JP3649412B2 - CO sensor - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は、都市ガスまたはLPガス等の燃焼時に発生する一酸化炭素ガスの濃度を検出する接触燃焼式COセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】
都市ガスまたはLPガス等を燃焼させて使用する時、不完全燃焼して一酸化炭素ガスが発生すると、中毒事故を起こす恐れがあるので、小型湯沸器等にはCOセンサを取り付け、COガスの濃度を監視している。COセンサにはいくつかの種類があり、例えば矢崎技術リポート、第18号、(1993)93〜99頁、特公昭63−26335号公報、特公昭64−10774号公報、特開平1−221649号公報にその内容が開示されている。
【0003】
図8は従来のCOセンサの第1の例の一部切欠き斜視図である。
【0004】
このCOセンサは、矢崎技術リポート、第18号、(1993)93〜99頁に開示されたセンサである。ハウジング81は黄銅製のステム82とステンレス鋼製のキャップ84とからなり、ステム82には複数のリード端子83が設けられ、キャップ84にはガス流通のための窓85a,85bがあけられている。センサ部は、検知素子86と温度補償用比較素子87とからなり、アルミナ遮蔽板88を挟んで対称となるようにリード端子83に接続される。そして、キャップ84が被せられる。
【0005】
図9は図8に示す検知素子および比較素子の断面図である。
【0006】
図9(a)に示すように、直径25μmのPtコイル91と、5%Rh粉末とアルミナ粉末とアルミナ系バインダと水とを混合したペーストを用意する。このペーストをPtコイル91上に塗布し、約700℃で焼成して5%Rh−アルミナ触媒92を形成する。これにより検知素子86が製造される。アルミナ粉末はRh触媒を担持する担体として作用するので、アルミナ担体と呼ばれる。
【0007】
図9(b)に示すように、直径25μmのPtコイル93と、アルミナ粉末とアルミナ系バインダと水とを混合したペーストとを用意する。このペーストをPtコイル93上に塗布し、約700℃で焼成してアルミナ担体94を形成する。これにより比較素子87が製造される。アルミナ担体94はRhを含まない。
【0008】
図10は図8に示すCOセンサの検出回路の回路図である。
【0009】
検知素子86と比較素子87とは、固定抵抗R1 ,R2 、可変抵抗RV 、検出回路101とでブリッジに組まれ、直流電源Eに接続される。都市ガスまたはLPガス等のガスを流さない状態では検出回路101に電流が流れないように可変抵抗RV を調整する。調整後にガスを流す。
【0010】
COガスが検知素子86に触れると、触媒作用により素子表面で酸化され、反応熱が生じる。この反応熱によりPtコイル91の抵抗値が上昇する。するとブリッジ回路の平衡が崩れ、検出回路101に電流が流れる。検出回路101はこの電流値を測定してCOガスの濃度を算出する。比較素子87は、周囲温度の変動によるPtコイルの抵抗値の変動を打ち消し、反応熱によるPtコイルの抵抗値の上昇のみを純粋に取り出せるように補償する。アルミナ遮蔽板88は、検知素子86と比較素子87との間に障壁を作り、検知素子86で発生した反応熱が比較素子87へ移動して比較素子87の周囲温度を乱すのを防ぎ、比較素子87が周囲温度を正確に補償するのを助けている。これによりCOガスの濃度検出精度が高められている。
【0011】
図11は従来のCOセンサの第2の例の平面図および断面図である。
【0012】
このCOセンサは特開平1−221649号公報に開示されたセンサである。検出素子は、シリコン基板111の表面にSiO2 の第1膜112、Ptの発熱体113、SiO2 の第2膜114、酸化錫半導体のガス感応体115を順次形成し、ガス感応体115の両端にPtの電極116a,116bを取り付け、ガス感応体115の下部のシリコン基板111をエッチング除去して切欠き部117を設けることにより形成される。切欠き部117は、ガス感応体115の熱容量を小さくするために設けるものである。電極116a,116bに検出部118を接続する。検出部118は、ガス感応体115がCOガスと接触したとき電気抵抗が減少する性質を利用して電気抵抗値の減少からCOガス濃度を求めるものである。
【0013】
このCOセンサの検出手順は、次の通りである。
(1)発熱体113に電流を流さず、ガス感応体115を100℃以下の低温にする。
(2)検出部118でガス感応体115の電気抵抗値に基づいてCOガス濃度を求め、不完全燃焼が生じているかどうかを判定する。
(3)発熱体113に通電してガス感応体115を300℃以上の高温にしてガス感応体115の表面の汚れを除去する。
(4)高温状態のガス感応体115の電気抵抗値を検出部118で測定し、メタンガスの濃度を測定し、ガス漏れの有無を判定する。
(5)発熱体113への通電を止めて発熱体113の発熱を止め、ガス感応体115を100℃以下の低温にする。
(6)上記(1)〜(5)の手順を繰り返す。1回のヒートサイクルに要する時間は約30秒程度である。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
第1の例は接触燃焼式COセンサ、第2の例は半導体式COセンサである。第1の例のCOセンサでは、検知素子86および比較素子87は、Ptコイルの上に5%Rh−アルミナ触媒あるいはアルミナ単体をビード状に形成して作られているため、表面積に対して体積が大きく、従って表面積に対する熱容量が大きくなり、COガス濃度検出速度が遅くなるという問題がある。また、熱容量が大きいため、Ptコイルに流す電流も大きくなり、消費電力が大きくなるという問題がある。さらに、ビード状に形成された検知素子86および比較素子87を用いて組立てるため多大の工数を要し、量産化が難しくコストが高くなるという問題がある。
【0015】
第2の例のCOセンサでは、SiO2 の第1膜112の下のシリコン基板111をエッチング除去して切欠き部117を設けて熱容量を小さくしている。これによりCOガス濃度検出速度は速くなるが、このようなくり抜き形の切欠き部117を形成するのは中々難しく、量産化が難しくコストが高くなるという問題がある。また、SiO2 膜単独では感応体115を支える支持力が弱いので、幅広い短冊状に作られたPtの発熱体113をSiO2 膜112の上に設けてSiO2 膜112を補強している。このため、Ptの発熱体113を加熱するために大電流を要するのみでなく、中央部から端部への温度勾配が大きく、感応体115の温度が均一でなく、検出精度が悪くなるという問題がある。さらに、第2の例のCOセンサでは、第1の例のような比較素子がないため、周囲温度の変動による抵抗値の変動を補償する事が出来ず、検出精度が悪いという問題がある。温度補償をするためには外部から温度補償回路を取付けなければならないが、温度補償回路を取付けるとそれだけコストが高くなる上に、外部からの温度補償回路の取付けでは十分な温度補償ができないという問題がある。
【0016】
本発明の目的は、検出速度が速く、検出精度が高く、消費電力が小さく、量産化が容易で低コストで製造できるCOセンサを提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一導電型シリコン基板と、このシリコン基板の上面に設けられた絶縁膜と、薄膜抵抗膜で作られ中央部に設けられた加熱部とこの加熱部の両側から引き出される電極引出し部とから構成され前記絶縁膜上に間隔をおいて平行に設けられた二つのヒータと、このヒータを含む表面を覆う保護膜と、前記ヒータの加熱部の上方に形成された感応部と温度補償部と、前記シリコン基板を裏面から選択除去して前記ヒータの加熱部の下の前記絶縁膜を露出させる凹部とを備えたセンサ素子を有することを特徴とする。
【0018】
本発明は、前記絶縁膜が酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の二重膜で構成されていることを特徴とする。
【0019】
本発明は、前記ヒータが細い薄膜抵抗膜を複数回折り曲げて形成される加熱部と、この加熱部の両側から引き出される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続し金属線ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し部とから構成されていることを特徴とする。
【0020】
本発明は、前記薄膜抵抗膜がTi膜とにPt膜との二重膜で構成されていることを特徴とする。
【0021】
本発明は、前記二つのヒータの下方の前記絶縁膜の下にそれぞれ均熱板が設けられたことを特徴とする。
【0022】
本発明は、前記均熱板が反対導電型シリコンで形成されていることを特徴とする。
【0023】
本発明は、前記感応部と温度補償部との間に前記シリコン基板を貫通するスリット状の切欠部が設けられていることを特徴とする。
【0024】
本発明は、前記感応部と温度補償部との間に前記感応部と温度補償部とを熱遮蔽する障壁が前記シリコン基板の上方に設けられていることを特徴とする。
【0025】
【作用】
本発明では、センサ素子は、感応部と温度補償部とが同一基板上に平行に形成されて、周囲温度の変動によるヒータの抵抗値の変動を温度補償部が打ち消し、反応熱によるヒータの抵抗値の上昇のみを純粋に取り出せるように補償しているので、十分に正確なCOガスの濃度検出が可能である。感応部と温度補償部とは熱絶縁膜上に形成され、しかも熱絶縁膜の下部には凹部が形成されているので、感応部と温度補償部とは十分に熱絶縁されると同時に熱容量が小さくなっており、感度が向上し、検出速度も速くなっている。
【0026】
本発明では、絶縁膜を酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の二重膜で構成した。熱膨張率の差のため、Siに対してSiO2 膜は圧縮応力を持ち、Si3 N4 膜は引張応力を持っている。SiO2 膜単独であると、ダイアフラムのコーナー部に亀裂が発生し易い傾向があり、Si3 N4 膜をシリコン基板に直接形成するとSi3 N4 膜に亀裂を生じ易い傾向がある。この亀裂発生を抑えるためにSiとSi3 N4 膜との間にSiO2 膜を挟み、膜厚制御を行うことにより亀裂発生を抑えることができ、支持力を強くすることができる。
【0027】
絶縁膜を二重膜構造にして支持力を強くしたので、絶縁膜を抵抗膜で補強してやる必要がなく、ヒータは、薄膜抵抗膜を複数回折り曲げて形成される加熱部と、この加熱部の両側から引き出される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続し金属線ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し部とから成る形にすることができる。ヒータをこのような形にすることにより、少ない電流で中央部の必要な部分のみ集中的に加熱でき、中央部の加熱部の温度分布が均一になり、検出精度を向上させると共に消費電力を低減することができる。
【0028】
ヒータを中央部の加熱部のみ集中的に加熱できるようにすると、電流集中により局部的に発熱し易くなり、加熱部が断線し易くなる傾向がでてくる。ヒータの加熱部の温度を均一にして電流集中による局部発熱を防止し、加熱線部分の断線を防止するために均熱板を設ける。
【0029】
薄膜抵抗膜をTi膜とPt膜との二重膜で構成すると、その下の保護膜との密着性が良くなり、膜剥がれが起こらず、歩留りが向上し、コストダウンを図ることができる。
【0030】
均熱板は、反対導電型高濃度不純物領域のシリコンで厚さ数μmに作るのがよい。反対導電型高濃度不純物領域にするのは、高濃度不純物領域が低濃度不純物領域よりもエッチング速度が遅いことが利用でき、エッチングの過不足がなく、反対導電型高濃度不純物領域と同じ形の均熱板を形成することができるからである。
【0031】
感応部と温度補償部との間にシリコン基板を貫通するスリット状の切欠部を設けることにより、感応部と温度補償部との間が十分に熱絶縁され、感応部で発生した反応熱が温度補償部へ移動して温度補償部の周囲温度を乱すのを防ぎ、温度補償部が周囲温度を正確に補償する。これによりCOガスの濃度検出精度が高められている。
【0032】
感応部と温度補償部との間に熱遮蔽用障壁を設けると、障壁は、感応部で発生した反応熱がガスによって温度補償部へ運ばれ、温度補償部の周囲温度を上昇させ、温度補償が乱されるのを防ぎ、COガスの濃度検出精度を高める。
【0033】
【実施例】
図1は本発明のCOセンサの第1の実施例のセンサ素子の平面図、A−A´断面図およびB−B´断面図である。
【0034】
結晶方位〔100〕のシリコン基板1の両面にSiO2 膜4a,4b、Si3 N4 膜5a,5bを設けて熱絶縁膜とする。Si3 N4 膜5aの上面にTi膜とPt膜の二重層から成る薄膜抵抗膜を形成し、パターニングして間隔をおいて平行に形成される二つのヒータ6,7を設ける。ヒータ6,7は、中央部に細い薄膜抵抗膜を多数回折り曲げられて形成された加熱部と、この加熱部の両側から引き出される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続して金属線ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し部とから構成される。表面を保護膜8で被覆し、選択エッチングして電極引出し用のコンタクト窓6a,6b,7a,7bをあける。保護膜8は、SiO2 、Si3 N4 またはPSG(りん珪酸ガラス)の単層または多層の膜からなり、CVD法,スパッタ法などで形成される。ヒータ6の加熱部の上方の保護膜8の上にRh粉末5%とアルミナ粉末95%との混合物で感応部10を形成し、ヒータ7の加熱部の上方の保護膜8の上にアルミナ単体で温度補償部11を形成する。温度補償部11は、周囲温度の変動によるヒータ6の抵抗値の変動を補償するためのものであるから、感応部10と同じ熱容量になるように形成する。マスクを設け、シリコン基板1を裏面から選択エッチして感応部10と温度補償部11の下に凹部12を形成してSiO2 膜4aを露出させると同時に、感応部10と温度補償部11との間にシリコン基板1を貫通する矩形の切欠部9を形成する。切欠部9は、感応部10と温度補償部11との間を熱絶縁し、検出精度を向上させるためのものである。凹部12のヒータ6,7の加熱部の下にそれぞれ均熱板3a,3bを形成する。
【0035】
このセンサ素子は、図10に示した検出回路と同様に、感応部10と温度補償部11とが固定抵抗R1 ,R2 、可変抵抗RV 、検出回路101とでブリッジに組まれ、直流電源Eに接続される。COガスが感応部10に触れると、触媒作用により素子表面で酸化され、反応熱が生じる。この反応熱によりヒータ6の抵抗値が上昇する。するとブリッジ回路の平衡が崩れ、検出回路101に電流が流れる。検出回路101はこの電流値を測定してCOガスの濃度を算出する。
【0036】
このセンサ素子は、感応部10と温度補償部11とが同一基板上に平行に形成され、周囲温度の変動によるヒータ6の抵抗値の変動を温度補償部11が打ち消し、反応熱によるヒータ6の抵抗値の上昇のみを純粋に取り出せるように補償しているので、十分に正確なCOガスの濃度検出が可能である。感応部10と温度補償部11とはSiO2 膜4aとSi3 N4 膜5aとから成る熱絶縁膜上に形成され、しかも熱絶縁膜の下部には凹部12が形成されているので、感応部10と温度補償部11とは十分に熱絶縁されると同時に熱容量が小さくなっており、感度が向上し、検出速度も速くなっている。
【0037】
熱膨張率の差のため、Siに対してSiO2 膜は圧縮応力を持ち、Si3 N4 膜は引張応力を持っている。SiO2 膜単独であると、ダイアフラムのコーナー部に亀裂が発生し易い傾向があり、Si3 N4 膜をシリコン基板に直接形成するとSi3 N4 膜に亀裂を生じ易い傾向がある。この亀裂発生を抑えるためにSiとSi3 N4 膜との間にSiO2 膜を挟み、膜厚制御を行うことにより亀裂発生を抑えることができる。この理由からSiO2 −Si3 N4 二重膜構造にするのである。絶縁膜を二重膜構造にすることにより支持力が強くなる。
【0038】
絶縁膜を二重膜構造にして支持力を強くしたので、図11で説明した従来例のように絶縁膜を抵抗膜で補強してやる必要がなくなる。それ故、ヒータ6,7は、図1に示すように、薄膜抵抗膜を複数回折り曲げて形成される加熱部と、この加熱部の両側から引き出される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続し金属線ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し部とから成る形にすることができる。ヒータ6,7をこのような形にすることにより、少ない電流で中央部の必要な部分のみ集中的に加熱でき、また細い薄膜抵抗膜の接続部を設けたので熱伝導が小さくなって温度勾配が小さくなり、中央部の加熱部の温度分布が均一になり、検出精度を向上させると共に消費電力を低減することができる。例えば、図8、図9に示したコイルを使用する従来のCOセンサでは消費電力が600mWであったのに対して、本発明品では消費電力が80mWまで下げることができ、消費電力を従来の1/7以下に低減することができる。
【0039】
ヒータ6,7を中央部の加熱部のみ集中的に加熱できるようにすると、電流集中により局部的に発熱し易くなり、加熱部が断線し易くなる傾向がでてくる。ヒータ6,7の加熱部の温度を均一にして電流集中による局部発熱を防止し、加熱線部分の断線を防止するために均熱板3a,3bを設ける。
【0040】
ヒータ6,7を構成する薄膜抵抗膜をTi膜とPt膜の二重層で形成すると、保護膜8との密着性が良くなり、不良率を低減でき、コストダウンが図れる。
【0041】
保護膜8は、ヒータ6,7の短絡を防ぐと同時に、ヒータ6,7と感応部10,温度補償部11とが接触して反応するのを防ぐ絶縁膜の働きをする。保護膜8は、絶縁膜であること、感応部10,温度補償部11を構成しているアルミナとなじみがよいこと、熱伝導率が高く、反応熱や周囲温度を素早くヒータに伝えること、ガスに対する耐蝕性が良好であること等が要求される。それ故、保護膜8は、SiO2 、Si3 N4 またはPSG(りん珪酸ガラス)の単層または多層の膜で作られる。
【0042】
均熱板3a,3bは、反対導電型高濃度不純物領域であるP+ 型シリコンで厚さ数μmに作るのがよい。反対導電型高濃度不純物領域にするのは、高濃度不純物領域が低濃度不純物領域よりもエッチング速度が遅いことが利用でき、凹部12形成のエッチングと同時に反対導電型高濃度不純物領域と同じ形の均熱板を形成することができるからである。
【0043】
切欠部9は、シリコン基板1を貫通するスリット状に設けられることにより、感応部10と温度補償部11との間を十分に熱絶縁し、感応部10と温度補償部11との間に熱の移動が起こり感応部10で発生した反応熱により温度補償部11の周囲温度が乱されるのを防ぎ、温度補償部11が周囲温度を正確に補償するのを助けている。これによりCOガスの濃度検出精度が高められる。
【0044】
次に、第1の実施例のセンサ素子の製造方法について説明する。
【0045】
図2は第1の実施例のセンサ素子の製造方法を説明するための工程順に示した断面図である。
【0046】
まず、図2(a)に示すように、結晶方位〔100〕のN型シリコン基板1の利用面にSiO2 膜42a,42bを約750nmの厚さに設け、ホトリソグラフィ技術によって上面のSiO2 膜42aに窓をあけ、P型不純物を高濃度に導入してP+ 型領域43a,43b(P+ 型領域43bは図示されず)を形成する。
【0047】
次に、図2(b)に示すように、SiO2 膜42a,42bを除去し、新しくSiO2 膜4a,4bを約500nmの厚さに設け、その上にSi3 N4 膜5a,5bを約80nmの厚さに設ける。
【0048】
次に、図2(c)に示すように、リフトオフ法を用いてヒータ6、ヒータ7(ヒータ7は図1参照)を形成する。リフトオフ法を用いるヒータ6,7の形成は次のように行う。まず、表面にホトレジストを塗布し、ヒータ6,7のパターンを有するマスクで露光し、現像してホトレジストのパターンを形成する。上方からTiとPtを順次被着してTi−Pt二重膜の薄膜抵抗膜を形成し、ホトレジストを溶解してホトレジストの上のTi−Pt膜をホトレジストと共に除去し、ホトレジストのなかった部分のみにヒータ6,7を残す。ヒータ6,7は、中央部に薄膜抵抗膜を多数回折り曲げられて形成された加熱部と、この加熱部の両側から引き出される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続して金属線ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し部とから構成される。
【0049】
次に、図2(d)に示すように、表面にCVD法またはスパッタ法でSiO2 、Si3 N4 、またはPSG(りん珪酸ガラス)等を単層または多層に堆積して保護膜8を形成する。ホトリソグラフィ技術とドライエッチング法によって保護膜8をパターニングしてヒータ6,7の両端に電極引出し用のコンタクト窓6a,6b,7a,7b(コンタクト窓7a,7bは図1参照)をあける。
【0050】
次に、図2(e)に示すように、シリコン基板1の下面のSi3 N4 膜5bにマスクを設け、P+ 型領域43a,43bの下方と切欠部9を形成すべき領域の下方のSi3 N4 膜5b、SiO2 膜4b、および切欠部9を形成すべき領域の上方のSi3 N4 膜5a、SiO2 膜4aをエッチング除去する。Si3 N4 膜5a,5b、SiO2 膜4a,4bをマスクにしてシリコン基板1を異方性エッチングして凹部12を形成することにより前記のP+ 型領域43a,43bとその周辺のSiO2 膜4aを露出させて均熱板3a,3b(均熱板3bは図1参照)を形成すると同時に切欠部9(図1参照)を形成する。エッチング液にはTMAH(テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド)が適する。TMAHはSiO2 膜を余りエッチングせずにシリコンをエッチングするからである。P+ 型領域にするのは、高濃度不純物領域が低濃度不純物領域よりもエッチング速度が遅いことを利用している。これを利用すると、P+ 型領域43a,43bの所でエッチングが自然に止まり、エッチングの過不足が起こらず、P+ 型領域43a,43bと同じ形の均熱板3a,3bを形成することができる。
【0051】
次に、図2(f)に示すように、保護膜8上に感応部10と温度補償部11(図1参照)を形成する。感応部10は、Rh粉末5%とアルミナ粉末95%とアルミナ系バインダと水とを混合してペーストを作り、このペーストをヒータ6の上の保護膜8上に塗布し、約700℃で焼成して作る。温度補償部11は、アルミナ粉末とアルミナ系バインダと水とを混合してペーストを作り、このペーストをヒータ7の上の保護膜8上に塗布し、約700℃で焼成して作る。焼成は感応部10と温度補償部11と同時に行う。温度補償部11は、周囲温度の変動によるヒータ6の抵抗値の変動を補償するためのものであるから、感応部10と同じ熱容量になるように形成する。これによりCOセンサのセンサ素子が形成される。
【0052】
図3は本発明のCOセンサの第1の実施例の一部切欠き斜視図である。
【0053】
センサ素子を収容するハウジングは、ステム21とキャップ23とからなる。ステム21にはリード線22が4本引き出されている。キャップ23は、円筒形で上面が閉ざされたコップ状に作られ、側面にガス流通のため二つの切欠部24a.24bが設けられている。見やすくするため、図3ではキャップ23の半分を切欠いて示してある。ステム21に図1に示したセンサ素子を固着し、金属細線25でセンサ素子のヒータのコンタクト窓6a,6b,7a,7bとリード線22とをボンディング法で接続する。しかる後、キャップ23をステム21に溶接する。
【0054】
二つの切欠部24a.24bから導入されたガス中のCOガスが感応部10に触れると、触媒作用により素子表面が酸化され、反応熱が生じる。この反応熱によりヒータ6の抵抗値が上昇する。この抵抗値の変化をブリッジ回路で測定してCOガスの濃度を検出する。温度補償部11は、周囲温度の変動によるヒータ6の抵抗値の変動を打ち消し、反応熱によるヒータ6の抵抗値の上昇のみを純粋に取り出せるように補償する作用をする。
【0055】
図4は本発明のCOセンサの第2の実施例のセンサ素子の平面図、C−C´断面図およびD−D´断面図である。
【0056】
第2の実施例のセンサ素子には、シリコン基板1を貫通する切欠部が設けられていない。これが第1の実施例と異なる点であり、これ以外は第1の実施例と同じである。切欠部がないと、熱絶縁性が少し悪くなるが、チップ面積を小さくすることができ、小型化を図るときに有効である。
【0057】
図5は本発明のCOセンサの第3の実施例のセンサ素子の平面図、E−E´断面図、F−F´断面図およびG−G´断面図、図6は図5のガラス熱遮蔽体の平面図、図7は図5に示す第3の実施例のセンサ素子の分解斜視図である。
【0058】
シリコン基板1に形成するセンサ素子は、第1の実施例と全く同じである。第3の実施例では、感応部10と温度補償部11との熱絶縁をさらに良くするため、ガラス製の熱遮蔽体51をセンサ素子の上に取り付ける。ガラス熱遮蔽体51は、直方体のガラス板の感応部10と温度補償部11の上方の部分に切欠部56a,56bを設けて感応部10と温度補償部11とにガスが流れるようにすると同時に感応部10と温度補償部11との間に障壁52を形成して感応部10と温度補償部11との間を熱絶縁している。また、ヒータ6,7のコンタクト窓6a,6b,7a,7bの上方の部分に切欠部57a,57b〜58a,58bを設けて金属線ボンディングによる接続ができるようにすると同時に壁54a,54b〜55a,55bを設けて熱遮蔽している。さらにまた、壁53a,53bを設けて熱遮蔽すると同時に壁53a,53bの下に切欠部56a,59bを設けてガスが流れるようにしている。障壁52は、感応部10で発生した反応熱がガスによって温度補償部11へ運ばれ、温度補償部11の周囲温度を上昇させ、温度補償が乱されるのを防いでいる。
【0059】
上記実施例では、熱遮蔽体51をガラスで作ったが、これに限定されず、セラミックで作ることもでき、同様の熱遮蔽効果を得ることができる。
【0060】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、シリコン基板に熱絶縁膜を設け、その上に感応部と温度補償部とを間隔をおいて設け、これらの下のシリコンを除去した熱絶縁構造としたので、温度補償されると同時に熱容量が小さくなり、検出速度が速いCOセンサを得ることができる。
【0061】
本発明では、熱絶縁膜をSiO2 膜とSi3 N4 膜の二重膜にして強度を大きくし、ヒータを中央部の加熱部とこの加熱部の両側から引き出される電極引出し部とから構成形にすることにより、少ない電流で中央部の必要な部分のみ集中的に加熱するようにしたので、検出精度を向上させると共に消費電力を従来の約1/7以下に低減したCOセンサを得ることができる。また、均熱板をヒータの下に設け、電流集中による局部発熱を防止し、加熱線部分の断線を防止ようにしたので、長寿命のCOセンサを得ることができる。
【0062】
本発明では、感応部と温度補償部との間にスリット状の切欠部を設けて感応部と温度補償部との間が十分に熱絶縁されるようにしたので、周囲温度を正確に補償し、ガス濃度検出精度が高められたCOセンサを得ることができる。さらに、感応部と温度補償部との間に熱遮蔽する障壁を設け、熱絶縁を一層良くしたので、周囲温度をさらに正確に補償でき、ガス濃度検出精度を一層高めたCOセンサを得ることができる。
【0063】
本発明では、通常の半導体製造技術で製造できる構造と材料と製造プロセスを採用したので、量産化が容易で低コストのCOセンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のCOセンサの第1の実施例のセンサ素子の平面図、A−A´断面図およびB−B´断面図である。
【図2】図1に示す第1の実施例のセンサ素子の製造方法を説明するための工程順に示した断面図である。
【図3】本発明のCOセンサの第1の実施例の一部切欠き斜視図である。
【図4】本発明のCOセンサの第2の実施例のセンサ素子の平面図、C−C´断面図およびD−D´断面図である。
【図5】本発明のCOセンサの第3の実施例のセンサ素子の平面図、E−E´断面図、F−F´断面図およびG−G´断面図である。
【図6】図5のガラス熱遮蔽体の平面図である。
【図7】図5に示す第3の実施例のセンサ素子の分解斜視図である。
【図8】従来のCOセンサの第1の例の一部切欠き斜視図である。
【図9】図8に示す検出素子および比較素子の断面図である。
【図10】図8に示すCOセンサの検出回路の回路図である。
【図11】従来のCOセンサの第2の例の平面図および断面図である。
【符号の説明】
1 N型シリコン基板
3a,3b 均熱板
4a,4b SiO2 膜
5a,5b Si3 N4 膜
6 ヒータ(感応部用)
7 ヒータ(温度補償部用)
8 保護膜
9 切欠部
10 感応部
11 温度補償部
21 ステム
22 リード線
23 キャップ
24a,24b 切欠部
25 接続線
43a P+ 型領域[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a catalytic combustion type CO sensor that detects the concentration of carbon monoxide gas generated during combustion of city gas or LP gas.
[0002]
[Prior art]
When incinerating city gas or LP gas, etc., if carbon monoxide gas is generated due to incomplete combustion, a poisoning accident may occur, so a CO sensor is attached to a small water heater, etc. The concentration of is monitored. There are several types of CO sensors, such as Yazaki Technical Report, No. 18, (1993),
[0003]
FIG. 8 is a partially cutaway perspective view of a first example of a conventional CO sensor.
[0004]
This CO sensor is a sensor disclosed in Yazaki Technical Report, No. 18, (1993) pages 93-99. The
[0005]
FIG. 9 is a cross-sectional view of the sensing element and the comparison element shown in FIG.
[0006]
As shown in FIG. 9A, a paste prepared by mixing a
[0007]
As shown in FIG. 9B, a
[0008]
FIG. 10 is a circuit diagram of the detection circuit of the CO sensor shown in FIG.
[0009]
The
[0010]
When CO gas touches the
[0011]
FIG. 11 is a plan view and a sectional view of a second example of a conventional CO sensor.
[0012]
This CO sensor is a sensor disclosed in JP-A-1-221649. The detection element is formed on the surface of the
[0013]
The detection procedure of this CO sensor is as follows.
(1) No current is passed through the
(2) The
(3) The
(4) The electric resistance value of the
(5) Stop energization of the
(6) The above procedures (1) to (5) are repeated. The time required for one heat cycle is about 30 seconds.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
The first example is a catalytic combustion type CO sensor, and the second example is a semiconductor type CO sensor. In the CO sensor of the first example, the
[0015]
In the second example CO sensor, SiO 2 The
[0016]
An object of the present invention is to provide a CO sensor that has a high detection speed, high detection accuracy, low power consumption, is easily mass-produced, and can be manufactured at low cost.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to a one-conductivity type silicon substrate, an insulating film provided on the upper surface of the silicon substrate, a heating part made of a thin-film resistance film and provided in the center, and an electrode lead-out part drawn from both sides of the heating part And two heaters provided in parallel on the insulating film at a distance from each other, a protective film covering the surface including the heater, a sensitive part formed above the heating part of the heater, and temperature compensation And a sensor element including a recess for selectively removing the silicon substrate from the back surface to expose the insulating film under the heating portion of the heater.
[0018]
The present invention is characterized in that the insulating film is composed of a double film of a silicon oxide film and a silicon nitride film.
[0019]
In the present invention, the heater is formed by bending a plurality of thin thin-film resistance films, a connection portion of the thin-film resistance film drawn from both sides of the heating portion, and a metal wire bonding connection is possible by connecting to this connection portion. And an electrode lead-out portion having a wide area.
[0020]
The present invention is characterized in that the thin film resistive film is composed of a double film of a Ti film and a Pt film.
[0021]
The present invention is characterized in that a soaking plate is provided under each of the insulating films below the two heaters.
[0022]
The present invention is characterized in that the soaking plate is made of opposite conductivity type silicon.
[0023]
The present invention is characterized in that a slit-like notch passing through the silicon substrate is provided between the sensitive part and the temperature compensating part.
[0024]
The present invention is characterized in that a barrier for thermally shielding the sensitive part and the temperature compensating part is provided between the sensitive part and the temperature compensating part above the silicon substrate.
[0025]
[Action]
In the present invention, in the sensor element, the sensitive part and the temperature compensating part are formed in parallel on the same substrate, and the temperature compensating part cancels the fluctuation of the resistance value of the heater due to the fluctuation of the ambient temperature, and the resistance of the heater due to the reaction heat Since only the increase in the value is compensated so that it can be extracted purely, sufficiently accurate detection of the CO gas concentration is possible. Since the sensitive part and the temperature compensating part are formed on the thermal insulating film, and the concave part is formed below the thermal insulating film, the sensitive part and the temperature compensating part are sufficiently thermally insulated and at the same time have a heat capacity. It is smaller, the sensitivity is improved, and the detection speed is faster.
[0026]
In the present invention, the insulating film is composed of a double film of a silicon oxide film and a silicon nitride film. Due to the difference in coefficient of thermal expansion, SiO with respect to Si 2 The film has compressive stress and Si Three N Four The membrane has a tensile stress. SiO 2 When the film is alone, cracks tend to occur at the corners of the diaphragm, and Si Three N Four When the film is formed directly on the silicon substrate, Si Three N Four There is a tendency to crack easily in the film. In order to suppress the occurrence of cracks, Si and Si Three N Four SiO between the film 2 By controlling the film thickness by sandwiching the film, the generation of cracks can be suppressed and the supporting force can be strengthened.
[0027]
Since the insulating film is made of a double film structure and the supporting force is strengthened, there is no need to reinforce the insulating film with a resistance film, and the heater includes a heating part formed by bending a thin film resistive film multiple times, and a heating part of the heating part. The connecting portion of the thin film resistive film drawn from both sides and the electrode lead portion having a size that can be connected to the connecting portion and can be connected by metal wire bonding can be used. By using the heater in this way, only the necessary part of the central part can be heated intensively with a small current, and the temperature distribution of the central heating part becomes uniform, improving detection accuracy and reducing power consumption. can do.
[0028]
If the heater can be intensively heated only in the central heating part, it tends to generate heat locally due to current concentration, and the heating part tends to break. A soaking plate is provided to make the temperature of the heating part of the heater uniform to prevent local heat generation due to current concentration and to prevent disconnection of the heating line part.
[0029]
When the thin film resistive film is composed of a double film of a Ti film and a Pt film, the adhesion with the protective film thereunder is improved, the film does not peel off, the yield is improved, and the cost can be reduced.
[0030]
The soaking plate is preferably made of silicon of the opposite conductivity type high concentration impurity region to a thickness of several μm. The opposite conductivity type high-concentration impurity region can be used because the high-concentration impurity region has a slower etching rate than the low-concentration impurity region. This is because a soaking plate can be formed.
[0031]
By providing a slit-shaped notch that penetrates the silicon substrate between the sensitive part and the temperature compensating part, the sensitive part and the temperature compensating part are sufficiently thermally insulated, and the reaction heat generated in the sensitive part is Moving to the compensation unit prevents the ambient temperature of the temperature compensation unit from being disturbed, and the temperature compensation unit accurately compensates the ambient temperature. This enhances the CO gas concentration detection accuracy.
[0032]
When a heat shielding barrier is provided between the sensitive part and the temperature compensating part, the reaction heat generated in the sensitive part is transported to the temperature compensating part by the gas, and the ambient temperature of the temperature compensating part is raised to compensate the temperature. Is prevented, and the CO gas concentration detection accuracy is improved.
[0033]
【Example】
FIG. 1 is a plan view, a sectional view taken along line AA ′ and a sectional view taken along line BB ′ of the sensor element of the first embodiment of the CO sensor of the present invention.
[0034]
SiO 2 on both sides of the
[0035]
As in the detection circuit shown in FIG. 10, the sensor element includes a
[0036]
In this sensor element, the
[0037]
Due to the difference in coefficient of thermal expansion, SiO with respect to Si 2 The film has compressive stress and Si Three N Four The membrane has a tensile stress. SiO 2 When the film is alone, cracks tend to occur at the corners of the diaphragm, and Si Three N Four When the film is formed directly on the silicon substrate, Si Three N Four There is a tendency to crack easily in the film. In order to suppress the occurrence of cracks, Si and Si Three N Four SiO between the film 2 Generation of cracks can be suppressed by sandwiching the film and controlling the film thickness. For this reason SiO 2 -Si Three N Four A double membrane structure is used. The supporting force is increased by making the insulating film have a double film structure.
[0038]
Since the insulating film has a double film structure to increase the supporting force, it is not necessary to reinforce the insulating film with a resistive film as in the conventional example described with reference to FIG. Therefore, as shown in FIG. 1, the
[0039]
If the
[0040]
When the thin film resistive film constituting the
[0041]
The
[0042]
The soaking
[0043]
The
[0044]
Next, a method for manufacturing the sensor element of the first embodiment will be described.
[0045]
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating the manufacturing method of the sensor element according to the first embodiment in the order of steps.
[0046]
First, as shown in FIG. 2 (a), SiO 2 is formed on the use surface of the N-
[0047]
Next, as shown in FIG. 2
[0048]
Next, as shown in FIG. 2C, the
[0049]
Next, as shown in FIG. 2 (d), the surface is formed by SiO or sputtering. 2 , Si Three N Four Alternatively, the
[0050]
Next, as shown in FIG. 2E, Si on the lower surface of the
[0051]
Next, as shown in FIG. 2 (f), the
[0052]
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of the first embodiment of the CO sensor of the present invention.
[0053]
A housing that houses the sensor element includes a
[0054]
Two
[0055]
FIG. 4 is a plan view, a CC ′ sectional view, and a DD ′ sectional view of a sensor element of a second embodiment of the CO sensor of the present invention.
[0056]
The sensor element of the second embodiment is not provided with a notch that penetrates the
[0057]
FIG. 5 is a plan view of a sensor element of a third embodiment of the CO sensor of the present invention, an EE ′ sectional view, an FF ′ sectional view and a GG ′ sectional view, and FIG. 6 is a glass heat of FIG. FIG. 7 is an exploded perspective view of the sensor element of the third embodiment shown in FIG.
[0058]
The sensor element formed on the
[0059]
In the said Example, although the
[0060]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the thermal insulating film is provided on the silicon substrate, the sensitive part and the temperature compensating part are provided on the silicon substrate, and the underlying silicon is removed. As a result, a temperature-compensated CO sensor with a small heat capacity and a high detection speed can be obtained.
[0061]
In the present invention, the thermal insulating film is made of SiO. 2 Film and Si Three N Four The strength of the film is increased by making it a double film, and the heater is made up of a central heating part and electrode lead-out parts drawn from both sides of this heating part, so that only the necessary part of the central part can be obtained with a small current. Since the heating is concentrated, it is possible to obtain a CO sensor that improves detection accuracy and reduces power consumption to about 1/7 or less of the conventional one. In addition, since a soaking plate is provided under the heater to prevent local heat generation due to current concentration and to prevent disconnection of the heating wire portion, a long-life CO sensor can be obtained.
[0062]
In the present invention, a slit-shaped notch is provided between the sensitive part and the temperature compensating part so that the thermal sensitive part and the temperature compensating part are sufficiently thermally insulated, so that the ambient temperature is accurately compensated. A CO sensor with improved gas concentration detection accuracy can be obtained. Furthermore, since a thermal shielding barrier is provided between the sensitive part and the temperature compensating part to improve the thermal insulation, it is possible to compensate for the ambient temperature more accurately and to obtain a CO sensor with further improved gas concentration detection accuracy. it can.
[0063]
In the present invention, a structure, material, and manufacturing process that can be manufactured by a normal semiconductor manufacturing technique are adopted, so that it is possible to obtain a low-cost CO sensor that can be easily mass-produced.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view, a sectional view taken along line AA ′ and a sectional view taken along line BB ′ of a sensor element of a first embodiment of a CO sensor of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing the order of steps for explaining a method of manufacturing the sensor element of the first embodiment shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a partially cutaway perspective view of the first embodiment of the CO sensor of the present invention.
FIG. 4 is a plan view, a CC ′ sectional view, and a DD ′ sectional view of a sensor element of a second embodiment of the CO sensor of the present invention.
FIG. 5 is a plan view, a cross-sectional view taken along a line EE ′, a cross-sectional view taken along a line FF ′, and a cross-sectional view taken along a line GG ′ of a third embodiment of the CO sensor according to the present invention.
6 is a plan view of the glass heat shield of FIG. 5. FIG.
FIG. 7 is an exploded perspective view of the sensor element of the third embodiment shown in FIG.
FIG. 8 is a partially cutaway perspective view of a first example of a conventional CO sensor.
9 is a cross-sectional view of the detection element and the comparison element shown in FIG.
10 is a circuit diagram of a detection circuit of the CO sensor shown in FIG.
FIG. 11 is a plan view and a cross-sectional view of a second example of a conventional CO sensor.
[Explanation of symbols]
1 N-type silicon substrate
3a, 3b Soaking plate
4a, 4b SiO 2 film
5a, 5b Si Three N Four film
6 Heater (for sensitive part)
7 Heater (for temperature compensation)
8 Protective film
9 Notch
10 Sensitive part
11 Temperature compensation section
21 stem
22 Lead wire
23 cap
24a, 24b Notch
25 connection lines
43a P + Mold area
Claims (4)
前記二つのヒータの下方の前記絶縁膜の下にそれぞれ均熱板が設けられたことを特徴とするCOセンサ。The one-conductivity type silicon substrate, the insulation provided on the upper surface of the silicon substrate, the heating part made of a thin film resistance film and provided in the central part, and the electrode lead-out part drawn from both sides of the heating part, Two heaters provided in parallel on the insulating film at intervals, a protective film covering the surface including the heater, a sensitive part and a temperature compensating part formed above the heating part of the heater, and the silicon A recess that exposes the insulating film under the heating portion of the heater by selectively removing the substrate from the back surface;
A CO sensor, wherein a soaking plate is provided below the insulating film below the two heaters.
前記感応部と温度補償部との間に前記シリコン基板を貫通するスリット状の切欠部が設けられていることを特徴とするCOセンサ。The one-conductivity type silicon substrate, the insulation provided on the upper surface of the silicon substrate, the heating part made of a thin film resistance film and provided in the central part, and the electrode lead-out part drawn from both sides of the heating part, Two heaters provided in parallel on the insulating film at intervals, a protective film covering the surface including the heater, a sensitive part and a temperature compensating part formed above the heating part of the heater, and the silicon A recess that exposes the insulating film under the heating portion of the heater by selectively removing the substrate from the back surface;
A CO sensor, wherein a slit-like notch that penetrates the silicon substrate is provided between the sensitive part and the temperature compensating part.
前記感応部と温度補償部との間に前記感応部と温度補償部とを熱遮蔽する障壁が前記シリコン基板の上方に設けられていることを特徴とするCOセンサ。The one-conductivity type silicon substrate, the insulation provided on the upper surface of the silicon substrate, the heating part made of a thin film resistance film and provided in the central part, and the electrode lead-out part drawn from both sides of the heating part, Two heaters provided in parallel on the insulating film at intervals, a protective film covering the surface including the heater, a sensitive part and a temperature compensating part formed above the heating part of the heater, and the silicon A recess that exposes the insulating film under the heating portion of the heater by selectively removing the substrate from the back surface;
A CO sensor, wherein a barrier for thermally shielding the sensitive part and the temperature compensating part is provided between the sensitive part and the temperature compensating part above the silicon substrate.
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