JP2000019141A - 半導体ガスセンサ - Google Patents

半導体ガスセンサ

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JP2000019141A
JP2000019141A JP10189148A JP18914898A JP2000019141A JP 2000019141 A JP2000019141 A JP 2000019141A JP 10189148 A JP10189148 A JP 10189148A JP 18914898 A JP18914898 A JP 18914898A JP 2000019141 A JP2000019141 A JP 2000019141A
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Japan
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heater
gas sensor
semiconductor
electrodes
gas
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JP10189148A
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Takahiro Ide
卓宏 井出
Yuichiro Okajima
裕一郎 岡島
Kenichi Nakamura
健一 中村
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Tokyo Gas Co Ltd
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Tokyo Gas Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 ガス検出感度を向上させ、ガス感応部の電極
に亀裂などを生じないようにしたヒータと電極の配列を
有する半導体ガスセンサを提供する。 【解決手段】 基板11上に、ヒータ部12と、該ヒー
タ部により加熱されるガス感応部15と、ガス感応部に
設けた一対の電極14A,14Bを備えてなる半導体ガ
スセンサ1において、ヒータ部12を構成する抵抗体を
一端と他端で繰返し折り返して並べたつずら折れ状の形
状とし、前記ガス感応部の電極14をヒータ部を構成す
る隣接する2本の抵抗体の間に配置し、電極の投影がヒ
ータと重ならないように配置した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、発熱部の加熱によ
って半導体からなるガス感応材の温度を上昇させてガス
検出を行う半導体ガスセンサに関し、特に、温度勾配の
少ない部分に電極を配置しガス検出感度を向上させると
ともに、ガス感応部の断線をなくし耐久性を向上させた
半導体ガスセンサに関する。
【0002】
【従来の技術】現在、ガス漏れを検知する半導体式のガ
スセンサが都市ガスやLPガスの漏洩検知用に実用化さ
れている。半導体ガスセンサは、多くの場合、白金(P
t)やルテニウム(Ru)やタングステン(W)などから
なるヒータ線の周囲に、半導体もしくは半導体と酸化触
媒の原料を焼結させる方法で製造されている。このため
センサの小型化に限界があり、しかも消費電力が比較的
大きく、電池による長時間使用はできないという問題点
を有していた。
【0003】一方、半導体微細加工技術を用いた薄膜型
の半導体式ガスセンサが知られている。この種の薄膜型
の半導体式ガスセンサの構造を図4および図5を用いて
説明する。図4は、従来の半導体式ガスセンサのヒータ
と電極およびガス感応部を構成する半導体層の配置関係
を説明する平面図であり、図5は、図4のA−A線にお
ける縦断面図である。図4および図5に示すように、従
来の半導体ガスセンサ1は、シリコン、アルミナ、サフ
ァイヤなどからなる基板10と、基板の表面に形成した
絶縁膜11と、絶縁膜の上に形成したヒータ12と、ヒ
ータを保護する保護膜13と、保護膜上に形成した一対
の電極14と、ガス感応部材として働く半導体層15を
積層して構成されている。さらに、ヒータ12下部の基
板10をエッチング処理して基板を除去したりあるいは
その厚みを薄くして窪み16を形成し、ガスセンサ1と
基板10との熱絶縁を図っている。
【0004】基板10は、エッチング処理できるように
シリコンやサファイアなどの単結晶基板を用いることが
多く、絶縁膜11および保護膜13には、電気絶縁性お
よび耐熱性に優れたSiO2膜やSi34膜やSiNx
y膜、あるいはこれらの積層膜などが使われる。ヒータ
12には、長期にわたって安定なプラチナ(Pt)、タ
ングステン(W)、ルテニウム(Ru)多結晶シリコン
などが多く用いられる。また、電極14にはPtなどが
用いられ、ガス感応部材として働く半導体15には、酸
化錫(SnO2)、酸化亜鉛(ZnO)、酸化ニッケル
(NiO)、酸化銅(CuO)、酸化鉄(FeO)酸化イ
ンジウム(In23)などの金属酸化物が用いられてい
る。
【0005】このようなガスセンサは、小型化が容易な
ため消費電力を極めて小さくすることができ、さらに温
度上昇速度が速く、ヒータを間欠駆動させても十分にガ
スの監視が可能であることから、ヒータの消費電力をよ
り一層小さくすることができるという利点を備えてい
る。
【0006】上記半導体ガスセンサは、ヒータの上部に
電極を形成していることから、図4に太い実線Cで示し
たり、図5の一点鎖線Cで囲った段差の部分で、電極1
4に亀裂などを生じ正確な出力を得ることができなくな
るおそれがある。さらに、ヒータと電極との配置関係か
らヒータ上のガス感応部に温度勾配を生じ、ガス感応膜
の抵抗値が温度に依存することから、ガス感度が不安定
になるという問題を有している。
【0007】この問題を解決するために、図6に示すよ
うに、電極14A,14Bをヒータ12が形成された部
分から外れた位置に後退させ、段差の部分での電極の亀
裂を無くすことが考えられる。しかしながら、この方法
では、電極14A,14B間が大きくなり、発熱部に配
置されたガス感応部に温度勾配が生じガス検出感度を向
上させることができないばかりでなく、ガス検出出力が
小さくなるという問題がある。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記問題に
鑑みてなされたもので、ガス検出感度を向上させ、か
つ、ガス感応部の電極に亀裂などを生じないようにした
ヒータと電極の配列を有する半導体ガスセンサ提供する
ことを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、基板上に、ヒータ部と、該ヒータ部によ
り加熱されるガス感応部と、ガス感応部に一対の電極を
備えてなる半導体ガスセンサにおいて、前記ガス感応部
の電極を、電極の投影がヒータと重ならないように配置
した。
【0010】さらに、本発明は、上記半導体ガスセンサ
において、ヒータ部を構成する抵抗体を、一端と他端で
繰返し折り返して並べたつずら折れ状に配置した。
【0011】また、本発明は、上記半導体ガスセンサに
おいて、ガス感応部の電極を、ヒータ部を構成する隣接
する2本の抵抗体の間に配置した。
【0012】本発明は、上記半導体ガスセンサにおい
て、ガス感応部の一対の電極のそれぞれが抵抗体によっ
て区画された別の領域に抵抗体を挾んでそれぞれ配置さ
れて対向している。さらに、本発明は、ガス感応部の一
対の電極を、温度勾配の少ない、換言すれば、均一な温
度領域にのみ配置した。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明にかかる半導体ガスセンサ
の実施の形態について、図1〜図3を用いて説明する。
【0014】図1および図2を用いて、本発明にかかる
半導体ガスセンサの構成を説明する。図1は、本発明に
かかる半導体ガスセンサの平面形状を説明する平面図で
あり、図2は図1のA−A線での断面図である。図1お
よび図2に示すように本発明にかかる半導体ガスセンサ
1は、例えばシリコン(Si)からなる半導体基板10
の上面に絶縁膜11を設け、絶縁膜11の上にヒータ1
2、保護膜13、電極14、ガス感応物質である半導体
層14を順次積層して構成される。一方、絶縁膜11の
下部は基板10が一部除去され、窪み16が形成されて
いる。
【0015】基板10は、シリコンなどの半導体の単結
晶もしくはサファイアガラスなどの絶縁体から構成され
る。基板10がシリコンなどの半導体であるときにはそ
の表面に二酸化シリコン(SiO2)などを形成して絶縁
膜11を形成している。この絶縁膜11は、SiO2のほ
か、窒化珪素(Si34)、窒化酸化珪素(SiN
xy)、アルミナ(Al23)、マグネシア(MgO)や
これらを複合させたものでも良い。ヒータ12は、絶縁
膜11上に形成した多結晶シリコンをフォトエッチング
技術を用いて図示したようなヒータ部を構成する抵抗体
を、一端と他端で繰返し折り返して並べたつずら折れ状
に配置した形状に形成している。ヒータは、上記多結晶
シリコンのほかに、Pt、W、Ruその他を用いることが
できる。
【0016】保護膜13は、絶縁膜11とヒータ12の
上面に形成され、SiO2膜を形成して構成される。保護
膜13は、絶縁層11と同様にSiO2のほか、Si
34、SiNxy、Al23、MgOやこれらを複合させ
たものでも良い。保護膜13の上に一対の電極14A,
14Cが対向して形成され、電極14A,14Cを覆う
ように、ガス感応物質として働く例えばSnO2からなる
半導体層15がヒータ12の上方に形成してある。電極
14は、Pt、W、Tiなどの金属等を用いることができ
る。半導体層15は、上記SnO2のほか、酸化タングス
テン(WO3)、酸化チタン(TiO2)ZnO、NiO、
CuO、FeO、In23等を用いることができる。
【0017】ヒータ12は、図1に示すような平面形状
がつずら折り状に形成され、ヒータの密度を高くして単
位面積当たりの発熱量が大きくなるようにされている。
一方、電極14Aは、例えばI字状に形成されヒータ1
2の隣接した抵抗体の間に投影面がヒータに重ならない
ように配置される。電極14Bは、例えば分岐した2肢
を有するU字状に形成されそれぞれの分岐肢は、ヒータ
12の隣接した抵抗体の間に投影面がヒータに重ならな
いように配置される。電極14A,14Bを双方とも電
極14Bのように分岐した構造とすることができ、ま
た、双方を電極14AのようにI字状の形状とすること
ができる。さらに、一方の電極14Aは、ヒータ12の
抵抗体によって分離された一方の領域に配置され、他方
の電極14Bは、ヒータ12の抵抗体によって分離され
た他方の領域に配置される。
【0018】半導体層15は、ヒータ12および電極1
4A,14Bの表面を覆うように配置されている。
【0019】このような構成を有する半導体ガスセンサ
は、電極14をヒータ12の抵抗体に近接して配置する
ことができセンサ部に温度勾配を生じることがなくガス
検出感度を向上させることができ、かつガス感応部の電
極に亀裂などを生じることがなくなり耐久性を向上させ
ることができる。
【0020】次に、上記形状を有する半導体ガスセンサ
1の製造方法の一例について図3を用いて説明する。図
3は、図1のB−B線での断面形状を模式的に示してい
る。まず、シリコン単結晶基板10上にSiO2絶縁膜1
1を成膜する。この絶縁膜11は、シリコン基板10を
CVD装置を用いておよそ300秒処理することによっ
て、形成され、およそ3000オングストロームの厚み
に形成される。同様にシリコン基板10の裏面にも厚さ
1000オングストロームの絶縁膜11を形成する
(A)。
【0021】次いで、絶縁膜11の表面に、多結晶シリ
コン層を形成する。この多結晶シリコン層の形成は、C
VD装置を用いておよそ3000秒処理することによっ
て、形成され、およそ3000オングストロームの厚み
に形成される。続いて、イオン注入装置を用いて燐
(P)イオンを加速電圧90kVで注入し、電気炉中で
1000℃で30分処理することによって不純物を拡散
させ28Ω/□の抵抗を得る。この多結晶シリコン層を
フォトエッチング技術を用いて処理して、ヒータ12を
形成する(B)。
【0022】この、絶縁膜11とヒータ12の上に、C
VD装置を用いて4000秒処理し、厚み4500オン
グストロームのSiO2保護膜13を形成する(C)。
【0023】この上面に白金(Pt)膜をスパッタリン
グによって成膜し、フォトエッチング技術を用いて処理
して、電極14A,14Bを形成する(D)。電極14
A,14Bは、互いに近接して対向しており、対向する
辺の長さが大きくなるように配置されている。このと
き、ヒータ12と電極14A,14Bは、互いに重なら
ないように配置される。
【0024】次いで、スパッタリングによって、SnO2
からなる半導体層15を形成し、フォトエッチング技術
を用いて、所定の形状の半導体層を形成する(E)。
【0025】次いで、スパッタリングによって、クロム
(Cr)と金(Au)からなる膜を成膜し、フォトエッ
チング技術を用いて電極パッド17を形成する(F)。
【0026】この後、半導体ガスセンサが配置されたシ
リコン基板10の裏面をエッチングして窪み16を形成
する(G)。
【0027】以上述べたように、本実施例の半導体ガス
センサ1は、ガス検知部分を構成する電極14A,14
Bがヒータ11に重ならないように配置され、これらの
電極は、絶縁膜13の平坦な面上に形成されるので、従
来の技術のような異なる高さの面間での亀裂の発生を防
ぐことができ電極の断線を無くして、信頼性の高い半導
体ガスセンサを提供することができる。
【0028】
【発明の効果】本発明にかかる半導体ガスセンサは、ガ
ス検出感度が大きくかつ耐久性が高いガスセンサとする
ことができる。本発明にかかる半導体ガスセンサは、温
度勾配の少ない領域にガス感応部を設けたので、ガス検
出感度をさらに向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明にかかる半導体ガスセンサのヒータと電
極の配置関係を説明する平面図。
【図2】図1のA−A線における縦断面図。
【図3】図1示した半導体ガスセンサの製造工程を説明
する図。
【図4】従来の半導体センサのヒータと電極の配置関係
を説明する平面図。
【図5】図1のA−A線における縦断面図。
【図6】従来の半導体センサのヒータと電極の他の配置
関係を説明する平面図。
【符号の説明】
1 半導体ガスセンサ 10 基板 11 絶縁膜 12 ヒータ 13 保護膜 14 電極 15 半導体 16 窪み 17 電極パッド
フロントページの続き Fターム(参考) 2F035 AA06 EA08 2G046 AA19 AA21 BA01 BA09 BB01 BB04 BC05 BE02 BE08 EA02 EA04 EA11 FB00 FB02 FB06 FE03 FE11 FE12 FE15 FE20 FE25 FE31 FE35 FE38 FE39 FE44 FE46 FE48

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 基板上に、ヒータ部と、該ヒータ部によ
    り加熱されるガス感応部と、ガス感応部に設けた一対の
    電極を備えてなる半導体ガスセンサにおいて、前記ガス
    感応部の電極を、電極の投影がヒータと重ならないよう
    に配置したことを特徴とする半導体ガスセンサ。
  2. 【請求項2】 ヒータ部を構成する抵抗体を、一端と他
    端で繰返し折り返して並べたつずら折れ状の形状とした
    ことを特徴とする請求項1記載の半導体ガスセンサ。
  3. 【請求項3】 ガス感応部の電極を、ヒータ部を構成す
    る隣接する2本の抵抗体の間に配置したことを特徴とす
    る請求項2記載の半導体ガスセンサ。
  4. 【請求項4】 ガス感応部の一対の電極のそれぞれが、
    抵抗体によって区画された別の領域に抵抗体を挾んでそ
    れぞれ配置されて対向していることを特徴とする請求項
    3記載の半導体ガスセンサ。
  5. 【請求項5】 ガス感応部の一対の電極が、温度勾配の
    少ない部分に配置されていることを特徴とする請求項4
    記載の半導体ガスセンサ。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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