JPH0361830A - 圧力センサ - Google Patents

Abstract

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

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

リード部２４はパーマロイである。

何故なら、付加的なプロセスが除去できるからである。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

その簡単な形では、本発明の湿度センサは、基体１００
の第１の表面１０４の中にエツチングまたは他の方法で
形成された窪み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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

パーマロイ素子の温度対抵抗値曲線は、非直線である。

抵抗素子１０８の温度対抵抗値曲線は、第１の予め決め
られた動作温度で動作している時は第１の予め決められ
た傾斜を有する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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

本発明の圧力センサは、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

パーマロイ素子の温度対抵抗値曲線は、非直線である。

抵抗素子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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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
。

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。

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。

【図面の簡単な説明】

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

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）（１００）面と＜１１０＞方向を有し、前記（１
   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。
2. （２）前記零でない角度は４５度であることを特徴とす
   る、特許請求の範囲第１項に記載の圧力センサ。
3. （３）前記抵抗素子の所定形状は格子状であることを特
   徴とする、特許請求の範囲第１項に記載の圧力センサ。