JPH09264862A - Microheater and co sensor - Google Patents
Microheater and co sensorInfo
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- JPH09264862A JPH09264862A JP7719596A JP7719596A JPH09264862A JP H09264862 A JPH09264862 A JP H09264862A JP 7719596 A JP7719596 A JP 7719596A JP 7719596 A JP7719596 A JP 7719596A JP H09264862 A JPH09264862 A JP H09264862A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロヒータ及
びＣＯセンサに係り、特に都市ガス又はＬＰガス等の燃
焼時に発生するＣＯ（一酸化炭素）ガスの濃度を検出す
る接触燃焼式ＣＯセンサに用いられるマイクロヒータ及
びこのマイクロヒータを用いたＣＯセンサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro-heater and a CO sensor, and more particularly to a contact combustion type CO sensor for detecting the concentration of CO (carbon monoxide) gas generated during combustion of city gas or LP gas. And a CO sensor using the microheater.
【０００２】[0002]
【従来の技術】都市ガス又はＬＰガス等を燃焼させて使
用する場合に、不完全燃焼を起こしてＣＯガスが発生す
るとＣＯガス中毒を起こすおそれがある。このため、小
型湯沸器等には、ＣＯセンサが設けられており、発生す
るＣＯガス濃度を監視している。2. Description of the Related Art When city gas or LP gas is burned and used, if incomplete combustion occurs and CO gas is generated, CO gas poisoning may occur. For this reason, a small water heater or the like is provided with a CO sensor to monitor the concentration of generated CO gas.
【０００３】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−
１０７７４号公報、特開平１−２２１６４９号公報にそ
の内容が開示されている。第１従来例 図６に従来のＣＯセンサの一部切欠き斜視図を示す。There are several types of CO sensors, for example, Yazaki Technical Report, No. 18, (1993) 93-.
Page 99, Japanese Patent Publication No. 63-26335, Japanese Patent Publication No. 64-
The contents are disclosed in Japanese Patent No. 10774 and Japanese Patent Laid-Open No. 1-221649. First Conventional Example FIG. 6 shows a partially cutaway perspective view of a conventional CO sensor.
【０００４】図６に示す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。ＣＯセンサのハウジング８１は黄銅製の
ステム８２とステンレス鋼製のキャップ８４とを備えて
構成されており、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８５
ａ，８５ｂがあけられている。The CO sensor shown in FIG. 6 is the sensor disclosed in Yazaki Technical Report, No. 18, (1993) pages 93-99. The CO sensor housing 81 includes a brass stem 82 and a stainless steel cap 84. The stem 82 has a plurality of lead terminals 83.
Is provided, and the cap 84 has a window 85 for gas flow.
a and 85b are opened.
【０００５】ＣＯセンサのセンサ部は、，ＶＣ検知素子
８６と温度補償用比較素子８７とを備えて構成されてお
り、検知素子８６と温度補償用比較素子８７とをアルミ
ナ遮蔽板８８を挟んで対称な位置に配置するとともに、
リード端子８３に接続される。The sensor portion of the CO sensor comprises a VC detection element 86 and a temperature compensation comparison element 87. The detection element 86 and the temperature compensation comparison element 87 are sandwiched by an alumina shielding plate 88. While arranging them in symmetrical positions,
It is connected to the lead terminal 83.
【０００６】そして、ＣＯセンサのセンサ部にはキャッ
プ８４が被せられている。図７に図６に示した検知素子
および比較素子の断面図を示す。まず検知素子の製造方
法について説明する。直径約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。The cap of the CO sensor is covered with a cap 84. FIG. 7 shows a cross-sectional view of the sensing element and the comparative element shown in FIG. First, a method of manufacturing the sensing element will be described. Pt coil 91 with a diameter of about 25 μm
Then, a paste prepared by mixing 5% Rh powder, alumina powder, an alumina-based binder, and water is prepared.
【０００７】そしてこのペーストを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。これにより図７（ａ）に示すような検
知素子８６が製造されることとなる。この場合におい
て、アルミナ粉末はＲｈ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。Then, this paste is applied onto the Pt coil 91 and fired at about 700 ° C. to form a 5% Rh-alumina catalyst 92. As a result, the sensing element 86 as shown in FIG. 7A is manufactured. In this case, the alumina powder acts as a carrier carrying the Rh catalyst and is therefore called an alumina carrier.
【０００８】次に比較素子の製造方法について説明す
る。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７
００℃で焼成してアルミナ担体９４を形成する。Next, a method of manufacturing the comparative element will be described. A Pt coil 93 having a diameter of 25 μm and a paste prepared by mixing alumina powder, an alumina-based binder, and water are prepared. Apply this paste on the Pt coil 93 and apply about 7
The alumina carrier 94 is formed by firing at 00 ° C.
【０００９】これにより図７（ｂ）に示すような比較素
子８７が製造され、アルミナ担体９４は検知素子８６と
異なり、Ｒｈを含まないこととなる。図８に図６に示し
たＣＯセンサの検出回路の回路図を示す。検知素子８６
及び比較素子８７は、固定抵抗Ｒ1 、固定抵抗Ｒ2 及び
可変抵抗ＲV によりブリッジ回路を構成し、このブリッ
ジ回路には、検出回路１０１及び直流電源Ｅが接続され
ている。As a result, the comparison element 87 as shown in FIG. 7B is manufactured, and unlike the detection element 86, the alumina carrier 94 does not contain Rh. FIG. 8 shows a circuit diagram of the detection circuit of the CO sensor shown in FIG. Sensing element 86
The comparison element 87 forms a bridge circuit with the fixed resistance R1, the fixed resistance R2 and the variable resistance RV, and the detection circuit 101 and the DC power source E are connected to the bridge circuit.
【００１０】このＣＯセンサを使用するに際しては、ま
ず、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ＲV
を調整する。この状態において、ＣＯガスが検知素子８
６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。In using this CO sensor, first, a variable resistor RV is provided so that current does not flow in the detection circuit 101 in the state where gas such as city gas or LP gas is not flowed.
To adjust. In this state, CO gas is detected by the sensing element 8
When 6 is touched, it is oxidized on the surface of the element by the catalytic action, and heat of reaction is generated.
【００１１】この反応熱によりＰｔコイル９１の抵抗値
が上昇し、この抵抗値の上昇によりブリッジ回路の平衡
が崩れ、検出回路１０１に電流が流れることとなる。検
出回路１０１はこの電流値を測定してＣＯガスの濃度を
算出するのである。この場合において、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
相殺し、反応熱に起因する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している。Due to this reaction heat, the resistance value of the Pt coil 91 rises, and due to this rise in resistance value, the balance of the bridge circuit is lost and a current flows in the detection circuit 101. The detection circuit 101 measures this current value to calculate the CO gas concentration. In this case, the comparison element 87
Compensates for fluctuations in the resistance value of the Pt coil due to fluctuations in the ambient temperature, and compensates for pure increase in the resistance value of the Pt coil due to the heat of reaction.
【００１２】また、アルミナ遮蔽板８８は、検知素子８
６と比較素子８７との間に熱的な障壁を作り、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。第２従来例 図９に従来の他のＣＯセンサの平面図および断面図を示
す。Further, the alumina shielding plate 88 is used for the detecting element 8
6 and the comparison element 87 are provided with a thermal barrier to prevent reaction heat generated in the detection element 86 from moving to the comparison element 87 and disturbing the ambient temperature of the comparison element 87. Is helping to compensate exactly. This makes CO
The gas concentration detection accuracy is improved. Second Conventional Example FIG. 9 shows a plan view and a sectional view of another conventional CO sensor.
【００１３】このＣＯセンサは特開平１−２２１６４９
号公報に開示されている半導体を用いたＣＯ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及び酸化錫半導体のガス感応体１１５が順次形
成されており、ガス感応体１１５の両端にはＰｔの電極
１１６ａ，１１６ｂが取り付けられている。This CO sensor is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-221649.
It is a CO sensor using the semiconductor disclosed in the publication. The detection element is SiO2 on the surface of the silicon substrate 111.
First film 112 of Pt, heating element 113 of Pt, second of SiO 2
A film 114 and a tin oxide semiconductor gas sensor 115 are sequentially formed, and Pt electrodes 116a and 116b are attached to both ends of the gas sensor 115.
【００１４】また、ガス感応体１１５の下部には、シリ
コン基板１１１をエッチング除去することによりガス感
応体１１５の熱容量を小さくするための切欠き部１１７
が設けられている。そして、電極１１６ａ、１１６ｂに
は検出部１１８が接続されており、検出部１１８は、ガ
ス感応体１１５がＣＯガスと接触したときに電気抵抗が
減少する性質を利用して電気抵抗値の減少からＣＯガス
濃度を求めている。A notch 117 is formed in the lower portion of the gas sensitive body 115 to reduce the heat capacity of the gas sensitive body 115 by etching away the silicon substrate 111.
Is provided. A detection unit 118 is connected to the electrodes 116a and 116b, and the detection unit 118 uses the property that the electric resistance decreases when the gas responsive body 115 comes into contact with CO gas to reduce the electric resistance value. The CO gas concentration is sought.
【００１５】この第２従来例のＣＯセンサの検出手順
は、次の通りである。 （１） まず、発熱体１１３に電流を流さない状態に保
持してガス感応体１１５を１００℃以下の低温にする。 （２） 次に検出部１１８は、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。The detection procedure of the CO sensor of the second conventional example is as follows. (1) First, the gas sensitive body 115 is kept at a low temperature of 100 ° C. or lower by keeping the heating element 113 in a state in which no current flows. (2) Next, the detection unit 118 determines the CO gas concentration based on the electric resistance value of the gas sensitive body 115, and determines whether incomplete combustion has occurred.
【００１６】（３） つづいて発熱体１１３に通電する
ことによりガス感応体１１５を３００℃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） 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を再び１００℃以下の低
温にする。(3) Subsequently, the gas sensing element 115 is heated to a temperature of 300 ° C. or higher by energizing the heating element 113 to remove dirt on the surface of the gas sensing element 115. (4) The power supply to the heating element 113 is stopped to stop the heat generation of the heating element 113, and the temperature of the gas sensitive element 115 is lowered to 100 ° C. or lower again.
【００１７】（５） 上記（１）〜（４）の手順（ヒー
トサイクル）を繰り返すことにより、ＣＯの連続的な計
測が可能である。この場合において、１回のヒートサイ
クルに要する時間は約３０秒である。(5) By repeating the steps (1) to (4) (heat cycle), CO can be continuously measured. In this case, the time required for one heat cycle is about 30 seconds.
【００１８】[0018]
【発明が解決しようとする課題】第１従来例の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
をビーズ状に形成しているため、表面積に対して体積が
大きい。In the CO sensor of the first conventional example, the sensing element 86 and the comparative element 87 are formed of 5% Rh-alumina catalyst or a simple substance of alumina in the form of beads on the Pt coil. , With a large volume relative to the surface area.
【００１９】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、マイクロヒータとして
のＰｔコイルに流す電流も大きくなり、ひいてはＣＯセ
ンサの消費電力が大きくなってしまうという問題点があ
った。Therefore, there is a problem that the heat capacity with respect to the surface area becomes large and the CO gas concentration detection speed becomes slow. Further, since the heat capacity is large, the current flowing through the Pt coil as the micro-heater also becomes large, which in turn increases the power consumption of the CO sensor.
【００２０】さらに、ビーズ状に形成された検知素子８
６および比較素子８７を用いてＣＯセンサを製造するた
めには多大の工数を要し、量産化が難しくコストが高く
なるという不具合があった。一方、第２従来例の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のでＣＯガス濃度検出速度は速く
なる。Further, the sensing element 8 formed in a bead shape.
6 and the comparative element 87, a large number of man-hours are required to manufacture a CO sensor, mass production is difficult, and the cost is high. On the other hand, in the CO sensor of the second conventional example, the silicon substrate 111 under the first film 112 of SiO 2 is removed by etching to provide the notch 117 to reduce the heat capacity, so the CO gas concentration detection speed is high. Become.
【００２１】しかしながら、このようなくり抜き形の切
欠き部１１７を形成するのは、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ＳｉＯ2 膜１１２を補強している。さらに、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。さらにまた、第２従来例のＣＯセンサでは、第１従
来例と異なり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、検出精度が悪く
なる。However, the formation of such a cutout-shaped notch 117 has the problem that mass production is difficult and the cost is high. Further, the SiO 2 film alone since the support force for supporting the sensitive member 115 is weak, reinforces the SiO 2 film 112 to the heating element 113 of Pt was made to a wide strip shape is provided on the SiO 2 film 112. Furthermore, there is a problem that the temperature gradient from the central portion to the end portion is large, the temperature of the sensitive body 115 is not uniform, and the detection accuracy deteriorates. Furthermore, in the CO sensor of the second conventional example, unlike the first conventional example, since there is no comparison element, it is not possible to compensate the variation of the resistance value due to the variation of the ambient temperature, and the detection accuracy deteriorates.
【００２２】これを解決すべく、外部に温度補償回路を
取付けることが考えられるが、温度補償回路の取付けに
はコストがかかり、外部に温度補償回路を取付けただけ
では十分な温度補償ができないという問題がある。そこ
で、本発明の目的は、熱絶縁性が高く、消費電力が小さ
く、量産化が容易なマイクロヒータ及び検出速度が速
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。In order to solve this, it is conceivable to mount a temperature compensating circuit on the outside, but it is costly to mount the temperature compensating circuit, and sufficient temperature compensation cannot be achieved only by mounting the temperature compensating circuit on the outside. There's a problem. Therefore, an object of the present invention is to have a high thermal insulation property, low power consumption, easy mass production, and a micro-heater with high detection speed, high detection accuracy, low power consumption, easy mass production, and low cost. It is to provide a CO sensor that can be manufactured.
【００２３】[0023]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、支持基板により支持され、
かつ、絶縁体で形成された絶縁体ダイアフラムと、前記
絶縁体ダイアフラム上に形成されたヒータと、前記絶縁
体ダイアフラムの前記ヒータの周囲に配設した貫通孔
と、を備えて構成する。In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is supported by a supporting substrate,
In addition, it is configured to include an insulator diaphragm formed of an insulator, a heater formed on the insulator diaphragm, and a through hole provided around the heater of the insulator diaphragm.
【００２４】請求項１記載の発明によれば、ヒータは絶
縁体ダイアフラム上に形成されているので、熱容量が小
さくなる。また、ヒータの周囲には貫通孔が配設されて
いるので、熱絶縁性を向上し、熱容量が小さくなる。According to the first aspect of the invention, since the heater is formed on the insulator diaphragm, the heat capacity becomes small. Further, since the through holes are arranged around the heater, the heat insulating property is improved and the heat capacity is reduced.
【００２５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記絶縁体ダイアフラムは、前記マイクロ
ヒータ側から前記支持基板側に向かってＳｉ3 Ｎ4 層、
ＳｉＯ2 層、Ｓｉ層が順次積層されているように構成す
る。請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明
の作用に加えて、絶縁体ダイアフラムは、マイクロヒー
タ側から支持基板側に向かってＳｉ3 Ｎ4 層、ＳｉＯ2
層、Ｓｉ層が順次積層されているので、この三重膜構造
により強度を保持することができる。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the insulator diaphragm is a Si 3 N 4 layer from the micro heater side toward the supporting substrate side,
It is configured such that a SiO 2 layer and a Si layer are sequentially stacked. According to the invention described in claim 2, in addition to the function of the invention described in claim 1, the insulator diaphragm includes the Si 3 N 4 layer and the SiO 2 layer from the microheater side toward the support substrate side.
Since the layers and the Si layer are sequentially laminated, the strength can be maintained by the triple film structure.
【００２６】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２記載のマイクロヒータを有するＣＯセンサであっ
て、同一センサ内に１組の前記マイクロヒータを配置
し、一方のマイクロヒータ上には、ＣＯガスを検出して
反応熱を生じる触媒を含む感応部を設け、他方のマイク
ロヒータ上には、周囲温度変化を補償するための温度補
償部を設けて構成する。An invention according to claim 3 is a CO sensor having the microheater according to claim 1 or 2, wherein one set of the microheaters is arranged in the same sensor, and one of the microheaters is arranged on one of the microheaters. Is provided with a sensitive section including a catalyst that detects CO gas and generates reaction heat, and a temperature compensating section for compensating for ambient temperature change is provided on the other microheater.
【００２７】請求項３記載の発明によれば、一方のマイ
クロヒータ上の感応部は、ＣＯガスを検出して反応熱を
生じる触媒を含んでいるので、当該マイクロヒータの抵
抗値を変化させる。また、他方のマイクロヒータ上の温
度補償部は、周囲温度変化に伴って、当該マイクロヒー
タの抵抗値を変化させる。According to the third aspect of the present invention, the sensitive portion on one of the microheaters includes a catalyst that detects CO gas and generates reaction heat, so that the resistance value of the microheater is changed. The temperature compensating unit on the other microheater changes the resistance value of the microheater in accordance with the change in ambient temperature.
【００２８】さらに両マイクロヒータは、同一センサ内
に配置されているので、両マイクロヒータの抵抗値の変
化をブリッジ回路で検出すれば、温度補償がされた状態
でＣＯガスの濃度を検出できる。請求項４記載の発明
は、請求項３記載の発明において、前記１組のマイクロ
ヒータを抵抗とみなしてブリッジ回路を構成し、前記ブ
リッジ回路の出力信号に基づいて前記ＣＯガスの有無を
検出する検出回路を備えて構成する。Further, since both microheaters are arranged in the same sensor, the CO gas concentration can be detected in a temperature-compensated state by detecting the change in resistance value of both microheaters by the bridge circuit. According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, the one set of micro heaters is regarded as a resistor to form a bridge circuit, and the presence or absence of the CO gas is detected based on an output signal of the bridge circuit. It is provided with a detection circuit.
【００２９】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明の作用に加えて、検出回路は、１組のマイクロヒータ
を抵抗とみなしてブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路
の出力信号に基づいてＣＯガスの有無を検出する。According to a fourth aspect of the invention, in addition to the operation of the third aspect of the invention, the detection circuit forms a bridge circuit by regarding one set of micro heaters as resistors, and based on the output signal of the bridge circuit. The presence or absence of CO gas is detected.
【００３０】[0030]
【発明の実施の形態】次に図面を参照して本発明の好適
な実施形態を説明する。図１（ａ）に実施形態のＣＯセ
ンサのセンサ素子の平面図、図１（ｂ）にＣＯセンサの
センサ素子のＡ−Ａ´断面図、図１（ｃ）にＣＯセンサ
のセンサ素子のＢ−Ｂ´断面図を示す。Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. 1A is a plan view of the sensor element of the CO sensor of the embodiment, FIG. 1B is a sectional view taken along the line AA ′ of the sensor element of the CO sensor, and FIG. 1C is a view of the sensor element B of the CO sensor. -B 'sectional drawing is shown.
【００３１】ＣＯセンサ１は、結晶方位〔１００〕のシ
リコン基板２を備えて構成されており、このシリコン基
板２の一方の面（図１中、上面）には、Ｐ+−Ｓｉ膜
３、ＳｉＯ2 膜４ａ及びＳｉ3 Ｎ4 膜５ａからなる熱絶
縁膜が設けられており、シリコン基板１の他方の面（図
１中、下面）には、ＳｉＯ2 膜４ｂ及びＳｉ3 Ｎ4 膜５
ｂからなる熱絶縁膜が設けられている。The CO sensor 1 comprises a silicon substrate 2 having a crystal orientation [100], and one surface (upper surface in FIG. 1) of the silicon substrate 2 is a P + -Si film 3. A thermal insulating film composed of the SiO 2 film 4a and the Si 3 N 4 film 5a is provided, and the SiO 2 film 4b and the Si 3 N 4 film 5 are provided on the other surface (lower surface in FIG. 1) of the silicon substrate 1.
A heat insulating film made of b is provided.
【００３２】さらにＳｉ3 Ｎ4 膜５ａの上面には、Ｔｉ
膜とＰｔ膜の二重層（またはＰｔ膜の単層）から成る薄
膜抵抗膜をパターニングすることにより形成した二つの
ヒータ６、７が所定の間隔をおいて配置されている。こ
のヒータ６、７は、中央部に細い薄膜抵抗膜を多数回折
り曲げることにより形成したヒータ本体部６ａ、７ａ
と、このヒータ本体部６ａ、７ａから引き出される薄膜
抵抗膜の接続部６ｂ、７ｂと、この接続部６ｂ、７ｂに
接続して金属線ボンディング接続可能な面積を有する電
極引出部６ｃ、７ｃとを備えて構成されている。Furthermore, Ti is formed on the upper surface of the Si 3 N 4 film 5a.
Two heaters 6 and 7 formed by patterning a thin film resistance film composed of a double layer of a film and a Pt film (or a single layer of the Pt film) are arranged at a predetermined interval. The heaters 6 and 7 have heater body portions 6a and 7a formed by bending a plurality of thin thin film resistance films in the central portion.
And thin-film resistance film connecting portions 6b and 7b drawn out from the heater body portions 6a and 7a, and electrode lead-out portions 6c and 7c having areas that can be connected to the connecting portions 6b and 7b and can be connected by metal wire bonding. It is equipped with.
【００３３】ＣＯセンサ１の表面には、ＳｉＯ2 、Ｓｉ
3 Ｎ4 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，スパッタ法などにより形成
された保護膜８が設けられている。この保護膜８は、ヒ
ータ６、７の短絡を防ぐと同時に、ヒータ６、７と後述
の感応部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１１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。このため、上述し
たように、保護膜８は、ＳｉＯ2 、Ｓｉ 3 Ｎ4 またはＰ
ＳＧ（りん珪酸ガラス）の単層または多層の膜で作られ
るのである。On the surface of the CO sensor 1, SiOTwo, Si
ThreeNFourOr single or multiple layers of PSG (phosphosilicate glass)
Layered film, formed by CVD method, sputtering method, etc.
The protective film 8 is provided. This protective film 8 is
The short-circuiting of the heaters 6 and 7 is prevented, and at the same time, the heaters 6 and 7 will be described later.
The sensitive part 10 and the temperature compensating part 11 of the
Acts as an insulating film that prevents The protective film 8 is an insulating film
That is, the sensing unit 10 and the temperature compensating unit 11.
Good compatibility with Mina, high thermal conductivity, reaction heat and
Promptly conveys ambient temperature to heater, corrosion resistance to gas
It is required to have good properties. For this reason,
As described above, the protective film 8 is made of SiO.Two, Si ThreeNFourOr P
Made of single layer or multiple layers of SG (phosphosilicate glass)
Because
【００３４】ヒータ６のヒータ本体６ａの上部（図１
（ａ）中、手前側）には、保護膜８上にＲｈ粉末５％と
アルミナ粉末９５％との混合物により感応部１０が形成
され、ヒータ７のヒータ本体７ａの上部には、保護膜８
の上にアルミナ単体で温度補償部１１が形成されてい
る。この温度補償部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り、感応
部１０と同じ熱容量になるように形成されている。The upper portion of the heater body 6a of the heater 6 (see FIG.
In (a), the front side), the sensitive portion 10 is formed on the protective film 8 by a mixture of 5% Rh powder and 95% alumina powder, and the protective film 8 is provided on the heater body 7a of the heater 7.
The temperature compensating part 11 is formed on the upper part of the alumina alone. The temperature compensating section 11 is for compensating for the variation of the resistance value of the heater 6 due to the variation of the ambient temperature, and is formed so as to have the same heat capacity as the sensitive section 10.
【００３５】感応部１０及び温度補償部１１が設けられ
ている位置のシリコン基板１の裏面側に凹部１２ａ、１
２ｂを形成することにより、感応部１０及び温度補償部
１１が設けられている位置にダイアフラム１３ａ、１３
ｂを形成している。さらにダイアフラム１３ａ、１３ｂ
のヒータ本体６ａ、７ａの周囲には、図１、図２（ａ）
のヒータ６の平面拡大図及び図２（ｂ）のヒータ６のＣ
−Ｃ’拡大断面図に示すように、熱絶縁性を向上させ、
検出精度を向上するための複数の貫通孔１４ａ、１４ｂ
が設けられている。The recesses 12a, 1 are formed on the back surface of the silicon substrate 1 at the positions where the sensitive section 10 and the temperature compensating section 11 are provided.
By forming 2b, the diaphragms 13a, 13 are provided at the positions where the sensitive section 10 and the temperature compensating section 11 are provided.
b is formed. Further, the diaphragms 13a and 13b
1 and 2 (a) around the heater bodies 6a and 7a of FIG.
2 is an enlarged plan view of the heater 6 shown in FIG. 2 and C of the heater 6 shown in FIG.
-C 'As shown in the enlarged sectional view,
A plurality of through holes 14a and 14b for improving detection accuracy
Is provided.
【００３６】この場合において、貫通孔１４ａ又は貫通
孔１４ｂで囲まれ、かつ、ヒータ本体６ａ、７ａの裏面
に設けられたＰ+−Ｓｉ膜は、ヒータ本体６ａ、７ａの
温度を均一にして電流集中による局部発熱を防止して、
断線を防止する均熱板として機能する。In this case, the P + -Si film surrounded by the through hole 14a or the through hole 14b and provided on the back surface of the heater bodies 6a, 7a makes the temperature of the heater bodies 6a, 7a uniform and the current flow. Prevents local heat generation due to concentration,
It functions as a soaking plate that prevents disconnection.
【００３７】感応部１０に対応するヒータ６及び温度補
償部１１に対応するヒータ７は、図３に示すように、固
定抵抗Ｒ1 、固定抵抗Ｒ2 及び可変抵抗ＲV によりブリ
ッジ回路を構成し、このブリッジ回路には、検出回路１
５及び直流電源Ｅが接続されている。As shown in FIG. 3, the heater 6 corresponding to the sensitive section 10 and the heater 7 corresponding to the temperature compensating section 11 form a bridge circuit with a fixed resistor R1, a fixed resistor R2 and a variable resistor RV. The detection circuit 1
5 and the DC power source E are connected.
【００３８】このＣＯセンサ１を使用するに際しては、
まず、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１５に電流が流れないように可変抵抗ＲV
を調整する。この状態において、ＣＯガスが検知素子８
６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。When using this CO sensor 1,
First, a variable resistor RV is provided so that no current flows in the detection circuit 15 when no gas such as city gas or LP gas flows.
To adjust. In this state, CO gas is detected by the sensing element 8
When 6 is touched, it is oxidized on the surface of the element by the catalytic action, and heat of reaction is generated.
【００３９】この反応熱によりヒータ６の抵抗値が上昇
し、この抵抗値の上昇によりブリッジ回路の平衡が崩
れ、検出回路１５に電流が流れることとなる。検出回路
１５はこの電流値を測定してＣＯガスの濃度を算出する
のである。この場合において、ヒータ７は、周囲温度の
変動によるヒータ６の抵抗値の変動を相殺し、反応熱に
起因するヒータ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。Due to this reaction heat, the resistance value of the heater 6 rises, and due to this rise in resistance value, the balance of the bridge circuit is lost and a current flows through the detection circuit 15. The detection circuit 15 measures the current value to calculate the CO gas concentration. In this case, the heater 7 cancels the fluctuation of the resistance value of the heater 6 due to the fluctuation of the ambient temperature, and compensates only for the pure increase of the resistance value of the heater 6 caused by the heat of reaction.
【００４０】この場合において、ヒータ６及びヒータ７
は、Ｐ+−Ｓｉ膜３、ＳｉＯ2 膜４ａ及びＳｉ3 Ｎ4 膜
５ａにより形成されるダイアフラム１３ａ、１３ｂに形
成され、かつ、ヒータ６及びヒータ７の周囲には、貫通
孔１４ａ、１４ｂが形成されているので、ヒータ６とヒ
ータ７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。In this case, the heater 6 and the heater 7
Is formed on the diaphragms 13a and 13b formed of the P + -Si film 3, the SiO 2 film 4a and the Si 3 N 4 film 5a, and the through holes 14a and 14b are formed around the heater 6 and the heater 7. Since it is formed, the heater 6 and the heater 7 are sufficiently thermally insulated, and at the same time, the heat capacity is small, the sensitivity is improved, and the detection speed is also increased.
【００４１】また、熱膨張率の差のため、Ｓｉに対して
ＳｉＯ2 膜は圧縮応力を持ち、Ｓｉ 3 Ｎ4 膜は引張応力
を持っており、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、Ｓｉ3 Ｎ
4 膜をシリコン基板に直接形成するとＳｉ3 Ｎ4 膜に亀
裂を生じ易い傾向がある。Also, due to the difference in the coefficient of thermal expansion,
SiOTwoThe film has compressive stress ThreeNFourMembrane is tensile stress
Has a SiOTwoIf the membrane is alone, the diaphragm
Tends to crack at the corners ofThreeN
FourIf the film is formed directly on the silicon substrate, SiThreeNFourTurtle on the membrane
It tends to crack.
【００４２】この亀裂発生を抑えるためにＳｉとＳｉ3
Ｎ4 膜との間にＳｉＯ2 膜を挟み、ダイアフラムをＳｉ
Ｏ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 二重膜構造とし、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が、ダイアフラム
をＳｉＯ2 ／Ｓｉ3 Ｎ4 二重膜構造とした場合には、膜
厚制御を正確に行なう必要があり、歩留りが低くなると
いう不具合がある。In order to suppress the generation of cracks, Si and Si 3
The SiO 2 film is sandwiched between it and the N 4 film, and the diaphragm is made of Si.
Although cracking can be suppressed by controlling the film thickness with an O 2 / Si 3 N 4 double film structure, when the diaphragm has a SiO 2 / Si 3 N 4 double film structure, the film thickness is reduced. It is necessary to perform accurate control, which causes a problem of low yield.
【００４３】そこで、膜厚制御を容易とすべく、ダイア
フラム１３ａ、１３ｂをＰ+−Ｓｉ／ＳｉＯ2 ／Ｓｉ3
Ｎ4 三重膜構造とし、この結果、ダイアフラム１３ａ、
１３ｂの支持力を強化するとともに、歩留りを向上して
いる。このダイアフラムを三重膜構造にして支持力を強
くしたので、図９に示した第２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。Therefore, in order to easily control the film thickness, the diaphragms 13a and 13b are made of P + -Si / SiO 2 / Si 3
The N 4 triple film structure is adopted, and as a result, the diaphragm 13a,
The yield strength is improved while the support force of 13b is strengthened. Since this diaphragm has a triple film structure to increase the supporting force, it is not necessary to reinforce the insulating film with the resistance film as in the second conventional example shown in FIG.
【００４４】この結果、ヒータ６、７は、図１に示した
形状とすることができ、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る。また、細い薄膜抵抗膜の接
続部６ｂ、７ｂ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、中央部のヒータ本体部６ａ、７ａ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。As a result, the heaters 6 and 7 can have the shape shown in FIG. 1, and can centrally heat only the required portion of the central portion with a small current. Further, since the thin thin-film resistance film connecting portions 6b and 7b are provided, the heat conduction is reduced, the temperature gradient is reduced, the temperature distribution of the heater main body portions 6a and 7a in the central portion is made uniform, and the detection accuracy is improved. In addition, the power consumption can be reduced.
【００４５】例えば、図６、図７に示したコイルを使用
する従来のＣＯ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を１２０ｍＷ以下
に下げることができ、消費電力を従来の１／５以下に低
減することができる。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。For example, the conventional CO sensor using the coils shown in FIGS. 6 and 7 consumes 600 mW, whereas the product of the present invention can reduce the power consumption to 120 mW or less. The electric power can be reduced to ⅕ or less of the conventional one. Next, a method for manufacturing the sensor element of the first embodiment will be described.
【００４６】図４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。ま
ず、図４（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，４２
ｂを設け、ホトリソグラフィ技術によって上面のＳｉＯ
2 膜４２ａに窓をあけ、Ｐ型不純物を高濃度に導入して
Ｐ+ −Ｓｉ膜３を形成する。4A to 4D are sectional views showing a sequence of steps for explaining the method of manufacturing the sensor element of the first embodiment. First, as shown in FIG. 4A, N of crystal orientation [100] is
Of the SiO 2 films 42a, 42
b is provided, and SiO on the upper surface is formed by the photolithography technique.
A window is opened in the second film 42a, and P-type impurities are introduced at a high concentration to form the P + -Si film 3.
【００４７】次に、図４（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2
膜４２ａ，４２ｂを除去し、新しくＳｉＯ2 膜４ａ，４
ｂを設け、その上にＳｉ3 Ｎ4 膜５ａ、５ｂを設ける。
さらに表面にホトレジストを塗布し、貫通孔を除くパタ
ーンを有するマスクで露光し、現像してホトレジストの
パターンを形成し、貫通孔部分のＰ+ −Ｓｉ膜３、Ｓｉ
Ｏ2 膜４ａ及びＳｉ3 Ｎ4 膜５ａを異方性エッチングに
より除去する。Next, as shown in FIG. 4B, SiO 2
The films 42a and 42b are removed and new SiO 2 films 4a and 4b
b is provided, and Si 3 N 4 films 5a and 5b are provided thereon.
Further, a photoresist is applied to the surface, exposed with a mask having a pattern excluding the through holes, and developed to form a photoresist pattern, and the P + -Si film 3, Si in the through holes is formed.
The O 2 film 4a and the Si 3 N 4 film 5a are removed by anisotropic etching.
【００４８】次に、図４（ｃ）に示すように、リフトオ
フ法を用いてヒータ６、７を形成する。より詳細には、
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。Next, as shown in FIG. 4C, the heaters 6 and 7 are formed by using the lift-off method. More specifically,
The heaters 6 and 7 using the lift-off method are formed as follows. First, a photoresist is applied to the surface and the heater 6,
It is exposed with a mask having a pattern of 7 and developed to form a photoresist pattern.
【００４９】図中、上方からＴｉとＰｔを順次被着して
Ｔｉ−Ｐｔ二重膜（またはＰｔ単層膜）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Ｔ
ｉ−Ｐｔ膜（またはＰｔ単層膜）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。In the figure, Ti and Pt are sequentially deposited from above to form a thin film resistance film of a Ti—Pt double film (or Pt single layer film), and the photoresist is melted to form a T film on the photoresist.
The i-Pt film (or Pt single layer film) is removed together with the photoresist, and the heater 6 and
Leave 7.
【００５０】これにより中央部に薄膜抵抗膜を多数回折
り曲げて形成したヒータ本体部６ａ、７ａと、このヒー
タ本体部６ａ、７ａの両側から引き出される薄膜抵抗膜
の接続部６ｂ、７ｂと、この接続部６ｂ、７ｂに接続し
て金属線ボンディング接続可能な面積を有する電極引出
部６ｃ、７ｃとを備えたヒータ６、７が形成されること
となる。As a result, the heater bodies 6a and 7a are formed by bending a plurality of thin film resistance films in the central portion, and the connection portions 6b and 7b of the thin film resistance films drawn out from both sides of the heater bodies 6a and 7a. The heaters 6 and 7 including the electrode lead-out portions 6c and 7c having an area capable of being connected to the connection portions 6b and 7b by metal wire bonding are formed.
【００５１】次に、図４（ｄ）に示すように、表面にＣ
ＶＤ法またはスパッタ法でＳｉＯ2、Ｓｉ3 Ｎ4 、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。さらに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
をあける。Next, as shown in FIG. 4 (d), C is formed on the surface.
The protective film 8 is formed by depositing SiO 2 , Si 3 N 4 , PSG (phosphosilicate glass) or the like in a single layer or multiple layers by the VD method or the sputtering method. Further, the protective film 8 is patterned by a photolithography technique and a dry etching method to open contact windows for leading out electrodes at both ends of the heaters 6 and 7.
【００５２】次に、図４（ｅ）に示すように、シリコン
基板１の下面のＳｉ3 Ｎ4 膜５ｂにマスクを設け、Ｐ+
−Ｓｉ膜３の下方と貫通孔１４ａ、１４ｂを形成すべき
領域の下方のＳｉ3 Ｎ4 膜５ｂ、ＳｉＯ2 膜４ｂ、お
よび貫通孔１４ａ、１４ｂを形成すべき領域の上方のＳ
ｉ3 Ｎ4 膜５ａ、ＳｉＯ2 膜４ａをエッチング除去す
る。Next, as shown in FIG. 4E, a mask is provided on the Si 3 N 4 film 5b on the lower surface of the silicon substrate 1, and P +
-Si 3 N 4 film 5b, SiO 2 film 4b below the region where the through holes 14a and 14b are to be formed and below the Si film 3 and S above the region where the through holes 14a and 14b are to be formed.
The i 3 N 4 film 5a and the SiO 2 film 4a are removed by etching.
【００５３】Ｓｉ3 Ｎ4 膜５ａ、５ｂ、ＳｉＯ2 膜４
ａ、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１２ａ、１２ｂを形成することによりダイ
アフラム１３ａ、１３ｂを形成すると同時に貫通孔１４
ａ、１４ｂ（図１参照）を貫通させる。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）、ＥＰＷ（エチレンジアミンピテカテコール）、
ヒドラジン等が適する。これらのエッチング液は、Ｓｉ
Ｏ2 膜を余りエッチングせずにＳｉ（シリコン）をエッ
チングするからである。Si 3 N 4 films 5a and 5b, SiO 2 film 4
The diaphragms 13a and 13b are formed by anisotropically etching the silicon substrate 1 using the masks a and 4b to form the recesses 12a and 12b, and at the same time the through holes 14 are formed.
a and 14b (see FIG. 1) are penetrated. The etching liquid is TMAH (tetramethylammonium hydroxide), EPW (ethylenediamine pitecatechol),
Hydrazine and the like are suitable. These etching solutions are Si
This is because Si (silicon) is etched without etching the O 2 film so much.
【００５４】ダイアフラム１３ａ、１３ｂの最下層をＰ
+ −Ｓｉ膜３とするのは、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するた
めである。これを利用することにより、Ｐ+ −Ｓｉ膜３
部分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、ダイアフラム１３ａ、１３ｂを確実、か
つ、容易に形成することができる。The bottom layer of the diaphragms 13a and 13b is P
The + -Si film 3 is used because the high-concentration impurity region has a slower etching rate than the low-concentration impurity region. By utilizing this, the P + -Si film 3
The etching naturally stops at the portion, and neither excess nor deficiency of etching does not occur, and the diaphragms 13a and 13b can be formed reliably and easily.
【００５５】次に、図４（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。Next, as shown in FIG. 4F, the protective film 8
A sensitive part 10 and a temperature compensating part 11 (see FIG. 1) are formed on the upper part. Sensitive part 10 is 5% Rh powder and 95% alumina powder.
Is mixed with alumina binder and water to form a paste, and the paste is applied on the protective film 8 on the heater 6 and baked at about 700 ° C. The temperature compensator 11 is formed by mixing alumina powder, an alumina-based binder, and water to form a paste, applying the paste on the protective film 8 on the heater 7, and firing the paste at about 700 ° C.
【００５６】焼成は感応部１０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１のセンサ素子が形成される。The firing is performed simultaneously with the sensitive section 10 and the temperature compensation section 11. Since the temperature compensator 11 is for compensating for the variation in the resistance value of the heater 6 due to the variation in the ambient temperature,
It is formed so as to have the same heat capacity as that of the sensitive section 10. As a result, the sensor element of the CO sensor 1 is formed.
【００５７】図５に本発明のＣＯセンサを用いてＣＯセ
ンサモジュールを構成した場合の一部切欠き斜視図であ
る。ＣＯセンサ１を収容するハウジングは、ステム２１
とキャップ２３とを備えて構成されている。FIG. 5 is a partially cutaway perspective view of a CO sensor module using the CO sensor of the present invention. The housing that houses the CO sensor 1 is a stem 21.
And a cap 23.
【００５８】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貫通
孔２４ａ、２４ｂが設けられている。なお、図５におい
ては、理解を容易にするため、図３ではキャップ２３の
半分を切欠いて示してある。Four lead wires 22 are drawn out from the stem 21. The cap 23 is formed in the shape of a cup having a cylindrical shape and an upper surface closed, and is provided with two through holes 24a and 24b on the side surface for gas flow. In FIG. 5, half of the cap 23 is cut away in FIG. 3 for easy understanding.
【００５９】ステム２１に図１に示したＣＯセンサ１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。その後、キャップ２３をステム２
１に溶接することにより、ＣＯセンサモジュールが完成
することとなる。The CO sensor 1 shown in FIG. 1 is fixed to the stem 21, and the metal fine wire 25 connects the contact windows 6a, 6b, 7a, 7b of the heater of the sensor element and the lead wire 22 by the bonding method. After that, attach the cap 23 to the stem 2
By welding to No. 1, the CO sensor module is completed.
【００６０】このＣＯセンサモジュールを実際に用いる
場合には、二つの貫通孔２４ａ、２４ｂからガスを導入
する。そして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。When this CO sensor module is actually used, gas is introduced through the two through holes 24a and 24b. The CO gas in the introduced gas is the sensitive portion 10
When touched, the element surface is oxidized by the catalytic action and heat of reaction is generated.
【００６１】この反応熱によりヒータ６の抵抗値が上昇
し、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こととなる。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ので、正確なＣＯ
ガス濃度を検出することが可能となる。Due to this reaction heat, the resistance value of the heater 6 rises, and the change in this resistance value is measured by the bridge circuit to detect the CO gas concentration. The temperature compensator 11 has a function of canceling fluctuations in the resistance value of the heater 6 due to fluctuations in the ambient temperature and compensating only for an increase in the resistance value of the heater 6 due to the reaction heat so as to obtain pure CO.
It is possible to detect the gas concentration.
【００６２】以上の実施形態においては、ＣＯセンサモ
ジュールと検出回路と別個に構成していたが、一体に構
成することも可能である。これにより、より取扱いを容
易とすることができる。In the above embodiments, the CO sensor module and the detection circuit are separately constructed, but they may be integrally constructed. This makes it easier to handle.
【００６３】[0063]
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、ヒータは
絶縁体ダイアフラム上に形成されているので、熱容量が
小さくできる。また、ヒータの周囲には貫通孔が配設さ
れているので、熱絶縁性を向上し、熱容量が小さくな
り、消費電力を低減することができるとともに、検出速
度を向上し、かつ、測定精度を向上させることができ
る。According to the invention of claim 1, since the heater is formed on the insulator diaphragm, the heat capacity can be reduced. In addition, since the through holes are arranged around the heater, the heat insulating property is improved, the heat capacity is reduced, the power consumption can be reduced, the detection speed is improved, and the measurement accuracy is improved. Can be improved.
【００６４】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の効果に加えて、絶縁体ダイアフラムは、マイ
クロヒータ側から支持基板側に向かってＳｉ3 Ｎ4 層、
ＳｉＯ2 層、Ｓｉ層が順次積層されているので、この三
重膜構造により強度を保持することができるとともに、
膜厚制御の許容範囲が広がり、歩留りを向上させること
ができる。According to the second aspect of the invention, in addition to the effect of the first aspect of the invention, the insulator diaphragm includes a Si 3 N 4 layer from the microheater side toward the support substrate side.
Since the SiO 2 layer and the Si layer are sequentially stacked, the strength can be maintained by this triple film structure, and
The allowable range of film thickness control is expanded, and the yield can be improved.
【００６５】請求項３記載の発明によれば、一方のマイ
クロヒータ上の感応部が触媒によりＣＯガスを検出して
反応熱を生じて当該マイクロヒータの抵抗値を変化さ
せ、他方のマイクロヒータ上の温度補償部が、周囲温度
変化に伴って、当該マイクロヒータの抵抗値を変化させ
るに際し、両マイクロヒータは、同一基板上の物理的に
対称な位置に配置されているので、両マイクロヒータの
抵抗値の変化をブリッジ回路で検出すれば、温度補償が
された状態でＣＯガスの濃度を検出でき、ＣＯガス濃度
を迅速、かつ、正確に検出することができる。According to the third aspect of the invention, the sensitive portion on one microheater detects CO gas by the catalyst to generate reaction heat to change the resistance value of the microheater, and the reaction on the other microheater. When the temperature compensating unit of 1 changes the resistance value of the micro-heater with the change of the ambient temperature, both micro-heaters are arranged at physically symmetrical positions on the same substrate. If the change in resistance value is detected by the bridge circuit, the CO gas concentration can be detected in a temperature-compensated state, and the CO gas concentration can be detected quickly and accurately.
【００６６】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明の効果に加えて、検出回路は、１組のマイクロヒータ
を抵抗とみなしてブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路
の出力信号に基づいてＣＯガスの有無を検出するので、
より取扱いが容易となる。According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the effect of the third aspect of the invention, the detection circuit forms a bridge circuit by regarding one set of micro-heaters as resistors, and based on the output signal of the bridge circuit. Detects the presence or absence of CO gas,
It is easier to handle.
【図１】ＣＯセンサの構成説明図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a CO sensor.
【図２】マイクロヒータ部分の拡大説明図である。FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a micro heater part.
【図３】検出回路の構成を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a detection circuit.
【図４】ＣＯセンサの製造方法説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a manufacturing method of a CO sensor.
【図５】ＣＯセンサモジュールの一部切欠き斜視図であ
る。FIG. 5 is a partially cutaway perspective view of a CO sensor module.
【図６】第１従来例の一部切欠き斜視図である。FIG. 6 is a partially cutaway perspective view of a first conventional example.
【図７】第１従来例の検知素子および比較素子の断面図
である。FIG. 7 is a sectional view of a sensing element and a comparative element of a first conventional example.
【図８】従来の検出回路の構成を説明する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a conventional detection circuit.
【図９】第２従来例の構成を説明する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a second conventional example.
１ ＣＯセンサ ２ シリコン基板 ３ Ｐ+−Ｓｉ膜 ４ａ、４ｂ ＳｉＯ2 膜 ５ａ、５ｂ Ｓｉ3 Ｎ4 膜 ６、７ ヒータ ６ａ、７ａ ヒータ本体部 ６ｂ、７ｂ 接続部 ６ｃ、７ｃ 電極引出部 ８ 保護膜 １０ 感応部 １１ 温度補償部 １２ａ、１２ｂ 凹部 １３ａ、１３ｂ ダイアフラム １４ａ、１４ｂ 貫通孔1 CO sensor 2 silicon substrate 3 P + -Si layer 4a, 4b SiO 2 film 5a, 5b Si 3 N 4 film 6,7 heater 6a, 7a heater body portion 6b, 7b connecting portion 6c, 7c electrode lead portion 8 protective film 10 Sensing Part 11 Temperature Compensating Part 12a, 12b Recess 13a, 13b Diaphragm 14a, 14b Through Hole
─────────────────────────────────────────────────────
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【手続補正書】[Procedure amendment]
【提出日】平成９年５月２２日[Submission date] May 22, 1997
【手続補正１】[Procedure amendment 1]
【補正対象書類名】明細書[Document name to be amended] Statement
【補正対象項目名】全文[Correction target item name] Full text
【補正方法】変更[Correction method] Change
【補正内容】[Correction contents]
【書類名】 明細書[Document Name] Statement
【発明の名称】 マイクロヒータ及びＣＯセンサTitle: Micro heater and CO sensor
【特許請求の範囲】[Claims]
【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロヒータ及
びＣＯセンサに係り、特に都市ガス又はＬＰガス等の燃
焼時に発生するＣＯ（一酸化炭素）ガスの濃度を検出す
る接触燃焼式ＣＯセンサに用いられるマイクロヒータ及
びこのマイクロヒータを用いたＣＯセンサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a micro-heater and a CO sensor, and more particularly to a contact combustion type CO sensor for detecting the concentration of CO (carbon monoxide) gas generated during combustion of city gas or LP gas. And a CO sensor using the microheater.
【０００２】[0002]
【従来の技術】都市ガス又はＬＰガス等を燃焼させて使
用する場合に、不完全燃焼を起こしてＣＯガスが発生す
るとＣＯガス中毒を起こすおそれがある。このため、小
型湯沸器等には、ＣＯセンサが設けられており、発生す
るＣＯガス濃度を監視している。2. Description of the Related Art When city gas or LP gas is burned and used, if incomplete combustion occurs and CO gas is generated, CO gas poisoning may occur. For this reason, a small water heater or the like is provided with a CO sensor to monitor the concentration of generated CO gas.
【０００３】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−
１０７７４号公報、特開平１−２２１６４９号公報にそ
の内容が開示されている。第１従来例 図６に従来のＣＯセンサの一部切欠き斜視図を示す。There are several types of CO sensors, for example, Yazaki Technical Report, No. 18, (1993) 93-.
Page 99, Japanese Patent Publication No. 63-26335, Japanese Patent Publication No. 64-
The contents are disclosed in Japanese Patent No. 10774 and Japanese Patent Laid-Open No. 1-221649. First Conventional Example FIG. 6 shows a partially cutaway perspective view of a conventional CO sensor.
【０００４】図６に示すＣＯセンサは、矢崎技術リポー
ト、第１８号、（１９９３）９３〜９９貞に開示された
センサである。ＣＯセンサのハウジング８１は黄銅製の
ステム８２とステンレス鋼製のキャップ８４とを備えて
構成されており、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８５
ａ，８５ｂがあけられている。The CO sensor shown in FIG. 6 is the sensor disclosed in Yazaki Technical Report, No. 18, (1993) 93-99. The CO sensor housing 81 includes a brass stem 82 and a stainless steel cap 84. The stem 82 has a plurality of lead terminals 83.
Is provided, and the cap 84 has a window 85 for gas flow.
a and 85b are opened.
【０００５】ＣＯセンサのセンサ部は、，ＶＣ検知素子
８６と温度補償用比較素子８７とを備えて構成されてお
り、検知素子８６と温度補償用比較素子８７とをアルミ
ナ遮蔽板８８を挟んで対称な位置に配置するとともに、
リード端子８３に接続される。The sensor portion of the CO sensor comprises a VC detection element 86 and a temperature compensation comparison element 87. The detection element 86 and the temperature compensation comparison element 87 are sandwiched by an alumina shielding plate 88. While arranging them in symmetrical positions,
It is connected to the lead terminal 83.
【０００６】そして、ＣＯセンサのセンサ部にはキャッ
プ８４が被せられている。図７に図６に示した検知素子
および比較素子の断面図を示す。まず検知素子の製造方
法について説明する。直径約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。The cap of the CO sensor is covered with a cap 84. FIG. 7 shows a cross-sectional view of the sensing element and the comparative element shown in FIG. First, a method of manufacturing the sensing element will be described. Pt coil 91 with a diameter of about 25 μm
Then, a paste prepared by mixing 5% Rh powder, alumina powder, an alumina-based binder, and water is prepared.
【０００７】そしてこのペーストを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。これにより図７（ａ）に示すような検
知素子８６が製造されることとなる。この場合におい
て、アルミナ粉末はＲｈ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。Then, this paste is applied onto the Pt coil 91 and fired at about 700 ° C. to form a 5% Rh-alumina catalyst 92. As a result, the sensing element 86 as shown in FIG. 7A is manufactured. In this case, the alumina powder acts as a carrier carrying the Rh catalyst and is therefore called an alumina carrier.
【０００８】次に比較素子の製造方法について説明す
る。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７
００℃で焼成してアルミナ担体９４を形成する。Next, a method of manufacturing the comparative element will be described. A Pt coil 93 having a diameter of 25 μm and a paste prepared by mixing alumina powder, an alumina-based binder, and water are prepared. Apply this paste on the Pt coil 93 and apply about 7
The alumina carrier 94 is formed by firing at 00 ° C.
【０００９】これにより図７（ｂ）に示すような比較素
子８７が製造され、アルミナ担体９４は検知素子８６と
異なり、Ｒｈを含まないこととなる。図８に図６に示し
たＣＯセンサの検出回路の回路図を示す。検知素子８６
及び比較素子８７は、固定抵抗Ｒ１、固定抵抗Ｒ２及び
可変抵抗ＲＶによりブリッジ回路を構成し、このブリッ
ジ回路には、検出回路１０１及び直流電源Ｅが接続され
ている。As a result, the comparison element 87 as shown in FIG. 7B is manufactured, and unlike the detection element 86, the alumina carrier 94 does not contain Rh. FIG. 8 shows a circuit diagram of the detection circuit of the CO sensor shown in FIG. Sensing element 86
The comparison element 87 forms a bridge circuit with the fixed resistance R1, the fixed resistance R2, and the variable resistance RV, and the detection circuit 101 and the DC power source E are connected to the bridge circuit.
【００１０】このＣＯセンサを使用するに際しては、ま
ず、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ＲＶ
を調整する。この状態において、ＣＯガスが検知素子８
６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。In using this CO sensor, first, a variable resistor RV is provided so that no current flows in the detection circuit 101 when gas such as city gas or LP gas is not supplied.
To adjust. In this state, CO gas is detected by the sensing element 8
When 6 is touched, it is oxidized on the surface of the element by the catalytic action, and heat of reaction is generated.
【００１１】この反応熱によりＰｔコイル９１の抵抗値
が上昇し、この抵抗値の上昇によりブリッジ回路の平衡
が崩れ、検出回路１０１に電流が流れることとなる。検
出回路１０１はこの電流値を測定してＣＯガスの濃度を
算出するのである。この場合において、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
相殺し、反応熱に起因する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している。Due to this reaction heat, the resistance value of the Pt coil 91 rises, and due to this rise in resistance value, the balance of the bridge circuit is lost and a current flows in the detection circuit 101. The detection circuit 101 measures this current value to calculate the CO gas concentration. In this case, the comparison element 87
Compensates for fluctuations in the resistance value of the Pt coil due to fluctuations in the ambient temperature, and compensates for pure increase in the resistance value of the Pt coil due to the heat of reaction.
【００１２】また、アルミナ遮蔽板８８は、検知素子８
６と比較素子８７との間に熱的な障壁を作り、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。第２従来例 図９に従来の他のＣＯセンサの平面図および断面図を示
す。Further, the alumina shielding plate 88 is used for the detecting element 8
6 and the comparison element 87 are provided with a thermal barrier to prevent reaction heat generated in the detection element 86 from moving to the comparison element 87 and disturbing the ambient temperature of the comparison element 87. Is helping to compensate exactly. This makes CO
The gas concentration detection accuracy is improved. Second Conventional Example FIG. 9 shows a plan view and a sectional view of another conventional CO sensor.
【００１３】このＣＯセンサは特開平１−２２１６４９
号公報に開示されている半導体を用いたＣＯ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層１１２、Ｐｔの発熱体１１３、ＳｉＯ２の第２
層１１４及び酸化錫半導体のガス感応体１１５が順次形
成されており、ガス感応体１１５の両端にはＰｔの電極
１１６ａ，１１６ｂが取り付けられている。This CO sensor is disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 1-221649.
It is a CO sensor using the semiconductor disclosed in the publication. The detection element is SiO 2 on the surface of the silicon substrate 111.
First layer 112, Pt heating element 113, SiO 2 second layer
A layer 114 and a tin oxide semiconductor gas sensor 115 are sequentially formed, and Pt electrodes 116a and 116b are attached to both ends of the gas sensor 115.
【００１４】また、ガス感応体１１５の下部には、シリ
コン基板１１１をエッチング除去することによりガス感
応体１１５の熱容量を小さくするための切欠き部１１７
が設けられている。そして、電極１１６ａ、１１６ｂに
は検出部１１８が接続されており、検出部１１８は、ガ
ス感応体１１５がＣＯガスと接触したときに電気抵抗が
減少する性質を利用して電気抵抗値の減少からＣＯガス
濃度を求めている。A notch 117 is formed in the lower portion of the gas sensitive body 115 to reduce the heat capacity of the gas sensitive body 115 by etching away the silicon substrate 111.
Is provided. A detection unit 118 is connected to the electrodes 116a and 116b, and the detection unit 118 uses the property that the electric resistance decreases when the gas responsive body 115 comes into contact with CO gas to reduce the electric resistance value. The CO gas concentration is sought.
【００１５】この第２従来例のＣＯセンサの検出手順
は、次の通りである。 （１） まず、発熱体１１３に電流を流さない状態に保
持してガス感応体１１５を１００℃以下の低温にする。 （２） 次に検出部１１８は、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。The detection procedure of the CO sensor of the second conventional example is as follows. (1) First, the gas sensitive body 115 is kept at a low temperature of 100 ° C. or lower by keeping the heating element 113 in a state in which no current flows. (2) Next, the detection unit 118 determines the CO gas concentration based on the electric resistance value of the gas sensitive body 115, and determines whether incomplete combustion has occurred.
【００１６】（３） つづいて発熱体１１３に通電する
ことによりガス感応体１１５を３００℃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） 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を再び１００℃以下の低
温にする。(3) Subsequently, the gas sensing element 115 is heated to a temperature of 300 ° C. or higher by energizing the heating element 113 to remove dirt on the surface of the gas sensing element 115. (4) The power supply to the heating element 113 is stopped to stop the heat generation of the heating element 113, and the temperature of the gas sensitive element 115 is lowered to 100 ° C. or lower again.
【００１７】（５） 上記（１）〜（４）の手順（ヒー
トサイクル）を繰り返すことにより、ＣＯの連続的な計
測が可能である。この場合において、１回のヒートサイ
クルに要する時間は約３０秒である。(5) By repeating the steps (1) to (4) (heat cycle), CO can be continuously measured. In this case, the time required for one heat cycle is about 30 seconds.
【００１８】[0018]
【発明が解決しようとする課題】第１従来例の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
をビーズ状に形成しているため、表面積に対して体積が
大きい。In the CO sensor of the first conventional example, the sensing element 86 and the comparative element 87 are formed of 5% Rh-alumina catalyst or a simple substance of alumina in the form of beads on the Pt coil. , With a large volume relative to the surface area.
【００１９】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、マイクロヒータとして
のＰｔコイルに流す電流も大きくなり、ひいてはＣＯセ
ンサの消費電力が大きくなってしまうという問題点があ
った。Therefore, there is a problem that the heat capacity with respect to the surface area becomes large and the CO gas concentration detection speed becomes slow. Further, since the heat capacity is large, the current flowing through the Pt coil as the micro-heater also becomes large, which in turn increases the power consumption of the CO sensor.
【００２０】さらに、ビーズ状に形成された検知素子８
６および比較素子８７を用いてＣＯセンサを製造するた
めには多大の工数を要し、量産化が難しくコストが高く
なるという不具合があった。一方、第２従来例のＣＯセ
ンサでは、ＳｉＯ２の第１層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のでＣＯガス濃度検出速度は速く
なる。Further, the sensing element 8 formed in a bead shape.
6 and the comparative element 87, a large number of man-hours are required to manufacture a CO sensor, mass production is difficult, and the cost is high. On the other hand, in the CO sensor of the second conventional example, the silicon substrate 111 under the first layer 112 of SiO 2 is removed by etching to provide the notch 117 to reduce the heat capacity, so that the CO gas concentration detection speed is high. Become.
【００２１】しかしながら、このようなくり抜き形の切
欠き部１１７を形成するのは、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単層では感
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層１１２の上に
設けてＳｉＯ２層１１２を補強している。さらに、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。
さらにまた、第２従来例のＣＯセンサでは、第１従来例
と異なり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、検出精度が悪くな
る。However, the formation of such a cutout-shaped notch 117 has the problem that mass production is difficult and the cost is high. Further, the SiO 2 single layer since the support force for supporting the sensitive member 115 is weak, reinforces the SiO 2 layer 112 to the heating element 113 of Pt was made to a wide strip shape provided on the SiO 2 layer 112. Furthermore, there is a problem that the temperature gradient from the central portion to the end portion is large, the temperature of the sensitive body 115 is not uniform, and the detection accuracy deteriorates.
Furthermore, in the CO sensor of the second conventional example, unlike the first conventional example, since there is no comparison element, it is not possible to compensate the variation of the resistance value due to the variation of the ambient temperature, and the detection accuracy deteriorates.
【００２２】これを解決すべく、外部に温度補償回路を
取付けることが考えられるが、温度補償回路の取付けに
はコストがかかり、外部に温度補償回路を取付けただけ
では十分な温度補償ができないという問題がある。そこ
で、本発明の目的は、熱絶縁性が高く、消費電力が小さ
く、量産化が容易なマイクロヒータ及び検出速度が速
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。In order to solve this, it is conceivable to mount a temperature compensating circuit on the outside, but it is costly to mount the temperature compensating circuit, and sufficient temperature compensation cannot be achieved only by mounting the temperature compensating circuit on the outside. There's a problem. Therefore, an object of the present invention is to have a high thermal insulation property, low power consumption, easy mass production, and a micro-heater with high detection speed, high detection accuracy, low power consumption, easy mass production, and low cost. It is to provide a CO sensor that can be manufactured.
【００２３】[0023]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項１記載の発明は、支持基板により支持され、
かつ、絶縁体で形成された絶縁体ダイアフラムと、前記
絶縁体ダイアフラム上に形成されたヒータと、前記絶縁
体ダイアフラムの前記ヒータの周囲に配設した貫通孔
と、を備えて構成する。In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is supported by a supporting substrate,
In addition, it is configured to include an insulator diaphragm formed of an insulator, a heater formed on the insulator diaphragm, and a through hole provided around the heater of the insulator diaphragm.
【００２４】請求項１記載の発明によれば、ヒータは絶
縁体ダイアフラム上に形成されているので、熱容量が小
さくなる。また、ヒータの周囲には貫通孔が配設されて
いるので、熱絶縁性を向上し、熱容量が小さくなる。According to the first aspect of the invention, since the heater is formed on the insulator diaphragm, the heat capacity becomes small. Further, since the through holes are arranged around the heater, the heat insulating property is improved and the heat capacity is reduced.
【００２５】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記絶縁体ダイアフラムは、前記マイクロ
ヒータ側から前記支持基板側に向かってＳｉ３Ｎ４層、
ＳｉＯ２層、Ｓｉ層が順次積層されているように構成す
る。請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明
の作用に加えて、絶縁体ダイアフラムは、マイクロヒー
タ側から支持基板側に向かってＳｉ３Ｎ４層、ＳｉＯ２
層、Ｓｉ層が順次積層されているので、この三重層構造
により強度を保持することができる。According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the insulator diaphragm is a Si 3 N 4 layer from the micro heater side toward the supporting substrate side.
It is configured such that the SiO 2 layer and the Si layer are sequentially stacked. According to the invention described in claim 2, in addition to the function of the invention described in claim 1, the insulator diaphragm includes the Si 3 N 4 layer and the SiO 2 layer from the side of the micro-heater toward the side of the supporting substrate.
Since the layers and the Si layer are sequentially stacked, the strength can be maintained by this triple layer structure.
【００２６】請求項３記載の発明は、請求項１又は請求
項２記載のマイクロヒータを有するＣＯセンサであっ
て、同一センサ内に１組の前記マイクロヒータを配置
し、一方のマイクロヒータ上には、ＣＯガスを検出して
反応熱を生じる触媒を含む感応部を設け、他方のマイク
ロヒータ上には、周囲温度変化を補償するための温度補
償部を設けて構成する。An invention according to claim 3 is a CO sensor having the microheater according to claim 1 or 2, wherein one set of the microheaters is arranged in the same sensor, and one of the microheaters is arranged on one of the microheaters. Is provided with a sensitive section including a catalyst that detects CO gas and generates reaction heat, and a temperature compensating section for compensating for ambient temperature change is provided on the other microheater.
【００２７】請求項３記載の発明によれば、一方のマイ
クロヒータ上の感応部は、ＣＯガスを検出して反応熱を
生じる触媒を含んでいるので、当該マイクロヒータの抵
抗値を変化させる。また、他方のマイクロヒータ上の温
度補償部は、周囲温度変化に伴って、当該マイクロヒー
タの抵抗値を変化させる。According to the third aspect of the present invention, the sensitive portion on one of the microheaters includes a catalyst that detects CO gas and generates reaction heat, so that the resistance value of the microheater is changed. The temperature compensating unit on the other microheater changes the resistance value of the microheater in accordance with the change in ambient temperature.
【００２８】さらに両マイクロヒータは、同一センサ内
に配置されているので、両マイクロヒータの抵抗値の変
化をブリッジ回路で検出すれば、温度補償がされた状態
でＣＯガスの濃度を検出できる。請求項４記載の発明
は、請求項３記載の発明において、前記１組のマイクロ
ヒータを抵抗とみなしてブリッジ回路を構成し、前記ブ
リッジ回路の出力信号に基づいて前記ＣＯガスの有無を
検出する検出回路を備えて構成する。Further, since both microheaters are arranged in the same sensor, the CO gas concentration can be detected in a temperature-compensated state by detecting the change in resistance value of both microheaters by the bridge circuit. According to a fourth aspect of the present invention, in the third aspect of the invention, the one set of micro heaters is regarded as a resistor to form a bridge circuit, and the presence or absence of the CO gas is detected based on an output signal of the bridge circuit. It is provided with a detection circuit.
【００２９】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明の作用に加えて、検出回路は、１組のマイクロヒータ
を抵抗とみなしてブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路
の出力信号に基づいてＣＯガスの有無を検出する。According to a fourth aspect of the invention, in addition to the operation of the third aspect of the invention, the detection circuit forms a bridge circuit by regarding one set of micro heaters as resistors, and based on the output signal of the bridge circuit. The presence or absence of CO gas is detected.
【００３０】[0030]
【発明の実施の形態】次に図面を参照して本発明の好適
な実施形態を説明する。図１（ａ）に実施形態のＣＯセ
ンサのセンサ素子の平面図、図１（ｂ）にＣＯセンサの
センサ素子のＡ−Ａ′断面図、図１（ｃ）にＣＯセンサ
のセンサ素子のＢ−Ｂ′断面図を示す。Preferred embodiments of the present invention will now be described with reference to the drawings. 1A is a plan view of the sensor element of the CO sensor of the embodiment, FIG. 1B is a sectional view taken along the line AA ′ of the sensor element of the CO sensor, and FIG. 1C is a view of the sensor element B of the CO sensor. -B 'sectional drawing is shown.
【００３１】ＣＯセンサ１は、結晶方位〔１００〕のシ
リコン基板２を備えて構成されており、このシリコン基
板２の一方の面（図１中、上面）には、ｐ＋−Ｓｉ層
３、ＳｉＯ２層４ａ及びＳｉ３Ｎ４層５ａからなる熱絶
縁層が設けられており、シリコン基板１の他方の面（図
１中、下面）には、ＳｉＯ２層４ｂ及びＳｉ３Ｎ４層５
ｂからなる熱絶縁層が設けられている。The CO sensor 1 comprises a silicon substrate 2 having a crystal orientation [100], and one surface (upper surface in FIG. 1) of the silicon substrate 2 is a p + -Si layer 3, A thermal insulating layer composed of the SiO 2 layer 4a and the Si 3 N 4 layer 5a is provided, and the SiO 2 layer 4b and the Si 3 N 4 layer 5 are provided on the other surface (the lower surface in FIG. 1) of the silicon substrate 1.
A thermal insulation layer of b is provided.
【００３２】さらにＳｉ３Ｎ４層５ａの上面には、Ｔｉ
層とＰｔ層の二重層（またはＰｔ層の単層）から成る薄
膜抵抗をパターニングすることにより形成した二つのヒ
ータ６、７が所定の間隔をおいて配置されている。この
ヒータ６、７は、中央部に細い薄膜抵抗を多数回折り曲
げることにより形成したヒータ本体部６ａ、７ａと、こ
のヒータ本体部６ａ、７ａから引き出される薄膜抵抗の
接続部６ｂ、７ｂと、この接続部６ｂ、７ｂに接続して
金属線ボンディング接続可能な面積を有する電極引出部
６ｃ、７ｃとを備えて構成されている。Further, Ti is formed on the upper surface of the Si 3 N 4 layer 5a.
Two heaters 6 and 7 formed by patterning a thin film resistor composed of a double layer of a layer and a Pt layer (or a single layer of Pt layer) are arranged at a predetermined interval. The heaters 6 and 7 have heater main bodies 6a and 7a formed by bending a number of thin thin film resistors in the central portion, and thin film resistor connecting portions 6b and 7b drawn from the heater main bodies 6a and 7a. The electrode lead-out portions 6c and 7c are connected to the connection portions 6b and 7b and have an area capable of metal wire bonding connection.
【００３３】ＣＯセンサ１の表面には、ＳｉＯ２、Ｓｉ
３Ｎ４またはＰＳＧ（りん珪酸ガラス）の単層構造また
は多層構造を有し、ＣＶＤ法，スパッタ法などにより形
成された保護層８が設けられている。この保護層８は、
ヒータ６、７の短絡を防ぐと同時に、ヒータ６、７と後
述の感応部１０、温度補償部１１とが接触して反応する
のを防ぐ絶縁層の働きをする。保護層８は、絶縁層であ
ること、感応部１０、温度補償部１１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。このため、上述
したように、保護層８は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４または
ＰＳＧ（りん珪酸ガラス）の単層構造または多層構造を
有するのである。On the surface of the CO sensor 1, SiO 2 , Si
A protective layer 8 having a single-layer structure or a multi-layer structure of 3 N 4 or PSG (phosphosilicate glass) and formed by a CVD method, a sputtering method, or the like is provided. This protective layer 8 is
At the same time as preventing the short-circuiting of the heaters 6 and 7, it functions as an insulating layer that prevents the heaters 6 and 7 from contacting and reacting with the sensitive section 10 and the temperature compensating section 11, which will be described later. The protective layer 8 is an insulating layer, has good compatibility with the alumina forming the sensitive section 10 and the temperature compensating section 11, has high thermal conductivity, and quickly transmits reaction heat and ambient temperature to the heater. It is required that the anticorrosion property is good. Therefore, as described above, the protective layer 8 has a single-layer structure or a multi-layer structure of SiO 2 , Si 3 N 4 or PSG (phosphosilicate glass).
【００３４】ヒータ６のヒータ本体６ａの上部（図１
（ａ）中、手前側）には、保護層８上にＲｈ粉末５％と
アルミナ粉末９５％との混合物により感応部１０が形成
され、ヒータ７のヒータ本体７ａの上部には、保護層８
の上にアルミナ単体で温度補償部１１が形成されてい
る。この温度補償部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り、感応
部１０と同じ熱容量になるように形成されている。The upper portion of the heater body 6a of the heater 6 (see FIG.
In (a), the front side), the sensitive portion 10 is formed on the protective layer 8 with a mixture of 5% Rh powder and 95% alumina powder, and the protective layer 8 is provided on the heater body 7a of the heater 7.
The temperature compensating part 11 is formed on the upper part of the alumina alone. The temperature compensating section 11 is for compensating for the variation of the resistance value of the heater 6 due to the variation of the ambient temperature, and is formed so as to have the same heat capacity as the sensitive section 10.
【００３５】感応部１０及び温度補償部１１が設けられ
ている位置のシリコン基板１の裏面側に凹部１２ａ、１
２ｂを形成することにより、感応部１０及び温度補償部
１１が設けられている位置にダイアフラム１３ａ、１３
ｂを形成している。さらにダイアフラム１３ａ、１３ｂ
のヒータ本体６ａ、７ａの周囲には、図１、図２（ａ）
のヒータ６の平面拡大図及び図２（ｂ）のヒータ６のＣ
−Ｃ’拡大断面図に示すように、熱絶縁性を向上させ、
検出精度を向上するための複数の貫通孔１４ａ、１４ｂ
が設けられている。The recesses 12a, 1 are formed on the back surface of the silicon substrate 1 at the positions where the sensitive section 10 and the temperature compensating section 11 are provided.
By forming 2b, the diaphragms 13a, 13 are provided at the positions where the sensitive section 10 and the temperature compensating section 11 are provided.
b is formed. Further, the diaphragms 13a and 13b
1 and 2 (a) around the heater bodies 6a and 7a of FIG.
2 is an enlarged plan view of the heater 6 shown in FIG. 2 and C of the heater 6 shown in FIG.
-C 'As shown in the enlarged sectional view,
A plurality of through holes 14a and 14b for improving detection accuracy
Is provided.
【００３６】この場合において、貫通孔１４ａ又は貫通
孔１４ｂで囲まれ、かつ、ヒータ本体６ａ、７ａの裏面
に設けられたｐ＋−Ｓｉ層は、ヒータ本体６ａ、７ａの
温度を均一にして電流集中による局部発熱を防止して、
断線を防止する均熱板として機能する。In this case, the p + -Si layer surrounded by the through hole 14a or the through hole 14b and provided on the back surface of the heater bodies 6a, 7a makes the temperature of the heater bodies 6a, 7a uniform and the current flow. Prevents local heat generation due to concentration,
It functions as a soaking plate that prevents disconnection.
【００３７】感応部１０に対応するヒータ６及び温度補
償部１１に対応するヒータ７は、図３に示すように、固
定抵抗Ｒ１、固定抵抗Ｒ２及び可変抵抗ＲＶによりブリ
ッジ回路を構成し、このブリッジ回路には、検出回路１
５及び直流電源Ｅが接続されている。As shown in FIG. 3, the heater 6 corresponding to the sensitive section 10 and the heater 7 corresponding to the temperature compensating section 11 form a bridge circuit with a fixed resistor R1, a fixed resistor R2 and a variable resistor RV. The detection circuit 1
5 and the DC power source E are connected.
【００３８】このＣＯセンサ１を使用するに際しては、
まず、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１５に電流が流れないように可変抵抗ＲＶ
を調整する。この状態において、ＣＯガスが検知素子８
６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。When using this CO sensor 1,
First, the variable resistor RV is provided so that no current flows in the detection circuit 15 when no gas such as city gas or LP gas flows.
To adjust. In this state, CO gas is detected by the sensing element 8
When 6 is touched, it is oxidized on the surface of the element by the catalytic action, and heat of reaction is generated.
【００３９】この反応熱によりヒータ６の抵抗値が上昇
し、この抵抗値の上昇によりブリッジ回路の平衡が崩
れ、検出回路１５に電流が流れることとなる。検出回路
１５はこの電流値を測定してＣＯガスの濃度を算出する
のである。この場合において、ヒータ７は、周囲温度の
変動によるヒータ６の抵抗値の変動を相殺し、反応熱に
起因するヒータ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。Due to this reaction heat, the resistance value of the heater 6 rises, and due to this rise in resistance value, the balance of the bridge circuit is lost and a current flows through the detection circuit 15. The detection circuit 15 measures the current value to calculate the CO gas concentration. In this case, the heater 7 cancels the fluctuation of the resistance value of the heater 6 due to the fluctuation of the ambient temperature, and compensates only for the pure increase of the resistance value of the heater 6 caused by the heat of reaction.
【００４０】この場合において、ヒータ６及びヒータ７
は、ｐ＋−Ｓｉ層３、ＳｉＯ２層４ａ及びＳｉ３Ｎ４層
５ａにより形成されるダイアフラム１３ａ、１３ｂに形
成され、かつ、ヒータ６及びヒータ７の周囲には、貫通
孔１４ａ、１４ｂが形成されているので、ヒータ６とヒ
ータ７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。In this case, the heater 6 and the heater 7
Are formed on the diaphragms 13a and 13b formed by the p + -Si layer 3, the SiO 2 layer 4a and the Si 3 N 4 layer 5a, and the through holes 14a and 14b are formed around the heater 6 and the heater 7. Since it is formed, the heater 6 and the heater 7 are sufficiently thermally insulated, and at the same time, the heat capacity is small, the sensitivity is improved, and the detection speed is also increased.
【００４１】また、熱膨張率の差のため、Ｓｉに対して
ＳｉＯ２層は圧縮応力を持ち、Ｓｉ３Ｎ４層は引張応力
を持っており、ＳｉＯ２層単独であると、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、Ｓｉ３Ｎ
４層をシリコン基板に直接形成するとＳｉ３Ｎ４層に亀
裂を生じ易い傾向がある。Further, due to the difference in the coefficient of thermal expansion, the SiO 2 layer has a compressive stress with respect to Si, the Si 3 N 4 layer has a tensile stress, and the SiO 2 layer alone has a corner of the diaphragm. Part tends to crack, and Si 3 N
If the four layers are directly formed on the silicon substrate, the Si 3 N 4 layer tends to crack.
【００４２】この亀裂発生を抑えるためにＳｉとＳｉ３
Ｎ４層との間にＳｉＯ２層を挟み、ダイアフラムをＳｉ
Ｏ２／Ｓｉ３Ｎ４二層構造とし、層の厚さ制御を行うこ
とにより亀裂発生を抑えることができるが、ダイアフラ
ムをＳｉＯ２／Ｓｉ３Ｎ４二層構造とした場合には、層
の厚さ制御を正確に行なう必要があり、歩留りが低くな
るという不具合がある。In order to suppress the generation of cracks, Si and Si 3
The SiO 2 layer is sandwiched between the N 4 layer and the Si diaphragm.
Although crack generation can be suppressed by controlling the thickness of the layer with an O 2 / Si 3 N 4 double layer structure, when the diaphragm has a SiO 2 / Si 3 N 4 double layer structure, the layer It is necessary to accurately control the thickness, which causes a problem of low yield.
【００４３】そこで、層の厚さ制御を容易とすべく、ダ
イアフラム１３ａ、１３ｂをｐ＋−Ｓｉ／ＳｉＯ２／Ｓ
ｉ３Ｎ４三層構造とし、この結果、ダイアフラム１３
ａ、１３ｂの支持力を強化するとともに、歩留りを向上
している。このダイアフラムを三層構造にして支持力を
強くしたので、図９に示した第２従来例のように絶縁層
を抵抗体で補強してやる必要がなくなる。Therefore, the diaphragms 13a and 13b are made of p + -Si / SiO 2 / S in order to facilitate control of the layer thickness.
i 3 N 4 has a three-layer structure, and as a result, the diaphragm 13
The yield strength is improved while strengthening the supporting power of a and 13b. Since this diaphragm has a three-layer structure to increase the supporting force, it is not necessary to reinforce the insulating layer with a resistor as in the second conventional example shown in FIG.
【００４４】この結果、ヒータ６、７は、図１に示した
形状とすることができ、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る。また、細い薄膜抵抗の接続
部６ｂ、７ｂ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、中央部のヒータ本体部６ａ、７ａ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。As a result, the heaters 6 and 7 can have the shape shown in FIG. 1, and can centrally heat only the required portion of the central portion with a small current. Further, since the thin film resistor connecting portions 6b and 7b are provided, the heat conduction is reduced, the temperature gradient is reduced, the temperature distribution of the heater main body portions 6a and 7a in the central portion is made uniform, and the detection accuracy is improved. Power consumption can be reduced.
【００４５】例えば、図６、図７に示したコイルを使用
する従来のＣＯ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を１２０ｍＷ以下
に下げることができ、消費電力を従来の１／５以下に低
減することができる。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。For example, the conventional CO sensor using the coils shown in FIGS. 6 and 7 consumes 600 mW, whereas the product of the present invention can reduce the power consumption to 120 mW or less. The electric power can be reduced to ⅕ or less of the conventional one. Next, a method for manufacturing the sensor element of the first embodiment will be described.
【００４６】図４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。ま
ず、図４（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層４２ａ，４２ｂ
を設け、ホトリソグラフィ技術によって上面のＳｉＯ２
層４２ａに窓をあけ、Ｐ型不純物を高濃度に導入してｐ
＋−Ｓｉ層３を形成する。4A to 4D are sectional views showing a sequence of steps for explaining the method of manufacturing the sensor element of the first embodiment. First, as shown in FIG. 4A, N of crystal orientation [100] is
Type SiO 2 layers 42a, 42b on the utilization surface of the silicon substrate 1.
And SiO 2 on the upper surface by photolithography technology.
A window is opened in the layer 42a, and P-type impurities are introduced at a high concentration to p
A + -Si layer 3 is formed.
【００４７】次に、図４（ｂ）に示すように、ＳｉＯ２
層４２ａ，４２ｂを除去し、新しくＳｉＯ２層４ａ，４
ｂを設け、その上にＳｉ３Ｎ４層５ａ、５ｂを設ける。
さらに表面にホトレジストを塗布し、貫通孔を除くパタ
ーンを有するマスクで露光し、現像してホトレジストの
パターンを形成し、貫通孔部分のＳｉＯ２層４ａ及びＳ
ｉ３Ｎ４層５ａを異方性エッチングにより除去する。Next, as shown in FIG. 4B, SiO 2
The layers 42a and 42b are removed and new SiO 2 layers 4a and 4 are formed.
b is provided, and the Si 3 N 4 layers 5a and 5b are provided thereon.
Further, a photoresist is applied to the surface, exposed with a mask having a pattern excluding the through holes, and developed to form a photoresist pattern, and the SiO 2 layers 4a and S in the through holes are formed.
The i 3 N 4 layer 5a is removed by anisotropic etching.
【００４８】次に、図４（ｃ）に示すように、リフトオ
フ法を用いてヒータ６、７を形成する。より詳細には、
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。Next, as shown in FIG. 4C, the heaters 6 and 7 are formed by using the lift-off method. More specifically,
The heaters 6 and 7 using the lift-off method are formed as follows. First, a photoresist is applied to the surface and the heater 6,
It is exposed with a mask having a pattern of 7 and developed to form a photoresist pattern.
【００４９】図中、上方からＴｉとＰｔを順次被着して
Ｔｉ−Ｐｔ二層構造（またはＰｔ単層構造）の薄膜抵抗
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層（またはＰｔ層）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。In the figure, Ti and Pt are sequentially deposited from above to form a Ti-Pt two-layer structure (or Pt single layer structure) thin-film resistor, and the photoresist is dissolved to form a Ti-Pt layer on the photoresist. (Or Pt layer) is removed together with the photoresist, and heaters 6 and 7 are applied only to the portion where the photoresist is not present.
Leave.
【００５０】これにより中央部に薄膜抵抗を多数回折り
曲げて形成したヒータ本体部６ａ、７ａと、このヒータ
本体部６ａ、７ａの両側から引き出される薄膜抵抗の接
続部６ｂ、７ｂと、この接続部６ｂ、７ｂに接続して金
属線ボンディング接続可能な面積を有する電極引出部６
ｃ、７ｃとを備えたヒータ６、７が形成されることとな
る。As a result, the heater main bodies 6a and 7a are formed by bending a number of thin film resistors in the central portion, the thin film resistor connecting portions 6b and 7b drawn from both sides of the heater main body portions 6a and 7a, and the connecting portions. An electrode lead-out portion 6 having an area that can be connected to 6b and 7b by metal wire bonding connection
The heaters 6 and 7 including c and 7c are formed.
【００５１】次に、図４（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
して保護層８を形成する。さらに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層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
をあける。Next, as shown in FIG. 4 (d), C is formed on the surface.
The protective layer 8 is formed by depositing SiO 2 , Si 3 N 4 , or PSG (phosphosilicate glass) in a single layer or multiple layers by the VD method or the sputtering method. Further, the protective layer 8 is patterned by the photolithography technique and the dry etching method to open contact windows for leading out electrodes at both ends of the heaters 6 and 7.
【００５２】次に、図４（ｅ）に示すように、シリコン
基板１の下面のＳｉ３Ｎ４層５ｂにマスクを設け、ｐ＋
−Ｓｉ層３の下方と貫通孔１４ａ、１４ｂを形成すべき
領域の下方のＳｉ３Ｎ４層５ｂ及びＳｉＯ２層４ｂをエ
ッチング除去する。Next, as shown in FIG. 4E, a mask is provided on the Si 3 N 4 layer 5b on the lower surface of the silicon substrate 1, and p +
-The Si 3 N 4 layer 5b and the SiO 2 layer 4b below the Si layer 3 and below the regions where the through holes 14a and 14b are to be formed are removed by etching.
【００５３】Ｓｉ３Ｎ４層５ａ、５ｂ、ＳｉＯ２層４
ａ、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１２ａ、１２ｂを形成することによりダイ
アフラム１３ａ、１３ｂを形成すると同時に貫通孔１４
ａ、１４ｂ（図１参照）を貫通させる。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）、ＥＰＷ（エチレンジアミンピテカテコール）、
ヒドラジン等が適する。これらのエッチング液は、Ｓｉ
Ｏ２層を余りエッチングせずにＳｉ（シリコン）をエッ
チングするからである。Si 3 N 4 layers 5a and 5b, SiO 2 layer 4
The diaphragms 13a and 13b are formed by anisotropically etching the silicon substrate 1 using the masks a and 4b to form the recesses 12a and 12b, and at the same time the through holes 14 are formed.
a and 14b (see FIG. 1) are penetrated. The etching liquid is TMAH (tetramethylammonium hydroxide), EPW (ethylenediamine pitecatechol),
Hydrazine and the like are suitable. These etching solutions are Si
This is because Si (silicon) is etched without etching the O 2 layer too much.
【００５４】ダイアフラム１３ａ、１３ｂの最下層をｐ
＋−Ｓｉ層３とするのは、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するた
めである。これを利用することにより、ｐ＋−Ｓｉ層３
部分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、ダイアフラム１３ａ、１３ｂを確実、か
つ、容易に形成することができる。The bottom layer of the diaphragms 13a and 13b is p
The + -Si layer 3 is used because the high-concentration impurity region has a slower etching rate than the low-concentration impurity region. By utilizing this, the p + -Si layer 3
The etching naturally stops at the portion, and neither excess nor deficiency of etching does not occur, and the diaphragms 13a and 13b can be formed reliably and easily.
【００５５】次に、図４（ｆ）に示すように、保護層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の上の保護層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の上の保護層８上
に塗布し、約７００℃で焼成して作る。Next, as shown in FIG. 4F, the protective layer 8
A sensitive part 10 and a temperature compensating part 11 (see FIG. 1) are formed on the upper part. Sensitive part 10 is 5% Rh powder and 95% alumina powder.
Is mixed with alumina binder and water to form a paste, and the paste is applied on the protective layer 8 on the heater 6 and baked at about 700 ° C. The temperature compensator 11 is formed by mixing alumina powder, an alumina-based binder, and water to form a paste, applying the paste on the protective layer 8 on the heater 7, and firing the paste at about 700 ° C.
【００５６】焼成は感応部１０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１のセンサ素子が形成される。The firing is performed simultaneously with the sensitive section 10 and the temperature compensation section 11. Since the temperature compensator 11 is for compensating for the variation in the resistance value of the heater 6 due to the variation in the ambient temperature,
It is formed so as to have the same heat capacity as that of the sensitive section 10. As a result, the sensor element of the CO sensor 1 is formed.
【００５７】図５に本発明のＣＯセンサを用いてＣＯセ
ンサモジュールを構成した場合の一部切欠き斜視図であ
る。ＣＯセンサ１を収容するハウジングは、ステム２１
とキャップ２３とを備えて構成されている。FIG. 5 is a partially cutaway perspective view of a CO sensor module using the CO sensor of the present invention. The housing that houses the CO sensor 1 is a stem 21.
And a cap 23.
【００５８】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貫通
孔２４ａ、２４ｂが設けられている。なお、図５におい
ては、理解を容易にするため、図３ではキャップ２３の
半分を切欠いて示してある。Four lead wires 22 are drawn out from the stem 21. The cap 23 is formed in the shape of a cup having a cylindrical shape and an upper surface closed, and is provided with two through holes 24a and 24b on the side surface for gas flow. In FIG. 5, half of the cap 23 is cut away in FIG. 3 for easy understanding.
【００５９】ステム２１に図１に示したＣＯセンサ１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。その後、キャップ２３をステム２
１に溶接することにより、ＣＯセンサモジュールが完成
することとなる。The CO sensor 1 shown in FIG. 1 is fixed to the stem 21, and the metal fine wire 25 connects the contact windows 6a, 6b, 7a, 7b of the heater of the sensor element and the lead wire 22 by the bonding method. After that, attach the cap 23 to the stem 2
By welding to No. 1, the CO sensor module is completed.
【００６０】このＣＯセンサモジュールを実際に用いる
場合には、二つの貫通孔２４ａ、２４ｂからガスを導入
する。そして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。When this CO sensor module is actually used, gas is introduced through the two through holes 24a and 24b. The CO gas in the introduced gas is the sensitive portion 10
When touched, the element surface is oxidized by the catalytic action and heat of reaction is generated.
【００６１】この反応熱によりヒータ６の抵抗値が上昇
し、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こととなる。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ので、正確なＣＯ
ガス濃度を検出することが可能となる。Due to this reaction heat, the resistance value of the heater 6 rises, and the change in this resistance value is measured by the bridge circuit to detect the CO gas concentration. The temperature compensator 11 has a function of canceling fluctuations in the resistance value of the heater 6 due to fluctuations in the ambient temperature and compensating only for an increase in the resistance value of the heater 6 due to the reaction heat so as to obtain pure CO.
It is possible to detect the gas concentration.
【００６２】以上の実施形態においては、ＣＯセンサモ
ジュールと検出回路と別個に構成していたが、一体に構
成することも可能である。これにより、より取扱いを容
易とすることができる。In the above embodiments, the CO sensor module and the detection circuit are separately constructed, but they may be integrally constructed. This makes it easier to handle.
【００６３】[0063]
【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、ヒータは
絶縁体ダイアフラム上に形成されているので、熱容量が
小さくできる。また、ヒータの周囲には貫通孔が配設さ
れているので、熱絶縁性を向上し、熱容量が小さくな
り、消費電力を低減することができるとともに、検出速
度を向上し、かつ、測定精度を向上させることができ
る。According to the invention of claim 1, since the heater is formed on the insulator diaphragm, the heat capacity can be reduced. In addition, since the through holes are arranged around the heater, the heat insulating property is improved, the heat capacity is reduced, the power consumption can be reduced, the detection speed is improved, and the measurement accuracy is improved. Can be improved.
【００６４】請求項２記載の発明によれば、請求項１記
載の発明の効果に加えて、絶縁体ダイアフラムは、マイ
クロヒータ側から支持基板側に向かってＳｉ３Ｎ４層、
ＳｉＯ２層、Ｓｉ層が順次積層されているので、この三
層構造により強度を保持することができるとともに、層
の厚さ制御の許容範囲が広がり、歩留りを向上させるこ
とができる。According to the invention described in claim 2, in addition to the effect of the invention described in claim 1, the insulator diaphragm is composed of a Si 3 N 4 layer from the microheater side toward the support substrate side.
Since the SiO 2 layer and the Si layer are sequentially laminated, the strength can be maintained by this three-layer structure, and the allowable range of layer thickness control can be widened to improve the yield.
【００６５】請求項３記載の発明によれば、一方のマイ
クロヒータ上の感応部が触媒によりＣＯガスを検出して
反応熱を生じて当該マイクロヒータの抵抗値を変化さ
せ、他方のマイクロヒータ上の温度補償部が、周囲温度
変化に伴って、当該マイクロヒータの抵抗値を変化させ
るに際し、両マイクロヒータは、同一基板上の物理的に
対称な位置に配置されているので、両マイクロヒータの
抵抗値の変化をブリッジ回路で検出すれば、温度補償が
された状態でＣＯガスの濃度を検出でき、ＣＯガス濃度
を迅速、かつ、正確に検出することができる。According to the third aspect of the invention, the sensitive portion on one microheater detects CO gas by the catalyst to generate reaction heat to change the resistance value of the microheater, and the reaction on the other microheater. When the temperature compensating unit of 1 changes the resistance value of the micro-heater with the change of the ambient temperature, both micro-heaters are arranged at physically symmetrical positions on the same substrate. If the change in resistance value is detected by the bridge circuit, the CO gas concentration can be detected in a temperature-compensated state, and the CO gas concentration can be detected quickly and accurately.
【００６６】請求項４記載の発明は、請求項３記載の発
明の効果に加えて、検出回路は、１組のマイクロヒータ
を抵抗とみなしてブリッジ回路を構成し、ブリッジ回路
の出力信号に基づいてＣＯガスの有無を検出するので、
より取扱いが容易となる。According to a fourth aspect of the present invention, in addition to the effect of the third aspect of the invention, the detection circuit forms a bridge circuit by regarding one set of micro-heaters as resistors, and based on the output signal of the bridge circuit. Detects the presence or absence of CO gas,
It is easier to handle.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図１】ＣＯセンサの構成説明図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of a CO sensor.
【図２】マイクロヒータ部分の拡大説明図である。FIG. 2 is an enlarged explanatory view of a micro heater part.
【図３】検出回路の構成を説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration of a detection circuit.
【図４】ＣＯセンサの製造方法説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram of a manufacturing method of a CO sensor.
【図５】ＣＯセンサモジュールの一部切欠き斜視図であ
る。FIG. 5 is a partially cutaway perspective view of a CO sensor module.
【図６】第１従来例の一部切欠き斜視図である。FIG. 6 is a partially cutaway perspective view of a first conventional example.
【図７】第１従来例の検知素子および比較素子の断面図
である。FIG. 7 is a sectional view of a sensing element and a comparative element of a first conventional example.
【図８】従来の検出回路の構成を説明する図である。FIG. 8 is a diagram illustrating a configuration of a conventional detection circuit.
【図９】第２従来例の構成を説明する図である。FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a second conventional example.
【符号の説明】 １ ＣＯセンサ ２ シリコン基板 ３ ｐ＋−Ｓｉ層 ４ａ、４ｂ ＳｉＯ２層 ５ａ、５ｂ Ｓｉ３Ｎ４層 ６、７ ヒータ ６ａ、７ａ ヒータ本体部 ６ｂ、７ｂ 接続部 ６ｃ、７ｃ 電極引出部 ８ 保護層 １０ 感応部 １１ 温度補償部 １２ａ、１２ｂ 凹部 １３ａ、１３ｂ ダイアフラム １４ａ、１４ｂ 貫通孔[Description of Reference Signs] 1 CO sensor 2 Silicon substrate 3 p + -Si layer 4a, 4b SiO 2 layer 5a, 5b Si 3 N 4 layer 6, 7 Heater 6a, 7a Heater body 6b, 7b Connection 6c, 7c Electrode Lead-out portion 8 Protective layer 10 Sensitive portion 11 Temperature compensation portion 12a, 12b Recessed portion 13a, 13b Diaphragm 14a, 14b Through hole
Claims (4)
で形成された絶縁体ダイアフラムと、 前記絶縁体ダイアフラム上に形成されたヒータと、 前記絶縁体ダイアフラムの前記ヒータの周囲に配設した
貫通孔と、 を備えたことを特徴とするマイクロヒータ。1. An insulator diaphragm supported by a support substrate and formed of an insulator, a heater formed on the insulator diaphragm, and a penetrating hole provided around the heater of the insulator diaphragm. A micro-heater characterized by having holes.
て、 前記絶縁体ダイアフラムは、前記マイクロヒータ側から
前記支持基板側に向かってＳｉ3 Ｎ4 層、ＳｉＯ2 層、
Ｓｉ層が順次積層されていることを特徴とするマイクロ
ヒータ。2. The microheater according to claim 1, wherein the insulator diaphragm is a Si 3 N 4 layer, a SiO 2 layer, from the microheater side toward the support substrate side,
A micro-heater characterized in that Si layers are sequentially laminated.
ータを有するＣＯセンサであって、 同一センサ内に１組の前記マイクロヒータを配置し、 一方のマイクロヒータ上には、ＣＯガスを検出して反応
熱を生じる触媒を含む感応部を設け、 他方のマイクロヒータ上には、周囲温度変化を補償する
ための温度補償部を設けたことを特徴とするＣＯセン
サ。3. A CO sensor having the microheater according to claim 1 or 2, wherein one set of the microheaters is arranged in the same sensor, and CO gas is detected on one of the microheaters. A CO sensor characterized in that a sensitive section containing a catalyst that generates reaction heat is provided, and a temperature compensating section for compensating for ambient temperature change is provided on the other microheater.
路を構成し、前記ブリッジ回路の出力信号に基づいて前
記ＣＯガスの有無を検出する検出回路を備えたことを特
徴とするＣＯセンサ。4. The CO sensor according to claim 3, wherein the set of micro-heaters is regarded as a resistor to form a bridge circuit, and a detection circuit for detecting the presence or absence of the CO gas based on an output signal of the bridge circuit. A CO sensor characterized by including.
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Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
1996
- 1996-03-29 JP JP07719596A patent/JP3204365B2/en not_active Expired - Fee Related
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