JPH0351728A - 感温センサ - 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、気体や液体の温度感知用の感温センサに関
する。

〔従来の技術〕

空気等の気体や水等の液体（被検体）の温度を感知測定
する感温センサとして、従来、様々なものが用いられて
いるが、中でも、抵抗式感温センサ、熱電対式感温セン
サ、熱電堆（サーモバイル）式感温センサ等が、感温信
号を電気信号のがたちで取り出せ利用し易いため、広く
実用されている。これらは、通常、バルク状感温体（例
えば、金属細線）が保護管、金属シース内に納められた
構成となっている。抵抗式感温センサには、円筒、円板
状の半導体粉末焼結体からなるサーミスタを感温体とし
ているものもある。

しかしながら、従来の感温センサは、比較的大型である
ためセンサ自体の熱容量が大きく応答性が十分でない。

感温部が被検体に直に接しないタイプの感温センサは、
熱応答性が特に不十分である。金属細線が被検体に直に
接触するタイプの感温センサは、熱応答性の方は比較的
ましであるが、感温体である金属細線の断線や特性劣化
が起こりやすく信頼性が十分でない。

そこで、熱応答性を改善すべく、第６図に示す感温セン
サが提案されている。

この感温センサは、基板４１に厚みの薄い部分Ａ′を有
し同厚みの薄い部分Ａ′裏表面感温薄膜体３３が形成さ
れてなるセンサ本体部３Ｉが基台（実装基板）３２上に
設けられた構成をとっている。この場合、センサ本体部
３１は基台３２の凹部４２底に接着剤４３により固着さ
れており、また、絶縁１！：！４１ａの一部が厚みの薄
い部分Ａ′となっている。感温薄膜体３３はもちろん薄
膜からなり、感温抵抗体や￥！ｌ膜熱電熱電対電堆（サ
ーモバイル）構成のものが挙げられる。

この感温薄膜体３３からの信号は基台３２に送られる。

従って、センサ本体部３１と基台３２との間に電気的接
続が必要である。この感温センサの場合、センサ本体部
３１の引出用端子部３３ａと基台３２表面の接続用端子
部３４の間を金属細線４４で接続すること（ワイヤボン
ディング）によりセンサ本体部３１・基台３２間の電気
的接続をとるようにしている。

この感温センサでは、感温薄膜体３３を用いるためセン
サ本体部３１自体が超小型化され、しかも、感温部がセ
ンサ本体部３１の薄い部分Ａ′と感温薄膜体３３で事実
上成り立っていて、感温部全体としての厚みが極く薄く
て熱容量が非常に小さい、そのため、熱応答性が著しく
改善され感度がよくなる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、この感温センサは耐環境性が十分でない
、これは、感温薄膜体３３形成面が感知雰囲気側に向い
ていて、感温薄膜体３３形成面に結露、汚染、ゴミ付着
等が起こり易いからである。結露等が生じた場合、測定
結果に狂いが生じてしまうのである。

そのため、感温薄膜体３３形成面に保護膜を積層するこ
とも行われるが、センサ本体部３１が超小型化して（る
と、金属細線固着部分をもうまく覆うような保護膜形成
ができないため、やはり耐環境性が十分とはいえない。

この発明は、このような事情に迄み、熱応答性および耐
環境性に優れ信頼性が高い感温センサを提供することを
課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

前記課題を解決するため、この発明の感温センサは、第
１図にみるごとく、基板２に厚みの薄い部分Ａを有し同
厚みの薄い部分Ａは表面に感温薄膜体３が形成されてい
るとともに裏面に多数のフィン４・・・が設けられてな
るセンサ本体部ｌが、前記フィン４側を感知雰囲気側に
向けて配設された構成となっている。つまり、感温薄膜
体３形成面が感知雰囲気側でない方を向いているのであ
る。

センサ本体部ｌは熱応答性を向上させるべく極めて小型
化される。バルク状の感温体でなく感温薄膜体３を用い
るため、超小型化しやすい。

特に、請求項２記載の感温センサのように、センサ本体
部ｌが基台ｌＯに感温薄膜体３形成側を向けて配置され
、感温薄膜体３の臨む空間Ｓを封止し密閉状態とする構
成が好ましい。基台１０は、このような超小型のセンサ
本体部１を保持する働きをするが、ヒートシンクの働き
をする場合や、またセンサ本体部１に対して電気的入出
力を行う働きをする場合等がある。電気的入出力を行う
働きをする場合、例えば、基台１０とセンサ本体部ｌと
の間の電気的接続をワイヤレスボンディングで行い、こ
のワイヤレスボンディング部分と前記感温薄膜体３形成
部分とを外部から封じるように前記センサ本体部１・基
台１０の間で封止材による封止を施すようにする。も零
ろん、この発明の感温センサの場合、封止材による封止
を施さない程度の密封状態とする場合も含む。そして、
基台自体は、通常、エポキシ樹脂等の合成樹脂やアルミ
ナ等のセラミックスで作られている。ワイヤレスボンデ
ィングは、引出用接続部３ａと接続用端子部７の間をい
わゆるバンプ８を介在させたり、あるいは、ダイレクト
方式でボンディングすることで行われる。

基板の厚みの薄い部分Ａおよびフィン４・・・は、例え
ば、請求項３記載の感温センサのように、半導体層に絶
縁層が積層された基板材料の半導体層側から施す異方性
エツチングで形成されたものである。

また、各フィン４としては、請求項４記載の感温センサ
のように、高さ約５０〜３００μ■、幅約５〜１００ｘ
であって、間隔約５〜１００μｍで配列したものが挙げ
られる。また、厚みの薄い部分ＡはｌＯ〜２００μｍ程
度である。フィン４の形状には、板状、円柱状、角柱状
等が挙げられるが、これに限らない。

感温薄膜体としては、薄膜タイプの感温抵抗体やＷｔｉ
膜タイプの熱電対、薄膜タイプの熱電堆構成が例示され
るが、これらに限らない。厚みの薄い部分は少なくとも
表面が、例えば酸化シリコンや窒化シリコン等の絶縁層
になっており、この上に感温薄膜体が形成されている。

フィンは基板材料を加工することで一体的に形成したり
、別途に作ったフィンを基板に取り付けたりする。基板
を超小型化する場合には基板材料を加工してフィンを形
成することが好ましい。

基板材料の加工による場合、異方性エツチング特性（基
板表面に垂直の方向にはエツチングがよく進むが表面と
水平の方向にはエツチングが進みに（い特性）をもつ基
板材料を使うとよい。具体的には、結晶性をもつ材料、
例えば、シリコン単結晶板が例示される。

表面が（１００）面または（１１０）面をもつシリコン
単結晶板が異方性エツチング特性をもつ。フィン作成に
は（１１０）面をもつものがより通している。縦横アス
ペクト比の大きいエツチングを行えるからである。（１
１１）面が非常にエソングされにくく、（Ｉ　Ｌ　Ｏ）
面は逆にエツチングされやすく、（１１１）面のあるも
のと（１００）面が直交しているため、（１１０）面を
表面にもつシリコン単結晶板を用い、（１１０）面と直
交している（１１１）面と（１１０）面との交線に平行
な向きのエツジのパターンをもつマスクを形成し、エツ
チング処理すれば、表面から急な角度で掘り込みができ
る。

具体的には、第４図にみるように、（１１０）面を表面
とするシリコン単結晶板５ｏの表面にマスク５１．５２
．５３を形成して異方性エツチングを施す。マスク５１
５２は、長辺が（１１゜）面と直交する（１１１）面と
（１１０）面の交線と平行の向きになっている。この単
結晶板５゜ではこのような向きが２つある。マスク５３
は、長辺が（１１０）面と３５．３°をなす（ｌ　ｌ　
１）面と（１１０）面の交線と平行の向きになっている
。

マスク５１．５２の場合は、第５図（ａ）、（ｂｌにみ
るように、直角に掘り込まれ、マスク５３の場合は、第
５図（Ｃ１にみるように、少し斜めに掘り込まれる。

エツチング液としては、エチレンジアミン、ピロカテコ
ール、水の混合液や、水酸化カリウム、水の混合液等を
通常用いる。これらの液は、酸化シリコン膜や窒化シリ
コン膜を殆どエツチングしないため、酸化シリコン膜や
窒化シリコン膜のマスクが使われる。さらに、これらの
液はホウ素が高濃度でドープされたシリコン単結晶部分
に対してはエツチングレートが低い。そのため、厳密な
掘り込み深さのコントロールが必要ならば、その深さの
ところにホウ素高濃度層（１０”／ｃｎ１以上）を形成
しておけばよい。それほど厳密である必要がなければ、
エツチング時間の開部による深さの制御で事足りる。

この発明の感温センサは、感温薄膜体が直に被検体に接
しないため、空気等の気体に限らず、水等の液体の温度
感知も可能である。また、この発明の感温センサは、湿
度や風速を気体温度感知により測る方式の湿度感知器や
風速感知器における感温センサとしても利用できる。

〔作　　　用〕

この発明にかかる感温センサは、非常に熱応答性がよい
、これは、感温薄膜体を用いており、センサ本体部が超
小型化できるのに加え、第１図にみるように、基板２の
薄い部分Ａと感温薄膜体３で感温部が成り立っていて、
感温部全体としての厚みが極く薄くて、感温部の熱容量
が極めて小さいからである。

また、感温薄膜体３形成面が感知（測定）雰囲気の反対
側にあるため、結露や汚染等が起こりにくり、測定結果
の安定性がよくなる。耐環境性が向上するのである。

感温薄膜体３形成面が感知雰囲気の反対側にあっても、
感知雰囲気側にあるフィン４のために厚みの薄い部分へ
の裏面側では感知雰囲気との間の接触面積が広いので、
感温薄膜体３の温度は雰囲気温度変化に鋭敏に応答して
変化し、熱応答性が損なわれるようなことはない。フィ
ン４から入った熱は厚みの薄い部分Ａを通して即座に感
温薄膜体３形成面に伝わるのである。

〔実　施　例〕

続いて、この発明の感温センサの一実施例を製造の様子
を含めて説明する。

第２図（ａ）、（ｂｌは、この発明の感温センサの一実
施例の要部構成をあられし、第３図（ａｌ〜（」）は１
．この感温センサを製造するときの様子を順を追ってあ
られす。

第３図（ａｌにみるように、厚み４００ハで表面が（１
１０）面であるＮ形シリコン単結晶ウェハ（半導体Ｎ）
２′の両面にパイロジェニック酸化法を用いて厚み１ｐ
１の酸化シリコン膜１１１１’を形成した後、第３図（
ｂｌにみるように、感温薄膜体形成側の酸化シリコン膜
１１のみにＰＣＶＤ法を用いて厚み５０００人の窒化シ
リコンｌ１ｆｆ１２を積層する。

ついで、ウェハ２′におけるフィン形成側に、第３図（
Ｃ１にみるように、フォトリソグラフィ技術を用い、厚
みの薄い部分およびフィンのかたちに応じたパターンの
レジストマスク１３を形成する。マスク部分１３ａは長
辺４鶴、短辺（幅）３０７ｎ、ギヤツブ５０μ層とし、
長辺の向きが（１１０）面と垂直に交わる（１１１）面
と（１１０）面との交線に平行になっている。

レジストマスク１３形成後、酸化シリコン膜１１′にエ
ツチング処理を施し、第３図（ｄ＋にみるように、シリ
コン単結晶面を露出させておいて、ＫＯＨ４０ｗｔ％、
Ｈｚ０６０ｗｔ％、温度８０℃のエツチング液、エツチ
ング時間−１時間４０分の異方性エツチング処理を施し
、第３図（８１にみるように、厚みの薄い部分Ａおよび
フィン４を形成する。各フィン４は、高さ２００μ職、
長辺４鶴、短辺３０μｍ、ギャップ５０μ鶏である。

続いて、第３図＜ｒ＞にみるように、フィン４の上の酸
化シリコン膜１１′をフン酸水溶液で、窒化シリコン膜
１２をプラズマエツチング処理で除去してから、第３図
（ｇ）にみるように、酸化シリコン膜（絶縁層）１１の
表面にスパッタリング法を用いて厚み２０００人の白金
膜１５を積層する。

続いて、第３図（ｈｌにみるように、白金膜１５の上に
フォトリソグラフィ技術を用いて所定パターンのレジス
トマスク１６を施しておいてから、第３図（１）にみる
ように、イオンミリング法を用いて白金膜１５の不要部
分を選択的に除去してパターンニングし感温薄膜体（薄
膜抵抗体）３を形成する。この後、引出用端子部３ａに
バンプ８を形成する。

感温薄膜体３の形成後、第３図０１にみるように、別途
に準備しておいた基台１０の接続用端子部７と引出用端
子部３ａをバンプ８を介して接合する。その後、必要に
応じて樹脂等の封止材を用いて空間Ｓを密封状態とすれ
ば、第２図（ａｌ、（ｂｌに示す感温センサが完成する
。

この発明は上記実施例に限らない。基板あるいは基台上
に感温薄膜体の信号処理等用の回路が設けられていても
よい。また、電気的接続用ボンディングもワイヤレスボ
ンディングに限らない。さらに、基台に凹部の全（ない
フラットなものを用い、センサ本体部がバンプの厚み分
だけ浮いたようにして配置搭載されていて、センサ本体
部周囲に封止部が設けられてなる構成であってもよい。

センサ本体部が、厚みの厚い部分にもうひとつ感温薄膜
体が形成され、それぞれの感温薄膜体の信号差から急激
な温度変化の感知ができる使い方の可能なものであって
もよい。この場合、ヒートシンクも基台に組み付けるよ
うにする０例えば、基台に孔が明いていて、この孔を通
して組み付けられたヒートシンクをセンサ本体部に接触
させるようにするのである。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、請求項１〜４記載の感温センサは
、感温薄膜体のある基板の厚みの薄い部分裏側にフィン
が設けられているため、感温部の熱容量が非常に小さく
熱応答性が優れており、しかも、感温薄膜体形成面が感
知雰囲気と反対側にあるため、耐環境性がよい。

請求項２記載の感温センサでは、感温薄膜体が密封空間
に臨むため、より耐環境性に優れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明の感温センサの一実施例の要部をあ
られす概略断面図、第２図（ａ）、（ｂｌは、この発明
の感温センサの他の例の要部をあられす図であって、図
（ａｌは概略断面図、図（ｂｌは平面図である。第３図
（ａ）〜０）は、この他の例の感温センサを製造すると
きの様子を説明する概略断面図、第４図および第５図（
ａｌ〜（Ｃ）は、シリコン単結晶板の異方性エツチング
特性を説明するための図であって、第４図は平面図、第
５図（ａ）〜（Ｃ）は断面図である。第６図は、従来の
感温センサの要部をあられす概略断面図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １基板に厚みの薄い部分を有し同厚みの薄い部分は表面
   に感温薄膜体が形成されているとともに裏面に多数のフ
   ィンが設けられてなるセンサ本体部が、前記フィン側を
   感知雰囲気側に向けて配設されている感温センサ。 ２センサ本体部が基台に感温薄膜体形成側を向けて配置
   され、感温薄膜体の臨む空間が封止されてなる請求項１
   記載の感温センサ。 ３基板の厚みの薄い部分およびフィンが、半導体層に絶
   縁層が積層された基板材料の半導体層側から施す異方性
   エッチングで形成されてなる請求項１または２記載の感
   温センサ。 ４各フィンは、高さ約５０〜３００μｍ、幅約５〜１０
   ０μｍであって、間隔約５〜１００μｍで配列されてな
   る請求項１から３までのいずれかに記載の感温センサ。