CN105424749B - 接触燃烧式气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供接触燃烧式气体传感器，该接触燃烧式气体传感器检测可燃性气体，其具备：绝热部；加热器，其形成在绝热部上；气体反应膜，其在绝热部上形成在加热器上，并包括承载可燃性气体的燃烧催化剂的载体；测温元件，其在绝热部上形成在气体反应膜附近；均热部，其形成在绝热部上，并且配置在绝热部和气体反应膜之间。该均热部构成为使传递至均热部的热向均热部整体分散。

Description

接触燃烧式气体传感器
技术领域
本发明涉及检测可燃性气体的接触燃烧式气体传感器，特别涉及在接触燃烧式气体传感器中，进一步提高可燃性气体的检测灵敏度的技术。
本申请基于2014年9月16日在日本申请的特愿2014-187772号主张优先权，在此引用其内容。
背景技术
一直以来，作为检测氢气等可燃性气体的气体传感器，使用如下接触燃烧式气体传感器：其使用催化剂使可燃性气体燃烧，并对燃烧热引起的催化剂温度的上升进行电气检测。在这样的接触燃烧式气体传感器中，与各种传感器相同地，一直要求进一步提高检测灵敏度，并且通过各种方法实现高灵敏度化。例如，在日本国特开2001-99801号公报中，提出了如下方案：为了针对低浓度的可燃性气体和灵敏度低的可燃性气体提高气体检测灵敏度，在相对于可燃性气体的燃烧作为催化剂发挥作用的催化剂层(气体检测膜)的附近形成用于促进可燃性气体的燃烧的加热器。
然而，在利用加热器对气体检测膜进行加热的情况下，由加热器产生的热未均匀地传递至气体检测膜，从而有可能在气体检测膜上发生温度不均。并且，若气体检测膜自身的催化剂粒子的分布或膜厚不均匀，则可燃性气体的燃烧的发热量变得不均匀，从而有可能在气体检测膜上发生温度不均。一般情况下，使可燃性气体燃烧的燃烧催化剂的活性主要依赖于温度，因此若发生温度不均并产生低温区域，则在该区域内，催化剂燃烧量大大降低。因此，若发生温度不均，则整个气体检测膜上的可燃性气体的催化剂燃烧量降低，气体的检测灵敏度有可能降低。
发明内容
本发明是为了解决上述现有课题而完成的，其目的在于提供如下技术，在检测可燃性气体的接触燃烧式气体传感器中，使用于检测可燃性气体的气体反应膜的温度均匀化。
本发明的接触燃烧式气体传感器具备：绝热部；加热器，其形成在所述绝热部上；气体反应膜，其在所述绝热部上形成在所述加热器上，并包括承载所述可燃性气体的燃烧催化剂的载体；测温元件，其在所述绝热部上形成在所述气体反应膜附近；均热部，其形成在所述绝热部上，并且配置在所述绝热部和所述气体反应膜之间，所述均热部构成为使传递至所述均热部的热向所述均热部整体分散。
根据该结构，由加热器和气体反应膜产生的热传递至均热部，并向均热部整体分散。因此，由加热器产生的热更均匀地传递至气体反应膜，并且热从气体反应膜的高温区域经由均热部传递至低温区域，因此气体反应膜的温度均匀化。
所述均热部可以具有分别形成的第一均热部和第二均热部，所述加热器可以配置在所述第一均热部和所述第二均热部之间。
通过将加热器配置在第一均热部和第二均热部之间，能够使在加热器中产生的热更均匀地分散。因此，能够使由加热器产生的热更均匀地传递至气体反应膜，因此能够使气体反应膜的温度更均匀。
所述测温元件可以是包括由彼此不同的材料形成的第一热电元件和第二热电元件的热电对的温接点，所述均热部可以由与所述第一热电元件相同的材料形成。
通过利用与第一热电元件相同的材料形成均热部，能够同时形成第一热电元件和均热部。因此，能够进一步简化接触燃烧式气体传感器的制造工序。
所述均热部可以由金属形成。
通过利用金属形成均热部，能够使由金属形成的配线等和均热部同时形成。因此，能够进一步简化接触燃烧式气体传感器的制造工序。
所述接触燃烧式气体传感器可以还具备补偿部，该补偿部与具有所述加热器、所述气体反应膜、所述测温元件和所述均热部的气体检测部分别设置，所述补偿部具有：补偿部加热器，其形成在所述绝热部上；参照膜，其在所述绝热部上形成在所述补偿部加热器上，并包括未承载所述可燃性气体的燃烧催化剂的载体；补偿部测温元件，其在所述绝热部上形成在所述参照膜附近；补偿部均热部，其形成在所述绝热部上，并配置在所述绝热部和所述参照膜之间，所述补偿部均热部构成为使传递至所述补偿部均热部的热向所述补偿部均热部整体分散。
通过在所述接触燃烧式气体传感器中设置与气体检测部同样地构成的补偿部，能够对外部因素引起的气体反应膜的温度变化进行补偿，因此能够进一步提高可燃性气体的检测灵敏度。
另外，本发明能够以各种方式实现。例如，能够以气体传感器；利用该气体传感器的传感器模块；使用该传感器模块的可燃气体检测装置及可燃气体检测系统；使用这些气体传感器、传感器模块及可燃气体检测装置的气密性实验装置或气密性实验系统等方式来实现。
附图说明
图1A及图1B是表示本发明的第一实施方式中的传感器模块的剖视图及俯视图。
图2A及图2B是表示在制造工序的中间阶段制造的第一实施方式的气体传感器的半成品的俯视图及剖视图。
图3A及图3B是表示在图2A及图2B所示的制造工序之后的工序中制造的第一实施方式的气体传感器的半成品的俯视图及剖视图。
图4A及图4B是表示在图3A及图3B所示的制造工序之后的工序中制造的第一实施方式的气体传感器的半成品的俯视图及剖视图。
图5A、图5B及图5C是表示在图4A及图4B所示的第一实施方式的气体传感器的半成品上形成的均热膜的形成图案的例子的俯视图。
图6A及图6B是表示在图4A及图4B所示的制造工序之后的工序中制造的第一实施方式的气体传感器的俯视图及剖视图。
图7A及图7B是表示在制造工序的中间阶段制造的本发明的第二实施方式的气体传感器的半成品的俯视图及剖视图。
图8A及图8B是表示在图7A及图7B所示的制造工序之后的工序中制造的第二实施方式的气体传感器的半成品的俯视图及剖视图。
图9A及图9B是表示在图8A及图8B所示的制造工序之后的工序中制造的第二实施方式的气体传感器的半成品的俯视图及剖视图。
图10A及图10B是表示在图9A及图9B所示的制造工序之后的工序中制造的第二实施方式的气体传感器的俯视图及剖视图。
具体实施方式
A.第一实施方式：
A1.传感器模块：
图1A及图1B是表示本发明的第一实施方式中的接触燃烧式气体传感器模块10(以下，也简称为“传感器模块10”)的结构的说明图。图1A表示传感器模块10的剖面。在第一实施方式的传感器模块10中，传感器芯片100安装于由壳体11和盖12构成的封装19内。盖12由金属网或者多孔陶瓷形成，该金属网例如由不锈钢或黄铜等烧结金属、不锈钢等制成。由此，确保了封装19内外的透气性，同时抑制了传感器芯片100的污染，并且，实现了传感器模块10自身的防爆化。通过使设有空洞部119的基板110利用装片部件15粘接于壳体11，而使传感器芯片100被固定于壳体11。
图1B表示从上表面观察固定于壳体11的传感器芯片100的样子。图1B中的点划线A是表示图1A所示的剖面的位置的剖面线。并且，点划线C1、C2是表示传感器芯片100的中心位置的中心线。如图1B所示，在传感器芯片100的上表面形成有露出导电膜的焊盘P11～P15。通过利用线16对该焊盘P11～P15和连接于壳体11的外部电极13的端子14进行连接，而能够进行传感器芯片100和外部电路的连接。
在传感器芯片100的上表面设有用于使可燃性气体催化燃烧的气体反应膜191、用于比较的参照膜192。当可燃性气体透过盖12到达传感器芯片100时，在气体反应膜191上，可燃性气体进行催化燃烧，产生与可燃性气体的浓度对应的量的热。因此，气体反应膜191根据可燃性气体的浓度而温度上升。另一方面，参照膜192不发生催化燃烧引起的温度上升。对于详细情况在后面说明，但传感器芯片100输出表示气体反应膜191和参照膜192各自的温度的信号。通过基于这些输出信号，求出因可燃性气体的催化燃烧而温度上升的气体反应膜191、与未发生可燃性气体引起的温度上升的参照膜192的温度差，能够测定环境中的可燃性气体的浓度。另外，这样，传感器芯片100在传感器模块10中发挥检测气体的功能，因此也可以说是气体传感器本身。因此，以下，将传感器芯片100简称为“气体传感器100”。
如图1B所示，气体传感器100相对于沿横方向延伸的中心线C1形成对称，并且，相对于沿纵方向延伸的中心线C2形成大致对称。因此，以下，除非必要，对于这样的具有对称性的部分，仅对其中之一进行说明。另外，比中心线C1更靠气体反应膜191侧的部分构成为输出表示气体反应膜191的温度的信号，即与环境中的可燃性气体的浓度对应的信号，并且比中心线C1更靠参照膜192侧的部分输出用于补偿外部因素引起的气体反应膜191的温度变化的信号。因此，气体反应膜191侧的部分可以说是检测气体的气体检测部，参照膜192侧的部分可以说是补偿外部因素引起的输出变动的补偿部。这样，在气体传感器100中，气体检测部和补偿部形成为大致对称，因此能够以高精度补偿环境温度的变化等外部因素引起的输出变动。
A2.气体传感器的制造工序：
如图1A所示，气体传感器100具有：基板110，其设有空洞部119；绝缘膜120，其形成于基板110的上表面。在绝缘膜120上层叠有多个膜(功能膜)，它们形成用于实现气体的检测功能的结构(后面说明)。具体地，通过在绝缘膜120上，将半导体、导电体及绝缘体等成膜，并根据需要形成图案，来形成各种功能膜。另外，这些功能膜可以使用作为半导体器件的制造方法公知的技术来形成，因此对于各功能膜的具体的形成方法省略说明。并且，对于在绝缘膜120及绝缘膜120上层叠的功能膜，随着气体传感器的制造工序和结构的变更，而适当增加或者省略。
图2A及图2B是表示气体传感器100的制造工序的中间阶段中的半成品(中间件)100a的形状的说明图。图2A表示从上表面观察半成品100a的样子，并且图2B表示图2A的剖面线A处的半成品100a的剖面。在气体传感器100的制造工序中，首先准备不具有空洞部119(图1A)的硅(Si)等的基板110a。接下来，通过在准备好的基板110a的上表面，将二氧化硅(SiO2)、氮化硅(Si3N4)及SiO2依次成膜，来形成绝缘膜120。另外，绝缘膜120也可以不是SiO2和Si3N4的多层膜，而是氮氧化硅(SiON)的单层膜。并且，通过在基板110a的背面，将SiO2及Si3N4依次成膜，来形成掩膜102a。
在基板110a上形成绝缘膜120和掩膜102a后，通过在成膜于基板110a的绝缘膜120上将n型多晶硅成膜，来形成n型半导体膜130。通过将该n型半导体膜130形成图案，得到在绝缘膜120上形成有n型热电元件131、加热器132、用于对加热器132通电的加热器配线133、134的半成品100a。
图3A及图3B是表示在图2A及图2B所示的工序之后的阶段中的半成品(中间件)100b的形状的说明图。图3A表示从上表面观察半成品100b的样子，并且图3B表示图3A的剖面线A处的半成品100b的剖面。在n型半导体膜130的形成(图2A及图2B)后，通过在半成品100a上将SiO2成膜，来形成第一层间绝缘膜140b。接下来，通过在第一层间绝缘膜140b上，将p型多晶硅成膜，来形成p型半导体膜150。通过将该p型半导体膜150形成图案，得到在第一层间绝缘膜140b上形成有p型热电元件151的半成品100b。
另外，作为n型半导体膜130及p型半导体膜150中的至少一方的材料，也可以代替多晶硅，而使用硅铁(FeSi2)、硅锗(SiGe)或者铋锑(BiSb)等各种半导体。另外，在第一实施方式中，在绝缘膜120上形成n型半导体膜130，在层间绝缘膜140b上形成p型半导体膜150，但也可以使这些半导体膜的掺杂型相反。而且，也可以将两个半导体膜130、150中的至少一方置换成由金属形成的导电膜。但是，在将两个半导体膜130、150双方置换成导电膜的情况下，2个导电膜由材质不同的金属形成。
图4A及图4B是表示图3A及图3B所示的工序之后的阶段中的半成品100c的形状的说明图。图4A表示从上表面观察半成品100c的样子，并且图4B表示图4A的剖面线A处的半成品100c的剖面。在形成p型半导体膜150(图3A及图3B)后，在半成品100b上将SiO2成膜，形成第二层间绝缘膜(未图示)。并且，同时对第一层间绝缘膜140b和第二层间绝缘膜形成图案。由此，形成设有开口部(接触孔)H11～H16的第一和第二层间绝缘膜140、160。在接触孔H12、H14、H15、H16中，露出n型半导体膜130，在接触孔H11、H13中，露出p型半导体膜150。
在形成第一和第二层间绝缘膜140、160后，进行铂(Pt)的成膜及形成图案，形成导电膜170。由此，得到形成有导电膜170的半成品100c。另外，作为形成导电膜170的材料，也可以代替Pt，而使用钨(W)、钽(Ta)、金(Au)、铝(Al)或者Al合金等、包括合金的各种金属。另外，也可以在导电膜170的至少一面形成由钛(Ti)或铬(Cr)形成的密合层。
如上所述，在第一和第二层间绝缘膜140、160上设有露出半导体膜130、150的接触孔H11～H16。因此，通过形成导电膜170，来形成将n型半导体膜130、p型半导体膜150和导电膜170连接的配线及电极，以实现规定的功能。具体地，温接点连接线171、冷接点连接线172、信号输出电极173、热电堆连接线174、加热器通电电极175及接地配线176形成为导电膜170。并且，在形成这些配线和电极的同时，在温接点连接线171的附近形成均热膜177。
温接点连接线171将上下层叠的n型热电元件131和p型热电元件151连接，形成用于测定气体反应膜191和参照膜192(图1A及图1B)的温度的温接点。冷接点连接线172将相邻的n型热电元件131和p型热电元件151连接，形成为作为温度测定的基准的冷接点，并且将由n型热电元件131和p型热电元件151构成的多个热电对串联连接。热电堆连接线174将串联连接热电对而成的热电堆进一步串联连接。信号输出电极173与被串联连接的热电堆的一端的p型热电元件151连接。另一方面，处于被串联连接的热电堆的另一端的n型热电元件131与接地配线176连接。由此，在信号输出电极173上，相对于接地配线176，产生与温接点和冷接点的温度差对应的电压。与加热器132连接的两个加热器配线133、134分别与加热器通电电极175和接地配线176连接，并且通过对加热器通电电极175和接地配线176之间施加电压，能够对加热器132通电。另外，这样，由温接点连接线171形成的温接点具有测定气体反应膜191和参照膜192的温度的功能，因此也可以称作测温元件。
图5A、图5B及图5C是表示均热膜的形成图案的例子的说明图。图5A表示第一实施方式中的均热膜177和在均热膜177附近形成的温接点连接线171的形成图案，图5B及图5C表示均热膜877、977、在均热膜877、977的附近形成的温接点连接线871、971的形成图案的变形例。如图5A所示，第一实施方式的均热膜177形成为在与温接点连接线171之间形成狭窄间隙SP1。这样，由于间隙SP1狭窄，所以在均热膜177和温接点连接线171之间良好地传递热。均热膜177和温接点连接线171均形成为热传导率高的导电膜170，因此在包括均热膜177和温接点连接线171的区域内，热向该区域整体分散，从而温度均匀化。这样，均热膜177和温接点连接线171使热分散，使包括均热膜177和温接点连接线171的区域的温度均匀化，因此也可以一并称作“均热部”。
在图5B的例子中，温接点连接线871沿均热膜877的中心方向延伸，因此在包括均热膜877和温接点连接线871的区域的大部分导电膜并不连续。然而，在图5B的情况下，均热膜877和温接点连接线871之间的间隙SP8也狭窄，因此能够使均热膜877和温接点连接线871之间的热的传递良好。因此，在形成有温接点连接线871的区域内，经由均热膜877传递热，因此在包括均热膜877和温接点连接线871的区域内，热向该区域的整体分散，从而温度均匀化。
在图5C的例子中，在相邻的温接点连接线971之间，未形成有均热膜977。因此，在相邻的温接点连接线971之间，热不能良好地传递。然而，在图5C的情况下，均热膜977在温接点连接线971的相邻方向上连续，并且，均热膜977和温接点连接线971之间的间隙SP9在与相邻方向正交的方向上狭窄。因此，在相邻的温接点连接线971之间，经由均热膜977充分良好地传递热，因此在包括均热膜977和温接点连接线971的区域内，热向该区域的整体分散，从而温度均匀化。
图6A及图6B是表示在图4A及图4B所示的阶段之后，通过进一步的工序而得到的气体传感器100的形状的说明图。图6A表示从上表面观察气体传感器100的样子，并且图6B表示图6A的剖面线A处的气体传感器100的剖面。在导电膜170的形成(图4A及图4B)后，在半成品100c上将SiO2成膜，形成保护膜180。通过保护膜180的形成图案来设置开口部181～183，由此形成露出信号输出电极173的焊盘(信号输出盘)P11、P13；露出加热器通电电极175的焊盘(加热器通电盘)P12、P14；露出接地配线176的焊盘(接地盘)P15。
在形成保护膜180后，形成设于基板110的空洞部119。在空洞部119的形成时，首先在掩膜102a上形成开口部109。接下来，通过将设有开口部109的掩膜102作为遮挡对基板110a进行蚀刻，来形成空洞部119。蚀刻例如可以通过使用四甲基氢氧化铵(TMAH)或氢氧化钾(KOH)的水溶液的结晶各向异性蚀刻来进行。另外，除了这样的湿法蚀刻之外，也可以通过所谓的博世(bosch)工艺等干法蚀刻来形成空洞部119。通过形成这样的空洞部119，形成绝缘膜120在背面侧露出的隔膜121。另外，根据图6A及图6B可知，该隔膜121形成为跨过空洞部119。
另外，在图6A及图6B的例子中，通过从下表面侧对基板进行蚀刻来形成空洞部119，但也可以从上表面侧对基本进行蚀刻来形成空洞部。在该情况下，可以在绝缘膜120、第一及第二层间绝缘膜140、160和保护膜180上设置贯通孔，并通过穿过该贯通孔对基板进行蚀刻来形成空洞部。在这样的从上表面侧对基板进行蚀刻的情况下，仅通过来自基板上表面侧的加工就能够制造气体传感器，并且，能够使基板的剩余部比从下表面侧进行蚀刻的情况多。因此，能够简化气体传感器的制造工序并进一步提高成品率，同时能够进一步提高蚀刻后的基板的强度，在这一点上，优选从上表面侧对基板进行蚀刻。另一方面，从基板的下表面侧进行蚀刻，不在绝缘膜120上设置贯通孔就能够形成空洞部119，因此抑制了在隔膜上形成贯通孔而强度降低的情况，能够抑制隔膜的破损，在这一点上，优选从下表面侧对基板进行蚀刻。
另外，空洞部并非必须设于基板。例如，也可以在基板和绝缘膜之间、或绝缘膜120和n型半导体膜及第一层间绝缘膜之间形成空洞部。这样的基板上的空洞部可以通过如下方式来形成，在基板或绝缘膜120上的形成空洞部的区域形成牺牲膜后，如上所述地形成直到保护膜为止的各功能膜，接下来设置从保护膜上表面到达牺牲膜的贯通孔，穿过该贯通孔除去牺牲膜。作为形成牺牲膜的材料，可以使用聚酰亚胺等树脂或多晶硅等半导体。由树脂形成的牺牲膜可以通过灰化除去，由半导体形成的牺牲膜可以通过蚀刻除去。但是，在使用半导体作为牺牲膜的情况下，为了阻止基板或n型半导体膜的蚀刻，在基板、或绝缘膜120及牺牲膜上形成由SiO2或Si3N4等形成的阻止膜。这样，在将空洞部形成在基板上的情况下，与对基板进行蚀刻的情况相比，能够进一步提高基板的强度。另一方面，在能够使气体传感器的制造工序进一步简化这一点上，优选对基板进行蚀刻。
空洞部119的形成后，在保护膜180上形成气体反应膜191及参照膜192。具体地，对形成气体反应膜191及参照膜192的区域，分别涂布含有用于承载作为燃烧催化剂的Pt微粒子的矾粒子的胶、含有未承载催化剂的矾粒子的胶。胶的涂布可以使用点胶机的涂布技术或丝网印刷技术来进行。在涂布胶之后，通过烧制，来形成气体反应膜191及参照膜192。这样，通过在保护膜180上形成气体反应膜191和参照膜192，得到气体传感器100。
另外，作为在气体反应膜191上使用的燃烧催化剂，也可以代替Pt微粒子，而使用钯(Pd)微粒子。并且，由于参照膜192的比热容接近气体反应膜191，所以也可以在用于形成参照膜192的胶中混入氧化铜(CuO)等金属氧化物。而且，也可以是在参照膜192所含有的载体上承载对于特定的气体选择性地作为催化剂发挥作用的燃烧催化剂(例如，Au的超微粒子)。在该情况下，关于该特定的气体之外的可燃性气体，可以在参照膜192的载体上不承载燃烧催化剂。
根据图6A及图6B可知，在第一实施方式的气体传感器100中，形成温接点的温接点连接线171、均热膜177、气体反应膜191及参照膜192、加热器132均形成在隔膜121上。另一方面，形成冷接点冷接点连接线172形成于基板110剩余的区域(基板区域)。另外，在气体传感器100中，作为均热部的温接点连接线171和均热膜177配置在加热器132和气体反应膜191及参照膜192之间。并且，气体反应膜191及参照膜192分别形成为小于均热部，以收纳在均热部的内侧。
另外，由温接点连接线171形成的温接点形成在气体反应膜191和参照膜192下，由冷接点连接线172形成的冷接点形成在未形成有空洞部119的基板区域上。但是，温接点并非必须形成在气体反应膜191和参照膜192下。一般情况下，温接点形成在气体反应膜191和参照膜192附近即可。即使这样，也能够测定气体反应膜191和参照膜192的温度。
A3.气体传感器的动作：
如图6A及图6B所示，温接点连接线171形成在气体反应膜191和参照膜192各自的下方，因此温接点连接线171的温度与气体反应膜191和参照膜192的温度大致相同。另一方面，如图1A及图1B所示，基板110利用装片部件15粘接于封装19的壳体11，因此配置于基板区域的冷接点连接线172的温度与封装19的温度和环境温度大致相同。因此，对信号输出盘P11、P13分别输出以环境温度为基准的与气体反应膜191及参照膜192的温度对应的电压。并且，通过取得两个信号输出盘P11、P13的输出电压的差，来补偿环境温度等外部因素，能够测定气体反应膜191和参照膜192的温度差。
在使气体传感器100动作时，对接地盘P15和加热器通电盘P12、P14之间施加电压，使加热器132发热，使气体反应膜191和参照膜192的温度上升。在气体反应膜191中，因温度上升而燃烧催化剂活性化。由此，在环境中存在可燃性气体的情况下，可燃性气体进行催化燃烧而发热，根据可燃性气体的浓度而温度上升。另一方面，参照膜192即使是在环境中存在可燃性气体的情况下也不发热。因此，在气体反应膜191和参照膜192上产生与可燃性气体的浓度对应的温度差。通过如上所述地测定该气体反应膜191和参照膜192的温度差，能够测定环境中的可燃性气体的浓度。
当利用由加热器132产生的热使气体反应膜191和参照膜192的温度上升时，若由加热器132产生的热未均匀地传递至气体反应膜191和参照膜192，则在气体反应膜191和参照膜192上发生温度不均。并且，若在气体反应膜191中催化剂粒子的分布或膜厚不均匀，则可燃性气体的燃烧的发热量变得不均匀，从而在气体反应膜191上发生温度不均。
若在气体反应膜191和参照膜192上发生温度不均，则隔膜121上的温度分布的对称性破坏，无法以充分高的精度进行使用具有参照膜192的补偿部的外部因素的补偿。因此，存在没有可燃性气体的情况下的两个信号输出盘P11、P13的电压的差(偏差)增大，或者环境温度和气体流量等的偏差的变化(偏移)增大的可能性。并且，若偏差或偏移增大，则低浓度的气体检测变得困难，并且，气体浓度的测定再现性有可能降低。
而且，若在气体反应膜191上发生温度不均，则气体反应膜191所具有的燃烧催化剂的活性在气体反应膜191内变化，因此对可燃性气体的检测灵敏度造成影响。具体地，燃烧催化剂的活性随着温度的降低而急剧降低，因此由于产生温度低的区域，而整个气体反应膜191上的可燃性气体的催化燃烧量降低，气体的检测灵敏度降低。并且，即使在使用对于特定的气体选择性地作为催化剂发挥作用的燃烧催化剂的情况下，若在温度高的区域内催化剂的温度过度上升，则对该特定的气体以外的可燃性气体也会作为燃烧催化剂发挥作用，从而检测气体的选择性降低。
在第一实施方式的气体传感器100中，在加热器132和气体反应膜191及参照膜192之间配置热传导率高的均热部(即，均热膜177及温接点连接线171)。因此，由加热器132产生的热在均热部中分散到均热部整体后，分别均匀地传递至气体反应膜191及参照膜192，因此抑制了气体反应膜191及参照膜192中的温度不均的发生。另外，气体反应膜191中的由催化燃烧产生的热也在均热部中被分散。因此，即使是在气体反应膜191中可燃性气体的燃烧的发热量不均匀的情况下，也能够抑制在气体反应膜191上发生温度不均。
这样，根据第一实施方式的气体传感器100，抑制了气体反应膜191及参照膜192上发生温度不均导致的偏差的增大或偏移的增大，因此能够以更高的灵敏度检测可燃性气体，并且能够提高气体浓度的测定再现性。另外，通过抑制气体反应膜191中的温度不均的发生，能够抑制可燃性气体的检测灵敏度的降低、选择性的降低。
而且，在第一实施方式中，利用金属形成均热部，因此能够同时形成由金属(导电体)形成的气体传感器100的各部分的配线。因此，不需要分别设置用于形成均热部的工序，因此能够使具有均热部的气体传感器100的制造工序更简单。并且，一般情况下，由金属构成的导电膜170具有比隔膜121高的韧性，因此通过设置均热部，抑制了制造工序和完成后的气体传感器100的破损。
此外，形成温接点的温接点连接线171和决定均热部(即温接点连接线171和均热膜177)的大部分外形的均热膜177通过光刻等应用在半导体制造工艺中的形成图案技术来形成，能够提高温接点相对于均热部的位置的精度。并且，在气体反应膜191上产生的热由均热部分散后，传递至温接点，因此即使在气体反应膜191的形成位置处存在波动的情况下，也抑制分别传递至多个温接点的热的波动。因此，能够抑制偏差、偏移或者灵敏度等气体传感器100的特性在每个个体上波动。
另外，在第一实施方式的气体传感器100中，如上所述，形成温接点的温接点连接线171、均热膜177、气体反应膜191及参照膜192、加热器132均形成在隔膜121上。该隔膜121一般形成得薄(约1～5μm)，因此隔膜121自身的热容小。并且，在隔膜121的下表面形成有不传递热的空洞部119。这样，通过将气体反应膜191形成在隔膜121的上部，该隔膜121形成在空洞部191上并且热容小，而即使在气体反应膜191上的由可燃性气体的催化燃烧产生的热量少的情况下，也能够使气体反应膜191的温度充分上升。因此，能够进一步提高气体传感器100的可燃性气体的检测灵敏度。另外，形成于隔膜121的下表面的空洞部119不传递热，因此也可以称作绝热部。
B.第2实施方式：
图7A及图7B、图8A及图8B、图9A及图9B、乃至图10A及图10B是表示第2实施方式中的气体传感器200的制造工序的各阶段的说明图。图7A、图8A、图9A、图10A表示从上表面观察在各阶段得到的半成品200a、200b、200c及气体传感器200的样子。并且，图7B、图8B、图9B、图10B表示半成品200a、200b、200c及气体传感器200的剖面线A处的剖面。第2实施方式的气体传感器200在如下方面与第一实施方式不同，将第一实施方式中形成为n型半导体膜130的加热器132形成为导电膜270；在形成为导电膜270的均热膜MS1～MS3的基础上，使用形成为n型半导体膜230的均热膜235；与这些变更相对应地变更各部分的形状。其他方面与第一实施方式相同。
与第一实施方式相同地，在气体传感器200的制造工序中，首先，如图7A及图7B所示，准备将绝缘膜220和掩膜202a成膜的基板210a，在该绝缘膜220上形成具有n型热电元件231和均热膜235的n型半导体膜230。接下来，如图8A及图8B所示，在形成n型半导体膜230的半成品200a上形成层间绝缘膜240b和由p型热电元件251构成的p型半导体膜250。接下来，如图9A及图9B所示，对层间绝缘膜240b、在形成p型半导体膜250的半成品200b上成膜的层间绝缘膜形成接触孔H21～H24后，形成导电膜270。由此，与第一实施方式相同地，在形成温接点连接线271、冷接点连接线272、信号输出电极273、热电堆连接线274、加热器通电电极275及接地配线276的同时，形成加热器278、将加热器278连接到接地配线276的加热器配线279、均热膜MS1～MS3。另外，均热膜MS1～MS3的形状可以进行各种变更，例如，可以形成为两个均热膜MS1、MS3以包围温接点连接线271的方式在温接点连接线271的外侧连续，或者，也可以与第一实施方式的均热膜177相同地，空出狭窄间隙地包围温接点连接线271。而且，也可以在加热器278的线之间形成均热膜。
如图9A及图9B所示，在形成导电膜270后，如图10A及图10B所示，在半成品200c上形成设有开口部281～283的保护膜280。由此，在气体传感器200的上表面形成：露出信号输出电极273的信号输出盘P21、P23；露出加热器通电电极275的加热器通电盘P22、P24；露出接地配线276的接地盘P25。而且，通过以设有开口部209的掩膜202a为遮挡的蚀刻，来形成设于基板210的空洞部219，由此形成绝缘膜220在背面侧露出的隔膜221。接下来，通过在保护膜280上形成气体反应膜291及参照膜292，得到第二实施方式的气体传感器200。
根据图10A及图10B可知，在第二实施方式的气体传感器200中，与第一实施方式的气体传感器100相同地，形成温接点的温接点连接线271、均热膜235、MS1～MS3、气体反应膜291及参照膜292、加热器278均位于隔膜221上。并且，形成冷接点冷接点连接线272形成为位于基板210剩余的基板区域。
另一方面，在第2实施方式的气体传感器200中，具有作为第一均热部的形成为n型半导体膜230的均热膜235、作为第二均热部的形成为导电膜270的均热膜MS1～MS3及温接点连接线271。并且，与均热膜MS1～MS3及温接点连接线271相同地，加热器278形成为导电膜270。因此，加热器278在各功能膜的层叠方向上位于形成有第一均热部的区域和形成有第二均热部的区域之间，因此也可以说是形成在第一和第二均热部之间。
这样，在第2实施方式的气体传感器200中，也通过设置均热部，能够抑制在气体反应膜291及参照膜292上发生温度不均。因此，抑制了偏差的增大或偏移的增大，因此能够以更高的灵敏度检测可燃性气体，并且能够提高气体浓度的测定再现性。另外，通过抑制气体反应膜291上的温度不均的发生，能够抑制可燃性气体的检测灵敏度的降低和选择性的降低。
另外，在第2实施方式中，利用n型半导体形成第一均热部，并利用金属形成第二均热部。因此，第一均热部能够与n型热电元件231同时形成，第二均热部能够与气体传感器200的各部分的配线同时形成。因此，不需要分别设置用于形成第一和第二均热部的工序，因此能够使具有这两个均热部的气体传感器200的制造工序更简单。另外，第一均热部也可以由p型半导体形成。在该情况下，第一均热部能够与p型热电元件251同时形成，因此能够使气体传感器200的制造工序更简单。并且，一般情况下，由半导体构成的n型半导体膜230和由金属构成的导电膜270均具有比隔膜221高的韧性，因此通过设置这两个均热部，抑制了制造工序和完成后的气体传感器200的破损。
而且，形成温接点的温接点连接线271，和第一及第二均热部通过光刻等应用在半导体制造工艺中的形成图案技术来形成，因此能够提高温接点相对于这两个均热部的位置的精度。因此，即使是在气体反应膜291的形成位置处存在波动的情况下，也能够抑制分别传递至多个温接点的热的波动，能够抑制偏差、偏移或者灵敏度等气体传感器200的特性在每个个体上波动。
另一方面，在第2实施方式的气体传感器200中，设置第一和第二均热部，并在这两个均热部之间设置加热器278。因此，由加热器278产生的热比设置单个均热部的第一实施方式的气体传感器100更均匀地分散，因此能够更有效地抑制气体反应膜291及参照膜292上的温度不均的发生。
C.变形例：
本发明不限于上述各实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够在各种方式中实施，例如，也可以进行如下变形。
C1.变形例1：
在上述各实施方式中，为了减少制造工序数，通过将均热部形成为导电膜170、270或n型半导体膜230，而与测定气体反应膜191、291和参照膜192、292的温度的电路的结构要素同时形成均热部。然而，也可以使均热部与这些结构要素分别形成。具体地，例如可以在保护膜上形成金属膜来作为均热部，并在该金属膜上形成气体反应膜和参照膜。但是，在该情况下，为了抑制气体传感器的特性在每个个体上波动，优选通过光刻等应用在半导体制造工艺中的形成图案技术来形成均热部。
C2.变形例2：
在第一实施方式中，将均热部形成在加热器132和气体反应膜191及参照膜192之间。另外，在第2实施方式中，将第一均热部形成在隔膜221上，将第二均热部形成为使加热器278位于第一和第二均热部之间。然而，形成均热部的位置未必限定于此。一般情况下，只要将至少一个均热部形成在隔膜和气体反应膜及参照膜之间即可。这样，能够利用形成的均热部，抑制在气体反应膜及参照膜上发生温度不均。
C3.变形例3：
在上述各实施方式中，仅将均热部形成在隔膜121、221上的气体反应膜191、291和参照膜192、292的附近，但形成均热部的区域不限定于气体反应膜191、291和参照膜192、292的附近。一般情况下，只要均热部在具有气体反应膜191、291的气体检测部和具有参照膜192、292的补偿部各自的隔膜121、221上，则可以形成在任意的范围。
另外，也可以在冷接点连接线172、272的上、下及附近(参照图5A及图5B)的至少一个位置形成冷接点用的均热部。若设置冷接点用均热部，则降低了冷接点间的温度不均，因此能够抑制气体传感器的特性在每个个体上的波动。在该情况下，也可以在绝缘膜120、220和保护膜180、280上设置开口部，使冷接点用均热部与基板110、210连接。若将冷接点用均热部连接到基板110、210，则能够进一步降低冷接点间的温度不均。
C4.变形例4：
在上述各实施方式中，利用将热电对串联连接而成的热电堆的温接点对气体反应膜191、291和参照膜192、292的温度进行测定，但也可以使用单个热电对的温接点、测温电阻或者热敏电阻等其他测温元件测定气体反应膜191、291和参照膜192、292的温度。但是，在直接输出表示温度的充分高的电压信号，从而容易使可燃性气体的检测灵敏度更高这一点上，优选利用热电堆的温接点测定气体反应膜191、291和参照膜192、292的温度。
C5.变形例5：
在上述各实施方式中，在补偿部中形成包括未承载燃烧催化剂的载体的参照膜192、292，但为了简化制造工序也可以省略参照膜192、292的形成。在该情况下，作为补偿部的测温元件的冷接点CJ，为了对温度接近气体反应膜191的加热器172的温度进行测定，只要形成在加热器172的附近即可。另外，此时，补偿部的加热器172也可以说是形成在包括补偿部的测温元件(冷接点CJ)附近的区域。但是，参照膜192及气体反应膜191各自形成的区域的热容更接近，能够抑制气流等影响引起的可燃性气体的检测精度的降低，在这一点上，优选形成参照膜192。
C6.变形例6：
在上述各实施方式中，在气体传感器100、200上设置具有气体反应膜191、291的气体检测部和具有参照膜192、292的补偿部，但也可以省略补偿部。在该情况下，抑制了气体反应膜中的温度不均的发生，因此能够抑制可燃性气体的检测灵敏度的降低、选择性的降低。另外，与第一及第二实施方式相同，能够抑制制造工序和完成后的气体传感器的破损，并且能够抑制偏差、偏移或者灵敏度等气体传感器的特性在每个个体上的波动。
C7.变形例7：
在上述各实施方式中，作为绝热部，使用在基板110、210自身设置的空洞部119、219，或在基板上形成的空洞部，但绝热部并非必须是空洞。绝热部例如可以通过向设于基板自身的空洞部埋入多孔材料或树脂等绝热材料来形成。在使用SiO2作为多孔材料的情况下，可以通过公知的低介电常数(Low-k)绝缘膜或硅胶的形成技术向空洞部埋入多孔性SiO2。在使用树脂作为多孔材料的情况下，将该树脂的单体或预聚物填充到空洞部，然后利用热或紫外线使单体或预聚物聚合即可。另外，作为绝热部，也可以在基板上形成多孔材料或树脂等绝热膜。在该情况下，与在上述基板上形成空洞部的工序相同地，在基板或绝缘膜120、220上形成多孔材料或树脂等的绝热膜，通过将形成的绝热膜留下而能够形成绝热部。另外，也可以在基板上形成用于形成绝热膜的多晶硅膜，并通过阳极氧化来将该多晶硅膜多孔质化。而且，作为绝热部，也可以在基板自身形成多孔部。多孔部可以通过如下方式形成，例如在使用Si基板作为基板的情况下，与在基板自身形成空洞部的工序相同地，从基板的下表面侧或基板的上表面侧，通过阳极氧化将相当于空洞部的区域多孔质化，由此形成多孔部。另外，在使用不是空洞的绝热部的情况下，在绝热部的材料具有导电性的情况下，在绝热部和半导体膜或者导电膜之间追加绝缘膜。这样，通过使用不是空洞的绝热部，抑制了在绝热部上形成的功能膜的破损。

Claims (6)

1.一种接触燃烧式气体传感器，该接触燃烧式气体传感器检测可燃性气体，其特征在于，
所述接触燃烧式气体传感器具备：
绝热部；
加热器，其形成在所述绝热部上；
气体反应膜，其在所述绝热部上形成在所述加热器上，并包括承载所述可燃性气体的燃烧催化剂的载体；
测温元件，其在所述绝热部上形成在所述气体反应膜附近；
均热部，其形成在所述绝热部上，并且配置在所述绝热部和所述气体反应膜之间，
所述均热部构成为使传递至所述均热部的热向所述均热部整体分散。
2.根据权利要求1所述的接触燃烧式气体传感器，其特征在于，
所述绝热部是设于基板自身的第一空洞部、形成在基板上的第二空洞部、埋入所述第一空洞部的多孔材料或树脂、形成在基板上的多孔膜或树脂膜、形成于基板自身的多孔部中的一个。
3.根据权利要求1或2所述的接触燃烧式气体传感器，其特征在于，
所述均热部具有分别形成的第一均热部和第二均热部，
所述加热器配置在所述第一均热部和所述第二均热部之间。
4.根据权利要求1或2所述的接触燃烧式气体传感器，其特征在于，
所述测温元件是利用由彼此不同的材料形成的第一热电元件和第二热电元件构成的热电对的温接点，
所述均热部由与所述第一热电元件相同的材料形成。
5.根据权利要求1或2所述的接触燃烧式气体传感器，其特征在于，
所述均热部由金属形成。
6.根据权利要求1或2所述的接触燃烧式气体传感器，其特征在于，
所述接触燃烧式气体传感器具备补偿部，该补偿部与具有所述加热器、所述气体反应膜、所述测温元件和所述均热部的气体检测部分别设置，
所述补偿部具有：补偿部加热器，其形成在所述绝热部上；参照膜，其在所述绝热部上形成在所述补偿部加热器上，并包括未承载所述可燃性气体的燃烧催化剂的载体；补偿部测温元件，其在所述绝热部上形成在所述参照膜附近；补偿部均热部，其形成在所述绝热部上，并配置在所述绝热部和所述参照膜之间，
所述补偿部均热部构成为使传递至所述补偿部均热部的热向所述补偿部均热部整体分散。
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