JP5765609B2 - Electrical device, integrated device, electronic circuit and temperature calibration device - Google Patents
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Description
本発明は、温度依存性を有する電気素子、集積素子、電子回路及び温度較正装置に関するものである。 The present invention relates to an electric element, an integrated element , an electronic circuit, and a temperature calibration apparatus having temperature dependency.
ＩＣやＬＳＩなどの半導体素子の生産に関して、半導体装置メーカの販売する生産設備を導入することによって半導体素子生産への参入障壁が低く、生産拠点はグローバル化している。その結果、半導体素子の価格は非常に安価なものになっている。また、半導体集積回路の製造工程を用いたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術により、大量生産で特性の揃ったＣＭＯＳなどの半導体に組み込まれるセンサ等が数多く生産されている。現在のセンサ生産設備の主流はそのようなＩＣやＬＳＩの生産設備を流用している。そして、半導体集積回路の製造工程において、センサで得られる反応量を電圧などの物理量へ変換した値とする目盛付けを行うためには、センサでの反応量を基準となる計量標準に対比させて目盛付けのための温度較正が必要となる。 With regard to the production of semiconductor elements such as ICs and LSIs, the introduction of production equipment sold by semiconductor device manufacturers has lowered the barrier to entry into semiconductor element production, and production bases have become global. As a result, the price of semiconductor elements is very low. In addition, a large number of sensors and the like that are incorporated in semiconductors such as CMOS with uniform characteristics are produced by MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology using a manufacturing process of a semiconductor integrated circuit. The current mainstream of sensor production equipment is diverting such IC and LSI production equipment. In the manufacturing process of a semiconductor integrated circuit, in order to calibrate the reaction amount obtained by the sensor into a value converted into a physical quantity such as a voltage, the reaction amount at the sensor is compared with a reference measurement standard. Temperature calibration for graduation is required.
ここでのセンサは温度依存性を持つセンサ、例えば温度変化を加味した測定値を出力可能な圧力センサや温度センサ等がある。この温度依存性を持つ圧力センサの温度較正は、圧力センサを検査器にセットし、検査者又はユーザが温度変化に伴って出力する圧力センサの圧力出力値を既存の圧力出力値のデータと照合することで行われている。また、温度センサには、熱電対、白金測温抵抗体、サーミスタなどがある。この中で、低価格であって広い測定範囲を持つことから汎用されている熱電対の温度センサを例として温度較正について説明する。この熱電対は異なる２種類の金属線の一端を接合した（対にした）接合部に温度を加えると両端の温度差に応じて発生する微弱な熱起電力を測定し、測定した熱起電力に対応する温度値を出力する温度センサである。つまり、このような温度センサは温度変化に対応した熱起電力を出力するものである。この温度センサが正確に温度測定を行うためには温度較正する必要がある。温度較正を行う一般的な方法としては、一定な環境下である恒温槽の中に温度センサを置き、恒温槽内の温度を変化させて温度センサの熱電対からの出力される熱起電力を測定し、測定した熱起電力を温度変化に対する熱起電力の標準値と比較する。そして、この比較値を補正値とし各温度センサの温度較正を行う。 The sensor here is a sensor having temperature dependency, for example, a pressure sensor or a temperature sensor that can output a measurement value in consideration of a temperature change. The temperature calibration of this temperature-dependent pressure sensor is performed by setting the pressure sensor in the tester and comparing the pressure output value of the pressure sensor output by the inspector or user with the temperature change with the data of the existing pressure output value. It is done by doing. The temperature sensor includes a thermocouple, a platinum resistance temperature detector, a thermistor, and the like. Among these, temperature calibration will be described by taking a thermocouple temperature sensor that is widely used as it is inexpensive and has a wide measurement range as an example. This thermocouple measures the weak thermoelectromotive force generated according to the temperature difference between the two ends when a temperature is applied to the joint where one end of two different types of metal wires are joined (paired). It is a temperature sensor which outputs the temperature value corresponding to. That is, such a temperature sensor outputs a thermoelectromotive force corresponding to a temperature change. In order for the temperature sensor to accurately measure the temperature, it is necessary to calibrate the temperature. As a general method for temperature calibration, a temperature sensor is placed in a thermostatic chamber under a constant environment, and the thermoelectromotive force output from the thermocouple of the temperature sensor is changed by changing the temperature in the thermostatic chamber. Measure and compare the measured thermoelectromotive force with the standard value of thermoelectromotive force against temperature change. Then, the temperature calibration of each temperature sensor is performed using this comparison value as a correction value.
この熱電対の温度センサを用いて熱分析装置の温度較正を行う方法として、特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１に記載の温度較正を行う方法では、既知の相転移温度を持つ温度標準物質及び熱電対の温度センサを加熱炉内に設置する。そして、加熱炉内の温度を変化させていくと、温度標準物質の融点に相当する温度付近で温度標準物質の吸熱反応が発生する。この温度標準物質の吸熱反応は熱電対のリニアな出力変化での変曲点として検出される。そして、この変曲点の出力が検出されたときの温度を融点温度である温度標準とし、その温度標準を基づいて演算した補正値で熱電対の温度値を較正する。
As a method for calibrating the temperature of the thermal analyzer using the thermocouple temperature sensor, the one described in
温度較正を行う他の方法として特許文献２に記載のものも知られている。この特許文献２に記載の装置は、高圧高温装置内を適温になるように加熱するヒータに標準物質を直列に接続し、高圧高温装置内の温度を検出しながらヒータへの投入電力を調整する。そして、ヒータによって高圧高温装置内を加熱していき標準物質の相転移が起きたことをヒータの電気抵抗又はヒータへの電圧・電流の変化で捕え、その時の温度を検出する。そして、その時のヒータへの投入電力を基準とし、温度較正を行うものである。
A method described in
しかしながら、上記特許文献１によれば、温度較正工程では加熱炉内に温度標準物質を搬送して行われるため、較正精度は熱電対に対する温度標準物質の位置精度に依存する。このため、較正精度を上げるためには位置精度を上げなければならず、位置精度を上げる設備投資等によって素子自体のコスト増につながってしまう。また、上記特許文献１において、温度センサを製品に組み込んだ後に温度較正を行うときは特に製品から温度センサを取り外してユーザが上記温度較正を行うこととなり、この煩雑な温度較正自体がユーザの負担となっていた。また、上記特許文献２によれば、ヒータと相変化物質とが電気的に直列に接続されているので、相変化物質の相転移による電気伝導度の変化に加え、ヒータの電気伝導度の変化も生じる。このため、相変化物質の相転移温度が検出できその温度で較正できたとしても、ヒータの電気伝導度の変化に伴う影響で温度較正の精度が低下してしまうという課題があった。
However, according to
また、いずれの特許文献でも、一定の温度に制御した恒温環境となっている温度標準を備える大規模な設備が必要となる。更に、温度センサや湿度センサなどの熱を扱うセンサの中でも高い精度が求められるような高精度なセンサは細かい温度較正を行う必要となり、汎用なセンサの温度較正に比べて煩雑な工程を必要としていた。そのため、高精度なセンサは温度標準が一定の安定した恒温環境槽内に搬送されて温度変化を細かくして温度較正を行うために長い時間を要することになり、生産効率が悪くなる。そして、それ以外の素子が簡単な電送装置や光学装置で迅速に設定が完了するのに比べ、上記高精度なセンサでは大量生産の製造工程において大量に取り扱うのにボトルネックとなっていてコストを削減することができない。このため、温度較正に要するコストが付加され、温度較正に要した温度センサ本体の価格は温度較正に要しない温度センサ本体の価格に比して数倍ないし数十倍になっている。特に精度の高いものを生産するためには精度の高い温度較正を行うため費用と、かなりの時間を要していた。 In any patent document, a large-scale facility having a temperature standard that is a constant temperature environment controlled to a constant temperature is required. Furthermore, among sensors that handle heat, such as temperature sensors and humidity sensors, high-precision sensors that require high accuracy require fine temperature calibration, which requires a complicated process compared to general-purpose sensor temperature calibration. It was. For this reason, a highly accurate sensor is transported into a stable constant temperature environment tank where the temperature standard is constant, and it takes a long time to finely change the temperature and perform temperature calibration, resulting in poor production efficiency. Compared to the fact that other elements can be set quickly with a simple electric transmission device or optical device, the high-precision sensor described above is a bottleneck to handle in large quantities in the mass production process. It cannot be reduced. For this reason, the cost required for temperature calibration is added, and the price of the temperature sensor body required for temperature calibration is several times to several tens of times the price of the temperature sensor body not required for temperature calibration. In particular, in order to produce a highly accurate product, it took a considerable amount of time and time to perform temperature calibration with high accuracy.
更に、現在センサの普及は目覚しいとはいえ、このように温度較正技術の進歩が遅いため、一般の半導体素子と同じように簡単に大量に扱われるまでにはなっていない。このため、製造工程において温度較正工程自体を無くすことが最も有効である。また、高い精度を維持しようとすれば、随時簡便に温度較正を実施することが求められるが、出荷後に使用者が温度較正を実施することは実質的に困難である。電気信号でのみ駆動する一般の半導体素子と同じく、電気信号でいつでもどこでも素子自身で温度較正を行うことができる電気素子の提供が望まれている。 Further, although the spread of sensors is remarkable at present, the progress of the temperature calibration technique is slow, so that it has not been handled as easily and in large quantities as a general semiconductor element. For this reason, it is most effective to eliminate the temperature calibration process itself in the manufacturing process. Moreover, if it is going to maintain a high precision, it is calculated | required to implement temperature calibration simply at any time, but it is substantially difficult for a user to implement temperature calibration after shipment. In the same way as a general semiconductor element driven only by an electric signal, it is desired to provide an electric element capable of performing temperature calibration by the element itself anytime and anywhere with an electric signal.
本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、温度較正のための煩雑な工程を必要とせず、コストを抑えることができる、電気素子、集積素子、電子回路及び温度較正装置を提供することである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and an object of the present invention is to eliminate the need for a complicated process for temperature calibration, and to reduce the cost. Electrical elements, integrated elements, electronic circuits, and temperature calibration it is to provide the equipment.
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、温度依存性を有し、温度較正に用いられる電気素子において、既知の相転移温度を持つ少なくとも１つの相変化物質を有する相変化部と、上記相変化物質を加熱する発熱部と、温度の変化に伴って上記相変化物質の相転移が起きたことを検出する検出部と、を基板上に設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２の発明は、請求項１記載の電気素子において、上記検出部は上記発熱部によって加熱され上記相変化物質の温度が既知の上記相転移温に達したときの上記発熱部の電気抵抗値を検出し、上記検出部によって検出した上記発熱部の電気抵抗値の温度を既知の上記相転移温度とする温度較正を行うことを特徴とするものである。
また、請求項３の発明は、請求項１記載の電気素子において、上記検出部は上記発熱部によって加熱され上記相変化物質の既知の上記相転移温度に達したときの上記相変化物質に供給した電流に対する出力電圧値を検出し、電流値及び出力電圧値に基づいて上記発熱部の電気抵抗値を算出し、上記検出部によって算出した上記発熱部の電気抵抗値の温度を既知の上記相転移温度とする温度較正を行うことを特徴とするものである。
更に、請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気素子において、少なくとも上記相変化部を設けた領域の上記基板に、空洞を設けることを特徴するものである。
また、請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気素子において、上記相変化物質は、国際温度目盛ＩＴＳ−９０に定義されている物質であることを特徴するものである。
更に、請求項６の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気素子において、少なくとも上記相変化部と上記発熱部とを上記基板上に積層することを特徴とするものである。
また、請求項７の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気素子において、少なくとも上記相変化部と上記発熱部とを上記基板上に並列に配置することを特徴とするものである。
更に、請求項８の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気素子において、上記発熱部に離間させた箇所に上記相変化物質を分散配置したことを特徴とするものである。
また、請求項９の発明は、請求項８記載の電気素子において、上記発熱部を蛇行配置し、蛇行状の上記発熱部に沿って上記相変化物質を並列に設けたことを特徴とするものである。
更に、請求項１０の発明は、請求項８記載の電気素子において、上記発熱部を蛇行配置し、蛇行状の上記発熱部に沿って上記相変化物質を積層に設けたことを特徴とするものである。
また、請求項１１の発明は、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気素子において、上記相変化物質、上記発熱部、上記基板のうち少なくとも１つが導電性材料で構成されており、導電性材料で構成された部材を電気絶縁材で電気的に絶縁することを特徴とするものである。
更に、請求項１２の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電気素子において、上記発熱部で上記相変化物質を加熱し、上記相変化物質の相転移が起きたときの、上記発熱部の供給電流値及び出力電力値によって求められる上記発熱部の抵抗値と、上記発熱部の温度と抵抗値の関係とに基づいて、上記発熱部の温度を検出することを特徴とするものである。
また、請求項１３の発明は、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気素子において、上記相変化部から検出信号を出力する検出リード線を上記相変化部に接続し、上記検出リード線を相変化物質と同一、あるいは導電性材料で構成することを特徴とするものである。
更に、請求項１４の発明は、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電気素子において、上記検出部は、上記相変化物質の温度が既知の上記相転移温に達したときの上記発熱部の電気抵抗値を検出することを特徴とするものである。
また、請求項１５の発明は、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の電気素子において、上記相変化部が既知の上記相転移温度の異なる複数の相変化物質を有し、上記検出部は上記各相変化物質における温度変化に伴う各相転移を検出することを特徴とするものである。
更に、請求項１６の発明は、請求項１５記載の電気素子において、上記各相変化物質を互いに分離して配置することを特徴とするものである。
また、請求項１７の発明は、請求項１６記載の電気素子において、上記各相変化物質を並列に配置することを特徴とするものである。
更に、請求項１８の発明は、請求項１６記載の電気素子において、上記各相変化物質を積層に配置することを特徴とするものである。
また、請求項１９の発明は、請求項１５〜１８のいずれか１項に記載の電気素子において、少なくとも一方の上記相変化物質が導電性であり、上記各相変化物質の間に電気絶縁材を設けることを特徴とするものである。
更に、請求項２０の発明は、請求項１５〜１９のいずれか１項に記載の電気素子において、複数の上記相変化物質を上記発熱部に離間する箇所に分散配置したことを特徴とするものである。
また、請求項２１の発明は、請求項２０記載の電気素子において、上記発熱部を蛇行配置し、蛇行状の上記発熱部に沿って複数の上記相変化物質を並列に設けたことを特徴とするものである。
更に、請求項２２の発明は、請求項２０記載の電気素子において、上記発熱部を蛇行配置し、蛇行状の上記発熱部に沿って複数の上記相変化物質を積層に設けたことを特徴とするものである。
また、請求項２３の発明は、請求項２０記載の電気素子において、上記発熱部と、複数の上記相変化物質とを、同心円となるようにそれぞれ配置したことを特徴とするものである。
更に、請求項２４の発明は、請求項２０記載の電気素子において、上記発熱部を同心円の形状にし、複数の上記相変化物質を扇形に形成し、同心円の上記発熱部の円周内に、上記各相変化物質を上記発熱部と同心円となるように交互に並列したことを特徴とするものである。
また、請求項２５の発明は、請求項１〜２４のいずれか１項に記載の電気素子において、溶解して合金となる複数の上記相変化物質を設け、加熱によって上記各相変化物質が溶解して相変化物質の合金となり、合金の相変化物質の相転移を検出することを特徴とするものである。
更に、請求項２６の発明は、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の電気素子において、少なくとも上記相変化部の周囲を絶縁材で覆う表面保護膜を形成することを特徴とするものである。
また、請求項２７の発明は、請求項１６〜２６のいずれか１項に記載の電気素子において、温度の変化に伴って第１の相変化物質の相転移が起きたことを検出する第１の検出部と、上記第１の相変化物質の相転移が起きたときに相転移が起きていない第２の相変化物質の相転移が温度の変化に伴って起きたことを検出する第２の検出部とでのブリッジ回路を構成することを特徴とするものである。
更に、請求項２８の発明は、請求項１６〜２６のいずれか１項に記載の電気素子において、温度の変化に伴って第１の相変化物質の相転移が起きたことを検出する第１の温度検出部と、上記第１の相変化物質の相転移が起きたときに相転移が起きていない第２の相変化物質の相転移が温度の変化に伴って起きたことを検出する第２の温度検出部とでのブリッジ回路を構成することを特徴とするものである。
また、請求項２９の発明は、請求項２７又は２８に記載の電気素子において、上記第１の相変化物質の熱容量と上記第２の相変化物質の熱容量は同じであることを特徴とするものである。
更に、請求項３０の発明は、請求項１〜２９のいずれか１項に記載の電気素子を複数集積したこと特徴とするものである。
また、請求項３１の発明は、請求項１〜３０のいずれか１項に記載の電気素子と回路素子とを集積することを特徴とするものである。
更に、請求項３２の発明は、請求項１〜３０のいずれか１項に記載の電気素子を、温度依存性のある半導体又は電子部品に集積することを特徴とするものである。
また、請求項３３の発明は、温度依存性を有する電気素子を備えた温度較正装置において、上記電気素子は、既知の相転移温度を持つ少なくとも１つの相変化物質を有する相変化部と、上記相変化物質を加熱する発熱部と、温度の変化に伴って上記相変化物質の相転移が起きたことを検出する検出部と、を基板上に設け、上記検出部によって検出した上記相変化物質の相転移が起きたときの温度を既知の相転移温度とする温度較正を行うことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, the invention of
According to a second aspect of the present invention, there is provided the electric element according to the first aspect, wherein the detection unit is heated by the heat generation unit and the temperature of the phase change material reaches the known phase transition temperature. An electrical resistance value is detected, and temperature calibration is performed with the temperature of the electrical resistance value of the heat generating unit detected by the detecting unit as the known phase transition temperature.
According to a third aspect of the present invention, in the electrical element according to the first aspect, the detection unit is heated by the heat generating unit and supplied to the phase change material when the phase change material reaches the known phase transition temperature. An output voltage value for the generated current is detected, an electric resistance value of the heat generating unit is calculated based on the current value and the output voltage value, and the temperature of the electric resistance value of the heat generating unit calculated by the detecting unit is calculated in a known phase. It is characterized by performing temperature calibration to be a transition temperature.
Furthermore, the invention of claim 4 is the electric element according to any one of
The invention according to
Further, the invention of
According to a seventh aspect of the present invention, in the electrical device according to any one of the first to fifth aspects, at least the phase change portion and the heat generating portion are arranged in parallel on the substrate. Is.
Furthermore, the invention of
According to a ninth aspect of the present invention, in the electric element according to the eighth aspect, the heat generating portions are arranged in a meandering manner, and the phase change material is provided in parallel along the serpentine heat generating portions. It is.
Furthermore, the invention according to
According to an eleventh aspect of the present invention, in the electrical element according to any one of the first to tenth aspects, at least one of the phase change material, the heat generating portion, and the substrate is made of a conductive material. A member made of a conductive material is electrically insulated with an electrical insulating material.
Furthermore, the invention of
According to a thirteenth aspect of the present invention, in the electrical element according to any one of the first to twelfth aspects, a detection lead wire that outputs a detection signal from the phase change portion is connected to the phase change portion, and the detection is performed. The lead wire is formed of the same or a conductive material as the phase change material.
Furthermore, the invention according to
The invention of
Further, the invention of
The invention according to
Further, the invention of
The invention of
Furthermore, the invention of
The invention according to
Furthermore, the invention of
According to a twenty-third aspect of the present invention, in the electric element of the twentieth aspect, the heat generating portion and the plurality of phase change substances are respectively arranged so as to be concentric.
Furthermore, the invention of claim 24 is the electrical element according to
According to a twenty-fifth aspect of the present invention, in the electric device according to any one of the first to twenty-fourth aspects, a plurality of the phase change materials that are dissolved to form an alloy are provided, and the phase change materials are dissolved by heating. Thus, an alloy of the phase change material is formed, and the phase transition of the phase change material of the alloy is detected.
Furthermore, the invention of claim 26 is the electrical element according to any one of
According to a twenty-seventh aspect of the present invention, in the electric device according to any one of the sixteenth to twenty-sixth aspects, the first phase change material detecting that a phase transition of the first phase change material has occurred with a change in temperature. A second detecting unit for detecting that a phase transition of the second phase change material in which no phase transition has occurred when a phase transition of the first phase change material has occurred with a change in temperature; This is characterized in that a bridge circuit is configured with the detection unit.
Furthermore, the invention of claim 28 is a first device for detecting in the electric element of any one of
The invention according to claim 29 is the electrical element according to claim 27 or 28, wherein the heat capacity of the first phase change material and the heat capacity of the second phase change material are the same. It is.
Furthermore, the invention of claim 30 is characterized in that a plurality of the electric elements according to any one of
The invention according to
Furthermore, the invention of
The invention of
以上本発明によれば、温度較正のための煩雑な工程を必要とせず、コストを抑えることができる。 As mentioned above, according to this invention, the complicated process for temperature calibration is not required but cost can be held down.
はじめに、相変化物質の相転移を用いたキャリブレーションの原理について概説する。ここでは相変化物質の相転移を検出する要因が電気抵抗値変化とした例で説明する。
図１は時間推移における温度変化及び電気抵抗値変化を示す特性図である。同図の特性図は、時間推移と共に相変化物質を加熱したとき相変化物質に隣接して設置された温度依存性を有する抵抗体の電気抵抗値の変化を抵抗器で測定した値をプロットしたものである。この例では１つの相変化物質の既知の融点をキャリブレーションに用いる例であり、この例において、図１に示すように一定の電流値の電流を供給させて相変化物質において相転移が起きたときの温度（融点（凝固点）：Ｍｐ）になると吸熱反応が生じる。相変化物質が個体であれば温度が上がっていくと相転移温度にて液体となりはじめ、全てが液体となる期間は相転移温度を維持し、全てが液体となった以降は再び温度が上昇する。そのため、抵抗体の電気抵抗値が不連続な傾向となる部分が出現する。図１において、抵抗体の電気抵抗値Ｒ２のときの温度が相転移温度と判定できる。つまり、この電気抵抗値Ｒ２となったときが相転移温度となったことに相当する。よって、温度依存性を有する抵抗体の抵抗値を測定しておき、測定抵抗値が抵抗値Ｒ２となったときの温度を既知の相転移温度とする温度較正を行う。このように、相転移温度と電気抵抗値との関係が１対１の関係となり、この関係を用いることによりキャリブレーションを行うことができる。
First, the principle of calibration using the phase transition of phase change materials will be outlined. Here, an example in which the factor for detecting the phase transition of the phase change material is a change in electrical resistance value will be described.
FIG. 1 is a characteristic diagram showing temperature changes and electrical resistance value changes over time. The characteristic diagram of the figure plots the value measured by a resistor with respect to the change in electrical resistance value of a temperature-dependent resistor placed adjacent to the phase change material when the phase change material is heated with time. Is. In this example, a known melting point of one phase change material is used for calibration. In this example, a phase transition occurs in the phase change material by supplying a current having a constant current value as shown in FIG. Endothermic reaction occurs at the temperature (melting point (freezing point): Mp). If the phase change material is an individual, it begins to become liquid at the phase transition temperature as the temperature rises, maintains the phase transition temperature during the period when everything is liquid, and rises again after everything becomes liquid . Therefore, a portion where the electrical resistance value of the resistor tends to be discontinuous appears. In FIG. 1, the temperature at the electric resistance value R2 of the resistor can be determined as the phase transition temperature. In other words, this electric resistance value R2 corresponds to the phase transition temperature. Therefore, the resistance value of the resistor having temperature dependency is measured, and temperature calibration is performed with the temperature when the measured resistance value becomes the resistance value R2 as the known phase transition temperature. Thus, the relationship between the phase transition temperature and the electric resistance value is a one-to-one relationship, and calibration can be performed by using this relationship.
なお、発熱部の熱容量を小さくし、相変化物質は薄く、かつ均一な温度領域に形成することにより、相変化の時点をより正確に検出できる。具体的には、図１に示すように、相変化物質が固体から液体へ相転移が発生すると、相変化物質が吸熱反応を示し、相変化開始から終了まで温度が変化しないので温度が維持され、発熱部の電気抵抗値の増加傾向が抵抗値の平行状態へ変化する現象として検出される。電気抵抗値の時刻Ｔ０から時刻Ｔ１の推移はデータとして記憶され、抵抗値と時間の関数として演算される。この関数と時刻Ｔ１後に得られるデータを比較し、時刻Ｔ２で関数にフィットしないデータが生じれば相転移し、この時既知の相転移温度Ｍｐであると判断する。特に基板に空洞部を形成した熱容量の小さい相変化物質と発熱部の構造であれば、Ｔ２＝０．１から１０［ｍｓｅｃ］の時刻で、迅速かつ顕著な特性として得ることができる。例えば、後述する図１８の発熱部や相変化物質の蛇行配置構造において、発熱部と相変化物質が形成されている箇所の寸法が厚さ２［μｍ］で１００［μｍ］角、相変化物質がＳｎで２３１.９２８℃の相転移温度であれば、１［ｍｓｅｃ］で温度標準が得られ、寸法をより一層小さくするとより一層高速にできる。このように、図１に示すように、発熱部の電気抵抗値Ｒ２が既知の温度Ｍｐであって、発熱部の既知の抵抗温度係数ＴＣＲを用いることによって、発熱部に対しジュール発熱させないように微弱の電流を供給して、発熱部の電気抵抗値を素子の環境温度の検出として用いることができる。なお、後述する複数の異なる相転移温度を得る構造であれば、発熱部の既知の抵抗温度係数ＴＣＲを用いずに、未知の抵抗温度係数ＴＣＲを導き出すことができる。なお、実施形態において相変化物質はある温度で相転移する物質であればよい。特に、高精度に温度が決められている国際温度目盛として定められる温度を示す物質を用いれば高精度にキャリブレーションできるので、その物質としてはＩｎ、Ｓｎなどがある。 In addition, the time of the phase change can be detected more accurately by reducing the heat capacity of the heat generating portion and forming the phase change material in a thin and uniform temperature region. Specifically, as shown in FIG. 1, when the phase change material undergoes a phase transition from solid to liquid, the phase change material exhibits an endothermic reaction, and the temperature does not change from the start to the end of the phase change, so the temperature is maintained. The increasing tendency of the electric resistance value of the heat generating portion is detected as a phenomenon that changes to a parallel state of the resistance value. The transition of the electrical resistance value from time T0 to time T1 is stored as data and is calculated as a function of the resistance value and time. This function is compared with data obtained after time T1, and if data that does not fit the function is generated at time T2, a phase transition occurs, and at this time, it is determined that the phase transition temperature Mp is known. In particular, in the case of a structure of a phase change material having a small heat capacity and a heat generating portion in which a cavity is formed in the substrate, it can be obtained as a rapid and remarkable characteristic at a time of T2 = 0.1 to 10 [msec]. For example, in the heat generating portion and the meandering structure of the phase change material shown in FIG. 18 to be described later, the dimensions of the portion where the heat generating portion and the phase change material are formed are 2 [μm] and 100 [μm] square, and the phase change material. If Sn is a phase transition temperature of 231.928 ° C., a temperature standard can be obtained in 1 [msec], and the speed can be further increased by further reducing the size. In this way, as shown in FIG. 1, the electrical resistance value R2 of the heat generating part is a known temperature Mp, and by using the known resistance temperature coefficient TCR of the heat generating part, Joule heat is not generated in the heat generating part. By supplying a weak current, the electric resistance value of the heat generating part can be used as detection of the environmental temperature of the element. If the structure obtains a plurality of different phase transition temperatures described later, the unknown resistance temperature coefficient TCR can be derived without using the known resistance temperature coefficient TCR of the heat generating portion. In the embodiment, the phase change material may be a material that undergoes a phase transition at a certain temperature. In particular, if a substance showing a temperature determined as an international temperature scale in which the temperature is determined with high precision is used, calibration can be performed with high precision, and examples of such substances include In and Sn.
図２は発熱部に供給される電流に対する発熱部の温度変化及び抵抗値変化を示す特性図である。図２に示すように、相変化物質が固体又は液体から気体へ既知の温度（昇華点又は沸点：Ｂｐ）で相転移するので、相変化物質が蒸散して発熱部の熱容量が相変化物質の分減少する。発熱部の熱容量の減少は発熱部の温度（電気抵抗値）を一定割合で増加させている発熱部へ供給する電力量（電気抵抗値）の推移において電流値を増加させ、沸点Ｂｐに達した時に相変化物質が相転移する。熱容量が変化し電気抵抗値は不連続な特性として現れ、この不連続点が既知の沸点Ｂｐである。図１と同様に、発熱部に対しジュール発熱させないように微弱の電流を供給して、発熱部の電気抵抗値を素子の環境温度の検出として用いることができる。 FIG. 2 is a characteristic diagram showing the temperature change and resistance value change of the heat generating part with respect to the current supplied to the heat generating part. As shown in FIG. 2, since the phase change material undergoes a phase transition from a solid or liquid to a gas at a known temperature (sublimation point or boiling point: Bp), the phase change material evaporates and the heat capacity of the heat generating part becomes Decrease by minute. The decrease in the heat capacity of the heat generating part increased the current value in the transition of the amount of electric power (electric resistance value) supplied to the heat generating part which increased the temperature (electric resistance value) of the heat generating part at a constant rate, and reached the boiling point Bp. Sometimes the phase change material undergoes a phase transition. The heat capacity changes and the electric resistance value appears as a discontinuous characteristic, and this discontinuity point is a known boiling point Bp. As in FIG. 1, a weak current can be supplied to the heat generating portion so as not to generate Joule heat, and the electric resistance value of the heat generating portion can be used as detection of the environmental temperature of the element.
次に、複数の相変化物質のそれぞれの既知の相転移温度を用いたキャリブレーションの原理について概説する。なお、以下では２つの相変化物質を用いた例で概説するものとする。 Next, the principle of calibration using each known phase transition temperature of a plurality of phase change materials will be outlined. In the following, an example using two phase change substances will be outlined.
図３は異なる相転移温度の２つの相変化物質において時間推移に対する温度変化を示す特性図である。同図に示すように、発熱部への電流供給を一定の割合で増加していくことによって、時刻Ｔ２で相変化物質Ａが相転移する温度（相変化物質Ａ固有の既知の値である融点（凝固点）：Ｍｐａ）になる。更に、電流を供給し続けて温度を上昇させると、時刻Ｔ４で相変化物質Ｂが相転移する温度（相変化物質Ｂ固有の既知の値である融点（凝固点）：Ｍｐｂ（＞Ｍｐａ））になる。なお、これらの素子は、相変化物質を相転移させるのに発熱部を用いず、従来のように素子の環境温度を温度制御することによっても、図３に示す相変化物質の相転移を検出し、既知の温度であることが決定できるので、従来のキャリブレーション設備ほど高精度の温度標準設備でなく空間温度分布のある温度制御精度の低い設備を用いた方法によっても、個々の素子の相変化物質の相転移を検出し、高精度にキャリブレーションできる。そして、所定の抵抗温度係数を有する発熱部をジュール発熱させないように十分小さな電流値を印加し、発熱部の抵抗値を検出することによって、個々の素子の発熱部を温度検出器として用い高精度にキャリブレーションできる。 FIG. 3 is a characteristic diagram showing temperature changes with time in two phase change materials having different phase transition temperatures. As shown in the figure, by increasing the current supply to the heat generating part at a certain rate, the temperature at which the phase change material A undergoes phase transition at the time T2 (the melting point that is a known value unique to the phase change material A). (Freezing point): Mpa). Further, when the temperature is increased by continuing to supply current, the temperature changes to the temperature at which the phase change material B undergoes a phase transition at a time T4 (melting point (freezing point): Mpb (> Mpa), which is a known value unique to the phase change material B)). Become. Note that these elements do not use a heat generating part to cause phase transition of the phase change material, and detect the phase transition of the phase change material shown in FIG. 3 by controlling the ambient temperature of the element as in the past. However, since it can be determined that the temperature is a known temperature, the phase of each element can also be determined by a method using a temperature control device having a spatial temperature distribution and a low temperature control accuracy instead of a temperature standard device having a higher accuracy than a conventional calibration device. It can detect the phase transition of the changing substance and calibrate with high accuracy. Then, by applying a sufficiently small current value so as not to cause Joule heat generation of the heat generating part having a predetermined resistance temperature coefficient, and detecting the resistance value of the heat generating part, the heat generating part of each element is used as a temperature detector. Can be calibrated.
なお、少なくともＭｐａ≠Ｍｐｂであればよい。また、異なる相転移温度の２つの相変化物質において時間推移に対する発熱部の駆動電流値変化を示す特性図である図４に示すように、出力電圧値を測定し抵抗値に変換してＲの偏曲点（多くはΔＲ＝０）が２回出現する期間、時刻Ｔ０から時刻Ｔ４まで、一定の比率で電流値を増加させる。そして、抵抗値の時間微分値ΔＲについて、時刻Ｔ０から時刻Ｔ１のΔＲを記憶し、時刻Ｔ２後のΔＲと比較する。固体から液体へ相転移を完了するまでは吸熱反応によって印加電力を増しても温度の上昇はなくΔＲ＝０であるので、時刻Ｔ２において所定の相変化物質Ａは既知の相転移温度Ｍｐａになったと判断できる。同様に、時刻Ｔ４において所定の相変化物質Ｂは既知の相転移温度Ｍｐｂになったと判断できる。これによって、図５に示すように、発熱部（ヒータと温度検出部との兼用）の時刻Ｔ２における供給電流値と出力電圧値Ｖａ、すなわち図６に示す抵抗値Ｒａが温度Ｍｐａの時の値である。また、時刻Ｔ４における供給電流値と出力電圧値Ｖｂ（図５参照）、すなわち抵抗値Ｒｂ（図６参照）が温度Ｍｐｂの時の値であることがわかり、図７に示すように、発熱部の温度依存性（抵抗値の温度キャリブレーション）を温度と抵抗値の関数として近似する。また、図５に示すように、時刻Ｔ５、時刻Ｔ６において、測温抵抗体と同じく自己発熱させないように微小な定電流Ｉｓを供給することによって、図６に示すように、抵抗値Ｖ５／Ｉｓ及び抵抗値Ｖ６／Ｉｓを検出し、先の温度と抵抗値の関数を用い、温度Ｃ５、温度Ｃ６として算出する。図６の破線に示す周囲温度が測定できる。これにより温度測定ができることになる。 It is sufficient that at least Mpa ≠ Mpb. In addition, as shown in FIG. 4, which is a characteristic diagram showing a change in driving current value of the heat generating portion with respect to time transition in two phase change materials having different phase transition temperatures, an output voltage value is measured and converted into a resistance value, During a period in which the inflection point (mostly ΔR = 0) appears twice, the current value is increased at a constant ratio from time T0 to time T4. Then, with respect to the time differential value ΔR of the resistance value, ΔR from time T0 to time T1 is stored and compared with ΔR after time T2. Until the phase transition from the solid to the liquid is completed, even if the applied power is increased by the endothermic reaction, the temperature does not increase and ΔR = 0. Therefore, at the time T2, the predetermined phase change substance A becomes the known phase transition temperature Mpa. Can be judged. Similarly, it can be determined that the predetermined phase change material B has reached a known phase transition temperature Mpb at time T4. As a result, as shown in FIG. 5, the supply current value and the output voltage value Va at time T2 of the heat generating portion (shared with the heater and the temperature detecting portion), that is, the value when the resistance value Ra shown in FIG. 6 is the temperature Mpa. It is. Further, it can be seen that the supply current value and the output voltage value Vb (see FIG. 5) at time T4, that is, the resistance value Rb (see FIG. 6) are the values at the temperature Mpb, and as shown in FIG. Is approximated as a function of temperature and resistance. Further, as shown in FIG. 5, at time T5 and time T6, by supplying a small constant current Is so as not to cause self-heating as with the resistance temperature detector, resistance value V5 / Is is obtained as shown in FIG. And the resistance value V6 / Is are detected and calculated as the temperature C5 and the temperature C6 using the function of the previous temperature and resistance value. The ambient temperature shown by the broken line in FIG. 6 can be measured. As a result, the temperature can be measured.
このように、２つの異なる相変化物質がそれぞれ異なる相転移温度の物質であることにより、発熱部の温度が２つの異なる温度になったときにキャリブレーションすることができる。これにより、高精度の温度目盛が付与できる。なお、発熱部の温度依存性（抵抗値の温度キャリブレーション）が求まるので、未知の抵抗温度係数（ＴＣＲ）の抵抗体材料を用いることができるし、発熱部の材料が予め既知の抵抗温度係数（ＴＣＲ）の抵抗体材料を用いると図７の抵抗値−温度特性が更に精度が高くなる。例えば、発熱部にＰｔを用いると、
発熱部の抵抗値Ｒ（Ω）と温度Ｓ（℃）の温度依存性は以下の式（１）で表すことができる。
Ｒ＝Ｒ０×(１＋α・Ｓ)・・・・（式１）
As described above, since the two different phase change materials are materials having different phase transition temperatures, calibration can be performed when the temperature of the heat generating portion reaches two different temperatures. Thereby, a highly accurate temperature scale can be provided. In addition, since the temperature dependency (temperature calibration of the resistance value) of the heat generating part is obtained, a resistor material having an unknown resistance temperature coefficient (TCR) can be used, and the material of the heat generating part has a known resistance temperature coefficient in advance. When a resistor material of (TCR) is used, the resistance value-temperature characteristic of FIG. 7 becomes more accurate. For example, if Pt is used for the heat generating part,
The temperature dependence of the resistance value R (Ω) and the temperature S (° C.) of the heat generating part can be expressed by the following formula (1).
R = R0 × (1 + α · S) (Formula 1)
なお、温度係数（ＴＣＲ）αは３．９０８３Ｅ−０３（０℃〜８５０℃）であって、これに相変化物質Ａが例えばＩｎでＭｐａ＝１５６．５９８５℃のＲａ、相変化物質Ｂが例えばＳｎでＭｐｂ＝２３１．９２８℃のＲｂにより、温度係数αの補正を行えばさらに精度が高く、０℃〜８５０℃では線形なので、ＭｐａからＭｐｂまでの範囲以外の温度領域でも精度が確保される。ちなみに、図面では相転移温度が異なる相変化物質の２種類を示しているが、非線形の温度依存性である場合はより多くの異なる既知の相転移温度が必要であって、図面上の相変化物質の種類を増やせばよい。また、温度依存性を有する電気素子の温度目盛りを構成する場合電気また、相変化物質が相転移したことを検出する要因が電気抵抗値変化とした例で説明したが、その他の相変化物質が相転移したことを示すものとして、質量、熱容量、固有振動数、誘電率、粘性、光透過率、光反射率、光吸収率等がある。 The temperature coefficient (TCR) α is 3.9083E-03 (0 ° C. to 850 ° C.). Phase change material A is, for example, In, and Mpa = 156.5985 ° C., and phase change material B is, for example, If the temperature coefficient α is corrected by the Rb of Sn with Mpb = 231.928 ° C., the accuracy is higher, and the linearity is obtained from 0 ° C. to 850 ° C. Therefore, the accuracy is ensured even in a temperature region other than the range from Mpa to Mpb. . Incidentally, the drawing shows two types of phase change materials having different phase transition temperatures. However, when the temperature dependence is nonlinear, more different known phase transition temperatures are required, and the phase change on the drawing is necessary. The number of substances should be increased. Also, in the case where the temperature scale of the electric element having temperature dependence is configured, the electric or phase change material has been described as an example in which the factor for detecting the phase transition is the change in the electric resistance value. Examples of the phase transition include mass, heat capacity, natural frequency, dielectric constant, viscosity, light transmittance, light reflectance, and light absorption.
次に、実施形態の電気素子の構造について説明するが、１つの相変化物質を用いて電気抵抗値変化を検出したものを示す。
図８は実施形態の電気素子の積層構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図８に示すような積層配置した構造の電気素子では、発熱部と相変化物質が極近接し伝熱も均等になり、熱容量も小さく、迅速にキャリブレーションが完了し高精度の温度検出が可能になる。電気絶縁性材料のガラスやセラミックからなる基板１１上に、Ｓｉ、Ｐｔ、ＮｉＣｒ、ＳｉＣ，Ｃなどの導電性物質からなる電力供給用の１組のリード１２とリード先端の発熱部１３とを配置し、発熱部１３上に相変化物質１４を積層して一体化している。発熱部１３はリード１２よりも厚みが薄い、あるいは幅が細くなっているので電気抵抗値が大きく、電流を供給してジュール発熱させることができる。発熱部１３の電気抵抗物質の固有抵抗値と抵抗温度係数に応じた電気抵抗値が発熱部１３の温度に対応する。このような構造を有する電気素子によれば、発熱部１３にリード１２を介して電流を供給して発熱部１３によって発熱させる。そして、このリード１２により発熱部１３上に積層された相変化物質１４の相転移となる電気抵抗値を検出する。これにより、上述した原理に基づいて電気抵抗値を検出することで相変化物質１４の相変移温度となったことを検知する。なお、相変化物質１４は電気的に発熱部１３に影響を及ぼさない非導電性物質であり、発熱部１３への熱影響を発熱部１３の電気特性として得ることができる。リード１２の末端から電流を供給することによって発熱部１３がジュール発熱によって温度上昇し、積層した相変化物質１４も発熱部１３と近接し微小量なので発熱部１３とほぼ同じ温度になる。
Next, the structure of the electric element according to the embodiment will be described. An electric resistance value change detected using one phase change material is shown.
FIG. 8 is a view showing a laminated structure of the electric element of the embodiment. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is the sectional view on the AA 'line of (a) of the same figure. In the electric element with the stacked arrangement as shown in FIG. 8, the heat generating part and the phase change material are in close proximity, the heat transfer is uniform, the heat capacity is small, the calibration is completed quickly, and high-precision temperature detection is possible. become. A pair of
図９は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図８と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。同図に示す基板１１は導電性を有する物質であり、例えばＡｌ、Ｎｉ、Ｓｉであって、リード１２や発熱部１３の導電性と干渉してしまうので、図９の電気素子では、基板１１の表面に電気絶縁層１５を形成している。この電気絶縁層１５は、相変化物質１４の相転移温度よりも低いと、相転移してしまうので、相転移温度が相変化物質１４よりも高い物質を選択する必要があり、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の耐熱性物質である。基板がＳｉであれば、周辺回路を集積しやすい。電気絶縁層１５は、例えばＳｉの基板１１を熱酸化させることによって表面にＳｉＯ２を形成したり、ＳＯＩ（Ｓｉ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造基板によって得ることができる。
FIG. 9 is a view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 8 denote the same components. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is the sectional view on the AA 'line of (a) of the same figure. The
図１０は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図９と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図９と異なる図１０の電気素子は、発熱部１３と相変化物質１４を配置している領域以外を、電気絶縁層１５をマスクとして基板１１上にエッチングにより空洞１６を設けたものである。このような構造としたことにより、発熱部１３を基板１１と低熱容量の空間によって断熱性を高め、発熱部１３の熱容量を小さくできる。積層した相変化物質１４も発熱部１３と近接し微小量なので、発熱部１３とほぼ同じ温度になり、温度分布も均一になる。これによって、相変化物質１４と発熱部１３は迅速な温度制御が可能になるため、高精度のキャリブレーションが迅速に完了できる。これらの製造方法は、基板１１上に、導電性物質の基板であれば電気絶縁層１５を積層した後、導電性の電気抵抗物質を薄膜状に蒸着やスパッタリングによって積層し、リード１２や発熱部１３として半導体微細加工のフォトエッチング技術によってパターン加工する。そして、相変化物質１４を、積層された相変化物質が導電性物質あれば電気絶縁層１５を介して積層した後、相変化物質１４を発熱部１３に対応する領域にパターン加工する。基板１１上に空洞１６を設ける構造においては、発熱部１３と相変化物質１４の領域周辺に対向する基板となる部位をエッチング除去する。この空洞１６によって大きな熱容量の基板の影響を小さくし、小さな熱容量の発熱部１３及び相変化物質１４の構造が得られ、高速に所定の温度に調節することができる。
FIG. 10 is a diagram showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 9 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. The electric element of FIG. 10 different from FIG. 9 is one in which a
図１１は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図１０と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図１０と異なる図１１の電気素子は、相変化物質１４にＡｌ、Ａｕや発熱部１３と同一材料の導電性物質の検出リード１７がコンタクトした構造となっている。相変化物質１４は導電性物質であり、発熱部１３と電気絶縁させるため電気絶縁層１８を介して積層されており、相変化物質１４の状態を発熱部１３と電気的に分離して独立に検出リード１７を経て検出できる。このため、相転移温度を正確に検出することができ、また相変化物質１４が導電性を有し、発熱部１３の電気特性に影響を与えず発熱部１３の電力制御が複雑にならない。また、ＡｌやＡｕの検出リード１７は周辺回路を集積した場合、使用される配線パターンと同一材料であるので、製造工程が複雑にならない。
FIG. 11 is a view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 10 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. The electric element of FIG. 11 different from FIG. 10 has a structure in which a
図１２は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図１１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図１１と異なる図１２の電気素子は、発熱部１３と相変化物質１４を配置している領域以外を、電気絶縁層１５をマスクとして基板１１上にエッチングにより空洞１６を設けたものである。このような構造としたことにより、発熱部１３を基板１１と低熱容量の空間によって断熱性を高め、発熱部１３の熱容量を小さくできる。積層した相変化物質１４も発熱部１３と近接し微小量なので、発熱部１３とほぼ同じ温度になり、温度分布も均一になる。これによって、相変化物質１４と発熱部１３は迅速な温度制御が可能になるため、高精度のキャリブレーションが迅速に完了できる。
FIG. 12 is a view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 11 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. The electrical element of FIG. 12 different from FIG. 11 is one in which a
図１３は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す平面図である。同図において、図１１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）に示す電気素子は検出リード１７のパターンも相変化物質１４と同一の金属などの導電性材料で構成される場合の積層構造を有し、相変化物質１４の電気特性を相変化物質の検出リード１７によって検出する。このように、同一材料を用いることによって、構造及び製造工程を簡略にできる。図１３の（ｂ）は、図１３の（ａ）の発熱部１３と相変化物質１４を配置している領域に対して、基板１１上に空洞１６を設け、迅速な温度制御により高精度のキャリブレーションを行うための構造である。
FIG. 13 is a plan view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 11 denote the same components. The electrical element shown in FIG. 6A has a laminated structure in which the pattern of the
図１４は実施形態の電気素子の並列構造を示す図である。同図において、図８と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。同図に示す並列構造の電気素子は、基板１１上に電気抵抗物質のリード１２と発熱部１３とを配置し、この発熱部１３に並列に離間して相変化物質１４を形成したものである。半導体微細加工のフォトエッチング技術によってパターン形成する場合には積層段差が加工寸法精度に影響を与えるので、発熱部１３と相変化物質１４とを並列に同一平面上に配置することによって、積層段差を小さくし精度ばらつきが小さくできる。また、発熱部１３と相変化物質１４との間には間隔があるので、発熱部１３と相変化物質１４とは電気的に絶縁されていて、相変化物質１４に導電性を有する場合であっても発熱部１３への影響はない。
FIG. 14 is a diagram showing a parallel structure of the electric elements of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 8 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. The parallel-structured electric element shown in FIG. 1 has an electric
図１５は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す図である。同図において、図１４と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図１４と異なる電気素子は、発熱部１３と相変化物質１４を配置している領域以外を、電気絶縁層１５をマスクとして基板１１上にエッチングにより空洞１６を設けたものである。このような構造としたことにより、発熱部１３を基板１１と低熱容量の空間によって断熱性を高め、発熱部１３の熱容量を小さくできる。積層した相変化物質１４も発熱部１３と近接し微小量なので、発熱部１３とほぼ同じ温度になり、温度分布も均一になる。これによって、相変化物質１４と発熱部１３は迅速な温度制御が可能になるため、高精度のキャリブレーションが迅速に完了できる。
FIG. 15 is a diagram illustrating another parallel structure of the electric elements of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 14 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. The electric element different from FIG. 14 is obtained by providing a
図１６は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す平面図である。同図において、図１５と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）に示す電気素子は検出リード１７も相変化物質１４と同一の金属などの導電性材料で構成される場合の並列構造を有し、相変化物質１４の電気特性を相変化物質の検出リード１７によって検出する。このように、同一材料を用いることによって、構造及び製造工程を簡略にできる。図１６の（ｂ）に示す電気素子は、図１６の（ａ）の発熱部１３と相変化物質１４を配置している領域に対して、基板１１上に空洞１６を設け、迅速な温度制御により高精度のキャリブレーションを行うための並列構造となっている。
FIG. 16 is a plan view showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 15 denote the same components. The electrical element shown in FIG. 6A has a parallel structure in which the
図１７は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す図である。同図において、図１６と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）に示す電気素子は、相変化物質１４にＡｌ（アルミ）、Ａｕや発熱部１３と同一材料の導電性物質の検出リード１７がコンタクトした並列構造となっている。同図の（ｂ）に示す電気素子は、発熱部１３と相変化物質１４を配置している領域以外を、電気絶縁層１５をマスクとして基板１１上にエッチングにより空洞１６を設けたものである。
FIG. 17 is a diagram showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 16 denote the same components. The electric element shown in FIG. 6A has a parallel structure in which the
図１８は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。同図において、図１７と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す電気素子は、基板１１の空洞１６の領域に、空洞１６と周囲雰囲気とが通気する一部開口領域を設けた電気絶縁層１５に、発熱部１３を蛇行配置させ、発熱部１３の蛇行配置間の隙間に相変化物質１４を並列配置させた構造を有している。このような蛇行配置としたことにより、発熱部１３と相変化物質１４とが、局所にかつ高密度に集中配置でき、温度分布を均一にさせ、効率良く高精度にキャリブレーションできる。
FIG. 18 is a diagram showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in FIG. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 17 denote the same components. In the electric element shown in the figure, the
図１９は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。同図において、図１８と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。図１８と異なる構造は、蛇行配置の発熱部１３の表面に電気絶縁層１８を積層し、その電気絶縁層１８の上に相変化物質１４を積層した構造である。このような蛇行配置とし、更に積層構造としたことにより、発熱部１３と相変化物質１４とが、局所にかつ高密度に集中配置でき、温度分布を均一にさせ、より一層効率良く高精度にキャリブレーションできる。
FIG. 19 is a diagram showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in FIG. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 18 denote the same components. The structure different from FIG. 18 is a structure in which an electrical insulating
図２０は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す平面図である。同図において、図８と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す電気素子は、同一の基板１１上に、発熱部１３と相変化物質１４を積層したユニットを複数設けて一体化したものである。このような構成によれば、一方のユニットにおけるキャリブレーションによる精度保証期間が終了したら、他方のユニットのキャリブレーションを行い、精度保証期間を長期間に渡って実現できる。また、キャリブレーション中の温度変化の影響を無くすため、温度補償用の検出器として、一方のキャリブレーション中に他方とブリッジ回路を構成させることができる。
FIG. 20 is a plan view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 8 denote the same components. The electric element shown in the figure is obtained by integrating a plurality of units in which a
図２１は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。同図において、図１７と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。相変化物質が表面に露出している構造において、金属材料など酸化しやすい相変化物質の場合に、周囲雰囲気によって金属酸化物に変化して、相転移温度が変化する。また、相変化物質が液化する場合は流動変形によって、温度分布が変わるので、これらはキャリブレーションを繰り返すと再現性が得られない。そこで、図２１の電気素子においては、相変化物質１４が周囲雰囲気によって化学変化するのを防止するために相変化物質１４を周囲雰囲気に接しないように電気絶縁層１８でパッシベーションする。電気絶縁層１８には、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の耐熱性の電気絶縁材料が適している。また、国際温度目盛の定義定点を用い高精度にキャリブレーションする場合には、標準気圧下（１０.１３２５Ｐａ）にて物質の凝固点（融点）を検出する必要がある。この場合、耐熱性の電気絶縁層を被覆した剛性を有する構造によって、耐熱性の電気絶縁層の内部は一定圧力に維持されているので、周囲雰囲気の気圧が変化しても影響を受けず精度が高くなる。
FIG. 21 is a view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is the sectional view on the AA 'line of (a) of the same figure. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 17 denote the same components. In the structure in which the phase change material is exposed on the surface, in the case of a phase change material that easily oxidizes, such as a metal material, the phase change temperature is changed to a metal oxide depending on the ambient atmosphere. In addition, when the phase change material is liquefied, the temperature distribution changes due to flow deformation, and therefore, reproducibility cannot be obtained if calibration is repeated. Therefore, in the electrical element of FIG. 21, in order to prevent the
図２２は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図２１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図２１と異なる図２２の電気素子は、発熱部１３と相変化物質１４を配置している領域以外を、電気絶縁層１５をマスクとして基板１１上にエッチングにより空洞１６を設けたものである。よって、迅速な温度制御により高精度のキャリブレーションを行うことができる。
FIG. 22 is a diagram showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 21 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. The electric element of FIG. 22 different from FIG. 21 is one in which a
次に、相転移温度が異なる２つの相変化物質を用いた実施形態の電気素子の構造について説明する。
図２３は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。同図において、図８と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。図２３に示す電気素子は、電気絶縁性材料のガラスやセラミックからなる基板上１１に、Ｓｉ、Ｐｔ、ＮｉＣｒ、ＳｉＣ，Ｃなどの導電性材料からなる電力供給用の１組のリード１２とリード先端の発熱部１３とを配置し、相転移温度が互いに異なる相変化物質３１、３２を離間させて発熱部１３上に積層する。図２３の電気素子によれば、発熱部１３と相変化物質３１、３２が極近接し伝熱も均等になり、熱容量も小さく、迅速にキャリブレーションが完了し高精度の温度検出が可能になる。なお、相変化物質３１、３２が導電性材料あれば電気絶縁層を介して積層した後、相変化物質３１、３２を発熱部１３に対応する領域にパターン加工する。また、基板１１がＳｉであれば、周辺回路を集積しやすい。例えば、バルクシリコン構造のＳｉ基板を用いる場合は、発熱部の材料や相変化物質がＳｉ基板を介して導電しないように、Ｓｉ基板を熱酸化させることにより表面にＳｉＯ２を形成するか、Ｓｉ基板上にＣＶＤやスパッタリングによりＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の単層または複層の電気絶縁層を形成する。次に、電気絶縁層上にＣＶＤやスパッタリングによりＳｉ、Ｐｔ、ＮｉＣｒ等の発熱部の材料を積層し、フォトエッチングによりパターン形成し発熱部１３として配置する。更に、相変化物質３１、３２をＣＶＤやスパッタリング及び各種薄膜製造方法によって成膜、フォトリソグラフによってパターン形成する。なお、Ｓｉ基板、電気絶縁層や電気絶縁層上に形成したＳｉをＣＭＯＳ素子構造に用いることにより、同一のチップ内に周辺回路を形成し集積することができる。また、ＳＯＩ（Ｓｉ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造のＳｉ基板を用いる場合は、ＢＯＸ層を電気絶縁層とし、ＳＯＩ層をフォトエッチングによりパターン形成し発熱部として配置する。次に、表面に電気絶縁層を被覆後、電気絶縁層上にＣＶＤ、スパッタリングやゾルゲル法など各種薄膜製造方法によって相変化物質を成膜、フォトリソグラフによってパターン形成する。また、基板、ＢＯＸ層やＳＯＩ層をＣＭＯＳ素子構造として用いることにより、同一のチップ内に周辺回路を形成し集積することができる。
Next, the structure of the electric element of the embodiment using two phase change materials having different phase transition temperatures will be described.
FIG. 23 is a diagram showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is the sectional view on the AA 'line of (a) of the same figure. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 8 denote the same components. The electric element shown in FIG. 23 has a pair of
図２４は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図９と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。同図に示す基板１１は導電性を有する物質であり、例えばＡｌ、Ｎｉ、Ｓｉであって、リード１２や発熱部１３の導電性と干渉してしまうので、基板面に電気絶縁層１５を形成している。この電気絶縁層１５は、相変化物質３１、３２の相転移温度よりも低いと、相転移してしまう。そのため、相転移温度が相変化物質３１、３２よりも高い物質。例えばＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の耐熱性材料を選択する。基板１１上、または基板１１上に積層した電気絶縁層１５上に、リード１２と発熱部１３として導電性の電気抵抗材料を薄膜状にＣＶＤやスパッタリングにより積層し、半導体微細加工のフォトエッチング技術によりパターン加工する。そして、相変化物質３１、３２は電気的に発熱部１３に影響を及ぼさない非導電性物質であれば更に積層する。
FIG. 24 is a diagram showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 9 denote the same components. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is the sectional view on the AA 'line of (a) of the same figure. The
図２５は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図１０と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図２４と異なる図２５の電気素子は、発熱部１３と相変化物質３１、３２を配置している領域以外を、電気絶縁層１５をマスクとして基板１１上にエッチングにより空洞１６を設けたものである。このような構造としたことにより、発熱部１３を基板１１と低熱容量の空間によって断熱性を高め、発熱部１３の熱容量を小さくできる。積層した相変化物質３１、３２も発熱部１３と近接し微小量なので、発熱部１３とほぼ同じ温度になり、温度分布も均一になる。これによって、相変化物質３１、３２と発熱部１３は迅速な温度制御が可能になるため、高精度のキャリブレーションが迅速に完了できる。これらの製造方法は、基板１１上に、導電性物質の基板であれば電気絶縁層１５を積層した後、導電性の電気抵抗物質を薄膜状に蒸着やスパッタリングによって積層し、リード１２や発熱部１３として半導体微細加工のフォトエッチング技術によってパターン加工する。そして、相変化物質３１、３２を、積層された相変化物質が導電性物質あれば電気絶縁層１５を介して積層した後、相変化物質３１、３２を発熱部１３に対応する領域にパターン加工する。基板１１上に空洞１６を設ける構造においては、発熱部１３と相変化物質３１、３２の領域周辺に対向する基板となる部位をエッチング除去する。これによって、空洞１６によって大きな熱容量の基板の影響を小さくし、小さな熱容量の発熱部１３及び相変化物質３１、３２の構造が得られ、高速に所定の温度に調節することができる。
FIG. 25 is a view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 10 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. 25 differs from that of FIG. 24 in that a
図２６は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図２５と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図２５と異なる図２６の電気素子における相変化物質３１、３２は導電性物質であり、発熱部１３と電気絶縁させるため電気絶縁層１８を介して積層されている。なお、発熱部１３が高温度になるため表面が周囲雰囲気により酸化したり腐食する材料である場合に、耐久性を高めるために、図２７に示すように、発熱部１３の表面全体を耐熱性の酸化物や窒化物の電気絶縁層１８で被覆しパッシベーションする。
FIG. 26 is a view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 25 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG.
図２８は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図２６と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図２６と異なる図２８の電気素子は、発熱部１３と相変化物質３１、３２を配置している領域以外を、電気絶縁層１５をマスクとして基板１１上にエッチングにより空洞１６を設けたものである。このような構造としたことにより、発熱部１３を基板１１と低熱容量の空間によって断熱性を高め、発熱部１３の熱容量を小さくできる。積層した相変化物質３１、３２も発熱部１３と近接し微小量なので、発熱部１３とほぼ同じ温度になり、温度分布も均一になる。これによって、発熱部１３と相変化物質３１、３２は迅速な温度制御が可能になるため、高精度のキャリブレーションが迅速に完了できる。なお、発熱部１３が高温度になるため表面が周囲雰囲気により酸化したり腐食する材料である場合に、耐久性を高めるために、図２９に示すように、発熱部１３の表面全体を耐熱性の酸化物や窒化物の電気絶縁層１８で被覆しパッシベーションする。また、図３０は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図２６と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。同図に示すように、発熱部１３、相変化物質３１、３２の表面全体を電気絶縁層１８で被覆しパッシベーションする。
FIG. 28 is a diagram showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 26 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. The electric element of FIG. 28 different from FIG. 26 is obtained by providing a
図３１は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図３０と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。図３０と異なる図３１の電気素子は、発熱部１３と相変化物質３１、３２を配置している領域以外を、電気絶縁層１５をマスクとして基板１１上にエッチングにより空洞１６を設けたものである。このような構造としたことにより、発熱部１３を基板１１と低熱容量の空間によって断熱性を高め、発熱部１３の熱容量を小さくできる。積層した相変化物質３１、３２も発熱部１３と近接し微小量なので、発熱部１３とほぼ同じ温度になり、温度分布も均一になる。これによって、発熱部１３と相変化物質３１、３２は迅速な温度制御が可能になるため、高精度のキャリブレーションが迅速に完了できる。
FIG. 31 is a diagram showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 30 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. Also, the notation of the electrical insulating
図３２は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図３０と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。図３０と異なる図３２の電気素子は、相変化物質３１、３２のそれぞれに検出リード１７を接続させた構造を有している。検出リード１７はＡｌ、Ａｕや発熱部と同一材料の導電性物質であり、Ａｌ、Ａｕは周辺回路の配線材料の形成工程で兼用できる。相変化物質３１、３２は導電性物質であり、発熱部１３と電気絶縁させるため電気絶縁層１８を介して積層され、相変化物質の状態を発熱部１３と電気的に分離して独立に検出リード１７を経てそれぞれ検出できる。これにより、相転移温度を正確に検出することができ、かつ相変化物質３１、３２が導電性を有していても発熱部１３の電気特性に影響を与えず発熱部１３の電力制御が複雑にならない。また、ＡｌやＡｕの検出リード１７は周辺回路を集積した場合、使用される配線パターンと同一材料であるので、製造工程が複雑にならない。
FIG. 32 is a view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 30 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in FIG. Also, the notation of the electrical insulating
図３３は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図３２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。図３２と異なる図３３の電気素子は、発熱部１３と相変化物質３１、３２を配置している領域以外を、電気絶縁層１５をマスクとして基板１１上にエッチングにより空洞１６を設けたものである。このような構造としたことにより、発熱部１３を基板１１と低熱容量の空間によって断熱性を高め、発熱部１３の熱容量を小さくできる。積層した相変化物質３１、３２も発熱部１３と近接し微小量なので、発熱部１３とほぼ同じ温度になり、温度分布も均一になる。これによって、発熱部１３と相変化物質３１、３２は迅速な温度制御が可能になるため、高精度のキャリブレーションが迅速に完了できる。
FIG. 33 is a diagram showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 32 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in FIG. Also, the notation of the electrical insulating
図３４は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図３２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。図３２と異なる図３４の電気素子は、相変化物質３１、３２のそれぞれに、各相変化物質と同一材料の導電性物質の検出リード１７をそれぞれ接続させた構造を有している。この検出リード１７には、Ｉｎ、Ｓｎ、ＺｎやＡｌ、Ａｕが用いられる。また、ＡｌやＡｕの検出リード１７は周辺回路を集積した場合、使用される配線パターンと同一材料であるので、製造工程が複雑にならない。
FIG. 34 is a view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 32 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in FIG. Also, the notation of the electrical insulating
図３５は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図において、図３４と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。図３４と異なる図３５の電気素子は、図１３、図１６と同じく検出リードと相変化物質が同一の導電材料であって、発熱部１３と相変化物質３１、３２を配置している領域以外を、電気絶縁層１５をマスクとして基板１１上にエッチングにより空洞１６を設けたものである。このような構造としたことにより、発熱部１３を基板１１と低熱容量の空間によって断熱性を高め、発熱部１３の熱容量を小さくできる。積層した相変化物質３１、３２も発熱部１３と近接し微小量なので、発熱部１３とほぼ同じ温度になり、温度分布も均一になる。これによって、発熱部１３と相変化物質３１、３２は迅速な温度制御が可能になるため、高精度のキャリブレーションが迅速に完了できる。
FIG. 35 is a view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 34 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in FIG. Also, the notation of the electrical insulating
図３６は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。同図において、図２３と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。図３６に示すような並列配置した構造の電気素子では、発熱部１３に並列して相変化物質３１、３２とを形成されている。発熱部１３と相変化物質３１、３２が極近接し伝熱も均等になり、熱容量も小さく、迅速にキャリブレーションが完了し高精度の温度検出が可能になる。半導体微細加工のフォトエッチング技術によってパターン形成する場合には積層段差が加工寸法精度に影響を与えるので、発熱部１３と相変化物質３１、３２を並列に同一平面上に配置することによって、積層段差を小さくし精度ばらつきが小さくできる。また、発熱部１３と相変化物質３１、３２とは間隔があるので、発熱部１３と相変化物質３１、３２は電気絶縁されていて、相変化物質３１、３２に導電性を有する場合であっても発熱部１３への影響はない。
FIG. 36 is a diagram showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 23 denote the same components. Also, the notation of the electrical insulating
図３７は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す図である。同図において、図３６と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。図３６と異なる図３７の電気素子は、発熱部１３と相変化物質３１、３２を配置している領域以外を、電気絶縁層１５をマスクとして基板１１上にエッチングにより空洞１６を設けたものである。このような構造としたことにより、発熱部１３を基板１１と低熱容量の空間によって断熱性を高め、発熱部１３の熱容量を小さくできる。積層した相変化物質３１、３２も発熱部１３と近接し微小量なので、発熱部１３とほぼ同じ温度になり、温度分布も均一になる。これによって、発熱部１３と相変化物質３１、３２は迅速な温度制御が可能になるため、高精度のキャリブレーションが迅速に完了できる。
FIG. 37 is a diagram showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 36 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. Also, the notation of the electrical insulating
図３８は実施形態の電気素子の並列構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。同図において、図３６と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。図３８に示すような並列配置した構造の電気素子では、相変化物質３１、３２が電気絶縁性材料であって、発熱部１３に並列して相変化物質３１、３２とを互いに接触して形成されている。発熱部１３と相変化物質３１、３２との伝熱性が高く、発熱部１３を含めた熱容量が小さくなるので迅速に所定温度が得られて、温度検出温度が短く、温度分布がより均一になりキャリブレーションの精度が高くなる。
FIG. 38 is a diagram illustrating a parallel structure of electrical elements according to the embodiment. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 36 denote the same components. Also, the notation of the electrical insulating
図３９は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す図である。同図において、図３８と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。図３８と異なる図３９の電気素子は、発熱部１３と相変化物質３１、３２を配置している領域以外を、電気絶縁層１５をマスクとして基板１１上にエッチングにより空洞１６を設けたものである。このような構造としたことにより、発熱部１３を基板１１と低熱容量の空間によって断熱性を高め、発熱部１３の熱容量を小さくできる。積層した相変化物質３１、３２も発熱部１３と近接し微小量なので、発熱部１３とほぼ同じ温度になり、温度分布も均一になる。これによって、発熱部１３と相変化物質３１、３２は迅速な温度制御が可能になるため、高精度のキャリブレーションが迅速に完了できる。
FIG. 39 is a diagram showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 38 denote the same components. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ in FIG. The electric element shown in FIG. 39, which is different from FIG. 38, has a
図４０は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す平面図である。同図に示す電気素子は、図３９に示す発熱部１３と相変化物質３１、３２を並列配置し、空洞１６を設けたものを、同一基板上に複数一体化したものである。このような構成によれば、一方のキャリブレーションによる精度保証期間が終了したら、他方のキャリブレーションを行い、精度保証期間を長期間に渡って実現できる。また、キャリブレーション中の温度変化の影響を無くすため、温度補償用の検出器として、一方のキャリブレーション中に他方とブリッジ回路を構成させることができる。
FIG. 40 is a plan view showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. The electric element shown in the figure is obtained by integrating a plurality of
図４１は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。同図において、図１７と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。同図に示す電気素子は、基板１１の空洞１６の領域に、空洞１６と周囲雰囲気とが通気する一部開口領域を設けた電気絶縁層１５に、発熱部１３を蛇行配置させ、発熱部１３の上に電気絶縁層１８を介して相変化物質３１を、更に相変化物質３１の上に電気絶縁層１８を介して相変化物質３２をそれぞれ蛇行配置して積層配置させ、最上層に電気絶縁層１８で被覆した集積構造を有している。このような蛇行配置としたことにより、発熱部１３と相変化物質３１、３２を、局所に、高密度に集中配置し、温度分布を均一にさせ、効率良く高精度にキャリブレーションできる。
FIG. 41 is a diagram showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. 4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line B-B ′ in FIG. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 17 denote the same components. Also, the notation of the electrical insulating
図４２は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ'線断面図である。同図において、図４１と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す電気素子は、基板１１の空洞１６の領域に、空洞１６と周囲雰囲気とが通気する一部開口領域を設けた電気絶縁層１５に、発熱部１３を蛇行配置させる。そして、その発熱部１３の上に電気絶縁層１８を介して相変化物質３１を、更に相変化物質３１の上に電気絶縁層１８を介して相変化物質３２をそれぞれ積層配置させ、最上層に電気絶縁層１８で被覆した。このような蛇行配置とした発熱部１３と、積層した相変化物質３１、３２を、局所に高密度に集中配置し、温度分布を均一にさせ、効率良く高精度にキャリブレーションできる。
FIG. 42 is a view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is a BB 'sectional view taken on the line of (a) of the same figure. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 41 denote the same components. In the electric element shown in the figure, the
図４３は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ'線断面図である。同図において、図４２と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。同図に示す電気素子は、基板１１の空洞１６の領域に、空洞１６と周囲雰囲気とが通気する一部開口領域を設けた電気絶縁層１５に、発熱部１３を蛇行配置させ、更に発熱部１３に相変化物質３１、３２をそれぞれ並列させて蛇行配置させ、最上層に電気絶縁層１８で被覆した集積構造を有している。このような蛇行配置とした発熱部１３と、発熱部１３に並列して蛇行配置とした相変化物質３１、３２を、局所に高密度に集中配置し、温度分布を均一にさせ、効率良く高精度にキャリブレーションできる。
FIG. 43 is a diagram showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is a BB 'sectional view taken on the line of (a) of the same figure. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 42 denote the same components. Also, the notation of the electrical insulating
図４４は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ'線断面図である。同図において、図４３と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。同図に示す電気素子は、基板１１の空洞１６の領域に、空洞１６と周囲雰囲気とが通気する一部開口領域を設けた円形の電気絶縁層１５に、電気絶縁層１５上に円形の電気絶縁層を同心円とする発熱部１３を円周配置し、更に発熱部１３の内側に相変化物質３１、３２を同心円として並列配置させ、最上層に電気絶縁層１８で被覆した集積構造を有している。このような同心円配置とした発熱部１３と、発熱部１３に並列して同心円配置とした相変化物質３１、３２を、局所に高密度に集中配置し、温度分布を均一にさせ、効率良く高精度にキャリブレーションできる。
FIG. 44 is a diagram showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is a BB 'sectional view taken on the line of (a) of the same figure. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 43 denote the same components. Also, the notation of the electrical insulating
図４５は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ'線断面図である。同図において、図４４と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。また、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。同図に示す電気素子は、基板１１の空洞１６の領域に、空洞１６と周囲雰囲気とが通気する一部開口領域を設けた円形の電気絶縁層１５に、電気絶縁層１５上に円形の電気絶縁層を同心円とする発熱部１３を円周配置し、更に発熱部１３の内側に相変化物質３１、３２を扇形の平面形状に形成して交互に並列配置させ、最上層に電気絶縁層１８で被覆した集積構造を有している。このような同心円配置とした発熱部１３の内側に扇形形状の相変化物質３１、３２を交互に分割配置したことにより、発熱部１３と各相変化物質との距離が均一となって応答性も均一となるため、温度分布を均一にさせ、効率良く高精度に、かつ高信頼性のあるキャリブレーションできる。
FIG. 45 is a diagram showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is a BB 'sectional view taken on the line of (a) of the same figure. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 44 denote the same components. Also, the notation of the electrical insulating
図４６は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＢ−Ｂ'線断面図である。同図において、図４５と同じ参照符号は同じ構成要素を示す。同図に示す電気素子と、図４５の電気素子との相違点としては、空洞１６が貫通型となっている点である。
FIG. 46 is a diagram showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is a BB 'sectional view taken on the line of (a) of the same figure. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 45 denote the same components. The difference between the electric element shown in the figure and the electric element shown in FIG. 45 is that the
次に、相転移温度をより正確に検出する構造について概説する。
図４７は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す平面図である。なお、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。同図に示す電気素子は、相変化物質に限定させて温度検出するために相変化物質の配置してある領域に対応させて、発熱部１３の抵抗値を４端子方式で検出する積層構造を有している。詳細には、基板１１の空洞１６上に架橋した発熱部１３上に、電気絶縁層を介して相変化物質３１と相変化物質３２とを積層し、電力供給用のリード１２−１から発熱部１３に電力を印加しジュール発熱させ、相変化物質３１、３２を相転移温度まで温度上昇させる。発熱部１３の端部は発熱部１３の中心よりも温度が低いので、温度の低い領域の特性を含めて検出すると正確な相転移温度を検出できない。そこで、発熱部１３上の相変化物質３１、３２に対応する発熱部１３の両端部に、検出用のリード１２−２を配置する。発熱部１３上の相変化物質３１、３２に対応する領域の温度（発熱部１３の電気抵抗値）のみ検出することによって、キャリブレーション中の温度変動影響を少なくして正確に相転移温度が検出できる。なお、図４８に示す電気素子は、基板１１の空洞１６上に架橋した電気絶縁層１８上に発熱部１３を挟んで相変化物質３１と相変化物質３２とが並列に配置されている４端子方式で検出する並列構造を有している。
Next, the structure for detecting the phase transition temperature more accurately will be outlined.
FIG. 47 is a plan view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. Note that the notation of the electrical insulating
図４９は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す平面図である。なお、同図の（ａ）において電気絶縁層１８の表記は省略されている。同図に示す電気素子は、発熱部１３で温度検出を兼用させず、発熱部１３は相変化物質３１、３２を相転移させるのみであって、温度検出は別の温度検出部１９を設ける。つまり発熱部１３と温度検出部１９とを分離した構造を有し、検出信号だけを取り出することで検出精度を上げることができる。相変化物質３１、３２は発熱部１３に接続された電力供給用のリード１２−１によって、加熱電流Ｉｈが印加され、既知の温度で相転移する。温度検出部１９は所定の温度係数の電気抵抗材料であって、空洞１６上に架橋した電気絶縁層１８上に発熱部１３、相変化物質３１、３２と隣接させて温度検出部１９を配置する。温度検出部１９に接続された検出用のリード１２−２によって、温度検出電流Ｉｒが印加され、電圧Ｖｄが出力され、相変化物質３１、３２の既知の相転移温度によってＶｄが温度キャリブレーションされる。
FIG. 49 is a plan view showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. Note that the notation of the electrical insulating
図５０は実施形態の電気素子の別の並列構造を示す平面図である。同図に示す電気素子は、発熱部１３で温度検出を兼用させず、発熱部１３は相変化物質３１、３２を相転移させるのみであって、温度検出は別の温度検出部２０を設ける。相変化物質３１、３２は発熱部１３に接続された電力供給用のリード１２−１によって、加熱電流Ｉｈが印加され、既知の温度で相転移する。温度検出部２０はゼーベック効果を用いたサーモパイル（熱電対）であって、空洞１６上に架橋した電気絶縁層１５上に発熱部１３、相変化物質３１、３２と隣接させて温度検出部２０を配置する。温度検出部２０は空洞１６上を架橋する異種類の金属材料の対、もしくは、Ｎ型半導体２１とＰ型半導体２２の対を電極２３で連結したものであって、直列に接続され検出用のリード１２−２によって、熱起電力Ｖｄが出力され、相変化物質の既知の相転移温度によってＶｄが温度キャリブレーションされる。バルクシリコン構造のＳｉ基板を用いる場合は、電気絶縁層上にＣＶＤにより積層したＳｉ層、ＳＯＩ構造のＳｉ基板を用いる場合はＳＯＩ層に、Ｐ型とＮ型領域のサーモカップルパターンと接続電極をフォトエッチングによりパターン形成し温度検出部を形成する。
FIG. 50 is a plan view showing another parallel structure of the electric elements of the embodiment. The electric element shown in the figure does not share the temperature detection with the
図５１は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。また、同図の（ｃ）は平面図、同図の（ｄ）は同図の（ｃ）のＢ−Ｂ'線断面図である。同図の上述したように、既知の相転移温度で相転移する各相変化物質は、互いに接触していると相互に拡散し新たな合金や化合物に変化し相転移温度が変化してしまう。そのため、異なる相転移温度の複数の相変化物質を互いに分離させて形成する必要があった。ところが、各相変化物質からなる合金が既知の相転移温度を有することがわかっていれば、各相変化物質を互いに接触させて新たな合金や化合物を形成させておいてもよい。例えば、一方の相変化物質にＩｎを、他方の相変化物質ＢにＳｎをそれぞれ選択し、Ｉｎ−Ｓｎ合金を形成させ、ＩｎとＳｎの混合比率により融点（凝固点）は２元合金の状態図を参照することにより得られる。そこで、当初から合金を作成しておいてその合金を単独の相変化物資として上述のように集積してもよいが、図５１の（ａ），（ｂ）に示すように、相変化物質３１上に相変化物質３２を積層しておくことでもよい。つまり、例えばＩｎとＳｎの任意の混合比率を形成する電気素子の構造としては、基板１１上に発熱部１３を積層し、発熱部１３の周りを電気絶縁層１８でパッシベーションし、その電気絶縁層１８上に相変化物質３１と相変化物質３２とを並列配置し、更に相変化物質３１と相変化物質３２とを積層したものとを分離配置している。最上層として電気絶縁層１８で全体をパッシベーションする。そして、温度較正を行う際、あるいは事前に、発熱部１３によって相変化物質３１と相変化物質３２とを積層したものを、２つの相変化物質の融点のうち高い融点まで加熱して各相変化物質を溶解し、図５１の（ｃ）、（ｄ）に示すように相変化物質３１と相変化物質３２の合金である相変化物質３３を生成する。なお、積層厚みの比率により、ＩｎとＳｎの混合比率が決まるので、２元合金の状態図を参照し相転移温度が設定できることになる。これにより、異なる相転移温度の２種類の相変化物質であっても、更に多数の相転移温度を得ることができる。
FIG. 51 is a view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is the sectional view on the AA 'line of (a) of the same figure. Moreover, (c) of the same figure is a top view, (d) of the figure is a BB 'sectional view taken on the line (c) of the same figure. As described above, each phase change substance that undergoes a phase transition at a known phase transition temperature diffuses to each other and changes to a new alloy or compound when it is in contact with each other, thereby changing the phase transition temperature. Therefore, it is necessary to form a plurality of phase change materials having different phase transition temperatures by separating them from each other. However, if it is known that an alloy composed of each phase change material has a known phase transition temperature, the phase change materials may be brought into contact with each other to form a new alloy or compound. For example, In is selected for one phase change material, Sn is selected for the other phase change material B, an In-Sn alloy is formed, and the melting point (solidification point) is a binary alloy phase diagram depending on the mixing ratio of In and Sn. Is obtained by referring to. Therefore, an alloy may be prepared from the beginning, and the alloy may be accumulated as a single phase change material as described above. However, as shown in FIGS. The
図５２は実施形態の電気素子の別の積層構造を示す図である。同図の（ａ）は平面図、同図の（ｂ）は同図の（ａ）のＡ−Ａ'線断面図である。また、同図の（ｃ）は平面図、同図の（ｄ）は同図の（ｃ）のＢ−Ｂ'線断面図である。同図に示す電気素子において、相変化物質３１と相変化物質３２とを交互に接触させて隣接配置する。そして、温度較正を行う際、あるいは事前に、発熱部１３によって相変化物質３１と相変化物質３２とを交互に隣接配置したものを、２つの相変化物質の融点のうち高い融点まで加熱して各相変化物質を溶解し、図５１の（ｃ）、（ｄ）に示すように相変化物質３１と相変化物質３２の合金である相変化物質３３を生成する。相変化物質３１と相変化物質３２とを配置する面積の比率により、ＩｎとＳｎの混合比率が決まるので、２元合金の状態図を参照し相転移温度が設定できることになる。これにより、異なる相転移温度の２種類の相変化物質であっても、更に多数の相転移温度を得ることができる。
FIG. 52 is a view showing another laminated structure of the electric element of the embodiment. (A) of the same figure is a top view, (b) of the same figure is the sectional view on the AA 'line of (a) of the same figure. Moreover, (c) of the same figure is a top view, (d) of the figure is a BB 'sectional view taken on the line (c) of the same figure. In the electric element shown in the figure, the
図５３は実施形態の電気素子を含む集積素子の構成を示す概略平面図である。同図に示す集積素子は、実施形態の電気素子１、電気素子１の電力供給や検出等を担う電子回路４０、上位装置との信号のやり取りを行うための信号の入出力用の入出力端子群５０を含んで構成されている。つまり、同図の集積素子は、温度キャリブレーション機能と温度検出を集積化させた素子であって、電気素子１、電子回路４０及び出入力端子群５０からなる。電子回路４０には、インターフェイス、制御回路、レジスタ、ΔΣＡ／Ｄ、発信回路などを含んでいる。また、出入力端子群５０には、アドレス、ＧＮＤ、クロック入力、データ入出力、アドレス入力、電源の各端子を備えている。そして、端子電気絶縁性材料のガラスやセラミックからなる基板上に、Ｓｉ、Ｐｔ、ＮｉＣｒ、ＳｉＣ，Ｃなどの導電性材料からなる電力供給用の１組のリードとリード先端の発熱部とを配置し、発熱部上に相転移温度が互いに異なる相変化物質を離間させて積層する。なお、２つの相変化物質導電性材料あれば電気絶縁層を介して積層した後、各相変化物質を発熱部に対応する領域にパターン加工する。また、基板がＳｉであれば、周辺回路を集積しやすい。例えば、バルクシリコン構造のＳｉ基板を用いる場合は、発熱材料や相変化物質がＳｉ基板を介して導電しないように、Ｓｉ基板を熱酸化させることにより表面にＳｉＯ２を形成するか、あるいはＳｉ基板上にＣＶＤやスパッタリングによりＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２Ｏ３等の単層または複層の電気絶縁層を形成する。次に、電気絶縁層上にＣＶＤやスパッタリングによりＳｉ、Ｐｔ、ＮｉＣｒ等の発熱材料を積層し、フォトエッチングによりパターン形成し発熱部として配置する。更に、各相変化物質をＣＶＤやスパッタリングや各種薄膜製造方法によって成膜、フォトリソグラフによってパターン形成する。なお、ＣＭＯＳ素子構造として、同一のチップ内に周辺回路を形成し集積することができる。また、ＳＯＩ（Ｓｉ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造のＳｉ基板を用いる場合は、ＢＯＸ層を電気絶縁層とし、ＳＯＩ層をフォトエッチングによりパターン形成し発熱部として配置する。次に、表面に電気絶縁層を被覆後、電気絶縁層上にＣＶＤ、スパッタリングやゾルゲル法など各種薄膜製造方法によって相変化物質を成膜、フォトリソグラフによってパターン形成する。また、基板、ＢＯＸ層やＳＯＩ層をＣＭＯＳ素子構造として用いることにより、同一のチップ内に周辺回路を形成し集積することができる。
FIG. 53 is a schematic plan view showing a configuration of an integrated device including the electric device of the embodiment. The integrated element shown in the figure includes an
図５４は実施形態の電気素子を含む集積素子の構成を示すブロック図である。同図に示すように、集積素子１００は温度キャリブレーション部６０と計測部７０とを含んでいる。温度キャリブレーション部６０は、発熱部６１、検出部６２、相変化物質６３、電源６４、記憶部６５、演算部６６、基準値記憶部６７を有している。計測部７０は、電源７１、比較部７２、出力部７３を含んで構成されている。また、ＣＰＵ８０は電源６４及び電源７１を外部制御する。なお、発熱部６１と検出部６２を個別に設けているが、上述したように兼用したものを設けてもよい。また、ＣＰＵ８０からキャリブレーション実行の信号が、発熱部６１の電源６４に入力されると、発熱部６１が発熱する。同時に、発熱部６１の抵抗値を検出部６２によって検出し、時刻と抵抗値を記憶部６５に記憶する。演算部６６によって時刻と抵抗値を演算し関数化しておく。関数から一定値以上はなれた値が連続して出現したら、その時の抵抗値を相変化物質６３の既知の相転移温度と見なす。次に、ＣＰＵ８０から計測実行の信号が、検出部６２の電源７１に入力されると、検出部６２の抵抗値が検出され、先の既知の温度と抵抗値の関係を基準とし、温度測定値として検出される。
FIG. 54 is a block diagram showing a configuration of an integrated device including the electric device of the embodiment. As shown in the figure, the
図５５は実施形態の電気素子によるキャリブリレーション動作を示すフローチャートである。同図において、時刻がＴ０〜Ｔ２であるときキャリブレーション電源を起動する（ステップＳ１０１；ＹＥＳ、ステップＳ１０２）。そして、発熱部に電流を供給し、電圧を検出する（ステップＳ１０３）。検出した電圧値を記憶しておく（ステップＳ１０４）。その後、検出電圧値Ｒの偏曲点ΔＲを算出する（ステップＳ１０５）。このΔＲの基準値が０となるまでキャリブレーションを続け（ステップＳ１０６；ＮＯ、ステップＳ１０３〜Ｓ１０５）、ΔＲの基準値が０となったときの相変化物質Ａにおける既知の相転移温度Ｍｐａと抵抗値Ｒａを設定する（ステップＳ１０６；ＹＥＳ、ステップＳ１０７）。次に、ステップＳ１０１にて時刻がＴ０〜Ｔ２でなく（ステップＳ１０１；ＮＯ）Ｔ３〜Ｔ４であるときキャリブレーション電源を起動する（ステップＳ１０８；ＹＥＳ、ステップＳ１０９）。そして、発熱部に電流を供給し、電圧を検出する（ステップＳ１１０）。検出した電圧値を記憶しておく（ステップＳ１１１）。その後、検出電圧値Ｒの偏曲点ΔＲを算出する（ステップＳ１１２）。このΔＲの基準値が０となるまでキャリブレーションを続け（ステップＳ１１３；ＮＯ、ステップＳ１１０〜Ｓ１１２）、ΔＲの基準値が０となったときの相変化物質Ａにおける既知の相転移温度Ｍｐｂと抵抗値Ｒｂを設定する（ステップＳ１１３；ＹＥＳ、ステップＳ１１４）。また、時刻がＴ４以降であれば温度測定を実行する（ステップ１０８；ＮＯ、ステップＳ１１５）。温度測定電源を起動し、電流を供給し、電圧を検出する（ステップＳ１１６，Ｓ１１７）。このときの抵抗値を算出する（ステップＳ１１８）。以上のキャリブレーションによって得られた抵抗値に基づいて温度を算出し、算出した温度を出力する（ステップＳ１１９，Ｓ１２０）。
FIG. 55 is a flowchart showing a calibration operation by the electric element of the embodiment. In the figure, when the time is from T0 to T2, the calibration power supply is activated (step S101; YES, step S102). Then, a current is supplied to the heat generating part, and the voltage is detected (step S103). The detected voltage value is stored (step S104). Thereafter, an inflection point ΔR of the detected voltage value R is calculated (step S105). The calibration is continued until the reference value of ΔR becomes zero (step S106; NO, steps S103 to S105), and the known phase transition temperature Mpa and resistance in the phase change material A when the reference value of ΔR becomes zero. A value Ra is set (step S106; YES, step S107). Next, when the time is not T0 to T2 (step S101; NO) and T3 to T4 in step S101, the calibration power supply is activated (step S108; YES, step S109). Then, a current is supplied to the heat generating part, and a voltage is detected (step S110). The detected voltage value is stored (step S111). Thereafter, an inflection point ΔR of the detected voltage value R is calculated (step S112). The calibration is continued until the reference value of ΔR becomes zero (step S113; NO, steps S110 to S112), and the known phase transition temperature Mpb and resistance in the phase change material A when the reference value of ΔR becomes zero. A value Rb is set (step S113; YES, step S114). If the time is after T4, temperature measurement is performed (
このように、電気抵抗値の時刻Ｔ０から時刻Ｔ１の推移（図１参照）はデータとして記憶され、抵抗値と時間の関数として演算される。この関数と時刻Ｔ１後に得られるデータを比較し、時刻Ｔ２で関数にフィットしないデータが生じれば相転移し、この時既知の相転移温度Ｍｐであると判断する。特に、基板に空洞を形成した熱容量の小さい相変化物質と発熱部の構造であれば、Ｔ２＝０．１から１０［ｍｓｅｃ］の時刻で、迅速かつ顕著な特性として得ることができる。例えば、図７の発熱部や相変化物質の蛇行配置構造において、発熱部と相変化物質が形成されている箇所の寸法が厚さ２［μｍ］で１００［μｍ］角、相変化物質がＳｎで２３１.９２８℃の相転移温度であれば、１［ｍｓｅｃ］で温度標準が得られ、寸法をより一層小さくするとより一層高速にできる。このように、図１に示すように、発熱部の電気抵抗値Ｒ２が既知の温度Ｍｐであって、発熱部の既知の抵抗温度係数ＴＣＲを用いることによって、発熱部に対しジュール発熱させないように微弱の電流を供給して、発熱部の電気抵抗値を素子の環境温度の検出として用いることができる。なお、後述する複数の異なる相転移温度を得る構造であれば、発熱部の既知の抵抗温度係数ＴＣＲを用いずに、未知の抵抗温度係数ＴＣＲを導き出すことができる。 As described above, the transition (see FIG. 1) of the electrical resistance value from time T0 to time T1 is stored as data and is calculated as a function of the resistance value and time. This function is compared with data obtained after time T1, and if data that does not fit the function is generated at time T2, a phase transition occurs, and at this time, it is determined that the phase transition temperature Mp is known. In particular, in the case of a phase change material having a small heat capacity in which a cavity is formed in a substrate and a structure of a heat generating portion, it can be obtained as a rapid and remarkable characteristic at a time of T2 = 0.1 to 10 [msec]. For example, in the heat generating portion and the meandering arrangement structure of the phase change material shown in FIG. 7, the dimensions of the heat generating portion and the portion where the phase change material is formed are 2 [μm] thick and 100 [μm] square, and the phase change material is Sn. If the phase transition temperature is 231.928 ° C., a temperature standard can be obtained in 1 [msec], and the speed can be further increased by further reducing the size. In this way, as shown in FIG. 1, the electrical resistance value R2 of the heat generating part is a known temperature Mp, and by using the known resistance temperature coefficient TCR of the heat generating part, Joule heat is not generated in the heat generating part. By supplying a weak current, the electric resistance value of the heat generating part can be used as detection of the environmental temperature of the element. If the structure obtains a plurality of different phase transition temperatures described later, the unknown resistance temperature coefficient TCR can be derived without using the known resistance temperature coefficient TCR of the heat generating portion.
なお、発熱部１３はリード１２よりも厚みが薄い、あるいは幅が細くなっているので電気抵抗値が大きく、電流を供給してジュール発熱させることができる。リード１２の末端から電流を供給することによって発熱部１３がジュール発熱によって温度上昇し、積層した相変化物質３１、３２も発熱部１３と近接し微小量なので発熱部１３とほぼ同じ温度になる。発熱部１３は温度検出も兼ねており、発熱部１３の電気抵抗材料の固有抵抗値と抵抗温度係数に応じた電気抵抗値が、発熱部１３の温度に対応する。更に、このリード１２により発熱部１３上の相変化物質３１、３２の相転移を検出する。そして、相変化物質３１、３２から発熱部１３への熱影響を発熱部１３の電気特性として得ることができる。
Since the
これらは、異なる相転移温度の複数の相変化物質を、発熱部によって相転移させる温度へ加熱し、それぞれの相転移が起きたことを検出することによって温度検出部を既知の温度としてキャリブレーションする仕組みである。相変化物質は、狭い温度範囲を再現性良く高い精度で相転移するものである。また、相転移前後において、温度、電気抵抗値、質量、熱容量、固有振動数、誘電率、透過率、または反射率いずれかの変化を伴う、その変化を検出することができる物質である。更に、高精度にキャリブレーションするためには、相変化物質は、利用する温度に近い相転移温度を有するものであって、狭い相転移温度の特性を持つ金属、酸化物、有機物質が好ましい。 These calibrate the temperature detection unit as a known temperature by heating a plurality of phase change materials having different phase transition temperatures to a temperature at which the phase change is caused by the heat generation unit, and detecting that each phase transition has occurred. It is a mechanism. A phase change material is a material that undergoes phase transition in a narrow temperature range with high reproducibility and high accuracy. In addition, it is a substance that can detect changes in temperature, electrical resistance, mass, heat capacity, natural frequency, dielectric constant, transmittance, or reflectivity before and after the phase transition. Furthermore, in order to perform calibration with high accuracy, the phase change material has a phase transition temperature close to the temperature to be used, and is preferably a metal, oxide, or organic material having a narrow phase transition temperature characteristic.
また、相転移温度で発熱部の抵抗値がΔＲ＝０と検出される前に、外部の急激な温度降下の影響によって発熱部の抵抗値がΔＲ＝０となって誤検出する可能性が懸念されるが、発熱部や相変化部は微小熱容量であるため、急速に相転移するので外部の温度変化の影響を受け難く、実際はほとんど誤検出することはない。さらに、発熱領域における相変化物質の熱容量の比率を大きくしておけば、相転移の検出が容易になり、外部の温度変化の影響を受け難い。具体的には発熱部の熱容量以上であることが好ましい。また、複数回キャリブレーションを実行して精度を高めることもでき、複数の検出部の比較、ないし、複数の片側を外部の温度変化に対応した抵抗値変化を検出する仕組みとして用い、ブリッジ回路を組むことによって外部の温度変化の影響を補償することもできる。複数の相変化物質による複数のキャリブレーションポイントも有効である。また、既知の抵抗温度係数（ＴＣＲ）の抵抗体材料を用い、その抵抗値の温度依存性を参照して誤検出の値を温度依存性に従っていないことを判定し、誤検出の値を棄却することができるので、さらに精度が高くなる。 In addition, before the resistance value of the heat generating part is detected as ΔR = 0 at the phase transition temperature, there is a concern that the resistance value of the heat generating part becomes ΔR = 0 due to the influence of a sudden external temperature drop and may be erroneously detected. However, since the heat generating part and the phase change part have a minute heat capacity, they undergo a rapid phase transition and are not easily affected by external temperature changes, and in fact, they are hardly misdetected. Furthermore, if the ratio of the heat capacity of the phase change material in the heat generation region is increased, the phase transition can be easily detected and hardly affected by external temperature changes. Specifically, the heat capacity is preferably greater than or equal to the heat capacity of the heat generating portion. In addition, the calibration can be performed multiple times to increase the accuracy, and a bridge circuit can be used by comparing a plurality of detection units or using a plurality of one side as a mechanism for detecting a resistance value change corresponding to an external temperature change. The effect of external temperature changes can also be compensated by assembling. Multiple calibration points with multiple phase change materials are also effective. Also, using a resistor material having a known temperature coefficient of resistance (TCR), referring to the temperature dependence of the resistance value, it is determined that the false detection value does not follow the temperature dependence, and the false detection value is rejected. The accuracy is further increased.
なお、より高精度な温度検出を得るためには、国際温度目盛り（ＩＴＳ-９０）に示されている標準物質の凝固点を用い、温度検出範囲に対してできるだけ相転移温度が近いことが好ましく、例えば、一般電子機器に用いられているＩＣ温度センサの温度検出範囲である−４０から＋１２５［℃］であれば、相変化物質ＡにＩｎ（Ｍｐａ＝１５６．５９８５［℃］）相変化物質ＢにＳｎ（Ｍｐｂ＝２３１．９２８［℃］）を選択し、発熱部、温度検出部の物質として、−４０から＋２３２［℃］の範囲で、電気抵抗値の温度依存性において２次以上の抵抗温度係数が小さく、目的の温度検出値の精度に影響を与えない線形の特性を持つ、Ｐｔが適する。キャリブレーションポイントはＭｐａとＭｐｂの２点であるが、それ以上の数であってもよく、発熱部の材料が高温度で安定したＰｔやＳｉであれば、Ｚｎ：４１９.５２７［℃］、Ａｌ：６６０.３２３［℃］、を用いることによって、さらに精度を高めることができる。 In order to obtain temperature detection with higher accuracy, it is preferable that the phase transition temperature is as close as possible to the temperature detection range using the freezing point of the standard substance shown in the international temperature scale (ITS-90). For example, if the temperature detection range of an IC temperature sensor used in general electronic equipment is −40 to +125 [° C.], the phase change material A includes In (Mpa = 156.5985 [° C.]) phase change material B Sn (Mpb = 231.928 [° C.]) is selected as the material for the heat generating part and the temperature detecting part in the range of −40 to +232 [° C.], and the second or higher resistance in the temperature dependence of the electric resistance value. Pt having a linear characteristic that has a small temperature coefficient and does not affect the accuracy of the target temperature detection value is suitable. There are two calibration points, Mpa and Mpb, but the number may be more than that. If the material of the heat generating part is stable Pt or Si at a high temperature, Zn: 419.527 [° C.], By using Al: 660.323 [° C.], the accuracy can be further increased.
また、ＣＰＵやパワー半導体は熱破壊を防止するため素子の温度、あるいはこれらの素子を用いて素子に伝導する熱量を測定する場合にダイオードの順電圧特性が利用されることがある。図５６の（ａ）のダイオードの小電流領域での順電圧Ｖｆは温度に対して約２［ｍＶ／℃］の割合でリニアに減少するので、大電流が流れた直後にチップの温度を知ることができる。例えば、１００［ｍＡ］での順電圧Ｖｆが何℃で何ｍＶなのかを予め測定しておいて、逆に何ｍＶかのＶｆを温度に読み替える。図５６の（ｂ）に示すように、チップを所定の温度（図５６の（ｂ）中のＡ）に加熱した時のＶｆ（図５６の（ｂ）中のＢ）を測定し、小電流でのダイオード順電圧Ｖｆと、ダイオード順電圧の温度依存性が約２［ｍＶ/℃］（図５６の（ｂ）中のＣ）であることを用い、Ｖｆが何℃に対応するのか較正する。これにより、Ｖｆ（図５６の（ｂ）中のＤ）を測定すれば何℃（図５６の（ｂ）中のＥ）であるかが判る。この方法はバイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴ、それらを組み合わせたオペアンプでも同様である。ダイオードの代わりにバイポーラトランジスタのベース・エミッタを温度センサとして用いている。コレクタとベースをショートさせてダイオードとなるし、ＭＯＳＦＥＴの内蔵ダイオードを用いればダイオードそのものである。 Further, in order to prevent thermal destruction of the CPU and power semiconductor, the forward voltage characteristics of the diode may be used when measuring the temperature of the element or the amount of heat conducted to the element using these elements. Since the forward voltage Vf in the small current region of the diode of FIG. 56A linearly decreases at a rate of about 2 [mV / ° C.] with respect to the temperature, the temperature of the chip is known immediately after a large current flows. be able to. For example, the forward voltage Vf at 100 [mA] is measured in advance at what degree C and how many mV, and conversely, how many mV of Vf is read as temperature. As shown in FIG. 56B, Vf (B in FIG. 56B) when the chip is heated to a predetermined temperature (A in FIG. 56B) is measured, and a small current is measured. The diode forward voltage Vf and the temperature dependence of the diode forward voltage is about 2 [mV / ° C.] (C in FIG. 56B), and calibrates to what degree C Vf corresponds. . Thus, by measuring Vf (D in FIG. 56 (b)), it is possible to know how many degrees C. (E in FIG. 56 (b)). This method is the same for bipolar transistors, MOSFETs, and operational amplifiers combining them. Instead of a diode, the base / emitter of a bipolar transistor is used as a temperature sensor. A collector and a base are short-circuited to form a diode, and if a built-in diode of a MOSFET is used, it is a diode itself.
更に、バイポーラトランジスタのバンドギャップを利用するタイプの温度センサは、トランジスタのベース・エミッタ間電圧Ｖ（ＢＥ）が持つ温度特性を利用して出力特性を持たせたセンサである。Ｃは電子拡散係数とベース幅という構造で表される定数で表されるので、下記の式により逆算すると温度Ｔを求めることができる。
Ｔ＝ｑＶＢＥ／（ｋｌｎ（ＩＣ−ＩＣＢ０）／Ｃ）
Furthermore, a temperature sensor of a type that uses the band gap of a bipolar transistor is a sensor that has an output characteristic using the temperature characteristic of the base-emitter voltage V (BE) of the transistor. Since C is represented by a constant represented by a structure of an electron diffusion coefficient and a base width, the temperature T can be obtained by performing a reverse calculation using the following equation.
T = qV BE / (kln (I C −I CBO ) / C)
つまり、コレクタ電流ＩＣを測定すれば温度を求められることを示している。すなわち、図５７はＩＣ用バイポーラトランジスタの一部構成を示す断面図である。Ｃの構造の領域の温度を相転移の既知の温度で均一にさせることによって、高精度にキャリブレーションすることができるので、少なくともＣの構造の領域に隣接させて相変化物質を配置する。また、ＳＯＩ基板構造によってＳｉに発熱部を配置し発熱部に相変化物質を積層する。Ｎ＋領域を発熱部とする発熱させる電力を端子Ｗｈ間へ供給し、端子Ｄ間で相転移を検出する。このように、温度標準とキャリブレーション機能を集積することによって、特にこれらの大量生産による素子に対して温度をキャリブレーションする設備や工程が不要になり、どこの半導体工場でも生産でき安価な価格で提供できるようになる。 That is, it is shown that the temperature can be obtained by measuring the collector current IC. That is, FIG. 57 is a cross-sectional view showing a partial configuration of an IC bipolar transistor. Since the calibration can be performed with high accuracy by making the temperature of the C structure region uniform at a known temperature of the phase transition, the phase change material is disposed at least adjacent to the C structure region. In addition, a heat generating part is arranged on Si by an SOI substrate structure, and a phase change material is laminated on the heat generating part. Electric power that generates heat using the N + region as a heat generating portion is supplied between the terminals Wh, and a phase transition is detected between the terminals D. By integrating temperature standards and calibration functions in this way, equipment and processes for temperature calibration are not required, especially for these mass-produced devices, and can be produced at any semiconductor factory at an inexpensive price. Can be provided.
図５８は第１の温度検出部と第２の温度検出部の温度補償回路を示す回路図である。同図の回路は、第１の温度検出部を温度キャリブレーションするにあたり、外部の温度変化の影響を受けないように、第２の温度検出部で外部の温度変化に対する温度補償を行うためのブリッジ回路である。第１の温度検出部と第２の温度検出部とは、周囲温度が変化するときほぼ同一の温度変化に対応する応答速度である必要上、熱容量はほぼ同一であることが望ましい。従って、構成材料の種類や寸法がほぼ同一である。ただし、第１の温度検出部を温度キャリブレーションする期間中に、第１の温度検出部の相転移のみ検出する必要があるので、第１の温度検出部を温度キャリブレーションする期間中に第２の温度検出部の相転移を生じない。そのために、第２の温度検出部における第２の相変化物質は第１の温度検出部における第１の相変化物質の相転移温度よりも高い相転移温度の異なる物質である。しかし、熱容量はほぼ同一であることが望ましいので、相変化物質は質量、比熱、熱伝導率が著しく異ならない材料を選択し、例えば第１の温度検出部における第１の相変化物質はＩｎ、第２の温度検出部における第２の相変化物質はＩｎより相転移温度の高いＳｎ、ＡｌやＡｕあるいはＰｔを用いる。Ａｌ、Ａｕであれば、一体化する集積回路部の配線材料と同一なので、またＰｔであれば、発熱部と同一材料なので、同一工程で製造できる。この場合、Ｉｎの相転移温度までで温度キャリブレーションが行われる。あるいは、複数の相変化物質を一体化し、複数の温度キャリブレーションを行う場合は、例えば第１の温度検出部の２箇所の相変化物質がＩｎとＳｎの場合、第２の温度検出部の第２の相変化物質はＩｎとＳｎより相転移温度の高い、Ａｌ、Ａｕ、あるいはＰｔを用いる。Ａｌ、Ａｕであれば、一体化する集積回路部の配線材料と同一なので、またＰｔであれば、発熱部と同一材料なので、同一工程で製造できる。この場合、Ｓｎの相転移温度まで２つの温度キャリブレーションが行われる。
FIG. 58 is a circuit diagram showing a temperature compensation circuit of the first temperature detection unit and the second temperature detection unit. The circuit shown in FIG. 2 is a bridge for performing temperature compensation for an external temperature change in the second temperature detection unit so that the first temperature detection unit is not affected by the external temperature change when temperature calibration is performed. Circuit. Since the first temperature detection unit and the second temperature detection unit need to have response speeds corresponding to substantially the same temperature change when the ambient temperature changes, it is desirable that the heat capacities are substantially the same. Therefore, the types and dimensions of the constituent materials are almost the same. However, since it is necessary to detect only the phase transition of the first temperature detection unit during the temperature calibration period of the first temperature detection unit, the second temperature is detected during the temperature calibration period of the first temperature detection unit. No phase transition occurs in the temperature detection part. Therefore, the second phase change substance in the second temperature detection unit is a substance having a different phase transition temperature higher than the phase transition temperature of the first phase change substance in the first temperature detection unit. However, since it is desirable that the heat capacities are substantially the same, a material that does not significantly differ in mass, specific heat, and thermal conductivity is selected as the phase change material. For example, the first phase change material in the first temperature detection unit is In, As the second phase change material in the second temperature detection unit, Sn, Al, Au, or Pt having a higher phase transition temperature than In is used. Since Al and Au are the same as the wiring material of the integrated circuit part to be integrated, and Pt is the same material as the heat generating part, they can be manufactured in the same process. In this case, temperature calibration is performed up to the phase transition temperature of In. Alternatively, when a plurality of phase change substances are integrated and a plurality of temperature calibrations are performed, for example, when the two phase change substances of the first temperature detection unit are In and Sn, the second temperature detection unit As the
図５９は周囲温度が変化しないときの第１の温度検出部の抵抗値変化と第２の温度検出部の抵抗値変化の特性を示す図である。また、図６０はブリッジ回路で出力される特性を示す図である。第１の温度検出部の固有抵抗値と温度依存性は、第２の温度検出部の固有抵抗値と温度依存性は、一体化して製造されてもわずかに異なるので、それぞれ異なる温度上昇勾配を持っている。よって、図６０に示すように、ブリッジ回路で出力される特性は、異なる温度上昇勾配の差分ΔＶｂを持っているが、第２の温度検出部の抵抗値変化にはない第１の温度検出部の抵抗値変化の相変化の特性が出現するので、相転移を検出することができる。ここで、発熱部や相変化部は微小熱容量であるため、急速に相転移し、温度キャリブレーションは１［ｍｓｅｃ］から数１０［ｍｓｅｃ］程度のごく短時間で完了する。このため、図５９の周囲温度の変化がないことを示しているように、外部の温度変化の影響を受け難く、実際はほとんど誤検出することはない。しかし、後述する図６１では、図５９の温度キャリブレーションする極短時間中に、外部の温度変化の影響を受けた場合のケースを示している。図６１は周囲温度が変化するときの第１の温度検出部の抵抗値変化と第２の温度検出部の抵抗値変化の特性を示し、図６２はブリッジ回路で出力される特性を示したものである。ブリッジ出力電圧の特徴は、時刻Ｔ０から時刻Ｔ２までと、相転移物質Ａの相変化終了後から時刻Ｔ４までが、外部の温度変化があっても常に傾きΔＶｂの直線である。時刻Ｔ２以後に外部の温度影響があってブリッジ出力電圧が、傾きΔＶｂの直線（図６２中の細線）であるとすると、第２の温度検出部の抵抗値変化が時刻Ｔ２以後増加せず減少することになり、第１の温度検出部の抵抗値変化も減少し、相変化しなくなる。従って、時刻Ｔ２において、傾きΔＶｂが変化することは、相転移が開始されていることを示す。傾きΔＶｂが変化することを検出して相転移を検出することができる。このように、第１の温度検出部、第２の温度検出部は周囲温度の変化の影響を受けても、第１の温度検出部の相変化物質が相転移した時のみ周囲温度の変化の影響を受けずブリッジ回路出力が変化するので、相転移を検出することができる。 FIG. 59 is a diagram illustrating characteristics of a change in resistance value of the first temperature detection unit and a change in resistance value of the second temperature detection unit when the ambient temperature does not change. FIG. 60 is a diagram showing characteristics output by the bridge circuit. The specific resistance value and temperature dependency of the first temperature detection unit are slightly different even if the specific resistance value and temperature dependency of the second temperature detection unit are manufactured integrally. have. Therefore, as shown in FIG. 60, the characteristic output by the bridge circuit has a difference ΔVb between different temperature rise gradients, but the first temperature detection unit which is not in the resistance value change of the second temperature detection unit. Since the phase change characteristic of the resistance value change appears, the phase transition can be detected. Here, since the heat generating portion and the phase change portion have a minute heat capacity, the phase transition is rapidly performed, and the temperature calibration is completed in a very short time of about 1 [msec] to several tens [msec]. For this reason, as shown in FIG. 59 that there is no change in the ambient temperature, it is hardly affected by an external temperature change, and actually, there is almost no false detection. However, FIG. 61, which will be described later, shows a case in which the temperature is affected by an external temperature change during the extremely short time for temperature calibration in FIG. 61 shows the change in resistance value of the first temperature detector and the change in resistance value of the second temperature detector when the ambient temperature changes, and FIG. 62 shows the characteristic output by the bridge circuit. It is. A characteristic of the bridge output voltage is a straight line with a slope ΔVb from time T0 to time T2 and from the end of the phase change of the phase change material A to time T4 even when there is an external temperature change. If the bridge output voltage is a straight line with a slope ΔVb (thin line in FIG. 62) after the time T2, the resistance change of the second temperature detector does not increase and decreases after the time T2. As a result, the resistance value change of the first temperature detection unit also decreases, and the phase change does not occur. Therefore, the change in the slope ΔVb at time T2 indicates that the phase transition has started. It is possible to detect the phase transition by detecting the change in the slope ΔVb. As described above, even if the first temperature detection unit and the second temperature detection unit are affected by the change in the ambient temperature, the change in the ambient temperature only when the phase change material of the first temperature detection unit undergoes a phase transition. Since the bridge circuit output changes without being affected, the phase transition can be detected.
なお、上述したように相変化物質を相転移させるために発熱部を用いているが、電気素子の設置環境の温度によって温度制御することによっても、相変化物質の相転移を検出し、既知の相転移温度を決定することができる。よって、従来のキャリブレーション設備ほどの高精度の温度標準設備でなく空気温度分布のある温度制御精度の低い設備でよい。また、個々の電気素子の相変化物質の相転移を検出し、高精度にキャリブレーションを行うことができる。そして、所定の抵抗温度係数を有する発熱部をジュール発熱させないように十分小さな値の電流を供給し、発熱部の抵抗値を検出することによって、個々の電気素子の発熱部を温度検出器として用い高精度にキャリブレーションを行うことができる。 As described above, the heat generating unit is used to cause the phase change of the phase change material. However, the phase change of the phase change material is also detected by controlling the temperature according to the temperature of the installation environment of the electric element. The phase transition temperature can be determined. Therefore, it may be a facility with low temperature control accuracy with an air temperature distribution, rather than a temperature standard facility as high as the conventional calibration facility. Further, it is possible to detect the phase transition of the phase change material of each electric element and perform calibration with high accuracy. Then, by supplying a current having a sufficiently small value so as not to cause Joule heat generation of the heat generating part having a predetermined resistance temperature coefficient, and detecting the resistance value of the heat generating part, the heat generating part of each electric element is used as a temperature detector. Calibration can be performed with high accuracy.
以上説明したように、実施形態によれば、図１に示すように、既知の相転移温度を有する相変化物質は、当該相転移温度において相転移する。この相転移が起きたことを検出することで、相転移が起きたときの温度を既知の相転移温度とする温度較正を行う。そして、図８に示すように、基板１１上に、相変化物質１４と相変化物質１４を加熱する発熱部１３とが積層されて、一体化して設けられている。これにより、発熱部１３の加熱制御が簡単になり、発熱部１３の加熱による温度分布が制御しやすく、温度精度が確保できる。また、相変化物質の電気伝導度に影響されないので、相変化物質の適用できる種類が多くなり、相転移温度を豊富に選択できキャリブレーション温度の自由度も大きい。そして、相変化物質の相転移温度は既知の値であるので、相転移現象の発生を精度良く検出すれば、温度を高精度に決定することができる。従来のようなキャリブレーション工程実施に伴うコストが削減され、いつでもどこでもだれでもキャリブレーションできるので長期間の精度が維持できる。
As described above, according to the embodiment, as shown in FIG. 1, a phase change material having a known phase transition temperature undergoes a phase transition at the phase transition temperature. By detecting that this phase transition has occurred, temperature calibration is performed with the temperature at which the phase transition has occurred as a known phase transition temperature. As shown in FIG. 8, the
また、実施形態によれば、相変化物質１４における温度変化に伴う相転移としての発熱部１３の電気抵抗値を検出する。そして、図１及び図２に示す特性により、この電気抵抗値が所定値に達したとき相変化物質１４の温度が既知の相転移温度に達したことなり温度較正が行われたことなる。これにより、コストを抑え、複雑な制御を必要とせずに高精度な制御が可能となる。
Further, according to the embodiment, the electrical resistance value of the
更に、実施態様によれば、相変化物質１４に供給した電流に対する出力電圧値を検出し、電流値及び出力電圧値に基づいて算出した電気抵抗値が所定値に達したとき相変化物質１４における温度変化に伴った相転移が生じたものとする。つまり、そして、図４及び図５に示す特性により、この電流値及び出力電圧値に基づいて算出した電気抵抗値が所定値に達したとき相変化物質１４の温度が既知の相転移温度に達したことなり温度較正が行われたことなる。これにより、コストを抑え、複雑な制御を必要とせずに高精度な制御が可能となる。
Further, according to the embodiment, the output voltage value with respect to the current supplied to the
また、実施形態によれば、図８及び図９に示すように、少なくとも相変化物質１４と発熱部１３とを基板１１上に積層している。更には、図１４に示すように、少なくとも相変化物質１４と発熱部１３とを基板１１上に並列に配置している。これにより、コストを抑え、複雑な制御を必要とせずに高精度な制御が可能となる。
Further, according to the embodiment, as shown in FIGS. 8 and 9, at least the
更に、実施態様によれば、発熱部１３に離間させた箇所に相変化物質１３を分散配置するために、図１８及び図１９に示すように、発熱部１３を蛇行配置し、蛇行状の発熱部１３に沿って相変化物質１４を並列に又は積層に設けている。これにより、局所に高密度配置することができ、より一層高精度な制御が可能となる。
Further, according to the embodiment, in order to disperse and arrange the
また、実施形態によれば、相変化物質１４、発熱部１３、基板１１のうち少なくとも１つが導電性材料で構成されていれば、導電性である部材を電気絶縁材で電気的に絶縁することが望ましい。
In addition, according to the embodiment, if at least one of the
更に、実施形態によれば、発熱部１３で相変化物質１４を加熱し、相変化物質１４の相転移が起きたときの、発熱部１３の供給電流値及び出力電力値によって求められる発熱部１３の抵抗値と、発熱部１３の温度と抵抗値の関係とに基づいて、発熱部１３の温度を検出することが望ましい。
Further, according to the embodiment, when the
また、実施形態によれば、図１１に示すように、相変化物質１４から検出信号を出力する検出リード線１７を相変化物質１４に接続し、この検出リード線１７を相変化物質１４と同一の材料で、あるいは導電性材料で構成する。これにより、製造工程が複雑にならない。
Further, according to the embodiment, as shown in FIG. 11, the
更に、実施形態によれば、図２３に示すように、基板１１上に、既知の相転移温度の異なる複数の相変化物質３１、３２と、それぞれの相変化物質３１、３２を加熱する発熱部１３とが積層されている。既知の相転移温度の異なる複数の相変化物質３１、３２を発熱部１３に隣接させて設ける。これにより、発熱部１３の加熱制御が簡単になり、発熱部１３の加熱による温度分布が制御しやすく、温度精度が確保できる。また、相変化物質３１、３２を用いることで、温度精度がより一層高まる。なお、少なくとも一方の相変化物質３１、３２が導電性であるときは、各相変化物質の間に電気絶縁材を設けることが望ましい。
Further, according to the embodiment, as shown in FIG. 23, a plurality of
また、実施形態によれば、図４１によれば、発熱部１３を蛇行配置し、蛇行状の発熱部１３に沿って複数の相変化物質３１、３２を並列に又は積層に設けている。更には、図４４に示すように、発熱部１３と、複数の相変化物質３１、３２とを、同心円となるようにそれぞれ配置した。更に、図４５に示すように、発熱部１３を同心円の形状にし、その発熱部の円周内に、扇形に形成した複数の相変化物質３１、３２を発熱部１３と同心円となるように交互に並列した。これにより、局所に高密度配置することができ、より一層高精度な制御が可能となる。
In addition, according to the embodiment, according to FIG. 41, the
更に、実施形態によれば、図１０等に示すように、少なくとも相変化物質１４を設けた領域の基板１１に、空洞１６を設けている。これにより、迅速な温度制御を行うことができる。
Furthermore, according to the embodiment, as shown in FIG. 10 and the like, the
また、実施形態によれば、図２１等に示すように、少なくとも相変化物質１４の周囲を絶縁材で覆う電気絶縁層１８を形成している。これにより、相変化物質が周囲雰囲気によって化学変化することを防止でき、高精度な制御を高信頼に行うことができる。
Further, according to the embodiment, as shown in FIG. 21 and the like, the electrical insulating
更に、実施形態によれば、電気素子と回路素子とを集積して集積回路を構成する。これにより、温度依存性のある回路素子の温度に対する制御を精度よく行うことができる。また、自己温度較正機能より回路素子の温度較正工程が不要となり、回路素子自体のコストを抑えることができる。 Furthermore, according to the embodiment, an electrical element and a circuit element are integrated to constitute an integrated circuit. Thereby, the control with respect to the temperature of the circuit element which has temperature dependence can be performed accurately. In addition, the self-temperature calibration function eliminates the need for a circuit element temperature calibration step, thereby reducing the cost of the circuit element itself.
また、実施形態によれば、電気素子を温度依存性のある半導体又は電子部品に集積する。これにより、大量生産される半導体又は電子部品に対する温度較正する設備や工程が不要となり、どこの製造工場でも生産でき安価な価格で半導体又は電子部品を提供することができる。 Further, according to the embodiment, the electric element is integrated in a temperature-dependent semiconductor or electronic component. This eliminates the need for temperature calibration equipment and processes for mass-produced semiconductors or electronic components, and enables production at any manufacturing plant and provides semiconductors or electronic components at an inexpensive price.
１ 電気素子
１１ 基板
１２ リード
１３ 発熱部
１４ 相変化物質
１５ 電気絶縁層
１６ 空洞
１７ 検出リード
１８ 電気絶縁層
１９ 温度検出部
２０ 温度検出部
２１ Ｎ型半導体
２２ Ｐ型半導体
２３ 電極
３１ 相変化物質
３２ 相変化物質
４０ 電子回路
５０ 入出力端子群
６０ 温度キャリブレーション部
６１ 発熱部
６２ 検出部
６３ 相変化物質
６４ 電源
６５ 記憶部
６６ 演算部
６７ 基準値記憶部
７０ 計測部
７１ 電源
７２ 比較部
７３ 出力部
８０ ＣＰＵ
９１ 定電流送引回路
９２ タイミング回路
１００ 集積素子
DESCRIPTION OF
91 Constant
Claims (33)
既知の相転移温度を持つ少なくとも１つの相変化物質を有する相変化部と、
上記相変化物質を加熱する発熱部と、
温度の変化に伴って上記相変化物質の相転移が起きたことを検出する検出部と、
を基板上に設けたことを特徴とする電気素子。 In electrical elements that have temperature dependence and are used for temperature calibration,
A phase change portion having at least one phase change material having a known phase transition temperature;
A heating part for heating the phase change material;
A detection unit for detecting that a phase transition of the phase change material has occurred in accordance with a change in temperature;
Is provided on a substrate.
上記検出部は上記発熱部によって加熱され上記相変化物質の温度が既知の上記相転移温に達したときの上記発熱部の電気抵抗値を検出し、上記検出部によって検出した上記発熱部の電気抵抗値の温度を既知の上記相転移温度とする温度較正を行うことを特徴とする電気素子。 The electrical element according to claim 1,
The detection unit detects an electrical resistance value of the heat generation unit when the temperature of the phase change material reaches the known phase transition temperature when heated by the heat generation unit, and detects the electrical resistance of the heat generation unit detected by the detection unit. An electric element characterized by performing temperature calibration with the temperature of the resistance value as the known phase transition temperature.
上記検出部は上記発熱部によって加熱され上記相変化物質の既知の上記相転移温度に達したときの上記相変化物質に供給した電流に対する出力電圧値を検出し、電流値及び出力電圧値に基づいて上記発熱部の電気抵抗値を算出し、上記検出部によって算出した上記発熱部の電気抵抗値の温度を既知の上記相転移温度とする温度較正を行うことを特徴とする電気素子。 The electrical element according to claim 1,
The detection unit detects an output voltage value with respect to a current supplied to the phase change material when heated by the heating unit and reaches a known phase transition temperature of the phase change material, and is based on the current value and the output voltage value. The electric element is characterized in that the electric resistance value of the heat generating part is calculated, and temperature calibration is performed with the temperature of the electric resistance value of the heat generating part calculated by the detecting part as the known phase transition temperature.
少なくとも上記相変化部を設けた領域の上記基板に、空洞を設けることを特徴する電気素子。 The electric element according to any one of claims 1 to 3,
An electrical element, wherein a cavity is provided in at least the substrate in a region where the phase change portion is provided.
上記相変化物質は、国際温度目盛ＩＴＳ−９０に定義されている物質であることを特徴する電気素子。 The electric element according to any one of claims 1 to 4,
The electrical element, wherein the phase change material is a material defined in International Temperature Scale ITS-90.
少なくとも上記相変化部と上記発熱部とを上記基板上に積層することを特徴とする電気素子。 The electric element according to any one of claims 1 to 5,
At least the phase change portion and the heat generating portion are stacked on the substrate.
少なくとも上記相変化部と上記発熱部とを上記基板上に並列に配置することを特徴とする電気素子。 The electric element according to any one of claims 1 to 5,
At least the phase change portion and the heat generating portion are arranged in parallel on the substrate.
上記発熱部に離間させた箇所に上記相変化物質を分散配置したことを特徴とする電気素子。 In the electric element according to any one of claims 1 to 7,
An electric element characterized in that the phase change material is dispersedly arranged at locations separated from the heat generating portion.
上記発熱部を蛇行配置し、蛇行状の上記発熱部に沿って上記相変化物質を並列に設けたことを特徴とする電気素子。 The electrical device according to claim 8, wherein
An electric element, wherein the heat generating portions are arranged in a meandering manner, and the phase change material is provided in parallel along the meandering heat generating portions.
上記発熱部を蛇行配置し、蛇行状の上記発熱部に沿って上記相変化物質を積層に設けたことを特徴とする電気素子。 The potential device according to claim 8, wherein
An electric element characterized in that the heat generating portions are arranged in a meandering manner, and the phase change material is provided in a laminated manner along the meandering heat generating portions.
上記相変化物質、上記発熱部、上記基板のうち少なくとも１つが導電性材料で構成されており、導電性材料で構成された部材を電気絶縁材で電気的に絶縁することを特徴とする電気素子。 The electric element according to any one of claims 1 to 10,
An electrical element characterized in that at least one of the phase change material, the heat generating portion, and the substrate is made of a conductive material, and a member made of the conductive material is electrically insulated by an electrical insulating material. .
上記発熱部で上記相変化物質を加熱し、上記相変化物質の相転移が起きたときの、上記発熱部の供給電流値及び出力電力値によって求められる上記発熱部の抵抗値と、上記発熱部の温度と抵抗値の関係とに基づいて、上記発熱部の温度を検出することを特徴とする電気素子。 The electric element according to any one of claims 1 to 11,
When the phase change material is heated in the heat generating portion and a phase transition of the phase change material occurs, a resistance value of the heat generating portion determined by a supply current value and an output power value of the heat generating portion, and the heat generating portion based on the temperature and the relationship between the resistance value, the electric element characterized Rukoto issuing detects the temperature of the heat generating portion.
上記相変化部から検出信号を出力する検出リード線を上記相変化部に接続し、上記検出リード線を相変化物質と同一、あるいは導電性材料で構成することを特徴とする電気素子。 The electrical element according to any one of claims 1 to 12,
An electrical element, wherein a detection lead wire that outputs a detection signal from the phase change portion is connected to the phase change portion, and the detection lead wire is made of the same or conductive material as the phase change substance.
上記検出部は、上記相変化物質の温度が既知の上記相転移温に達したときの上記発熱部の電気抵抗値を検出することを特徴とする電気素子。 The electrical element according to any one of claims 1 to 13,
The detection unit detects an electrical resistance value of the heating unit when the temperature of the phase change material reaches a known phase transition temperature.
上記相変化部が既知の上記相転移温度の異なる複数の相変化物質を有し、上記検出部は上記各相変化物質における温度変化に伴う各相転移を検出することを特徴とする電気素子。 The electric element according to claim 1,
Electrical device the phase change portion have a plurality of phase change materials having different known the phase transition temperature, the detection unit, characterized in that to detect the phase transition due to temperature changes in the phase change material.
上記各相変化物質を互いに分離して配置することを特徴とする電気素子。 The electric element according to claim 15,
An electrical element, wherein the phase change materials are arranged separately from each other.
上記各相変化物質を並列に配置することを特徴とする電気素子。 The electrical device according to claim 16, wherein
An electric element comprising the phase change substances arranged in parallel.
上記各相変化物質を積層に配置することを特徴とする電気素子。 The electrical device according to claim 16, wherein
An electrical element, wherein the phase change substances are arranged in a stack.
少なくとも一方の上記相変化物質が導電性であり、上記各相変化物質の間に電気絶縁材を設けることを特徴とする電気素子。 The electric element according to any one of claims 15 to 18,
At least one of the phase change material Ri conductive der, electrical device characterized by providing an electrical insulation between the phase change material.
複数の上記相変化物質を上記発熱部に離間する箇所に分散配置したことを特徴とする電気素子。 The electrical device according to any one of claims 15 to 19,
An electrical element, wherein a plurality of the phase change substances are dispersedly arranged at locations spaced apart from the heat generating portion.
上記発熱部を蛇行配置し、蛇行状の上記発熱部に沿って複数の上記相変化物質を並列に設けたことを特徴とする電気素子。 The electrical element according to claim 20,
An electric element, wherein the heat generating portions are arranged in a meandering manner and a plurality of the phase change substances are provided in parallel along the meandering heat generating portions.
上記発熱部を蛇行配置し、蛇行状の上記発熱部に沿って複数の上記相変化物質を積層に設けたことを特徴とする電気素子。 The electrical element according to claim 20,
An electric element characterized in that the heat generating portions are arranged in a meandering manner, and a plurality of the phase change substances are provided in a stack along the meandering heat generating portions.
上記発熱部と、複数の上記相変化物質とを、同心円となるようにそれぞれ配置したことを特徴とする電気素子。 The electrical element according to claim 20,
An electrical element, wherein the heat generating portion and the plurality of phase change substances are arranged so as to be concentric.
上記発熱部を同心円の形状にし、複数の上記相変化物質を扇形に形成し、同心円の上記発熱部の円周内に、上記各相変化物質を上記発熱部と同心円となるように交互に並列したことを特徴とする電気素子。 The electrical element according to claim 20,
The heat generating portion is formed in a concentric shape, a plurality of the phase change materials are formed in a fan shape, and the phase change materials are alternately arranged in a concentric circle around the circumference of the heat generating portion. An electrical element characterized by that.
溶解して合金となる複数の上記相変化物質を設け、加熱によって上記各相変化物質が溶解して相変化物質の合金となり、合金の相変化物質の相転移を検出することを特徴とする電気素子。 The electrical element according to any one of claims 1 to 24,
A plurality of the phase change materials that are dissolved into an alloy are provided, and each phase change material is melted by heating to become an alloy of the phase change material, and the phase transition of the phase change material of the alloy is detected. element.
少なくとも上記相変化部の周囲を絶縁材で覆う表面保護膜を形成することを特徴とする電気素子。 The electric device according to any one of claims 1 to 25,
An electrical element comprising a surface protective film covering at least the periphery of the phase change portion with an insulating material.
温度の変化に伴って第１の相変化物質の相転移が起きたことを検出する第１の検出部と、上記第１の相変化物質の相転移が起きたときに相転移が起きていない第２の相変化物質の相転移が温度の変化に伴って起きたことを検出する第２の検出部とでのブリッジ回路を構成することを特徴とする電気素子。 The electric device according to any one of claims 16 to 26,
A first detector for detecting that a phase transition of the first phase change material has occurred in accordance with a change in temperature, and no phase transition has occurred when the phase transition of the first phase change material has occurred; An electrical element comprising a bridge circuit with a second detector for detecting that a phase transition of the second phase change material has occurred with a change in temperature.
温度の変化に伴って第１の相変化物質の相転移が起きたことを検出する第１の温度検出部と、上記第１の相変化物質の相転移が起きたときに相転移が起きていない第２の相変化物質の相転移が温度の変化に伴って起きたことを検出する第２の温度検出部とでのブリッジ回路を構成することを特徴とする電気素子。 The electric device according to any one of claims 16 to 26,
A first temperature detection unit that detects that a phase transition of the first phase change material has occurred in accordance with a change in temperature; and a phase transition has occurred when the phase transition of the first phase change material has occurred. An electrical element comprising a bridge circuit with a second temperature detection unit that detects that a phase transition of a second phase change material not occurring has occurred with a change in temperature.
上記第１の相変化物質の熱容量と上記第２の相変化物質の熱容量は同じであることを特徴とする電気素子。 The electrical element according to claim 27 or 28,
The electrical element, wherein the heat capacity of the first phase change material and the heat capacity of the second phase change material are the same.
上記電気素子は、
既知の相転移温度を持つ少なくとも１つの相変化物質を有する相変化部と、
上記相変化物質を加熱する発熱部と、
温度の変化に伴って上記相変化物質の相転移が起きたことを検出する検出部と、
を基板上に設け、
上記検出部によって検出した上記相変化物質の相転移が起きたときの温度を既知の相転移温度とする温度較正を行うことを特徴とする温度較正装置。 In a temperature calibration device comprising an electrical element having temperature dependence,
The electrical element is
A phase change portion having at least one phase change material having a known phase transition temperature;
A heating part for heating the phase change material;
A detection unit for detecting that a phase transition of the phase change material has occurred in accordance with a change in temperature;
On the substrate,
A temperature calibration apparatus that performs temperature calibration using a temperature when a phase transition of the phase change material detected by the detection unit occurs as a known phase transition temperature.
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