JP3649412B2

JP3649412B2 - CO sensor

Info

Publication number: JP3649412B2
Application number: JP24274694A
Authority: JP
Inventors: 康広岡本; 文治勝又
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1994-10-06
Filing date: 1994-10-06
Publication date: 2005-05-18
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: JPH08105854A

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Ｒ_V、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Ｒ_V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、Ｓｉ₃Ｎ₄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、Ｓｉ₃Ｎ₄膜をシリコン基板に直接形成するとＳｉ₃Ｎ₄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Ｓｉ₃Ｎ₄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、Ｓｉ₃Ｎ₄膜５ａ，５ｂを設けて熱絶縁膜とする。Ｓｉ₃Ｎ₄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、Ｓｉ₃Ｎ₄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Ｒ_V、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Ｓｉ₃Ｎ₄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、Ｓｉ₃Ｎ₄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、Ｓｉ₃Ｎ₄膜をシリコン基板に直接形成するとＳｉ₃Ｎ₄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Ｓｉ₃Ｎ₄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−Ｓｉ₃Ｎ₄二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、Ｓｉ₃Ｎ₄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Ｓｉ₃Ｎ₄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、Ｓｉ₃Ｎ₄、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Ｓｉ₃Ｎ₄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Ｓｉ₃Ｎ₄膜５ｂ、ＳｉＯ₂膜４ｂ、および切欠部９を形成すべき領域の上方のＳｉ₃Ｎ₄膜５ａ、ＳｉＯ₂膜４ａをエッチング除去する。Ｓｉ₃Ｎ₄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Ｓｉ₃Ｎ₄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】
１Ｎ型シリコン基板
３ａ，３ｂ均熱板
４ａ，４ｂＳｉＯ₂膜
５ａ，５ｂＳｉ₃Ｎ₄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
４３ａＰ⁺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), pages 93 to 99, JP-B 63-26335, JP-B 64-10774, JP-A 1-221649. The contents are disclosed in the publication.
[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 housing 81 includes a brass stem 82 and a stainless steel cap 84. The stem 82 is provided with a plurality of lead terminals 83, and the cap 84 is provided with windows 85a and 85b for gas distribution. . The sensor section includes a detection element 86 and a temperature compensation comparison element 87, and is connected to the lead terminal 83 so as to be symmetrical with the alumina shielding plate 88 interposed therebetween. Then, the cap 84 is put on.
[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 Pt coil 91 having a diameter of 25 μm, 5% Rh powder, alumina powder, an alumina binder, and water is prepared. This paste is applied onto the Pt coil 91 and fired at about 700 ° C. to form a 5% Rh-alumina catalyst 92. Thereby, the detection element 86 is manufactured. The alumina powder is called an alumina support because it acts as a support for supporting the Rh catalyst.
[0007]
As shown in FIG. 9B, a Pt coil 93 having a diameter of 25 μm and a paste in which alumina powder, an alumina binder and water are mixed are prepared. This paste is applied onto a Pt coil 93 and fired at about 700 ° C. to form an alumina carrier 94. Thereby, the comparison element 87 is manufactured. The alumina support 94 does not contain Rh.
[0008]
FIG. 10 is a circuit diagram of the detection circuit of the CO sensor shown in FIG.
[0009]
The sensing element 86 and the comparison element 87 have a fixed resistance R ₁ , R ₂ , Variable resistance R _V The detection circuit 101 is assembled into a bridge and connected to the DC power source E. The variable resistance R is set so that no current flows through the detection circuit 101 when no gas such as city gas or LP gas flows. _V Adjust. Flow gas after adjustment.
[0010]
When CO gas touches the sensing element 86, it is oxidized on the element surface by a catalytic action, and heat of reaction is generated. This reaction heat increases the resistance value of the Pt coil 91. Then, the balance of the bridge circuit is lost, and a current flows through the detection circuit 101. The detection circuit 101 measures the current value and calculates the CO gas concentration. The comparison element 87 cancels the variation in the resistance value of the Pt coil due to the variation in the ambient temperature, and compensates so that only the increase in the resistance value of the Pt coil due to the reaction heat can be extracted. The alumina shielding plate 88 creates a barrier between the detection element 86 and the comparison element 87, and prevents the reaction heat generated in the detection element 86 from moving to the comparison element 87 and disturbing the ambient temperature of the comparison element 87. Element 87 helps to accurately compensate for ambient temperature. This enhances the CO gas concentration detection accuracy.
[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 silicon substrate 111 with SiO. ₂ First film 112, Pt heating element 113, SiO ₂ The second film 114 and the tin oxide semiconductor gas sensitive element 115 are sequentially formed, Pt electrodes 116a and 116b are attached to both ends of the gas sensitive element 115, and the silicon substrate 111 under the gas sensitive element 115 is etched away. It is formed by providing a notch 117. The notch 117 is provided in order to reduce the heat capacity of the gas sensitive body 115. The detection unit 118 is connected to the electrodes 116a and 116b. The detector 118 obtains the CO gas concentration from the decrease in the electric resistance value by utilizing the property that the electric resistance decreases when the gas sensitive element 115 comes into contact with the CO gas.
[0013]
The detection procedure of this CO sensor is as follows.
(1) No current is passed through the heating element 113, and the gas sensitive element 115 is set to a low temperature of 100 ° C. or lower.
(2) The detection unit 118 obtains the CO gas concentration based on the electric resistance value of the gas sensitive element 115, and determines whether or not incomplete combustion has occurred.
(3) The heating element 113 is energized to bring the gas sensitive element 115 to a high temperature of 300 ° C. or higher, and the surface of the gas sensitive element 115 is removed.
(4) The electric resistance value of the gas sensing element 115 in a high temperature state is measured by the detection unit 118, the concentration of methane gas is measured, and the presence or absence of gas leakage is determined.
(5) Stop energization of the heating element 113 to stop the heat generation of the heating element 113, and lower the temperature of the gas sensitive element 115 to 100 ° C or lower.
(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 sensing element 86 and the comparison element 87 are made by forming a bead shape of 5% Rh-alumina catalyst or alumina alone on the Pt coil, so that the volume with respect to the surface area. Therefore, there is a problem that the heat capacity with respect to the surface area becomes large and the CO gas concentration detection speed becomes slow. In addition, since the heat capacity is large, there is a problem that the current flowing through the Pt coil increases and the power consumption increases. Furthermore, since the assembly is performed using the detection element 86 and the comparison element 87 formed in a bead shape, a large number of man-hours are required, and there is a problem that mass production is difficult and cost is increased.
[0015]
In the second example CO sensor, SiO ₂ The silicon substrate 111 under the first film 112 is removed by etching to provide a notch 117 to reduce the heat capacity. As a result, the CO gas concentration detection speed is increased, but it is difficult to form such a notch 117 having a hollow shape, and there is a problem that mass production is difficult and the cost is increased. In addition, SiO ₂ Since the supporting force for supporting the sensitive body 115 is weak with the film alone, the Pt heating element 113 made in a wide strip shape is made of SiO. ₂ Provided on the film 112 and SiO ₂ The membrane 112 is reinforced. For this reason, not only a large current is required to heat the Pt heating element 113, but also the temperature gradient from the central part to the end part is large, the temperature of the sensitive body 115 is not uniform, and the detection accuracy deteriorates. There is. Furthermore, since the CO sensor of the second example does not have the comparison element as in the first example, there is a problem that the variation in resistance value due to the variation in the ambient temperature cannot be compensated and the detection accuracy is poor. In order to perform temperature compensation, it is necessary to attach a temperature compensation circuit from the outside. However, if the temperature compensation circuit is installed, the cost is increased, and sufficient temperature compensation cannot be achieved by installing the temperature compensation circuit from the outside. There is.
[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 silicon substrate 1 with crystal orientation [100] ₂ Films 4a and 4b, Si _Three N _Four Films 5a and 5b are provided to form a heat insulating film. Si _Three N _Four A thin film resistive film composed of a double layer of a Ti film and a Pt film is formed on the upper surface of the film 5a, and two heaters 6 and 7 are formed by patterning and spaced in parallel. The heaters 6 and 7 have a heating part formed by bending a large number of thin thin-film resistance films at the center, a connection part of the thin-film resistance film drawn from both sides of the heating part, and a metal connected to the connection part. It is comprised from the electrode extraction part which has the width which can be connected by wire bonding. The surface is covered with a protective film 8, and selective etching is performed to open contact windows 6a, 6b, 7a, and 7b for extracting electrodes. The protective film 8 is made of SiO. ₂ , Si _Three N _Four Alternatively, it is made of a single layer or multiple layers of PSG (phosphosilicate glass) and is formed by CVD, sputtering, or the like. The sensitive part 10 is formed of a mixture of 5% Rh powder and 95% alumina powder on the protective film 8 above the heating part of the heater 6, and alumina alone is formed on the protective film 8 above the heating part of the heater 7. Thus, the temperature compensation unit 11 is formed. The temperature compensation unit 11 is for compensating for the variation of the resistance value of the heater 6 due to the variation of the ambient temperature, and is thus formed to have the same heat capacity as that of the sensitive unit 10. A mask is provided, and the silicon substrate 1 is selectively etched from the back surface to form a recess 12 under the sensitive portion 10 and the temperature compensating portion 11 to form SiO. ₂ At the same time that the film 4 a is exposed, a rectangular cutout 9 that penetrates the silicon substrate 1 is formed between the sensitive portion 10 and the temperature compensating portion 11. The notch portion 9 is for thermally insulating the sensitive portion 10 and the temperature compensating portion 11 to improve detection accuracy. Soaking plates 3a and 3b are formed below the heating portions of the heaters 6 and 7 in the recess 12, respectively.
[0035]
As in the detection circuit shown in FIG. 10, the sensor element includes a sensing unit 10 and a temperature compensation unit 11 having a fixed resistance R. ₁ , R ₂ , Variable resistance R _V The detection circuit 101 is assembled into a bridge and connected to the DC power source E. When CO gas touches the sensitive part 10, it is oxidized on the surface of the element by a catalytic action, and heat of reaction is generated. The resistance value of the heater 6 increases due to the reaction heat. Then, the balance of the bridge circuit is lost, and a current flows through the detection circuit 101. The detection circuit 101 measures the current value and calculates the CO gas concentration.
[0036]
In this sensor element, the sensitive section 10 and the temperature compensating section 11 are formed in parallel on the same substrate, and the temperature compensating section 11 cancels the variation in the resistance value of the heater 6 due to the variation in the ambient temperature. Since only the increase in resistance value is compensated so that it can be extracted purely, it is possible to detect the CO gas concentration sufficiently accurately. The sensitive part 10 and the temperature compensating part 11 are made of SiO. ₂ Film 4a and Si _Three N _Four Since the concave portion 12 is formed below the thermal insulating film, the sensitive portion 10 and the temperature compensating portion 11 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.
[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 heaters 6 and 7 include a heating part formed by bending a plurality of thin film resistance films, a connection part of the thin film resistance film drawn from both sides of the heating part, and this connection part. And an electrode lead portion having a width that can be connected by metal wire bonding. By forming the heaters 6 and 7 in such a shape, only a necessary portion of the central portion can be intensively heated with a small current, and a thin thin film resistance film connecting portion is provided, so that the heat conduction is reduced and the temperature gradient is reduced. Becomes smaller, the temperature distribution of the central heating part becomes uniform, and the detection accuracy can be improved and the power consumption can be reduced. For example, the power consumption of the conventional CO sensor using the coils shown in FIGS. 8 and 9 is 600 mW, whereas the power consumption of the present invention can be reduced to 80 mW. It can be reduced to 1/7 or less.
[0039]
If the heaters 6 and 7 can be intensively heated only in the central heating part, heat is likely to be generated locally due to current concentration, and the heating part tends to be easily disconnected. Heat equalizing plates 3a and 3b are provided to make the temperature of the heating portions of the heaters 6 and 7 uniform to prevent local heat generation due to current concentration and to prevent disconnection of the heating wire portions.
[0040]
When the thin film resistive film constituting the heaters 6 and 7 is formed of a double layer of a Ti film and a Pt film, the adhesion with the protective film 8 is improved, the defect rate can be reduced, and the cost can be reduced.
[0041]
The protective film 8 functions as an insulating film that prevents the heaters 6 and 7 from short circuiting and at the same time prevents the heaters 6 and 7 from being in contact with and reacting with the sensitive unit 10 and the temperature compensating unit 11. The protective film 8 is an insulating film, has good affinity with the alumina constituting the sensitive part 10 and the temperature compensating part 11, has high thermal conductivity, and quickly transmits reaction heat and ambient temperature to the heater, gas Therefore, it is required to have good corrosion resistance. Therefore, the protective film 8 is made of SiO. ₂ , Si _Three N _Four Alternatively, it is made of a single-layer or multi-layer film of PSG (phosphosilicate glass).
[0042]
The soaking plates 3a, 3b are P, which are opposite conductivity type high concentration impurity regions. ⁺ It is good to make it to a thickness of several μm with mold silicon. 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, and has the same shape as the opposite conductivity type high concentration impurity region at the same time as the etching for forming the recess 12. This is because a soaking plate can be formed.
[0043]
The notch 9 is provided in a slit shape penetrating the silicon substrate 1 to sufficiently insulate between the sensitive part 10 and the temperature compensating part 11, and heat between the sensitive part 10 and the temperature compensating part 11. This prevents the ambient temperature of the temperature compensation unit 11 from being disturbed by the reaction heat generated in the sensitive unit 10 and helps the temperature compensation unit 11 to accurately compensate the ambient temperature. Thereby, the CO gas concentration detection accuracy is improved.
[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-type silicon substrate 1 having a crystal orientation [100]. ₂ The films 42a and 42b are provided with a thickness of about 750 nm, and the upper SiO 2 film is formed by photolithography. ₂ A window is opened in the film 42a, and P-type impurities are introduced at a high concentration to form P ⁺ Mold regions 43a and 43b (P ⁺ The mold region 43b is formed).
[0047]
Next, as shown in FIG. ₂ Films 42a and 42b are removed and new SiO ₂ Films 4a and 4b are provided with a thickness of about 500 nm, and Si is formed thereon. _Three N _Four The films 5a and 5b are provided with a thickness of about 80 nm.
[0048]
Next, as shown in FIG. 2C, the heater 6 and the heater 7 (see FIG. 1 for the heater 7) are formed by using a lift-off method. The heaters 6 and 7 using the lift-off method are formed as follows. First, a photoresist is coated on the surface, exposed with a mask having a pattern of heaters 6 and 7, and developed to form a photoresist pattern. Ti and Pt are sequentially deposited from above to form a thin film resistance film of Ti-Pt double film, the photoresist is dissolved and the Ti-Pt film on the photoresist is removed together with the photoresist, and only the portion without the photoresist The heaters 6 and 7 are left. The heaters 6 and 7 include a heating part formed by bending a large number of thin film resistance films at the center, a connection part of the thin film resistance film drawn from both sides of the heating part, and a metal wire connected to the connection part. It is comprised from the electrode extraction part which has the width which can be bonded-connected.
[0049]
Next, as shown in FIG. 2 (d), the surface is formed by SiO or sputtering. ₂ , Si _Three N _Four Alternatively, the protective film 8 is formed by depositing PSG (phosphosilicate glass) or the like in a single layer or multiple layers. The protective film 8 is patterned by a photolithography technique and a dry etching method, and contact windows 6a, 6b, 7a, and 7b for extracting electrodes are opened at both ends of the heaters 6 and 7 (see FIG. 1 for the contact windows 7a and 7b).
[0050]
Next, as shown in FIG. 2E, Si on the lower surface of the silicon substrate 1 is formed. _Three N _Four A mask is provided on the film 5b, and P ⁺ Si below the mold regions 43a and 43b and below the region where the notch 9 is to be formed. _Three N _Four Film 5b, SiO ₂ Si above the region where the film 4b and the notch 9 are to be formed _Three N _Four Film 5a, SiO ₂ The film 4a is removed by etching. Si _Three N _Four Films 5a and 5b, SiO ₂ Using the films 4a and 4b as masks, the silicon substrate 1 is anisotropically etched to form the recesses 12 to form the P ⁺ Mold regions 43a, 43b and surrounding SiO ₂ The film 4a is exposed to form the soaking plates 3a and 3b (see FIG. 1 for the soaking plate 3b) and the notch 9 (see FIG. 1) at the same time. TMAH (tetramethylammonium hydroxide) is suitable for the etching solution. TMAH is SiO ₂ This is because silicon is etched without much etching of the film. P ⁺ The mold region is utilized because the high-concentration impurity region has a slower etching rate than the low-concentration impurity region. Using this, P ⁺ Etching stops spontaneously at the mold regions 43a and 43b, so that the excess or shortage of etching does not occur. ⁺ The soaking plates 3a and 3b having the same shape as the mold regions 43a and 43b can be formed.
[0051]
Next, as shown in FIG. 2 (f), the sensitive part 10 and the temperature compensating part 11 (see FIG. 1) are formed on the protective film 8. The sensitive part 10 is made by mixing 5% Rh powder, 95% alumina powder, an alumina binder and water, and applying this paste on the protective film 8 on the heater 6 and firing at about 700 ° C. Make it. The temperature compensation unit 11 is made by mixing alumina powder, an alumina-based binder, and water to form a paste, applying this paste on the protective film 8 on the heater 7, and baking it at about 700 ° C. Baking is performed simultaneously with the sensitive part 10 and the temperature compensating part 11. The temperature compensation unit 11 is for compensating for the variation of the resistance value of the heater 6 due to the variation of the ambient temperature, and is thus formed to have the same heat capacity as that of the sensitive unit 10. Thereby, the sensor element of the CO sensor is formed.
[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 stem 21 and a cap 23. Four lead wires 22 are drawn out from the stem 21. The cap 23 is made in the shape of a cup having a cylindrical shape with the upper surface closed, and two notches 24a. 24b is provided. For ease of viewing, half of the cap 23 is cut away in FIG. The sensor element shown in FIG. 1 is fixed to the stem 21, and the contact windows 6 a, 6 b, 7 a, 7 b of the heater of the sensor element and the lead wire 22 are connected by a thin metal wire 25 by a bonding method. Thereafter, the cap 23 is welded to the stem 21.
[0054]
Two notches 24a. When the CO gas in the gas introduced from 24b touches the sensitive portion 10, the surface of the element is oxidized by the catalytic action, and reaction heat is generated. The resistance value of the heater 6 increases due to the reaction heat. The change in resistance value is measured by a bridge circuit to detect the CO gas concentration. The temperature compensator 11 acts to cancel out the fluctuation of the resistance value of the heater 6 due to the fluctuation of the ambient temperature, and to compensate only for the increase in the resistance value of the heater 6 due to the reaction heat.
[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 silicon substrate 1. This is the difference from the first embodiment, and the other points are the same as the first embodiment. Without the notch, the thermal insulation is slightly worse, but the chip area can be reduced, which is effective for miniaturization.
[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 silicon substrate 1 is exactly the same as in the first embodiment. In the third embodiment, a glass heat shield 51 is mounted on the sensor element in order to further improve the thermal insulation between the sensitive unit 10 and the temperature compensating unit 11. The glass heat shield 51 is provided with notches 56 a and 56 b above the sensitive part 10 and the temperature compensating part 11 of the rectangular parallelepiped glass plate so that gas flows through the sensitive part 10 and the temperature compensating part 11. A barrier 52 is formed between the sensitive part 10 and the temperature compensating part 11 to thermally insulate the sensitive part 10 from the temperature compensating part 11. Further, notches 57a, 57b to 58a and 58b are provided in the upper portions of the contact windows 6a, 6b, 7a and 7b of the heaters 6 and 7 to enable connection by metal wire bonding, and at the same time, the walls 54a, 54b to 55a. 55b are provided for heat shielding. Furthermore, walls 53a and 53b are provided to shield the heat, and at the same time, notches 56a and 59b are provided under the walls 53a and 53b to allow gas to flow. The barrier 52 prevents reaction heat generated in the sensitive unit 10 from being carried to the temperature compensating unit 11 by gas, increasing the ambient temperature of the temperature compensating unit 11 and disturbing the temperature compensation.
[0059]
In the said Example, although the heat shield 51 was made with glass, it is not limited to this, It can also make with a ceramic and the same heat shielding effect can be acquired.
[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

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.

2. The CO sensor according to claim 1, wherein the soaking plate is made of opposite conductivity type silicon.

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.

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.