(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一導電型シリコン基板と、このシリコン基板の上面に設けられた絶縁と、薄膜抵抗膜で作られ中央部に設けられた加熱部とこの加熱部の両側から引き出される電極引出し部とから構成され前記絶縁膜上に間隔をおいて平行に設けられた二つのヒータと、このヒータを含む表面を覆う保護膜と、前記ヒータの加熱部の上方に形成された感応部と温度補償部と、前記シリコン基板を裏面から選択除去して前記ヒータの加熱部の下の前記絶縁膜を露出させる凹部とを備え、
前記二つのヒータの下方の前記絶縁膜の下にそれぞれ均熱板が設けられたことを特徴とするＣＯセンサ。
【請求項２】
前記均熱板が反対導電型シリコンで形成されていることを特徴とする請求項１記載のＣＯセンサ。
【請求項３】
一導電型シリコン基板と、このシリコン基板の上面に設けられた絶縁と、薄膜抵抗膜で作られ中央部に設けられた加熱部とこの加熱部の両側から引き出される電極引出し部とから構成され前記絶縁膜上に間隔をおいて平行に設けられた二つのヒータと、このヒータを含む表面を覆う保護膜と、前記ヒータの加熱部の上方に形成された感応部と温度補償部と、前記シリコン基板を裏面から選択除去して前記ヒータの加熱部の下の前記絶縁膜を露出させる凹部とを備え、
前記感応部と温度補償部との間に前記シリコン基板を貫通するスリット状の切欠部が設けられていることを特徴とするＣＯセンサ。
【請求項４】
一導電型シリコン基板と、このシリコン基板の上面に設けられた絶縁と、薄膜抵抗膜で作られ中央部に設けられた加熱部とこの加熱部の両側から引き出される電極引出し部とから構成され前記絶縁膜上に間隔をおいて平行に設けられた二つのヒータと、このヒータを含む表面を覆う保護膜と、前記ヒータの加熱部の上方に形成された感応部と温度補償部と、前記シリコン基板を裏面から選択除去して前記ヒータの加熱部の下の前記絶縁膜を露出させる凹部とを備え、
前記感応部と温度補償部との間に前記感応部と温度補償部とを熱遮蔽する障壁が前記シリコン基板の上方に設けられていることを特徴とするＣＯセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、都市ガスまたはＬＰガス等の燃焼時に発生する一酸化炭素ガスの濃度を検出する接触燃焼式ＣＯセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ガスまたはＬＰガス等を燃焼させて使用する時、不完全燃焼して一酸化炭素ガスが発生すると、中毒事故を起こす恐れがあるので、小型湯沸器等にはＣＯセンサを取り付け、ＣＯガスの濃度を監視している。ＣＯセンサにはいくつかの種類があり、例えば矢崎技術リポート、第１８号、（１９９３）９３〜９９頁、特公昭６３−２６３３５号公報、特公昭６４−１０７７４号公報、特開平１−２２１６４９号公報にその内容が開示されている。
【０００３】
図８は従来のＣＯセンサの第１の例の一部切欠き斜視図である。
【０００４】
このＣＯセンサは、矢崎技術リポート、第１８号、（１９９３）９３〜９９頁に開示されたセンサである。ハウジング８１は黄銅製のステム８２とステンレス鋼製のキャップ８４とからなり、ステム８２には複数のリード端子８３が設けられ、キャップ８４にはガス流通のための窓８５ａ，８５ｂがあけられている。センサ部は、検知素子８６と温度補償用比較素子８７とからなり、アルミナ遮蔽板８８を挟んで対称となるようにリード端子８３に接続される。そして、キャップ８４が被せられる。
【０００５】
図９は図８に示す検知素子および比較素子の断面図である。
【０００６】
図９（ａ）に示すように、直径２５μｍのＰｔコイル９１と、５％Ｒｈ粉末とアルミナ粉末とアルミナ系バインダと水とを混合したペーストを用意する。このペーストをＰｔコイル９１上に塗布し、約７００℃で焼成して５％Ｒｈ−アルミナ触媒９２を形成する。これにより検知素子８６が製造される。アルミナ粉末はＲｈ触媒を担持する担体として作用するので、アルミナ担体と呼ばれる。
【０００７】
図９（ｂ）に示すように、直径２５μｍのＰｔコイル９３と、アルミナ粉末とアルミナ系バインダと水とを混合したペーストとを用意する。このペーストをＰｔコイル９３上に塗布し、約７００℃で焼成してアルミナ担体９４を形成する。これにより比較素子８７が製造される。アルミナ担体９４はＲｈを含まない。
【０００８】
図１０は図８に示すＣＯセンサの検出回路の回路図である。
【０００９】
検知素子８６と比較素子８７とは、固定抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 、可変抵抗ＲV 、検出回路１０１とでブリッジに組まれ、直流電源Ｅに接続される。都市ガスまたはＬＰガス等のガスを流さない状態では検出回路１０１に電流が流れないように可変抵抗ＲV を調整する。調整後にガスを流す。
【００１０】
ＣＯガスが検知素子８６に触れると、触媒作用により素子表面で酸化され、反応熱が生じる。この反応熱によりＰｔコイル９１の抵抗値が上昇する。するとブリッジ回路の平衡が崩れ、検出回路１０１に電流が流れる。検出回路１０１はこの電流値を測定してＣＯガスの濃度を算出する。比較素子８７は、周囲温度の変動によるＰｔコイルの抵抗値の変動を打ち消し、反応熱によるＰｔコイルの抵抗値の上昇のみを純粋に取り出せるように補償する。アルミナ遮蔽板８８は、検知素子８６と比較素子８７との間に障壁を作り、検知素子８６で発生した反応熱が比較素子８７へ移動して比較素子８７の周囲温度を乱すのを防ぎ、比較素子８７が周囲温度を正確に補償するのを助けている。これによりＣＯガスの濃度検出精度が高められている。
【００１１】
図１１は従来のＣＯセンサの第２の例の平面図および断面図である。
【００１２】
このＣＯセンサは特開平１−２２１６４９号公報に開示されたセンサである。検出素子は、シリコン基板１１１の表面にＳｉＯ2 の第１膜１１２、Ｐｔの発熱体１１３、ＳｉＯ2 の第２膜１１４、酸化錫半導体のガス感応体１１５を順次形成し、ガス感応体１１５の両端にＰｔの電極１１６ａ，１１６ｂを取り付け、ガス感応体１１５の下部のシリコン基板１１１をエッチング除去して切欠き部１１７を設けることにより形成される。切欠き部１１７は、ガス感応体１１５の熱容量を小さくするために設けるものである。電極１１６ａ，１１６ｂに検出部１１８を接続する。検出部１１８は、ガス感応体１１５がＣＯガスと接触したとき電気抵抗が減少する性質を利用して電気抵抗値の減少からＣＯガス濃度を求めるものである。
【００１３】
このＣＯセンサの検出手順は、次の通りである。
（１）発熱体１１３に電流を流さず、ガス感応体１１５を１００℃以下の低温にする。
（２）検出部１１８でガス感応体１１５の電気抵抗値に基づいてＣＯガス濃度を求め、不完全燃焼が生じているかどうかを判定する。
（３）発熱体１１３に通電してガス感応体１１５を３００℃以上の高温にしてガス感応体１１５の表面の汚れを除去する。
（４）高温状態のガス感応体１１５の電気抵抗値を検出部１１８で測定し、メタンガスの濃度を測定し、ガス漏れの有無を判定する。
（５）発熱体１１３への通電を止めて発熱体１１３の発熱を止め、ガス感応体１１５を１００℃以下の低温にする。
（６）上記（１）〜（５）の手順を繰り返す。１回のヒートサイクルに要する時間は約３０秒程度である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
第１の例は接触燃焼式ＣＯセンサ、第２の例は半導体式ＣＯセンサである。第１の例のＣＯセンサでは、検知素子８６および比較素子８７は、Ｐｔコイルの上に５％Ｒｈ−アルミナ触媒あるいはアルミナ単体をビード状に形成して作られているため、表面積に対して体積が大きく、従って表面積に対する熱容量が大きくなり、ＣＯガス濃度検出速度が遅くなるという問題がある。また、熱容量が大きいため、Ｐｔコイルに流す電流も大きくなり、消費電力が大きくなるという問題がある。さらに、ビード状に形成された検知素子８６および比較素子８７を用いて組立てるため多大の工数を要し、量産化が難しくコストが高くなるという問題がある。
【００１５】
第２の例のＣＯセンサでは、ＳｉＯ2 の第１膜１１２の下のシリコン基板１１１をエッチング除去して切欠き部１１７を設けて熱容量を小さくしている。これによりＣＯガス濃度検出速度は速くなるが、このようなくり抜き形の切欠き部１１７を形成するのは中々難しく、量産化が難しくコストが高くなるという問題がある。また、ＳｉＯ2 膜単独では感応体１１５を支える支持力が弱いので、幅広い短冊状に作られたＰｔの発熱体１１３をＳｉＯ2 膜１１２の上に設けてＳｉＯ2 膜１１２を補強している。このため、Ｐｔの発熱体１１３を加熱するために大電流を要するのみでなく、中央部から端部への温度勾配が大きく、感応体１１５の温度が均一でなく、検出精度が悪くなるという問題がある。さらに、第２の例のＣＯセンサでは、第１の例のような比較素子がないため、周囲温度の変動による抵抗値の変動を補償する事が出来ず、検出精度が悪いという問題がある。温度補償をするためには外部から温度補償回路を取付けなければならないが、温度補償回路を取付けるとそれだけコストが高くなる上に、外部からの温度補償回路の取付けでは十分な温度補償ができないという問題がある。
【００１６】
本発明の目的は、検出速度が速く、検出精度が高く、消費電力が小さく、量産化が容易で低コストで製造できるＣＯセンサを提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、一導電型シリコン基板と、このシリコン基板の上面に設けられた絶縁膜と、薄膜抵抗膜で作られ中央部に設けられた加熱部とこの加熱部の両側から引き出される電極引出し部とから構成され前記絶縁膜上に間隔をおいて平行に設けられた二つのヒータと、このヒータを含む表面を覆う保護膜と、前記ヒータの加熱部の上方に形成された感応部と温度補償部と、前記シリコン基板を裏面から選択除去して前記ヒータの加熱部の下の前記絶縁膜を露出させる凹部とを備えたセンサ素子を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明は、前記絶縁膜が酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の二重膜で構成されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明は、前記ヒータが細い薄膜抵抗膜を複数回折り曲げて形成される加熱部と、この加熱部の両側から引き出される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続し金属線ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し部とから構成されていることを特徴とする。
【００２０】
本発明は、前記薄膜抵抗膜がＴｉ膜とにＰｔ膜との二重膜で構成されていることを特徴とする。
【００２１】
本発明は、前記二つのヒータの下方の前記絶縁膜の下にそれぞれ均熱板が設けられたことを特徴とする。
【００２２】
本発明は、前記均熱板が反対導電型シリコンで形成されていることを特徴とする。
【００２３】
本発明は、前記感応部と温度補償部との間に前記シリコン基板を貫通するスリット状の切欠部が設けられていることを特徴とする。
【００２４】
本発明は、前記感応部と温度補償部との間に前記感応部と温度補償部とを熱遮蔽する障壁が前記シリコン基板の上方に設けられていることを特徴とする。
【００２５】
【作用】
本発明では、センサ素子は、感応部と温度補償部とが同一基板上に平行に形成されて、周囲温度の変動によるヒータの抵抗値の変動を温度補償部が打ち消し、反応熱によるヒータの抵抗値の上昇のみを純粋に取り出せるように補償しているので、十分に正確なＣＯガスの濃度検出が可能である。感応部と温度補償部とは熱絶縁膜上に形成され、しかも熱絶縁膜の下部には凹部が形成されているので、感応部と温度補償部とは十分に熱絶縁されると同時に熱容量が小さくなっており、感度が向上し、検出速度も速くなっている。
【００２６】
本発明では、絶縁膜を酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の二重膜で構成した。熱膨張率の差のため、Ｓｉに対してＳｉＯ2 膜は圧縮応力を持ち、Ｓｉ3 Ｎ4 膜は引張応力を持っている。ＳｉＯ2 膜単独であると、ダイアフラムのコーナー部に亀裂が発生し易い傾向があり、Ｓｉ3 Ｎ4 膜をシリコン基板に直接形成するとＳｉ3 Ｎ4 膜に亀裂を生じ易い傾向がある。この亀裂発生を抑えるためにＳｉとＳｉ3 Ｎ4 膜との間にＳｉＯ2 膜を挟み、膜厚制御を行うことにより亀裂発生を抑えることができ、支持力を強くすることができる。
【００２７】
絶縁膜を二重膜構造にして支持力を強くしたので、絶縁膜を抵抗膜で補強してやる必要がなく、ヒータは、薄膜抵抗膜を複数回折り曲げて形成される加熱部と、この加熱部の両側から引き出される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続し金属線ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し部とから成る形にすることができる。ヒータをこのような形にすることにより、少ない電流で中央部の必要な部分のみ集中的に加熱でき、中央部の加熱部の温度分布が均一になり、検出精度を向上させると共に消費電力を低減することができる。
【００２８】
ヒータを中央部の加熱部のみ集中的に加熱できるようにすると、電流集中により局部的に発熱し易くなり、加熱部が断線し易くなる傾向がでてくる。ヒータの加熱部の温度を均一にして電流集中による局部発熱を防止し、加熱線部分の断線を防止するために均熱板を設ける。
【００２９】
薄膜抵抗膜をＴｉ膜とＰｔ膜との二重膜で構成すると、その下の保護膜との密着性が良くなり、膜剥がれが起こらず、歩留りが向上し、コストダウンを図ることができる。
【００３０】
均熱板は、反対導電型高濃度不純物領域のシリコンで厚さ数μｍに作るのがよい。反対導電型高濃度不純物領域にするのは、高濃度不純物領域が低濃度不純物領域よりもエッチング速度が遅いことが利用でき、エッチングの過不足がなく、反対導電型高濃度不純物領域と同じ形の均熱板を形成することができるからである。
【００３１】
感応部と温度補償部との間にシリコン基板を貫通するスリット状の切欠部を設けることにより、感応部と温度補償部との間が十分に熱絶縁され、感応部で発生した反応熱が温度補償部へ移動して温度補償部の周囲温度を乱すのを防ぎ、温度補償部が周囲温度を正確に補償する。これによりＣＯガスの濃度検出精度が高められている。
【００３２】
感応部と温度補償部との間に熱遮蔽用障壁を設けると、障壁は、感応部で発生した反応熱がガスによって温度補償部へ運ばれ、温度補償部の周囲温度を上昇させ、温度補償が乱されるのを防ぎ、ＣＯガスの濃度検出精度を高める。
【００３３】
【実施例】
図１は本発明のＣＯセンサの第１の実施例のセンサ素子の平面図、Ａ−Ａ´断面図およびＢ−Ｂ´断面図である。
【００３４】
結晶方位〔１００〕のシリコン基板１の両面にＳｉＯ2 膜４ａ，４ｂ、Ｓｉ3 Ｎ4 膜５ａ，５ｂを設けて熱絶縁膜とする。Ｓｉ3 Ｎ4 膜５ａの上面にＴｉ膜とＰｔ膜の二重層から成る薄膜抵抗膜を形成し、パターニングして間隔をおいて平行に形成される二つのヒータ６，７を設ける。ヒータ６，７は、中央部に細い薄膜抵抗膜を多数回折り曲げられて形成された加熱部と、この加熱部の両側から引き出される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続して金属線ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し部とから構成される。表面を保護膜８で被覆し、選択エッチングして電極引出し用のコンタクト窓６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂをあける。保護膜８は、ＳｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 またはＰＳＧ（りん珪酸ガラス）の単層または多層の膜からなり、ＣＶＤ法，スパッタ法などで形成される。ヒータ６の加熱部の上方の保護膜８の上にＲｈ粉末５％とアルミナ粉末９５％との混合物で感応部１０を形成し、ヒータ７の加熱部の上方の保護膜８の上にアルミナ単体で温度補償部１１を形成する。温度補償部１１は、周囲温度の変動によるヒータ６の抵抗値の変動を補償するためのものであるから、感応部１０と同じ熱容量になるように形成する。マスクを設け、シリコン基板１を裏面から選択エッチして感応部１０と温度補償部１１の下に凹部１２を形成してＳｉＯ2 膜４ａを露出させると同時に、感応部１０と温度補償部１１との間にシリコン基板１を貫通する矩形の切欠部９を形成する。切欠部９は、感応部１０と温度補償部１１との間を熱絶縁し、検出精度を向上させるためのものである。凹部１２のヒータ６，７の加熱部の下にそれぞれ均熱板３ａ，３ｂを形成する。
【００３５】
このセンサ素子は、図１０に示した検出回路と同様に、感応部１０と温度補償部１１とが固定抵抗Ｒ1 ，Ｒ2 、可変抵抗ＲV 、検出回路１０１とでブリッジに組まれ、直流電源Ｅに接続される。ＣＯガスが感応部１０に触れると、触媒作用により素子表面で酸化され、反応熱が生じる。この反応熱によりヒータ６の抵抗値が上昇する。するとブリッジ回路の平衡が崩れ、検出回路１０１に電流が流れる。検出回路１０１はこの電流値を測定してＣＯガスの濃度を算出する。
【００３６】
このセンサ素子は、感応部１０と温度補償部１１とが同一基板上に平行に形成され、周囲温度の変動によるヒータ６の抵抗値の変動を温度補償部１１が打ち消し、反応熱によるヒータ６の抵抗値の上昇のみを純粋に取り出せるように補償しているので、十分に正確なＣＯガスの濃度検出が可能である。感応部１０と温度補償部１１とはＳｉＯ2 膜４ａとＳｉ3 Ｎ4 膜５ａとから成る熱絶縁膜上に形成され、しかも熱絶縁膜の下部には凹部１２が形成されているので、感応部１０と温度補償部１１とは十分に熱絶縁されると同時に熱容量が小さくなっており、感度が向上し、検出速度も速くなっている。
【００３７】
熱膨張率の差のため、Ｓｉに対してＳｉＯ2 膜は圧縮応力を持ち、Ｓｉ3 Ｎ4 膜は引張応力を持っている。ＳｉＯ2 膜単独であると、ダイアフラムのコーナー部に亀裂が発生し易い傾向があり、Ｓｉ3 Ｎ4 膜をシリコン基板に直接形成するとＳｉ3 Ｎ4 膜に亀裂を生じ易い傾向がある。この亀裂発生を抑えるためにＳｉとＳｉ3 Ｎ4 膜との間にＳｉＯ2 膜を挟み、膜厚制御を行うことにより亀裂発生を抑えることができる。この理由からＳｉＯ2 −Ｓｉ3 Ｎ4 二重膜構造にするのである。絶縁膜を二重膜構造にすることにより支持力が強くなる。
【００３８】
絶縁膜を二重膜構造にして支持力を強くしたので、図１１で説明した従来例のように絶縁膜を抵抗膜で補強してやる必要がなくなる。それ故、ヒータ６，７は、図１に示すように、薄膜抵抗膜を複数回折り曲げて形成される加熱部と、この加熱部の両側から引き出される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続し金属線ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し部とから成る形にすることができる。ヒータ６，７をこのような形にすることにより、少ない電流で中央部の必要な部分のみ集中的に加熱でき、また細い薄膜抵抗膜の接続部を設けたので熱伝導が小さくなって温度勾配が小さくなり、中央部の加熱部の温度分布が均一になり、検出精度を向上させると共に消費電力を低減することができる。例えば、図８、図９に示したコイルを使用する従来のＣＯセンサでは消費電力が６００ｍＷであったのに対して、本発明品では消費電力が８０ｍＷまで下げることができ、消費電力を従来の１／７以下に低減することができる。
【００３９】
ヒータ６，７を中央部の加熱部のみ集中的に加熱できるようにすると、電流集中により局部的に発熱し易くなり、加熱部が断線し易くなる傾向がでてくる。ヒータ６，７の加熱部の温度を均一にして電流集中による局部発熱を防止し、加熱線部分の断線を防止するために均熱板３ａ，３ｂを設ける。
【００４０】
ヒータ６，７を構成する薄膜抵抗膜をＴｉ膜とＰｔ膜の二重層で形成すると、保護膜８との密着性が良くなり、不良率を低減でき、コストダウンが図れる。
【００４１】
保護膜８は、ヒータ６，７の短絡を防ぐと同時に、ヒータ６，７と感応部１０，温度補償部１１とが接触して反応するのを防ぐ絶縁膜の働きをする。保護膜８は、絶縁膜であること、感応部１０，温度補償部１１を構成しているアルミナとなじみがよいこと、熱伝導率が高く、反応熱や周囲温度を素早くヒータに伝えること、ガスに対する耐蝕性が良好であること等が要求される。それ故、保護膜８は、ＳｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 またはＰＳＧ（りん珪酸ガラス）の単層または多層の膜で作られる。
【００４２】
均熱板３ａ，３ｂは、反対導電型高濃度不純物領域であるＰ+ 型シリコンで厚さ数μｍに作るのがよい。反対導電型高濃度不純物領域にするのは、高濃度不純物領域が低濃度不純物領域よりもエッチング速度が遅いことが利用でき、凹部１２形成のエッチングと同時に反対導電型高濃度不純物領域と同じ形の均熱板を形成することができるからである。
【００４３】
切欠部９は、シリコン基板１を貫通するスリット状に設けられることにより、感応部１０と温度補償部１１との間を十分に熱絶縁し、感応部１０と温度補償部１１との間に熱の移動が起こり感応部１０で発生した反応熱により温度補償部１１の周囲温度が乱されるのを防ぎ、温度補償部１１が周囲温度を正確に補償するのを助けている。これによりＣＯガスの濃度検出精度が高められる。
【００４４】
次に、第１の実施例のセンサ素子の製造方法について説明する。
【００４５】
図２は第１の実施例のセンサ素子の製造方法を説明するための工程順に示した断面図である。
【００４６】
まず、図２（ａ）に示すように、結晶方位〔１００〕のＮ型シリコン基板１の利用面にＳｉＯ2 膜４２ａ，４２ｂを約７５０ｎｍの厚さに設け、ホトリソグラフィ技術によって上面のＳｉＯ2 膜４２ａに窓をあけ、Ｐ型不純物を高濃度に導入してＰ+ 型領域４３ａ，４３ｂ（Ｐ+ 型領域４３ｂは図示されず）を形成する。
【００４７】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2 膜４２ａ，４２ｂを除去し、新しくＳｉＯ2 膜４ａ，４ｂを約５００ｎｍの厚さに設け、その上にＳｉ3 Ｎ4 膜５ａ，５ｂを約８０ｎｍの厚さに設ける。
【００４８】
次に、図２（ｃ）に示すように、リフトオフ法を用いてヒータ６、ヒータ７（ヒータ７は図１参照）を形成する。リフトオフ法を用いるヒータ６，７の形成は次のように行う。まず、表面にホトレジストを塗布し、ヒータ６，７のパターンを有するマスクで露光し、現像してホトレジストのパターンを形成する。上方からＴｉとＰｔを順次被着してＴｉ−Ｐｔ二重膜の薄膜抵抗膜を形成し、ホトレジストを溶解してホトレジストの上のＴｉ−Ｐｔ膜をホトレジストと共に除去し、ホトレジストのなかった部分のみにヒータ６，７を残す。ヒータ６，７は、中央部に薄膜抵抗膜を多数回折り曲げられて形成された加熱部と、この加熱部の両側から引き出される薄膜抵抗膜の接続部と、この接続部に接続して金属線ボンディング接続可能な広さを有する電極引出し部とから構成される。
【００４９】
次に、図２（ｄ）に示すように、表面にＣＶＤ法またはスパッタ法でＳｉＯ2 、Ｓｉ3 Ｎ4 、またはＰＳＧ（りん珪酸ガラス）等を単層または多層に堆積して保護膜８を形成する。ホトリソグラフィ技術とドライエッチング法によって保護膜８をパターニングしてヒータ６，７の両端に電極引出し用のコンタクト窓６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂ（コンタクト窓７ａ，７ｂは図１参照）をあける。
【００５０】
次に、図２（ｅ）に示すように、シリコン基板１の下面のＳｉ3 Ｎ4 膜５ｂにマスクを設け、Ｐ+ 型領域４３ａ，４３ｂの下方と切欠部９を形成すべき領域の下方のＳｉ3 Ｎ4 膜５ｂ、ＳｉＯ2 膜４ｂ、および切欠部９を形成すべき領域の上方のＳｉ3 Ｎ4 膜５ａ、ＳｉＯ2 膜４ａをエッチング除去する。Ｓｉ3 Ｎ4 膜５ａ，５ｂ、ＳｉＯ2 膜４ａ，４ｂをマスクにしてシリコン基板１を異方性エッチングして凹部１２を形成することにより前記のＰ+ 型領域４３ａ，４３ｂとその周辺のＳｉＯ2 膜４ａを露出させて均熱板３ａ，３ｂ（均熱板３ｂは図１参照）を形成すると同時に切欠部９（図１参照）を形成する。エッチング液にはＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）が適する。ＴＭＡＨはＳｉＯ2 膜を余りエッチングせずにシリコンをエッチングするからである。Ｐ+ 型領域にするのは、高濃度不純物領域が低濃度不純物領域よりもエッチング速度が遅いことを利用している。これを利用すると、Ｐ+ 型領域４３ａ，４３ｂの所でエッチングが自然に止まり、エッチングの過不足が起こらず、Ｐ+ 型領域４３ａ，４３ｂと同じ形の均熱板３ａ，３ｂを形成することができる。
【００５１】
次に、図２（ｆ）に示すように、保護膜８上に感応部１０と温度補償部１１（図１参照）を形成する。感応部１０は、Ｒｈ粉末５％とアルミナ粉末９５％とアルミナ系バインダと水とを混合してペーストを作り、このペーストをヒータ６の上の保護膜８上に塗布し、約７００℃で焼成して作る。温度補償部１１は、アルミナ粉末とアルミナ系バインダと水とを混合してペーストを作り、このペーストをヒータ７の上の保護膜８上に塗布し、約７００℃で焼成して作る。焼成は感応部１０と温度補償部１１と同時に行う。温度補償部１１は、周囲温度の変動によるヒータ６の抵抗値の変動を補償するためのものであるから、感応部１０と同じ熱容量になるように形成する。これによりＣＯセンサのセンサ素子が形成される。
【００５２】
図３は本発明のＣＯセンサの第１の実施例の一部切欠き斜視図である。
【００５３】
センサ素子を収容するハウジングは、ステム２１とキャップ２３とからなる。ステム２１にはリード線２２が４本引き出されている。キャップ２３は、円筒形で上面が閉ざされたコップ状に作られ、側面にガス流通のため二つの切欠部２４ａ．２４ｂが設けられている。見やすくするため、図３ではキャップ２３の半分を切欠いて示してある。ステム２１に図１に示したセンサ素子を固着し、金属細線２５でセンサ素子のヒータのコンタクト窓６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂとリード線２２とをボンディング法で接続する。しかる後、キャップ２３をステム２１に溶接する。
【００５４】
二つの切欠部２４ａ．２４ｂから導入されたガス中のＣＯガスが感応部１０に触れると、触媒作用により素子表面が酸化され、反応熱が生じる。この反応熱によりヒータ６の抵抗値が上昇する。この抵抗値の変化をブリッジ回路で測定してＣＯガスの濃度を検出する。温度補償部１１は、周囲温度の変動によるヒータ６の抵抗値の変動を打ち消し、反応熱によるヒータ６の抵抗値の上昇のみを純粋に取り出せるように補償する作用をする。
【００５５】
図４は本発明のＣＯセンサの第２の実施例のセンサ素子の平面図、Ｃ−Ｃ´断面図およびＤ−Ｄ´断面図である。
【００５６】
第２の実施例のセンサ素子には、シリコン基板１を貫通する切欠部が設けられていない。これが第１の実施例と異なる点であり、これ以外は第１の実施例と同じである。切欠部がないと、熱絶縁性が少し悪くなるが、チップ面積を小さくすることができ、小型化を図るときに有効である。
【００５７】
図５は本発明のＣＯセンサの第３の実施例のセンサ素子の平面図、Ｅ−Ｅ´断面図、Ｆ−Ｆ´断面図およびＧ−Ｇ´断面図、図６は図５のガラス熱遮蔽体の平面図、図７は図５に示す第３の実施例のセンサ素子の分解斜視図である。
【００５８】
シリコン基板１に形成するセンサ素子は、第１の実施例と全く同じである。第３の実施例では、感応部１０と温度補償部１１との熱絶縁をさらに良くするため、ガラス製の熱遮蔽体５１をセンサ素子の上に取り付ける。ガラス熱遮蔽体５１は、直方体のガラス板の感応部１０と温度補償部１１の上方の部分に切欠部５６ａ，５６ｂを設けて感応部１０と温度補償部１１とにガスが流れるようにすると同時に感応部１０と温度補償部１１との間に障壁５２を形成して感応部１０と温度補償部１１との間を熱絶縁している。また、ヒータ６，７のコンタクト窓６ａ，６ｂ，７ａ，７ｂの上方の部分に切欠部５７ａ，５７ｂ〜５８ａ，５８ｂを設けて金属線ボンディングによる接続ができるようにすると同時に壁５４ａ，５４ｂ〜５５ａ，５５ｂを設けて熱遮蔽している。さらにまた、壁５３ａ，５３ｂを設けて熱遮蔽すると同時に壁５３ａ，５３ｂの下に切欠部５６ａ，５９ｂを設けてガスが流れるようにしている。障壁５２は、感応部１０で発生した反応熱がガスによって温度補償部１１へ運ばれ、温度補償部１１の周囲温度を上昇させ、温度補償が乱されるのを防いでいる。
【００５９】
上記実施例では、熱遮蔽体５１をガラスで作ったが、これに限定されず、セラミックで作ることもでき、同様の熱遮蔽効果を得ることができる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明では、シリコン基板に熱絶縁膜を設け、その上に感応部と温度補償部とを間隔をおいて設け、これらの下のシリコンを除去した熱絶縁構造としたので、温度補償されると同時に熱容量が小さくなり、検出速度が速いＣＯセンサを得ることができる。
【００６１】
本発明では、熱絶縁膜をＳｉＯ2 膜とＳｉ3 Ｎ4 膜の二重膜にして強度を大きくし、ヒータを中央部の加熱部とこの加熱部の両側から引き出される電極引出し部とから構成形にすることにより、少ない電流で中央部の必要な部分のみ集中的に加熱するようにしたので、検出精度を向上させると共に消費電力を従来の約１／７以下に低減したＣＯセンサを得ることができる。また、均熱板をヒータの下に設け、電流集中による局部発熱を防止し、加熱線部分の断線を防止ようにしたので、長寿命のＣＯセンサを得ることができる。
【００６２】
本発明では、感応部と温度補償部との間にスリット状の切欠部を設けて感応部と温度補償部との間が十分に熱絶縁されるようにしたので、周囲温度を正確に補償し、ガス濃度検出精度が高められたＣＯセンサを得ることができる。さらに、感応部と温度補償部との間に熱遮蔽する障壁を設け、熱絶縁を一層良くしたので、周囲温度をさらに正確に補償でき、ガス濃度検出精度を一層高めたＣＯセンサを得ることができる。
【００６３】
本発明では、通常の半導体製造技術で製造できる構造と材料と製造プロセスを採用したので、量産化が容易で低コストのＣＯセンサを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＣＯセンサの第１の実施例のセンサ素子の平面図、Ａ−Ａ´断面図およびＢ−Ｂ´断面図である。
【図２】図１に示す第１の実施例のセンサ素子の製造方法を説明するための工程順に示した断面図である。
【図３】本発明のＣＯセンサの第１の実施例の一部切欠き斜視図である。
【図４】本発明のＣＯセンサの第２の実施例のセンサ素子の平面図、Ｃ−Ｃ´断面図およびＤ−Ｄ´断面図である。
【図５】本発明のＣＯセンサの第３の実施例のセンサ素子の平面図、Ｅ−Ｅ´断面図、Ｆ−Ｆ´断面図およびＧ−Ｇ´断面図である。
【図６】図５のガラス熱遮蔽体の平面図である。
【図７】図５に示す第３の実施例のセンサ素子の分解斜視図である。
【図８】従来のＣＯセンサの第１の例の一部切欠き斜視図である。
【図９】図８に示す検出素子および比較素子の断面図である。
【図１０】図８に示すＣＯセンサの検出回路の回路図である。
【図１１】従来のＣＯセンサの第２の例の平面図および断面図である。
【符号の説明】
１            Ｎ型シリコン基板
３ａ，３ｂ    均熱板
４ａ，４ｂ    ＳｉＯ2 膜
５ａ，５ｂ    Ｓｉ3 Ｎ4 膜
６            ヒータ（感応部用）
７            ヒータ（温度補償部用）
８            保護膜
９            切欠部
１０            感応部
１１            温度補償部
２１            ステム
２２            リード線
２３            キャップ
２４ａ，２４ｂ  切欠部
２５            接続線
４３ａ          Ｐ+ 型領域
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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