JPH0361830A - Pressure sensor - Google Patents
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- JPH0361830A JPH0361830A JP19123589A JP19123589A JPH0361830A JP H0361830 A JPH0361830 A JP H0361830A JP 19123589 A JP19123589 A JP 19123589A JP 19123589 A JP19123589 A JP 19123589A JP H0361830 A JPH0361830 A JP H0361830A
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Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
本発明は、センサ及び電磁エネルギーの放射源の分野の
集積半導体装置に関し、特に、センシングを含む応用に
おいて信号処理回路も集積可能な集積半導体装置及びそ
の製造方法に関する0本発明は半導体回路チップに熱電
トランスジューサ(ther+++al−to−ele
ctric transducer)または静電素子(
static electric element)を
一体化することができ、従来の装置の構成要素の配置と
比較して十分大きな熱的及び物理的絶縁を得ることがで
きる。また、本発明の半導体装置はバッチプロセスによ
って製造することもできる。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to an integrated semiconductor device in the field of sensors and sources of radiation of electromagnetic energy, and in particular to an integrated semiconductor device in which signal processing circuits can also be integrated in applications involving sensing, and a method for manufacturing the same. The invention incorporates a thermoelectric transducer (ther+++al-to-ele) into a semiconductor circuit chip.
ctric transducer) or electrostatic element (
static electric elements) can be integrated to obtain significantly greater thermal and physical isolation compared to the arrangement of components in conventional devices. Further, the semiconductor device of the present invention can also be manufactured by a batch process.
本発明は、流れ検出、可燃性ガス検出、湿度検出及び圧
力検出等の分野において応用することができるが、これ
らの分野に限定されるものではない。The present invention can be applied in the fields of flow detection, combustible gas detection, humidity detection, pressure detection, etc., but is not limited to these fields.
本発明の半導体装置は、半導体基板の第1の表面に窪み
が形成されている。更に、この窪み上に所定の距離をお
いて所定形状の熱電トランスジューサまたは静電素子を
構成する部材を含む。この部材は第1の表面に少なくと
も1カ所で接続され、前述の窪みは所定形状の熱電トラ
ンスジューサまたは静電素の少なくとも一部分の回りに
開口し、この窪みによって部材と半導体基板との間に物
理的及び熱的絶縁を得ることができる。In the semiconductor device of the present invention, a depression is formed on the first surface of the semiconductor substrate. Furthermore, a member constituting a thermoelectric transducer or an electrostatic element having a predetermined shape is included at a predetermined distance above the depression. The member is connected to the first surface in at least one location, and the recess opens around at least a portion of a thermoelectric transducer or electrostatic element of a predetermined shape, and the recess provides a physical connection between the member and the semiconductor substrate. and thermal insulation can be obtained.
上述のように構成された本発明の集積半導体装置は、ト
ランスジューサまたは素子と半導体の開俵実質的に物理
的及び熱的に絶縁された空間を得ることができる。The integrated semiconductor device of the present invention configured as described above can provide a space in which the transducer or element and the semiconductor are substantially physically and thermally insulated.
また、本発明の半導体装置を製造する方法は、半導体基
板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板を与える工程を有する。また、
上記部材を第1の表面上で形成する材料層を与える工程
も有する。更に、少なくとも第1の表面の予め決められ
た領域を露出させる工程も有し、露出した表面領域は、
所定の距離をおいて設けられる所定の形状のトランスジ
ューサまたは素子により一部限定されている。Further, the method for manufacturing a semiconductor device of the present invention includes the step of providing a semiconductor substrate having a first surface having a predetermined direction with respect to the crystal structure of the semiconductor substrate. Also,
The method also includes the step of providing a layer of material forming the member on the first surface. Additionally, exposing a predetermined region of at least the first surface, the exposed surface region comprising:
It is defined in part by transducers or elements of a predetermined shape placed at a predetermined distance.
また、所定の形状のトランスジューサまたは素子は、異
方性エツチングによるアンダーカットが実賞状最小時間
で完了するように方向づけられている。最後に、本発明
の方法では、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ットして窪みを作る。Additionally, the predetermined shape of the transducer or element is oriented such that the anisotropic etch undercut is completed in a minimum amount of time. Finally, the method of the present invention applies anisotropic etching to the exposed surfaces to undercut the component and create depressions.
以下に、本発明を応用できる流れ検出、可燃性ガス検出
、湿度検出、圧力検出等の種々の実施例を説明する。Various embodiments of flow detection, combustible gas detection, humidity detection, pressure detection, etc. to which the present invention can be applied will be described below.
始めにフローセンサに応用した実施例について説明する
。First, an example in which the present invention is applied to a flow sensor will be described.
長年にわたり、熱的測風学(thern+al ane
mometry)は流体の流れを測定するのに有効な手
段であった。定義によれば、熱的フローメータの動作原
理は熱伝導に基づいている0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。For many years, thermal wind gauging (thern+alane
(mometry) was an effective means to measure fluid flow. By definition, the principle of operation of a thermal flow meter is based on heat conduction. Usually, a resistive element with a temperature-sensitive resistance is placed in the flow of fluid.
その抵抗素子を流れる電流は、電力消費によって抵抗素
子の温度が上昇する。監視される流体は、その流れによ
ってその抵抗素子から熱を奪う。その抵抗素子の最終的
温度は、抵抗値を測定して示されて、流体の速度及び熱
伝導率の関数である。The current flowing through the resistive element causes the temperature of the resistive element to rise due to power consumption. The fluid being monitored removes heat from the resistive element through its flow. The final temperature of the resistive element, indicated by the resistance measurement, is a function of fluid velocity and thermal conductivity.
従来の抵抗値変化素子は熱線、熱フィルム、サーミスタ
型などが一般的である。このようなフローメータは、高
価でなく、しかも非常に速い応答をする抵抗値トランス
ジューサで、正確かつ堅牢なことである。これらの要望
は、従来の熱的フローメータが実証しているように互い
に相反することがある。安価なフローメータは通常バル
ク形の検出素子からなり、応答時間特性は悪い。速反応
型のフローメータは高価で壊れやすい検出素子を用いて
いる。正確なフローメータは、通常検出素子及び支持構
造の組立てに手間がかかり高価なものとなる。更に、従
来のフローメータは、流体の流れている領域のなかに完
全に挿入しなけらばならず、したがって、塵、いとくず
、その他の破片の衝突による破壊や悪化を受けやすい。Conventional resistance value change elements are generally of heat wire, heat film, thermistor type, etc. Such flow meters are inexpensive, yet very fast response resistance transducers, accurate and robust. These demands can be in conflict with each other, as demonstrated by conventional thermal flow meters. Inexpensive flow meters usually consist of bulk type sensing elements and have poor response time characteristics. Fast-response flow meters use expensive and fragile sensing elements. Accurate flow meters are typically expensive and require extensive assembly of sensing elements and support structures. Furthermore, conventional flow meters must be inserted completely into the region of fluid flow and are therefore susceptible to damage or deterioration from impact with dust, debris, and other debris.
本発明のフローメータは、1つの理想的なメータに要求
される全ての特性を理想に近い形で満たすものである。The flow meter of the present invention satisfies all the characteristics required of an ideal meter in a form close to ideal.
本発明のフローメータは、シリコンコンパチブルプロセ
ス(3目icon−compatible proce
sses)のような低コストのバッチプロセスによって
製造することができるので安価であり、ごリ秒のレンジ
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、信号対雑音比の向上によって、従来の固体熱
的フローメータより優れている。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、結果として塵、いとくず、その他の破片は素子
に衝突せず、そばを流れることになる。このため、本発
明のフローメータは従来の熱フローメータより性能の劣
化を受けに(い。The flow meter of the present invention is manufactured using a silicon-compatible process.
It is inexpensive because it can be manufactured by low-cost batch processes such as It is superior to traditional solid-state thermal flowmeters due to its increased sensitivity of larger changes in , and its improved signal-to-noise ratio. And its structure is
It is such that it does not need to be fully inserted into the fluid stream, so that dust, debris, and other debris will not impinge on the element, but will flow by it. Therefore, the flow meter of the present invention is less susceptible to performance degradation than conventional thermal flow meters.
第1図及び第2図は、本発明によるフローセンサの実施
例の側断面図である。単結晶半導体10は、窒化シリコ
ンのような誘電体層12により覆われた第1の表面14
を有する。本実施例では、第4図の素子22は誘電体層
12上にスパッタされたパーマロイ抵抗素子即ちグリッ
ド16及びリード部24からなり、素子22は窒化シリ
コンのような誘電体層18で覆われている。1 and 2 are side sectional views of an embodiment of a flow sensor according to the invention. A single crystal semiconductor 10 has a first surface 14 covered by a dielectric layer 12, such as silicon nitride.
has. In this embodiment, the device 22 of FIG. 4 comprises a permalloy resistive element or grid 16 and leads 24 sputtered onto a dielectric layer 12, and the device 22 is covered with a dielectric layer 18, such as silicon nitride. There is.
誘電体層12は、素子22と半導体10の間に電気的絶
縁を与え、誘電体層12及び18は素子22にパシベー
シッン(passivation)を与える。Dielectric layer 12 provides electrical isolation between device 22 and semiconductor 10, and dielectric layers 12 and 18 provide passivation to device 22.
グリッド16の下の富みを形成することによって、抵抗
素子のグリッド16と半導体10の間に、十分な熱的及
び物理的絶縁がなされる。窪み20は通常後に述べられ
るような目的にかなったエツチング技術を用いて形成さ
れる。この窪み20がないと、検出素子のグリッド16
と半導体10との間で十分な熱的及び物理的絶縁を得る
ことは難しい0例えば、抵抗素子のグリッド16が、固
体の誘電体層のみによって半導体10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
導率よりも大きいので、抵抗素子のグリッド16は実質
的に半導体10へ熱を伝えることになる。By creating a richness under the grid 16, sufficient thermal and physical isolation is provided between the grid 16 of the resistive element and the semiconductor 10. Recess 20 is typically formed using a suitable etching technique as described below. Without this depression 20, the grid 16 of the sensing element
For example, if the resistive element grid 16 was separated from the semiconductor 10 only by a solid dielectric layer, it would be difficult to obtain sufficient thermal and physical insulation between the solid dielectric Since the thermal conductivity of is typically greater than that of air, the grid 16 of resistive elements will substantially conduct heat to the semiconductor 10.
検出素子のグリッド16と半導体10の間のあ十分な熱
的及び物理的絶縁は、センサのような広く種々様々な装
置に適応できる利点を有する。例えば、本発明の半導体
装置をフローセンサに適応した場合、非常に薄い検出素
子が半導体基体から熱的に十分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
に感度のよ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ってたや
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熱的フロー
メータに対比される。このような構成の装置の温度感度
ばあ半導体自体の熱によって大きく影響される。Sufficient thermal and physical insulation between the grid 16 of sensing elements and the semiconductor 10 has the advantage of being adaptable to a wide variety of devices such as sensors. For example, when the semiconductor device of the present invention is applied to a flow sensor, by configuring a very thin sensing element that is sufficiently thermally insulated from the semiconductor substrate, the sensing element can be made very thin in the air flow. Adapted to allow for sensitive measurements. This is because the temperature of thinly formed parts is easily influenced by air flow. This is in contrast to solid state thermal flow meters which have sensing elements that allow substantial heat to escape to the semiconductor body. The temperature sensitivity of a device having such a configuration is greatly influenced by the heat of the semiconductor itself.
第1図の実施例において、部材即ち検出素子34は、富
み20の上に橋渡し、即ちブリッジ状に設けられ、半導
体の第1の表面14へ接続された第1及び第2の端部を
有する。このように、検出素子34は上から見ると、は
ぼ長方形であり、抵抗素子お16と誘電体層12及び1
日の一部からなっている。In the embodiment of FIG. 1, a member or sensing element 34 is provided in a bridging manner over the recess 20 and has first and second ends connected to the first surface 14 of the semiconductor. . In this way, the detection element 34 has a substantially rectangular shape when viewed from above, and includes the resistance element 16 and the dielectric layers 12 and 1.
It consists of part of the day.
第2図の実施例では、部材即ち検出素子32は、抵抗素
子16と誘電体層12及び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岳で接続さ
れて、窪み20の上で片持ちぼりされている。半導体基
体lO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
ぼ全ての方向に検出素子32を膨張及び収縮させること
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は、その一端
のみで行われるので、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からなる実施例の正断面図であり、第
10図〜第13図は、種々の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
利点を有する好適実施例である。以下に説明するが、例
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、環境の温度変
化に対して自動的に温度補償することができる。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
バックグラウンド電圧(background vol
tage)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。更に、フローセンサに2つ
の測定素子を用いることは、以下で説明するが、上流の
検出素子は、下流の検出素子より冷やされるので、速度
と同様に流れの方向を指示することができる。In the embodiment of FIG. 2, the member or sensing element 32 comprises a resistive element 16 and a portion of the dielectric layers 12 and 18, and is connected to the first surface 14 of the semiconductor at one end of the sensing element 32. , cantilevered above the depression 20. Having only one end of the sensing element 32 connected to the semiconductor body 10 has the advantage that the sensing element 32 can be expanded and contracted in almost any direction without substantial restraint from the semiconductor body 10. There are various advantages including. In addition, since the heat loss transferred through the sensing element 32 takes place only at one end thereof, the sensing element 32 becomes significantly more thermally insulated. FIG. 3 is a front cross-sectional view of an embodiment consisting of two detection elements 32 or 34, and FIGS. 10 to 13 are plan views of various embodiments. Regarding the flow sensor of the present invention, a set of members is a preferred embodiment with various advantages. As explained below, for example, by using two substantially independent components and comparing the signal from one with the signal from the other, it is possible to automatically compensate for temperature changes in the environment. . Moreover, such a configuration reduces the background voltage within a single detection element.
tage) can be easily removed, greatly improving measurement accuracy. Additionally, the use of two measuring elements in a flow sensor, as explained below, allows the upstream sensing element to be cooler than the downstream sensing element, thereby indicating flow direction as well as velocity.
しかしながら、窪み位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得る。例えば、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例え
ば周囲温度の変化による抵抗素子の遅い成分または直流
的成分の検出はしない。However, even one sensing element supported above the depression 20 can be a flow sensor. For example, an air turbulence signal generated by a flow sensor of one sensing element would be suitable for detecting the presence or absence of air flow. By amplifying only the alternating current component of the resistance change of the element due to air turbulence, the slow component or direct current component of the resistance element due to changes in ambient temperature, for example, is not detected.
本実施例では、パーマロイはスパッタリングで数百オン
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ッド即ち抵抗素子16の抵抗
値と抵抗素子16の温度の間に他界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。例え
ば、非常に薄い部材即ち検出素子32または34は、当
て憩う素子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時は、検出素
子32または34にかかる空気に流れは、空気のながれ
の速度と予め決められた関係をもって抵抗素子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
とができるであろう。In this embodiment, permalloy can be used to form a layer with a thickness of several hundred angstroms accurately by sputtering, and due to the characteristics of permalloy, the distance between the resistance value of the grid, that is, the resistance element 16, and the temperature of the resistance element 16 is determined in advance with a superfluous sensitivity. Permalloy is chosen to form the resistive element 16 because of its ability to obtain a well-defined correlation. For example, a very thin member or sensing element 32 or 34 may be formed from interdigitated element 16 and dielectric layers 12 and 18. When applied as a flow sensor, the flow of air across the detection element 32 or 34 cools the resistance element 16 in a predetermined relationship with the velocity of the air flow, causing a change in resistance value and controlling the air flow. It will be possible to measure it.
本実施例では、検出素子32及び34は、通常は、1.
8から1.ξクロン程度の厚さである。In this embodiment, the detection elements 32 and 34 are typically 1.
8 to 1. The thickness is about ξcm.
この厚さは抵抗素子16と、夫々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18を含むもので
ある。通常0.001ないし0.010インチの付加さ
の範囲である窪み20によって抵抗素子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ともに
、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。This thickness includes resistive element 16 and dielectric layers 12 and 18, each typically on the order of a few thousand angstroms thick. This very thin and highly sensitive configuration, along with the fact that resistive element 16 is well isolated from the substrate of semiconductor 10 by recess 20, which typically ranges from 0.001 to 0.010 inches in addition, The device is capable of highly sensitive flow velocity measurements.
前述したように、抵抗素子16の実施例は、第4図に示
すような、パーマロイのグリッドからなるものである。As previously mentioned, an embodiment of the resistive element 16 is comprised of a permalloy grid, as shown in FIG.
リード部24はパーマロイである。The lead portion 24 is made of permalloy.
何故なら、付加的なプロセスが除去できるからである。This is because additional processes can be eliminated.
即ちリード部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1
0図、第12図、第12図及び第13図に示したように
比較的幅が広く、そしてリード部は実質的に半導体10
の基板へ熱を伝達し、リード部24の加熱は比較的小さ
い。That is, making the lead portion 24 from other materials requires additional processing. The lead part 24 of the permalloy becomes slightly hot, but the lead part 24 in FIG.
As shown in FIG. 0, FIG. 12, FIG. 12, and FIG.
heat is transferred to the substrate, and heating of the lead portion 24 is relatively small.
前述したように、第3図に図示したような第1及び第2
の抵抗素子からなるフロートランスジューサには種々の
利点がある。このような構成の実施例は、第5図に示し
たような回路と組み合わされ、バッ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って周囲温度とは
独立した、より感度のよりフロートランスジューサを得
ることができる。As mentioned above, the first and second
A flow transducer consisting of a resistive element has various advantages. Embodiments of such a configuration, when combined with a circuit such as that shown in FIG. 5, yield a more sensitive flow transducer that is independent of ambient temperature by eliminating background signals and providing a direct measurement signal. be able to.
第3図に図示したセンサの実施例の動作説明及び第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及び16Bと符号付する。夫々の抵抗素子1
6A及び16Bは抵抗素子16からなる。抵抗素子16
A及び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。For purposes of describing the operation of the sensor embodiment illustrated in FIG. 3 and the circuit illustrated in FIG. 5, the resistive elements in these figures are designated 16A and 16B. Each resistance element 1
6A and 16B are resistive elements 16. Resistance element 16
A and 16B are at least approximately identical and typically matched, but need not be matched.
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IO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、バッチプロセスにより、単一チ
ップ上に完全な検出装置を得ることができる。A substantial advantage of the present invention is that a circuit such as that shown in FIG. A detection device can be obtained.
第5図に示した回路は、例えば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つの増幅器
50.52の夫々はフィードバックループに並列に接続
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59の間に接続される。抵抗素子1
6Bは、同様にそのリード部24を介して、増幅器52
の出力56と符入力58の間に接続される。The circuit shown in FIG. 5 has three differential amplifiers each consisting of, for example, TLO87. As shown, each of the two amplifiers 50.52 has a resistive element 16A or 16B connected in parallel to the feedback loop. The resistance element 16A is connected to the amplifier 50 via its lead portion 24.
is connected between the output 54 and the negative input 59 of. Resistance element 1
6B also connects the amplifier 52 via its lead portion 24.
is connected between the output 56 and the sign input 58 of.
増幅器52への負入力5Bは、抵抗64を介してポテン
ショメータ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70を介してワイパー6
6へ接続されている。増幅器50及び52の正大カフ2
及び74は、夫々接地または基準電位76に接続されて
いる。Negative input 5B to amplifier 52 is connected via resistor 64 to wiper 66 of potentiometer 62. A negative input 59 to the amplifier 50 is connected to the wiper 6 through a resistor 70.
Connected to 6. Positive cuff 2 of amplifiers 50 and 52
and 74 are connected to ground or reference potential 76, respectively.
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8
6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と食入カフ8の間に接続されている。Output 56 of amplifier 52 is connected to amplifier 80 via resistor 82.
The output 54 of the amplifier 50 is connected to the negative input of the resistor 8
6 to the positive input of an amplifier 80. A positive input 84 of amplifier 80 is connected to ground or reference potential 76 via a resistor 88 . The resistor 90 is the amplifier 80
is connected between the output 92 of the ingestion cuff 8 and the ingestion cuff 8.
ポテンショメータ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、ポテンショ
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である。ポテンショメ
ータ62は、電源のプラス及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。The first terminal 94 of the potentiometer 62 has a voltage of +15VDC.
Also, the second terminal 96 of potentiometer 62 is provided for connection to a negative power supply, such as -15 VDC. Potentiometer 62 provides a means for selecting a predetermined potential anywhere between the positive and negative voltages of the power supply.
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のに抵抗素子16A及び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。In operation, the illustrated circuit generates a voltage between output 92 and ground or reference potential 76 that has a predetermined relationship to the velocity of the fluid across sensing element 32 or 34 consisting of resistive elements 16A and 16B.
抵抗素子16A及び16Bは、夫々、増幅器50及び5
2びフィードバックループに設けられる。Resistance elements 16A and 16B are connected to amplifiers 50 and 5, respectively.
2 and a feedback loop.
夫々の演算増幅器50及び52は、そのフィードバック
ループ中に一定電流を維持する。よって、夫々の抵抗素
子16A及び16Bを通る電流は、その抵抗素子の抵抗
値とは独立である。そのフィードバックループの中に、
一定電流を維持するために、事実上、夫々の演算増幅器
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、夫々のパーマ
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。よって
、夫々の演算増幅器50.52の電圧出力は、その関連
した抵抗素子の温度と予め決められた関係を有している
。Each operational amplifier 50 and 52 maintains a constant current in its feedback loop. Thus, the current through each resistive element 16A and 16B is independent of the resistance value of that resistive element. In that feedback loop,
In order to maintain a constant current, each operational amplifier effectively changes its output voltage in response to changes in the resistance of resistive element 16A or 16B. As mentioned above, the resistance value of each permalloy resistance element 16A or 16B changes in a predetermined relationship with the temperature of that resistance element. Thus, the voltage output of each operational amplifier 50,52 has a predetermined relationship to the temperature of its associated resistive element.
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の電圧出力の電
圧差に比例している。したがって、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と抵抗素子
16Bの温度さは、その検出素子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。よって、増幅器80
の出力92の電圧は抵抗素子16A及び16Bにかかる
流体の速度と予め決められた関係を持っていることにな
る。Operational amplifier 80 amplifies the difference between the voltage outputs of operational amplifier 50 and operational amplifier 52, and the voltage at output 92 of operational amplifier 80 is proportional to the voltage difference between the voltage outputs of operational amplifier 50 and operational amplifier 52. Therefore, the voltage at output 92 is
It has a predetermined relationship with the temperature difference between the resistance element 16A and the resistance element 16B. The temperature of resistive element 16A and resistive element 16B has a predetermined relationship with the velocity of the fluid across the sensing element. Therefore, the amplifier 80
The voltage at output 92 of will have a predetermined relationship to the fluid velocity across resistive elements 16A and 16B.
まず、第1の部材即ち抵抗素子16Aからなる検出素子
にかかり、次に、第2の部材即ち抵抗素子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
から熱を奪い、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によって増
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。例えば、抵抗素子16Aまたは16Bがダ
クト内で流れに沿っ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。何故なら、上述
したように、上流の検出素子は下流の検出素子より冷や
されるからである。The flow of fluid first across the sensing element comprising the first member, resistive element 16A, and then over the sensing element comprising the second member, resistive element 16B, causes resistive element 16A to be cooler than resistive element 16B. It turns out. because,
The fluid flow across the resistance element 16A is
This is because the heat is taken away from the resistive element 16B and the heat is carried to the vicinity of the resistive element 16B. Assuming that the circuit supply voltage at wiper 66 is positive, the output voltage of amplifier 52 will be greater than the output voltage of amplifier 50. This difference is multiplied by amplifier 80 and the output voltage at output 92 has a predetermined relationship to the velocity of the fluid. As previously mentioned, the output voltage at output 92 can also provide a directional indication. For example, if the resistive elements 16A or 16B are arranged along the flow within the duct, the second embodiment of the present invention
A two sensing element sensor can be used to detect the direction of fluid flow as well as the flow rate. This is because, as mentioned above, the upstream sensing element is cooler than the downstream sensing element.
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及び16Bを作動する。As described above, the circuit shown in FIG. 5 operates resistance elements 16A and 16B in constant current mode.
また、他の回路でも、抵抗素子16A及び16B、また
は、本発明の他のセンサを、定電圧モード、定温度即ち
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。Further, any other circuit may be used as long as it has a circuit that operates the resistance elements 16A and 16B or other sensors of the present invention in a constant voltage mode, a constant temperature or constant resistance mode, or a constant power mode.
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、表面吸着効果及び
光学的影響を受けずに大気の水蒸気密度または相対湿度
を測定することができ、信号処理回路と同等な1チツプ
半導体回路を低価格で実現できるものである。Next, an example in which the present invention is applied as a humidity sensor will be described. In this application, the sensor of the present invention can measure atmospheric water vapor density or relative humidity without surface adsorption effects and optical influences, and realizes a one-chip semiconductor circuit equivalent to a signal processing circuit at a low cost. It is possible.
本発明の湿度センサは、水蒸気濃度の変化と共に、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、単位容積当たりの乾燥空気の分子の
数に対する単位容積当た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に対す
る水の分子量の一定比による比湿(specific
hun+1dity)に関連したモル湿度(molal
humidity)と称される。The humidity sensor of the present invention is based on the principle that the thermal conductivity of air changes as the water vapor concentration changes. Here, the water vapor concentration is defined as the ratio of the number of water vapor molecules per unit volume to the number of dry air molecules per unit volume. This concentration is often determined by the specific humidity, which is a constant ratio of the molecular weight of water to the average molecular weight of dry air.
molar humidity (hun+1dity)
It is called “humidity”.
したがって、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。The humidity sensor of the present invention therefore provides molar humidity directly which is converted to specific humidity via circuitry, not shown, which provides a suitable multiplier for the molar humidity measurement.
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
度の測定か必要であり、標準湿度図表データ (sta
ndard psychrometric chart
data〉にしたがっ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。何故なら、熱
伝導率によって測定される水蒸気のあるモル分率に対し
て、水蒸気の分圧は高度と共に変化するだろうからであ
る。したがって、最も正確な相対湿度の測定には、変換
は、高度依存因子(altitude−depende
nt factor)によっ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っ
てなされるであろう。It is also of interest to convert molar humidity measurements to relative humidity measurements. Such conversion requires measurement of ambient temperature and standard humidity chart data (sta
ndard psychometric chart
A corresponding automatic adjustment has to be made according to the data>. Some altitude effects due to air mixing density changes also become an issue in the conversion to relative humidity. This is because, for a given mole fraction of water vapor, as measured by thermal conductivity, the partial pressure of water vapor will change with altitude. Therefore, for the most accurate relative humidity measurements, the conversion is based on an altitude-dependent factor.
nt factor). Such conversion would be performed by circuitry not shown.
環境制御の応用装置には、ある低い基準温度及びゼロ湿
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
として読み出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、温度と共に直線的に変化し
、そして、氷結及び凝結を除外する範囲で、一定温度に
おいてモル湿度と共に直線的に変化する。エンタルピー
の決定は、モル湿度測定及び混合空気温度から、回路に
よって得ることができる。その回路は図示していないが
、混合空気と基準温度の差に比例した乾燥空気に対して
の読み出しオフセットを生じ、モル湿度出力をエンタル
ピーの目盛りに変換する。Environmental control applications require a device that reads out the enthalpy of mixed air with respect to the enthalpy at some low reference temperature and zero humidity. Enthalpy varies linearly with temperature at constant molar humidity, and to the extent excluding freezing and condensation, it varies linearly with molar humidity at constant temperature. Determination of enthalpy can be obtained by circuit from molar humidity measurements and mixed air temperature. The circuit, not shown, produces a readout offset for the dry air that is proportional to the difference between the mixed air and the reference temperature and converts the molar humidity output to an enthalpy scale.
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。Hereinafter, an example of application of the present invention to a humidity sensor will be explained in detail by way of an example using the drawings.
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
形成された窪み102を有する半導体からなるもので、
更に、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、窪み102の上に橋渡し即ちブリッジ形にさ
れるようにするか、または第2図及び第6図に示したよ
うなカンチレバー形即ち片持ちばりのような形のもので
あろう。部材即ち検出素子106は、通常、符号108
で示した抵抗素子を有し、窪み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。窪み1
02は、部材即ち検出素子106の予め決められた横取
の少なくとも一部の回りで第1の表面に開口を形成して
いる。In its simple form, the humidity sensor of the invention comprises a substrate 100
a semiconductor having a recess 102 etched or otherwise formed in a first surface 104 of the semiconductor;
Furthermore, it has a detection element 106 as indicated by the reference numeral 106. The sensing element 106 may be bridge-shaped over the depression 102, similar to the sensing element 34 of FIG. 1, or cantilevered, as shown in FIGS. 2 and 6. In other words, it is probably shaped like a cantilever beam. The member or sensing element 106 is typically designated by the reference numeral 108.
It has a resistive element shown in , and has a predetermined shape provided above the depression 102 at a predetermined distance. Sensing element 106 has at least one
The first surface 104 is connected to the first surface 104 at two locations. Hollow 1
02 forms an opening in the first surface around at least a portion of the predetermined interception of the member or sensing element 106.
抵抗素子10B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。When resistive element 10B is heated by supplying current, there is a predetermined relationship between the resistance value of resistive element 108 and the temperature.
本発明の湿度センサは、更に第8図のような流れ止め手
段116を有することで、検出素子106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
冷却を防いでいる。この流れ止め手段116は、検出素
子106及び半導体基体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。更に、センサが空中の微粒子によって汚染されるの
を防ぐために、フィルター120が設けられている。The humidity sensor of the present invention further includes a flow prevention means 116 as shown in FIG. 8, thereby substantially preventing air flow over the detection element 106 and preventing cooling of the resistance element 108 due to the air flow. The flow stop means 116 has an opening 118 to equalize the humidity level of the sensing element 106 and the semiconductor body 100 with the humidity level of the surrounding environment. Additionally, a filter 120 is provided to prevent the sensor from being contaminated by airborne particulates.
抵抗素子108は、抵抗素子108の抵抗値即ち温度に
関係した大きさを持つ信号を与える用に使用され、その
信号の大きさは、窪み102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によって湿度
と共に変化する。この熱的結合の変化は、モル湿度の変
化と共に、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。The resistive element 108 is used to provide a signal having a magnitude related to the resistance value of the resistive element 108, that is, the temperature, and the magnitude of the signal is determined between the element 108 and the semiconductor substrate 100 via the recess 102. Varies with humidity due to varying thermal coupling. This change in thermal coupling occurs through changes in air conductivity as well as changes in molar humidity.
As a result, humidity can be measured.
この湿度センサの典型的な応用においては、チップ即ち
半導体基体100は、突き出た部分(header)
112に設けられたガラス部材114にエポキシ系接
着剤で接着されている。このガラス部材114は、はぼ
この突き出た部分112から基体100を熱的に絶縁し
ている。この突き出た部分112は通常、電気的接続が
できるようにワイヤボンディング構成を接続するために
、図示していないが、貫通接続孔を有している。In a typical application of this humidity sensor, the chip or semiconductor body 100 has a header.
It is bonded to a glass member 114 provided at 112 with an epoxy adhesive. This glass member 114 thermally insulates the base body 100 from the protruding portion 112 of the hollow. This protruding portion 112 typically has a through hole (not shown) for connecting a wire bonding arrangement to make an electrical connection.
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。以下で更に述べるよ
うに、本発明によるセンサには、必要な予め決められた
温度範囲にわたって抵抗熱係数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図及び以下に示
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。例
えば、直列の抵抗素子126は、ケイ化クロム(chr
ome 5ilicide)またはニクロム素子からな
るものである。Furthermore, this humidity sensor has a reference resistance means 122 consisting of a resistance element 124. As discussed further below, a sensor according to the present invention includes a series resistive element 126 with a near-zero thermal coefficient of resistance over the required predetermined temperature range. As shown in FIG. 7 and below, series resistive element 126 may be connected in series with resistive element 124. Alternatively, series resistive element 126 may be connected in series with resistive element 108. For example, the series resistive element 126 may be chromium silicide (chr).
ome5ilicide) or a nichrome element.
更に、本発明の湿度センサは、素子128からなるヒー
タを有し、半導体基体100の温度を予め決められた温
度に制御するようになっている。Furthermore, the humidity sensor of the present invention has a heater consisting of an element 128, and is adapted to control the temperature of the semiconductor substrate 100 to a predetermined temperature.
素子128は半導体基体に実質的に熱を伝達するパーマ
ロイ素子のような抵抗素子からなる。Element 128 comprises a resistive element, such as a permalloy element, that substantially transfers heat to the semiconductor substrate.
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ッドからなる。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、抵抗素子の素子12Bを流れる電流
を調節し、かつ抵抗素子124で基体100の温度を関
しすることによって、予め決められた高い温度に維持さ
れ得る。Like resistive element 108, resistive element 124 is comprised of a permalloy grid as shown in FIG. In this way, the resistive element 124 not only serves as a reference resistance for the resistive element 108, but also serves as a temperature measuring means for the resistive element 124 or the automatically temperature-controlled semiconductor substrate 100. Permalloy has a predetermined relationship between temperature and resistance. In this way, the semiconductor substrate 100 can be maintained at a predetermined high temperature by adjusting the current flowing through the resistive element 12B and controlling the temperature of the substrate 100 with the resistive element 124.
上述のように、抵抗素子108.124.126及び1
26は窒化シリコン(silicon n1tride
)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覆
っている。As described above, resistive elements 108, 124, 126 and 1
26 is silicon nitride (silicon n1tride)
) is sandwiched between two dielectric layers such as
layer 127 covers at least a portion of first surface 104 .
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を持ってすれば、抵抗素子124の温度
は、半導体基体の温度によって実質的に調節される。更
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
の変化と共に実質的に変化しない。したがって、抵抗素
子124からの信号は、抵抗素子108からの信号によ
って相殺され、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酢の抵抗素子16A
及び16Bを湿度センサの抵抗素子108及び124と
置き換え、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。By having a permalloy resistive element 124 that substantially conducts heat to the semiconductor body 100, the temperature of the resistive element 124 is substantially regulated by the temperature of the semiconductor body. Furthermore, because resistive element 124 is substantially thermally coupled to semiconductor body 100, the resistance value of resistive element 124 does not substantially change with changes in humidity. Thus, the signal from resistive element 124 is canceled by the signal from resistive element 108, effectively providing a resulting signal that will have a predetermined value under conditions of predetermined specific humidity. I will do it. A circuit such as that shown in FIG.
and 16B are replaced with the resistive elements 108 and 124 of the humidity sensor, and resistive element 126 is placed in series with either resistive element 108 or 124, as appropriate.
パーマロイ素子の温度対抵抗値曲線は、非直線である。The temperature versus resistance curve of a permalloy element is non-linear.
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0例えば、通常は抵抗素子124によっ
て測定されるチップ即ち基体100の自動温度調整され
た温度のような第2の予め決められた温度で、抵抗値1
24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。The temperature versus resistance curve of resistive element 108 has a first predetermined slope when operating at a first predetermined operating temperature. That is, at a second predetermined temperature, such as an autotemperature temperature of the substrate 100, the resistance value 1
The resistance value of 24 is established such that the temperature versus resistance curve of resistive element 124 has a slope that approximately matches the predetermined slope of resistive element 108 at its operating temperature.
抵抗素子10Bまたは124の全体の有効な抵抗値は、
適当に、抵抗素子10Bまたは124のどちらかに、こ
の例の場合は抵抗素子124だば、直列に抵抗素子12
6を加えることによって調整される。そして、直列の抵
抗素子の熱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
決められた温度での全体の有効な抵抗値と等しくなるよ
うに作られる。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って達成できるものである。The overall effective resistance value of resistive element 10B or 124 is:
Suitably, resistive element 12 is connected in series to either resistive element 10B or 124, in this example, resistive element 124.
Adjusted by adding 6. Furthermore, the thermal coefficient of the series resistance element is approximately zero. As a result, the total effective resistance of the reference resistive element is made equal to the total effective resistance at the second predetermined temperature. In this way, the effective resistances of the reference resistance element and the humidity sensing element are approximately equal, and the signals passing through the two elements are canceled such that the sum of the signals is approximately zero at a predetermined humidity. . Again, this can be achieved by a circuit such as that shown in FIG.
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極めて似てい
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。Next, an example in which the present invention is applied as a combustible gas sensor will be described. As mentioned above, the present invention can be applied as a sensor for detecting combustible gas. An embodiment of the combustible gas sensor of the present invention as shown in FIG. 9 is similar to the flow sensor shown in FIG. 3, except that the reaction member 130 is thermally coupled to one of the resistive elements. Very similar. When warmed in the presence of flammable gas and oxygen, reaction member 130 will indicate the presence of flammable gas.
加えて、湿度センサに用いられた流れ止め手段116の
ような流れ止め手段もまた、実施例に示した第1及び第
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。In addition, flow stop means, such as flow stop means 116 used in the humidity sensor, may also be used to substantially prevent air flow across the first and second sensing elements shown in the embodiment.
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一実施例では、反応部材130は、
抵抗素子142によって温められるが、通常例えば酸化
鉄、プラチナまたはパラジウムの触媒反応性(cata
lyHcally 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及
び酸素のある中で温められた時、発熱反応を生じて、温
度が変化し、したがっ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。In FIG. 9, a reactive member 130 is thermally coupled to a resistive element 142 within a sensing element 140. In FIG. In one embodiment of the flammable gas sensor of the present invention, the reaction member 130 includes:
It is warmed by resistive element 142, typically with a catalytic reactivity of, for example, iron oxide, platinum or palladium.
lyHcally active) consists of a thin film. In such embodiments, when the catalytically reactive thin film is heated in the presence of flammable gas and oxygen, an exothermic reaction occurs resulting in a change in temperature and therefore a change in the resistance of its corresponding resistive element 142. . In this way, the temperature change in the resistance element 142 due to the exothermic reaction indicates the presence of combustible gas and causes the resistance value of the resistance element to change.
本発明の他の実施例では、反応部材130は、例えば酸
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142によって温められる。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、可燃性ガス及び酸素のある
中で抵抗素子142によって温められる時、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。In other embodiments of the invention, the reaction member 130 is made of a metal oxide resistive element, such as iron oxide or tin oxide, and is warmed by a resistive element 142 . The metal oxide resistive element may be shaped similar to element 16 shown in FIG. In such embodiments, when heated by resistive element 142 in the presence of flammable gas and oxygen, the resistance of the metal oxide resistive element changes to detect the presence of flammable gas.
そして、本発明の可燃性ガスセンサは、チップ即ち半導
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窪み134を持つ半導体基体を
有する。The combustible gas sensor of the present invention then has a chip or semiconductor body having a recess 134 etched or otherwise formed in a first surface 136 of the semiconductor body 132.
この可燃性ガスセンサは、第1図に示した検出素子34
と同様に窪み134の上に橋渡しされたかたちか、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
即ち片持ち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図の示すようなパーマロ
イのグリッドからなる符号142で示した抵抗素子を有
する。This combustible gas sensor has a detection element 34 shown in FIG.
The sensor element 140 has a sensing element 140 which is either bridged over the recess 134 or cantilevered like the sensing element 32 shown in FIG. The sensing element typically includes a resistive element, generally designated 142, consisting of a permalloy grid as shown in FIG.
検出素子140は、窪み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−
か所で第1の表面136に接続されている。窪み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。The detection element 140 has a predetermined shape, is provided on the depression 134 at a predetermined distance, and has at least a -
The first surface 136 is connected to the first surface 136 at a point. Hollow 134
forms an opening in first surface 136 around at least a portion of the predetermined shape of sensing element 140 .
部材即ち検出素子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、この部材即ち検出素子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。The member or sensing element 140 provides sufficient physical and thermal insulation between the resistive element 142 and the semiconductor body 132. As mentioned above, this member, that is, the detection element 140
is a reactive member 130 thermally coupled to a resistive element 142;
have.
抵抗素子142は、電流が与えられた温まると、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。Resistive element 142 has a predetermined relationship between the resistance value of resistive element 142 and temperature as it warms up with a current applied thereto.
さらにまた、本発明の充放ガスセンサは、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140にかかる空気の流れを
ほぼ妨げることになり、抵抗素子142が空気の流れに
よって冷却されるのを実質的に防いでいる。この流れ止
め手段は、例えば第8図に示した開口118のようなも
のによって、半の切材130へ可燃性ガスが出入りでき
るようになっている。Furthermore, the charging and discharging gas sensor of the present invention has a flow stopper, such as the flow stopper 116 shown in FIG. , substantially preventing resistive element 142 from being cooled by the air flow. This flow stop means, such as the opening 118 shown in FIG. 8, allows combustible gas to enter and exit the cut half 130.
前述のように、本発明の可燃性ガスセンサの第1の実施
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
及び酸素のある中で抵抗素子142によって温められる
と、発熱反応を生じ、温度が変化し、したがって抵抗素
子142.の抵抗値が変化する。この抵抗素子142の
抵抗値における変化は、可燃性ガスの存在をしめずこと
になる。第2の実施例では、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及び酸素のある中で抵抗素子
142によっ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。As previously mentioned, in the first embodiment of the combustible gas sensor of the present invention, the reaction member 130 typically comprises a catalytically reactive thin film. In such embodiments, when the reactive member 130 is warmed by the resistive element 142 in the presence of flammable gas and oxygen, an exothermic reaction occurs and the temperature changes, thus causing the resistive element 142 . resistance value changes. This change in resistance value of resistance element 142 does not indicate the presence of combustible gas. In a second embodiment, the reaction member 130 typically consists of a metal oxide resistive element. In such embodiments,
When this resistance element is heated by the resistance element 142 in the presence of flammable gas and oxygen, its resistance value changes, thereby detecting the presence of combustible gas.
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または第
1の表面136の少なくとも一部を覆っている。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。Resistive element 142 is also protected within two dielectric layers, such as silicon nitride, overlying at least a portion of first layer 144 or first surface 136 . As shown, the reaction member 130 is provided on the dielectric layer 146 of the sensing element 140.
本発明の可燃性ガスセンサの第1の実施例が用いられる
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、窪み134の上に所定の距離を
於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−か所で第1の表面136に
接続されていて、窪み134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。窪み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且
つ熱的絶縁を与える。When the first embodiment of the combustible gas sensor of the present invention is used, it is desirable to use a second resistive element 150, as shown by the second sensing element 148. As shown, the second sensing element 148 has a predetermined shape disposed a predetermined distance above the depression 134, and the second sensing element 148 has at least - The recess 134 defines an opening in the first surface 136 around at least a portion of the predetermined shape of the sensing element 148 . Recess 132 provides sufficient physical and thermal isolation between second resistive element 148 and semiconductor body 132.
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14
8はほぼ同一であってもよい。検出素子14B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1
40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150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、バックグラウンド信号のレ
ベルを除外して、反応部材130によって導かれた温度
変化によっ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及び1
6Bと抵抗素子142及び150を置き換えることにな
る。The detection element 140 and the detection element 14 are different from each other, except that the detection element 148 does not have a reaction member like the reaction member 130.
8 may be substantially the same. The detection element 14B has a resistance element 150, and the detection element 1
It will be used as a reference sensing element with the same response as 40 to provide automatic temperature compensation. In addition, the signal from the reference resistive element 150 acts to cancel the signal from the sensing element 142, eliminating the level of background signals caused by temperature changes induced by the responsive member 130. can be measured directly. Substantially the same circuit as shown in FIG. 5 is used to accomplish this purpose, with resistive elements 16A and 1 of FIG.
6B and the resistance elements 142 and 150 are replaced.
次に本発明を圧力センサとし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、−例として
は、大気圧力以下の圧力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ックレンジをカバ
ーする圧力センサが望まれている。例えば、変化する温
度及び圧力で酸素、アルゴン、窒素及び水素のような種
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。Next, an example in which the present invention is applied as a pressure sensor will be described. As mentioned above, the invention has application as a pressure sensor - for example, as a sensor for measuring pressures below atmospheric pressure. A pressure sensor that covers a relatively wide dynamic range is desired. For example, common industrial processes using various gases such as oxygen, argon, nitrogen and hydrogen at varying temperatures and pressures often require pressure measurements as part of process control.
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った。何故
なら、比較的低いダイナミックレンジ、高電力及び高電
圧の必要性、こわれやすさ、低い熱抵抗係数による比較
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 tinge con
stant)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の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著し
く減少または除去するものである。Conventional thermal conductivity pressure sensors that heat tungsten in sub-atmospheric ranges have not been satisfactory. This is because the relatively low dynamic range, high power and voltage requirements, fragility, relatively low sensitivity due to low thermal resistance coefficient, and the cooling time constant of heated tungsten due to oxygen partial pressure
This is because tungsten has the disadvantage of being easily oxidized, resulting in a short lifespan, if it increases faster than the tungsten (stant). The pressure sensor of the present invention significantly reduces or eliminates these disadvantages.
本発明の圧力センサは、単位ガス容積の熱伝導率の変化
に基づいている。特に、平均自由行路長(mean f
ree path lengths)は、例えば第7図
の検出素子106とその下の半導体基体100の間の距
離によって限定されているので、検出素子からの熱移動
量(heat rea+oval rate)及び熱伝
導率は、ガス圧力の減少と共に減少する。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の温度上昇を招く。The pressure sensor of the invention is based on the change in thermal conductivity of a unit gas volume. In particular, the mean free path length (mean f
Since the ree path lengths) are limited by the distance between the sensing element 106 and the underlying semiconductor substrate 100 in FIG. 7, for example, the amount of heat transfer from the sensing element (heat rea+oval rate) and thermal conductivity are decreases with decreasing gas pressure. This causes a temperature increase in the resistance element 108, assuming that the resistance element 108 is operated with a constant current.
本発明の圧力センサは、は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。The pressure sensor of the present invention may have substantially the same configuration as the humidity sensor of the present invention, and will be explained using the same diagram used to explain the humidity sensor.
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
形成された窪み102を有する半導体基体からなるもの
で、更に、符号106で示したたような検出素子106
を有する。その検出素子106は、第1図の検出素子3
4と同じように、富み102の上に橋渡し即ちブリッジ
形にされるようにするか、または第2図及び第6図に示
したようなカンチレバー形即ち片持ちばりのような形の
ものであろう。部材即ち検出素子106は、通常、符号
108で示した抵抗素子を有し、窪み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。In its simple form, the pressure sensor of the invention comprises a substrate 100
a semiconductor body having a recess 102 etched or otherwise formed in a first surface 104 of the semiconductor body, further comprising a sensing element 106 such as 106;
has. The detection element 106 is the detection element 3 in FIG.
4, it may be bridge-shaped over the recess 102, or it may be cantilevered as shown in FIGS. 2 and 6. Dew. The member or sensing element 106 typically includes a resistive element, generally indicated at 108, and is of a predetermined shape positioned a predetermined distance above the depression 102. Sensing element 106 is connected to first surface 104 at at least one location, such as shown at location 110 .
窪み102は、部材即ち検出素子106の予め決められ
た構成の少なくとも一部の回りで第1の表面に開口を形
成している。The depression 102 defines an opening in the first surface around at least a portion of the predetermined configuration of the member or sensing element 106 .
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。Resistive element 108 has a predetermined relationship between the resistance value of resistive element 108 and the temperature when the resistive element 108 is heated by supplying current.
本発明の圧力センサは、更に第8図のような流れ止め手
段116を有することで、検出素子106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10Bの
冷却を防いでいる。この流れ止め手段116は、検出素
子106及び半導体基体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。更に、センサが空中の微粒子によって汚染されるの
を防ぐために、フィルター120が設けられている。The pressure sensor of the present invention further includes a flow stopper 116 as shown in FIG. 8, thereby substantially preventing the flow of air over the detection element 106 and preventing the resistance element 10B from being cooled by the flow of air. The flow stop means 116 has an opening 118 to equalize the humidity level of the sensing element 106 and the semiconductor body 100 with the humidity level of the surrounding environment. Additionally, a filter 120 is provided to prevent the sensor from being contaminated by airborne particulates.
抵抗素子108は、抵抗素子108の抵抗値及び温度に
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、窪み102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によって大
気圧力以下の圧力と共に変化する。この熱的結合の変化
は、圧力の変化と共に、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。Resistive element 108 is used to provide a signal having a magnitude that is related to the resistance value and temperature of resistive element 108 , the magnitude of which is applied to the resistive element 108 via dimple 102 .
The thermal coupling between the semiconductor body 100 and the semiconductor body 100 varies with pressure below atmospheric pressure. This change in thermal coupling occurs through a change in the conductivity of the air as well as a change in pressure, resulting in a pressure measurement.
この圧力センサの典型的な応用においては、チップ即ち
半導体基体100は、突き出た部分(header)
112に設けられたガラス部材114にエポキシ系接
着剤で接着されている。このガラス部材114は、はぼ
この突き出た部分112から基体100を熱的に絶縁し
ている。この突き出た部分112は通常、電気的接続が
できるようにワイヤボンディング構成を接続するために
、図示していないが、貫通接続孔を有している。In a typical application of this pressure sensor, the chip or semiconductor body 100 has a header.
It is bonded to a glass member 114 provided at 112 with an epoxy adhesive. This glass member 114 thermally insulates the base body 100 from the protruding portion 112 of the hollow. This protruding portion 112 typically has a through hole (not shown) for connecting a wire bonding arrangement to make an electrical connection.
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0本発明の湿度センサ
のところで述べたように、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って抵抗熱係数がほ
とんどゼロである直列の抵抗素子126を有している。Furthermore, this pressure sensor has a reference resistance means 122 consisting of a resistive element 124. As mentioned above with respect to the humidity sensor of the invention, the sensor according to the invention has a It has a series resistive element 126 with a thermal coefficient of resistance of almost zero.
第7図及び以下に示すように、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10日と直列に
接続してもよい。例えば、直列の抵抗素子126は、ケ
イ化クロム(chroo+e 5ilicide)また
はニクロム素子からなるものである。As shown in FIG. 7 and below, series resistive element 126 may be connected in series with resistive element 124; alternatively, series resistive element 126 may be connected in series with resistive element 10. Good too. For example, the series resistive element 126 may be a chromium silicide or nichrome element.
更に、本発明の圧力センサは、素子128からなるヒー
タを有し、半導体基体100の温度を予め決められた温
度に制御するようになっている。Furthermore, the pressure sensor of the present invention has a heater consisting of an element 128, and is adapted to control the temperature of the semiconductor substrate 100 to a predetermined temperature.
素子128は半導体基体に実質的に熱を伝達するパーマ
ロイ素子のような抵抗素子からなる。Element 128 comprises a resistive element, such as a permalloy element, that substantially transfers heat to the semiconductor substrate.
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ッドからなる。このよう
に、抵抗素子124は、抵抗素子10B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!!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、抵抗素子の素子128を流れる電
流をm節し、かつ抵抗素子124で基体100の温度を
監視することによって、予め決められた高い温度に維持
され得る。Like resistive element 108, resistive element 124 is comprised of a permalloy grid as shown in FIG. In this way, resistor element 124 not only serves as a reference resistance for resistor element 10B, but also resistor element 124 or automatic temperature control. ! It also serves as a temperature measuring means for the jointed semiconductor substrate 100. Permalloy has a predetermined relationship between temperature and resistance. in this way,
The semiconductor body 100 can be maintained at a predetermined high temperature by moderating the current flowing through the resistive element 128 and monitoring the temperature of the base body 100 with the resistive element 124.
上述のように、抵抗素子108.124.126及び1
26は窒化シリコン(silicon n1tride
)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覆
っている。As described above, resistive elements 108, 124, 126 and 1
26 is silicon nitride (silicon n1tride)
) is sandwiched between two dielectric layers such as
layer 127 covers at least a portion of first surface 104 .
半導体基体lOOに実質的に熱を伝導するパーマロイの
抵抗素子124を持ってすれば、抵抗素子124の温度
は、半導体基体の温度によって実質的に調節される。更
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
の変化と共に実質的に変化しない。したがって、抵抗素
子124からの信号は、抵抗素子108からの信号によ
って相殺され、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
及び16Bを圧力センサの抵抗素子108及び124と
置き換え、低抵抗、抵抗素子126を適当に抵抗素子1
08または124のどちらかに直列に設けることになる
。By having a permalloy resistive element 124 that substantially conducts heat to the semiconductor body lOO, the temperature of the resistive element 124 is substantially regulated by the temperature of the semiconductor body. Furthermore, because resistive element 124 is substantially thermally coupled to semiconductor body 100, the resistance value of resistive element 124 does not substantially change with changes in pressure. Thus, the signal from resistive element 124 is canceled by the signal from resistive element 108, effectively providing a resulting signal that will have a predetermined value under the condition of predetermined pressure. It turns out. A circuit such as that shown in FIG. 5 is used to achieve this purpose, and resistive element 16A of FIG.
and 16B are replaced with the resistance elements 108 and 124 of the pressure sensor, and the low resistance resistance element 126 is replaced with resistance element 1 as appropriate.
It will be provided in series with either 08 or 124.
パーマロイ素子の温度対抵抗値曲線は、非直線である。The temperature versus resistance curve of a permalloy element is non-linear.
抵抗素子10B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。例えば、通常は抵抗素子124によっ
て測定されるチップ即ち基体100の自動温度調整され
た温度のような第2の予め決められた温度で、抵抗値1
24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。The temperature versus resistance curve of resistive element 10B has a first predetermined slope when operating at a first predetermined operating temperature. For example, at a second predetermined temperature, such as the thermostatted temperature of the chip or substrate 100, typically measured by the resistive element 124, the resistance value 1
The resistance value of 24 is established such that the temperature versus resistance curve of resistive element 124 has a slope that approximately matches the predetermined slope of resistive element 108 at its operating temperature.
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12
6を加えることによって調整される。そして、直列の抵
抗素子の熱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
決められた温度での全体の有効な抵抗値と等しくなるよ
うに作られる。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って達成できるものである。The overall effective resistance value of resistive element 108 or 124 is:
Suitably, either resistive element 108 or 124, in this example resistive element 124, has resistive element 12 in series.
Adjusted by adding 6. Furthermore, the thermal coefficient of the series resistance element is approximately zero. As a result, the total effective resistance of the reference resistive element is made equal to the total effective resistance at the second predetermined temperature. In this way, the effective resistances of the reference resistance element and the pressure sensing element are approximately equal, and the signals passing through the two elements are canceled such that the sum of the signals is approximately zero at a predetermined humidity. . Again, this can be achieved by a circuit such as that shown in FIG.
本発明の圧力センサが、湿度レベルの変化にも感じるよ
うに説明したが、これは通常の応用においては問題には
ならない。何故なら、本発明の圧力センサの使用レンジ
にわたって、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。Although the pressure sensor of the present invention has been described as being sensitive to changes in humidity levels, this is not a problem in normal applications. This is because, over the range of use of the pressure sensor of the present invention, the response to pressure changes is large compared to the response to humidity changes.
いま、第1に、本発明のセンサに関する現象を考える時
、ガスの圧力が低くなる、即ち、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奪うべき
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につれて熱くなると思
われる。Now, firstly, when considering the phenomenon related to the sensor of the present invention, as the pressure of the gas becomes lower, that is, the density of the gas becomes lower, there are fewer molecules that have to take away heat from the heated member having the resistive element. It is thought that this will happen. Then, when a constant current is passed through the resistive element, if there are fewer molecules, the member will heat up as the pressure decreases.
しかしながら、このような場合は、分子の平均自由行路
長がその部材即ち検出素子と半導体の間の距離の検出で
きる一部の長さ(an appreciable fr
action of the din+ension)
である時だけである。However, in such a case, the mean free path length of the molecule is an appreciable fraction of the distance between the member, that is, the detection element and the semiconductor.
action of the din+exion)
Only when .
その部材即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時の圧力に対しては、検出素子か
ら逃げる熱の量は、圧力の変化と共に検出できる程度化
しない0例えば、10%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、平均自由行路長及び実際の
全行路長(all path lengthy:!補正
するために、例えば10%の全く同じ量まで増加する。For pressures when the mean free path length is short compared to the distance between the member, that is, the sensing element, and the semiconductor substrate, the amount of heat escaping from the sensing element does not change to a detectable level as the pressure changes. For example, A pressure change of 10% reduces the gas density by a commensurate amount, but increases by the exact same amount, e.g. 10%, to compensate for the mean free path length and the actual total path length. .
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時の圧力に対しては、分子は衝
突した時は停止し、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になるという近似
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
時に限って、非常に正確な位像または補正因子である。Thus, for pressures when the mean free path length is short compared to the distance between the sensing element and the semiconductor substrate, molecules stop when they collide, and fewer molecules are present; Since the molecules will advance by 10% without being stopped, it can be approximated that the amount of heat transferred from the detection element will be the same. This is a very accurate positioning or correction factor only when the mean free path length of the molecules of the gas is short compared to the distance between the sensing element and the semiconductor body.
以上のように、本発明の圧力センサは、通常の大気圧付
近、例えば、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。As described above, the pressure sensor of the present invention will not normally sense pressure near normal atmospheric pressure, for example, in the range of 1 atm to 0.1 atm.
特に、本実施例から見れば、微細構造と組み合わされて
、ヒータ及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、可燃性ガス及び他のガ
ス性のもののような多くの物理的変化をするものを検出
するための基本となるものを与えるような総体的発明と
みることができる。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酌量も、原則
として上述の構造に基づいたセンサによって検出するこ
とができる。Particularly, in view of this example, the permalloy resistive element, combined with the microstructure, acts as a heater and temperature sensor, and can be used to detect many It can be seen as a comprehensive invention that provides the basis for detecting things that undergo physical changes. In fact, any physical extenuant that changes in a material composition in such a way as to cause a temperature change can in principle be detected by a sensor based on the structure described above.
更に、部材即ち検出素子は、例えば上述のように静電素
子(static electric element
)からなっていて、検出目的のための熱電変換素子とし
てたけてな(、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熱電変換素子としての
役割をすることができる。勿論、このような総称的素子
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、酸化亜鉛の単結晶膜、
薄膜熱電対結合、半導体物質のサーミスタフィルムのよ
うな焦電材料、または、適当な熱抵抗係数を持つパーマ
ロイ以外の金属フィルムを含んでいる。Further, the member or detection element may be, for example, a static electric element as described above.
), and can serve as a thermoelectric conversion element for detection purposes, to provide electromagnetic radiation, or to otherwise serve as a source of thermal energy. Of course, such a generic element is not limited to having a resistive element of permalloy, since any suitable thermoelectric or electrostatic element would suffice.Other examples of sensing elements are zinc oxide, single crystal film,
These include thin film thermocouple bonds, pyroelectric materials such as thermistor films of semiconductor materials, or metal films other than permalloy with suitable thermal resistance coefficients.
よって、前述の特定例においてより、もっと−船釣に第
1図及び第4図に示された本発明の詳細な説明する。本
発明は、基体の第1の表面の中にエツチングまたは他の
方法で形成された窪み20を持つ半導体基体10を有す
る。更に、本発明は、符号16で示したような熱電変換
素子または静電変換素子を有する部材即ち検出素子32
または34を有し、かつ、その検出素子は、窪み20の
上に所定の距離をおいて設けられた構造で、少なくとも
1箇所で第1の表面14に接続されている。その窪みは
、部材即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の両面に開口を形成してい、る。1 and 4 will now be described in greater detail than in the specific examples described above. The present invention includes a semiconductor body 10 having a recess 20 etched or otherwise formed in a first surface of the body. Furthermore, the present invention provides a member having a thermoelectric conversion element or an electrostatic conversion element as indicated by the reference numeral 16, that is, a detection element 32.
or 34, and the detection element is a structure provided above the depression 20 at a predetermined distance and connected to the first surface 14 at at least one point. The recess defines an opening on the first surface around at least a portion of the predetermined configuration of the member or sensing element.
窪みは、その熱電変換素子または静電素子の間に十分な
物理的かつ熱的絶縁を与えるものである。The depression provides sufficient physical and thermal insulation between the thermoelectric or electrostatic elements.
このような集積半導体装置は、後述するようなバッチプ
ロセスを通して製造することができ、熱電変換素子また
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
縁を得ることができる。Such an integrated semiconductor device can be manufactured through a batch process as described below, and sufficient physical and thermal insulation can be obtained between the thermoelectric conversion element or electrostatic element and the semiconductor substrate.
本発明に関するこのような装置の製造は、基体の結晶構
造に関して予め決められた方向を有する第1の表面を持
つ半導体基体を設ける段階と、部材即ち検出素子を第1
の表面に構成するための物質層を設ける段階を有する。The manufacture of such a device according to the invention comprises the steps of providing a semiconductor body with a first surface having a predetermined orientation with respect to the crystal structure of the body;
providing a layer of material for structuring on the surface of the device.
本発明の製造方法は、更に、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段階を有し、その露出され
た表面の領域は、後で窪みを設けたときに部分的に窪み
の上に所定の距離をおいて設けられるようなあ等渦紋め
決められた構成にして、その予め決められた構成は方向
性を有しており、その結果異方性エツチングによって予
め決められた構成のアンダーカットを最小時間で行うこ
とができる。The manufacturing method of the invention further comprises the step of exposing at least a predetermined area of the first surface, the exposed area of the surface being partially recessed when the indentation is later provided. The predetermined configuration has a predetermined configuration such that it is placed at a predetermined distance above the etching, and the predetermined configuration has directionality, so that the predetermined configuration is formed by anisotropic etching. Undercuts can be made in a minimum amount of time.
本発明の方法の実施例は、まず(100)シリコンウェ
ー八表面を設けることである。その表面14には、低圧
のガス放電のなかで通常のスパッタリング技術によって
つけられる通常3000オングストローム程の厚さの窒
化シリコン12の層がある0次の段階では、通常は80
%のニッケルと20%の鉄からなる800オングストロ
ーム程のパーマロイの−様な層がスパッタリングによっ
て窒化シリコンの上に付けられる。An embodiment of the method of the invention is to first provide a (100) silicon wafer surface. The surface 14 has a layer of silicon nitride 12, typically about 3000 angstroms thick, applied by conventional sputtering techniques in a low pressure gas discharge.
A permalloy-like layer of approximately 800 angstroms, consisting of 20% nickel and 20% iron, is sputtered onto the silicon nitride.
適当なフォトマスク、フォトレジスト及びエツチング材
を用いて、グリッド16及びリード部24からなるパー
マロイの素子22が形成される。Using a suitable photomask, photoresist and etching material, a permalloy element 22 consisting of grid 16 and leads 24 is formed.
通常s o o o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、パーマロイの素子全部を覆うよ
うにスパッタリングによって付着され、その抵抗素子と
そのリード部を酸化から保護する。A second layer 18 of silicon nitride, typically sooo angstroms thick, is deposited by sputtering over the entire Permalloy element to protect the resistive element and its leads from oxidation.
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、誘電体の非対象の層の部
材、即ち検出素子ができることになるが、このような対
象性の欠如は、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図及び第13
図には、開口152が夫々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。ここでは、部材は直線の縁を有しているように図
示しであるが、このような形状は、例えば、曲線の縁を
有するように変更してもよい。3000 angstrom thick silicon nitride first
, and a second layer of silicon nitride 5000 angstroms thick would result in an asymmetrical layer member of the dielectric, i.e., a sensing element, but this lack of symmetry This can be corrected by providing layers of equal thickness. Figures 10, 11, 12 and 13
As shown, openings 152 are etched through the nitride to the surface of the (100) silicon to form the respective parts. Although the members are shown here as having straight edges, such shapes may be modified to have curved edges, for example.
最後に、窒化シリコンを侵さない異方性エツチングが用
いられて、部材の下のシリコンを制御された方法でエツ
チングで取り除く。水酸化カリウム(KOH)とイソプ
ロピルアルコール(isopr。Finally, an anisotropic etch that does not attack the silicon nitride is used to etch away the silicon beneath the part in a controlled manner. Potassium hydroxide (KOH) and isopropyl alcohol (isopr.
pyl alcohol)の混合物が適当なエツチング
材である。エツチングされた窪みの斜面は、(111)
面と、エツチングに抵抗するほかの結晶面と、エツチン
グにより弱く抵抗する(100)面の表面の富みの底に
よって形成される。窪みの底は、部材から、例えば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を調節することによってなされ
る。例えば、ホウ素を注入された層のようなドーピング
されたシリコンのエツチング止めが窪みの厚さを制御す
るために用いられてもよいが、このような止めは、本発
明では通常必要ではない。A suitable etching agent is a mixture of pyl alcohol). The slope of the etched depression is (111)
plane, other crystal planes that resist etching, and the bottom of the surface enrichment of the (100) plane, which resists etching more weakly. The bottom of the recess is separated from the member by, for example, 0.
Located at a predetermined distance of 0.004 inches. This is usually done by adjusting the etching duration. For example, a doped silicon etch stop, such as a boron-implanted layer, may be used to control the thickness of the recess, but such a stop is typically not necessary with the present invention.
最小時間で部材のアンダーカットをするために、例えば
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15
4で方向づけされている。本発明は、アンダーカットの
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、アンダーカットをするために、ある角度で直線の
鉱材の口または軸を設けるようにすることをふくんでい
る。In order to undercut the part in a minimum amount of time, the predetermined shape of the straight edge or axis of the part, for example, is usually set at a non-zero angle 15 with respect to the (110) axis of the silicon.
It is oriented by 4. The invention includes providing a straight mineral mouth or shaft at an angle to minimize the time of undercutting or, in the case of bridged members, to undercut. I'm reading.
しかし、部材が直線の縁がない形であったり、軸は容易
に規定できないが、形自体が例えば最小のアンダーカッ
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。はぼ45度の角度をつけることによって
、部材即ち検出素子は、最小の時間でアンダーカットさ
れる。例えば、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
アンダーカットすることができる。However, it is conceivable that the member is shaped without straight edges, or that the axis is not easily defined, but that the shape itself is oriented, for example, to achieve a minimum undercut time. By angling the dowel at approximately 45 degrees, the member or sensing element is undercut in a minimum amount of time. For example, using a 45 degree angle, a cantilever of normal dimensions as shown above can be undercut in approximately 90 minutes, compared to several hours of etching time using a 0 degree orientation. can.
部材がアンダーカッ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端のブリッジの製造をすることになる。この
ような部材は(110)方向づけされた部材の縁では、
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、部材の縁に沿って露出され
た(111)結晶面で、または、符号160のようなあ
内側の角で、異方性エツチングが評価できるほどにアン
ダーカットされないからである。従来技術によりわかる
ように(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
っ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ットは少しはあるにしろ、はとん
どない。In addition to minimizing the time the member is undercut, using a non-zero orientation results in the production of a two-ended bridge as shown in FIG. Such a member is (110) oriented at the edge of the member:
It is practically impossible to make. Assuming that the edge of the part is (110) oriented, anisotropic etching can be evaluated at (111) crystal planes exposed along the edge of the part, or at inside corners such as 160. This is because it is not undercut. As is known from the prior art, cantilever-shaped members oriented along the (110) axis are etched primarily along the length of the beam from the free end of the cantilever. Here, there is a slight undercut from the end of the cantilever beam, but there is not much.
これは、前述のように本発明によっ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ットが起こ
ることになる。This results in undercutting from a direction including the ends of the member compared to a member made according to the invention as described above.
45度に方向づけされた場合も、部材と半導体の端の支
持境界部を素早く、丸く滑らかにすることが可能である
。このようにして、第1図から第3図に示された絶縁1
i12の下の2つの(111)面がぶつかり合うところ
に起こる応力集中部の発生を避けることができる。接続
手段によって第1と第2の部材を接続する、すなわちあ
る意味で、1つの部材に第1及び第2の素子を設けるこ
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図にしめしたような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、空間及び夫々の部材と
窪みの底の間の熱伝導率の一様性を維持する助けになり
、夫々のタイプの装置に於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1つの部材に2つの素子を設けることは有
利であろう。Even when oriented at 45 degrees, it is possible to quickly round and smooth the support interface at the edge of the component and the semiconductor. In this way, the insulation 1 shown in FIGS.
It is possible to avoid the occurrence of a stress concentration area where the two (111) planes under i12 collide. It may be desirable in certain devices to connect the first and second members by means of a connecting means, ie, in a sense, to provide the first and second elements in one member. Examples of such connection means include the connection means shown at 156 in FIG. 10 for connecting two cantilever-shaped members as shown in FIG. There is a connecting means, designated 158 in FIG. 12, for connecting the bridging members. Such connection means may help maintain uniformity of the space and thermal conductivity between the respective members and the bottom of the recess, contributing to uniformity of performance in each type of device. Become. For similar reasons, it may be advantageous to provide two elements in one member in the exemplary manner shown in FIG.
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もあり得る。Furthermore, there may be applications in which it is desired to connect components to the semiconductor body at auxiliary locations, such as location 159 shown in FIG. 10, for processing or device configuration.
小さな長方形のエツチングの穴152が、第1O図及び
第11図のカンチレバー形の部材の1つの接続端及び第
12図及び第13図の橋渡し形即ちブリッジ形の両端に
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ットや形作りのための助けに
なる。しかし、部材の端にこのような穴152は、装置
の十分な性能には必要ではない。A small rectangular etched hole 152 is shown at the connecting end of one of the cantilever shaped members in FIGS. 1O and 11 and at both ends of the bridge shape in FIGS. The holes assist in undercutting or shaping the semiconductor substrate to which the component is attached. However, such a hole 152 at the end of the member is not necessary for full performance of the device.
図示のように部材の端に沿っであるエツチングの穴15
2は、通常フローセンサ及び可燃性ガスセンサの場合0
.002から0.005インチ程度の幅で、湿度センサ
及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、湿度センサ及び圧力センサの幅が狭い場合
は、ガスの流れの影響を減少する助けになる。Etched holes 15 along the edge of the member as shown
2 is 0 for normal flow sensors and combustible gas sensors.
.. In the case of humidity sensors and pressure sensors, the opening width is about 0.001 inch, and if the width of the humidity sensor and pressure sensor is narrow, the influence of gas flow can be reduced. Helps reduce.
第10図、第11図、第12図及び第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132が付けられている。例
えば、第6図のような湿度センサ及び圧力センサの構成
は、同様であるが、通常は窪みの上に所定の距離を於い
て設けられた1つの部材と素子を有している。The semiconductor bodies of FIGS. 10, 11, 12, and 13 are shown in the form of flow sensors or combustible gas sensors and are numbered 10 or 132. For example, a humidity sensor and a pressure sensor, such as that shown in FIG. 6, are similar in construction, but typically include one member and element placed a predetermined distance above the depression.
第1O図〜第13図には、第5図に示したような回路の
集積化のための領域60が示されている。FIGS. 1O-13 show an area 60 for the integration of a circuit such as that shown in FIG.
前述したように、熱的手段によっ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34の下の空気の
ギャップ即ち窪み20を設けることによって達成される
。それによって、検出部材は、空気のギャップによって
基板から、十分に熱的及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
方形の領域によって、図示のように通常は支えられてい
ることになる。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。As previously mentioned, the practical effectiveness of the present invention for sensing by thermal means is achieved by providing an air gap or depression 20 below member 32 or 34. Thereby, the sensing member is sufficiently thermally and physically insulated from the substrate by an air gap and typically as shown by a rectangular area of dielectric material attached at one or both ends to the silicon substrate. You will be supported. As previously mentioned, although rectangular members are used, in fact any other shape could be used.
上述の実施例によいて、部材32または34の典型的な
寸法は、幅が0.005〜0.00フインチ程度、長さ
が0.010−0.020インチ程度、そして厚さは0
.8〜1.2ミクロン程度である。第4図にしめしたよ
うな素子16のような典型的なパーマロイ素子は、約8
00オングストロームの厚さであるが、通常、800〜
1600オングストロームの範囲であり、好ましい組成
は80%のニッケルと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。In accordance with the embodiments described above, typical dimensions of member 32 or 34 are on the order of 0.005 to 0.00 inches wide, on the order of 0.010 to 0.020 inches long, and on the order of 0.02 inches thick.
.. It is about 8 to 1.2 microns. A typical permalloy element, such as element 16 shown in FIG.
00 angstroms thick, but typically 800 angstroms
In the range of 1600 angstroms, the preferred composition is 80% nickel and 20% iron, and the resistance is about 1000 ohms at room temperature.
種々の応用に対しての抵抗値は、通常、例えば25″C
位の室温でほぼ500〜2000オームの範囲である。Resistance values for various applications are typically eg 25"C
It ranges from approximately 500 to 2000 ohms at room temperature.
パーマロイ素子の温度を約400”Cまで上げると、抵
抗値は約3倍まで上昇する。When the temperature of the permalloy element is increased to approximately 400''C, the resistance value increases approximately three times.
パーマロイのグリッド16の線の幅は、約6ミクロンで
、約4ξクロンの間隔を有している。窪み20は、通常
部材と半導体基体10の間に約0゜004インチの隙間
があるが、この隙間は、約0゜001〜0.01インチ
の範囲で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、o、oosインチである。これ
らの寸法は例としてあげただけであり、限定的な意味で
はない。The width of the lines of the permalloy grid 16 is approximately 6 microns with a spacing of approximately 4ξ. The recess 20 typically has a gap of about 0.004 inches between the member and the semiconductor body 10, but this gap can vary from about 0.001 to 0.01 inches. The typical thickness of the semiconductor body 10 or substrate is 0,000 inches. These dimensions are given by way of example only and are not meant to be limiting.
上述の典型的な寸法の部材は、非常に小さな熱的容量及
び熱的インピーダンスを有しており、約0.005票の
熱的時定数を生じている。したがって、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
平行になる。この違いで、十分な電気的出力信号を出す
ことができる。A member of the typical dimensions described above has a very small thermal capacity and thermal impedance, resulting in a thermal time constant of approximately 0.005 votes. Therefore, a small change in thermal input results in a new thermal parallel with a slightly different sensing element temperature. This difference allows a sufficient electrical output signal to be produced.
このような構成の強度対重量比(s trength−
to−weight)は非常に良好で、前述の典型的な
寸法の2端ブリツジ形のものは、10000重力(gr
avities)を越えて機械的シゴックカに良く耐え
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重力のショックに耐
えることができる。The strength-to-weight ratio of such a configuration is
to-weight) is very good, and a two-end bridge type of the typical dimensions mentioned above has a 10,000 gr.
avities) and can withstand mechanical stress well. Even single-ended structures when used as cantilevered structures can withstand 10,000 gravity shocks.
例えば、第1図及び第2図の部材32または34のよう
な部材即ち検出素子を、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
において得々の利点がある。For example, it is advantageous in many applications to warm a member or sensing element, such as member 32 or 34 of FIGS. 1 and 2, above room or ambient temperature in order to optimize its sensing performance. There is.
典型的な動作温度は、約100”C〜400@Cの範囲
である。好ましいパーマロイ素子を用いると、わずか数
ミリワットの入力電力で、これを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
ばセンサと共に同じ半導体の上に設けられる集積回路と
同一とすることができる。Typical operating temperatures range from approximately 100"C to 400@C. With preferred permalloy elements, this can be achieved with input power of only a few milliwatts. Such power levels are As mentioned above, it can be identical to an integrated circuit provided on the same semiconductor with the sensor if desired.
工業における通常の温度センサは、100オームの電気
的インピーダンスの有する。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難しい。本発明
において用いられるパーマロイ素子に通常1000オー
ムのインピーダンスを選んだのは、電気的移行現象(e
lectromigration)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1平方センチ
メートルあたりlo−6アンペア程度の危険リミットを
電流が越えた時におこる物質の流れによって導線内に生
じるものである。よって、パーマロイ素子16内で所望
の動作温度を達成するために、例えば室温が25°C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
越えることなく所望の動作温度を得ることができる。A typical temperature sensor in industry has an electrical impedance of 100 ohms. However, for the purposes of the present invention, such impedances have a number of disadvantages. For processing purposes, 0.1% of the normal impedance at 100 ohms rather than the normal 1000 ohm impedance suitable for the preferred resistive elements of the present invention.
It is more difficult to obtain impedance accuracy of . The impedance of usually 1000 ohms was selected for the permalloy element used in the present invention because of the electrical transfer phenomenon (e
This is because element failure due to electromigration was considered. Electrical migration is a physical failure mechanism that, in permalloy, occurs within a conductor due to the flow of material that occurs when the current exceeds a dangerous limit, typically on the order of lo-6 amperes per square centimeter. Therefore, in order to achieve the desired operating temperature within the permalloy element 16, a relatively large impedance, for example on the order of 1000 ohms at a room temperature of 25°C, is desirable; the higher impedance allows the desired operating temperature to be achieved without exceeding dangerous current densities. can be obtained.
結果として、例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、00
1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。本発明に用いられるパ
ーマロイ抵抗素子に必要な部材の領域は、符号16で示
したパーマロイのグリッドを設けるのに十分な表面領域
を有する必要がある。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
作る時と、第1図に示したようなブリッジ形を作る時に
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。As a result, members 32 or 34, for example as described above,
Typical dimensions of 0,00 as reported by the prior art
It must be significantly larger than the 1 inch wide and 0.004 inch long microstructures. The area of the material required for the permalloy resistive element used in the present invention must have sufficient surface area to provide the permalloy grid shown at 16. The preferred 45-degree orientation of the member as described above is from the viewpoint of processing time, as this direction requires the minimum processing time when creating a wider microstructure and when creating a bridge shape as shown in Figure 1. becomes very important.
前述のように、多くの考えられる応用に対して、好まし
い熱電変換素子または静電素子は、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即ち検出素
子の中に挟まれている時、パーマロイ素子は空気による
酸化から保護され、加熱素子として400°Cを越える
温度まで使用することができる。このようなパーマロイ
素子は、バルク状のプラチナに似た抵抗値対温度特性を
有し、パーマロイ及びプラチナは共に0″Cにおいて約
4000ppmの熱抵抗係数を有する。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
り優れている。プラチナに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倍の固有抵抗を有するという利点がある。更に、薄膜
において、プラチナは、少なくとも3500オングスト
ロームの厚さでなければならないのに対し、パーマロイ
は約800〜1600オングストロームの厚さの範囲で
最大の熱抵抗係数を達成できる。パーマロイは約160
0オングストロームの厚さで最大の熱抵抗係数を達成で
きるが、固有抵抗が2倍で、熱抵抗係数が1600オン
グストロームにおいて僅かに小さいだけであるので、8
00オングストロームが好ましい厚さとして選択される
。したがって、800オングストロ一ム程度の厚さのパ
ーマロイ素子を用いて、同じ抵抗値でプラチナが必要な
表面領域の1/8で済み、検出素子の熱効率を上げ、要
求面積が小さく、そしてユニットコストを下げることが
できる。As mentioned above, for many possible applications, the preferred thermoelectric or electrostatic elements are the permalloy resistive elements described above. When sandwiched within a silicon nitride member or sensing element, the permalloy element is protected from oxidation by air and can be used as a heating element to temperatures in excess of 400°C. Such permalloy elements have resistance versus temperature characteristics similar to bulk platinum, with both permalloy and platinum having thermal resistance coefficients of approximately 4000 ppm at 0''C.
Permalloy is superior to platinum in structure according to the invention. Although platinum is commonly used as a material for temperature sensing elements, permalloy has the advantage of having twice the resistivity of platinum. Furthermore, in thin films, platinum must be at least 3500 angstroms thick, whereas permalloy can achieve its maximum coefficient of thermal resistance at a thickness range of about 800 to 1600 angstroms. Permalloy is about 160
The maximum thermal resistance coefficient can be achieved at a thickness of 0 angstroms, but the resistivity is twice as high and the thermal resistance coefficient is only slightly lower at 1600 angstroms, so 8
00 angstroms is chosen as the preferred thickness. Therefore, using a permalloy element with a thickness of about 800 angstroms, platinum requires only 1/8th the surface area required for the same resistance value, increasing the thermal efficiency of the sensing element, reducing the required area, and reducing unit cost. Can be lowered.
このようにして、パーマロイ素子は、微細構造の温度変
化に対して、効率的なヒータ素子かつ検出素子であり、
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み合わせたことによって、低
コスト、小さい熱容量、好ましい感度及び速い応答を可
能にした。In this way, the permalloy element is an efficient heater element and detection element for temperature changes in the microstructure.
Combining both heater and detection functions in the same element on a well thermally insulated structure allows for low cost, small heat capacity, favorable sensitivity and fast response.
更に、通常1ミクロン程度の窒化シリコンの支持絶縁薄
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ゴンを与える。それは、また、
窒化シリコンの持つエツチング処理に対する高い抵抗か
ら、例えば部材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、例えば、窪み20をo、ooiインチ〜0゜01
0インチ位の寸法の深さにエツチングすることができる
。Additionally, the Permalloy heater and sensing elements, which are typically sandwiched within a supporting insulating film of silicon nitride on the order of 1 micron, provide passivation against oxidation of the Permalloy film, especially at high temperatures. It is also
The high resistance of silicon nitride to etching processes also allows for precise dimensional control of components 32 or 34, for example. In addition, for the control of important heat transfer factors, the recess 20 may be
It can be etched to a depth on the order of 0 inches.
したがって、本発明の実施例を用いて、パーマロイは上
述のような微細構造と組み合わされて、温度センサ及び
ヒータまたは放射源の両方を形成することになる。支持
及びパシベーシゴン材としての窒化シリコンを使用する
ことにより、望みの構造を得るために必要とされるエツ
チング時間を得ることができる。更に、本発明による方
向性は、最小時間でアンダーカットし、かつ、所望の構
造を人工的なエツチング止めなしで作ることができるこ
とになる。そして、0.001〜0.010インチの範
囲で窪みの深さを制御するための深い異方性エツチング
の使用により、従来の方法で集積化半導体装置上に熱電
素子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。Thus, using embodiments of the invention, permalloy will be combined with microstructures as described above to form both a temperature sensor and a heater or radiation source. The use of silicon nitride as a support and passivation material allows the etch time needed to obtain the desired structure. Furthermore, the directionality according to the invention allows for undercutting in minimal time and for creating the desired structure without artificial etch stops. And, the use of deep anisotropic etching to control the depth of the recess in the range of 0.001 to 0.010 inches makes it possible to create thermoelectric or electrostatic devices on integrated semiconductor devices using traditional methods. Also, greater thermal insulation can be achieved.
以上実施例を基に本発明を説明したが、本発明の範囲で
種々の変更が可能であることは当業者には明らかであろ
う。したがって、本発明は、特許請求の範囲の記載のみ
によって限定されることを承知されたい。例えば、符号
20で示した窪みは、前述したような目的にかなったエ
ツチング技術をもちいて形成されたが、本発明による実
施例は、前述したような技術によって形成された窪みを
持つものに限定されない。Although the present invention has been described above based on Examples, it will be obvious to those skilled in the art that various modifications can be made within the scope of the present invention. It is therefore intended that the invention be limited only by the scope of the claims that follow. For example, although the recess designated by the reference numeral 20 was formed using the purposeful etching technique described above, embodiments according to the present invention are limited to those having the recess formed by the technique described above. Not done.
第1図、第2図及び第3図は、本発明の実施例の断面図
、第4図は、本発明に適合した電気的抵抗素子のグリッ
ドの一実施例を示す図、第5図は、本発明のセンサの実
施例の回路図、第6図、第7図及び第8図は、本発明の
センサの実施例を示す図、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、第10図、第11図、第
12図及び第13図は、本発明の微細構造の実施例と方
向を示す図である。
10、、、単結晶半導体
12、tS、、、窒化シリコン
14、、、第1の表面
16、、、グリッド
20、、、窪み
24、、、 リード部
32.34.、、検出素子
50.52.80.、、増幅器
62、、、ポテンショメータ
114、、、ガラス部材
116、、、流れ止め手段
11B、、、開口
120、、、 フィルタ
122、、、基準抵抗手段
128、、、素子
130、、、反応部材
156.158.、、接続手段1, 2, and 3 are cross-sectional views of an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a diagram showing an embodiment of a grid of electrical resistance elements adapted to the present invention, and FIG. 5 is a sectional view of an embodiment of the present invention. , a circuit diagram of an embodiment of the sensor of the present invention, FIGS. 6, 7, and 8 are diagrams showing an embodiment of the sensor of the present invention, and FIG. 9 is a circuit diagram of an embodiment of the flammable gas sensor of the present invention. 10, 11, 12 and 13 are diagrams showing embodiments and orientations of microstructures of the present invention. 10, , Single crystal semiconductor 12, tS, , Silicon nitride 14, , First surface 16, , Grid 20, , Recess 24, , Lead portion 32.34. ,, detection element 50.52.80. , amplifier 62 , potentiometer 114 , glass member 116 , flow stopper 11B , opening 120 , filter 122 , reference resistance means 128 , element 130 , reaction member 156 .158. ,, connection means
Claims (3)
00)面と実質的に平行な第1の表面に異方性エッチン
グによっ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ヵ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、 前記半導体基板の温度によって温度を調節される基準抵
抗手段と、 前記半導体基体の温度を所定の温度に制御するための発
熱体と、 前記薄膜誘電体部材にかかる気体流を防ぎ、実質的に空
気流による前記抵抗素子手段の冷却を防止する流れ止め
手段とからなり、 圧力変化による気体の伝導率変化によって起こる前記抵
抗素子手段と半導体基板との間の熱結合の変化によって
圧力測定を行うことを特徴とする圧力センサ。(1) It has a (100) plane and a <110> direction, and the (1
00) a semiconductor substrate having a recess formed by anisotropic etching on a first surface substantially parallel to the <110>plane; a single thin film dielectric member including a resistor element having a predetermined shape and connected to the first surface at at least one location; a reference resistor whose temperature is adjusted according to the temperature of the semiconductor substrate; comprising: a heating element for controlling the temperature of the base body to a predetermined temperature; and a flow prevention means for preventing a gas flow applied to the thin film dielectric member and substantially preventing cooling of the resistance element means by the air flow, A pressure sensor characterized in that pressure is measured by a change in thermal coupling between the resistive element means and a semiconductor substrate caused by a change in gas conductivity due to a change in pressure.
る、特許請求の範囲第1項に記載の圧力センサ。(2) The pressure sensor according to claim 1, wherein the non-zero angle is 45 degrees.
徴とする、特許請求の範囲第1項に記載の圧力センサ。(3) The pressure sensor according to claim 1, wherein the predetermined shape of the resistance element is a lattice shape.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19123589A JPH0361830A (en) | 1989-07-24 | 1989-07-24 | Pressure sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP19123589A JPH0361830A (en) | 1989-07-24 | 1989-07-24 | Pressure sensor |
Related Parent Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP17647382A Division JPS5872059A (en) | 1981-10-09 | 1982-10-08 | Semiconductor device and its manufacture |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0361830A true JPH0361830A (en) | 1991-03-18 |
Family
ID=16271150
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP19123589A Pending JPH0361830A (en) | 1989-07-24 | 1989-07-24 | Pressure sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0361830A (en) |
-
1989
- 1989-07-24 JP JP19123589A patent/JPH0361830A/en active Pending
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