのヒータ動作と冷却サイクルの温度センサ動作とを交互に動作できるので、好適である。また、周囲温度補正も絶対温度センサとの組み合わせで容易に達成できるので、水素ガスセンサ、絶対湿度センサ、フローセンサ、気圧センサなどに適用すれば、高感度、高精度、高速応答でかつ小型で安価な熱伝導型センサが提供できる。
【符号の説明】
【００９８】
１  基板
１０、１０a、１０b、１０ｃ  薄膜
１１  ＳＯＩ層
１５  下地基板
２０、２０a、２０ｂ  温度センサ
２３、２３a、２３ｂ  絶対温度センサ
２４  半導体ダイオード
２５  ヒータ
２６  温接点
２７  冷接点
３０  カンチレバ
４０  空洞
５０  絶縁膜
６０  オーム性コンタクト
７０、７０ａ、７０ｂ、７０ｃ  電極パッド
７１ａ、７１ｂ  電極パッド
７３ａ、７３ｂ  電極パッド
７５  ＳＯＩ層用共通電極パッド
８０ａ、８０ｂ  電極
１１０  配線
１１５  電流端子
１１６  電圧端子
１２０a, １２０b  熱電導体
２１０  水素吸収発熱膜
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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