JPH06102227A

JPH06102227A - 雰囲気センサの構造

Info

Publication number: JPH06102227A
Application number: JP2045892A
Authority: JP
Inventors: Junji Manaka; 順二間中
Original assignee: Ricoh Seiki Co Ltd
Current assignee: Ricoh Seiki Co Ltd
Priority date: 1992-01-08
Filing date: 1992-01-08
Publication date: 1994-04-15
Anticipated expiration: 2016-01-15
Also published as: JP3124609B2

Abstract

(57)【要約】【目的】雰囲気ガス検出部である発熱抵抗体を加熱し
たとき、基板への熱伝達を小さくするように架橋し、該
発熱抵抗体の温度分布を均一とし、雰囲気ガスを高感度
で検出する。【構成】シリコン基板１０に設けられた凹部１１上部
に、略々正方形の薄膜絶縁体１２を配置し、該薄膜絶縁
体１２を基板１０と対角線上において架橋支持し、架橋
支持部１２ａの幅を正方形の辺の長さよりも狭少とし、
薄膜絶縁体１２上に成膜された発熱抵抗体１３を基板パ
ッド部１３ａとリード部１３ｂとで接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、雰囲気センサの構造、より詳細
には、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、フローセ
ンサ等として使用可能な雰囲気センサの構造に関する。

【０００２】

【従来技術】従来、ガスセンサとして、金属酸化物半導
体の内部に電極と、電極を兼ねたヒータを内蔵し、該金
属酸化物半導体をヒータにより加熱した時に該金属酸化
物半導体の抵抗値が該金属酸化物半導体の表面でのガス
吸着によって下がることを利用したものが提案されてい
るが、消費電力が大きく、乾電池駆動には適さないとい
う問題があった。この点を改良すべく、架橋構造や片持
梁構造等、空気中に張り出させた張り出し部を設け、こ
の張り出し部の上に金属酸化物半導体を形成するように
し、もって、熱容量を可及的に小さくして応答特性を上
げ、且つ消費電力を低下させる試みが成されている。

【０００３】一方、ガスセンサにおいては、同様の構造
をもつ検出器を２個設け、一方の検出器を周囲雰囲気に
接触させてガス検出用として用い、他方の検出器を周囲
雰囲気に接触させない密封構造とし、この密封構造の検
出器にて周囲の温度を検出して温度補償をすることが行
なわれている。

【０００４】図５（ａ）,（ｂ）は、特開平３−９２７
５４号公報に開示された絶対湿度センサの一例を示す平
面図及び断面図で、図示のように、第１のシリコンから
なる基板１に、薄膜抵抗発熱体３を設置する凹部６，７
を形成し、基板１の表面に絶縁保護膜を形成した上、薄
膜抵抗発熱体３を前記凹部に架橋支持するよう設置して
いる。

【０００５】上記の構成により、熱容量を小さくした薄
膜発熱体３の熱が直接基板に熱伝導するのを抑えて、基
板で構成した空間の気体の熱伝導により熱平衝を保ち、
小電力化と応答の高速化を図ることができるようにして
いる。

【０００６】また、第２の基板２にも基板１に対応する
位置に前記素子用の空間を作るための凹部６，７と、薄
膜発熱体３のパッド部９を露出させるための切欠き部を
形成しておき、更に基板２に接合用の低融点ガラスペー
スト５を図に斜線で示すパターンにスクリーン印刷した
上、前記ペースト中の溶剤を仮焼成で蒸発させ、続いて
参照素子の空間に封入する乾燥空気又は一定の既知の湿
度の空気雰囲気中で、基板の１と２を対向させ、図示の
ようにそれぞれの凹部で薄膜発熱体を囲む空間を作る配
置にした上、加熱で低融点ガラスを融解して基板を接合
させている。

【０００７】以上の接合により、参照側の空間６は外気
と遮断され常に一定の雰囲気に保たれる。この気密封止
される雰囲気は必ずしも大気圧でなくてもよい。このと
き同時に形成される検出側の空間７は対向する位置に接
合部の隙間で形成した通気孔８が構成される。

【０００８】以上のように構成にした湿度センサは、２
つの薄膜発熱体に電力によって一定のエネルギーを供給
して自己加熱させると、それぞれ参照用空間６と検出用
空間７の水蒸気量、即ち、絶対湿度に対応する空間の熱
伝導度によって放熱し、一定の温度になって、それぞれ
一定の抵抗値をもつので、その差をブリッジ回路の非平
衝電位の出力として検出して絶対湿度を計測することが
できる。

【０００９】以上に、基板に形成した凹部の上に薄膜絶
縁体を架橋し、その上に発熱抵抗体を配設してガスを検
出したり、湿度を検出したりする例について説明した
が、同様にして架橋された薄膜絶縁体の上に配設された
発熱抵抗体の熱放射に伴う該発熱抵抗体の抵抗値の変化
から、気体の流速（流量）を計測するフローセンサ、周
囲温度を検出する温度センサ等についても種々提案され
ている。

【００１０】斯様に、基板に形成された凹部上に薄膜絶
縁体を架橋し、その上に発熱抵抗体を配設し、該発熱体
の抵抗値の変化を利用して周囲雰囲気の状態を検出する
ようにしたセンサは既に種々提案されているが、これら
の発熱抵抗体の形状は、短冊形状の長手方向に平行した
ジグザク状をしており、加熱時、架橋支持部から基板へ
の伝熱を防いでいるとはいえ完全なものではなく発熱抵
抗体の温度は架橋部で低く中央部で高くなるという不均
一な温度分布となった。しかも、放熱量を補うため加熱
電力は大きく局部的に発熱し易いという問題があった。
また、結果的に加熱有効面積が小さいので感度も低かっ
た。

【００１１】

【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、発熱抵抗体を小さい電力で加熱しても発熱抵抗
体の温度分布が均一となり、高感度で検出できる雰囲気
センサの構造を提供することを目的としてなされたもの
である。

【００１２】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
凹部を有する第１基板と、該凹部に架橋された薄膜絶縁
体と、該薄膜絶縁体上に形成された発熱抵抗体とを有
し、前記発熱抵抗体を加熱したときの放熱量の変化から
周囲雰囲気を検知する雰囲気センにおいて、前記薄膜絶
縁体の形状を略々正方形とし、架橋支持部で該正方形の
辺よりも狭くしたこと、或いは、（２）前記薄膜絶縁体
の形状を略円形とし、架橋支持部で該円形の半径よりも
狭くしたこと、更には、（３）前記（１）又は（２）に
おいて、前記薄膜絶縁体の架橋支持部を２以上としたこ
と、更には、（４）前記（１）において、前記薄膜絶縁
体の架橋支持部を略々正方形の対角線上としたこと特徴
とするものである。以下、本発明の実施例に兆づいて説
明する。

【００１３】図１（ａ）,（ｂ）は、本発明の雰囲気セ
ンサの構造を説明するための図で、（ａ）図は平面図、
（ｂ）図は（ａ）図のｂ−ｂ線断面図で、図中、１０は
基板、１１は凹部、１２は薄膜絶縁体、１３は発熱抵抗
体である。

【００１４】図示の基板１０は、異方性エッチングによ
り凹部１１を形成させるため、本実施例ではＳi（シリ
コン）を用いている。基板１０は、Ｓi（１００）の角
形形状で、上面にＳiＯ₂の薄膜絶縁体１２を形成後、薄
膜絶縁体１２上に蒸着、ＣＶＤ、スパッタリングなどの
方法により発熱抵抗体１３を形成するためのＰｔ（白
金）等の酸化に安定な金属の成膜を施す。次にフォトリ
ソグラフィ、異方性エッチングなどにより凹部１１の上
部に、薄膜絶縁体１２を架橋支持し、該薄膜絶縁体１２
上に前記金属成膜する発熱抵抗体１３を形成する。この
発熱抵抗体１３には、基板１０上に形成された通電のた
めのパッド部１３ａと、架橋部１２ａ上に設けられたリ
ード部１３ｂとが接続される。

【００１５】薄膜絶縁体１２は、発熱抵抗体１３と同形
で発熱抵抗体１３よりも僅かに大きい略々正方形で、該
正方形の対角線上で基板１２と架橋部１２ａで支持され
ている。架橋部１２ａは、幅が薄膜絶縁体１２の辺の長
さよりも小さく、発熱抵抗体１３とのリード部１３ｂが
形成されている。発熱抵抗体１３はリード部１３ｂより
も狭少な幅の連続した線状、例えば、ジグザグ状に発熱
抵抗体１３で示した全面積に亘って形成しているため大
きい抵抗値が得られ、リード部１３ａにより基板１０と
は離間した位置となる。

【００１６】図示において、薄膜絶縁体１２及び発熱抵
抗体１３は、凹部１１上に正方形の対角線上で架橋支持
されているが、正方形の対角線上でなく、対向する辺で
架橋支持してもよい。図２は、本発明における雰囲気セ
ンサの構造の他の実施例を説明するための図で、図中、
１６は薄膜絶縁体、１７は発熱抵抗体で、図１と同じ作
用する部分には図１と同一の参照番号を付している。

【００１７】図示において、薄膜絶縁体１６は、凹部１
１上部において凹部１１の辺に平行な辺を有する略々正
方形であり、基板１０とは正方形の辺中央で架橋部１６
ａにより支持架橋されている。該薄膜絶縁体１６上に
は、略同形の面上に発熱抵抗体１７が連続した線状に形
成されてパッド部１７ａとリード部１７ｂにより接続さ
れている。

【００１８】図３は、本発明における雰囲気センサの構
造の更に他の実施例を説明するための図で、図中、１８
は薄膜絶縁体、１９は発熱抵抗体で、図１と同じ作用す
る部分には図１と同一の参照番号を付している。

【００１９】図示において、薄膜絶縁体１８の形状は凹
部１１上において凹部１１の辺よりも僅かに小さい直径
の円形であり、基板１０とは直径上に設けられた基板１
０の半径よりも狭少な架橋支持部１８ａにより両持支持
されている。該薄膜絶縁体１８上には僅かに小さい径を
もつ円部内に発熱抵抗体１９が形成され、パッド部１９
ａとリード部１９ｂにより接続されている。発熱抵抗体
１９は両架橋支持部１８ａ上のリード部１９ｂの間にリ
ード部１９ｂよりも細い線状の連続した渦巻状又はジグ
ザグ状のパターンで抵抗を形成している。

【００２０】図４は、本発明における雰囲気センサの構
造の更に他の実施例を説明するための図で、図中、１２
ｂは薄膜絶縁体の架橋支持部であり、図１と同じ作用す
る部分には図１と同一の参照番号を付している。

【００２１】図示の雰囲気センサの構造は、凹部１１上
の薄膜絶縁体の形状が、図１と同じ略正方形であり、基
板１０とは一対の対角線上の架橋支持部１２ａ、１２ａ
で支持されているが、更に他の対角線上の架橋支持部１
２ｂ、１２ｂでも支持され計４ケ所で支持されているの
で、一対の対角線上でのみ支持する場合と比べて軸廻り
の回転力を除去することができて、気体の流れが増加し
た場合でも安定な姿勢を保つことができる。図示におい
ては、４点支持としたが、３点でもよく、更に多点の支
持でも同様に安定度を保つことができる。この多点支持
方式は、薄膜絶縁体および発熱抵抗体の形状が、図２に
図示した正方形の辺で支持する場合や、図３に図示した
円形径上での支持の場合でも同様の効果を有するもので
ある。

【００２２】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明による
と、以下のような効果がある。（１）雰囲気を検知するための発熱抵抗体が基板上の凹
部上面に略々正方形又は略円形の薄膜絶縁体上に形成さ
れ、該薄膜絶縁体は基板に正方形の辺又は円の半径より
も狭い架橋支持部で支持されるので基板と発熱抵抗体と
の間は離間される。この結果、熱伝導がなく発熱抵抗体
は均一な温度に保たれる。（２）発熱抵抗体は薄膜絶縁体上に連続した細線状の抵
抗体を形成できるので高抵抗にすることができる。従っ
て、高感度で、低電力駆動可能な雰囲気センサとするこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の雰囲気センサの構造を説明するため
の図である。

【図２】本発明における雰囲気センサの構造の他の実
施例を説明するための図である。

【図３】本発明における雰囲気センサの構造の更に他
の実施例を説明するための図である。

【図４】本発明における雰囲気センサの構造の更に他
の実施例を説明するための図である。

【図５】従来の絶対湿度センサの一例を示す平面図及
び断面図である。

【符号の説明】

１０…基板、１１…凹部、１２…薄膜絶縁体、１３…発
熱抵抗体。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】凹部を有する第１基板と、該凹部に架橋
された薄膜絶縁体と、該薄膜絶縁体上に形成された発熱
抵抗体とを有し、前記発熱抵抗体を加熱したときの放熱
量の変化から周囲雰囲気を検知する雰囲気センにおい
て、前記薄膜絶縁体の形状を略々正方形とし、架橋支持
部で該正方形の辺よりも狭くしたことを特徴とする雰囲
気センサの構造。
【請求項２】前記薄膜絶縁体の形状を略円形とし、架
橋支持部で該円形の半径よりも狭くしたことを特徴とす
る雰囲気センサの構造。
【請求項３】前記薄膜絶縁体の架橋支持部を２以上と
したことを特徴とする請求項１又は２記載の雰囲気セン
サの構造。
【請求項４】前記薄膜絶縁体の架橋支持部を略々正方
形の対角線上としたことを特徴とする請求項１又は３記
載の雰囲気センサの構造。