JP2006153782A - 多孔蓋を有した気体センシングデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】 基板から空洞部を介して熱分離形成した薄膜に、ヒータと温度センサとを具備し、真空度や気体の成分などを測定する気体センシングデバイスにおいて、被測定気体の流れが直接前記薄膜に当たらないようにすると共に、気体中のゴミなどから上記薄膜を保護する。
【解決手段】 基板と１個の第１の蓋とにより薄膜を閉じ込めた構造、又は第1の蓋と第２の蓋とにより基板を閉じ込めた構造と成し、第１の蓋には第２の空洞部を設け、第１の蓋のうち少なくとも空洞部が形成されている部分に多孔を形成し、第２の空洞部の内側に前記薄膜が配置させた構造として、前記の薄膜を第１及び第２の空洞部内に閉じ込める構造とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、基板から熱分離した薄膜に形成したヒータと温度センサを備えた気体センシングシステムに関するもので、気体の流れが、直接ヒータや温度センサに触れないようにすると共に塵や外部の物体からの保護を目的としたもので気体中での湿度などのガス成分の検出、真空センサなどに使用できるものである。

これまで、本発明者らは極めて消費電力が小さく、感度が高く、コンパクトな気体センシングデバイスを開発してきた。(例えば、特許文献１参照)開発した中では例えば湿度センサとして２００℃以上の周囲温度でも絶対湿度が簡便に計測出来、消費電力が小さく、高速応答で、高感度の絶対湿度センサや気体成分として水蒸気ばかりでなく他の多くの気体の成分検出まで拡張した気体センシングデバイスを提供して来た。この他にもフローセンサや真空センサなども同様に提供してきた。

これらの気体センシングデバイスは、水蒸気などの気体の成分と濃度、気体の流速、真空度などの物理量を熱を媒介にして容易に検出できるもので、例えば湿度は、気体中の水分の濃度の変化を熱を媒介にして熱の変化として捕らえている。半導体技術で作製できる事からコンパクト化でき、応答速度も速く、使用できる環境も高温、多湿、真空雰囲気等のさまざまな環境下で使用できる特徴がある。
特願2003-076619

本来、温度や気体が水蒸気を含む度合あるいは、気体の濃度を測定するような気体センシングデバイスを気体の流れが、直接センサに当たるような環境下で使用すると温度が下がり、誤差を生じた。そのために誤差を生じないようにこれを保護することが本気体センシングデバイスを正常に動作させるために必要であった。

また塵や埃の舞う環境、たとえばパイプ工場の温、湿度測定に際して紙の微片が飛び交う場合には、熱分離した薄膜上のヒータおよび温度センサの上に塵、埃が接触した場合、このセンサに誤動作、短絡、不安定などが生じて、使用上問題となった。

さらに本気体センシングデバイスを高温、多湿の環境での温、湿度の測定に使用する場合、例えば水分を使う繊維や織物工場での乾燥工程中に、水分を含んだ液が該ヒータや温度センサに付き誤動作、不安定等の不具合を生じて、熱分離した薄膜自体の破壊にもなりかねない。さらにセンサに直接気体の流れが当たった場合、絶対湿度に誤差が生じた。

あるいは本気体センシングデバイスを真空センサとして使用する場合も、例えば真空蒸着装置やスパッタ装置などのように金属を基板上に成膜するような場合、金属の微粉が生じる。一方この真空容器内は真空ポンプで排気して使われるので、大気圧から真空状態へ、あるいは真空状態から大気圧へと容器内の状態が急激に変わる場合は強い気体の流れが生じ金属微粉が真空容器内を舞って熱分離した該ヒータ上および該センサ上に付いたり、力が掛かるために熱分離した薄膜を支えている梁に金属粉が当たったりして損傷や破壊などの不具合を生じ、気体センシングデバイスとしての機能を損なう。そのため熱分離した薄膜には直接金属微粉が付かないような工夫や真空容器の圧力によって急激な気体の流れを保護し緩和するような工夫が必要である。

上記の目的を達成させるために本発明の請求項1に係わる気体センシングデバイスとしては、主要構成図を図1、２、３に示す。図1は、基板１と第1の空洞部１２を介して熱分離された薄膜５があり、薄膜は基板１と第1の蓋２によって閉じられるような構造とした場合である。基板の空洞部は基板１の表面から底まで突き抜けることなく基板の途中までとした。この場合、第２の蓋は必要なく、第1の蓋だけで流れを抑制するような構造である。図2は、板状の基板とその上にセンシングデバイスを形成した場合である。そして、基板も含めたセンシングデバイス部１３に第1の蓋２を設置して基板１と第1の蓋２によって薄膜５を囲むような構造とした。図３は、ヒータ６と該ヒータの熱で上昇した温度を測定する温度センサ３０ａが設置されている基板１を含むセンシングデバイス部１３と、このセンシングデバイス部１３の両側にセンシングデバイス部を挟み込むように第１の蓋２と第２の蓋３を設置した構造とした場合である。センシングデバイス部１３には、基板１と第1の空洞部１２を介して熱分離された薄膜５が設置され、第１の蓋２には、多孔４を形成して、気体の出入りの際の異物の進入を防いだり、気体の流れに対して、抑制して流れの効果を無くすようにした。第1の蓋２には電極、ヒータ６、配線４０などが蓋に接触しないように蓋の形状としては、板状の内側をくり貫きセンシングデバイス部にある電極やヒータ６との間に第２の空洞部２２を形成した。また蓋の固定は基板１の周辺部を接合または接着するようにした。第２の蓋３は、異物の進入がないように塞ぐ構造とした。

また、本発明の請求項２に係わる気体センシングデバイスとして、主要構成図を図４に示す。ヒータ６と該ヒータの温度を制御するための温度センサ３０aと、熱抵抗を有するようにヒータから距離を隔てた場所に温度測定のための温度センサ３０ｂを設置して、温度センサ３０ａ，３０ｂをヒータによって一定の温度になるように制御し、被検出気体の物理的変化によって温度差が変化するようにした。温度センサ３０aの場所の温度を一定にするためにはヒータ６の電力を大きくすることになり、温度差が大きくなるので、それによって感度が大きくなるようにした。請求項１と同じようにセンシングデバイス部の両側にそれぞれ第１の蓋、第２の蓋を設置し、センサ側の蓋は、くり貫いて空洞部２２を設けその上に多孔を設けた構造とした。蓋を設置することにより異物の進入を防ぎ、液体をトラップし、気体の流れの制御を可能に出来るようにした。

また、本発明の請求項３に関わる気体センシングデバイスは、請求項２の二つの温度センサ３０ａ、３０ｂを有する気体センシングデバイスにおいて、温度センサ３０ｂの上の部分にのみ多孔を設置した場合である。これは制御用の温度センサ３０ａには気体の影響を与えない様にし、測定用の温度センサ３０ｂにのみ被検出気体の物理的変化を与えるような構造とした。

また、本発明の請求項４に関わる気体センシングデバイスは、センシングデバイス部を蓋で閉じ込めた構造において、蓋に開ける多孔を細く、且つ長く形成し、気体の流れがセンサに影響を与えないようにし同時に通気性や排熱性も確保できるようにしたことを特徴とする構造にした場合である。

本発明の請求項５に関わる気体センシングデバイスは、蓋を空洞部を設けない板状の物を使用した場合である。これは、電極や配線が接するところは使えないが、センシングデバイス部を容器の中にいれる場合の第１の蓋や、あるいは第２の蓋として使用する場合はコストの面などからも単純なものの方が良い。また加工しにくい材料を使う場合には板状の出来るだけ単純な形にしたほうが良い。

請求項６は蓋の両方に多孔を配置した構造とした場合である。これは、被検出気体の抜けを良くする。気体の物理的変化の流れを作り、連続してセンサに働きかけられるようにした。

気体センシングデバイスは、環境をモニタするセンサであるから、常に過酷な環境に晒されることが予想される。高温多湿な環境での水分や薬品などの液体、塵、埃などの製造過程で出る異物、また金属片や金属粉などがセンサチップに衝突、付着する。また気体の流れが強いと、ヒータの温度が急激に下がったり、気体の変化が読み取れなかったり、気体センシングデバイス自体が破壊されたりする。この蓋を設けることにより、気体の流れを緩和し、異物、金属片等から保護することができるようになった。

また、多孔第1の蓋を接着することにより気体センシングデバイス自体の強度も増した。また、従来は、パッケージに気体センシングデバイスチップをボンディングして作り上げているが、蓋にフィードスルー電極１１を設置することにより、あらためて他のパッケージにパッケージングする必要がなくなり、本来この気体センシングデバイスを生かすセンシングデバイス部の極小化をめざしたコンパクト化、集積化が可能となった。また多孔蓋自体は、半導体製造法であるフォトリソグラフィ技術を使って作れるので量産化が可能である。

以下、本発明のセンシングデバイス部の片側又は両側に多孔蓋を具備した気体センシングデバイスの実施例について、図面を参照して詳しく説明する。

図1に本発明の多孔蓋を有した気体センシングデバイスを真空センサとして実施した場合の実施例を示す。シリコンのＳＯＩ基板を用いた場合の真空センサの実施例であり、基板１は犠牲層エッチングによって空洞部１２が形成されている。薄膜５は溝５０により分離されており、3箇所にある梁１４でのみ支えられており、薄膜５とこれらの梁１４はＳＯＩ基板のＢＯＸ層１６と単結晶シリコンとを主成分としている。このために薄膜５は宙に浮いた構造で基板１から熱分離された形となっている。基板１を含むセンシングデバイス部１３に第1の蓋２を被せた。第1の蓋２は、くり貫いて第２の空洞部２２を作り、熱分離された薄膜５は第1の蓋２と基板１によって閉じた構造とした。第1の蓋２には多孔を形成して、気体の流れが多孔を介してセンシングデバイス部に到達するのでセンサに対して直接影響を受けないようになっている。

図２に別の構造の真空センサの実施例を示す。基板１との間に空洞部１２を持った薄膜５を形成し、この薄膜は幅２０μｍの３本の梁１４で支えられている。作成方法としては、始めに空洞部の部分にレジストを形成し、薄膜５をつけた後にフォトリソグラフィ技術を使用した微細加工によって薄膜と３本の梁１４だけを残すようにした。最後にレジストを除去して薄膜５を熱分離された構造とした。基板は、シリコンウェーハ以外にもガラスやセラミック、樹脂などでも良い。作成方法もレーザーなどで薄膜５を加工しても良い。この後に実施例１と同様、多孔を持ったくり貫き第1の蓋２を被せて薄膜５を第1の蓋２と基板１によって閉じた構造とした。

図３に本発明の多孔蓋を有した気体センシングデバイスの実施例を示す。同図(ａ)は第一の蓋の斜視図を、同図(ａ‘)は同図(ａ)におけるａ−ａ’から見た断面形状図を示す。同図(ｂ)はセンシングデバイス部の斜視図を、同図(ｂ‘)は同図(ｂ)におけるｂ−ｂ’から見た断面形状図を示す。同図(ｃ)は第二の蓋の斜視図を、同図(ｃ‘)は同図(ｃ)におけるｃ−ｃ’から見た断面形状図を示す。基板１を含んだセンシングデバイス部１３として、シリコンのＳＯＩ基板である基板１を用いた場合の実施例である。基板１には空洞部１２が形成してあり、空洞部１２の上部には溝５０を設けてそのために残された3箇所にある薄膜５の梁１４で支えられており、薄膜５及び梁１４はＳＯＩ基板のＢＯＸ層１６と単結晶シリコン薄膜１８とを主成分としている。このために薄膜５は宙に浮いた構造で基板１から熱分離された形となっている。この薄膜５、温度を上げるためのヒータ６、温度を測定するための温度センサ３０ａ等が設置されている基板1を含むセンシングデバイス部１３の両側を第1の蓋２と第２の蓋３で挟み込んだ構造である。第1の蓋２には、格子状の多孔を形成した。この第1の蓋２はシリコンウェーハを用い、その製法はフォトリソグラフィ技術を使い、レジストでマスキングして保護し、ドライエッチングにより、マスキングしていない部分をくり貫いて空洞部２２を作り、その後、同じ方法で多孔４を製作した。多孔４の製作はドライエッチングで開ける以外にフッ酸などの酸溶液でエッチングしても良い。第1の蓋としてガラスや樹脂、金属を使用してもかまわない。ガラスの場合には、多孔を製作する方法としてサンドブラストなどの方法で行うことが出来る。樹脂や金属は、機械加工や超音波加工などで多孔を作ることが出来る。そのほかにも成型で作っても良い。第1の蓋２の形状は、板状が優位でありこれに加工を施す方法が製作する上で容易である。センシング部１３と第1の蓋２とは四隅である基板１の周辺部を接合した。ヒータ６と温度センサの取出し電極であるヒータ電極８，ｐｎ型接合ダイオードのｐ型電極９，ｐｎ型接合ダイオードのｎ型電極１０は図３に示すように電極がむき出しになるような構造とした。第２の蓋３はシリコンウェーハをチップ状に切り出し四隅をエポキシ系樹脂で接合した。第２の蓋も第1の蓋同様シリコンウェーハの代わりにガラスや樹脂、金属を使用してもかまわない。

図４は、センシングデバイス部１３に３個の温度センサ３０ａ，３０ｂ，３０ｃを備えた湿度センサの例である。同図(ａ)は第一の蓋の斜視図を、同図(ｂ)はセンシングデバイス部の斜視図を、同図(ｃ)は第二の蓋の斜視図を示す。実施例３と同様、基板としてＳＯＩ基板を使用した。第1の空洞部１２によって熱分離された薄膜５にはヒータ６と温度センサ３０ａが形成されてあり、ヒータ６の熱で上昇した温度は温度センサ３０ａで計測制御し、被検出気体の物理的変化の検出測定は温度センサ３０ｂで行うことが出来る。また、基板1に周囲の温度を測定する温度センサ３０ｃを備えている。これは、外気温度を参照して、温度センサ３０ａで制御する薄膜の温度を調節出来るようにしたものである。温度センサ３０ａと温度センサ３０ｂの間には測定感度を上げるために、熱勾配をつけるためのスリット２１を設置した。この薄膜５は実施例３同様ＳＯＩ基板のＢＯＸ層とＳＯＩ層である単結晶シリコン薄膜１８で構成されている梁１４で固定され支えられている。センシングデバイス部１３の両側に第1の蓋２及び第２の蓋３を設置し、両側の蓋に多孔を配してより多く物理的気体の流れを受け入れるような構造としている。これによって被検出気体の物理的変化がより温度センサに反映されて、その変化が正確に速く検出できるようになった。

また、本発明の請求項３に係わる気体センシングデバイスの例として図５に、湿度センサとして実施した場合の一実施例を示した。同図(ａ)は第一の蓋の斜視図を、同図(ｂ)はセンシングデバイス部の斜視図を、同図(ｃ)は第二の蓋の斜視図を示す。センシングデバイス部１３はシリコンのSOI基板である基板１を用いた場合の実施例で、下地基板１５には空洞部１２が形成してあり、空洞部の上部には溝５０を設けたために残された５箇所の梁で支えられた形の薄膜５が形成されてあり、薄膜５と梁１４はSOI基板のBOX層１６と単結晶シリコン薄膜とを主構成材料としている。このため薄膜５は宙に浮いた構造で、基板１から分離された形になっている。

また、この単結晶シリコン薄膜１８はp型層２１０の場合であり、ここにn型の不純物拡散により形成したn型拡散層２２０を薄膜ヒータとして利用できるようにしている。このn型層の薄膜状のヒータは、周囲のp型層２１０に対して異なる導電型なので、これらの間にpn接合が形成されている。

また薄膜５のうちでその両側には、上述のn型拡散層２２０である薄膜ヒータと同時に形成されたn型拡散層２２０領域が存在し、ｐｎ接合ダイオード７ａ、７ｂ、７ｃが形成されている。これらのｐｎ接合ダイオードは、それぞれ温度センサ３０ａ、３０ｂ、３０ｃとして用いている。即ち、温度センサ３０ａは、ヒータの温度を制御するための温度センサ３０ａとして備えてある。温度センサ３０ｂは、ヒータからの熱を受けて温度上昇し、被検出気体の物理的変化を温度センサの温度変化から検出するための温度センサ３０ｂとして備えている。温度センサ３０ｃは、基板の周りの環境の温度を測定する温度センサである。

上述の温度センサには、センシングデバイス部を挟み込んでいる第1と第2の蓋３の場所の中で測定するための温度センサ３０ｂがある領域の部分だけに格子状の多孔を開けてあり、選択的に温度センサ３０ｂの通気性及び排熱性を確保出来るようなデバイス構造を持っている。逆に温度センサ３０ａの両側には、多孔がないので、温度センサ３０ｂやヒータを稼動させる電力を最小限に抑えて一定温度を保つような構造になっており、温度の変化によって電力を使わないように、気体の流れの影響を受けないような構造とした。温度センサ３０ｂの場所にのみ気体の状態の変化が生じるような構造にした。これによって例えば温度が低すぎる場合や高すぎる場合など激しく変わる環境での湿度測定などが少ないエネルギーで済むし、温度センサ３０ａの両側は塞がっているために外部からの保護が十分である。流体の流れる方向や強さにより多孔の面積や場所を変えることが出来る。

また、図６に、本発明の請求項4に関わる気体センシングデバイスの例を示す。同図(ａ)は第一の蓋の斜視図を、同図(ｂ)はセンシング容器に入っているセンシングデバイスデバイス部の斜視図を示す。容器としてのセラミックパッケージの中に気体センシングデバイスを接着設置し、セラミックパッケージの周辺部と多孔蓋を接着したものである。気体センシングデバイスを閉じて異物等が入らない構造のものである。第1の蓋２は、５０μｍ角の細かい多孔を形成し、蓋の厚さは８００μｍと厚くした。気体の流れが強い場合でも、多孔の面積が小さく長いので影響を受けない。容器２０には、信号を取り出すためのリードフレームを設置して、電極からワイヤボンディングでリードフレームと接続される。この容器２０としてのパッケージは、材質がセラミック以外でも樹脂やＳｉを始めとする半導体などでも良い。

図７は、センシングデバイス部１３に設置する第1の蓋２をガラスとし、このガラスにサンドブラストで多孔４を開け、またそれとは別にフィードスルーメッキ用の孔を開けその穴ににCuをメッキによって埋め込みフィードスルー電極１１を作成した場合の例を示したものである。同図(ａ)は第一の蓋の斜視図を、同図(ｂ)はセンシングデバイス部の斜視図を、同図(ｃ)は第二の蓋の斜視図を示す。センシングデバイス部のヒータ電極８，ｐｎ型接合ダイオードのｐ型電極９，ｐｎ型接合ダイオードのｎ型電極１０とフィードスルー電極１１が合致するように電極の場所を決めて陽極接合により蓋とセンシング部を接合させた。これにより配線がすべて上部に来るので配線の取り回しが楽になりその後のボンディングが容易に作成できて、製造上優位になる。ガラスの代わりにＳｉウェーハを使って、サンドブラストの代わりにエッチングで電極部分の穴を開けＳｉＯ２で穴の側面を絶縁して、その後、メッキで埋め込みフィードスルー電極１１を作成しても良い。

図８、図９、図10は、第2の空洞部22のさまざまなバリエーションであり、図８は、Ｓｉウェーハを第２の蓋３として異方性エッチングによりくり貫きその中にセンシングデバイス部を設置した構造である。図９は、犠牲層エッチングにより空洞部を作成した別の構造の実施例である。図1と同様基板１を犠牲層エッチングによって空洞部１２を作成し、更に多孔も備えた構造である。温度測定および制御用ｐｎ接合ダイオード７ａと測定用ｐｎ接合ダイオード７ｂを配してスリット２１を介して温度差を付けた。図10は、図８の第1の蓋に第2の空洞部22を形成した。いずれにしても、気体の流れが温度センサに影響を与えないようにするために第1の蓋あるいは第1の蓋以外に第２の蓋も設置し、第1の蓋には多孔を開け、第２の蓋は場合によっては多孔を開けるような構造とした。

本発明の活用例としては、高温多湿の環境、塵、塵、金属片等が浮遊する環境、流体の流れが強い環境下での温度センサ、湿度センサ、フローセンサ、真空センサに利用することが可能である。

多孔蓋とセンシングデバイス部の実施例を示す断面図である。 多孔蓋とセンシングデバイス部の実施例を示す断面図である。 第1の蓋(a),(a’)、センシングデバイス部(b),(b’)、第２の蓋(c),(c’)の実施例を示すばらし斜視図と断面図である。 第1の蓋(a)、センシングデバイス部(b)、第２の蓋(c)の実施例を示す、ばらし斜視図である。 第1の蓋(a)、センシングデバイス部(b)、第２の蓋(c)の実施例を示す、ばらし斜視図である。 第1の蓋(a)とセンシングデバイス部と容器(b)の実施例を示す斜視図である。 第1の蓋にフィードスルー電極を用いた第1の蓋(a)、センシングデバイス部(b)、第２の蓋(c)の実施例を示す、ばらし斜視図である。 第1の蓋で閉じた気体センシングデバイスの実施例を示す断面図である。 第1の蓋で閉じた気体センシングデバイスの実施例を示す断面図である。 センシングデバイス部が容器に収納されている気体センシングデバイスの実施例を示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ 第1の蓋
３ 第２の蓋
４ 多孔
５ 薄膜
６ ヒータ
７ａ，７ｂ，７ｃ ｐｎ接合ダイオード
８ ヒータ電極
９ ｐｎ接合ダイオードのｐ型電極
１０ ｐｎ接合ダイオードのｎ型電極
１１ フィードスルー電極
１２、２２ 空洞部
１３ センシングデバイス部
１４ 梁
１５ 下地基板
１６ BOX層
１７ シリコン酸化膜
１８ 単結晶シリコン薄膜
２０ 容器
２１ スリット
３０ａ，３０b，３０ｃ 温度センサ
４０ 配線
５０ 溝
２１０ ｐ型層
２２０ ｎ型拡散層

Claims (6)

1. 基板(１)から第１の空洞部(１２)を介して熱分離した薄膜(５)にヒータ(６)と温度センサ(３０ａ)とが形成されてあり、該ヒータ(６)の熱で上昇した温度を温度センサ(３０ａ)で計測するように構成してあり、被検出気体の物理的変化を前記温度センサの温度変化から検出するようにした気体センシングデバイスにおいて、前記薄膜は、基板(1)と１個の第１の蓋(２)とにより閉じられた構造、もしくは基板(1)を挟み、この第1の蓋(２)と２個目の第２の蓋(３)とにより閉じられた構造であり、少なくとも第１の蓋には第２の空洞部(２２)を設けてあり、第１の蓋のうち少なくとも空洞部が形成されている部分に多孔(４)を具備し、該第２の空洞部の内側に前記薄膜が配置された構造であり、蓋のうち、第２の空洞部(２２)を有する第１の蓋と前記薄膜を支持する基板(１)、もしくは更に第２の蓋を接合形成して、前記の薄膜を第１及び第２の空洞部内に閉じ込める構造であるようにしたことを特徴とする気体センシングデバイス。
2. ヒータの温度を制御するための温度センサ(３０ａ)と、ヒータからの熱を受けて温度上昇し、被検出気体の物理的変化を温度センサの温度変化から検出するための温度センサ(３０ｂ)との少なくとも２個の温度センサを具備した請求項１記載の気体センシングデバイス。
3. 少なくとも温度センサ(３０ｂ)の付近の第２の空洞部(２２)に多孔を形成した蓋を具備した請求項２記載の気体センシングデバイス。
4. 多孔の孔の寸法は、気体の流れが温度センサに与える影響が無視できる程度に、細く且つ長く形成した蓋を具備した請求項１から３のいずれかに記載の気体センシングデバイス。
5. 空洞部を持たない板を蓋とした請求項１から４のいずれかに記載の気体センシングデバイス。
6. 第１の蓋と第２の蓋により閉じられた構造をもつ気体センシングデバイスにおいて、第2の蓋にも多孔を形成した請求項１から４のいずれかに記載の気体センシングデバイス。