JPH0688802A - 雰囲気センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 検出用室から外気に連通する通気孔を簡易で
高精度にし、安価で特性のバラツキを小さくし、高感度
で安定した検出特性を与える。 【構成】 シリコン（１００）基板１０上に同形の凹部
状の参照用室１４と検出用室１５とを異方性エッチング
加工し、同時に検出用室１５に基板１０面に延びる通気
孔溝１６を設ける。通気孔溝１６は、カバー１８を基板
１０の検出用室１５上に接合されることにより一部閉止
されるが、開口１６ａを残して検出用室１５と外気とを
連通する。また、参照用室１４と検出用室１５内の発熱
抵抗体は凹部上に薄膜絶縁体の架橋支持部に支持された
薄膜絶縁体１１上に細線状に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、雰囲気センサの構造に関し、よ
り詳細には、温度センサ，ガスセンサ等の雰囲気ガスを
検知する雰囲気センサの構造に関する。

【０００２】

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

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

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

【０００５】上記のように構成することにより、熱容量
を小さくした検出素子３の熱が直接基板に熱伝導するの
を抑えて、基板で構成した空間の気体の熱伝導により熱
平衝を保ち、小電力化と応答の高速化を図ることができ
るようにしている。

【０００６】また、第２の基板２にも基板１に対応する
位置に前記検出素子３用の空間を作るための凹部６,７
と、検出素子３のパッド部９を露出させるための切欠き
部を形成しておき、更に、基板２に接合用の低融点ガラ
スペースト５を図に斜線で示すパターンにスクリーン印
刷した上、前記ペースト中の溶剤を仮焼成で蒸発させ、
続いて参照素子の空間に封入する乾燥空気か一定の既知
の湿度の空気雰囲気中で、基板の１と２を対向させ、図
示のようにそれぞれの凹部で薄膜発熱体の検出素子３を
囲む空間を作る配置にした上、加熱で低融点ガラスを融
解して基板を接合させる。

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

【０００８】以上のようにして構成にした湿度センサ
は、２つの検出素子３に電力によって一定のエネルギー
を供給して自己加熱させると、それぞれ参照用空間６と
検出用空間７の水蒸気量、即ち、絶対湿度に対応する空
間の熱伝導度によって放熱し、一定の温度になって、そ
れぞれ一定の抵抗値をもつので、その差をブリッジ回路
の非平衝電位の出力として検出して絶対湿度を計測する
ことができる。

【０００９】上述の従来の雰囲気センサは、参照側の空
間６と検出側の空間７とは、基板１と基板２との凹部６
および７とで形成され、その内容積は等しく、小さい。
参照側の空間６は密閉されていて、薄膜発熱体３の熱が
外部に発放されにくいのに加えて、内壁面は熱輻射によ
り加熱され、検出側の空間７へ熱伝達されるので検出側
の空間６へ温度影響を及ぼす。検出側の空間７と参照側
の空間６との距離が近い程影響が大きく、雰囲気が一定
であっても温度平衡状態とはなりにくく、時間経過とと
もにバランスがずれ易い。しかも、基板２の熱容量が大
きいので、徐々にバランスがくずれていく経時変化があ
る。

【００１０】また、通気孔８は低融点ガラスを融解し、
接合した接合部でガラス厚さにより通気孔８の断面積，
検出側の空間６および参照用の空間７の容積が規定され
るので、ガラス厚さの変化により特性のバラツキも大き
くなる。通気孔８を検出側の空間７の基板２に設ける他
の方法もあるが、このときの通気孔８の孔径は板厚に比
し小さいので、簡易なエッチング加工による孔加工では
精度が上がらず、精度を上げようとするとコスト高にな
る。

【００１１】図４は、従来の検出側の空間の他の通気孔
を示す図で、検出側の空間６の基板１と基板２との凹部
形状に寸法差を与えて、寸法差に応じた通気孔８の大き
さとするものである。しかし、基板２は検出側の空間６
における薄膜発熱体３のカバーとなるものであるから、
通気孔８の大きさは極小にとどめなければならず、この
ような通気孔８を精度良く製作するためには高いコスト
となる。

【００１２】

【目的】本発明は、上述のごとき実情に鑑みてなされた
もので、（１）検出用室から外気に連通する通気孔を高
精度で安価に加工し、製品の特性上のバラツキを小さく
すること、更には、（２）高感度で長期安定した特性の
雰囲気センサを提供することを目的とするものである。

【００１３】

【構成】本発明は、上記目的を達成するために、（１）
同形の凹部を有する基板と、該基板の各々の凹部上に架
橋支持される薄膜絶縁体と、各々の薄膜絶縁体上に形成
された抵抗の等しい発熱抵抗体と、前記凹部を覆被する
カバーとからなり、一方の凹部を密閉して参照用室と
し、他方の凹部を外気に導通する検出用室として、前記
参照用室と検出用室との前記発熱抵抗体の放熱量の差に
基づいて雰囲気を検知する雰囲気センサにおいて、前記
検出用室の凹部から外気への導通を基板凹部底面から表
面に到る通気孔溝を介して行い、該通気孔溝を基板凹部
壁面に形成し、カバー外部に開口したこと、更には、
（２）前記（１）において、前記発熱抵抗体を、参照用
室および検出用室上で架橋される架橋支持部よりも大き
い辺を有する略々正方形の発熱部薄膜絶縁体上に設けた
ことを特徴とするものである。以下、本発明の実施例に
基づいて説明する。

【００１４】図１（ａ）,（ｂ）は、本発明における雰
囲気センサを説明するための図で、（ａ）図は（ｂ）図
の矢視Ｂ−Ｂ線平面図、（ｂ）図は（ａ）図のＡ−Ａ線
断面図であり、図中、１０は基板、１１は薄膜絶縁体、
１２，１３は発熱抵抗体、１４は参照用室、１５は検出
用室、１６は通気孔溝、１６ａは開口、１７，１８はカ
バーである。

【００１５】図示の基板１０は結晶面が（１００）のシ
リコン（Ｓi）の平板で、上面にＳiＯ₂の薄膜絶縁体１
１を形成し、更に金属薄膜を蒸着，ＣＶＤ，スパッタリ
ング等の方法により成膜する。金属薄膜は発熱抵抗体１
２，１３を形成するためのもので、酸化に安定な白金等
の金属が使用される。その後、フォトリソグラフィ，異
方性エッチングなどにより、凹形状の参照用室１４と、
凹部上に架橋した薄膜絶縁体１１上に発熱抵抗体１２を
形成する。これと同時に、前記参照用室１４と同一凹形
状の検出用室１５と、凹部上に架橋した薄膜絶縁体１１
上に発熱抵抗体１２と同一抵抗の発熱抵抗体１３を形成
する。

【００１６】検出用室１５には、凹部の壁面に凹部底面
より基板１０の上部面に延びる通気孔溝１６が設けられ
ている。該通気孔溝１６は、前記凹形状を異方性エッチ
ングするとき、同時に形成される。通気孔溝１６の側壁
面を（１１１）面に選べば凹部形状の面に平行した同一
深さの同一矩形断面の通気孔溝１６が形成される。

【００１７】次に、参照用室１４上部には凹部をもった
カバー１７が基板１０上に薄膜絶縁体１１を介して覆被
固着され、同様に検出用室１５の上部にもカバー１７と
同一形状のカバー１８が基板１０上に覆被固着される。
このとき、検出用室１５のカバー１７は通気孔溝１６の
一部を開口１６ａして低融点ガラス等で固着される。固
着面のガラス層は通気孔溝１６の軸方向に厚さをもって
いるので、ガラス層の厚さに多小のバラツキがあっても
開口１６ａの面積は変らない。通気孔溝１６を検出用室
１５内周の対称位置に均等に設けておけば、溝の深さが
一定に加工されているので、カバー１７の固着位置が多
少ずれても開口１６ａの総和の面積は一定となる。

【００１８】図２は、検出用室１５の詳細な平面図で、
図中、１９は発熱部薄膜絶縁体、２０，２１は架橋支持
部で、図中、図１と同じ作用をする部分には、図１と同
一の参照番号を付している。

【００１９】基板１０には凹部の検出用室１５と通気孔
溝１６とが形成されるが、薄膜絶縁体１１は、検出用室
１５の上部に略々正方形の発熱部薄膜絶縁体１９と、該
発熱部薄膜絶縁体１９を検出用室１５の外周面に架橋支
持する架橋支持部２０，２１の部分が残される。この架
橋支持部２０，２１の幅は、発熱部薄膜絶縁体１９の一
辺よりも狭少である。一方、発熱部薄膜絶縁体１９上に
はこれより僅かに小さい面積に発熱抵抗体１３が形成さ
れ、対向した架橋支持部２１上のリード部１３ｂと基板
１０上のパッド部１３ａとに接続される。

【００２０】発熱抵抗体１３は、例えばジグザグ状に連
続した細い抵抗線を形成するので、抵抗値を大きくする
ことができ、高感度にすることができる。また、発熱抵
抗体１３は架橋支持部２１の長さだけ基板１０より離間
しているので、発熱抵抗体１３を加熱しても基板１０へ
の熱伝達が小さく、発熱抵抗体１３の全面に亘って均一
に加熱され、一定の発熱分布となる。この結果、図３に
示した従来の検出用室１５の上部対称軸に直線状に配設
された発熱抵抗体３と比べると、高感度で安定した雰囲
気ガスを高精度で計測できる。

【００２１】

【効果】以上の説明から明らかなように、本発明によれ
ば、（１）検出用室の通気孔を、該検出用室の凹部を形
成するために、シリコン基板を異方エッチングすると同
時に加工することができるので加工工数も少なく、しか
も通気孔の開口面積の精度も高くできるので、品質の揃
った雰囲気センサを安価に製造することができる。
（２）発熱抵抗体を基板より離間して架橋される発熱部
薄膜絶縁体上に設けたので熱干渉が小さく、均一な温度
分布をもった高感度の雰囲気センサを提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明における雰囲気センサを説明するため
の図である。

【図２】 検出用室１５の詳細な平面図である。

【図３】 従来の絶対湿度センサの一例を示す平面図及
び断面図である。

【図４】 従来の検出側の空間の他の通気孔を示す図で
ある。

【符号の説明】

１０…基板、１１…薄膜絶縁体、１２，１３…発熱抵抗
体、１４…参照用室、１５…検出用室、１６…通気孔
溝、１６ａ…開口、１７，１８…カバー。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 同形の凹部を有する基板と、該基板の各
   々の凹部上に架橋支持される薄膜絶縁体と、各々の薄膜
   絶縁体上に形成された抵抗の等しい発熱抵抗体と、前記
   凹部を覆被するカバーとからなり、一方の凹部を密閉し
   て参照用室とし、他方の凹部を外気に導通する検出用室
   として、前記参照用室と検出用室との前記発熱抵抗体の
   放熱量の差に基づいて雰囲気を検知する雰囲気センサに
   おいて、前記検出用室の凹部から外気への導通を基板凹
   部底面から表面に到る通気孔溝を介して行い、該通気孔
   溝を基板凹部壁面に形成し、カバー外部に開口したこと
   を特徴とする雰囲気センサ。
2. 【請求項２】 前記発熱抵抗体を、参照用室および検出
   用室上で架橋される架橋支持部よりも大きい辺を有する
   略々正方形の発熱部薄膜絶縁体上に設けたことを特徴と
   する請求項１記載の雰囲気センサ。