JP2001289808A - 薄膜ガスセンサ - Google Patents
薄膜ガスセンサInfo
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- JP2001289808A JP2001289808A JP2000109027A JP2000109027A JP2001289808A JP 2001289808 A JP2001289808 A JP 2001289808A JP 2000109027 A JP2000109027 A JP 2000109027A JP 2000109027 A JP2000109027 A JP 2000109027A JP 2001289808 A JP2001289808 A JP 2001289808A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 十分なガス感度を有し、ガス選択性に優れた
薄膜ガスセンサを提供する。 【解決手段】 ヒーター層３の上に感知膜電極５を形成
し、その上に感知膜６を形成し、さらにその上にフィル
タ層７を形成した薄膜ガスセンサにおけるフィルタ層７
の外周部が、ヒーター層３の外周部の内側にあるように
構成することで、フィルタ層７の温度分布を低減し、掲
記課題の解決を図る。
薄膜ガスセンサを提供する。 【解決手段】 ヒーター層３の上に感知膜電極５を形成
し、その上に感知膜６を形成し、さらにその上にフィル
タ層７を形成した薄膜ガスセンサにおけるフィルタ層７
の外周部が、ヒーター層３の外周部の内側にあるように
構成することで、フィルタ層７の温度分布を低減し、掲
記課題の解決を図る。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、電池駆動を念頭
に置いた低消費電力型薄膜ガスセンサの製造方法に関す
る。
に置いた低消費電力型薄膜ガスセンサの製造方法に関す
る。
【０００２】
【従来の技術】一般的にガスセンサは、ガス漏れ警報器
などの用途に用いられ、ある特定ガス、例えばＣＯ，Ｃ
Ｈ4，Ｃ3Ｈ8，ＣＨ3ＯＨ等に選択的に感応するデバイス
であり、その性格上、高感度，高選択性，高応答性，高
信頼性，低消費電力が必要不可欠である。ところで、家
庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス
用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的とするもの
と、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的とするもの、
または、両方の機能を併せ持ったものなどがあるが、い
ずれもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高く
ない。
などの用途に用いられ、ある特定ガス、例えばＣＯ，Ｃ
Ｈ4，Ｃ3Ｈ8，ＣＨ3ＯＨ等に選択的に感応するデバイス
であり、その性格上、高感度，高選択性，高応答性，高
信頼性，低消費電力が必要不可欠である。ところで、家
庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス
用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的とするもの
と、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的とするもの、
または、両方の機能を併せ持ったものなどがあるが、い
ずれもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高く
ない。
【０００３】かかる事情から、普及率の向上をはかるべ
く、設置性の改善、具体的には電池駆動としコードレス
化することが望まれている。接触燃焼式や半導体式のガ
スセンサでは、２００℃〜５００℃の高温に加熱する必
要がある。電池駆動を実現するためには低消費電力化が
最も重要であるが、それには熱の放逸の少ない断熱性
と、間欠動作に十分な応答性を兼ね備えた構造が求めら
れる。従来のＰｔ細線のまわりにビーズ状に検知部を設
けたような構造では、微小化に限界がある。そこで、半
導体微細加工プロセスを用いダイヤフラム構造とした薄
膜ガスセンサの出現が待たれている。
く、設置性の改善、具体的には電池駆動としコードレス
化することが望まれている。接触燃焼式や半導体式のガ
スセンサでは、２００℃〜５００℃の高温に加熱する必
要がある。電池駆動を実現するためには低消費電力化が
最も重要であるが、それには熱の放逸の少ない断熱性
と、間欠動作に十分な応答性を兼ね備えた構造が求めら
れる。従来のＰｔ細線のまわりにビーズ状に検知部を設
けたような構造では、微小化に限界がある。そこで、半
導体微細加工プロセスを用いダイヤフラム構造とした薄
膜ガスセンサの出現が待たれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】一般に、感知膜に半導
体薄膜を用いた場合、感知膜単体では複数の還元性ガス
に感応してしまい、或る特定のガスだけに選択的に感応
することができない。そこで、感知膜の上にフィルタ層
を設け、見地ガスより酸化活性の強いガスを燃焼させる
ことが有効である。また、感知膜単体では水蒸気などの
妨害物質共存下で感度が低下すると言う問題があり、こ
れに対してもフィルタ層を設けることが有効である。た
だし、フィルタ層に対してヒーターが小さい場合、フィ
ルタ層が十分に加熱されずに温度分布が生じるため、所
定の性能を発揮できないと言う問題が指摘されている。
体薄膜を用いた場合、感知膜単体では複数の還元性ガス
に感応してしまい、或る特定のガスだけに選択的に感応
することができない。そこで、感知膜の上にフィルタ層
を設け、見地ガスより酸化活性の強いガスを燃焼させる
ことが有効である。また、感知膜単体では水蒸気などの
妨害物質共存下で感度が低下すると言う問題があり、こ
れに対してもフィルタ層を設けることが有効である。た
だし、フィルタ層に対してヒーターが小さい場合、フィ
ルタ層が十分に加熱されずに温度分布が生じるため、所
定の性能を発揮できないと言う問題が指摘されている。
【０００５】フィルタ層はガスの加温，活性化を担って
おり、水素などの誤報原因となるガスは、感知膜に到達
するまでに選択的に燃焼され、メタンや一酸化炭素など
の検知対象ガスは、感知膜上で反応し易い程度に活性化
される。このフィルタ層の効果はフィルタ層の温度に強
く依存するが、フィルタ層に温度分布が生じることでセ
ンサのガス感度，ガス選択性が悪くなってしまう。した
がって、この発明の課題は、薄膜ガスセンサでも十分な
ガス感度，ガス選択性を確保できるようにすることにあ
る。
おり、水素などの誤報原因となるガスは、感知膜に到達
するまでに選択的に燃焼され、メタンや一酸化炭素など
の検知対象ガスは、感知膜上で反応し易い程度に活性化
される。このフィルタ層の効果はフィルタ層の温度に強
く依存するが、フィルタ層に温度分布が生じることでセ
ンサのガス感度，ガス選択性が悪くなってしまう。した
がって、この発明の課題は、薄膜ガスセンサでも十分な
ガス感度，ガス選択性を確保できるようにすることにあ
る。
【０００６】
【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、請求項１の発明では、Ｓｉ基板の一側面中央部
がダイヤフラム様にくりぬかれた基板面上に、支持膜を
介して薄膜ヒーターを形成し、その上に電気絶縁層を介
して感知膜電極を形成し、その上に感知膜を形成し、さ
らにその上にフィルタ層を形成した薄膜ガスセンサにお
いて、前記フィルタ層の外周部が前記薄膜ヒーターの外
周部よりも外側に出ないで内側にあることを特徴とす
る。この請求項１の発明においては、前記感知膜の外周
部が、フィルタ層の外周部よりも内側にあることができ
る（請求項２の発明）。
るため、請求項１の発明では、Ｓｉ基板の一側面中央部
がダイヤフラム様にくりぬかれた基板面上に、支持膜を
介して薄膜ヒーターを形成し、その上に電気絶縁層を介
して感知膜電極を形成し、その上に感知膜を形成し、さ
らにその上にフィルタ層を形成した薄膜ガスセンサにお
いて、前記フィルタ層の外周部が前記薄膜ヒーターの外
周部よりも外側に出ないで内側にあることを特徴とす
る。この請求項１の発明においては、前記感知膜の外周
部が、フィルタ層の外周部よりも内側にあることができ
る（請求項２の発明）。
【０００７】また、上記請求項１または２の発明では、
前記感知膜が、ＳｎＯ2からなることができ（請求項３
の発明）、上記請求項１ないし３の発明では、前記フィ
ルタ層が、Ａｌ2Ｏ3，Ｃｒ2Ｏ3，Ｆｅ2Ｏ3，Ｎｉ2Ｏ3，
ＺｎＯ，ＳｉＯ2を含む多孔質金属酸化物からなること
ができる（請求項４の発明）。
前記感知膜が、ＳｎＯ2からなることができ（請求項３
の発明）、上記請求項１ないし３の発明では、前記フィ
ルタ層が、Ａｌ2Ｏ3，Ｃｒ2Ｏ3，Ｆｅ2Ｏ3，Ｎｉ2Ｏ3，
ＺｎＯ，ＳｉＯ2を含む多孔質金属酸化物からなること
ができる（請求項４の発明）。
【０００８】
【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態を説
明するための説明図である。両面に熱酸化膜が付いたＳ
ｉ基板１上に、ダイヤフラム構造の支持層および熱絶縁
層２としてＳｉ3Ｎ4とＳｉＯ2膜を、順次プラズマＣＶ
Ｄ法にて形成する。次に、Ｐｔ−Ｗヒーター層３，Ｓｉ
Ｏ2絶縁層４，感知膜電極５，感知膜６の順に成膜とパ
ターニングを繰り返す。成膜はＲＦマグネトロンスパッ
タリング装置を用い、通常のスパッタリング方法により
行なう。つづいて、フィルタ層７を形成する。そのため
に、Ｐｄ７．０ｗｔ％添加したγ−アルミナからなるペ
ーストを用い、感応層であるＳｎＯ2の真上にフィルタ
層７をスクリーン印刷し、その後焼成する。最後に基板
裏面よりエッチングによりＳｉを除去し、ダイヤフラム
構造とした。上記ではフィルタ層７としてアルミナ（Ａ
ｌ2Ｏ3）を用いたが、その他にＣｒ2Ｏ3，Ｆｅ2Ｏ3，Ｎ
ｉ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＳｉＯ2等の多孔質金属酸化物を用い
ることができる。
明するための説明図である。両面に熱酸化膜が付いたＳ
ｉ基板１上に、ダイヤフラム構造の支持層および熱絶縁
層２としてＳｉ3Ｎ4とＳｉＯ2膜を、順次プラズマＣＶ
Ｄ法にて形成する。次に、Ｐｔ−Ｗヒーター層３，Ｓｉ
Ｏ2絶縁層４，感知膜電極５，感知膜６の順に成膜とパ
ターニングを繰り返す。成膜はＲＦマグネトロンスパッ
タリング装置を用い、通常のスパッタリング方法により
行なう。つづいて、フィルタ層７を形成する。そのため
に、Ｐｄ７．０ｗｔ％添加したγ−アルミナからなるペ
ーストを用い、感応層であるＳｎＯ2の真上にフィルタ
層７をスクリーン印刷し、その後焼成する。最後に基板
裏面よりエッチングによりＳｉを除去し、ダイヤフラム
構造とした。上記ではフィルタ層７としてアルミナ（Ａ
ｌ2Ｏ3）を用いたが、その他にＣｒ2Ｏ3，Ｆｅ2Ｏ3，Ｎ
ｉ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＳｉＯ2等の多孔質金属酸化物を用い
ることができる。
【０００９】図２にヒーターの平面図を示し、破線にて
フィルタ層７の外形を示す。同図（ｂ），（ｃ）がこの
発明によるもので、（ａ）はこれらと比較するための比
較例である。つまり、（ａ）ではフィルタ層７の方がヒ
ーター３より大きいが、この発明による（ｂ），（ｃ）
では、フィルタ層７の外径がヒーター３の外径とほぼ同
じ大きさに形成されている。なお、フィルタ層７の外周
部が前記ヒーター３の外周部よりも小さくても良く、結
局は、フィルタ層７の外周部が前記ヒーター３の外周部
の内側にありこれより外側に出ないと言うことができ
る。
フィルタ層７の外形を示す。同図（ｂ），（ｃ）がこの
発明によるもので、（ａ）はこれらと比較するための比
較例である。つまり、（ａ）ではフィルタ層７の方がヒ
ーター３より大きいが、この発明による（ｂ），（ｃ）
では、フィルタ層７の外径がヒーター３の外径とほぼ同
じ大きさに形成されている。なお、フィルタ層７の外周
部が前記ヒーター３の外周部よりも小さくても良く、結
局は、フィルタ層７の外周部が前記ヒーター３の外周部
の内側にありこれより外側に出ないと言うことができ
る。
【００１０】図３にセンサ動作時におけるフィルタ層の
温度分布を示す。これは、フィルタ層７とヒーター３と
の関係を図２（ａ），（ｂ），（ｃ）のようにした場合
の、フィルタ層７の中心から縁まで（外径の１／２＝１
００μｍ）のフィルタ層７の表面温度を示している。図
２（ａ）の比較例ではヒーター３の外径（＝１００μ
ｍ）がフィルタ層７の外径（＝２００μｍ）よりも小さ
いことから、フィルタ層７の中心と縁では温度分布（温
度差）が１２０℃程度あるのに対し、図２（ｂ），
（ｃ）では（ｂ）の方が大きいが、それでも温度分布
（温度差）は４０℃以内に抑えられていることが分か
る。
温度分布を示す。これは、フィルタ層７とヒーター３と
の関係を図２（ａ），（ｂ），（ｃ）のようにした場合
の、フィルタ層７の中心から縁まで（外径の１／２＝１
００μｍ）のフィルタ層７の表面温度を示している。図
２（ａ）の比較例ではヒーター３の外径（＝１００μ
ｍ）がフィルタ層７の外径（＝２００μｍ）よりも小さ
いことから、フィルタ層７の中心と縁では温度分布（温
度差）が１２０℃程度あるのに対し、図２（ｂ），
（ｃ）では（ｂ）の方が大きいが、それでも温度分布
（温度差）は４０℃以内に抑えられていることが分か
る。
【００１１】図４にガス感度の温度依存特性を示す。こ
れは、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）のように構成したセ
ンサを電気炉中に入れ、フィルタ層および感知膜を十分
に均一な温度雰囲気下で測定した場合の例で、このとき
内蔵のヒーターは一切用いず、温度制御は電気炉により
行なった。メタン（ＣＨ4）感度と水素（Ｈ2）感度は、
２０℃，６０％相当の相対湿度下におけるＣＨ4２００
０ｐｐｍでの感度、およびＨ2１０００ｐｐｍでの感度
であり、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）のいずれもほぼ同
様の特性を示したので、１本の曲線で示している。メタ
ン感度は温度上昇とともに増大し、４５０℃あたりに緩
やかなピークを持つ。一方、水素感度は温度上昇に対し
単調に減少している。
れは、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）のように構成したセ
ンサを電気炉中に入れ、フィルタ層および感知膜を十分
に均一な温度雰囲気下で測定した場合の例で、このとき
内蔵のヒーターは一切用いず、温度制御は電気炉により
行なった。メタン（ＣＨ4）感度と水素（Ｈ2）感度は、
２０℃，６０％相当の相対湿度下におけるＣＨ4２００
０ｐｐｍでの感度、およびＨ2１０００ｐｐｍでの感度
であり、図２（ａ），（ｂ），（ｃ）のいずれもほぼ同
様の特性を示したので、１本の曲線で示している。メタ
ン感度は温度上昇とともに増大し、４５０℃あたりに緩
やかなピークを持つ。一方、水素感度は温度上昇に対し
単調に減少している。
【００１２】誤報原因となる水素に対する選択性を確保
するには、 ＣＨ4２０００ｐｐｍでの感度＞Ｈ2１０００ｐｐｍでの
感度 でなければならない。したがって、動作温度としては２
つの曲線の交点である３８０℃よりも高い温度である必
要がある。また、メタン感度をできるだけ高くするため
には４５０℃付近が最適であり、それ以上の温度ではメ
タン感度が低下するだけでなく、温度上昇のためのヒー
ター投入パワーも増大する。
するには、 ＣＨ4２０００ｐｐｍでの感度＞Ｈ2１０００ｐｐｍでの
感度 でなければならない。したがって、動作温度としては２
つの曲線の交点である３８０℃よりも高い温度である必
要がある。また、メタン感度をできるだけ高くするため
には４５０℃付近が最適であり、それ以上の温度ではメ
タン感度が低下するだけでなく、温度上昇のためのヒー
ター投入パワーも増大する。
【００１３】図２（ａ）の場合、実際は内蔵ヒーターを
用いるため、中心部を４５０℃にしてもフィルタ層に上
述のような温度分布が生じ、十分なガス感度，水素選択
性が得られない。外側ほど温度が低く、中心からの距離
が６５μｍ以上では水素選択性から必要とされる３８０
℃を下回ってしまう。つまり、フィルタ層全体を３８０
℃以上に保とうとすれば、中心部を４５０℃以上にする
必要があり、その分、消費電力が上昇することになる。
これに対し、図２（ｂ），（ｃ）の場合は、内蔵ヒータ
ーを用いた場合でも、フィルタ層の温度分布が小さく、
全領域で３８０℃を上回る温度であるので、消費電力を
上昇させることなく、十分なガス感度，水素選択性が得
られる訳である。
用いるため、中心部を４５０℃にしてもフィルタ層に上
述のような温度分布が生じ、十分なガス感度，水素選択
性が得られない。外側ほど温度が低く、中心からの距離
が６５μｍ以上では水素選択性から必要とされる３８０
℃を下回ってしまう。つまり、フィルタ層全体を３８０
℃以上に保とうとすれば、中心部を４５０℃以上にする
必要があり、その分、消費電力が上昇することになる。
これに対し、図２（ｂ），（ｃ）の場合は、内蔵ヒータ
ーを用いた場合でも、フィルタ層の温度分布が小さく、
全領域で３８０℃を上回る温度であるので、消費電力を
上昇させることなく、十分なガス感度，水素選択性が得
られる訳である。
【００１４】上記では、フィルタ層とヒーターとの関係
について説明したが、フィルタ層と感知膜との関係につ
いても、感知膜に対するガス選択性の観点から、感知膜
の外周部はフィルタ層の外周部よりも内側にあることが
望ましい。
について説明したが、フィルタ層と感知膜との関係につ
いても、感知膜に対するガス選択性の観点から、感知膜
の外周部はフィルタ層の外周部よりも内側にあることが
望ましい。
【００１５】
【発明の効果】この発明によれば、フィルタ層を、その
外周部がヒーターの外周部よりも内側にあるように構成
することで、フィルタ層内の温度分布が低下され（ほぼ
均一化され）、十分なガス感度，ガス選択性に優れ、妨
害物質が共存するような劣悪な環境下でも安定に動作可
能となる利点が得られる。
外周部がヒーターの外周部よりも内側にあるように構成
することで、フィルタ層内の温度分布が低下され（ほぼ
均一化され）、十分なガス感度，ガス選択性に優れ、妨
害物質が共存するような劣悪な環境下でも安定に動作可
能となる利点が得られる。
【図１】この発明の実施の形態を示す断面図である。
【図２】ヒーターの形状例を示す平面図である。
【図３】フィルタ層の温度分布説明図である。
【図４】ガス感度の温度依存特性説明図である。
１…Ｓｉ（基板）、２…支持層、３…ヒーター層、４…
絶縁層、５…感知膜電極、６…感知膜、７…フィルタ
層。
絶縁層、５…感知膜電極、６…感知膜、７…フィルタ
層。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 国原 健二 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 近藤 健治 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2G046 AA11 AA19 AA21 BA01 BB03 BB04 BC01 BD03 BE03 EA02 EA04 EA08 EA11 FB02 FE03 FE10 FE12 FE25 FE38 FE39 FE48
Claims (4)
- 【請求項１】 Ｓｉ基板の一側面中央部がダイヤフラム
様にくりぬかれた基板面上に、支持膜を介して薄膜ヒー
ターを形成し、その上に電気絶縁層を介して感知膜電極
を形成し、その上に感知膜を形成し、さらにその上にフ
ィルタ層を形成した薄膜ガスセンサにおいて、 前記フィルタ層の外周部が前記薄膜ヒーターの外周部よ
りも外側に出ないで内側にあることを特徴とする薄膜ガ
スセンサ。 - 【請求項２】 前記感知膜の外周部が、フィルタ層の外
周部よりも内側にあることを特徴とする請求項1に記載
の薄膜ガスセンサ。 - 【請求項３】 前記感知膜が、ＳｎＯ2からなることを
特徴とする請求項1または２のいずれかに記載の薄膜ガ
スセンサ。 - 【請求項４】 前記フィルタ層が、Ａｌ2Ｏ3，Ｃｒ
2Ｏ3，Ｆｅ2Ｏ3，Ｎｉ2Ｏ3，ＺｎＯ，ＳｉＯ2を含む多
孔質金属酸化物からなることを特徴とする請求項1ない
し３のいずれかに記載の薄膜ガスセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000109027A JP2001289808A (ja) | 2000-04-11 | 2000-04-11 | 薄膜ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2000109027A JP2001289808A (ja) | 2000-04-11 | 2000-04-11 | 薄膜ガスセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001289808A true JP2001289808A (ja) | 2001-10-19 |
| JP2001289808A5 JP2001289808A5 (ja) | 2006-02-02 |
Family
ID=18621779
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2000109027A Pending JP2001289808A (ja) | 2000-04-11 | 2000-04-11 | 薄膜ガスセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2001289808A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006012459A (ja) * | 2004-06-22 | 2006-01-12 | Matsushita Electric Works Ltd | 赤外線放射素子 |
-
2000
- 2000-04-11 JP JP2000109027A patent/JP2001289808A/ja active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006012459A (ja) * | 2004-06-22 | 2006-01-12 | Matsushita Electric Works Ltd | 赤外線放射素子 |
| JP4534620B2 (ja) * | 2004-06-22 | 2010-09-01 | パナソニック電工株式会社 | 赤外線放射素子 |
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|
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|
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|
| A521 | Written amendment |
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|
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