JPH0196548A - センサ素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、基板上に橋梁（ブリッジ）状９片持ち梁（カ
ンチレバー）状あるいはダイアフラム状に形成された下
部絶縁保護膜、下部導電性薄膜。

サーミスタ薄膜、上部導電性薄膜、上部絶縁保護膜から
なる複合膜に対して、周囲からの水蒸気。

ガス、赤外線、流体あるいは酵素反応によってもたらさ
れる熱の出入シによって生じるサーミスタ薄膜の温度変
化をインピーダンス変化として検知するセンサ素子に関
する。

〈従来技術とその問題点〉 従来例としてサーミスタビード１１を極細の白金導線１
２で両側から悪果した構造の絶対湿度センサを第６図に
示す。湿度の検出原理は以下のようである。電流によっ
て自己発熱しているサーミスタビード！ｌに水蒸気が触
れると乾燥空気との熱伝導度の差によってサーミスタビ
ード１１の放熱状態に変化が生じる。従ってサーミスタ
ビード１１の温度が変化してそのインピーダンスが変化
することによって絶対湿度が検知される。このときのイ
ンピーダンス変化は概して小さくまた周囲温度の影響を
大きく受けるので実使用時には、第６図に示すように同
じ温度特性を有するサーミスタビード１１を別に乾燥空
気を含んだ缶１３に密封して温度補償が行なわれる。（
センサ側の缶１４には流速の影響を抑えつつ水蒸気が出
入シできるように小孔が穿設されている。）従来の絶対
湿度センサの製造過程においては、温度特性の揃った一
対のサーミスタビード１１を選別する工程や、缶封止な
ど溶接によるアッセンブリーを行なう必要がるシ、コス
ト高の要因となっていた。またサーミスタビード１１は
直径がＱ、５ｍｍ程度あるが、さらに小型化を図るなど
して感湿応答速度をよシ高める必要があった。

〈発明の目的〉 本発明は、Ｇｅ、Ｓｉｔ　ＳｉＣなどのような比抵抗値
の高いサーミスタ薄膜を、いずれか一方に一対の電極を
有する上下の導電性薄膜で狭むことによりセンサ素子の
インピーダンスの低減を図シ、通常のサンドイッチ型電
極で問題の生じ易い段差カバ一部分をなくすことを目的
としている。また基板上に順次積層された下部絶縁保護
膜、下部導電性薄膜、サーミスタ薄膜、上部導電性薄膜
、上部絶縁保護膜からなる複合膜を、その直下の基板を
部分的にエツチングすることによシ橋梁（ブリッジ）状
９片持ち梁（カンチレバー）状、ダイアスラム状に成形
して発熱部分の熱容量を小さくすることによシ高速応答
性と低消費電力化をすすめること及び複合膜の形成から
遮蔽体の接合封止まで、ウェーハ単位の一貫したバッチ
プロセスによって多量に均一な素子を製造することによ
シ、素子選別を不要としコストダウンを図ることを目的
とする。

〈実施例〉 本発明の１実施例であるブリッジ型センサ素子を第１図
に示す製造方法に従って説明する。シリコンの基板ｌ上
に熱酸化法やスパッタ法によるｓ　ｉｏ２またはＣＶＤ
法によるＳｉ３Ｎ４からなる下部絶縁保護膜２を形成す
る。また後の工程に行なう基板１のエツチングに対する
マスクとして基板ｌの裏面にも５ｉＯｚやＳｉ３Ｎ４か
らなる耐エツチング性膜２′を形成する必要がある。そ
の際、熱酸化法によるとシリコン基板１の両面に同時に
絶縁保護膜が形成され得るのでコストの点で有利である
。

次にＴｉ、Ｃｒなどの酸化物との密着性が良好な材料を
用いて下部導電性薄膜３を蒸着する（第１図（ａ）　）
　ｏ更にサーミスタ薄膜４としてＧｅ、　Ｓ　ｉ、　Ｓ
ｉＣ。

Ｃｏ−Ｍｎ複合酸化物等のＮＴＣサーミスタ材料または
ＢＡＴ　ｉ０３　　等のＰＴＣサーミスタ材料を蒸着法
、スパッタ法またはＣＶＤ法によって成膜する。

次にサーミスタ薄膜４の発熱部分からの熱の伝熱放散を
抑えるために、熱伝導率の小さい材料であるＴｉ等を用
いて一対の電極を含む上部導電性薄膜５を形成する（第
１図（ｂ））。更に図示していないが、電極のリード線
引き出し部分（パッド）にはＡｕを蒸着しておく。次に
、パッシベーション膜として５ｉＯｚやＳ　ｉ　３Ｎ４
からなる上部絶縁保護膜６をスパッタ法やＣＶＤ法によ
り形成し続いて上部絶縁保護膜６のパッド部７をエツチ
ングで除去する。その後、下部絶縁保護膜２．下部導電
゛性薄膜３．サーミスタ薄膜４．上部導電性薄膜５．上
部絶縁保護膜６からなる複合膜の全熱部直下の基板ｌを
部分的に異方性エツチングすることによシ発熱部分の熱
容量が小さくなシ、高速応答性が得られ且つ熱量が基板
ｌへ容易に放散しないので低消費電力化が図られる（第
１図（Ｃ））。シリコンのエッチャントにはＥ　ｐｗ（
エチレンジアミン、ピロカテコール、水の混合液）やＫ
ＯＨ水溶液が使われる。またサーミスタ薄膜材料によっ
ては、製造プロセスの都合上第２図に示すように下部導
電性薄膜３が一対の電極を成す構造が望ましい場合が（
ｄ、） ある。このとき、第２図＋″歩に示すようにサーミスタ
薄膜４が上部導電性薄膜５の下だけにあってもよい。以
上述べたような電極構造は、サーミスタ薄膜が上下の導
電性薄膜に狭まれたいわゆるサンドイッチ型である。通
常のサンドイッチ型電極は第７図に示すように、上部導
電性薄＠５がサーミスタ薄膜４の段差をカバーする必要
があり、サーミスタ薄膜４が厚い場合充分にカバーされ
にくいことや、製造プロセスが面倒であるという問題を
有していた。本実施例（よる電極構造では、サーミスタ
薄膜４内の電流経路が同じ膜厚の通常型電極のそれの２
倍になるが、サーミスタ薄膜４の段差をカバーする必要
がなく、またエツチングによる導電性薄膜の形成が可能
である。

このような複合膜は同一基板上に２つ以上並設されてお
り、上下の導電性薄膜で狭まれた部分のサーミスタ薄膜
４が通電によって１００″Ｃ〜２００″Ｃに自己発熱す
る。第３図は本実施例のセ／す素子の構造断面図（パッ
ド部は図示せず）であり、別のシリコンウェーハにハー
フエツチングによって凹陥部を２つ以上設け、一方にエ
ツチングよって小さい貫通孔が形成された遮蔽体８が、
低融点ガラスや樹脂接着剤を用いて複合膜が載置されて
いる基板１の上面に接合される。第１の複合膜９は流速
の影響を受けないように、小さい貫通孔を通して外界に
露呈されていて、例えば空気中の湿度変化によシ複合膜
の熱の放散状態が変わシ、サーミスタ薄膜のインピーダ
ンスが変化する。それに対して第２の複合膜１０は、基
板ｌと遮蔽体８間の乾燥空気中に気密封止され、外界の
湿度変化の影響を受けない。また周囲温度が変動したと
き、第１の複合膜のサーミスタ薄膜のインピーダンスは
変化するが、第２の複合膜のサーミスタ薄膜のそれも同
様に変化するので、温度補償が行なわれ、外界の湿度を
正確に検知することが可能である。

この場合従来例のように缶によって封止するよシも本実
施例のように小型の遮蔽体８を用いた方が、素子全体の
熱容量を小さくでき、外気温の変動に対する両サーミス
タ薄膜の追従応答性は速くなる。

上記実施例のセンサ素子は、複合膜の形成や基板のエツ
チングそして遮蔽体８のエツチングや基板１との接合ま
で一貫してウェーハ単位のパッチ処理ができる為、量産
に適し安価に製造され得る。

基板や遮蔽体としてシリコン以外にガリウムーヒ素等の
ｍ−ｖ族化合物半導体を用いることも可能であり、さら
に複合膜の形状をそれぞれ第４図または第５図に示すよ
うな片持ち梁（カンチレバー）状、ダイアフラム状にし
てもよい。第４図、第５図はそれぞれ本発明の他の実施
例を示すセンサ素子の構成断面図であり第８図と同一符
号は同一内容を示す。この他、同様な原理でガスセンサ
が得られる。ガス種の選択性が必要な場合は、ガス選択
透過膜を遮蔽体の貫通孔に設けたり、ガスクロマトグラ
フィーに用いられるよりなカラムによるガス種の分離が
考えられる。参照用の封入ガスは、検知ガス種に応じて
適宜選択してもよい。また同一基板上に複数個の複合膜
を設け、湿度・ガス複合センサを形成することも可能で
ある。また貫通孔を大きくして流速センサとしての利用
も可能である。他に複合膜上に合点等を蒸着したセンサ
素子は、赤外線センサとして応用できる。この場合、以
上のセンナとは異なシサーミスタ薄膜は加熱されず、赤
外線照射によるサーミスタ薄膜の温度上昇を検知する。

シリコンは赤外線を透過するので参照側の遮蔽体上に赤
外線反射膜もしくは吸収膜を形成する必要がある。また
同様に複合膜上に酵素固定化膜を形成したセンサ素子は
、酵素と反応する酵素反応物質（基質）を反応熱によっ
て検知する酵素サーミスタセンサとすることができる。

〈発明の効果〉 本発明によるセンサ素子はＧｅ、Ｓｉ、ＳｉＣなどのよ
うな比抵抗値の高いサーミスタ薄膜を、いずれか一方に
一対の電極を有する上下の導電性薄膜で狭むことにより
、低インピーダンス化が図られ、通常のサンドイッチ型
電極で問題の生じ易い段差カバーを必要とせず、また製
造が容易になる利点を有する。また基板上に順次積層さ
れた下部絶縁保護膜、下部導電性薄膜、サーミスタ薄膜
、上部導電性薄膜、上部絶縁保護膜からなる複合膜を、
その直下の基板を部分的にエツチングすることによシ橋
梁（ブリッジ）状９片持ち梁（カンチレバー）状、ダイ
アフラム状に成形して発熱部分の熱容量を小さくするこ
とにより、高速応答性が得られ、低消費電力化が可能と
なった。また本センサ素子は、複合膜の形成や基板のエ
ツチング及び遮蔽体のエツチングや基板との接合まで一
貫してウェーハ単位のバッチ処理ができる為、量産に適
し均一な素子を安価に製造し得るため、素子選別を不要
にすることが可能である。その上センサ素子が小型であ
るため実用性が高く且つ外気温の変動に対する追従性が
良いという利点を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の１実施例であるブリッジ型
センナ素子の製造方法を示す構造断面図である。第３図
は複合膜をブリッジ状にした本発明の実施例を示すセン
サ素子の構造断面図である。 第４図及び第５図は、複合膜がそれぞれ片持ち梁（カン
チレバー）状、ダイアフラム状である本発明の他の実施
例を示すセンサ素子の構造断面図である。第６図は、従
来のサーミスタ湿度センサの構造断面図である。第７図
は、通常のサンドインチ型電極の構造断面図である。 ｌ・・・基板、２・・・下部絶縁保護膜、３・・・下部
導電性薄膜、４・・・サーミスタ薄膜、５・・・上部導
電性薄膜、６・・・上部絶縁保護膜、７・・・パッド部
、８・・・遮蔽体、９・・・第１の複合膜、１０・・・
第２の複合膜、ＩＩ・・・サーミスタビード、夏２・・
・白金導線、Ｉ３゜１４・・・缶。 代理人　弁理士　杉　山　毅　至（他１名）（Ｇ”ｌ　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　（Ｇ）（ｂ）　
　　　　　　　　　　　　（ｂ＞（Ｃ）　　　　　　　
　　　　　　　　　　　（Ｃ）第２図 第６図 第５図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. １．基板上に順次積層された下部絶縁保護膜，下部導電
   性薄膜，サーミスタ薄膜，上部導電性薄膜及び上部絶縁
   保護膜からなり、前記下部導電性薄膜または前記上部導
   電性薄膜のいずれか一方が一対の電極を有する複合膜を
   有し、該複合膜は、前記基板の一部分が異方性エッチン
   グされて成る橋梁（ブリッジ）状，片持ち梁（カンチレ
   バー）状あるいはダイアフラム状に成形加工された構造
   部を有し且つ前記基板上に少なくとも２つ以上並設され
   ており、第１の前記複合膜は外界に露呈され且つ被検知
   量の変化に伴なって前記サーミスタ薄膜の電気的特性が
   変化し、第２の前記複合膜は前記基板に固定された遮蔽
   体の内部に外界と遮蔽状態で気密封止されていることを
   特徴とするセンサ素子。
2. ２．前記第１の複合膜は、前記基板に固定された前記遮
   蔽体に設けられた貫通孔を通して外界に露呈されている
   特許請求の範囲第１項記載のセンサ素子。
3. ３．前記基板及び前記遮蔽体はシリコンまたはIII−Ｖ
   族化合物半導体を主としてなる特許請求の範囲第１項又
   は第２項記載のセンサ素子。
4. ４．前記サーミスタ薄膜は、Ｇｅ，Ｓｉ，ＳｉＣ，Ｃｏ
   −Ｍｏ複合酸化物，ＴａＮまたはＢａＴｉＯ＿３である
   特許請求の範囲第１項記載のセンサ素子。
5. ５．前記被検知量が、水蒸気，ガス，赤外線，流量ある
   いは酵素反応物質（基質）である特許請求の範囲第１項
   記載のセンサ素子。