JP2009020053A

JP2009020053A - ガスセンサ

Info

Publication number: JP2009020053A
Application number: JP2007184452A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Moriguchi; 雅彦森口
Original assignee: Nippon Ceramic Co Ltd
Current assignee: Nippon Ceramic Co Ltd
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2009-01-29

Abstract

【課題】従来のヒーターでガス感応膜を高温に保持しガス濃度検出を行うダイヤフラム構造ガスセンサにはヒーター温度を測定する機構が設けられておらず、ヒーター抵抗値が一定範囲内に収まるように、ヒーター構成材料膜厚及びヒーターパターン幅を高精度で作製し、一定電力をヒーターに供給する手法で温度一定化を図っていた。このため、ヒーターパターン形成工程要求精度高であり、作製困難であった。
【解決手段】二種の物質で構成された熱電対の温接点をダイヤフラム上のヒーター近傍に形成し、周囲ヒートシンク部上に冷接点を形成したヒーター温度を測定するサーモパイルを設ける。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロマシーニング技術を利用してダイヤフラム構造を作製し、そのダイヤフラム上に電極とヒーター及びガス感応膜を設けたガスセンサに関するものである。

ダイヤフラム構造ガスセンサは、ダイヤフラム上にヒーターと一対の電極を設け、電極上部にガス感応膜を形成した構成を採る。ガス感応膜はヒーターにより３００℃程度の高温に保たれ、ガス濃度により変化する抵抗値を計測し、ガス濃度を求めるものである。

例えば外形角１．０ミリメートルのダイヤフラム構造ガスセンサには、一例として角０．５５ミリメートルのダイヤフラムが設けられる。例えばダイヤフラム中央角０．２８ミリメートルの位置には、一例として、パターン幅０．０２ミリメートルの白金のヒーターパターン及びパターン幅０．０２ミリメートルの白金の一対の電極パターンが形成される。一対の電極上には特許文献１に記載されているように例えば酸化スズ等のガス感応膜が設けられている。このガス感応膜寸法は一例として角０．１５ミリメートルである。ダイヤフラム周囲のヒートシンク上のヒーターパターンの終点２ヶ所及び一対の電極の終点２ヶ所、計４ヶ所には、金等を材料とするパッドが設けられている。このパッド寸法は、一例として角０．１ミリメートルである。ダイヤフラムにおいて機械的に最も弱い地点は、ダイヤフラムの四隅である。この地点を補強するため、パッドとヒーター及びパッドと電極とを結線するパターンは、ダイヤフラム対角線上に設けられる。ガス感応膜とパッド以外の領域には、アルミナ膜等の絶縁保護膜が設けられる。

ダイヤフラム構造ガスセンサチップは基板材上にダイヤフラム構成膜形成した後、例えばヒーター及び電極パターン、絶縁保護膜、パッド、ガス感応膜の順で作製され、最後に裏面よりエッチングしダイヤフラムを作製する。基板材は一例として厚０．４ミリメートルのシリコンウェハーが用いられダイヤフラム構成膜は、酸化ケイ素、窒化シリコン、アルミナ等から成る膜が用いられる。ヒーター及び電極パターン、絶縁保護膜、パッド、ガス感応膜は成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を使用して作製され、予め多数のチップが得られるように設計されたフォトマスクが使用される。

ダイヤフラム構造ガスセンサチップを多数形成した基板材はダイシングソー等で切断され、ダイヤフラム構造ガスセンサチップはＴＯ−５等のステムにダイボンダー等でダイボンディングされる。その後、ステムリードとチップ上に設けたパッドとを金ワイヤー等でワイヤーボンディングされる。

図３に従来のダイヤフラム構造ガスセンサチップ概念斜視図を示し、図４に図２のＡ―Ａ‘方向概念断面図を示す。
特開２０００−２９２３９３

前項で述べたように、ダイヤフラム構造ガスセンサのガス感応膜はヒーターにより３００℃程度の高温に保持される。また、ガス感応膜感度はヒーター温度によって変化する。従来のダイヤフラム構造ガスセンサにはヒーター温度を測定する機構が設けられておらず、ヒーター抵抗値が一定範囲内に収まるように、ヒーター構成材料膜厚及びヒーターパターン幅を高精度で作製し、一定電力をヒーターに供給する手法で温度一定化を図っていた。このため、ヒーターパターン形成工程要求精度高であり、作製困難であった。

二種の物質で構成された熱電対の温接点をダイヤフラム上のヒーター近傍に形成し、周囲ヒートシンク部上に冷接点を形成したサーモパイルを設ける。

サーモパイルを設けることにより、ヒーター温度測定が可能となる。これにより、ヒーター構成材料膜厚及びヒーターパターン幅精度許容値が大となり、作製容易となる。サーモパイルはダイヤフラム構造ガスセンサチップのダイヤフラムのこれまでパターンを配置していない領域に形成するので、サーモパイルを設けることにより、チップ寸法が大となる等の不具合は発生しない。また、熱電対材料の一方をヒーター及び電極材料と同一にすると、サーモパイルを設けることによる工程増は他方の熱電対材料の成膜・パターン形成のみとなる。

ダイヤフラム構造ガスセンサチップは基板材上にダイヤフラム構成膜形成した後、ヒーター及び電極パターン、熱電対パターン、絶縁保護膜、吸収膜の順で作製され、最後に裏面よりエッチングしダイヤフラムを作製する。熱電対パターンも、ヒーター及び電極パターン、絶縁保護膜、吸収膜、ダイヤフラムと同じく、成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を使用して作製され、予め多数のチップが得られるように設計されたフォトマスクが使用される。

以下に本発明実施例として、背景技術の項で記した従来の外形角１ミリメートルのダイヤフラム構造ガスセンサチップと同一サイズのサーモパイルを設けたダイヤフラム構造ガスセンサチップ作製手順の一例を記す。

基板材を一例として厚０．４ミリメートルのシリコンウェハーとし、シリコンウェハー上に酸化ケイ素、窒化シリコン、アルミナ等から成る例えば総厚０．０００５ミリメートルの膜をＣＶＤ法等により形成する。これら膜がダイヤフラム構成膜となる。

ヒーター及び電極パターンは、例えば白金を用いて上記成膜したシリコンウェハー上に多数形成する。この時、成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を使用し、一例として膜厚０．０００２ミリメートル、パターン幅０．０２ミリメートルの微細パターンが形成される。後述するパッドとヒーター及びパッドと電極との結線部は、ダイヤフラム対角線上に設けられる。これは、ダイヤフラム形成時に機械的に最も弱い地点であるダイヤフラムの四隅を補強するためである。これらパターン露光工程には予め、例えばダイヤフラム中央角０．２８ミリメートルの位置にパターンが配置されたフォトマスクを用いる。

熱電対は例えば一方をクロメル、他方をアルメル等の異なるゼーベック定数を持つ二種の材料が用いられ、上記ヒーター及び電極パターン作製したシリコンウェハー上に熱電対パターンを多数形成する。この時、成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を使用し、例えばクロメル幅０．００６ミリメートル、アルメル幅０．０１ミリメートル、両者の間隔を０．００７ミリメートルとする熱電対1組当たり０．０３ミリメートル、接点長０．０２５ミリメートル、接点幅０．０２４ミリメートルの微細パターンがダイヤフラム各辺と垂直方向に形成される。即ち、熱電対はヒーター及び電極パターンが配置されていない領域に設けられる。露光工程には、温接点が例えばヒーターより０．０２ミリメートルに位置し、周囲ヒートシンク部上にダイヤフラムより０．０４ミリメートルの地点に冷接点が位置するように予めパターン設計したフォトマスクを用いる。この場合、熱電対本数は２８本となる。他の熱電対材料例として、一方をヒーター・電極材料と同じ白金とし、他方を例えば銅としてもよい。他の熱電対材料であっても、上述の各種寸法は、予めパターン設計したフォトマスクにより定まるものであるので、同一寸法のものが作製される。よって熱電対本数は２８本となる。また、白金熱電対パターンをフォトマスク内に設けておけば、前述のヒーター及び電極パターン形成と同時に白金熱電対パターンも形成される。即ちヒーター・電極材料と同一材料を熱電対材料の一方に選定すると、サーモパイルを設けることによる工程増は他方の熱電対材料の成膜・パターン形成のみとなる。

さらに、後述する感応ガス膜、パッド以外の領域を保護するため、例えば、厚０．０００５ミリメートルのアルミナ膜を成膜した後、露光・エッチング等の半導体工程手法にて所定形状に加工する。

その後、ダイヤフラム周囲のヒートシンク上のヒーターパターンの終点２ヶ所、一対の電極の終点２ヶ所、熱電対パターンの終点２ヶ所、計６ヶ所に、金等を材料とするパッド成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法を用い設ける。このパッド寸法は、一例として角０．１ミリメートルである。背景技術の項で説明したチップに対し、パッド数増となっているが、増となったパッドパターンを予めフォトマスク内に設けておけば、容易に対処できる。

続いて、例えば厚０．００１ミリメートルの酸化スズ等の感応ガス膜を成膜・露光・エッチング等の半導体工程手法により作製する。一例として角０．１５ミリメートルの感応ガス膜をダイヤフラム中央部の電極パターン上に形成する。

その後、裏面保護パターンをフォトレジスト等で露光等の半導体工程手法で形成し、フッ化炭素系ガスを用い、高密度プラズマエッチング装置等でプラズマエッチングしダイヤフラムを作製する。この時フッ化炭素系ガスは、横方向エッチングスピード低で垂直なエッチングが可能な構成のガスが選定される。予め裏面保護パターンを例えば角０．５５ミリメートルに設定したフォトマスクを用いると、角０．５５ミリメートルのダイヤフラムが作製される

以上により、背景技術の項で説明したチップとサーモパイル部以外の寸法が全く同一のダイヤフラム構造ガスセンサチップが完成となる。

図１に本発明のダイヤフラム構造ガスセンサチップ概念斜視図を示し、図２に図１のＡ―Ａ‘方向概念断面図を示す。

尚、上述例のサーモパイル出力電圧は以下のように見積もられる。温接点の温度をＴ２［℃］、冷接点の温度をＴ１［℃］、それぞれの温度での熱電対を構成する二材料のゼーベック定数の差をＳ（Ｔ２）[ｍV／℃]、Ｓ（Ｔ１）[ｍV／℃]、熱電対本数をＮ本とするとき、サーモパイル出力電圧ＶはＶ＝（Ｓ（Ｔ２）×Ｔ２−Ｓ（Ｔ１）×Ｔ１）×Ｎで表される。ダイヤフラム構造ガスセンサの場合、ヒーターを３００℃に加熱して使用する。よって、ヒーター近傍に設置された温接点温度は３００℃と見なされ、また、ヒートシンク上の冷接点温度は１００℃と見なされる。熱電対材料をクロメル、アルメルとした場合、Ｓ（３００℃）＝０．０４０６[ｍV／℃] 、Ｓ（１００℃）＝０．０４１０[ｍV／℃]であり、熱電対本数２８本であるから、サーモパイル出力電圧は０．２２６Ｖとなる。また、熱電対材料を銅、白金とした場合、Ｓ（３００℃）＝０．０１５０[ｍV／℃] 、Ｓ（１００℃）＝０．０１０２[ｍV／℃]であり、熱電対本数２８本であるから、サーモパイル出力電圧は０．０９７Ｖとなる。

これら材料は全て市販の熱電対に使用されているものであり、有害性等なく、また、入手容易な材料である。

本発明ダイヤフラム構造ガスセンサチップの概念斜視図である。本発明ダイヤフラム構造ガスセンサチップの概念断面図である。従来ダイヤフラム構造ガスセンサチップの概念斜視図である。従来ダイヤフラム構造ガスセンサチップの概念断面図である。

符号の説明

１ダイヤフラム
２ヒーター
３電極
４ガス感応膜
５絶縁保護膜
６パッド
７温接点
８冷接点
９周囲ヒートシンク
１０熱電対
１１ダイヤフラム構成膜

Claims

ダイヤフラム上にヒーターと一対の電極を設け、電極上部にガス感応膜を形成したガスセンサにおいて、二種の物質で構成された熱電対の温接点をダイヤフラム上のヒーター近傍に形成し、周囲ヒートシンク部上に冷接点を形成したサーモパイルを設けたことを特徴とするダイヤフラム構造ガスセンサ。
熱電対の構成材料の一方をヒーター構成材料としたことを特徴とする請求項１のダイヤフラム構造ガスセンサ。