JP2005308676A - ヒータデバイス及びこれを用いた気体センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、四端子法を利用して、感温抵抗体からなる薄膜温度センサ２１の温度均一となる特定領域を温度計測して、温度制御をするようにした信頼性と安定性の高いヒータデバイスとこれを用いた気体センサ装置を提供する。
【解決手段】基板１から空洞部８０により熱分離した薄膜１０に、薄膜ヒータ２０と感温抵抗体からなる薄膜温度センサ２１とを備え、この温度センサの情報の基に、薄膜ヒータ２０の温度を制御するように構成してあり、薄膜１０の中心部付近の均一温度領域に感温抵抗体を配置してあり、この感温抵抗体には電流端子と電圧端子とを設けて、四端子法により薄膜の中心部付近の温度を正確に計測して、高精度に薄膜ヒータ２０の温度制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、四端子法を利用して、感温抵抗体からなる薄膜温度センサの温度均一となる特定領域を温度計測して、温度制御をするようにした信頼性と安定性の高いヒータデバイスこれを用いた気体センサ装置に関する。

現在、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、流量センサなどのヒータデバイスが実用化されている。このようなヒータデバイスには、一般的に絶縁された基板の表面に感温抵抗体からなる薄膜ヒータ又は薄膜温度センサが形成されており、この薄膜ヒータ又は薄膜温度センサが形成された薄膜を用いてなる発熱部は、両側に開口して裏側を連通する空洞が基板に形成されている。このようなヒータデバイスは、発熱部を空洞により基板から熱分離させ、宙に浮いた状態として発熱部の熱容量を小さくして感度や応答性を向上させている「薄膜式抵抗体及びその製造方法、流量センサ、湿度センサ、ガスセンサ、温度センサ」等の提案がある（特許文献１参照）。

このようなヒータデバイスは一般的に白金系の薄膜ヒータで形成されており、電力によって一定のエネルギーを供給して自己加熱させると、さまざまな環境に応じて熱伝導により放熱し、一定の抵抗値から温度、絶対湿度及び気体の流速などが検出可能となる「雰囲気センサの構造」等の提案がある（特許文献２参照）。

従来の特許文献２にかかる「雰囲気センサの構造」の技術では、高感度、応答速度も速く、昇温・降温時間も短時間で済む。そのため、発熱部の支持部付近、又は、薄膜ヒータの外周部では熱が放出しやすいため、それらの箇所での温度が低下し、薄膜ヒータは温度分布が生じてしまうと、いう問題がある。

また、流量センサを用いて、薄膜ヒータの温度分布を求めることは既に実証されている（非特許文献１参照）。

また、水素、一酸化酸素、メタン、プロパンなどの気体成分を検知・計測するヒータデバイスとしては、一般的に一対の白金系の気体感応検出用電極上又は下に気体感応物質薄膜を形成しており、さまざまな気体成分と接触することにより、気体感応物質薄膜の電気抵抗が変化をして、さまざまな気体成分の種類、濃度を知らせるものである。これらの電気抵抗の変化は、気体感応物質薄膜上で起こるガス吸着や反応を促進する為に、２００℃〜５００℃の高温に加熱し検知する必要があり、例えば「薄膜ガスセンサ」等の提案（特許文献３参照）、「センサ及び湿度ガス検出方法」等の提案がある（特許文献４参照）。

特開平１０―２１３４７０号公報 特開平６―１１８０４６号公報 特開２００３―２７９５２３号公報 特開２０００―２６６７１４号公報 J.J.van Baer, et. al.，"Sensitive thermal flow sensor based on a micro-machined two dimensional resistor array"，TRANSDUCERS 2001(The 11th International Conference on solid-State Sensors and Actuators)

従来の特許文献４にかかる「センサ及び湿度ガス検出方法」では、発熱部を基板から熱分離しており、薄膜ヒータと気体感応検出用電極の大きさが同等であり、薄膜ヒータに温度ムラがあると気体感応検出用電極は温度差が生じ、ガス感度や選択性が充分に得られない測定であった。

ところで、薄膜ヒータを白金系で形成して温度変化情報を得る場合、感度を向上するためには、電流を多く流し大きな出力電圧になるようにすることが望ましい。しかし、従来の薄膜ヒータでは、宙に浮いた薄膜の周辺は放熱のため温度が低下すること、また中央部付近は熱が逃げ難いので比較的高温になること、また宙に浮いて薄膜の温度分布はジュール熱が大きいほど大きくなってしまうので、温度センサ等に使用する場合には、最も感度がある薄膜の中央部付近の温度を知りたいのに、温度分布の大きい薄膜温度の平均的な温度の計測になってしまうこと等の問題がある。また、宙に浮いて薄膜を支持している梁上の白金薄膜測定する薄膜ヒータの抵抗に加算されるので、正確な薄膜の中央付近の温度計測が困難であるという問題がある。

また、一対の白金系の気体感応検出用電極は、一般的に平坦面での形成となっており、高温に加熱するヒータ部と重ならない配置、又は厚膜の絶縁層を気体感応検出用電極とヒータ間に設ける事で平坦化を図っている。しかしながら、気体感応検出用電極は、平坦化することで均一形状の作製が容易となるが、ガス検知感度を向上させるためには気体感応検出用電極の間隔を狭くするとともに、気体感応検出用電極の面積を拡大する等の必要がある。

さらに、これらのヒータデバイスは、測定に必要な抵抗値を確保する為に、薄膜ヒータは細長い配線形状にする必要があるが、従来のように二探針法による抵抗値測定は、印加電流と抵抗値の検出箇所が同一となることから、薄膜ヒータの中心付近と外周の温度差や配線に及ぶ抵抗まで検出されてしまう、という問題がある。

本発明は、上記問題に鑑み、発熱部の必要な均一温度領域のみの温度計測から必要な情報を得ることで、正確且つ安定した気体の物理的又は化学的変化の計測や特定の気体の濃度検出を可能とするヒータデバイス及びこれを用いた気体センサ装置を提供することを課題とする。

上記の課題を解決する、本発明の第１の発明は、基板から断熱部を介して熱分離された薄膜と、該薄膜の表面に設けられた薄膜ヒータと薄膜温度センサとからなる感温抵抗体と、前記感温抵抗体に電流を印加する一対の電流端子と、前記感温抵抗体の電圧を測定する少なくとも一対の電圧端子とを具備してなり、少なくとも四端子を用いて求めた前記感温抵抗体の情報を基に、前記薄膜の温度を制御することを特徴とするヒータデバイスにある。

第２の発明は、第１の発明において、前記感温抵抗体が薄膜温度センサと該薄膜温度センサの両端に連続して形成される薄膜ヒータとからなることを特徴とするヒータデバイス
にある。

第３の発明は、第１又は２の発明において、前記感温抵抗体の薄膜温度センサが前記薄膜の中心部に配設されてなることを特徴とするヒータデバイスにある。

第４の発明は、第１乃至３のいずれか一つの発明において、前記薄膜ヒータと薄膜温度センサとを、同一材料で形成してなることを特徴とするヒータデバイスにある。

第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記薄膜温度センサの周囲に薄膜ヒータを配置してなることを特徴とするヒータデバイスにある。

第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記薄膜ヒータと薄膜温度センサとを電気絶縁性薄膜で覆い、該電気絶縁性薄膜の上に、少なくとも一対の感応検出用電極を設けた感応物質薄膜を形成してなることを特徴とするヒータデバイスにある。

第７の発明は、第６の発明において、一対の感応検出用電極が櫛歯状電極であることを特徴とするヒータデバイスにある。

第８の発明は、第６の発明において、薄膜ヒータと感応検出用電極の組合せ、又は薄膜温度センサと感応検出用電極の組合せ、又は薄膜ヒータ、薄膜温度センサ及び感応検出用電極の組合せが、同一材料で形成してなることを特徴とするヒータデバイスにある。

第９の発明は、第６乃至８のいずれか一つの発明において、前記感応検出用電極が、電気絶縁薄膜と感応物質薄膜を介して薄膜温度センサ上に略均一膜厚で配置されてなることを特徴とするヒータデバイスにある。

第１０の発明は、第６乃至９のいずれか一つの発明において、前記感応検出用電極が、気体感応検出用電極、湿度感応検出用電極、匂い感応検出用電極、又はバイオ感応検出用電極のいずれかであることを特徴とするヒータデバイスにある。

第１１の発明は、薄膜の放熱量変化を、該薄膜の温度変化情報から得るようにして、気体の物理的又は化学的変化を計測する熱伝導型の気体センサ装置において、薄膜ヒータの温度制御を第１乃至９のいずれか一つの発明に記載のヒータデバイスを用いて行い、このヒータデバイスを駆動する駆動回路、温度制御回路と演算回路とを有することを特徴とする気体センサ装置にある。

第１２の発明は、周囲気体からの特定の気体に感応する気体感応物質薄膜の電気抵抗変化から、この特定の気体の濃度を検出できるようにした気体センサ装置において、前記薄膜ヒータの温度制御を第６乃至９のいずれか一つの発明に記載のヒータデバイスを用いて行い、このヒータデバイスを駆動する駆動回路、温度制御回路と演算回路とを有することを特徴とする気体センサ装置にある。

本発明に係るヒータデバイスは、少なくとも四端子法により均一な温度領域から、気体の物理的又は化学的変化を計測して、周囲気体からの特定の気体の濃度を検出することにより、出力変動が低減された信頼性の高い検出が得られる利点がある。

また、薄膜ヒータと薄膜温度センサとが、同一材料とすることで、例えば、感温抵抗体からなる薄膜ヒータと薄膜温度センサが同一面に形成されていると、作業工程が簡素化し、製造時間が短縮するため、製造コストを大幅に低減できるという利点がある。

また、薄膜温度センサの周りに薄膜ヒータを配置し、この薄膜温度センサには、前記薄膜ヒータから電流が流れるようにすることで、薄膜ヒータと薄膜温度センサとを別材料で作製したときにも、電流が双方に流れるようにしたことで、簡略化したパターン形成や電流を流す駆動回路を備えるときに短絡化できるという利点がある。

また、薄膜ヒータと薄膜温度センサを電気絶縁性薄膜で覆い、この電気絶縁性薄膜の上に、少なくとも一対の気体に感応する気体感応検出用電極を設けた気体感応物質薄膜が形成してあり、特定気体の存在に対して気体感応物質薄膜の電気的特性の変化を前記一対の気体感応検出用電極で検出できるようにすることで、薄膜の面積を縮小することができ、ヒータデバイスを低消費電力化することができ、超小型化にできるという利点がある。

また、一対の気体感応検出用電極を密な櫛歯状電極で形成することで高感度に検出できるという利点がある。

本発明の薄膜ヒータと感応検出用電極、薄膜温度センサと感応検出用電極、又は、薄膜ヒータと薄膜温度センサおよび感応検出用電極のそれぞれの組合せとは、同一材料で形成することにより、作業工程が簡素化し、製造時間が短縮するという利点がある。

また、前記感応検出用電極が、電気絶縁薄膜と感応物質薄膜を介して薄膜温度センサ上に略均一膜厚で配置されてなるので、接触面積は大きくなり、感度を向上するのに有効である。さらに、発熱させるために大きい電流を流す薄膜ヒータを縮小できるので電流も小さくなる利点がある。

以下、本発明のヒータデバイスとこれを用いた気体センサ装置の実施例について、図面を参照して詳細を説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

図１および図２を用いて、本発明にかかるヒータデバイスの構成を説明する。図１は、本発明のヒータデバイスに関する一実施例の平面概略図であり、図２は、図１のＸ―Ｘにおける横断面図概略図である。図１および図２に示すように本発明にかかるヒータデバイスは、シリコンの基板１は（１００）面の方位の基板となり、基板上に設けられた空洞部８０上に薄膜１０が形成されている。前記薄膜１０は、耐熱性薄膜４０と、その上に両端に薄膜ヒータ２０−１、２０−２が直列に配列している薄膜温度センサ２１とからなる感温抵抗体２２を形成し、該薄膜ヒータ２０−１、２０−２と薄膜温度センサ２１とからなる感温抵抗体２２を電気絶縁性薄膜５０で被覆するようにしている。

前記シリコンの基板１には、スパッタリングにて酸化タンタルからなる耐熱性薄膜４０、白金からなる薄膜ヒータ２０−１、２０−２又は薄膜温度センサ２１を堆積し、薄膜ヒータ２０−１、２０−２又は薄膜温度センサ２１のパターニングをフォトリソグラフィとドライエッチングにより部分的に除去している。その後、同様にスパッタリングにて酸化タンタルからなる電気絶縁性薄膜５０を堆積するようにしている。以降、フォトリソグラフィとドライエッチングすることで各種の層を除去し、薄膜１０をマスクとＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液によりシリコンの基板１をエッチング除去して、空洞８０を形成したマイクロブリッジ構造（架橋部をもつ構造）を有するヒータデバイスとしている。

そして、本実施例にかかるヒータデバイスは、基板１から空洞部８０を介して熱分離された薄膜１０と、該薄膜１０の表面に設けられた薄膜ヒータ２０と薄膜温度センサ２１とからなる感温抵抗体２２と、前記感温抵抗体２２に電流を印加する電流端子１０１−１、１０１−２と、前記感温抵抗体２２の電圧を測定する少なくとも一対の電圧端子１０２−１、１０２−２とを具備してなり、四端子法により求めた前記感温抵抗体の情報を基に、前記薄膜の温度を制御するようにしている。

また、本実施例では、前記感温抵抗体２２の薄膜温度センサ２１が前記薄膜１０の中心部に配設されてなり、前記四端子法により薄膜の中心部付近の温度を正確に計測することにより、さらに高精度に薄膜ヒータ２０の温度を制御するようにしている。

本実施例によれば、少なくとも四端子を用いて求めた前記感温抵抗体２２の情報を基に、感温抵抗体２２の温度を制御するようにしたことで、温度均一となる領域のうちの特定領域の温度のみを正確に計測することができる。

実施例１にかかるヒータデバイスの駆動方法としては、電流端子１０１−１、１０１−２と電圧端子１０２−１、１０２−２の端には、薄膜ヒータ２０のボンディングパット２０１−１、２０１−２と薄膜温度センサ２１のボンディングパット２０２−１、２０２−２が形成されており、薄膜ヒータ２０のボンディングパット２０１−１、２０１−２に電流を印加することで、薄膜ヒータ２０が発熱する。これと同時に、薄膜温度センサ２１も発熱する。

ここで、前記薄膜ヒータ２０は、周囲雰囲気の状態から温度変化するが、架橋部７０の付近へと放熱が生じてしまうので、前記薄膜１０において、中心部と外周部において温度差が生じてしまうが、本実施例のように、薄膜１０の中心部の均一温度領域である薄膜温度センサ２１における抵抗値（電圧）を四端子法、すなわち電流端子１０１−１、１０１−２に流す電流と電圧端子１０２−１、１０２−２を用いて検出することで、高精度計測が可能となる。

さらに薄膜１０の不均一な温度分布がある中で、平均的な温度ではなく、最も温度が高い領域である中心部の温度を部分的に検出することにより、更に高感度となると共に信頼性と安定性の高い抵抗値の変化による温度変化情報を得ることができる。

また、前記薄膜温度センサ２１の感度を上げるためには、前記薄膜温度センサ２１を薄膜ヒータ２０と兼用にして、大きな電流を流して測定するようにしてもよく、その方が感度向上に有利である。

また、図３に示すように、薄膜温度センサ２１をジグザグ状なパターンとし、該薄膜センサの両端部において、薄膜ヒータ２０−１、２０−２を直列配列させ、該薄膜温度センサ２１に複数の端子を設けるようにし、四端子以上の複数の端子を用いて計測するようにしてもよい。
この際、薄膜ヒータ２０−１、２０−２の一部に設けられた電圧端子Ｖ₁₁−Ｖ₁₂間又は電圧端子Ｖ₂₁−Ｖ₂₂間の抵抗値（出力電圧）を計測することで、感温抵抗体２２のうちのこの領域の温度センサとして利用することができる。ヒータとして大きな電流を流すので、電圧端子間の間隔が狭くとも出力電圧は大きくなり、高感度に抵抗検出、すなわち、温度検出が可能になる。なお、本実施例では、Ｖ₂₁−Ｖ₂₂を計測する端子は省略している。

また、薄膜ヒータ２０と薄膜温度センサ２１とを同じ材質とする以外に、両者の材料を異種材料としたり、温度センサの配線を太くしたりすることで、薄膜ヒータ２１と薄膜温度センサ２１との抵抗と温度を変化することができる。

なお、本実施例では、架橋部７０を形成してなるマイクロブリッジ構造としているが、本発明はこれに限定されるものではなく、空洞８０を有する例えばカンチレバ構造、ダイアフラム構造、犠牲層を用いて基板１上に浮かせたフローティング構造等の種々の構成としてもよい。

本実施例では、薄膜ヒータ２０と薄膜温度センサ２１が感温抵抗体２２からなることから、白金膜を用いるのが最適であり、これにより作業工程が簡素化し、製造時間が短縮するため、製造コストを低減化できる。

また、エアブリッジ構造の中心部付近の温度は均一な部分に、薄膜温度センサ２１を別離して薄膜ヒータ２０で囲うような形状とするようにしてもよい。

また、前記薄膜温度センサ２１はサーミスタで構成してあり、前記薄膜ヒータ２０は例えば金、ニッケル、銅等の材料により構成し、その用途に応じて適宜異なるようにしてもよい。

ここで、前記耐熱性薄膜４０及び電気絶縁性薄膜５０は、酸化タンタルと同一材料にした方が、エッチングなどの作業性が容易となり、製造コストが低減化できる。

また、薄膜１０は、２００〜５００℃の高温となるために、耐熱性と電気絶縁性に優れている酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミニウムなどで構成することが望ましい。

また、本実施例では、前記薄膜温度センサ２１の検知する電圧端子１０２−１、１０２−２は一対としているが、安定性と信頼性を向上させるために、薄膜１０の中心部に複数対の端子を構成するようにしてもよい。

本発明の実施例２について図４を参照して説明する。
実施例２は、前述した実施例１のヒータデバイスを基礎としてなり、その上に気体感応検出用電極３０−１、３０−２と気体感応物質薄膜６０を形成して、特定の気体の濃度が検出できる構造としている。なお、実施例１と同一の部材については、同一の符号を付してその説明は省略する。

図４を用いて、本発明にかかるヒータデバイスの構成を説明する。図４は本発明ヒータデバイスに関する他の一実施例の横断面概略図である。
図４に示すように、本実施例にかかるヒータデバイスは、シリコンの基板１は（１００）面の方位の基板となり、基板上に設けられた空洞上に絶縁性の耐熱性薄膜４０を備える薄膜１０が形成され、前記薄膜１０は、耐熱性薄膜４０と、その上にジグザグ状なパターンで、薄膜ヒータ２０−１と薄膜ヒータ２０−２との間に直列配列している薄膜温度センサ２１とを配設しており、薄膜ヒータ２０と薄膜温度センサ２１を電気絶縁性薄膜５０で覆われている。

四端子法による温度均一領域の温度検出における構成は、前述した実施例１と同様であり、電気絶縁性薄膜５０を気体感応物薄膜６０で覆い、その上に一対の櫛歯状からなる気体感応検出用電極３０−１、３０−２を形成している。

ここで、前記気体感応検出用電極３０−１、３０−２は、電気絶縁薄膜５０と気体感応物薄膜６０を介して薄膜温度センサ２１に略均一膜厚で配置してあり、薄膜温度センサ２１の断面構造に基づく形状が反映するように、気体感応検出用電極３０―１、３０−２の断面形状も該薄膜温度センサ２１の形状に対応した形状としている。

前記シリコンの基板１には、スパッタリングにて酸化タンタル膜からなる耐熱性薄膜４０、白金膜からなる薄膜ヒータ２０又は薄膜温度センサ２１、薄膜ヒータ２０又は薄膜温度センサ２１のパターニングをフォトリソグラフィとドライエッチングにより部分的に除去する。
その後、同様にスパッタリングにて酸化タンタル膜からなる電気絶縁性薄膜５０と酸化スズ膜からなる気体感応物質薄膜６０と白金膜からなる気体感応検出用電極３０−１、３０−２を堆積し、気体感応検出用電極３０−１、３０−２のパターニングをフォトリソグラフィとドライエッチングにより部分的に除去する。

以降、フォトリソグラフフィとドライエッチングすることで各種の層を除去し、薄膜１０をマスクとＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液によりシリコンの基板１をエッチング除去して、空洞８０を形成したマイクロブリッジ構造としている。

実施例２にかかるヒータデバイス駆動方法では、実施例１と同様に、図示しないが、電流端子１０１−１、１０１−２と電圧端子１０２−１、１０２−２及び気体感応検出用電極配線の端には、薄膜ヒータ２０−１，２０−２のボンディングパット２０１−１、２０１−２と薄膜温度センサ２１のボンディングパット２０２−１、２０２−２が形成されており、さらに図示しないが気体感応検出用電極３０−１、３０−２のボンディングパットが形成されている。
そして、薄膜ヒータ２０−１，２０−２のボンディングパット２０１−１、２０１−２に電流を印加することで、薄膜ヒータ２０−１，２０−２は発熱すると、同様に、薄膜温度センサ２１も発熱される。薄膜ヒータ２０−１，２０−２は、周囲の雰囲気の状態から電気抵抗によって温度変化をするが、架橋部７０の付近へと放熱が生じてしまう。

このことから、薄膜１０の中心部の均一温度領域である薄膜温度センサ２１における抵抗値（電圧）を検出四端子法、すなわち電流端子１０１−１、１０１−２に流す電流と電圧端子１０２−１、１０２−２を用いて検出することで、高精度計測が可能であり、さらに薄膜１０の不均一な温度分布がある中で、平均的な温度ではなく、最も温度が高い領域である中心部の温度を部分的に検出することにより高感度となると共に、信頼性と安定性の高い抵抗値の変化による温度変化情報が得られる。

その温度情報を基に薄膜１０の中心部の均一温度領域を薄膜ヒータ２０の発熱で２００〜５００℃に制御する。制御された温度によって、気体感応物質薄膜６０は電気抵抗変化を一対の櫛歯からなる気体感応検出用電極３０−１、３０−２で抵抗値（電圧）を検出することにより、特定の気体の濃度変化を検出できる。

図５では、気体感応検出用電極３０−１、３０−２は、電気絶縁薄膜５０と気体感応物質薄膜６０を介して薄膜温度センサ２１に略均一膜厚で配置したものを示しており、本実施例では、ジグザグ状に形成した薄膜温度センサ２１の断面構造に基づく凸凹形状が反映するように、気体感応検出用電極３０−１、３０−２の断面形状も凸凹形状に形成している。このように凸凹形状に電極を形成することにより、対となる気体感応検出用電極３０−１、３０−２の表面積を稼ぐことができ、平面な形状のものより出力の大きい情報が得られる。

このように、気体感応検出用電極３０−１、３０−２を薄膜１０の中心部の均一温度領域に備えるには、気体感応検出用電極３０−１、３０−２の形成する範囲はできるだけ小さい方が有利であり、凸凹形状にすることによって、一対の気体感応検出用電極３０−１、３０−２の接触面積は大きくなるため、感度を向上するのに有効である。

さらに、発熱させるために大きい電流を流す薄膜ヒータ２０を縮小できるので電流も小さくなる利点がある。このようにすることにより、極めて小型で、低消費なヒータデバイスが提供できる。

また、気体感応検出用電極３０−１、３０−２は、薄膜１０の中心部の均一温度領域に形成されていることから、温度ムラのない信頼性の高い情報が得られる。

本実施例では、気体感応物質薄膜６０は酸化スズからなっているが、気体に感応する膜として、酸化亜鉛、酸化ニッケル、酸化銅、酸化クロム等やそれらの主成分からなるものでもよく、その成膜方法は、真空蒸着法、プラズマＣＶＤ法、スクリーン印刷法等を用いてもよい。

また、実施例２では、気体感応物質薄膜６０の上に一対の櫛歯状からなる気体感応検出用電極３０−１、３０−２を形成しているが、一対の櫛歯状からなる気体感応検出用電極３０−１、３０−２の上に気体感応物質薄膜６０を形成した構成でも構わない。

本実施例では、実施例１と同様な薄膜ヒータ２０と薄膜温度センサ２１の構造や材料が望ましい．また、薄膜ヒータ２０と薄膜温度センサ２１と気体感応検出電極３０−１、３０−２は、白金等に限定した方が作業工程を簡素化することができ、製造時間を短縮できる。

また、材料において、感応検出電極３０−１、３０−２は、金、ニッケル、銅を構成していると用途に応じて異なってもよい。

前述した実施例では、前記感応検出用電極として、気体感応検出用電極を例示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば湿度感応検出用電極、匂い感応検出用電極、又はバイオ感応検出用電極等各種電極を用い、目的の用途に応じたセンシングを行うことができる。

図６には、本発明ヒータデバイスを搭載した気体センサ装置の構成の概略をブロック図で示したものである。
本実施例では、実施例にかかるヒータデバイス１００１として、薄膜１０に係わる温度検出部分がある半導体のチップに駆動回路の少なくとも一部を集積化した場合であり、これに、電源部１００２、基準温度補正回路１００３、温度制御回路１００４、演算回路１００５と出力表示部１００６の必要な周辺機器を搭載しており、そして、薄膜１０の放熱量変化を薄膜１０の温度変化情報から得るようにして、気体の物理的又は化学的変化を計測する熱伝導型の気体センサ装置として実施した場合を示すものである。

また、周囲気体からの特定の気体に感応する気体感応物質薄膜６０の電気抵抗変化から、この特定の気体の濃度を検出できるようにすることができる。なお、上述の周辺機器は、従来の公知の技術で実施できる。

本発明のヒータデバイスとこれを用いた気体センサ装置は、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、種々の変形がありうる。

また、本発明では、少なくとも四端子以上の端子を用いて計測することで、宙に浮いた薄膜の均一な温度領域のうちの最も高温となる中心部付近の領域から部分的に温度を検出して、その情報を基に気体の物理的又は化学的変化を計測、周囲気体からの特定の気体の濃度を高信頼性で安定に検出することができる出力変動が低減された信頼性の高い検出が得られるようにしたヒータデバイスを提供できる。よって、本発明のヒートデバイスは、最近の半導体微細加工技術と集積化技術を組み合わせたＭｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ(ＭＥＭＳ)技術により、超小型で容易に、しかも画一的なものが大量生産できるので、安価となる。

本発明のヒータデバイスは、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、匂いセンサ、バイオセンサ等の各種のセンサとして利用でき、これを用いた例えば気体センサ装置は、自動車のエンジン冷却水温度や吸入空気温度あるいは排気検知など、エンジンを最適状態で運転するための制御用や警報、エンジンの空熱比制御、また、防災用や保安用、プロセス制御、環境制御、省エネルギー、家電機器の知能化などの諸分野への発展が達成できる。

実施例１にかかるヒータデバイスに関する平面概略図である。 図１のＸ―Ｘにおける横断面図概略図である。 実施例１にかかる他のヒータデバイスに関する一実施例の平面概略図である。 実施例２にかかるヒータデバイスに関する横断面概略図である。 実施例２にかかる薄膜ヒータ又は薄膜温度センサと感温検出用電極の配置関係を説明する斜視概略図である。 気体センサ装置の構成の概略を示すブロック図である。

符号の説明

１ 基板
１０ 薄膜
２０ 薄膜ヒータ
２１ 薄膜温度センサ
２２ 感温抵抗体
３０−１、３０−２ 気体感応検出用電極
４０ 耐熱性薄膜
５０ 電気絶縁性薄膜
６０ 気体感応物質薄膜
７０ 架橋部
８０ 空洞部
１０１−１、１０１−２ 電流端子
１０２−１、１０２−２ 電圧端子
２０１−１、２０１−２ 薄膜ヒータ２０のボンディングパット
２０２−１、２０２−２ 薄膜温度センサ２１のボンディングパット

Claims (12)

1. 基板から断熱部を介して熱分離された薄膜と、
   該薄膜の表面に設けられた薄膜ヒータと薄膜温度センサとからなる感温抵抗体と、
   前記感温抵抗体に電流を印加する一対の電流端子と、
   前記感温抵抗体の電圧を測定する少なくとも一対の電圧端子とを具備してなり、
   少なくとも四端子を用いて求めた前記感温抵抗体の情報を基に、前記薄膜の温度を制御することを特徴とするヒータデバイス。
2. 請求項１において、
   前記感温抵抗体が薄膜温度センサと該薄膜温度センサの両端に連続して形成される薄膜ヒータとからなることを特徴とするヒータデバイス。
3. 請求項１又は２において、
   前記感温抵抗体の薄膜温度センサが前記薄膜の中心部に配設されてなることを特徴とするヒータデバイス。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つにおいて、
   前記薄膜ヒータと薄膜温度センサとを、同一材料で形成してなることを特徴とするヒータデバイス。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
   前記薄膜温度センサの周囲に薄膜ヒータを配置してなることを特徴とするヒータデバイス。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
   前記薄膜ヒータと薄膜温度センサとを電気絶縁性薄膜で覆い、該電気絶縁性薄膜の上に、少なくとも一対の感応検出用電極を設けた感応物質薄膜を形成してなることを特徴とするヒータデバイス。
7. 請求項６において、
   一対の感応検出用電極が櫛歯状電極であることを特徴とするヒータデバイス。
8. 請求項６において、
   薄膜ヒータと感応検出用電極の組合せ、又は
   薄膜温度センサと感応検出用電極の組合せ、又は
   薄膜ヒータ、薄膜温度センサ及び感応検出用電極の組合せが、
   同一材料で形成してなることを特徴とするヒータデバイス。
9. 請求項６乃至８のいずれか一つにおいて、
   前記感応検出用電極が、電気絶縁薄膜と感応物質薄膜を介して薄膜温度センサ上に略均一膜厚で配置されてなることを特徴とするヒータデバイス。
10. 請求項６乃至９のいずれか一つにおいて、
    前記感応検出用電極が、気体感応検出用電極、湿度感応検出用電極、匂い感応検出用電極、又はバイオ感応検出用電極のいずれかであることを特徴とするヒータデバイス。
11. 薄膜の放熱量変化を、該薄膜の温度変化情報から得るようにして、気体の物理的又は化学的変化を計測する熱伝導型の気体センサ装置において、
    薄膜ヒータの温度制御を請求項１乃至９のいずれか一つに記載のヒータデバイスを用いて行い、このヒータデバイスを駆動する駆動回路、温度制御回路と演算回路とを有することを特徴とする気体センサ装置。
12. 周囲気体からの特定の気体に感応する気体感応物質薄膜の電気抵抗変化から、この特定の気体の濃度を検出できるようにした気体センサ装置において、
    前記薄膜ヒータの温度制御を請求項６乃至９のいずれか一つに記載のヒータデバイスを用いて行い、このヒータデバイスを駆動する駆動回路、温度制御回路と演算回路とを有することを特徴とする気体センサ装置。

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