JPH0196549A - 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］ この発明はセンサ素子に関するものであり、特に、周囲
からの水蒸気、ガス、赤外線あるいは流体がもたらす熱
の出入りあるいは酵素反応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
サ素子に関するものである。

［従来の技術］ 第４図は従来の絶対湿度センサの構造を表わしたもので
ある。サーミスタビード６を極細の白金導線７で両側か
ら支持体８に懸架した構造を有している。次に、この絶
対湿度センサの検出原理について説明する。

発熱しているサーミスタビード６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６
の放熱状態が変化する。したがって、その温度の変化に
よるインピーダンスの変化を検出することによって、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、また周囲の温度によっても変化するため、実
際には、同じ温度特性を有するサーミスタビード６を、
別に、乾燥空気を含んだ缶に密封して、温度補償が行な
われる。

また、この原理を用いて、ガスの高感度検知も可能であ
り、ガスクロマトグラフィの熱伝導度検出器（Ｔ　ＣＤ
）に実用化されている。この場合、発熱体には２本の白
金線が用いられており、一方にはキャリアガスのみを、
他方には被検ガスを含ませたキャリアガスを、曝すこと
によって、被検ガス量に応じた差出力が得られる。この
ようにすることにより、キャリアガスの流速や周囲温度
の変化の影響がキャンセルされる。

［発明が解決しようとする問題点］ 従来の絶対湿度センサは以上のように構成されており、
その製造過程においては、第４図に示すごときものを、
１個ずつ製造しているので、温度特性の揃った１対のサ
ーミスタビードを選別する工程が必要であった。また、
缶封止など溶接によるアセンブリを行なう必要があり、
コスト高の要因となっていた。また、サーミスタビード
６の直径は０．’５ｍｍ程度であるが、さらに小形化を
図った、より速い感湿応答性を有するものが求められて
いた。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、製造コストのダウンが図れ、検出応答速度の
速い、低消費電力のセンサ素子を提供することを目的と
する。

［問題点を解決するための手段］ 本発明は、周囲からの水蒸気、ガス、赤外線あるいは流
体がもたらす熱の出入りあるいは酵素反応によって生じ
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かかるものである。そして、前
記サーミスタ薄膜を支持する半導体基板を該サーミスタ
薄膜の直下で部分的にエツチング除去し、空洞化したこ
とを特徴とする。

［作用］ 半導体基板を用いてセンサ素子を作るので、小形化が図
れる。半導体基板上に微小なサーミスタをたくさん形成
するというバッチプロセスによって製造できるので、多
量に均一な素子を製造することができ、素子選別が不要
となる。また、サーミスタの直下の半導体基板を部分的
にエツチング除去するので、サーミスタの熱容量が小さ
くなり、応答速度が速くなる。

［実施例］ 第１図は本発明の一実施例の斜視図であり、サーミスタ
薄膜がブリッジ状に加工された半導体基板１の支持部に
搭載されたセンサ素子である。シリコン半導体基板１上
に、微小なサーミスタ薄膜２が形成されており、該サー
ミスタ薄膜２の上には櫛歯状電極３が形成されており、
該サーミスタ薄膜２の直下の半導体基板１はエツチング
除去され空洞化され、サーミスタ薄膜２が固定されてい
る支持部が両端保持されたブリッジとして残存している
。

次に、第１図に示す、サーミスタ薄膜がブリッジ状に加
工されたセンサ素子の製造方法を説明する。第２Ａ図、
第２Ｂ図、第２Ｃ図および第２Ｄ図は、その製造方法の
工程を示した図である。

シリコン基板１上に、電気抵抗率や抵抗温度係数が大き
く、かつＳｔのエツチング液にほとんど溶解しない、サ
ーミスタ薄膜またとえばＳｉＣからなるサーミスタ薄膜
をスパッタ法またはＣＶＤ法によって形成する（第２Ａ
図）。次に、サーミスタ薄膜２のインピーダンスをＩＩ
Ｎ定するための、櫛歯状電極３を形成する（第２Ｂ図）
。さらに、スハッタ法’Ｉ’ＣＶＤ法ニヨリ、ＳｉＣ，
５ｉ０２゜Ｓｉ、Ｎ４．Ａ１２０．などから成る保護膜
４をシリコン基板１の両面に形成する（第２Ｃ図）。

この保護膜４は絶縁膜であるとともに、Ｓｉのエツチン
グ液から櫛歯状電極３を保護するものである。

次に、サーミスタ薄膜２の一部分であり、櫛歯状電極３
と半導体基板１に挾まれた部分である発熱部２′の熱容
量を小さくし、シリコン基板１への熱の放散を抑えるた
めに、発熱部２′の直下のＳｉ３板を、ＥＰＷ（エチレ
ンジアミン、ピロカテコール、水）やＫＯＨ水溶液のよ
うなアルカリ性エツチング液を用いて、異方性エツチン
グし、サーミスタ薄膜をブリッジ状に加工する（第２Ｄ
図）。

なお、第２Ｅ図はこの発明の他の実施例を示したもので
あり、ブリッジの代わりにサーミスタ薄膜２の支持部を
片持ち梁（カンチレバー）状に残存させるようにシリコ
ン基板がエツチング除去され空洞部が形成された例であ
る。このような形状にすることによっても、サーミスタ
の熱容量は小さくなる。

第２Ｆ図はこの発明のさらに他の実施例を示したもので
あり、発熱部の直下のＳｉ基板がエツチングによって薄
く残存するダイアフラム状に加工されたものである。こ
のような形状にしても、サーミスタの熱容量を小さくす
ることができる。

また、上記実施例では、半導体基板１にシリコン基板を
用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られ
るものでなく　、Ｇ　ａ　Ａ　ｓ基板であっても実施例
と同様の効果を実現し得る。

さらに、上記実施例ではサーミスタ薄膜２の材料として
、ＳｉＣを用いた場合を例示して説明したが、Ｇｅを用
いても実施例と同様の効果を実現する。但し、ＧｅはＳ
ｉのエツチング液に溶解するので、Ｇｅを用いる場合に
は、予めサーミスタ薄膜２の下地に保護膜を形成してお
く必要がある。

次に、本発明を湿度センサやガスセンサに応用する場合
について説明する。

第３図はこれらに応用した場合の基本的概念を示した図
である。半導体基板１上に、サーミスタ薄膜２のブリッ
ジの１対を形成し、そのうち片方を温度補償用のサーミ
スタとして乾燥空気９中に密封する。この密封は、両面
に保護膜４を有するシリコンウェハ１０をエツチング加
工した遮蔽カバー５を、半導体基板１上に接着すること
により行なわれる。この遮蔽カバー５は、異方性エツチ
ングによって凹部５ａが形成されていて、一方には外気
がサーミスタに触れるように貫通孔５ｂが設けられてい
る。

なお、ガスセンサとして用いる場合には、密封ガスとし
て所望の気体を用いればよい。

また、本発明に係るセンサ素子は、外界からの赤外線照
射や酵素反応によるサーミスタ薄膜の温度上昇をインピ
ーダンス変化として検知する赤外線センサ（サーミスタ
ボロメータ）や酵素センサとしても利用できるほか、フ
ロー（流速）センサへの応用も可能である。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、本発明に係るセンサ素子は、半導
体基板を用い半導体プロセスにより、微小でかつ熱容量
の小さいサーミスタ薄膜を形成することにより得られる
もので、検出応答速度が速く、かつ低消費電力のセンサ
素子となる。また、半導体ウェハ単位のバッチ処理での
製造が可能であるため、多量に均一な素子を製造するこ
とが可能となり、素子選別が不要となる。その結果、工
程数が減るので、製造コストのダウンが図れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係るセンサ素子の一実施例の構造の斜
視図、第２Ａ図、第２Ｂ図、第２Ｃ図および第２Ｄ図は
本発明に係るセンサ素子の製造方法の説明図、第２Ｅ図
はこの発明の他の実施例を示す図、第２Ｆ図はこの発明
のさらに他の実施例を示す図、第３図はこの発明の一応
用例を示す図、第４図は従来のサーミスタビード型絶対
湿度センサの構造図である。 図において、１はシリコン半導体、２はサーミスタ薄膜
である。 なお、各図中、同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 周囲からの水蒸気、ガス、赤外線あるいは流体がもたら
   す熱の出入りあるいは酵素反応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
   センサ素子において、前記サーミスタ薄膜を支持する半
   導体基板を前記サーミスタ薄膜の直下で部分的にエッチ
   ング除去し、空洞化したことを特徴とするセンサ素子。