JPH06160202A

JPH06160202A - 温度センサおよびその製造方法

Info

Publication number: JPH06160202A
Application number: JP30684792A
Authority: JP
Inventors: Akio Sugama; 明夫菅間; Hiroaki Suzuki; 博章鈴木
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1992-11-17
Filing date: 1992-11-17
Publication date: 1994-06-07

Abstract

(57)【要約】【目的】温度を電気抵抗の変化として計測する感温部
をシールドした温度センサに関し、量産性に優れた温度
センサを提供することを目的とする。【構成】薄膜抵抗体で形成された感温部を支持する支
持用平面基板と、少なくとも前記感温部を覆って、支持
用平面基板表面に陽極接合により直接接合した保護用平
面基板とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は温度センサとその製造方
法に関し、特に温度を電気抵抗の変化として計測する感
温部をシールドした温度センサに関する。

【０００２】接触型温度センサとして、流体の体積膨張
を利用した水銀温度計、熱起電力を利用した熱電対、抵
抗率の温度変化を利用した金属抵抗体やサーミスタ、半
導体素子等が知られている。また、非接触型温度センサ
として発光強度分布の変化を利用した赤外線センサ等が
実用化されている。

【０００３】測定結果を読み取りやすくするためや、コ
ンピュータ等でデータ処理をするためには、測定出力が
電気信号で与えられる熱電対、金属抵抗体およびサーミ
スタが好ましい。特に、抵抗率の温度変化を測定する温
度センサは、熱電対のように異種金属間の接合を導出す
る必要がなく、製造容易で比較的低温の温度計測に適し
ている。

【０００４】

【従来の技術】金属抵抗体、またはサーミスタを感温部
に用いた温度センサは、抵抗値が変化すると測定誤差を
生じる原因となる。このため、感温部を外界から保護す
ることが望ましい。

【０００５】これら温度センサの測温対象には、大気、
水、人体、有機溶媒、酸、アルカリ、食品、排気、廃水
等が含まれる。特に、バイオ関連の測定においては、測
定前に１２１℃のスチーム処理のような滅菌処理が必要
である。感温部を保護のため、シールドを用いる場合、
シールドは滅菌処理等に耐えるものでなくてはならな
い。

【０００６】このような条件に合うシールドとしては、
従来金属管や金属ケース、あるいはプラスチックやガラ
スの封止が用いられてきた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような感温部のシ
ールドは、各温度センサ毎に行なう必要があるため、必
ずしも量産性の高い方法ではなかった。たとえば、金属
シースを用いる場合、シース内面を絶縁物で多い、その
内部に温度センサを配置する。この製造工程は、量産に
向いているとは限らない。

【０００８】また、温度センサは酸素センサやｐＨセン
サ等の他のセンサと一緒に利用されることが多い。一
旦、温度センサが封止されると、他のセンサと組み合わ
せた複合センサを集積化することは困難になる。

【０００９】本発明の目的は、量産性に優れた温度セン
サを提供することである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明の温度センサは、
薄膜抵抗体で形成された感温部を支持する支持用平面基
板と、少なくとも前記感温部を覆って、支持用平面基板
表面に陽極接合により直接接合した保護用平面基板とを
有する。

【００１１】

【作用】支持用平面基板上に形成された薄膜状の感温部
が、支持用平面基板上に陽極接合により直接接合された
保護用平面基板によって覆われるので構成が簡単であ
り、化学的安定性、量産性に優れている。

【００１２】以下、本発明を実施例に基づいてより詳し
く述べる。

【００１３】

【実施例】図１は、本発明の基本実施例による温度セン
サの構造を示す。図では簡単のために、１個の温度セン
サのみを示すが、勿論同一基板上に同時に多数形成され
ていても、あるいは他のセンサと同一基板上に集積化さ
れていてもよい。

【００１４】支持用平面基板３上の所定位置に、薄膜導
電路２が形成され、薄膜導電路２の端部に薄膜抵抗体で
形成された感温部１がパターニングされている。薄膜抵
抗体は、金属抵抗体の場合、金、白金、ニッケル、銅等
の各種金属で形成することができる。薄膜導電路２も薄
膜抵抗体と同一材料で構成できる。

【００１５】なお、ガラス基板上に金属抵抗体を形成す
るような場合、ガラスに対する接着力を増強するため、
Ｃｒ等の他の適当な金属を積層することもできる。用い
る金属の種類に応じて適当な薄膜形成方法とエッチング
方法を選択する。

【００１６】薄膜抵抗体として半導体的な抵抗の温度変
化を示すサーミスタを用いることもできる。この場合
も、種々のサーミスタ材料を真空蒸着、スパッタリン
グ、スクリーン印刷等で薄膜状に堆積する。

【００１７】感温部１を覆って支持用平面基板３の表面
上に保護用平面基板４が接合されている。たとえば、支
持用平面基板３はガラス基板であり、保護用平面基板は
Ｓｉ基板である。通常のホトリソグラフィとエッチング
の技術を用いていずれかの基板に所定形状の溝を予め設
けておき、溝内に薄膜状の感温部１および導電路２を収
容する。

【００１８】溝の深さを選択することにより、溝内に完
全に感温部１および導電路２が収まるようにすることが
できる。薄膜形成およびそのパターニングは、半導体テ
クノロジーの利用により、容易にかつ正確に行なうこと
ができる。したがって、量産性、再現性は高い。

【００１９】支持用平面基板３と保護用平面基板４との
接合は、接着剤を用いず、直接両基板を接合する。たと
えば、両基板を重ねて所定温度に加熱し、両基板３、４
間に所定の直流電圧を印加すればよい。このいわゆる陽
極接合による場合、少なくとも一方の基板をＳｉ基板等
の導電性を有するものとすることが好ましい。このよう
な直接接合によれば、十分な強度を有する接着が行なえ
る。さらに、接着剤を用いないので、温度、湿度等に対
する耐性も高い。

【００２０】１枚の基板上に多数のセンサを同時に作成
した場合、素子形成後でダイシングすれば同一特性を示
す多数の温度センサが同時に得られる。保護用平面基板
４に被覆されていない部分の薄膜導電路２は、電気的接
続用のパッドとして機能する。

【００２１】ガラスの熱伝導特性は、悪いが、平坦で大
面積のものが安価に入手できる。また、ガラス基板はＳ
ｉ基板等よりも取扱性に優れている。ホトレジストマス
クを用いた弗酸エッチング等により、ガラス基板をエッ
チして所定形状の凹み（溝）を形成することもできる。
また、ガラス基板上に酸素センサやｐＨセンサを形成す
ることもできる。

【００２２】Ｓｉ単結晶の熱伝導率は１６８Ｗ／ｍＫ
（０℃）であって、金、銀、銅やアルミニウムといった
金属に次いで高く、鉄の約３倍ある。このようなＳｉ基
板を支持用平面基板および保護用平面基板のいずれかに
用いると、高い熱伝導特性を得ることができる。Ｓｉ基
板上に抵抗体を形成する時は、絶縁膜を介在させること
が好ましい。また、Ｓｉ基板は選択エッチングが容易で
ある。

【００２３】さらに、高い熱伝導特性を示す絶縁物とし
ては、ダイヤモンド、アルミナや窒化アルミニウム等が
ある。したがって、Ｓｉ単結晶に代えてこれら材料を支
持用平面基板、または保護用平面基板に用いたり、ある
いはＳｉ単結晶に対する絶縁膜材料として用いることも
できる。

【００２４】図２は、本発明の具体的実施例による温度
センサを示す。１素子分のみを示すが、同一基板上に多
数の温度センサを同時に作成できる。図２（Ａ）は、完
成品の状態を示し、図２（Ｂ）は保護用基板を取り除い
た状態を示す。

【００２５】図２（Ｂ）に示すように、支持用平面基板
であるガラス基板９は表面に溝を有し、その溝内にＡｕ
／Ｃｒ薄膜抵抗体からなる感温部１５とＡｕ／Ｃｒ薄膜
導電路１６が収納されている。

【００２６】ガラス基板９は、図中下方の部分を除いて
その上面が保護用平面基板であるシリコン基板８によっ
て覆われている。シリコン基板８の表面は、ＳｉＯ₂膜
で被覆されていてもよい。

【００２７】図３、図４は、図２に示した温度センサの
製造工程を説明するための図である。図３（Ａ）〜
（Ｃ）、図４（Ａ）〜（Ｃ）の各図において、上側に平
面図、下側に断面図を示す。

【００２８】図３（Ａ）に示すように、たとえば岩城硝
子から入手することのできる厚さ５００μｍの光学研磨
したウエハ状のガラス基板９上に、ネガ型ホトレジスト
（たとえば東京応化製ＯＭＲ−８３）をスピンコートに
より塗布し、露光、現像を行なって所望形状の開口を有
するレジストマスク１０ａを形成する。開口は、後に形
成する抵抗体および配線のパターンに対応するものであ
る。

【００２９】なお、ネガ型ホトレジストは、この後に行
なわれるガラスエッチングの弗酸等にも耐える化学的耐
性を持つ。ただし、ネガ型ホトレジストの剥離は、硫酸
＋過酸化水素水のボイル等を必要とする。

【００３０】ガラス基板９裏面上にもネガ型ホトレジス
トをスピンコートし、約１５０℃で約３０分間ベーキン
グすることによって、レジストマスク１０ｂを形成す
る。このようにして、レジストマスク１０ａ、１０ｂを
形成したガラス基板９を、１ｍｌ５０％弗酸＋１ｍｌ濃
硝酸＋８ｍｌ４０％フッ化アンモニウムのガラスエッチ
ング液に浸漬し、ガラス基板９表面から深さ約３μｍの
凹み１１をエッチングする。

【００３１】なお、ガラス基板９のエッチングの後、硫
酸と過酸化水素の混合溶液でレジストマスク１０ａ、１
０ｂを剥離する。レジストマスク剥離後、ガラス基板９
を過酸化水素とアンモニアの混合溶液および純水で十分
洗浄する。

【００３２】次に、図３（Ｂ）に示すように、ガラス基
板９表面上に真空蒸着により、まず厚さ約４００Åのク
ロム薄膜１３を真空蒸着し、続いて厚さ約４０００Åの
金薄膜１２を真空蒸着する。クロム薄膜１３は、金薄膜
１２のガラス基板９に対する密着性を増大させるための
ものである。

【００３３】次に、図３（Ｃ）に示すように、金属蒸着
面上に、ポジ型ホトレジスト（たとえば東京応化製ＯＦ
ＰＲ−８００）をスピンコートにより塗布した後、図３
（Ａ）に示したパターン同様のパターンを露光、現像
し、図３（Ａ）と白黒反転したレジストマスクを形成す
る。

【００３４】続いて、４ｇヨウ化カリウム＋１ｇヨウ素
＋４０ｍｌ水の金エッチング液にガラス基板９を浸漬
し、溝１１の外部の金薄膜１２をエッチングする。金薄
膜１２のエッチング後、ガラス基板９をアセトン中に浸
漬し、ポジ型ホトレジストのレジストマスクを剥離す
る。

【００３５】続いて、ガラス基板９を１ｇ水酸化ナトリ
ウム＋２ｇフェリシアン化カリウム＋８ｍｌ水のクロム
エッチング液に浸漬し、クロム薄膜１３をエッチングす
る。金薄膜１２が被覆している部分ではクロム薄膜１３
が残り、金薄膜１２と同様の形状のクロム薄膜１３が残
る。このようにして、図３（Ｃ）に示すような、温度セ
ンサ搭載基板が完成する。

【００３６】次に、保護用平面基板の製造工程を説明す
る。図４（Ａ）に示すように、たとえば、厚さ約３５０
μｍの清浄な（１００）面シリコン基板１８をウエット
熱酸化し、その全面に膜厚約１μｍのＳｉＯ₂膜１９を
形成する。このＳｉＯ₂膜１９は、後のシリコン基板１
８のエッチングのためのマスク材として用いられる。

【００３７】シリコン基板１８両面にネガ型ホトレジス
ト（たとえば東京応化製ＯＭＲ−８３）を塗布した後、
露光、現像、リンスを行い、図４（Ａ）に示すようなエ
ッチング用レジストマスク２０ａ、２０ｂを形成する。

【００３８】なお、このマスクはシリコン基板１８両面
で同一形状の開口を有する場合は、シリコン基板にスル
ーホールを開孔するためのマスクとなり、片面のみに開
口を有する場合は、全厚さの約半分の深さを持つ凹部を
形成するためのマスクとなる。

【００３９】温度センサのためには、スルーホールのみ
を形成すればよいが、ガラス基板上に同時に酸素センサ
やｐＨセンサを形成する時は、ＫＣｌ等の液留を形成す
るため、凹部も形成する。

【００４０】このように、レジストマスク２０ａ、２０
ｂを形成したシリコン基板１８を、１ｍｌ５０％ＨＦ＋
６ｍｌＮＨ₄ＦのＳｉＯ₂用エッチング液に浸漬し、レ
ジストマスク２０ａ、２０ｂで被覆されていない部分の
ＳｉＯ₂膜１９ａ、１９ｂを除去する。ＳｉＯ₂膜１９
のエッチング後、レジストマスク２０を濃硫酸と過酸化
水素水の混合溶液により除去する。

【００４１】次に、図４（Ｂ）に示すように、シリコン
基板１８を３５％ＫＯＨ（８０℃）のＳｉ異方性エッチ
ング液に浸漬し、シリコンの異方性エッチングを行な
う。この異方性エッチングにより、ＳｉＯ₂膜１９に覆
われていない部分のシリコン基板１８はエッチングされ
る。

【００４２】シリコン基板１８の両面に開口が形成され
ている部分で、スルーホールが形成されるまでエッチン
グを行なう。この時、片面のみに開口を有する部分で
は、シリコン基板の厚さの約半分の深さを持つ凹みがエ
ッチングされる。

【００４３】なお、図４では、１素子分のシリコン基板
のみを図示しているが、ウエハ上に多数の温度センサを
形成する際は、保護用平面基板も多数の温度センサに対
応する形態となる。ガラス基板上に酸素センサやｐＨセ
ンサも形成する場合は、スルーホールと共に凹み（ビア
ホール）も形成される。

【００４４】図６（Ａ）は、図４（Ｂ）に対応するウエ
ハの平面図を示す。図４（Ｂ）に示すシリコン基板のエ
ッチングにより、シリコンウエハ１８内にストライプ状
の窓１７が開口されている。

【００４５】なお、図６（Ｂ）は、図３（Ｃ）に示す温
度センサ搭載ガラス基板９のウエハ状態を示す平面図で
ある。図６（Ａ）に示すシリコン基板の開口１７は、図
６（Ｂ）に示す温度センサの配列のボンディングパッド
部分に対応している。

【００４６】温度センサを搭載したガラス基板９と、開
口を形成したシリコン基板１８を十分超音波洗浄した
後、清浄雰囲気下で、図６（Ｃ）に示すように重ね合わ
せ、位置合わせをする。重ね合わせた基板は、一対の導
電板間に挟む。

【００４７】位置合わせ後、図４（Ｃ）に示すように、
約２５０℃でシリコン基板１８とガラス基板９の間に約
１２００Ｖの電圧を印加し、温度センサ搭載ガラス基板
９と保護用シリコン基板１８を陽極接合する。この際、
温度センサ搭載ガラス基板９側を負極とした。

【００４８】このような接着剤を用いない直接接合によ
れば、ガラス基板９とシリコン基板１８は濡れたように
接着され、気密状態となる。ただし、ガラス基板９の溝
を形成した部分は、開放されている。気密構成が望まし
い場合は、開放部を樹脂等で封じてもよい。

【００４９】その後、１枚のウエハ上に多数形成された
各温度センサをダイシングソー等を用いてチップ状に切
出し、各温度センサを完成する。たとえば、各センサを
２ｍｍ×１０ｍｍ程度の大きさに切り出す。

【００５０】図５は、このようにして作成した温度セン
サの温度対出力の特性を示す。図中、横軸は温度を℃で
示し、縦軸は抵抗体薄膜の抵抗をΩで示す。図から明ら
かなように、水の氷点と沸点の間で良好なリニアな特性
が得られている。

【００５１】図７は、温度センサの両基板および溝の他
の構成例を示す。上述の実施例では、温度センサ搭載基
板がガラス基板、保護基板がＳｉ基板であったが、図７
（Ａ）では、温度センサ搭載基板２３が配線部（溝２６
内）のみＳｉＯ₂膜２９を被覆したＳｉウエハ２８、保
護基板２４がガラス基板２７である。

【００５２】図７（Ｂ）では、保護基板２４もＳｉＯ₂
膜２９被覆のＳｉウエハ２８である例を示す。直接接着
は、ＳｉＯ₂被覆２９と支持用Ｓｉウエハ２８の間で行
なわれる。

【００５３】図７（Ｃ）は、両基板をガラス基板とし、
配線パターン収納の溝２６を保護基板２４側に設けた例
を、また、図７（Ｄ）は両ガラス基板２３、２４に溝２
６を設けた例を示す。

【００５４】図８は、酸素センサと温度センサとを集積
化した集積センサの概略を示す。平坦な絶縁性基板であ
るガラス基板３３の上に、酸素センサ３１と温度センサ
３２とが並んで形成されている。このような２種類のセ
ンサを形成したガラス基板３３の上に、平坦な表面を有
するシリコン基板３４が直接陽極接合により接合され
る。なお、酸素センサ３１の作用極の上にはガス透過性
膜３５が配置されている。

【００５５】図９は、図８の集積センサにおいて、シリ
コン基板３４を取り去った状態を示す。ガラス基板３３
上の温度センサは、前述の実施例同様、金属抵抗体で形
成された感温部４０と、感温部４０両端に接続された幅
の広い金属膜で構成される温度センサのパッド４２とで
構成されている。

【００５６】また、ガラス基板３３上の酸素センサは、
作用極３７、対極３８、参照極３９を含み、これらはそ
れぞれ酸素センサ用パッド４１に接続されている。な
お、このような小型酸素センサについては、特願平２−
２４３８４９号の開示を参照することができる。

【００５７】このように、温度センサと他の種類のセン
サを集積化した場合、前述の実施例同様にガラス基板ま
たはその上に配置するシリコン基板にセンサ部分に対応
する凹部を設け、その後陽極接合により両基板を直接接
合することにより、小型でかつ耐環境性に優れた集積セ
ンサを提供することができる。

【００５８】以上の実施例では、感温部抵抗体をＡｕと
してきたが、この他Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃｕ等の純金属を用い
ることもできる。また、半導体やＣｏＯ−ＮｉＯ−Ｍｎ
Ｏを主成分とするスピネル構造セラミクス等からなるサ
ーミスタや希土類元素付活ＢａＴｉＯ₃等からなるサー
ミスタを薄膜状にして用いることもできる。

【００５９】これら薄膜堆積方法には、真空蒸着法以外
にもスパッタリング法やＣＶＤ法、スクリーン印刷法
等、他の方法が利用できる。このような構成を有する温
度センサの優れた特徴のひとつに、他のセンサとの集積
化の容易性がある。たとえば、醗酵や醸造の分野では、
温度管理と共にｐＨ管理や酵素濃度管理も重要である。

【００６０】ｐＨセンサや酵素センサは、たとえばガラ
ス基板上にセンサを形成し、その上に液留めを構成しな
くてはならない。温度センサと同じガラス基板上にこれ
らのセンサを形成し、同じシリコン基板で液留めを形成
することができる。

【００６１】以上実施例に沿って本発明を説明したが、
本発明はこれらに制限されるものではない。たとえば、
種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者
に自明であろう。

【００６２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
温度センサの量産化、均質化、薄膜化が可能である。ま
た、接着剤を用いない直接接着、特に電着法の採用によ
れば、耐環境性の高い感温部保護が達成される。

【００６３】さらに、パターニング技術の組み合わせに
より、他の種類のセンサとの集積化が容易にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本実施例を示す斜視図である。

【図２】本発明の具体的実施例による温度センサの上面
図である。

【図３】図２で示した温度センサの製造工程を示す断面
図である。

【図４】図２で示した温度センサの製造工程を示す断面
図である。

【図５】温度センサの温度−出力特性の例を示すグラフ
である。

【図６】実施例の温度センサの製造工程をウエハ状態で
示す平面図である。

【図７】他の実施例による温度センサの構成例を示す断
面図である。

【図８】他の実施例による集積センサの平面図である。

【図９】図８の集積センサのシリコン基板を取り去った
状態の平面図である。

【符号の説明】

１感温部２、１６導電路３支持用平面基板４保護用平面基板８、１８シリコン基板９ガラス基板１０、２０レジストマスク１１凹み１２Ａｕ薄膜１３Ｃｒ薄膜１５測温抵抗体１９ＳｉＯ₂膜２６溝

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄膜抵抗体で形成された感温部（１）を
支持する支持用平面基板（３）と、少なくとも前記感温部（１）を覆って、支持用平面基板
（３）表面に陽極接合により直接接合した保護用平面基
板（４）とを有する温度センサ。
【請求項２】前記支持用平面基板（３）と前記保護用
平面基板（４）の少なくとも一方が、前記感温部（１）
を収納する溝を有する請求項１記載の温度センサ。
【請求項３】前記支持用平面基板（３）と前記保護用
平面基板（４）の一方がＳｉ結晶基板であり、他方がガ
ラス基板である請求項１ないし２記載の温度センサ。
【請求項４】前記支持用平面基板（３）がガラス基板
であり、前記薄膜抵抗体がガラス基板上に堆積した純金
属またはサーミスタの薄膜である請求項１〜３のいずれ
かに記載の温度センサ。
【請求項５】支持用平面基板の表面上に薄膜抵抗体を
形成する工程と、前記薄膜抵抗体を覆って支持用平面基板上に保護用平面
基板を配置し、電圧を印加して陽極接合により直接接合
する工程とを含む温度センサの製造方法。
【請求項６】さらに、前記支持用平面基板と前記保護
用平面基板の少なくとも一方に前記薄膜抵抗体を収容で
きる凹みをエッチングする工程を含む請求項５記載の温
度センサの製造方法。