JP2009042097A

JP2009042097A - 水素ガスセンサ

Info

Publication number: JP2009042097A
Application number: JP2007207871A
Authority: JP
Inventors: Kuniyuki Hishinuma; 邦之菱沼; Hiroyuki Kasai; 宏之河西
Original assignee: Seiko NPC Corp
Current assignee: Seiko NPC Corp
Priority date: 2007-08-09
Filing date: 2007-08-09
Publication date: 2009-02-26
Anticipated expiration: 2027-08-09
Also published as: JP5043556B2

Abstract

【課題】水素ガスが少量で濃度が薄くても検知可能で、応答時間も速い水素ガスセンサを提供する。
【課題の解決手段】水素ガスセンサ１は、シリコン基板２表面のメンブレン３に対応してキャビティ４を形成し、メンブレン３上にはサーモパイルを設け、サーモパイルは、その温接点部をキャビティ４及びメンブレン３の上方に対応位置するよう配置するとともに、その冷接点部を前記キャビティ４及びメンブレン３の外側に対応位置するよう配置し、温接点部を覆うように黒化させた白金触媒層１０を形成したものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、水素ガスを検出する水素ガスセンサに関する。

従来の水素ガスセンサとしては、シリコン基板上に、熱電部材を設け、この熱電部材上に白金系の触媒材を設けた構成が知られている（特許文献１）。

特開２００４−１６３１９２号公報

ところが、上述の従来例では、熱容量が大きいため、検出すべき水素ガスの濃度が薄いと、熱電部材における発生温度差が少なく、出力電圧が小さくなってしまうという不都合がある。また、応答速度が数秒から数十秒と遅いため、危険防止用センサとしては十分に目的を達成できないという不都合がある。本発明は、このような不都合を解消した水素ガスセンサを提供することを目的とする。

本発明に係る水素ガスセンサは、シリコン基板表面のメンブレンに対応して前記シリコン基板にキャビティを形成し、前記メンブレン上にはサーモパイルを設け、前記サーモパイルは、その温接点部を前記キャビティの上方に対応位置するよう配置するとともに、その冷接点部を前記キャビティの外側に対応位置するよう配置し、前記温接点部を覆うように黒化させた白金による触媒層を形成したものである。

上述の黒化させた白金触媒層は蒸着により形成すると好適である。また、上述のキャビティはシリコン基板表面側から形成して、有底状にすると好適であり、この際、白金触媒層を黒化させた白金で形成するとより好適である。

さらに、上述した各構成の水素ガスセンサを、サーモパイルの出力を増幅するアンプと同一の半導体チップ上に設けると好適である。

白金触媒層を黒化させた白金で形成した構成においては、水素ガスセンサを周囲温度検出用の赤外線センサと同一の半導体チップ上や同一のケース内に設けると好適である。

本発明に係る水素ガスセンサによれば、次のような各効果を奏する。第１に、サーモパイルの熱容量が小さくなり、熱電変換の反応が敏感となる。第２に、白金触媒層を黒化させた白金で形成しているので、触媒としての表面積が増え、熱電変換の反応がより敏感になって、希薄な水素ガスの検出が容易となる。第３に、キャビティをシリコン基板表面側から形成した場合は、メンブレンを薄くできるので、高速応答、高感度が可能となり小型化も可能となる。また、キャビティを有底状に形成した場合は、半導体チップ裏面への制約がないため、ダイボンド（チップ接着）はふつうの半導体チップと同じ扱いが可能となる。第４に、水素ガスセンサを、サーモパイルの出力を増幅するアンプと同一の半導体チップ上に設けた場合は、外的要因によるノイズの影響を最小限に抑えることができるので、誤作動が減るほか、微少出力の検出が可能になり、低濃度ガスであっても高速応答検知が可能となる。第５に、水素ガスセンサを、周囲温度検出用の赤外線センサと同一の半導体チップ上に設けた場合は、周囲温度が水素ガスセンサの出力に与える影響を補正することができる。第６に、水素ガスセンサを、周囲温度検出用の赤外線センサと同一ケース内に配置した場合にも、周囲温度が水素ガスセンサの出力に与える影響を補正することができる。

以下、本発明の好適な実施形態を図１〜図４に基づいて説明する。ここにおいて、図１は水素ガスセンサの基本構造を概略的に示す断面図、図２は熱電対の配置状態を示す平面図、図３は水素ガスセンサとアンプを同一ベース上に設けた実施形態を示す概略的な平面図、図４は水素ガスセンサと周囲温度検出用赤外線センサを同一ベース上に設けた実施形態を示す概略的な断面図である。

図１及び図２に示すように、水素ガスセンサ１のシリコン基板２には、表面に、例えば、シリコン窒化膜をＣＶＤ法により形成してなるメンブレン３を設け、このメンブレン３に対応して、メンブレン３に設けたエッチング孔（図示せず）からエッチング加工してなる有底状のキャビティ４を設けている。メンブレン３の上には、異種の導電材料からなる熱電対５を複数個直列に接続した構造のサーモパイル６を設けている。

サーモパイル６の温接点部７は、シリコン基板２の中心部近傍に配置し、サーモパイル６の冷接点部８は、シリコン基板２の周辺部に配置する。すなわち、前記温接点部７はキャビティ４及びメンブレン３の上方に対応位置し、前記冷接点部８はキャビティ４及びメンブレン３の外側に対応位置している。サーモパイル６は、例えば、ＳＯＧ（Spin On Glass）などの平坦化絶縁膜９で覆われ、この平坦化絶縁膜９の上には、サーモパイル６の温接点部７には対応するが、冷接点部８には対応しないようにして、白金を黒化し、真空蒸着してなる白金触媒層１０を、下層膜１１を介して設けている。そして、この白金触媒層１０となる白金黒はメッキにより形成することも可能である。

また、図１に示すように、メンブレン３上にパターニングされたポリシリコン膜１２を形成し、このポリシリコン膜１２を、例えば、ＢＰＳＧ（Boron-doped Phospho-Silicate Glass）膜などの絶縁膜１３で被覆し、絶縁膜１３の表面は平坦化される。そして、平坦化された絶縁膜１３上にアルミニウム膜１４を形成し、このアルミニウム膜１４と前記ポリシリコン膜１２とを接合して複数の熱電対５の直列接続によるサーモパイル６を構成する。さらに、アルミニウム膜１４は上述の平坦化絶縁膜９により被覆される。上述ではアルミニウム膜とポリシリコン膜とを接合してサーモパイルを形成したが、これに限らず、ｎ型ポリシリコンとｐ型ポリシリコンとの接合によりサーモパイルを形成することもできる。

図２に示すように、冷接点部８は、ヒートシンクの作用をするシリコン基板２上に配置されており、白金触媒層１０に覆われていないので、白金触媒層１０が水素ガスに接触しても温度は変化しにくいが、温接点部７は、シリコン基板２から浮いたキャビティ４及びメンブレン３上に形成されているので、熱容量が小さく、白金触媒層１０に覆われているので、白金触媒層１０が水素ガスに接触すると、敏感に温度が上昇する。

白金触媒層１０が水素ガスに接触すると、熱電対５の温接点部７の温度が上昇し、冷接点部８との間に温度差を生じることによって、各熱電対５に熱起電力が生じる。これら熱電対５の熱起電力が足し合わされ、サーモパイル引き出し電極１５から出力を取り出すことができる。そして、この出力を検出することで、水素ガスの発生を検知することができる。

図３は本発明の別の実施形態を示すもので、上述した水素ガスセンサ１とアンプ２２を同一のベース２１上に配置し、このアンプ２２の入力端に、水素ガスセンサのサーモパイル引き出し電極１５を接続したものである。この構成によると、サーモパイル引き出し電極１５からの出力をアンプ２２で増幅して取り出すことができるので、水素ガスが低濃度で、サーモパイル５の出力が微少の場合でも、高速応答検知が可能となる。また、同一のベース２１上に水素ガスセンサ１とアンプ２２を設けたので、外的要因によるノイズの影響を抑えることができ、ノイズによる誤動作も減少する。なお、前記水素ガスセンサ１と前記アンプ２２を同一の半導体チップ上に設けると、外的要因によるノイズの影響の抑制効果、及びノイズによる誤動作の減少効果を、さらに向上させることができる。

図４は本発明のさらに別の実施形態を示すもので、上述した水素ガスセンサ１と周囲温度検出用の金黒膜赤外線センサ３２を同一のベース３１上に配置し、同一のケース３４内に設けたものである。前記金黒膜赤外線センサ３２の構成は、触媒層が黒化した金を真空蒸着してなる金触媒層３３である点を除き、水素ガスセンサ１と同一構成であるので、その詳細な説明は省略する。

ケース３４には、水素ガスを導入するための通気口３５を設ける一方、その内部には、白金触媒層１０及び金触媒層３３に赤外線などが直接照射しないように、遮光板３６を設け、この遮光板３６にも通気口３７を設けている。なお、図４中、３８はモールド部材、３９，４０はそれぞれ各センサ１，３２の出力端子である。

水素ガスセンサ１は、白金触媒層１０が周囲温度による赤外線に対しても敏感になり、水素ガスセンサ１の出力が、赤外線の影響を受けて、水素ガスの検出出力分のみによるものではなくなるが、本実施形態においては、周囲温度を金黒膜赤外線センサ３２で検出することにより、水素ガスセンサ１の赤外線による検出出力分をキャンセルして、水素ガスセンサ１の出力を補正し、赤外線による影響を排除することができる。

また、この水素ガスセンサ１と金黒膜赤外線センサ３２とは、小型化という点では、同一シリコン基板２上に設けるのがより好ましいが、上述のように、これら二つのセンサ１，３２を別々の半導体チップに形成し、それらを同一ベース３１上で同一ケース３４内に配置しても所定の効果を得ることができる。

また、周囲温度検出用のセンサは、ケース自体の温度変化を精度良く検出することが目的であるため、金黒膜を用いた金黒膜赤外線センサに限らず他の赤外線センサを用いることもできる。すなわち、本発明の水素ガスセンサは黒化した白金触媒層を用いているため、水素ガスだけでなく熱の変化（例えば、ケース自体の温度変化）へも敏感に反応するので、その熱による出力変化を補正することが周囲温度検出用センサを設ける目的であり、それが達成できるセンサであればよい。そして、周囲温度検出用センサとして、本願発明の水素ガスセンサと同じ構成のものを用いることも可能であるが、その場合、周囲温度検出用センサの方には水素が侵入しないように密封するなどケースの構造等を変更すればよい。

なお、本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、例えば、キャビティ４は、シリコン基板２の裏面からエッチングなどで設けてもよい。

本発明に係る水素ガスセンサの基本構造を概略的に示す断面図。同じく熱電対の配置状態を示す平面図。水素ガスセンサとアンプを同一ベース上に設けた実施形態を示す概略的な平面図。水素ガスセンサと周囲温度検出用赤外線センサを同一ベース上に設けた実施形態を示す概略的な断面図。

符号の説明

１水素ガスセンサ
２シリコン基板
３メンブレン
４キャビティ
５熱電対
６サーモパイル
７温接点部
８冷接点部
９平坦化絶縁層
１０白金触媒層
１１下層膜
１２ポリシリコン膜
１３絶縁膜
１４アルミニウム膜
１５サーモパイル引き出し電極
２１，３１ベース
２２アンプ
３４ケース
３５，３７通気口
３６遮光板

Claims

シリコン基板表面のメンブレンに対応して前記シリコン基板にキャビティを形成し、前記メンブレン上にはサーモパイルを設け、前記サーモパイルは、その温接点部を前記キャビティの上方に対応位置するよう配置するとともに、その冷接点部を前記キャビティの外側に対応位置するよう配置し、前記温接点部を覆うように黒化させた白金による触媒層を形成した水素ガスセンサ。
黒化させた白金触媒層は蒸着により形成したことを特徴とする請求項１記載の水素ガスセンサ。
キャビティはシリコン基板表面側から形成され、有底状であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の水素ガスセンサ。
請求項１〜３のいずれかに記載の水素ガスセンサをサーモパイルの出力を増幅するアンプと同一の半導体チップ上に設けたことを特徴とする水素ガスセンサ。
請求項１記載の水素ガスセンサを周囲温度検出用の赤外線センサと同一の半導体チップ上に設けたことを特徴とする水素ガスセンサ。
請求項１記載の水素ガスセンサを周囲温度検出用の赤外線センサと同一のケース内に設けたことを特徴とする水素ガスセンサ。