JP2547356B2 - センサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、センサに関し、特に、センシングを含む応
用において信号処理回路も集積可能な集積半導体装置に
適用できるセンサに関する。

初めに本発明のセンサの原理を説明するためにフロー
センサに応用した例について説明する。

長年にわたり、熱的測風学（thermal anemometry）は
流体の流れを測定するのに有効な手段であった。定義に
よれば、熱的フローメータの動作原理は熱伝導に基づい
ている。通常は、感温抵抗を持つ抵抗素子が、流体の流
れの中に置かれる。その抵抗素子を流れる電流は、電力
消費によって抵抗素子の温度が上昇する。監視される流
体は、その流れによってその抵抗素子から熱を奪う。そ
の抵抗素子の最終的温度は、抵抗値を測定して示され
て、流体の速度及び熱伝導率の関数である。従来の抵抗
値変化素子は熱線、熱フィルム、サーミスタ型などが一
般的である。このようなフローメータは、高価でなく、
しかも非常に速い応答をする抵抗値トランスジューサ
で、正確かつ堅牢なことである。これらの要望は、従来
の熱的フローメータが実証しているように互いに相反す
ることがある。安価なフローメータは通常バルク形の検
出素子からなり、応答時間特性は悪い。速反応型のフロ
ーメータは高価で壊れやすい検出素子を用いている。正
確なフローメータは、通常検出素子及び支持構造の組立
てに手間がかかり高価なものとなる。更に、従来のフロ
ーメータは、流体の流れている領域のなかに完全に挿入
しなければならず、したがって、塵、いとくず、その他
の破片の衝突による破壊や悪化を受けやすい。

このフローメータは、１つの理想的なメータに要求さ
れる全ての特性を理想に近い形で満たすものである。ま
た、このフローメータは、シリコンコンパチブルプロセ
ス（silicon−compatible processes）のような低コス
トのバッチプロセスによって製造することができるので
安価であり、ミリ秒のレンジの熱的時定数で応答し、正
確さについては、流体の一定の変化に対して抵抗値がよ
り大きく変化するという感度の向上と、信号対雑音比の
向上によって、従来の固体熱的フローメータより優れて
いる。そして、その構造は、流体の流れの中に完全に挿
入する必要のないようなものであり、結果として塵、い
とくず、その他の破片は素子に衝突せず、そばを流れる
ことになる。このため、ここで説明されるフローメータ
は従来の熱フローメータより性能の劣化を受けにくい。

第１図及び第２図は、本発明によるセンサの原理を説
明するために用いられるフローセンサの例を示す側断面
図である。単結晶半導体10は、窒化シリコンのような誘
電体層12により覆われた第１の表面14を有する。本実施
例では、第４図の素子22は誘電体層12上にスパッタされ
たパーマロイ抵抗素子即ちグリッド16及びリード部24か
らなり、素子22は窒化シリコンのような誘電体層18で覆
われている。

誘電体層12は、素子22と半導体10の間に電気的絶縁を
与え、誘電体層12及び18は素子22にパッシベーション
（passivation）を与える。グリッド16の下の窪みを形
成することによって、抵抗素子のグリッド16と半導体10
の間に、十分な熱的及び物理的絶縁がなされる。窪み20
は通常後に述べられるような目的にかなったエッチング
技術を用いて形成される。この窪み20がないと、検出素
子のグリッド16と半導体10との間で十分な熱的及び物理
的絶縁を得ることは難しい。例えば、抵抗素子のグリッ
ド16が、固体の誘電体層のみによって半導体10と分けら
れていたとすると、固体の誘電体の熱伝導率は、通常空
気の熱伝導率よりも大きいので、抵抗素子のグリッド16
は実質的に半導体10へ熱を伝えることになる。

検出素子のグリッド16と半導体10の間の十分な熱的及
び物理的絶縁は、センサのような広く種々様々な装置に
適応できる利点を有する。例えば、本発明の半導体装置
をフローセンサに適応した場合、非常に薄い検出素子が
半導体基体から熱的に十分絶縁されているような構成に
することにより、その検出素子は空気の流れの非常に感
度のよい測定ができるように適応される。何故なら、薄
く形成された部分の温度は空気の流れによってたやすく
影響を受けるからである。これは、半導体基体へ実質上
熱が逃げてしまう検出素子を有する固体熱的フローメー
タに対比される。このような構成の装置の温度感度は半
導体自体の熱によって大きく影響される。

第１図の例において、部材即ち検出素子34は、窪み20
の上に橋渡し、即ちブリッジ状に設けられ、半導体の第
１の表面14へ接続された第１及び第２の端部を有する。
このように、検出素子34は上から見ると、ほぼ長方形で
あり、抵抗素子16と誘電体層12及び18の一部からなって
いる。

第２図の例では、部材即ち検出素子32は、抵抗素子16
と誘電体層12及び18の一部からなり、半導体の第１の表
面14に検出素子32の一端36だけで接続されて、窪み20の
上で片持ちばりされている。半導体基体10へ接続される
のを、検出素子32の一端だけにすることは、半導体基体
10からの実質的な抑制なしにほぼ全ての方向に検出素子
32を膨張及び収縮させることができるという利点を含め
て種々の利点がある。加えて、検出素子32を介して伝達
される熱損失は、その一端のみで行われるので、検出素
子32は、十分に、より熱的に絶縁されたものとなる。第
３図は、２つの検出素子32または34からなる例の正断面
図であり、第10図〜第13図は、種々の例の平面図であ
る。このフローセンサに関しては、１組の部材が、種々
の利点を有する好適例である。以下に説明するが、例え
ば２つの実質的に独立な部材を用いて一方からの信号と
もう一方からの信号を比較することで、環境の温度変化
に対して自動的に温度補償することができる。そして、
このような構成にすることは、単一の検出素子内でのバ
ックグラウンド電圧（background voltage）は容易にほ
ぼ取り除けるので、非常に測定の精度を上げることがで
きる。更に、フローセンサに２つの測定素子を用いるこ
とは、以下で説明するが、上流の検出素子は、下流の検
出素子より冷やされるので、速度と同様に流れの方向を
指示することができる。

しかしながら、窪み20の上に支持された１つの検出素
子でもフローセンサになり得る。例えば、流れているか
いないかを検出するために、１つの検出素子のフローセ
ンサで発生される空気の乱流信号は、空気の流れの有無
を検出するのに適しているであろう。空気の乱流による
素子の抵抗変化の交流的な成分だけの増幅により例えば
周囲温度の変化による抵抗素子の遅い成分または直流的
成分の検出はしない。

本例では、パーマロイはスパッタリングで数百オング
ストロームの厚さで層を正確に形成できることと、パー
マロイの特性によりグリッド即ち抵抗素子16の抵抗値と
抵抗素子16の温度の間に高い感度で予め決められた相関
を得ることができることの理由から、パーマロイが抵抗
素子16を形成するように選択されている。例えば、非常
に薄い部材即ち検出素子32または34は、抵抗素子16と誘
電体層12および18より形成されるだろう、フローセンサ
として応用されるときは、検出素子32または34にかかる
空気の流れは、空気の流れの速度と予め決められた関係
をもって抵抗素子16を冷やして、抵抗値の変化を起こし
空気の流れを測定することができるであろう。

本例では、検出素子32及び34は、通常は、1.8から1.2
ミクロン程度の厚さである。この厚さは抵抗素子16と、
それぞれ通常数千オングストローム程度の厚さの誘電体
層12および18を含むものである。通常0.001ないし0.010
インチの深さの範囲である窪み20によって抵抗素子16が
十分に半導体10の基体から絶縁されているという事実と
ともに、この非常に薄くかつ高い感度の構成により、検
出素子は高感度の流速測定ができる。

前述したように、抵抗素子16の例は、第４図に示すよ
うな、パーマロイのグリッドからなるものである。リー
ド部24はパーマロイである。何故なら、付加的なプロセ
スが除去できるからである。即ちリード部24を他の材料
で作ることは、付加的なプロセスを必要とするからであ
る。パーマロイのリード部24はわずかに熱くなるが、リ
ード部は、第４図，第10図，第11図，第12図及び第13図
に示したように比較的幅が広く、そしてリード部は実質
的に半導体10の基板へ熱を伝達し、リード部24の加熱は
比較的小さい。

前述したように、第３図に図示したような第１及び第
２の抵抗素子からなるフロートランスジューサには種々
の利点がある。このような構成の実施例は、第５図に示
したような回路と組み合わされ、バックグラウンド信号
を除去し直接測定信号を与えることによって周囲温度と
は独立した、より感度のよいフロートランスジューサを
得ることができる。

第３図に図示したセンサの例の動作説明及び第５図に
図示した回路の説明のために、これらの図面の抵抗素子
を16A及び16Bと符号を付する。それぞれの抵抗素子16A
及び16Bは抵抗素子16からなる。抵抗素子16A及び16B
は、少なくともほぼ同一であり通常はつり合わされてい
るが、つり合わせる必要はない。

本発明の実質的な利点は、第５図に示すような回路が
半導体10の基体上に直接集積化することができることに
あり、このようにして、バッチプロセスにより、単一チ
ップ上に完全な検出装置を得ることができる。

第５図に示した回路は、例えばTLO87からなる差動増
幅器を３つ有している。図示のように、２つの増幅器5
0,52のそれぞれはフィードバックループに並列に接続さ
れた抵抗素子16Aまたは16Bを有している。抵抗素子16A
は、そのリード部24を介して、増幅器50の出力54と負入
力59の間に接続される。抵抗素子16Bは、同様にそのリ
ード部24を介して、増幅器52の出力56と負入力58の間に
接続される。

増幅器52への負入力58は、抵抗64を介してポテンショ
メータ62のワイパー66へ接続されている。増幅器50への
負入力59は、抵抗70を介してワイパー66へ接続されてい
る。増幅器50及び52の正入力72及び74は、それぞれ接地
または基準電位76に接続されている。

増幅器52の出力56は、抵抗82を介して増幅器80の負入
力に接続され、増幅器50の出力54は、抵抗86を介して増
幅器80の正入力へ接続されている。増幅器80の正入力84
は、抵抗88を介して接地または基準電位76へ接続されて
いる。抵抗90は、増幅器80の出力92と負入力78の間に接
続されている。

ポテンショメータ62の第１端子94は、＋15VDCのよう
な正の電源へ接続するために、また、ポテンショメータ
62の第２の端子96は、−15VDCのような負の電源に接続
されるように設けてある。ポテンショメータ62は、電源
のプラス及びマイナス電圧の間のどこでも予め決められ
た電位を選択するための手段を与えるものである。

動作において、この示した回路は、出力92と接地また
は基準電位76の間に抵抗素子16A及び16Bからなる検出素
子32または34にかかる流体の速度と予め決められた関係
を持つ電圧を発生する。

抵抗素子16A及び16Bは、それぞれ、増幅器50及び52の
フィードバックループに設けられる。それぞれの演算増
幅器50及び52は、そのフィードバックループ中に一定電
流を維持する。よって、それぞれの抵抗素子16A及び16B
を通る電流は、その抵抗素子の抵抗値とは独立である。
そのフィードバックループの中に、一定電流を維持する
ために、事実上、それぞれの演算増幅器は、抵抗素子16
Aまたは16Bの抵抗値の変化に応じて出力電圧を変化させ
る。前述のように、それぞれのパーマロイの抵抗素子16
Aまたは16Bの抵抗値は、その抵抗素子の温度と予め決め
られた関係で変化する。よって、それぞれの演算増幅器
50,52の電圧出力は、その関連した抵抗素子の温度と予
め決められた関係を有している。

演算増幅器80は、演算増幅器50と演算増幅器52の電圧
出力の差を増幅し、演算増幅器80の出力92の電圧は、演
算増幅器50と演算増幅器52の電圧出力の電圧差に比例し
ている。したがって、出力92の電圧は、抵抗素子16Aと
抵抗素子16Bの間の温度差と予め決められた関係を有し
ている。抵抗素子16Aと抵抗素子16Bの温度差は、その検
出素子にかかる流体の速度と予め決められた関係を有し
ている。よって、増幅器80の出力92の電圧は抵抗素子16
A及び16Bにかかる流体の速度と予め決められた関係を持
っていることになる。

まず、第１の部材即ち抵抗素子16Aからなる検出素子
にかかり、次に、第２の部材即ち抵抗素子16Bからなる
検出素子にかかる流体の流れは、抵抗素子16Aを抵抗素
子16Bよりも冷たくすることになる。なぜなら、抵抗素
子16Aにかかる流体の流れは、抵抗素子16Aから熱を奪
い、抵抗素子16Bの付近へ熱を運ぶからである。ワイパ
ー66における回路の供給電圧が正であるとすると、増幅
器52の出力電圧は増幅器50の出力電圧よりも大きくな
る。この差は、増幅器80によって増大され、出力92の出
力電圧は、流体の速度と予め決められた関係を有してい
る。前述したように、出力92における出力電圧は、ま
た、方向に関する指示も与えることができる。例えば、
抵抗素子16Aまたは16Bがダクト内で流れに沿って配列さ
れたとすると、２つの検出素子のセンサは流速と同様に
流体の流れの方向を検出するために用いることができ
る。何故なら、上述したように、上流の検出素子は下流
の検出素子より冷やされるからである。

以上のように、第５図に示した回路は、定電流モード
で、抵抗素子16A及び16Bを作動する。また、他の回路で
も、抵抗素子16A及び16B、または、他のセンサを、定電
圧モード，低温度即ち定抵抗モード，または定電力モー
ドで作動する回路を有するものであればよい。

次に、本発明の一実施例である温度センサとして応用
した例を説明する。この応用では、本発明のセンサは、
表面吸着効果及び光学的影響を受けずに大気の水蒸気密
度または相対湿度を測定することができ、信号処理回路
と同等な１チップ半導体回路を低価格で実現できるもの
である。

本発明の一実施例である温度センサは、水蒸気濃度の
変化と共に、空気の熱伝導率が変化することに原理をお
いている。ここで、水蒸気濃度とは、単位容積当たりの
乾燥空気の分子の数に対する単位容積当たりの水蒸気分
子の数の比と定義する。この濃度はしばしば乾燥空気の
平均分子量に対する水の分子量の一定比による比湿（sp
ecific humidity）に関連したモル湿度（molal humidit
y）と称される。

したがって、本発明の一実施例である湿度センサは、
図示していないが、モル湿度測定に適当な乗算器を与え
る回路を介して比湿へ変換されるモル湿度を直接に与え
るものである。

また、モル湿度測定値を相対湿度の測定値に変換する
ことも興味あるところである。このような変換には周囲
温度の測定が必要であり、標準湿度図表データ（standa
rd psychrometric chart data）にしたがって相応する
自動調整がされる必要がある。空気混合密度変化による
多少の高度の影響も、相対湿度への変換において問題に
なる。何故なら、熱伝導率によって測定される水蒸気の
あるモル分率に対して、水蒸気の分圧は高度と共に変化
するだろうからである。したがって、最も正確な相対湿
度の測定には、変換は、高度依存因子（altitude−depe
ndent factor）によってわずかに調整されなければなら
ない。このような変換は、図示しない回路によってなさ
れるであろう。

環境制御の応用装置には、ある低い基準温度及びゼロ
湿度におけるエンタルピーに関する混合空気エンタルピ
ーとして読み出される装置が必要とされる。エンタルピ
ーは、一定モル湿度において、温度と共に直接的に変化
し、そして、氷結及び凝結を除外する範囲で、一定温度
においてモル湿度と共に直接的に変化する。エンタルピ
ーの決定は、モル湿度測定及び混合空気温度から、回路
によって得ることができる。その回路は図示していない
が、混合空気と基準温度の差に比例した乾燥空気に対し
ての読み出しオフセットを生じ、モル湿度出力をエンタ
ルピーの目盛りに変換する。

以下本発明の一実施例である湿度センサへの応用例を
図面を用いて詳細に説明する。

その簡単な形では、本発明の一実施例である湿度セン
サは、基体100の第１の表面104の中にエッチングまたは
他の方法で形成された窪み102を有する半導体からなる
もので、更に、符号106で示したような検出素子106を有
する。その検出素子106は、第１図の検出素子34と同じ
ように、窪み102の上に橋渡し即ちブリッジ形にされる
ようにするか、または第２図及び第６図に示したような
カンチレバー形即ち片持ちばりのような形のものであろ
う。部材即ち検出素子106は、通常、符号108で示した抵
抗素子を有し、窪み102の上に所定の距離をおいて設け
られた予め決められた形をしている。検出素子106は、
位置110で示したような少なくとも１つの位置で第１の
表面104に接続されている。窪み102は、部材即ち検出素
子106の予め決められた構成の少なくとも一部の回りで
第１の表面に開口を形成している。

抵抗素子108は、電流が供給されて温められると、抵
抗素子108の抵抗値と温度の間に予め決められた関係を
有している。

本発明の一実施例である温度センサは、更に第８図の
ような流れ止め手段116を有することで、検出素子106に
かかる空気の流れをほぼ防ぎ、空気の流れによる抵抗素
子108の冷却を防いでいる。この流れ止め手段116は、検
出素子106及び半導体基体100の湿度レベルを周囲環境の
湿度レベルと等しくするために開口118を有している。
更に、センサが空中の微粒子によって汚染されるのを防
ぐために、フィルター120が設けられている。

抵抗素子108は、抵抗素子108の抵抗値即ち温度に関係
した大きさを持つ信号を与えるように使用され、その信
号の大きさは、窪み102を介してその素子108と半導体基
体100の間で変化する熱的結合によって湿度と共に変化
する。この熱的結合の変化は、モル湿度の変化と共に、
空気の伝導率の変化を介して起きるもので、この結果湿
度の測定をすることができる。

この湿度センサの典型的な応用においては、チップ即
ち半導体基体100は、突き出た部分（header）112に設け
られたガラス部材114にエポキシ系接着剤で接着されて
いる。このガラス部材114は、ほぼこの突き出た部分112
から基体100を熱的に絶縁している。この突き出た部分1
12は通常、電気的接続ができるようにワイヤボンディン
グ構成を接続するために、図示していないが、貫通接続
孔を有している。

さらにまた、この湿度センサは抵抗素子124からなる
基準抵抗手段122を有している。以下で更に延べるよう
に、本発明によるセンサには、必要な予め決められた温
度範囲にわたって抵抗熱係数がほとんどゼロである直列
の抵抗素子126を有している。第７図及び以下に示すよ
うに、直列の抵抗素子126は、抵抗素子124と直列に接続
してもよい。そのかわりに、直列の抵抗素子126は、抵
抗素子108と直列に接続してもよい。例えば、直列の抵
抗素子126は、ケイ化クロム（chrome silicide）または
ニクロム素子からなるものである。

更に、本発明の一実施例である湿度センサは、素子12
8からなるヒータを有し、半導体基体100の温度を予め決
められた温度に制御するようになっている。素子128は
半導体基体に実質的に熱を伝達するパーマロイ素子のよ
うな抵抗素子からなる。

抵抗素子108のように、抵抗素子124は、第４図に示し
たようにパーマロイのグリッドからなる。このように、
抵抗素子124は、抵抗素子108に対して基準抵抗として役
割を果たすだけでなく、抵抗素子124ないし自動温度調
節された半導体基体100に対して温度測定手段としての
役割も果たす。パーマロイは、温度と抵抗値の間に予め
決められた関係を持つ。このように、半導体基体100
は、抵抗素子の素子128を流れる電流を調節し、かつ抵
抗素子124で基体100の温度を監視することによって、予
め決められた高い温度に維持され得る。

上述のように、抵抗素子108,124,126及び128は窒化シ
リコン（silicon nitride）のような２つの誘電体層の
間にはさまれており、第１の層127は、第１の表面104の
少なくとも一部を覆っている。

半導体基体100に実質的に熱を伝導するパーマロイの
抵抗素子124をもってすれば、抵抗素子124の温度は、半
導体基体の温度によって実質的に調節される。更に、抵
抗素子124は実質的に半導体基体100に熱的に結合されて
いるので、抵抗素子124の抵抗値は湿度の変化と共に実
質的に変化しない。したがって、抵抗素子124からの信
号は、抵抗素子108からの信号によって相殺され、予め
決められた比湿の条件の下で、予め決められた値を有す
るであろう結果の信号を効果的に供給することになる。
第５図に示すような回路が、この目的を達成するために
用いられ、第５図の抵抗素子16A及び16Bを湿度センサの
抵抗素子108及び124と置き換え、抵抗素子126を適当に
抵抗素子108または124のどちらかに直列に設けることに
なる。

パーマロイ素子の温度対抵抗値曲線は、非直線であ
る。抵抗素子108の温度対抵抗値曲線は、第１の予め決
められた動作温度で動作している時は第１の予め決めら
れた傾斜を有する。例えば、通常は抵抗素子124によっ
て測定されるチップ即ち基体100の自動温度調整された
温度のような第２の予め決められた温度で、抵抗値124
の抵抗値は、抵抗素子124の温度対抵抗値曲線が、その
動作温度で抵抗素子108の予め決められた傾斜とほぼ一
致する傾斜となるように確立される。抵抗素子108また
は124の全体の有効な抵抗値は、適当に、抵抗素子108ま
たは124のどちらかに、この例の場合は抵抗素子124だ
が、直列に抵抗素子126を加えることによって調整され
る。そして、直列の抵抗素子126は、必要な温度範囲に
わたって、抵抗値の熱的係数がほぼゼロであるものであ
る。結果として、基準抵抗素子の全体の有効な抵抗値
は、第２の予め決められた温度において、湿度センサの
検出素子の第１の予め決められた温度での全体の有効な
抵抗値と等しくなるように作られるだろう。このように
して、基準抵抗素子と湿度の検出素子の有効な抵抗値は
ほぼ等しく、この２つの素子を通る信号は、予め決めら
れた湿度で信号の和がほぼゼロになるように相殺され
る。ここでも、これは、第５図に示したような回路によ
って達成できるものである。

次に、本発明を説明するための参考例として可燃性ガ
スセンサに応用した例を説明する。第９図に示したよう
な可燃性ガスセンサの例は、第３図に示したフローセン
サと、反応部材130が抵抗素子の１つに熱的に結合され
ていることを除いて極めて似ている。可燃性ガスと酸素
がある中で温められると、反応部材130は、可燃性ガス
の存在を示すことになる。加えて、湿度センサに用いら
れた流れ止め手段116のような流れ止め手段もまた、実
施例に示した第１及び第２の検出素子にかかる空気の流
れをほぼ防ぐように用いられる。

第９図において、反応部材130が、検出素子140の中に
抵抗素子142と熱的に結合されている。この可燃性ガス
センサの一例では、反応部材130は、抵抗素子142によっ
て温められるが、通常例えば酸化鉄、プラチナまたはパ
ラジウムの触媒反応性（catalytically active）薄膜か
らなる。このような実施例において、触媒反応性薄膜が
可燃性ガス及び酸素のある中で温められた時、発熱反応
を生じて、温度が変化し、したがってその相応した抵抗
素子142の抵抗値が変化する。このように、発熱反応に
よる抵抗素子142の温度変化は、可燃性ガスの存在を示
して抵抗素子の抵抗値変化をさせる。

他の例では、反応部材130は、例えば酸化鉄または酸
化スズの金属酸化物の抵抗素子からできていて、抵抗素
子142によって温められる。その金属酸化物の抵抗素子
は第４図に示す素子16に似た形でもよい。このような例
では、可燃性ガス及び酸素のある中で抵抗素子142によ
って温められる時、金属酸化物の抵抗素子の抵抗値が変
化して、可燃性ガスの存在を検出する。

そして、可燃性ガスセンサは、チップ即ち半導体気体
132の第１の表面136の中にエッチングまたは他の方法で
形成された窪み134を持つ半導体基体を有する。

この可燃性ガスセンサは、第１図に示した検出素子34
と同様に窪み134の上に橋渡しされたかたちか、または
第２図に示した検出素子32のようにカンチレバー形即ち
片持ちばりのようにされた形の検出素子140を有する。
この検出素子は通常第４図に示すようなパーマロイのグ
リッドからなる符号142で示した抵抗素子を有する。検
出素子140は、窪み134上に所定の距離をおいて設けられ
た予め決められた形をしていて、少なくとも一か所で第
１の表面136に接続されている。窪み134は、検出素子14
0の予め決められた形の少なくとも一部のまわりで第１
の表面136に開口を形成している。部材即ち検出素子140
は、抵抗素子142と半導体基体132の間で十分な物理的か
つ熱的絶縁を与えるものである。前述したように、この
部材即ち検出素子140は、抵抗素子142と熱的に結合され
た反応部材130を有している。

抵抗素子142は、電流が与えられて温まると、その抵
抗素子142の抵抗値と温度の間に予め決められた関係を
有する。

さらにまた、可燃性ガスセンサは、第８図に示した流
れ止め手段116のような流れ止め手段を有し、その流れ
止め手段は検出素子140にかかる空気の流れをほぼ妨げ
ることになり、抵抗素子142が空気の流れによって冷却
されるのを実質的に防いでいる。この流れ止め手段は、
例えば第８図に示した開口118のようなものによって、
反応部材130へ可燃性ガスが出入りできるようになって
いる。

前述のように、可燃性ガスセンサの第１の例では、反
応部材130は通常触媒反応性薄膜からなる。このような
例では、反応部材130が可燃性ガス及び酸素のある中で
抵抗素子142によって温められると、発熱反応を生じ、
温度が変化し、したがって抵抗素子142の抵抗値が変化
する。この抵抗素子142の抵抗値における変化は、可燃
性ガスの存在を示すことになる。第２の例では、反応部
材130は、通常金属酸化物の抵抗素子からなる。このよ
うな実施例では、この抵抗素子は可燃性ガス及び酸素の
ある中で抵抗素子142によって温められると抵抗値が変
化して、可燃性ガスの存在を検出する。また、抵抗素子
142は窒化シリコンのような２つの誘電体層の中に保護
されていて、第１の層144または第１の表面136の少なく
とも一部を覆っている。図示のように、反応部材130
は、検出素子140の誘電体層146の上に設けられている。

可燃性ガスセンサの第１例が用いられるとすると、第
２の検出素子148で示されるように第２の抵抗素子150を
用いることが望ましい。図示のように、第２の検出素子
148は、窪み134の上に所定の距離をおいて設けられた予
め決められた形状を有し、第２の検出素子148は少なく
とも一か所で第１の表面136に接続されていて、窪み134
は、検出素子148の予め決められた形状の少なくとも一
部のまわりで第１の表面136に開口を形成している。窪
み132は、第２の抵抗素子148と半導体基体132の間に十
分な物理的且つ熱的絶縁を与える。

検出素子148が反応部材130のような反応部材を有して
いないこと以外は、検出素子140と検出素子148はほぼ同
一であってもよい。検出素子148は抵抗素子150を有し、
周囲温度変化に対してほぼ検出素子140と同じ反応を有
する基準検出素子として用いられて、自動温度補正をす
ることになる。さらに、基準の抵抗素子150からの信号
は、検出素子142からの信号に対して相殺するように働
き、バックグラウンド信号のレベルを除外して、反応部
材130によって導かれた温度変化によって生じた信号を
直接測定できるようにしている。実質的に第５図に示し
た同じ回路が、この目的を達成するために用いられ、第
５図の抵抗素子16A及び16Bと抵抗素子142及び150を置き
換えることになる。

次に本発明の一実施例である圧力センサに応用した例
を説明する。前述したように、本発明は圧力センサとし
て、一例としては、大気圧力以下の圧力を測定するため
のセンサとしての応用ができる。比較的広いダイナミッ
クレンジをカバーする圧力センサが望まれている。例え
ば、変化する温度及び圧力で酸素、アルゴン、窒素及び
水素のような種々のガスを用いている一般の工業用プロ
セスは、しばしばプロセス制御の一部として圧力の測定
が要求される。

従来の大気圧以下のレンジでのタングステン加熱の熱
伝導率圧力センサは、満足できるものではなかった。何
故なら、比較的低いダイナミックレンジ、高電力及び高
電圧の必要性、こわれやすさ、低い熱抵抗係数による比
較的低い感度、そして、酸素分圧が加熱されたタングス
テンの冷却時定数（cooling time constant）より速く
増加するとタングステンが容易に酸化してしまうという
短寿命の短所を有していたからである。本発明の圧力セ
ンサはこれらの短所の程度を著しく減少または除去する
ものである。

本発明の圧力センサは、単位ガス容積の熱伝導率の変
化に基づいている。特に、平均自由行路長（mean free
path lengths）は、例えば第７図の検出素子106とその
下の半導体基体100の間の距離によって限定されている
ので、検出素子からの熱移動量（heat removel rate）
及び熱伝導率は、ガス圧力の減少と共に減少する。これ
は、抵抗素子108が一定電流で動作しているとすれば、
抵抗素子108の温度上昇を招く。

本発明の圧力センサは、ほぼ本発明の湿度センサと同
じ構成でよく、その湿度センサの説明に用いた同じ図を
用いて説明する。

その簡単な形では、本発明の圧力センサは、基体100
の第１の表面104の中にエッチングまたは他の方法で形
成された窪み102を有する半導体基体からなるもので、
更に、符号106で示したような検出素子106を有する。そ
の検出素子106は、第１図の検出素子34と同じように、
窪み102の上に橋渡し即ちブリッジ形にされるようにす
るか、または第２図及び第６図に示したようなカンチレ
バー形即ち片持ちばりのような形のものであろう。部材
即ち検出素子106は、通常、符号108で示した抵抗素子を
有し、窪み102の上に所定の距離をおいて設けられた予
め決められた形をしている。検出素子106は、位置110で
示したような少なくとも１つの位置で第１の表面104に
接続されている。窪み102は、部材即ち検出素子106の予
め決められた構成の少なくとも一部の回りで第１の表面
に開口を形成している。

抵抗素子108は、電流が供給された温められると、抵
抗素子108の抵抗値と温度の間に予め決められた関係を
有している。

本発明の圧力センサは、更に第８図のような流れ止め
手段116を有することで、検出素子106にかかる空気の流
れをほぼ防ぎ、空気の流れによる抵抗素子108の冷却を
防いでいる。この流れ止め手段116は、検出素子106及び
半導体基体100の圧力レベルを周囲環境の圧力レベルと
等しくするために開口118を有している。更に、センサ
が空中の微粒子によって汚染されるのを防ぐために、フ
ィルター120が設けられている。

抵抗素子108は、抵抗素子108の抵抗値及び温度に関係
した大きさを持つ信号を与えるように使用され、その信
号の大きさは、窪み102を介してその素子108と半導体基
体100の間で変化する熱的結合によって大気圧力以下の
圧力と共に変化する。この熱的結合の変化は、圧力の変
化と共に、空気の伝導率の変化を介して起きるもので、
この結果圧力の測定をすることができる。

この圧力センサの典型的な応用においては、チップ即
ち半導体基体100は、突き出た部分（header）112に設け
られたガラス部材114にエポキシ系接着剤で接着されて
いる。このガラス部材114は、ほぼこの突き出た部分112
から基体100を熱的に絶縁している。この突き出た部分1
12は通常、電気的接続ができるようにワイヤボンディン
グ構成を接続するために、図示していないが、貫通接続
孔を有している。

さらにまた、この圧力センサは抵抗素子124からなる
基準抵抗手段122を有している。本発明の湿度センサの
ところで述べたように、本発明によるセンサには、必要
な予め決められた温度範囲にわたって抵抗熱係数がほと
んどゼロである直列の抵抗素子126を有している。第７
図及び以下に示すように、直列の抵抗素子126は、抵抗
素子124と直列に接続してもよい。そのかわりに、直列
の抵抗素子126は、抵抗素子108を直列に接続してもよ
い。例えば、直列の抵抗素子126は、ケイ化クロム（chr
ome silicide）またはニクロム素子からなるものであ
る。

更に、本発明の圧力センサは、素子128からなるヒー
タを有し、半導体基体100の温度を予め決められた温度
に制御するようになっている。素子128は半導体基体に
実質的に熱を伝達するパーマロイ素子のような抵抗素子
からなる。

抵抗素子108のように、抵抗素子124は、第４図に示し
たようにパーマロイのグリッドからなる。このように、
抵抗素子124は、抵抗素子108に対して基準抵抗として役
割を果たすだけでなく、抵抗素子124ないし自動温度調
節された半導体基体100に対して温度測定手段としての
役割も果たす。パーマロイは、温度と抵抗値の間に予め
決められた関係を持つ。このように、半導体基体100
は、抵抗素子128を流れる電流を調節し、かつ抵抗素子1
24で基体100の温度を監視することによって、予め決め
られた高い温度に維持され得る。

上述のように、抵抗素子108、124、126及び128は窒化
シリコン（silicon nitride）のような２つの誘電体層
の間にはさまれており、第１の層127は、第１の表面104
の少なくとも一部を覆っている。

半導体基体100に実質的に熱を伝導するパーマロイの
抵抗素子124を持ってすれば、抵抗素子124の温度は、半
導体基体の温度によって実質的に調節される。更に、抵
抗素子124は実質的に半導体基体100に熱的に結合されて
いるので、抵抗素子124の抵抗値は圧力の変化と共に実
質的に変化しない。したがって、抵抗素子124からの信
号は、抵抗素子108からの信号によって相殺され、予め
決められた圧力の条件の下で、予め決められた値を有す
るであろう結果の信号を効果的に供給することになる。
第５図に示すような回路が、この目的を達成するために
用いられ、第５図の抵抗素子16A及び16Bを圧力センサの
抵抗素子108及び124と置き換え、抵抗素子126を適当に
抵抗素子108または124のどちらかに直列に設けることに
なる。

パーマロイ素子の温度対抵抗値曲線は、非直線であ
る。抵抗素子108の温度対抵抗値曲線は、第１の予め決
められた動作温度で動作している時は第１の予め決めら
れた傾斜を有する。例えば、通常は抵抗素子124によっ
て測定されるチップ即ち基体100の自動温度調整された
温度のような第２の予め決められた温度で、抵抗値124
の抵抗値は、抵抗素子124の温度対抵抗値曲線が、その
動作温度で抵抗素子108の予め決められた傾斜とほぼ一
致する傾斜となるように確立される。抵抗素子108また
は124の全体の有効な抵抗値は、適当に、抵抗素子108ま
たは124のどちらかに、この例の場合は抵抗素子124だ
が、直列に抵抗素子126を加えることによって調整され
る。そして、直列の抵抗素子の熱係数がほぼゼロである
ものである。結果として、基準抵抗素子の全体の有効な
抵抗値は、第２の予め決められた温度での全体の有効な
抵抗値と等しくなるように作られる。このようにして、
基準抵抗素子と圧力の検出素子の有効な抵抗値はほぼ等
しく、この２つの素子を通る信号は、予め決められた圧
力で信号の和がほぼゼロになるように相殺される。ここ
でも、これは、第５図に示したような回路によって達成
できるものである。

本発明の圧力センサが、湿度レベルの変化にも感じる
ように説明したが、これは通常の応用においては問題に
はならない。何故なら、本発明の圧力センサの使用レン
ジにわたって、圧力変化に対する応答は、湿度変化に対
する応答に比べて大きいからである。

いま、第１に、本発明のセンサに関する現象を考える
時、ガスの圧力が低くなる、即ち、ガスの密度が低くな
ると、抵抗素子を有する温められた部材から熱を奪うべ
き分子がより少なくなることになると考えられる。そし
て、その抵抗素子に定電流を流すと、もし、分子がより
少なければ、部材は圧力が低下するにつれて熱くなると
思われる。しかしながら、このような場合は、分子の平
均自由行路長がその部材即ち検出素子と半導体の間の距
離の検出できる一部の長さ（an appreciable fraction
of the dimension）である時だけである。

その部材即ち検出素子と半導体基体の間の距離に比べ
て平均自由行路長が短い時の圧力に対しては、検出素子
から逃げる熱の量は、圧力の変化と共に検出できる程変
化しない。例えば、10％の圧力変化が、その相応した量
でガス密度を低下させるが、平均自由行路長及び実際の
全行路長（all path length）は補正するために、例え
ば10％の全く同じ量まで増加する。このように、平均自
由行路長が、検出素子と半導体基体の間の距離に比べて
短い時の圧力に対しては、分子は衝突した時は停止し、
そして、より少ない分子しか存在しないが、分子は止め
られることなく10％進むことになるので検出素子からの
熱移動量は同じになるという近似をすることができる。
これは、ガスの分子の平均自由行路長が、検出素子と半
導体基体の間の距離に比べて短い時に限って、非常に正
確な位像または補正因子である。

以上のように、本発明の圧力センサは、通常の大気圧
付近、例えば、１気圧から0.1気圧のレンジの圧力に
は、普通は感じないだろう。

特に、本実施例から見れば、微細構造と組み合わされ
て、ヒータ及び温度センサとして働くパーマロイの抵抗
素子は、空気の流れ、湿度、圧力、可燃性ガス及び他の
ガス性のもののような多くの物理的変化をするものを検
出するための基本となるものを与えるような総体的発明
とみることができる。実際、物質の構成物において温度
変化を生ずるような変化をするいかなる物理的量も、原
則として上述の構造に基づいたセンサによって検出する
ことができる。

更に、部材即ち検出素子は、例えば上述のように静電
素子（static electric element）からなっていて、検
出目的のための熱電変換素子としてだけでなく、電磁放
射を与えるか、または他の方法で熱エネルギー源として
働くための熱電変換素子としての役割をすることができ
る。勿論、このような総称的素子は、パーマロイの抵抗
素子を有することに限定されない。何故なら、適当な熱
電または静電素子で十分であるからである。検出素子の
他の例は、酸化亜鉛の単結晶膜、薄膜熱電対結合、半導
体物質のサーミスタフィルムのような焦電材料、また
は、適当な熱抵抗係数を持つパーマロイ以外の金属フィ
ルムを含んでいる。

よって、前述の特定例においてより、もっと一般的に
第１図及び第４図に示された例を説明する。基体の第１
の表面の中にエッチングまたは他の方法で形成された窪
み20を持つ半導体基体10を有する。更に、符号16で示し
たような熱電変換素子または静電変換素子を有する部材
即ち検出素子32または34を有し、かつ、その検出素子
は、窪み20の上に所定の距離をおいて設けられた構造
で、少なくとも１箇所で第１の表面14に接続されてい
る。その窪みは、部材即ち検出素子の予め決められた構
成の少なくとも一部のまわりで、第１の両面に開口を形
成している。窪みは、その熱電変換素子または静電素子
の間に十分な物理的かつ熱的絶縁を与えるものである。

このような集積半導体装置は、後述するようなパッチ
プロセスを通して製造することができ、熱電変換素子ま
たは静電素子と半導体基体の間に十分な物理的かつ熱的
絶縁を得ることができる。

このような装置の製造は、基体の結晶構造に関して予
め決められた方向を有する第１の表面を持つ半導体基体
を設ける段階と、部材即ち検出素子を第１の表面に構成
するための物質層を設ける段階を有する。この製造方法
は、更に、第１の表面の少なくとも予め決められた領域
を露出する段階を有し、その露出された表面の領域は、
後で窪みを設けたときに部分的に窪みの上に所定の距離
をおいて設けられるような予め決められた構成にして、
その予め決められた構成は方向性を有しており、その結
果異方性エッチングによって予め決められた構成のアン
ダーカットを最小時間で行うことができる。

この方法の例は、まず（100）シリコンウェーハ表面
を設けることである。その表面14には、低圧のガス放電
のなかで通常のスパッタリング技術によってつけられる
通常3000オングストローム程の厚さの窒化シリコン12の
層がある。次の段階では、通常は80％のニッケルと20％
の鉄からなる800オングストローム程のパーマロイの一
様な層がスパッタリングによって窒化シリコンの上に付
けられる。

適当なフォトマスク、フォトレジスト及びエッチング
材を用いて、グリッド16及びリード部24からなるパーマ
ロイの素子22が形成される。

通常5000オングストロームの厚さの窒化シリコンの第
２の層18が、パーマロイの素子全部を覆うようにスパッ
タリングによって付着され、その抵抗素子とそのリード
部を酸化から保護する。3000オングストロームの厚さの
窒化シリコンの第１の層と、5000オングストロームの厚
さの窒化シリコンの第２の層を設けることは、誘電体の
非対象の層の部材、即ち検出素子ができることになる
が、このような対象性の欠如は、等しい厚さの層を設け
れば、訂正することができる。第10図，第11図，第12図
及び第13図には、開口152がそれぞれの部材を形成する
ために窒化物を通して（100）シリコンの表面までエッ
チングされる。ここでは、部材は直線の縁を有している
ように図示してあるが、このような形状は、例えば、曲
線の縁を有するように変更してもよい。

最後に、窒化シリコンを侵さない異方性エッチングが
用いられて、部材の下のシリコンを抑制された方法でエ
ッチングで取り除く。水酸化カリウム（KOH）とイソプ
ロピルアルコール（isopropyl alcohol）の混合物が適
当なエッチング材である。エッチングされた窪みの斜面
は、（111）面と、エッチングに抵抗するほかの結晶面
と、エッチングにより弱く抵抗する（100）面の表面の
窪みの底によって形成される。窪みの底は、部材から、
例えば0.004インチの、所定の距離に位置する。これ
は、通常、エッチングの継続時間を調節することによっ
てなされる。たとえば、従来、ホウ素を含んだ層（boro
n−doped layer）のようなドーピングされたシリコンの
エッチング止（doped silicon etch stop）が、くぼみ
の深さを制御するために用いられている。この方法によ
ると、エッチング止を形成する工程を必要とし、コスト
高となる。これに対し、くぼみを異方性エッチングのみ
によって形成する本発明によれば、エッチングの継続時
間を調節してくぼみの深さを制御することが可能とな
り、このため上述したエッチング止は不要となる。

最小時間で部材のアンダーカットをするために、例え
ば通常は部材の直線の縁または軸の予め決められた形状
は、シリコンの〔110〕軸に対してゼロでない角度154で
方向づけされている。アンダーカットの時間を最小にす
るために、または、橋渡しされた部材の場合、アンダー
カットをするために、ある角度で直線の部材の縁または
軸を設けるようにすることを含んでいる。しかし、部材
が直線の縁がない形であったり、軸は容易に規定できな
いが、形自体が例えば最小のアンダーカット時間を達成
するように方向づけられているようなことが考えられ
る。ほぼ45度の角度をつけることによって、部材即ち検
出素子は、最小の時間でアンダーカットされる。例え
ば、45度の角度を用いると、前に示したような通常の寸
法のカンチレバーは、０度の方向を用いた場合の数時間
のエッチング時間に比べれば、約90分でアンダーカット
することができる。

部材がアンダーカットされる時間を最小にすることに
加えて、ゼロでない方向を用いることは、第１図に示さ
れたような２端のブリッジの製造をすることになる。こ
のような部材は〔110〕方向づけされた部材の縁では、
実際上作るのは不可能である。部材の縁が〔110〕方向
づけされているとすると、部材の縁に沿って露出された
（111）結晶面で、または、符号160のような内側の角
で、異方性エッチングが評価できるほどにアンダーカッ
トされないからである。従来技術によりわかるように
〔110〕軸に方向づけされたカンチレバー形部材は、カ
ンチレバーの自由端からビームの長さ方向に沿って主に
エッチングが進む。ここでカンチレバービームの端から
のアンダーカットは少しはあるにしろ、ほとんどない。
これは、前述のように本発明によって作られる部材に比
較して、部材の端を含む方向からアンダーカットが起こ
ることになる。

45度に方向づけされた場合も、部材と半導体の端の支
持境界部を素早く、丸く滑らかにすることが可能であ
る。このようにして、第１図から第３図に示された絶縁
層12の下の２つの（111）面がぶつかり合うところに起
こる応力集中部の発生を避けることができる。接続手段
によって第１と第２の部材を接続する、すなわちある意
味で、１つの部材に第１及び第２の素子を設けること
が、ある種の装置で望まれるであろう。このような接続
手段の例には、第２図に示したような２つのカンチレバ
ー形の部材を接続する第10図の符号156で示した接続手
段や、第１図に示したような２つの橋渡し形の部材を接
続する第12図の符号158で示した接続手段がある。この
ような接続手段は、空間及びそれぞれの部材と窪みの底
の間の熱伝導率の一様性を維持する助けになり、それぞ
れのタイプの装置における性能の均一化に貢献すること
になる。同じような理由から第13図に示したような例の
方法で１つの部材に２つの素子を設けることは有利であ
ろう。

さらにまた、処理または装置構成のために、第10図に
示す位置159のような補助的な位置で、部材を半導体基
体に接続することが望まれる応用例もあり得る。

小さな長方形のエッチングの穴152が、第10図及び第1
1図のカンチレバー形の部材の１つの接続端及び第12図
及び第13図の橋渡し形即ちブリッジ形の両端に示されて
いて、これらの穴は、部材が取り付けられている半導体
基体のアンダーカットや形作りのための助けになる。し
かし、部材の端にこのような穴152は、装置の十分な性
能には必要ではない。

図示のように部材の端に沿ってあるエッチングの穴15
2は、通常フローセンサ及び可燃性ガスセンサの場合0.0
02から0.005インチ程度の幅で、湿度センサ及び圧力セ
ンサの場合は、0.001インチ程度の開口の幅であり、湿
度センサ及び圧力センサの幅が狭い場合は、ガスの流れ
の影響を減少する助けになる。

第10図，第11図，第12図及び第13図の半導体基体は、
フローセンサまたは可燃性ガスセンサの形状として示さ
れ、符号10または132が付けられている。例えば、第６
図のような湿度センサ及び圧力センサの構成は、同様で
あるが、通常は窪みの上に所定の距離をおいて設けられ
た１つの部材と素子を有している。

第10図〜第13図には、第５図に示したような回路の集
積化のための領域60が示されている。

前述したように、熱的手段によって検出するための本
発明の実際的な効果は、部材32または34の下の空気のギ
ャップ即ち窪み20を設けることによって達成される。そ
れによって、検出部材は、空気のギャップによって基板
から、十分に熱的及び物理的に絶縁され、シリコン基板
に一端または両端で取り付けられている誘電体の長方形
の領域によって、図示のように通常は支えられているこ
とになる。前述したように、長方形の部材が用いられて
いるが、実際には他のどんな形でも用いることができ
る。

上述の実施例において、部材32または34の典型的な寸
法は、幅が0.005〜0.007インチ程度、長さが0.010〜0.0
20インチ程度、そして厚さは0.8〜1.2ミクロン程度であ
る。第４図に示したような素子16のような典型的なパー
マロイ素子は、約800オングストロームの厚さである
が、通常、800〜1600オングストロームの範囲であり、
好ましい組成は80％のニッケルと20％の鉄からなるもの
で、その抵抗値は、室温で約1000オームである。種々の
応用に対しての抵抗値は、通常、例えば25℃位の室温で
ほぼ500〜2000オームの範囲である。パーマロイ素子の
温度を約400℃まで上げると、抵抗値は約３倍まで上昇
する。パーマロイのグリッド16の線の幅は、約６ミクロ
ンで、約４ミクロンの間隔を有している。窪み20は、通
常部材と半導体基体10の間に約0.004インチの隙間があ
るが、この隙間は、約0.001〜0.01インチの範囲で変更
することができる。半導体基体10もしくは基板の通常の
厚さは、0.008インチである。これらの寸法は例として
挙げただけであり、限定的な意味ではない。

上述の典型的な寸法の部材は、非常に小さな熱的容量
及び熱的インピーダンスを有しており、約0.005秒の熱
的時定数を生じている。したがって、熱の入力の小さな
変化は、わずかに異なる検出素子の温度で新しい熱的平
衡になる。この違いで、十分な電気的出力信号を出すこ
とができる。

このような構成の強度対重量比（strength−to−weig
ht）は非常に良好で、前述の典型的な寸法の２端ブリッ
ジ形のものは、10000重力（gravities）を越えて機械的
ショック力に良く耐えることができる。カンチレバー形
として用いられるときの一端支え構造でさえ、10000重
力のショックに耐えることができる。

例えば、第１図及び第２図の部材32または34のような
部材即ち検出素子を、その検出性能を最適にするため
に、室または周囲温度以上に温めることは、多くの応用
において各々の利点がある。典型的な動作温度は、約10
0℃〜400℃の範囲である。好ましいパーマロイ素子を用
いると、わずか数ミリワットの入力電力で、これを達成
することができる。このような電力レベルは、前述した
ように、必要ならばセンサと共に同じ半導体の上に設け
られる集積回路と同一とすることができる。

工業における通常の温度センサは、100オームの電気
的インピーダンスを有する。しかしながら、本発明の目
的には、このようなインピーダンスは多くの不利な点を
有している。処理目的のためには、本発明の好ましい抵
抗素子に好適な通常の1000オームのインピーダンスより
も100オームのインピーダンスで通常の0.1％のインピー
ダンス精度を得ることはより難しい。本発明において用
いられるパーマロイ素子に通常1000オームのインピーダ
ンスを選んだのは、電気的移行現象（electromigratio
n）による素子故障を考えたからである。電気的移行現
象は、物理的故障メカニズムであり、パーマロイにおい
ては、通常１平方センチメートルあたり10^-6アンペア程
度の危険リミットを電流が越えたときにおこる物質の流
れによって導線内に生じるものである。よって、パーマ
ロイ素子16内で所望の動作温度を達成するために、例え
ば室温が25℃で1000オーム程度の比較的大きなインピー
ダンスが望ましく、より高いインピーダンスにより危険
電流密度を越えることなく所望の動作温度を得ることが
できる。

結果として、例えば前述したように部材32または34の
典型的な寸法は、従来技術により報告された0.001イン
チ幅と、0.004インチの長さの微細構造よりは十分大き
くなければならない。本発明に用いられるパーマロイ抵
抗素子に必要な部材の領域は、符号16で示したパーマロ
イのグリッドを設けるのに十分な表面領域を有する必要
がある。そして、前述したような部材の好ましい45度の
方向は、この方向がより広い微細構造を作る時と、第１
図に示したようなブリッジ形を作る時に最小処理時間で
済むという処理時間の観点から非常に重要となる。

前述のように、多くの考えられる応用に対して、好ま
しい熱電変換素子または静電素子は、以上説明したパー
マロイの抵抗素子である。窒化シリコンの部材即ち検出
素子の中に挟まれているとき、パーマロイ素子は空気に
よる酸化から保護され、加熱素子として400℃を越える
温度まで使用することができる。このようなパーマロイ
素子は、バルク状のプラチナに似た抵抗値対温度特性を
有し、パーマロイ及びプラチナは共に０℃において約40
00ppmの熱抵抗係数を有する。しかしながら、パーマロ
イは、本発明によれば構造においてプラチナより優れて
いる。プラチナには普通温度検出素子のための材料とし
て用いられているが、パーマロイはプラチナの２倍の固
有抵抗を有するという利点がある。更に、薄膜におい
て、プラチナは、少なくとも3500オングストロームの厚
さでなければならないのに対し、パーマロイは約800〜1
600オングストロームの厚さの範囲で最大の熱抵抗係数
を達成できる。パーマロイは約1600オングストロームの
厚さで最大の熱抵抗係数を達成できるが、固有抵抗が２
倍で、熱抵抗係数が1600オングストロームにおいて僅か
に小さいだけであるので、800オングストロームが好ま
しい厚さとして選択される。したがって、800オングス
トローム程度の厚さのパーマロイ素子を用いて、同じ抵
抗値でプラチナが必要な表面領域の1/8で済み、検出素
子の熱効率を上げ、要求面積が小さく、そしてユニット
コストを下げることができる。

このようにして、パーマロイ素子は、微細構造の温度
変化に対して、効率的なヒータ素子かつ検出素子であ
り、十分に熱的に絶縁された構造の上で、同じ素子にヒ
ータ機能と検出機能の両方を組み合わせたことによっ
て、低コスト、小さい熱容量、好ましい感度及び速い応
答を可能にした。

更に、通常１ミクロン程度の窒化シリコンの支持絶縁
薄膜の中にはさまれたパーマロイのヒータかつ検出のた
めの素子は、パーマロイの薄膜の、特に高い温度におけ
る酸化に対してパッシベーションを与える。それは、ま
た、窒化シリコンの持つエッチング処理に対する高い抵
抗から、例えば部材32または34の正確な寸法制御ができ
ることにもなる。加えて、重要な熱伝導要因の制御のた
めに、例えば、窪み20を0.001インチ〜0.010インチ位の
寸法の深さにエッチングすることができる。

したがって、本発明の実施例を用いて、パーマロイは
上述のような微細構造と組み合わされて、温度センサ及
びヒータまたは放射源の両方を形成することになる。支
持及びパッシベーション材としての窒化シリコンを使用
するこにより、望みの構造を得るために必要とされるエ
ッチング時間を得ることができる。更に、本発明による
方向性は、最小時間でアンダーカットし、かつ、所望の
構造を人工的なエッチング止めなしで作ることができる
ことになる。そして、0.001〜0.010インチの範囲で窪み
の深さを制御するための深い異方性エッチングの使用に
より、従来の方法で集積化半導体装置上に熱電素子また
は静電素子を作るよりもより大きな熱的絶縁を達成する
ことができる。

以上実施例をもとにして本発明を説明したが、本発明
の範囲で種々の変更が可能であることは当業者には明ら
かであろう。したがって、本発明は、特許請求の範囲の
記載のみによって限定されないことを承知されたい。例
えば、符号20で示した窪みは、前述したような目的にか
なったエッチング技術を用いて形成されたが、本発明に
よる実施例は、前述したような技術によって形成された
窪みを持つものに限定されない。

【図面の簡単な説明】

第１図，第２図及び第３図は、本発明のセンサの原理を
説明するための断面図、第４図は、本発明に適合した電
気的抵抗素子のグリッドの一実施例を示す図、第５図
は、本発明のセンサに適用される回路の一例を示す回路
図、第６図，第７図及び第８図は、本発明のセンサの実
施例を示す図、第９図は、可燃性ガスセンサの一例を示
す図、第10図，第11図，第12図及び第13図は、本発明の
微細構造の実施例と方向を示す図である。 10…単結晶半導体、12,18…窒化シリコン、14…第１の
表面、16…グリッド、20…窪み、24…リード部、32,34
…検出素子、50,52,80…増幅器、62…ポテンショメー
タ、114…ガラス部材、116…流れ止め手段、118…開
口、120…フィルタ、122…基準抵抗手段、128…素子、1
30…反応部材、156,158…接続手段。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (31)優先権主張番号 ３１０２６４ (32)優先日 1981年10月９日 (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号 ３１０３４４ (32)優先日 1981年10月９日 (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） (31)優先権主張番号 ３１０３４５ (32)優先日 1981年10月９日 (33)優先権主張国 米国（ＵＳ） 審判番号 平6−17235 (72)発明者 ロバート・ジー・ジョンソン アメリカ合衆国ミネソタ州ミネトンカ マーチサークル第12814番地 (72)発明者 ウルリッチ・ボン アメリカ合衆国ミネソタ州ホプキンス シャディーオークロード第4936番地 (72)発明者 ジョン・ピー・サムナー アメリカ合衆国ミネソタ州エディナ ヘ ザートントレイル第7101番地 (56)参考文献 特開 昭56−18381（ＪＰ，Ａ) 実開 昭52−138778（ＪＰ，Ｕ) 実公 昭45−19918（ＪＰ，Ｙ１) ＩＢＭ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｓ ｃｌｏｓｕｒｅ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ 22 ［９］（1980−２）Ｐ．4176−4177

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】（100）面と〈110〉方向を有し、前記（10
   0）面と実質的に平行な第１の表面に異方性エッチング
   のみによって形成された窪み（102）を有する（100）シ
   リコンからなる半導体基板（100）と、 前記〈110〉方向に対して零でない角度に方向付けら
   れ、前記窪み上に懸垂され、前記第１の表面に少なくと
   も１カ所で接続されている、所定形状の検出抵抗素子
   （108）を含む薄膜誘電体部材（106）と、 前記検出抵抗素子（108）に対して基準抵抗としての機
   能を有するとともに前記半導体基板（100）の温度を測
   定する手段としての機能を有する基準抵抗手段（124）
   と、 前記半導体基板（100）の温度を予め決められた温度に
   制御するための発熱体（128）と、 前記薄膜誘電体部材（106）にかかる気体流を防ぎ、実
   質的に空気流による前記検出抵抗素子（108）の冷却を
   防止する流れ止め手段（116）とからなり、 被検出対象の物理量の変化による気体の熱伝導率変化に
   よって起こる前記検出抵抗素子（108）からの放熱状態
   が変化することによって物理量測定を行うことを特徴と
   する湿度あるいは圧力用センサ。
2. 【請求項２】前記半導体基板の温度を予め決められた温
   度に制御するための発熱体は、基板に設けられた抵抗素
   子（128）であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項のセンサ。
3. 【請求項３】前記零でない角度は45度であることを特徴
   とする、特許請求の範囲第１項に記載のセンサ。
4. 【請求項４】前記抵抗素子の所定形状は、格子状である
   ことを特徴とする、特許請求の範囲第１項記載のセン
   サ。