JPH0352028B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、センサおよび電磁エネルギーの輻射
源の分野の集積半導体装置に関し、特に、センシ
ングを含む応用においては新しい微細空間
（micro environment）を与える信号処理回路も
集積可能な集積半導体装置およびその製造方法に
関する。バツチプロセスによつても製造されるで
あろう本発明の半導体装置は、集積化半導体装置
の構成部品の従来の配置手段で可能な場合に比べ
て十分なチツプとのより大きな熱的および物理的
絶縁がされており、半導体回路チツプに熱によつ
て抵抗値が変化する抵抗素子が集積可能な空間
（environment）を与えるものである。本発明は、
流れ検出、可燃性ガス検出、湿度検出および圧力
検出の技術分野において応用できるものである。
しかしながら、本発明はこれらの分野に限定され
るものではない。

本発明は、半導体装置、流量計及びその製造方
法に関する。

本発明の半導体装置は、くぼみが第１の表面に
形成された半導体基体を有している。さらに、半
導体装置は、抵抗素子を構成する部材を有し、そ
の部材は、上記くぼみ上に所定の距離をおいて設
けられた予め決められた構成をしている。その部
材は第１の表面に少なくとも１つの位置で接続さ
れ、くぼみは、少なくとも予め決められた構成の
一部分の回りに開口を設け、そのくぼみが実質的
に、部材と半導体基体との間に物理的および熱的
絶縁を与えるものである。

このようにすると、集積半導体装置は、トラン
スジユーサ即ち抵抗と半導体基体の間に実質的に
物理的および熱的に絶縁された空間を提供するこ
とになる。

このような装置を製造する方法は、その半導体
基体の結晶構造に関して予め決められた方向を持
つ第１の表面を有する半導体基体を与える工程を
有している。さらにその方法は、その部材を第１
の表面上で形成する材料層を与える工程を有して
いる。また、その方法は、少なくとも、第１の表
面の１つの予め決められた領域を露出させる工程
も有していて、その露出した表面領域は、所定の
距離をおいて設けられるべき予め決められた構成
部により一部限定されている。その予め決められ
た構成は、異方性エツチングによるアンダーカツ
トが実質上最小時間で起こるように方向づけされ
ている。最後に、本方法は、露出された表面に異
方性エツチングを施して部材をアンダーカツト
し、くぼみを作る。

本出願では、本発明の種々の実施例を説明し、
前述したように、本発明は流れ検出、可燃性ガス
検出、湿度検出および圧力検出のような技術分野
で応用できるものである。これらの特定の応用
は、以下に詳細に説明され、そして本発明の全般
的装置およびその装置の製造に関する製法につい
て説明する。

はじめに、フローセンサに応用した一実施例に
ついて説明する。

長年にわたり、熱的測風学〔thermal
anemometry〕は流体の流れを測定するのに有効
な手段であつた。定義によれば、熱的風速計は、
動作においてその熱伝導によつている。通常は、
感温抵抗を持つ抵抗素子が、流体の流れの中に置
かれる。その抵抗素子を流れる電流は、電力の散
逸（electrical power dissipation）によつて抵
抗素子の温度が上昇する。監視される流体は、そ
の流れによつてその抵抗素子から熱をうばう。そ
の抵抗素子の最終的な温度は、抵抗値を測定して
示されて、流体の速度および熱伝導率の関数であ
る。従来の抵抗値変化素子は、通常熱線、熱フイ
ルム、サーミスター型である。理想的な熱的風速
計は、高価でなく、だが、非常に速い応答をする
抵抗値トランスジユーサで、正確かつ堅牢なこと
である。これらの要望は、従来の熱的風速計が実
証しているように、しばしばたがいに相反する。
安い風速計は、通常バルク形の検出素子からな
り、応答時間特性はわるい。速応答形の風速計は
通常高価であり、こわれやすい検出素子を有して
いる。正確な風速計は、通常、検出素子および支
持構造のアセンブリに手間がかかり高価である。
さらに、従来の風速計は、流体の流れている領域
の中へ完全に挿入されなければならず、したがつ
て、ゴミ、糸くず、または他の破片の衝突による
破壊や悪化を受けやすい。

本発明の熱的風速計またはフロートランスジユ
ーサは、１つの理想的な変換器に要求されるすべ
ての特性を理想に近い形で満たすものである。本
発明によれば、風速計はシリコン−コンパチブル
プロセス（silicon−compatible processes）の
ような低コストバツチプロセスによつて製造する
こともできるので安価であり、ミリセコンドのレ
ンジの熱的時定数で応答し、正確さについては、
流体の一定の変化に対して抵抗値がより大きく変
化するという感度の向上と、信号対雑音比
（signal to noise ratio）の向上によつて、従来
の固体熱的風速計より優れている。そして、その
構造は、流体の流れの中に完全に挿入する必要の
ないようなものであり、結果としてゴミ、糸く
ず、および他の破片は、衝突するというよりはむ
しろ検出素子のそばを流れることになる。本発明
の風速計は、従来の熱的風速計より性能劣化を受
けにくいものである。

以下、本発明の風速計の一実施例を図面を用い
て詳しく説明する。

第１図および第２図は、本発明にかかるフロー
センサの好ましい実施例の側断面図である。単結
晶（mono−crystalline）半導体１０は、窒化シ
リコン（silicon nitride）のような誘電体層１２
によりおおわれた第１の表面１４を有している。
実施例では、第４図のエレメント２２は、誘電体
層１２上にスパツタされたパーマロイ抵抗素子す
なわちグリツド１６およびリード部２４からな
り、エレメント２２は窒化シリコンのような誘電
体層１８でおおわれている。

誘電体層１２は、エレメント２２と半導体１０
の間に電気的絶縁（isolation）を与え、誘電体
層１２および１８は、エレメント２２にパシベー
シヨン（passivation）を与える。グリツド１６
の下のくぼみ２０を形成することによつて、抵抗
素子のグリツド１６と半導体１０の間に、十分な
熱的および物理的絶縁がなされる。くぼみ２０
は、通常、のちに述べられるような目的にかなつ
たエツチング技術を用いて形成される。このくぼ
み２０がないと、検出素子のグリツド１６と半導
体１０の間で十分な熱的および物理的絶縁を得る
ことはむずかしい。たとえば、抵抗素子のグリツ
ド１６が、固体の誘電体層のみによつて半導体１
０と分けられていたとすると、固体の誘電体の熱
伝導率は、通常、空気の熱伝導率よりも、より大
きいので、抵抗素子のグリツド１６は、実質的
に、半導体１０へ熱を伝えることになる。

検出素子のグリツド１６と半導体１０の間の十
分な熱的および物理的絶縁は、センサのような広
く種々さまざまな装置に適応できるという多くの
利点を有する。たとえば、この本発明の半導体基
体のフローセンサの場合、非常に薄い検出素子が
半導体基体から熱的に十分に絶縁されているよう
な構成にすることにより、その検出素子は空気の
流れの非常に感度の良い測定ができるように適応
される。何故なら、薄く形成された部分の温度は
空気の流れによつてたやすく影響を受けるからで
ある。これは、半導体基体へ実質上熱が逃げてし
まう検出素子を有する固体の熱的風速計に対比さ
れる。このような構成の装置の温度感度は、半導
体自体の熱によつて大きく影響される。

第１図の実施例において、部材すなわち検出素
子３４は、くぼみ２０の上に橋渡し、すなわちブ
リツジ状に設けられ、半導体の第１の表面１４へ
接続された第１および第２の端を有している。こ
のように、検出素子３４は、上から見ると、ほぼ
長方形であり、抵抗素子１６と誘電体層１２およ
び１８の一部からなつている。

第２図の実施例では、部材すなわち検出素子３
２は、抵抗素子１６と誘電体層１２および１８の
一部からなり、半導体の第１の表面１４に検出素
子３２の一端３６だけで接続されて、くぼみ２０
の上で片持ちばりされている。半導体基体１０へ
接続されるのを、検出素子３２の一端だけにする
ことは、半導体基体１０からの実質的な抑制なし
にほぼすべての方向に検出素子３２を膨張および
収縮させることができるという利点を含めて、
種々の利点がある。加えて、検出素子３２を介し
て伝達される熱損失（heat loss）は、その一端
のみで行なわれるので、検出素子３２は、十分
に、より熱的に絶縁されたものとなる。

第３図は、２つの検出素子３２または３４から
なる好ましい実施例の正断面図であり、第１０図
ないし第１３図は、種々の好ましい実施例の平面
図である。本発明のフローセンサに関しては、１
組の部材が、種々の利点を有する好ましい実施例
である。以下で説明されるが、たとえば２つの実
質的に独立な部材を用いて一方からの信号ともう
一方からの信号を比較することで、環境の温度の
変化に対して自動的に温度補償をすることができ
る。そして、このような構成にすることは、単一
の検出素子内でのバツクグラウンド電圧（back
−ground voltage）は容易にほぼ取り除けるの
で、非常に測定の精度を上げることができる。さ
らに、フローセンサに２つの測定素子を用いるこ
とは、以下でさらに説明されるが、上流の検出素
子は、下流の検出素子より冷されるので、速度と
同様に流れの方法を指示することができる。

しかしながら、くぼみ２０の上に支持された１
つの検出素子でも、フローセンサになりうる。た
とえば、流れているかいないかを検出するため
に、１つの検出素子のフローセンサで発生される
空気の乱流信号は、空気の流れの有無を検出する
のに適しているであろう。空気の乱流による素子
の抵抗変化の交流的な成分だけの増幅によりたと
えば周囲温度の変化による素子抵抗の遅いまたは
直流的な成分の検出はしない。

示した好ましい実施例では、パーマロイはスパ
ツタリングでたつた数百オングストロームの厚さ
で層を正確に形成できることと、パーマロイの特
性により、グリツドすなわち抵抗素子１６の抵抗
値と抵抗素子１６の温度の間に高い感度で予め決
められた相関を得ることができることの理由か
ら、パーマロイが抵抗素子１６を形成するように
選択されている。たとえば、非常に薄い部材すな
わち検出素子３２または３４は、抵抗素子１６と
誘電体層１２および１８より形成されるだろう。
フローセンサとして応用されるときは、検出素子
３２または３４にかかる空気の流れは、空気の流
れの速度と予め決められた関係をもつて抵抗素子
１６を冷やして、抵抗値の変化を起こし空気の流
れを測定することができるだろう。

示した実施例では、検出素子３２および３４
は、通常は、0.8から1.2ミクロン程度の厚さであ
る。この厚さは、通常800オングストローム程度
の厚さの抵抗素子１６と、それぞれ通常数千オン
グストローム程度の厚さの誘電体層１２および１
８を含むものである。通常0.001ないし0.010イン
チの深さの範囲であるくぼみ２０によつて抵抗素
子１６が十分に半導体１０の基体から絶縁されて
いるという事実と共に、この非常に薄くかつ高い
感度の構成により、検出素子は高感度の流速測定
ができる。

前述したように、抵抗素子１６の好ましい実施
例は、第４図に示すようなパーマロイのグリツド
からなるものである。リード部２４はパーマロイ
である。なぜなら、付加的なプロセスが除去でき
るからである。すなわちリード部２４を他の材料
で作ることは、付加的なプロセスを必要とするか
らである。パーマロイのリード部２４はわずかに
熱くなるが、リード部は、第４図、第１０図、第
１１図、第１２図および第１３図に図示したよう
に比較的幅が広く、そしてリード部は、実質的に
半導体１０の基体へ熱を伝達し、リード部２４の
加熱は比較的小さい。

前述したように、第３図に図示したような第１
および第２の抵抗素子からなるフロートランスジ
ユーサには種々の利点がある。このような構成の
実施例は、第５図に図示したような回路と組み合
わされ、バツクグラウンド信号を除去し直接測定
信号を与えることによつて周囲温度とは独立し
た、より感度のよいフロートランスジユーサを得
ることができる。

第３図に図示したセンサの実施例の動作説明お
よび第５図に図示した回路の説明のために、これ
らの図面の抵抗素子を１６Ａおよび１６Ｂと符号
付する。それぞれの抵抗素子１６Ａおよび１６Ｂ
は抵抗素子１６からなる。抵抗素子１６Ａおよび
１６Ｂは、少なくともほぼ同一であり通常はつり
合わされているが、つり合わせる必要はない。

本発明の実質的な利点は、第５図に示すような
回路が、半導体１０の基体上に直接集積化するこ
とができることにあり、このようにして、バツチ
プロセスにより、単一チツプ上に完全な検出装置
を得ることができる。

第５図に示した回路は、たとえば、TLO８７
からなる差動増幅器を３つ有している。図示のよ
うに、２つ増幅器５０および５２のそれぞれはフ
イードバツクループ（feedback loop）に並列に
接続された抵抗素子１６Ａまたは１６Ｂを有して
いる。抵抗素子１６Ａは、そのリード部２４を介
して、増幅器５０の出力５４と負入力（negative
input）５９の間に接続される。抵抗素子１６Ｂ
は、同様にそのリード部２４を介して、増幅器５
２の出力５６と負入力５８の間に接続される。

増幅器５２への負入力５８は、抵抗６４を介し
てポテンシヨメータ６２のワイパー６６へ接続さ
れている。増幅器５０への負入力５９は、抵抗７
０を介してワイパー６６へ接続されている。増幅
器５０および５２の正入力７２および７４は、そ
れぞれ接地または基準電位７６に接続されてい
る。

増幅器５２の出力５６は、抵抗８２を介して増
幅器８０の負入力に接続され、増幅器５０の出力
５４は、抵抗８６を介して増幅器８０の正入力へ
接続されている。増幅器８０の正入力８４は、抵
抗８８を介して接地または基準電位７６へ接続さ
れている。抵抗９０は、増幅器８０の出力９２と
負入力７８の間に接続されている。

ポテンシヨメータ６２の第１端子９４は、＋
15VDCのような正の電源へ接続するために、ま
た、ポテンシヨメータ６２の第２の端子９６は、
−15VDCのような負の電源に接続されるように
設けてある。ポテンシヨメータ６２は、電源のプ
ラスおよびマイナス電圧の間のどこでも予め決め
られた電位を選択するための手段を与えるもので
ある。

動作において、この示した回路は、出力９２と
接地または基準電位７６の間に抵抗素子１６Ａお
よび１６Ｂからなる検出素子３２または３４にか
かる流体の速度と予め決められた関係を持つ電圧
を発生する。

抵抗素子１６Ａおよび１６Ｂは、それぞれ、増
幅器５０および５２のフイードバツクループに設
けられる。それぞれの演算増幅器５０および５２
は、そのフイードバツクループ中に一定電流を維
持する。よつて、それぞれの抵抗素子１６Ａおよ
び１６Ｂを通る電流は、その抵抗素子の抵抗値と
は独立である。そのフイードバツクループの中
に、一定電流を維持するために、事実上、それぞ
れの演算増幅器は、抵抗素子１６Ａまたは１６Ｂ
の抵抗値の変化に応じて出力電圧を変化させる。
前述のように、それぞれのパーマロイの抵抗素子
１６Ａまたは１６Ｂの抵抗値は、その抵抗素子の
温度と予め決められた関係で変化する。よつて、
それぞれの演算増幅器５０および５２の電圧出力
は、その関連した抵抗素子エレメントの温度と予
め決められた関係を有している。

演算増幅器８０は、演算増幅器５０と演算増幅
器５２の電圧出力の差を増幅し、演算増幅器８０
の出力９２の電圧は、演算増幅器５０と演算増幅
器５２の出力電圧の電圧差に比例している。した
がつて、出力９２の電圧は、抵抗素子１６Ａと抵
抗素子１６Ｂの間の温度差と予め決められた関係
を有している。抵抗素子１６Ａと１６Ｂの温度差
は、その検出素子エレメントにかかる流体の速度
と予め決められた関係を有している。よつて、増
幅器８０の出力９２の電圧は抵抗素子１６Ａおよ
び１６Ｂにかかる流体の速度と予め決められた関
係を持つていることになる。

まず、第１の部材すなわち抵抗素子１６Ａから
なる検出素子にかかり、つぎに、第２の部材すな
わち抵抗素子１６Ｂからなる検出素子にかかる流
体の流れは、抵抗素子１６Ａを、抵抗素子１６Ｂ
よりも冷たくすることになる。なぜなら、抵抗素
子１６Ａにかかる流体の流れは、抵抗素子１６Ａ
から熱をうばい、抵抗素子１６Ｂの付近へ熱を運
ぶからである。ワイパー６６における回路の供給
電圧が正であるとすると、増幅器５２の出力電圧
は増幅器５０の出力電圧よりも大きくなる。この
差は、増幅器８０によつて増大され、出力９２の
出力電圧は、流体の速度と予め決められた関係を
有している。前述したように、出力９２における
出力電圧は、また、方向に関する指示も与えるこ
とができる。たとえば、抵抗素子１６Ａおよび１
６Ｂがダクト内で流れに沿つて配列されたとする
と、本発明の２つの検出素子のセンサは流速と同
様に流体の流れの方向を検出するために用いるこ
とができる。なぜなら、上述したように、上流の
検出素子は下流の検出素子よりも冷やされるだろ
うからである。

以上のように、第５図に示した回路は、定電流
モードで、抵抗素子１６Ａおよび１６Ｂを作動す
る。また、他の回路でも、抵抗素子１６Ａおよび
１６Ｂ、または、本発明の他のセンサを、定電圧
モード、定温度すなわち定抵抗モード、または定
電力モードで作動する回路を有するものであれば
よい。

次に、本発明を湿度センサとして応用した例を
説明する。この応用では、本発明のセンサは、表
面吸着影響（surface absorption effects）およ
び光学的影響（optical effects）をうけずに、大
気の水蒸気濃度または相対湿度を測定することが
でき、信号処理回路の集積化とコンパチブルで、
１つの半導体チツプ上に非常に低コストで実現で
きるものである。

本発明の湿度センサは、水蒸気濃度の変化とと
もに、空気の熱伝導率が変化することに原理をお
いている。ここで、水蒸気濃度とは、単位容積当
りの乾燥空気の分子の数に対する単位容量当りの
水蒸気分子の数の比と定義する。この濃度はしば
しば乾燥空気の平均分子量（average molecular
weight）に対する水の分子量の一定比による比
湿（specific humidity）に関連したモル湿度
（molal humidity）と称される。

したがつて、本発明の湿度センサは、図示して
いないが、モル湿度測定に適当な乗算器を与える
回路を介して比湿へ変換されるモル湿度を直接に
与えるものである。

また、モル湿度測定値を相対湿度の測定値に変
換することも興味あるところである。このような
変換には周囲温度の測定が必要であり、標準湿度
図表データ（standard psychrometric chart
data）にしたがつて相応する自動調整がされる
必要がある。空気混合密度変化による多少の高度
の影響も、相対湿度への変換において問題にな
る。なぜなら、熱伝導率によつて測定される水蒸
気のあるモル分率（mole fraction）に対して、
水蒸気の分圧は高度とともに変化するだろうから
である。したがつて、最も正確な相対湿度の測定
には、変換は、高度依存因子（altitude−
dependent factor）によつてわずかに調整されな
ければならない。このような変換は、図示しない
回路によつてなされるであろう。

環境制御の応用装置には、ある低い基準温度お
よびゼロ湿度におけるエンタルピーに関する混合
空気エンタルピーとして読みだされる装置が必要
とされる。エンタルピーは、一定モル湿度におい
て、温度とともに直線的に変化し、そして、氷結
および凝固を除外する範囲で、一定温度において
モル湿度とともに直線的に変化する。エンタルピ
ーの決定は、モル湿度測定および混合空気温度か
ら、回路によつて得ることができる。その回路は
図示していないが、混合温度と基準温度の差に比
例した乾燥空気に対しての読み出しオフセツトを
生じ、モル湿度出力をエンタルピーの目盛りに変
換する。

以下本発明の湿度センサへの応用例を図面を用
いて一実施例により詳細に説明する。

その簡単な形では、本発明の湿度センサは、基
体１００の第１の表面１０４の中にエツチングま
たは他の方法で形成されたくぼみ１０２を有する
半導体基体からなるもので、さらに、符号１０６
で示したような検出素子１０６を有する。その検
出素子１０６は、第１図の検出素子３４と同じよ
うにくぼみ１０２の上に橋渡しすなわちブリツジ
形にされるようにするか、または第２図および第
６図に示したようなカンチレバー形すなわち片持
ちばりのような形のものであろう。部材すなわち
検出素子１０６は、通常、符号１０８で示した抵
抗素子を有し、くぼみ１０２の上に所定の距離を
おいて設けられた予め決められた形をしている。
検出素子１０６は、位置１１０で示したような少
なくとも１つの位置で第１の表面１０４に接続さ
れている。くぼみ１０２は、部材すなわち検出素
子１０６の予め決められた構成の少なくとも一部
のまわりで第１の表面に開口を形成している。

抵抗素子１０８は、電流が供給されて温められ
ると、抵抗素子１０８の抵抗値と温度の間に予め
決められた関係を有している。

本発明の湿度センサは、さらに第８図のような
流れ止め手段１１６を有することで、検出素子１
０６にかかる空気の流れをほぼ防ぎ、空気の流れ
による抵抗素子１０８の冷却をふせいでいる。こ
の流れ止め手段１１６は、検出素子１０６および
半導体基体１００の湿度レベルを周囲環境の湿度
レベルと等しくするために開口１１８を有してい
る。さらに、センサが空中の微粒子によつて汚染
されるのを防ぐために、フイルター１２０が設け
られている。

抵抗素子１０８は、抵抗素子１０８の抵抗値す
なわち温度に関係した大きさを持つ信号を与える
ように使用され、その信号の大きさは、くぼみ１
０２を介してその素子１０８と半導体基体１００
の間で変化する熱的結合（thermal coupling）
によつて湿度とともに変化する。この熱的結合の
変化は、モル湿度の変化とともに、空気の伝導率
の変化を介して起きるもので、この結果湿度の測
定をすることができる。

この湿度センサの典型的な応用においては、チ
ツプすなわち半導体基体１００は、つき出た部分
（header）１１２に設けられたガラス部材１１４
にエポキシ（epoxy）でつけられている。このガ
ラス部材１１４は、ほぼこのつき出た部分１１２
から基体１００を熱的に絶縁している。このつき
出た部分は通常、電気的接続ができるようにワイ
ヤーボンデイング構成を接続するために、図示し
ていないが、貫通接続孔（feedthroughs）を有し
ている。

さらにまた、この湿度センサは抵抗素子１２４
からなる基準抵抗手段１２２を有している。以下
でさらに述べるように、この本発明によるセンサ
には、必要な予め決められた温度範囲にわたつて
抵抗熱係数（thermal coefficient of
resistance：TCR）がほとんどゼロである直列の
抵抗素子１２６を有している。第７図および以下
で示すように、直列の抵抗素子１２６は、抵抗素
子１２４と直列に接続してもよい。そのかわり
に、直列の抵抗素子１２６は、抵抗素子１０８と
直列に接続してもよい。たとえば、直列の抵抗素
子１２６は、ケイ化クロム（chrome siliside）
またはニクロム（nichrome）素子からなるもの
である。

さらに、本発明の湿度センサは、エレメント１
２８からなるヒータを有していて、半導体基体１
００の温度を予め決められた温度に制御するよう
になつている。エレメント１２８は半導体基体に
実質的に熱を伝達するパーマロイエレメントのよ
うな抵抗素子からなる。

抵抗素子１０８のように、抵抗素子１２４は、
第４図に示したようにパーマロイのグリツドから
なる。このように、抵抗素子１２４は、抵抗素子
１０８に対して基準抵抗として役割を果たすだけ
でなく、抵抗素子１２４ないし自動温度調節され
た半導体基体１００に対して温度測定手段として
の役割も果たす。パーマロイは、温度と抵抗値の
間に予め決められた関係を持つ。このように、半
導体基体１００は、抵抗素子のエレメント１２８
を流れる電流を調節し、かつ抵抗素子１２４で基
体１００の温度を監視することによつて、予め決
められた高い温度に維持され得る。

示したように、抵抗素子１０８，１２４，１２
６および１２８は窒化シリコン（silicon
nitride）のような２つの誘電体層の間にはさま
れており、第１の層１２７は、第１の表面１０４
の少なくとも一部をおおつている。

半導体基体１００に実質的に熱を伝導するパー
マロイの抵抗素子１２４を持つてすれば、抵抗素
子１２４の温度は、半導体基体の温度によつて実
質的に調節される。さらに、抵抗素子１２４は実
質的に半導体基体１００に熱的に結合されている
ので、抵抗素子１２４の抵抗値は、湿度の変化と
ともに実質的に変化しない。したがつて、抵抗素
子１２４からの信号は、抵抗素子１０８からの信
号によつて相殺され、予め決められた比湿の条件
の下で、予め決められた値を有するであろう結果
の信号を効果的に供給することになる。第５図に
示すような回路が、この目的を達成するために用
いられ、第５図の抵抗素子１６Ａおよび１６Ｂを
湿度センサの抵抗素子１０８および１２４と置き
かえ、抵抗素子１２６を適当に抵抗素子１０８ま
たは１２４のどちらかに直列に設けることにな
る。

パーマロイ素子の温度対抵抗値曲線は非直線で
ある。抵抗素子１０８の温度対抵抗値曲線は、第
１の予め決められた動作温度で動作している時は
第１の予め決められた傾斜を有するだろう。たと
えば通常は抵抗素子１２４によつて測定されるチ
ツプすなわち基体１００の自動温度調節された温
度のような第２の予め決められた温度で、抵抗値
１２４の抵抗値は、抵抗素子１２４の温度対抵抗
値曲線が、その動作温度で抵抗素子１０８の予め
決められた傾斜とほぼ一致する傾斜となるように
確立される。抵抗素子１０８または１２４の全体
の有効な抵抗値は、適当に、抵抗素子１０８また
は１２４のどちらかに、この例の場合は抵抗素子
１２４だが、直列に抵抗素子１２６を加えること
によつて調整される。そして、直列の抵抗素子１
２６は、必要な温度範囲にわたつて、抵抗値の熱
的係数がほぼゼロであるものである。結果とし
て、基準抵抗素子の全体の有効な抵抗値は、第２
の予め決められた温度において、湿度センサの検
出素子の第１の予め決められた温度での全体の有
効な抵抗値と等しくなるように作られるだろう。
このようにして、基準抵抗素子と湿度の検出素子
の有効な抵抗値はほぼ等しく、この２つの素子を
通る信号は、予め決められた湿度で信号の和がほ
ぼゼロになるように相殺される。ここでも、これ
は、第５図に示したような回路によつて達成でき
るものである。

そして次に、本発明を可燃性ガスセンサとして
応用した例を説明する。前述したように、本発明
は、可燃性ガスを検出するためのセンサとしての
応用ができる。第９図に示したような本発明の可
燃性ガスセンサの一実施例は、第３図に示したフ
ローセンサと、反応部材１３０が抵抗素子の１つ
に熱的に結合されていることを除いてきわめて似
ている。可燃性ガスと酸素がある中で温められる
と、反応部材１３０は、可燃性ガスの存在を示す
ことになる。加えて、湿度センサに用いられてい
た流れ止め手段１１６のような流れ止め手段もま
た、実施例に示した第１および第２の検出素子に
かかる空気の流れをほぼ防ぐように用いられる。

第９図において、反応部材１３０が、検出素子
１４０の中に抵抗素子１４２と熱的に結合されて
いる。本発明の可燃性ガスセンサの１つの好まし
い実施例では、反応部材１３０は、抵抗素子１４
２によつて温められるが、通常、たとえば、酸化
鉄、プラチナまたはパラジウムの触媒反応性
（cataly−tically active）薄膜からなる。このよ
うな実施例において、触媒反応性薄膜が可燃性ガ
スおよび酸素の有る中で温められたとき、発熱反
応を生じて、温度が変化し、したがつてその相応
した抵抗素子１４２の抵抗値が変化する。このよ
うに、発熱反応による抵抗素子１４２の温度変化
は、可燃性ガスの存在を示して抵抗素子の抵抗値
変化をさせる。

本発明の他の好ましい実施例では、反応部材１
３０は、たとえば、酸化鉄または酸化スズの金属
酸化物の抵抗素子からできていて、抵抗素子１４
２によつて温められる。その金属酸化物の抵抗素
子は第４図に示す素子１６に似た形でもよい。こ
のような実施例では、可燃性ガスおよび酸素の有
る中で抵抗素子１４２によつて温められるとき、
金属酸化物の抵抗素子の抵抗値が変化して、可燃
性ガスの存在を検出する。

そして、本発明の可燃性ガスセンサは、チツプ
すなわち半導体基体１３２の第１の表面１３６の
中にエツチングまたは他の方法で形成されたくぼ
み１３４を持つ半導体基体を有する。

この可燃性ガスセンサは、第１図に示した検出
素子３４と同様にくぼみ１３４の上に橋渡しされ
た形か、または第２図に示した検出素子３２のよ
うにカンチレバー形すなわち片持ばりのようにさ
れた形の検出素子１４０を有する。この検出素子
は通常、第４図に示すようなパーマロイのグリツ
ドからなる符号１４２で示した抵抗素子を有す
る。検出素子１４０はくぼみ１３４上に所定の距
離をおいて設けられた予め決められた形をしてい
て、少なくとも一個所で第１の表面１３６に接続
されている。くぼみ１３４は、検出素子１４０の
予め決められた形の少なくとも一部のまわりで第
１の表面１３６に開口を形成している。部材すな
わち検出素子１４０は、抵抗素子１４２と半導体
基体１３２の間で十分な物理的かつ熱的絶縁を与
えるものである。前述したように、この部材すな
わち検出素子１４０は、抵抗素子１４２と熱的に
結合された反応部材１３０を有している。

抵抗素子１４２は、電流が与えられて温まる
と、その抵抗素子１４２の抵抗値と温度の間に予
め決められた関係を有する。

さらにまた、本発明の可燃性ガスセンサは、第
８図に示した流れ止め手段１１６のような流れ止
め手段を有し、その流れ止め手段は検出素子１４
０にかかる空気の流れをほぼさまたげることにな
り、抵抗素子１４２が空気の流れによつて冷却さ
れるのを実質的に防げている、この流れ止め手段
は、たとえば第８図に示した開口１１８のような
ものによつて、反応部材１３０へ可燃性ガスが出
入できるようになつている。

前述のように、本発明の可燃性ガスセンサの第
１の好ましい実施例では、反応部材１３０は通
常、触媒反応性薄膜からなる。このような実施例
では、反応部材１３０が可燃性ガスおよび酸素の
有る中で抵抗素子１４２によつて温められると、
発熱反応を生じ、温度が変化し、したがつて抵抗
素子１４２の抵抗値が変化する。この抵抗素子１
４２の抵抗値における変化は、可燃性ガスの存在
を示すことになる。第２の好ましい実施例では、
反応部材１３０は、通常金属酸化物の抵抗素子か
らなる。このような実施例では、この抵抗素子は
可燃性ガスおよび酸素の有る中で抵抗素子１４２
によつて温められると抵抗値が変化して、可燃性
ガスの存在を検出する。

また、抵抗素子１４２は窒化シリコンのような
２つの誘電体層の中に保護されていて、第１の層
１４４はまた第１の表面１３６の少なくとも一部
をおおつている。図示のように、反応部材１３０
は、検出素子１４０の誘電体層１４６の上に設け
られている。

もし、本発明の可燃性ガスセンサの第１の好ま
しい実施例が用いられるとすると、第２の検出素
子１４８で示されるように第２の抵抗素子１５０
を用いることが望ましい。図示のように、第２の
検出素子１４８は、くぼみ１３４の上に所定の距
離をおいて設けられた予め決められた形状を有
し、第２の検出素子１４８は少なくとも１個所で
第１の表面１３６に接続されていて、くぼみ１３
４は、検出素子１４８の予め決められた形状の少
なくとも一部のまわりで第１の表面１３６に開口
を形成している。くぼみ１３２は、第２の抵抗素
子１４８と半導体基体１３２の間に十分な物理的
かつ熱的な絶縁を与える。

検出素子１４８が反応部材１３０のような反応
部材を有していないこと以外は、検出素子１４０
と検出素子１４８はほぼ同一であつてもよい。検
出素子１４８は抵抗素子１５０を有し、周囲温度
変化に対してほぼ検出素子１４０と同じ反応を有
する基準検出素子として用いられて、自動温度補
正をすることになる。さらに、基準の抵抗素子１
５０からの信号は、検出素子１４２からの信号に
対して相殺するように働き、バツクグラウンド信
号のレベルを除外して、反応部材１３０によつて
導かれた温度変化によつて生じた信号を直接測定
できるようにしている。実質的に第５図に示した
同じ回路が、この目的を達成するために用いら
れ、第５図の抵抗素子１６Ａおよび１６Ｂと抵抗
素子１４２および１５０を置きかえることにな
る。

次に本発明を圧力センサとして応用した例を説
明する。前述したように、本発明は圧力センサと
して、一例としては、大気圧力以下の圧力（sub
−atmospheric pressure）を測定するためのセ
ンサとしての応用ができる。比較的広いダイナミ
ツクレンジをカバーする圧力センサが望まれてい
る。たとえば、変化する温度および圧力で酸素、
アルゴン、窒素および水素のような種々のガスを
用いている一般の工業用プロセスは、しばしばプ
ロセス制御の一部として圧力の測定が要求され
る。

従来の大気圧以下のレンジでのタングステン加
熱の熱伝導率圧力センサは、満足できるものでは
なかつた。なぜなら、比較的低いダイナミツクレ
ンジ、高電力および電圧の必要性、こわれやす
さ、低い抵抗熱係数（low thermal coefficient
of resistance）による比較的低い感度、そして、
酸素分圧が加熱されたタングステンの冷却時定数
（cooling time constant）より速く増加するとタ
ングステンが容易に酸化してしまうという短寿命
等短所を有していたからである。本発明の圧力セ
ンサはこれらの短所の程度をいちじるしく減少ま
たは除去するものである。

本発明の圧力センサは、単位ガス容積の熱伝導
率の変化にもとずいている。特に、平均自由行路
長（mean free path lengths）は、たとえば第
７図の検出素子１０６とその下の半導体基体１０
０の間の距離によつて限定されているので、検出
素子からの熱移動量（heat removal rate）およ
び熱伝導率は、ガス圧力の減少とともに減少す
る。これは、抵抗素子１０８が一定電流で動作し
ているとすれば、抵抗素子１０８の温度上昇を導
く。

本発明の圧力センサは、ほぼ本発明の湿度セン
サと同じ構成でよく、その湿度センサの説明に用
いた同じ図を用いて説明する。

その簡単な形では、本発明の圧力センサは、基
体１００の第１の表面１０４の中にエツチングま
たは他の方法で形成されたくぼみ１０２を有する
半導体基体からなるもので、さらに、符号１０６
で示したような検出素子１０６を有する。その検
出素子１０６は、第１図の検出素子３４と同じよ
うにくぼみ１０２の上に橋渡しされるようにする
か、または第２図および第６図に示したようなカ
ンチレバー形すなわち片持ちばりのような形のも
のであろう。部材すなわち検出素子１０６は、通
常、符号１０８で示した抵抗素子を有し、くぼみ
１０２の上に所定の距離をおいて設けられた予め
決められた形をしている。検出素子１０６は、位
置１１０で示したような少なくとも１つの位置で
第１の表面１０４に接続されている。くぼみ１０
２は、部材すなわち検出素子１０６の予め決めら
れた構成の少なくとも一部のまわりで第１の表面
に開口を形成している。

抵抗素子１０８は、電流が供給されて温められ
ると、抵抗素子１０８の抵抗値と温度の間に予め
決められた関係を有している。

本発明の圧力センサは、さらに第８図のような
流れ止め手段１１６を有することで、検出素子１
０６にかかる空気の流れをほぼ防ぎ、空気の流れ
による抵抗素子１０８の冷却をふせいでいる。こ
の流れ止め手段１１６は、圧力レベルを検出素子
１０６と半導体基体１００とを周囲環境の圧力レ
ベルと等しくするために開口１１８を有してい
る。さらに、センサが空中の微粒子によつて汚染
されるのを防ぐために、フイルター１２０が設け
られている。

抵抗素子１０８は、抵抗素子１０８の抵抗値お
よび温度に関係した大きさを持つ信号を与えるよ
うに使用され、その信号の大きさは、くぼみ１０
２を介して、その素子１０８と半導体基体１００
の間で変化する熱的結合（thermal coupling）
によつて大気圧力以下の圧力とともに変化する。
この熱的結合の変化は、圧力の変化とともに、空
気の伝導率の変化を介して起きるもので、この結
果圧力の測定をすることができる。

この圧力センサの典型的な応用においては、チ
ツプすなわち半導体基体１００はつき出た部分
（header）１１２に設けられたガラス部材１１４
にエポキシ（epxy）で接着されている。このガ
ラス部材１１４はほぼこのつき出た部分１１２か
ら基体１００を熱的に絶縁している。このつき出
た部分は通常、電気的接続ができるようにワイヤ
ーボンデイング構成を接続するために、図示して
いないが貫通接続孔（feedthroughs）を有してい
る。

さらにまた、この圧力センサは抵抗素子１２４
からなる基準抵抗手段１２２を有している。本発
明の湿度センサのところで述べたように、この本
発明による圧力センサには、必要な予め決められ
た温度範囲にわたつて抵抗熱係数（thermal
coefficient of resistance：TCR）がほとんどゼ
ロである直列の抵抗素子１２６を有している。第
７図および以下で示すように、直列の抵抗素子１
２６は、抵抗素子１２４と直列に接続してもよ
い。そのかわりに、直列の抵抗素子１２６は、抵
抗素子１０８と直列に接続してもよい。たとえ
ば、直列の抵抗素子１２６は、ケイ化クロム
（chrome silicide）またはニクロム（nichrome）
素子からなるものである。

さらに、本発明の圧力センサは、エレメント１
２８からなるヒータを有していて、半導体基体１
００の温度を予め決められた温度に制御するよう
になつている。エレメント１２８は半導体基体に
実質的に熱を伝達するパーマロイエレメントのよ
うな抵抗素子からなる。

抵抗素子１０８のように、抵抗素子１２４は、
第４図に示したようにパーマロイのグリツドから
なる。このように、抵抗素子１２４は、抵抗素子
１０８に対して基準抵抗として役割を果たすだけ
でなく、抵抗素子１２４ないし自動温度調節され
た半導体基体１００に対して温度測定手段として
の役割も果たす。パーマロイは、温度と抵抗値の
間に予め決められた関係を持つ。このように、半
導体基体１００は、抵抗素子のエレメント１２８
を流れる電流を調節し、かつ抵抗素子１２４で基
体１００の温度を監視することによつて、予め決
められた高い温度に維持することができる。

示したように、抵抗素子１０８，１２４，１２
６および１２８は窒化シリコン（silicon
nitride）のような２つの誘電体層の間にはさま
れており、第１の層１２７は、第１の表面１０４
の少なくとも一部をおおつている。

半導体基体１００に実質的に熱を伝達するパー
マロイの抵抗素子１２４を持つてすれば、抵抗素
子１２４の温度は、半導体基体の温度によつて実
質的に調節される。さらに、抵抗素子１２４は実
質的に半導体基体１００に熱的に結合されている
ので、抵抗素子１２４の抵抗値は、圧力の変化と
ともに実質的に変化しない。したがつて、抵抗素
子１２４からの信号は、抵抗素子１０８からの信
号によつて相殺され、予め決められた圧力の条件
の下で、予め決められた値を有するであろう結果
の信号を効果的に供給することになる。第５図に
示すような回路が、この目的を達成するために用
いられ、第５図の抵抗素子１６Ａおよび１６Ｂを
圧力センサの抵抗素子１０８および１２４と置き
かえ、抵抗素子１２６を適当に抵抗素子１０８ま
たは１２４のどちらかに直列に設けることにな
る。

パーマロイ素子の温度対抵抗値曲線は非直線で
ある。抵抗素子１０８の温度対抵抗値曲線は、第
１の予め決められた動作温度で動作している時は
第１の予め決められた傾斜を有するだろう。たと
えば通常は抵抗素子１２４によつて測定されるチ
ツプすなわち基体１００の自動温度調節された温
度のような第２の予め決められた温度で、抵抗値
１２４の抵抗値は、抵抗素子１２４の温度対抵抗
値曲線が、その動作温度で抵抗素子１０８の予め
決められた傾斜とほぼ一致する傾斜となるように
確立される。抵抗素子１０８または１２４の全体
の有効な抵抗値は、適当に、抵抗素子１０８また
は１２４のどちらかに、この例の場合は抵抗素子
１２４だが、直列に抵抗素子１２６を加えること
によつて調整される。そして直列の抵抗素子１２
６は、必要な温度範囲にわたつて、抵抗値の熱的
係数がほぼゼロであるものである。結果として、
基準抵抗素子の全体の有効な抵抗値は、第２の予
め決められた温度において、圧力センサの検出素
子の第１の予め決められた温度での全体の有効な
抵抗値と等しくなるように作られるだろう。この
ようにして、基準抵抗素子と圧力の検出素子の有
効な抵抗値はほぼ等しく、この２つの素子を通る
信号は、予め決められた圧力で信号の和がほぼゼ
ロになるように相殺される。ここでもこれは、第
５図に示したような回路によつて達成できるもの
である。

本発明の圧力センサが、湿度レベルの変化にも
感じるように説明したけれど、これは通常の応用
においては問題にはならない。なぜならば、本発
明の圧力センサの使用レンジにわたつて、圧力変
化に対する応答は、湿度変化に対する応答に比べ
て大きいからである。

いま、第１に、本発明のセンサに関する現象を
考えるとき、ガスの圧力が低くなる、すなわち、
ガスの密度が低くなると、抵抗素子を有する温め
られた部材から熱をうばうべき分子がより少なく
なることになると考えられる。そして、その抵抗
素子に定電流を流すと、もし、分子がより少なけ
れば、部材は圧力が低下するとどんどん熱くなる
と思われる。しかしながら、このような場合は、
分子の平均自由行路長がその部材すなわち検出素
子と半導体基体の間の距離の検出できる一部の長
さ（an appreciable fraction of the
dimension）であるときだけである。

その部材すなわち検出素子と半導体基体の間の
距離に比べて平均自由行路長が短いときの圧力に
対しては、検出素子から逃げる熱の量は、圧力の
変化とともに検出できるほぼ変化しない。たとえ
ば、10％（パーセント）の圧力変化が、その相応
した量でガス密度を低下させるが、平均自由行路
および、実際どのカテゴリーの全行路長（all
path lengths）は補正するために、たとえば10％
の全く同じ量まで上昇する。このように、平均自
由行路長が、検出素子と半導体基体の間の距離に
比べて短いときの圧力に対しては、分子は衝突し
たときは停止し、そして、より少ない分子しか存
在しないが、分子は止められることなく10％進む
ことになるので検出素子からの熱移動量は同じと
なるという近似をすることができる。これは、ガ
スの分子の平均自由行路長が、検出素子と半導体
基体の間の距離に比べて短いときにかぎつて、非
常に正確な依存または補正因子である。

以上のように、本発明の圧力センサは、通常の
大気圧付近、たとえば、１気圧から0.1気圧のレ
ンジの圧力には、普通は感じないだろう。

特別の好ましい実施例から見れば、前述した例
より、微細構造と組み合わされて、ヒータおよび
温度センサとして働くパーマロイの抵抗素子は、
空気の流れ、湿度、圧力、可燃性ガスおよび他の
ガス性のもののような多くの物理的な変化をする
物を検出するための基本となるものを与えるよう
な総体的な発明と見ることができる。実際、物質
の構成物において温度変化を生ずるような変化を
するいかなる物理的量は、原則として、示したよ
うな構造に基づいたセンサによつて検出すること
ができる。

さらに、部材すなわち検出素子は、たとえば示
したような抵抗素子からなつていて、検出目的の
ための熱電変換エレメント（thermal−to−
electric transducing element）としてだけでな
く、電磁放射を与えるかまたは他の方法で熱エネ
ルギー源として働くための電熱変換エレメント
（electric−to−thermal element）としての役割
をすることができる。もちろん、このような総称
的エレメントは、パーマロイの抵抗素子を有する
ことに限定されない。何故なら、適当な熱電また
は静電素子で十分であるからである。検出素子の
他の例は、酸化亜鉛の単結晶フイルム（zinc
oxide mono−crystalline film）、薄膜熱電対結
合（thin film thermocouple junction）、半導体
物質のサーミスターフイルムのような焦電材料、
または、好適な抵抗値の温度係数を持つパーマロ
イでない他の金属フイルムを含んでいる。

よつて、前の特定の例においてより、もつと一
般的に説明し、第１図ないし第４図に示す構造を
用いて、本発明を説明する。本発明は、基体の第
１の表面の中にエツチングまた他の方法で形成さ
れたくぼみ２０を持つ半導体基体１０を有してい
る。さらに、本発明は、符号１６で示したような
熱電変換または静電素子を有する部材すなわち検
出素子３２または３４を有し、かつ、その検出素
子は、くぼみ２０の上に所定の距離をおいて設け
られた予め決められた構造で、すくなくとも１個
所で第１の表面１４に接続されている。そのくぼ
みは、部材すなわち検出素子の予め決められた構
成の少なくとも一部のまわりで、第１の表面に開
口を形成している。くぼみは、その熱電変換また
は静電素子と半導体基体の間に十分な物理的かつ
熱的絶縁を与えるものである。

このような集積半導体装置は、あとで述べるよ
うなバツチプロセスを通して製造することがで
き、熱電変換または静電素子と半導体基体の間に
十分な物理的かつ熱的絶縁の空間を与えられる。

本発明に関するこのような装置の製造は、基体
の結晶構造（crystalline struture）に関して予
め決められた方向（orientation）を有する第１
の表面を持つ半導体基体を設けることの段階と、
部材すなわち検出素子を第１の表面に構成するた
めの物質層を設けることの段階を有している。本
発明の製造方法は、さらに、第１の表面の少なく
とも予め決められた領域を露出することの段階を
有し、その露出された表面の領域は、後でくぼみ
を設けたときに部分的にくぼみの上に所定の距離
をおいて設けられるような予め決められた構成に
して、その予め決められた構成は方向性を有して
いて、その結果、異方性エツチングによつて予め
決められた構成のアンダーカツトをすることが、
ほぼ最小時間でおこなわれるであろう。

本発明の好ましい実施方法例は、まず（100）
シリコンウエーハ表面１４を設けることである。
その表面１４には、低圧のガス放電（low
pressure gas discharge）の中で通常のスパツタ
リング技術によつてつけられる通常3000オングス
トロームほどの厚さの窒化シリコン１２の層があ
る。次の段階では、通常は80％のニツケルと20％
の鉄からなる800オングストロームほどのパーマ
ロイの一様な層が、スパツタリングによつて窒化
シリコンの上につけられる。

適当なフオトマスク（photo mask）、フオト
レジスト（photoresist）および適当なエツチヤ
ント（etchant）を用いて、グリツド１６および
リード部２４からなるパーマロイのエレメント２
２が形成される。

通常5000オングストロームの厚さの窒化シリコ
ンの第２の層１８が、パーマロイのエレメントを
全部おおうようにスパツタリングによつてつけら
れ、その抵抗素子とそのリード部を酸化から保護
する。3000オングストロームの厚さの窒化シリコ
ンの第１の層と、5000オングストロームの厚さの
窒化シリコンの第２の層を設けることは、誘電体
の非対称の層の部材すなわち検出素子ができるこ
とになるが、このような対称性の欠如は、等しい
厚さの層を設ければ、訂正することができる。第
１０図、第１１図、第１２図および第１３図に
は、開口１５２が、それぞれの部材を形成するた
めに、窒化物を通して（100）シリコンの表面ま
でエツチングされる。ここで、部材は直線の縁を
有しているように図示してあるが、このような形
状は、たとえば、曲線の縁を有するように変更し
てもよい。

最後に、窒化シリコンを侵さない異方性エツチ
ング（anisotropic etchant）が用いられて、部
材の下のシリコンを制御された方法でエツチング
でとり除く。水酸化カリウム（KOH）とイソプ
ロピルアルコール（isopropyl alcohol）の混合
物が適当なエツチヤント（suitable etchant）で
ある。エツチングされたくぼみの斜面は、（111）
面と、エツチングに抵抗する他の結晶面と、エツ
チングにより弱く抵抗する（100）面の表面のく
ぼみの底によつて形成されている。くぼみの底
は、部材からたとえば、0.004インチの所定の距
離に位置する。これは、通常、エツチングの継続
時間（duration）を調節することによつてなされ
る。たとえば、ホウ素を含んだ層（boron−
doped layer）のようなドーピングされたシリコ
ンのエツチング止（doped silicon etch stop）
が、くぼみの深さを制御するために用いられても
よいが、このような止は、本発明を用いるときに
は通常必要ではない。

最小時間で部材のアンダーカツトをするため
に、たとえば通常は部材の直線の縁または軸の予
め決められた形状は、シリコンの〔110〕軸に対
してゼロでない角度（non−zero angle）１５４
で方向をむけている。本発明は、アンダーカツト
の時間を最小にするために、または、橋渡しされ
た部材の場合、アンダーカツトをするために、あ
る角度で部材の直線の縁または軸を設けるように
することを含んでいる。しかし、部材に直線の縁
がない形であつたり、軸は容易に規定できない
が、形自体がたとえば、最小のアンダーカツト時
間を達成するように方向づけられているようなこ
とが考えられる。ほぼ45度の角度をつけることに
よつて、部材すなわち検出素子は、最小の時間で
アンダーカツトされるであろう。たとえば、45度
の角度を用いると、前に示したような通常の寸法
のカンチレバーは、０度の方向を用いた場合の数
時間のエツチング時間に比べれば、約90分でアン
ダーカツトすることができる。

部材がアンダーカツトされる時間を最小にする
ことに加えて、ゼロでない方向を用いることは、
第１図に示されたような２端のブリツジの製造を
することになる。このような部材は〔110〕方向
づけられた部材の縁を持つたものを実際上作るの
は不可能である。部材の縁が〔110〕方向づけさ
れているとすると、部材の縁に沿つて露出された
（111）結晶面で、または、符号１６０のような内
側の角で、異方性エツチングが評価できるほどに
アンダーカツトされないだろうからである。
〔110〕軸に方向づけされたカンチレバー形部材
は、カンチレバーの自由端からビームの長さ方向
に沿つて主にエツチングが進む。ここでカンチレ
バービームの端からのアンダーカツトは少しはあ
るにしろ、ほとんどない。これは、前述されたよ
うに本発明によつて作られる部材に比較して、部
材の端を含む方向からアンダーカツトが起こるこ
とになる。

45度に方向付けされた場合は、部材と半導体の
端の支持境界部をすばやく、丸くし、滑らかにす
ることが可能である。このようにして、そうでな
い場合に第１図から第３図に示された絶縁層１２
の下に２つの（111）面が突き当たるところに起
こる応力集中の発生をさけることができる。接続
手段によつて第１と第２の部材を接続する、すな
わちある意味で、一つの部材に第１および第２の
エレメントを設けることが、ある種の装置で望ま
れるであろう。このような接続手段の例には、第
２図に示したような２つのカンチレバー形の部材
を接続する第１０図の符号１５６で示した接続手
段や、第１図に示したような２つの橋渡し形の部
材を接続する第１２図の符号１５８で示した接続
手段がある。このような接続手段は、空間および
それぞれの部材とくぼみの底の間の熱伝導率の一
様性を維持する助けになり、それぞれのタイプの
装置における性能の均一化に貢献することにな
る。同じような理由から、第１３図に示したよう
な例の方法で一つの部材に２つのエレメントを設
けることは有利であろう。

さらにまた、処理または装置構成のために、第
１０図に示す位置１５９のような補助的な位置
で、部材を半導体基体に接続することが望まれる
応用例があるかもしれない。

小さな長方形のエツチングの穴１５２が、第１
０図および第１１図のカンチレバー形の部材の１
つの接続端および第１２図および第１３図の橋渡
し形すなわちブリツジ形の両端に示されていて、
これらの穴は、部材が取り付けられている半導体
基体のアンダーカツトや形作りのための助けにな
る。しかし、部材の端のこのような穴１５２は、
装置の十分な性能には必要ではない。

図示のように部材の端に沿つてあるエツチング
の穴１５２は、通常、フローセンサおよび可燃性
ガスセンサの場合は0.002から0.005インチ程度の
幅で、湿度センサおよび圧力センサの場合は、
0.001インチ程度の開口の幅であり、湿度センサ
および圧力センサの幅がせまい場合は、ガスの流
れの影響を減少する助けになる。

第１０図、第１１図、第１２図および第１３図
の半導体基体は、フローセンサまたは可燃性ガス
センサの形状として示され、符号１０または１３
２が付けられている。たとえば、第６図のような
湿度センサおよび圧力センサの構成は、同様であ
るが、通常はくぼみの上に所定の距離をおいて設
けられた１つの部材とエレメントを有している。

第１０図ないし第１３図には、第５図に図示し
たような回路の集積化のための領域６０が示して
ある。

前述したように、熱的手段によつて検出するた
めの本発明の実際的な効果は、部材３２または３
４の下の空気のギヤツプすなわちくぼみ２０を設
けることによつて達成される。それによつて、検
出材は、空気のギヤツプによつて基板から、十分
に熱的および物理的に絶縁され、シリコン基板に
一端または両端で取り付けられている誘電体の長
方形領域によつて、図示のように通常はささえら
れていることなる。前述したように、長方形の部
材が用いられているが、実際には他のどんな形で
も用いることができる。

示した実施例において、部材３２または３４の
典型的な寸法は、幅が0.005から0.007インチ程
度、長さが0.010から0.020インチ程度、そして厚
さは0.8から1.2ミクロン（microns）である。第
４図に示したようなエレメント１６のような典型
的なパーマロイエレメントは、だいたい800オン
グストロームの厚さであるが、通常は、800オン
グストローム程度から1600オングストローム程度
の範囲であり、好ましい組成は80％のニツケルと
20％の鉄からなるもので、その抵抗値は、室温で
約1000オームである。種々の応用に対しての抵抗
値は、通常、たとえば25℃ぐらいの室温でほぼ
500オームから2000オームの範囲である。パーマ
ロイエレメントの温度を約400℃まで上げると、
抵抗値は、約3.0倍まで上昇する。パーマロイの
グリツド１６の線の幅は、約６ミクロンで約４ミ
クロンの間かくを有している。くぼみ２０は、通
常部材と半導体基体１０の間に、約0.004インチ
のすきまがあるが、このすきまは、約0.001イン
チから約0.010インチの範囲で容易に変更するこ
とができる。半導体基体１０もしくは基板の通常
の厚さは、0.008インチである。これらの寸法は
例として揚げただけであり、限定的な意味ではな
い。

示したような典型的な寸法の部材は、非常に小
さな熱的な熱容量および熱的インピーダンスを有
しており、約0.005秒の熱的時定数を生じている。
したがつて、熱の入力の小さな変化は、わずかに
異なる検出素子の温度で新しい熱的平衡になる。
この違いで、十分な電気的出力信号を出すことが
できる。

このような構成の強度対重量比（strength−to
−weight）は、非常に良く、前述の典型的な寸
法の２端ブリツジ形のものは、10000重力
（gravities）を超えて機械的シヨツク力に良く耐
えることができる。カンチレバー形として用いら
れるときの一端支え構造でさえ、10000重力のシ
ヨツクに耐えることができる。

たとえば第１図および第２図の部材３２または
３４のような部材すなわち検出素子を、その検出
性能を最適にするために、室または周囲温度以上
に温めることは、多くの応用において独特の利点
がある。典型的な動作温度は、約100℃から400℃
の範囲である。好ましいパーマロイエレメントを
用いると、たつた数ミリワツトの入力電力で、こ
れが達成することができる。このような電力レベ
ルは、前述したように、必要ならばセンサととも
に同じ半導体基体の上に設けられる集積回路とコ
ンパチブルである。

工業における通常の温度センサは、100オーム
の電気的インピーダンスを有している。しかしな
がら、本発明の目的には、このようなインピーダ
ンスは多くの不利な点を有している。処理目的の
ためには、本発明の好ましい抵抗素子に好適な通
常の1000オームのインピーダンスよりも、100オ
ームのインピーダンスで通常の0.1％のインピー
ダンス精度を得ることは、よりむずかしい。本発
明において用いられるパーマロイエレメントに通
常1000オームのインピーダンスを選らんだのは、
電気的移行現象（electromigration）による素子
故障を考えたからである。電気的移行現象は物理
的故障メカニズムであり、パーマロイにおいて
は、通常一平方センチメートル当り10^-6アンペア
程度の危険リミツトを電流が超えたときに起こる
物質の流れ（mass flow）によつて導線内に生じ
るものである。よつて、パーマロイエレメント１
６内で所望の動作温度を達成するために、例えば
室温が25℃で1000オーム程度の比較的大きなイン
ピーダンスが望ましく、より高いインピーダンス
により危険電流密度を超えることなく所望の動作
温度を得ることができる。

結果として、たとえば前述したように部材３２
または３４の典型的な寸法は、従来技術により報
告された0.001インチ幅と、0.004インチの長さの
微細構造よりは十分大きくなければならない。本
発明にコンパチブルなパーマロイ抵抗素子に通常
必要な部材のより大きな領域は、符号１６で示し
たようなパーマロイのグリツドを設けるのに十分
な表面領域を有している必要がある。そして、前
述したような部材の好ましい45度の方向は、この
方向がより広い微細構造を作るときと、そして第
１図に示したようなブリツジ形を作るときに最小
処理時間で済むという処理時間の観点から非常に
重要となる。

前述してきたように、多くの考えられる応用に
対して、好ましい熱電変換または静電素子は、以
上説明したパーマロイの抵抗素子である。窒化シ
リコンの部材すなわち検出素子の中にはさまれて
いるとき、パーマロイエレメントは空気による酸
化から保護され、加熱素子として400℃を超える
温度まで使用することができる。このようなパー
マロイエレメントは、バルク状のプラチナに似た
抵抗値対温度特性を有し、パーマロイおよびプラ
チナは共に、０℃において、約4000ppm（parts
per million）の抵抗熱係数（thermal
coefficient of resistance：以下「TCR」と称
す）を有している。しかしながら、パーマロイ
は、本発明によれば構造においてプラチナよりす
ぐれている。プラチナは普通温度検出素子のため
の材料として用いられているが、パーマロイは、
プラチナの２倍の比抵抗（resisti−vity）という
利点がある。さらに、薄膜において、プラチナ
は、少なくとも3500オングストロームの厚さの薄
膜でなければならないのに対して、パーマロイは
約800から1600オングストロームの厚さの範囲で、
最大のTCRを達成できる。パーマロイは約1600
オングストロームの厚さでその最大TCRを達成
できるが、比抵抗が２倍で、TCRが1600オング
ストロームにおいてよりわずかに小さいだけであ
るので、800オングストロームが好ましい厚さと
して選択される。したがつて、800オングストロ
ーム程度の厚さのパーマロイエレメントを用い
て、同じ抵抗値でプラチナが必要な表面領域の８
分の１だけで済み、検出素子の熱効率を上げ、要
求面積が小さく、そしてユニツトコストを下げる
ことができる。

このようにして、パーマロイエレメントは、示
してきたような微細構造の温度変化に対して、効
率的なヒータ素子かつ効率的な検出素子であり、
十分に熱的に絶縁された構造の上で、同じ素子に
ヒータ機能と検出機能の両方を組合せたことは、
低コスト、小さい熱容量、好ましい感度および速
い応答を可能にした。

さらに、通常、１ミクロン程度の窒化シリコン
の支持絶縁膜の中にはさまれたパーマロイのヒー
タかつ検出のための素子は、パーマロイの薄膜
の、特に高い温度における酸化に対してパシベー
シヨンを与える。それは、また、窒化シリコンの
もつエツチング処理に対する高い抵抗から、たと
えば部材３２または３４の正確な寸法制御ができ
ることにもなる。加えて、重要な熱伝導要因の制
御のためにたとえば、くぼみ２０を0.001インチ
から0.010インチぐらいの寸法の深さに深くエツ
チングすることができる。

したがつて、本発明の好ましい実施例を用い
て、パーマロイは示したような微細構造と組み合
わされて、温度センサおよびヒータまたは放射源
（heater／radiation source）の両方を形成する
ことになる。支持およびパシベーシヨン材
（passivating material）としての窒化シリコン
の使用は、望みの構造を得るために必要とされる
エツチング時間を与えることになる。さらに、本
発明による方向性は、最小時間でアンダーカツト
し、かつ、所望の構造を人工的なエツチング止
（artificial etch stop）なしで、作ることができ
ることになる。そして、0.001から0.010インチの
範囲でくぼみの深さを制御するための深い異方性
のエツチングの使用により従来の方法で集積化半
導体装置上に熱電または静電素子を作るよりも、
より大きな熱的絶縁を達成することができる。

以上の説明は好ましい実施例で説明されたが、
当業者であれば、この発明の範囲内で種々の変更
が可能であることは明らかであろう。従つて、こ
の発明は、特許請求の範囲の記載のみによつて限
定されることを承知されたい。たとえば、符号２
０で示したくぼみは、前述したような目的にかな
つたエツチング技術を用いて形成されたが、本発
明に従つた実施例は、前述したような技術によつ
て形成されたくぼみを持つものに限定されない。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図および第３図は、本発明の好ま
しい実施例の断面図である。第４図は、本発明に
適合した電気的抵抗素子のグリツドの一実施例を
示す図である。第５図は、本発明のセンサの好ま
しい実施例に適合する一実施例の回路図である。
第６図、第７図および第８図は、本発明のセンサ
の実施例を示す図である。第９図は、本発明の可
燃性ガスセンサの一実施例を示す図である。第１
０図、第１１図、第１２図および第１３図は、本
発明の詳細な微細構造の実施例と方向を示した図
である。 １０……単結晶半導体、１２，１８……窒化シ
リコン、１６……グリツド、１４……第１表面、
２０……くぼみ、３２，３４……検出素子、２４
……リード部、５０，５２，８０……増幅器、６
２……ポテンシヨメータ、１２２……基準抵抗手
段、１２８……エレメント、１３０……反応部
材、１１４……ガラス部材、１１６……流れ止め
手段、１１８……開口、１２０……フイルター、
１５６，１５８……接続手段。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ （100）面と＜110＞方向を有し、前記（100）
   面と実質的に平行な第１の表面に異方性エツチン
   グによつて形成された窪みを有する半導体基板
   と、 前記＜110＞方向に対して零でない角度に方向
   付けられ、前記窪み上に懸垂され、前記第１の表
   面に少なくとも１カ所で接続されている所定形状
   の抵抗素子を含む薄膜誘導体部材とから成ること
   を特徴とする半導体装置。 ２ （100）面と＜110＞方向を有し、前記（100）
   面と実質的に平行な第１の表面に異方性エツチン
   グによつて形成された窪みを有する半導体基板
   と、 前記＜110＞方向に対して零でない角度に方向
   付けられ、前記窪み上に懸垂され、前記第１の表
   面に少なくとも１カ所で接続されている所定形状
   の第１及び第２の抵抗素子を含む単一の薄膜誘導
   体部材とから成ることを特徴とする半導体装置。 ３ （100）面と＜110＞方向を有し、前記（100）
   面と実質的に平行な第１の表面に異方性エツチン
   グによつて形成された窪みを有する半導体基板
   と、 前記＜110＞方向に対して零でない角度に方向
   付けられ、前記窪み上に懸垂され、前記第１の表
   面に少なくとも１カ所で接続されている所定形状
   の第１の抵抗素子を含む第１の薄膜誘電体部材
   と、 前記＜110＞方向に対して零でない角度に方向
   付けられ、前記窪み上に懸垂され、前記第１の表
   面に少なくとも１カ所で接続されている所定形状
   の第２の抵抗素子を含む第２の薄膜誘電体部材と
   から成ることを特徴とする半導体装置。 ４ 前記所定形状の抵抗素子は前記窪み上に片持
   ちばりされていることを特徴とする、特許請求の
   範囲第１項、第２項または第３項に記載の半導体
   装置。 ５ 前記零でない角度は45度であることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１項、第２項または第３
   項に記載の半導体装置。 ６ 前記抵抗素子の所定形状は格子状であること
   を特徴とする、特許請求の範囲第１項、第２項ま
   たは第３項に記載の半導体装置。 ７ （100）面と＜110＞方向を有し、前記（100）
   面と実質的に平行な第１の表面に異方性エツチン
   グによつて形成された窪みを有する反対基板と、 前記＜110＞方向に対して零でない角度に方向
   付けられ、前記窪み上に懸垂され、前記第１の表
   面に少なくとも１カ所で接続されている所定形状
   の抵抗素子を含む単一の薄膜誘電体部材と、 前記半導体基板に一体化された信号処理回路手
   段とから成ることを特徴とする流量計。 ８ （100）面と＜110＞方向を有し、前記（100）
   面と実質的に平行な第１の表面に異方性エツチン
   グによつて形成された窪みを有する半導体基板
   と、 前記＜110＞方向に対して零でない角度に方向
   付けられ、前記窪み上に懸垂され、前記第１の表
   面に少なくとも１カ所で接続されている所定形状
   の第１の抵抗素子を含む第１の薄膜誘電体部材
   と、 前記＜110＞方向に対して零でない角度に方向
   付けられ、前記窪み上に懸垂され、前記第１の表
   面に少なくとも１カ所で接続されている所定形状
   の第２の抵抗素子を含む第２の薄膜誘電体部材
   と、 前記半導体基板に一体化された信号処理回路手
   段とから成り、 前記抵抗素子は、電流を供給されると加熱さ
   れ、各抵抗素子の抵抗値と各抵抗素子の温度との
   間に所定の関係を有し、前記第１の抵抗素子は第
   １の抵抗素子の抵抗値に関する第１の信号を発生
   するのに用いられ、前記第２の抵抗素子は第２の
   抵抗素子の抵抗値に関する第２の信号を発生する
   のに用いられ、前記第１の薄膜誘電体部材から前
   記第２の薄膜誘電体部材に気体が流れる時前記２
   つの信号は気体流量に対して所定の関係を有し、
   所定の流量時に前記第１及び第２の信号の差が所
   定値になるように前記第１及び第２の信号を設定
   することを特徴とする流量計。 ９ 前記零でない角度は45度であることを特徴と
   する、特許請求の範囲第７項または第８項に記載
   の流量計。 １０ 前記抵抗素子の所定形状は格子状であるこ
   とを特徴とする、特許請求の範囲第７項または第
   ８項に記載の流量計。 １１ 第１の表面に異方性エツチングによつて形
   成された窪みを有する半導体基板と、所定の形状
   を有し前記窪み上に懸垂され前記第１の表面に少
   なくとも１カ所で接続されている抵抗素子を含む
   薄膜誘電体部材とを含む半導体装置の製造方法で
   あつて、 （100）面と＜110＞方向を有する（100）シリ
   コンからなる半導体基板を用い、前記（100）面
   を主面とし、 前記半導体の（100）面に平行な第１の表面に
   絶縁層及び所定の形状の抵抗素子からなる材料層
   を形成し、 前記所定形状の抵抗素子が＜110＞方向に対し
   て零でない角度を有し、少なくとも１カ所で接続
   されるように、前記第１の表面の少なくとも１カ
   所の所定領域を露出させ、 前記露出された領域に異方性エツチングを行つ
   て前記抵抗素子をアンダーカツトし、窪みを設け
   る段階からなる、半導体装置の製造方法。 １２ 前記零でない角度は45度であることを特徴
   とする、特許請求の範囲第１１項に記載の半導体
   製造方法。 １３ 前記所定形状は格子状であることを特徴と
   する、特許請求の範囲第１１項に記載の半導体製
   造方法。