JP3086314B2 - 雰囲気センサの構造 - Google Patents

雰囲気センサの構造

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】本発明は、雰囲気センサの構造、より詳細
には、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、フローセ
ンサ等として使用可能な雰囲気センサの構造に関する。
【0002】
【従来技術】従来、ガスセンサとして、金属酸化物半導
体の内部に電極と、電極を兼ねたヒータを内蔵し、該金
属酸化物半導体をヒータにより加熱した時に該金属酸化
物半導体の抵抗値が該金属酸化物半導体の表面でのガス
吸着によって下がることを利用したものが提案されてい
るが、消費電力が大きく、乾電池駆動には適さないとい
う問題があった。この点を改良すべく、架橋構造や片持
梁構造等、空気中に張り出させた張り出し部を設け、こ
の張り出し部の上に金属酸化物半導体を形成するように
し、もって、熱容量を可及的に小さくして応答特性を上
げ、且つ消費電力を低下させる試みが成されている。
【0003】一方、ガスセンサにおいては、同様の構造
をもつ検出器を2個設け、一方の検出器を周囲雰囲気に
接触させてガス検出用として用い、他方の検出器を周囲
雰囲気に接触させない密封構造とし、この密封構造の検
出器にて周囲の温度を検出して温度補償をすることが行
なわれている。
【0004】図2(a),(b)は、特開平3−927
54号公報に開示された絶対湿度センサの一例を示す平
面図及び断面図で、図示のように、第1のシリコンから
なる基板1に、薄膜抵抗発熱体3を設置する凹部6,7
を形成し、基板1の表面に絶縁保護膜を形成した上、薄
膜抵抗発熱体3を前記凹部に架橋支持するよう設置して
いる。
【0005】上記の構成により、熱容量を小さくした薄
膜発熱体3の熱が直接基板に熱伝導するのを抑えて、基
板で構成した空間の気体の熱伝導により熱平衝を保ち、
小電力化と応答の高速化を図ることができるようにして
いる。
【0006】また、第2の基板2にも基板1に対応する
位置に前記素子用の空間を作るための凹部6,7と、薄
膜発熱体3のパッド部9を露出させるための切欠き部を
形成しておき、更に基板2に接合用の低融点ガラスペー
スト5を図に斜線で示すパターンにスクリーン印刷した
上、前記ペースト中の溶剤を仮焼成で蒸発させ、続いて
参照素子の空間に封入する乾燥空気又は一定の既知の湿
度の空気雰囲気中で、基板の1と2を対向させ、図示の
ようにそれぞれの凹部で薄膜発熱体を囲む空間を作る配
置にした上、加熱で低融点ガラスを融解して基板を接合
させている。
【0007】以上の接合により、参照側の空間6は外気
と遮断され常に一定の雰囲気に保たれる。この気密封止
される雰囲気は必ずしも大気圧でなくてもよい。このと
き同時に形成される検出側の空間7は対向する位置に接
合部の隙間で形成した通気孔8が構成される。
【0008】以上のように構成にした湿度センサは、2
つの薄膜発熱体に電力によって一定のエネルギーを供給
して自己加熱させると、それぞれ参照用空間6と検出用
空間7の水蒸気量、即ち、絶対湿度に対応する空間の熱
伝導度によって放熱し、一定の温度になって、それぞれ
一定の抵抗値をもつので、その差をブリッジ回路の非平
衝電位の出力として検出して絶対湿度を計測することが
できる。
【0009】以上に、基板に形成した凹部の上に薄膜絶
縁体を架橋し、その上に発熱抵抗体を配設してガスを検
出したり、湿度を検出したりする例について説明した
が、同様にして架橋された薄膜絶縁体の上に配設された
発熱抵抗体の熱放射に伴う該発熱抵抗体の抵抗値の変化
から、気体の流速(流量)を計測するフローセンサ、周
囲温度を検出する温度センサ等についても種々提案され
ている。
【0010】斯様に、基板に形成された凹部上に薄膜絶
縁体を架橋し、その上に発熱抵抗体を配設し、該発熱体
の抵抗値の変化を利用して周囲雰囲気の状態を検出する
ようにしたセンサは既に種々提案されているが、検出感
度を上げるために、熱容量を小さくする必要があり、そ
のためには、橋架部の構造を極力小さくする必要があ
る。
【0011】しかしながら、橋架部を小さくすると、架
橋部の機械的強度が弱くなり、機械的な振動等によって
架橋部が切断されてしまう等の問題があった。
【0012】
【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、特に、橋架薄膜絶縁体の支持架橋部における構
造強化、更には、前記橋架された薄膜絶縁体上に配設さ
れる発熱抵抗体の破損防止を目的としてなされたもので
ある。
【0013】
【構成】本発明は、上記目的を達成するために、(1)
凹部を有する基板と、該基板上に配設された固定部と該
固定部に続く支持架橋部と該支持架橋部を介して前記凹
部の上に橋架された橋架部とから成る薄膜絶縁体と、該
薄膜絶縁体の上に配設された発熱抵抗体とから成り、該
発熱抵抗体が発生する熱が測定される雰囲気によって奪
われることによって生じる該発熱抵抗体の抵抗値から該
雰囲気を測定する雰囲気センサにおいて、前記薄膜絶縁
は、該薄膜絶縁体の前記固定部と支持架橋部との間の
架橋端部における平面形状が鈍角に形成され、かつ、
記架橋端部に続く支持架橋部が狭幅に形成され、該狭幅
の支持架橋部に続く前記橋架部が広幅に形成されてお
り、かつ、前記支持架橋部から前記橋架部に続く架橋端
部が鈍角に形成され、前広幅に形成された橋架部
正方形に形成され、該正方形の薄膜絶縁体上に形成され
前記発熱抵抗体が該正方形の2辺間に平行にジグザグ
状に配設されていること、更には、前記()におい
て、(2)前記平行に配設された発熱抵抗体の間隔が中
央部において広くなっていること、更には、前記(1)
又は(2)において、(3)前記橋架部の中央部又は中
央部付近に貫通孔を有することを特徴としたものであ
る。以下、本発明の実施例に基いて説明する。
【0014】図1は、本発明による雰囲気センサの一実
施例を説明するための要部構成図で、(a)図は平面
図、(b)図は(a)図のB−B線断面図で、前述のよ
うに、基板10は凹部11を有し、該凹部11の上には
薄膜絶縁体12の橋架部12cが設けられており、該橋
架部12cの上には発熱抵抗体13が配設されている。
すなわち、薄膜絶縁体12は、基板10上に配設された
固定部12aと、該固定部12aに続く狭幅の架橋支持
部12bと、該架橋支持部12bに続く幅広の橋架部1
2cとよりなり、該橋架部12cの上に発熱抵抗体13
の発熱部が配設されている。
【0015】而して、従来技術においては、薄膜絶縁体
12は、支持架橋端部Aが、図中に点線にて示すよう
に、直角に形成されているため、この部分からひび割れ
等が入り、機械的な強度が弱かった。
【0016】本発明の第1の目的は、この支持架橋端部
Aにおける薄膜絶縁体12の機械的強度の増大を図るこ
とであり、図示のように、この部分の形状を鈍角とし、
これによって、前述のごとき、ひび割れ等を防止してい
る。
【0017】前記支持架橋端部に続く橋架部12bの形
状は、そのまま延長して細長の橋架部とし、その上に発
熱抵抗体13を配設するようにしても良いが、そのよう
にする場合には、通常、発熱抵抗体の抵抗を大きくする
ために、橋架部の長さを長くする必要があり、熱分布が
悪く、従って、感度が悪く、しかも、消費電力が多く、
局部発熱によって劣化しやすい等の問題がある。
【0018】そのため、前記支持架橋部12b部に続く
橋架部12cを略正方形に広げた広幅部とし、この橋架
部12cに発熱抵抗体13を配設するようにし、もっ
て、熱分布の均一化を図り、局部発熱による劣化を防止
することが提案されている。
【0019】本発明の第2の目的は、前記狭幅の支持架
橋部12bと広幅の橋架部12cとの接続部すなわち支
持架橋部12bの他方の端部B部における機械的強度を
図ることであり、そのため、このB部における薄膜絶縁
体12の平面形状を、点線にて示すような直角構造とせ
ず、実線にて示すように、鈍角とし、これによって、こ
のB部におけるひび割れをも防止するようにしている。
【0020】前記の広幅の橋架部12cには、前述のよ
うに、発熱抵抗体13の発熱部が配設されるが、この発
熱抵抗体13も、前記狭幅の架橋支持部12bから広幅
の橋架部12cに移る時に直角に配設すると、この部分
での機械的強度が低下する。
【0021】本発明の第3の目的は、この部分における
発熱抵抗体13の機械的強度の増大を図ることにあり、
そのため、本発明においては、薄膜絶縁体12は、この
広幅の橋架部12cにおいて略正方形に形成され、前記
発熱抵抗体13は、前記狭幅の支持架橋部12bからこ
の広幅の橋架部12cに至る部分で鈍角で移行し、これ
によって、この部分での発熱抵抗体13の機械的強度の
増大を図っている。
【0022】前述のように、橋架部12c上における前
記B部での発熱抵抗体13の機械的強度を大きくするた
めには、薄膜絶縁体の橋架部12cの形状は、好ましく
は、正方形であり、この正方形の対向する2辺D1,D2
間に平行に発熱抵抗体13をジグザグ状に配設すればよ
い。
【0023】而して、上述のごとく構成されたセンサを
実際に使用する場合、発熱抵抗体13に電力を供給する
駆動電源が、例えば、ノイズや平滑回路の不良によって
生じるリップル等によって変動すると、発熱抵抗体部が
熱振動を起して共振し、共振することによって機械的な
破壊を生じることがある。
【0024】本発明の第4の目的は、上述のごとき熱振
動を防止することにあるが、この熱振動を防止するため
には、均一な温度分布を得ることが必要である。而し
て、上述のごとき構造のセンサの場合、橋架部12cの
中央部は周辺部より温度が高く、焼損しやすいので、こ
の部分における発熱抵抗体13の間隔d2を周辺部の間
隔d1に比して大きくすればよく、このようにすると、
温度分布が均一化し、中央部が焼損する恐れもなく、ま
た、熱共振を起こす心配もない。
【0025】なお、熱分布を均一にするためには、前述
のように、発熱抵抗体13の間隔を変えるだけでなく、
薄膜絶縁体12の橋架部12cの中央部又は中央部付近
に孔14を設けて中央部の熱を発散させるようにしても
よい。
【0026】上述のようにして温度分布を均一化する
と、発熱抵抗体や薄膜絶縁体の焼損を防止することがで
きるだけでなく、振動を分散させて共振を発生させない
ので、共振による機械的破壊を防止することができ、し
かも、発熱抵抗体を交流駆動(整流回路不要)したり、
パハス(サンプリング)駆動することが可能となる。
【0027】
【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と、基板の凹部の上に橋架された薄膜絶縁体及び該薄膜
絶縁体上に配設された発熱抵抗体の機械的強度が強くな
り、機械的なひび割れ等による破損がなくなり、更に
は、局部的な発熱のない、均一分布の発熱が得られるた
め、熱振動に起因する共振等が発生する心配がなく、パ
ハス駆動や交流駆動が可能なセンサを得ることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるセンサの一実施例を説明するた
めの要部構成図で、(a)図は平面図、(b)図は
(a)図のB−B線断面図である。
【図2】 従来のセンサの一例を説明するための構成図
で、(a)図は平面図、(b)図は(a)図のB−B線
断面拡大図である。
【符号の説明】
10…センサ基板、11…凹部、12…薄膜絶縁体、1
2a…固定部、12b…支持架橋部、12c…橋架部、
13…発熱抵抗体、14…穴。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/00 - 27/18 G01F 1/68 - 1/699

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 凹部を有する基板と、該基板上に配設さ
    れた固定部と該固定部に続く支持架橋部と該支持架橋部
    を介して前記凹部の上に橋架された橋架部とから成る薄
    膜絶縁体と、該薄膜絶縁体の上に配設された発熱抵抗体
    とから成り、該発熱抵抗体が発生する熱が測定される雰
    囲気によって奪われることによって生じる該発熱抵抗体
    の抵抗値から該雰囲気を測定する雰囲気センサにおい
    て、前記薄膜絶縁体は、該薄膜絶縁体の前記固定部と支
    持架橋部との間の架橋端部における平面形状が鈍角に形
    成され、かつ、前記架橋端部に続く支持架橋部が狭幅に
    形成され、該狭幅の支持架橋部に続く前記橋架部が広幅
    に形成されており、かつ、前記支持架橋部から前記橋架
    部に続く架橋端部が鈍角に形成され、前記広幅に形成さ
    れた橋架部は略正方形に形成され、該正方形の薄膜絶縁
    体上に形成される前記発熱抵抗体が該正方形の2辺間に
    平行にジグザグ状に配設されていることを特徴とする雰
    囲気センサの構造。
  2. 【請求項2】 前記平行に配設された発熱抵抗体の間隔
    が中央部において広くなっていることを特徴とする請求
    に記載の雰囲気センサの構造。
  3. 【請求項3】 前記橋架部の中央部又は中央部付近に貫
    通孔を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の
    雰囲気センサの構造。
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