JP6340967B2 - Gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、ガスによる空間の熱伝導の違いにより発生する温度差を電気信号として検出するガスセンサに関する。さらに詳細には、メンブレン構造上に感熱膜と加熱手段をもうけたガスセンサに関するものである。 The present invention relates to a gas sensor that detects a temperature difference generated due to a difference in thermal conduction of a space by gas as an electrical signal. More specifically, the present invention relates to a gas sensor having a heat sensitive film and heating means on a membrane structure.
従来から、空間における気体の熱伝導の違いを空間温度として測定し検出、温度変化に応じた電気信号によりガスを検知することが可能な素子が知られている。そのようなデバイスでは検知用素子で開放空間中の温度変化を計り、補償用素子で一定条件の閉空間の温度変化を計ることでそれを基準として差分変化を測定対象物による温度変化として濃度を算出する。そのための温度検出には、例えば負の抵抗温度変化を用いたサーミスタ材料、ボロメータ材料、Ptなど金属を用いた測温体を感熱素子としてその抵抗変化により行うことが提案されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, there has been known an element capable of measuring and detecting a difference in heat conduction of a gas in space as a space temperature and detecting the gas by an electric signal corresponding to a temperature change. In such a device, the temperature change in the open space is measured with the sensing element, and the temperature change in the closed space under a certain condition is measured with the compensation element. calculate. For this purpose, for example, it has been proposed that a thermistor material using a negative resistance temperature change, a bolometer material, or a temperature measuring body using a metal such as Pt be used as a thermosensitive element by the resistance change.
特許文献1では、サーミスタを用いた感熱素子として加熱用抵抗膜と組み合わせた構成の湿度センサが提案されている。湿度センサはセラミックパッケージ内に配置され、二つの空間を作る仕切り部と検知素子上に設けた貫通孔により構成した蓋部により片側の素子を密閉する構造が採られている。
特許文献2では、ボロマトリック湿度センサとしてカンパッケージのケースとステムを用いた構造が開示されている。ステム裏面の検出素子の直下に外気との通気孔が形成され、裏面の空間の温度変化を検出、一方で補償素子はステム内で検知素子の裏面と空間分離されており、周囲空気の温度の影響を受ける。
しかしながら、上記従来の技術には以下の課題が残されている。特許文献1では、セラミックパッケージに検知素子を配置した上で蓋に仕切り部を持たせるために複雑な構造となるので小型化が困難である上、通気孔が検知部上部に設けられており、検知素子へ外部からの風や汚れの影響を受けやすい。
However, the following problems remain in the conventional technology. In
特許文献2の構成によればカンパッケージを用いることで小型化が困難であること・通気口は検知素子の直下に設けられており特許文献1と同様に外気の影響を直接受けることになる。また補償素子をステム内で固定する場合に安定して気密を確保することが問題となる。
According to the configuration of
そこで、本発明は、空間の温度変化を検知するガスセンサにおいて上記問題を解決するものであって小型で、風や汚れに対して外部からの影響を受けにくい構造のセンサを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a gas sensor that detects a change in the temperature of a space, and that is small in size and is less susceptible to external influences on wind and dirt. To do.
上記の目的を達成するため、本発明に係わるガスセンサは、外気のガス濃度を測定する第1の感熱素子と、基準となる閉空間雰囲気の温度を測定する第2の感熱素子と、第1、第2の空洞部を有し、前記第1、第2の感熱素子が形成された基板と、前記第1、第2の感熱素子を加熱する加熱手段と、前記基板に固定され、前記第1、第2の感熱素子に対応した部分に第1、第2の凹部を備えたカバーとを備え、前記第1、第2の感熱素子の検出領域は、それぞれ前記第1、第2の空洞部上に形成されており、前記基板の前記第1の感熱素子側であって、かつ前記第1の空洞部以外の部分に通気口を有し、前記第1、第2の感熱素子は同一の前記基板上に形成されており、前記第1、第2の感熱素子が形成された面とは異なる面から前記通気口を通じて入ってくるガスによる空間の温度変化を測定することを特徴とするガスセンサである。 In order to achieve the above object, a gas sensor according to the present invention includes a first thermal element that measures the gas concentration of the outside air, a second thermal element that measures the temperature of the reference closed space atmosphere, A substrate having a second cavity, on which the first and second thermosensitive elements are formed, heating means for heating the first and second thermosensitive elements, and fixed to the substrate; And a cover provided with first and second recesses in a portion corresponding to the second thermal element, and the detection areas of the first and second thermal elements are the first and second cavities, respectively. Formed on the first heat sensitive element side of the substrate and has a vent in a portion other than the first cavity, and the first and second heat sensitive elements are the same. The vent is formed on a surface different from the surface on which the first and second heat sensitive elements are formed. A gas sensor and measuring the temperature change of the space by the incoming gas through.
本発明の請求項2に係わる発明は、前記通気口は、前記検出領域を挟んで2個以上形成されていることを特徴とするガスセンサである。
The invention according to
本発明の請求項3に係わる発明は、前記通気口は、前記検出領域の外周にスリット状に形成されていることを特徴とするガスセンサである。
The invention according to
本発明の請求項4に係わる発明は、前記第2の感熱素子上の空間は測定対象に応じた基準となるように気体濃度が制御された雰囲気であることを特徴とするガスセンサである。 The invention according to claim 4 of the present invention is the gas sensor characterized in that the space on the second heat sensitive element is an atmosphere in which the gas concentration is controlled so as to be a reference according to the object to be measured.
本発明の請求項5に係わる発明は、前記感熱膜は加熱手段に用いられる材料と同じであることを特徴とするガスセンサである。
The invention according to
本発明の請求項6に係わる発明は、前記基板とカバーは金属により接合され、第2の感熱素子とカバー間の空間が気密封止されていることを特徴とするガスセンサである。 The invention according to claim 6 of the present invention is the gas sensor characterized in that the substrate and the cover are joined by metal, and the space between the second thermosensitive element and the cover is hermetically sealed.
本発明の請求項7に係わる発明は、前記基板は、前記第1、第2の感熱素子の信号取り出し電極を更に有し、前記カバーの第1、第2の凹部形成部とは異なる面に、電極を更に有し、前記信号取り出し電極と前記カバーに形成された電極が電気的に接続されていることを特徴とするガスセンサである。
In the invention according to
請求項1の発明によれば、熱容量を下げるために検知領域をメンブレン化した素子は薄膜のみで構成されるため外部からの風などの影響により破損する場合があるが、それを抑制することができる。カバーと基板とを封止により固定することで検知素子と参照素子のパッケージを同一で個片化せずに精度よく行うことができ、かつ感熱素子の裏面から検知領域以外の部分で通気を行うことにより、検知領域のメンブレンへの風の影響を抑制することができる。 According to the first aspect of the present invention, since the element having the detection region formed into a membrane in order to reduce the heat capacity is composed of only a thin film, it may be damaged due to the influence of wind from the outside. it can. By fixing the cover and the substrate by sealing, the sensing element and the reference element package can be accurately performed without being separated into individual pieces, and air is vented from the back surface of the thermal element outside the sensing area. As a result, the influence of wind on the membrane in the detection region can be suppressed.
請求項2の発明によれば、外気からのガスの出入りが容易になるため応答速度を高めることが出来る。 According to the second aspect of the present invention, the response speed can be increased because the gas can easily enter and exit from the outside air.
請求項3の発明によれば、通気孔が検知部に対して熱的に対称であるため、検知部の熱分布を安定させることが出来る。
According to invention of
請求項4の発明によれば、参照素子の測定空間を測定対象に合わせた雰囲気で制御することで用途に応じたガスを検知することが出来る。 According to the fourth aspect of the present invention, the gas corresponding to the application can be detected by controlling the measurement space of the reference element in an atmosphere matched to the measurement object.
請求項5の発明によれば、感熱素子の取り出し電極と加熱手段に用いるヒータを同時に形成することで工程を簡易化することが出来る。
According to invention of
請求項6の発明によれば、水分やガスに対して気密性の高い金属により第二の検出素子に密閉空間を形成することで安定した気密レベルを確保することが出来る。 According to the invention of claim 6, a stable airtight level can be ensured by forming a sealed space in the second detection element with a metal having high airtightness against moisture and gas.
請求項7の発明によれば、取り出し電極をカバーの上部に直接取り出すことで素子のサイズを小型化することが出来る。
According to the seventh aspect of the present invention, the size of the element can be reduced by taking out the take-out electrode directly to the upper part of the cover.
以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined.
(第1実施形態)
第1実施形態について図1から図4を用いて説明する。図1は第1の実施形態におけるガスセンサの断面図、図2は第1の実施形態における感熱素子の上面図、図3は感熱素子3Aの上面図、図4は感熱素子3AのB−B断面図である。図1に示すように第1実施形態のガスセンサ100は基板1と凹部を備えたカバー2とからなる。基板1上には第1の主面1Aに形成された第1の凹部4A、第2の凹部4B上に中空構造により形成されている第1の感熱素子3Aと、第2の感熱素子3Bからなる。図3に示すように感熱素子3Aは加熱手段としてヒータ14、同様に図示しないが感熱素子3Bは加熱手段としてヒータ14が併設されている。感熱素子3A、3Bとヒータ14は各々が独立して短絡せずに通電可能であればよく、平面に並列配置されていてもよいし、絶縁膜を介して積層されていてもよい。図1の断面図に示すように第1の感熱素子3Aを含む基板1は第1の主面1Aに形成された第1の凹部4A以外の部分に第2の主面1Bから第1の主面1A(感熱素子が形成された面)に対して通気口5を有しており、カバー2は検知素子に対応した位置に第1の凹部6A、第2の凹部6Bが設けられており、金属による封止層8を介して基板1と第1の主面1Aで接続されている。なお、図面は、模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、及びデバイス相互間の厚みの比率は、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実のセンサ構造とは異なっていてもよい。
(First embodiment)
A first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 is a cross-sectional view of a gas sensor in the first embodiment, FIG. 2 is a top view of a thermal element in the first embodiment, FIG. 3 is a top view of a
図1に示すガスセンサ100は、中空構造を持つ第1の感熱素子3Aが検知用素子となり、中空構造を持つ第2感熱素子3Bが補償用素子となる。ここで中空構造について説明する。ガスセンサ100において、感熱素子は中空構造を含み基板上に形成される。基板1の第1の凹部4A、第2の凹部4B上の中空部分に形成される薄膜部分を有する構造体の総称を中空構造、ここで温度変化に反応する領域を感熱領域10と定義する。さらに感熱領域内にある薄膜部分の検知素子と検知材料により構成された領域を検知領域とする。ここで述べた中空構造および感熱領域、検知領域の定義は、ガスセンサ100だけでなく感熱素子3A、3Bにおいても適用される。
In the
図3、図4を用いて第1の感熱素子3A、第2の感熱素子3Bの構成を説明する。図3、図4に示すように感熱素子3Aは基板1上に絶縁膜11、一対の取り出し電極12、検知膜である感熱膜13(以降、感熱膜13と称す)、加熱用ヒータ14、層間絶縁膜15、保護膜16から構成される。また、感熱素子3A、3Bが備える一対の取り出し電極12と接続する一対のパッド電極7A、7Bを有している。また、加熱用ヒータが備える一対の取り出し電極17とパッド電極18A、18Bを有する。なお、通常、各々のパッド電極7、18は基板1上に形成される。
The configuration of the first
(感熱素子の説明)
図1に示される第1実施形態におけるガスセンサ100に適用される感熱素子について説明する。感熱素子3Aは、図4に示すように所定のギャップ間隔をおいて形成される一対の取り出し電極12と、これらの一対の取り出し電極12間および一対の取り出し電極12上に積層されて形成される感熱膜13とを備える。さらに加熱手段としてヒータ14が中空構造上に併設されている。感熱素子3Aは一対の取り出し電極12間および一対の取り出し電極12上に積層されて形成された感熱膜13の電気特性の変化を検出する。ヒータ14は基板の凹部外まで配線により引き出されパッド電極18と接続されている。図4に示すように、凹部の中空構造4Aにある検知領域10は一部薄膜の梁部分以外は基板1と空気で断熱されており、効率的に熱の変化を検出することが出来る、図3に示すように薄膜で構成された中空部分を感熱領域、さらに感熱膜13と取り出し電極12が構成された部分が検知領域となる。つまり、感熱膜13が存在する領域が実効的な検知領域である。
(Description of thermal element)
A thermal element applied to the
感熱膜13の材質としては例えば、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウム、シリコンカーバイド、複合金属酸化物等の負の温度係数を有するサーミスタ薄膜が好適である。あるいは一定の温度係数を持ったPtやNiなどの温度測温体でもよい。一対の取り出し電極12の材質としては、感熱膜13の形成工程や熱処理工程等に耐え得る耐熱性を有し、且つ適度な伝導性を有する比較的高融点の材質が好ましく、例えば、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、金(Au)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、又はこれらの金属を2種類以上含む合金等が好適である。また電気信号を取り出すために一対のパッド電極7が各々の一対の取り出し電極12に接続されるように形成される。金属の測温体を用いる場合は取り出し電極と一体で配線状に形成してもよい。一対のパッド電極18の材質としては、フリップチップボンディング等の電気的接続が容易な材質、例えば、アルミニウム(Al)、銅(Cu)、金(Au)等が好適である。
As the material of the heat
感熱素子2Aに用いる感熱膜13はサーミスタ薄膜であり、B定数を有する。ここで、B定数とは、抵抗−温度特性の任意の2点の温度から求めた抵抗変化の大きさを表す定数であり、Bとは半導体の抵抗がR、半導体の絶対温度Tが無限大のときの抵抗値に相当する値がR0のときR=R0*e^(B/T)で表される。
The
加熱用ヒータ14の材質としては、感熱膜の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料からなる金属層であって、例えば、Mo、Pt、Au、W、Ta、Pd、Ir又はこれら何れか2種以上を含む合金などが好適である。また、イオンミリングなどの高精度なドライエッチングが可能である導電材質であることが好ましく、さらに耐腐食性が高い、Ptなどがより好適である。Ptの測温体を用いる場合は同時に成膜してもよい。また絶縁膜3との密着性を向上させるためにはPtの下部にはチタン(Ti)などの密着層を形成するのが好ましい。
The material of the
感熱素子3Aを構成する基板1は、第1の主面1A及びその裏面である第2の主面1Bを有しており、少なくとも第1の主面1Aには絶縁膜11が形成されている。基板1の材質としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチング等の微細加工に適した材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミックス基板、石英基板、ガラス基板等が好適である。絶縁膜2としては、適度な機械的強度を有し、且つ公知の薄膜プロセスで容易に形成できるものであればよく、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜等が好適である。基板1の第1の主面1Aには、上述の感熱膜13が絶縁膜11、ヒータ14、層間絶縁膜15、取り出し電極12を介して形成されている。また感熱膜13を被覆して外気から遮蔽するための保護膜16が形成されている。ヒータ14と感熱膜13の厚み方向の配置は互いに電気的に絶縁されていればよくヒータ14が層間絶縁膜を介して上部にあってもよい。
The
ここで保護膜16は少なくとも感熱素子3Aが覆われていればよい。保護膜16の材質としては、適度な耐久性を有する絶縁膜であればよく、特に限定されるものではないが、絶縁膜11の材質と同一であることが好ましい。このようにすることで感熱素子3Aの周囲を構成する絶縁膜11と保護膜16が全て同一材質になるため、より均一な温度分布となり好ましい。なお、感熱膜13が十分な耐腐食性を有する場合、保護膜16は必ずしも必要ではない。
Here, the
基板の第1の凹部4A、第2の凹部4Bは第1の主面1Aに形成されており、薄膜で形成された梁と検知領域の下に形成されている。凹部は感熱素子および形成後に第2の主面1Bから第1の主面に向けて通気口を形成した後に形成することが望ましい。凹部の形成は感熱素子3A形成後にエッチングにより基板を除去することにより行うことが出来る。また事前に凹部を形成した貼り合せ基板、いわゆるキャビティ付SOI基板(Silicon on Insulator基板)を用いて検知領域の下部を部分的にエッチングすることで形成してもよい。
The first
通気口5は、第2の主面1B側から第1の主面1A側に向けて基板1が開口している。
通気口は異方性ドライエッチングを用いることで基板の第2の主面1Bから開口することにより行えばよい。なお、通気口5は、第2の主面から開口することに限定されず、感熱素子が形成されている面以外であればよい。例えば基板の側面から開口されてもよい。
In the
The vent may be formed by opening from the second
(ガスセンサの説明)
ガスセンサは感熱素子を形成した基板1と感熱素子3A、3Bに対応した位置に合わせて第1の凹部6A、第2の凹部6B、取り出し部分18、センサ信号取り出し端子電極19を設けたカバーを接続することで構成される。カバー2の材質としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチング等の微細加工に適した材質であればよく、特に限定されるものではないが、例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミックス基板、石英基板、ガラス基板等が好適である。
(Description of gas sensor)
In the gas sensor, a cover provided with a
カバー2には感熱領域の空間を確保するために第1の凹部6A、第2の凹部6Bが設けられている。第1の凹部6A、第2の凹部6Bを形成することで感熱素子の加熱手段により検知領域近傍で温められた空間からカバーへの熱の逃げを低減することが可能になる。カバー2と感熱素子3A、3Bは接続部分8を介して接続されている。接続は第2の感熱素子3Bの第2の凹部4Bとカバーの第2の凹部を気密封止されていればよく、陽極接合や、活性化接合、金属接合などが好適である。感熱素子3A、3Bの信号は基板側のカバー2との接続部分の下部を通して取り出してもよいがカバー基板の内部を通り、上部からパッド電極7、18とカバー2を接続して、センサ信号取り出し端子電極19へ取り出すことが好ましい。これにより素子を小型化することが可能になる。
カバー2は個片化して接続してもよいが複数の感熱素子を形成した基板とカバーを接続することが好ましい。これにより一括で工程を行うことが出来、接続後に基板とカバー、つまりガスセンサを同時に個片化することが出来る。
The
The
以上のような構成により、ガスセンサ100の感熱素子3Aは基板の第1の主面の凹部4Aの外に通気口5を形成したことにより外部から入ってくるガスの影響を直接検知領域に受けることがなくなり、従来技術で問題となっていた、検知素子が外部からの風や汚れの影響を直接受けるという課題を解決することが可能になる。
With the configuration as described above, the
(第2実施形態)
図5に示される第2の実施形態は通気口5以外に別の通気口5Bを設けている。通気口を複数設けることにより、外部からのガスの流入経路と流入量が増加する。検知領域の空間温度はガスの流入により熱変化が安定するのが早くなることでより応答性を向上することが出来る。なお、通気口5Bの位置は、通気口5の位置から第1の凹部を挟んだ位置にある。更には、凹部に対して対称位置にあることが好ましい。
(Second Embodiment)
In the second embodiment shown in FIG. 5, in addition to the
(第3実施形態)
図6に示される第3の実施形態は通気口5Cが検知領域の外周上にスリット状に形成されている。これによりガスの流入による温度変化が検知領域中心に対して点対称となる。温度変化の反応は検知領域全体の積算で考えられるので検知領域内の温度分布が良くなることでより安定した測定が可能になる。
(Third embodiment)
In the third embodiment shown in FIG. 6, the
(第4の実施形態)
第4の実施形態は第1の実施形態と異なるのは第2の感熱素子上の空間が測定対象に応じた基準となるように気体濃度が制御された雰囲気であることで第2の検知素子の空間を低湿度状態としている。第2の感熱素子の測定空間を低湿度状態とすることで第2の感熱素子上の空間を基準にして、第1の感熱素子は空間の水分量に応じた絶対湿度を検出することが可能になる。
(Fourth embodiment)
The fourth embodiment differs from the first embodiment in that the second sensing element is an atmosphere in which the gas concentration is controlled so that the space on the second thermosensitive element becomes a reference according to the object to be measured. Is in a low humidity state. By setting the measurement space of the second thermal element in a low humidity state, the first thermal element can detect the absolute humidity according to the amount of moisture in the space, based on the space on the second thermal element. become.
(第5の実施形態)
図7、図8に示される第5の実施形態は基板に形成された感熱素子の感熱材料9と加熱手段に用いるヒータ20が同じ材料で構成されている。材質としては、熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料からなる金属層であって、温度に応じて抵抗が変化する材料であればよく、例えば、Mo、Pt、Au、W、Ta、Pd、Ir又はこれら何れか2種以上を含む合金などが好適である。これにより加熱手段と検知手段の構成を同時に形成することが可能になり工程を簡易化することが可能になる。
(Fifth embodiment)
In the fifth embodiment shown in FIGS. 7 and 8, the heat-
(第1実施例)
実際に、第1実施形態におけるガスセンサ100を以下の手順で作製した。まず、基板1として、シリコン基板を用意し、その基板表面に絶縁膜11としての熱酸化絶縁膜を0.5μm形成した。
(First embodiment)
Actually, the
次に、第1の主面1A上の絶縁膜11上に第1および第2の加熱に用いるヒータ14として高周波マグネトロンスパッタ法により、厚さ5nmのTiからなる密着層(図示せず)を形成し、その上に、厚さ100nmのPtからなる金属層を略全面に形成した。なお、Tiからなる密着層はPtからなる金属層と絶縁膜11とを密着させるための密着層である。なお、必要に応じて、Tiからなる密着層はなくてもよい。
Next, an adhesion layer (not shown) made of Ti having a thickness of 5 nm is formed on the insulating
その後、図3に示すように、形成された金属膜に、フォトリソグラフィにてミアンダ状など所望の形状のエッチングマスクをフォトレジストで形成した後、エッチングマスクで覆われていないPtからなる金属層および、Tiからなる密着層をイオンミリング法によりエッチングする。そして、エッチングマスクを除去することにより、ヒータ14を所望の形に形成する。
Thereafter, as shown in FIG. 3, after forming an etching mask having a desired shape such as a meander shape by photolithography on the formed metal film, a metal layer made of Pt not covered with the etching mask and The adhesion layer made of Ti is etched by an ion milling method. Then, the
続いて感熱素子を形成するにあたり加熱手段である金属電極と電気的に絶縁するための層間絶縁膜15を形成した。TEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)−CVD法によりSiO2膜を成膜することで、厚さ0.4μmの層間絶縁膜15を形成した。ここで絶縁膜11と同じSi酸化膜とすることで、ヒータ14の動作時における熱ストレスに対しても強固に保護膜としての機能を果たす。
Subsequently, when forming the thermosensitive element, an
さらに、図4に示すように、第1の主面1A上の層間絶縁膜15表面に、高周波マグネトロンスパッタ法により、厚さ5nmのTiからなる密着層、および、厚さ100nmのPtからなる金属層を順次形成し、取り出し電極12とする。Tiからなる密着層はPtからなる金属層と層間絶縁膜15とを密着させるための密着層である。ここでも、必要に応じて、Tiからなる密着層はなくてもよい。
形成された取り出し電極12上に、フォトリソグラフィにて櫛歯状など所望の形状のエッチングマスクをフォトレジストで形成した後、エッチングマスクで覆われていない密着層および金属層をイオンミリング法によりエッチングした。
Further, as shown in FIG. 4, an adhesion layer made of Ti having a thickness of 5 nm and a metal made of Pt having a thickness of 100 nm are formed on the surface of the
An etching mask having a desired shape such as a comb-teeth shape is formed on the formed
その後、図4に示すように、エッチングマスクを除去することにより、感熱膜13の一対の櫛歯電極の間隙が25ミクロンである、取り出し電極12を形成する。なお、一対の櫛歯電極パターンが、図3のB−B断面でみて、水平方向に交互に配置されている。
Thereafter, as shown in FIG. 4, by removing the etching mask, the take-out
次いで、形成した取り出し電極12の表面に、スパッタ法によりMnNiCo系複合酸化膜を成膜することで、厚さ0.4μm、抵抗値140kΩのヒータ温度検知膜として機能する、感熱膜13を形成した。このスパッタは、マルチターゲットスパッタ装置を使用し、基板温度600℃、アルゴン(Ar)圧力0.5Pa、O2/Ar流量比2%、投入電力400Wの条件下で実施した。その後、BOX焼成炉を使用し、熱処理を大気雰囲気中で650℃、1時間の条件下で実施した。
Next, a MnNiCo-based composite oxide film was formed on the surface of the formed
続いて、フォトリソグラフィにより、所望のエッチングマスクを作成し、塩化第二鉄水溶液を用いてウェットエッチング処理し非マスク領域のMnNiCo系複合酸化膜を除去した。その後、エッチングマスクを除去することにより、感熱膜13を形成した。
Subsequently, a desired etching mask was prepared by photolithography, and wet etching was performed using a ferric chloride aqueous solution to remove the MnNiCo-based composite oxide film in the non-mask region. Thereafter, the
次に、感熱膜13を覆うように、TEOS−CVD法によりSiO2膜を成膜することで、厚さ0.4μmの保護膜16を形成した。
Next, a
そして、図示していないが、電極パッド7A,7B、18A、18Bを配置する部位を除く保護膜16上にフォトリソグラフィによりエッチングマスクを作成し、電極パッド7A、7B、18A、18Bを配置する部位にウェットエッチング処理を施し、SiO2膜を除去することで開口を形成し、電子ビーム蒸着法により厚さ1.0ミクロンのAl金属薄膜を形成し、リフトオフ法により、開口を充填するように形成したAl金属薄膜以外の部位のAlおよびマスクを除去し、パッド電極7A、7B、18A、18Bを形成した。
Although not shown, an etching mask is created by photolithography on the
次に、基板1の第1の主面1A側にフォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成した後、HFおよびKOHを用いたウェットエッチングによって、基板1の主面1Aに対して第1の凹部4A、第2の凹部4Bを30μmの深さで形成した。HFにより基板表面にある絶縁膜を除去した後、KOH水溶液による異方性エッチングにより検知領域および信号を取り出すための梁部分を残して基板1を部分的に除去することで中空構造とした。最後に必要部分のカバーに用いたエッチングマスクを除去することで基板上に検知素子が完成させた。
Next, after forming an etching mask on the first
最後に、基板1の第2の主面1Bにフォトリソグラフィによりエッチングマスクを形成したのち、フッ化物系ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)によって第2の主面1B側の絶縁膜11を除去した。その後、フッ化物系ガスを用いたRIEによって基板1を除去し、直径が100μm程度の通気口5を形成した。基板1を除去し通気口5を形成するに、エッチングとバリア層形成を交互に行いながら垂直に加工する深堀りRIE(Deep−RIE、D−RIE)法を用いて通気口5を得た。次に、基板1の第2の主面1B側にフォトリソグラフィによってエッチングマスクを形成した後、フッ化物系ガスを用いたD−RIE法等の反応性イオンエッチングによって、基板1を第2の主面1Bに対して垂直に深堀し、通気口5を開口する。なお通気口はエッチングマスクの形状を加工前にパターンを形成することで所望の形状を形成することが出来る。D−RIE法とは、C4F8ガスを用いて反応抑止膜(フルオロカーボン系ポリマー)をキャビティの側壁に堆積させることにより、主としてFラジカルによる化学的なサイドエッチングを抑制するためのプラズマデポジション工程と、SF6ガスを用いてFラジカルによる基板1の化学的エッチングとFイオンによる反応抑止膜の物理的エッチングとにより、基板1を略垂直に異方性エッチングするためのプラズマエッチング工程とを交互に繰り返して基板1を深堀する方法である。
Finally, after forming an etching mask on the second
センサのカバー2には基板1と同様にSi基板を用いた。カバーに用いるSiにはまず基板1に形成されたヒータのパッド電極7、感熱素子のパッド電極18に相対している近傍に位置合わせされたポイントに電気的な接続を採るための穴をDRIE法によるドライエッチングにより基板の厚みの80%まで形成した。穴の内部にスパッタ法により薄くTi層を形成したのちメッキ法により穴の内部をCuで埋め込んだ。その後穴を形成した面と反対側の面からカバー2の厚みの20%をCMPにより研磨することにより穴内に埋め込まれたCuを露出させた。その後、貫通電極と電気的に配線された形で感熱素子のパッド電極に相対する位置に接続用電極、素子とカバーを接続するための環状の接続用電極8BとしてCuをスパッタ工程およびフォトリソグラフィを用いて形成した。その後カバー裏面にセンサ外部との信号取り出し端子20を同様の工程で形成した。さらに検知領域に対応した部分以外にエッチングカバーを形成しKOHによりSiをエッチングすることで第1の凹部6A、第2の凹部6Bを形成した。
A Si substrate was used for the
基板1とカバー2の接続は両面ウエハアライナー・ボンダーを用いて、ウエハーレベルで位置合わせを行ったのち、基板1とカバー2を接触させて加熱しながら圧着することで基板1とカバー2に形成した接続電極8A、8B間と感熱素子のパッド電極とカバーの接続電極間でCuの金属拡散を行うことにより形成した。
The connection between the
上記の構成を用いることにより小型で、風や汚れに対して外部からの影響を受けにくい、気体の熱伝導の違いを測定するガスセンサを構成することが出来る。
なお、実施形態、実施例における基板に形成された空洞部は、一例として凹部として説明したが、感熱素子付近に空洞部が存在していればよく、凹部に限定されるものではない。
By using the above configuration, it is possible to configure a gas sensor that measures a difference in heat conduction of a gas that is small in size and hardly affected by wind and dirt from the outside.
In addition, although the cavity part formed in the board | substrate in embodiment and an Example was demonstrated as a recessed part as an example, it should just exist in the thermosensitive element vicinity, and is not limited to a recessed part.
本発明は、産業機器や環境モニタリング装置に搭載され、対象ガスを検知する用途に用いられる。 The present invention is mounted on industrial equipment and environmental monitoring devices, and is used for the purpose of detecting a target gas.
1 基板
1A 基板の第1の主面
1B 基板の第2の主面
2 カバー
3A、3B 感熱素子
4、4A、4B 基板1の凹部、第1の凹部、第2の凹部
5、 通気口
6、6A,6B カバーの凹部、第3の凹部、第4の凹部
7、7A、7B 感熱素子パッド電極
8、8A、8B 接続電極
9 感熱材料
10 感熱領域
11 絶縁膜
12 取り出し電極
13 感熱膜
14 加熱用ヒータ
15 層間絶縁膜
16 保護膜
17 取り出し部分
18、18A、18B 加熱用ヒータのパッド電極
19 センサ信号取り出し端子電極
20 加熱用ヒータ
100 ガスセンサ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第1、第2の感熱素子の検出領域は、それぞれ前記基板の前記第1、第2の空洞部上に形成されており、前記基板の前記第1の感熱素子側であって、かつ前記第1の空洞部以外の部分に通気口を有し、前記第1、第2の感熱素子は同一の前記基板上に形成されており、前記通気口は、前記第2の主面側から前記第1の主面側に向けて基板が開口するように形成され、前記第1の主面側の通気口が、前記カバーの第1の凹部内に位置しており、前記第1、第2の感熱素子が形成された前記第1の主面とは異なる前記第2の主面から前記通気口を通じて入ってくるガスによる空間の温度変化を測定することを特徴とするガスセンサ。 A gas sensor that detects a gas by utilizing a temperature change caused by heat conduction of a gas in a space, and includes a first thermosensitive element that measures the ambient temperature of the outside air, and a second that measures the ambient temperature of a reference closed space. And a substrate having a first main surface on which the first and second heat sensitive elements are formed and a second main surface which is the back surface thereof . Heating means for heating the first and second thermal elements, and a cover fixed to the substrate and provided with first and second recesses in portions corresponding to the first and second thermal elements. ,
The detection regions of the first and second thermal elements are respectively formed on the first and second cavities of the substrate, are on the first thermal element side of the substrate, and There is a vent in a portion other than the first cavity, and the first and second thermal elements are formed on the same substrate, and the vent is formed from the second main surface side. The substrate is formed so as to open toward the first main surface side, and the vent hole on the first main surface side is located in the first recess of the cover, and the first and second gas sensor and measuring the temperature change of the space by the gas entering through the vent from different said second major surface and the first major surface of the heat-sensitive element is formed.
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