JPS58105583A - 多機能センサ - Google Patents

多機能センサ

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Publication number
JPS58105583A
JPS58105583A JP56203922A JP20392281A JPS58105583A JP S58105583 A JPS58105583 A JP S58105583A JP 56203922 A JP56203922 A JP 56203922A JP 20392281 A JP20392281 A JP 20392281A JP S58105583 A JPS58105583 A JP S58105583A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
film
sensor
gas
chips
sensitive
Prior art date
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Pending
Application number
JP56203922A
Other languages
English (en)
Inventor
Atsushi Abe
阿部 惇
Kuni Ogawa
小川 久仁
Masahiro Nishikawa
雅博 西川
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP56203922A priority Critical patent/JPS58105583A/ja
Publication of JPS58105583A publication Critical patent/JPS58105583A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/121Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid for determining moisture content, e.g. humidity, of the fluid
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements

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  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は新規な構造の多機能センサに関するものであり
、光とくに赤外線センサ、湿度センサ。
ガスセンサなどの雰囲気センサあるいは温度センナを一
体化した多機能センサに関するものであシ、とくに高精
度、低消費電力で、しかも応答速度が速く、均一な特性
を有し、しかも長期安定性にすぐれた高倍−頼性の超小
形多機能センサを提供しようとするものである。
雰囲気センサと温度センサを一体化した多機能センサに
ついては、たとえば特願昭63−101100号などで
本発明者によって既に提案されている。しかしながら、
光とくに赤外線センサと雰囲気センサを一体化した構成
の多機能センサに関する提案は全く行なわれていない。
その理由の第一は両者のセンサを同時に必要とする用途
がなかったためであり、第二は両者を一体化するために
は解決すべき大きな技術的課題があったためである。雰
囲気センサとくにガスセンサでは、ガス検出感度を高く
し、しかも応答速度を速くするためにはガス感応部を数
百℃という高温まで加熱することが必要であるが、現状
ではガス感応部のみを局部的に加熱する技術が不十分で
あり、その周辺部分の温度も上昇してしまうので、感度
を向上させるためにはむしろ検知部を冷却する方が好ま
しい赤外線センサと雰囲気センサを一体化することは困
難であった。また別の技術的課題について述べると、焦
電型のような従来の赤外線センサはその入力インピーダ
ンスが非常に高いので通常インピーダンス変換用のFE
T(電界効果型トランジスタ)を用いることが不可欠で
あった。しかしながら周知のようにFETは数百℃とい
う高温では動作しないので、これも一体化をさまたげる
要因となっていた。
ここですでに提案されている雰囲気センサと赤外線セン
サのそれぞれの従来例について簡単に説明する。
現在ガスセンサとしては焼結体、厚膜形、薄膜形、超微
粒子膜形などの各種タイプが提案されている。この中で
、たとえば特願昭63−103026号などで本発明者
によって提案されている超微粒子膜形は他のタイプのも
のに比べてガス感度が高い。しかしながら一般にこれら
の半導体形ガスセンサは精度に問題があると言われてい
る。本発明者はその原因について詳細に検討した結果、
ガス感応体あるいはガス感応膜の動作温度のばらつきも
大きな要因の一つになっていることがわかった。しかも
従来のガスセンサは実際の動作温度を検知して制御する
手段を持っていないことがわかった。そこで本発明者は
、たとえば実願昭65−182434号、実願昭66−
182435号において、超微粒子ガス感応性膜の動作
温度を高精度に制御する方法について提案した。この提
案では、現在の超LSI製造に用いられている微細加工
技術をその1ま利用して超微粒子ガス感応性膜を有する
ガスセンサを製造できるので、他のタイプのものに比べ
て、小形であり、寸法精度などの均一性も非常にすぐれ
ている。そして動作温度を制御することができるように
なったために、結果として高精度になるだけでなく、形
状1寸法を小さくしたことによる熱容量の低下によって
、ガス感応性膜の加熱応答時間が短縮されるだけでなく
、消費電力も低下させることができた。
しかしながら、本発明者の行った従来の提案においても
未解決の問題点が残されていた。その問題点について第
1図を用いて説明する。なお第1図(−)は上面図、同
図(b)は同図(a)のA−Nにおける断面図である0 図に示すようにp形シリコン基板1がアルミナなどの支
持体9に接着され、5102膜1oを介して、超微粒子
ガス感応性膜6が設けられている。
3′、3′は基板1に電力を印加するだめの電極、4’
、 4’、 4′は感応性膜6の電気抵抗あるいは電気
容量などの電気的特性を測定するための電極、8′はS
 iO2膜1oに形成された開孔部である0さて。
加熱する必要があるのは、ガス感応性膜6の部分のみで
あるが、第1図に示した従来例の場合には、シリコン基
板1全体が加熱されてしまうという点と、基板1で発生
した熱がアルミナなどで形成されたセラミック製支持体
を伝わって逃げてしまうという点が問題であった。消費
電力をさらに低下させ、かつガス感応性膜6のみは数百
℃という高温まで加熱させるという相矛盾する課題を解
決する必要にせまられていた。
ところで、光とくに赤外線センサに関しては、本発明と
関連があるのは熱検出器であるので、これに限って簡単
に述べる。
従来の熱検出器全般に関しては検出感度があまり高くな
いこと、応答速度が遅いことが指摘されている問題点で
ある。薄膜熱電対を用いる場合にはその性能の経時的変
化が問題であり、抵抗変化を利用する場合には、抵抗体
内部で発生する雑音を熱雑音まで近づけることが課題で
あった。
本発明は以上に述べた雰囲気センサおよび光とくに熱形
赤外線センサの問題点を解決すると同時にそれらを一体
化した多機能センサを提案するものでり、しかもこの多
機能センサにおいては個々のセンサが従来に比べて感度
、精度、応答性、長期安定性にすぐれ、さらに特性が均
一で超小形の多機能センサを実現できるものである。以
下に本発明の詳細な説明する。
第2図は本発明の多機能センサの一実施例を示す。なお
第2図(−)は上面図、同図(b)は下面図、同図(C
)は同図(−)のA−A’における断面図、同図(d)
は同図(−)のB−B/における断面図、同図(e)は
同図(−)のC−σにおける断面図である。図において
シリコン基板1は゛10o〜300μ程度の厚さのシリ
コンウェハをスクライビングして作ったシリコンチップ
からなる。シリコンチップを選択的にエツチングするこ
とによシ、第3図(c)、 (d)、 (@)に示すよ
うにシリコン基板1の一部分にシリコン薄層2゜2′を
選択的に形成する。シリコン薄層2.2′は基板間にま
たがって形成されている5102膜1oによって中空に
保持されている。S z O2膜10の電気抵抗は十分
高いので、中空に保持されたシリコン薄層2.2’領域
とシリコン基板1とは電気的に絶縁されたものと見なす
ことができる。11.12は空間である。
薄層2,2′は熱容量が非常に小さくしかも中空に保持
された状態になっており、一方Sio2膜1゜の熱伝導
率はシリコンに比べて桁違いに小さいので、S 102
膜1oを伝わって伝熱される分は無視できるようになる
。むしろ電極8.9を伝わって放熱される分あるいは空
気を伝わって放熱される成分の方が無視できなくなる。
s/、 e/はそれぞれ薄層2.2′と電極8,9°を
接触させるための開孔部である。ヒータ、電極材料とし
てドープドポリシリコンを用いることもできる。
なおシリコン薄層2,2′のパターンは一例を示すもの
であって各種の変形が考えられることはいうまでもない
6はガス感応性膜、16は光吸収膜、6.7はガス感応
性膜の電気的特性を測定するための一対の電極であり、
6’、  7’はボンデング用パッドである。シリコン
薄層2はガス感応性膜6の下部に形成されていて、ガス
感応性膜2を加熱するためのヒータとして機能する。シ
リコン薄層2からの熱は5102膜1oを介してガス感
応性膜6に伝わるので、S iO2膜1oの厚さは、電
気的絶縁性と機械的強度からくる限度まで薄くする方が
好ましい。
あるいは、ガス感応性膜6の下部の8102膜のみを部
分的に薄くするから、5102膜1oに代えてたとえば
SiO2膜と513N4膜との多層膜で構成し、その一
部分が、薄くなるように構成してもよい0 シリコン薄層2′は光吸収膜16で発生した熱を検知す
るための温度センサとして機能する。なお先にも述べた
のと同一の理由で5IO2膜の厚さは薄い方がよい。
シリコン薄層2.2′はそれぞれ加熱ヒータ、温度セン
サとの双方を兼用できるものであり1本発明のセンサの
特徴の一つである。
さて、ガス感応性膜6および光吸収膜16を超微粒子膜
で構成できることは、先に本発明者がたとえば特願昭5
3−103026号、特願昭62−102424号など
において提案している0また、ガス感応性膜6がたとえ
ばSn酸化物超微粒子。
光吸収膜16がAu超微粒子で構成されるときにはそれ
ぞれの単位面積当りの重量は10〜100μq/1素子
、4oOμq/Iという微量で十分にその機能が発揮さ
れることについても本発明者が見い出した事実である。
このことはたとえばガス感応性膜6を加熱するための熱
量が少なくてすむし、光吸収膜16に吸収された光によ
って発生した熱量が微量でも光吸収膜16が加熱されや
すいことを意味している。
以上のようにガス感応性膜6の部分と光吸収膜16の部
分は熱的に絶縁されているので、ガスセンサと赤外線セ
ンサとを一体化することが可能になっている。
第3図は本発明の他の実施例を示す。温度センサとして
機能するシリコン薄層2′は第2図の場合と同一のパタ
ーンであってもよく、そしてたとえば白金の薄膜で構成
される。光吸収膜16は空間12の中にとじこめられて
いる。この場合には光吸収膜16の表面が汚染されるこ
とがない。空間12が真空ならば光吸収膜16で発生し
た熱が失なわれにくいので好都合である。たとえば支持
体13に保持された光ファイバ16によって光14を導
いて光吸収膜16に照射させることができる。
光ファイバ15の代りにレンズを用いてもよい。
また光ファイバ16を用いずに支持体13に設けられた
開孔を利用するようにしてもよい。ただしこのときには
真空封止の場合に比べて感度は低下する。
ところで本発明者がたとえば特願昭64−68138 
号において提案し泥ように、超微粒子ガス感応膜の動作
温度を変えることにより同一の感応膜で異った複数のガ
スを検知することができる。
本発明のガスセンサでは感応部およびヒータ部を微小化
できるので、たとえば複数の感応膜を近接して設け、そ
れぞれの動作温度を変えて所定の温度まで定常動作させ
ることが実用的に可能になった。あるいは所定の温度領
域の間で昇温・降温させて動作させるときにも熱応答速
度が桁違いに速くなった分だけ実用上の価値が向上した
本発明の多機能センサは電子レンジなどの調理用センサ
あるいは各種分析用センサ火災センサなど多方面に用い
ることができるし、その構成についても本発明の主旨を
逸脱しない範囲で各種の変形が考えられることはいう壕
でもない。
以上に説明したことから明らかなように、本発明による
と、精度が高く、かつ応答温度が速く、消費電力が少な
くしかも長期安定性にすぐれるなど性能のすぐれた高信
頼性の超小形多機能センサを容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)、 (b)は従来の多機能センサを示すも
ので、このうち同図(a)は上面図、同図(b)は同図
<a>のA−八′における断面図である。第2図(=)
〜(e)は本発明の一実施例である多機能センサを示す
もので。 同図(−)は上面図、同図(b)は下面図、同図((り
、 (d)。 (θ)はそれぞれ同図(a)のA −A’、  B−B
’、 C−σにおける断面図である。第39図は本発明
の他の実施例である多機能セッサの要部の断面図である
。 1・・・・・・基板、2,2/・・・・・・シリコン薄
層、3/。 昭 4’、 4#、 4’ζ6. 7.8.9°゛゛゛
電極、6・・・・・・ガス感応性膜、10・・・・・・
 SiO2膜、13・・・・・・支持体、16・・・・
・・光ファイバ、16・・・・・光吸収膜。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名第1
図 C′ 第2図 「0゛ c 11g3@ 2′

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)基板に支持された電気絶縁性の薄膜を有し、前記
    薄膜上の一部分にはガス感応性膜とその電気的特性を測
    定するための電極と前記感応性膜を局部的に加熱するた
    めのヒータが設けられ、前記薄膜上の他の部分には光吸
    収膜と前記吸収膜で発生した温度を検知するための温度
    センサが設けられたことを特徴とする多機能センサ。 に))薄膜上に被検ガス雰囲気の温度を検知するための
    温度センサが設けられたことを特徴とする特許請求の範
    囲第1項に記載の多機能センサ。 (3)  ガス感応性膜および光吸収膜が超微粒子で構
    成されたことを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載
    のガスセンサ。 (4)ガス感応性膜を構成する超微粒子が酸化物超第3
    項に記載の多機能センサ。 (6)  ヒータとガス感応性膜が複数組設けられたこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第1項に記載の多機能セ
    ンサ。 (6)基板とヒータがシリコンからなることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項に記載の多機能センサ0 (ア)オプティカルファイバによって導かれた光が光吸
    収膜に照射されるよう構成されたことを特徴とする特許
    請求の範囲第1項に記載の多機能センサ0
JP56203922A 1981-12-17 1981-12-17 多機能センサ Pending JPS58105583A (ja)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07198646A (ja) * 1993-12-04 1995-08-01 Lg Electron Inc 低消費電力型薄膜ガスセンサ及びその製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07198646A (ja) * 1993-12-04 1995-08-01 Lg Electron Inc 低消費電力型薄膜ガスセンサ及びその製造方法

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