JP2010223893A

JP2010223893A - 薄膜ガスセンサ

Info

Publication number: JP2010223893A
Application number: JP2009074088A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Maeda; 賢彦前田; Takuya Suzuki; 卓弥鈴木; Makoto Okamura; 誠岡村
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2009-03-25
Filing date: 2009-03-25
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2029-03-25
Also published as: JP5278086B2

Abstract

【課題】サージ電圧等の印加に対しても破壊されることがなく、安定で信頼性の高い薄膜ガスセンサを提供する。
【解決手段】図は薄膜ガスセンサの平面図であり、感知膜電極７間にバリスタ（R）等の非直線性抵抗素子を形成した例である。つまり、感知膜電極７を形成する際に、ニードル状に突起のあるパターンを図示のように対向させる。そして、上層のSnO₂層を形成する際に、図示のようにSnO₂を形成する部分に窓開けし、ここにバリスタ（R）等の非直線性抵抗素子10を形成したものである。
【選択図】図１

Description

この発明は、電池駆動を念頭においた低消費電力型薄膜ガスセンサの改良に関する。

一般的に、ガスセンサはガス漏れ警報器などの用途に用いられ、或る特定のガス、例えばCO，CH₄，C₃H₈，CH₃OHなどに選択的に感応するデバイスであり、その性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、低消費電力が必要不可欠である。
ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的とするものと、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的とするもの、または両方の機能を併せ持ったものなどがあるが、いずれもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くはない。

このような事情から、普及率の向上を図るべく、設置性の改善、具体的には電池駆動としコードレス化することが望まれている。電池駆動を実現するためには低消費電力化が最も重要であるが、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでは、200℃〜500℃の高温に加熱し検知する必要がある。そこで、微細加工プロセスによりダイヤフラム構造などの高断熱、低熱容量の構造とした薄膜ガスセンサの出現が望まれている。

上述のように、超低熱容量構造にしようとすると、全ての金属リードが薄膜細線化する。そのため、静電気放電等の大電流に対する耐量が小さく、数百Ｖでパターンが破壊されることになる。
放電耐量特性の高い組成物を得る方法として、例えば特許文献１に示すものがある。しかしながら、これは一般的なもので、特に薄膜ガスセンサについて大電流耐量を考慮したものは見あたらない。

特開平０９−１６２０１５号公報

この発明の課題は、サージ電圧等の印加に対しても破壊されることがない信頼性の高い薄膜ガスセンサを提供することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、薄膜状の支持膜の外周または両端部をＳｉ基板により支持し、外周部または両端部が厚く、中央部が薄く形成されたダイヤフラム様の支持基板上に薄膜のヒータを形成し、この薄膜のヒータを電気絶縁膜で覆い、その上にガス感知膜用の電極を形成し、さらに半導体薄膜によりガス感知膜を形成した後、その最表面に貴金属触媒を多孔質金属酸化物に担持した選択燃焼層を設けてなる薄膜ガスセンサにおいて、
前記ヒータ間および感知膜電極間の少なくとも一方に、非直線性抵抗素子部を形成したことを特徴とする。
上述の薄膜ガスセンサは、形成した非直線抵抗素子部によってヒータ間および感知膜電極間に印加された静電気放電などのサージ電圧からガスセンサを保護する。
この請求項１の発明において前記非直線性抵抗素子部は、前記ガス感知膜と同時に形成することができる（請求項２の発明）。
上述の薄膜ガスセンサは、製造工数を増加させることなくサージ電圧からガスセンサを保護する非直線抵抗素子部が形成できる。

この発明によれば、バリスタ（R）等の非直線性抵抗素子部を設けるようにしたので、静電気放電などのサージ電圧が印加されてもセンサ素子が破壊されることも無く、安定で信頼性の高い薄膜ガスセンサを提供することができる。

この発明の実施の形態を示す平面図である。この発明の別の実施の形態を示す平面図である。この発明のさらに別の実施の形態を示す平面図である。薄膜ガスセンサの一般的な例を示す平面図である。薄膜ガスセンサの一般的な例を示す断面図である。

図４はこの発明が適用される一般的な薄膜ガスセンサを示す平面図、図５は同じくその断面図である。このような構造の薄膜ガスセンサは、例えば特許第３９２５８４７号明細書により公知である。以下、これらの図を参照してその作製方法と構成について説明する。
まず、両面に熱酸化膜が付いたSi基板1上に、ダイヤフラム構造の支持膜および熱絶縁膜として、Si₃N₄（３）とSiO₂膜４を順次プラズマCVD法にて形成する。

次に、PtWヒータ5，SiO₂絶縁層6の順にスパッタ法で形成する。その上に一対の感知膜電極７（PtまたはAu）を形成する。成膜はRFマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング方法によって行なう。なお、図示は省略したが、PtWヒータ5，Ptセンサ（感知膜）電極7成膜の際には、下地酸化膜との密着性を向上させるため、中間層として10nm厚のTa層が成膜される。

成膜条件はPt ，PtW，Taとも同じで、Arガス圧力１Pa、基板温度300℃、RFパワー2W／cm²、膜厚はセンサ電極（Pt）＝200nm、薄膜ヒータ（PtW）＝400nmである。センサ電極（Pt）/薄膜ヒータ（PtW）間の絶縁層であるスパッタSiO₂絶縁層6は、1000nmである。その後、ガス感知膜8であるSnO₂を成膜する。成膜はRFマグネトロンスパッタリング装置を用い、反応性スパッタリング方法によって行なう。

図５のCH₄センサでは、Sbを0.5重量％（wt％）を含有するSb-SnO₂を400nm成膜する。成膜条件はAr+O₂ガス圧力2Pa、基板温度150〜300℃、RFパワー2W/cm²、である。最後に、基板裏面よりエッチングによりSiを除去し、ダイヤフラム構造とする。その後Pd/Al₂O₃触媒粉末9をスクリーン印刷などでSnO₂層（ガス感知膜）を完全に被覆するように形成/焼成（厚み20~30μm）し、パッケージに組んでCH₄センサとする。

次に、以上のように作製された一般的な薄膜ガスセンサに対して、この発明ではさらに以下のようにする。なお、図１〜図３は、本発明の実施形態を説明するための図面であって、これらの図面によって本発明が限定されるものではない。
図１はこの発明の実施例を示す平面図で、感知膜電極７間にバリスタ（R）等の非直線性抵抗素子を形成する例である。すなわち、感知膜電極７を形成する際に、ニードル状に突起のあるパターンを図示のように対向させる。そして、上層のSnO₂層を形成する際に、図１のSnO₂を形成する部分に窓開けし、ここにバリスタ（R）等の非直線性抵抗素子10を形成する。

かくして本発明の一実施形態に係る薄膜ガスセンサは、バリスタ（R）等の非直線性抵抗素子部10を感知膜電極7，7間に設けたので、これらの電極7，7間に静電気放電などのサージ電圧が印加されても非直線性抵抗素子部10によってセンサ素子を保護することができる。したがって本発明は、安定で信頼性の高い薄膜ガスセンサを提供することが可能となる。

図２はこの発明の別の実施例を示す平面図である。これは、ヒータリード間にバリスタ（R）等の非直線性抵抗素子10を形成する例である。すなわち、ヒータ5を形成する際に、ニードル状に突起のあるパターンを図示のように対向させる。そして、上層のSiO₂層を形成する際は、図２の対応する部分を図示のように窓開けし、ここにバリスタ（R）等の非直線性抵抗素子10を形成する。

かくして本発明の別の実施形態に係る薄膜ガスセンサは、バリスタ（R）等の非直線性抵抗素子部10をヒータ5，5電極間に設けたので、これらセンサ5，5の電極間に静電気放電などのサージ電圧が印加されても非直線性抵抗素子部10によってセンサ素子を保護することができる。したがって本発明は、安定で信頼性の高い薄膜ガスセンサを提供することが可能となる。

図３はこの発明のさらに別の実施例を示す平面図である。図からも明らかなように、これは図１と図２を合わせたもので、感知膜電極７間とヒータ５間の双方にバリスタ（R）等の非直線性抵抗素子10を形成したものである。作成の仕方は、上述した実施形態（図１、図２）を組み合わせたものとなる。

かくして本発明のさらに別の実施形態に係る薄膜ガスセンサは、バリスタ（R）等の非直線性抵抗素子部10を感知膜電極7，7間およびヒータ5，5電極間にそれぞれ設けるようにしたので、いずれの電極間に静電気放電などのサージ電圧が印加されてもこれら非直線性抵抗素子部10によってセンサ素子を保護することができる。したがって本発明は、よりいっそう安定で信頼性の高い薄膜ガスセンサを提供することができる等の実用上多大なる効果を奏する。

１…Si基板、２…熱酸化膜、３…CVD-SiN、４…CVD-SiO₂、５…（薄膜）ヒータ、６…スパッタSiO₂、７…感知膜電極、８…感知膜、９…選択燃焼層。

Claims

薄膜状の支持膜の外周または両端部をＳｉ基板により支持し、外周部または両端部が厚く、中央部が薄く形成されたダイヤフラム様の支持基板上に薄膜のヒータを形成し、この薄膜のヒータを電気絶縁膜で覆い、その上にガス感知膜用の電極を形成し、さらに半導体薄膜によりガス感知膜を形成した後、その最表面に貴金属触媒を多孔質金属酸化物に担持した選択燃焼層を設けてなる薄膜ガスセンサにおいて、
前記ヒータ間および感知膜電極間の少なくとも一方に、非直線性抵抗素子部を形成したことを特徴とする薄膜ガスセンサ。
前記非直線性抵抗素子部は、前記ガス感知膜と同時に形成することを特徴とする請求項１に記載の薄膜ガスセンサ。