JP4441629B2 - 薄膜型サーモパイル - Google Patents

Description

本発明は、温度計測に係る薄膜型サーモパイル及び薄膜型サーモパイルを用いた交流電圧標準用、高精度交流電圧測定用の交直比較素子に関する。

図１は、薄膜型サーモパイルを用いた従来の交直比較素子の例を示す。
温度基準部となる外枠の内部に絶縁性フィルムを介して温度検出部が設けられている。そして温度検出部と温度基準部との間には、間隔を空けてＢｉからなる第１薄膜及びＳｂからなる第２薄膜が設けられ、それぞれ温度基準部及び温度検出部の端部から距離ａだけ入った温度基準部及び温度検出部上で熱電対を構成している。各熱電対は、複数個直列接続され薄膜型サーモパイルを構成する。また温度検出部に隣接して交流入力用のヒーターが設けられ、直流電圧を出力する薄膜型サーモパイルとともに交直比較素子を構成している。

入力端子１、２間に交流電圧が印加されるとヒーターに通電し、交流電圧の実効値に応じたヒーター発熱による温度上昇が得られる。温度上昇は、隣接して配置された薄膜型サーモパイルの温度検出部により検出され、出力端子３、４間に（交流入力電圧に応じた）直流電圧を出力する。
特開２０００−６５６３９号公報 M. Klonz, T. Weimann, F. Volklein, H. Dinter, and A. Lerm,"Ac-dc-mV-transfer with highly sensitive thin-film multijunction thermalconverters," IEEE Trans. Instrum. Meas., vol. IM-42, pp. 612-614, 1993.

従来型の上記薄膜型サーモパイルは、サーモパイルを構成する熱電対の個数が増加するとサーモパイルの有効長が長くなるため、出力抵抗値が大きくなる。
このため従来型の薄膜型サーモパイルでは、熱雑音の増大によって信号対雑音指数(S/N比)が低下してしまう欠点があった。
また従来型の薄膜型サーモパイルを用いた交直比較素子も同様の欠点を引き継いでおり、熱雑音の増大によって信号対雑音指数(S/N比)が低下してしまう欠点があった。
したがって本発明は、薄膜型サーモパイルにおいて従来の問題点に鑑み、出力抵抗値を小さくすることにより信号対雑音指数(S/N比)を改善することを目的とする。
また本発明は、改良された薄膜型サーモパイルを用いた交直比較素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明では、図２及び図４に示すように、サーモパイルの一部を銅などの熱伝導率及び電気伝導率のともに高い金属薄膜で置き換えることにより、薄膜型サーモパイルの信号対雑音指数(S/N比)を改善するものである。
その手段の構成は次のとおりである。
温度検出部と、温度検出部と離隔して設けられた温度基準部と、温度検出部と温度基準部との間に、温度検出部及び温度基準部とは間隔を空けて複数組交互に設けられ、それぞれ異なる金属又は半導体材料からなる第１薄膜及び第２薄膜と、温度検出部に接触するとともに温度基準部に面する端部において第１薄膜と第２薄膜とに個別に接続し、各接続点において熱電対を構成する少なくとも１個の第１の金属膜と、温度基準部に接触するとともに温度検出部に面する端部において第１薄膜と第２薄膜とに個別に接続し、各接続点において熱電対を構成する少なくとも１個の第２の金属膜とを含み、第１の金属膜及び第２の金属膜は、全体として直列接続された熱電対を構成するように配置されていることを特徴とする薄膜型サーモパイル。

上記温度基準部は、温度検出部を取り囲むように設けられた薄膜型サーモパイル。
また第１薄膜及び第２薄膜は、Ｂｉ及びＳｂからなる薄膜であり、第１の金属膜及び第２の金属膜はともに銅膜である薄膜型サーモパイル。

さらに温度検出部と、温度検出部と離隔して温度検出部を取り囲むように設けられた温度基準部と、温度検出部と温度基準部との間に、温度検出部及び温度基準部とは間隔を空けて複数組交互に設けられ、それぞれ異なる金属又は半導体材料からなる第１薄膜及び第２薄膜と、温度検出部に接触するとともに温度基準部に面する端部において第１薄膜と第２薄膜とに個別に接続し、各接続点において熱電対を構成する少なくとも１個の第１の金属膜と、温度基準部に接触するとともに温度検出部に面する端部において第１薄膜と第２薄膜とに個別に接続し、各接続点において熱電対を構成する少なくとも１個の第２の金属膜とを含み、第１の金属膜及び第２の金属膜は、全体として直列接続された熱電対を構成するように配置されている薄膜型サーモパイルと、温度検出部に隣接して設けられたヒーターと、を含む交直比較素子。

本発明は、上記の構成により信号対雑音指数(S/N比)の高い薄膜型サーモパイル及び薄膜型サーモパイルを用いた交直比較素子が得られるという優れた効果を有する。

本発明は、図２に示すように、サーモパイルの一部を銅などの熱伝導率及び電気伝導率のともに高い金属薄膜で置き換えることにより、サーモパイルの出力抵抗を低減できること、一方、サーモパイルを介した温度検出部と温度基準部間の熱伝導も増加することにより、サーモパイル両端の温度差が低下することから、両方のバランスが最適になり、最も高い信号対雑音指数(S/N比)が得られる寸法が存在する、という着想に基づいてなされたものである。

図２及び図３を引用してさらに詳細に説明する。
図２は、改良された薄膜型サーモパイルのレイアウト概略図である。
温度検出部と温度基準部とは距離Ｌだけ離隔して配置されており、その間には熱電対を構成するＢｉからなる薄膜層とＳｂからなる薄膜層とが交互に複数個形成されている。さらに図２に示すように、温度検出部又は温度基準部に接触するとともに、Ｂｉからなる薄膜層及びＳｂからなる薄膜層に接続し、熱電対を構成する銅箔等の複数の熱伝導率及び電気伝導度の高い金属膜が設けられている。熱伝導率及び電気伝導率のともに高い金属膜は、間隔ｄを置いて温度検出部側及び温度基準部側から中央部側に張り出して配置されている。
図２では間隔ｄが、０＜ｄ＜Ｌの場合を例示しているが、本発明において間隔ｄは、０＜ｄ＜Ｌ＋２ａの範囲を取り得る。
なおここでｄ＝Ｌ＋２ａは、温度検出部側及び温度基準部側に金属膜を有せず、それぞれ温度基準部及び温度検出部の端部から距離ａだけ入った温度基準部及び温度検出部上で熱電対を構成している、図１に示す従来例の場合に相当する。

図３には、規格化した有効ＴＣ長（ｄ／Ｌ＋２ａ）を横軸として、信号対雑音比、出力電圧及び出力抵抗熱雑音に相当する数値について、従来例に相当する基準点(Ｌ＋２ａ)における数値を100％としたときの、その値からの変化の割合である変化率が図示されている。
ここで出力電圧に相当する数値としては、サーモパイルの出力電圧が熱電対両端の温度差に比例することから、上記温度差の数値を採用した。また出力抵抗熱雑音に相当する数値としては、出力抵抗熱雑音がサーモパイルの出力抵抗値の平方根に比例することから、上記サーモパイルの出力抵抗値の平方根を採用した。
そして上記出力電圧に相当する数値と出力抵抗熱雑音に相当する数値の比を算出して、これを信号対雑音比とした。

図３より、ｄ／Ｌ＝０の近傍を除いた、有効ＴＣ長ｄ／（Ｌ＋２ａ）が１未満の全ての領域で、変化率が１００％を越えており、従来例のものよりも信号対雑音比（Ｓ／Ｎ比）が改善されていることがわかる。特に有効ＴＣ長が０．１あたりでは、変化率２００％が得られている。
以上まとめると、薄膜型サーモパイルにおいて、
温度検出部と温度基準部との間に、間隔を空けて複数組交互に設けられ、Ｂｉからなる薄膜層及びＳｂからなる薄膜層と、温度検出部に接触するとともに温度基準部に面する端部においてＢｉからなる薄膜層及びＳｂからなる薄膜層とに個別に接続し、各接続点において熱電対を構成する熱伝導率及び電気伝導度のともに高い金属からなる第１の金属膜と、温度基準部に接触するとともに温度検出部に面する端部においてＢｉからなる薄膜層及びＳｂからなる薄膜層とに個別に接続し、各接続点において熱電対を構成する熱伝導率及び電気伝導度のともに高い金属からなる第２の金属膜とを含み、第１の金属膜及び第２の金属膜は、全体として直列接続された熱電対を構成するように配置されている場合には、信号対雑音比が従来例のものよりも改善されているということができる。

図４は、本発明の薄膜型サーモパイル及びこれを用いた交直比較素子の実施例を示す。
温度基準部となる縦９ｍｍ横１５ｍｍのアルミナ外枠の内部に絶縁性フィルムを介して窒化アルミ基板からなる温度検出部が設けられている。そして温度検出部と温度基準部との間には、絶縁性フィルム上に間隔を空けてＢｉからなる第１薄膜及びＳｂからなる第２薄膜が設けられ、それぞれは、間隔ｄ（０＜ｄ＜Ｌ＋２ａ）を置いて形成された銅箔との間で熱電対を構成している。各熱電対は、銅箔を介して複数個直列接続され、薄膜型サーモパイルを構成している。

さらに温度基準部とは間隔を空け、温度検出部に隣接して、交流入力用のヒーターが設けられ、直流電圧を出力する薄膜型サーモパイルとともに交直比較素子を構成している。
従来例と同様に入力端子１、２間に交流電圧が印加されると、ヒーターに通電し、交流電圧の実効値に応じたヒーター発熱による温度上昇が得られる。温度上昇は、隣接して配置された薄膜型サーモパイルの温度検出部で検出され、出力端子３、４間に（交流入力電圧に応じた）直流電圧を出力する。

以上この実施例はあくまでも本発明の理解を容易にするためのものであり、この実施例に制限されるものではない。例えば温度検出部と温度基準部との配置は図２のように平行配置でもよい。また薄膜層としてＢｉ及びＳｂの組み合わせを例示したが、熱起電力を発生させるものであれば、他の金属或いは半導体材料の組み合わせでもよい。さらに熱伝導率及び電気伝導率のともに高い金属として銅を例示したが、銀等の金属であってもよい。

本発明による薄膜型サーモパイルは、信号対雑音比の大きい薄膜型サーモパイルとして温度の精密な測定が必要とされる機器のセンサーとして利用可能である。
さらにこれを交直比較素子に適用して、信号対雑音比の大きい交直比較素子が得られる。

従来の薄膜型サーモパイルを用いた交直比較素子のレイアウト図である。 本発明による薄膜型サーモパイルのレイアウト概略図である。 有効ＴＣ長とＳ／Ｎ比等の変化率との関係を示す図である。 本発明による薄膜型サーモパイルを用いた交直比較素子のレイアウト図である。

Claims (4)

1. 温度検出部と、温度検出部と離隔して設けられた温度基準部と、温度検出部と温度基準部との間に、温度検出部及び温度基準部とは間隔を空けて複数組交互に設けられ、それぞれ異なる金属又は半導体材料からなる第１薄膜及び第２薄膜と、温度検出部に接触するとともに温度基準部に面する端部において第１薄膜と第２薄膜とに個別に接続し、各接続点において熱電対を構成する少なくとも１個の第１の金属膜と、温度基準部に接触するとともに温度検出部に面する端部において第１薄膜と第２薄膜とに個別に接続し、各接続点において熱電対を構成する少なくとも１個の第２の金属膜とを含み、第１の金属膜及び第２の金属膜は、全体として直列接続された熱電対を構成するように配置されていることを特徴とする薄膜型サーモパイル。
2. 上記温度基準部は、上記温度検出部を取り囲むように設けられた請求項１記載の薄膜型サーモパイル。
3. 第１薄膜及び第２薄膜は、Ｂｉ及びＳｂからなる薄膜であり、第１の金属膜及び第２の金属膜はともに銅膜であることを特徴とする請求項１又は２記載の薄膜型サーモパイル。
4. 温度検出部と、温度検出部と離隔して温度検出部を取り囲むように設けられた温度基準部と、温度検出部と温度基準部との間に、温度検出部及び温度基準部とは間隔を空けて複数組交互に設けられ、それぞれ異なる金属又は半導体材料からなる第１薄膜及び第２薄膜と、温度検出部に接触するとともに温度基準部に面する端部において第１薄膜と第２薄膜とに個別に接続し、各接続点において熱電対を構成する少なくとも１個の第１の金属膜と、温度基準部に接触するとともに温度検出部に面する端部において第１薄膜と第２薄膜とに個別に接続し、各接続点において熱電対を構成する少なくとも１個の第２の金属膜とを含み、第１の金属膜及び第２の金属膜は、全体として直列接続された熱電対を構成するように配置されている薄膜型サーモパイルと、温度検出部に隣接して設けられたヒーターと、を含む交直比較素子。