JP2005208009A - 赤外線検知式ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 体格を小型化でき、且つ、センサ感度のばらつきを低減できる赤外線検知式ガスセンサを提供すること。
【解決手段】 抵抗体６０を有し、当該抵抗体６０を発熱させることにより赤外線を放射する光源部３１と、検出素子７０として熱電対を有する受光部３２とを同一の基板４０に集積化し、１つのセンサチップ３０とした。そして、ケース１０の上部内面に設けられた凹面鏡１２ｂの対向する所定の位置にセンサチップ３０を配置し、ガスセンサ１００とした。従って、光源部３１と受光部３２が別チップである場合よりも、ケース１０内における配置スペースを縮小できるので、ガスセンサ１００の体格を小型化することができる。また、光源部３１と受光部３２の位置関係が決定されているので、凹面鏡１２ｂに対する光源部３１と受光部３２の位置精度が向上される。従って、センサ感度のばらつきを低減できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、赤外線光源と、赤外線を検出する赤外線センサと、赤外線光源に対して対向配置され、反射した赤外線を赤外線センサに入射させる反射部材とを同一のケース内に備える赤外線検知式ガスセンサに関するものである。

従来、例えば特許文献１に開示されるように、赤外線光源と、赤外線を検出する赤外線センサと、赤外線光源に対して対向配置され、反射した赤外線を赤外線センサに入射させる反射部材と、を同一のケース内に備える赤外線検知式ガスセンサが知られている。

この赤外線検知式ガスセンサ（以下ガスセンサと示す）は、凹面反射鏡（反射部材）に対向させて光源（赤外線光源）を設け、この光源から放射された赤外線の反射光束が集束する位置又はその近傍に受光器（赤外線センサ）を設け、光源及び受光器と凹面反射鏡との間の空間に被測定ガスを含むガスを流入させて、ガスによる赤外線吸収の度合いを測定するように構成している。
特開平９−１８４８０３号公報

しかしながら、特許文献１に示されるガスセンサの場合、光源と受光器とが別個（別チップ）に設けられているので、ガスセンサの体格を小型化するのが困難である。

また、このようなガスセンサにおいては、赤外線センサに到達する赤外線エネルギー量が大きいほど、赤外線センサの出力変化が大きくなり、ガスセンサのセンサ感度が向上する。しかしながら、特許文献１に示されるガスセンサの場合、凹面反射鏡に対して、光源と受光器をそれぞれ位置決めする必要があるので、取り付け位置に誤差が生じやすい。従って、取り付け位置のばらつきにより、受光器まで到達する赤外線エネルギー量が変化するので、センサ感度がばらつく恐れがある。

本発明は上記問題点に鑑み、体格を小型化でき、且つ、センサ感度のばらつきを低減できる赤外線検知式ガスセンサを提供することを目的としている。

上記目的を達成する為に請求項１に記載の赤外線検知式ガスセンサは、抵抗体を有し、当該抵抗体を発熱させることにより赤外線を放射する赤外線光源と、赤外線を受光したときに生じる温度変化に基づいて電気信号を発生する検出素子を有する赤外線センサと、赤外線光源に対して対向配置され、赤外線光源から放射された赤外線を反射し、赤外線センサに入射させる反射部材と、を同一のケース内に備えている。そして、抵抗体及び検出素子が、同一の基板に設けられていることを特徴とする。

このように、本発明の赤外線検知式ガスセンサ（以下ガスセンサと示す）によると、同一ケース内において、抵抗体及び検出素子が同一の基板に設けられている。すなわち、赤外線光源と赤外線センサが同一のチップに集積されている。従って、赤外線光源と赤外線センサが異なるチップである場合よりも、赤外線光源と赤外線センサの配置スペースを小さくできるので、ガスセンサの体格を小型化することができる。

また、抵抗体及び検出素子が同一の基板に設けられており、抵抗体（赤外線光源）と検出素子（赤外線センサ）との位置関係が決定されている。従って、反射部材に対する赤外線光源及び赤外線センサの位置精度が向上されるので、センサ感度のばらつきを低減できる。

特に、請求項２に記載のように、赤外線センサへ到達する赤外線エネルギー量（すなわち赤外線受光効率）を大きくするために、反射部材として所定のＲをもった凹面鏡を適用する場合、反射部材に対する赤外線光源及び赤外線センサの位置精度がセンサ感度のばらつきに与える影響が大きくなる。しかしながら、本発明の構成であれば、凹面鏡を適用することにより赤外線受光効率を大きく（すなわちセンサ感度を向上）でき、且つ、センサ感度のばらつきを低減できる。

ガスセンサの構造としては、請求項３に記載のように、基板が薄肉部としてのメンブレンを複数有し、抵抗体及び検出素子がそれぞれ異なるメンブレンに形成された構造であることが好ましい。この場合、抵抗体及び検出素子はそれぞれ基板に対して熱分離された構造であるので、赤外線光源は効率よく赤外線を放射でき、赤外線センサのセンサ出力を大きくすることができる。尚、検出素子の形成されたメンブレン表面に、赤外線吸収膜を設けた構成であると尚良い。

検出素子としては、例えば請求項４に記載のように、温接点がメンブレン上に形成され、冷接点がメンブレンの形成領域を除く基板上に形成されてなる熱電対を適用することができる。

請求項５に記載のように、抵抗体と検出素子の少なくとも一部が同一材料から構成されても良く、請求項６に記載のように、抵抗体と検出素子の少なくとも一部がともに同一平面上に形成されても良い。この場合、製造工程を簡素化できる。特に、同一材料を用いて同一平面上に形成する場合には、抵抗体と検出素子を同一の工程にて同時に形成することができるので、製造工程を簡素化でき、製造コストを低減することができる。

請求項７に記載のように、基板は、半導体基板であり、抵抗体及び検出素子は、絶縁膜を介して半導体基板上に形成されていることが好ましい。半導体基板を用いることで、一般的な半導体プロセスにより、抵抗体と検出素子とを位置精度良く形成することができる。すなわち、センサ感度が向上されたガスセンサを低コストで製造することができる。

尚、上述したように、抵抗体と検出素子とが同一基板に形成されていると、ケース内における赤外線光源と赤外線センサの配置スペースを小さくできるので、ケース内の空いたスペースに、赤外線光源及び赤外線センサの回路チップを配置することも可能となる。従って、請求項８に記載のように、抵抗体及び検出素子を備える基板（赤外線光源及び赤外線センサが設けられたチップ）が、回路チップ上に実装（スタック実装）されてケース内に配置された構成とすることもできる。

以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。尚、本発明は、赤外線光源から放射された赤外線を、赤外線光源に対して対向配置された反射部材にて反射し、この反射光を赤外線センサにて検出する所謂反射型の構造を有する赤外線検知式ガスセンサに適用される。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態における赤外線検知式ガスセンサ（以下ガスセンサと示す）の概略構成を示す図である。

図１に示すように、ガスセンサ１００は、赤外線を反射する反射部材を備え、被測定ガスが流入可能に設けられたケース１０と、ケース１０内に配置され、赤外線を制限するキャップ２０と、ケース１０内に配置され、赤外線を放射する赤外線光源及び赤外線を検出する赤外線センサが集積されてなるセンサチップ３０と、により構成される。

ケース１０は、基部となる台座１１と、台座１１に取り付けられる円筒状の容器１２からなる。

容器１２は、その側面に、ケース１０内に被測定ガスを含むガスが流入可能なように複数のガス出入り口１２ａ（図１においては２箇所）を有している。また、台座１１に対向する上部の内面に、赤外線を反射する反射部材としての凹面鏡１２ｂを有している。この凹面鏡１２ｂは、センサチップ３０の赤外線光源から放射された赤外線を反射し、センサチップ３０の赤外線センサに入射させるように、所定のＲ形状に加工されている。尚、赤外線光源及び赤外線センサについては後述する。

キャップ２０は、赤外線光源から放射される赤外線の放射方向を制限し、且つ、凹面鏡１２ｂにて反射された赤外線のセンサチップ３０に対する入射領域を制限するものであり、放射窓部２１と入射窓部２２を除く部位は赤外線を遮蔽するように構成されている。この放射窓部２１は赤外線光源に対応する位置に設けられ、入射窓部２２は赤外線センサに対応する位置に設けられている。また、放射窓部２１には赤外線透過フィルタ２１ａが設置され、入射窓部２２には特定波長の赤外線のみを選択的に透過させるバンドパスフィルタ２２ａが設置されている。また、キャップ２０は、赤外線光源から等方的に放射される赤外線が、凹面鏡１２ｂを経ずに、キャップ２０内にて直接赤外線センサに入射するのを防ぐために、上部からセンサチップ３０の表面に向けて伸延する隔壁２３を有している。

センサチップ３０は、ケース１０内の台座１１上に固定されており、１つのチップ内に、赤外線を放射する赤外線光源としての光源部３１と、光源部３１から放射され、凹面鏡１２ｂにて反射された赤外線を受光する赤外線センサとしての受光部３２とを備えている。すなわち、光源部３１と受光部３２が、センサチップ３０として１つのチップに集積化されている。従って、ケース１０における光源部３１と受光部３２の設置スペースを縮小できるので、ガスセンサ１００の体格を小型化することができる。

また、光源部３１と受光部３２が、センサチップ３０として１つのチップに集積化されており、光源部３１と受光部３２との位置関係が予め決定されている。従って、ケース１０の台座１１上に光源部３１及び受光部３２を配置する際に、凹面鏡１２ｂに対してセンサチップ３０を位置決めすれば良いので、凹面鏡１２ｂに対する光源部３１及び受光部３２の位置精度が向上される。すなわち、受光部３２に到達する赤外線エネルギー量のばらつきが低減されるので、ガスセンサ１００毎のセンサ感度のばらつきを低減することができる。

特に、受光部３２へ到達する赤外線エネルギー量（すなわち赤外線受光効率）を大きくするために、反射部材として所定のＲをもった凹面鏡１２ｂを適用する場合、光源部３１及び受光部３２の位置精度がセンサ感度のばらつきに与える影響が大きくなる。しかしながら、本実施形態に示す構成であれば、凹面鏡１２ｂを適用することにより赤外線受光効率を大きく（すなわちセンサ感度を向上）でき、且つ、センサ感度のばらつきを低減できる。尚、センサチップ３０の詳細については後述する。

また、センサチップ３０は、ボンディングワイヤ３３を介して、台座１１に貫通しつつ固定された外部出力端子としてのターミナル３４に電気的に接続されている。

このように、本実施形態におけるガスセンサ１００は、ケース１０の上部内面に凹面鏡１２ｂが配置され、光源部３１と受光部３２を備えるセンサチップ３０が、凹面鏡１２ｂに対して位置精度良くケース１０の台座１１上に配置されている。そして、光源部３１から照射された赤外線は、キャップ２０の放射窓部２１に設置された赤外線透過フィルタ２１ａを介して凹面鏡１２ｂで反射され、その反射光のうち、キャップ２０の入射窓部２２に設置されたバンドパスフィルタ２２ａにより特定波長の赤外線のみが透過されて、効率よく受光部３２に到達する構成となっている。

従って、ガス出入り口１２ａを通してケース１０内（キャップ２０内を除く）に流入された被測定ガス中を赤外線が往復し、その間に特定波長の赤外線が吸収され、受光部３２に到達する。このとき、被測定ガスの濃度に応じて受光部３２に到達する赤外線の強度が変わるので、それに応じて受光部３２の出力が変化し、被測定ガスの濃度が測定される。尚、このような反射型の構成であると、赤外線の光路長が長くなるので、センサ感度を向上できる。

次に、センサチップ３０の構成について、図２（ａ），（ｂ）を用いて説明する。図２（ａ），（ｂ）は、図１におけるセンサチップ３０の拡大図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。尚、図２（ａ）においては、便宜上、抵抗体、抵抗体と電極とを接続する配線部、検出素子、及び検出素子と電極とを接続する配線部を図示している。また、図２（ａ）において、破線で囲まれた２つの矩形領域は基板上面における空洞部の形成領域を示し、一点鎖線で囲まれた矩形領域は赤外線吸収膜の形成領域を示している。

図２（ｂ）に示すように、センサチップ３０は、基板４０と、当該基板４０に複数設けられた薄肉部としてのメンブレン５０と、通電されることにより発熱する抵抗体６０と、赤外線を検出する検出素子７０と、赤外線吸収膜８０とにより構成される。尚、本実施形態においては、基板４０に、メンブレン５０として抵抗体６０を含むメンブレン５０ａと、検出素子７０及び赤外線吸収膜８０を含むメンブレン５０ｂが設けられている。

基板４０は、シリコンからなる半導体基板であり、それぞれのメンブレン５０ａ，５０ｂの形成領域に対応した空洞部４１ａ，４１ｂを有している。本実施形態において、空洞部４１ａ，４１ｂはともに矩形状の領域をもって開口されており、この開口面積が基板４０の上面側へ行くほど縮小され、基板４０の上面では、図２（ａ）に破線にて示されるような矩形状の領域となっている。従って、抵抗体６０を含むメンブレン５０ａ及び検出素子７０を含むメンブレン５０ｂは、基板４０に対して空洞部４１ａ、４１ｂ上に浮いた状態に形成されており、センサチップ３０の他の部位と比べて膜厚が薄く形成されている。これにより、抵抗体６０は基板４０に対して熱分離され、通電されて抵抗体６０が発熱した際に、光源部３１は効率よく赤外線を放射することができる。尚、図２（ａ）において、破線で示した矩形領域４１ａ，４１ｂは、光源部３１及び受光部３２におけるそれぞれのメンブレン５０ａ，５０ｂの形成領域である。

また、基板４０の下面には、窒化シリコン膜４２が設けられ、基板４０の上面には、絶縁膜４３（例えば窒化シリコン膜）が設けられている。そして、当該絶縁膜４３上に、酸化シリコン膜４４が設けられている。

酸化シリコン膜４４上には、多結晶シリコン膜４５が設けられている。この多結晶シリコン膜４５は、メンブレン５０ａの形成領域内に設けられた光源部用多結晶シリコン膜４５ａと、メンブレン５０ｂからメンブレン５０ｂ外の所定範囲の基板４０の厚肉部位に設けられた受光部用多結晶シリコン膜４５ｂとにより構成され、それぞれが所定形状にパターニングされている。この多結晶シリコン膜４５のうち、光源部用多結晶シリコン膜４５ａが光源部３１を構成する抵抗体６０であり、受光部用多結晶シリコン膜４５ｂが受光部３２を構成する検出素子７０の一部である。このように、抵抗体６０と検出素子７０の少なくとも一部が、同一材料をもって同一平面上に形成されているので、同一の工程で同時に形成することも可能である。

そして、多結晶シリコン膜４５には、ＢＰＳＧ（Boron−doped Phospho−Silicate Glass）からなる層間絶縁膜４６を介して、アルミニウムからなる配線部４７が接続されている。この配線部４７も、光源部用多結晶シリコン膜４５ａに接続される光源部用配線部４７ａと、受光部用多結晶シリコン膜４５ｂに接続される受光部用配線部４７ｂとにより構成される。光源部用配線部４７ａは抵抗体６０（光源部用多結晶シリコン膜４５ａ）と電極とを接続する配線である。受光部用配線部４７ｂは層間絶縁膜４６に形成されたコンタクトホールを介して、受光部用多結晶シリコン膜４５ｂの端部間を接続し、受光部用多結晶シリコン膜４５ｂとともに検出素子７０である熱電対を構成するとともに、検出素子７０と電極とを接続する。

ここで、検出素子７０としての熱電対は、図２（ａ）に示すように、異種材料の受光部用多結晶シリコン膜４５ｂと受光部用配線部４７ｂが交互に複数組直列に延設され（サーモパイル）て構成され、一つおきの接合部が、熱容量の小さいメンブレン５０ｂ上に形成されている温接点と、メンブレン５０ｂの外側における熱容量の大きい基板４０上に形成されている冷接点となる。従って、基板４０がヒートシンクとしての役目を果たしている。

尚、検出素子７０は、少なくとも一部がメンブレン５０ｂ上に形成されるとともに、メンブレン５０ｂ上に形成された部位の少なくとも一部が赤外線吸収膜８０に被覆され、赤外線を受光したときに生じる温度変化に基づいて電気信号を発生するものであれば適用が可能である。従って、上記熱電対以外にも、抵抗体を備えるボロメータ型の検出素子や焦電体を備える焦電型の検出素子であっても良い。

また、配線部４７は、その端部に電極としてのパッド部４８を有しており、当該パッド部４８を除いた配線部４７上に保護膜４９（例えば窒化シリコン膜）が設けられている。尚、図２（ａ），（ｂ）において、符号４８ａがパッド部４８のうち光源部用配線部４７ａに接続された光源部用パッド部を示し、符号４８ｂが受光部用配線部４７ｂに接続された受光部用パッド部を示している。

さらに、メンブレン５０ｂ形成領域内における保護膜４９上には、検出素子７０の少なくとも一部を被覆するように赤外線吸収膜８０が形成されている。本実施形態における赤外線吸収膜８０は、ポリエステル樹脂にカーボンを含有させ、焼き固めたものであり、赤外線を吸収して検出素子７０の温接点の温度を効率良く上昇させるように、温接点を被覆しつつメンブレン５０ｂ上に形成されている。また、赤外線吸収膜８０は、メンブレン５０ｂの形成領域端に対して、所定の間隙をもって形成されている。尚、上記間隙（赤外線吸収膜８０の幅とメンブレン５０ｂの幅との比）については、本出願人が特開２００２−３６５１４０号公報にて開示しているので、本実施形態における説明は省略する。

このように構成されるセンサチップ３０がケース１０内に配置され、光源部３１の抵抗体６０が通電され、発熱することにより赤外線が放射されると、凹面鏡１２ｂにより赤外線が反射されて、反射光が受光部３２に到達する。そして、赤外線吸収膜８０に赤外線が吸収されて、温度上昇が起こる。その結果、赤外線吸収膜８０の下に配置された検出素子７０の温接点の温度が上昇する。一方、冷接点は、基板４０がヒートシンクとなっているため、温度上昇は温接点に比較して小さい。このように、検出素子７０は、赤外線を受光したときの温接点と冷接点との間に生じる温度差により検出素子７０の起電力を変化（ゼーベック効果）させ、その変化した起電力に基づいて赤外線の強度、すなわちガス濃度を検出する。尚、図２（ａ）に示す熱電対はサーモパイルとなっているため、受光部用多結晶シリコン膜４５ｂと受光部用配線部４７ｂの組で発生する起電力の総和が、検出素子７０の出力Ｖｏｕｔとなる。

次に、ガスセンサ１００の製造方法を、図１及び図２（ｂ）に基づいて説明する。

先ず、センサチップ３０の製造方法について、図２（ｂ）を用いて説明する。

シリコンからなる基板４０上に、例えばＣＶＤ法により窒化シリコンからなる絶縁膜４３を全面に形成する。この絶縁膜４３が後述する基板４０のエッチングの際に、エッチングストッパとなる。尚、絶縁膜４３は、メンブレン５０ａ，５０ｂを構成する要素であるため、膜応力を制御して形成することが重要である。このため、必要に応じて例えば窒化シリコン膜と酸化シリコン膜からなる複合膜として形成しても良い。

そして、絶縁膜４３を覆うように酸化シリコン膜４４を、例えばＣＶＤ法により形成する。この酸化シリコン膜４４は、その直上に形成される光源部用多結晶シリコン膜４５ａ及び受光部用多結晶シリコン膜４５ｂとの密着性を高め、光源部用多結晶シリコン膜４５ａ及び受光部用多結晶シリコン膜４５ｂをエッチングにより形成する際のエッチングストッパとなる。

次に、酸化シリコン膜４４上に、例えば多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により形成し、リン等の不純物を導入して所定の抵抗値が得られるように調整する。そして、フォトリソグラフィー処理によりパターニングして所定形状の光源部用多結晶シリコン膜４５ａ及び受光部用多結晶シリコン膜４５ｂを形成する。その際、図示されないが、熱酸化により、光源部用多結晶シリコン膜４５ａ及び受光部用多結晶シリコン膜４５ｂの表面に酸化シリコン膜を形成しても良い。尚、光源部用多結晶シリコン膜４５ａが光源部３１を構成する抵抗体６０となり、受光部用多結晶シリコン膜４５ｂが受光部３２を構成する検出素子７０の一部となる。従って、抵抗体６０と検出素子７０の少なくとも一部を、同一の工程で同時に形成することができるので、センサチップ３０の製造工程を簡素化でき、抵抗体６０と検出素子７０の位置精度が向上できる。また、抵抗体６０及び検出素子７０の構成材料は、多結晶シリコンに限定されるものではなく、それ以外にも不純物が導入された単結晶シリコンや、金属材料である金、白金等を構成材料として形成することもできる。また、光源部用多結晶シリコン膜４５ａ及び受光部用多結晶シリコン膜４５ｂは必ずしも同一の工程で同時に形成する必要はなく、それぞれに応じた不純物濃度となるように別々の工程で形成しても良い。

光源部用多結晶シリコン膜４５ａ及び受光部用多結晶シリコン膜４５ｂの形成後、光源部用多結晶シリコン膜４５ａ及び受光部用多結晶シリコン膜４５ｂを含む酸化シリコン膜４４上に、ＣＶＤ法により層間絶縁膜４６であるＢＰＳＧ膜を形成し、例えば９００〜１０００℃の温度にて熱処理する。このように、層間絶縁膜４６であるＢＰＳＧ膜を高温で熱処理すると、光源部用多結晶シリコン膜４５ａ及び受光部用多結晶シリコン膜４５ｂ端部の段差部分においてなだらかな形状となり、段差形状を緩和することができる。従って、配線部４７のカバレッジ不足の問題を解消することができる。熱処理後、層間絶縁膜４６をフォトリソグラフィー処理し、メンブレン５０ａ，５０ｂの形成領域内において、光源部用多結晶シリコン膜４５ａ及び受光部用多結晶シリコン膜４５ｂと光源部用配線部４７ａ及び受光部用配線部４７ｂとが積層方向において重なる位置に、接続用のコンタクトホールを形成する。尚、層間絶縁膜４６は、ＢＰＳＧ膜に限定されるものではなく、それ以外にも窒化シリコン膜や酸化シリコン膜であっても良いし、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の複合膜であっても良い。

そして、上記コンタクトホール内及び層間絶縁膜４６上に、低抵抗金属材料であるアルミニウムを成膜し、フォトリソグラフィー処理によりパターニングする。これにより光源部用多結晶シリコン膜４５ａ及び受光部用多結晶シリコン膜４５ｂと電気的に接続される光源部用配線部４７ａ及び受光部用配線部４７ｂが形成される。尚、光源部用配線部４７ａ及び受光部用配線部４７ｂの形成とともに、光源部用配線部４７ａ及び受光部用配線部４７ｂの端部に電極としての光源部用パッド部４８ａ及び受光部用パッド部４８ｂが形成される。また、光源部用配線部４７ａ及び受光部用配線部４７ｂを構成する材料はアルミニウム以外にも、金や銅等の低抵抗金属を用いることができる。

ここで、光源部用配線部４７ａは抵抗体６０（光源部用多結晶シリコン膜４５ａ）と光源部用パッド部４８ａとを接続する配線である。受光部用配線部４７ｂは層間絶縁膜４６に形成されたコンタクトホールを介して、受光部用多結晶シリコン膜４５ｂの端部間を接続し、受光部用多結晶シリコン膜４５ｂとともに受光部３２の検出素子７０（熱電対）を構成する。また、検出素子７０とパッド部４８ｂとを接続する。

次いで、窒化シリコンからなる保護膜４９を例えばＣＶＤ法により形成し、フォトリソグラフィー処理によりパターニングして光源部用パッド部４８ａ及び受光部用パッド部４８ｂを形成するための開口部を形成する。これにより、光源部用配線部４７ａ及び受光部用配線部４７ｂの端部に設けた光源部用パッド部４８ａ及び受光部用パッド部４８ｂが保護膜４９から露出される。

保護膜４９の形成後、メンブレン５０ｂの形成領域内の保護膜４９上に、検出素子７０の温接点を被覆するように、例えばポリエステル樹脂にカーボンを含有させたペーストをスクリーン印刷する。そして、形成された膜を焼き固め、赤外線吸収膜８０を形成する。

最後に、基板４０の下面全面に、例えばプラズマＣＶＤ法によりエッチングマスク用の窒化シリコン膜４２を形成する。そして、フォトリソグラフィー処理により窒化シリコン膜４２に、メンブレン５０ａ，５０ｂを形成する領域に応じた空洞部位を形成し、シリコンからなる基板４０を、例えば水酸化カリウム水溶液を用いて異方性エッチング処理によりエッチングする。このエッチングでは、基板４０の上面に設けられた絶縁膜４３が露出するまで基板４０のエッチングがなされ、エッチングにより形成された基板４０の空洞部４１ａ，４１ｂ上に、メンブレン５０ａ，５０ｂが形成される。

以上の工程を経て、基板４０のメンブレン５０ａに抵抗体６０を有する光源部３１と、基板４０のメンブレン５０ｂに検出素子７０の少なくとも一部を有する受光部３２とを備えたセンサチップ３０が形成される。このように、本実施形態に示す製造方法によると、受光部３２の赤外線吸収膜８０以外を、全て同一工程で同時に形成することが可能である。従って、製造工程を簡素化することができる。また、光源部３１と受光部３２の互いの位置精度を向上できる。

尚、本実施形態に示したセンサチップ３０は、一般的な半導体プロセスにより形成することができるので、製造コストを低減することができる。その際、赤外線吸収膜８０の形成は、保護膜４９の形成後ではなく、空洞部１１の形成後に実行されても良い。また、上記製造工程において、酸化シリコン膜４４等、吸湿性を有する膜を形成する際には、吸湿による膜応力の変動を防ぐため、膜形成後に必要に応じて加熱処理しても良い。

形成されたセンサチップ３０は、図１に示すように、抵抗体６０及び検出素子７０が形成された基板４０の上面が、凹面鏡１２ｂと対向するように台座１１上の所定位置に接着される。尚、所定位置とは、受光部３２に到達する赤外線エネルギー量が大きい位置であり、センサチップ３０と凹面鏡１２ｂの反射部位との距離、凹面鏡１２ｂの反射形状（Ｒ形状）、及び、光源部３１（抵抗体６０）と受光部３２（検出素子７０）との位置関係（距離）により決定される。本実施形態においては、光源部３１と受光部３２がセンサチップ３０として１つのチップに集積されており、抵抗体６０と検出素子７０との位置関係が決定されているので、所定位置にセンサチップ３０を精度良く位置決めすることができる。従って、センサ感度のばらつきを低減できる。

次いで、センサチップ３０が台座１１に固定された状態で、センサチップ３０の光源部用パッド部４８ａ及び受光部用パッド部４８ｂとターミナル３４とをボンディングワイヤ３３により電気的に接続する。そして、予め赤外線透過フィルタ２１ａ、バンドパスフィルタ２２ａ、及び隔壁２３が取り付けられたキャップ２０を、キャップ２０内にセンサチップ３０が配置されるように、例えばレーザ溶接により台座１１上に取り付ける。そして、キャップ２０を取り付けた後、上部内面に凹面鏡１２ｂを有する容器１２を、台座１１上に取り付けることで、センサチップ３０をケース１０内に有するガスセンサ１００が形成される。

以上本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態のみに限定されず、種々変更して実施する事ができる。

本実施形態において、光源部３１に対向配置され、受光部３２に対して赤外線を反射する反射部材が凹面鏡１２ｂである例を示した。しかしながら、反射部材は所定のＲをもった凹面鏡１２ｂに限定されるものではない。それ以外にも、例えば平坦な鏡面であっても良い。

また凹面鏡１２ｂの形成される位置はケース１０を構成する容器１２の上部内面に限定されるものではない。ケース１０内（キャップ２０内の空間を除く）において、光源部３１から放射された赤外線を受光部３２に反射できる場所であれば良い。

また、本実施形態において、センサチップ３０は、基板４０のメンブレン５０ａ，５０ｂの下部に、基板４０の下面に開口する空洞部４１ａ，４１ｂを有する例を示した。しかしながら、センサチップ３０は、図３に示すように、基板４０のメンブレン５０ａ，５０ｂの下部に、基板４０の下面に閉じた空間である空洞部４１ａ，４１ｂを有する構造であっても良い。この場合、先ずフォトリソグラフィー処理により、絶縁膜４３、酸化シリコン膜４４、層間絶縁膜４６、及び保護膜４９に、エッチング用のエッチングホール（図示せず）を形成する。そして、保護膜４９をエッチングマスクとして、エッチングホールよりメンブレン５０ａ，５０ｂの下部に位置する基板４０を選択エッチングすることにより、基板４０の下面に閉じた空洞部４１ａ，４１ｂを形成することができる。しかしながら、この場合、メンブレン５０ａ，５０ｂの形成領域内にエッチング用のエッチングホールを形成するため、基板４０の下面から選択エッチングして空洞部４１ａ，４１ｂを形成する場合よりも、抵抗体６０、検出素子７０、及び赤外線吸収膜８０の形状及び面積（平面方向）に制約が生じる。尚、図３は、本実施形態におけるセンサチップ３０の変形例を示す断面図である。

また、本実施形態において、１つの基板４０に２つのメンブレン５０ａ，５０ｂが形成される例を示した。しかしながら、基板４０に形成されるメンブレンの個数は上記例に限定されるものではない。例えば、基板４０にメンブレンが形成されない構成であっても良いし、１つのメンブレンに光源部３１と受光部３２が形成された構成であっても良い。また、光源部３１と受光部３２が複数設けられ、それに対応した個数分、メンブレン５０ａ，５０ｂが形成されても良い。

また、本実施形態において、センサチップ３０は台座１１上に接着されている例を示した。しかしながら、光源部３１と受光部３２がセンサチップ３０として１つのチップに集積化されているので、従来（別チップ）よりもケース１０内における光源部３１と受光部３２の設置スペースを縮小することができる。従って、図４に示すように、ケース１０の体格を大きくすることなく、ケース１０内の空いたスペースに、光源部３１及び受光部３２の回路チップ９０を配置し、ガスセンサ１００として一体化させた構成とすることもできる。この回路チップ９０は、光源部３１の抵抗体６０に電流を供給する定電流回路や、受光部３１からの出力を処理する処理回路等が形成されたものである。具体的には、図４に示すように、台座１１上に回路チップ９０に固定し、当該回路チップ９０上にセンサチップ３０がスタック実装した後に、センサチップ３０と回路基板９０、回路基板９０とターミナル３４を例えばボンディングワイヤ３４により電気的に接続すれば良い。尚、図４は、本実施形態におけるガスセンサ１００の変形例を示す図であり、便宜上、一部のボンディングワイヤ３４のみを図示している。

また、本実施形態においては、センサチップ３０を構成する基板４０として、シリコンからなる半導体基板を用いる例を示した。しかしながら、基板４０は半導体基板に限定されるものではない。それ以外にも、基板４０として例えばガラス基板等を適用することもできる。

本発明の第１の実施形態におけるガスセンサの概略構成を示す図である。 ガスセンサに適用されるセンサチップの概略構成を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面における断面図である。 センサチップの変形例を示す図である。 ガスセンサの変形例示す図である。

符号の説明

１０・・・ケース
１１・・・台座
１２・・・容器
１２ｂ・・・凹面鏡（反射部材）
２０・・・キャップ
２１ａ・・・赤外線透過フィルタ
２２ａ・・・バンドパスフィルタ
２３・・・隔壁
３０・・・センサチップ
３１・・・光源部
３２・・・受光部
４０・・・基板
４５（４５ａ，４５ｂ）・・・多結晶シリコン膜
４５ａ・・・光源部用多結晶シリコン膜
４５ｂ・・・受光部用多結晶シリコン膜
４７（４７ａ，４７ｂ）・・・配線部
５０（５０ａ，５０ｂ）・・・メンブレン
６０（４５ａ）・・・抵抗体
７０（４５ｂ，４７ｂ）・・・検出素子（熱電対）
８０・・・赤外線吸収膜
１００・・・赤外線検知式ガスセンサ（ガスセンサ）

Claims (8)

1. 抵抗体を有し、当該抵抗体を発熱させることにより赤外線を放射する赤外線光源と、
   赤外線を受光したときに生じる温度変化に基づいて電気信号を発生する検出素子を有する赤外線センサと、
   前記赤外線光源に対して対向配置され、前記赤外線光源から放射された赤外線を反射し、前記赤外線センサに入射させる反射部材と、を同一のケース内に備える赤外線検知式ガスセンサにおいて、
   前記抵抗体及び前記検出素子が、同一の基板に設けられていることを特徴とする赤外線検知式ガスセンサ。
2. 前記反射部材は、凹面鏡であることを特徴とする請求項１に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
3. 前記基板は、薄肉部としてのメンブレンを複数有し
   前記抵抗体及び前記検出素子は、それぞれ異なる前記メンブレンに形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
4. 前記検出素子は、温接点が前記メンブレン上に形成され、冷接点が前記メンブレンの形成領域を除く前記基板上に形成されてなる熱電対であることを特徴とする請求項３に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
5. 前記抵抗体と前記検出素子の少なくとも一部が、同一材料からなることを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
6. 前記抵抗体と前記検出素子の少なくとも一部が、ともに同一平面上に形成されていることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
7. 前記基板は、半導体基板であり、
   前記抵抗体及び前記検出素子は、絶縁膜を介して前記半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項１〜６いずれか１項に記載の赤外線検知式ガスセンサ。
8. 前記抵抗体及び前記検出素子を備える前記基板が、回路チップ上に実装されて前記ケース内に配置されていることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の赤外線検知式ガスセンサ。

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