JP4798961B2 - HEATER DEVICE AND GAS SENSOR DEVICE USING THE SAME - Google Patents
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Description
本発明は、四端子法を利用して、感温抵抗体からなる薄膜温度センサの温度均一となる特定領域を温度計測して、温度制御をするようにした信頼性と安定性の高いヒータデバイスこれを用いた気体センサ装置に関する。 The present invention uses a four-terminal method to measure the temperature of a specific region where the temperature of a thin film temperature sensor made of a temperature-sensitive resistor is uniform, and to control the temperature so that the heater device has high reliability and stability. The present invention relates to a gas sensor device using the same.
現在、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、流量センサなどのヒータデバイスが実用化されている。このようなヒータデバイスには、一般的に絶縁された基板の表面に感温抵抗体からなる薄膜ヒータ又は薄膜温度センサが形成されており、この薄膜ヒータ又は薄膜温度センサが形成された薄膜を用いてなる発熱部は、両側に開口して裏側を連通する空洞が基板に形成されている。このようなヒータデバイスは、発熱部を空洞により基板から熱分離させ、宙に浮いた状態として発熱部の熱容量を小さくして感度や応答性を向上させている「薄膜式抵抗体及びその製造方法、流量センサ、湿度センサ、ガスセンサ、温度センサ」等の提案がある(特許文献1参照)。 Currently, heater devices such as a temperature sensor, a humidity sensor, a gas sensor, and a flow rate sensor are put into practical use. In such a heater device, a thin film heater or a thin film temperature sensor made of a temperature sensitive resistor is generally formed on the surface of an insulated substrate, and the thin film on which the thin film heater or the thin film temperature sensor is formed is used. The exothermic part is formed in the substrate with a cavity that opens on both sides and communicates with the back side. In such a heater device, the heat-generating part is thermally separated from the substrate by a cavity, and the heat capacity of the heat-generating part is reduced in a suspended state, thereby improving sensitivity and responsiveness. , A flow sensor, a humidity sensor, a gas sensor, and a temperature sensor ”(see Patent Document 1).
このようなヒータデバイスは一般的に白金系の薄膜ヒータで形成されており、電力によって一定のエネルギーを供給して自己加熱させると、さまざまな環境に応じて熱伝導により放熱し、一定の抵抗値から温度、絶対湿度及び気体の流速などが検出可能となる「雰囲気センサの構造」等の提案がある(特許文献2参照)。 Such a heater device is generally formed of a platinum-based thin film heater. When a constant energy is supplied by electric power and self-heating is performed, heat is dissipated by heat conduction according to various environments, and a constant resistance value is obtained. In other words, there is a proposal such as “atmosphere sensor structure” that enables detection of temperature, absolute humidity, gas flow velocity, and the like (see Patent Document 2).
従来の特許文献2にかかる「雰囲気センサの構造」の技術では、高感度、応答速度も速く、昇温・降温時間も短時間で済む。そのため、発熱部の支持部付近、又は、薄膜ヒータの外周部では熱が放出しやすいため、それらの箇所での温度が低下し、薄膜ヒータは温度分布が生じてしまうと、いう問題がある。 In the conventional “atmosphere sensor structure” technology according to Patent Document 2, high sensitivity, a high response speed, and a short temperature increase / decrease time are required. For this reason, heat is likely to be released in the vicinity of the support portion of the heat generating portion or in the outer peripheral portion of the thin film heater, so that there is a problem that the temperature at those locations decreases and the thin film heater has a temperature distribution.
また、流量センサを用いて、薄膜ヒータの温度分布を求めることは既に実証されている(非特許文献1参照)。 Moreover, it has already been demonstrated to obtain the temperature distribution of the thin film heater using a flow sensor (see Non-Patent Document 1).
また、水素、一酸化酸素、メタン、プロパンなどの気体成分を検知・計測するヒータデバイスとしては、一般的に一対の白金系の気体感応検出用電極上又は下に気体感応物質薄膜を形成しており、さまざまな気体成分と接触することにより、気体感応物質薄膜の電気抵抗が変化をして、さまざまな気体成分の種類、濃度を知らせるものである。これらの電気抵抗の変化は、気体感応物質薄膜上で起こるガス吸着や反応を促進する為に、200℃〜500℃の高温に加熱し検知する必要があり、例えば「薄膜ガスセンサ」等の提案(特許文献3参照)、「センサ及び湿度ガス検出方法」等の提案がある(特許文献4参照)。 In addition, as a heater device that detects and measures gas components such as hydrogen, oxygen monoxide, methane, and propane, a gas-sensitive material thin film is generally formed on or under a pair of platinum-based gas-sensitive detection electrodes. In addition, by contacting with various gas components, the electric resistance of the gas-sensitive material thin film is changed to inform the types and concentrations of various gas components. These changes in electrical resistance need to be detected by heating to a high temperature of 200 ° C. to 500 ° C. in order to promote gas adsorption and reaction occurring on the gas sensitive material thin film. There are proposals such as "Sensor and humidity gas detection method" (see Patent Document 3).
従来の特許文献4にかかる「センサ及び湿度ガス検出方法」では、発熱部を基板から熱分離しており、薄膜ヒータと気体感応検出用電極の大きさが同等であり、薄膜ヒータに温度ムラがあると気体感応検出用電極は温度差が生じ、ガス感度や選択性が充分に得られない測定であった。 In the conventional “sensor and humidity gas detection method” according to Patent Document 4, the heat generating part is thermally separated from the substrate, the size of the thin film heater and the gas sensitive detection electrode are equal, and the thin film heater has temperature unevenness. In some cases, the gas sensitive detection electrode has a temperature difference, and gas sensitivity and selectivity cannot be sufficiently obtained.
ところで、薄膜ヒータを白金系で形成して温度変化情報を得る場合、感度を向上するためには、電流を多く流し大きな出力電圧になるようにすることが望ましい。しかし、従来の薄膜ヒータでは、宙に浮いた薄膜の周辺は放熱のため温度が低下すること、また中央部付近は熱が逃げ難いので比較的高温になること、また宙に浮いて薄膜の温度分布はジュール熱が大きいほど大きくなってしまうので、温度センサ等に使用する場合には、最も感度がある薄膜の中央部付近の温度を知りたいのに、温度分布の大きい薄膜温度の平均的な温度の計測になってしまうこと等の問題がある。また、宙に浮いて薄膜を支持している梁上の白金薄膜測定する薄膜ヒータの抵抗に加算されるので、正確な薄膜の中央付近の温度計測が困難であるという問題がある。 By the way, when the temperature change information is obtained by forming the thin film heater in a platinum system, it is desirable that a large output current is supplied to increase the sensitivity in order to improve sensitivity. However, with conventional thin film heaters, the temperature around the thin film floating in the air drops due to heat dissipation, and the temperature near the center is relatively high because heat is difficult to escape. Since the distribution increases as the Joule heat increases, when using it for a temperature sensor, etc., the average temperature of the thin film temperature with a large temperature distribution is needed to know the temperature near the center of the thin film with the highest sensitivity. There are problems such as temperature measurement. Further, since it is added to the resistance of the thin film heater that measures the platinum thin film on the beam that floats in the air and supports the thin film, there is a problem that accurate temperature measurement near the center of the thin film is difficult.
また、一対の白金系の気体感応検出用電極は、一般的に平坦面での形成となっており、高温に加熱するヒータ部と重ならない配置、又は厚膜の絶縁層を気体感応検出用電極とヒータ間に設ける事で平坦化を図っている。しかしながら、気体感応検出用電極は、平坦化することで均一形状の作製が容易となるが、ガス検知感度を向上させるためには気体感応検出用電極の間隔を狭くするとともに、気体感応検出用電極の面積を拡大する等の必要がある。 In addition, a pair of platinum-based gas-sensitive detection electrodes are generally formed on a flat surface, and the gas-sensitive detection electrodes are arranged so as not to overlap with the heater section that is heated to a high temperature or a thick insulating layer. And flattening by installing between the heater. However, the gas sensitive detection electrode can be easily made uniform by flattening, but in order to improve the gas detection sensitivity, the gap between the gas sensitive detection electrodes is narrowed and the gas sensitive detection electrode is used. It is necessary to enlarge the area of
さらに、これらのヒータデバイスは、測定に必要な抵抗値を確保する為に、薄膜ヒータは細長い配線形状にする必要があるが、従来のように二探針法による抵抗値測定は、印加電流と抵抗値の検出箇所が同一となることから、薄膜ヒータの中心付近と外周の温度差や配線に及ぶ抵抗まで検出されてしまう、という問題がある。 Furthermore, in these heater devices, in order to ensure the resistance value necessary for the measurement, the thin film heater needs to have an elongated wiring shape. Since the detection location of the resistance value is the same, there is a problem that a temperature difference between the vicinity of the center and the outer periphery of the thin film heater and a resistance reaching the wiring are detected.
本発明は、上記問題に鑑み、発熱部の必要な均一温度領域のみの温度計測から必要な情報を得ることで、正確且つ安定した気体の物理的又は化学的変化の計測や特定の気体の濃度検出を可能とするヒータデバイス及びこれを用いた気体センサ装置を提供することを課題とする。 In view of the above problems, the present invention obtains necessary information from temperature measurement only in the necessary uniform temperature region of the heat generating portion, thereby accurately and stably measuring the physical or chemical change of gas or the concentration of a specific gas. It is an object of the present invention to provide a heater device that enables detection and a gas sensor device using the heater device.
上記の課題を解決する、本発明の第1の発明は、基板から断熱部を介して熱分離された薄膜と、該薄膜の表面に設けられた薄膜ヒータと薄膜温度センサとからなる感温抵抗体と、前記感温抵抗体に電流を印加する一対の電圧端子とを具備してなり、前記感温抵抗体の薄膜温度センサが前記薄膜の中心部の均一温度領域に配設されてあり、少なくとも前記一対の電流端子と一対の電圧端子とからなる四端子を用いて求めた前記感温抵抗体の情報を基に、前記薄膜の温度を制御すると共に、前記感温抵抗体が薄膜温度センサと該薄膜温度センサの両端に連続して形成される薄膜ヒータとからなることを特徴とするヒータデバイスにある。 The first invention of the present invention that solves the above-mentioned problems is a temperature sensitive resistor comprising a thin film thermally separated from a substrate through a heat insulating part, a thin film heater provided on the surface of the thin film, and a thin film temperature sensor. And a pair of voltage terminals for applying a current to the temperature sensitive resistor, the thin film temperature sensor of the temperature sensitive resistor is disposed in a uniform temperature region at the center of the thin film, The temperature of the thin film is controlled based on information on the temperature sensitive resistor obtained using at least four terminals including the pair of current terminals and a pair of voltage terminals, and the temperature sensitive resistor is a thin film temperature sensor. And a thin film heater formed continuously at both ends of the thin film temperature sensor .
第2の発明は、第1の発明において、前記薄膜ヒータと薄膜温度センサとを、同一材料で形成してなることを特徴とするヒータデバイスにある。 A second invention is the heater device according to the first invention, wherein the thin film heater and the thin film temperature sensor are formed of the same material.
第3の発明は、第1又は2のいずれか一つの発明において、前記薄膜温度センサの周囲に薄膜ヒータを配置してなることを特徴とするヒータデバイスにある。 A third invention is the heater device according to any one of the first and second inventions, wherein a thin film heater is disposed around the thin film temperature sensor.
第4の発明は、第1乃至3のいずれか一つの発明において、前記薄膜ヒータと薄膜温度センサとを電気絶縁性薄膜で覆い、該電気絶縁性薄膜の上に、少なくとも一対の感応検出用電極を設けた感応物質薄膜を形成してなることを特徴とするヒータデバイスにある。 According to a fourth invention, in any one of the first to third inventions, the thin film heater and the thin film temperature sensor are covered with an electrically insulating thin film, and at least a pair of sensitive detection electrodes is provided on the electrically insulating thin film. The heater device is characterized in that a sensitive material thin film is formed.
第5の発明は、第4の発明において、一対の感応検出用電極が櫛歯状電極であることを特徴とするヒータデバイスにある。 A fifth invention is the heater device according to the fourth invention, wherein the pair of sensitive detection electrodes are comb-like electrodes.
第6の発明は、第4の発明において、薄膜ヒータと感応検出用電極の組合せ、又は薄膜温度センサと感応検出用電極の組合せ、又は薄膜ヒータ、薄膜温度センサ及び感応検出用電極の組合せが、同一材料で形成してなることを特徴とするヒータデバイスにある。 A sixth invention is the fourth invention, wherein the combination of the thin film heater and the sensitive detection electrode, or the combination of the thin film temperature sensor and the sensitive detection electrode, or the combination of the thin film heater, the thin film temperature sensor and the sensitive detection electrode, The heater device is formed of the same material.
第7の発明は、第4乃至6のいずれか一つの発明において、前記感応検出用電極が、電気絶縁薄膜と感応物質薄膜を介して薄膜温度センサ上に略均一膜厚で配置されてなることを特徴とするヒータデバイスにある。 According to a seventh invention, in any one of the fourth to sixth inventions, the sensitive detection electrode is disposed on the thin film temperature sensor with a substantially uniform film thickness through the electrically insulating thin film and the sensitive material thin film. It is in the heater device characterized by this.
第8の発明は、第4乃至7のいずれか一つの発明において、前記感応検出用電極が、気体感応検出用電極、湿度感応検出用電極、匂い感応検出用電極、又はバイオ感応検出用電極のいずれかであることを特徴とするヒータデバイスにある。 According to an eighth invention, in any one of the fourth to seventh inventions, the sensitive detection electrode is a gas sensitive detection electrode, a humidity sensitive detection electrode, an odor sensitive detection electrode, or a biosensitive detection electrode. The heater device is any of the above.
第9の発明は、薄膜の放熱量変化を、該薄膜の温度変化情報から得るようにして、気体の物理的又は化学的変化を計測する熱伝導型の気体センサ装置において、薄膜ヒータの温度制御を第1乃至7のいずれか一つの発明に記載のヒータデバイスを用いて行い、このヒータデバイスを駆動する駆動回路、温度制御回路と演算回路とを有することを特徴とする気体センサ装置にある。 According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a heat conduction type gas sensor device for measuring a physical or chemical change of a gas by obtaining a change in heat radiation amount of the thin film from temperature change information of the thin film. The gas sensor device is characterized in that the heater device described in any one of the first to seventh inventions is used and includes a drive circuit, a temperature control circuit, and an arithmetic circuit for driving the heater device.
第10の発明は、周囲気体からの特定の気体に感応する気体感応物質薄膜の電気抵抗変化から、この特定の気体の濃度を検出できるようにした気体センサ装置において、前記薄膜ヒータの温度制御を第4乃至7のいずれか一つの発明に記載のヒータデバイスを用いて行い、このヒータデバイスを駆動する駆動回路、温度制御回路と演算回路とを有することを特徴とする気体センサ装置にある。 According to a tenth aspect of the present invention, in the gas sensor device capable of detecting the concentration of the specific gas from the change in electric resistance of the gas sensitive material thin film sensitive to the specific gas from the surrounding gas, the temperature control of the thin film heater is performed. A gas sensor device comprising: a heater circuit according to any one of the fourth to seventh inventions, and a drive circuit, a temperature control circuit, and an arithmetic circuit for driving the heater device.
本発明に係るヒータデバイスは、少なくとも四端子法により均一な温度領域から、気体の物理的又は化学的変化を計測して、周囲気体からの特定の気体の濃度を検出することにより、出力変動が低減された信頼性の高い検出が得られる利点がある。 The heater device according to the present invention measures the physical or chemical change of the gas from a uniform temperature range by at least the four-terminal method, and detects the concentration of a specific gas from the surrounding gas, so that the output fluctuation is There is an advantage that reduced and highly reliable detection can be obtained.
また、薄膜ヒータと薄膜温度センサとが、同一材料とすることで、例えば、感温抵抗体からなる薄膜ヒータと薄膜温度センサが同一面に形成されていると、作業工程が簡素化し、製造時間が短縮するため、製造コストを大幅に低減できるという利点がある。 Further, since the thin film heater and the thin film temperature sensor are made of the same material, for example, if the thin film heater and the thin film temperature sensor made of a temperature sensitive resistor are formed on the same surface, the work process is simplified and the manufacturing time is reduced. Therefore, the manufacturing cost can be greatly reduced.
また、薄膜温度センサの周りに薄膜ヒータを配置し、この薄膜温度センサには、前記薄膜ヒータから電流が流れるようにすることで、薄膜ヒータと薄膜温度センサとを別材料で作製したときにも、電流が双方に流れるようにしたことで、簡略化したパターン形成や電流を流す駆動回路を備えるときに短絡化できるという利点がある。 In addition, a thin film heater is disposed around the thin film temperature sensor, and a current flows from the thin film heater so that the thin film heater and the thin film temperature sensor are made of different materials. Since the current flows to both sides, there is an advantage that a short circuit can be formed when a simplified pattern formation and a drive circuit for passing a current are provided.
また、薄膜ヒータと薄膜温度センサを電気絶縁性薄膜で覆い、この電気絶縁性薄膜の上に、少なくとも一対の気体に感応する気体感応検出用電極を設けた気体感応物質薄膜が形成してあり、特定気体の存在に対して気体感応物質薄膜の電気的特性の変化を前記一対の気体感応検出用電極で検出できるようにすることで、薄膜の面積を縮小することができ、ヒータデバイスを低消費電力化することができ、超小型化にできるという利点がある。 Further, the thin film heater and the thin film temperature sensor are covered with an electrically insulating thin film, and a gas sensitive material thin film provided with a gas sensitive detection electrode sensitive to at least a pair of gases is formed on the electrically insulating thin film, By making it possible to detect the change in the electrical characteristics of the gas sensitive material thin film with the pair of gas sensitive detection electrodes in response to the presence of a specific gas, the area of the thin film can be reduced, and the heater device is reduced in consumption. There is an advantage that it can be made electric and can be miniaturized.
また、一対の気体感応検出用電極を密な櫛歯状電極で形成することで高感度に検出できるという利点がある。 Further, there is an advantage that detection can be performed with high sensitivity by forming a pair of gas sensitive detection electrodes with dense comb-like electrodes.
本発明の薄膜ヒータと感応検出用電極、薄膜温度センサと感応検出用電極、又は、薄膜ヒータと薄膜温度センサおよび感応検出用電極のそれぞれの組合せとは、同一材料で形成することにより、作業工程が簡素化し、製造時間が短縮するという利点がある。 The thin film heater and the sensitive detection electrode of the present invention, the thin film temperature sensor and the sensitive detection electrode, or the combination of the thin film heater and the thin film temperature sensor and the sensitive detection electrode are formed of the same material, thereby providing a work process. Has the advantage of simplifying and shortening the manufacturing time.
また、前記感応検出用電極が、電気絶縁薄膜と感応物質薄膜を介して薄膜温度センサ上に略均一膜厚で配置されてなるので、接触面積は大きくなり、感度を向上するのに有効である。さらに、発熱させるために大きい電流を流す薄膜ヒータを縮小できるので電流も小さくなる利点がある。 In addition, since the sensitive detection electrode is disposed on the thin film temperature sensor with a substantially uniform film thickness through the electrically insulating thin film and the sensitive material thin film, the contact area is increased, which is effective for improving the sensitivity. . Furthermore, since the thin film heater that flows a large current to generate heat can be reduced, there is an advantage that the current is also reduced.
以下、本発明のヒータデバイスとこれを用いた気体センサ装置の実施例について、図面を参照して詳細を説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of a heater device of the present invention and a gas sensor device using the same will be described in detail with reference to the drawings. Note that the present invention is not limited to the embodiments. In addition, constituent elements in the following embodiments include those that can be easily assumed by those skilled in the art or those that are substantially the same.
図1および図2を用いて、本発明にかかるヒータデバイスの構成を説明する。図1は、本発明のヒータデバイスに関する一実施例の平面概略図であり、図2は、図1のX―Xにおける横断面図概略図である。図1および図2に示すように本発明にかかるヒータデバイスは、シリコンの基板1は(100)面の方位の基板となり、基板上に設けられた空洞部80上に薄膜10が形成されている。前記薄膜10は、耐熱性薄膜40と、その上に両端に薄膜ヒータ20−1、20−2が直列に配列している薄膜温度センサ21とからなる感温抵抗体22を形成し、該薄膜ヒータ20−1、20−2と薄膜温度センサ21とからなる感温抵抗体22を電気絶縁性薄膜50で被覆するようにしている。
The configuration of the heater device according to the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. 1 is a schematic plan view of an embodiment of the heater device according to the present invention, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view taken along line XX of FIG. As shown in FIGS. 1 and 2, in the heater device according to the present invention, the silicon substrate 1 is a substrate having a (100) plane orientation, and the
前記シリコンの基板1には、スパッタリングにて酸化タンタルからなる耐熱性薄膜40、白金からなる薄膜ヒータ20−1、20−2又は薄膜温度センサ21を堆積し、薄膜ヒータ20−1、20−2又は薄膜温度センサ21のパターニングをフォトリソグラフィとドライエッチングにより部分的に除去している。その後、同様にスパッタリングにて酸化タンタルからなる電気絶縁性薄膜50を堆積するようにしている。以降、フォトリソグラフィとドライエッチングすることで各種の層を除去し、薄膜10をマスクとTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)溶液によりシリコンの基板1をエッチング除去して、空洞80を形成したマイクロブリッジ構造(架橋部をもつ構造)を有するヒータデバイスとしている。
On the silicon substrate 1, a heat-resistant
そして、本実施例にかかるヒータデバイスは、基板1から空洞部80を介して熱分離された薄膜10と、該薄膜10の表面に設けられた薄膜ヒータ20と薄膜温度センサ21とからなる感温抵抗体22と、前記感温抵抗体22に電流を印加する電流端子101−1、101−2と、前記感温抵抗体22の電圧を測定する少なくとも一対の電圧端子102−1、102−2とを具備してなり、四端子法により求めた前記感温抵抗体の情報を基に、前記薄膜の温度を制御するようにしている。
The heater device according to the present example is a temperature sensitive device including a
また、本実施例では、前記感温抵抗体22の薄膜温度センサ21が前記薄膜10の中心部に配設されてなり、前記四端子法により薄膜の中心部付近の温度を正確に計測することにより、さらに高精度に薄膜ヒータ20の温度を制御するようにしている。
In this embodiment, the thin
本実施例によれば、少なくとも四端子を用いて求めた前記感温抵抗体22の情報を基に、感温抵抗体22の温度を制御するようにしたことで、温度均一となる領域のうちの特定領域の温度のみを正確に計測することができる。
According to the present embodiment, the temperature of the temperature
実施例1にかかるヒータデバイスの駆動方法としては、電流端子101−1、101−2と電圧端子102−1、102−2の端には、薄膜ヒータ20のボンディングパット201−1、201−2と薄膜温度センサ21のボンディングパット202−1、202−2が形成されており、薄膜ヒータ20のボンディングパット201−1、201−2に電流を印加することで、薄膜ヒータ20が発熱する。これと同時に、薄膜温度センサ21も発熱する。
As a driving method of the heater device according to the first embodiment, bonding pads 201-1 and 201-2 of the thin film heater 20 are provided at the ends of the current terminals 101-1 and 101-2 and the voltage terminals 102-1 and 102-2. And the bonding pads 202-1 and 202-2 of the thin
ここで、前記薄膜ヒータ20は、周囲雰囲気の状態から温度変化するが、架橋部70の付近へと放熱が生じてしまうので、前記薄膜10において、中心部と外周部において温度差が生じてしまうが、本実施例のように、薄膜10の中心部の均一温度領域である薄膜温度センサ21における抵抗値(電圧)を四端子法、すなわち電流端子101−1、101−2に流す電流と電圧端子102−1、102−2を用いて検出することで、高精度計測が可能となる。
Here, although the temperature of the thin film heater 20 changes from the state of the ambient atmosphere, since heat is radiated to the vicinity of the bridging
さらに薄膜10の不均一な温度分布がある中で、平均的な温度ではなく、最も温度が高い領域である中心部の温度を部分的に検出することにより、更に高感度となると共に信頼性と安定性の高い抵抗値の変化による温度変化情報を得ることができる。
Furthermore, in the presence of non-uniform temperature distribution of the
また、前記薄膜温度センサ21の感度を上げるためには、前記薄膜温度センサ21を薄膜ヒータ20と兼用にして、大きな電流を流して測定するようにしてもよく、その方が感度向上に有利である。
In order to increase the sensitivity of the thin
また、図3に示すように、薄膜温度センサ21をジグザグ状なパターンとし、該薄膜センサの両端部において、薄膜ヒータ20−1、20−2を直列配列させ、該薄膜温度センサ21に複数の端子を設けるようにし、四端子以上の複数の端子を用いて計測するようにしてもよい。
この際、薄膜ヒータ20−1、20−2の一部に設けられた電圧端子V11−V12間又は電圧端子V21−V22間の抵抗値(出力電圧)を計測することで、感温抵抗体22のうちのこの領域の温度センサとして利用することができる。ヒータとして大きな電流を流すので、電圧端子間の間隔が狭くとも出力電圧は大きくなり、高感度に抵抗検出、すなわち、温度検出が可能になる。なお、本実施例では、V21−V22を計測する端子は省略している。
Further, as shown in FIG. 3, the thin
At this time, by measuring the resistance value (output voltage) between the voltage terminals V 11 and V 12 or the voltage terminals V 21 and V 22 provided in a part of the thin film heaters 20-1 and 20-2, It can be used as a temperature sensor in this region of the
また、薄膜ヒータ20と薄膜温度センサ21とを同じ材質とする以外に、両者の材料を異種材料としたり、温度センサの配線を太くしたりすることで、薄膜ヒータ21と薄膜温度センサ21との抵抗と温度を変化することができる。
In addition to using the same material for the thin film heater 20 and the thin
なお、本実施例では、架橋部70を形成してなるマイクロブリッジ構造としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、空洞80を有する例えばカンチレバ構造、ダイアフラム構造、犠牲層を用いて基板1上に浮かせたフローティング構造等の種々の構成としてもよい。
In this embodiment, the microbridge structure is formed by forming the bridging
本実施例では、薄膜ヒータ20と薄膜温度センサ21が感温抵抗体22からなることから、白金膜を用いるのが最適であり、これにより作業工程が簡素化し、製造時間が短縮するため、製造コストを低減化できる。
In this embodiment, since the thin film heater 20 and the thin
また、エアブリッジ構造の中心部付近の温度は均一な部分に、薄膜温度センサ21を別離して薄膜ヒータ20で囲うような形状とするようにしてもよい。
Alternatively, the thin
また、前記薄膜温度センサ21はサーミスタで構成してあり、前記薄膜ヒータ20は例えば金、ニッケル、銅等の材料により構成し、その用途に応じて適宜異なるようにしてもよい。
The thin
ここで、前記耐熱性薄膜40及び電気絶縁性薄膜50は、酸化タンタルと同一材料にした方が、エッチングなどの作業性が容易となり、製造コストが低減化できる。
Here, when the heat-resistant
また、薄膜10は、200〜500℃の高温となるために、耐熱性と電気絶縁性に優れている酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムなどで構成することが望ましい。
Moreover, since the
また、本実施例では、前記薄膜温度センサ21の検知する電圧端子102−1、102−2は一対としているが、安定性と信頼性を向上させるために、薄膜10の中心部に複数対の端子を構成するようにしてもよい。
In this embodiment, the voltage terminals 102-1 and 102-2 detected by the thin
本発明の実施例2について図4を参照して説明する。
実施例2は、前述した実施例1のヒータデバイスを基礎としてなり、その上に気体感応検出用電極30−1、30−2と気体感応物質薄膜60を形成して、特定の気体の濃度が検出できる構造としている。なお、実施例1と同一の部材については、同一の符号を付してその説明は省略する。
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
Example 2 is based on the heater device of Example 1 described above. Gas sensitive detection electrodes 30-1 and 30-2 and a gas sensitive material
図4を用いて、本発明にかかるヒータデバイスの構成を説明する。図4は本発明ヒータデバイスに関する他の一実施例の横断面概略図である。
図4に示すように、本実施例にかかるヒータデバイスは、シリコンの基板1は(100)面の方位の基板となり、基板上に設けられた空洞上に絶縁性の耐熱性薄膜40を備える薄膜10が形成され、前記薄膜10は、耐熱性薄膜40と、その上にジグザグ状なパターンで、薄膜ヒータ20−1と薄膜ヒータ20−2との間に直列配列している薄膜温度センサ21とを配設しており、薄膜ヒータ20と薄膜温度センサ21を電気絶縁性薄膜50で覆われている。
The configuration of the heater device according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of another embodiment relating to the heater device of the present invention.
As shown in FIG. 4, in the heater device according to this example, the silicon substrate 1 is a substrate having a (100) plane orientation, and a thin film having an insulating heat-resistant
四端子法による温度均一領域の温度検出における構成は、前述した実施例1と同様であり、電気絶縁性薄膜50を気体感応物薄膜60で覆い、その上に一対の櫛歯状からなる気体感応検出用電極30−1、30−2を形成している。
The configuration in the temperature detection of the temperature uniform region by the four-terminal method is the same as that of the first embodiment described above, and the gas-sensitive material
ここで、前記気体感応検出用電極30−1、30−2は、電気絶縁薄膜50と気体感応物薄膜60を介して薄膜温度センサ21に略均一膜厚で配置してあり、薄膜温度センサ21の断面構造に基づく形状が反映するように、気体感応検出用電極30―1、30−2の断面形状も該薄膜温度センサ21の形状に対応した形状としている。
Here, the gas sensitive detection electrodes 30-1 and 30-2 are arranged on the thin
前記シリコンの基板1には、スパッタリングにて酸化タンタル膜からなる耐熱性薄膜40、白金膜からなる薄膜ヒータ20又は薄膜温度センサ21、薄膜ヒータ20又は薄膜温度センサ21のパターニングをフォトリソグラフィとドライエッチングにより部分的に除去する。
その後、同様にスパッタリングにて酸化タンタル膜からなる電気絶縁性薄膜50と酸化スズ膜からなる気体感応物質薄膜60と白金膜からなる気体感応検出用電極30−1、30−2を堆積し、気体感応検出用電極30−1、30−2のパターニングをフォトリソグラフィとドライエッチングにより部分的に除去する。
The silicon substrate 1 is patterned by heat-resistant
Thereafter, an electrically insulating
以降、フォトリソグラフフィとドライエッチングすることで各種の層を除去し、薄膜10をマスクとTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)溶液によりシリコンの基板1をエッチング除去して、空洞80を形成したマイクロブリッジ構造としている。
Thereafter, various layers are removed by dry etching with photolithography, and the
実施例2にかかるヒータデバイス駆動方法では、実施例1と同様に、図示しないが、電流端子101−1、101−2と電圧端子102−1、102−2及び気体感応検出用電極配線の端には、薄膜ヒータ20−1,20−2のボンディングパット201−1、201−2と薄膜温度センサ21のボンディングパット202−1、202−2が形成されており、さらに図示しないが気体感応検出用電極30−1、30−2のボンディングパットが形成されている。
そして、薄膜ヒータ20−1,20−2のボンディングパット201−1、201−2に電流を印加することで、薄膜ヒータ20−1,20−2は発熱すると、同様に、薄膜温度センサ21も発熱される。薄膜ヒータ20−1,20−2は、周囲の雰囲気の状態から電気抵抗によって温度変化をするが、架橋部70の付近へと放熱が生じてしまう。
In the heater device driving method according to the second embodiment, as in the first embodiment, although not illustrated, the current terminals 101-1 and 101-2, the voltage terminals 102-1 and 102-2, and the ends of the gas sensitive detection electrode wirings. Are formed with bonding pads 201-1 and 201-2 of the thin film heaters 20-1 and 20-2 and bonding pads 202-1 and 202-2 of the thin
When the thin film heaters 20-1 and 20-2 generate heat by applying current to the bonding pads 201-1 and 201-2 of the thin film heaters 20-1 and 20-2, similarly, the thin
このことから、薄膜10の中心部の均一温度領域である薄膜温度センサ21における抵抗値(電圧)を検出四端子法、すなわち電流端子101−1、101−2に流す電流と電圧端子102−1、102−2を用いて検出することで、高精度計測が可能であり、さらに薄膜10の不均一な温度分布がある中で、平均的な温度ではなく、最も温度が高い領域である中心部の温度を部分的に検出することにより高感度となると共に、信頼性と安定性の高い抵抗値の変化による温度変化情報が得られる。
From this, the resistance value (voltage) in the thin
その温度情報を基に薄膜10の中心部の均一温度領域を薄膜ヒータ20の発熱で200〜500℃に制御する。制御された温度によって、気体感応物質薄膜60は電気抵抗変化を一対の櫛歯からなる気体感応検出用電極30−1、30−2で抵抗値(電圧)を検出することにより、特定の気体の濃度変化を検出できる。
Based on the temperature information, the uniform temperature region at the center of the
図5では、気体感応検出用電極30−1、30−2は、電気絶縁薄膜50と気体感応物質薄膜60を介して薄膜温度センサ21に略均一膜厚で配置したものを示しており、本実施例では、ジグザグ状に形成した薄膜温度センサ21の断面構造に基づく凸凹形状が反映するように、気体感応検出用電極30−1、30−2の断面形状も凸凹形状に形成している。このように凸凹形状に電極を形成することにより、対となる気体感応検出用電極30−1、30−2の表面積を稼ぐことができ、平面な形状のものより出力の大きい情報が得られる。
In FIG. 5, the gas sensitive detection electrodes 30-1 and 30-2 are arranged with a substantially uniform film thickness on the thin
このように、気体感応検出用電極30−1、30−2を薄膜10の中心部の均一温度領域に備えるには、気体感応検出用電極30−1、30−2の形成する範囲はできるだけ小さい方が有利であり、凸凹形状にすることによって、一対の気体感応検出用電極30−1、30−2の接触面積は大きくなるため、感度を向上するのに有効である。
Thus, in order to provide the gas sensitive detection electrodes 30-1 and 30-2 in the uniform temperature region at the center of the
さらに、発熱させるために大きい電流を流す薄膜ヒータ20を縮小できるので電流も小さくなる利点がある。このようにすることにより、極めて小型で、低消費なヒータデバイスが提供できる。 In addition, since the thin film heater 20 through which a large current flows to generate heat can be reduced, there is an advantage that the current is also reduced. In this way, an extremely small heater device with low consumption can be provided.
また、気体感応検出用電極30−1、30−2は、薄膜10の中心部の均一温度領域に形成されていることから、温度ムラのない信頼性の高い情報が得られる。
Further, since the gas sensitive detection electrodes 30-1 and 30-2 are formed in the uniform temperature region at the center of the
本実施例では、気体感応物質薄膜60は酸化スズからなっているが、気体に感応する膜として、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化銅、酸化クロム等やそれらの主成分からなるものでもよく、その成膜方法は、真空蒸着法、プラズマCVD法、スクリーン印刷法等を用いてもよい。
In this embodiment, the gas sensitive material
また、実施例2では、気体感応物質薄膜60の上に一対の櫛歯状からなる気体感応検出用電極30−1、30−2を形成しているが、一対の櫛歯状からなる気体感応検出用電極30−1、30−2の上に気体感応物質薄膜60を形成した構成でも構わない。
In Example 2, the gas sensitive detection electrodes 30-1 and 30-2 each having a pair of comb teeth are formed on the gas sensitive material
本実施例では、実施例1と同様な薄膜ヒータ20と薄膜温度センサ21の構造や材料が望ましい.また、薄膜ヒータ20と薄膜温度センサ21と気体感応検出電極30−1、30−2は、白金等に限定した方が作業工程を簡素化することができ、製造時間を短縮できる。
In this embodiment, the structure and materials of the thin film heater 20 and the thin
また、材料において、感応検出電極30−1、30−2は、金、ニッケル、銅を構成していると用途に応じて異なってもよい。 Further, in the material, the sensitive detection electrodes 30-1 and 30-2 may be different depending on the application if they constitute gold, nickel, and copper.
前述した実施例では、前記感応検出用電極として、気体感応検出用電極を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば湿度感応検出用電極、匂い感応検出用電極、又はバイオ感応検出用電極等各種電極を用い、目的の用途に応じたセンシングを行うことができる。 In the above-described embodiments, the gas sensitive detection electrode is exemplified as the sensitive detection electrode. However, the present invention is not limited to this. For example, the humidity sensitive detection electrode, the odor sensitive detection electrode, or the bio Sensing according to the intended application can be performed using various electrodes such as a sensitive detection electrode.
図6には、本発明ヒータデバイスを搭載した気体センサ装置の構成の概略をブロック図で示したものである。
本実施例では、実施例にかかるヒータデバイス1001として、薄膜10に係わる温度検出部分がある半導体のチップに駆動回路の少なくとも一部を集積化した場合であり、これに、電源部1002、基準温度補正回路1003、温度制御回路1004、演算回路1005と出力表示部1006の必要な周辺機器を搭載しており、そして、薄膜10の放熱量変化を薄膜10の温度変化情報から得るようにして、気体の物理的又は化学的変化を計測する熱伝導型の気体センサ装置として実施した場合を示すものである。
FIG. 6 is a block diagram showing an outline of the configuration of the gas sensor device equipped with the heater device of the present invention.
In this embodiment, the
また、周囲気体からの特定の気体に感応する気体感応物質薄膜60の電気抵抗変化から、この特定の気体の濃度を検出できるようにすることができる。なお、上述の周辺機器は、従来の公知の技術で実施できる。
In addition, the concentration of the specific gas can be detected from the change in electric resistance of the gas sensitive material
本発明のヒータデバイスとこれを用いた気体センサ装置は、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、種々の変形がありうる。 The heater device of the present invention and the gas sensor device using the heater device are not limited to the present embodiment, and various modifications may be made while the gist, operation, and effect of the present invention are the same.
また、本発明では、少なくとも四端子以上の端子を用いて計測することで、宙に浮いた薄膜の均一な温度領域のうちの最も高温となる中心部付近の領域から部分的に温度を検出して、その情報を基に気体の物理的又は化学的変化を計測、周囲気体からの特定の気体の濃度を高信頼性で安定に検出することができる出力変動が低減された信頼性の高い検出が得られるようにしたヒータデバイスを提供できる。よって、本発明のヒートデバイスは、最近の半導体微細加工技術と集積化技術を組み合わせたMicro Electro−Mechanical System(MEMS)技術により、超小型で容易に、しかも画一的なものが大量生産できるので、安価となる。 Further, in the present invention, by measuring using at least four terminals or more, the temperature is partially detected from the region near the central portion where the temperature is the highest among the uniform temperature regions of the thin film floating in the air. Based on this information, it can measure the physical or chemical change of gas, and can detect the concentration of a specific gas from the surrounding gas with high reliability and reliability. Can be provided. Therefore, the heat device of the present invention can be mass-produced easily and uniformly by using the micro electro-mechanical system (MEMS) technology that combines the latest semiconductor microfabrication technology and integration technology. It will be cheaper.
本発明のヒータデバイスは、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、匂いセンサ、バイオセンサ等の各種のセンサとして利用でき、これを用いた例えば気体センサ装置は、自動車のエンジン冷却水温度や吸入空気温度あるいは排気検知など、エンジンを最適状態で運転するための制御用や警報、エンジンの空熱比制御、また、防災用や保安用、プロセス制御、環境制御、省エネルギー、家電機器の知能化などの諸分野への発展が達成できる。 The heater device of the present invention can be used as various sensors such as a temperature sensor, a humidity sensor, a gas sensor, an odor sensor, and a biosensor. For example, a gas sensor device using the heater device can be used for an automotive engine coolant temperature, an intake air temperature, Various areas such as exhaust detection, control for operating the engine in the optimum state, alarms, engine air heat ratio control, disaster prevention and safety, process control, environmental control, energy saving, intelligent appliances, etc. Development can be achieved.
1 基板
10 薄膜
20 薄膜ヒータ
21 薄膜温度センサ
22 感温抵抗体
30−1、30−2 気体感応検出用電極
40 耐熱性薄膜
50 電気絶縁性薄膜
60 気体感応物質薄膜
70 架橋部
80 空洞部
101−1、101−2 電流端子
102−1、102−2 電圧端子
201−1、201−2 薄膜ヒータ20のボンディングパット
202−1、202−2 薄膜温度センサ21のボンディングパット
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (10)
該薄膜の表面に設けられた薄膜ヒータと薄膜温度センサとからなる感温抵抗体と、
前記感温抵抗体に電流を印加する一対の電流端子と、
前記感温抵抗体の電圧を測定する少なくとも一対の電圧端子とを具備してなり、
前記感温抵抗体の薄膜温度センサが前記薄膜の中心部の均一温度領域に配設されてあり、少なくとも前記一対の電流端子と一対の電圧端子とからなる四端子を用いて求めた前記感温抵抗体の情報を基に、前記薄膜の温度を制御すると共に、
前記感温抵抗体が薄膜温度センサと該薄膜温度センサの両端に連続して形成される薄膜ヒータとからなることを特徴とするヒータデバイス。 A thin film thermally separated from the substrate through a heat insulating part;
A temperature sensitive resistor comprising a thin film heater and a thin film temperature sensor provided on the surface of the thin film;
A pair of current terminals for applying a current to the temperature sensitive resistor;
Comprising at least a pair of voltage terminals for measuring the voltage of the temperature sensitive resistor,
The thin film temperature sensor of the temperature sensitive resistor is disposed in a uniform temperature region at the center of the thin film, and the temperature sensitive value obtained using at least four terminals including the pair of current terminals and the pair of voltage terminals. While controlling the temperature of the thin film based on the information of the resistor ,
A heater device, wherein the temperature sensitive resistor comprises a thin film temperature sensor and a thin film heater formed continuously at both ends of the thin film temperature sensor .
前記薄膜ヒータと薄膜温度センサとを、同一材料で形成してなることを特徴とするヒータデバイス。 Oite to claim 1,
A heater device, wherein the thin film heater and the thin film temperature sensor are formed of the same material.
前記薄膜温度センサの周囲に薄膜ヒータを配置してなることを特徴とするヒータデバイス。 In claim 1 or 2 ,
A heater device comprising a thin film heater disposed around the thin film temperature sensor.
前記薄膜ヒータと薄膜温度センサとを電気絶縁性薄膜で覆い、該電気絶縁性薄膜の上に、少なくとも一対の感応検出用電極を設けた感応物質薄膜を形成してなることを特徴とするヒータデバイス。 In any one of Claims 1 thru | or 3 ,
A heater device comprising: a thin film heater and a thin film temperature sensor covered with an electrically insulating thin film; and a sensitive material thin film provided with at least a pair of sensitive detection electrodes on the electrically insulating thin film. .
一対の感応検出用電極が櫛歯状電極であることを特徴とするヒータデバイス。 In claim 4 ,
A heater device, wherein the pair of sensitive detection electrodes are comb-like electrodes.
薄膜ヒータと感応検出用電極の組合せ、又は
薄膜温度センサと感応検出用電極の組合せ、又は
薄膜ヒータ、薄膜温度センサ及び感応検出用電極の組合せが、
同一材料で形成してなることを特徴とするヒータデバイス。 In claim 4 ,
A combination of a thin film heater and a sensitive detection electrode, or a combination of a thin film temperature sensor and a sensitive detection electrode, or a combination of a thin film heater, a thin film temperature sensor and a sensitive detection electrode.
A heater device formed of the same material.
前記感応検出用電極が、電気絶縁薄膜と感応物質薄膜を介して薄膜温度センサ上に略均一膜厚で配置されてなることを特徴とするヒータデバイス。 In any one of Claims 4 thru | or 6 ,
A heater device, wherein the sensitive detection electrode is disposed on a thin film temperature sensor with a substantially uniform film thickness through an electrically insulating thin film and a sensitive material thin film.
前記感応検出用電極が、気体感応検出用電極、湿度感応検出用電極、匂い感応検出用電極、又はバイオ感応検出用電極のいずれかであることを特徴とするヒータデバイス。 In any one of Claims 4 thru | or 7 ,
The heater device, wherein the sensitive detection electrode is any one of a gas sensitive detection electrode, a humidity sensitive detection electrode, an odor sensitive detection electrode, and a biosensitive detection electrode.
薄膜ヒータの温度制御を請求項1乃至7のいずれか一つに記載のヒータデバイスを用いて行い、このヒータデバイスを駆動する駆動回路、温度制御回路と演算回路とを有することを特徴とする気体センサ装置。 In a heat conduction type gas sensor device for measuring a physical or chemical change of a gas by obtaining a change in heat radiation amount of the thin film from temperature change information of the thin film,
A gas characterized in that the temperature control of the thin film heater is performed using the heater device according to any one of claims 1 to 7 and includes a drive circuit, a temperature control circuit, and an arithmetic circuit for driving the heater device. Sensor device.
前記薄膜ヒータの温度制御を請求項4乃至7のいずれか一つに記載のヒータデバイスを用いて行い、このヒータデバイスを駆動する駆動回路、温度制御回路と演算回路とを有することを特徴とする気体センサ装置。 In the gas sensor device that can detect the concentration of the specific gas from the electric resistance change of the gas sensitive material thin film that is sensitive to the specific gas from the surrounding gas,
The temperature control of the thin film heater is performed using the heater device according to any one of claims 4 to 7 , and includes a drive circuit, a temperature control circuit, and an arithmetic circuit for driving the heater device. Gas sensor device.
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