JP2004037180A - 集積化センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】体格を小型化することが可能な、湿度センサとガスセンサとを備えた集積化センサ装置を提供すること。
【解決手段】ヒータ１２により加熱された感ガス膜１６の抵抗値変化によりガス濃度を検出するガスセンサ部と、発熱したヒータ１２自体の抵抗値変化により湿度を検出する湿度センサ部とを備えるセンサ装置において、ヒータ１２を共用することにより同一半導体基板９上に両センサを集積化した。
このように集積化センサ装置１は、ヒータ１２同士を共用することにより、２つの異なるセンサ機能を有すセンサチップ４の体格を小型化できる。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同一の基板上に湿度センサ及びガスセンサを形成した集積化センサ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造技術を用いて製造された半導体式ガスセンサは、現在様々な分野で用いられている。例えば、半導体式ガスセンサの用途の一例として、車両用空気調和装置の内外気の切り替え制御に用いられる場合がある。すなわち、先行する自動車の排気ガス等を半導体式ガスセンサで検出し、その検出結果に基づいて内・外気導入の切り替えを自動で行う。
【０００３】
この半導体式ガスセンサは、ヒータにより加熱され活性化した感ガス膜に吸着した酸素と、対象ガスとの間で起こる酸素の吸脱着に伴う電気伝導度の変化を、抵抗値変化として捉える事でガス濃度を検出する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ここで、上述したガスセンサは、感ガス膜が湿度による影響を受けて感度が変化するため、別途湿度センサを設け、湿度に応じた感度補正を行うことが好ましい。しかしながら、ガスセンサの補正用に湿度センサを別途設けた場合、センサ装置の体格がかなり大型化してしまうといった問題がある。
【０００５】
本発明は上記問題点に鑑み、体格を小型化することが可能な、湿度センサ及びガスセンサを備えた集積化センサ装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成する為に、請求項１に記載の集積化センサ装置は、湿度センサ部として、基板上に形成されつつ通電により発熱すると共に、雰囲気中の湿度に応じてその発熱温度が変化するヒータと、ヒータの発熱温度に応じた抵抗値変化を検出する第１検出部とを備え、ガスセンサ部として、基板上に形成されたヒータ上に形成され、雰囲気中のガス濃度に応じて抵抗値が変化する感ガス膜と、感ガス膜の抵抗値変化を検出する第２検出部とを備えており、両センサとでヒータを共用したことを特徴とする。
【０００７】
このように、本発明の集積化センサ装置は、基板上に２種類の異なる湿度センサ部とガスセンサ部を設けながら、両センサ部のヒータ同士を共用することにより、センサ装置全体の体格を小型化することができる。また、ヒータ同士を共用することにより、お互いのセンサ同士が近傍に存在するため、湿度センサがガスセンサの感度補正のための湿度の検出を精度良く実施することが可能である。
【０００８】
請求項２に記載のように、集積化センサ装置は、基板上にガスセンサ部及び湿度センサ部と同様の構成を有する基準センサ部を有し、且つ基準センサ部はヒータ及び感ガス膜を、雰囲気中の湿度及びガスと遮断するための封止材を備えることが好ましい。
【０００９】
このような構成によれば、基準センサ部は湿度及びガスに晒される事が無く、ヒータ及び感ガス膜は常に安定した抵抗値を示すことができる。そして、その値とセンサ部において湿度及びガスを検出したヒータ及び感ガス膜の抵抗値とを比較することにより、湿度及びガス濃度を精度良く検出することができる。
【００１０】
請求項３に記載のように、共用されたヒータが形成される基板部位が、基板の他の部位の厚さよりも薄い薄肉部となり、更にその薄肉部の一部に連通孔を形成することで、その連通孔を介して薄肉部の両サイドの空間が連通されていることが好ましい。
【００１１】
このようにセンサ部及び基準センサ部ともに、ヒータが形成される部位の基板厚さが他の部位の厚さよりも薄肉となるように形成されていることで、ヒータの熱容量を小さくすることができ、ヒータの湿度センサとしての感度を向上することができる。また、薄肉部の一部に薄肉部上部の空間と薄肉部下部の空間とを連通する連通孔が形成されることで、連通孔を介して水分を伴った空気が行き来することができる。従って、薄肉部下部表面にも水分が付着することができ、その結果、湿度を感度良く検出することができる。
【００１２】
請求項４に記載のように、基準センサ部の感ガス膜、ヒータ及び連通孔を密閉空間に閉じ込めるように、基板上に封止材が形成されることが好ましい。薄肉部下部の空間は連通孔を介して基準センサ部上部の空間とのみ連通している。従って、基準センサ部の上部空間を封止するように周辺に封止材を形成することで、感ガス膜、ヒータ及び連通孔のみならず、下部空間も封止することができる。その結果、基準センサ部は雰囲気中の湿度及びガスの影響を受けることは無く、常に安定した抵抗値を与えることができる。
【００１３】
請求項５に記載のように、基板はシリコンからなる半導体基板であることが好ましい。例えば、ヒータが形成される部位の基板を薄肉にするには、ヒータ下部の基板をエッチングにより除去する方法が考えられる。そこで、シリコンからなる半導体基板を基板として用いた方が、既存の半導体製造技術により所定の形状にエッチング加工を行いやすく、またシリコン基板表面に絶縁層を設けやすいため有利である。
【００１４】
請求項６に記載のように、半導体基板上に半導体回路として、第１検出部及び第２検出部を含む動作回路部を構成しても良い。このような構成を有すことで、センサ部或いは基準センサ部と動作回路部の接続配線を短縮することができ、集積センサ装置を更に小型化することができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図に基づいて説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態における集積化センサ装置の断面図である。先ず、集積化センサ装置の構成を下記に示す。
【００１６】
集積化センサ装置１は、台座（以下ステムという）２上に例えば銀ペースト等の接着層３を介してセンサチップ４が接合されている。ステム２には、複数本の外部出力端子５（図１では１本のみ図示）が貫通する状態で配置されており、センサチップ４と外部出力端子５はボンディングワイヤ６によって電気的に接続されている。また、ステム２の周囲部には、ステム２に対して密着固定されたキャップ（以下ＣＡＰという）７が配置され、ＣＡＰ７の内部にセンサチップ４等が配置された構造を有している。ＣＡＰ７の上部中央付近にはフィルタ８が設置されており、外部からガス及び湿気を伴った空気がフィルタ８を通してＣＡＰ７の内部に侵入する。
【００１７】
次にセンサチップ４について図２を用いて詳細に説明する。図２に示すように、センサチップ４は半導体基板９を備えている。この半導体基板９としては、例えばシリコン基板を用いることができる。尚、半導体基板９以外にもセラミック基板等を用いても良い。半導体基板９の上面には例えばシリコン窒化膜からなる絶縁層１１が形成されており、また、絶縁層１１は所定の範囲が薄肉となるように加工されている。その絶縁層１１の薄肉部には、例えばプラチナからなるヒータ１２が例えば蛇行パターン状に形成され、そのヒータ１２の両端部に接続するように例えば銅からなる一対の配線１３が形成されている。外部出力端子５と接続されるボンディングワイヤ６は、その配線１３と電気的に接続された動作回路部１４と電気的に接続される。しかし、動作回路部１４を外付けする場合は、ボンディングワイヤ６は配線１３と直接電気的に接続されても良い。
【００１８】
また、半導体基板９には、ヒータ１２の形成位置における絶縁層１１と半導体基板９とからなる基板厚さが、他の部位の基板厚さよりも薄い薄肉部となるよう、例えば溝部１０が形成されている。この溝部１０は図示しない連通孔によりセンサ部上部の空間と連通しており、フィルタ８を通して進入してきた雰囲気中の湿度及びガスが、連通孔を介して溝部１０内に充満される。尚、溝部１０は、その一方の面をステム２により封止されている。従って、半導体基板９が接着層３を介してステム２に接合されることにより、上述した連通孔を介してのみセンサ部上部の空間と連通する。
【００１９】
ヒータ１２は溝部１０に一面が露出する絶縁層１１部分に形成されている。すなわち、ヒータ１２の形成部位における絶縁層１１と半導体基板９とからなる基板は、他の部位よりも薄肉化されている。従って、ヒータ１２の熱容量を小さくすることができるため、湿度センサとしてのセンサ感度を向上することができる。尚、湿度センサの機能については後述する。
【００２０】
さらに、ヒータ１２、配線１３上にはパッシベーション膜１５が形成され、このパッシベーション膜１５は例えばシリコン窒化膜が用いられる。このパッシベーション膜１５上の所定の領域、好ましくはヒータ１２の鉛直上に、例えば酸化錫からなる感ガス膜１６と感ガス膜１６の抵抗値変化を取り出すための電極１７が形成されている。すなわち、この感ガス膜１６を主要部としてガスセンサが構成される。尚、ガスセンサの機能については後述する。
【００２１】
ここで図１，２に示すように、センサチップ４は２個のセンサ構造Ａ，Ｂを有している。Ａはセンサ部、Ｂは基準センサ部であり、基準センサ部Ｂのみがその周囲を封止材１８により封止されている。尚、センサ構造自体は、センサ部Ａと基準センサ部Ｂとで全く同一である。封止材１８は基準センサ部Ｂの配線１３を含む絶縁膜１１上に接着剤１９により固定される。封止材１８の内部には、基準センサ部Ｂのヒータ１２、感ガス膜１６及び溝部１０に連通した図示されない連通孔等が内包されている。この封止材１８により、雰囲気中の湿度及びガスといった外気が、封止材１８内のセンサ部に対して完全に遮断された状態となっており、封止材１８内は、例えば乾燥空気が封入されている。更に、基準センサ部Ｂにおける溝部１０は、図示されない連通孔を介して感ガス膜１６の上部空間と連通されているが、感ガス膜１６上部の空間が封止材１８により雰囲気中の湿度及びガスと遮断されているため、溝部１０も湿度及びガスによる影響は受けない状態となっている。
【００２２】
次に、集積化センサ装置１の製造方法の一例の概略を説明する。尚、本センサ装置１は半導体製造技術を利用して形成される。本センサ装置１は、少なくとも２つのセンサ構造Ａ，Ｂを有し、一方は雰囲気中の湿度及びガスを検出するセンサ部Ａであり、他方はセンサ部Ａと同一のセンサ構造を有しつつ封止材１８により湿度およびガスと遮断された基準センサ部Ｂである。これらは、一部（基準センサ部Ｂの封止材１８）を除き、同一の構造を有するので、同一工程でほぼ同時に形成されることが好ましい。
【００２３】
半導体基板９として例えばシリコン基板を用い、その上面に例えば気相成長法により、シリコン窒化膜といった絶縁層１１を形成する。そして、半導体基板９における溝部１０の形成領域に対応する絶縁層１１部分に対して、例えばエッチング処理を施すことにより、薄肉部を形成する。絶縁層１１の薄肉部内に、プラチナや或いはポリシリコン等を用いたヒータ１２が、例えば蛇行状に形成される。そして、ヒータ１２の両端に夫々電気的に接続される配線１３が例えばスパッタ法により所定の形状に形成される。
【００２４】
配線１３の形成後、ヒータ１２及び配線１３の上部にパッシベーション膜１５として、例えばシリコン窒化膜を気相成長により形成する。次に、シリコン基板の下面（非センサ部側面）に、例えば気相成長により図示しないシリコン窒化膜或いはシリコン酸化膜を形成し、フォトエッチングにより所定の形状にパターニングする。その後、残されたシリコン窒化膜等をマスクとし、シリコン基板をＫＯＨ水溶液等により異方性エッチングする。そして、溝部１０を形成することにより、ヒータ１２の形成部位における半導体基板９と絶縁層１１とからなる基板を薄肉化する。
【００２５】
溝部１０の形成後、パッシベーション膜１５上の所定の領域に、例えば酸化錫からなる感ガス膜１６と感ガス膜１６の抵抗値変化を電気信号として取り出すための電極１７を形成する。その後基準センサ部Ｂのみ、基準センサ部Ｂを覆うように封止材１８を例えば接着剤を用いて固定し、封止材１８内の基準センサ部Ｂに雰囲気中の湿度及びガスの影響が無いようにする。尚、封止材１８内は、感ガス膜１６として酸素の吸脱着による抵抗変化をみる酸化錫等を用いる場合、例えば乾燥空気が封入されるが、使用される感ガス材に合わせて種々用いられるものとする。その後、ウエハ上のシリコン基板９をダイシングにより切り分ける。
【００２６】
続いて、ステム２上にセンサチップ４を例えば接着層３として銀ペースト等を用いて接着し、さらに、ボンディングワイヤ６により外部出力端子５と配線１３に電気的に接続された動作回路１４の端子が電気的に接続される。しかし、動作回路部１４を外付けする場合は、ボンディングワイヤ６と配線１３とが直接接続されても良い。その後、ＣＡＰ７を配置し例えばシール溶接する。尚、ＣＡＰ７の上部中央付近には、センサ表面にゴミ、埃等不必要なものの進入を阻害するためにフィルタ８が設置されている。
【００２７】
次に、センサ部Ａ及び基準センサ部Ｂによる湿度及びガス検出原理について説明する。
【００２８】
湿度の検出の際、センサ部Ａ及び基準センサ部Ｂのヒータ１２が通電され夫々所定の温度まで加熱される。このとき、センサ部Ａ，基準センサ部Ｂは共に溝部１０を有する薄肉構造を有しており、それによりヒータ１２の熱容量を小さくしている。そして、フィルタ８を通して湿度を伴った空気が進入してくると、センサ部Ａの感ガス膜１６等表面に水分が付着し、それと共に連通孔を介して溝部１０内にも水分を伴った空気が充満し、ヒータ１２下部の絶縁層１１表面にも水分が付着する。その結果、付着した水分の気化熱によりセンサ部Ａのヒータ１２の温度が低下する。その温度変化に応じてセンサ部Ａのヒータ抵抗が変化する。すなわち、ヒータ１２の温度変化（温度の低下）は、ヒータ１２の周囲に付着する水分量（湿度）と相対関係にあるため、その温度変化に対応して変化するヒータ１２の抵抗値から湿度を検出することができる。尚、本実施例では、センサ部Ａのヒータ１２の抵抗値変化を検出するため、基準センサ部Ｂのヒータ１２とともにブリッジ回路を構成し、そのブリッジ回路の中点電位を検出することによって湿度を求める。このブリッジ回路を含む第１検出部については後に詳細を説明する。
【００２９】
一方、ガス濃度の検出の際、センサ部Ａ，基準センサ部Ｂ共に感ガス膜１６がヒータ１２により、例えば４００℃程度まで加熱される。これにより感ガス膜１６が活性化され、感ガス膜１６表面に酸素が吸着される。このとき、感ガス膜１６中の自由電子が膜表面に吸着した酸素にトラップされるため、感ガス膜１６の電気抵抗が増大する。次に、フィルタ８を通して、例えば一酸化炭素等のガスが進入してくると、センサ部Ａにて感ガス膜１６表面で吸着していた酸素とガスの間で酸化反応が起こり、その結果吸着酸素量が減少して、感ガス膜１６の電気抵抗は減少する。このように、ガス濃度の変化は感ガス膜１６の抵抗値変化に対応する。従って、センサ部Ａの感ガス膜１６の抵抗値変化からガス濃度を求めることができる。尚、センサ部Ａの感ガス膜１６の抵抗値変化を検出するため、前述の湿度検出の場合と同様に、基準センサ部Ｂの感ガス膜１６とともにブリッジ回路を構成し、そのブリッジ回路を含む第２検出部にてガス濃度を求める。
【００３０】
このように、本発明における集積化センサ装置１は、図１，２に示すように同一半導体基板９上に、湿度センサ部及びガスセンサ部を形成しており、それにより２つのセンサを別基板で形成する集積化センサ装置より体格が小型化されている。さらに、両センサのヒータ１２を共用したことにより、湿度及びガスセンサ部をほぼ一体化でき、さらに体格が小型化できる。また、ヒータ１２の共用により，ガスセンサ部の近傍に湿度センサ部が存在するため、ガスセンサの湿度による感度補正を精度良く実施することができ、例えば自動車用のエアクオリティセンサとしても非常に有効である。
【００３１】
更に、図１で示すように、集積化センサ装置１の半導体基板９上に、例えば第１検出部及び第２検出部を含む半導体回路としての動作回路部１４を組み込むことも可能である。その結果、配線１３やボンディングワイヤ６等の各接続部材の長さを短縮することができ、断線等の危険度を低減する事もできる。尚、上記湿度センサ部はガスセンサ部の湿度補正のみならず、自動車のエアコン制御にも使用することができる。
【００３２】
次に、湿度検出回路としての第１検出部の回路構成を図３に示す。
【００３３】
図３に示すように、第１検出部はセンサ部Ａのヒータ１２（抵抗ｒＡ）と基準センサ部Ｂのヒータ１２（抵抗ｒＢ）を用いて構成したブリッジ回路を備える。すなわちこのブリッジ回路、センサ部Ａのヒータ抵抗ｒＡと、基準センサ部Ｂのヒータ抵抗ｒＢとが直列に接続されるとともに、その直列に接続されたヒータ抵抗ｒＡ，ｒＢが直列接続された任意の固定抵抗ｒ１，ｒ２に対して並列接続されている。
【００３４】
ここで、ｒＡは湿度を検出し変化した後の値を示すものとすると、
【００３５】
【数１】ｒＡ＝ｒＢ＋ｘ
と示すことができる。但し、ｘは湿度による抵抗変化分を示す。
【００３６】
またこのとき、ｒ１＝ｒ２としブリッジ回路に定電圧Ｖを印加すると、出力として得られる電圧Ｖｏｕｔは、
【００３７】
【数２】Ｖｏｕｔ＝ｒＢ×Ｖ／（２ｒＢ＋ｘ）−Ｖ／２
として示すことができる。従って、湿度による抵抗変化ｘに対応して、電圧Ｖｏｕｔは変化し、電圧Ｖｏｕｔを検出することによって湿度を求めることができる。
【００３８】
また、第２検出部においても、図３に示す湿度検出回路同様のブリッジ回路を構成することにより、ブリッジ回路の出力電圧値からガスの濃度を検出することができる。
【００３９】
尚、本例においては、シリコン基板の下部からエッチングをすることにより溝部１０を形成し、ヒータ１２の形成位置における基板の厚さを薄肉化する例を示した。しかしシリコン基板の上部からエッチングを行い、ヒータ１２の形成位置直下のシリコン基板を除去して、ヒータ１２の形成部位を薄肉化しても良い。
【００４０】
また、本例では湿度センサとガスセンサの共有化を図ったが、これ以外でもヒータを用いるタイプのセンサと組み合わせることが可能で、例えば熱式流量センサ等と上記湿度センサ或いはガスセンサを組合せても良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明における集積センサ装置の断面図である。
【図２】図１におけるセンサチップ拡大図である。
【図３】湿度センサ部の検出例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１・・・集積化センサ装置、４・・・センサチップ、９・・・半導体基板、１０・・・溝部、１１・・・絶縁層、１２・・・ヒータ、１３・・・配線、１４・・・動作回路部、１５・・・パッシベーション膜、１６・・・感ガス膜、１７・・・電極、１８・・・封止材、Ａ・・・センサ部、Ｂ・・・基準センサ部

Claims (6)

1. 湿度センサ部とガスセンサ部とを備える集積化センサ装置であって、
   前記湿度センサ部は、基板上に形成され、通電により発熱すると共に、雰囲気中の湿度に応じてその発熱温度が変化するヒータと、前記ヒータの発熱温度に応じた抵抗値変化を検出する第１検出部とを備え、
   前記ガスセンサ部は、前記基板上に形成された前記ヒータ上に形成され、雰囲気中のガス濃度に応じて抵抗値が変化する感ガス膜と、前記感ガス膜の抵抗値変化を検出する第２検出部とを備え、
   前記湿度センサ部と前記ガスセンサ部とで前記ヒータを共用したことを特徴とする集積化センサ装置。
2. 前記基板上に形成され、前記湿度センサ部及び前記ガスセンサ部と同様の構成を有する基準センサ部と、
   前記基準センサ部のヒータ及び感ガス膜を、前記雰囲気中の湿度及びガスと遮断するための封止材とを備えることを特徴とする請求項１に記載の集積化センサ装置。
3. 共用された前記ヒータの形成位置における前記基板を当該基板の他の部位における厚さよりも薄い薄肉部とするとともに、その薄肉部の一部に連通孔を形成し、その連通孔を介して前記薄肉部の両サイドの空間を連通したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の集積化センサ装置。
4. 前記封止材が、前記基準センサ部の前記感ガス膜、前記ヒータ及び前記連通孔を密閉空間に閉じ込めるように、前記基板上に形成されることを特徴とする請求項３に記載の集積化センサ装置。
5. 前記基板は、シリコンからなる半導体基板であることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の集積化センサ装置。
6. 前記第１検出部及び前記第２検出部を含む動作回路部は、前記半導体基板に半導体回路として構成されることを特徴とする請求項５に記載の集積化センサ装置。

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