JP2004037180A

JP2004037180A - Integrated sensor device

Info

Publication number: JP2004037180A
Application number: JP2002192976A
Authority: JP
Inventors: Katsunori Michiyama; 道山　勝教
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2002-07-02
Filing date: 2002-07-02
Publication date: 2004-02-05

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an integrated sensor device having a moisture sensor and a gas sensor whose structure of a body can be miniaturized. <P>SOLUTION: The sensor device comprises a gas sensor section for detecting gas concentration due to a change in the resistance of a gas-sensitive film 16 that is heated by a heater 12; and a moisture sensing section for detecting moisture due to a change in the resistance of the heated heater 12 itself. In the sensor device, both the sensors are integrated on the same semiconductor substrate 9 by sharing the heater 12. In this manner, in the integrated sensor device 1, the structure of the body of a sensor chip 4 having two different sensor functions can be miniaturized by sharing the heaters 12. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一の基板上に湿度センサ及びガスセンサを形成した集積化センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造技術を用いて製造された半導体式ガスセンサは、現在様々な分野で用いられている。例えば、半導体式ガスセンサの用途の一例として、車両用空気調和装置の内外気の切り替え制御に用いられる場合がある。すなわち、先行する自動車の排気ガス等を半導体式ガスセンサで検出し、その検出結果に基づいて内・外気導入の切り替えを自動で行う。
【０００３】
この半導体式ガスセンサは、ヒータにより加熱され活性化した感ガス膜に吸着した酸素と、対象ガスとの間で起こる酸素の吸脱着に伴う電気伝導度の変化を、抵抗値変化として捉える事でガス濃度を検出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上述したガスセンサは、感ガス膜が湿度による影響を受けて感度が変化するため、別途湿度センサを設け、湿度に応じた感度補正を行うことが好ましい。しかしながら、ガスセンサの補正用に湿度センサを別途設けた場合、センサ装置の体格がかなり大型化してしまうといった問題がある。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑み、体格を小型化することが可能な、湿度センサ及びガスセンサを備えた集積化センサ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為に、請求項１に記載の集積化センサ装置は、湿度センサ部として、基板上に形成されつつ通電により発熱すると共に、雰囲気中の湿度に応じてその発熱温度が変化するヒータと、ヒータの発熱温度に応じた抵抗値変化を検出する第１検出部とを備え、ガスセンサ部として、基板上に形成されたヒータ上に形成され、雰囲気中のガス濃度に応じて抵抗値が変化する感ガス膜と、感ガス膜の抵抗値変化を検出する第２検出部とを備えており、両センサとでヒータを共用したことを特徴とする。
【０００７】
このように、本発明の集積化センサ装置は、基板上に２種類の異なる湿度センサ部とガスセンサ部を設けながら、両センサ部のヒータ同士を共用することにより、センサ装置全体の体格を小型化することができる。また、ヒータ同士を共用することにより、お互いのセンサ同士が近傍に存在するため、湿度センサがガスセンサの感度補正のための湿度の検出を精度良く実施することが可能である。
【０００８】
請求項２に記載のように、集積化センサ装置は、基板上にガスセンサ部及び湿度センサ部と同様の構成を有する基準センサ部を有し、且つ基準センサ部はヒータ及び感ガス膜を、雰囲気中の湿度及びガスと遮断するための封止材を備えることが好ましい。
【０００９】
このような構成によれば、基準センサ部は湿度及びガスに晒される事が無く、ヒータ及び感ガス膜は常に安定した抵抗値を示すことができる。そして、その値とセンサ部において湿度及びガスを検出したヒータ及び感ガス膜の抵抗値とを比較することにより、湿度及びガス濃度を精度良く検出することができる。
【００１０】
請求項３に記載のように、共用されたヒータが形成される基板部位が、基板の他の部位の厚さよりも薄い薄肉部となり、更にその薄肉部の一部に連通孔を形成することで、その連通孔を介して薄肉部の両サイドの空間が連通されていることが好ましい。
【００１１】
このようにセンサ部及び基準センサ部ともに、ヒータが形成される部位の基板厚さが他の部位の厚さよりも薄肉となるように形成されていることで、ヒータの熱容量を小さくすることができ、ヒータの湿度センサとしての感度を向上することができる。また、薄肉部の一部に薄肉部上部の空間と薄肉部下部の空間とを連通する連通孔が形成されることで、連通孔を介して水分を伴った空気が行き来することができる。従って、薄肉部下部表面にも水分が付着することができ、その結果、湿度を感度良く検出することができる。
【００１２】
請求項４に記載のように、基準センサ部の感ガス膜、ヒータ及び連通孔を密閉空間に閉じ込めるように、基板上に封止材が形成されることが好ましい。薄肉部下部の空間は連通孔を介して基準センサ部上部の空間とのみ連通している。従って、基準センサ部の上部空間を封止するように周辺に封止材を形成することで、感ガス膜、ヒータ及び連通孔のみならず、下部空間も封止することができる。その結果、基準センサ部は雰囲気中の湿度及びガスの影響を受けることは無く、常に安定した抵抗値を与えることができる。
【００１３】
請求項５に記載のように、基板はシリコンからなる半導体基板であることが好ましい。例えば、ヒータが形成される部位の基板を薄肉にするには、ヒータ下部の基板をエッチングにより除去する方法が考えられる。そこで、シリコンからなる半導体基板を基板として用いた方が、既存の半導体製造技術により所定の形状にエッチング加工を行いやすく、またシリコン基板表面に絶縁層を設けやすいため有利である。
【００１４】
請求項６に記載のように、半導体基板上に半導体回路として、第１検出部及び第２検出部を含む動作回路部を構成しても良い。このような構成を有すことで、センサ部或いは基準センサ部と動作回路部の接続配線を短縮することができ、集積センサ装置を更に小型化することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態における集積化センサ装置の断面図である。先ず、集積化センサ装置の構成を下記に示す。
【００１６】
集積化センサ装置１は、台座（以下ステムという）２上に例えば銀ペースト等の接着層３を介してセンサチップ４が接合されている。ステム２には、複数本の外部出力端子５（図１では１本のみ図示）が貫通する状態で配置されており、センサチップ４と外部出力端子５はボンディングワイヤ６によって電気的に接続されている。また、ステム２の周囲部には、ステム２に対して密着固定されたキャップ（以下ＣＡＰという）７が配置され、ＣＡＰ７の内部にセンサチップ４等が配置された構造を有している。ＣＡＰ７の上部中央付近にはフィルタ８が設置されており、外部からガス及び湿気を伴った空気がフィルタ８を通してＣＡＰ７の内部に侵入する。
【００１７】
次にセンサチップ４について図２を用いて詳細に説明する。図２に示すように、センサチップ４は半導体基板９を備えている。この半導体基板９としては、例えばシリコン基板を用いることができる。尚、半導体基板９以外にもセラミック基板等を用いても良い。半導体基板９の上面には例えばシリコン窒化膜からなる絶縁層１１が形成されており、また、絶縁層１１は所定の範囲が薄肉となるように加工されている。その絶縁層１１の薄肉部には、例えばプラチナからなるヒータ１２が例えば蛇行パターン状に形成され、そのヒータ１２の両端部に接続するように例えば銅からなる一対の配線１３が形成されている。外部出力端子５と接続されるボンディングワイヤ６は、その配線１３と電気的に接続された動作回路部１４と電気的に接続される。しかし、動作回路部１４を外付けする場合は、ボンディングワイヤ６は配線１３と直接電気的に接続されても良い。
【００１８】
また、半導体基板９には、ヒータ１２の形成位置における絶縁層１１と半導体基板９とからなる基板厚さが、他の部位の基板厚さよりも薄い薄肉部となるよう、例えば溝部１０が形成されている。この溝部１０は図示しない連通孔によりセンサ部上部の空間と連通しており、フィルタ８を通して進入してきた雰囲気中の湿度及びガスが、連通孔を介して溝部１０内に充満される。尚、溝部１０は、その一方の面をステム２により封止されている。従って、半導体基板９が接着層３を介してステム２に接合されることにより、上述した連通孔を介してのみセンサ部上部の空間と連通する。
【００１９】
ヒータ１２は溝部１０に一面が露出する絶縁層１１部分に形成されている。すなわち、ヒータ１２の形成部位における絶縁層１１と半導体基板９とからなる基板は、他の部位よりも薄肉化されている。従って、ヒータ１２の熱容量を小さくすることができるため、湿度センサとしてのセンサ感度を向上することができる。尚、湿度センサの機能については後述する。
【００２０】
さらに、ヒータ１２、配線１３上にはパッシベーション膜１５が形成され、このパッシベーション膜１５は例えばシリコン窒化膜が用いられる。このパッシベーション膜１５上の所定の領域、好ましくはヒータ１２の鉛直上に、例えば酸化錫からなる感ガス膜１６と感ガス膜１６の抵抗値変化を取り出すための電極１７が形成されている。すなわち、この感ガス膜１６を主要部としてガスセンサが構成される。尚、ガスセンサの機能については後述する。
【００２１】
ここで図１，２に示すように、センサチップ４は２個のセンサ構造Ａ，Ｂを有している。Ａはセンサ部、Ｂは基準センサ部であり、基準センサ部Ｂのみがその周囲を封止材１８により封止されている。尚、センサ構造自体は、センサ部Ａと基準センサ部Ｂとで全く同一である。封止材１８は基準センサ部Ｂの配線１３を含む絶縁膜１１上に接着剤１９により固定される。封止材１８の内部には、基準センサ部Ｂのヒータ１２、感ガス膜１６及び溝部１０に連通した図示されない連通孔等が内包されている。この封止材１８により、雰囲気中の湿度及びガスといった外気が、封止材１８内のセンサ部に対して完全に遮断された状態となっており、封止材１８内は、例えば乾燥空気が封入されている。更に、基準センサ部Ｂにおける溝部１０は、図示されない連通孔を介して感ガス膜１６の上部空間と連通されているが、感ガス膜１６上部の空間が封止材１８により雰囲気中の湿度及びガスと遮断されているため、溝部１０も湿度及びガスによる影響は受けない状態となっている。
【００２２】
次に、集積化センサ装置１の製造方法の一例の概略を説明する。尚、本センサ装置１は半導体製造技術を利用して形成される。本センサ装置１は、少なくとも２つのセンサ構造Ａ，Ｂを有し、一方は雰囲気中の湿度及びガスを検出するセンサ部Ａであり、他方はセンサ部Ａと同一のセンサ構造を有しつつ封止材１８により湿度およびガスと遮断された基準センサ部Ｂである。これらは、一部（基準センサ部Ｂの封止材１８）を除き、同一の構造を有するので、同一工程でほぼ同時に形成されることが好ましい。
【００２３】
半導体基板９として例えばシリコン基板を用い、その上面に例えば気相成長法により、シリコン窒化膜といった絶縁層１１を形成する。そして、半導体基板９における溝部１０の形成領域に対応する絶縁層１１部分に対して、例えばエッチング処理を施すことにより、薄肉部を形成する。絶縁層１１の薄肉部内に、プラチナや或いはポリシリコン等を用いたヒータ１２が、例えば蛇行状に形成される。そして、ヒータ１２の両端に夫々電気的に接続される配線１３が例えばスパッタ法により所定の形状に形成される。
【００２４】
配線１３の形成後、ヒータ１２及び配線１３の上部にパッシベーション膜１５として、例えばシリコン窒化膜を気相成長により形成する。次に、シリコン基板の下面（非センサ部側面）に、例えば気相成長により図示しないシリコン窒化膜或いはシリコン酸化膜を形成し、フォトエッチングにより所定の形状にパターニングする。その後、残されたシリコン窒化膜等をマスクとし、シリコン基板をＫＯＨ水溶液等により異方性エッチングする。そして、溝部１０を形成することにより、ヒータ１２の形成部位における半導体基板９と絶縁層１１とからなる基板を薄肉化する。
【００２５】
溝部１０の形成後、パッシベーション膜１５上の所定の領域に、例えば酸化錫からなる感ガス膜１６と感ガス膜１６の抵抗値変化を電気信号として取り出すための電極１７を形成する。その後基準センサ部Ｂのみ、基準センサ部Ｂを覆うように封止材１８を例えば接着剤を用いて固定し、封止材１８内の基準センサ部Ｂに雰囲気中の湿度及びガスの影響が無いようにする。尚、封止材１８内は、感ガス膜１６として酸素の吸脱着による抵抗変化をみる酸化錫等を用いる場合、例えば乾燥空気が封入されるが、使用される感ガス材に合わせて種々用いられるものとする。その後、ウエハ上のシリコン基板９をダイシングにより切り分ける。
【００２６】
続いて、ステム２上にセンサチップ４を例えば接着層３として銀ペースト等を用いて接着し、さらに、ボンディングワイヤ６により外部出力端子５と配線１３に電気的に接続された動作回路１４の端子が電気的に接続される。しかし、動作回路部１４を外付けする場合は、ボンディングワイヤ６と配線１３とが直接接続されても良い。その後、ＣＡＰ７を配置し例えばシール溶接する。尚、ＣＡＰ７の上部中央付近には、センサ表面にゴミ、埃等不必要なものの進入を阻害するためにフィルタ８が設置されている。
【００２７】
次に、センサ部Ａ及び基準センサ部Ｂによる湿度及びガス検出原理について説明する。
【００２８】
湿度の検出の際、センサ部Ａ及び基準センサ部Ｂのヒータ１２が通電され夫々所定の温度まで加熱される。このとき、センサ部Ａ，基準センサ部Ｂは共に溝部１０を有する薄肉構造を有しており、それによりヒータ１２の熱容量を小さくしている。そして、フィルタ８を通して湿度を伴った空気が進入してくると、センサ部Ａの感ガス膜１６等表面に水分が付着し、それと共に連通孔を介して溝部１０内にも水分を伴った空気が充満し、ヒータ１２下部の絶縁層１１表面にも水分が付着する。その結果、付着した水分の気化熱によりセンサ部Ａのヒータ１２の温度が低下する。その温度変化に応じてセンサ部Ａのヒータ抵抗が変化する。すなわち、ヒータ１２の温度変化（温度の低下）は、ヒータ１２の周囲に付着する水分量（湿度）と相対関係にあるため、その温度変化に対応して変化するヒータ１２の抵抗値から湿度を検出することができる。尚、本実施例では、センサ部Ａのヒータ１２の抵抗値変化を検出するため、基準センサ部Ｂのヒータ１２とともにブリッジ回路を構成し、そのブリッジ回路の中点電位を検出することによって湿度を求める。このブリッジ回路を含む第１検出部については後に詳細を説明する。
【００２９】
一方、ガス濃度の検出の際、センサ部Ａ，基準センサ部Ｂ共に感ガス膜１６がヒータ１２により、例えば４００℃程度まで加熱される。これにより感ガス膜１６が活性化され、感ガス膜１６表面に酸素が吸着される。このとき、感ガス膜１６中の自由電子が膜表面に吸着した酸素にトラップされるため、感ガス膜１６の電気抵抗が増大する。次に、フィルタ８を通して、例えば一酸化炭素等のガスが進入してくると、センサ部Ａにて感ガス膜１６表面で吸着していた酸素とガスの間で酸化反応が起こり、その結果吸着酸素量が減少して、感ガス膜１６の電気抵抗は減少する。このように、ガス濃度の変化は感ガス膜１６の抵抗値変化に対応する。従って、センサ部Ａの感ガス膜１６の抵抗値変化からガス濃度を求めることができる。尚、センサ部Ａの感ガス膜１６の抵抗値変化を検出するため、前述の湿度検出の場合と同様に、基準センサ部Ｂの感ガス膜１６とともにブリッジ回路を構成し、そのブリッジ回路を含む第２検出部にてガス濃度を求める。
【００３０】
このように、本発明における集積化センサ装置１は、図１，２に示すように同一半導体基板９上に、湿度センサ部及びガスセンサ部を形成しており、それにより２つのセンサを別基板で形成する集積化センサ装置より体格が小型化されている。さらに、両センサのヒータ１２を共用したことにより、湿度及びガスセンサ部をほぼ一体化でき、さらに体格が小型化できる。また、ヒータ１２の共用により，ガスセンサ部の近傍に湿度センサ部が存在するため、ガスセンサの湿度による感度補正を精度良く実施することができ、例えば自動車用のエアクオリティセンサとしても非常に有効である。
【００３１】
更に、図１で示すように、集積化センサ装置１の半導体基板９上に、例えば第１検出部及び第２検出部を含む半導体回路としての動作回路部１４を組み込むことも可能である。その結果、配線１３やボンディングワイヤ６等の各接続部材の長さを短縮することができ、断線等の危険度を低減する事もできる。尚、上記湿度センサ部はガスセンサ部の湿度補正のみならず、自動車のエアコン制御にも使用することができる。
【００３２】
次に、湿度検出回路としての第１検出部の回路構成を図３に示す。
【００３３】
図３に示すように、第１検出部はセンサ部Ａのヒータ１２（抵抗ｒＡ）と基準センサ部Ｂのヒータ１２（抵抗ｒＢ）を用いて構成したブリッジ回路を備える。すなわちこのブリッジ回路、センサ部Ａのヒータ抵抗ｒＡと、基準センサ部Ｂのヒータ抵抗ｒＢとが直列に接続されるとともに、その直列に接続されたヒータ抵抗ｒＡ，ｒＢが直列接続された任意の固定抵抗ｒ１，ｒ２に対して並列接続されている。
【００３４】
ここで、ｒＡは湿度を検出し変化した後の値を示すものとすると、
【００３５】
【数１】ｒＡ＝ｒＢ＋ｘ
と示すことができる。但し、ｘは湿度による抵抗変化分を示す。
【００３６】
またこのとき、ｒ１＝ｒ２としブリッジ回路に定電圧Ｖを印加すると、出力として得られる電圧Ｖｏｕｔは、
【００３７】
【数２】Ｖｏｕｔ＝ｒＢ×Ｖ／（２ｒＢ＋ｘ）−Ｖ／２
として示すことができる。従って、湿度による抵抗変化ｘに対応して、電圧Ｖｏｕｔは変化し、電圧Ｖｏｕｔを検出することによって湿度を求めることができる。
【００３８】
また、第２検出部においても、図３に示す湿度検出回路同様のブリッジ回路を構成することにより、ブリッジ回路の出力電圧値からガスの濃度を検出することができる。
【００３９】
尚、本例においては、シリコン基板の下部からエッチングをすることにより溝部１０を形成し、ヒータ１２の形成位置における基板の厚さを薄肉化する例を示した。しかしシリコン基板の上部からエッチングを行い、ヒータ１２の形成位置直下のシリコン基板を除去して、ヒータ１２の形成部位を薄肉化しても良い。
【００４０】
また、本例では湿度センサとガスセンサの共有化を図ったが、これ以外でもヒータを用いるタイプのセンサと組み合わせることが可能で、例えば熱式流量センサ等と上記湿度センサ或いはガスセンサを組合せても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における集積センサ装置の断面図である。
【図２】図１におけるセンサチップ拡大図である。
【図３】湿度センサ部の検出例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１・・・集積化センサ装置、４・・・センサチップ、９・・・半導体基板、１０・・・溝部、１１・・・絶縁層、１２・・・ヒータ、１３・・・配線、１４・・・動作回路部、１５・・・パッシベーション膜、１６・・・感ガス膜、１７・・・電極、１８・・・封止材、Ａ・・・センサ部、Ｂ・・・基準センサ部[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an integrated sensor device in which a humidity sensor and a gas sensor are formed on the same substrate.
[0002]
[Prior art]
Semiconductor gas sensors manufactured using semiconductor manufacturing technology are currently used in various fields. For example, as an example of an application of a semiconductor gas sensor, there is a case where it is used for switching control of inside and outside air of a vehicle air conditioner. That is, the exhaust gas of the preceding automobile is detected by the semiconductor gas sensor, and the switching between the inside and outside air is automatically performed based on the detection result.
[0003]
This semiconductor-type gas sensor detects the change in electrical conductivity due to the adsorption and desorption of oxygen between the target gas and oxygen adsorbed on the gas-sensitive film heated and activated by the heater as a change in resistance. Detect concentration.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Here, in the above-described gas sensor, since the sensitivity of the gas-sensitive film changes due to the influence of humidity, it is preferable to separately provide a humidity sensor and perform sensitivity correction according to the humidity. However, when a humidity sensor is separately provided for correcting the gas sensor, there is a problem that the physical size of the sensor device is considerably increased.
[0005]
The present invention has been made in view of the above problems, and has as its object to provide an integrated sensor device including a humidity sensor and a gas sensor, which can be downsized.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the integrated sensor device according to claim 1, as a humidity sensor unit, generates heat by energization while being formed on a substrate, and changes the heat generation temperature according to humidity in the atmosphere. A heater, and a first detector for detecting a change in resistance according to the temperature of the heater; formed as a gas sensor on a heater formed on the substrate; And a second detection unit for detecting a change in the resistance value of the gas-sensitive film, wherein both sensors share a heater.
[0007]
As described above, the integrated sensor device of the present invention reduces the physical size of the entire sensor device by providing the two types of different humidity sensor units and gas sensor units on the substrate and sharing the heaters of both sensor units. can do. Further, since the heaters are shared, the sensors are located close to each other, so that the humidity sensor can accurately detect the humidity for correcting the sensitivity of the gas sensor.
[0008]
As described in claim 2, the integrated sensor device has a reference sensor unit having the same configuration as the gas sensor unit and the humidity sensor unit on the substrate, and the reference sensor unit is provided with a heater and a gas-sensitive film for controlling the atmosphere and the atmosphere. It is preferable to provide a sealing material for blocking humidity and gas inside.
[0009]
According to such a configuration, the reference sensor section is not exposed to humidity and gas, and the heater and the gas-sensitive film can always exhibit stable resistance values. Then, the humidity and the gas concentration can be detected with high accuracy by comparing the values with the resistance values of the heater and the gas-sensitive film that detected the humidity and the gas in the sensor unit.
[0010]
As described in claim 3, the substrate portion where the shared heater is formed becomes a thin portion thinner than the thickness of other portions of the substrate, and further, a communication hole is formed in a part of the thin portion. It is preferable that the space on both sides of the thin portion is communicated through the communication hole.
[0011]
As described above, since the sensor portion and the reference sensor portion are formed so that the substrate thickness of the portion where the heater is formed is thinner than the thickness of the other portions, the heat capacity of the heater can be reduced. The sensitivity of the heater as a humidity sensor can be improved. In addition, since a communication hole that connects the space above the thin portion and the space below the thin portion is formed in a part of the thin portion, air with moisture can flow back and forth through the communication hole. Therefore, moisture can also adhere to the lower surface of the thin portion, and as a result, humidity can be detected with high sensitivity.
[0012]
As described in claim 4, it is preferable that a sealing material is formed on the substrate so that the gas-sensitive film, the heater, and the communication hole of the reference sensor unit are confined in the closed space. The space below the thin portion communicates only with the space above the reference sensor via the communication hole. Therefore, by forming a sealing material around the reference sensor so as to seal the upper space, not only the gas-sensitive film, the heater, and the communication hole but also the lower space can be sealed. As a result, the reference sensor is not affected by humidity and gas in the atmosphere, and can always provide a stable resistance value.
[0013]
Preferably, the substrate is a semiconductor substrate made of silicon. For example, in order to reduce the thickness of the substrate where the heater is formed, a method of removing the substrate below the heater by etching is considered. Therefore, it is advantageous to use a semiconductor substrate made of silicon as a substrate because it is easy to perform etching into a predetermined shape by an existing semiconductor manufacturing technique and it is easy to provide an insulating layer on the surface of the silicon substrate.
[0014]
As described in claim 6, an operation circuit unit including a first detection unit and a second detection unit may be configured as a semiconductor circuit on a semiconductor substrate. With such a configuration, the connection wiring between the sensor unit or the reference sensor unit and the operation circuit unit can be reduced, and the integrated sensor device can be further downsized.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(First Embodiment)
FIG. 1 is a sectional view of the integrated sensor device according to the present embodiment. First, the configuration of the integrated sensor device will be described below.
[0016]
In the integrated sensor device 1, a sensor chip 4 is bonded to a base (hereinafter referred to as a stem) 2 via an adhesive layer 3 such as a silver paste. A plurality of external output terminals 5 (only one is shown in FIG. 1) are arranged in the stem 2 so as to pass therethrough. The sensor chip 4 and the external output terminals 5 are electrically connected by bonding wires 6. I have. Further, a cap (hereinafter referred to as CAP) 7 which is tightly fixed to the stem 2 is arranged around the stem 2, and has a structure in which the sensor chip 4 and the like are arranged inside the CAP 7. A filter 8 is installed near the upper center of the CAP 7, and air with gas and moisture from the outside enters the CAP 7 through the filter 8.
[0017]
Next, the sensor chip 4 will be described in detail with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the sensor chip 4 has a semiconductor substrate 9. As the semiconductor substrate 9, for example, a silicon substrate can be used. Note that a ceramic substrate or the like may be used instead of the semiconductor substrate 9. An insulating layer 11 made of, for example, a silicon nitride film is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 9, and the insulating layer 11 is processed so that a predetermined range becomes thin. In the thin portion of the insulating layer 11, a heater 12 made of, for example, platinum is formed in, for example, a meandering pattern, and a pair of wires 13 made of, for example, copper are formed so as to be connected to both ends of the heater 12. The bonding wire 6 connected to the external output terminal 5 is electrically connected to the operation circuit unit 14 electrically connected to the wiring 13. However, when the operation circuit section 14 is externally attached, the bonding wire 6 may be directly electrically connected to the wiring 13.
[0018]
Further, the semiconductor substrate 9 is formed with, for example, a groove 10 so that the thickness of the substrate composed of the insulating layer 11 and the semiconductor substrate 9 at the position where the heater 12 is formed becomes a thinner portion than the thickness of the substrate at other portions. ing. The groove 10 communicates with the space above the sensor unit through a communication hole (not shown), and the humidity and gas in the atmosphere entering through the filter 8 are filled in the groove 10 through the communication hole. The groove 10 has one surface sealed with the stem 2. Therefore, when the semiconductor substrate 9 is joined to the stem 2 via the adhesive layer 3, the semiconductor substrate 9 communicates with the space above the sensor unit only through the above-described communication hole.
[0019]
The heater 12 is formed in a portion of the insulating layer 11 where one surface is exposed in the groove 10. That is, the substrate including the insulating layer 11 and the semiconductor substrate 9 at the portion where the heater 12 is formed is thinner than other portions. Therefore, since the heat capacity of the heater 12 can be reduced, the sensor sensitivity as a humidity sensor can be improved. The function of the humidity sensor will be described later.
[0020]
Further, a passivation film 15 is formed on the heater 12 and the wiring 13, and the passivation film 15 is, for example, a silicon nitride film. A gas-sensitive film 16 made of, for example, tin oxide and an electrode 17 for extracting a change in the resistance value of the gas-sensitive film 16 are formed in a predetermined region on the passivation film 15, preferably vertically above the heater 12. That is, the gas sensor is configured with the gas-sensitive film 16 as a main part. The function of the gas sensor will be described later.
[0021]
Here, as shown in FIGS. 1 and 2, the sensor chip 4 has two sensor structures A and B. A is a sensor unit, B is a reference sensor unit, and only the reference sensor unit B is sealed around with a sealing material 18. Note that the sensor structure itself is completely the same in the sensor section A and the reference sensor section B. The sealing material 18 is fixed by an adhesive 19 on the insulating film 11 including the wiring 13 of the reference sensor unit B. Inside the sealing member 18, a communication hole (not shown) communicating with the heater 12, the gas-sensitive film 16, and the groove 10 of the reference sensor unit B is included. The sealing member 18 completely shuts off external air such as humidity and gas in the atmosphere with respect to the sensor section in the sealing member 18. It is enclosed. Further, the groove 10 in the reference sensor section B is communicated with the upper space of the gas-sensitive film 16 through a communication hole (not shown). Since it is shut off from the gas, the groove 10 is also not affected by the humidity and the gas.
[0022]
Next, an outline of an example of a method for manufacturing the integrated sensor device 1 will be described. The present sensor device 1 is formed using a semiconductor manufacturing technique. The sensor device 1 has at least two sensor structures A and B, one of which is a sensor unit A for detecting humidity and gas in the atmosphere, and the other is a sealed unit having the same sensor structure as the sensor unit A. The reference sensor unit B is cut off from humidity and gas by the stopper 18. Since these have the same structure except for a part (the sealant 18 of the reference sensor unit B), they are preferably formed almost simultaneously in the same process.
[0023]
For example, a silicon substrate is used as the semiconductor substrate 9, and an insulating layer 11 such as a silicon nitride film is formed on the upper surface of the semiconductor substrate 9 by, for example, a vapor deposition method. Then, a thin portion is formed by, for example, performing an etching process on the portion of the insulating layer 11 corresponding to the formation region of the groove 10 in the semiconductor substrate 9. In the thin portion of the insulating layer 11, a heater 12 using platinum, polysilicon, or the like is formed, for example, in a meandering shape. Wirings 13 electrically connected to both ends of the heater 12 are formed in a predetermined shape by, for example, a sputtering method.
[0024]
After the formation of the wiring 13, a silicon nitride film, for example, is formed as a passivation film 15 on the heater 12 and the wiring 13 by vapor deposition. Next, a silicon nitride film or silicon oxide film (not shown) is formed on the lower surface (non-sensor side surface) of the silicon substrate by, for example, vapor phase growth, and is patterned into a predetermined shape by photoetching. Thereafter, using the remaining silicon nitride film or the like as a mask, the silicon substrate is anisotropically etched with a KOH aqueous solution or the like. Then, by forming the groove 10, the thickness of the substrate including the semiconductor substrate 9 and the insulating layer 11 at the portion where the heater 12 is formed is reduced.
[0025]
After the formation of the groove 10, a gas-sensitive film 16 made of, for example, tin oxide and an electrode 17 for extracting a change in the resistance value of the gas-sensitive film 16 as an electric signal are formed in a predetermined region on the passivation film 15. Thereafter, only the reference sensor portion B is fixed with the sealing material 18 using, for example, an adhesive so as to cover the reference sensor portion B, and the reference sensor portion B in the sealing material 18 is not affected by humidity and gas in the atmosphere. To do. In the case where tin oxide or the like is used as the gas-sensitive film 16 for which the resistance changes due to the adsorption and desorption of oxygen is used as the gas-sensitive film 18, for example, dry air is enclosed. Shall be Thereafter, the silicon substrate 9 on the wafer is cut by dicing.
[0026]
Subsequently, the sensor chip 4 is adhered to the stem 2 using, for example, a silver paste or the like as the adhesive layer 3, and further, the terminal of the operation circuit 14 electrically connected to the external output terminal 5 and the wiring 13 by the bonding wire 6. Are electrically connected. However, when the operation circuit unit 14 is externally attached, the bonding wire 6 and the wiring 13 may be directly connected. After that, the CAP 7 is arranged and, for example, seal welding is performed. Note that a filter 8 is provided near the upper center of the CAP 7 in order to prevent entry of unnecessary things such as dust and dirt on the sensor surface.
[0027]
Next, the principle of detecting humidity and gas by the sensor unit A and the reference sensor unit B will be described.
[0028]
At the time of detecting the humidity, the heaters 12 of the sensor section A and the reference sensor section B are energized and each is heated to a predetermined temperature. At this time, each of the sensor portion A and the reference sensor portion B has a thin structure having the groove portion 10, thereby reducing the heat capacity of the heater 12. Then, when air with humidity enters through the filter 8, moisture adheres to the surface of the gas-sensitive film 16 and the like of the sensor unit A, and the air with moisture also enters the groove 10 through the communication hole. And moisture adheres to the surface of the insulating layer 11 below the heater 12. As a result, the temperature of the heater 12 of the sensor unit A decreases due to the heat of vaporization of the attached moisture. The heater resistance of the sensor section A changes according to the temperature change. That is, since the temperature change (decrease in temperature) of the heater 12 is in a relative relationship with the amount of moisture (humidity) adhering to the periphery of the heater 12, the humidity is calculated from the resistance value of the heater 12 which changes in response to the temperature change. Can be detected. In this embodiment, in order to detect a change in the resistance value of the heater 12 of the sensor unit A, a bridge circuit is formed together with the heater 12 of the reference sensor unit B, and the humidity is detected by detecting the midpoint potential of the bridge circuit. Ask. The details of the first detection unit including the bridge circuit will be described later.
[0029]
On the other hand, when the gas concentration is detected, the gas-sensitive film 16 is heated by the heater 12 to, for example, about 400 ° C. in both the sensor section A and the reference sensor section B. Thereby, the gas-sensitive film 16 is activated, and oxygen is adsorbed on the surface of the gas-sensitive film 16. At this time, since the free electrons in the gas-sensitive film 16 are trapped by oxygen adsorbed on the film surface, the electric resistance of the gas-sensitive film 16 increases. Next, when a gas such as carbon monoxide enters through the filter 8, an oxidation reaction occurs between oxygen and the gas adsorbed on the surface of the gas-sensitive film 16 in the sensor unit A, and as a result, the adsorption reaction occurs. As the amount of oxygen decreases, the electrical resistance of the gas-sensitive film 16 decreases. Thus, the change in the gas concentration corresponds to the change in the resistance value of the gas-sensitive film 16. Therefore, the gas concentration can be obtained from the change in the resistance value of the gas-sensitive film 16 of the sensor section A. In addition, in order to detect a change in the resistance value of the gas-sensitive film 16 of the sensor unit A, a bridge circuit is formed together with the gas-sensitive film 16 of the reference sensor unit B in the same manner as in the case of the humidity detection described above, and the bridge circuit is included The gas concentration is determined by the second detector.
[0030]
As described above, in the integrated sensor device 1 according to the present invention, the humidity sensor unit and the gas sensor unit are formed on the same semiconductor substrate 9 as shown in FIGS. The physique is smaller than the integrated sensor device to be formed. Further, by sharing the heater 12 for both sensors, the humidity and gas sensor sections can be substantially integrated, and the physical size can be further reduced. Further, since the humidity sensor is present near the gas sensor due to the shared use of the heater 12, sensitivity correction based on the humidity of the gas sensor can be performed with high accuracy, and is very effective as, for example, an air quality sensor for automobiles. .
[0031]
Further, as shown in FIG. 1, it is possible to incorporate an operation circuit section 14 as a semiconductor circuit including, for example, a first detection section and a second detection section on the semiconductor substrate 9 of the integrated sensor device 1. As a result, the length of each connection member such as the wiring 13 and the bonding wire 6 can be reduced, and the risk of disconnection or the like can be reduced. The humidity sensor unit can be used not only for correcting the humidity of the gas sensor unit but also for controlling the air conditioner of an automobile.
[0032]
Next, FIG. 3 shows a circuit configuration of the first detection unit as a humidity detection circuit.
[0033]
As shown in FIG. 3, the first detection unit includes a bridge circuit configured using the heater 12 (resistance rA) of the sensor unit A and the heater 12 (resistance rB) of the reference sensor unit B. That is, the bridge circuit, the heater resistance rA of the sensor section A and the heater resistance rB of the reference sensor section B are connected in series, and the heater resistors rA and rB connected in series are connected in any fixed manner. The resistors r1 and r2 are connected in parallel.
[0034]
Here, assuming that rA indicates a value after detecting and changing the humidity,
[0035]
## EQU1 ## rA = rB + x
It can be shown. Here, x indicates a resistance change due to humidity.
[0036]
At this time, when r1 = r2 and a constant voltage V is applied to the bridge circuit, a voltage Vout obtained as an output is
[0037]
Vout = rB × V / (2rB + x) −V / 2
Can be shown as Accordingly, the voltage Vout changes in response to the resistance change x due to the humidity, and the humidity can be obtained by detecting the voltage Vout.
[0038]
Also, in the second detection unit, by forming a bridge circuit similar to the humidity detection circuit shown in FIG. 3, the gas concentration can be detected from the output voltage value of the bridge circuit.
[0039]
In this example, an example is shown in which the groove 10 is formed by etching from the lower part of the silicon substrate, and the thickness of the substrate at the position where the heater 12 is formed is reduced. However, etching may be performed from the top of the silicon substrate to remove the silicon substrate immediately below the position where the heater 12 is formed, thereby reducing the thickness of the portion where the heater 12 is formed.
[0040]
Further, in this example, the humidity sensor and the gas sensor are shared, but other than this, it is possible to combine with a sensor using a heater, for example, a thermal flow sensor or the like and the above-mentioned humidity sensor or gas sensor may be combined. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a sectional view of an integrated sensor device according to the present invention.
FIG. 2 is an enlarged view of a sensor chip in FIG.
FIG. 3 is a block diagram illustrating a detection example of a humidity sensor unit.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Integrated sensor device, 4 ... Sensor chip, 9 ... Semiconductor substrate, 10 ... Groove, 11 ... Insulating layer, 12 ... Heater, 13 ... Wiring, 14 ..Operation circuit part, 15 ... passivation film, 16 ... gas-sensitive film, 17 ... electrode, 18 ... sealant, A ... sensor part, B ... reference sensor part

Claims

An integrated sensor device including a humidity sensor unit and a gas sensor unit,
The humidity sensor unit is formed on a substrate, generates heat when energized, and changes a heating temperature according to humidity in an atmosphere, and a first sensor that detects a change in resistance value according to the heating temperature of the heater. And a detection unit,
The gas sensor unit is formed on the heater formed on the substrate, and has a gas-sensitive film having a resistance value that changes according to a gas concentration in an atmosphere, and a second sensor that detects a change in the resistance value of the gas-sensitive film. And a detection unit,
An integrated sensor device wherein the heater is shared by the humidity sensor unit and the gas sensor unit.

A reference sensor unit formed on the substrate and having the same configuration as the humidity sensor unit and the gas sensor unit,
2. The integrated sensor device according to claim 1, further comprising a sealing material for blocking a heater and a gas-sensitive film of the reference sensor unit from humidity and gas in the atmosphere. 3.

The substrate at the shared formation position of the heater is a thin portion thinner than the thickness of the other portion of the substrate, and a communication hole is formed in a part of the thin portion, and the thin film is formed through the communication hole. The integrated sensor device according to claim 1, wherein spaces on both sides of the portion communicate with each other.

The integration according to claim 3, wherein the sealing material is formed on the substrate so as to confine the gas-sensitive film, the heater, and the communication hole of the reference sensor unit in a closed space. Sensor device.

The integrated sensor device according to claim 1, wherein the substrate is a semiconductor substrate made of silicon.

The integrated sensor device according to claim 5, wherein an operation circuit unit including the first detection unit and the second detection unit is configured as a semiconductor circuit on the semiconductor substrate.