JP6868465B2 - 温度センサー - Google Patents

Description

本発明は、屈曲性に優れたフィルム型熱電対温度センサーに関するものである。

フレキシブルタイプの温度センサーとしては、電気抵抗の温度依存性を利用したタイプが提案されている。例えば特許文献１では、半導体薄膜を用いている。半導体の電気抵抗は温度が上昇すると低下し、その温度依存性は以下の式で表される。このタイプの温度センサはサーミスタと呼ばれ、Ｂ値が大きいほど温度に対して敏感に電気抵抗が変化するため、Ｂ定数の大きい材質が求められる。

特許文献２では、導電性粒子を含有する樹脂を用いた温度センサーが提案されている。その原理は以下の通りである。即ち、低温では樹脂中の導電性粒子は互いに接触しており、抵抗値は低いが、温度が上昇し、ある温度を超えると樹脂が熱膨張し、導電性粒子間に間隙が生じ抵抗値が増大する。このような特性は、温度の上昇と共に電気抵抗が増大するため「ＰＣＴ特性」（Ｐｏｓｉｔｉｖｅ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）という。

特許文献１に記載された温度センサーは、半導体の製膜にスパッタリング装置が必要なため製造コストが高くなることが懸念される。また、曲げによるクラック発生を抑えるためには膜厚を薄くする必要があるが、薄膜化によって抵抗値が大きくなると、抵抗測定の際の電流によって自己発熱し、測定精度が低下するという問題がある。
一方、特許文献２に記載された温度センサーは、測定温度範囲が１０℃以下と非常に狭い。さらに、樹脂の融点付近での使用になるため耐久性に問題がある。

特開２０１４−７０９５３号公報 ＷＯ２０１５−１１９２０５号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、平面の複数個所の温度を同時に高精度で測定することが可能な温度センサー及びその温度センサーの基本ユニットを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明者は鋭意検討した結果、以下の温度センサーを発明することができた。すなわち、本発明は以下の技術的構成を有する温度センサーである。

〔１〕 複数の測定点の温度を計測する温度センサーの基本ユニットであって、リボン状の電気絶縁シートにｎ型熱電変換材料薄膜とｐ型熱電変換材料薄膜を電気的に接合して設けたリボン状熱電素子のｎ型熱電変換材料薄膜末端及びｐ型熱電変換材料薄膜末端を高熱伝導性シート上に配置したｎ型電極及びｐ型電極とそれぞれ電気的に接続し、ｎ型電極とｐ型電極の両電極間の電位差によりにｎ型熱電変換材料薄膜とｐ型熱電変換材料薄膜の接合部の温度を計測することを特徴とする温度センサーの基本ユニット。
〔２〕ｎ型熱電変換材料薄膜とｐ型熱電変換材料薄膜の接合部を金属電極により接合してあることを特徴とする前記〔１〕に記載の温度センサーの基本ユニット。
〔３〕 前記〔１〕又は前記〔２〕に記載の温度センサーの基本ユニットを複数個高熱伝導性シート上に配置したことを特徴とする温度センサー。
〔４〕 前記高熱伝導性シートの表面に基準温度測定用基準温度センサーを設置することを特徴とする前記〔３〕に記載の温度センサー。
〔５〕 前記高熱伝導性シート上に複数個のｎ型電極及び複数個のｐ型電極を配置し、前記基本ユニットのｎ型熱電変換材料薄膜末端及びｐ型熱電変換材料薄膜末端をｎ型電極及びｐ型電極の組み合わせが異なるようにそれぞれいずれかのｎ型電極及びいずれかのｐ型電極に電気的に接続したことを特徴とする前記〔３〕又は前記〔４〕に記載の温度センサー。
〔６〕 前記高熱伝導性シート上に複数個のｎ型電極と複数個のｐ型電極が絶縁状態で交差するように配置し、その各交差するｎ型電極とｐ型電極に前記基本ユニットのｎ型熱電変換材料薄膜末端及びｐ型熱電変換材料薄膜末端を電気的に接続したことを特徴とする前記〔５〕に記載の温度センサー。

本発明の温度センサーは、曲面形状を有する対象物（パイプ状の物体、或いは人間の首や腕など）に密着し、これらの対象物表面の温度を同時に高精度で測定することが可能である。特に、曲面形状を有する対象物の温度分布を測定するのに有用である。

リボン状の電気絶縁シートにｐ型熱電変換材料薄膜とｎ型熱電変換材料薄膜を設けたリボン状熱電素子の断面図である。 図１のリボン状素子の両端を、高熱伝導性シートに固定された２つの電極を橋渡しする形で固定し、ｎ型熱電変換材料薄膜とｐ型熱電変換材料薄膜の接合部を電極を設置し、対象物との接触点とした温度センサーの基本ユニットの断面図である 図２の温度センサーの基本ユニットを１枚の高熱伝導性シートに３×３個配置した温度センサーの上面図である。 図３の温度センサーの各測定点の温度を測定するための具体的な方法を説明する図である。 図１のリボン状熱電素子の作製法の一例を示す。薄膜熱電変換素子の製膜直後の状態（上面（ａ）及び断面（ｂ））と、リボン状にカットした状態（ｃ）を示した図である。 図１のリボン状熱電素子の両端と中央部との温度差ΔＴと熱起電力との関係の測定法を示す図である。 図１のリボン状熱電素子の両端と中央部との温度差ΔＴと熱起電力との関係を示す図である。 図２の温度センサーの出力電圧と測定温度との関係を示す図である。

本発明の温度センサーは、前記〔１〕に記載の基本ユニットを複数個高熱伝導性シート上に配置したことを特徴とするが、まず、本発明の温度センサーの基本ユニットについて説明する。

本発明の温度センサーの基本ユニットは、リボン状の電気絶縁シートにｎ型熱電変換材料薄膜とｐ型熱電変換材料薄膜を電気的に接合して設けたリボン状熱電素子のｎ型熱電変換材料薄膜末端及びｐ型熱電変換材料薄膜末端を高熱伝導性シート上に配置したｎ型電極及びｐ型電極とそれぞれ電気的に接続し、ｎ型電極とｐ型電極の両電極間の電位差によりにｎ型熱電変換材料薄膜とｐ型熱電変換材料薄膜の接合部の温度を計測することを特徴とする。

以下、より具体的に図により説明する。
図１は、基本ユニットを構成するリボン状熱電素子の断面図であり、リボン状熱電素子１０は、リボン状の電気絶縁シート４にｎ型熱電変換材料薄膜１とｐ型熱電変換材料薄膜２を電気的に接合すよう接触させて設けてある。さらに、ｎ型熱電変換材料薄膜１とｐ型熱電変換材料薄膜２を接触させて接合し、その接合部を金属電極３により接合してあることがより好ましい。
そして、リボン状の電気絶縁シート４は、可撓性のあるシートであることが好ましい。

本発明の温度センサーの基本ユニットは、ｎ型熱電変換材料薄膜とｐ型熱電変換材料薄膜の接合部の温度を計測する。
そのため、ｎ型及びｐ型熱電変換材料薄膜の境界は、測定対象物との接触点となる。
前記膜接合部に金属電極３を設けることにより、電気的接合を確実にし、接触抵抗を低減することができ、熱伝導性も良いので温度計測にも好ましい。

図２は、温度センサーの基本ユニットの断面図である。高熱伝導性シート２５に固定したｎ型電極２２及びｐ型電極２３に、導電接着剤２１によりそれぞれリボン状熱電素子のｎ型熱電変換材料薄膜１末端及びｐ型熱電変換材料薄膜２末端と電気的に接続してある。
高熱伝導性シート２５とｎ型電極２２及びｐ型電極２３の間には、電気絶縁性をより確実にするために絶縁層２３を設けることが好ましいが、高熱伝導性シート２５が電気絶縁が良好なものであれば、絶縁層２３はなくても良い。

前記リボン状の電気絶縁シート４としては、可撓性のある材質であるポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、シリコーン等の樹脂や、紙といった材質のリボン状シートを用いることができる。

前記ｎ型およびｐ型熱電変換材料薄膜は、ｎ型およびｐ型熱電変換材料を用いて、通常用いられる成膜プロセスにより作製することができる。
成膜プロセスとしては、真空蒸着法やＣＶＤ法、スパッタリング法といった乾式法と、キャスト法、スピンコート法、バーコート法、スリットコート法といった塗布法、インクジェット法やスクリーン印刷法といった印刷法、さらにメッキ法、電解析出法といった製膜プロセスを用いることができる。

前記ｎ型およびｐ型熱電変換材料には、それぞれ公知の材料を用いればよい。例えばｎ型熱電変換材料には、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、ＣｏＳｂ_３，Ｍｇ_２Ｓｉ、ＦｅＳｉ_２、ＳｉＧｅ等の化合物半導体、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体、ｐ型熱電変換材料には、Ｂｉ_２Ｔｅ_３、ＰｂＴｅ、ＣｏＳｂ_３，Ｍｇ_２Ｓｉ、ＦｅＳｉ_２、ＳｉＧｅ等の化合物半導体、Ｓｉ、Ｇｅ等の半導体、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）といった導電性高分子、さらにカーボンナノチューブやグラフェンなどのカーボン系材料といった材料を用いることができる。

前記金属電極３には、Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔなどの金属薄膜を用いることができ、成膜方法には、真空蒸着法やスパッタリング法といった乾式法と、塗布法、メッキ法、電解析出法といった湿式法、さらにＡｇ、Ａｕ、Ｃｕなどの金属ナノ粒子インクを用いて、キャスト法、スピンコート法、バーコート法、スリットコート法といった塗布法や、インクジェット法、スクリーン印刷法といった印刷法を用いることができる。

前記ｎ型電極２２及びｐ型電極２３にはＡｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ｐｔなどの金属薄膜を用いることができ、成膜方法には、真空蒸着法やスパッタリング法といった乾式法と、塗布法、メッキ法、電解析出法といった湿式法、さらにＡｇ、Ａｕ、Ｃｕなどの金属ナノ粒子インクを用いて、キャスト法、スピンコート法、バーコート法、スリットコート法といった塗布法や、インクジェット法、スクリーン印刷法といった印刷法、所望の形状に加工した金属箔を接着する方法を用いることが出来る。

前記導電接着剤２１には市販の導電接着剤を使用できるが、室温で硬化するタイプが望ましい。具体例としてドータイト（藤倉化成）や、ＴＫペースト（化研テック）等が挙げられる。

前記高熱伝導性シート２５にはＣｕ、Ａｌなどの金属箔、グラファイト等のカーボン材料、市販の各種放熱シートを用いることができる。

前記絶縁層にはポリイミド、ポリエチレンテレフタレート、シリコーン等の樹脂や、紙といった材質のシート等を使用することができる。

続いて、本フレキシブル温度センサーの基本ユニットを用いた温度の測定原理について説明する。温度測定対象物に対して、ｎ型熱電変換材料薄膜１とｐ型熱電変換材料薄膜２の接合部、或いは前記の接合部に設けた電極３を接触させると、以下の式（１）の様に、接触点とｎ型電極（ｐ型電極）間の温度差ΔＴに比例した起電力Ｖがｎ型電極２２とｐ型電極ｐの間に発生する。この時の比例定数Ｓはｎ型熱電変換材料薄膜のゼーベック係数Ｓｎの絶対値とｐ型熱電材料薄膜のゼーベック係数Ｓｐの絶対値を足した値に等しい。
Ｖ＝Ｓ×ΔＴ （Ｓ＝｜Ｓｎ｜＋｜Ｓｐ｜） （１）
Ｔ＝Ｖ÷Ｓ＋Ｔ_０ （２）
従って、ＶをＳで割ればΔＴが得られる。これに基準温度Ｔ_０を加えると、接触点の温度が得られる（式（２））。Ｔ_０については、ｎ型電極とｐ型電極の温度がどちらも高熱伝導シートに固定されているため、高熱伝導シート表面の温度とほぼ等しい。高熱伝導シート表面の温度は気温で代用しても良いが、市販の熱電対やサーミスタ等の温度センサーで直接高熱伝導シート表面の温度を測定し、基準温度Ｔ_０として用いてもよい。

次に、本発明の温度センサーについて説明する。
本発明の温度センサーは、前記〔１〕又は前記〔２〕に記載の温度センサーの基本ユニットを複数個高熱伝導性シート上に配置したことを特徴とする。
前記高熱伝導性シートは、前記基本ユニットで記載した高熱伝導性シートと同種のものであり、前記で例示したものを使用することができる。前記高熱伝導性シートにすることにより、設置した複数個の温度センサーの相対値が測定可能になる。

好ましくは、本発明の温度センサーは、前記高熱伝導性シートの表面に基準温度測定用基準温度センサーを設置することを特徴とする。
基準温度センサーとしては、市販のサーミスターや熱電対、測温抵抗体、ＩＣ温度センサー等が使用できる。
基準温度センサー設置の一例としては、基準温度測定用の温度センサを高熱伝導性シート表面に接着すれば良い。そうすることにより、高熱伝導性シート２５表面の温度を基準温度とすることができる。
基準温度センサーがなくても、本発明の温度センサーは、複数の測定点の相対温度を計測することができ、また、室内温度等の温度センサーを測定した際の周囲の温度を基準温度とすることにより、複数の温度を測定することが可能である。しかし、より精度の高い複数の温度を測定するためには、前記高熱伝導性シートの表面に基準温度測定用基準温度センサーを設置することが好ましい。

さらに好ましくは、本発明の温度センサーは、前記高熱伝導性シート上に複数個のｎ型電極及び複数個のｐ型電極を配置し、前記基本ユニットのｎ型熱電変換材料薄膜末端及びｐ型熱電変換材料薄膜末端をｎ型電極及びｐ型電極の組み合わせが異なるようにそれぞれいずれかのｎ型電極及びいずれかのｐ型電極に電気的に接続したことを特徴とする。

最も好ましくは、本発明の温度センサーは、前記高熱伝導性シート上に複数個のｎ型電極と複数個のｐ型電極が絶縁状態で交差するように配置し、その各交差するｎ型電極とｐ型電極に前記基本ユニットのｎ型熱電変換材料薄膜末端及びｐ型熱電変換材料薄膜末端を電気的に接続したことを特徴とする。
このようにｎ型電極とｐ型電極を配置することにより、より装置を簡略化することができる。

以下、最も好ましい実施態様を図３により説明する。
図３は、図２の温度センサーの基本ユニットを３×３個同一高熱伝導性シート上に配置した温度センサーを示す図である。
高熱伝導性シート２５上には、それぞれ３本のｎ型電極２２（縦方向）とｐ型電極２３（横方向）が交差して設置されいる。ｎ型電極２２とｐ型電極２３の交差部は、電気的に絶縁されている。電気絶縁の方法は、通常の電気絶縁方法をによればよいが、各電極の下部に絶縁層２３を設けることで絶縁することができる。そして、各交差部近傍に前記基本ユニットを配置し（図では９個）、基本ユニットのリボン状熱電素子１０の両端（ｎ型熱電変換材料薄膜末端及びｐ型熱電変換材料薄膜末端）は、導電接着剤２１により近傍のｎ型電極２２とｐ型電極２３に電気的に接続されている。
高熱伝導性シート２５の温度センサーの基本ユニットの設置されている面の反対側の面には基準温度センサー２６が設置されている。

次にそれぞれの基本ユニットにおける温度の測定方法について説明する。図４は図３の温度センサー２０のｎ型電極ｎ１〜ｎ３とｐ型電極ｐ１〜ｐ３を電圧計３１に接続するための配線図である。基本ユニット中央部の測定点ａ〜ｉにおける温度は表１に示した電極間の電圧と、前記電圧―温度差換算定数と、基準温度を、前記式（２）に代入することにより得られる。所望の電極間の電圧を測定するために、電圧計とｎ型電極の間及び電圧計とｐ型電極の間にそれぞれスイッチ３２、３３を挿入する。

〔実施例１〕
この発明の実施の形態を図３、５の実施例を参照して説明する。図５（ａ）は電気絶縁シート４（１０ｍｍ×１８ｍｍ）の表面に、ｎ型熱電変換材料の薄膜１と、ｐ型熱電変換材料の薄膜２をともに５ｍｍ幅のストライプ状に製膜したものである。電気絶縁シート４はポリイミドフィルム（厚さ５０μｍ）を用いた。熱電変換材料としては、ｎ型にビスマスアンチモン（ＢｉＳｂ）を真空蒸着により、ｐ型に導電性ポリマーであるＰＥＤＯＴ：ＰＳＳをスリットコート法により製膜した。熱電変換材料の薄膜の製膜方法としては、他にインクジェットやスクリーン印刷などの湿式プロセス、スパッタリング、ＣＶＤなどのドライプロセスを採用することができる。熱電変換材料薄膜１と２の境界には、電気的接合を確実にし、接触抵抗を低減するため金属電極３を形成した。金属電極は銀ペースト（藤倉化成ドータイトＤ−５５０）をスリットコートで製膜した。
これを３ｍｍ幅のリボン状にカットすると、図５（ｃ）に示したリボン状熱電素子が得られる。

図３は高熱伝導性シート２５（５０×５０ｍｍ）上にｎ型電極２２（縦方向）とｐ型電極（横方向）を格子状に設置し、リボン状熱電素子１０の両端をそれぞれの電極に固定したものである。高熱伝導性シートには銅箔（厚さ４０μｍ）を用いた。ｎ型電極及びｐ型電極には銅―ポリイミド積層シート（新日鉄化学ＥＳＰＡＮＥＸＭＣ１２−２５−００ＣＥＭ、ポリイミド：２５μｍ、Ｃｕ：１２μｍ）を用いた。また、ｎ型及びｐ型電極へのリボン状熱電素子の電気的接続及び固定には銀ペースト（藤倉化成ドータイトＤ−５５０）を用いた。

図７は図１のリボン状熱電素子の熱電変換特性を評価した結果である。測定法を図６に示した。ｎ型電極２２と金属電極３にそれぞれ熱電対２８、２９を接着し、高熱伝導シート２４の裏面をホットプレートに接触させて加熱した。こうすることでリボン状熱電素子は熱電対２７（高温側）と２８（低温側）の温度差ΔＴに比例した熱起電力を発生する。比例定数は図７の近似直線の傾きより０．０８７８［ｍＶ／℃］となった。

図８は、実際に図３の温度センサーで測定した温度を示したものである。基準温度２３℃に、出力電圧を先の比例定数０．０８７８で割った値を加えて温度に換算した。

本発明を用いれば、物体内部の温度分布を測定することが可能である。従って、例えば電子機器類における発熱箇所に本温度センサーを接触させておけば、筐体内であっても温度分布を常時モニターすることが可能である。同様に、人体に貼り付けておけば、服を着たままで体温分布を常時モニターすることが可能である。また、タッチパネルの様な平面状のデバイスにすれば、指が触れた位置を検出することも可能である。また、手のひらの温度分布を測定し、健康診断を行うといった応用も想定される。さらに、将来、人型ロボットの皮膚に本温度センサを組み込めば、人間の様に全身の温度を感じることが出来る人型ロボットの実現も夢ではない。

１ ｎ型熱電変換材料薄膜
２ ｐ型熱電変換材料薄膜
３ 金属電極
４ 電気絶縁シート
１０ リボン状熱電素子
２０ 高熱伝導性シート２５上に温度センサーの基本ユニットを３×３個配置した温度センサー
２１ 導電性接着剤
２２ ｎ型電極
２３ ｐ型電極
２４ 絶縁層
２５ 高熱伝導性シート
２６ 基準温度センサー
２８ 熱電対（高温部温度測定用）
２９ 熱電対（低温部温度測定用）
３１ 電圧計
３２ ｎ型電極切り替えスイッチ
３３ ｐ型電極切り替えスイッチ

Claims (6)

1. 複数の測定点の温度を計測する温度センサーの基本ユニットであって、リボン状の電気絶縁シートにｎ型熱電変換材料薄膜とｐ型熱電変換材料薄膜を電気的に接合して設けたリボン状熱電素子のｎ型熱電変換材料薄膜末端及びｐ型熱電変換材料薄膜末端を高熱伝導性シート上に配置したｎ型電極及びｐ型電極とそれぞれ電気的に接続し、ｎ型電極とｐ型電極の両電極間の電位差によりにｎ型熱電変換材料薄膜とｐ型熱電変換材料薄膜の接合部の温度を計測することを特徴とする温度センサーの基本ユニット。
2. ｎ型熱電変換材料薄膜とｐ型熱電変換材料薄膜の接合部を金属電極により接合してあることを特徴とする請求項１に記載の温度センサーの基本ユニット。
3. 請求項１又は請求項２に記載の温度センサーの基本ユニットを複数個高熱伝導性シート上に配置したことを特徴とする温度センサー。
4. 前記高熱伝導性シートの表面に基準温度測定用基準温度センサーを設置することを特徴とする請求項３に記載の温度センサー。
5. 前記高熱伝導性シート上に複数個のｎ型電極及び複数個のｐ型電極を配置し、前記基本ユニットのｎ型熱電変換材料薄膜末端及びｐ型熱電変換材料薄膜末端をｎ型電極及びｐ型電極の組み合わせが異なるようにそれぞれいずれかのｎ型電極及びいずれかのｐ型電極に電気的に接続したことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の温度センサー。
6. 前記高熱伝導性シート上に複数個のｎ型電極と複数個のｐ型電極が絶縁状態で交差するように配置し、その各交差するｎ型電極とｐ型電極に前記基本ユニットのｎ型熱電変換材料薄膜末端及びｐ型熱電変換材料薄膜末端を電気的に接続したことを特徴とする請求項５に記載の温度センサー。

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