JP2014190878A - Gas sensor - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermal conductivity gas sensor with improved accuracy in detecting detection target gas by increasing heat transfer rate from a heating element thereof to the detection target gas.SOLUTION: A thermal conductivity gas sensor 1 includes a thin film section D which is provided on a substrate 13 to form a diaphragm, and a heater 15 which is provided in the thin film section and whose resistance changes with temperature thereof. Through-holes 19 for allowing gas to flow are formed at least in some of the portions of the diaphragm where heater patterns 15a, 15b of the heater face each other. Inner surfaces 19e of the through-holes of the diaphragm are tapered.

Description

本発明は、被検出雰囲気中に存在する可燃性ガス等のガス濃度を検出するガスセンサに関する。   The present invention relates to a gas sensor that detects a gas concentration of a combustible gas or the like present in an atmosphere to be detected.

近年、環境・自然保護などの社会的要求から、高効率で、クリーンなエネルギー源として燃料電池の研究が活発に行われている。その中で、低温作動、高出力密度等の利点により、家庭用、車載用などのエネルギー源として固体高分子型燃料電池(PEFC)や水素内燃機関が期待されている。これらのシステムでは、例えば、可燃性ガスである水素を燃料としているため、ガス漏れの検知が重要な課題の一つとして挙げられている。   In recent years, research on fuel cells has been actively conducted as a high-efficiency, clean energy source due to social demands such as environmental protection and nature conservation. Among them, solid polymer fuel cells (PEFCs) and hydrogen internal combustion engines are expected as energy sources for home use and on-vehicle use due to advantages such as low temperature operation and high output density. In these systems, for example, hydrogen, which is a flammable gas, is used as a fuel, so detection of gas leakage is cited as one of the important issues.

この種の被検出雰囲気中に存在する可燃性ガスのガス濃度を検出するガスセンサとして、被検出雰囲気内にガス検出素子を配置し、このガス検出素子に、自身の温度変化(発熱)により抵抗値が変化する発熱抵抗体を備えた熱伝導式ガスセンサが知られている(例えば、特許文献1参照)。具体的には、このガスセンサでは、発熱抵抗体に通電されて発熱抵抗体が発熱した際に可燃性ガスへの熱伝導が生じる。そのため、ガス検出素子の温度を一定の温度に制御する場合、熱伝導によって発熱抵抗体の温度が変化するとともに抵抗値が変化するため、その変化量に基づき、被検出ガスを検出することができる。
そして、上記ガス検出素子はMEMSの技術を用いて作製されており、基板上にダイヤフラムを形成する絶縁層を設け、この絶縁層に発熱抵抗体を配置させる構成を採っている。これにより、発熱抵抗体から基板への熱逃げがダイヤフラム部分で少なくなるので、発熱抵抗体の熱が被検出ガスへ伝わり易くなる。
又、ガス検出素子の表面側から基板内部へスリットを介してエッチング液を流してエッチングを進行させ、発熱抵抗体の下方に空洞を設けてダイヤフラムを形成したマイクロヒータが開発されている(例えば、特許文献2参照)。このマイクロヒータでは、スリット(貫通孔)がダイヤフラムを貫通して空洞へ向かって形成されるので、スリットに隣接する発熱部では被検出ガスとの接触面積が増え、被検出ガスへ熱が伝わり易くなる。
As a gas sensor that detects the gas concentration of the combustible gas present in this type of atmosphere to be detected, a gas detection element is arranged in the atmosphere to be detected, and this gas detection element has a resistance value due to its temperature change (heat generation) There is known a heat conduction type gas sensor including a heating resistor in which the temperature changes (see, for example, Patent Document 1). Specifically, in this gas sensor, heat conduction to the combustible gas occurs when the heating resistor is energized and the heating resistor generates heat. Therefore, when the temperature of the gas detection element is controlled to a constant temperature, the temperature of the heating resistor changes due to heat conduction and the resistance value changes, so that the gas to be detected can be detected based on the change amount. .
The gas detection element is manufactured using a MEMS technique, and has a configuration in which an insulating layer for forming a diaphragm is provided on a substrate and a heating resistor is disposed on the insulating layer. As a result, heat escape from the heating resistor to the substrate is reduced at the diaphragm portion, so that the heat of the heating resistor is easily transferred to the gas to be detected.
Further, a micro heater has been developed in which an etching solution is flowed from the surface side of the gas detection element through the slit to the inside of the substrate to advance the etching, and a cavity is formed below the heating resistor to form a diaphragm (for example, Patent Document 2). In this microheater, a slit (through hole) is formed through the diaphragm toward the cavity, so that the heating area adjacent to the slit increases the contact area with the gas to be detected and heat is easily transferred to the gas to be detected. Become.

特開2005−300452号公報JP-A-2005-300452 特開2008−70153号公報JP 2008-70153 A

ところで、特許文献2記載の技術は、RIE(リアクティブイオンエッチング)を用いてスリットを形成しており、スリットの側壁を表面に対して垂直に加工している。しかしながら、被検出ガスの検出精度をさらに向上させるためには、スリット形状を改良して発熱抵抗体から可燃性ガスへの熱伝達率を積極的に高める必要がある。
すなわち、本発明は、熱伝導式ガスセンサにおける発熱抵抗体から被検出ガスへの熱伝達率を高め、被検出ガスの検出精度を向上させたガスセンサの提供を目的とする。
By the way, the technique of patent document 2 forms the slit using RIE (reactive ion etching), and processes the side wall of a slit perpendicularly | vertically with respect to the surface. However, in order to further improve the detection accuracy of the gas to be detected, it is necessary to improve the slit shape and positively increase the heat transfer rate from the heating resistor to the combustible gas.
That is, an object of the present invention is to provide a gas sensor in which the heat transfer rate from the heating resistor to the gas to be detected in the heat conduction type gas sensor is increased and the detection accuracy of the gas to be detected is improved.

上記課題を解決するため、本発明のガスセンサは、基板上に設けられてダイヤフラムを形成する薄膜部と、前記薄膜部に設けられ、自身の温度変化により抵抗値が変化するヒータと、を備えた熱伝導式のガスセンサであって、前記ダイヤフラムのうち、前記ヒータのヒータパターンが向かい合う部位の少なくとも一部にガスが流通する貫通孔が形成され、前記貫通孔を形成する前記ダイヤフラムの内側面は、テーパ状をなしている。
このガスセンサによれば、貫通孔の内側面がテーパ状であるため、内側面が垂直な場合に比べ、内側面を介した内部のヒータと被検出ガスとの接触面積が増え、貫通孔に隣接する発熱抵抗体では熱がさらに被検出ガスへ伝わり易くなる。このため、発熱抵抗体から被検出ガスへの熱伝達率が高くなり、被検出ガスの検出精度を向上させることができる。
In order to solve the above-described problems, a gas sensor of the present invention includes a thin film portion that is provided on a substrate and forms a diaphragm, and a heater that is provided in the thin film portion and has a resistance value that changes due to its own temperature change. In the heat conduction type gas sensor, a through hole through which gas flows is formed in at least a part of a portion of the diaphragm facing the heater pattern of the diaphragm, and an inner side surface of the diaphragm forming the through hole is: Tapered.
According to this gas sensor, since the inner surface of the through-hole is tapered, the contact area between the internal heater and the gas to be detected via the inner surface is increased and adjacent to the through-hole, compared to when the inner surface is vertical. In the heating resistor, heat is more easily transmitted to the detection gas. For this reason, the heat transfer rate from the heating resistor to the gas to be detected is increased, and the detection accuracy of the gas to be detected can be improved.

前記貫通孔は、表面側の開口のほうが反対側の開口よりも広くてもよい。
このガスセンサによれば、貫通孔をレジスト法によって容易に形成することができる。
In the through hole, the opening on the surface side may be wider than the opening on the opposite side.
According to this gas sensor, the through hole can be easily formed by a resist method.

向かい合う前記ヒータパターンがそれぞれ向かい合う変曲点を持ち、各変曲点を結ぶ線を挟んだ位置にそれぞれ前記貫通孔が形成されていてもよい。
変曲点付近ではヒータパターンが入り組んでおり、ヒータによる発熱量も高いため、線を挟んで複数の貫通孔が形成されていると、ヒータの熱がさらに被検出ガスへ伝わり易くなる。
The heater patterns facing each other have inflection points facing each other, and the through holes may be formed at positions sandwiching lines connecting the inflection points.
Since the heater pattern is intricate in the vicinity of the inflection point and the amount of heat generated by the heater is high, if a plurality of through holes are formed across the line, the heat of the heater is more easily transmitted to the gas to be detected.

前記基板は底面を有する凹部を備え、前記ダイヤフラムは前記凹部の表面に形成されていてもよい。
このガスセンサによれば、凹部は底面を有しているため、底面部分が補強部となって基板の強度低下を抑制できるので、ガス検出素子の寸法が小さい(基板の厚みが薄い)場合であっても強度が確保される。
The substrate may include a recess having a bottom surface, and the diaphragm may be formed on the surface of the recess.
According to this gas sensor, since the concave portion has a bottom surface, the bottom surface portion serves as a reinforcing portion to suppress a reduction in the strength of the substrate. Therefore, this is a case where the size of the gas detection element is small (the thickness of the substrate is thin). Even if strength is secured.

前記ガスセンサは水素ガスを検出対象とすると、実用的であるので好ましい。   The gas sensor is preferable because it is practical to detect hydrogen gas.

この発明によれば、熱伝導式ガスセンサにおける発熱抵抗体から被検出ガスへの熱伝達率を高め、被検出ガスの検出精度を向上させることができる。   According to this invention, the heat transfer rate from the heating resistor to the gas to be detected in the heat conduction type gas sensor can be increased, and the detection accuracy of the gas to be detected can be improved.

ガスセンサの全体構成図である。It is a whole block diagram of a gas sensor. ガスセンサの主要部となるガス検出素子の構成を示す平面図である。It is a top view which shows the structure of the gas detection element used as the principal part of a gas sensor. 図2におけるA−A線及びB−B線に沿ったガス検出素子の断面図である。It is sectional drawing of the gas detection element along the AA line and BB line in FIG. ガス検出素子の製造工程を表す図である。It is a figure showing the manufacturing process of a gas detection element. 図4に続く図である。It is a figure following FIG.

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図1は、本発明が適用されたガスセンサ1の全体構成図である。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is an overall configuration diagram of a gas sensor 1 to which the present invention is applied.

[全体構成]
ガスセンサ1は、熱伝導式のガス検出素子11を用いて、可燃性ガスの濃度を検出するものであり、例えば、燃料電池自動車の客室内に設置され、水素の漏れを検出する目的等に用いられる。
[overall structure]
The gas sensor 1 detects the concentration of combustible gas using a heat-conducting gas detection element 11, and is installed in the cabin of a fuel cell vehicle, for example, for the purpose of detecting leakage of hydrogen. It is done.

図1に示すように、ガスセンサ1は、ガス検出素子11(図2、図3参照)と、ガス検出素子11を駆動制御する制御回路90とを備えている。又、制御回路90は、ガス検出回路91、及び温度測定回路93を備えている。なお、制御回路90(但し、後述する発熱抵抗体15および測温抵抗体80を除く),マイコン94は単一の回路基板上に構成され、この回路基板とは別体にガス検出素子11は構成されている。
ガス検出回路91は、ガス検出素子11に備えられた発熱抵抗体15と、固定抵抗95,96,97とによって構成されるホイートストーンブリッジ911、及び、ホイートストーンブリッジ911から得られる電位差を増幅するオペアンプ912を備えている。
発熱抵抗体15として、自身の温度の上昇に伴い抵抗値が上昇する抵抗体を用いた場合、このオペアンプ912は、発熱抵抗体15の温度が所定の温度に保たれるように、発熱抵抗体15の温度が上昇した場合には出力する電圧を低くし、発熱抵抗体15の温度が下降した場合には出力する電圧を高くするように作動する。
As shown in FIG. 1, the gas sensor 1 includes a gas detection element 11 (see FIGS. 2 and 3) and a control circuit 90 that drives and controls the gas detection element 11. The control circuit 90 includes a gas detection circuit 91 and a temperature measurement circuit 93. The control circuit 90 (except for the heating resistor 15 and the resistance temperature detector 80, which will be described later) and the microcomputer 94 are configured on a single circuit board, and the gas detection element 11 is separated from the circuit board. It is configured.
The gas detection circuit 91 calculates a potential difference obtained from the Wheatstone bridge 911 including the heating resistor 15 provided in the gas detection element 11 and the fixed resistors 95, 96, and 97, and the Wheatstone bridge 911. An operational amplifier 912 for amplification is provided.
When a resistor whose resistance value increases as its temperature rises is used as the heating resistor 15, the operational amplifier 912 is configured so that the temperature of the heating resistor 15 is maintained at a predetermined temperature. When the temperature of 15 rises, the output voltage is lowered, and when the temperature of the heating resistor 15 falls, the output voltage is increased.

そして、このオペアンプ912の出力は、ホイートストーンブリッジ911に接続されているので、発熱抵抗体15の温度が所定の温度より上昇すると、発熱抵抗体15の温度を下げるためにオペアンプ912から出力される電圧は低くなり、ホイートストーンブリッジ911に印加される電圧が低下する。このときの、ホイートストーンブリッジ911の端部を構成する電極21の電圧はガス検出回路91の出力としてマイコン94により検出され、マイコン94により検出された出力値は、被検出ガスに含まれ可燃性ガスを検出するための演算処理に供される。
温度測定回路93は、ガス検出素子11に備えられた測温抵抗体80(後述する)と、固定抵抗101,102,103によって構成されるホイートストーンブリッジ931と、ホイートストーンブリッジ931から得られる電位差を増幅するオペアンプ933とを備えている。このオペアンプ933の出力はマイコン94により検出され、マイコン94により検出された出力値は、被検出ガスの温度を測定するのに用いられ、さらに、被検出ガスに含まれ可燃性ガスを検出するための演算処理に供される。
Since the output of the operational amplifier 912 is connected to the Wheatstone bridge 911, when the temperature of the heating resistor 15 rises above a predetermined temperature, it is output from the operational amplifier 912 to lower the temperature of the heating resistor 15. And the voltage applied to the Wheatstone bridge 911 decreases. At this time, the voltage of the electrode 21 constituting the end of the Wheatstone bridge 911 is detected by the microcomputer 94 as the output of the gas detection circuit 91, and the output value detected by the microcomputer 94 is included in the gas to be detected and is combustible. It is subjected to arithmetic processing for detecting sex gases.
The temperature measurement circuit 93 is obtained from a temperature measuring resistor 80 (described later) provided in the gas detection element 11, a Wheatstone bridge 931 including fixed resistors 101, 102, and 103, and a Wheatstone bridge 931. And an operational amplifier 933 that amplifies the potential difference generated. The output of the operational amplifier 933 is detected by the microcomputer 94, and the output value detected by the microcomputer 94 is used to measure the temperature of the gas to be detected. Further, in order to detect the combustible gas contained in the gas to be detected. It is used for the arithmetic processing.

以上のような構成を有する制御回路90の出力値に基づき、マイコン94により実行される可燃性ガスの濃度を演算する処理は、次のようなものである。まず、マイコン94が備えるCPU(図示せず)は、同じくマイコン94が備える記憶装置(図示せず)に記憶されたプログラムに基づき、ガス検出回路91の出力値から、可燃性ガス濃度にほぼ比例した第1の出力値を出力する。この第1の出力値は、ガスセンサ1の検出空間の雰囲気温度変化による出力変化を含んでいるので、続いて、温度測定回路93からの出力に基づき第1の出力値を補正した第2の出力値を出力する。さらに、マイコン94は、そのマイコン94の記憶装置(図示せず)に記憶された第2の出力値と可燃性ガスの濃度との関係に基づき、被検出ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度を出力する。このように、第1の出力値を温度測定回路93の出力に基づき補正しているので、精度よく可燃性ガスを検出できる。尚、可燃性ガスの濃度を演算する処理は、上記のものに限られず、公知の手段を適宜用いれば良い。   The processing for calculating the concentration of the combustible gas executed by the microcomputer 94 based on the output value of the control circuit 90 having the above configuration is as follows. First, a CPU (not shown) provided in the microcomputer 94 is substantially proportional to the combustible gas concentration from the output value of the gas detection circuit 91 based on a program stored in a storage device (not shown) provided in the microcomputer 94. The first output value is output. Since the first output value includes an output change due to an ambient temperature change in the detection space of the gas sensor 1, the second output is obtained by correcting the first output value based on the output from the temperature measurement circuit 93. Output the value. Further, the microcomputer 94 determines the concentration of the combustible gas contained in the detected gas based on the relationship between the second output value stored in the storage device (not shown) of the microcomputer 94 and the concentration of the combustible gas. Is output. Thus, since the 1st output value is amended based on the output of temperature measuring circuit 93, combustible gas can be detected with sufficient accuracy. In addition, the process which calculates the density | concentration of combustible gas is not restricted to said thing, What is necessary is just to use a well-known means suitably.

[ガス検出素子]
次に、ガス検出素子11の構成について説明する。図2はガス検出素子11の平面図を示し、図3は図2のA−A線切断部およびB−B線切断部におけるそれぞれの端面図を示す。尚、図2において、紙面の左右方向をその平面図の左右方向とする。また、図3において、紙面の上下方向をその断面図の上下方向とする。
図2に示すように、ガス検出素子11は、平板形状(平面視四角形状)をなし、その表面の四隅にそれぞれ電極21、23、88、89が形成され、他方の面(裏面)の中心付近に、詳しくは後述する平面視矩形のダイヤフラムDが形成されている。
又、図3に示すように、ガス検出素子11は、シリコン半導体からなる基板13を備えるとともに、基板13の上下両側に絶縁層(上側絶縁層45、下側絶縁層47)を備えている。上側絶縁層45は、基板13の表面に形成されており、一方、下側絶縁層47は、基板13の裏面に形成されている。尚、上側絶縁層45は、基板13の表面に形成される複数の絶縁層33〜39から構成される。
[Gas detection element]
Next, the configuration of the gas detection element 11 will be described. FIG. 2 is a plan view of the gas detection element 11, and FIG. 3 is an end view of each of the AA line cutting part and the BB line cutting part of FIG. In FIG. 2, the left-right direction of the paper surface is the left-right direction of the plan view. In FIG. 3, the vertical direction of the paper surface is the vertical direction of the sectional view.
As shown in FIG. 2, the gas detection element 11 has a flat plate shape (square shape in plan view), electrodes 21, 23, 88, and 89 are formed at the four corners of the surface, respectively, and the center of the other surface (back surface). A diaphragm D having a rectangular shape in plan view, which will be described later in detail, is formed in the vicinity.
As shown in FIG. 3, the gas detection element 11 includes a substrate 13 made of a silicon semiconductor, and includes insulating layers (upper insulating layer 45 and lower insulating layer 47) on both upper and lower sides of the substrate 13. The upper insulating layer 45 is formed on the surface of the substrate 13, while the lower insulating layer 47 is formed on the back surface of the substrate 13. The upper insulating layer 45 includes a plurality of insulating layers 33 to 39 formed on the surface of the substrate 13.

そして、上側絶縁層45が部分的(平面から見てほぼ正方形)に露出するように基板13の一部を除去することで、図3に示すように上側絶縁層45の下側に凹部(空洞)13Cが形成されたダイヤフラム構造をなしている。上側絶縁層45のうち、凹部13Cの上側部分であってダイヤフラムDを形成する領域が特許請求の範囲の「薄膜部」に相当する。
なお、凹部13Cは底面を有しているため、底面部分が補強部となって基板13の強度低下を抑制できるので、ガス検出素子11の寸法が小さい(基板13の厚みが薄い)場合であっても強度が確保される。もちろん、凹部13Cが底面を有さず、基板13の底面側からダイヤフラムDに向かってピラミッド形状(四角錐形状)に除去された形態であってもよい。
Then, by removing a part of the substrate 13 so that the upper insulating layer 45 is partially exposed (substantially square when viewed from above), a recess (cavity) is formed below the upper insulating layer 45 as shown in FIG. ) It has a diaphragm structure in which 13C is formed. A region of the upper insulating layer 45 that is the upper portion of the recess 13C and that forms the diaphragm D corresponds to a “thin film portion” in the claims.
In addition, since the recess 13C has a bottom surface, the bottom surface portion serves as a reinforcing portion and can suppress a decrease in strength of the substrate 13. Therefore, this is a case where the size of the gas detection element 11 is small (the thickness of the substrate 13 is thin). Even if strength is secured. Of course, the recess 13 </ b> C may not have a bottom surface and may be removed from the bottom surface side of the substrate 13 toward the diaphragm D in a pyramid shape (quadrangular pyramid shape).

上側絶縁層45のうち凹部13Cに対応する領域(薄膜部)には、渦巻き状にパターン形成された発熱抵抗体(特許請求の範囲の「ヒータ」)15が埋設されている。
発熱抵抗体15は、被検出ガスの温度(詳細には、可燃性ガスへの熱伝導)により自身の温度変化により抵抗値が変化する抵抗体である。発熱抵抗体15は、温度抵抗係数が大きい導電性材料で構成され、本実施形態では白金(Pt)で形成されている。可燃性ガスとしての水素ガスを検出する場合、水素ガスへの熱伝導によって発熱抵抗体15から奪われる熱量の大きさは、水素ガス濃度に応じた大きさとなる。このことから、発熱抵抗体15における電気抵抗値の変化に基づいて、水素ガス濃度を検出することが可能となる。
そして、ダイヤフラムD内に発熱抵抗体15を設けることにより、発熱抵抗体15が周囲から断熱されるため、短時間にて昇温又は降温する。このため、ガス検出素子11の熱容量を小さくすることができる。
In a region (thin film portion) corresponding to the recess 13 </ b> C in the upper insulating layer 45, a heating resistor (“heater” in the claims) 15 patterned in a spiral shape is embedded.
The heating resistor 15 is a resistor whose resistance value changes due to its own temperature change due to the temperature of the gas to be detected (specifically, heat conduction to the combustible gas). The heating resistor 15 is made of a conductive material having a large temperature resistance coefficient, and is made of platinum (Pt) in this embodiment. When detecting hydrogen gas as a combustible gas, the amount of heat taken away from the heating resistor 15 by heat conduction to the hydrogen gas is in accordance with the hydrogen gas concentration. From this, it is possible to detect the hydrogen gas concentration based on the change in the electric resistance value in the heating resistor 15.
Then, by providing the heating resistor 15 in the diaphragm D, the heating resistor 15 is insulated from the surroundings, so that the temperature is raised or lowered in a short time. For this reason, the heat capacity of the gas detection element 11 can be reduced.

なお、発熱抵抗体15の抵抗値変化は被検出ガスの温度による影響を受けるため、後述する測温抵抗体80の電気抵抗値に基づき検出される温度を用いて、発熱抵抗体15の電気抵抗値変化に基づき検出した被検出ガスの濃度を補正することにより、被検出ガス濃度の検出精度を向上させることができる。
又、上側絶縁層45及び下側絶縁層47は、単一の材料で形成されてもよいし、異なる材料を用いて複数層を成すように形成されてもよい。本実施形態では上側絶縁層45を構成する複数層は、表面側から基板13側へ向かって順に、窒化珪素層(Si34層)からなる保護層39、酸化ケイ素(SiO2)からなる上側絶縁保護層37、酸化ケイ素(SiO2)からなる下側絶縁保護層35、窒化珪素層(Si34層)からなる絶縁層33を積層してなる。上側絶縁保護層37と下側絶縁保護層35とは同一組成からなり、全体として絶縁保護層43として機能しており、発熱抵抗体15は絶縁保護層43内に埋設されている。
なお、最表層をなす保護層39は、発熱抵抗体15、測温抵抗体80、配線膜16の汚染や損傷を防止すべくそれらを覆うように設けられている。
一方、下側絶縁層47は、窒化珪素層(Si34層)からなる絶縁層34で形成されている。
又、ガス検出素子11は、縦横ともに数mm(例えば3mm×3mm)程度の大きさであり、例えば、シリコン半導体基板を用いたマイクロマシニング技術(マイクロマシニング加工)により製造される。
Since the change in resistance value of the heating resistor 15 is affected by the temperature of the gas to be detected, the electrical resistance of the heating resistor 15 is detected using the temperature detected based on the electrical resistance value of the temperature measuring resistor 80 described later. By correcting the concentration of the detected gas detected based on the value change, the detection accuracy of the detected gas concentration can be improved.
Further, the upper insulating layer 45 and the lower insulating layer 47 may be formed of a single material, or may be formed of a plurality of layers using different materials. In the present embodiment, the plurality of layers constituting the upper insulating layer 45 are composed of a protective layer 39 made of a silicon nitride layer (Si 3 N 4 layer) and silicon oxide (SiO 2 ) in order from the surface side to the substrate 13 side. The upper insulating protective layer 37, the lower insulating protective layer 35 made of silicon oxide (SiO 2 ), and the insulating layer 33 made of a silicon nitride layer (Si 3 N 4 layer) are laminated. The upper insulating protective layer 37 and the lower insulating protective layer 35 have the same composition and function as the insulating protective layer 43 as a whole, and the heating resistor 15 is embedded in the insulating protective layer 43.
The outermost protective layer 39 is provided so as to cover the heating resistor 15, the resistance temperature detector 80, and the wiring film 16 in order to prevent contamination and damage.
On the other hand, the lower insulating layer 47 is formed of an insulating layer 34 made of a silicon nitride layer (Si 3 N 4 layer).
The gas detection element 11 has a size of several millimeters (for example, 3 mm × 3 mm) in both vertical and horizontal directions, and is manufactured by, for example, a micromachining technique (micromachining process) using a silicon semiconductor substrate.

図2に戻り、発熱抵抗体15の左右の端は、発熱抵抗体15が形成された平面と同じ平面にそれぞれ埋設された配線をなすヒータリード部16(図3)を介して、各電極21、23に接続されている。なお、電極23がグランド電極となっている。電極21、23は、発熱抵抗体15に接続される配線の引き出し部位であり、コンタクトホール41(図4)を介して露出し、例えば、アルミニウム(Al)又は金(Au)で形成されている。   Returning to FIG. 2, the left and right ends of the heating resistor 15 are connected to the respective electrodes 21 via the heater lead portions 16 (FIG. 3) forming wirings embedded in the same plane as the heating resistor 15 is formed. , 23. The electrode 23 is a ground electrode. The electrodes 21 and 23 are wiring lead portions connected to the heating resistor 15 and are exposed through the contact holes 41 (FIG. 4), and are formed of, for example, aluminum (Al) or gold (Au). .

測温抵抗体80は、ガスセンサ1の検出空間内に存在する被検出ガスの温度を検出するためのものであり、ガス検出素子11の上辺(一辺)に沿って、上側絶縁保護層37と保護層39との間に埋設されている。測温抵抗体80は、電気抵抗値が温度に比例して変化(本実施形態では、温度の上昇に伴って抵抗値が増大)する導電性材料で構成され、本実施形態では白金(Pt)で形成されている。
測温抵抗体80は、測温抵抗体80が形成された平面と同じ平面に埋設された配線膜(図示せず)を介して電極88及びグランド電極89に接続されている。電極88及びグランド電極89は、コンタクトホール(図示せず)を介して露出し、例えば、アルミニウム(Al)又は金(Au)で形成されている。
The resistance temperature detector 80 is for detecting the temperature of the gas to be detected existing in the detection space of the gas sensor 1, and protects the upper insulating protection layer 37 and the protection along the upper side (one side) of the gas detection element 11. It is buried between the layer 39. The resistance temperature detector 80 is made of a conductive material whose electric resistance value changes in proportion to the temperature (in this embodiment, the resistance value increases as the temperature rises). In this embodiment, platinum (Pt) It is formed with.
The resistance thermometer 80 is connected to the electrode 88 and the ground electrode 89 via a wiring film (not shown) embedded in the same plane as the plane on which the resistance thermometer 80 is formed. The electrode 88 and the ground electrode 89 are exposed through a contact hole (not shown), and are formed of, for example, aluminum (Al) or gold (Au).

さらに、ダイヤフラムDには、凹部13Cに連通してガスが流通する貫通孔19が複数形成されている。貫通孔19は、発熱抵抗体(ヒータ)15のヒータパターン15a、15bが向かい合う部位の少なくとも一部に形成されていればよいが、後述するように、貫通孔19の形成位置からエッチング液が基板13側に注入されて薄膜部下方に凹部13Cをエッチング形成する。このため、エッチングが均等に進行するよう、上記部位に限らず、ダイヤフラムDとなる薄膜部の面方向に分散して複数の貫通孔19が配置されていることが好ましい。
又、図3に示すように、貫通孔19(ダイヤフラムD)の内側面19eは、テーパ状をなしていて、表面側の開口のほうが反対側の開口よりも広くなっている。このように、貫通孔19の内側面19eがテーパ状であると、内側面19eが垂直な場合に比べ、内側面19eを介した内部の発熱抵抗体15と被検出ガスとの接触面積が増え、貫通孔19に隣接する発熱抵抗体15では熱がさらに被検出ガスへ伝わり易くなる。このため、発熱抵抗体15から被検出ガスへの熱伝達率が高くなり、被検出ガスの検出精度を向上させることができる。
Further, the diaphragm D is formed with a plurality of through holes 19 that communicate with the recess 13C and through which gas flows. The through hole 19 only needs to be formed in at least a part of a portion of the heating resistor (heater) 15 where the heater patterns 15a and 15b face each other. The concave portion 13C is etched and formed below the thin film portion. For this reason, it is preferable that the plurality of through-holes 19 are arranged in a distributed manner in the surface direction of the thin film portion to be the diaphragm D so that the etching proceeds uniformly.
Further, as shown in FIG. 3, the inner surface 19e of the through hole 19 (diaphragm D) has a tapered shape, and the opening on the surface side is wider than the opening on the opposite side. Thus, when the inner side surface 19e of the through-hole 19 is tapered, the contact area between the internal heating resistor 15 and the gas to be detected via the inner side surface 19e is increased as compared with the case where the inner side surface 19e is vertical. In the heating resistor 15 adjacent to the through hole 19, heat is further easily transferred to the gas to be detected. For this reason, the heat transfer rate from the heating resistor 15 to the gas to be detected is increased, and the detection accuracy of the gas to be detected can be improved.

なお、貫通孔19はテーパ状であればよく、表面側の開口のほうが反対側の開口よりも狭くてもよいが、後述するように貫通孔19は、基板13側へ向かって先細るテーパ状のレジスト孔をガイドにしてRIE(リアクティブイオンエッチング)を用いて形成していることから、表面側の開口のほうが反対側の開口よりも広い貫通孔19の方が作製し易い。
又、向かい合うヒータパターン15a、15Bがそれぞれ向かい合う変曲点15ap、15bpを持ち、各変曲点15ap、15bpを結ぶ線Lを挟んだ位置にそれぞれ貫通孔19が形成されていると好ましい。変曲点15ap、15bp付近ではヒータパターン15a、15Bが入り組んでおり、発熱抵抗体(ヒータ)15による発熱量も高いため、線Lを挟んで複数の貫通孔19が形成されていると、発熱抵抗体15の熱がさらに被検出ガスへ伝わり易くなる。なお、変曲点は、ヒータパターンの輪郭を表す曲線(直線を含む)上で曲率の符号が変化する点である。
The through hole 19 only needs to be tapered, and the opening on the surface side may be narrower than the opening on the opposite side. However, as will be described later, the through hole 19 tapers toward the substrate 13 side. Since the resist hole is used as a guide and formed by RIE (reactive ion etching), the through-hole 19 having a wider opening on the surface side than the opening on the opposite side is easier to produce.
Further, it is preferable that the heater patterns 15a and 15B facing each other have inflection points 15ap and 15bp facing each other, and the through holes 19 are formed at positions sandwiching a line L connecting the inflection points 15ap and 15bp. In the vicinity of the inflection points 15ap and 15bp, the heater patterns 15a and 15B are intricate, and the amount of heat generated by the heating resistor (heater) 15 is high. Therefore, if a plurality of through holes 19 are formed across the line L, heat is generated. The heat of the resistor 15 is more easily transmitted to the gas to be detected. The inflection point is a point at which the sign of curvature changes on a curve (including a straight line) representing the contour of the heater pattern.

なお、ダイヤフラムDの重心Gの位置に発熱抵抗体15のヒータパターンが存在することが好ましく、重心Gの位置でヒータパターンの幅が最も太いことが好ましい。発熱抵抗体15のヒータパターンがダイヤフラムDの外側にあるほど、放熱し易いため、その分だけヒータパターンを狭幅として温度を高くしている。ここで、仮に重心Gの位置にヒータパターンが存在しなかったり、ヒータパターンの幅が細いと、放熱し難い重心G近傍の温度が高くなり、発熱抵抗体15の平面方向の均熱性が低下する。又、発熱抵抗体15の最高温度は薄膜部の耐熱温度によって制限されるが、発熱抵抗体15の均熱性が低下すると発熱抵抗体15の局所的な高温部が発熱抵抗体15の最高温度を超えないようにしなければならず、発熱抵抗体15全体の平均温度が低下し、発熱抵抗体15から被検出ガスへ熱が伝わり難くなる。   The heater pattern of the heating resistor 15 is preferably present at the position of the center of gravity G of the diaphragm D, and the width of the heater pattern is preferably the widest at the position of the center of gravity G. The more the heater pattern of the heating resistor 15 is on the outer side of the diaphragm D, the easier it is to dissipate heat, so the heater pattern is made narrower and the temperature is increased accordingly. Here, if the heater pattern does not exist at the position of the center of gravity G or the width of the heater pattern is narrow, the temperature in the vicinity of the center of gravity G that is difficult to dissipate heat increases, and the heat uniformity in the planar direction of the heating resistor 15 decreases. . The maximum temperature of the heating resistor 15 is limited by the heat resistance temperature of the thin film portion. However, when the heat uniformity of the heating resistor 15 decreases, the local high temperature portion of the heating resistor 15 increases the maximum temperature of the heating resistor 15. The average temperature of the entire heating resistor 15 is lowered, and heat is hardly transmitted from the heating resistor 15 to the detection gas.

次に、図4、図5を参照し、ガス検出素子11の製造工程について説明する。なお、図4、図5では、各工程について、図1におけるガス検出素子11のA−A線切断部およびB−B線切断部におけるそれぞれの端面状態を表している。
まず、シリコン半導体からなる基板13を準備し、この基板13を洗浄した上で基板13の上面及び下面に、それぞれPoly−Si膜からなる犠牲層31、32をLP−CVD法により成膜する。そして、シリコン基板13の上面側の犠牲層31を、ダイヤフラムDの形成領域に一致するように、必要領域を残しつつ不要領域を除去する(パターニングする)(図4(A))。この際、下面側の犠牲層32も除去する。
次に、減圧CVD法により、引張応力膜となる窒化珪素膜(Si34膜)からなる絶縁層33を基板13の上面(犠牲層31を含め)に形成し、同様に窒化珪素膜(Si34膜)からなる絶縁層34を基板13の下面に形成する。さらに、絶縁層33の表面に、圧縮応力膜である酸化珪素層(SiO2層)からなる下側絶縁保護層35をプラズマCVD法により形成する(図4(B))。
Next, the manufacturing process of the gas detection element 11 will be described with reference to FIGS. 4 and 5, the respective end surface states in the AA line cutting part and the BB line cutting part of the gas detection element 11 in FIG. 1 are shown for each step.
First, a substrate 13 made of a silicon semiconductor is prepared, the substrate 13 is cleaned, and sacrificial layers 31 and 32 made of a Poly-Si film are formed on the upper and lower surfaces of the substrate 13 by LP-CVD, respectively. Then, the unnecessary region is removed (patterned) while leaving the necessary region so that the sacrificial layer 31 on the upper surface side of the silicon substrate 13 coincides with the formation region of the diaphragm D (FIG. 4A). At this time, the sacrificial layer 32 on the lower surface side is also removed.
Next, an insulating layer 33 made of a silicon nitride film (Si 3 N 4 film) serving as a tensile stress film is formed on the upper surface (including the sacrificial layer 31) of the substrate 13 by a low pressure CVD method. An insulating layer 34 made of (Si 3 N 4 film) is formed on the lower surface of the substrate 13. Further, a lower insulating protective layer 35 made of a silicon oxide layer (SiO 2 layer) which is a compressive stress film is formed on the surface of the insulating layer 33 by a plasma CVD method (FIG. 4B).

次に、下側絶縁保護層35の上に、スパッタ法により白金(Pt)等の金属膜を成膜した後、パターニングしてヒータ配線部15を形成する(図4(C))。このとき、ヒータ配線部15の配線形状(配線パターン)は、ヒータ配線部15の電気抵抗値が予め定められた設計値となるように定められている。また、このとき、ヒータ配線部15に電気的に接続されるヒータリード部16が、ヒータ配線部15と同様にパターニング形成される。
続いて、ヒータ配線部15を中心として上下方向(積層方向)の膜構成が対称となるように、プラズマCVD法により酸化ケイ素(SiO2)からなる上側絶縁保護層37を下側絶縁保護層35上に形成した後、LP−CVD法により窒化珪素層(Si34層)からなる保護層39を上側絶縁保護層37上に形成する。さらに、RIE(リアクティブイオンエッチング)の手法により、上側絶縁保護層37及び保護層39に対して、ヒータリード部16に通じるコンタクトホール41を形成する(図4(D))。なお、この工程において、測温抵抗体80についても、発熱抵抗体15と同様の手法により、上側絶縁保護層37と保護層39の間にパターニング形成する。
Next, a metal film such as platinum (Pt) is formed on the lower insulating protective layer 35 by sputtering, and then patterned to form the heater wiring portion 15 (FIG. 4C). At this time, the wiring shape (wiring pattern) of the heater wiring portion 15 is determined so that the electrical resistance value of the heater wiring portion 15 becomes a predetermined design value. At this time, the heater lead portion 16 electrically connected to the heater wiring portion 15 is formed by patterning similarly to the heater wiring portion 15.
Subsequently, the upper insulating protective layer 37 made of silicon oxide (SiO 2 ) is formed by the plasma CVD method so that the film configuration in the vertical direction (stacking direction) is symmetrical about the heater wiring portion 15. After the formation, a protective layer 39 made of a silicon nitride layer (Si 3 N 4 layer) is formed on the upper insulating protective layer 37 by LP-CVD. Further, a contact hole 41 communicating with the heater lead portion 16 is formed in the upper insulating protective layer 37 and the protective layer 39 by RIE (reactive ion etching) (FIG. 4D). In this step, the resistance temperature detector 80 is also patterned between the upper insulating protective layer 37 and the protective layer 39 in the same manner as the heating resistor 15.

次に、コンタクトホール41に対して、スパッタ法により金(Au)等の金属膜を成膜した後、パターニングして金(Au)等の金属材料からなるコンタクト電極21を形成する(図5(E))。なお、図示を省略するが、他のコンタクトホールに対しても、同時に電極23、88、89を形成する。   Next, a metal film such as gold (Au) is formed on the contact hole 41 by sputtering, followed by patterning to form a contact electrode 21 made of a metal material such as gold (Au) (FIG. 5 ( E)). Although not shown, the electrodes 23, 88, and 89 are formed simultaneously for the other contact holes.

次に、保護層39上にレジスト膜50を成膜し、後述する貫通孔19となる部位をエッチング除去してレジスト孔51を形成する。さらに、残ったレジスト膜50に熱(例えば、150℃で5分)を加えることで、レジスト孔50の内側面50eを、表面側の開口のほうが反対側の開口よりも広いテーパ状にする(図5(F))。ここで、レジストは例えば、AZ1500ポジレジスト(AZエレクトロニックマテリアルズ製)を使用できる。
次に、RIE(リアクティブイオンエッチング)の手法により、保護層39、上側絶縁保護層37、下側絶縁保護層35、絶縁層33の積層体(ダイヤフラムDを形成する薄膜部)に対して、犠牲層31に通じるスリットをなす貫通孔19を複数箇所に形成する(図5(G))。
ここで、RIEによるエッチングでは、保護層39だけでなく、保護層39の上層のレジスト孔51周囲のレジスト膜50も同時にエッチングされる。そのため、エッチングの進行とともに、レジスト孔51のサイズが大きくなっていき、保護層39の表面側が下側よりも大きい開口を形成しながらエッチングされる。このようにして、貫通孔19の内側面19eもテーパ状(この例では表面側の開口のほうが反対側の開口よりも広いテーパ状)になる。その後、レジスト50を除去する。
なお貫通孔形成工程においては、犠牲層31の全体に分散した状態となるように、かつ図3に示すようにヒータパターンが向かい合う部位の少なくとも一部に、複数の貫通孔19を形成する。
Next, a resist film 50 is formed on the protective layer 39, and a resist hole 51 is formed by etching away a portion to be a through hole 19 described later. Further, by applying heat (for example, at 150 ° C. for 5 minutes) to the remaining resist film 50, the inner surface 50e of the resist hole 50 is tapered such that the opening on the front side is wider than the opening on the opposite side ( FIG. 5 (F)). Here, for example, AZ1500 positive resist (manufactured by AZ Electronic Materials) can be used as the resist.
Next, by a RIE (reactive ion etching) method, the stacked body (thin film portion forming the diaphragm D) of the protective layer 39, the upper insulating protective layer 37, the lower insulating protective layer 35, and the insulating layer 33 is applied. Through holes 19 forming slits leading to the sacrificial layer 31 are formed at a plurality of locations (FIG. 5G).
Here, in the etching by RIE, not only the protective layer 39 but also the resist film 50 around the resist hole 51 in the upper layer of the protective layer 39 is simultaneously etched. Therefore, as the etching progresses, the size of the resist hole 51 is increased, and etching is performed while forming a larger opening on the surface side of the protective layer 39 than on the lower side. In this way, the inner side surface 19e of the through hole 19 is also tapered (in this example, the opening on the surface side is wider than the opening on the opposite side). Thereafter, the resist 50 is removed.
In the through-hole forming step, a plurality of through-holes 19 are formed in at least a part of the portion where the heater patterns face each other so as to be dispersed throughout the sacrificial layer 31 as shown in FIG.

次に、異方性エッチング溶液(例えば、TMAH)を用いて、犠牲層31をエッチングするとともに、シリコン基板13のうち犠牲層31が積層された部分をエッチングする(図5(H))。
これにより、シリコン基板13に凹部(空洞)13Cを形成することができる。このとき、薄膜部に分散して配置された複数の貫通孔19から異方性エッチング溶液が注入されるため、犠牲層31のエッチングは、犠牲層31の全体においてほぼ均等に進行することになる。このため、犠牲層31がエッチングされてエッチング液がシリコン基板13に達するときには、シリコン基板13のうち犠牲層31が積層された部分に対して、ほぼ均等にエッチング液が接触する状態となる。これにより、シリコン基板13のうち犠牲層31が積層された部分についても、この部分の全体においてほぼ均等にエッチングが進行することになる。
厳密に言うと、犠牲層31のエッチングが終了した際には、シリコン基板13の表面は多少エッチングされており、凹凸状になっている。しかし、凹部の深さが浅く、凸部のエッチングレートが凹部に比べて早いため、直ちに、シリコン基板13の表面(凹部13Cの底面)の凹凸は平らになる。
このようにシリコン基板13のエッチングが進むことで、エッチングにより形成される凹部13Cの形状を、底面が平らな形状にすることができる。そして、底面が平らな形状の凹部13Cは、ピラミッド形状(四角錐形状)のキャビティに比べて、深さ寸法が小さくなる。
なお、犠牲層31を構成する材料は、等方性エッチングが可能である材料が好ましい。さらに、犠牲層31を構成する材料は、半導体基板13をエッチングする際に用いるエッチング液でエッチング可能である材料が好ましい。上記2つの条件を満たす材料としては、本実施形態のようにポリシリコン(Poly−Si)が挙げられる。
Next, the sacrificial layer 31 is etched using an anisotropic etching solution (for example, TMAH), and the portion of the silicon substrate 13 on which the sacrificial layer 31 is stacked is etched (FIG. 5H).
Thereby, a recess (cavity) 13 </ b> C can be formed in the silicon substrate 13. At this time, since the anisotropic etching solution is injected from the plurality of through holes 19 that are dispersed and arranged in the thin film portion, the etching of the sacrificial layer 31 proceeds substantially uniformly throughout the sacrificial layer 31. . For this reason, when the sacrificial layer 31 is etched and the etching solution reaches the silicon substrate 13, the etching solution comes into contact with the portion of the silicon substrate 13 where the sacrificial layer 31 is laminated almost evenly. As a result, even in the portion of the silicon substrate 13 on which the sacrificial layer 31 is laminated, the etching proceeds substantially uniformly throughout the entire portion.
Strictly speaking, when the etching of the sacrificial layer 31 is finished, the surface of the silicon substrate 13 is slightly etched and is uneven. However, since the depth of the concave portion is shallow and the etching rate of the convex portion is faster than that of the concave portion, the unevenness of the surface of the silicon substrate 13 (the bottom surface of the concave portion 13C) is immediately flattened.
As the etching of the silicon substrate 13 proceeds in this manner, the shape of the recess 13C formed by the etching can be made flat. The recess 13C having a flat bottom surface has a smaller depth dimension than a pyramid-shaped (quadrangular pyramid) cavity.
The material constituting the sacrificial layer 31 is preferably a material that can be isotropically etched. Furthermore, the material constituting the sacrificial layer 31 is preferably a material that can be etched with an etching solution used when the semiconductor substrate 13 is etched. An example of a material that satisfies the above two conditions is polysilicon (Poly-Si) as in this embodiment.

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。例えば、上記実施形態では、水素ガスを検出する場合について説明したが、本発明のガスセンサは他の種類の可燃性ガスも検出可能である。
又、上記したガス検出素子11の製造工程において、絶縁層33、34の密着性向上のため、絶縁層33、34を形成する下地側の層上に熱酸化膜を成膜しても良い。又、図4(D)のコンタクトホールの形成と、図5(G)の貫通孔の形成を同時に行っても良い。
It goes without saying that the present invention is not limited to the above-described embodiment, but extends to various modifications and equivalents included in the spirit and scope of the present invention. For example, although the case where hydrogen gas is detected has been described in the above embodiment, the gas sensor of the present invention can also detect other types of combustible gases.
Further, in the manufacturing process of the gas detection element 11 described above, a thermal oxide film may be formed on the base layer on which the insulating layers 33 and 34 are formed in order to improve the adhesion of the insulating layers 33 and 34. Further, the formation of the contact hole in FIG. 4D and the formation of the through hole in FIG. 5G may be performed simultaneously.

1 ガスセンサ
13 基板
13C 基板の凹部
15 ヒータ(発熱抵抗体)
15a、15b ヒータパターン
15ap、15bp ヒータパターンの変曲点
19 貫通孔
19e 貫通孔(ダイヤフラム)の内側面
D ダイヤフラム(薄膜部)
L 変曲点を結ぶ線
1 Gas sensor 13 Substrate 13C Recessed portion of substrate 15 Heater (heating resistor)
15a, 15b Heater pattern 15ap, 15bp Inflection point of heater pattern 19 Through hole 19e Inner side surface of through hole (diaphragm) D Diaphragm (thin film portion)
L Line connecting inflection points

Claims (5)

基板上に設けられてダイヤフラムを形成する薄膜部と、
前記薄膜部に設けられ、自身の温度変化により抵抗値が変化するヒータと、を備えた熱伝導式のガスセンサであって、
前記ダイヤフラムのうち、前記ヒータのヒータパターンが向かい合う部位の少なくとも一部にガスが流通する貫通孔が形成され、
前記貫通孔を形成する前記ダイヤフラムの内側面は、テーパ状をなしているガスセンサ。
A thin film portion provided on a substrate to form a diaphragm;
A heat conduction type gas sensor provided with a heater provided in the thin film portion, the resistance value of which changes according to its own temperature change,
A through-hole through which gas flows is formed in at least a part of a portion of the diaphragm facing the heater pattern of the heater,
A gas sensor in which an inner surface of the diaphragm forming the through hole is tapered.
前記貫通孔は、表面側の開口のほうが反対側の開口よりも広い請求項1記載のガスセンサ。   The gas sensor according to claim 1, wherein the through hole has a wider opening on the surface side than an opening on the opposite side. 向かい合う前記ヒータパターンがそれぞれ向かい合う変曲点を持ち、各変曲点を結ぶ線を挟んだ位置にそれぞれ前記貫通孔が形成されている請求項1又は2記載のガスセンサ。   3. The gas sensor according to claim 1, wherein the heater patterns facing each other have inflection points facing each other, and the through holes are formed at positions sandwiching lines connecting the inflection points. 前記基板は底面を有する凹部を備え、前記ダイヤフラムは前記凹部の表面に形成されている請求項1ないし3のいずれかに記載のセンサ。   The sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate includes a recess having a bottom surface, and the diaphragm is formed on a surface of the recess. 前記ガスセンサは水素ガスを検出対象とする請求項1ないし4のいずれかに記載のガスセンサ。   The gas sensor according to claim 1, wherein the gas sensor detects hydrogen gas.
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