JPH08122162A - 熱依存性検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 発熱又は感温材料を有する基板の熱容量をで
きるだけ小さくして、前記発熱又は感温材料を周囲の雰
囲気温度に迅速に追従するようにし、もって、前記発熱
又は感温材料の応答特性を改善する。 【構成】 空洞２を有する基板１と、該空洞２の上部に
配設されたブリッジ３と、該ブリッジの上に配設された
発熱又は感温部材４とを有し、該発熱又は感温部材４に
電流を流して該発熱又は感温部材の抵抗値を測定し、該
抵抗値より周囲雰囲気の温度に依存する被測定対象を測
定する。前記基板１の裏面側が切除されて該基板の厚さ
が薄く形成され熱容量が小さくされている（図１
（ｃ））。図１（ａ）は、空洞２を形成する前の図、図
１（ｂ）は、基板１に空洞２を形成した図（従来技術）
で、基板１の厚さが厚く、熱容量が大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱依存性検出装置、よ
り詳細には、温度，湿度，ガス，赤外線，圧力，真空
度，加速度，流量・流速等，測定値が熱（温度）に依存
する被測定対象の物理量を測定する装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の検出装置の一例を説明す
るための構成図で、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は
図５（ａ）のＢ−Ｂ線断面図を示し、図中、１は、例え
ば、Ｓｉ基板、２は該Ｓｉ基板１に設けられた空洞で、
周知のように、該空洞２の上部には、例えば、Ｓｉ
Ｏ₂，Ｔａ₂Ｏ₅等のような絶縁膜３からなるブリッジが
架けられ、該ブリッジの上には、例えば、Ｐｔ，ＮｉＣ
ｒ等からなる抵抗体パターン４，４ａが配設され、更
に、該抵抗体パターン４，４ａの上には、ＳｉＯ₁，Ｔ
ａ₂Ｏ₅等からなる保護膜５が設けられ、これら１乃至５
によって、検出チップ１０を形成している。６はボンデ
ングワイヤで、該ボンデングワイヤ６を通して前記抵抗
体パターン４に電流が流され、該抵抗体パターン４は、
その発熱部及び／又は感温（熱）部Ａが加熱される。

【０００３】上述のごとき検出器を用いて、例えば、湿
度を測定する場合を例に説明すると、抵抗４の抵抗値が
周囲の温度及び湿度に依存するため、例えば、最初に湿
度感度が０になるような微少電流を流して周囲温度に関
する抵抗値を測定し、次いで、湿度感度を有する電流を
流して周囲温度及び湿度に関する抵抗値を測定し、次い
で、この温度及び湿度に関する測定値から前記温度に関
する測定値を差し引いて、周囲の湿度を測定するように
している。

【０００４】上述のごとき検出装置は、半導体及び集積
回路の微細加工技術を用いて、基板１と空間を隔てて
（基板１に空洞２を設けて基板１との熱伝導を避けて）
発熱又は感温部Ａを形成しているが、チップは半導体製
造技術の通常の程度からして、そのサイズは厚さ０.１
〜２mm、広さ０.５×０.５mm〜１０×１０mmである。こ
の寸法内に上述の空洞２を設けると、発熱部又は感温部
Ａと空洞壁２ｂの距離が、特に、空洞底部２ａに対して
５０〜３００μmと接近してしまい、大きな間隔をとれ
ない。この距離が近いと、発熱部Ａよりはるかに熱容量
の大きい基板１の温度状態により発熱部が影響を受けて
しまい、せっかくの空洞部による熱絶縁の効果がなくな
ってしまう。すなわち、基板１からの熱輻射および空洞
２内の雰囲気の熱伝導が距離が近いために、このような
熱絶縁の効果がなくなってしまうという欠点を生ずる。

【０００５】図６は、従来の検出装置の他の例を説明す
るための要部構成図で、図中、１は基板、２は空洞、３
は絶縁膜、４は発熱又は感温材料、４ａは該発熱又は感
温材料４に対するリードパターン、６はボンデングワイ
ヤ、７はリードワイヤ、８はパッケージベース、９はパ
ッケージキャップで、基板１乃至感温材料４よりなる検
出チップ１０は、図５の場合と同様にして、周囲の温
度，湿度，その他の物理量を測定する。

【０００６】上述のごとき検出装置において、基板上の
感温材料４が受ける熱の影響として、周辺基板１からの
熱輻射（ａ₁）、外部パッケージ９からの熱輻射
（ａ₂）、ブリッジのサスペンションからの熱伝導
（ｂ₁）、パッケージベース８からの熱伝導（ｂ₂）、周
辺の対流（ｂ₃）の熱伝導等がある。この感温材料４の
周囲温度の変化に対する応答時間は、周囲温度が８０℃
である状態を２０℃にした場合、感温材料が２０℃にな
るまでに約２０minを要する。感温材料４は、基板１の
空洞部２を介しているため、パッケージ８,９や基板１
と接触しておらず、しかも、微小熱容量であることもあ
り、もっと急速に周囲雰囲気の温度になじんでも良いも
のと考えられるが、実際は、上述のように多大な時間を
要してしまう。因に、パッケージベースの応答時間も約
２０minである。従って、感温材料は空洞部が有っても
無くても応答時間は短くならない。

【０００７】上述のごとき検出装置においては、発熱又
は感温部の材料及びその配置をアレンジすることによ
り、例えば、温度，湿度，ガス，赤外線，圧力，真空
度，加速度，流量・流速等を被測定対象の物理現象とし
て、以下の１乃至７の原理、すなわち、 １．電気抵抗体の抵抗値変化として、 ２．雰囲気を脱吸着させる感応膜を有し、該感応膜の電
気抵抗値が変化するものとして、 ３．雰囲気を脱吸着させる感応膜を有し、該感応膜の静
電容量が変化するものとして、 ４．雰囲気を脱吸着させる感応膜を有し、該感応膜の重
量変化を共振周波数変化として、 ５．雰囲気を脱吸着させる感応膜を有し、該感応膜の化
学反応により反応熱を生じ、この熱を別の抵抗体の抵抗
値変化として、 ６．温度変化を熱電対膜の出力電圧変化として、 ７．たわみ量をピエゾ抵抗効果の出力電圧変化として、
利用することにより測定される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】前記１乃至７の測定原
理を用いて被測定対象の物理量を測定する場合、その測
定値は、温度により影響を受けるものであるから、被測
定対象の温度が正確に分っていないと、意味のない測定
結果になってしまう。例えば、気体の圧力をピエゾ抵抗
によって検出する際に、その気体の温度が分っていない
と、正確な圧力は分らない。気体の温度とピエゾ抵抗の
温度（ピエゾ抵抗に温度依存性がある）が、ある知られ
た関係にあれば良いが、そうでない場合には、温度補償
なる手段により解決しようとする。しかし、温度平衡に
なるまでピエゾ抵抗を気体中に放置すれば別であるが、
実際には、気体の温度変動とピエゾ抵抗の温度変動がピ
エゾ抵抗の多大なる熱容量が原因で追従できない。その
結果、温度補償が不完全になってしまう。

【０００９】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなさ
れたもので、特に、空洞部を有する基板と、該空洞部の
上に発熱又は感温材料を有する検出装置において、前記
基板の熱容量をできるだけ少さくし、もって、前記発熱
又は感温材料の応答特性を改善することを目的としてな
されたものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、（１）空洞を有する基板と、該空洞の上
部に配設されたブリッジと、該ブリッジの上に配設され
た発熱及び／又は感温部材とを有し、該発熱及び／又は
感温部材に電流を流して該発熱及び／又は感温部材の抵
抗値を測定し、該抵抗値より周囲雰囲気の温度に依存す
る被測定対象を測定する熱依存性検出装置において、前
記基板の裏面側が切除されて該基板の厚さが薄く形成さ
れていること、更には、（２）空洞を有する基板と、該
空洞の上部に配設されたブリッジと、該ブリッジの上に
配設された発熱及び／又は感温部材とを有し、該発熱及
び／又は感温部材に電流を流して該発熱及び／又は感温
部材の抵抗値を測定し、該抵抗値より周囲雰囲気の温度
に依存する被測定対象を測定する熱依存性検出チップ
と、該検出チップを収容するパッケージキャップとを有
し、前記検出チップを前記パッケージキャップに一体的
に取り付けられたサポートビーム上に配設したこと、更
には、（３）空洞を有する基板と、該空洞の上部に配設
されたブリッジと、該ブリッジの上に配設された発熱及
び／又は感温部材とを有し、該発熱及び／又は感温部材
に電流を流して該発熱及び／又は感温部材の抵抗値を測
定し、該抵抗値より周囲雰囲気の温度に依存する被測定
対象を測定する熱依存性検出チップと、該検出チップを
収容するパッケージキャップと、前記検出チップを取り
付けるためのベースプレートを有し、該ベースプレート
に通気孔を有し、該通気孔上に、前記検出チップをダイ
ボンデングしたメッシュを配設したこと、更には、
（４）空洞を有する基板と、該空洞の上部に配設された
ブリッジと、該ブリッジの上に配設された発熱及び／又
は感温部材とを有し、該発熱及び／又は感温部材に電流
を流して該発熱及び／又は感温部材の抵抗値を測定し、
該抵抗値より周囲雰囲気の温度に依存する被測定対象を
測定する熱依存性検出チップと、該検出チップを搭載す
るベースプレートとを有し、該ベースプレートが多数の
通気孔を有するメッシュプレートであることを特徴とし
たものである。

【００１１】

【作用】基板の空洞上部に発熱又は感温材料を有する検
出装置において、前記基板の熱容量をできるだけ小さく
して、前記発熱又は感温材料を周囲の雰囲気温度に迅速
に追従するようにし、もって、前記発熱又は感温材料の
応答特性を改善する。

【００１２】

【実施例】図１は、本発明の一実施例（請求項１）を説
明するための要部断面構成図で、図中、１は基板、２は
該基板１に形成された空洞、３は絶縁膜で、空洞２の上
部では、片持梁式又は両持梁式にブリッジに形成されて
いる。４は該ブリッジ上に形成された発熱又は感温材
料、５は保護膜（なお、全図を通して同様の作用をする
部分には同一の参照番号が付してある）で、これら１乃
至５により検出チップ１０を形成し、図５,６に示した
従来技術と同様にして、例えば、周囲の雰囲気を測定す
る。例えば、発熱又は感温材料４が抵抗体であるとすれ
ば、この抵抗体の抵抗値を測定することにより周囲の温
度を測定し、或いは、例えば、イオン性解離基を有する
高分子材料であるとすれば、この高分子材料の抵抗値を
測定し、その測定値より周囲の湿度を測定することがで
きる。

【００１３】図１において、（ａ）は空洞２を形成する
前の状態を示す図、（ｂ）は空洞２を形成した後の状態
を示す図（従来の検出チップ）、（ｃ）は本発明によっ
て製作された検出チップを示す図で、本発明において、
基板１の表面に空洞２をエッチングにて形成する時に、
同時に基板１の裏面全面をエッチングして全体を薄く
し、もって、基板全体の熱容量を小さくしたものであ
る。エッチングプロセスとして、Ｓｉ（１００）基板の
表面から所定のＳｉ露出面を異方的にエッチングを行う
と、エアブリッジもしくはカンチレバー形状のパターン
が空洞２の上部に形成される。その際、裏面も同時にエ
ッチングすれば、基板全体を薄くすることができる。こ
のプロセスは、特に特別な手間を要することなく、基板
全体をヒドラジン水溶液やエチレンジアミンナピロガロ
ール水溶液やＫＯＨ水溶液などの異方性エッチャントに
ディップ処理することで容易にできる。これにより、表
面からの空洞部形成と裏面全面のエッチングが同時に実
現し、基板の熱容量を小さくすることができる。

【００１４】ＩＣやトランジスタの場合、チップの発熱
を極力小さくするために、チップで発生した熱をパッケ
ージベースにできるだけ迅速に放熱させなければならな
い。そのため、チップをパッケージベースに接着する際
に、その接着材料としてＡｇやＡｕＳｉ共晶合金のよう
な熱伝導率の大きいものを選択する。同様に、図１
（ｃ）に示した本発明による検出チップ１０も、図６に
示したように、例えば、パッケージベース（ベースプレ
ート）８へダイボンドペースト１１を用いてダイボンド
を行っているが、その際、基板の熱容量が大きいほど発
熱部に対する影響が大きくなるので、図６に示したよう
な実装構造であると、基板の熱容量がパッケージベース
をさらに含んだ全体に及ぶことになり、周囲温度を検出
する上で、この熱容量の大きさが欠点となる。

【００１５】図２は、本発明の他の実施例（請求項２）
を説明するための断面図及び平面図で、図中、１２はパ
ッケージキャップ９に設けられたサポートビームで、本
発明においては、このサポートビーム１２の上に検出チ
ップ１０が配設された構造を採っている。図６に示した
様に、熱容量の大きいパッケージベース８へ検出チップ
１０をダイボンデングすると、検出チップ１０の熱容量
にベースの容量分が付加される。周囲雰囲気温度の急変
動に充分対応する速さで追従するためには、より熱容量
を小さくしなければならない。そのためには、より熱容
量の小さい、かつ、雰囲気と接触面積のあるキャップ面
に検出チップを取り付けた方が良い。さらには、チップ
壁に直接接着するよりも、キャップ壁にサポートビーム
１２を取付け、そのサポートビームの先端に取付けた方
が効果が増す。図２に示した実施例は、上述のごとき諸
点を考慮してなされたものである。

【００１６】図３は、本発明の他の実施例（請求項３）
を説明するための図で、この実施例は、図３（ｂ）に示
すように、検出チップ１０を通気性のあるメッシュ１３
の上にダイボンデングし、これを図３（ａ）に示すよう
に、通気孔８ａが設けられているパッケージケース８に
取り付けるようにしたものである。このように、検出チ
ップ１０をメッシュ１３上に設置し、これをベースプレ
ート８の通気孔８の上に配設すると、パッケージケース
９からの熱が検出チップ１０へ伝えにくく、比較的簡単
な構成で発熱又は感温部材を周囲雰囲気の温度になじま
すことができる。

【００１７】図４は、本発明の他の実施例（請求項４）
を説明するための平面図及び断面図で、この実施例は、
検出チップ１０を取り付けるベースプレートの全部又は
一部にメッシュ（通気孔）が形成されたメッシュベース
１４を使用するようにしたもので、このようにすると、
より簡便にパッケージキャップ９からの熱を検出チップ
１０に伝達しないようにすることができる。

【００１８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、発熱又は感温部材が配設されている検出チッ
プの基板自身の熱容量或いは該検出チップを搭載してい
るサポート部材とを含めた全体の熱容量を小さくし、更
には、該検出チップを収容してパッケージキャップから
の熱の伝達を遮るようにしたので、該発熱又は感温部材
が周囲部材からの熱の影響を受けにくく、該発熱又は感
温部材が周囲雰囲気の温度になじみ易く、従って、迅速
かつ正確に周囲雰囲気の物理量を測定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明による熱依存性検出装置の一実施例
（請求項１）を説明するための要部断面図である。

【図２】 本発明の他の実施例（請求項２）を説明する
ための断面図及び平面図である。

【図３】 本発明の他の実施例（請求項３）を説明する
ための断面図及び要部側面図である。

【図４】 本発明の他の実施例（請求項４）を説明する
ための平面図及び断面図である。

【図５】 従来の検出装置の一例を説明するための平面
図及び断面図である。

【図６】 従来の検出装置の他の例を説明するための要
部構成図である。

【符号の説明】

１…基板、２…空洞、３…絶縁膜、４…発熱又は間温部
材、４ａ…リードパターン、５…保護膜、６…ボンデン
グワイヤ、７…リードワイヤ、８…パッケージケース
（ベースプレート）、９…パッケージキャップ、１０…
検出チップ、１１…接着剤、１２…サポートビーム、１
３…メッシュ、１４…メッシュベース。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 空洞を有する基板と、該空洞の上部に配
   設されたブリッジと、該ブリッジの上に配設された発熱
   及び／又は感温部材とを有し、該発熱及び／又は感温部
   材に電流を流して該発熱及び／又は感温部材の抵抗値を
   測定し、該抵抗値より周囲雰囲気の温度に依存する被測
   定対象を測定する熱依存性検出装置において、前記基板
   の裏面側が切除されて該基板の厚さが薄く形成されてい
   ることを特徴とする熱依存性検出装置。
2. 【請求項２】 空洞を有する基板と、該空洞の上部に配
   設されたブリッジと、該ブリッジの上に配設された発熱
   及び／又は感温部材とを有し、該発熱及び／又は感温部
   材に電流を流して該発熱及び／又は感温部材の抵抗値を
   測定し、該抵抗値より周囲雰囲気の温度に依存する被測
   定対象を測定する熱依存性検出チップと、該検出チップ
   を収容するパッケージキャップとを有し、前記検出チッ
   プを前記パッケージキャップに一体的に取り付けられた
   サポートビーム上に配設したことを特徴とする熱依存性
   検出装置。
3. 【請求項３】 空洞を有する基板と、該空洞の上部に配
   設されたブリッジと、該ブリッジの上に配設された発熱
   及び／又は感温部材とを有し、該発熱及び／又は感温部
   材に電流を流して該発熱及び／又は感温部材の抵抗値を
   測定し、該抵抗値より周囲雰囲気の温度に依存する被測
   定対象を測定する熱依存性検出チップと、該検出チップ
   を収容するパッケージキャップと、前記検出チップを取
   り付けるためのベースプレートを有し、該ベースプレー
   トに通気孔を有し、該通気孔上に、前記検出チップをダ
   イボンデングしたメッシュを配設したことを特徴とする
   熱依存性検出装置。
4. 【請求項４】 空洞を有する基板と、該空洞の上部に配
   設されたブリッジと、該ブリッジの上に配設された発熱
   及び／又は感温部材とを有し、該発熱及び／又は感温部
   材に電流を流して該発熱及び／又は感温部材の抵抗値を
   測定し、該抵抗値より周囲雰囲気の温度に依存する被測
   定対象を測定する熱依存性検出チップと、該検出チップ
   を搭載するベースプレートとを有し、該ベースプレート
   が多数の通気孔を有するメッシュプレートであることを
   特徴とする熱依存性検出装置。