JP2008518201A - 感知ゲッター層を有する表面弾性波ガスセンサーおよびその製造のためのプロセス - Google Patents

Abstract

基板上に、本ゲッター材料により吸着された分子が、２つの送受波器（２、３）の間で送信された信号の周波数を変化させることが出来るように、ガス感知材料（６）の少なくとも１つの層が、２つの相互デジタル送受波器（２、３）の間に配置され、そしてゲッター材料を含む、圧電性基材（１）を含む弾性表面波ガスセンサー、特に真空または水素センサー。本発明は、また製造本センサーのための工程にも関する。

Description

本発明は、弾性表面波またはＳＡＷ技術、特に真空または水素センサーを具体化するガスセンサーに関する。本発明は本センサー製造のための工程にも関する。

既知のガスセンサーは、ＳＡＷデバイスを含み、決められたガスに感受性を有する材料の層がＳＡＷデバイスの圧電性基材上で相互デジタル送受波器の間に配置されている。
Ｙ、Ｊ、リーの文献”ＳＯ_２ガス監視のためのＳＡＷガスセンサーの開発”、センサーおよびアクチュエーター Ａ６４（１９９８）は、ＳＯ_２の濃度の測定のための硫化カドミウムの感知層を開示する。
米国特許番号５５９２２１５号明細書は、水銀の濃度測定のための金、銀または銅の感知層を開示する。米国特許出願番号２００４／０１０７７６５号明細書は、アセトン、ベンゼン、ジクロロエタン、エタノールまたはトルエンの濃度測定のための硝酸セルロースの感知層を開示する。

しかし、該センサーは、それらの感知層の相対的な低感度により、単純分子の濃度を測定、または排気環境中の真空レベルをも測定できない。
したがって、本発明の目的はそうした不都合がないＳＡＷセンサーを提供することである。該目的は、主特徴がそれぞれ請求項１および１９に開示されており、ほかの特性が残りの請求項に開示されているセンサーおよび製造工程で達成される。

感知層が上記の分子が透過できる材料の特別な層によって覆われていれば、ガス感知層内に含まれるゲッター材料により、本発明に従ったセンサーは、真空のセンサーまたは例えば水素といった単純分子のためのセンサーとして適用可能である。特に、該センサーはゲッターが再生されるべき時を検出するように、既にゲッターが備えられている排気システム中に配置されることが可能である。
抵抗デバイスは、熱で送受波器を損傷することなく、高温でゲッター材料を活性化および／又は再生するために、圧電性基材とガス感知層の間に配置されることが可能である。

センサー製造を単純化するためおよびその感度を出来るだけ一定に保ち、その測定精度を改善するために、感知層は、好ましくは通常”スパッタリング”としても示される物理的蒸着または”ＰＶＤ”によって適用された薄いゲッターフィルムで出来ている。
センサーの測定精度を改善するために、第２の対の相互デジタル送受波器を、第１の対の送受波器の間にのみ配置される感知層を有する圧電性基材上に配置することができる。
センサーの製造のために、較正された開口（ｃａｌｉｂｒａｔｅｄ ｏｐｅｎｉｎｇｓ）を備えたマスクが、製造時間およびコストを減少させるため、そして高いセンサー品質を再生して保つために、既に１対以上の送受波器を備えたウェハー上の正確な寸法を有する層を堆積するために使用されることが可能である。

図１を参照すると、本発明の第１の態様に従ったガスセンサーは、既知の方法で圧電性基材１を含み、該基材上に、電気および／又は電子コントロールデバイスへ有線または無線接続のために、１または２以上の入力または出力導電性ライン４、５を備えた２つの相互デジタル送受波器２、３が配置されているのがわかる。ガス感知材料の少なくとも１つの層６が、送受波器２、３の間を構成する基材１の表面上に配置される。
本発明に従って、本ゲッター材料によって吸着された分子が、周波数送受波器２、３の間で送信された電気信号を可変できるように、感知層６は適切にゲッター材料を含む。従って排気環境中の真空度は、本環境中にセンサー配置することによっておよび該周波数変化を測定することによって、適切な校正曲線を通して測定可能である。

特に、感知層６は、０.５〜５μｍ（マイクロメーター）から構成される厚さを有するゲッターフィルムであり、スパッタリングによって基材１の上に適用されている。ゲッター材料は、ジルコニウム、チタン、ニオブ、タンタル、バナジウムまたはこれらの金属の合金、またはこれらおよび以下から選択された１または２以上のほかの元素の合金等の金属を含むことが出来る：クロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、アルミニウム、イットリウム、ランタンおよび希土類、Ｔｉ−Ｖ、Ｚｒ−Ｖ、Ｚｒ−Ｆe、Ｚｒ−ＡｌおよびＺｒ−Ｎｉ二成分合金および特にＺｒ７０％、Ｖ２４、６％、Ｆｅ５、４％またはＺｒ８４％、Ａｌ１６％の重量組成が、特に好適なことが証明されたＺｒ−Ｍｎ−Ｆｅ、Ｚｒ−Ｖ−ＦeおよびＺｒ−Ｃｏ−ＭＭ三成分合金（ここで、ＭＭは、イットリウム、ランタンおよび希土類の商業上の混合物であるミッシュメタルを表す）。

図２を参照すると、本発明の第２の態様では、１つのまたはいくつかの決められたガスだけに選択的に透過性である材料の層７が、非排気（ｎｏｎ-ｅｖａｃｕａｔｅｄ）環境中でも、センサーが透過性層７を通って透過するガスの濃度を測定できる様に、感知層６の上に配置されているのが見える。特に、透過性の層７は、５０〜５００ｎｍ（ナノメーター）の間を構成する厚みを有し、貴金属は、感知層６のゲッター材料によって、この様に吸着される水素分子だけを透過させるように、好ましくはパラジウムまたはプラチナまたはそれらの合金を含む。

図３を参照すると、本発明の第３の態様の中で、ゲッター材料のための活性化温度、特に３００〜４５０℃の温度で加熱されるのに好適な抵抗デバイス８が、基材１と感知層６の間に配置されているのが見える。抵抗デバイス８は、感知層６のゲッター材料の第１の活性化または再生を実行するように電流によって、例えば適切な電気接続端子（図には示されていない）を通って同じく電力を供給することによって、加熱可能である。実際、水素センサーの場合には、感知層６の加熱は同様に予め吸着された水素の放出に役立つ。

図４を参照すると、本発明の第４の態様の中で、それぞれ１または２以上の入力または出力ライン４、４’、５、５’を備えた２つの対の相互デジタル送受波器２、２’、３、３’が、圧電性基材１上に並んで配置されているのが見える。送受波器２、２’と３、３’の間で送信された電気信号の周波数変化の差分測定が実行できるように、感知層６は２つの相互デジタル送受波器２、３の間だけに配置される。

図５を参照すると、本発明の第５の態様中で、第１の相互デジタル送受波器２が、外部のデバイスから無線信号の受信および／又は送信のための１または２以上のアンテナ９に接続されているのが見える。第２の相互デジタル送受波器３は、ケーブルにも、無線にも、いかなるデバイスにも接続されておらず、圧電性基材１を通って受信され、そして送受波器２、３の間に配置される感知層６によって変調された信号を第１の送受波器２に向かって単に反射する。

本発明に従ったセンサー製造のためには、マスクは、機械的に位置合わせされ、そして圧電性基材のウェハーと接して配置され、該基板上には、複数の対の相互デジタル送受波器および、もし必要であれば、複数の抵抗デバイスが、すでに適用されている。該マスクは、スパッタリングによって、ウェハー上に堆積されるこれらの所望の感知層に対応する寸法を有する較正された開口を備える。水素センサーの製造のためには、ウェハーに堆積した感知層の上へ、再びマスクを通したスパッタリングによって、透過性層を適用することで充分である。感知層および、もしあれば、透過性の層の堆積の後で、ウェハーは、使用できる状態である複数のセンサーを得るために、機械的またはレーザーカットによって切断される。

同発明の範囲内に留まる一方で、さらに、以上に記載され、具体的に示された本発明の態様の変化および／又は追加が、当業者によってなされてもよい。

さらに、本発明に従ったセンサーの利点および特性並びに製造工程が、付属の図を参照して、それらのいくつかの態様の以下の詳細なおよび限定されない記載から当業者に明らかになるであろう、ここで： 図１は、センサーの第１の態様の上面図を示し； 図２は、センサーの第２の態様の部分的な断面図を示し； 図３は、センサーの第３の態様の部分的な断面図を示し； 図４は、センサーの第４の態様の上面図を示し；および 図５は、センサーの第５の態様の上面図を示す。

Claims (22)

1. 圧電基材上でガス感知材料の少なくとも１つの層（６）が２つの相互デジタル送受波器（２、３）の間に配置されている圧電性基材（１）を含むセンサーであって、該ガス感知層（６）がゲッター材料を含み、該ゲッター材料により吸着された分子が該２つの送受波器（２、３）間で送信される信号周波数を可変できることを特徴とするセンサー。
2. 該感知層（６）が、ゲッターフィルムである請求項１に記載のセンサー。
3. 当該ゲッターフィルムが０．５〜５μｍの間を構成する厚さを有する請求項２に記載のセンサー。
4. 当該ゲッターフィルムが、スパッタリングによって圧電性基材（１）上に適用される請求項２に記載のセンサー。
5. 当該ゲッター材料が、ジルコニウム、チタン、ニオブ、タンタル、バナジウム、またはこれらの金属の合金、もしくはこれらとクロム、マンガン、鉄、コバルト、ニッケル、アルミニウム、イットリウム、ランタンおよび希土類の中から選択された１または２以上の他の元素との合金の中から選択された金属を含む、請求項２に記載のセンサー。
6. 前記ゲッター材料が、Ｔｉ−Ｖ、Ｚｒ−Ｖ、Ｚｒ−Ｆｅ、Ｚｒ−ＡｌおよびＺｒ−Ｎｉ二成分合金、並びにＺｒ−Ｍｎ−Ｆｅ、Ｚｒ−Ｖ−ＦｅおよびＺｒ−Ｃｏ−ＭＭ（ここでＭＭは、イットリウム、ランタンおよび希土類の混合物である）三成分合金を含む請求項５に記載のセンサー。
7. 前記ゲッター材料が、Ｚｒ７０％−Ｖ２４.６％−Ｆｅ５.４％の重量組成の合金を含む請求項６に記載のセンサー。
8. 前記ゲッター材料が、Ｚｒ８４％−Ａｌ１６％の重量組成の合金を含む請求項６に記載のセンサー。
9. 圧電性基材（１）とガス感知層（６）との間に配置される、ゲッター材料のための活性化温度での加熱に好適な抵抗デバイス（８）をさらに含む請求項１に記載のセンサー。
10. 該活性化温度が３００〜４５０℃の間から構成される請求項９に記載のセンサー。
11. さらに、圧電性基材（１）上に配置される第２の一組の相互デジタル送受波器（２’、３’）、第１の一組の相互デジタル送受波器（２、３）の間だけに配置される感知層（６）を含む請求項１に記載のセンサー。
12. 前記センサーが、バキュームセンサーである請求項１に記載のセンサー。
13. さらに、感知層（６）の上に配置された１種または２種以上の決められたガスを透過可能な材料層（７）を含む請求項１に記載のセンサー。
14. 該透過性の層（７）が、５０〜５００ｎｍの間から構成される厚さを有する請求項１３に記載のセンサー。
15. 該透過性の層（７）が、貴金属またはそれらの合金を含む請求項１３に記載のセンサー。
16. 該透過性の層（７）が、パラジウムまたはプラチナを含む請求項１５に記載のセンサー。
17. 当該センサーが、水素センサーである請求項１３に記載のセンサー。
18. 少なくとも１つの相互デジタル送受波器（２）に接続されたラジオ（電波）信号の受信および／又は送信のための少なくとも１つのアンテナ（９）をさらに含む請求項１に記載のセンサー。
19. 以下の操作ステップを含むガスセンサー製造のための工程：
    圧電性基材のウェハー上へ、複数の対の相互デジタル送受波器を適用する工程；
    これらの開口は１対の相互デジタル送受波器の間に構成される、該ウェハーの上に複数の較正された開口を備えたマスクを配置する工程；
    該マスク層を通してスパッタリングによって、ガス感知材料をウェハーの上に堆積する工程。
20. 該ガス感知材料が、ゲッター材料を含む請求項１９に記載の工程。
21. ウェハーの上にガス感知材料の層を堆積する前に、複数の抵抗デバイスが、対の相互デジタル送受波器間のウェハーの上に配置される請求項１９に記載の工程。
22. 以下の操作ステップをさらに含む請求項１９に記載の工程：
    これらの開口が、１対の相互デジタル送受波器の間に構成されるように、ウェハーの上に、較正された開口を備えたマスクを配置する工程；
    １種または２種以上の決められたガスに透過性である材料の層をスパッタリングすることによって、該マスクを通して、ウェハー上に堆積する工程。

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