JP2860086B2 - Microcap for humidity sensor and humidity sensor - Google Patents

Microcap for humidity sensor and humidity sensor

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JP2860086B2
JP2860086B2 JP27564896A JP27564896A JP2860086B2 JP 2860086 B2 JP2860086 B2 JP 2860086B2 JP 27564896 A JP27564896 A JP 27564896A JP 27564896 A JP27564896 A JP 27564896A JP 2860086 B2 JP2860086 B2 JP 2860086B2
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秀治 実▲吉▼
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロマシニン
グ技術を適用した湿度センサ用マイクロキャップ及び湿
度センサに関する。
[0001] The present invention relates to a microcap for a humidity sensor and a humidity sensor to which a micromachining technique is applied.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より感湿素子あるいは湿度センサと
しては多種類のものが開発されており、特に雰囲気中の
相対湿度を検出するセンサとしては、感湿材料の電気抵
抗値あるいは電気容量が雰囲気中の湿気あるいは水蒸気
に感応して変化することを利用し、主に次に挙げるもの
が知られている。酸化鉄(Fe23,Fe34)、酸
化錫(SnO2)などの金属酸化物の焼結体あるいは金
属酸化膜を用いたもの、親水性高分子膜あるいは高分
子電解質さらには繊維高分子を用いたもの、塩化リチ
ウム(LiCl)等の電解質塩を用いたもの及び吸湿
性樹脂あるいは吸湿性高分子膜などに炭素等の導電性粒
子又は繊維を分散させたものなどである。以上のセンサ
は検出湿度領域、検出感度及び精度、応答速度、信頼
性、耐環境性等それぞれに長所・短所を有するが、例え
ば電子レンジ内の動作時における雰囲気の様に、雰囲気
温度が急激に変化する様な環境下で微量な水蒸気の変化
を検出するには温度の関数である相対湿度の変化が以下
の様に考えられるため、上記湿度センサを用いた湿度計
測には大きな問題がある。
2. Description of the Related Art Conventionally, various types of moisture-sensitive elements or humidity sensors have been developed. Particularly, as a sensor for detecting relative humidity in an atmosphere, the electric resistance value or electric capacity of the moisture-sensitive material is different from that of the atmosphere. The following are mainly known using the change in response to moisture or water vapor in the inside. A sintered body of a metal oxide such as iron oxide (Fe 2 O 3 , Fe 3 O 4 ), tin oxide (SnO 2 ) or a metal oxide film, a hydrophilic polymer film, a polymer electrolyte, and a fiber Examples thereof include those using a polymer, those using an electrolyte salt such as lithium chloride (LiCl), and those in which conductive particles or fibers such as carbon are dispersed in a hygroscopic resin or a hygroscopic polymer film. The above sensors have strengths and weaknesses in the detection humidity range, detection sensitivity and accuracy, response speed, reliability, environmental resistance, etc., respectively.However, for example, the atmosphere temperature suddenly increases, such as the atmosphere during operation in a microwave oven. In order to detect a slight change in water vapor in a changing environment, a change in relative humidity, which is a function of temperature, can be considered as follows. Therefore, there is a large problem in measuring humidity using the above humidity sensor.

【0003】すなわち、検出雰囲気内の水蒸気量が一定
であると仮定し、この雰囲気の温度のみ上昇すると仮定
した場合、相対湿度は水蒸気量が一定であっても飽和水
蒸気圧の関係で低下し、さらに温度の上昇が急激であれ
ば微量の水蒸気の増加は相対湿度としては温度変化に相
殺されるかやはり低下してしまうことが予想され、実質
的な水蒸気量の変化を反映した結果が得られず検出に大
きな問題を有している。
That is, when it is assumed that the amount of water vapor in the detection atmosphere is constant and only the temperature of this atmosphere is increased, the relative humidity decreases due to the saturated water vapor pressure even when the amount of water vapor is constant. Furthermore, if the temperature rises sharply, it is expected that a slight increase in water vapor will be offset or decreased as a relative humidity as a relative humidity, and a result reflecting a substantial change in the amount of water vapor will be obtained. Has a major problem in detection.

【0004】従って、前述した様な環境の湿度計測には
相対湿度検知よりも直接水蒸気量を検出可能な絶対湿度
検知が有利である。
[0004] Therefore, for humidity measurement of the environment as described above, absolute humidity detection which can directly detect the amount of water vapor is more advantageous than relative humidity detection.

【0005】絶対湿度(水蒸気量)の検知手段として
は、従来より水蒸気によるマイクロ波の減衰や赤外線の
吸収等を応用した計測装置が用いられている。これらは
物理的手法により直接水蒸気を検出可能であることか
ら、前述の急激な温度変化を伴う様な環境においても水
蒸気の少量変化検出に有利となる反面、温度補償をも含
めた装置の構成は大がかりでありコストもかなり高いも
のとなる。また、図7に示すごとき湿り空気と乾き空気
の熱伝導率差を利用し、特性のそろった2個のサーミス
タ14を用いる熱伝導式の絶対湿度センサがあり、小型
で耐環境性にも優れているが、水蒸気量の微小変化に対
して良好な出力が得られず検出感度の高感度化、高速応
答性という点で問題があった。
[0005] As a means for detecting the absolute humidity (amount of water vapor), a measuring device to which microwave attenuation or infrared absorption by water vapor is applied has been conventionally used. Since these can directly detect water vapor by a physical method, it is advantageous for detecting a small change in water vapor even in an environment where the above-mentioned rapid temperature change is involved, but the configuration of the device including temperature compensation is Large and costly. In addition, there is a heat conduction type absolute humidity sensor using two thermistors 14 having uniform characteristics utilizing the difference in heat conductivity between wet air and dry air as shown in FIG. 7, and is small in size and excellent in environmental resistance. However, a satisfactory output was not obtained for a minute change in the amount of water vapor, and there was a problem in that the detection sensitivity was increased and the response was high.

【0006】さらに、熱伝導式の絶対湿度センサとして
は図8に示す様に、マイクロマシニング技術を駆使し、
Siからなる基板1に薄い絶縁層2からなるマイクロブ
リッジ3上にサーミスタ材料を用いた感応膜15と電極
16を形成し、素子の熱容量を大幅に低減した構造の絶
対湿度センサが開発され、図7に示すごとき2個のサー
ミスタを宙ずりにした構造の熱伝導式の絶対湿度センサ
に比較して、高速応答、高感度を得ている。
Further, as shown in FIG. 8, a heat conduction type absolute humidity sensor makes full use of micromachining technology.
An absolute humidity sensor having a structure in which a sensitive film 15 using a thermistor material and an electrode 16 are formed on a microbridge 3 made of a thin insulating layer 2 on a substrate 1 made of Si to greatly reduce the heat capacity of the element has been developed. As shown in FIG. 7, a high-speed response and a high sensitivity are obtained as compared with a heat conduction type absolute humidity sensor having a structure in which two thermistors are suspended.

【0007】[0007]

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記サーミス
タ材料を用いた感応膜15では、サーミスタ薄膜の長期
信頼性、特に熱的安定性に問題を有し、作製プロセスに
おいても電極16の形成が必要である等煩雑なものとな
っていた。また、高感度特性という点でも熱安定性に問
題を有するため満足するものではなかった。
However, the sensitive film 15 using the above-mentioned thermistor material has a problem in long-term reliability of the thermistor thin film, particularly in thermal stability, and the formation of the electrode 16 is necessary even in the fabrication process. And so on. In addition, it was not satisfactory because it had a problem in thermal stability in terms of high sensitivity characteristics.

【0008】この発明は上記事情に鑑みてなされたもの
であり、検出感度の向上及び低消費電力、特性の高速応
答性が図れ、長期安定性を有しうる湿度センサ用マイク
ロキャップ及び湿度センサを提供しようとするものであ
る。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and has an improved detection sensitivity, low power consumption, high-speed response of characteristics, and a long-term stability microcap for a humidity sensor. And a humidity sensor.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の湿度センサ用マ
イクロキャップは、第1の凹部及び第2の凹部が共通の
半導体基板の一方面側に設けられ、上記半導体基板の一
方面側と他方面側とを連通する連通部が第1の凹部の底
に設けられていることを特徴とする。 また、上記湿度セ
ンサ用マイクロキャップにおいて、上記半導体基板の一
方面側の第1の凹部の開口は、上記半導体基板の一方面
側から上記連通部に進行するにつれ狭小になっているこ
とを特徴とする。
According to the present invention, there is provided a humidity sensor comprising:
In the microcap, the first recess and the second recess are common.
The semiconductor substrate is provided on one side of the semiconductor substrate, and is provided on one side of the semiconductor substrate.
The communicating portion that connects the direction side and the other side is the bottom of the first concave portion.
It is characterized by being provided in. In addition, the humidity
In the sensor microcap, one of the above-mentioned semiconductor substrates is used.
The opening of the first concave portion on the side is one side of the semiconductor substrate.
From the side to the communication section
And features.

【0010】本発明の湿度センサは、半導体基板上に検
出側感応膜と参照側感応膜とが設けられた湿度センサに
おいて、上記湿度センサ用マイクロキャップの第1の凹
部を上記検出側感応膜に、第2の凹部を上記参照側感応
膜に、それぞれ対応させて封止されたことを特徴とす
る。
The humidity sensor of the present invention is a humidity sensor having a detection-side sensitive film and a reference-side sensitive film provided on a semiconductor substrate, wherein the first concave portion of the humidity sensor microcap is provided on the detection-side sensitive film. , The second concave portion is sealed corresponding to the reference-side sensitive film.

【0011】[0011]

【発明の実施の形態】本発明のマイクロキャップを適用
するセンサとして、例えば湿度センサがある。この湿度
センサは、凹部を有する基板の該凹部上に、抵抗温度係
数の大きい金属材料が所定の抵抗値を有する形状にパタ
ーン形成された感応膜及びこれを被覆する耐熱性絶縁膜
からなる発熱膜体が支持されてなり、上記発熱膜体周囲
雰囲気の水蒸気量の変化を、該発熱膜体の放散熱量変化
に伴う抵抗値変化として出力しうるよう構成されてなる
感湿素子構造を少なくとも2つ備え、これらの素子構造
の各発熱膜体はそれぞれ略同体積の空間を有するマイク
ロキャップにより封止されてなり、このうち参照側素子
構造の封止空間内には所定量の水蒸気を含有し又は乾燥
状態とし、検出側素子構造の封止空間は外部と連通する
よう構成され、これらの素子構造間の抵抗値変化に基づ
く出力により、検出側封止空間内の水蒸気量を検出す
る。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS As a sensor to which the microcap of the present invention is applied, for example, there is a humidity sensor. This humidity sensor is a heating film comprising a sensitive film in which a metal material having a large temperature coefficient of resistance is patterned into a shape having a predetermined resistance value on a concave portion of a substrate having the concave portion, and a heat-resistant insulating film covering the same. And at least two moisture-sensitive element structures configured to output a change in the amount of water vapor in the atmosphere around the heat generating film as a change in resistance due to a change in the amount of heat dissipated by the heat generating film. Each of the heat generating film bodies of these element structures is sealed by a microcap having a space of substantially the same volume, and a predetermined amount of water vapor is contained in the sealed space of the reference side element structure, or In a dry state, the sealed space of the detection-side element structure is configured to communicate with the outside, and the amount of water vapor in the detection-side sealed space is detected by an output based on a change in resistance between these element structures.

【0012】この感湿素子構造は、空気の熱伝導率が空
気中に含有される水蒸気量に依存することを利用し、雰
囲気の熱伝導率変化に伴う自己発熱体の放散熱量の変化
に伴う素子温度の変化(すなわち自己発熱体の抵抗値変
化)に基づいて絶対湿度を検出しうるよう構成されるも
のである。また、この感湿素子構造を用いた湿度センサ
は一定温度に自己加熱される2つの感湿素子構造を設
け、そのうち一方(第1の素子)を検出雰囲気に露出
し、他方(第2の素子)は一定湿度雰囲気又は乾燥雰囲
気にて密閉することにより、検出雰囲気内の水蒸気量変
化に伴う熱伝導率変化により生じる第1、第2の素子そ
れぞれの自己発熱温度変化に伴う第1、第2素子の抵抗
値変化の差出力をもって雰囲気温度の影響を受けること
なく水蒸気量を検知しうるよう構成されるものである。
This moisture-sensitive element structure utilizes the fact that the thermal conductivity of air depends on the amount of water vapor contained in the air, and changes the amount of heat dissipated by the self-heating element due to the change in the thermal conductivity of the atmosphere. The absolute humidity can be detected based on a change in the element temperature (that is, a change in the resistance value of the self-heating element). Further, a humidity sensor using this moisture-sensitive element structure is provided with two moisture-sensitive element structures that are self-heated to a constant temperature, one of which (the first element) is exposed to the detection atmosphere, and the other (the second element). ) Is sealed in a constant humidity atmosphere or a dry atmosphere, and the first and second elements are caused by the self-heating temperature change of each of the first and second elements caused by the change in the thermal conductivity caused by the change in the amount of water vapor in the detection atmosphere. The configuration is such that the amount of water vapor can be detected without being affected by the ambient temperature using the differential output of the change in the resistance value of the element.

【0013】一般に高感度な出力を得るためには、同一
の水蒸気量変化に対して素子からより多くの放散熱量を
得ることが重要である。ここで、素子の放散熱量は以下
の式で表される。
In general, in order to obtain a high-sensitivity output, it is important to obtain more heat dissipation from the element for the same change in the amount of water vapor. Here, the amount of heat dissipated by the element is expressed by the following equation.

【0014】q=h(T−T0)A [q:放散熱量(kcal/h),T:素子温度
(℃),A:素子表面積(m2),h:熱伝導率(kc
al/m・h・℃),T0:雰囲気温度(℃)] このうち、水蒸気量変動によって変化するのは熱伝導率
hであり、Aは表面積であるから一定である。従って、
同一水蒸気量変化にて放散熱量qを多く取るためには、
(T−T0)を増加させる、すなわち素子温度Tを高温
とすることが有益である。しかし、単に素子動作温度の
高温化を図るのでは、素子の消費電力は大幅に増大し、
素子の熱応答性ひいては水蒸気に対する感湿応答性の大
幅な低下を招く。
Q = h (T−T 0 ) A [q: heat dissipation (kcal / h), T: element temperature (° C.), A: element surface area (m 2 ), h: thermal conductivity (kc
al / m · h · ℃) , T 0: ambient temperature (° C.)] Among these, to change the water vapor content change is a thermal conductivity h, A is a constant because the surface area. Therefore,
In order to increase the amount of heat dissipated q for the same change in the amount of water vapor,
It is beneficial to increase (T−T 0 ), that is, to increase the element temperature T. However, simply raising the operating temperature of the device significantly increases the power consumption of the device,
This leads to a significant decrease in the thermal responsiveness of the device and, in turn, the moisture responsiveness to water vapor.

【0015】そこで、高速応答、低消費電力かつ高温動
作を実現するために素子熱容量の低下、すなわち素子発
熱部の十分な熱絶縁を図れる素子構造が重要となる。
Therefore, in order to realize high-speed response, low power consumption, and high-temperature operation, it is important to reduce the heat capacity of the element, that is, to have an element structure capable of achieving sufficient thermal insulation of the element heat generating portion.

【0016】この感湿素子構造において、基板は上記素
子の低熱容量化を図るため、凹部を有する構造のものが
用いられる。
In this moisture-sensitive element structure, a substrate having a concave portion is used in order to reduce the heat capacity of the element.

【0017】この感湿素子構造の上記発熱膜体は、所定
の抵抗値を有する金属材料からなる感応膜及びこれを被
覆する絶縁膜で構成される。上記金属材料としては、温
度による抵抗値変化の大きいものが有利であり、例えば
Pt,Ni等を挙げることができるが、特にPt材料は
高温での安定性に優れ信頼性の確保された動作温度域に
おいて従来にない高感度特性を有する点で好ましいもの
である。
The heat-generating film of this moisture-sensitive element structure is composed of a sensitive film made of a metal material having a predetermined resistance value and an insulating film covering the same. As the above-mentioned metal material, a material having a large resistance value change depending on temperature is advantageous. For example, Pt, Ni, etc. can be cited. In particular, a Pt material has excellent operating stability at high temperature and has ensured reliability. This is preferable in that it has unprecedented high sensitivity characteristics in the region.

【0018】上記感応膜が所定の抵抗値を有する構造と
しては、該膜の一部を一定の幅及び間隔にてジグザグ
(ミアンダリング)形状に微細加工することが挙げられ
る。
An example of a structure in which the sensitive film has a predetermined resistance value is that a part of the film is finely processed into a zigzag (meandering) shape at a fixed width and at a predetermined interval.

【0019】この感湿素子構造において、上記発熱膜体
は前記基板の凹部上に支持される。この支持構造は例え
ば、ブリッジ状、カンチレバー状、ダイヤフラム状等発
熱膜体から基板への熱伝導を抑えて該発熱膜体から周囲
雰囲気中に熱放散を効率良く行わしめる形状であればい
ずれのものであってもよい。
In this moisture-sensitive element structure, the heat generating film is supported on the concave portion of the substrate. This supporting structure is, for example, a bridge-shaped, cantilever-shaped, or diaphragm-shaped one that can suppress heat conduction from the heat-generating film to the substrate and efficiently dissipate heat from the heat-generating film to the surrounding atmosphere. It may be.

【0020】上記感応膜及びこれを被覆する絶縁膜から
なる発熱膜体の形成、並びに該発熱膜体の基板への支持
は熱酸化法、スパッタリング法、真空蒸着法等の成膜技
術、及びリソグラフィ等の半導体プロセスにおけるマイ
クロマシニングの手法を用いることにより達成すること
ができる。詳しくは後述する実施例の記載が参照され
る。
The formation of the heating film composed of the above-mentioned sensitive film and the insulating film covering the same, and the supporting of the heating film on the substrate are performed by a film forming technique such as a thermal oxidation method, a sputtering method or a vacuum evaporation method, and lithography. This can be achieved by using a micromachining technique in a semiconductor process such as the one described above. For details, refer to the description of the embodiment described later.

【0021】また、上記感湿素子構造を少なくとも2つ
以上用いて、絶対湿度検出用の湿度センサを構成でき
る。この場合1つの感湿素子構造は、検出側として機能
し、他の1つは参照(リファレンス)側として機能する
よう構成される。上記リファレンス側感湿素子構造は一
定出力、すなわち一定抵抗値を有しうるよう、該素子の
発熱膜体は一定水蒸気量を有する雰囲気又は乾燥雰囲気
と定常的に接触する構造とされる。この構成としては、
発熱膜体を所定量の水蒸気を含有する空間内又は乾燥状
態を維持する空間内に封止する構造が挙げられる。一方
検出側感湿素子構造は、上記リファレンス側と同様に封
止されるが、この封止は外部と連通する構成にされる。
上記リファレンス側及び検出側感湿素子構造の封止は、
封止用のマイクロキャップを作製し、このマイクロキャ
ップを所定の発熱膜体を封止しうるよう基板上に接合す
る等が挙げられる。上記マイクロキャップの作製はエッ
チング技術、フォトリソグラフィ技術等のマイクロマシ
ニング技術をそのまま利用することができる。またキャ
ップの接合は、スクリーン印刷法、塗布法、焼成法等を
用いて行うことができる。詳しくは後述する実施例の記
載が参照される。
Further, a humidity sensor for detecting absolute humidity can be constituted by using at least two or more of the above-mentioned humidity-sensitive element structures. In this case, one moisture sensitive element structure is configured to function as a detection side, and the other is configured to function as a reference side. The heat generating film of the element has a structure in which it is in constant contact with an atmosphere having a fixed amount of water vapor or a dry atmosphere so that the reference-side moisture-sensitive element structure can have a constant output, that is, a constant resistance value. In this configuration,
There is a structure in which the heat generating film is sealed in a space containing a predetermined amount of water vapor or in a space maintaining a dry state. On the other hand, the detection-side moisture-sensitive element structure is sealed in the same manner as the reference side, but this sealing is configured to communicate with the outside.
The sealing of the reference-side and detection-side moisture-sensitive element structures is as follows.
For example, a microcap for sealing is produced, and the microcap is bonded to a substrate so as to seal a predetermined heat generating film. For the production of the microcap, a micromachining technology such as an etching technology or a photolithography technology can be used as it is. The cap can be joined by a screen printing method, a coating method, a baking method, or the like. For details, refer to the description of the embodiment described later.

【0022】この湿度センサにおいて、上記リファレン
ス側発熱膜体及び検出側発熱膜体を、同一基板内に同様
な支持構造で構成するものが好ましい。また、このとき
上記2つの発熱膜体を抱括して封止すると共に、その封
止内でさらに個々の発熱膜体を個別に封止し、検出側の
封止に対しては細孔を設けて、外部と流通可能に構成す
るものが、両発熱体の熱放散状態を極力一致させ、感湿
特性の温度依存性も一致させうる点で好ましいものであ
る。
In this humidity sensor, it is preferable that the reference-side heating film and the detection-side heating film have the same supporting structure on the same substrate. In addition, at this time, the above-mentioned two heating film bodies are enclosed and sealed, and further, each heating film body is further individually sealed in the sealing, and pores are formed in the sealing on the detection side. It is preferable that the heat-dissipating elements be provided so as to be able to circulate with the outside, since the heat-dissipating state of both heating elements can be matched as much as possible, and the temperature dependency of the moisture-sensing characteristics can be matched.

【0023】また、検出側の封止では、マイクロキャッ
プの開口が半導体基板内に進行するにつれ狭小にしてい
るので、検出側感応膜と参照側感応膜の熱放散状態を、
より一致させることができる。
In the sealing on the detection side, since the opening of the microcap is made narrower as it advances into the semiconductor substrate, the heat dissipation state of the detection-side sensitive film and the reference-side sensitive film is reduced.
Can be more consistent.

【0024】この湿度センサは、上記リファレンス側感
湿素子構造と検出側感湿素子構造との抵抗値変化に基づ
く出力により、検出雰囲気内の水蒸気量を検出しうるよ
う構成される。この構成例としては、上記リファレンス
側感湿素子と検出側感湿素子とでブリッジ回路を構成
し、該ブリッジ回路の非平衡電位を出力として検出する
もの等が挙げられる。
This humidity sensor is configured to be able to detect the amount of water vapor in the detection atmosphere by an output based on a change in resistance between the reference-side humidity-sensing element structure and the detection-side humidity-sensing element structure. As an example of this configuration, there is a configuration in which a bridge circuit is configured by the reference-side moisture-sensitive element and the detection-side moisture-sensitive element, and an unbalanced potential of the bridge circuit is detected as an output.

【0025】この湿度センサによれば、抵抗温度係数の
大きい金属膜及びこれを被覆する絶縁膜からなる発熱膜
体が、凹部を有して低熱容量化された基板の凹部上に支
持されているので、所定の抵抗値により発熱された発熱
膜体から放散する熱量の基板への伝導は抑えられるた
め、この熱放散のほとんどは該発熱膜体周囲の雰囲気が
含有する水蒸気量によって定まる該雰囲気の伝導率に依
存することとなり、この含有水蒸気量の変化に伴う上記
雰囲気の伝導率の変化が、発熱膜体の抵抗値変化として
出力され、これに基づいて上記雰囲気内の水蒸気量が検
出されることとなる。
According to this humidity sensor, the heat generating film composed of the metal film having a large resistance temperature coefficient and the insulating film covering the metal film is supported on the concave portion of the substrate having the concave portion and having a low heat capacity. Therefore, conduction of the amount of heat dissipated from the heat generating film body generated by the predetermined resistance value to the substrate is suppressed, and most of the heat dissipation is determined by the amount of water vapor contained in the atmosphere around the heat generating film body. The change in the conductivity of the atmosphere due to the change in the amount of water vapor contained in the atmosphere is output as a change in the resistance value of the heating film body, and the amount of water vapor in the atmosphere is detected based on the change. It will be.

【0026】以下実施例によりこの発明を詳細に説明す
るが、これによりこの発明は限定されるものではない。
Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited thereto.

【0027】[0027]

【実施例】図1は感湿素子構造の構成説明図であり、同
図(A)はその平面構成説明図、同図(B)はそのX−
X’線断面構成説明図、同図(C)はそのY−Y’線断
面構成説明図である。図1に示すごとく、Si基板1上
にブリッジ形状の薄膜絶縁層2を形成した後、基板1で
あるSiの結晶軸異方性エッチングを行うことにより絶
縁層ブリッジ部下のエッチングにて基板1−絶縁層ブリ
ッジ部(以下マイクロブリッジと称す)3間に中空構造
を有し、熱絶縁すなわち低熱容量化に優れた素子構造と
し、さらにマイクロブリッジ3上に薄膜センサ材料であ
る感応膜4を所定の抵抗値となる様パターン形成し、さ
らに感応膜4の上層に保護膜として薄い絶縁層5を積層
している。
1A and 1B are explanatory views of the structure of a moisture-sensitive element structure, FIG. 1A is an explanatory view of a plan structure thereof, and FIG.
FIG. 2C is a cross-sectional configuration explanatory view taken along the line X ′, and FIG. As shown in FIG. 1, after a bridge-shaped thin-film insulating layer 2 is formed on a Si substrate 1, the crystal axis anisotropic etching of Si as the substrate 1 is performed, thereby etching the substrate 1-1 under the insulating layer bridge. A hollow structure is provided between the insulating layer bridge portions (hereinafter referred to as microbridges) 3 to provide an element structure excellent in thermal insulation, that is, low heat capacity, and a sensitive film 4 which is a thin film sensor material is provided on the microbridges 3 in a predetermined manner. A pattern is formed to have a resistance value, and a thin insulating layer 5 is laminated on the sensitive film 4 as a protective film.

【0028】以下に図1の素子構造形成プロセスについ
て詳細に述べると、まず結晶軸の方位により化学エッチ
ングの速度が異なるSi基板1上に、マイクロブリッジ
3の下層となるSiO2,Si34またはAl23等の
薄い絶縁層2を、材料に応じて熱酸化法、スパッタ法、
真空蒸着法またはCVD法等により形成する。この実施
例では後のSiエッチング時におけるエッチピットの発
生防止を考え、SiO2膜を熱酸化法にて形成する。こ
のとき基板の裏面及び側面にも同時にSiO2を形成
し、後のSiエッチング時のマスクとする。さらに、感
応膜と絶縁層の良好な密着性を考慮してSiO2膜上に
Al23膜をスパッタ法あるいは陽極酸化法にて積層形
成し、Al23/SiO2の2層からなる絶縁層2を作
製する。この場合絶縁層2は感応膜材料あるいは絶縁層
膜の形成法にもよるが、SiO2,Si34またはAl2
3膜の単層膜構造であっても良い。また、ブリッジの
強度等を考慮し、マイクロブリッジ3の絶縁層下面に所
定の厚みのSiを残存させて、その下方を空洞化し絶縁
層と基板材料のSi層が重畳された2層構造からなるブ
リッジを形成することも有用であり、その場合は基板の
ブリッジ部表面に予めB(ボロン)等を高濃度に拡散あ
るいはドープすることにより、その部分を異方性エッチ
ング(化学エッチング)時のストップ層として利用すれ
ば結果として絶縁層とSi(Bドープ)材料からなるブ
リッジが形成できる。
The device structure forming process shown in FIG. 1 will be described below in detail. First, on a Si substrate 1 having a different chemical etching rate depending on the orientation of the crystal axis, SiO 2 , Si 3 N 4 to be a lower layer of the microbridge 3 are provided. Alternatively, a thin insulating layer 2 such as Al 2 O 3 may be formed by thermal oxidation, sputtering,
It is formed by a vacuum evaporation method or a CVD method. In this embodiment, an SiO 2 film is formed by a thermal oxidation method in consideration of prevention of generation of an etch pit during subsequent Si etching. At this time, SiO 2 is simultaneously formed on the back surface and the side surface of the substrate, and is used as a mask for subsequent Si etching. Further, an Al 2 O 3 film was laminated by a sputtering method or an anodic oxidation method on the SiO 2 film in view of the good adhesion of the sensitive layer and the insulating layer, the two layers of Al 2 O 3 / SiO 2 An insulating layer 2 is formed. In this case, the insulating layer 2 may be made of SiO 2 , Si 3 N 4 or Al 2 , depending on the material of the sensitive film or the method of forming the insulating layer film.
It may have a single-layer structure of an O 3 film. In consideration of the strength of the bridge and the like, a predetermined thickness of Si is left on the lower surface of the insulating layer of the microbridge 3 to form a cavity below the insulating layer, and has a two-layer structure in which the insulating layer and the Si layer of the substrate material are overlapped. It is also useful to form a bridge. In this case, B (boron) or the like is diffused or doped in advance at a high concentration on the surface of the bridge portion of the substrate to stop the portion at the time of anisotropic etching (chemical etching). When used as a layer, a bridge made of an insulating layer and a Si (B-doped) material can be formed as a result.

【0029】次に、絶縁層2上に抵抗温度係数の大きい
材料であるPt,Ni等の金属材料をスパッタ法、真空
蒸着法にて形成し、さらに後のSiエッチングにより絶
縁層マイクロブリッジ3となる部分上でホトリソグラフ
ィー技術とドライエッチング法もしくは化学エッチング
法にて所定の抵抗値となる様にパターン化して感応膜4
とする。この実施例では、感応膜4に化学的・熱的安定
性に優れたPtを用いドライエッチング法によりエッチ
ングし、図2に示すごときジグザグ(ミアンダリング)
形状にパターン化している。この後、感応膜4上に保護
膜でかつ後のSiエッチング時のマスクとなる上部絶縁
層5をスパッタ法、真空蒸着法、熱酸化法、陽極酸化
法、CVD法等により形成するが、ここではPtとの密
着性に優れ、良好な耐環境性を有するAl23膜をスパ
ッタ法により形成している。
Next, a metal material such as Pt or Ni having a large temperature coefficient of resistance is formed on the insulating layer 2 by a sputtering method or a vacuum deposition method. The photosensitive film 4 is patterned on a predetermined portion by photolithography and dry etching or chemical etching so as to have a predetermined resistance value.
And In this embodiment, the sensitive film 4 is etched by dry etching using Pt having excellent chemical and thermal stability, and zigzag (meandering) as shown in FIG.
Patterned in shape. Thereafter, an upper insulating layer 5 serving as a protective film and as a mask for the subsequent Si etching is formed on the sensitive film 4 by a sputtering method, a vacuum deposition method, a thermal oxidation method, an anodic oxidation method, a CVD method or the like. In this method, an Al 2 O 3 film having excellent adhesion to Pt and good environmental resistance is formed by a sputtering method.

【0030】以上の工程の後、下部絶縁層2下の基板S
iの一部をエッチングにより除き、上下絶縁層2,5と
感応膜4から成るマイクロブリッジ3を作製する。ま
ず、上下絶縁層をホトリソグラフィー技術と化学エッチ
ング技術及びドライエッチング技術を用いてエッチング
によりブリッジ形状にパターン化し、絶縁層下のSi基
板を露出させる。また、このときPt膜へのリード線接
続部(パッド部)6の上部絶縁層も同時にエッチング
し、パッド部の形成を行う。エッチングの具体的手法と
してはAl23膜はリン酸溶液を用いた化学エッチン
グ、SiO2は膜厚により化学エッチングとドライエッ
チングを使い分けて行う。また、パッド部で上層のAl
23膜をエッチングした後に感応膜のPt膜が露出し、
他の部分での下部絶縁層(Al23/SiO2)エッチ
ング時の影響が懸念されるが、Pt膜はAl23膜、S
iO2膜のどちらのエッチング手法に対してもほとんど
エッチングされず安定であり良好にパッド6が形成でき
る。この様にして得られたSi基板の露出部からE,
P,W溶液(エチレンジアミン−ピロカテコール−水)
あるいはKOH溶液等のアルカリ溶液を用いて化学エッ
チングすることにより優先結晶軸方向のSiのエッチン
グが進行して行き、すなわち、結晶軸異方性エッチング
によりブリッジ形状にパターン化された絶縁層下のSi
がエッチング除去され感応膜4と上下の絶縁層2,5か
らなるマイクロブリッジ3が形成される。また上下絶縁
層にSi34膜を用いることも有効であり、Al23
と同等の特性を有する。なお、異方性エッチングのマス
クとしては上下の絶縁層を用い、(100)Si基板で
(111)面が露出したところでエッチングはストップ
し、またエッチング深さは時間によって制御している。
さらに、感湿素子構造の他の構成説明図を図3に示す。
なお、同図(A)はその斜視図、同図(B)はそのX−
X’線断面構成説明図、同図(C)はそのY−Y’線断
面構成説明図である。該図に示す様に上下の絶縁層2,
5及び感応膜4のパターンニング形状でカンチレバー7
の絶縁層上にも感応膜4を形成可能で、機械的強度には
若干劣るものの、一層熱絶縁に優れた素子を作製でき
る。
After the above steps, the substrate S under the lower insulating layer 2
A part of i is removed by etching, and a microbridge 3 composed of the upper and lower insulating layers 2 and 5 and the sensitive film 4 is manufactured. First, the upper and lower insulating layers are patterned into a bridge shape by etching using photolithography technology, chemical etching technology, and dry etching technology, and the Si substrate under the insulating layer is exposed. At this time, the upper insulating layer of the lead wire connection portion (pad portion) 6 to the Pt film is simultaneously etched to form a pad portion. As a specific method of etching, chemical etching using a phosphoric acid solution is used for the Al 2 O 3 film, and chemical etching and dry etching are used for SiO 2 depending on the film thickness. In the pad portion, the upper Al
After etching the 2 O 3 film, the Pt film of the sensitive film is exposed,
There is a concern about the effect of etching the lower insulating layer (Al 2 O 3 / SiO 2 ) in other parts, but the Pt film is an Al 2 O 3 film,
The pad 6 can be formed satisfactorily and hardly by any etching method of the iO 2 film. From the exposed portion of the Si substrate thus obtained, E,
P, W solution (ethylenediamine-pyrocatechol-water)
Alternatively, the etching of Si in the preferential crystal axis direction proceeds by chemical etching using an alkali solution such as a KOH solution, that is, the Si under the insulating layer patterned into a bridge shape by the crystal axis anisotropic etching.
Is removed by etching to form a microbridge 3 composed of the sensitive film 4 and the upper and lower insulating layers 2 and 5. It is also effective to use a Si 3 N 4 film for the upper and lower insulating layers, and has the same characteristics as the Al 2 O 3 film. The upper and lower insulating layers are used as a mask for anisotropic etching, the etching is stopped when the (111) plane is exposed on the (100) Si substrate, and the etching depth is controlled by time.
FIG. 3 shows another explanatory diagram of the structure of the moisture-sensitive element structure.
FIG. 2A is a perspective view thereof, and FIG.
FIG. 2C is a cross-sectional configuration explanatory view taken along the line X ′, and FIG. As shown in FIG.
5 and cantilever 7 with patterning shape of sensitive film 4
The sensitive film 4 can also be formed on the insulating layer described above, and an element with slightly better mechanical strength but better thermal insulation can be manufactured.

【0031】以上の工程で素子の基本的構造は形成さ
れ、このマイクロブリッジ素子、カンチレバー素子がそ
れぞれのPt抵抗部(ミアンダリング形状パターン化
部)(図2の4)を一定温度に自己発熱させ、水蒸気量
の変動に伴う発熱温度の変化を抵抗値変化として水蒸気
の検出が可能であり、用途に応じて実用上有益である。
The basic structure of the element is formed by the above steps, and the microbridge element and the cantilever element self-generate their respective Pt resistance portions (meandering-shaped patterning portions) (4 in FIG. 2) to a constant temperature. In addition, it is possible to detect steam as a change in the resistance value based on a change in the heat generation temperature due to a change in the amount of steam, which is practically useful depending on the application.

【0032】図4は、この感湿素子構造の他の構成説明
図であり、同図(A)はその斜視図、同図(B)はその
X−X’線断面構成説明図、同図(C)はそのY−Y’
線断面構成説明図である。Si基板1’上と基板裏面及
び側面に薄膜絶縁層2’を形成しかつSi基板1’裏面
の薄膜絶縁層2’はダイヤフラム形成に必要なパターン
に応じ異方性エッチングのマスクとして所定の形状、寸
法にてエッチングしておき、薄膜絶縁層2’の形成され
ていないSi基板1’裏面中央より異方性エッチングを
行うことにより、Si基板1’の中央部が薄くなりSi
基板1’の表面に被着された薄膜絶縁層とSi基板材料
の2層構造よりなるダイヤフラム13’が形成される。
このダイヤフラム13’上に所定形状(図2に示したも
のと同様なミアンダリング構造)及び寸法にパターン化
されたNi薄膜よりなる感応膜4’を配設し、さらに感
応膜上に保護膜を形成してダイヤフラム13’の構造の
素子を得る。
FIGS. 4A and 4B are explanatory views of another structure of the moisture-sensitive element structure, wherein FIG. 4A is a perspective view thereof, and FIG. 4B is a sectional structure explanatory view taken along line XX 'of FIG. (C) is the YY '
FIG. 4 is an explanatory diagram of a line cross-sectional configuration. A thin film insulating layer 2 'is formed on the Si substrate 1' and on the back and side surfaces of the substrate, and the thin film insulating layer 2 'on the back surface of the Si substrate 1' has a predetermined shape as a mask for anisotropic etching according to a pattern required for diaphragm formation. By performing anisotropic etching from the center of the back surface of the Si substrate 1 ′ where the thin film insulating layer 2 ′ is not formed, the central portion of the Si substrate 1 ′ becomes thinner,
A diaphragm 13 'having a two-layer structure of a thin film insulating layer and a Si substrate material is formed on the surface of the substrate 1'.
On the diaphragm 13 ', a sensitive film 4' made of a Ni thin film patterned into a predetermined shape (a meandering structure similar to that shown in FIG. 2) and dimensions is provided, and a protective film is further formed on the sensitive film. Thus, an element having the structure of the diaphragm 13 'is obtained.

【0033】ダイヤフラム13’の基板材料にストップ
層を形成する手段としては、予めB等を高濃度にドープ
することにより得ている。従ってダイヤフラムはこのB
ドープされた基板材料と絶縁層の2層によって形成され
ている。また、ダイヤフラム13’の基板材料の厚みは
必ずしもB等をドープすることで制御する必要はなく、
異方性エッチングの時間のみによって制御することも可
能であり、さらには、この部分の基板材料をすべてエッ
チングし、絶縁層のみによりダイヤフラムを形成する構
造であっても良い。
The means for forming the stop layer on the substrate material of the diaphragm 13 'is obtained by doping B or the like at a high concentration in advance. Therefore, the diaphragm
It is formed by two layers of a doped substrate material and an insulating layer. Further, the thickness of the substrate material of the diaphragm 13 ′ does not necessarily need to be controlled by doping B or the like.
It is possible to control only by the anisotropic etching time, and furthermore, a structure may be employed in which all the substrate material in this portion is etched and the diaphragm is formed only by the insulating layer.

【0034】この様にして得られるダイヤフラム型の感
湿素子は、従来の熱伝導式の感湿素子に比較して、感応
膜の熱絶縁すなわち素子の熱容量低減に関しては飛躍的
な向上が得られるものの、ブリッジあるいはカンチレバ
ー型の素子と比較すると応答特性の面で若干劣る。しか
し、ダイヤフラム部の機械的強度を考えるとブリッジあ
るいはカンチレバー型に比較して有利であり、従って、
高感度、高速応答、低消費電力を有し、機械的強度を要
求される使用環境への適用に有益である。
The diaphragm-type moisture-sensitive element thus obtained has a remarkable improvement in the thermal insulation of the sensitive film, that is, the reduction of the heat capacity of the element, as compared with the conventional heat-conduction-type moisture-sensitive element. However, the response characteristics are slightly inferior to those of a bridge or cantilever type element. However, considering the mechanical strength of the diaphragm, it is more advantageous than the bridge or cantilever type,
It has high sensitivity, high-speed response, and low power consumption, and is useful for application to use environments that require mechanical strength.

【0035】次に、図1の感湿素子構造を、さらにその
水蒸気検知を高精度にするため、水蒸気検知特性(感湿
特性)の雰囲気温度依存性を低減させる構造を有するこ
の発明の湿度センサについて説明する。
Next, the humidity sensor of the present invention has a structure in which the humidity sensing element structure shown in FIG. 1 has a structure for reducing the ambient temperature dependency of the steam sensing characteristics (humidity sensing characteristics) in order to make the steam sensing more accurate. Will be described.

【0036】図5は、この発明の湿度センサの一実施例
の構成説明図であり、同図(A)はその斜視図、同図
(B)はそのX−X’線断面構成説明図である。
FIGS. 5A and 5B are explanatory views of the configuration of an embodiment of the humidity sensor of the present invention. FIG. 5A is a perspective view of the humidity sensor, and FIG. is there.

【0037】図5の湿度センサは、同一特性のマイクロ
ブリッジ素子(図1)あるいはカンチレバー素子(図
3)を同一基板内に作製し、かつ、2つのマイクロブリ
ッジ3,3あるいはカンチレバー7,7を同時にSiを
異方性エッチングして作製したマイクロキャップ8で気
密封止して一つの素子として構成されている。但し、水
蒸気検出(センサ(以下センサと呼ぶ))側には水蒸気
の出入りが可能な微小孔11を設け、参照(リファレン
ス(以下リファレンスと呼ぶ))側は前述の通りまった
く水蒸気の出入りがない様に気密封止している。こうし
て得られたセンサ、リファレンスの2つのマイクロブリ
ッジ素子あるいはカンチレバー素子のPt抵抗体及び他
の固定抵抗により例えば、図6に示す構成のブリッジ回
路を組んで出力(VOUT)を得ることにより雰囲気温度
変動等による出力に対するノイズ要因をキャンセルで
き、水蒸気変動による出力のみが高精度に得られる。す
なわち、感湿特性の温度依存性が参照用素子を用いて補
正可能となる。以下には本実施例素子のマイクロキャッ
プ作製プロセス及びセンサ素子、リファレンス素子とマ
イクロキャップとの接合法等について詳細に述べる。
In the humidity sensor of FIG. 5, a microbridge element (FIG. 1) or a cantilever element (FIG. 3) having the same characteristics is manufactured on the same substrate, and two microbridges 3, 3 or cantilevers 7, 7 are connected. At the same time, the device is hermetically sealed with a microcap 8 produced by anisotropically etching Si to form one device. However, a minute hole 11 through which water vapor can enter and exit is provided on the water vapor detection (sensor (hereinafter referred to as sensor)) side, and the reference (reference (hereinafter referred to as reference)) side does not have any water vapor as described above. Hermetically sealed. With the thus obtained sensor, two microbridge elements of the reference or the Pt resistor of the cantilever element and other fixed resistors, for example, a bridge circuit having the configuration shown in FIG. 6 is assembled to obtain an output (V OUT ), thereby obtaining the ambient temperature. Noise factors for the output due to fluctuation or the like can be canceled, and only the output due to water vapor fluctuation can be obtained with high accuracy. That is, the temperature dependency of the humidity sensitivity can be corrected using the reference element. Hereinafter, the microcap manufacturing process, the sensor element, the method of bonding the reference element to the microcap, and the like of the element of this embodiment will be described in detail.

【0038】まず、センサ、リファレンス素子(本体素
子(以下本体素子と呼ぶ))の作製に関しては、前述の
図1,図3の素子作製の通りで2つのマイクロブリッジ
素子あるいはカンチレバー素子を1ユニット(1体)と
して1つの本体素子とする。次にマイクロキャップ8の
作製であるが、熱酸化により基板全面にSiO2膜を形
成したSi基板にエッチングによりマイクロキャップの
2つの空洞(凹部)9,10及びセンサ側の水蒸気の出
入り可能な微小孔11が形成できる様に、基板の表裏面
にホトリソグラフィー技術と化学エッチングあるいはド
ライエッチング技術によりSiO2膜をエッチングしパ
ターン化する。この後SiO2のエッチングにより露出
したSi部を本体素子と同様、E.P.W.、KOH等
のアルカリ溶液にて異方性エッチングしてマイクロキャ
ップ8を得る。最後にこうして得られたマイクロキャッ
プと本体素子の接合を行い感湿素子が作製される(図
5)。具体的な接合は低融点ガラス等の接合媒体12を
用いて行う。すなわち、マイクロキャップの接合パター
ン部にスクリーン印刷法あるいは塗布法等により低融点
ガラスをパターン形成し、これを本体素子と位置合わせ
し極低湿雰囲気の炉内で焼成接合する。こうして、接合
の完了した素子を通常(公知)のTOパッケージ等に搭
載し、パッド部6にワイヤーボンディングして最終的な
素子を得る。また、以上の作製プロセスの説明は単一素
子について述べて来たが、実際の素子作製では接合プロ
セスまでを本体素子、マイクロキャップとも複数個を同
時形成可能なウェハ単位にて作製し、接合後2枚のウェ
ハを同時にダイシングにより分割して単一の素子とする
工程をとり量産性の向上、コストの低減を図っている。
この素子を用い、図6のブリッジ回路を用いて水蒸気
量の変化を高精度に検出できる。以下には動作機構を述
べる。センサ側Pt抵抗体(R1(≡Rs))18とリ
ファレンス側Pt抵抗体(R2(≡≡Rr))19を直
列に接続し、それぞれのPt抵抗体が約300℃に自己
発熱する様に通電する。この際電流制限抵抗(RL)1
7を付加し、過電流の通電を防止し、R320,R421
に適当な固定抵抗を接続し、計測前のVOUT22の初期
出力を基準レベルとなる様に調整する。従ってR421
には可変抵抗を用いることが望ましい。この状態で雰囲
気の水蒸気量が変化すると、水蒸気の影響を受けるセン
サ側のPt抵抗体18の発熱温度が変化し、従ってセン
サ側の抵抗値のみが変化することによりブリッジ回路の
バランスが崩れ、VOUT部22に水蒸気量に応じた電圧
出力が得られる。一方、雰囲気温度が変化した場合は、
センサ側、リファレンス側が同一の発熱温度変動を受
け、よって共に抵抗値変動は生ずるが変動量が一致して
いるためにVOUT部22の出力は基準レベルのままで出
力変動は認められず、感湿特性の温度依存性を補正によ
り大幅に低減し高精度な検出ができ、従来のパッケージ
封止タイプより感湿信号のS/Nにも優れ、増幅して高
出力を得ることにも適している。
First, regarding the production of a sensor and a reference element (main element (hereinafter referred to as main element)), two microbridge elements or cantilever elements are formed as one unit (as in the above-mentioned element production of FIGS. 1 and 3). One body element is defined as one body element. Next, the microcap 8 is manufactured. The two cavities (recesses) 9 and 10 of the microcap are etched by etching the Si substrate on which the SiO 2 film is formed on the entire surface of the substrate by thermal oxidation, and the minute water vapor on the sensor side is allowed to enter and exit. The SiO 2 film is etched and patterned on the front and back surfaces of the substrate by photolithography and chemical etching or dry etching so that the holes 11 can be formed. Thereafter, the Si portion exposed by the etching of SiO 2 is formed in the same manner as that of the main body element. P. W. Microcap 8 is obtained by anisotropic etching with an alkaline solution such as KOH. Finally, the microcap thus obtained is joined to the main body element to produce a moisture-sensitive element (FIG. 5). Concrete bonding is performed using a bonding medium 12 such as low-melting glass. That is, a low-melting glass is pattern-formed on the bonding pattern portion of the microcap by a screen printing method, a coating method, or the like, and is aligned with the main body element and fired and bonded in a furnace in an extremely low humidity atmosphere. In this way, the element whose bonding has been completed is mounted on a normal (known) TO package or the like, and wire-bonded to the pad portion 6 to obtain a final element. In the above description of the fabrication process, a single device has been described. However, in actual device fabrication, up to the bonding process, a body device and a microcap are fabricated in wafer units on which a plurality of devices can be simultaneously formed. A process of dividing two wafers simultaneously by dicing to form a single element is performed to improve mass productivity and reduce cost.
Using this element, a change in the amount of water vapor can be detected with high accuracy using the bridge circuit of FIG. The operation mechanism will be described below. A sensor side Pt resistor (R 1 (≡Rs)) 18 and a reference side Pt resistor (R 2 (≡≡Rr)) 19 are connected in series, and each Pt resistor self-heats to about 300 ° C. Turn on electricity. At this time, the current limiting resistor (R L ) 1
7 to prevent overcurrent from flowing, R 3 20 and R 4 21
And an appropriate fixed resistor, and adjust the initial output of V OUT 22 before measurement to the reference level. Therefore, R 4 21
It is desirable to use a variable resistor. If the amount of water vapor in the atmosphere changes in this state, the heat generation temperature of the Pt resistor 18 on the sensor side, which is affected by the water vapor, changes. Therefore, only the resistance value on the sensor side changes, and the balance of the bridge circuit is lost. A voltage output corresponding to the amount of water vapor is obtained at the OUT section 22. On the other hand, if the ambient temperature changes,
The sensor side and the reference side receive the same heat-generating temperature fluctuation, so that both resistance values fluctuate. However, since the fluctuation amounts are the same, the output of the VOUT section 22 remains at the reference level and no output fluctuation is recognized. The temperature dependency of the humidity characteristics is greatly reduced by correction, and highly accurate detection is possible. It is also superior in S / N of the humidity sensitive signal compared to the conventional packaged type, and suitable for obtaining high output by amplifying. I have.

【0039】(比較例)図9に同一湿度条件における感
湿出力(感度)比較を示す。これは、雰囲気温度40℃
で絶対湿度を変化させた際の特性を示したものである。
動作回路としては図6に示す公知のブリッジ回路を用
い、この発明によるPt薄膜を感応膜としたマイクロブ
リッジタイプa、Ni薄膜を感応膜としたマイクロブリ
ッジタイプa′薄膜サーミスタ材料15を感応膜とした
マイクロブリッジタイプb(図8)、2個のビート型サ
ーミスタ14を用いたタイプc(図7)の4種類の素子
について特性比較を実施し、この発明のa,a′タイプ
素子が従来のb,cそれぞれのタイプの素子に比較して
2倍、8倍の高感度特性を得ている。
Comparative Example FIG. 9 shows a comparison of humidity-sensitive output (sensitivity) under the same humidity condition. This is an ambient temperature of 40 ° C
Shows the characteristics when the absolute humidity is changed.
As the operation circuit, a known bridge circuit shown in FIG. 6 is used, and a microbridge type a using a Pt thin film according to the present invention as a sensitive film, a microbridge type a ′ using a Ni thin film as a sensitive film, and a thin film thermistor material 15 as a sensitive film. The characteristics of four types of micro-bridge type b (FIG. 8) and type c (FIG. 7) using two beat thermistors 14 were compared. The sensitivity is twice or eight times as high as that of the devices of types b and c.

【0040】また、素子の動作温度に関しては後述する
信頼性の確保された温度にてそれぞれ動作し、a,
a′:約300℃、b:約150℃、c:約200℃で
ある。次に、前記a,cタイプの感湿応答速度について
特性比較したものを図10に示す。動作回路、動作温度
に関しては感度比較(図9)と同様の条件であり、40
℃において雰囲気湿度を10g/m3→35g/m3へと
急峻に変化させた際の回路出力の応答特性であり、aは
約5sec、cは約50secと本発明のaタイプ素子
は従来のcタイプ素子に比較して約10倍の応答速度を
有する。また、素子の消費電力もcタイプが数100m
Wであるのに対してaタイプは数10mWと小さく大幅
な低消費電力化をも達成している。
As for the operating temperature of the device, the device operates at a temperature at which reliability is secured, which will be described later.
a ': about 300 ° C, b: about 150 ° C, c: about 200 ° C. Next, FIG. 10 shows a comparison between the characteristics of the humidity response speeds of the a and c types. The operating circuit and operating temperature are the same as those in the sensitivity comparison (FIG. 9).
This is the response characteristic of the circuit output when the ambient humidity is rapidly changed from 10 g / m 3 to 35 g / m 3 at ℃, where a is about 5 sec, c is about 50 sec, and the a-type element of the present invention is a conventional type. It has about 10 times faster response speed than c-type devices. Also, the power consumption of the device is several hundred meters for the c type.
In contrast to the case of W, the type a is as small as several tens of mW and achieves a significant reduction in power consumption.

【0041】さらに、信頼性としてPt薄膜とサーミス
タ薄膜それぞれの高温安定性を比較する。図11はa,
bタイプの素子を室温において通電によりそれぞれ約4
00℃、約200℃に自己発熱させて放置した際の経時
特性を評価温度0℃における抵抗値(R0)の初期値に
対する変化率として示したものである。サーミスタ薄膜
bタイプの素子ではR0(抵抗値)が上昇傾向で変化が
大きいのに対し、この発明のPt薄膜素子aタイプ素子
ではR0(抵抗値)が極めて安定で信頼性に優れてい
る。
Further, the high-temperature stability of each of the Pt thin film and the thermistor thin film is compared as reliability. FIG. 11 shows a,
Each of the b-type devices is about 4
00 ° C., illustrates a rate of change with respect to the initial value of the resistance value (R 0) in the evaluation temperature 0 ℃ aging characteristics when allowed to stand by self-heating to about 200 ° C.. In the thermistor thin film b type device, R 0 (resistance value) tends to increase and changes largely, whereas in the Pt thin film device a type device of the present invention, R 0 (resistance value) is extremely stable and excellent in reliability. .

【0042】以上この発明の絶縁層マイクロブリッジ、
カンチレバーあるいはダイヤフラム上にPt薄膜を形成
した感湿素子は長期信頼性に優れ、従来にない低消費電
力、高速応答かつ高感度特性を有する。
As described above, the insulating layer microbridge of the present invention
A moisture-sensitive element in which a Pt thin film is formed on a cantilever or diaphragm has excellent long-term reliability, and has unprecedented low power consumption, high-speed response, and high sensitivity characteristics.

【0043】また、本発明の湿度センサに用いる感湿素
子構造は、以下に示す実用上極めて有益な特性を有す
る。
The structure of the humidity sensing element used in the humidity sensor of the present invention has the following extremely useful characteristics in practical use.

【0044】(1)熱伝導式の絶対湿度センサに応用で
き水蒸気量を直接検知可能であり、特に検出雰囲気の温
度が急激な変化を伴う様な場合の湿度計測に際して相対
湿度検知より有利となる。
(1) It can be applied to a heat conduction type absolute humidity sensor and can directly detect the amount of water vapor. This is more advantageous than the relative humidity detection particularly when measuring the humidity when the temperature of the detected atmosphere involves a sudden change. .

【0045】(2)マイクロブリッジ、カンチレバーあ
るいはダイヤフラム構造を用いた素子構成であるため感
応膜の熱絶縁に優れ、すなわち、素子の熱容量を極力低
減し、かつ感応膜としてPt,Ni等の化学的・熱的に
安定で抵抗温度係数の大きい材料の薄膜を用いること
で、従来にない安定性及び水蒸気検出の高感度化、高速
応答性、低消費電力化を達成できる。
(2) The element structure using the microbridge, cantilever or diaphragm structure is excellent in thermal insulation of the sensitive film. That is, the heat capacity of the element is reduced as much as possible, and the sensitive film is made of a chemical such as Pt, Ni or the like. By using a thin film made of a material that is thermally stable and has a large resistance temperature coefficient, it is possible to achieve unprecedented stability, high sensitivity of water vapor detection, high-speed response, and low power consumption.

【0046】(3)物理的手法により水蒸気を検出する
ため、素子表面の汚染等に対して安定であり良好な耐環
境性を有するものとなる。
(3) Since water vapor is detected by a physical method, the device is stable against contamination and the like of the element surface and has good environmental resistance.

【0047】(4)素子の作製が通常の半導体プロセス
あるいはその応用プロセスにてバッチ処理(ウェハ処
理)可能であり再現性、互換性に優れており、また安価
な素子とすることができる。
(4) The device can be manufactured in a batch process (wafer process) by an ordinary semiconductor process or its application process, and has excellent reproducibility and compatibility, and can be a low-cost device.

【0048】以上詳述した如く、この感湿素子構造は絶
対湿度の検出に有効であり、安価に作製できるとともに
良好なる耐環境性を有し、大幅な熱容量の低減を図った
素子構造により、高感度な検出感度、高速応答性さらに
は低消費電力動作等多くの優れた特性を有し、多方面へ
の応用に適し、湿度センサとして実用上極めて有益であ
り、ことに電子レンジにおける食品仕上がりセンサ等と
しての応用に適した湿度センサを提供するものである。
As described in detail above, this moisture-sensitive element structure is effective for detecting the absolute humidity, can be manufactured at low cost, has good environmental resistance, and has a greatly reduced heat capacity. It has many excellent characteristics, such as high sensitivity, high-speed response, and low power consumption operation.It is suitable for various applications and is extremely useful in practical use as a humidity sensor. It is intended to provide a humidity sensor suitable for application as a sensor or the like.

【0049】[0049]

【発明の効果】本発明の湿度センサ用マイクロキャップ
によれば、半導体基板のウエハ単位で作製することがで
きるため量産性に優れ、検出側と参照側とを有する湿度
センサに用いると、検出側と参照側との熱拡散状態をよ
り一致させることができるので、湿度センサを安価に作
製できると共に、湿度センサの大幅な熱容量の低減、高
感度、高速応答性、長期安定性、及び低消費電力動作を
実現することができる。
The microcap for a humidity sensor according to the present invention.
According to this, it is possible to manufacture the semiconductor substrate in wafer units.
Excellent mass productivity, and has a detection side and a reference side
When used for a sensor, the thermal diffusion state between the detection side and the reference side is better.
The humidity sensor can be made inexpensively.
As well as greatly reducing the heat capacity of the humidity sensor,
Sensitivity, high-speed response, long-term stability, and low power consumption operation
Can be realized.

【0050】本発明の湿度センサによれば、絶対湿度の
検出において、湿度センサを安価に作製できると共に、
湿度センサの大幅な熱容量の低減、高感度、高速応答
性、長期安定性、及び低消費電力動作を実現することが
できる。
According to the humidity sensor of the present invention, in detecting the absolute humidity, the humidity sensor can be manufactured at low cost.
The heat capacity of the humidity sensor can be significantly reduced, high sensitivity, high-speed response, long-term stability, and low power consumption operation can be realized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】感湿素子構造の構成説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram of a configuration of a moisture-sensitive element structure.

【図2】感湿素子構造における感応膜のパターンニング
形状を模式的に示す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view schematically showing a patterning shape of a sensitive film in a moisture-sensitive element structure.

【図3】他の感湿素子構造の構成説明図である。FIG. 3 is a configuration explanatory view of another moisture-sensitive element structure.

【図4】さらに他の感湿素子構造の構成説明図である。FIG. 4 is a configuration explanatory view of still another moisture-sensitive element structure.

【図5】湿度センサの構成説明図である。FIG. 5 is a diagram illustrating the configuration of a humidity sensor.

【図6】湿度センサの動作回路例を示す回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of an operation circuit of the humidity sensor.

【図7】従来のビード型サーミスタを用いた感湿素子の
構成説明図である。
FIG. 7 is a diagram illustrating a configuration of a moisture-sensitive element using a conventional bead-type thermistor.

【図8】従来の薄膜サーミスタを用いたマイクロブリッ
ジ型感湿素子の構成説明図である。
FIG. 8 is a diagram illustrating the configuration of a micro-bridge type moisture-sensitive element using a conventional thin-film thermistor.

【図9】感湿素子構造の違いによる湿度感度の比較説明
図である。
FIG. 9 is a diagram illustrating a comparison of humidity sensitivity due to a difference in the structure of a moisture-sensitive element.

【図10】感湿素子構造の違いによる感湿応答速度の比
較説明図である。
FIG. 10 is a comparative explanatory diagram of a moisture-sensitive response speed depending on a difference in the structure of a moisture-sensitive element.

【図11】感湿素子構造の違いによる経時安定性の比較
説明図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating a comparison of stability over time due to a difference in the structure of a moisture-sensitive element.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 基板 2 絶縁層 3 マイクロブリッジ 4 感応膜 5 絶縁層 6 パッド部 7 カンチレバー 8 マイクロキャップ 9 空洞(センサ側) 10 空洞(リファレンス側) 11 微少孔 12 接合媒体 13′ ダイヤフラム DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Substrate 2 Insulating layer 3 Micro bridge 4 Sensitive film 5 Insulating layer 6 Pad part 7 Cantilever 8 Micro cap 9 Cavity (sensor side) 10 Cavity (reference side) 11 Micro hole 12 Bonding medium 13 'Diaphragm

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 実▲吉▼ 秀治 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 井波 靖彦 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 橋爪 信郎 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 昭63−263426(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/00 - 27/24──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Minoru Yoshiyoshi Shuji 22-22, Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside Sharp Corporation (72) Inventor Yasuhiko Inami 22-22, Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Inside Sharp Corporation (72) Inventor Nobuo Hashizume 22-22 Nagaikecho, Abeno-ku, Osaka-shi, Osaka Sharp Corporation (56) References JP-A-63-263426 (JP, A) (58) Fields investigated (Int .Cl. 6 , DB name) G01N 27/00-27/24

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 第1の凹部及び第2の凹部が共通の半導
体基板の一方面側に設けられ、上記半導体基板の一方面
側と他方面側とを連通する連通部が第1の凹部の底に設
けられていることを特徴とする湿度センサ用マイクロキ
ャップ。
A first concave portion and a second concave portion are provided on one side of a common semiconductor substrate, and one side of the semiconductor substrate is provided.
A communication part communicating between the first side and the other side is provided at the bottom of the first recess.
A microcap for a humidity sensor, wherein the microcap is provided.
【請求項2】 上記半導体基板の一方面側の第1の凹部
の開口は、上記半導体基板の一方面側から上記連通部に
進行するにつれ狭小になっていることを特徴とする請求
項1記載の湿度センサ用マイクロキャップ。
2. A first concave portion on one side of the semiconductor substrate.
Opening from one surface side of the semiconductor substrate to the communication portion.
Claims characterized as becoming narrower as it progresses
Item 7. A microcap for a humidity sensor according to Item 1.
【請求項3】 半導体基板上に検出側感応膜と参照側感
応膜とが設けられた湿度センサにおいて、 請求項1または請求項2のいづれかに記載の湿度センサ
用マイクロキャップの第1の凹部を上記検出側感応膜
に、第2の凹部を上記参照側感応膜に、それぞれ対応さ
せて封止されたことを特徴とする湿度センサ。
3. A detection-side sensitive film and a reference-side sensor on a semiconductor substrate.
3. The humidity sensor according to claim 1 , wherein the humidity sensor is provided with a membrane.
The first concave portion of the microcap for the detection side sensitive film
In addition, the second concave portions correspond to the reference-side sensitive films, respectively.
A humidity sensor characterized by being sealed.
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