熱型素子及び熱型素子の製造方法
【課題】熱作用を伴う機能部材を集積した熱型素子において、急激な温度変化に伴って生じる熱膨張による伸縮で発熱部や感熱部等の機能部材が破壊される課題を解決し、機能部材の迅速な熱応答性を確保しつつ変形を防止する熱型素子及び熱型素子の製造方法を提供する。
【解決手段】基板２０に設けた空洞３０上に薄層を架橋する構造の熱型素子は、温度によって寸法が変化する機能部材と、機能部材の寸法の変化を吸収するように、温度によって寸法が変化する寸法増減部材６０と、を備えている。この機能部材と寸法増減部材６０とは、基板２０に設けられた空洞３０上に連結架橋されている。
【解決手段】基板２０に設けた空洞３０上に薄層を架橋する構造の熱型素子は、温度によって寸法が変化する機能部材と、機能部材の寸法の変化を吸収するように、温度によって寸法が変化する寸法増減部材６０と、を備えている。この機能部材と寸法増減部材６０とは、基板２０に設けられた空洞３０上に連結架橋されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱又は感熱部材等を有する熱型素子及び熱型素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発熱部となる抵抗体へ電力を供給してジュール発熱させる発熱素子（マイクロヒータともいう）の技術が開示されている（例えば、特許文献１）。例えば、特許文献１記載の雰囲気計は、Ｓｉ基板の空洞上に架橋した微小な薄層をなす発熱部を、機能部材として集積している。上述したように、発熱素子の発熱部がＳｉ基板と直接接していないことにより、発熱部からＳｉ基板への熱の損失が小さくなり、しかも、上記のような熱型素子は、半導体微細加工技術を用いて微小な寸法に形成される。そのため、少ない電力で熱型素子を所定温度にすることができる。いわゆる、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）であって、従って発熱部の熱容量が小さく、電力を印加して数ミリ秒で所定温度に到達させることができる。
【０００３】
上記したような発熱部は迅速に低温状態から高温状態、あるいは高温状態から低温状態にさせることができる。そのため、発熱部の構成材料の熱膨張率が大きい場合は、高速に伸縮して変形し、空洞上の発熱部を支持する箇所への応力集中により発熱部が破壊されてしまうことがあった。
【０００４】
また、発熱素子と同様に、Ｓｉ基板の空洞上に架橋した微小な薄層をなす温度検出部を、機能部材として集積した感熱素子がある。感熱素子の場合も、迅速な熱応答を利用しているため、上述したような伸縮が生じて変形してしまうことがあった。
【０００５】
ここで、熱膨張による変位に関して、一般に、自由に変形できる長さｌの物体の熱膨張は下記式（１）で表される。
【０００６】
Ｌｈ＝Ｌｌ（１＋α（Ｔｈ−Ｔｌ）） ・・・ 式（１）
【０００７】
ここで、Ｌｈ：高温時の長さ、Ｌｌ：低温時の長さ、Ｔｈ：高温時の温度、Ｔｌ：低温時の温度、α：膨張係数とする。また、上記式（１）を熱膨張による変位量Ｌｈ−Ｌｌ＝Δｌとして表すと下記式（２）となる。
【０００８】
Δｌ=α・Ｌｌ（Ｔｈ−Ｔｌ） ・・・ 式（２）
【０００９】
上記式（２）からも明らかなように、物性値のαがゼロの時以外は、温度差に応じた変位が生じるものである。
【００１０】
上述したように、発熱素子の場合、図１９に示すように発熱部が基板から分離している構造では、熱膨張により発熱部が凸状に変形し、発熱体を支持する部分への応力集中により発熱部が破壊してしまうという問題があった。
【００１１】
ここで、図１９は、本発明に関連する熱型素子の概略構成例を示している。図１９に示された熱型素子は、Ｐｔ、Ａｕ、ＮｉＣｒ等の正の熱膨張係数を有する材料により抵抗体１０を形成し、その抵抗体１０を基板２０に設けた空洞３０の上に架橋して、機能部材として用いている。その抵抗体１０の両端は、それぞれ基板上の電極部４０と接続される。このような抵抗体１０において、基板上の部分は基板２０に拘束されているため伸縮はできないが、空洞上の部分は基板２０に拘束されないので伸縮が可能となる。したがって、温度状態により寸法が変化する抵抗体では、図１９の（ｃ）に示すように低温状態では抵抗体が平坦でも、高温状態では図１９の（ｂ）に示すように熱膨張により抵抗体１０が中央方向へ伸長して大きなたわみが生じてしまっていた。
【００１２】
上記問題を解決するために、発熱抵抗及び感熱抵抗を支持膜と保護膜で挟み込むダイヤフラム構造を有する熱式センサにおいて、支持膜や保護膜の引張応力を基材に対して５０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下にすることにより、発熱部の変形を抑制する技術が開示されている（例えば、特許文献２）。
【００１３】
さらに、上記問題を解決するための他の技術として、Ｓｉ基板上に形成され、周辺部がＳｉＯ2であるフローティングメンブレンにおいて、メンブレン内部の応力を相殺するために、ＳｉＯ2膜からなるメンブレン中央部分をＳｉ2Ｎ4に置き換える技術も開示されている（例えば、特許文献３）。
【００１４】
また、応力を補償する技術として、応力補償用被膜の技術が開示されている（例えば、特許文献４）。具体的には、上記特許文献３記載の技術では、高温状態で基板上に被膜を形成する被膜プロセスによって形成された反り構造体の反りを補償するために、負の熱膨張係数を有する被膜を、使用温度より高い温度で、反り構造体の凹面上、すなわち上記被膜プロセスで形成された被膜上にさらに形成する。これにより、基板は比較的平坦な構造を有することができる。
【００１５】
さらに、上記問題に関連する技術として、試料温度を変化させながらＸ線回折測定を実行する装置に組み込まれる試料保持装置の技術が開示されている（例えば、特許文献５）。具体的には、上記特許文献５記載の技術では、正の熱膨張係数を有する試料配置部の温度変化による上下方向の変位を、熱膨張係数の異なる第１支持部材と第２支持部材の変位で抑制している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、上記特許文献２及び特許文献３記載の技術では、応力は、作製時の温度、圧力、厚み等に依存しているため、調整が複雑であり、バラツキも大きくなってしまうという課題があった。そのため、上記特許文献２及び特許文献３記載の技術では、確実に応力バランスを一定にすることは困難であった。
【００１７】
特許文献４記載の技術では、基板面上に堆積する被膜は、反り状態の大きい端部ほど被膜の界面に働く応力が大きくなるので、膜はがれが発生してしまうという課題があった。通常は、応力の差を小さくして膜はがれを防止している。
【００１８】
特許文献５記載の技術は、上述したように正の熱膨張係数を有する試料配置部の温度変化による上下方向の変位を、熱膨張係数の異なる第１支持部材と第２支持部材の変位で抑制する技術である。つまり、特許文献５記載の技術は面方向の変位を抑制するものではなく、また、上記熱型素子とは異なり、試料配置部も基板に設けた空洞上に配置する構成のものでもない。さらに、試料配置部の変位の抑制に関して、時間要素は考慮されてないという課題があった。
【００１９】
本発明はこのような実情を鑑みてなされたものであり、熱作用を伴う機能部材を集積した熱型素子において、急激な温度変化に伴って生じる熱膨張による伸縮で発熱部や感熱部等の機能部材が破壊される課題を解決し、機能部材の迅速な熱応答性を確保しつつ変形を防止する熱型素子及び熱型素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の熱型素子は、基板に設けた空洞上に薄層を架橋する構造の熱型素子であって、温度によって寸法が変化する機能部材と、機能部材の寸法の変化を吸収するように、温度によって寸法が変化する寸法増減部材と、を備え、機能部材と寸法増減部材とは、基板に設けられた空洞上に連結架橋されることを特徴とする。
【００２１】
本発明の熱型素子の製造方法は、基板上に、温度によって寸法が変化する機能部材を形成する機能部材形成ステップと、基板上に、機能部材の寸法の変化を吸収するように温度によって寸法が変化する寸法増減部材を、機能部材と連結して形成する寸法増減部材形成ステップと、機能部材と寸法増減部材とが空洞上に連結架橋されるように、基板に空洞を形成する空洞形成ステップと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、熱型素子の迅速な熱応答性を確保しつつ、機能部材の変形を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態１）
【図２】本実施形態に係る熱型素子の温度分布の例を示す図である。
【図３】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態２）
【図４】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態３）
【図５】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態４）
【図６】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態５）
【図７】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態６）
【図８】本実施形態に係る発熱素子に電力を印加した際の様子を示す模式図である。
【図９】本実施形態に係る熱型素子の寸法増減部材の構成例を示す図である。
【図１０】本実施形態に係る熱型素子の機能部材の構成例を示す図である。
【図１１】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態７）
【図１２】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態８）
【図１３】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態９）
【図１４】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態１０）
【図１５】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態１０）
【図１６】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態１１）
【図１７】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態１２）
【図１８】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態１２）
【図１９】本発明に関連する熱型素子の概略構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に本発明の実施形態の例について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２５】
（実施形態１）
図１の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図１の（ｂ）及び（ｃ）は、図１の（ａ）のＩａ−Ｉｂにおける断面図、図１の（ｄ）は、機能部材の抵抗体と寸法増減部材との連結部の例を示している。図１の（ｂ）は熱型素子が高温状態である例、図１の（ｃ）は熱型素子が低温状態である例を示している。また、図中で示した矢印は、熱膨張による伸縮を表したものである。
【００２６】
本実施形態に係る熱型素子は、基板２０に設けた空洞３０の上に架橋した機能部材となる抵抗体１０を、寸法増減部材６０で連結支持している。
【００２７】
はじめに、本実施形態に係る熱型素子の作製方法を説明する。
【００２８】
まず、電極間の絶縁性を保つため、基板２０の表面にＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｓｉ3Ｎ4等の絶縁膜をスパッタ法などにより、例えば０．５μｍ成膜する。本実施形態では、基板としてＳｉ基板を適用した例を示すが、これに限定されるものではない。その後、絶縁膜上に抵抗体１０となる電気導電性の高いＰｔ、Ａｕ、ＮｉＣｒ、Ｗ等の正の熱膨張係数を有する抵抗膜をスパッタ法などにより、例えば０．３μｍ成膜する。
【００２９】
次に、抵抗膜を抵抗体の形状に加工するため、フォトレジストで幅４μｍ、長手方向１７０μｍ、短手方向２μｍの折り返しパターンを形成し、それをマスクとして抵抗膜をエッチングする。その後、レジスト除去して所定形状の抵抗体を作製する。この際、最終的な空洞上の抵抗体の長さが１５４μｍとなるように配置する。
【００３０】
寸法増減部材６０を形成するため、抵抗体１０の短手方向と重複する位置にフォトレジストで１０μｍ×２００μｍの開口パターンを形成し、表面に負の熱膨張係数を有する材料、例えばＺｒＷ2Ｏ8（タングステン酸ジルコニウム）、ＨｆＷ2Ｏ8（タングステン酸ハフニウム）、Ｌｉ2Ｏ−Ａｌ2Ｏ3−ｎＳｉＯ2（ケイ酸リチウムアルミニウム）、Ｍｎ3ＣｕＮ−Ｍｎ3ＧｅＮ（マンガン窒化物）等をスパッタ法などにより、例えば０．３μｍ成膜し、レジスト除去により寸法増減部材６０を作製する。寸法増減部材６０の架橋長さＬは、使用する材料や温度に応じて決定する。
【００３１】
尚、絶縁性でない材料を使用し、抵抗体１０と寸法増減部材６０との絶縁性を保つ必要がある場合には、寸法増減部材６０の形成前にＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｓｉ3Ｎ4等の絶縁膜を形成しておく。
【００３２】
ここで、抵抗体１０に使用する材料をＰｔ（αは約９μ／℃）、寸法増減部材６０に使用する材料をＺｒＷ2Ｏ8（αは約−９μ／℃）とする場合を例に挙げて、寸法増減部材６０の架橋長さＬを算出する。熱型素子を０℃から５００℃で使用する場合、０℃と５００℃の温度差で伸長するＰｔの大きさをΔｌとして、上記式（２）にＬｌ＝１５４μｍを代入してΔｌを計算すると、約０．７μｍとなる。このΔｌと同じ収縮を生じさせるために必要なＺｒＷ2Ｏ8の架橋長さを上記式（２）から計算すると１５４μｍが求まる。このように、寸法増減部材６０に抵抗体１０のαよりも大きいものを選定するとＬは小さく、逆に小さいものを選定するとＬを大きくできる。
【００３３】
次に、電極間の絶縁性を保つため、基板表面にＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｓｉ3Ｎ4等の絶縁膜をスパッタ法などにより、例えば０．５μｍ成膜する。そして、抵抗体下のＳｉ基板をエッチングして空洞３０を形成するための３０４μｍ×３０４μｍの窓及び電極部上の絶縁膜を除去するための開口パターンをフォトレジストで形成し、開口部から絶縁膜をエッチングする。その後レジストを除去する。
【００３４】
続いて、空洞３０を形成するために、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等を用いてＳｉ基板を異方性エッチングして、空洞上の長さが１５４μｍの抵抗体１０と空洞上の長さが１５４μｍの寸法増減部材６０で、両者が連結している部分が４μｍの大きさの熱型素子を完成する。ここでの空洞３０は、機能部材が配置された側の基板面から形成したものであるが、機能部材と基板とを空間により断熱するため、かつ機能部材の熱容量を小さくするために設けるものであればよいため、空洞は機能部材が配置されていない基板面から形成するものや溝、または貫通孔のような形状であってもよい。さらに、抵抗体１０と寸法増減部材６０との連結部分は、上記長さに限定されるものではなく、適宜変更することができる。
【００３５】
上述したように作製した熱型素子の機能部材の抵抗体を５００℃に発熱させることによって、例えば、周囲雰囲気の気体へ伝熱させるために要した電力と、既知の周囲雰囲気の熱伝導率との関係から、周囲雰囲気の熱伝導率として高速に検出することができる。さらに、検出した熱伝導率と既知の周囲雰囲気の状態との関係により、周囲雰囲気の気体の状態を高速に検出することができる。
【００３６】
また、上記熱型素子は、気体の熱伝導率と周囲雰囲気の濃度との関係を利用し、例えば、周囲雰囲気の熱伝導率と空気中の水蒸気濃度との関係から湿度センサとして適用することができる。さらに、周囲雰囲気の熱伝導率と水蒸気と水素との濃度の関係により、燃料電池の水素濃度センサとしても適用することができる。
【００３７】
また、発熱部材に触媒や金属酸化物半導体などのガス感応材料を被覆し、発熱部材によってガス感応材料を活性化させることで、ガスセンサに適用することもできる。さらに、周囲雰囲気の気体に伝熱させるために要した電力と既知の周囲雰囲気の圧力との関係により圧力センサとして適用することもできる。また、既知の周囲雰囲気の流速との関係によりフローセンサとして適用することもできる。
【００３８】
一方、この機能部材の抵抗体１０が雰囲気の温度に応じた抵抗値となることによって、既知の温度と測定した抵抗値との関係から、周囲雰囲気の気体の温度を高速に検出し、さらにその温度と既知の周囲雰囲気の状態の関係により、周囲雰囲気の気体の状態を高速に検出することができる。例えば、周囲雰囲気の発熱部から伝熱する温度と、その温度と既知の流速との関係から、フローセンサとして適用することができる。また、密閉雰囲気の発熱部から伝熱する温度と、その温度と既知の加速度との関係から、加速度センサとして適用することができる。さらに、周囲雰囲気からの光吸収に伴う温度変化と、その温度と既知の赤外線との関係から、赤外線センサとして適用することができる。尚、本実施形態に係る熱型素子が上記複数のセンサとして適用できることを説明したが、上記したセンサは例であり、これに限定されるものではない。
【００３９】
次に、本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【００４０】
図１に示すように、本実施形態に係る熱型素子の抵抗体１０は、一端が基板２０上の電極部４０に接続されており、電極部４０との接続部から空洞３０上に延びて折り返し部で折り返えすように形成されている。抵抗体１０は、負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０と上記折り返し部分で連結している。ここで、空洞３０上の抵抗体１０や寸法増減部材６０は基板２０に拘束されることなく伸縮できるため、温度状態に応じて、それぞれ伸縮する。そのため、正の熱膨張係数を有する抵抗体１０は、図１の（ｂ）に示すように、高温状態で抵抗体１０の抵抗パターン先端側へΔｌ伸長し、負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０は基板側にΔｌ変位する。したがって、抵抗体１０の伸長を寸法増減部材６０により吸収し、熱型素子が高温状態であっても、図１の（ｃ）に示す低温状態と同様にたわみのない形状を保持している。
【００４１】
次に、抵抗体１０と寸法増減部材６０との連結について説明する。
【００４２】
図１の（ｄ）は、抵抗体１０と寸法増減部材６０との連結部を示している。尚、抵抗体１０の抵抗パターン上に積層した寸法増減部材６０は図示していない。抵抗体１０の各部をパターン長手方向のＲ１、Ｒ２、短手方向のＲ３とし、低温から高温時の各部の伸長を、それぞれΔｌ１、Δｌ２、Δｌ３とする。ここではパターン短手方向は長手方向と比べて十分小さいので、Δｌ３は無視できる。Δｌ１とΔｌ２は大きさと方向が同じで並行であるため、抵抗体全体の伸長はΔｌ１と同じ大きさと向きの変位ベクトルｄ１０で表せる。同様に、寸法増減部材６０の長手方向の収縮は、Δｌ４の変位ベクトルｄ１１で表せる。ベクトルｄ１０及びベクトルｄ１１を一致させることで、熱膨張による抵抗体１０の伸縮を吸収する。
【００４３】
図１に示す熱型素子のように、抵抗体１０の伸縮方向と対向するように寸法増減部材６０を連結して、抵抗体１０の変位ベクトルと寸法増減部材６０の変位ベクトルを一致させた場合、最小限の寸法増減部材６０で抵抗体１０の伸縮を吸収できる配置となる。
【００４４】
次に、抵抗体１０と寸法増減部材６０との熱伝導度について説明する。
【００４５】
図２は、抵抗体１０の熱伝導度よりも寸法増減部材６０の熱伝導度が小さい場合における、温度上昇時の図１の（ａ）のＩａ−Ｉｂ方向の温度分布の様子を示したものである。抵抗体１０の伸縮を吸収する寸法増減部材６０の架橋長さを決定する条件の１つは温度であり、使用する材料によって使用温度範囲での抵抗体１０の変位量と一致させるように所定の架橋長さが決まる。この架橋長さは、抵抗体と寸法増減部材が一様で全く同じ温度変化する条件のものである。寸法増減部材に用いる材料の熱膨張係数の絶対値は、抵抗体となる材料のものと比べて小さい場合が多いが、熱伝導度についても導電性の抵抗体の材料より、寸法増減部材の材料の方が小さい場合が多い。この材料の熱伝導度の違いにより、温度状態が変化する時、空洞上に架橋した抵抗体と寸法増減部材とで温度差が生じる。
【００４６】
図２に示す例では、抵抗体の熱伝導度は、寸法増減部材の熱伝導度より大きいため、基板への伝熱は抵抗体側の方が大きく、抵抗体側の温度がより高くなる。この状態では抵抗体の伸長の方が大きく、抵抗体の伸長と寸法増減部材の収縮がアンバランスになる。そのため、このような場合においても抵抗体の伸長を吸収するためは、寸法増減部材側の変位が大きくなるように、寸法増減部材の架橋長さを熱伝導度に応じて所定値よりも長くするとよい。
【００４７】
本実施形態により、機能部材の伸縮量を吸収する手段を設けることで、温度変化に対しても変形し難く、安定した特性を得ることが可能となる。また、機能部材の熱応答速度と同期させて、確実な伸縮量の吸収を行うことにより、熱容量の付加を最小限にして、迅速な熱応答を行うことが可能となる。
【００４８】
（実施形態２）
図３は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。上記実施形態１の熱型素子の構成と異なる点は、抵抗体１０と寸法増減部材６０との連結部である。本実施形態では、正の熱膨張係数を有する抵抗体１０と負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０を積層して異なる平面間で連結支持する例を説明する。図３の（ａ）は、抵抗体１０の下面と寸法増減部材６０の上面を連結したものである。他方、図３の（ｂ）は、抵抗体１０の上面と寸法増減部材６０の下面を連結したものである。図中に示した矢印は、熱膨張による伸縮を表している。
【００４９】
抵抗体１０と寸法増減部材６０を積層して連結したどちらも場合も、高温状態において抵抗体１０は基板側から張出した抵抗体１０の先端側に伸長し、寸法増減部材６０は基板側へ収縮するので、抵抗体１０の伸縮を寸法増減部材６０により吸収することができる。また、このように抵抗体１０と寸法増減部材６０の接合面積を増やすことによって、連結部の強度を得ることができる。
【００５０】
本実施形態により、機能部材と機能部材の伸縮量を吸収する手段との連結部の強度を向上させることが可能となり、より安定した特性を得ることが可能となる。
【００５１】
（実施形態３）
図４は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。本実施形態が上記実施形態１と異なる点は、接続部材７０を介して、基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材である正の熱膨張係数を有する抵抗体と、負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０と、を連結する点である。図中に示した矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図４の（ａ）は、抵抗体１０と寸法増減部材６０との厚さ方向の間に接続部材７０を配置する例を示している。他方、図４の（ｂ）は、抵抗体１０と寸法増減部材６０との平面方向の間に接続部材７０を配置する例を示している。
【００５２】
本実施形態は、正の熱膨張係数を有する抵抗体１０と負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０の間を絶縁する必要がある場合や連結部の接合力を上げる場合に好適である。正の熱膨張係数を有する導電性の抵抗体１０と負の熱膨張係数を有し熱伝導度が大きい導電性の寸法増減部材６０で構成する熱型素子では、熱伝導度が小さい絶縁性の寸法増減部材６０で構成する場合よりも、寸法増減部材６０から基板２０への伝熱を大きくできるため、抵抗体側と寸法増減部材側との温度差を小さくできる。そのため、温度分布で生じる抵抗体側と寸法増減部材側と伸縮のアンバランスを一致させるような考慮が必要ない。
【００５３】
抵抗体１０に連結する接続部材７０の伸縮は、抵抗体１０の伸縮とあわせて、温度によって寸法が変化するひとつの部材として扱うことにより、接続部材７０の伸縮を寸法増減部材６０により吸収するので、接続部材７０には正、負またはゼロの何れの熱膨張係数を有するものでも用いることができる。そのため、抵抗体１０と寸法増減部材６０とを強く接合するような材料を選択することができる。
【００５４】
本実施形態により、このように熱伝導度の値が近く、温度分布が小さくなるような材料を適用した接続部材を介して、機能部材と寸法増減部材とを連結支持することにより、安定した熱型素子を得ることが可能となる。また、寸法増減部材と機能部材とを連結させるにあたり、寸法増減部材の材質の接合力が小さい場合、製造工程や伸縮によって、特に寸法増減部材や機能部材の微細化が増す場合は連結部が断絶しやすくなる問題があった。しかし、接続部材として、寸法増減部材と抵抗体とに接合力を有する材料を選択することや、接合面積を増やすことによって、構造強度を得ることが可能となる。
【００５５】
さらに、機能部材と寸法増減部材とを接部材を介して連結することにより、さらに多種の材料の組み合わせが可能となり、多種多様な熱型素子を実現することが可能である。そして、接続部材を介して連結するので、機能部材と寸法増減部材とを強固に支持することが可能となり、温度変化に対しても変形し難く、安定した特性を得ることが可能となる。
【００５６】
（実施形態４）
図５は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。本実施形態が、上記実施形態１と異なる点は、抵抗体及び電極部４０を複数備えている点である。図５の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図である。図５の（ｂ）は、図５の（ａ）のＶａ−Ｖｂの断面図である。図５の（ｃ）は、抵抗体と寸法増減部材６０との連結部の例を示している。尚、図５の（ｃ）では、抵抗体の抵抗パターン上に積層した寸法増減部材６０は図示していない。また、図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。
【００５７】
図５に示すように、本実施形態に係る熱型素子は、絶縁基板２１に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１１が、抵抗体の伸縮方向に対向する位置で寸法増減部材６０と連結配置され、その寸法増減部材６０が他の抵抗体１２、１３とも連結して支持する構成である。
【００５８】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【００５９】
本実施形態では、絶縁基板２１に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１１〜１３は、空洞上の部分で伸縮が可能となるため、高温状態では折り返し部のある先端側へ伸長する。また、抵抗体１１〜１３を連結する負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０は、パターン長手方向に収縮する。ここで、抵抗パターン短手方向の伸長は長手方向と比べて十分小さいため、無視できる。
【００６０】
低温状態から高温状態にした時の抵抗体１１〜１３の伸長をそれぞれ変位ベクトルｄ１０、ｄ２０、ｄ３０とする。他方、寸法増減部材６０の抵抗体１１に対向した収縮をｄ１１、抵抗体１２に対向した収縮をｄ２１、抵抗体１３に対向した収縮をｄ３１として、対向する抵抗体と寸法増減部材のベクトルを一致させて、抵抗体の伸縮を吸収する。空洞上の抵抗体間を連結する寸法増減部材６０は、一端を絶縁基板２１に支持する場合に比べて温度分布が小さくなるため、全体の伸縮を増すことができる。
【００６１】
本実施形態により、機能部材を連結支持する部分に、機能部材とは極性の異なる熱膨張係数を有する寸法増減部材を用い、機能部材の熱膨張を吸収することにより、安定した熱型素子を実現することが可能となる。また、機能部材の伸縮方向と対向して寸法増減部材を連結配置して、熱容量の付加を最小限にすることにより、迅速な熱応答を行うことが可能となる。
【００６２】
（実施形態５）
図６は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。図６に示すように、本実施形態が上記実施形態４と異なる点は、空洞３０の上に赤外線吸収部を備えている点である。図６の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図である。図６の（ｂ）は、図６の（ａ）のＶＩａ−ＶＩｂの断面図である。赤外線吸収部は、赤外線を吸収して温度が変化するため、その温度変化を熱電対により検出することができる。
【００６３】
空洞上に架橋した熱電対９１はアルメルの薄膜からなる熱電対パターン９１１とクロメルの薄膜からなる熱電対パターン９１２を有しており、熱電対パターン９１１と熱電対パターン９１２が接合された個所における熱起電力を、熱電対に接続する基板上に設置した電極部間の電圧として検出する。熱電対パターン９１１と熱電対パターン９１２が接合された個所と、赤外線吸収部８０とは寸法増減部材６０を介して連結されており、この赤外線吸収部８０における温度は寸法増減部材６０を仲介して伝熱させる。
【００６４】
尚、赤外線吸収部８０は白金黒等の薄膜を表面に積層させることにより、対峙する物体から放射される熱を吸収する。また、発熱素子として、抵抗体のジュール発熱機構に代わり、ペルチェ素子を構成することも可能である。
【００６５】
すなわち、図６において、赤外線吸収部８０をＡｌ電極、熱電対パターン９１１をＮ型半導体パターン、熱電対パターン９１２をＰ型半導体パターンに置き換える。基板の空洞上に架橋した、ポリシリコンに不純物を拡散した薄膜であって、空洞上で少なくとも一対のＮ型半導体とＰ型半導体パターンをＡｌ電極によって接合し、Ｐ型半導体パターンの端部の電極からＮ型半導体パターンの端部の電極へ電流を印加することによって、Ａｌ電極部が加熱される。他方、逆方向の電流を印加すれば、Ａｌ電極部が冷却され、このように電流の向きや電流値の調節によって任意の温度に制御することができる。これにより、空洞上のＡｌ電極部を周囲雰囲気の気体を凝集するまで冷却することによって凝集温度を検出し、雰囲気の露点温度を検出する露点温度センサとして用いることができる。
【００６６】
本実施形態により、さらに多種のセンサとして熱型素子を適用することが可能となる。
【００６７】
（実施形態６）
図７は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。図７の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図であり、図７の（ｂ）は、図７の（ａ）のＶＩＩａ−ＶＩＩｂの断面図である。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。
【００６８】
本実施形態に係る熱型素子では、基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１０を、伸縮方向に対向した位置で複数の寸法増減部材６０で連結支持している。本実施形態に係る熱型素子の抵抗体１０は、抵抗値を大きくして感度を向上させるために、抵抗パターンを複数折り返すもので、抵抗パターンの各折り返し部を寸法増減部材６０により連結支持されている。
【００６９】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【００７０】
基板２０に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１０は、低温状態から高温状態になると抵抗パターン長手方向に伸長する。ここで、抵抗パターン短手方向の伸長は長手方向と比べて十分小さいため、無視できる。他方、抵抗体１０を連結支持する負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０は、高温状態になるとパターン長手方向に収縮する。それぞれの連結部において、抵抗パターンと寸法増減部材の変位を一致させることで、抵抗体の伸縮を吸収することができる。
【００７１】
次に、本実施形態に係る発熱素子の抵抗体１０に電力を印加する際の様子について説明する。
【００７２】
図８は、本実施形態に係る発熱素子の抵抗体１０に電力を印加して発熱させた際の様子を示す模式図である。図８の（ａ）は、図７の（ａ）のＶＩＩｃ−ＶＩＩｄ方向における温度分布の時間変化の例を示す。図８の（ｂ）は、図７の（ａ）のＤ点における発熱温度の時間変化の例示す。そして、図８の（ｃ）は、図７のＤ点における変位の時間変化の例を示している。
【００７３】
本実施形態に係る発熱素子の抵抗体１０を発熱させた際の温度分布は、図８の（ａ）に示すように、隣接する抵抗パターンからの熱が重畳され、Ａ点が存在する中心部の抵抗パターンにおける温度が最も高く、そこからＣ点が存在する最外の抵抗パターンに向かうほど温度は低下する。温度分布により抵抗体１０の伸縮量はパターンごとに変わるため、抵抗パターンと寸法増減部材６０の変位を一致させることが必要となる。
【００７４】
ここで、本実施形態では、抵抗体１０のそれぞれのパターン折り返し部分を寸法増減部材６０により連結配置しているため、図９及び図１０に示すように、寸法増減部材６０の架橋長さＬ又は抵抗パターン長さＲを変更することにより、より簡便に抵抗パターンの伸縮を吸収することができる。
【００７５】
図９では、温度分布を利用し、高温状態で伸縮の大きい中心部の抵抗体パターンに比べて伸縮の小さい抵抗パターンの周辺部における寸法増減部材の架橋長さＬ１を、中心部の寸法増減部材の架橋長さＬ２よりも短くして、それぞれの連結部での伸縮を一致させる例を示している。また、図１０では、高温となる抵抗体の中心部に比べて低温となる抵抗パターンの長さＲ１を、中心部の抵抗パターンの長さＲ２よりも長くして、それぞれの連結部での伸縮を一致させる例を示している。
【００７６】
また、本実施形態の抵抗体１０のように、抵抗パターンを複数折り返し、抵抗パターンの各折り返し部を寸法増減部材６０により連結支持する構成では、抵抗パターンの両端が寸法増減部材６０により支持される形となり、抵抗パターンの伸縮量が分散される。そのため、１つの寸法増減部材６０により吸収させる抵抗体１０の伸縮量が少なくなるので、伸縮の吸収が容易となる。
【００７７】
ここで、図８の（ｂ）に示すように、発熱温度が平衡するまでには時間が必要である。発熱開始の時間をｔ０、Ｄ点における温度をＴ０とし、発熱温度が平衡する時間をｔ３、その時の温度をＴ３とすると、温度はＴ０からＴ３まで時々刻々変化する。そのため、抵抗体１０を熱伝導度の小さい空間で断熱される空洞上の寸法増減部材６０と連結し、抵抗体１０からの伝熱により、寸法増減部材６０でも抵抗体１０と同様の温度変化を生じさせることができる。図９に示すように寸法増減部材６０の架橋長さを各部で変更して、抵抗体１０からの伝熱を増やし、温度分布を変えることで、図８の（ｃ）に示すような抵抗体１０と寸法増減部材６０の変位の関係にすることができる。
【００７８】
つまり、時間ｔ１における抵抗体１０の伸長量と寸法増減部材６０の収縮量の絶対値や、時間ｔ２、ｔ３における抵抗体１０の伸長量と寸法増減部材６０の収縮量の絶対値を合わせ、抵抗体１０と同期して変位する寸法増減部材６０とすることにより、抵抗体１０の伸縮を吸収することができる。
【００７９】
例えば、抵抗体１０の材料がＰｔであり、厚さ０．３μｍ、パターン長１００μｍ、パターン幅４μｍのサイズであって、電流を５ミリ秒印加してジュール発熱させることにより、１００Ｈｚの周期の間欠条件で、抵抗体を０℃から５００℃の間の周期発熱をさせると、パターン長手方向の伸縮が１００Ｈｚの周期で約０．５μｍ発生するとする。このような、伸縮が繰り返されると、抵抗体１０の抵抗値等の物性値が変化し、所定の発熱温度が維持できなくなり、検出素子の特性が変化し、１００００時間を越えると脆性疲労が拡大し亀裂に到ることもある。しかし、抵抗パターンを連結支持する部分に、負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０を用い、伸縮を吸収することにより、亀裂を防止できる。
【００８０】
本実施形態により、複数の寸法増減部材で機能部材を連結することにより、機能部材を面形状で強固に支持することが可能となり、安定性を向上させることが可能となる。さらに、機能部材の温度分布に応じて、寸法増減部材の架橋長さや機能部材の長さを変更し、機能部材の伸縮を寸法増減部材で吸収することにより、安定した熱型素子を得ることが可能となる。
【００８１】
（実施形態７）
図１１は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図１１の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図であり、図１１の（ｂ）は、図１１の（ａ）のＸＩａ−ＸＩｂの断面図である。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図１１に示すように、本実施形態の熱型素子は、基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１４と抵抗体１５とを、伸縮方向に対向する位置で複数の寸法増減部材で連結支持するものである。
【００８２】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【００８３】
基板２０に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１４、１５は、基板上の部分では伸縮はできないが、空洞上の部分では基板２０に拘束されないので伸縮が可能となるため、高温状態では折り返し部のある先端側へ伸長する。また、抵抗体１４と抵抗体１５との間で連結支持する負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６１、６２は、パターン長手方向に収縮する。ここで、抵抗パターン短手方向の伸長は長手方向と比べて十分小さいため、無視できる。
【００８４】
低温状態から高温状態に遷移した際の抵抗体１４、抵抗体１５の伸長をそれぞれΔｌ１４、Δｌ１５、また寸法増減部材６１の抵抗体１４に接した側の収縮をΔｌ６１４、抵抗体１５に接した側の収縮をΔｌ６１５、同様に寸法増減部材６２の抵抗体１４に接した側の収縮をΔｌ６２４、抵抗体１５に接した側の収縮をΔｌ６２５とする。抵抗体と寸法増減部材とがそれぞれ連結した部分の伸長と収縮、すなわちΔｌ１４とΔｌ６２４、Δｌ１５とΔｌ６２５を一致させることにより、抵抗パターンの伸長を吸収することができる。
【００８５】
本実施形態により、機能部材を連結支持する部分に、機能部材とは極性の異なる熱膨張係数を有する寸法増減部材を用い、機能部材の熱膨張を吸収することにより、安定した熱型素子を実現することが可能となる。また、機能部材を複数の寸法増減部材で連結支持することにより、面形状の支持となり強度に優れ、安定した熱型素子とすることが可能となる。さらに、機能部材の伸縮方向と対向して寸法増減部材を連結配置して、熱容量の付加を最小限にすることにより、迅速な熱応答を行うことが可能となる。尚、本実施形態に係る熱型素子では、機能部材を複数の寸法増減部材で連結支持するため、面で幅広く支持でき、機能部材のねじれや振動に耐性を向上させることが可能となる。
【００８６】
（実施形態８）
図１２は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図１２の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図であり、図１２の（ｂ）は、図１２の（ａ）のＸＩＩａ−ＸＩＩｂの断面図である。図１２の（ｃ）は、本実施形態に係る熱型素子の抵抗体１０と寸法増減部材６０との連結部例を示したものである。尚、図１２の（ｃ）では、抵抗パターン上に積層した寸法増減部材６０は図示していない。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図１２では、熱型素子が基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１０を、複数の寸法増減部材６０で連結配置する構成である例を示している。
【００８７】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【００８８】
基板２０に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１０は、空洞上での伸び縮みが可能となるため、高温状態では折り返し部のある先端側へ伸長し、その抵抗体の伸長はｄ１０のベクトルで表せる。ここで、抵抗パターン短手方向の伸長は長手方向と比べて十分小さいため、無視できる。
【００８９】
他方、本実施形態における抵抗体１０を連結支持する負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０は、抵抗体１０に対向する向きではなく、２つの寸法増減部材６０の角度が角度θになるような角度で設けられている。また、抵抗体１０と連結されていない端は、基板２０と接続されている。尚、本実施形態では寸法増減部材６０を２つ備える例を挙げて説明するが、これに限定されるものではない。
【００９０】
上記した寸法増減部材の一方の収縮をΔｌ６１、もう一方をΔｌ６２とすると、寸法増減部材による収縮は各収縮を合成したｄ１１のベクトルで表せ、抵抗体１０と寸法増減部材６０の伸長と収縮のベクトルを一致させることで、抵抗体の伸縮を吸収することができる。
【００９１】
寸法増減部材６０がなす角度である角度θと架橋長さを変更して、寸法増減部材６０の変位ベクトルを抵抗体１０の変位ベクトルに対応させることで、伸縮の吸収範囲が広がり、抵抗体１０の伸縮方向に対向する位置で寸法増減部材の架橋長さが十分に得られない場合にも適用することができる。また熱膨張係数や長さが厳密でなくても対応することができる。
【００９２】
本実施形態により、機能部材を連結支持する部分に、機能部材とは極性の異なる熱膨張係数を有する寸法増減部材を用い、機能部材の熱膨張を吸収することにより、安定した熱型素子を実現することが可能となる。また、機能部材を複数の寸法増減部材で連結支持することにより、面方向の支持強度が優れ、安定した熱型素子とすることが可能となる。さらに、機能部材を連結支持する寸法増減部材がなす角度と架橋長さを変更することで、伸縮の吸収範囲が広がり、機能部材の伸縮方向に対向する位置で寸法増減部材の架橋長さが十分に得られない場合にも適用することが可能となる。また、熱膨張係数や長さが厳密でない場合にも対応することが可能となる。
【００９３】
（実施形態９）
図１３は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図１３の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図であり、図１３の（ｂ）は、図１３の（ａ）のＸＩＩａ−ＸＩＩｂの断面図である。図１３の（ｃ）は、本実施形態に係る熱型素子の抵抗体と寸法増減部材との連結部の一部の例を示している。尚、図１３の（ｃ）では、抵抗パターン上に積層した寸法増減部材は図示していない。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図１３では、基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１６、１７、１８、１９が、抵抗体の伸縮方向に対向しない角度で、複数の寸法増減部材により連結配置され、その寸法増減部材が他の抵抗体にも連結配置する例を示している。
【００９４】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【００９５】
基板２０に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１６、１７、１８、１９の高温状態での伸長を、それぞれΔｌ１６、Δｌ１７、Δｌ１８、Δｌ１９とし、また高温状態での負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６３の収縮は、抵抗体１６と接する側をΔｌ６３６、抵抗体１７と接する側の収縮をΔｌ６３７とする。同様に寸法増減部材６４の収縮もそれぞれΔｌ６４７、Δｌ６４８、寸法増減部材６５の収縮もΔｌ６５８、Δｌ６５９、寸法増減部材６６の収縮もΔｌ６６９、Δｌ６６６とする。抵抗体１６では、抵抗体１６に連結した寸法増減部材の収縮Δｌ６３６、Δｌ６６６を合成したベクトルｄ１１と、抵抗体１６の伸長ベクトルｄ１０を一致させ、抵抗体１６の伸縮を吸収する。同様に、各抵抗体での伸長のベクトルｄ２０、ｄ３０、ｄ４０と収縮のベクトルｄ２１、ｄ３１、ｄ４１をそれぞれ一致させることで、各抵抗体の伸縮を吸収することができる。
【００９６】
空洞上で抵抗体を複数の寸法増減部材により連結配置する形状では、容易に上記実施形態５と同様に空洞上に赤外線吸収部８０を配置し、抵抗体を熱電対と置き換えて赤外線センサとすることもできる。
【００９７】
本実施形態により、機能部材を複数の寸法増減部材で連結支持するため、面で幅広く支持でき、抵抗体のねじれや振動に強い熱型素子を実現することが可能となる。
【００９８】
（実施形態１０）
図１４は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図１４の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図であり、図１４の（ｂ）は、図１４の（ａ）のＸＩＶａ−ＸＩＶｂの断面図である。図１４の（ｃ）は、本実施形態に係る熱型素子の抵抗体１０と寸法増減部材との連結部の一部の例を示している。尚、図１４の（ｃ）では、抵抗パターン上に積層した寸法増減部材は図示していない。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図１４では、基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１０が、抵抗体１０の伸縮方向に対向しない角度で、複数の寸法増減部材と連結配置された例を示している。
【００９９】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【０１００】
空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１０の基板上にある電極部側から張出した抵抗パターン部分をそれぞれＲ１、Ｒ２とし、高温状態におけるそれぞれのパターンの伸長をΔｌ１、Δｌ２とする。また、Ｒ１、Ｒ２を結ぶ抵抗パターン部分をＲ３とし、Ｒ１側とＲ２側への伸長をそれぞれΔｌ３１、Δｌ３２とする。また、負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６７、６８の収縮をΔｌ６７、Δｌ６８で表す。寸法増減部材は抵抗パターンＲ１とＲ３の接点、および抵抗パターンＲ２とＲ３の接点にそれぞれ連結して配置してある。図１４の（ｃ）に示すように、抵抗パターンと寸法増減部材の連結部では、例えば、抵抗パターンＲ２の伸長Δｌ２とＲ３の伸長Δｌ３２を合成したベクトルｄ１０と、寸法増減部材６８のベクトルｄ１１が一致するように配置することで、抵抗パターンの伸長を吸収することができる。
【０１０１】
ここで、本実施形態における抵抗体では、高温状態において抵抗パターンＲ１及びＲ２に抵抗パターンＲ３のパターン長手方向の力も働くため、抵抗パターンＲ３の伸縮が大きくなる場合は、基板からのパターン張出部が変形する。そのため、図１５に示すように抵抗パターンＲ１、Ｒ２の中間にさらに寸法増減部材を連結支持して伸長を分散して吸収することにより、変形を緩和することもできる。
【０１０２】
本実施形態により、機能部材を複数の寸法増減部材で連結支持するため、面で幅広く支持でき強度に優れる熱型素子を実現することが可能となる。
【０１０３】
（実施形態１１）
図１６は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図１６では、基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１０が、抵抗体１０の伸縮方向に対向しない角度で、複数の寸法増減部材と連結支持された例を示している。
【０１０４】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【０１０５】
基板２０に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する円形状の抵抗体１０は、空洞上での伸び縮みが可能となり、高温状態では基板上の電極部４０から張出した先端側へ伸長する。負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０は、抵抗体１０の伸縮方向に対向しない角度で複数の箇所で連結し、抵抗体１０に連結しない側の端は基板に接続している。抵抗体１０の伸縮方向に対向しない角度で複数の箇所で連結した寸法増減部材６０は、抵抗体１０の伸長をそれぞれ吸収し、全体の伸縮を分散して吸収する。本実施形態では、温度分布に応じて伸縮の大きい先端側に向かうほど、寸法増減部材の架橋長さをＬ１、Ｌ２、Ｌ３と順次長くして伸縮を吸収している例を示す。
【０１０６】
本実施形態により、機能部材を複数の寸法増減部材で連結支持するため、面での支持となり温度変化に対しても変形しにくくし、強度を向上させることが可能となる。また、機能部材を連結支持する部分に、機能部材とは極性の異なる熱膨張係数を有する寸法増減部材を用い、機能部材の熱膨張を吸収することにより、安定した熱型素子を実現することが可能となる。
【０１０７】
尚、上記各実施形態を組み合わせることもかのうである。例えば、寸法増減部材の配置として、抵抗体の伸縮方向に対向する配置と抵抗体の伸縮方向に対向しない角度の配置とを組み合わせ、抵抗体と複数の寸法増減部材とを連結支持して、熱容量の付加をできるだけ小さくし、支持強度に優れた熱型素子とすることも可能である。
【０１０８】
（実施形態１２）
図１７は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図１７の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図であり、図１７の（ｂ）は、図１７の（ａ）のＸＶＩＩａ−ＸＶＩＩｂの断面図である。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図１７では、基板２０に設けた空洞上に架橋した抵抗体１０が絶縁膜５０で覆われ複数の材料層で構成される機能部材に、その伸縮方向に対向して寸法増減部材６０を連結配置する例を示す。
【０１０９】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【０１１０】
基板２０に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１０と、その抵抗体１０を絶縁膜５０により挟んだ構造の機能部材は、空洞上で伸縮が可能となるため、高温状態では抵抗体１０の折り返し部のある発熱または感熱部材の先端側へΔｌ伸長する。負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０は、基板側へ収縮するため、抵抗体１０と寸法増減部材６０とを連結配置した部分の収縮を伸長と一致させることで、複数の材料層で構成される機能部材の伸縮を吸収することができる。
【０１１１】
また、図１８に示すように、寸法増減部材６０を絶縁膜５０に連結して支持しても、機能部材の伸縮を吸収することができる。
【０１１２】
ここで、機能部材が単一の材料層からなる場合、材料の熱膨張係数に応じて、材料層の伸縮が生じ、材料の熱膨張係数に対応させた連結支持をすることが必要である。他方、機能部材が複数の材料層で構成されている場合には、単一の材料層からなる場合と異なり、各材料層の温度に応じた性質の違いにより、伸縮だけではなく、反り曲がりやねじれを生じてしまう。また、単一の材料層では成膜時の成膜速度や温度などの作製条件や膜厚により残留応力を低減させる工夫が必要であり、成膜条件あるいは形状に制限があった。他方、複数の材料層では、材料の熱膨張係数が大きく異ならないことや、成膜時の成膜速度や温度などの作製条件や膜厚を調節し残留応力の微妙なバランスを保つようにさせる工夫がさらに必要であり、材料の種類や成膜条件あるいは形状に制限があった。本実施形態では、機能部材を寸法増減部材で連結支持するので、機能部材を複数の材料層で構成する場合であっても、温度変化により発生する構成材料やその作製条件等による反りやねじれなどの変形も防止できる。
【０１１３】
本実施形態により、機能部材を連結支持する部分に機能部材とは極性の異なる熱膨張係数を有する寸法増減部材を用い、機能部材の熱膨張を吸収することにより、安定した熱型素子が可能となる。また、より多種の材料の組み合わせ、および制御範囲の広い生産条件が適用でき、多種多様な熱型素子を実現することが可能となる。
【０１１４】
以上好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上述した熱型素子及び熱型素子の製造方法に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であるということは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明に係る熱型素子は、発熱素子や感熱素子として利用することができる。発熱素子としては、例えば、ガスセンサの触媒や金属酸化物半導体を高速で加熱するために用いられるマイクロヒータに適用することができる。また、微小量の化学合成を行うためのコンビナトリアルマイクロデバイスのマイクロヒータ、バイオ、医療分野におけるマイクロチップとして、ＤＮＡ等に熱サイクルを与えるＰＣＲ操作のために組み込まれたマイクロヒータ、タンパク質と反応させるマイクロリアクターに組み込まれたマイクロヒータとしても適用することができる。また、ジュール発熱による以外の発熱機構としては、発熱部の温度制御を行うマイクロペルチェ機構を集積し、発熱したり冷却させたりすることにより、露点センサとして応用することもできる。
【０１１６】
他方、感熱素子としては、例えば、雰囲気の温度センサ、流体の流速と熱伝導との関係を利用したサーマルフローセンサ、気体密度と熱伝導との関係を利用した気体圧力センサ、雰囲気が受ける加速度による熱移動を利用した加速度センサ、気体の熱伝導率を利用したガスセンサ等に適用することができる。また、光吸収にともなう温度上昇を直接検出する熱電対型素子（サーモパイル）、電気分極の変化として検出する焦電型素子、素子の温度上昇を抵抗変化として検出するボロメータ等の赤外線センサにも適用することができる。さらに、ガスや液体の成分分析装置においては、これらの発熱素子や感熱素子を複合して用いることができる。
【符号の説明】
【０１１７】
１０ 抵抗体
２０ 基板
２１ 絶縁基板
３０ 空洞
４０ 電極部
５０ 絶縁膜
６０ 寸法増減部材
７０ 接続部材
８０ 赤外線吸収部
９１ 熱電対
９２ 熱電対
９３ 熱電対
９１１ 熱電対パターン
９１２ 熱電対パターン
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１８】
【特許文献１】特許第２８８９９０９号公報
【特許文献２】特許第４１２７６９７号公報
【特許文献３】特開平０８−２６４８４４号公報
【特許文献４】特開２００６−２８１７６６号公報
【特許文献５】特許第３７１７３４２号公報
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱又は感熱部材等を有する熱型素子及び熱型素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、発熱部となる抵抗体へ電力を供給してジュール発熱させる発熱素子（マイクロヒータともいう）の技術が開示されている（例えば、特許文献１）。例えば、特許文献１記載の雰囲気計は、Ｓｉ基板の空洞上に架橋した微小な薄層をなす発熱部を、機能部材として集積している。上述したように、発熱素子の発熱部がＳｉ基板と直接接していないことにより、発熱部からＳｉ基板への熱の損失が小さくなり、しかも、上記のような熱型素子は、半導体微細加工技術を用いて微小な寸法に形成される。そのため、少ない電力で熱型素子を所定温度にすることができる。いわゆる、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）であって、従って発熱部の熱容量が小さく、電力を印加して数ミリ秒で所定温度に到達させることができる。
【０００３】
上記したような発熱部は迅速に低温状態から高温状態、あるいは高温状態から低温状態にさせることができる。そのため、発熱部の構成材料の熱膨張率が大きい場合は、高速に伸縮して変形し、空洞上の発熱部を支持する箇所への応力集中により発熱部が破壊されてしまうことがあった。
【０００４】
また、発熱素子と同様に、Ｓｉ基板の空洞上に架橋した微小な薄層をなす温度検出部を、機能部材として集積した感熱素子がある。感熱素子の場合も、迅速な熱応答を利用しているため、上述したような伸縮が生じて変形してしまうことがあった。
【０００５】
ここで、熱膨張による変位に関して、一般に、自由に変形できる長さｌの物体の熱膨張は下記式（１）で表される。
【０００６】
Ｌｈ＝Ｌｌ（１＋α（Ｔｈ−Ｔｌ）） ・・・ 式（１）
【０００７】
ここで、Ｌｈ：高温時の長さ、Ｌｌ：低温時の長さ、Ｔｈ：高温時の温度、Ｔｌ：低温時の温度、α：膨張係数とする。また、上記式（１）を熱膨張による変位量Ｌｈ−Ｌｌ＝Δｌとして表すと下記式（２）となる。
【０００８】
Δｌ=α・Ｌｌ（Ｔｈ−Ｔｌ） ・・・ 式（２）
【０００９】
上記式（２）からも明らかなように、物性値のαがゼロの時以外は、温度差に応じた変位が生じるものである。
【００１０】
上述したように、発熱素子の場合、図１９に示すように発熱部が基板から分離している構造では、熱膨張により発熱部が凸状に変形し、発熱体を支持する部分への応力集中により発熱部が破壊してしまうという問題があった。
【００１１】
ここで、図１９は、本発明に関連する熱型素子の概略構成例を示している。図１９に示された熱型素子は、Ｐｔ、Ａｕ、ＮｉＣｒ等の正の熱膨張係数を有する材料により抵抗体１０を形成し、その抵抗体１０を基板２０に設けた空洞３０の上に架橋して、機能部材として用いている。その抵抗体１０の両端は、それぞれ基板上の電極部４０と接続される。このような抵抗体１０において、基板上の部分は基板２０に拘束されているため伸縮はできないが、空洞上の部分は基板２０に拘束されないので伸縮が可能となる。したがって、温度状態により寸法が変化する抵抗体では、図１９の（ｃ）に示すように低温状態では抵抗体が平坦でも、高温状態では図１９の（ｂ）に示すように熱膨張により抵抗体１０が中央方向へ伸長して大きなたわみが生じてしまっていた。
【００１２】
上記問題を解決するために、発熱抵抗及び感熱抵抗を支持膜と保護膜で挟み込むダイヤフラム構造を有する熱式センサにおいて、支持膜や保護膜の引張応力を基材に対して５０ＭＰａ以上２５０ＭＰａ以下にすることにより、発熱部の変形を抑制する技術が開示されている（例えば、特許文献２）。
【００１３】
さらに、上記問題を解決するための他の技術として、Ｓｉ基板上に形成され、周辺部がＳｉＯ2であるフローティングメンブレンにおいて、メンブレン内部の応力を相殺するために、ＳｉＯ2膜からなるメンブレン中央部分をＳｉ2Ｎ4に置き換える技術も開示されている（例えば、特許文献３）。
【００１４】
また、応力を補償する技術として、応力補償用被膜の技術が開示されている（例えば、特許文献４）。具体的には、上記特許文献３記載の技術では、高温状態で基板上に被膜を形成する被膜プロセスによって形成された反り構造体の反りを補償するために、負の熱膨張係数を有する被膜を、使用温度より高い温度で、反り構造体の凹面上、すなわち上記被膜プロセスで形成された被膜上にさらに形成する。これにより、基板は比較的平坦な構造を有することができる。
【００１５】
さらに、上記問題に関連する技術として、試料温度を変化させながらＸ線回折測定を実行する装置に組み込まれる試料保持装置の技術が開示されている（例えば、特許文献５）。具体的には、上記特許文献５記載の技術では、正の熱膨張係数を有する試料配置部の温度変化による上下方向の変位を、熱膨張係数の異なる第１支持部材と第２支持部材の変位で抑制している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかし、上記特許文献２及び特許文献３記載の技術では、応力は、作製時の温度、圧力、厚み等に依存しているため、調整が複雑であり、バラツキも大きくなってしまうという課題があった。そのため、上記特許文献２及び特許文献３記載の技術では、確実に応力バランスを一定にすることは困難であった。
【００１７】
特許文献４記載の技術では、基板面上に堆積する被膜は、反り状態の大きい端部ほど被膜の界面に働く応力が大きくなるので、膜はがれが発生してしまうという課題があった。通常は、応力の差を小さくして膜はがれを防止している。
【００１８】
特許文献５記載の技術は、上述したように正の熱膨張係数を有する試料配置部の温度変化による上下方向の変位を、熱膨張係数の異なる第１支持部材と第２支持部材の変位で抑制する技術である。つまり、特許文献５記載の技術は面方向の変位を抑制するものではなく、また、上記熱型素子とは異なり、試料配置部も基板に設けた空洞上に配置する構成のものでもない。さらに、試料配置部の変位の抑制に関して、時間要素は考慮されてないという課題があった。
【００１９】
本発明はこのような実情を鑑みてなされたものであり、熱作用を伴う機能部材を集積した熱型素子において、急激な温度変化に伴って生じる熱膨張による伸縮で発熱部や感熱部等の機能部材が破壊される課題を解決し、機能部材の迅速な熱応答性を確保しつつ変形を防止する熱型素子及び熱型素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の熱型素子は、基板に設けた空洞上に薄層を架橋する構造の熱型素子であって、温度によって寸法が変化する機能部材と、機能部材の寸法の変化を吸収するように、温度によって寸法が変化する寸法増減部材と、を備え、機能部材と寸法増減部材とは、基板に設けられた空洞上に連結架橋されることを特徴とする。
【００２１】
本発明の熱型素子の製造方法は、基板上に、温度によって寸法が変化する機能部材を形成する機能部材形成ステップと、基板上に、機能部材の寸法の変化を吸収するように温度によって寸法が変化する寸法増減部材を、機能部材と連結して形成する寸法増減部材形成ステップと、機能部材と寸法増減部材とが空洞上に連結架橋されるように、基板に空洞を形成する空洞形成ステップと、を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、熱型素子の迅速な熱応答性を確保しつつ、機能部材の変形を防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態１）
【図２】本実施形態に係る熱型素子の温度分布の例を示す図である。
【図３】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態２）
【図４】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態３）
【図５】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態４）
【図６】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態５）
【図７】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態６）
【図８】本実施形態に係る発熱素子に電力を印加した際の様子を示す模式図である。
【図９】本実施形態に係る熱型素子の寸法増減部材の構成例を示す図である。
【図１０】本実施形態に係る熱型素子の機能部材の構成例を示す図である。
【図１１】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態７）
【図１２】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態８）
【図１３】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態９）
【図１４】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態１０）
【図１５】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態１０）
【図１６】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態１１）
【図１７】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態１２）
【図１８】本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。（実施形態１２）
【図１９】本発明に関連する熱型素子の概略構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に本発明の実施形態の例について、図面を用いて詳細に説明する。
【００２５】
（実施形態１）
図１の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図１の（ｂ）及び（ｃ）は、図１の（ａ）のＩａ−Ｉｂにおける断面図、図１の（ｄ）は、機能部材の抵抗体と寸法増減部材との連結部の例を示している。図１の（ｂ）は熱型素子が高温状態である例、図１の（ｃ）は熱型素子が低温状態である例を示している。また、図中で示した矢印は、熱膨張による伸縮を表したものである。
【００２６】
本実施形態に係る熱型素子は、基板２０に設けた空洞３０の上に架橋した機能部材となる抵抗体１０を、寸法増減部材６０で連結支持している。
【００２７】
はじめに、本実施形態に係る熱型素子の作製方法を説明する。
【００２８】
まず、電極間の絶縁性を保つため、基板２０の表面にＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｓｉ3Ｎ4等の絶縁膜をスパッタ法などにより、例えば０．５μｍ成膜する。本実施形態では、基板としてＳｉ基板を適用した例を示すが、これに限定されるものではない。その後、絶縁膜上に抵抗体１０となる電気導電性の高いＰｔ、Ａｕ、ＮｉＣｒ、Ｗ等の正の熱膨張係数を有する抵抗膜をスパッタ法などにより、例えば０．３μｍ成膜する。
【００２９】
次に、抵抗膜を抵抗体の形状に加工するため、フォトレジストで幅４μｍ、長手方向１７０μｍ、短手方向２μｍの折り返しパターンを形成し、それをマスクとして抵抗膜をエッチングする。その後、レジスト除去して所定形状の抵抗体を作製する。この際、最終的な空洞上の抵抗体の長さが１５４μｍとなるように配置する。
【００３０】
寸法増減部材６０を形成するため、抵抗体１０の短手方向と重複する位置にフォトレジストで１０μｍ×２００μｍの開口パターンを形成し、表面に負の熱膨張係数を有する材料、例えばＺｒＷ2Ｏ8（タングステン酸ジルコニウム）、ＨｆＷ2Ｏ8（タングステン酸ハフニウム）、Ｌｉ2Ｏ−Ａｌ2Ｏ3−ｎＳｉＯ2（ケイ酸リチウムアルミニウム）、Ｍｎ3ＣｕＮ−Ｍｎ3ＧｅＮ（マンガン窒化物）等をスパッタ法などにより、例えば０．３μｍ成膜し、レジスト除去により寸法増減部材６０を作製する。寸法増減部材６０の架橋長さＬは、使用する材料や温度に応じて決定する。
【００３１】
尚、絶縁性でない材料を使用し、抵抗体１０と寸法増減部材６０との絶縁性を保つ必要がある場合には、寸法増減部材６０の形成前にＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｓｉ3Ｎ4等の絶縁膜を形成しておく。
【００３２】
ここで、抵抗体１０に使用する材料をＰｔ（αは約９μ／℃）、寸法増減部材６０に使用する材料をＺｒＷ2Ｏ8（αは約−９μ／℃）とする場合を例に挙げて、寸法増減部材６０の架橋長さＬを算出する。熱型素子を０℃から５００℃で使用する場合、０℃と５００℃の温度差で伸長するＰｔの大きさをΔｌとして、上記式（２）にＬｌ＝１５４μｍを代入してΔｌを計算すると、約０．７μｍとなる。このΔｌと同じ収縮を生じさせるために必要なＺｒＷ2Ｏ8の架橋長さを上記式（２）から計算すると１５４μｍが求まる。このように、寸法増減部材６０に抵抗体１０のαよりも大きいものを選定するとＬは小さく、逆に小さいものを選定するとＬを大きくできる。
【００３３】
次に、電極間の絶縁性を保つため、基板表面にＳｉＯ2、Ｔａ2Ｏ5、Ｓｉ3Ｎ4等の絶縁膜をスパッタ法などにより、例えば０．５μｍ成膜する。そして、抵抗体下のＳｉ基板をエッチングして空洞３０を形成するための３０４μｍ×３０４μｍの窓及び電極部上の絶縁膜を除去するための開口パターンをフォトレジストで形成し、開口部から絶縁膜をエッチングする。その後レジストを除去する。
【００３４】
続いて、空洞３０を形成するために、ＫＯＨ、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等を用いてＳｉ基板を異方性エッチングして、空洞上の長さが１５４μｍの抵抗体１０と空洞上の長さが１５４μｍの寸法増減部材６０で、両者が連結している部分が４μｍの大きさの熱型素子を完成する。ここでの空洞３０は、機能部材が配置された側の基板面から形成したものであるが、機能部材と基板とを空間により断熱するため、かつ機能部材の熱容量を小さくするために設けるものであればよいため、空洞は機能部材が配置されていない基板面から形成するものや溝、または貫通孔のような形状であってもよい。さらに、抵抗体１０と寸法増減部材６０との連結部分は、上記長さに限定されるものではなく、適宜変更することができる。
【００３５】
上述したように作製した熱型素子の機能部材の抵抗体を５００℃に発熱させることによって、例えば、周囲雰囲気の気体へ伝熱させるために要した電力と、既知の周囲雰囲気の熱伝導率との関係から、周囲雰囲気の熱伝導率として高速に検出することができる。さらに、検出した熱伝導率と既知の周囲雰囲気の状態との関係により、周囲雰囲気の気体の状態を高速に検出することができる。
【００３６】
また、上記熱型素子は、気体の熱伝導率と周囲雰囲気の濃度との関係を利用し、例えば、周囲雰囲気の熱伝導率と空気中の水蒸気濃度との関係から湿度センサとして適用することができる。さらに、周囲雰囲気の熱伝導率と水蒸気と水素との濃度の関係により、燃料電池の水素濃度センサとしても適用することができる。
【００３７】
また、発熱部材に触媒や金属酸化物半導体などのガス感応材料を被覆し、発熱部材によってガス感応材料を活性化させることで、ガスセンサに適用することもできる。さらに、周囲雰囲気の気体に伝熱させるために要した電力と既知の周囲雰囲気の圧力との関係により圧力センサとして適用することもできる。また、既知の周囲雰囲気の流速との関係によりフローセンサとして適用することもできる。
【００３８】
一方、この機能部材の抵抗体１０が雰囲気の温度に応じた抵抗値となることによって、既知の温度と測定した抵抗値との関係から、周囲雰囲気の気体の温度を高速に検出し、さらにその温度と既知の周囲雰囲気の状態の関係により、周囲雰囲気の気体の状態を高速に検出することができる。例えば、周囲雰囲気の発熱部から伝熱する温度と、その温度と既知の流速との関係から、フローセンサとして適用することができる。また、密閉雰囲気の発熱部から伝熱する温度と、その温度と既知の加速度との関係から、加速度センサとして適用することができる。さらに、周囲雰囲気からの光吸収に伴う温度変化と、その温度と既知の赤外線との関係から、赤外線センサとして適用することができる。尚、本実施形態に係る熱型素子が上記複数のセンサとして適用できることを説明したが、上記したセンサは例であり、これに限定されるものではない。
【００３９】
次に、本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【００４０】
図１に示すように、本実施形態に係る熱型素子の抵抗体１０は、一端が基板２０上の電極部４０に接続されており、電極部４０との接続部から空洞３０上に延びて折り返し部で折り返えすように形成されている。抵抗体１０は、負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０と上記折り返し部分で連結している。ここで、空洞３０上の抵抗体１０や寸法増減部材６０は基板２０に拘束されることなく伸縮できるため、温度状態に応じて、それぞれ伸縮する。そのため、正の熱膨張係数を有する抵抗体１０は、図１の（ｂ）に示すように、高温状態で抵抗体１０の抵抗パターン先端側へΔｌ伸長し、負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０は基板側にΔｌ変位する。したがって、抵抗体１０の伸長を寸法増減部材６０により吸収し、熱型素子が高温状態であっても、図１の（ｃ）に示す低温状態と同様にたわみのない形状を保持している。
【００４１】
次に、抵抗体１０と寸法増減部材６０との連結について説明する。
【００４２】
図１の（ｄ）は、抵抗体１０と寸法増減部材６０との連結部を示している。尚、抵抗体１０の抵抗パターン上に積層した寸法増減部材６０は図示していない。抵抗体１０の各部をパターン長手方向のＲ１、Ｒ２、短手方向のＲ３とし、低温から高温時の各部の伸長を、それぞれΔｌ１、Δｌ２、Δｌ３とする。ここではパターン短手方向は長手方向と比べて十分小さいので、Δｌ３は無視できる。Δｌ１とΔｌ２は大きさと方向が同じで並行であるため、抵抗体全体の伸長はΔｌ１と同じ大きさと向きの変位ベクトルｄ１０で表せる。同様に、寸法増減部材６０の長手方向の収縮は、Δｌ４の変位ベクトルｄ１１で表せる。ベクトルｄ１０及びベクトルｄ１１を一致させることで、熱膨張による抵抗体１０の伸縮を吸収する。
【００４３】
図１に示す熱型素子のように、抵抗体１０の伸縮方向と対向するように寸法増減部材６０を連結して、抵抗体１０の変位ベクトルと寸法増減部材６０の変位ベクトルを一致させた場合、最小限の寸法増減部材６０で抵抗体１０の伸縮を吸収できる配置となる。
【００４４】
次に、抵抗体１０と寸法増減部材６０との熱伝導度について説明する。
【００４５】
図２は、抵抗体１０の熱伝導度よりも寸法増減部材６０の熱伝導度が小さい場合における、温度上昇時の図１の（ａ）のＩａ−Ｉｂ方向の温度分布の様子を示したものである。抵抗体１０の伸縮を吸収する寸法増減部材６０の架橋長さを決定する条件の１つは温度であり、使用する材料によって使用温度範囲での抵抗体１０の変位量と一致させるように所定の架橋長さが決まる。この架橋長さは、抵抗体と寸法増減部材が一様で全く同じ温度変化する条件のものである。寸法増減部材に用いる材料の熱膨張係数の絶対値は、抵抗体となる材料のものと比べて小さい場合が多いが、熱伝導度についても導電性の抵抗体の材料より、寸法増減部材の材料の方が小さい場合が多い。この材料の熱伝導度の違いにより、温度状態が変化する時、空洞上に架橋した抵抗体と寸法増減部材とで温度差が生じる。
【００４６】
図２に示す例では、抵抗体の熱伝導度は、寸法増減部材の熱伝導度より大きいため、基板への伝熱は抵抗体側の方が大きく、抵抗体側の温度がより高くなる。この状態では抵抗体の伸長の方が大きく、抵抗体の伸長と寸法増減部材の収縮がアンバランスになる。そのため、このような場合においても抵抗体の伸長を吸収するためは、寸法増減部材側の変位が大きくなるように、寸法増減部材の架橋長さを熱伝導度に応じて所定値よりも長くするとよい。
【００４７】
本実施形態により、機能部材の伸縮量を吸収する手段を設けることで、温度変化に対しても変形し難く、安定した特性を得ることが可能となる。また、機能部材の熱応答速度と同期させて、確実な伸縮量の吸収を行うことにより、熱容量の付加を最小限にして、迅速な熱応答を行うことが可能となる。
【００４８】
（実施形態２）
図３は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。上記実施形態１の熱型素子の構成と異なる点は、抵抗体１０と寸法増減部材６０との連結部である。本実施形態では、正の熱膨張係数を有する抵抗体１０と負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０を積層して異なる平面間で連結支持する例を説明する。図３の（ａ）は、抵抗体１０の下面と寸法増減部材６０の上面を連結したものである。他方、図３の（ｂ）は、抵抗体１０の上面と寸法増減部材６０の下面を連結したものである。図中に示した矢印は、熱膨張による伸縮を表している。
【００４９】
抵抗体１０と寸法増減部材６０を積層して連結したどちらも場合も、高温状態において抵抗体１０は基板側から張出した抵抗体１０の先端側に伸長し、寸法増減部材６０は基板側へ収縮するので、抵抗体１０の伸縮を寸法増減部材６０により吸収することができる。また、このように抵抗体１０と寸法増減部材６０の接合面積を増やすことによって、連結部の強度を得ることができる。
【００５０】
本実施形態により、機能部材と機能部材の伸縮量を吸収する手段との連結部の強度を向上させることが可能となり、より安定した特性を得ることが可能となる。
【００５１】
（実施形態３）
図４は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。本実施形態が上記実施形態１と異なる点は、接続部材７０を介して、基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材である正の熱膨張係数を有する抵抗体と、負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０と、を連結する点である。図中に示した矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図４の（ａ）は、抵抗体１０と寸法増減部材６０との厚さ方向の間に接続部材７０を配置する例を示している。他方、図４の（ｂ）は、抵抗体１０と寸法増減部材６０との平面方向の間に接続部材７０を配置する例を示している。
【００５２】
本実施形態は、正の熱膨張係数を有する抵抗体１０と負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０の間を絶縁する必要がある場合や連結部の接合力を上げる場合に好適である。正の熱膨張係数を有する導電性の抵抗体１０と負の熱膨張係数を有し熱伝導度が大きい導電性の寸法増減部材６０で構成する熱型素子では、熱伝導度が小さい絶縁性の寸法増減部材６０で構成する場合よりも、寸法増減部材６０から基板２０への伝熱を大きくできるため、抵抗体側と寸法増減部材側との温度差を小さくできる。そのため、温度分布で生じる抵抗体側と寸法増減部材側と伸縮のアンバランスを一致させるような考慮が必要ない。
【００５３】
抵抗体１０に連結する接続部材７０の伸縮は、抵抗体１０の伸縮とあわせて、温度によって寸法が変化するひとつの部材として扱うことにより、接続部材７０の伸縮を寸法増減部材６０により吸収するので、接続部材７０には正、負またはゼロの何れの熱膨張係数を有するものでも用いることができる。そのため、抵抗体１０と寸法増減部材６０とを強く接合するような材料を選択することができる。
【００５４】
本実施形態により、このように熱伝導度の値が近く、温度分布が小さくなるような材料を適用した接続部材を介して、機能部材と寸法増減部材とを連結支持することにより、安定した熱型素子を得ることが可能となる。また、寸法増減部材と機能部材とを連結させるにあたり、寸法増減部材の材質の接合力が小さい場合、製造工程や伸縮によって、特に寸法増減部材や機能部材の微細化が増す場合は連結部が断絶しやすくなる問題があった。しかし、接続部材として、寸法増減部材と抵抗体とに接合力を有する材料を選択することや、接合面積を増やすことによって、構造強度を得ることが可能となる。
【００５５】
さらに、機能部材と寸法増減部材とを接部材を介して連結することにより、さらに多種の材料の組み合わせが可能となり、多種多様な熱型素子を実現することが可能である。そして、接続部材を介して連結するので、機能部材と寸法増減部材とを強固に支持することが可能となり、温度変化に対しても変形し難く、安定した特性を得ることが可能となる。
【００５６】
（実施形態４）
図５は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。本実施形態が、上記実施形態１と異なる点は、抵抗体及び電極部４０を複数備えている点である。図５の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図である。図５の（ｂ）は、図５の（ａ）のＶａ−Ｖｂの断面図である。図５の（ｃ）は、抵抗体と寸法増減部材６０との連結部の例を示している。尚、図５の（ｃ）では、抵抗体の抵抗パターン上に積層した寸法増減部材６０は図示していない。また、図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。
【００５７】
図５に示すように、本実施形態に係る熱型素子は、絶縁基板２１に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１１が、抵抗体の伸縮方向に対向する位置で寸法増減部材６０と連結配置され、その寸法増減部材６０が他の抵抗体１２、１３とも連結して支持する構成である。
【００５８】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【００５９】
本実施形態では、絶縁基板２１に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１１〜１３は、空洞上の部分で伸縮が可能となるため、高温状態では折り返し部のある先端側へ伸長する。また、抵抗体１１〜１３を連結する負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０は、パターン長手方向に収縮する。ここで、抵抗パターン短手方向の伸長は長手方向と比べて十分小さいため、無視できる。
【００６０】
低温状態から高温状態にした時の抵抗体１１〜１３の伸長をそれぞれ変位ベクトルｄ１０、ｄ２０、ｄ３０とする。他方、寸法増減部材６０の抵抗体１１に対向した収縮をｄ１１、抵抗体１２に対向した収縮をｄ２１、抵抗体１３に対向した収縮をｄ３１として、対向する抵抗体と寸法増減部材のベクトルを一致させて、抵抗体の伸縮を吸収する。空洞上の抵抗体間を連結する寸法増減部材６０は、一端を絶縁基板２１に支持する場合に比べて温度分布が小さくなるため、全体の伸縮を増すことができる。
【００６１】
本実施形態により、機能部材を連結支持する部分に、機能部材とは極性の異なる熱膨張係数を有する寸法増減部材を用い、機能部材の熱膨張を吸収することにより、安定した熱型素子を実現することが可能となる。また、機能部材の伸縮方向と対向して寸法増減部材を連結配置して、熱容量の付加を最小限にすることにより、迅速な熱応答を行うことが可能となる。
【００６２】
（実施形態５）
図６は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。図６に示すように、本実施形態が上記実施形態４と異なる点は、空洞３０の上に赤外線吸収部を備えている点である。図６の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図である。図６の（ｂ）は、図６の（ａ）のＶＩａ−ＶＩｂの断面図である。赤外線吸収部は、赤外線を吸収して温度が変化するため、その温度変化を熱電対により検出することができる。
【００６３】
空洞上に架橋した熱電対９１はアルメルの薄膜からなる熱電対パターン９１１とクロメルの薄膜からなる熱電対パターン９１２を有しており、熱電対パターン９１１と熱電対パターン９１２が接合された個所における熱起電力を、熱電対に接続する基板上に設置した電極部間の電圧として検出する。熱電対パターン９１１と熱電対パターン９１２が接合された個所と、赤外線吸収部８０とは寸法増減部材６０を介して連結されており、この赤外線吸収部８０における温度は寸法増減部材６０を仲介して伝熱させる。
【００６４】
尚、赤外線吸収部８０は白金黒等の薄膜を表面に積層させることにより、対峙する物体から放射される熱を吸収する。また、発熱素子として、抵抗体のジュール発熱機構に代わり、ペルチェ素子を構成することも可能である。
【００６５】
すなわち、図６において、赤外線吸収部８０をＡｌ電極、熱電対パターン９１１をＮ型半導体パターン、熱電対パターン９１２をＰ型半導体パターンに置き換える。基板の空洞上に架橋した、ポリシリコンに不純物を拡散した薄膜であって、空洞上で少なくとも一対のＮ型半導体とＰ型半導体パターンをＡｌ電極によって接合し、Ｐ型半導体パターンの端部の電極からＮ型半導体パターンの端部の電極へ電流を印加することによって、Ａｌ電極部が加熱される。他方、逆方向の電流を印加すれば、Ａｌ電極部が冷却され、このように電流の向きや電流値の調節によって任意の温度に制御することができる。これにより、空洞上のＡｌ電極部を周囲雰囲気の気体を凝集するまで冷却することによって凝集温度を検出し、雰囲気の露点温度を検出する露点温度センサとして用いることができる。
【００６６】
本実施形態により、さらに多種のセンサとして熱型素子を適用することが可能となる。
【００６７】
（実施形態６）
図７は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す図である。図７の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図であり、図７の（ｂ）は、図７の（ａ）のＶＩＩａ−ＶＩＩｂの断面図である。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。
【００６８】
本実施形態に係る熱型素子では、基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１０を、伸縮方向に対向した位置で複数の寸法増減部材６０で連結支持している。本実施形態に係る熱型素子の抵抗体１０は、抵抗値を大きくして感度を向上させるために、抵抗パターンを複数折り返すもので、抵抗パターンの各折り返し部を寸法増減部材６０により連結支持されている。
【００６９】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【００７０】
基板２０に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１０は、低温状態から高温状態になると抵抗パターン長手方向に伸長する。ここで、抵抗パターン短手方向の伸長は長手方向と比べて十分小さいため、無視できる。他方、抵抗体１０を連結支持する負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０は、高温状態になるとパターン長手方向に収縮する。それぞれの連結部において、抵抗パターンと寸法増減部材の変位を一致させることで、抵抗体の伸縮を吸収することができる。
【００７１】
次に、本実施形態に係る発熱素子の抵抗体１０に電力を印加する際の様子について説明する。
【００７２】
図８は、本実施形態に係る発熱素子の抵抗体１０に電力を印加して発熱させた際の様子を示す模式図である。図８の（ａ）は、図７の（ａ）のＶＩＩｃ−ＶＩＩｄ方向における温度分布の時間変化の例を示す。図８の（ｂ）は、図７の（ａ）のＤ点における発熱温度の時間変化の例示す。そして、図８の（ｃ）は、図７のＤ点における変位の時間変化の例を示している。
【００７３】
本実施形態に係る発熱素子の抵抗体１０を発熱させた際の温度分布は、図８の（ａ）に示すように、隣接する抵抗パターンからの熱が重畳され、Ａ点が存在する中心部の抵抗パターンにおける温度が最も高く、そこからＣ点が存在する最外の抵抗パターンに向かうほど温度は低下する。温度分布により抵抗体１０の伸縮量はパターンごとに変わるため、抵抗パターンと寸法増減部材６０の変位を一致させることが必要となる。
【００７４】
ここで、本実施形態では、抵抗体１０のそれぞれのパターン折り返し部分を寸法増減部材６０により連結配置しているため、図９及び図１０に示すように、寸法増減部材６０の架橋長さＬ又は抵抗パターン長さＲを変更することにより、より簡便に抵抗パターンの伸縮を吸収することができる。
【００７５】
図９では、温度分布を利用し、高温状態で伸縮の大きい中心部の抵抗体パターンに比べて伸縮の小さい抵抗パターンの周辺部における寸法増減部材の架橋長さＬ１を、中心部の寸法増減部材の架橋長さＬ２よりも短くして、それぞれの連結部での伸縮を一致させる例を示している。また、図１０では、高温となる抵抗体の中心部に比べて低温となる抵抗パターンの長さＲ１を、中心部の抵抗パターンの長さＲ２よりも長くして、それぞれの連結部での伸縮を一致させる例を示している。
【００７６】
また、本実施形態の抵抗体１０のように、抵抗パターンを複数折り返し、抵抗パターンの各折り返し部を寸法増減部材６０により連結支持する構成では、抵抗パターンの両端が寸法増減部材６０により支持される形となり、抵抗パターンの伸縮量が分散される。そのため、１つの寸法増減部材６０により吸収させる抵抗体１０の伸縮量が少なくなるので、伸縮の吸収が容易となる。
【００７７】
ここで、図８の（ｂ）に示すように、発熱温度が平衡するまでには時間が必要である。発熱開始の時間をｔ０、Ｄ点における温度をＴ０とし、発熱温度が平衡する時間をｔ３、その時の温度をＴ３とすると、温度はＴ０からＴ３まで時々刻々変化する。そのため、抵抗体１０を熱伝導度の小さい空間で断熱される空洞上の寸法増減部材６０と連結し、抵抗体１０からの伝熱により、寸法増減部材６０でも抵抗体１０と同様の温度変化を生じさせることができる。図９に示すように寸法増減部材６０の架橋長さを各部で変更して、抵抗体１０からの伝熱を増やし、温度分布を変えることで、図８の（ｃ）に示すような抵抗体１０と寸法増減部材６０の変位の関係にすることができる。
【００７８】
つまり、時間ｔ１における抵抗体１０の伸長量と寸法増減部材６０の収縮量の絶対値や、時間ｔ２、ｔ３における抵抗体１０の伸長量と寸法増減部材６０の収縮量の絶対値を合わせ、抵抗体１０と同期して変位する寸法増減部材６０とすることにより、抵抗体１０の伸縮を吸収することができる。
【００７９】
例えば、抵抗体１０の材料がＰｔであり、厚さ０．３μｍ、パターン長１００μｍ、パターン幅４μｍのサイズであって、電流を５ミリ秒印加してジュール発熱させることにより、１００Ｈｚの周期の間欠条件で、抵抗体を０℃から５００℃の間の周期発熱をさせると、パターン長手方向の伸縮が１００Ｈｚの周期で約０．５μｍ発生するとする。このような、伸縮が繰り返されると、抵抗体１０の抵抗値等の物性値が変化し、所定の発熱温度が維持できなくなり、検出素子の特性が変化し、１００００時間を越えると脆性疲労が拡大し亀裂に到ることもある。しかし、抵抗パターンを連結支持する部分に、負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０を用い、伸縮を吸収することにより、亀裂を防止できる。
【００８０】
本実施形態により、複数の寸法増減部材で機能部材を連結することにより、機能部材を面形状で強固に支持することが可能となり、安定性を向上させることが可能となる。さらに、機能部材の温度分布に応じて、寸法増減部材の架橋長さや機能部材の長さを変更し、機能部材の伸縮を寸法増減部材で吸収することにより、安定した熱型素子を得ることが可能となる。
【００８１】
（実施形態７）
図１１は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図１１の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図であり、図１１の（ｂ）は、図１１の（ａ）のＸＩａ−ＸＩｂの断面図である。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図１１に示すように、本実施形態の熱型素子は、基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１４と抵抗体１５とを、伸縮方向に対向する位置で複数の寸法増減部材で連結支持するものである。
【００８２】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【００８３】
基板２０に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１４、１５は、基板上の部分では伸縮はできないが、空洞上の部分では基板２０に拘束されないので伸縮が可能となるため、高温状態では折り返し部のある先端側へ伸長する。また、抵抗体１４と抵抗体１５との間で連結支持する負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６１、６２は、パターン長手方向に収縮する。ここで、抵抗パターン短手方向の伸長は長手方向と比べて十分小さいため、無視できる。
【００８４】
低温状態から高温状態に遷移した際の抵抗体１４、抵抗体１５の伸長をそれぞれΔｌ１４、Δｌ１５、また寸法増減部材６１の抵抗体１４に接した側の収縮をΔｌ６１４、抵抗体１５に接した側の収縮をΔｌ６１５、同様に寸法増減部材６２の抵抗体１４に接した側の収縮をΔｌ６２４、抵抗体１５に接した側の収縮をΔｌ６２５とする。抵抗体と寸法増減部材とがそれぞれ連結した部分の伸長と収縮、すなわちΔｌ１４とΔｌ６２４、Δｌ１５とΔｌ６２５を一致させることにより、抵抗パターンの伸長を吸収することができる。
【００８５】
本実施形態により、機能部材を連結支持する部分に、機能部材とは極性の異なる熱膨張係数を有する寸法増減部材を用い、機能部材の熱膨張を吸収することにより、安定した熱型素子を実現することが可能となる。また、機能部材を複数の寸法増減部材で連結支持することにより、面形状の支持となり強度に優れ、安定した熱型素子とすることが可能となる。さらに、機能部材の伸縮方向と対向して寸法増減部材を連結配置して、熱容量の付加を最小限にすることにより、迅速な熱応答を行うことが可能となる。尚、本実施形態に係る熱型素子では、機能部材を複数の寸法増減部材で連結支持するため、面で幅広く支持でき、機能部材のねじれや振動に耐性を向上させることが可能となる。
【００８６】
（実施形態８）
図１２は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図１２の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図であり、図１２の（ｂ）は、図１２の（ａ）のＸＩＩａ−ＸＩＩｂの断面図である。図１２の（ｃ）は、本実施形態に係る熱型素子の抵抗体１０と寸法増減部材６０との連結部例を示したものである。尚、図１２の（ｃ）では、抵抗パターン上に積層した寸法増減部材６０は図示していない。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図１２では、熱型素子が基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１０を、複数の寸法増減部材６０で連結配置する構成である例を示している。
【００８７】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【００８８】
基板２０に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１０は、空洞上での伸び縮みが可能となるため、高温状態では折り返し部のある先端側へ伸長し、その抵抗体の伸長はｄ１０のベクトルで表せる。ここで、抵抗パターン短手方向の伸長は長手方向と比べて十分小さいため、無視できる。
【００８９】
他方、本実施形態における抵抗体１０を連結支持する負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０は、抵抗体１０に対向する向きではなく、２つの寸法増減部材６０の角度が角度θになるような角度で設けられている。また、抵抗体１０と連結されていない端は、基板２０と接続されている。尚、本実施形態では寸法増減部材６０を２つ備える例を挙げて説明するが、これに限定されるものではない。
【００９０】
上記した寸法増減部材の一方の収縮をΔｌ６１、もう一方をΔｌ６２とすると、寸法増減部材による収縮は各収縮を合成したｄ１１のベクトルで表せ、抵抗体１０と寸法増減部材６０の伸長と収縮のベクトルを一致させることで、抵抗体の伸縮を吸収することができる。
【００９１】
寸法増減部材６０がなす角度である角度θと架橋長さを変更して、寸法増減部材６０の変位ベクトルを抵抗体１０の変位ベクトルに対応させることで、伸縮の吸収範囲が広がり、抵抗体１０の伸縮方向に対向する位置で寸法増減部材の架橋長さが十分に得られない場合にも適用することができる。また熱膨張係数や長さが厳密でなくても対応することができる。
【００９２】
本実施形態により、機能部材を連結支持する部分に、機能部材とは極性の異なる熱膨張係数を有する寸法増減部材を用い、機能部材の熱膨張を吸収することにより、安定した熱型素子を実現することが可能となる。また、機能部材を複数の寸法増減部材で連結支持することにより、面方向の支持強度が優れ、安定した熱型素子とすることが可能となる。さらに、機能部材を連結支持する寸法増減部材がなす角度と架橋長さを変更することで、伸縮の吸収範囲が広がり、機能部材の伸縮方向に対向する位置で寸法増減部材の架橋長さが十分に得られない場合にも適用することが可能となる。また、熱膨張係数や長さが厳密でない場合にも対応することが可能となる。
【００９３】
（実施形態９）
図１３は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図１３の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図であり、図１３の（ｂ）は、図１３の（ａ）のＸＩＩａ−ＸＩＩｂの断面図である。図１３の（ｃ）は、本実施形態に係る熱型素子の抵抗体と寸法増減部材との連結部の一部の例を示している。尚、図１３の（ｃ）では、抵抗パターン上に積層した寸法増減部材は図示していない。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図１３では、基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１６、１７、１８、１９が、抵抗体の伸縮方向に対向しない角度で、複数の寸法増減部材により連結配置され、その寸法増減部材が他の抵抗体にも連結配置する例を示している。
【００９４】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【００９５】
基板２０に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１６、１７、１８、１９の高温状態での伸長を、それぞれΔｌ１６、Δｌ１７、Δｌ１８、Δｌ１９とし、また高温状態での負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６３の収縮は、抵抗体１６と接する側をΔｌ６３６、抵抗体１７と接する側の収縮をΔｌ６３７とする。同様に寸法増減部材６４の収縮もそれぞれΔｌ６４７、Δｌ６４８、寸法増減部材６５の収縮もΔｌ６５８、Δｌ６５９、寸法増減部材６６の収縮もΔｌ６６９、Δｌ６６６とする。抵抗体１６では、抵抗体１６に連結した寸法増減部材の収縮Δｌ６３６、Δｌ６６６を合成したベクトルｄ１１と、抵抗体１６の伸長ベクトルｄ１０を一致させ、抵抗体１６の伸縮を吸収する。同様に、各抵抗体での伸長のベクトルｄ２０、ｄ３０、ｄ４０と収縮のベクトルｄ２１、ｄ３１、ｄ４１をそれぞれ一致させることで、各抵抗体の伸縮を吸収することができる。
【００９６】
空洞上で抵抗体を複数の寸法増減部材により連結配置する形状では、容易に上記実施形態５と同様に空洞上に赤外線吸収部８０を配置し、抵抗体を熱電対と置き換えて赤外線センサとすることもできる。
【００９７】
本実施形態により、機能部材を複数の寸法増減部材で連結支持するため、面で幅広く支持でき、抵抗体のねじれや振動に強い熱型素子を実現することが可能となる。
【００９８】
（実施形態１０）
図１４は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図１４の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図であり、図１４の（ｂ）は、図１４の（ａ）のＸＩＶａ−ＸＩＶｂの断面図である。図１４の（ｃ）は、本実施形態に係る熱型素子の抵抗体１０と寸法増減部材との連結部の一部の例を示している。尚、図１４の（ｃ）では、抵抗パターン上に積層した寸法増減部材は図示していない。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図１４では、基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１０が、抵抗体１０の伸縮方向に対向しない角度で、複数の寸法増減部材と連結配置された例を示している。
【００９９】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【０１００】
空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１０の基板上にある電極部側から張出した抵抗パターン部分をそれぞれＲ１、Ｒ２とし、高温状態におけるそれぞれのパターンの伸長をΔｌ１、Δｌ２とする。また、Ｒ１、Ｒ２を結ぶ抵抗パターン部分をＲ３とし、Ｒ１側とＲ２側への伸長をそれぞれΔｌ３１、Δｌ３２とする。また、負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６７、６８の収縮をΔｌ６７、Δｌ６８で表す。寸法増減部材は抵抗パターンＲ１とＲ３の接点、および抵抗パターンＲ２とＲ３の接点にそれぞれ連結して配置してある。図１４の（ｃ）に示すように、抵抗パターンと寸法増減部材の連結部では、例えば、抵抗パターンＲ２の伸長Δｌ２とＲ３の伸長Δｌ３２を合成したベクトルｄ１０と、寸法増減部材６８のベクトルｄ１１が一致するように配置することで、抵抗パターンの伸長を吸収することができる。
【０１０１】
ここで、本実施形態における抵抗体では、高温状態において抵抗パターンＲ１及びＲ２に抵抗パターンＲ３のパターン長手方向の力も働くため、抵抗パターンＲ３の伸縮が大きくなる場合は、基板からのパターン張出部が変形する。そのため、図１５に示すように抵抗パターンＲ１、Ｒ２の中間にさらに寸法増減部材を連結支持して伸長を分散して吸収することにより、変形を緩和することもできる。
【０１０２】
本実施形態により、機能部材を複数の寸法増減部材で連結支持するため、面で幅広く支持でき強度に優れる熱型素子を実現することが可能となる。
【０１０３】
（実施形態１１）
図１６は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図１６では、基板２０に設けた空洞上に架橋した機能部材となる抵抗体１０が、抵抗体１０の伸縮方向に対向しない角度で、複数の寸法増減部材と連結支持された例を示している。
【０１０４】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【０１０５】
基板２０に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する円形状の抵抗体１０は、空洞上での伸び縮みが可能となり、高温状態では基板上の電極部４０から張出した先端側へ伸長する。負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０は、抵抗体１０の伸縮方向に対向しない角度で複数の箇所で連結し、抵抗体１０に連結しない側の端は基板に接続している。抵抗体１０の伸縮方向に対向しない角度で複数の箇所で連結した寸法増減部材６０は、抵抗体１０の伸長をそれぞれ吸収し、全体の伸縮を分散して吸収する。本実施形態では、温度分布に応じて伸縮の大きい先端側に向かうほど、寸法増減部材の架橋長さをＬ１、Ｌ２、Ｌ３と順次長くして伸縮を吸収している例を示す。
【０１０６】
本実施形態により、機能部材を複数の寸法増減部材で連結支持するため、面での支持となり温度変化に対しても変形しにくくし、強度を向上させることが可能となる。また、機能部材を連結支持する部分に、機能部材とは極性の異なる熱膨張係数を有する寸法増減部材を用い、機能部材の熱膨張を吸収することにより、安定した熱型素子を実現することが可能となる。
【０１０７】
尚、上記各実施形態を組み合わせることもかのうである。例えば、寸法増減部材の配置として、抵抗体の伸縮方向に対向する配置と抵抗体の伸縮方向に対向しない角度の配置とを組み合わせ、抵抗体と複数の寸法増減部材とを連結支持して、熱容量の付加をできるだけ小さくし、支持強度に優れた熱型素子とすることも可能である。
【０１０８】
（実施形態１２）
図１７は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す。図１７の（ａ）は、本実施形態に係る熱型素子の概略構成例を示す平面図であり、図１７の（ｂ）は、図１７の（ａ）のＸＶＩＩａ−ＸＶＩＩｂの断面図である。図中の矢印は、熱膨張による伸縮を表している。図１７では、基板２０に設けた空洞上に架橋した抵抗体１０が絶縁膜５０で覆われ複数の材料層で構成される機能部材に、その伸縮方向に対向して寸法増減部材６０を連結配置する例を示す。
【０１０９】
本実施形態に係る熱型素子における温度変化に伴う伸縮の吸収について説明する。
【０１１０】
基板２０に設けた空洞上に架橋した正の熱膨張係数を有する抵抗体１０と、その抵抗体１０を絶縁膜５０により挟んだ構造の機能部材は、空洞上で伸縮が可能となるため、高温状態では抵抗体１０の折り返し部のある発熱または感熱部材の先端側へΔｌ伸長する。負の熱膨張係数を有する寸法増減部材６０は、基板側へ収縮するため、抵抗体１０と寸法増減部材６０とを連結配置した部分の収縮を伸長と一致させることで、複数の材料層で構成される機能部材の伸縮を吸収することができる。
【０１１１】
また、図１８に示すように、寸法増減部材６０を絶縁膜５０に連結して支持しても、機能部材の伸縮を吸収することができる。
【０１１２】
ここで、機能部材が単一の材料層からなる場合、材料の熱膨張係数に応じて、材料層の伸縮が生じ、材料の熱膨張係数に対応させた連結支持をすることが必要である。他方、機能部材が複数の材料層で構成されている場合には、単一の材料層からなる場合と異なり、各材料層の温度に応じた性質の違いにより、伸縮だけではなく、反り曲がりやねじれを生じてしまう。また、単一の材料層では成膜時の成膜速度や温度などの作製条件や膜厚により残留応力を低減させる工夫が必要であり、成膜条件あるいは形状に制限があった。他方、複数の材料層では、材料の熱膨張係数が大きく異ならないことや、成膜時の成膜速度や温度などの作製条件や膜厚を調節し残留応力の微妙なバランスを保つようにさせる工夫がさらに必要であり、材料の種類や成膜条件あるいは形状に制限があった。本実施形態では、機能部材を寸法増減部材で連結支持するので、機能部材を複数の材料層で構成する場合であっても、温度変化により発生する構成材料やその作製条件等による反りやねじれなどの変形も防止できる。
【０１１３】
本実施形態により、機能部材を連結支持する部分に機能部材とは極性の異なる熱膨張係数を有する寸法増減部材を用い、機能部材の熱膨張を吸収することにより、安定した熱型素子が可能となる。また、より多種の材料の組み合わせ、および制御範囲の広い生産条件が適用でき、多種多様な熱型素子を実現することが可能となる。
【０１１４】
以上好適な実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上述した熱型素子及び熱型素子の製造方法に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であるということは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
本発明に係る熱型素子は、発熱素子や感熱素子として利用することができる。発熱素子としては、例えば、ガスセンサの触媒や金属酸化物半導体を高速で加熱するために用いられるマイクロヒータに適用することができる。また、微小量の化学合成を行うためのコンビナトリアルマイクロデバイスのマイクロヒータ、バイオ、医療分野におけるマイクロチップとして、ＤＮＡ等に熱サイクルを与えるＰＣＲ操作のために組み込まれたマイクロヒータ、タンパク質と反応させるマイクロリアクターに組み込まれたマイクロヒータとしても適用することができる。また、ジュール発熱による以外の発熱機構としては、発熱部の温度制御を行うマイクロペルチェ機構を集積し、発熱したり冷却させたりすることにより、露点センサとして応用することもできる。
【０１１６】
他方、感熱素子としては、例えば、雰囲気の温度センサ、流体の流速と熱伝導との関係を利用したサーマルフローセンサ、気体密度と熱伝導との関係を利用した気体圧力センサ、雰囲気が受ける加速度による熱移動を利用した加速度センサ、気体の熱伝導率を利用したガスセンサ等に適用することができる。また、光吸収にともなう温度上昇を直接検出する熱電対型素子（サーモパイル）、電気分極の変化として検出する焦電型素子、素子の温度上昇を抵抗変化として検出するボロメータ等の赤外線センサにも適用することができる。さらに、ガスや液体の成分分析装置においては、これらの発熱素子や感熱素子を複合して用いることができる。
【符号の説明】
【０１１７】
１０ 抵抗体
２０ 基板
２１ 絶縁基板
３０ 空洞
４０ 電極部
５０ 絶縁膜
６０ 寸法増減部材
７０ 接続部材
８０ 赤外線吸収部
９１ 熱電対
９２ 熱電対
９３ 熱電対
９１１ 熱電対パターン
９１２ 熱電対パターン
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１１８】
【特許文献１】特許第２８８９９０９号公報
【特許文献２】特許第４１２７６９７号公報
【特許文献３】特開平０８−２６４８４４号公報
【特許文献４】特開２００６−２８１７６６号公報
【特許文献５】特許第３７１７３４２号公報
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に設けた空洞上に薄層を架橋する構造の熱型素子であって、
温度によって寸法が変化する機能部材と、
前記機能部材の寸法の変化を吸収するように、温度によって寸法が変化する寸法増減部材と、を備え、
前記機能部材と前記寸法増減部材とは、前記基板に設けられた空洞上に連結架橋されることを特徴とする熱型素子。
【請求項２】
少なくとも１つ以上の前記寸法増減部材は、前記機能部材の伸縮方向に対向するように前記機能部材と連結されていることを特徴とする請求項１記載の熱型素子。
【請求項３】
少なくとも１つ以上の前記寸法増減部材は、前記機能部材の伸縮方向に対向する以外の角度で前記機能部材と連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱型素子。
【請求項４】
前記寸法増減部材は、前記機能部材の温度分布に基づいて寸法と連結位置とが決定されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の熱型素子。
【請求項５】
接続部材をさらに備え、
前記機能部材と寸法増減部材とは、前記接続部材を介して前記基板に設けられた空洞上に連結架橋されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の熱型素子。
【請求項６】
前記機能部材は、正の熱膨張係数を有し、
前記寸法増減部材は、負の熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の熱型素子。
【請求項７】
前記機能部材は、少なくとも１つの以上の材料層からなることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の熱型素子。
【請求項８】
前記機能部材は、少なくとも発熱手段及び冷却手段の何れかを有することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の熱型素子。
【請求項９】
前記機能部材は、熱を検出する熱検出手段を有することを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の熱型素子。
【請求項１０】
基板上に、温度によって寸法が変化する機能部材を形成する機能部材形成ステップと、
前記基板上に、前記機能部材の寸法の変化を吸収するように温度によって寸法が変化する寸法増減部材を、前記機能部材と連結して形成する寸法増減部材形成ステップと、
前記機能部材と前記寸法増減部材とが空洞上に連結架橋されるように、前記基板に空洞を形成する空洞形成ステップと、を備えることを特徴とする熱型素子の製造方法。
【請求項１１】
前記寸法増減部材形成ステップは、少なくとも１つ以上の前記寸法増減部材を前記機能部材の伸縮方向に対向するように形成することを特徴とする請求項１０記載の熱型素子の製造方法。
【請求項１２】
前記寸法増減部材形成ステップは、少なくとも１つ以上の前記寸法増減部材を前記機能部材の伸縮方向に対向する以外の角度で形成することを特徴とする請求項１０又は１１記載の熱型素子の製造方法。
【請求項１３】
前記寸法増減部材形成ステップは、前記機能部材の温度分布に基づいて、前記寸法増減部材の寸法及び前記機能部材との連結位置を決定することを特徴とする請求項１０から１２の何れか１項に記載の熱型素子の製造方法。
【請求項１４】
接続部材を形成する接続部材形成ステップをさらに備え、
前記接続部材は、前記機能部材と前記寸法増減部材とを連結することを特徴とする請求項１０から１３の何れか１項に記載の熱型素子の製造方法。
【請求項１】
基板に設けた空洞上に薄層を架橋する構造の熱型素子であって、
温度によって寸法が変化する機能部材と、
前記機能部材の寸法の変化を吸収するように、温度によって寸法が変化する寸法増減部材と、を備え、
前記機能部材と前記寸法増減部材とは、前記基板に設けられた空洞上に連結架橋されることを特徴とする熱型素子。
【請求項２】
少なくとも１つ以上の前記寸法増減部材は、前記機能部材の伸縮方向に対向するように前記機能部材と連結されていることを特徴とする請求項１記載の熱型素子。
【請求項３】
少なくとも１つ以上の前記寸法増減部材は、前記機能部材の伸縮方向に対向する以外の角度で前記機能部材と連結されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の熱型素子。
【請求項４】
前記寸法増減部材は、前記機能部材の温度分布に基づいて寸法と連結位置とが決定されることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の熱型素子。
【請求項５】
接続部材をさらに備え、
前記機能部材と寸法増減部材とは、前記接続部材を介して前記基板に設けられた空洞上に連結架橋されることを特徴とする請求項１から４の何れか１項に記載の熱型素子。
【請求項６】
前記機能部材は、正の熱膨張係数を有し、
前記寸法増減部材は、負の熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１から５の何れか１項に記載の熱型素子。
【請求項７】
前記機能部材は、少なくとも１つの以上の材料層からなることを特徴とする請求項１から６の何れか１項に記載の熱型素子。
【請求項８】
前記機能部材は、少なくとも発熱手段及び冷却手段の何れかを有することを特徴とする請求項１から７の何れか１項に記載の熱型素子。
【請求項９】
前記機能部材は、熱を検出する熱検出手段を有することを特徴とする請求項１から８の何れか１項に記載の熱型素子。
【請求項１０】
基板上に、温度によって寸法が変化する機能部材を形成する機能部材形成ステップと、
前記基板上に、前記機能部材の寸法の変化を吸収するように温度によって寸法が変化する寸法増減部材を、前記機能部材と連結して形成する寸法増減部材形成ステップと、
前記機能部材と前記寸法増減部材とが空洞上に連結架橋されるように、前記基板に空洞を形成する空洞形成ステップと、を備えることを特徴とする熱型素子の製造方法。
【請求項１１】
前記寸法増減部材形成ステップは、少なくとも１つ以上の前記寸法増減部材を前記機能部材の伸縮方向に対向するように形成することを特徴とする請求項１０記載の熱型素子の製造方法。
【請求項１２】
前記寸法増減部材形成ステップは、少なくとも１つ以上の前記寸法増減部材を前記機能部材の伸縮方向に対向する以外の角度で形成することを特徴とする請求項１０又は１１記載の熱型素子の製造方法。
【請求項１３】
前記寸法増減部材形成ステップは、前記機能部材の温度分布に基づいて、前記寸法増減部材の寸法及び前記機能部材との連結位置を決定することを特徴とする請求項１０から１２の何れか１項に記載の熱型素子の製造方法。
【請求項１４】
接続部材を形成する接続部材形成ステップをさらに備え、
前記接続部材は、前記機能部材と前記寸法増減部材とを連結することを特徴とする請求項１０から１３の何れか１項に記載の熱型素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公開番号】特開２０１０−２７８１４２（Ｐ２０１０−２７８１４２Ａ）
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−１２７９１５（Ｐ２００９−１２７９１５）
【出願日】平成２１年５月２７日（２００９．５．２７）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年１２月９日（２０１０．１２．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年５月２７日（２００９．５．２７）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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