(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
外気の熱を受容し内部に外気から仕切られたパッケージ室を形成するパッケージと、
前記パッケージ室に収納されたセンサチップと、
を有し、前記センサチップは、
空洞を形成する支持壁の一端に前記パッケージ室の圧力変化により変位するメンブレン部位を一体に形成したチップ変位部と、
前記チップ変位部における前記支持壁の他端に密着配置されて内部に密閉された接点室を形成するチップ接点部と、
前記接点室に配置され、前記メンブレン部位の変位により閉じるノーマルオープン構造の接点と、
前記チップ接点部及びパッケージに形成され、前記接点室を前記チップ接点部及びパッケージを介して外気に開放する通気孔と、
外気の緩慢な温度上昇時に前記パッケージ室の空気を前記通気孔を介して外部に漏洩させて圧力変化を抑制するリーク構造と、
を備えたことを特徴とする熱センサ。
【請求項２】
外気の熱を受容し内部に外気から仕切られたパッケージ室を形成するパッケージと、
前記パッケージ室に収納されたセンサチップと、
を有し、前記センサチップは、
空洞を形成する支持壁の一端に前記パッケージ室の圧力変化により変位するメンブレン部位を一体に形成したチップ変位部と、
前記チップ変位部における前記支持壁の他端に密着配置されて内部に密閉された接点室を形成するチップ接点部と、
前記接点室に配置され、前記メンブレン部位の変位により閉じるノーマルオープン構造の接点と、
外気の緩慢な温度上昇時に前記パッケージ室の空気を前記接点室に漏洩させて前記メンブレン部位の変位を抑制するリーク構造と、
を備えたことを特徴とする熱センサ。
【請求項３】
外気の熱を受容し内部に外気から仕切られたパッケージ室を形成するパッケージと、
前記パッケージ室に収納されたセンサチップと、
を有し、前記センサチップは、
空洞を形成する支持壁の一端に前記パッケージ室の圧力変化により変位するメンブレン部位を一体に形成したチップ変位部と、
前記チップ変位部のメンブレン部位側に密着配置され、前記メンブレン部位に相対して前記パッケージ室に連通した接点室を形成したチップ接点部と、
前記接点室に配置され、前記メンブレン部位の変位により開くノーマルクローズ構造の接点と、
前記チップ変位部の空洞を前記パッケージを介して外気に開放する通気孔と、
外気の緩慢な温度上昇時に前記パッケージ室の空気を前記通気孔を介して外部に漏洩させて圧力変化を抑制するリーク構造と、
を備えたことを特徴とする熱センサ。
【請求項４】
外気の熱を受容し内部に外気から仕切られたパッケージ室を形成するパッケージと、
前記パッケージ室に収納されたセンサチップと、
を有し、前記センサチップは、
空洞を形成する支持壁の一端に前記パッケージ室の圧力変化により変位するメンブレン部位を一体に形成したチップ変位部と、
前記チップ変位部のメンブレン部位側に密着配置され、前記メンブレン部位に相対して前記パッケージ室に連通した接点室を形成したチップ接点部と、
前記接点室に配置され、前記メンブレン部位の変位により開くノーマルクローズ構造の接点と、
外気の緩慢な温度上昇時に前記パッケージ室の空気を前記チップ変位部の空洞に漏洩させて前記メンブレン部位の変位を抑制するリーク構造と、を備えたことを特徴とする熱センサ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載の熱センサに於いて、前記センサチップのチップ変位部及びチップ接点部は、シリコン又はシリコン化合物からなり、前記チップ変位部のメンブレン部位を異方性エッチング又はドライエッチングにより形成することを特徴とする熱センサ。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれかに記載の熱センサに於いて、前記リーク構造は、前記センサチップにおけるシリコン又はシリコン化合物の微細加工により形成され、幅１００μｍ以下、深さ１００μｍ以下の多角形断面形状をもつリーク溝をメンブレン部位に対して水平に備えたことを特徴とする熱センサ。
【請求項７】
請求項１乃至４のいずれかに記載の熱センサに於いて、前記リーク構造は、メンブレン部位の一部に、直径５０μm以下の円形、または一辺５０μm以下の多角形の穴を、メンブレン部位に対して垂直に設けたことを特徴とする熱センサ。
【請求項８】
請求項１乃至４のいずれかに記載の熱センサに於いて、火災による温度の時間変化率を検出して火災検出信号を送出する差動式熱感知器に組み込んだことを特徴とする熱センサ。
【請求項９】
請求項８記載の熱センサに於いて、前記熱センサのパッケージを外部に露出するように前記差動式熱感知器の外カバーに設けたことを特徴とする熱センサ。
【請求項１０】
請求項８記載の熱センサに於いて、前記熱センサのパッケージを前記差動式熱感知器の外カバーと一体に形成したことを特徴とする熱センサ。
【請求項１１】
請求項１乃至４のいずれかに記載の熱センサに於いて、監視区画に配置された空気管の火災による空気膨張量から、火災による温度の時間変化率を検出して火災検出信号を送出する差動式熱感知器に組み込んだことを特徴とする熱センサ。
【請求項１２】
請求項１１記載の熱センサに於いて、前記パッケージに前記空気管を直接接続して前記パッケージ室に前記空気管の空気を導入したことを特徴とする熱センサ。
【請求項１３】
請求項１乃至４のいずれかに記載の熱センサに於いて、前記センサチップは、シリコンまたはシリコン化合物からなる基板の一部を加工して得た、一辺約１ｍｍ以下の矩形または直径約１ｍｍ以下の円筒形の窪地状のメンブレン部を持ち、前記メンブレン部は厚さ１μm乃至１０μmのシリコン化合物または金属からなることを特徴とする熱センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、火災による温度上昇の時間変化率が所定値を越えたときに接点を閉じて火災信号を出力する差動式熱感知器に使用される熱センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の差動式熱感知器は、感知器内に数十ミリメートル大の金属製のチャンバーをダイヤフラムで仕切り、火災による温度上昇を受け、気密空気室内の空気が膨張することにより、気密空気室に連なるダイヤフラムが押され、接点を閉じることにより火災信号を出力するようにしている。また暖房等による緩慢な温度変化による膨張は、気密空気室に設けたリーク管により外部に漏らし、接点を閉じないようにしている。
【０００３】
このように従来の差動式熱感知器は、電気的な要素は接点のみであり、特別な電気回路を必要とせずに単純な機械的構造で済み、そのため低価格を実現し、建物内の火災報知設備の感知器として広く普及している
【特許文献１】特開２００３−１３２４５７号公報
【特許文献２】特開２０００−１３２７６０号公報
【特許文献３】特開平５−２５０５８０号公報
【特許文献４】特開２００１−２４３５６７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このような従来のダイヤフラム式の差動式熱感知器にあっては、チャンバー内にダイヤフラムを配置して気密空気室を形成するという構造上の制約があり、百ミリメートル大の感知器サイズが必要であり、これ以上小さくできないことから、建物内に設置した際に室内デザインを損なう恐れがあり、デザイン面から採用が制約されるという問題がある。
【０００５】
一方、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃａｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）技術を応用した小型化された圧力センサが商品化されており、数ミリメートルといった半導体パッケージに収められ、圧力に応じた電気信号を出力する。
【０００６】
そこで、このような圧力センサを利用して差動式火災感知器の小型化を図ることが考えられるが、この種の圧力センサは検出素子として圧電素子や静電容量を応用したものであり、検出素子から信号を処理して出力するために電気回路部を必要とし、機械的な構造のみで済んでいる既存の差動式熱感知器と同じ機能を持たせるには、小型化はできても高価格になるという問題がある。
【０００７】
本発明は、電気回路部を必要とせずに機械的な構造のみにより差動式熱感知の機能を実現して大幅に小型化可能な熱センサ部を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は熱センサを提供するものであり、
外気の熱を受容し内部に外気から仕切られたパッケージ室を形成するパッケージと、
パッケージ室に収納されたセンサチップと、
を有し、センサチップは、
空洞を形成する支持壁の一端にパッケージ室の圧力変化により変位するメンブレン部位（薄膜部位）を一体に形成したチップ変位部と、
チップ変位部における支持壁の他端に密着配置されて内部に密閉された接点室を形成するチップ接点部と、
接点室に配置され、メンブレン部位の変位により閉じるノーマルオープン構造の接点と、
チップ接点部及びパッケージに形成され、接点室をチップ接点部及びパッケージを介して外気に開放する通気孔と、
外気の緩慢な温度上昇時にパッケージ室の空気を、通気孔を介して外部に漏洩させて圧力変化を抑制するリーク構造と、
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明による熱センサの別の形態にあっては、チップ接点部及びパッケージに形成され、接点室をチップ接点部及びパッケージを介して外気に開放する通気孔をなくしている。
【００１０】
即ち本発明の熱センサは、
外気の熱を受容し内部に外気から仕切られたパッケージ室を形成するパッケージと、
パッケージ室に収納されたセンサチップと、
を有し、センサチップは、
空洞を形成する支持壁の一端にパッケージ室の圧力変化により変位するメンブレン部位を一体に形成したチップ変位部と、
チップ変位部における支持壁の他端に密着配置されて内部に密閉された接点室を形成するチップ接点部と、
接点室に配置され、メンブレン部位の変位により閉じるノーマルオープン構造の接点と、
外気の緩慢な温度上昇時に前記パッケージ室の空気を接点室に漏洩させてメンブレン部位の変位を抑制するリーク構造と、
を備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の別の形態にあっては、ノーマルクローズの接点構造を備える。即ち本発明の熱センサは、
外気の熱を受容し内部に外気から仕切られたパッケージ室を形成するパッケージと、
パッケージ室に収納されたセンサチップと、
を有し、センサチップは、
空洞を形成する支持壁の一端にパッケージ室の圧力変化により変位するメンブレン部位を一体に形成したチップ変位部と、
チップ変位部のメンブレン部位側に密着配置され、メンブレン部位に相対してパッケージ室に連通した接点室を形成したチップ接点部と、
接点室に配置され、前記メンブレン部位の変位により開くノーマルクローズ構造の接点と、
チップ変位部の空洞をパッケージを介して外気に開放する通気孔と、
外気の緩慢な温度上昇時にパッケージ室の空気を通気孔を介して外部に漏洩させて圧力変化を抑制するリーク構造と、
を備えたことを特徴とする。
【００１２】
本発明の別の形態にあっては、通気孔なしで且つノーマルクローズの接点構造を備える。即ち、本発明の熱センサは、
外気の熱を受容し内部に外気から仕切られたパッケージ室を形成するパッケージと、
パッケージ室に収納されたセンサチップと、
を有し、センサチップは、
空洞を形成する支持壁の一端にパッケージ室の圧力変化により変位するメンブレン部位を一体に形成したチップ変位部と、
チップ変位部のメンブレン部位側に密着配置され、メンブレン部位に相対してパッケージ室に連通した接点室を形成したチップ接点部と、
接点室に配置され、メンブレン部位の変位により開くノーマルクローズ構造の接点と、
外気の緩慢な温度上昇時に前記パッケージ室の空気を接点室に漏洩させてメンブレン部位の変位を抑制するリーク構造と、
を備えたことを特徴とする。
【００１３】
ここで、センサチップを構成するチップ変位部及びチップ接点部は、シリコン又はシリコン化合物からなり、チップ変位部のメンブレン部位を異方性エッチング又はドライエッチングにより形成する。
【００１４】
リーク構造は、センサチップにおけるシリコン又はシリコン化合物の微細加工により形成され、幅１００μｍ以下、深さ１００μｍ以下の多角形断面形状をもつリーク溝をメンブレン部位に対して水平に備える。もしくはメンブレン部位の一部に、直径５０μm以下の円形、または一辺５０μm以下の多角形の穴形状を持つリーク孔を、メンブレン部位に対して垂直に設ける。
【００１５】
本発明の熱センサは、火災による温度の時間変化率を検出して火災検出信号を送出する差動式熱感知器に組み込む。この場合、熱センサのパッケージを外部に露出するように差動式熱感知器の外カバーに設ける。また熱センサのパッケージを差動式熱感知器の外カバーと一体に形成しても良い。
【００１６】
本発明の熱センサは、監視区画に配置された空気管の火災による空気膨張量から、火災による温度の時間変化率を検出して火災検出信号を送出する差動式熱感知器に組み込む。この場合、熱センサのパッケージ部に空気管を直接接続してパッケージ室に空気管の空気を導入する。
【００１７】
センサチップは、シリコンまたはシリコン化合物からなる基板の一部を加工して得た、一辺約１ｍｍ以下の矩形または直径約１ｍｍ以下の円筒形の窪地状のメンブレン部を持ち、前記メンブレン部は厚さ１μm乃至１０μmのシリコン化合物または金属からなる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、半導体プロセスにより製造される機械的な差動式熱感知として機能するセンサチップ構造としたことにより、従来の百ミリメートル大の差動式熱感知器を、数ミリメートル大にまで小さくすることができ、大幅な小型化により設置場所のデザインを損なわないというメリットだけでなく、大幅な小型化により省資源と低価格化を果たすことができる。
【００１９】
またセンサチップはシリコン及びシリコン化合物で作られており、長期間使用してもシリコン及びシリコン化合物は腐食せず、疲労破壊もしないことが知られており、長期間に亘り安定した品質を実現することができ、信頼性を高めることができる。
【００２０】
更に、半導体プロセスによる製造で、特性の平準化を図ることができ、製造上のメリットとして感度調整等を不要とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
図１は本発明による熱センサの実施形態を示した断面図である。図１において、熱センサ１０は、パッケージ１２と、その内部に収納されたセンサチップ２０で構成される。パッケージ１２は、キャップ状の容器の下部にステム１４を固着して、内部に密封されたパッケージ室１６を形成しており、ステム１４には一対のリード１８が外部に向けて取り出されている。
【００２２】
パッケージ１２としては、例えば半導体素子のパッケージとして知られた一般的なＣＡＮパッケージを使用することができる。ＣＡＮパッケージは、鉄、ニッケルなどの金属薄膜の円筒状容器と、電気信号を出力するリードを備えており、内部に図１のように本実施形態のセンサチップ２０を配置する。
【００２３】
パッケージ室１６に配置されたセンサチップ２０は、上部側のチップ変位部２２と下側のチップ接点部２４で構成される。チップ変位部２２はシリコン及びシリコン化合物を用いて半導体プロセスにより形成されており、空洞を形成する支持壁２５の上端側にパッケージ室１６の圧力変化により変位するメンブレン部位（薄膜部位）２６を一体に形成し、メンブレン部位２６を形成するために刳り貫いた下側の空洞は接点室２８としている。
【００２４】
一方、チップ接点部２４側は、チップ変位部２２と同様にシリコン及びシリコン酸化物の基板を用いた半導体プロセスで形成されており、チップ変位部２２における支持壁２５の下端側に密着配置させることで、内部に密閉された接点室２８を形成している。
【００２５】
接点室２８側となるメンブレン部位２６の下側には接点３０が配置され、また接点３０に相対したチップ接点部２４側には別の接点３２が配置されている。接点３０，３２はノーマルオープン接点構造を実現する。
【００２６】
メンブレン部位２６の下側に設けた接点３０は、外側に配置した上部電極３４に電気的に貫通接続され、上部電極３４はボンディングワイヤ３６により一方のリード１８に電気的に接続される。
【００２７】
チップ接点部２４側に設けた接点３２は、下部電極３５を介してパッケージ室１６側に取り出され、そこからボンディングワイヤ３６により他方のリード端子１８に電気的に接続している。
【００２８】
更にチップ接点部２４には、接点室２８に連通する通気孔３８が縦方向に貫通形成されており、通気孔３８はステム１４に形成した開口部１４ａを介して接点室２８を外気に開放している。
【００２９】
このチップ接点部２４に形成した通気孔３８の上部のチップ変位部２２との接触面の位置には、横方向にリーク構造４０が設けられている。リーク構造４０はパッケージ室１６と通気孔３８を連通する微細なリーク溝であり、外気の緩慢な温度上昇時に、パッケージ室１６の空気を通気孔３８を介して外部に漏洩させて、パッケージ室１６の圧力変化を抑制する。
【００３０】
図２は図１のセンサチップ２０を上下に分離して分離側から示した平面図である。図２（Ａ）は図１のセンサチップ２０の上側のチップ変位部２２を分離して分離面側を示した平面図であり、中央に空洞を刳り貫いて支持壁２５を形成することで、端面にメンブレン部位２６が形成されており、メンブレン部位２６の中央には接点３０が設けられている。
【００３１】
図２（Ｂ）は図１のセンサチップ２０の下側のチップ接点部２４を分離面から示している。チップ接点部２４にあっては、図２（Ａ）のメンブレン部位２６に相対する接点室２８に面する部分に接点３２を配置し、接点３２から外側に下部電極３５が引き出されている。
【００３２】
また接点室２８に開放する位置に通気孔３８が設けられ、接点室２８を外部に連通している。この通気孔３８の開口部に対しては、チップ接点部２４の外側、即ちパッケージ室１６側からリーク構造４０が設けられており、パッケージ室１６をリーク構造４０及び通気孔３８を介して外部に連通させている。
【００３３】
図１及び図２に示す本実施形態の熱センサ１０にあっては、火災により設置場所の建物内の温度が急激に上昇すると、まずパッケージ１２が加熱され、その熱を受けてパッケージ室１６の内部空気が暖まっていく。
【００３４】
パッケージ室１６は微小なリーク構造４０を介して外気に通じているが、火災による熱を受けてパッケージ室１６の空気が暖まっていくときの圧力上昇に伴うリーク構造４０からの空気漏れ量は、短時間においてはほぼゼロと看做せ、火災に伴う温度上昇の際にパッケージ室１６は密封されていると看做してよい。
【００３５】
パッケージ室１６の内部空気が火災による温度上昇を受けると、温度上昇に従い内部の圧力が上昇していく。上昇したパッケージ室１６の内部空気の圧力は、センサチップ２０に設けているチップ変位部２２側のメンブレン部位２６の薄膜を押し下げ、メンブレン部位２６の下側への変位により、接点室２８側に設けている接点３０が下側の接点３２に接触し、火災接点信号を出力する。
【００３６】
このような火災接点信号の出力については、特別な電気回路は不要であり、単純な機械的な構造によってのみ火災接点信号を出力することができる。
【００３７】
熱センサ１０は一対のリード１８を受信機から感知器回線に接続しており、接点３０が接点３２に接触すると感知器回線に発報電流が流れ、この発報電流を火災受信機で受信することで火災警報を発することができる。
【００３８】
一方、熱センサ１０は季節変動、冷暖房などによる緩慢なパッケージ室１６の内部圧力の変化に対しては誤動作をしてはならない。このため、緩慢なパッケージ室１６の圧力変化に対し緩やかに膨張空気を漏らすことのできるリーク構造４０を設け、パッケージ室１６の内部圧を外気圧と同じになるようにしている。
【００３９】
次に図１の本実施形態におけるパッケージ室１６の内部圧力の増加に対し、メンブレン部位２６が変位して接点を閉じる構造の詳細を説明する。
【００４０】
本実施形態において、例えば標準的なＣＡＮパッケージであるＴＯ−１８をパッケージ１２に採用にして熱センサ１０を構築する場合、ＣＡＮパッケージ内の容量は３８．２ｍｍ3となる。ここで、図２に示す矩形形状を持つセンサチップ２０を縦横＝１．５ｍｍ×１．５ｍｍで構築し、メンブレン部位２６の直径ＲをＲ＝１．２ｍｍφにしたとする。また外部の温度が２５℃の常温から、火災により６５℃まで温度が上昇したと仮定する。
【００４１】
外部の温度が上昇すると、ＣＡＮパッケージを用いたパッケージ１２を介してパッケージ室１６の空気の温度も急激に上昇し、例えば６０℃まで達したとする。このときメンブレン部位２６に変位がないと仮定した場合、パッケージ室１６の内部圧力Ｐは
Ｐ＝（２７３＋６０）／（２７３＋２５）＝１．１２（ａｔｍ）
まで上昇する。
【００４２】
この内部圧力Ｐによりメンブレン部位２６を接点方向に押し下げられ、接点３０を接点３２に閉じる。一方、接点室２８は通気孔３８及び開口１４ａを介して圧力的に外気に開放されており、接点室２８の圧力は１ａｔｍを示す。
【００４３】
ここでメンブレン部位２６の曲げ強さを無視すれば、温度上昇によるパッケージ室１６の空気膨張量Ｑは
Ｑ＝３８．２×（１．１２−１）＝４．５８（ｍｍ3）
となる。
【００４４】
この空気膨張量Ｑは、直径Ｒ＝１．２ｍｍφのメンブレン部位２６を全体にＨ＝２．４ｍｍ押し下げる体積に相当する。実際には、メンブレン部位２６の強度に打ち勝って接点３０，３２を閉じることが必要になる。
【００４５】
次にメンブレン部位２６の強度を計算し、一定圧力とした場合のメンブレン寸法（厚さ）の違いによる接点の変位量を計算する。メンブレン部位２６を酸化シリコンＳｉＯ２により構築した場合を考える。
【００４６】
円盤状のメンブレン部位２６を構成する薄膜に圧力が加わったときの変位δは
δ=ｋ・ΔＰ・Ｄ４／（Ｅ・ｔ３）              （１）
で求められる。
【００４７】
ここで、ΔＰは圧力上昇、Ｄはメンブレン直径、Ｅは酸化シリコンＳｉＯ２のヤング率、ｔはメンブレン厚、ｋは定数となる。
【００４８】
この（１）式によりΔＰ＝１．１２（ａｔｍ）が加わったときのメンブレン厚ｔと、メンブレン部位２６に生ずる変位δの関係を求めた結果を、図３のグラフに示す。図３は横軸にメンブレン厚ｔをとり、縦軸に接点変位量δをとっており、メンブレン直径Ｒ＝０．８ｍｍφのときの特性４２と、Ｒ＝１．２ｍｍφのときの特性４４を示している。
【００４９】
この場合、例えばメンブレン直径Ｒ＝０．８ｍｍφのメンブレン部位によれば、メンブレン厚ｔ＝４（μｍ）において、特性４２から接点の変位δとしてδ＝５５（μｍ）を得ることができる。
【００５０】
図３にあっては、火災検出の動作温度を６０℃と仮定して必要な寸法を求めているが、熱センサ１０においては、目標とする動作温度を求めるチップの大きさにより、適当なメンブレン直径Ｒ、メンブレン厚ｔを定めればよい。また図３にあっては、メンブレン部位２６を酸化シリコンＳｉＯ２で構築したが、他の材質においても同様のプロセスにより、必要とする接点変位量を得るためのメンブレン径Ｒ及びメンブレン厚ｔを求めることができる。
【００５１】
次に図１の実施形態に設けたリーク構造４０について説明する。いま、暖房による緩慢な温度上昇により誤動作を起こさないことを目標にリーク構造を考える。暖房の能力を１０℃／１０ｍｉｎと仮定すると、図１の実施形態のパッケージ１２としてＣＡＮパッケージを使用した場合のパッケージ室１６の空気体積は、１分当たりでは
ΔＱ＝３８．２ (（２９９/２９８）−１)=０．１２８ (ｍｍ3／ｍｉｎ)
=１．２８Ｅ−４ (ｃｃ/ｍｉｎ)                                        （２）
だけ膨張する。このような空気膨張ΔＱをキャンセルするようにリーク構造４０を定める。
【００５２】
ここでリーク構造４０におけるリーク溝として、図４（Ｂ）に示すように、矩形断面形状を有する長孔のリーク構造４０を対象とする。このリーク構造４０において、リーク溝深さをＤ、リーク溝幅をＷ、リーク溝長さをＬとする。
【００５３】
図４（Ｂ）のリーク構造４０に示す矩形断面形状を有する長孔を通過する気体は粘性の影響を受け、その体積Ｑｖは次式により表される。
Ｑｖ=Δｐ・ｄ・Ｗ３／Ｋ・η・Ｌ                                      （３）
この（３）式により、リーク構造４０からの漏れ空気量を計算する。
【００５４】
矩形断面を持つリーク構造４０のリーク溝長さＬをＬ＝５００μｍと一定にした場合のリーク溝深さＤと、リーク溝幅Ｗの違いによる漏れ空気量の変化を、図４（Ａ）のグラフ図に示す。図４（Ａ）のグラフ図は、横軸にリーク溝幅Ｗ、縦軸に漏れ空気量を取り、特性４６はリーク溝深さＤをＤ＝１０μｍとした場合であり、特性４８はリーク溝深さＤをＤ＝２０μｍとした場合である。
【００５５】
ここで、前記（２）式で算出された暖房による空気膨張である
ΔＱ＝１．２８E−４（ｃｃ／ｍｉｎ）
をキャンセルするためには、図４（Ａ）におけるリーク溝深さＤ＝１０μｍとした場合、特性４６のＢ点で与えられるリーク溝幅Ｗ＝４μｍが適合する。
【００５６】
リーク構造４０として他の断面形状や長さ、溝深さをとった場合にも、同様な最適リーク構造を設定することが可能である。
【００５７】
一方、メンブレン部位上にメンブレン部位に対して垂直に設けリーク孔とする場合は、たかだか厚さ１０μmのメンブレンよりも短いか同等のリーク孔長さとなり、この場合５０μm以下の穴が適当な大きさとなる。
【００５８】
これは本願発明者の実施した、本実施形態の熱センサについての実験およびシミュレーションにより求められた。図５（Ａ）にシミュレーションの結果を示す。熱感知器には自治省令（昭和５６年第１７号）の「火災報知設備の感知器及び発信機に係る技術上の規格を定める省令」により、例えば差動式スポット型感知器１種であれば、温度上昇率１０℃毎分により作動し、温度上昇率２℃毎分によっては作動してはならないと規定されている。さらに室温より２０℃高い気流により３０秒以内に作動し、１０℃高い気流では１分以内に作動しないことと規定されている。
【００５９】
この両条件を満足するためのメンブレン膜厚およびリーク孔径を図５（Ａ）に示す。図５（Ａ）によれば、メンブレン膜厚毎に、差動式スポット型感知器１種に適合するリーク孔直径は異なり、その最大寸法はメンブレン膜厚１０μm以下の条件の下で５０μmとなる。
【００６０】
差動式スポット型感知器としては１種のほか、より低感度に規定される２種がある。これについても同様にシミュレーションを行ったところ図５（Ｂ）の結果が得られ、５０μm以下のリーク孔直径により所望の特性が得られることが確認された。
【００６１】
図６は図４（Ａ）に対し、例えば空気管式の差動式熱感知器に用いられるより大きなリーク量を求められるリーク構造寸法を得るためのリーク溝幅Ｗに対する漏れ空気量の特性を示している。
【００６２】
図６にあっては、リーク溝長さＬをＬ＝２０００μｍとし、リーク溝深さＤ＝２μｍについて特性５０が得られ、一方、リーク溝深さＤ＝１００μｍについて特性５２が得られている。
【００６３】
この図４（Ｃ）について、例えば最大漏れ空気量を１．０E−１（ｃｃ／ｍｉｎ）とすれば、最適なリーク構造としては、リーク溝深さＤ＝１００μｍの特性５２におけるＣ点からリーク溝幅Ｗ＝１００μｍが得られる。即ち、最適なリーク構造は
リーク溝深さＤ＝１００μｍ
リーク溝幅  Ｗ＝１００μｍ
リーク溝長さＬ＝２０００μｍ
となる。
【００６４】
この最適なリーク構造の深さ、幅、長さの値は、後の説明で明らかにする空気管式差動式熱感知器における最適な値を与える。
【００６５】
図７は本実施形態におけるチップ変位部２２の半導体プロセスによる製造工程を示した説明図である。チップ変位部２２の加工プロセスは、次の（Ａ）〜（Ｅ）のようになる。この（Ａ）〜（Ｅ）は、図７（Ａ）〜（Ｅ）に対応している。
（Ａ）  図２（Ａ）に示したチップ変位部２２を構成する矩形ブロックとなるＳｉ基盤５４を準備する。
（Ｂ）  Ｓｉ基板５４の下側に異方性ウエットエッチングまたはドライエッチングにより、円柱状に刳り貫いた接点室２８を形成し、これによって上部に所定の厚さｔを持つメンブレン部位２６を形成する。メンブレン部位２６の形成により、その周囲は内周がほぼ環状の支持壁２５を形成することになる。ここで、メンブレン部位２６の径Ｄは１．２ｍｍφで、厚さｔはｔ＝４μｍとなるように開口する。
（Ｃ）  メンブレン部位２６の下側の接点室２８側に接点３６の電極膜を成膜する。
（Ｄ）  メンブレン部位２６に接点３０から電極を取り出すための通線孔５６を掘る。
（Ｅ）  ワイヤボンディングのため上部電極３４を成膜する。
【００６６】
図８は図７（Ｂ）のメンブレン部位２６を形成するための半導体加工プロセスの詳細を示した説明図であり、次の（Ａ）〜（Ｆ）の加工プロセスからなり、これは図８（Ａ）〜（Ｆ）に対応している。
（Ａ）  図７（Ａ）と同様、所定の矩形ブロック形状を持つＳｉ基板５４を用意する。
（Ｂ）  Ｓｉ基板５４上にメンブレン部位の薄膜を形成するためのＳｉＯ２層５８を酸化炉中などで成膜する。
（Ｃ）ＳｉＯ２層５８上にＳｉ３Ｎ４層６０を化学気相成長法ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などにより成膜する。
（Ｄ）  Ｓｉ基板５４の下側にフォトレジスト膜６２を塗布し、フォトリソグラフにより、エッチングする部分のフォトレジスト膜を除去する。
（Ｅ）  異方性ウエットエッチングまたはドライエッチングによりＳｉ基板５４をエッチングして、接点室２８に相当する刳り貫き部分を形成する。
（Ｆ）  残ったフォトレジスト６２を除去することでチップ変位部２２が完成する。
【００６７】
なお図８にあっては、メンブレン部位２６としてＳｉＯ２層５８とＳｉ３Ｎ４層６０で薄膜を形成したが、これに限定されず、例えばＳｉＯ基板を用いることで、図８（Ｂ）（Ｃ）のプロセスを省略することもできる。
【００６８】
またエッジングは異方性ウエットエッチングまたはドライエッチング以外に、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａ  Ｍｅｔｈｙｌ  Ａｍｍｏｎｉｕｍ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）、水酸化カリウムＫＯＨなどのエッチング液によるウエットエッチングまたはＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）などのドライエッチングを行ってもよい。その他のプロセスにおいても同様にフォトリソグラフィ法を活用し、所望の成膜、成型を行えばよい。
【００６９】
図９は図１のチップ接点部２４の半導体加工プロセスを示しており、次の（Ａ）〜（Ｄ）のプロセスからなり、これは図９（Ａ）〜（Ｄ）に対応している。
（Ａ）  図２（Ｂ）に対応したブロック形状を持つＳｉ基板６４を準備する。
（Ｂ）  接点室側からステム外部に抜ける通気孔３８を異方性ウエットエッチングまたはドライエッチングにより加工する。
（Ｃ）  接点室側となる通気孔３８の開口部に、接点室からパッケージ室に抜けるリーク構造４０を実現するリーク溝を、異方性ウエットエッチングまたはドライエッチングにより加工する。
（Ｄ）  接点室側の面に接点３２を構成する電極を成膜し、これによってチップ接点部２４が完成する。
【００７０】
図１０は本実施形態におけるチップ変位部２２とチップ接点部２４のアッセンブル工程を示した説明図である。図１０のアッセンブル工程にあっては、チップ接点部２４側をベースとして、その上にチップ変位部２２を接合して、センサチップ２０を形成する。この接合により、チップ変位部２２側に密封された接点室２８が形成され、接点室２８は通気孔３８を通って外部に連通している。
【００７１】
このようにセンサチップ２０を形成したならば、図１に示すステム１４上にセンサチップ２０をマウントする。このときステム１４側には、チップ接点部２４側の通気孔３８に通じる開口１４ａが設けられている。
【００７２】
続いて、メンブレン部位２６側の上部電極３４及びチップ接点部２４側の下部電極３５のそれぞれにボンディングワイヤ３６を接続し、ステム１４側のリード１８と接続する。最終的に、パッケージ１２として用いたＣＡＮパッケージをステム１４と接合する。この際、パッケージ室１６の内部に対し空気のリークがないように、ステム１４に対しパッケージ１２を接着あるいは溶接などにより接合する。
【００７３】
図１１は本実施形態の熱センサを適用した差動式熱感知器を示した断面図である。図１１において、差動式熱感知器６６は本体６８と外カバー７０で構成される。外カバー７０側には図１に示した本実施形態の熱センサ１０が配置される。
【００７４】
熱センサ１０は、そのパッケージ１２を外カバー７０の中央に露出するように配置しており、これによって外部からの火災による熱を効率よくパッケージ室１６に伝えるようにしている。パッケージ１６室には、図１に示した構造を持つセンサチップ２０が内蔵されている。
【００７５】
熱センサ１０の底部側に取り出されたリード１８は本体６８側に取り付けられ、更に本体６８に設けている火災感知器からの信号線に接続するための導通金具７２に接続している。
【００７６】
実際の感知器設置にあっては、天井面側に感知器ベースが受信機からの信号線に接続されて固定されており、天井側の感知器ベースに設けた導通受け金具に対し、差動式熱感知器６６の本体６８側を押し付けて回し込むことで、導通金具７２を感知器ベース側の導通受け金具に機械的且つ電気的に接続する。
【００７７】
外カバー７０に対し、熱センサ１０は火災からの熱気流を効率よく捉えることのできるほぼ中央の位置に露出して配置しているが、必要があれば熱センサ１０に対する人や異物の接触を回避するため、熱センサ１０の上部にガードを設けるようにしてもよい。
【００７８】
図１２は本実施形態の熱センサを適用した他の差動式熱感知器を示した断面図である。図１２の差動式熱感知器６６にあっては、外カバー７０に熱センサ１０のパッケージ部７４を一体に形成し、パッケージ部７４の中にセンサチップ２０を密封状態で配置している。
【００７９】
このようにパッケージ部７４をプラスチック成型などにより外カバー７０と共に一構造部品として構成し、センサチップ２０のみをこの構造部品と一体化することで、より低価格化を図ることができる。
【００８０】
また３次元射出成形回路部品技術（ＭＩＤ技術）などを応用し、センサチップ２０を直接パッケージ部７４と共に外カバー７０の一構成部品に配置してもよい。
【００８１】
外カバー７０に一体化したパッケージ部７４の外気に接する部分については、熱を効率よくパッケージ部７４の内部の空気に伝えるように、薄肉構造とすることが望ましい。
【００８２】
図１３は本実施形態の熱センサを適用した空気管式差動式熱感知器を示した断面図である。図１３において、空気管式差動式熱感知器７６は、警戒区域となる部屋の天井に、密封された空気管（チューブ）８０を敷設し、部屋の外部に設置した感知部に空気管を接続した構造を持つ。
【００８３】
本実施形態にあっては、感知部として熱センサ１０を使用し、熱センサ１０のパッケージ１２にジョイント部７８を一体に形成し、ジョイント部７８に空気管８０を直接接続している。このため、警戒区域に敷設している空気管８０が火災による熱を受けて、空気管８０の内部の空気が膨張すると、この膨張空気は直接、熱センサ１０のパッケージ室１６に伝わり、センサチップ２０のメンブレン部位２６を変位させて接点を閉じることにより、火災接点信号を出力することができる。
【００８４】
ここで空気管８０内の空気膨張量はパッケージ室１６に比べてはるかに大きく、この空気管内の空気膨張量を考慮して接点を閉じるためのメンブレン部位２６の直径、厚さなどを決めればよい。また空調などによる緩慢な温度変化に対し誤動作を防止するためのリーク構造については、図６について既に示した空気管式差動式熱感知器に対応した値として、リーク溝深さＤ＝１００μｍ、リーク溝幅Ｗ＝１００μｍ、リーク溝長さＬ＝２０００μｍを用いることができる。
【００８５】
図１４はチップ変位部２２に垂直方向のリーク構造を設けた他の実施形態を示した断面図であり、図１５に図１４の実施形態におけるセンサチップ２０を取り出して、分離平面と共に示している。
【００８６】
図１４の熱センサ１０にあっては、基本的には図１の実施形態と同じであるが、外気の緩慢な温度上昇時にパッケージ室１６の空気を外部に漏洩させて圧力変化を抑制するリーク構造として、この実施形態にあっては、チップ変位部２２におけるメンブレン部位２６に対し垂直方向にリーク構造４０を設けている。
【００８７】
このリーク構造４０は図１５から明らかになる。図１５（Ａ）はセンサチップ２０の平面図であり、チップ変位部２２の上部面にリーク構造４０が開口している。
【００８８】
図１５（Ｂ）はセンサチップ２０の断面図であり、チップ変位部２２に形成したメンブレン部位２６の右側に、接点室２８と外側のパッケージ室１６を連通するリーク構造４０が設けられ、更に接点室２８は図１の実施形態と同様、通気孔３８により外部に連通するようにしている。
【００８９】
図１５（Ｃ）は図１５（Ｂ）のセンサチップ２０の接合面で分離したチップ変位部２２を分離面側から示した平面図であり、接点室２８の右側にリーク構造４０が開口している。
【００９０】
図１５（Ｄ）は図１５（Ｂ）のセンサチップ２０におけるチップ接点部２４側を分離して分離面から示した平面図であり、接点室２８に臨む位置に通気孔３８が開口している。
【００９１】
この図１４及び図１５に示した実施形態については、縦方向のリーク構造４０であることから、リーク溝長さＬが小さく、このためパッケージ室１６から必要とする最大漏れ空気量が小さい場合に、この実施形態の縦方向に開けたリーク構造４０を使用することができる。
【００９２】
図１６は外部に対する通気孔をなくした他の実施形態を示した断面図であり、図１７に図１６の実施形態におけるセンサチップを取り出して分離平面と共に示している。
【００９３】
図１の実施形態の熱センサ１０にあっては、パッケージ室１６の温度による空気膨張を高感度で捉えるため、接点室２８の圧力が外気と常に同じとなるように、接点室２８から外気につながる通気孔３８を設けている。しかしながら、通気孔３８を経由して接点室２８に異物や水分が進入し、接点３０，３２の動作に悪影響を及ぼす不具合も考えられる。そこで図１６の実施形態にあっては、通気孔をなくすことで、接点室２８に異物や水分が進入することによる悪影響を排除する。
【００９４】
このように通気孔をなくすことでパッケージ室１６からの圧力変化によりメンブレン部位２６が変位すると、接点室２８の圧力もメンブレン部位２６の変位と共に上昇してしまう。このため接点室２８に対する通気孔をなくした場合には、メンブレン部位２６の変位による内部圧力を極力上昇しにくいような構造とする必要がある。
【００９５】
図１６の実施形態にあっては、メンブレン部位２６の直径Ｒを図１の実施形態に対し小さくすると共に、接点室２８の一方を仕切るチップ接点部２４側に掘下げ部８２を形成することで接点室２８の容量を大きくし、メンブレン部位２６の変位による接点室２８の圧力変化を小さくしている。
【００９６】
図１７（Ａ）は図１４の熱センサ１０に設けているセンサチップ２０の平面図であり、図１７（Ｂ）にその断面図を示す。図１７（Ｂ）の断面図から明らかなように、接点室２８はチップ変位部２２側に掘下げ部８２を形成することで容積が拡大され、またメンブレン部位２６はその直径を小さくして変位を抑えるようにしている。
【００９７】
図１７（Ｃ）（Ｄ）は、図１７（Ｂ）のチップ変位部２２とチップ接点部２４を分離して分離側の平面をそれぞれ示している。
【００９８】
ここでリーク構造４０は、図１７（Ｄ）に示すように、チップ接点部２４側に半導体加工プロセスにより断面矩形の溝形状が形成されており、パッケージ室１６の緩慢な温度上昇時にリーク構造４０を介して接点室２８に空気を漏洩させることで、パッケージ室１６と接点室２８の圧力変化をなくすようにしている。
【００９９】
図１８はノーマルクローズ接点構造を備えた他の実施形態を示した断面図であり、図１９に図１８のセンサチップ２０を取り出して分離平面と共に示している。
【０１００】
図１８において、図１に示したノーマルオープン接点構造に対し、ノーマルクローズ接点構造を実現するため、チップ変位部２２を下側に配置し、その上側にチップ接点部２４を配置しており、この関係は図１の実施形態と逆になっている。チップ変位部２２には、空洞部８４の形成によりメンブレン部位２６が形成されている。
【０１０１】
一方、チップ接点部２４には、チップ変位部２２との接触面の部分に接点室２８を形成している。接点室２８の部分には、メンブレン部位２６に設けた接点３０とチップ接点部２４側に設けた接点３２が配置されており、図示の組付け初期状態で接点３０は接点３２に接触してノーマルクローズ接点を構成している。
【０１０２】
接点３０，３２が配置されている接点室２８に対しては、チップ接点部２４側より連通孔８６が形成され、接点室２８をパッケージ室１６に連通している。
【０１０３】
更にパッケージ室１６の緩慢な温度上昇に伴う空気を外部に漏洩させるため、リーク構造４０が設けられている。リーク構造４０はステム１４に形成した開口部１４ａに連通している。
【０１０４】
図１９（Ａ）は図１８のセンサチップ２０の断面図であり、図１９（Ｂ）（Ｃ）はチップ変位部２２とチップ接点部２４を分離して、その分離側の平面を示している。
【０１０５】
ここで図１９（Ｃ）に示すように、リーク構造４０はチップ変位部２２のチップ接点部２４と密着する面に半導体加工プロセスにより断面矩形のリーク溝として形成されており、且つ図１９（Ａ）の断面図に示すようにリーク溝の奥行部分で垂直方向にリーク溝を形成し、チップ変位部２２の下側にリーク溝を開口している。
【０１０６】
このリーク構造４０によって、図１８におけるパッケージ室１６の緩慢な温度上昇に伴う空気圧力の増加を、空気をリーク構造４０を介してステム１４の開口部１４ａに漏洩させることで、外気とパッケージ室１６の圧力差をなくすようにしている。
【０１０７】
図１８のノーマルクローズ接点構造を持つ熱センサ１０の動作は、火災による熱を受けてパッケージ室１６の空気が加圧されて膨張すると、この空気の膨張に伴う圧力が連通孔８６を介して接点室２８に作用し、メンブレン部位２６を変形して押し下げ、これによって接点３２に対し接点３０が離れ、接点オフとなる火災接点信号を出力することができる。
【０１０８】
また緩やかな温度変化によるパッケージ室１６の空気の膨張については、リーク構造４０によりパッケージ室１６から外部に空気が漏れているため、メンブレン部位２６における接点室２８と外気に連通した空洞部８４の間に圧力差が発生せず、接点が開くことはない。
【０１０９】
またノーマルクローズ接点構造とした図１８の熱センサ１０にあっては、接点室２８は直接、外気に連通しておらず、リーク構造４０を介してパッケージ室１６は外気に連通しているが、リーク構造４０では異物や水分の進入はほとんどなく、接点室２８に対する異物や水分の進入による悪影響を防止できる。
【０１１０】
図２０は外部に対する通気孔をなくしたノーマルクローズ接点構造を備えた他の実施形態を示した断面図であり、図２１に図２０におけるセンサチップ２０を取り出して分離平面と共に示している。
【０１１１】
図２０の熱センサ１０にあっては、その構造は基本的に、図１８に示したノーマルクローズ接点構造の熱センサ１０と同じであるが、図１８のステム１４に設けている外気に連通する開口１４ａをなくして、パッケージ室１６を外気に対し密封構造としている。このパッケージ室１６の密封構造に伴い、リーク構造４０はパッケージ室１６と空洞部８４を連通している。
【０１１２】
図２１（Ａ）は図２０のセンサチップ２０の断面図であり、図２１（Ｂ）（Ｃ）にチップ接点部２４とチップ変位部２２を分離して分離側の平面図を示している。リーク構造４０は図２１（Ｃ）のように、チップ変位部２２の接合面側に半導体加工プロセスにより断面矩形のリーク溝４０を形成した後、図２１（Ａ）に示すように縦方向にリーク孔を形成し、更に底部で横方向にリーク溝を形成することで、空洞部８４と外側のパッケージ室１６を連通している。
【０１１３】
この図２０及び図２１の通気孔を持たない実施形態にあっては、パッケージ室１６が外気から完全に密閉されるため、外部からの異物や水分の進入を完全に防止できる。
【０１１４】
なお上記の実施形態はパッケージ１２としてＣＡＮパッケージを使用した場合を例に取って、メンブレン部位２６の直径Ｒ、厚さｔ、リーク構造４０におけるリーク溝深さＤ、リーク溝幅Ｗ、及びリーク溝長さＬを決めているが、これ以外に適宜のパッケージにつき、その内容積に応じた適切な値を必要に応じて決めることができる。
【０１１５】
また本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に上記の実施形態に示した数値による限定は受けない。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明による熱センサの実施形態を示した断面図
【図２】図１のセンサチップを上下に分離して分離側から示した平面図
【図３】本実施形態におけるメンブレン部位の径をパラメータとしたメンブレン厚と接点変位量の関係を示したグラフ図
【図４】本実施形態におけるリーク溝深さをパラメータとしたリーク溝幅と漏れ空気量の関係を示したグラフ図
【図５】差動式スポット型感知器についてリーク孔直径とメンブレン膜厚との関係のシミュレーション結果を示したグラフ図
【図６】大きなリーク量が求められる本実施形態におけるリーク溝深さをパラメータとしたリーク溝幅と漏れ空気量の関係を示したグラフ図
【図７】本実施形態におけるチップ変位部の製造工程を示した説明図
【図８】図７（Ｂ）のメンブレン部位を形成する半導体加工プロセスの詳細を示した説明図
【図９】本実施形態におけるチップ接点部の半導体加工プロセスを示した説明図
【図１０】本実施形態におけるチップ変位部とチップ接点部のアッセンブルブル工程を示した説明図
【図１１】本実施形態の熱センサを適用した差動式熱感知器を示した断面図
【図１２】本実施形態の熱センサを適用した他の差動式熱感知器を示した断面図
【図１３】本実施形態の熱センサを適用した空気管式差動式熱感知器を示した断面図
【図１４】チップ変位部に垂直方向のリーク構造を設けた他の実施形態を示した断面図
【図１５】図１４の実施形態におけるセンサチップを取り出して分離平面と共に示した説明図
【図１６】外部に対する通気孔をなくした他の実施形態を示した断面図
【図１７】図１６の実施形態におけるセンサチップを取り出して分離平面と共に示した説明図
【図１８】ノーマルクローズ接点を備えた他の実施形態を示した断面図
【図１９】図１８の実施形態におけるセンサチップを取り出して分離平面と共に示した説明図
【図２０】外部に対する通気孔をなくしたノーマルクローズ接点を備えた他の実施形態を示した断面図
【図２１】図２０の実施形態におけるセンサチップを取り出して分離平面と共に示した説明図
【符号の説明】
【０１１７】
１０：熱センサ
１２，７４：パッケージ部
１４：ステム
１６：パッケージ部
１８：リード
２０：センサチップ
２２：チップ変位部
２４：チップ接点部
２５：支持壁
２６：メンブレン部位
２８：接点室
３０，３２：接点
３４：上部電極
３５：下部電極
３６： ボンディングワイヤ
３８：通気孔
４０：リーク構造
５４，６４：Ｓｉ基板
５８：Ｓｉ０２層
６０：Ｓｉ３Ｎ４層
６２：フォトレジスト膜
６６：差動式熱感知器
６８：本体
７０：外カバー
７２：導通金具
７６：空気管式差動式熱感知器
７８：ジョイント部
８０：空気管
８２：掘下げ部
８４：空洞部
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
0005001129.tif 000019
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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