JPH05249063A - Pressure gage integrating gas sensor - Google Patents

Pressure gage integrating gas sensor

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JPH05249063A
JPH05249063A JP8278592A JP8278592A JPH05249063A JP H05249063 A JPH05249063 A JP H05249063A JP 8278592 A JP8278592 A JP 8278592A JP 8278592 A JP8278592 A JP 8278592A JP H05249063 A JPH05249063 A JP H05249063A
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JP
Japan
Prior art keywords
gas
substrate
pressure
gas sensor
diaphragm
Prior art date
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Pending
Application number
JP8278592A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Shinji Tanigawara
進二 谷川原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ricoh Co Ltd
Original Assignee
Ricoh Co Ltd
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Publication date
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Publication of JPH05249063A publication Critical patent/JPH05249063A/en
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Abstract

PURPOSE:To obtain a gas sensor enabling simultaneous measurement of the concentration and pressure of a gas to be inspected. CONSTITUTION:Projecting parts 3 formed of an electrically insulative material are provided on an Si substrate 2, a gas-sensitive element and a heater lead 10 are provided and thereby the concentration of a gas is measured. Besides, a diaphragm 5 is provided on the same Si substrate 2, piezo-resistance elements 20 are provided and thereby the pressure of the gas is measured.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明はガスセンサに係り、特に
被検ガス濃度を測定する機能と、被検ガスを含む気体の
圧力を測定する機能を合わせ持つ圧力計一体型ガスセン
サに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas sensor, and more particularly to a pressure sensor integrated gas sensor having both the function of measuring the concentration of a test gas and the function of measuring the pressure of a gas containing the test gas.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来被検ガスの濃度と、被検ガスを含む
気体の圧力を測定するためには、前記被検ガスの濃度を
測定する濃度センサと被検ガスを含む気体の圧力を測定
する圧力センサを別々に用いる必要があった。
2. Description of the Related Art Conventionally, in order to measure the concentration of a test gas and the pressure of a gas containing the test gas, a concentration sensor for measuring the concentration of the test gas and a pressure of the gas containing the test gas are measured. It was necessary to separately use the pressure sensors that operate.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】従来のガスセンサで
は、被検ガスの濃度と被検ガスを含む気体の圧力を同時
に測定するためにはガスセンサ2台分の設置空間を必要
とすると共に、ガスセンサ2台分のコストを必要とす
る。
In the conventional gas sensor, an installation space for two gas sensors is required to simultaneously measure the concentration of the test gas and the pressure of the gas containing the test gas, and the gas sensor 2 is used. The cost for the unit is required.

【0004】本発明は上記の点を解決しようとするもの
で、その目的は被検ガスの濃度と被検ガスを含む気体の
圧力を1チップで同時に測定できる圧力計一体型ガスセ
ンサを提供することである。
The present invention is intended to solve the above problems, and an object thereof is to provide a pressure sensor integrated type gas sensor capable of simultaneously measuring the concentration of a test gas and the pressure of the gas containing the test gas with one chip. Is.

【0005】[0005]

【課題を解決するための手段】本発明においては、ガス
センサのSi基板上に電気絶縁性材料から成る張り出し
部を設けると共に前記張り出し部に感ガス素子(例えば
金属酸化物半導体層)を設置し、前記感ガス素子の抵抗
値変化により被検ガスを含む気体中のガスの濃度を測定
する。また本発明においては、前記同一Si基板の一部
を薄肉化してダイアフラムを設けると共に前記ダイアフ
ラム上にピエゾ抵抗素子を設置し、前記ピエゾ抵抗素子
の抵抗値変化により被検ガスを含む気体の圧力を測定す
る。
According to the present invention, an overhang portion made of an electrically insulating material is provided on a Si substrate of a gas sensor, and a gas sensitive element (for example, a metal oxide semiconductor layer) is placed on the overhang portion. The concentration of the gas in the gas containing the test gas is measured by the change in the resistance value of the gas sensitive element. Further, in the present invention, a part of the same Si substrate is thinned to provide a diaphragm and a piezoresistive element is installed on the diaphragm, and the pressure of the gas containing the test gas is changed by changing the resistance value of the piezoresistive element. taking measurement.

【0006】すなわち、本発明はSi基板、感ガス素
子、ヒーターリードおよびピエゾ抵抗素子から成る圧力
計一体型ガスセンサにおいて、電気絶縁性材料から成る
張り出し部を前記Si基板上に空中に張り出して設ける
と共に前記張り出し部上に前記感ガス素子とヒーターリ
ードを設置し、また前記Si基板の一部を薄肉化してダ
イアフラムを設けると共に前記ダイアフラム上に前記ピ
エゾ抵抗素子を設置したことを特徴とする。
That is, according to the present invention, in a pressure sensor integrated gas sensor comprising a Si substrate, a gas sensing element, a heater lead and a piezoresistive element, an overhanging portion made of an electrically insulating material is provided on the Si substrate in the air. The gas sensitive element and the heater lead are installed on the projecting portion, and a diaphragm is provided by thinning a part of the Si substrate and the piezoresistive element is installed on the diaphragm.

【0007】[0007]

【作用】このように、本発明による圧力計一体型ガスセ
ンサにおいては、同一チップ上に感ガス素子とピエゾ素
子を設けることにより、前記感ガス素子で被検ガス濃度
を測定すると共に、前記ピエゾ素子で被検ガスを含む気
体中のガスの圧力を測定できる。
As described above, in the pressure sensor-integrated gas sensor according to the present invention, the gas sensitive element and the piezo element are provided on the same chip so that the concentration of the test gas can be measured by the gas sensitive element and the piezo element can be used. Can measure the pressure of the gas in the gas containing the test gas.

【0008】[0008]

【実施例】次に図面に示す実施例を挙げて本発明を更に
詳しく説明する。図1は本発明による圧力計一体型ガス
センサの全体構成を示す概略説明図である。但し電極配
線、ヒーターリード、感ガス素子は図示していない。図
中ガラスベース1上には基板2が陽極接合してある。こ
こでは、基板2として異方性エッチングを行うのに都合
のよい、Si基板を使用した場合を例にとって説明す
る。特にp型のピエゾ抵抗素子20を形成するために
は、n型Si(100)面を基板2として使用すること
が好ましい。Si基板2には、エッチング液(例えば水
酸化カリウム水溶液)により異方性エッチングを行い、
張り出し部3と凹部4とダイアフラム5を形成する。ま
た必要に応じてガラスベース1には、ダイアフラム5の
裏面側に基準圧力を導入する基準圧導入口1aを設け
る。
The present invention will be described in more detail with reference to the examples shown in the drawings. FIG. 1 is a schematic explanatory view showing the overall configuration of a pressure gauge integrated gas sensor according to the present invention. However, the electrode wiring, the heater lead, and the gas sensitive element are not shown. A substrate 2 is anodically bonded on a glass base 1 in the figure. Here, a case of using a Si substrate, which is convenient for performing anisotropic etching as the substrate 2, will be described as an example. In particular, in order to form the p-type piezoresistive element 20, it is preferable to use the n-type Si (100) surface as the substrate 2. The Si substrate 2 is anisotropically etched with an etching solution (eg, potassium hydroxide aqueous solution),
The protruding portion 3, the concave portion 4 and the diaphragm 5 are formed. If necessary, the glass base 1 is provided with a reference pressure introduction port 1a for introducing a reference pressure on the back surface side of the diaphragm 5.

【0009】最初に本発明による被検ガス濃度の測定セ
ンサについて説明する。図2に張り出し部3付近の拡大
図を、図3に図2中のX−X’断面図を示す。ここでは
張り出し部3の例として片持ち梁構造を採用しているが
架橋構造等であってもよい。また、張り出し部3の数は
必要に応じていくつであってもよい。張り出し部3上に
はヒーターリード10と感ガス素子として金属酸化物半
導体層11を設置する。金属酸化物半導体層11は被検
ガスを検知すると抵抗値が変化するのでこの変化を検出
リード12で検出する。基板2にSi(100)面を使
用した場合は、張り出し部3の長手方向として(11
0)方向から45度傾けた方向を選択すると、前記張り
出し部3の製作が容易となる。張り出し部3の材料とし
てはシリカが、ヒーターリード10と検出リード12の
材料としては白金が好ましい。金属酸化物半導体層11
の材料としては、錫、亜鉛、インジウム、チタン、鉄等
の酸化物があげられ、中でも錫の酸化物の使用が最も好
ましい。
First, the sensor for measuring the concentration of the test gas according to the present invention will be described. FIG. 2 shows an enlarged view of the vicinity of the overhanging portion 3, and FIG. 3 shows a sectional view taken along line XX ′ in FIG. Here, a cantilever structure is adopted as an example of the projecting portion 3, but a bridge structure or the like may be used. Further, the number of the overhanging portions 3 may be any number as needed. A heater lead 10 and a metal oxide semiconductor layer 11 as a gas-sensitive element are provided on the projecting portion 3. Since the resistance value of the metal oxide semiconductor layer 11 changes when the test gas is detected, this change is detected by the detection lead 12. When the Si (100) surface is used for the substrate 2, the lengthwise direction of the overhanging portion 3 is set to (11
When the direction inclined by 45 degrees from the 0) direction is selected, the projecting portion 3 can be easily manufactured. Silica is preferable as the material of the overhang portion 3, and platinum is preferable as the material of the heater lead 10 and the detection lead 12. Metal oxide semiconductor layer 11
Examples of the material include oxides of tin, zinc, indium, titanium, iron and the like, and among them, the use of tin oxide is most preferable.

【0010】次に、図4に感ガス素子として白金あるい
はパラジウムを担持した酸化触媒層を用いた場合の実施
例を示す。図5には図4中のY−Y’断面を示す。張り
出し部3上にヒーターリード10と酸化触媒層13を形
成する。酸化触媒層13はヒーターリード10上もしく
はヒーターリード10近傍に形成する。これは被検ガス
の燃焼による酸化触媒層13の温度変化をヒーターリー
ド10に伝えやすくするためである。酸化触媒層13の
材料としては例えばアルミナあるいはシリカを主成分と
する担体に白金やパラジウムを触媒として担持した物を
使用する。前記酸化触媒層13が被検ガスにさらされる
と酸化触媒層13付近で前記被検ガスが燃焼し、前記酸
化触媒層13に温度変化が生じる。前記酸化触媒層13
の温度変化はヒーターリード10に抵抗値変化となって
表れ、前記抵抗値変化を測定することにより被検ガス濃
度を検出する。
Next, FIG. 4 shows an embodiment in which an oxidation catalyst layer carrying platinum or palladium is used as a gas sensing element. FIG. 5 shows a YY ′ cross section in FIG. The heater lead 10 and the oxidation catalyst layer 13 are formed on the projecting portion 3. The oxidation catalyst layer 13 is formed on or near the heater lead 10. This is for facilitating transmission of the temperature change of the oxidation catalyst layer 13 due to combustion of the test gas to the heater lead 10. As the material of the oxidation catalyst layer 13, for example, a material containing platinum or palladium as a catalyst on a carrier containing alumina or silica as a main component is used. When the oxidation catalyst layer 13 is exposed to the test gas, the test gas burns near the oxidation catalyst layer 13 and a temperature change occurs in the oxidation catalyst layer 13. The oxidation catalyst layer 13
The temperature change appears in the heater lead 10 as a resistance value change, and the concentration of the test gas is detected by measuring the resistance value change.

【0011】さらに本発明による被検ガス圧の測定セン
サについて説明する。図6にダイアフラム付近の拡大図
を示し、図7に図6中のZ−Z’断面を示す。ピエゾ抵
抗素子20は、n型Si(100)面にたとえば硼素を
不純物拡散あるいはイオンインプラントすることにより
形成する。この場合、ピエゾ抵抗素子20は感度向上の
ために図のようにダイアフラム周辺部に配置し、その長
手方向は(100)方向とすることが望ましい。ピエゾ
抵抗素子20には配線21を接続する。その材料として
はアルミニウムが一般的であるが、白金を用いれば製造
プロセスが簡単になる。図示はしていないが、これらの
ピエゾ抵抗素子20がブリッジ回路を構成するようにワ
イヤーボンドを施す。
Further, the sensor for measuring the gas pressure to be measured according to the present invention will be described. FIG. 6 shows an enlarged view around the diaphragm, and FIG. 7 shows a ZZ ′ cross section in FIG. The piezoresistive element 20 is formed by diffusing impurities or ion-implanting boron into the n-type Si (100) surface, for example. In this case, it is preferable that the piezoresistive element 20 is arranged in the peripheral portion of the diaphragm as shown in the figure in order to improve sensitivity, and the longitudinal direction thereof is the (100) direction. A wiring 21 is connected to the piezoresistive element 20. Aluminum is generally used as the material, but using platinum simplifies the manufacturing process. Although not shown, wire bonding is performed so that these piezoresistive elements 20 form a bridge circuit.

【0012】最後に本発明による圧力計一体型ガスセン
サの製造プロセスの一例を図8に基づき簡単に説明す
る。ここで示す図は説明を判りやすくするために、実際
の断面図とは多少異なる。また感ガス素子は金属酸化物
半導体層の場合について述べる。本発明における圧力計
一体型ガスセンサは図8の(a)から(g)の順に沿っ
て製造する。その内容は下記の通りである。 (a)n型Si(100)基板2を熱酸化して前記Si
基板2の上下両面にシリカ層を形成する。 (b)ピエゾ抵抗素子20を形成する部分のシリカ層を
エッチングする。 (c)硼素をデポジション後、酸化性雰囲気の中でドラ
イブインし、ピエゾ抵抗素子20を形成する。 (d)前記ピエゾ抵抗素子20上の所定の位置にコンタ
クトホールを形成する。この際、Si基板2の下面にも
レジストを塗布し、シリカ層を保護する。 (e)Si基板2上に白金をスパッタリング蒸着し、ピ
エゾ抵抗素子20の配線21とヒーターリード10と検
出リードのパターンを形成する。 (f)酸化錫膜をスパッタリング後、パターニングし、
金属酸化物半導体層(感ガス素子)11を形成する。 (g)二つの金属酸化物半導体層(感ガス素子)11の
間のシリカを水酸化カリウム水溶液で異方性エッチング
し、前記Si基板上で絶縁体材料でできた張り出し部3
と前記Si基板と前記張り出し部3との間に設けた凹部
4とダイアフラム5を形成する。
Finally, an example of the manufacturing process of the pressure sensor integrated gas sensor according to the present invention will be briefly described with reference to FIG. The figure shown here is slightly different from the actual sectional view for the sake of clarity. The case where the gas-sensitive element is a metal oxide semiconductor layer will be described. The pressure gauge integrated gas sensor according to the present invention is manufactured in the order of (a) to (g) of FIG. The contents are as follows. (A) The n-type Si (100) substrate 2 is thermally oxidized to obtain the Si
Silica layers are formed on both upper and lower surfaces of the substrate 2. (B) The silica layer in the portion where the piezoresistive element 20 is formed is etched. (C) After depositing boron, drive in in an oxidizing atmosphere to form a piezoresistive element 20. (D) A contact hole is formed at a predetermined position on the piezoresistive element 20. At this time, a resist is also applied to the lower surface of the Si substrate 2 to protect the silica layer. (E) Platinum is vapor-deposited on the Si substrate 2 by sputtering to form the wiring 21 of the piezoresistive element 20, the heater lead 10, and the detection lead pattern. (F) After patterning the tin oxide film by sputtering,
A metal oxide semiconductor layer (gas sensitive element) 11 is formed. (G) Silica between the two metal oxide semiconductor layers (gas sensitive element) 11 is anisotropically etched with an aqueous solution of potassium hydroxide, and overhangs 3 made of an insulating material on the Si substrate.
Then, the recess 4 and the diaphragm 5 provided between the Si substrate and the overhanging portion 3 are formed.

【0013】[0013]

【発明の効果】以上に述べたように本発明によれば、1
チップで被検ガス濃度とそのガスを含む気体の圧力を同
時に測定可能な圧力計一体型ガスセンサを実現できる。
またガス濃度センサと圧力センサを同一基板上に形成で
きるのでガスセンサを小型化できる。また1種類のガス
センサのみ生産すればよいからガスセンサの量産がで
き、生産コストを下げることができる。
As described above, according to the present invention, 1
A pressure sensor integrated gas sensor capable of simultaneously measuring the concentration of a test gas and the pressure of a gas containing the gas can be realized with a chip.
Moreover, since the gas concentration sensor and the pressure sensor can be formed on the same substrate, the gas sensor can be downsized. Further, since only one type of gas sensor needs to be produced, the gas sensor can be mass-produced and the production cost can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明による圧力計一体型ガスセンサの全体構
成を示す概略説明図である。
FIG. 1 is a schematic explanatory view showing the overall configuration of a pressure gauge-integrated gas sensor according to the present invention.

【図2】図1中の張り出し部の拡大図である。FIG. 2 is an enlarged view of a projecting portion in FIG.

【図3】図2中のX−X’断面図である。3 is a cross-sectional view taken along the line X-X 'in FIG.

【図4】感ガス素子として酸化触媒層を用いた場合を示
す説明図である。
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a case where an oxidation catalyst layer is used as a gas sensing element.

【図5】図4中のY−Y’断面図である。5 is a cross-sectional view taken along the line Y-Y ′ in FIG.

【図6】図1中のダイアフラム部付近の拡大図である。FIG. 6 is an enlarged view of the vicinity of the diaphragm portion in FIG.

【図7】図6中のZ−Z’断面図である。7 is a sectional view taken along the line Z-Z 'in FIG.

【図8】本発明の圧力計一体型ガスセンサ製造プロセス
を示す説明図である。
FIG. 8 is an explanatory view showing a manufacturing process of the gas sensor integrated gas sensor of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1a 基準圧導入口 1 ガラスベース 2 基板(Si基板) 3 張り出し部 4 凹部 5 ダイアフラム 10 ヒーターリード 11 金属酸化物半導体層 12 検出リード 13 酸化触媒層 20 ピエゾ抵抗素子 21 配線 1a Reference pressure introduction port 1 Glass base 2 Substrate (Si substrate) 3 Overhanging part 4 Recessed part 5 Diaphragm 10 Heater lead 11 Metal oxide semiconductor layer 12 Detection lead 13 Oxidation catalyst layer 20 Piezoresistive element 21 Wiring

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 Si基板、感ガス素子、ヒーターリード
およびピエゾ抵抗素子から成る圧力計一体型ガスセンサ
において、電気絶縁性材料から成る張り出し部を前記S
i基板上に空中に張り出して設けると共に前記張り出し
部上に前記感ガス素子とヒーターリードを設置し、また
前記Si基板の一部を薄肉化してダイアフラムを設ける
と共に前記ダイアフラム上に前記ピエゾ抵抗素子を設置
したことを特徴とする、圧力計一体型ガスセンサ。
1. A pressure sensor integrated gas sensor comprising a Si substrate, a gas sensing element, a heater lead and a piezoresistive element, wherein an overhanging portion made of an electrically insulating material is used for the S
The gas sensing element and the heater lead are installed on the i substrate in the air, and the gas sensing element and the heater lead are installed on the overhanging portion. A part of the Si substrate is thinned to provide a diaphragm, and the piezoresistive element is provided on the diaphragm. A gas sensor integrated with a pressure gauge, which is characterized by being installed.
JP8278592A 1992-03-04 1992-03-04 Pressure gage integrating gas sensor Pending JPH05249063A (en)

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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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