JP2007132814A - ガスセンサ用ｍｅｍｓ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】
ＭＥＭＳ構造を有するガスセンサは，大量生産に向きコスト的にも低価格を実現できる可能性がある。しかし，車載を目的とする用途の様に機械的な特性，耐熱衝撃性，耐久性などの特性でまだ実用化の段階に達していない。上記用途の様に機械的な特性，耐熱衝撃性，耐久性が更に必要な場合に向けて先願特許 特願２００５−３２５４５５は発明された。しかし、ブリッジ方向に発生する膨張収縮による応力を更に緩和する必要があった。
【解決手段】
シリコン基板とＳｉＯ２層及びＳｉＮｘ層等からなるダイアフラム構造体において，該ダイアフラム部の一部を除去して形成される４本のブリッジを有するブリッジ構造体であって，相対する対をなすブリッジを平行な位置に配置する。
【選択図】図２

Description

発明はマイクロマシーニング技術を利用したガスセンサの構造に関するものである。詳しくは，マイクロマシーニング技術を利用してブリッジ構造を形成し，そのブリッジ構造上に電極とヒーター及びガス感応層を設けたガスセンサのＭＥＭＳ構造体に関すものである。

一般にセラミックガスセンサは，目的のガスを検出し濃度表示出力，警報出力あるいは制御信号を出力する機器に使用されている。ガスセンサが特定のガスに曝される時，ガス感応物質であるセラミックの電気伝導度の変化あるいは起電力の発生が生じ，その値から目的ガスの存在及びガス濃度を検出することができる。この種のガスセンサは，他のセンサに比べて消費電力が非常に大きい。従って，セラミックガスセンサの応用範囲を拡大するためには，小さいエネルギーでセンサ温度を維持できる低電力型のセラミックガスセンサを提供することは非常に意義がある。

従来のガスセンサは，絶縁セラミック基板の片面あるいは両面を利用して，電極とヒーターを形成し電極面にはガス感応物質を印刷又は塗布したセンサ素子をリード線により宙づりにした構造であった。この構造では，十分な低消費電力化を実現するのは困難であった。

一方，最近従来のセラミックセンサの小型化が進み印刷タイプや薄膜タイプも出現していると同時に，極細の貴金属線コイルにガス感応セラミック粉体を塗布した極低電力型も出現してきた。しかし，従来のセラミック粉体を立体的なコイルに塗りつけたセンサは粉体と電極兼用のコイルとの剥離が発生するなど欠点も見られる。また，依然として宙づり構造であるので振動や衝撃に弱い。

その他の開発動向として，シリコンのマイクロマシーニング技術を利用してダイアフラムを形成し，その上にマイクロヒーターを，更にその上に絶縁層を介して検出用電極を設け，さらにガス感応層を設けたＭＥＭＳ構造を有するガスセンサも出現している。ＭＥＭＳ型の構造を有するガスセンサは，大量生産に向きコスト的にも低価格を実現できる可能性がある。しかし，機械的な特性，耐熱衝撃性，耐久性などの特性でまだ実用化の段階に達していない。例えば，昨今自動車の空質の制御用にガスセンサが使用されるようになったが，未だに従来型のセラミックガスセンサが使用されているのはＭＥＭＳ型ガスセンサの信頼性が自動車の信頼性のレベルに達していないからである。

このような車載を目的とする用途の様に機械的な特性，耐熱衝撃性，耐久性などの特性が必要とされる場合，既存のＭＥＭＳ型ガスセンサ構造の上述の状況を鑑み，先願特許 特願２００５−３２５４５５は，発明された。その結果，車載用に耐えうるＭＥＭＳ構造となっている。しかし，４本のブリッジが各対角線上に位置しているため，ブリッジ方向に発生する膨張収縮による応力を緩和する構造となっていない。
特願２００５−３２５４５５

図１に先願特許 特願２００５−３２５４５５の構成を示す。ただし，ここで示したのは４本のブリッジ３とそれらによって支えられるステージ２とシリコンフレーム１による構成のみとし，ヒーターや電極等を割愛して示した。ヒーターと電極はステージ２上に形成され，ブリッジ３上の配線パターンを通してガスセンサの信号とヒーター電力が供給される。

ブリッジ３を通してヒータ電力がステージ２に供給され加熱されると，ステージ２およびブリッジ３が膨張し，電力供給を停止し常温に戻すと収縮し元に戻る。図１において，ブリッジはＢ１とＢ３及びＢ２とＢ４がそれぞれ一直線上に位置されている。その為，前述のようにステージ２に電力供給がなされ加熱されると，相対するブリッジＢ１とＢ３あるいはＢ２とＢ４がステージ２を挟んで押し合い，結果として常温を維持しているシリコンフレーム１を押しつけようとする力が働く。ここで発生する応力はブリッジ３とシリコンフレーム１の境界付近に集中する。その為加熱・冷却を何度も繰り返すと，繰り返される応力発生及び緩和によりブリッジ３およびステージ２の部分に疲労が発生して破損する可能性がある。この応力発生と緩和による疲労を可能な限り緩和することが課題である。

課題を解決するために，図２に示すようにブリッジ３を相対するブリッジに対し，一直線上に配置することを避け，平行関係に位置するように設けることである。

本発明における構成は，この境界に応力が集中することを避ける為，ブリッジ３と対向するブリッジ３をステージ２の幅にほぼ相当する間隔を持たせ，平行な位置関係に配置することによって，加熱時に相対するブリッジ３は互いに膨張するが，膨張することでステージ２を回転させるような力に変換され，上述の応力は緩和される。

図２に示すように相対するブリッジ３をステージ２の幅に相当する間隔で平行に位置するように設けることで，加熱時の膨張における応力をステージ２を回転させる力に変え，シリコンフレーム１とブリッジ３の境界に集中していた応力を緩和させることができる。

図１は，先願特許 特願２００５−３２５４５５の構成を示し，図２は本発明の構成を示す。ブリッジ３の４本にそれぞれＢ１，Ｂ２，Ｂ３，Ｂ４と識別記号を付けて表記する。図１では，Ｂ１とＢ３あるいはＢ２とＢ４は相対するブリッジで有り一直線上に位置している。図２ではＢ１の一直線上にＢ３は存在せず，図１でＢ３のあった位置よりステージ２の幅分だけ移動した位置に設けた。Ｂ２とＢ４の位置関係も同様である。

図２ｂのように４本のブリッジ３の位置関係はシリコンフレーム１およびステージ２の形状が四角から丸となっても同様である。その他設計により，ブリッジ３，ステージ２及びシリコンフレーム１の形状に細かな変更を加えたとしても，このように一直線上に配置していたブリッジの位置を変更して応力を回転方向の力に変換することにより，上述の問題点である応力を緩和することがかのである。

先行特許 特願２００５−３２５４５５では考慮されていなかったブリッジ方向の応力緩和を実現でき，車載用ガスセンサとしてのＭＥＭＳガスセンサの信頼性を更に向上することができる。

先願する特許 特願２００５−３２５４５５の構成。 ブリッジ３を平行関係に位置させた本発明の構成。

符号の説明

１…シリコンフレーム
２…ステージ
３…ブリッジ
Ｂ１…ブリッジ（Ｂ３と対向する，もしくは平行関係にある）
Ｂ２…ブリッジ（Ｂ４と対向する，もしくは平行関係にある）
Ｂ３…ブリッジ（Ｂ１と対向する，もしくは平行関係にある）
Ｂ４…ブリッジ（Ｂ２と対向する，もしくは平行関係にある）

Claims (1)

1. シリコン基板とＳｉＯ２層及びＳｉＮｘ層等からなるダイアフラム構造体において，該ダイアフラム部の一部を除去して形成される４本のブリッジを有するブリッジ構造体であって，相対する対をなすブリッジが平行な位置関係を有することを特徴とするガスセンサ用ＭＥＭＳ構造体。

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