JPH0499932A

JPH0499932A - 感温センサ

Info

Publication number: JPH0499932A
Application number: JP21776590A
Authority: JP
Inventors: Koichi Aizawa; 浩一相澤; Hitoshi Kanekawa; 仁士金川; Keiji Kakinote; 柿手　啓治
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1990-08-18
Filing date: 1990-08-18
Publication date: 1992-03-31

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〕この発明は感温センサに関する。

〔従来の技術および問題点〕

温度や温度変化を測る有用な感温センサとして、Ｐｔ等
の金属抵抗体が感温部となっているもの、あるいは、半
導体を利用した所謂サーミスタ抵抗体が感温部となって
いるものがある。抵抗体の抵抗値が温度変化に伴い変化
することを利用するセンサである。これらの感温センサ
は、電気的な出力が直接得られ、工業的製造に適するこ
とから広く実用に供せられているが、近年、熱応答性を
向上させるために、センサ全体の小型化、抵抗体の薄膜
化が進められており、特に、薄膜化の容易なｐｔ抵抗体
が注目されている。

しかしながら、ｐｔ抵抗体の場合、小面積の感温部で僅
かな温度変化を捉えるということは難しい。ｐｔ抵抗体
は、抵抗温度係数が小さいし、それに抵抗値が低いから
である。例えば、４ｍ１ｘ４鶴の面積の支持基板（チッ
プ）にｐｔ薄膜抵抗体を形成した場合、ｐｔ薄膜抵抗体
の抵抗値は約５にΩ程度であり、測定電流１００μへの
場合で感度は約１．８　ｍ　Ｖ　／　’Ｃと低い。この
ような低感度では０．１℃以下の僅かな温度変化を捉え
ることば困難になる。測定電流を増やせば感度は多少は
上がるけれども、消費電流が増え抵抗体自体の発熱によ
る悪影響が無視できなくなるという別の問題が出てくる
。

一方、後者のサーミスタ抵抗体は薄膜化する場合に製造
上の制約が大きいという問題がある。金属抵抗体の薄膜
化の場合に比べ、材料面、コスト面、製造面で難しさが
あるのである。光検知に適シタ感温センサは、薄い基板
部分上にサーミスタ抵抗体を設けるようにするが、この
場合に特に作製プロセス等の制約の為により困難である
。

上記の他に、シリコン単結晶で作ったダイオードのＰＮ
接合順方向特性を利用した感温センサがあるが、感度が
十分でなく微小な温度変化を捉え難いという問題があり
、また薄膜化には適さず、薄い基板部分上に積層形成す
ることも難しいという問題がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

この発明は、上記の事情に鑑み、応答速度が早く、感度
の高い感温センサを提供することを第１の課題とし、加
えて、薄膜化に伴う制約が少なく製造が容易な感温セン
サを提供することを第２の課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記第１の課題を解決するため、請求項１〜４記載の感
温センサは、複数の薄膜ダイオードを直列接続した感温
部を有する構成をとるようにしている。

そして、上記第２の課題を解決するため、請求項２〜４
記載の感温センサでは、上に加えて、薄膜をアモルファ
スシリコン系薄膜とするようにしている。

請求項３記載の感温センサでは、複数の薄膜ダイオード
が複数組みに区分けされていて、各組み内でハ薄膜ダイ
オード複数を積層したタンデム構造をとらせるようにし
ている。

請求項４記載の感温センサでは、薄膜ダイオードを、熱
伝導率０．２　Ｗ　／　ｃｍ　’Ｃ以下で厚み５μｍ以
下であって裏面側が開放状態とされている絶縁物層の上
に形成するようにしている。

この発明の感温センサは、例えば、流体の温度や温度変
化を測ったり、これらの測定結果から流体の流れる速度
測定、流れる方向を知る場合に利用できるし、あるいは
、光吸収に伴う温度変化を測ったり、この測定結果から
光検知や物体検知等を行う場合等に利用することができ
る。

〔作　　　用〕

この発明の感温センサは高感度である。これはダイオー
ドが複数直列に接続された感温部があるからである。ア
モルファスシリコン（以下、「ａＳｉＪと言う）薄膜ダ
イオード１個だと、第８図にみるように、感度（温度１
℃の変化に伴うダイオード順方向電圧降下ＶＦの変化量
）は約３．４ｍ　Ｖ　／　’ｃである。これに対して、
ａ−３ｉ薄膜ダイオ一ド１０個を直列接続した場合、第
６図にみるように、約３４　ｍ　Ｖ　／　’Ｃと約１０
倍の感度となる。つまり、従来に比べて同じ出力電圧変
化に対しての温度変化検出能が高まり、より微小な温度
変化が捉えられるのである。１個のダイオードでは捉え
ることの難しかった僅かな温度変化が、ダイオードを直
列に接続することで容易に捉えられるようになったので
ある。

また、ａ−８ｉ薄膜ダイオ一ド３個を直列接続になる向
きに積層したタンデム構造をとる場合も、第７図にみる
ように、やはり、感度が約３倍となっており、感度改善
は同じようになされることが分かる。ダイオードの全直
列接続個数が同じであれば、タンデム構造をとる方が、
小面積の感温部で事足り、より小型化も図れるようにな
る。特に、多数（複数）の薄膜ダイオードが複数組みに
区分けされていて、各組み内では薄膜ダイオード複数が
積層されたタンデム構造をとる場合には、小面積の感温
部で非常に高い感度のものとすることができる。

もちろん、この発明の感温センサは、ダイオードが薄膜
であるため、熱応答性が良好であり、小型化に適してい
ることは言うまでもない。

ダイオードがａ−３ｉ系薄膜で出来ているものの場合は
、薄膜化に伴う制約は緩和され製造が容易である。ａ−
３ｉ薄膜は、通常のプラズマＣＶＤ法を格別な製造条件
ではなく普通の条件で用い、真空中、薄い基板部分上で
あっても容易に膜形成が可能である。

そして、薄膜ダイオードが、裏面側が開放状態にあり、
厚み５μｍ以下、熱伝導率０．２　（Ｗ　／　ｃｍ　’
Ｃ）以下の絶縁物層上に形成されている場合、薄膜ダイ
オードと支持基板の間の熱流出入量は僅かで感温部の熱
容量が非常に小さく、薄膜ダイオードが被検雰囲気の温
度変化に素早く追随して温度変化するため、熱応答性が
より良くなる。そのため、被検雰囲気の微小な温度変化
にも薄膜ダイオードが敏感に応答し、被検雰囲気の微小
な温度変化を見逃さずに捉えられるようになる。

〔実　施　例〕

続いて、この発明の感温センサの実施例を図面を参照し
ながら詳しく説明する。

第１図は、この発明にかかる感温センサの一例を上方よ
りみた状態をあられし、第２図は、同感温センサを位置
Ａ−Ａで垂直に断面してあられす感温センサ１は、感温
部２が支持基板３上に設けられた構成となっている。

感温部２は薄膜ダイオード３個を積層した（タンデム構
造の）ダイオード積層体５を４組備えている。各薄膜ダ
イオードはａ−３ｉＰ層、ａ　　３ｉｉＮおよびａ−８
ｉｎ層の３Ｎが順に積層形成された構成である。各ダイ
オード積層体５の下側にはクロム薄膜の下電極６が、上
側にはアルミニウム薄膜の上電極７が、それぞれ形成さ
れている。上電極７の端が延びて隣のダイオード積層体
５の下電極６に達することでダイオード積層体５の間が
電気的に接続されていて、全薄膜ダイオードが直列接続
状態にある。なお、クロム薄膜は外部回路への接続端子
部８と感温部２の間を繋いでいる。接続端子部８はアル
ミニウム薄膜である。

そして、窒化シリコンの保護膜９が全体を覆い保護して
いる（第Ｆ図では保護膜９が省略されている）。

支持基板３は基材層３ａの表面に絶縁物層３ｂがあり、
裏面に絶縁物層３Ｃがある積層構成である。そして、感
温部２のある位置（薄膜ダイオードのある部分）では、
支持基板３は裏面側から掘り込みがなされていて、絶縁
物層３ｂだけであって裏面側が開放状態である。この絶
縁物層３ｂは、窒化シリコン膜とＮＳＣ膜を交互に積層
した計５層の厚み５０００人、熱伝導率０．１２　Ｗ／
　ｃｍ”ｃの薄膜であって、熱伝導率０．２　Ｗ　／　
ｃｍ　’Ｃ以下、厚み５ｎ以下である。

続いて、上記感温センサ１の製造について説明する。

まず、基材Ｎ３ａたる厚み３５０ｐのｎ型（１００）シ
リコン基板の表裏面に絶縁物層３ｂ、３Ｃを形成する。

ずなわち、シリコン基板の両面にＬＰＣＶＤ法により厚
み１０００人の窒化シリコン膜を形成し、ついで、その
上に、ＬＰＣＶＤ法により厚み１０００人のＮＳＣ膜を
形成する。続いて、同様の方法により同様の厚みでもっ
て、窒化シリコン膜、ＮＳＣ膜、窒化シリコン膜と順に
積層し、５Ｎ構成の厚み約５０００人の絶縁物層３ｂ、
３Ｃを形成する。

つぎに、絶縁物Ｊｔｉ３ｂの上にＲＦスパッタリング法
により厚み２０００人のクロム薄膜を形成する。蒸着条
件は、アルゴンガス圧：　３　Ｘ　１０−”Ｔ。

ｒｒ、ＲＦパワー：２ｏｏｗ、基板温度：２５０°Ｃ１
蒸着時間：５分である。そして、クロム薄膜をフォトリ
ソグラフィ技術を利用し所定のパターン以外の部分をエ
ツチング除去し、下電極６等を形成する。なお、クロム
薄膜のエツチング液は、硫酸第２セリウムアンモニウム
（９０，５ｇ）と酢酸（２４ｍｌ）と水（５００ｍ／）
の混合液である。

下電極６の形成に続き、今度は薄膜ダイオードを形成し
た。すなわち、王室分離型プラズマＣｖＤ法により、厚
み３００人のａ−３ｉＰ層、厚み５０００人のａ−３ｉ
ｉｉｉ、厚み１００人のａＳｉ、ｎ層を順に積層するこ
とを３度繰り返し、ついで、フォトリソグラフィ技術を
利用して所定パターン以外の部分をエツチング除去し、
ダイオード積層体５を４組形成した。各ダイオード積層
体５では薄膜ダイオード３個を積層したタンデム構造が
とられている。なお、ａ−３ｉのエンチング液は、硝酸
とフッ酸を３０二１で混ぜ合わせた溶液である。

ダイオード積層体５の形成に続いて、厚み２０００人の
アルミニウム薄膜を真空蒸着により形成した。茄着の際
の基板温度は約２００°Ｃである。

そして、フォトリソグラフィ技術を利用して所定パター
ン以外の部分をエツチング除去し、上電極７、接続端子
部８の上層を形成した。この場合の所定パターンは、全
ダイオードが直列接続するパターンであることば言うま
でもない。アルミニウム薄膜のエツチング液は、硝酸、
フッ酸、水を４：　１　二３００で混ぜ合わせた溶液で
ある。

以上の工程により、感温部２が完成する。この後、プラ
ズマＣＶＤ法により厚み５０００人の窒化シリコン膜を
堆積し、保護膜９を形成する。膜堆積の際の基板温度は
約２５０°Ｃである。

保護膜９の形成の後、絶縁物層３Ｃの感温部２の下に当
たる部分を選択的にエツチング除去し窓を明ける。エツ
チングは、フッ化炭素と酸素の混合ガスによるプラズマ
エツチングで行った。ついで、残った絶縁物層３ｃをマ
スクにして異方性エツチングを行いシリコン基板を掘り
込んで、感温部２下の絶縁物層３ｂの裏側だけを開放状
態とした。この場合のエツチング液は、水酸化カリウム
と水の混合液である。

最後に接続端子部８を露出させるために、フットリソグ
ラフィ技術を利用したパターンニングを保護膜９に施し
、感温センサを完成した。

なお、基板（チップ）面積は、１．５　鶴Ｘ　１．５　
ｍｍであり、１１［１ｉ１のダイオード積層体５の面積
は０．３ｍ＋＋　Ｘ　Ｑ、３　ｍｍであって、絶縁物Ｎ
３ｂの裏側開放面積は０．８連×０．８龍である。

得られた感温センサ１の順方向電圧電流特性を第３図に
示す。同第３図より分かるように、この感温センサ１の
感度は、約３８ｍＶ／’ｃと弗素に高くなっている。

続いて、他の実施例を説明する。

第４図は、この発明にかかる感温センサの他の例を上方
よりみた状態をあられし、第５図は、同感温センサを位
置Ａ’−Ａ’で垂直に断面してあられず。

感温センサ１′は、感温部２２が支持基板２３上に設け
られた構成となっている。

感温部２２は単層の薄膜ダイオード２５を１２個を備え
ている。各薄膜ダイオード２５はａ−３ｉＰ層、ａ−３
ｉｉ層およびａ−３ｉｎ層の３層が順に積層形成された
構成である。各薄膜ダイオード２５の下側にはクロム薄
膜の下電極２６が、上側にはアルミニウム薄膜の上電極
２７が、それぞれ形成されている。上電極２７の端が延
びて隣の薄膜ダイオード２５の下電極２６に達すること
で全薄膜ダイオード２５が直列に接続された状態になっ
ている。なお、クロム薄膜は外部回路への接続端子部２
８と感温部２２の間を繋いでいる。

接続端子部２８はアルミニウム薄膜である。

そして、窒化シリコンの保護膜２９が全体を覆い保護し
ている（第４図では保護膜２９は省略しである）。

支持基板２３は基材層２３ａの表面に絶縁物層３ｂと同
様の絶縁物層２３ｂがある構成であるが、絶縁物層２３
ｂの裏側は開放状態にはなっていない。勿論、基材層２
３ａの裏側から掘り込みを行い開放状態としてもよいが
、実際には感温部２２が広いため開放状態とすることは
難しい。

感温センサ１′では基板面積が３　ｗ＋＋　Ｘ　４鰭と
感温センサ１に比べて大きくなっている。それでも、感
温センサ１とほぼ同じ感度を有しており、Ｐｔｉ膜抵抗
体を用いた従来の場合より１０倍以上の感度がある。

この発明の感温センサは、上記実施例に限らない。製造
プロセス、各プロセスでの処理条件、支持基板材料、電
極材料、絶縁物層形成材料、薄膜ダイオードの数や厚み
あるいは大きさ、ダイオード積層体の数（セル数）、タ
ンデム構造における積層数は必要に応じて適宜に変更さ
れる。

さらには、複数の薄膜ダイオードが直列接続されてなる
感温部が一つの感温センサで複数個あってもよい。この
場合、一方の感温部を裏面が開放状態にある絶縁物層上
に設け、他方の感温部を裏面がシリコン層があって開放
状態にない絶縁物層上に設けて、温度変化のあった際に
両感温部の昇温特性に差があって急激な温度変化があっ
た際に両感温部の間に大きな温度差が生じるようにして
、急激な温度変化がある場合に両感温部の出力の間に差
が生まれ、急激な温度変化を捉えるに適した構成とする
ようにすることも有用である。

〔発明の効果〕

以上に述べた通り、請求項１〜４記載の感温センサは、
ダイオードが複数直列に接続された感温部があるため、
高感度であり、ダイオードが薄膜ダイオードであるため
に熱応答性が良好である。

請求項２〜４記載の感温センサは、ダイオードがａ−３
ｉ薄膜で出来ているため、薄膜化に伴う制約が緩和され
製造が容易である。

請求項３記載の感温センサは、より小型で非常に高感度
であるため、極めて有用である。

請求項４記載の感温センサは、熱応答性が非常に良く、
被検雰囲気の微小な温度変化を捉えることができるため
、非常に有用である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この発明にかかる感温センサの一例の要部を
あられす平面図、第２図は、同感温センサの断面図、第
３図は、上記感温センサの薄膜ダイオード直列接続体の
順方向電圧・電流特性をあられずグラフ、第４図は、こ
の発明にかかる感温センサの他の例の要部をあられず平
面図、第５図は、同感温センサの断面図、第６図は、薄
膜ダイオード１０個の直列接続体の順方向電圧・電流特
性をあられすグラフ、第７図は、薄膜ダイオード３個の
直列接続体の順方向電圧・電流特性をあられすグラフ、
第８図は、薄膜ダイオード１個の順方向電圧・電流特性
をあられすグラフである。１．１′・・・感温センサ　　２．２２・・・感温部３
ｂ・・・絶縁物Ｎ　　６・・・薄膜ダイオード積層体２
６・・・薄膜ダイオード代理人　弁理士　　松　本　武　彦

Claims

【特許請求の範囲】１　複数の薄膜ダイオードが直列接続されてなる感温部
を有する感温センサ。２　薄膜がアモルファスシリコン系薄膜である請求項１
記載の感温センサ。３　複数の薄膜ダイオードが複数組みに区分けされてい
て、各組み内では薄膜ダイオード複数が積層されたタン
デム構造がとられている請求項１または２記載の感温セ
ンサ。４　薄膜ダイオードは、熱伝導率０．２Ｗ／ｃｍ℃以下
で厚み５μｍ以下であって裏面側が開放状態とされてい
る絶縁物層の上に形成されている請求項１から３までの
いずれかに記載の感温センサ。