JP2003344341A - ガス検出器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 シリコン基板に形成され高温度で使用される
ガスセンサの電極を、気密性を確保しながら外部に引き
出す。 【解決手段】 シリコン基板２とガラス基板１との間の
空間にガス流路を形成しガスセンサを設けるために、シ
リコン基板２上面をエッチングして絶縁層５を形成し、
電極パターニングによって電極４を設ける。電極パター
ンの縁の絶縁層５に生じる段差が接合面６にかからない
ように、ガラス基板１側にくぼみ９を形成し、電極４に
対応する位置に貫通穴８をあけ電極３を設ける。接合面
７、６を基準にして、シリコン基板２上の電極表面の高
さと、ガラス基板１上の電極表面の高さの和が正になる
よう加工して、シリコン基板２とガラス基板１を陽極接
合し、ガスセンサの電極４を、気密性を確保しながら外
部に引き出す。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明はシリコン基板と棚珪
酸ガラス基板を陽極接合し、その接合界面に空間を設け
てセンサを形成する場合の外部へ電極を取り出すための
引き出し電極に係り、特に、この引き出し電極を利用し
た半導体ガスセンサ、熱式ガスセンサ、熱伝導度センサ
（ＴＣＤ）などのガス検出器に関する。 【０００２】 【従来の技術】ガスセンサは、気体（多くは空気）中に
含まれる特定のガスに感応して、その濃度に応じた電気
信号を発するもので、ガス分子が固体表面へ吸着し、あ
るいはさらに反応する特性を利用したものである。図３
に、従来から多く用いられているガスセンサの各種を示
す。 （ａ）半導体ガスセンサは、センサ材料にｎ型の酸化物
半導体ＳｎＯ_２が用いられ、リード線１８、１８ａがセ
ラミック絶縁チューブ２０、２０ａを通してヒータコイ
ル１９に接続され、電流を流すことによってＳｎＯ_２が
２００〜４００℃の加熱状態に保たれる。ＬＰＧや都市
ガスなどの可燃性ガスは還元性を持っており、このガス
の存在により半導体表面において吸着酸素による酸化反
応が起き、このとき電子が半導体に流れ込み、ＳｎＯ_２
の導電率が増加する。そのＳｎＯ _２の電気抵抗の変化を
電極１７、１７ａから検出することができる。このタイ
プは、ガス検知器やガス漏れ警報器として使用されてい
る。 （ｂ）熱線半導体ガスセンサは、センサに酸化物半導体
２４が用いられ、内部に白金線２３が埋設され、電極２
２、２２ａから所定の電流が流され、２００〜４５０℃
に加熱された状態で使用される。酸化物半導体２４の表
面にガスが吸着するとガスの種類によって、電子が増加
し熱伝導度が上がり、そのため白金線２３の温度が下が
るので、全体の抵抗値からガスを検出することができ
る。特に、可燃性ガスのガス濃度計や警報器のセンサに
使用されている。 （ｃ）接触燃焼式ガスセンサは、センサに触媒付アルミ
ナ２７を白金線２６のコイルの周りに焼結させたものが
用いられ、電極２５、２５ａから白金線２６に電流が流
され、触媒付アルミナ２７が２００〜４００℃の加熱状
態に保たれる。センサ表面で可燃性ガスが酸化して発生
する熱の変化を白金線２６の抵抗増加としてとらえ、可
燃性ガスの検出が行われる。特に、可燃性ガスのガス濃
度計や警報器のセンサに使用されている。 （ｄ）熱伝導度センサ（ＴＣＤ）は、センサにコイル状
の細いタングステン−レニウム製のフィラメント３０が
用いられ、ヘリウムなどのキャリアガスが流され、あら
かじめ、電極２９、２９ａから直流電流が流され加熱さ
れた状態で、カラム２８で分離された試料ガス成分がキ
ャリアガスによって運ばれ、ガス導入空間に導入され
る。そのガスの熱伝導度が変化するためフィラメント３
０の温度が変化し、その電気抵抗の変化を電極２９、２
９ａから電圧変化として検出する。ガスクロマトグラフ
の検出器として、特に無機分析用に用いられている。 （ｅ）振動子ガスセンサは、センサに水晶振動子などが
用いられ、振動子３１の両面に金電極３２とその上にガ
ス感応膜３３が形成されており、ガス感応膜３３に特定
のガスが吸着すると質量が変化するため、振動子３１の
共振周波数が下がってくる。この周波数変化は吸着ガス
の質量に比例するので、電極３４、３４ａを介して、発
振回路３５の出力からガス濃度を検出することができ
る。特にガス感応膜に有機材料が用いられ、臭気ガスを
検出することができる。 【０００３】図４に、ＬＰガス、都市ガス、水素、一酸
化炭素、アルコールなどの可燃性ガスの検出に用いられ
ている半導体ガスセンサの構造を示す。（ａ）は断面構
造、（ｂ）は斜視内部透視図を示す。シリコン基板２の
上面がエッチングされ、くぼんだ面にＳｉＯ_２などによ
る絶縁物１２の層が形成され、その上部にセンサとなる
領域および両側に、例えば、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｔｉ／Ｐｔ／
Ａｕなどの金属膜がパターニングされて積層され、くし
形電極１５ａ、１６ａおよび電極１５、１６が形成され
る。そして、上部からＳｎＯ_２ＺｎＯなどのｎ型の酸化
物半導体ＳｎＯ_２２１の焼結体が形成され、検出対象の
ガスに対する感度と選択性をよくするために白金やパラ
ジウムなどの触媒が添加される。そして、上部にガス流
路の空間を有し、電極１５、１６に対応した位置に貫通
穴を有したガラス基板（図示せず）が上部から接合され
て、ハンダなどによって電極１５、１６と上下接続部３
６、３６ａで接続され、外部に信号が取り出される。そ
して、シリコン基板２の裏面にヒータ１３がアルミナ保
護膜１４を介して接合され、動作時、ヒータ電極１３ａ
から電流が流され、上部に設けられた酸化物半導体Ｓｎ
Ｏ_２２１が２００〜４００℃に加熱される。通常、酸化
物半導体は、表面に酸素が負イオン吸着しており、還元
性のガス（可燃性ガス）が表面に触れると、吸着酸素に
よる酸化反応が起き、電子が半導体に流れ込み導電率が
増加する。この電気抵抗の変化によってガスを検出する
ことができる。 【０００４】図５に、シリコン基板上の電極、またはガ
ラス基板上の電極を、気密性を確保しながら外部に引き
出す一般的な方法を示す。 （ａ）シリコン基板２にエッチングなどでくぼみが作ら
れ、その上に絶縁層１２を介して、ガスセンサの端子に
パターニング接続された電極３７が形成される。そし
て、ガラス基板１側の電極３７に相対する位置に貫通穴
が形成され、シリコン基板２とガラス基板１が接合面４
５で接合される。そして、貫通穴にハンダ３８を溶かし
て電極３７が外部に引き出される。この場合は貫通穴が
溶かし込んだハンダにより密封されるため気密性が確保
できる。 （ｂ）シリコン基板２にホウ素などを拡散あるいはイオ
ン注入することにより電極４０を形成する。ガラス基板
１に電極４０に相対する位置に電極４０に完全に収まる
大きさの貫通穴を設け、シリコン基板２と陽極接合す
る。ガラス基板２側から金属膜を蒸着することにより、
電極３９を形成し、電極４０が外部に引き出される。こ
の場合はホウ素を拡散したシリコンから成る電極４０自
体が陽極接合によりガラスと接合されるので気密性が確
保できる。 （ｃ）シリコン基板２の絶縁層１２表面に金属配線の電
極４１が形成され、ガラス基板１との接合面４５に設け
た空間４６において、電極４１が外側まで延長され、シ
リコン基板２の外部上面に外部電極４３が形成され、電
極４１が外部電極４３に引き出される。内外の境界部４
４にポリイミド膜をパターニングして形成したポリイミ
ド封止栓４２が設けられる。そして、シリコン基板２と
ガラス基板１が陽極接合されることにより、内部が気密
封止される。この場合は柔軟性があるポリイミド膜によ
りシリコン基板２表面の電極４１の縁の段差が埋められ
るため気蜜性が確保できる。 【０００５】 【発明が解決しようとする課題】従来のガス検出器は以
上のように構成されているが、図５に示す（ａ）の方法
では、ガラス基板１に貫通穴を形成し、ハンダ３８で電
極３７を外部に取り出しているが、使用温度が３００℃
を超えるガスセンサの用途では、ハンダ３８が溶けるた
め使用できないという問題がある。また、（ｂ）の方法
では、金属に比べて抵抗率が格段に大きいシリコン基板
２の拡散層を介するので、センサとして半導体ガスセン
サなどを用い、金属抵抗体の微小な抵抗値変化から気体
の質量流量や熱伝導率の変化を測定するには、拡散層の
抵抗が測定誤差やノイズ源になるという問題がある。ま
た、（ｃ）の方法では、電極４１あるいは電極４１を引
き出すための配線の縁が、陽極接合する領域に重なる
と、電極４１あるいは配線周辺の段差により、断面積が
小さく奥行きが大きいデッドスペースが生じ、その空間
のガス交換がされにくい形状になり、また、リークが生
じるという問題がある。また、ポリイミド封止栓４２に
よるシールは、高温での使用時にポリイミド封止栓４２
からアウトガスが生じる恐れがあり、半導体ガスセンサ
や熱伝導度センサ（ＴＣＤ）のような微量ガスの検出器
ではそのアウトガスがノイズとなるという問題がある。 【０００６】本発明は、このような事情に鑑みてなされ
たものであって、シリコン基板と硼珪酸ガラス基板を接
合してガス流路空間にガスセンサを設け、シリコン基板
又はガラス基板上に形成されたガスセンサの電極を、気
密性を確保しながら外部に引き出すことができるガス検
出器を提供することを目的とする。 【０００７】 【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明のガス検出器は、二つの基板を陽極接合し
て、両基板の間にガス流路の空間を形成し、その空間に
ガスセンサが設けられガスセンサの電極を外部に引き出
しその信号によりガスを検出するガス検出器であって、
第一の基板上にガスセンサからの電極と、この電極に相
対して第二に基板上に設けられ中心部に貫通する穴を有
する形状の電極とを設け、第一の基板上の陽極接合面を
基準として外側に突出する方向を正とした電極表面の高
さと、第二の基板上の陽極接合面を基準として外側に突
出する方向を正とした電極表面の高さとの和が正である
ような前記両基板を陽極接合することで、第一の基板上
の前記電極を第二の基板の前記電極の貫通穴を通して外
側に取り出すことができるようにしたものである。 【０００８】本発明のガス検出器は上記のように構成さ
れており、シリコン基板上にガスセンサに導通するパタ
ーニングされた電極を設け、硼珪酸からなるガラス基板
上に相対した位置にシリコン基板上の電極の範囲に完全
に収まるような形状をした電極を設け、その電極の中央
にガラス基板を貫通する穴を設ける。そして、ガラス基
板上の、シリコン基板上の電極周縁部に相対する箇所を
彫り込み、くぼみを形成する。そして、シリコン基板上
の陽極接合面を基準として外側に突出する方向を正にと
った電極表面の高さと、ガラス基板上の陽極接合面を基
準として外側に突出する方向を正にとった電極表面の高
さの和が正であるように、両方の電極を形成する。そし
て、シリコン基板とガラス基板とを、圧接し３００〜４
００℃に加熱して５００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加し、両
基板を接合する陽極接合法を用い、両基板の間にガス流
路の空間を形成する。また、本発明のガス検出器は、上
記のシリコン基板側とガラス基板側を反対にした構成で
も同様に形成することができる。また、本発明のガス検
出器は、大気中で陽極接合する場合は、両方の電極表面
をＡｕで被覆することで、酸化することなく気密に接合
することができる。 【０００９】上記の製作工程で、シリコン基板とガラス
基板を陽極接合すると、シリコン基板上の陽極接合面を
基準として外側に突出する方向を正にとった電極表面の
高さと、ガラス基板上の陽極接合面を基準として外側に
突出する方向を正にとった電極表面の高さの和が正であ
るため、陽極接合により互いの電極を押しつけ合うよう
な応力が発生し、電極が確実に接触すると同時にシール
性が確保される。また、シリコン基板およびガラス基板
の電極表面をＡｕで被覆した場合は、電極表面のＡｕ同
士が固層接合するため、電極接合と電極部のシール性が
向上する。このようにして形成した電極は、陽極接合温
度までシール性と確実なコンタクトを確保することがで
きる。また、シリコン基板上あるいはガラス基板上の電
極パターンの縁に生じる段差が電極接合面にかからない
ようなくぼみ構造にすることにより、ガス交換がされに
くいデッドスペースを無くし、リークなどのパスを無く
することができる。 【００１０】 【発明の実施の形態】本発明のガス検出器の一実施例
を、図１、図２を参照しながら説明する。図１は本発明
のガス検出器の断面構造を示す図である。図２は陽極接
合前のガラス基板１およびシリコン基板２の断面構造を
示す。本発明のガス検出器は、シリコン基板２とガラス
基板１との間のガス流路１１に設けられたガスセンサ１
０と、接合面７のエッチングされた表面に絶縁層１２お
よび絶縁層５を介してパターニングされ電極１５、１６
および電極４を形成したシリコン基板２と、ガス流路１
１を形成し電極４に対応した位置に貫通穴８および電極
３とその周りの接合面６にくぼみ９を形成したガラス基
板１と、シリコン基板２の裏面に設けられアルミナ保護
膜１４を介してガスセンサ１０を加熱するヒータ１３と
から構成される。 【００１１】本ガス検出器は、シリコン基板２と硼珪酸
からなるガラス基板１を、図２に示すような形状にし
て、陽極接合法によって接合するもので、シリコン基板
２とガラス基板１の間にガス流路１１を形成し、その空
間に設けられたガスセンサ１０などの電極１５を、シリ
コン基板２上にエッチングされ絶縁層１２、５上にパタ
ーニングされた電極４で、気密性を確保しながらガラス
基板１側に設けられた電極３から外部に引き出すことが
できる構造とする。そのため、小型になり、設置性、使
用性、耐久性に優れ、特に高温度で連続的に使用するこ
とができ、気密性の高い機能を備えた特徴を有する。 【００１２】ガスセンサ１０は、図３で説明した、半導
体ガスセンサ、熱線半導体ガスセンサ、接触燃焼式ガス
センサ、熱伝導度センサ（ＴＣＤ）、振動子ガスセンサ
などが用いられる。そして、個別にガスセンサ１０の部
分が製作され、電極１５、１６のパターニングされたシ
リコン基板２上に取り付けられる方法と、シリコン基板
２上に電極１５、１６、４と直接、半導体のガスセンサ
１０を形成する方法がある。半導体ガスセンサ、熱線半
導体ガスセンサ、接触燃焼式ガスセンサなどは、いずれ
の方法でも用いられるが、熱伝導度センサ（ＴＣＤ）、
振動子ガスセンサなどは、前者の方法が用いられる。上
記の振動子ガスセンサ以外のセンサは、ガスの吸着や反
応をよくするために、図３に示すヒータコイル１９、白
金線２３、２６などによって、通常、２００〜４５０℃
に加熱された状態で用いられる。また、熱伝導度センサ
（ＴＣＤ）は、センサにコイル状の細いタングステン−
レニウム製のフィラメント３０が用いられ、ヘリウムな
どのキャリアガス中で直流電流が流され加熱された状態
で一定の温度に保たれた恒温槽で使用される。 【００１３】シリコン基板２は、シリコン単結晶からカ
ットされたウェハ基板を用いる。そして、リソグラフィ
技術でセンサの各素子を製作するバルク状の土台とす
る。図２に示すように、シリコン基板２の電極４が形成
される範囲を１μｍ程度エッチングし、接合面７よりく
ぼんだ状態にして、そこに絶縁層５を形成した後、例え
ば、Ｃｒ／Ａｕ、Ｗ／Ａｕ、Ｎｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／
Ａｕ、などの金属膜を積層して電極４を形成する。この
ときのシリコン基板２上の接合面７を基準として外側に
突出する方向を正にとった電極４の表面の高さをＢとす
る。同様に、図１に示すように、ガスセンサ１０がシリ
コン基板２のエッチングされた面に絶縁層１２を形成
し、その上にガスセンサ１０の電極１５、１６がパター
ニングされ、電極４と導通がとられる。その上部に直接
ガスセンサ１０を形成し、または、別途製作されたガス
センサ１０が接続される。ガラス基板１は、シリコン基
板２と陽極接合の容易なガラス、例えば、硼珪酸ガラス
が用いられる。ガラス基板１側にガス流路１１を設け、
シリコン基板２の電極４に相対する位置に貫通穴８を設
け、その上に、例えば、Ｃｒ／Ａｕ、Ｗ／Ａｕ、Ｎｉ／
Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ、などの金属膜を積層して電極
３を、図２に示すような形状に設ける。このときのガラ
ス基板１上の接合面６を基準として外側に突出する方向
を正にとった電極３の表面の高さをＡとする。そして、
電極３の周りの接合面６にくぼみ９を形成する。くぼみ
９は、シリコン基板２の絶縁層５の縁の凸状部に対応す
る位置に、ガス交換が十分短時間で行われるような断面
積で、ガラス基板１の接合面６の電極４の周りに形成さ
れる。上記の電極４および電極３の金属膜の厚さは、上
記のＡとＢの和が陽極接合に支障がない範囲、例えば＋
０．１μｍから＋０．５μｍの範囲になるように設計す
る。また、電極４および電極３の表面をＡｕで被覆して
精度を出してもよい。 【００１４】ヒータ１３は、図３に示すヒータコイル１
９、白金線２３、白金線２６等によって、酸化物半導体
ＳｎＯ_２２１、酸化物半導体２４、触媒付アルミナ２７
などを加熱するもので、センサを加熱することで、ガス
の吸着や反応をよくし、通常、２００〜４５０℃に加熱
された状態で用いられる。図１に示すヒータ１３は、ア
ルミナ保護膜１４を介してシリコン基板２に形成され、
ガスセンサ１０を加熱する傍熱型のものであるが、図３
（ｂ）、（ｃ）に示すものは、酸化物半導体２４、触媒
付アルミナ２７などの中にヒータ用の白金線２３、２６
が埋設されており、同時に白金線２３、２６の抵抗変化
を測定することでガスを検出する。 【００１５】そして、ガスセンサ１０が設けられ電極４
が形成されたシリコン基板２と、電極３が形成されたガ
ラス基板１を、相互の電極３、４の位置を合わせて、陽
極接合を行う。陽極接合は、大気中または真空中でシリ
コン基板２とガラス基板１の高精度のアライメントをし
て、シリコン基板２にガラス基板１を圧接し、３００〜
４００℃に加熱して、５００Ｖ〜１ｋＶの電圧を印加す
ると、シリコンとガラスに大きな静電引力が発生し、界
面で化学結合が行われる。この方法を用いると、小型
で、気密性、耐熱性のあるガス検出器を製作することが
できる。そして、シリコン基板２とガラス基板１の間に
ガス流路１１の空間が形成されると同時に、ガスセンサ
１０の電極１５に導通した電極４と電極３が接続され、
内外が気密状態になり、外部に信号を取り出すことがで
きる構造になる。また、配線抵抗をより小さくする必要
があれば、陽極接合後にガラス基板側から、例えば、Ａ
ｕなどをさらに積層するとよい。また、シリコン基板２
上の電極４の表面にＡｕなどによってリング上の突起を
形成し、陽極接合時にそこがつぶれることにより、より
確実なシールを得ることもできる。 【００１６】上記の実施例では、シリコン基板２上にガ
スセンサ１０を形成し、その電極１５、１６を電極４か
らガラス基板１の電極３によって外部に取り出している
が、シリコン基板２とガラス基板１とを入れ替えた構成
でも同様に適用することができる。また、シリコン基板
２およびガラス基板１が、それぞれ一体もので説明した
が、少なくとも表面がシリコンからなる基板と、少なく
とも表面が硼珪酸ガラスからなる基板を用いても、同様
に適用することができる。また、化学的な特性の類似し
たガスの区別は、一般に困難であるが、選択性の異なる
複数のセンサを用いれば、これを行うことができる。ま
た、ガスクロマトグラフのような装置では、カラムによ
って試料成分を分離し、熱伝導度ガスセンサ（ＴＣＤ）
を用いれば、クロマトグラムから試料成分を分析するこ
とができる。 【００１７】 【発明の効果】本発明のガス検出器は上記のように構成
されており、陽極接合面を基準にして、シリコン基板上
の電極表面の高さと、ガラス基板上の電極表面の高さの
和が正であるため、陽極接合によりシリコン基板および
ガラス基板に互いの電極を押しつけ合うような応力が発
生し、電極が確実に接触すると同時にシール性を確保す
ることができる。また、電極表面をＡｕで被覆した場合
は、電極表面のＡｕ同士が固層接合するため、電極接合
と電極部のシール性を向上させることができる。また、
基板上の電極パターンの縁に生じる段差が電極接合面に
かからないようなくぼみ構造にすることにより、ガス交
換がされにくいデッドスペースがすくなくなり、リーク
を発生するようなことをなくすることができる。そし
て、このようにして陽極接合して形成された引き出し電
極は、高温度で使用される半導体センサなどに用いるこ
とができ、シール性と確実なコンタクトを確保して、小
型で設置性、使用性、耐久性に優れ、安価に製作するこ
とができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明のガス検出器の一実施例を示す図であ
る。 【図２】 本発明のガス検出器の陽極接合前のガラス基
板とシリコン基板の断面構造を示す図である。 【図３】 各種ガスセンサを説明するための図である。 【図４】 シリコン基板上に形成された半導体ガスセン
サの構造を示す図である。 【図５】 従来のガス検出器のシリコン基板上の電極を
外部に導出する方法を示す図である。 【符号の説明】 １…ガラス基板 ２…シリコン基板 ３、４、１５、１６…電極 ５…絶縁層 ６、７…接合面 ８…貫通穴 ９…くぼみ １０…ガスセンサ １１…ガス流路 １２…絶縁層 １３…ヒータ １３ａ…ヒータ電極 １４…アルミナ保護層 １５ａ、１６ａ…くし形電極 １７、１７ａ、２２、２２ａ、２５、２５ａ、２９、２
９ａ…電極 １８、１８ａ…リード線 １９…ヒータコイル ２０、２０ａ…セラミック絶縁チューブ ２１…ＳｎＯ_２ ２３、２６…白金線 ２４…酸化物半導体 ２７…触媒付アルミナ ２８…カラム ３０…フィラメント ３１…振動子 ３２…金電極 ３３…ガス感応膜 ３４、３４ａ…電極 ３５…発振回路 ３６、３６ａ…上下接続部 ３７、３９、４０、４１…電極 ３８…ハンダ ４２…ポリイミド封止栓 ４３…外部電極 ４４…境界部 ４５…接合面 ４６…空間

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G040 AA02 AB09 BA23 DA02 EA02 EB02 2G046 AA01 BA01 BA09 BB02 BE03 BG01 EB01 FB02 FE39 2G060 AA01 AE19 AF07 AG06 AG08 AG10 BA03 BA05

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】二つの基板を陽極接合して、両基板の間に
   ガス流路の空間を形成し、その空間にガスセンサが設け
   られガスセンサの電極を外部に引き出しその信号により
   ガスを検出するガス検出器であって、第一の基板上にガ
   スセンサからの電極と、この電極に相対して第二に基板
   上に設けられ中心部に貫通する穴を有する形状の電極と
   を設け、第一の基板上の陽極接合面を基準として外側に
   突出する方向を正とした電極表面の高さと、第二の基板
   上の陽極接合面を基準として外側に突出する方向を正と
   した電極表面の高さとの和が正であるような前記両基板
   を陽極接合することで、第一の基板上の前記電極を第二
   の基板の前記電極の貫通穴を通して外側に取り出すこと
   ができるようにしたことを特徴とするガス検出器。