高速応答・高感度pn接合温度センサ搭載マイクロヒータとその応用に関する研究

2003 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 14550328
• 研究機関: 東北学院大学
• 研究代表者: 木村 光照 東北学院大学, 工学部, 教授 (10048811)
• 研究分担者: 菅原 文彦 東北学院大学, 工学部, 助教授 (70171139)
• キーワード: 温度センサ / シリコン / pn接合ダイオード / 熱型センサ / マイクロヒータ / フローセンサ / 真空センサ / 湿度センサ

研究概要

Siのマイクロマシン技術により宙に浮いたSi薄膜に、Si拡散抵抗による面発熱マイクロヒータ1個とpnダイオード温度センサ2個とを搭載する高感度の気体センシングデバイスを発明し(特許出願)、次のような実験と結果を得た。
1.気体センシングデバイス(新型センサ)の試作と評価
1.1 1個のマイクロヒータと2個のpn接合温度センサ(ThAとThB)との組み合わせデバイスを試作し、基本的特性評価で高感度性を実証した。
1.2 ThAとThBの温度差ΔTを利用し、周囲ガスの熱伝導変化Δλが周囲温度、ヒータの温度(ThAで検出)および周囲気体の物理的変化に基づく温度変化(ThBで検出)から求められることを理論的にも示した。
2.絶対湿度センサへの新型センサの適用
2.1 絶対湿度に対する新型センサの応答特性の理論検討を行った。
3.ピラニー真空計への新型センサの適用
3.1 試作した新型センサをピラニー真空計へ応用するために評価回路を試作した。
3.2 真空度変化による新型センサの応答特性の評価を行い、実証した。
3.2 真空度に対する新型センサの応答特性の理論と実験との比較を行い、まだ、ヒータを一定温度にする制御回路系が十分機能していないことも判明した。今後の課題である。
4.ガスフローセンサへの新型センサの適用
4.1 試作した新型センサをガスフローに応用するための評価回路と簡易風洞を試作した。
4.2 O-20m/secの空気流を市販の風速計で校正し、新型センサの応答特性の評価を行った。高流速では、ヒータ温度一定の制御回路系が追いつかず、冷えて行くことが判明し、これの改善により、ダイナミックレンジが極めて大きくなることが予想された。
4.3 低流速部分での特性は良好で、この領域では、ほぼキングの法則の理論で表現できる。
なお、この成果は、9^<th> THERMINIC(フランス)、MST2003(ドイツ)IEEE Sensors(カナダ)の国際会議で報告し、さらに多くの国内の各種学会講演で報告した。

研究成果

• [文献書誌] 木村光照: "マイクロカロリーメーターの開発"電気学会論文誌E. Vol.123 No.6. 173-177 (2003)
• [文献書誌] 藤巻祐孝, 岩渕修, 駆動光昭, 奈須野裕, 高橋廣光, 木村光照: "高感度マイクロ温度・湿度センサの特性について"電気学会フィジカルセンサ研究会資料. PHS-0 3-2. 7-10 (2003)
• [文献書誌] 富澤博人, 亘理茜, 木村光照, 杉浦弘人: "コードレス光電池を用いた水中イオン回収と水の浄化の検討"電気学会フィジカルセンサ研究会資料. PHS-0 3-10. 45-48 (2003)
• [文献書誌] Mitsuteru Kimura, Kazuya Kikuchi: "New Operation of Diode Temperature sensor and its Application to Gas Sensing Combined with a Micro-Air-Bridge Heater"Proc.of 9^<th> THERMINIC Workshop. 325-329 (2003)
• [文献書誌] Mitsuteru Kimura, Shigemi Fujiwara, Kazuya Kikuchi: "New type pn junction temperature-sensor with adjustable sensitivity and its application to mems absolute-humidity sensors"Proc.of MICRO SYSTEM Technologies 2003. 514-517 (2003)
• [文献書誌] Mitsuteru Kimura, Kazuya Kikuchi: "Thermistor-Like Pn Diode Temperature-Sensor and a New Thermal Conductivity Type Gas Sensor Using These Temperature-Sensors Combined with a Microheater"Summary of IEEE Sensors 03. 639-640 (2003)
• [文献書誌] Mitsuteru Kimura, Katsuhisa Toshima: "Thermistor-like pn junction temperature-Sensor with variable sensitivity and its combination with a micro-air-bridge heater"Sensors and Actuators. A108. 239-243 (2003)