JPH08105854A

JPH08105854A - Ｃｏセンサ

Info

Publication number: JPH08105854A
Application number: JP24274694A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Okamoto; 康広岡本; Bunji Katsumata; 文治勝又
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1994-10-06
Filing date: 1994-10-06
Publication date: 1996-04-23
Anticipated expiration: 2020-05-18
Also published as: JP3649412B2

Abstract

(57)【要約】【目的】検出速度が速く、検出精度が高く、消費電力が
小さく、量産化が容易で低コストで製造できる接触燃焼
式ＣＯセンサを提供する。【構成】Ｎ型シリコン基板１の上面にＳｉＯ₂膜４ａ、
Ｓｉ₃Ｎ₄膜５ａからなる熱絶縁膜を設ける。薄膜抵抗
膜で中央の加熱部と加熱部の両側から引出される電極引
出し部とを有する二つのヒータ６，７を絶縁膜上に設け
る。その表面を絶縁体の保護膜８で被覆する。ヒータ６
の上にＲｈ粉末５％とアルミナ粉末９５％との混合物で
感応部１０を、ヒータ７の上にアルミナで温度補償部１
１を形成する。シリコン基板１を裏面からエッチして感
応部１０と温度補償部１１の下に凹部１２を形成してＳ
ｉＯ₂膜４ａを露出させると同時に感応部１０と温度補
償部１１との間にシリコン基板１を貫通する矩形の切欠
部９を形成する。凹部１２のヒータ６，７の加熱部の下
にそれぞれ均熱板３ａ，３ｂを形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、都市ガスまたはＬＰガ
ス等の燃焼時に発生する一酸化炭素ガスの濃度を検出す
る接触燃焼式ＣＯセンサに関する。

【０００２】

【従来の技術】都市ガスまたはＬＰガス等を燃焼させて
使用する時、不完全燃焼して一酸化炭素ガスが発生する
と、中毒事故を起こす恐れがあるので、小型湯沸器等に
はＣＯセンサを取り付け、ＣＯガスの濃度を監視してい
る。ＣＯセンサにはいくつかの種類があり、例えば矢崎
技術リポート、第１８号、（１９９３）９３〜９９頁、
特公昭６３−２６３３５号公報、特公昭６４−１０７７
４号公報、特開平１−２２１６４９号公報にその内容が
開示されている。

【０００３】図８は従来のＣＯセンサの第１の例の一部
切欠き斜視図である。

【０００４】このＣＯセンサは、矢崎技術リポート、第
１８号、（１９９３）９３〜９９頁に開示されたセンサ
である。ハウジング８１は黄銅製のステム８２とステン
レス鋼製のキャップ８４とからなり、ステム８２には複
数のリード端子８３が設けられ、キャップ８４にはガス
流通のための窓８５ａ，８５ｂがあけられている。セン
サ部は、検知素子８６と温度補償用比較素子８７とから
なり、アルミナ遮蔽板８８を挟んで対称となるようにリ
ード端子８３に接続される。そして、キャップ８４が被
せられる。

【０００５】図９は図８に示す検知素子および比較素子
の断面図である。

【０００６】図９（ａ）に示すように、直径２５μｍの
Ｐｔコイル９１と、５％Ｒｈ粉末とアルミナ粉末とアル
ミナ系バインダと水とを混合したペーストを用意する。
このペーストをＰｔコイル９１上に塗布し、約７００℃
で焼成して５％Ｒｈ−アルミナ触媒９２を形成する。こ
れにより検知素子８６が製造される。アルミナ粉末はＲ
ｈ触媒を担持する担体として作用するので、アルミナ担
体と呼ばれる。

【０００７】図９（ｂ）に示すように、直径２５μｍの
Ｐｔコイル９３と、アルミナ粉末とアルミナ系バインダ
と水とを混合したペーストとを用意する。このペースト
をＰｔコイル９３上に塗布し、約７００℃で焼成してア
ルミナ担体９４を形成する。これにより比較素子８７が
製造される。アルミナ担体９４はＲｈを含まない。

【０００８】図１０は図８に示すＣＯセンサの検出回路
の回路図である。

【０００９】検知素子８６と比較素子８７とは、固定抵
抗Ｒ₁，Ｒ₂、可変抵抗Ｒ_V、検出回路１０１とでブリ
ッジに組まれ、直流電源Ｅに接続される。都市ガスまた
はＬＰガス等のガスを流さない状態では検出回路１０１
に電流が流れないように可変抵抗Ｒ_Vを調整する。調整
後にガスを流す。

【００１０】ＣＯガスが検知素子８６に触れると、触媒
作用により素子表面で酸化され、反応熱が生じる。この
反応熱によりＰｔコイル９１の抵抗値が上昇する。する
とブリッジ回路の平衡が崩れ、検出回路１０１に電流が
流れる。検出回路１０１はこの電流値を測定してＣＯガ
スの濃度を算出する。比較素子８７は、周囲温度の変動
によるＰｔコイルの抵抗値の変動を打ち消し、反応熱に
よるＰｔコイルの抵抗値の上昇のみを純粋に取り出せる
ように補償する。アルミナ遮蔽板８８は、検知素子８６
と比較素子８７との間に障壁を作り、検知素子８６で発
生した反応熱が比較素子８７へ移動して比較素子８７の
周囲温度を乱すのを防ぎ、比較素子８７が周囲温度を正
確に補償するのを助けている。これによりＣＯガスの濃
度検出精度が高められている。

【００１１】図１１は従来のＣＯセンサの第２の例の平
面図および断面図である。

【００１２】このＣＯセンサは特開平１−２２１６４９
号公報に開示されたセンサである。検出素子は、シリコ
ン基板１１１の表面にＳｉＯ₂の第１膜１１２、Ｐｔの
発熱体１１３、ＳｉＯ₂の第２膜１１４、酸化錫半導体
のガス感応体１１５を順次形成し、ガス感応体１１５の
両端にＰｔの電極１１６ａ，１１６ｂを取り付け、ガス
感応体１１５の下部のシリコン基板１１１をエッチング
除去して切欠き部１１７を設けることにより形成され
る。切欠き部１１７は、ガス感応体１１５の熱容量を小
さくするために設けるものである。電極１１６ａ，１１
６ｂに検出部１１８を接続する。検出部１１８は、ガス
感応体１１５がＣＯガスと接触したとき電気抵抗が減少
する性質を利用して電気抵抗値の減少からＣＯガス濃度
を求めるものである。

【００１３】このＣＯセンサの検出手順は、次の通りで
ある。（１）発熱体１１３に電流を流さず、ガス感応体１１５
を１００℃以下の低温にする。（２）検出部１１８でガス感応体１１５の電気抵抗値に
基づいてＣＯガス濃度を求め、不完全燃焼が生じている
かどうかを判定する。（３）発熱体１１３に通電してガス感応体１１５を３０
０℃以上の高温にしてガス感応体１１５の表面の汚れを
除去する。（４）高温状態のガス感応体１１５の電気抵抗値を検出
部１１８で測定し、メタンガスの濃度を測定し、ガス漏
れの有無を判定する。（５）発熱体１１３への通電を止めて発熱体１１３の発
熱を止め、ガス感応体１１５を１００℃以下の低温にす
る。（６）上記（１）〜（５）の手順を繰り返す。１回のヒ
ートサイクルに要する時間は約３０秒程度である。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】第１の例は接触燃焼式
ＣＯセンサ、第２の例は半導体式ＣＯセンサである。第
１の例のＣＯセンサでは、検知素子８６および比較素子
８７は、Ｐｔコイルの上に５％Ｒｈ−アルミナ触媒ある
いはアルミナ単体をビード状に形成して作られているた
め、表面積に対して体積が大きく、従って表面積に対す
る熱容量が大きくなり、ＣＯガス濃度検出速度が遅くな
るという問題がある。また、熱容量が大きいため、Ｐｔ
コイルに流す電流も大きくなり、消費電力が大きくなる
という問題がある。さらに、ビード状に形成された検知
素子８６および比較素子８７を用いて組立てるため多大
の工数を要し、量産化が難しくコストが高くなるという
問題がある。

【００１５】第２の例のＣＯセンサでは、ＳｉＯ₂の第
１膜１１２の下のシリコン基板１１１をエッチング除去
して切欠き部１１７を設けて熱容量を小さくしている。
これによりＣＯガス濃度検出速度は速くなるが、このよ
うなくり抜き形の切欠き部１１７を形成するのは中々難
しく、量産化が難しくコストが高くなるという問題があ
る。また、ＳｉＯ₂膜単独では感応体１１５を支える支
持力が弱いので、幅広い短冊状に作られたＰｔの発熱体
１１３をＳｉＯ₂膜１１２の上に設けてＳｉＯ ₂膜１１
２を補強している。このため、Ｐｔの発熱体１１３を加
熱するために大電流を要するのみでなく、中央部から端
部への温度勾配が大きく、感応体１１５の温度が均一で
なく、検出精度が悪くなるという問題がある。さらに、
第２の例のＣＯセンサでは、第１の例のような比較素子
がないため、周囲温度の変動による抵抗値の変動を補償
する事が出来ず、検出精度が悪いという問題がある。温
度補償をするためには外部から温度補償回路を取付けな
ければならないが、温度補償回路を取付けるとそれだけ
コストが高くなる上に、外部からの温度補償回路の取付
けでは十分な温度補償ができないという問題がある。

【００１６】本発明の目的は、検出速度が速く、検出精
度が高く、消費電力が小さく、量産化が容易で低コスト
で製造できるＣＯセンサを提供することにある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、一導電型シリ
コン基板と、このシリコン基板の上面に設けられた絶縁
膜と、薄膜抵抗膜で作られ中央部に設けられた加熱部と
この加熱部の両側から引き出される電極引出し部とから
構成され前記絶縁膜上に間隔をおいて平行に設けられた
二つのヒータと、このヒータを含む表面を覆う保護膜
と、前記ヒータの加熱部の上方に形成された感応部と温
度補償部と、前記シリコン基板を裏面から選択除去して
前記ヒータの加熱部の下の前記絶縁膜を露出させる凹部
とを備えたセンサ素子を有することを特徴とする。

【００１８】本発明は、前記絶縁膜が酸化シリコン膜と
窒化シリコン膜の二重膜で構成されていることを特徴と
する。

【００１９】本発明は、前記ヒータが細い薄膜抵抗膜を
複数回折り曲げて形成される加熱部と、この加熱部の両
側から引き出される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部
に接続し金属線ボンディング接続可能な広さを有する電
極引出し部とから構成されていることを特徴とする。

【００２０】本発明は、前記薄膜抵抗膜がＴｉ膜とにＰ
ｔ膜との二重膜で構成されていることを特徴とする。

【００２１】本発明は、前記二つのヒータの下方の前記
絶縁膜の下にそれぞれ均熱板が設けられたことを特徴と
する。

【００２２】本発明は、前記均熱板が反対導電型シリコ
ンで形成されていることを特徴とする。

【００２３】本発明は、前記感応部と温度補償部との間
に前記シリコン基板を貫通するスリット状の切欠部が設
けられていることを特徴とする。

【００２４】本発明は、前記感応部と温度補償部との間
に前記感応部と温度補償部とを熱遮蔽する障壁が前記シ
リコン基板の上方に設けられていることを特徴とする。

【００２５】

【作用】本発明では、センサ素子は、感応部と温度補償
部とが同一基板上に平行に形成されて、周囲温度の変動
によるヒータの抵抗値の変動を温度補償部が打ち消し、
反応熱によるヒータの抵抗値の上昇のみを純粋に取り出
せるように補償しているので、十分に正確なＣＯガスの
濃度検出が可能である。感応部と温度補償部とは熱絶縁
膜上に形成され、しかも熱絶縁膜の下部には凹部が形成
されているので、感応部と温度補償部とは十分に熱絶縁
されると同時に熱容量が小さくなっており、感度が向上
し、検出速度も速くなっている。

【００２６】本発明では、絶縁膜を酸化シリコン膜と窒
化シリコン膜の二重膜で構成した。熱膨張率の差のた
め、Ｓｉに対してＳｉＯ₂膜は圧縮応力を持ち、Ｓｉ₃
Ｎ₄膜は引張応力を持っている。ＳｉＯ₂膜単独である
と、ダイアフラムのコーナー部に亀裂が発生し易い傾向
があり、Ｓｉ₃Ｎ₄膜をシリコン基板に直接形成すると
Ｓｉ₃Ｎ₄膜に亀裂を生じ易い傾向がある。この亀裂発
生を抑えるためにＳｉとＳｉ₃Ｎ₄膜との間にＳｉＯ₂
膜を挟み、膜厚制御を行うことにより亀裂発生を抑える
ことができ、支持力を強くすることができる。

【００２７】絶縁膜を二重膜構造にして支持力を強くし
たので、絶縁膜を抵抗膜で補強してやる必要がなく、ヒ
ータは、薄膜抵抗膜を複数回折り曲げて形成される加熱
部と、この加熱部の両側から引き出される薄膜抵抗膜の
接続部と、この接続部に接続し金属線ボンディング接続
可能な広さを有する電極引出し部とから成る形にするこ
とができる。ヒータをこのような形にすることにより、
少ない電流で中央部の必要な部分のみ集中的に加熱で
き、中央部の加熱部の温度分布が均一になり、検出精度
を向上させると共に消費電力を低減することができる。

【００２８】ヒータを中央部の加熱部のみ集中的に加熱
できるようにすると、電流集中により局部的に発熱し易
くなり、加熱部が断線し易くなる傾向がでてくる。ヒー
タの加熱部の温度を均一にして電流集中による局部発熱
を防止し、加熱線部分の断線を防止するために均熱板を
設ける。

【００２９】薄膜抵抗膜をＴｉ膜とＰｔ膜との二重膜で
構成すると、その下の保護膜との密着性が良くなり、膜
剥がれが起こらず、歩留りが向上し、コストダウンを図
ることができる。

【００３０】均熱板は、反対導電型高濃度不純物領域の
シリコンで厚さ数μｍに作るのがよい。反対導電型高濃
度不純物領域にするのは、高濃度不純物領域が低濃度不
純物領域よりもエッチング速度が遅いことが利用でき、
エッチングの過不足がなく、反対導電型高濃度不純物領
域と同じ形の均熱板を形成することができるからであ
る。

【００３１】感応部と温度補償部との間にシリコン基板
を貫通するスリット状の切欠部を設けることにより、感
応部と温度補償部との間が十分に熱絶縁され、感応部で
発生した反応熱が温度補償部へ移動して温度補償部の周
囲温度を乱すのを防ぎ、温度補償部が周囲温度を正確に
補償する。これによりＣＯガスの濃度検出精度が高めら
れている。

【００３２】感応部と温度補償部との間に熱遮蔽用障壁
を設けると、障壁は、感応部で発生した反応熱がガスに
よって温度補償部へ運ばれ、温度補償部の周囲温度を上
昇させ、温度補償が乱されるのを防ぎ、ＣＯガスの濃度
検出精度を高める。

【００３３】

【実施例】図１は本発明のＣＯセンサの第１の実施例の
センサ素子の平面図、Ａ−Ａ´断面図およびＢ−Ｂ´断
面図である。

【００３４】結晶方位〔１００〕のシリコン基板１の両
面にＳｉＯ₂膜４ａ，４ｂ、Ｓｉ₃Ｎ₄膜５ａ，５ｂを
設けて熱絶縁膜とする。Ｓｉ₃Ｎ₄膜５ａの上面にＴｉ
膜とＰｔ膜の二重層から成る薄膜抵抗膜を形成し、パタ
ーニングして間隔をおいて平行に形成される二つのヒー
タ６，７を設ける。ヒータ６，７は、中央部に細い薄膜
抵抗膜を多数回折り曲げられて形成された加熱部と、こ
の加熱部の両側から引き出される薄膜抵抗膜の接続部
と、この接続部に接続して金属線ボンディング接続可能
な広さを有する電極引出し部とから構成される。表面を
保護膜８で被覆し、選択エッチングして電極引出し用の
コンタクト窓６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂをあける。保護膜
８は、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄またはＰＳＧ（りん珪酸ガ
ラス）の単層または多層の膜からなり、ＣＶＤ法，スパ
ッタ法などで形成される。ヒータ６の加熱部の上方の保
護膜８の上にＲｈ粉末５％とアルミナ粉末９５％との混
合物で感応部１０を形成し、ヒータ７の加熱部の上方の
保護膜８の上にアルミナ単体で温度補償部１１を形成す
る。温度補償部１１は、周囲温度の変動によるヒータ６
の抵抗値の変動を補償するためのものであるから、感応
部１０と同じ熱容量になるように形成する。マスクを設
け、シリコン基板１を裏面から選択エッチして感応部１
０と温度補償部１１の下に凹部１２を形成してＳｉＯ₂
膜４ａを露出させると同時に、感応部１０と温度補償部
１１との間にシリコン基板１を貫通する矩形の切欠部９
を形成する。切欠部９は、感応部１０と温度補償部１１
との間を熱絶縁し、検出精度を向上させるためのもので
ある。凹部１２のヒータ６，７の加熱部の下にそれぞれ
均熱板３ａ，３ｂを形成する。

【００３５】このセンサ素子は、図１０に示した検出回
路と同様に、感応部１０と温度補償部１１とが固定抵抗
Ｒ₁，Ｒ₂、可変抵抗Ｒ_V、検出回路１０１とでブリッ
ジに組まれ、直流電源Ｅに接続される。ＣＯガスが感応
部１０に触れると、触媒作用により素子表面で酸化さ
れ、反応熱が生じる。この反応熱によりヒータ６の抵抗
値が上昇する。するとブリッジ回路の平衡が崩れ、検出
回路１０１に電流が流れる。検出回路１０１はこの電流
値を測定してＣＯガスの濃度を算出する。

【００３６】このセンサ素子は、感応部１０と温度補償
部１１とが同一基板上に平行に形成され、周囲温度の変
動によるヒータ６の抵抗値の変動を温度補償部１１が打
ち消し、反応熱によるヒータ６の抵抗値の上昇のみを純
粋に取り出せるように補償しているので、十分に正確な
ＣＯガスの濃度検出が可能である。感応部１０と温度補
償部１１とはＳｉＯ₂膜４ａとＳｉ₃Ｎ₄膜５ａとから
成る熱絶縁膜上に形成され、しかも熱絶縁膜の下部には
凹部１２が形成されているので、感応部１０と温度補償
部１１とは十分に熱絶縁されると同時に熱容量が小さく
なっており、感度が向上し、検出速度も速くなってい
る。

【００３７】熱膨張率の差のため、Ｓｉに対してＳｉＯ
₂膜は圧縮応力を持ち、Ｓｉ₃Ｎ₄膜は引張応力を持っ
ている。ＳｉＯ₂膜単独であると、ダイアフラムのコー
ナー部に亀裂が発生し易い傾向があり、Ｓｉ₃Ｎ₄膜を
シリコン基板に直接形成するとＳｉ₃Ｎ₄膜に亀裂を生
じ易い傾向がある。この亀裂発生を抑えるためにＳｉと
Ｓｉ₃Ｎ₄膜との間にＳｉＯ₂膜を挟み、膜厚制御を行
うことにより亀裂発生を抑えることができる。この理由
からＳｉＯ₂−Ｓｉ₃Ｎ₄二重膜構造にするのである。
絶縁膜を二重膜構造にすることにより支持力が強くな
る。

【００３８】絶縁膜を二重膜構造にして支持力を強くし
たので、図１１で説明した従来例のように絶縁膜を抵抗
膜で補強してやる必要がなくなる。それ故、ヒータ６，
７は、図１に示すように、薄膜抵抗膜を複数回折り曲げ
て形成される加熱部と、この加熱部の両側から引き出さ
れる薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続し金属線
ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し部とか
ら成る形にすることができる。ヒータ６，７をこのよう
な形にすることにより、少ない電流で中央部の必要な部
分のみ集中的に加熱でき、また細い薄膜抵抗膜の接続部
を設けたので熱伝導が小さくなって温度勾配が小さくな
り、中央部の加熱部の温度分布が均一になり、検出精度
を向上させると共に消費電力を低減することができる。
例えば、図８、図９に示したコイルを使用する従来のＣ
Ｏセンサでは消費電力が６００ｍＷであったのに対し
て、本発明品では消費電力が８０ｍＷまで下げることが
でき、消費電力を従来の１／７以下に低減することがで
きる。

【００３９】ヒータ６，７を中央部の加熱部のみ集中的
に加熱できるようにすると、電流集中により局部的に発
熱し易くなり、加熱部が断線し易くなる傾向がでてく
る。ヒータ６，７の加熱部の温度を均一にして電流集中
による局部発熱を防止し、加熱線部分の断線を防止する
ために均熱板３ａ，３ｂを設ける。

【００４０】ヒータ６，７を構成する薄膜抵抗膜をＴｉ
膜とＰｔ膜の二重層で形成すると、保護膜８との密着性
が良くなり、不良率を低減でき、コストダウンが図れ
る。

【００４１】保護膜８は、ヒータ６，７の短絡を防ぐと
同時に、ヒータ６，７と感応部１０，温度補償部１１と
が接触して反応するのを防ぐ絶縁膜の働きをする。保護
膜８は、絶縁膜であること、感応部１０，温度補償部１
１を構成しているアルミナとなじみがよいこと、熱伝導
率が高く、反応熱や周囲温度を素早くヒータに伝えるこ
と、ガスに対する耐蝕性が良好であること等が要求され
る。それ故、保護膜８は、ＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄または
ＰＳＧ（りん珪酸ガラス）の単層または多層の膜で作ら
れる。

【００４２】均熱板３ａ，３ｂは、反対導電型高濃度不
純物領域であるＰ⁺型シリコンで厚さ数μｍに作るのが
よい。反対導電型高濃度不純物領域にするのは、高濃度
不純物領域が低濃度不純物領域よりもエッチング速度が
遅いことが利用でき、凹部１２形成のエッチングと同時
に反対導電型高濃度不純物領域と同じ形の均熱板を形成
することができるからである。

【００４３】切欠部９は、シリコン基板１を貫通するス
リット状に設けられることにより、感応部１０と温度補
償部１１との間を十分に熱絶縁し、感応部１０と温度補
償部１１との間に熱の移動が起こり感応部１０で発生し
た反応熱により温度補償部１１の周囲温度が乱されるの
を防ぎ、温度補償部１１が周囲温度を正確に補償するの
を助けている。これによりＣＯガスの濃度検出精度が高
められる。

【００４４】次に、第１の実施例のセンサ素子の製造方
法について説明する。

【００４５】図２は第１の実施例のセンサ素子の製造方
法を説明するための工程順に示した断面図である。

【００４６】まず、図２（ａ）に示すように、結晶方位
〔１００〕のＮ型シリコン基板１の利用面にＳｉＯ₂膜
４２ａ，４２ｂを約７５０ｎｍの厚さに設け、ホトリソ
グラフィ技術によって上面のＳｉＯ₂膜４２ａに窓をあ
け、Ｐ型不純物を高濃度に導入してＰ⁺型領域４３ａ，
４３ｂ（Ｐ⁺型領域４３ｂは図示されず）を形成する。

【００４７】次に、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＯ₂
膜４２ａ，４２ｂを除去し、新しくＳｉＯ₂膜４ａ，４
ｂを約５００ｎｍの厚さに設け、その上にＳｉ₃Ｎ₄膜
５ａ，５ｂを約８０ｎｍの厚さに設ける。

【００４８】次に、図２（ｃ）に示すように、リフトオ
フ法を用いてヒータ６、ヒータ７（ヒータ７は図１参
照）を形成する。リフトオフ法を用いるヒータ６，７の
形成は次のように行う。まず、表面にホトレジストを塗
布し、ヒータ６，７のパターンを有するマスクで露光
し、現像してホトレジストのパターンを形成する。上方
からＴｉとＰｔを順次被着してＴｉ−Ｐｔ二重膜の薄膜
抵抗膜を形成し、ホトレジストを溶解してホトレジスト
の上のＴｉ−Ｐｔ膜をホトレジストと共に除去し、ホト
レジストのなかった部分のみにヒータ６，７を残す。ヒ
ータ６，７は、中央部に薄膜抵抗膜を多数回折り曲げら
れて形成された加熱部と、この加熱部の両側から引き出
される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続して金
属線ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し部
とから構成される。

【００４９】次に、図２（ｄ）に示すように、表面にＣ
ＶＤ法またはスパッタ法でＳｉＯ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、また
はＰＳＧ（りん珪酸ガラス）等を単層または多層に堆積
して保護膜８を形成する。ホトリソグラフィ技術とドラ
イエッチング法によって保護膜８をパターニングしてヒ
ータ６，７の両端に電極引出し用のコンタクト窓６ａ，
６ｂ，７ａ，７ｂ（コンタクト窓７ａ，７ｂは図１参
照）をあける。

【００５０】次に、図２（ｅ）に示すように、シリコン
基板１の下面のＳｉ₃Ｎ₄膜５ｂにマスクを設け、Ｐ⁺
型領域４３ａ，４３ｂの下方と切欠部９を形成すべき領
域の下方のＳｉ₃Ｎ₄膜５ｂ、ＳｉＯ₂膜４ｂ、および
切欠部９を形成すべき領域の上方のＳｉ₃Ｎ₄膜５ａ、
ＳｉＯ₂膜４ａをエッチング除去する。Ｓｉ₃Ｎ₄膜５
ａ，５ｂ、ＳｉＯ₂膜４ａ，４ｂをマスクにしてシリコ
ン基板１を異方性エッチングして凹部１２を形成するこ
とにより前記のＰ⁺型領域４３ａ，４３ｂとその周辺の
ＳｉＯ₂膜４ａを露出させて均熱板３ａ，３ｂ（均熱板
３ｂは図１参照）を形成すると同時に切欠部９（図１参
照）を形成する。エッチング液にはＴＭＡＨ（テトラメ
チルアンモニウムハイドロオキサイド）が適する。ＴＭ
ＡＨはＳｉＯ₂膜を余りエッチングせずにシリコンをエ
ッチングするからである。Ｐ⁺型領域にするのは、高濃
度不純物領域が低濃度不純物領域よりもエッチング速度
が遅いことを利用している。これを利用すると、Ｐ⁺型
領域４３ａ，４３ｂの所でエッチングが自然に止まり、
エッチングの過不足が起こらず、Ｐ⁺型領域４３ａ，４
３ｂと同じ形の均熱板３ａ，３ｂを形成することができ
る。

【００５１】次に、図２（ｆ）に示すように、保護膜８
上に感応部１０と温度補償部１１（図１参照）を形成す
る。感応部１０は、Ｒｈ粉末５％とアルミナ粉末９５％
とアルミナ系バインダと水とを混合してペーストを作
り、このペーストをヒータ６の上の保護膜８上に塗布
し、約７００℃で焼成して作る。温度補償部１１は、ア
ルミナ粉末とアルミナ系バインダと水とを混合してペー
ストを作り、このペーストをヒータ７の上の保護膜８上
に塗布し、約７００℃で焼成して作る。焼成は感応部１
０と温度補償部１１と同時に行う。温度補償部１１は、
周囲温度の変動によるヒータ６の抵抗値の変動を補償す
るためのものであるから、感応部１０と同じ熱容量にな
るように形成する。これによりＣＯセンサのセンサ素子
が形成される。

【００５２】図３は本発明のＣＯセンサの第１の実施例
の一部切欠き斜視図である。

【００５３】センサ素子を収容するハウジングは、ステ
ム２１とキャップ２３とからなる。ステム２１にはリー
ド線２２が４本引き出されている。キャップ２３は、円
筒形で上面が閉ざされたコップ状に作られ、側面にガス
流通のため二つの切欠部２４ａ．２４ｂが設けられてい
る。見やすくするため、図３ではキャップ２３の半分を
切欠いて示してある。ステム２１に図１に示したセンサ
素子を固着し、金属細線２５でセンサ素子のヒータのコ
ンタクト窓６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂとリード線２２とを
ボンディング法で接続する。しかる後、キャップ２３を
ステム２１に溶接する。

【００５４】二つの切欠部２４ａ．２４ｂから導入され
たガス中のＣＯガスが感応部１０に触れると、触媒作用
により素子表面が酸化され、反応熱が生じる。この反応
熱によりヒータ６の抵抗値が上昇する。この抵抗値の変
化をブリッジ回路で測定してＣＯガスの濃度を検出す
る。温度補償部１１は、周囲温度の変動によるヒータ６
の抵抗値の変動を打ち消し、反応熱によるヒータ６の抵
抗値の上昇のみを純粋に取り出せるように補償する作用
をする。

【００５５】図４は本発明のＣＯセンサの第２の実施例
のセンサ素子の平面図、Ｃ−Ｃ´断面図およびＤ−Ｄ´
断面図である。

【００５６】第２の実施例のセンサ素子には、シリコン
基板１を貫通する切欠部が設けられていない。これが第
１の実施例と異なる点であり、これ以外は第１の実施例
と同じである。切欠部がないと、熱絶縁性が少し悪くな
るが、チップ面積を小さくすることができ、小型化を図
るときに有効である。

【００５７】図５は本発明のＣＯセンサの第３の実施例
のセンサ素子の平面図、Ｅ−Ｅ´断面図、Ｆ−Ｆ´断面
図およびＧ−Ｇ´断面図、図６は図５のガラス熱遮蔽体
の平面図、図７は図５に示す第３の実施例のセンサ素子
の分解斜視図である。

【００５８】シリコン基板１に形成するセンサ素子は、
第１の実施例と全く同じである。第３の実施例では、感
応部１０と温度補償部１１との熱絶縁をさらに良くする
ため、ガラス製の熱遮蔽体５１をセンサ素子の上に取り
付ける。ガラス熱遮蔽体５１は、直方体のガラス板の感
応部１０と温度補償部１１の上方の部分に切欠部５６
ａ，５６ｂを設けて感応部１０と温度補償部１１とにガ
スが流れるようにすると同時に感応部１０と温度補償部
１１との間に障壁５２を形成して感応部１０と温度補償
部１１との間を熱絶縁している。また、ヒータ６，７の
コンタクト窓６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂの上方の部分に切
欠部５７ａ，５７ｂ〜５８ａ，５８ｂを設けて金属線ボ
ンディングによる接続ができるようにすると同時に壁５
４ａ，５４ｂ〜５５ａ，５５ｂを設けて熱遮蔽してい
る。さらにまた、壁５３ａ，５３ｂを設けて熱遮蔽する
と同時に壁５３ａ，５３ｂの下に切欠部５６ａ，５９ｂ
を設けてガスが流れるようにしている。障壁５２は、感
応部１０で発生した反応熱がガスによって温度補償部１
１へ運ばれ、温度補償部１１の周囲温度を上昇させ、温
度補償が乱されるのを防いでいる。

【００５９】上記実施例では、熱遮蔽体５１をガラスで
作ったが、これに限定されず、セラミックで作ることも
でき、同様の熱遮蔽効果を得ることができる。

【００６０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明では、シリ
コン基板に熱絶縁膜を設け、その上に感応部と温度補償
部とを間隔をおいて設け、これらの下のシリコンを除去
した熱絶縁構造としたので、温度補償されると同時に熱
容量が小さくなり、検出速度が速いＣＯセンサを得るこ
とができる。

【００６１】本発明では、熱絶縁膜をＳｉＯ₂膜とＳｉ
₃Ｎ₄膜の二重膜にして強度を大きくし、ヒータを中央
部の加熱部とこの加熱部の両側から引き出される電極引
出し部とから構成形にすることにより、少ない電流で中
央部の必要な部分のみ集中的に加熱するようにしたの
で、検出精度を向上させると共に消費電力を従来の約１
／７以下に低減したＣＯセンサを得ることができる。ま
た、均熱板をヒータの下に設け、電流集中による局部発
熱を防止し、加熱線部分の断線を防止ようにしたので、
長寿命のＣＯセンサを得ることができる。

【００６２】本発明では、感応部と温度補償部との間に
スリット状の切欠部を設けて感応部と温度補償部との間
が十分に熱絶縁されるようにしたので、周囲温度を正確
に補償し、ガス濃度検出精度が高められたＣＯセンサを
得ることができる。さらに、感応部と温度補償部との間
に熱遮蔽する障壁を設け、熱絶縁を一層良くしたので、
周囲温度をさらに正確に補償でき、ガス濃度検出精度を
一層高めたＣＯセンサを得ることができる。

【００６３】本発明では、通常の半導体製造技術で製造
できる構造と材料と製造プロセスを採用したので、量産
化が容易で低コストのＣＯセンサを得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＣＯセンサの第１の実施例のセンサ素
子の平面図、Ａ−Ａ´断面図およびＢ−Ｂ´断面図であ
る。

【図２】図１に示す第１の実施例のセンサ素子の製造方
法を説明するための工程順に示した断面図である。

【図３】本発明のＣＯセンサの第１の実施例の一部切欠
き斜視図である。

【図４】本発明のＣＯセンサの第２の実施例のセンサ素
子の平面図、Ｃ−Ｃ´断面図およびＤ−Ｄ´断面図であ
る。

【図５】本発明のＣＯセンサの第３の実施例のセンサ素
子の平面図、Ｅ−Ｅ´断面図、Ｆ−Ｆ´断面図およびＧ
−Ｇ´断面図である。

【図６】図５のガラス熱遮蔽体の平面図である。

【図７】図５に示す第３の実施例のセンサ素子の分解斜
視図である。

【図８】従来のＣＯセンサの第１の例の一部切欠き斜視
図である。

【図９】図８に示す検出素子および比較素子の断面図で
ある。

【図１０】図８に示すＣＯセンサの検出回路の回路図で
ある。

【図１１】従来のＣＯセンサの第２の例の平面図および
断面図である。

【符号の説明】

１Ｎ型シリコン基板３ａ，３ｂ均熱板４ａ，４ｂＳｉＯ₂膜５ａ，５ｂＳｉ₃Ｎ₄膜６ヒータ（感応部用）７ヒータ（温度補償部用）８保護膜９切欠部１０感応部１１温度補償部２１ステム２２リード線２３キャップ２４ａ，２４ｂ切欠部２５接続線４３ａＰ⁺型領域

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】一導電型シリコン基板と、このシリコン
基板の上面に設けられた絶縁膜と、薄膜抵抗膜で作られ
中央部に設けられた加熱部とこの加熱部の両側から引き
出される電極引出し部とから構成され前記絶縁膜上に間
隔をおいて平行に設けられた二つのヒータと、このヒー
タを含む表面を覆う保護膜と、前記ヒータの加熱部の上
方に形成された感応部と温度補償部と、前記シリコン基
板を裏面から選択除去して前記ヒータの加熱部の下の前
記絶縁膜を露出させる凹部とを備えたセンサ素子を有す
ることを特徴とするＣＯセンサ。
【請求項２】前記絶縁膜が酸化シリコン膜と窒化シリ
コン膜の二重膜で構成されていることを特徴とする請求
項１記載のＣＯセンサ。
【請求項３】前記ヒータが細い薄膜抵抗膜を複数回折
り曲げて形成される加熱部と、この加熱部の両側から引
き出される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続し
金属線ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し
部とから構成されていることを特徴とする請求項１記載
のＣＯセンサ。
【請求項４】前記薄膜抵抗膜がＴｉ膜とＰｔ膜との二
重膜で構成されていることを特徴とする請求項１または
請求項３記載のＣＯセンサ。
【請求項５】前記二つのヒータの下方の前記絶縁膜の
下にそれぞれ均熱板が設けられたことを特徴とする請求
項１記載のＣＯセンサ。
【請求項６】前記均熱板が反対導電型シリコンで形成
されていることを特徴とする請求項５記載のＣＯセン
サ。
【請求項７】前記感応部と温度補償部との間に前記シ
リコン基板を貫通するスリット状の切欠部９が設けられ
ていることを特徴とする請求項１記載のＣＯセンサ。
【請求項８】前記感応部と温度補償部との間に前記感
応部と温度補償部とを熱遮蔽する障壁が前記シリコン基
板の上方に設けられていることを特徴とする請求項１記
載のＣＯセンサ。