JP2016109527A - 接触燃焼式ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】可燃性ガスを検出するガスセンサの検出感度をより高くする。【解決手段】可燃性ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサ１００は、断熱部１１９と、ガス検出部と、補償部とを備えている。ガス検出部は、それぞれ断熱部１１９上に形成された、反応膜ヒータ１７１と、反応膜ヒータ１７１の上に形成され、可燃性ガスの燃焼触媒を担持した担体を含むガス反応膜１９１と、ガス反応膜１９１の近傍に形成された第１の測温素子ＨＪとを有している。また、補償部は、断熱部１１９上のガス検出部とは別個の領域に形成された第２の測温素子ＣＪを有している。そして、ガス検出部の反応膜ヒータ１７１は、第１の測温素子ＨＪを基準として、第２の測温素子ＣＪの反対側に配置されている。【選択図】図３

Description

この発明は、可燃性ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサにおいて、可燃性ガスの検出感度をより高くする技術に関する。

従来より、水素等の可燃性ガスを検出するガスセンサとして、触媒を用いて可燃性ガスを燃焼させ、燃焼熱による触媒温度の上昇を電気的に検出する接触燃焼式ガスセンサが使用されてきている。このような接触燃焼式ガスセンサにおいても、種々のセンサと同様に、検出感度をより高くすることが常に求められており、様々な方法により高感度化が図られている。例えば、特許文献１では、低濃度の可燃性ガスや感度の低い可燃性ガスに対してガス検知感度を高めるため、可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層の近傍に可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータを形成することが提案されている。

特開２００１−９９８０１号公報

ところで、近年、リークテストに使用されるヘリウム（Ｈｅ）は、供給不足の状態が続き、さらには、近い将来において枯渇することが懸念されている。そこで、Ｈｅに替えて水素を用いてリークテストを行うため、検出感度の高いガスセンサが求められている。しかしながら、様々な方法により高感度化が行われているものの、従来の接触燃焼式ガスセンサでは、その検出感度はリークテストに使用するために十分とは言えなかった。また、リークテスト用に限らず、一般的に、検出感度をより高くすることは、可燃性ガスのセンサに対して常に求められている課題である。

本発明は、上述した従来の課題を解決するためになされたものであり、可燃性ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサにおいて、可燃性ガスの検出感度をより高くする技術を提供することを目的とする。

上記課題の少なくとも一部を達成するために、本発明の接触燃焼式ガスセンサは、断熱部と、前記断熱部上に形成された反応膜ヒータと、前記断熱部上において前記反応膜ヒータの上に形成され、可燃性ガスの燃焼触媒を担持した担体を含むガス反応膜と、前記断熱部上において前記ガス反応膜の近傍に形成された第１の測温素子と、を有するガス検出部と、前記断熱部上の前記ガス検出部とは別個の領域に形成された第２の測温素子を有する補償部と、を備え、前記反応膜ヒータは、前記第１の測温素子を基準として、前記第２の測温素子の反対側に配置されていることを特徴とする。

この構成によれば、反応膜ヒータを発熱させることにより、ガス反応膜が有する燃焼触媒の活性を高くし、可燃性ガスの検出感度をより高くすることができる。さらに、ガス反応膜と、第１および第２の測温素子とを断熱部上に形成することにより、ガス反応膜と、第１および第２の測温素子との外部要因による温度変動が抑制される。そのため、ガス反応膜と補償部との温度差を求め、外的要因によるガス反応膜の温度変化を補償することができるので、可燃性ガスの濃度に対応したガス反応膜の温度上昇量をより正確に求め、可燃性ガスの検出感度をより高くすることができる。また、反応膜ヒータを、第１の測温素子を基準として第２の測温素子の反対側に配置することにより、ガス反応膜における触媒燃焼で生じた燃焼熱の補償部への伝達が抑制されるので、燃焼熱による補償部の温度上昇が抑制され、可燃性ガスの検出感度の低下が抑制される。

前記補償部は、さらに、前記断熱部上で、かつ、前記第２の測温素子の近傍を含む領域において、前記反応膜ヒータとは別個に形成された補償部ヒータを備え、前記補償部ヒータは、前記第２の測温素子を基準として、前記第１の測温素子の反対側に配置されているものとしても良い。

断熱部上で、かつ、第２の測温素子の近傍を含む領域に補償部ヒータを形成することにより、第２の測温素子の温度を、ガス反応膜の近傍に形成された第１の測温素子に近づけることができる。そのため、可燃性ガスの濃度に対応する出力信号のオフセットをより小さくすることができるので、低濃度のガスをより容易に検出することが可能となる。

前記第１の測温素子は、温接点および冷接点を有する複数の熱電対を直列接続したサーモパイルの温接点であり、前記第２の測温素子は、前記サーモパイルの冷接点であるものとしても良い。

複数の熱電対を直列接続することにより、その両端の電圧として出力される信号を十分に大きくすることができるので、可燃性ガスの濃度に対応したガス反応膜の温度上昇量をより正確に測定し、可燃性ガスの検出感度をより高くすることができる。また、第１の測温素子をサーモパイルの温接点とし、第２の測温素子をサーモパイルの冷接点とすることにより、可燃性ガス濃度に対応した信号を直接出力することができるので、可燃性ガスの検出回路をより簡単にすることが可能となる。

なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能である。例えば、ガスセンサ、そのガスセンサを利用したセンサモジュール、そのセンサモジュールを使用した可燃ガス検出装置および可燃ガス検出システム、それらのガスセンサ、センサモジュールおよび可燃ガス検出装置を用いたリークテスト装置やリークテストシステム等の態様で実現することができる。

本発明の一実施形態としてのセンサモジュールの構成を示す説明図。 ガスセンサの構造を示す説明図 ガスセンサの機能的な構成を示す説明図。

Ａ．実施形態：
Ａ１．センサモジュール：
図１は、本発明の一実施形態としての接触燃焼式ガスセンサモジュール１０（以下、単に「センサモジュール１０」とも呼ぶ）の構成を示す説明図である。図１（ａ）は、センサモジュール１０の断面を示している。センサモジュール１０では、センサチップ１００が、ヘッダ１１とキャップ１２とからなるパッケージ１９内に実装されている。キャップ１２は、例えば、ステンレス鋼や真鍮等の焼結金属、ステンレス鋼等からなる金網、あるいは、多孔質セラミックスで形成されている。これにより、パッケージ１９内外の通気性が確保されるとともに、センサチップ１００の汚染が抑制され、また、センサモジュール１０自体の防爆化が図られている。センサチップ１００は、センサチップ１００の下面をダイボンド材１５によりヘッダ１１に接着することにより、ヘッダ１１に固定されている。

図１（ｂ）は、ヘッダ１１に固定されたセンサチップ１００を上面から見た様子を示している。図１（ｂ）における一点鎖線は、図１（ａ）で示した断面の位置を示す切断線である。図１（ｂ）に示すように、センサチップ１００の上面には、導電膜が露出した複数のボンディングパッドＰＤ１〜ＰＤ６が形成されている。これらのボンディングパッドＰＤ１〜ＰＤ６と、封止材１３を介してヘッダ１１に取り付けられた端子１４とをワイヤ１６で接続することにより、センサチップ１００を外部の回路に接続することができる。なお、図１（ｂ）の例では、ボンディングパッドＰＤ１〜ＰＤ６の数が６であるのに対し、ヘッダ１１が有する端子１４の数が４であるため、２つのボンディングパッドＰＤ３，ＰＤ４を１つの端子１４に接続し、電気的に等価な２つのボンディングパッドＰＤ５，ＰＤ６の一方のボンディングパッドＰＤ６を端子に接続していない。但し、端子数が５以上のヘッダを用いる場合、ボンディングパッドＰＤ３，ＰＤ４を別個の端子に接続しても良く、また、ボンディングパッドＰＤ６を端子に接続しても良い。

センサチップ１００の上面には、可燃性ガスを触媒燃焼させるためのガス反応膜１９１と、比較のための参照膜１９２とが設けられている。可燃性ガスがキャップ１２を透過してセンサチップ１００に到達すると、ガス反応膜１９１では、可燃性ガスが触媒燃焼し、可燃性ガスの濃度に応じた量の熱が発生する。そのため、ガス反応膜１９１は、可燃性ガスの濃度に応じて温度が上昇する。一方、参照膜１９２は、触媒燃焼による温度上昇が発生しない。詳細については後述するが、センサチップ１００は、可燃性ガスの触媒燃焼により温度上昇するガス反応膜１９１と、可燃性ガスによる温度上昇がない参照膜１９２との温度差を表す信号を出力する。雰囲気中の可燃性ガスの濃度は、この出力信号に基づいて測定することができる。なお、このように、センサチップ１００は、センサモジュール１０において、ガスを検出する機能を担っているので、ガスセンサそのものであると謂える。そのため、以下では、センサチップ１００を単に「ガスセンサ１００」と呼ぶ。

Ａ２．ガスセンサ：
図２は、ガスセンサ１００の構成を示す説明図である。図２（ａ）は、ガスセンサ１００を上面から見た様子を示しており、図２（ｂ）は、図２（ａ）の切断線Ａにおけるガスセンサ１００の断面を示している。

ガスセンサ１００は、空洞部１１９が設けられた基板１１０と、基板１１０の上面に形成された絶縁膜１２０と、基板１１０の下面に形成され開口部１０９が設けられたマスク膜１０１とを有している。絶縁膜１２０上には、ガスの検出機能を実現するための構造（後述する）を形成する複数の膜（機能膜）が積層されている。具体的には、絶縁膜１２０上には、ｎ型半導体膜１３０と、第１の層間絶縁膜１４０と、ｐ型半導体膜１５０と、第２の層間絶縁膜１６０と、導電膜１７０と、保護膜１８０と、ガス反応膜１９１もしくは参照膜１９２とがこの順で積層されている。これらの機能膜のうち、ｎ型およびｐ型半導体膜１３０，１５０と、第１および第２の層間絶縁膜１４０，１６０と、導電膜１７０と、保護膜１８０とは、半導体デバイスの製造方法として周知の技術を用いて形成することができる。なお、絶縁膜１２０、マスク膜１０１、および、絶縁膜１２０上に積層される各機能膜は、製造工程の内容によって、適宜追加あるいは省略される。

ガスセンサ１００の作製工程では、まず、空洞部１１９を有さないシリコン（Ｓｉ）基板を準備する。次いで、準備したＳｉ基板の上面に、酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）およびＳｉＯ_２をこの順に成膜することにより、絶縁膜１２０を形成する。また、Ｓｉ基板の下面には、絶縁膜１２０の形成に合わせて、ＳｉＯ_２およびＳｉ_３Ｎ_４をこの順に成膜することにより、開口部１０９を有しないマスク膜（図示しない）を形成する。なお、絶縁膜１２０およびマスク膜を、ＳｉＯ_２とＳｉ_３Ｎ_４との多層膜とせず、酸窒化ケイ素（ＳｉＯＮ）の単層膜とすることも可能である。

絶縁膜１２０の形成の後、ｎ型ポリシリコンの成膜・パターニングを行うことにより、ｎ型半導体膜１３０を形成する。ｎ型半導体膜１３０を形成する材料として、ポリシリコンに替えて、鉄シリサイド（ＦｅＳｉ_２）、シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）あるいはビスマス・アンチモン（ＢｉＳｂ）等の種々の半導体を用いても良い。ｎ型半導体膜１３０の形成後、ＳｉＯ_２の成膜を行うことにより、パターニングされていない第１の層間絶縁膜（図示しない）を形成する。次いで、ｐ型ポリシリコンの成膜・パターニングを行うことにより、ｐ型半導体膜１５０を形成する。ｐ型半導体膜１５０もｎ型半導体膜１３０と同様に、ポリシリコン以外の種々の半導体を用いて形成することができる。また、これら２つの半導体膜１３０，１５０のドープ型を逆にすることも可能である。ｐ型半導体膜１５０の形成の後、ＳｉＯ_２を成膜し、成膜したＳｉＯ_２膜とパターニングされていない第１の層間絶縁膜とをパターニングすることにより、第１の層間絶縁膜１４０および第２の層間絶縁膜１６０を形成する。次いで、白金（Ｐｔ）の成膜・パターニングを行うことにより、導電膜１７０を形成する。導電膜１７０を形成する材料として、Ｐｔに替えて、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）あるいはＡｌ合金等、種々の金属を用いても良い。また、導電膜１７０の少なくとも一方の面に、チタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）からなる密着層を形成しても良い。導電膜１７０の形成の後、ＳｉＯ_２の成膜・パターニングを行うことにより、保護膜１８０を形成する。なお、図２に示すように、保護膜１８０には、パターニングにより６つの開口部１８１〜１８６が形成されており、これらの開口部１８１〜１８６においては、導電膜１７０が露出している。

保護膜１８０の形成の後、基板１１０に設けられる空洞部１１９を形成する。空洞部１１９の形成に際しては、まず、基板の下面側に形成されたマスク膜に開口部１０９を形成する。次いで、開口部１０９が設けられたマスク膜１０１をマスクとして基板をエッチングすることにより、空洞部１１９が形成される。エッチングは、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）の水溶液を用いた結晶異方性エッチングにより行うことができる。また、このようなウェットエッチングの他、いわゆるボッシュプロセス等のドライエッチングにより空洞部１１９を形成するものとしても良い。基板をエッチングして空洞部１１９を形成することにより、絶縁膜１２０が裏面側において露出したメンブレン１２１が形成される。

なお、図２の例では、基板を下面側からエッチングすることにより空洞部１１９を形成しているが、空洞部は、基板を上面側からエッチングして形成することも可能である。この場合、絶縁膜１２０と、第１および第２の層間絶縁膜１４０，１６０と、保護膜１８０とに貫通穴を設け、当該貫通穴を通して基板をエッチングすることにより空洞部を形成することができる。このように基板を上面側からエッチングした場合、基板の上面側からの加工のみでガスセンサを製造でき、また、基板の残存部を下面側からエッチングした場合よりも多くすることができる。そのため、ガスセンサの製造工程を簡略化して歩留まりをより高くすることができるとともに、エッチング後の基板の強度をより高くすることができる点で、基板を上面側からエッチングするのが好ましい。一方、基板の下面側からエッチングする方が、絶縁膜１２０に貫通穴を設けることなく空洞部が形成できるので、メンブレンに貫通穴が形成されて強度が低下することを抑制し、メンブレンの破損を抑制できる点で、好ましい。

なお、空洞部は、必ずしも基板に設ける必要はない。例えば、基板と絶縁膜との間、もしくは、絶縁膜１２０とｎ型半導体膜および第１の層間絶縁膜との間に、空洞部を形成することも可能である。このような基板上の空洞部は、基板もしくは絶縁膜１２０上の空洞部を形成する領域に犠牲膜を形成した後、上述のように保護膜までの各機能膜を形成し、次いで保護膜上面から犠牲膜に到達する貫通穴を設け、当該貫通穴を通して犠牲膜を除去することにより、形成することができる。犠牲膜を形成する材料としては、ポリイミド等の樹脂やポリシリコン等の半導体を用いることができる。樹脂からなる犠牲膜は、アッシングにより除去することができ、半導体からなる犠牲膜は、エッチングにより除去することができる。但し、犠牲膜として半導体を用いる場合には、基板もしくはｎ型半導体膜のエッチングを阻止するため、基板、もしくは、絶縁膜１２０および犠牲膜の上に、ＳｉＯ_２やＳｉ_３Ｎ_４等からなる阻止膜が形成される。このように、基板上に空洞部を形成した場合、基板をエッチングした場合よりも、基板の強度をより高くすることができる。一方、ガスセンサの製造工程をより簡略化できる点においては、基板をエッチングするのが好ましい。

空洞部１１９の形成後、保護膜１８０上にガス反応膜１９１および参照膜１９２を形成する。具体的には、ガス反応膜１９１および参照膜１９２を形成する領域に、それぞれ、燃焼触媒としてのＰｔ微粒子を担持させたアルミナ粒子を含むペーストと、触媒を担持させていないアルミナ粒子を含むペーストとを塗布する。ペーストの塗布は、ディスペンサによる塗布技術やスクリーン印刷技術を用いて行うことができる。ペーストを塗布した後、焼成することにより、ガス反応膜１９１および参照膜１９２が形成される。このように、保護膜１８０上にガス反応膜１９１と参照膜１９２とを形成することにより、ガスセンサ１００が得られる。なお、ガス反応膜１９１に使用する燃焼触媒として、Ｐｔ微粒子に替えて、パラジウム（Ｐｄ）微粒子を用いることも可能である。また、参照膜１９２の比熱をガス反応膜１９１に近づけるため、参照膜１９２を形成するためのペーストに酸化銅（ＣｕＯ）等の金属酸化物を混ぜても良い。さらに、参照膜１９２に含まれる担体に、特定のガスについて選択的に触媒として作用する燃焼触媒（例えば、Ａｕの超微粒子）を担持するものとしても良い。この場合においても、当該特定のガス以外の可燃性ガスに関しては、参照膜１９２の担体には燃焼触媒が担持されていないと謂うことができる。

図３は、ガスセンサ１００の機能的な構成を示す説明図である。図３（ａ）は、図２（ａ）と同様に、ガスセンサ１００を上面から見た様子を示している。図３（ｂ）は、図３（ａ）において二点鎖線で囲んだ領域の拡大図である。なお、図３（ａ）および図３（ｂ）においては、図示の便宜上、保護膜１８０のハッチングを省略している。

図３（ａ）に示すように、ガスセンサ１００のうちのメンブレン１２１上の部分は、図３（ａ）において左右方向（以下、「横方向」と謂う）に伸びる中心線Ｃ１と、上下方向（以下、「縦方向」と謂う）に伸びる中心線Ｃ２とのそれぞれに対して、略対称に形成されている。そのため、以下では、対称性を有する部分については、必要がない限り、その１つについてのみ説明する。なお、後述するように、ガスセンサ１００のうち、図３（ａ）における中心線Ｃ１の上側の部分は、雰囲気中の可燃性ガスの濃度に対応するガス反応膜１９１の温度を測定する機能を有し、中心線Ｃ１の下側の部分は、外的要因によるガス反応膜１９１の温度変化を補償するための参照膜１９２の温度を測定する機能を有している。そのため、中心線Ｃ１の上側の部分は、ガスを検出するガス検出部とも謂うことができ、中心線Ｃ１の下側の部分は外的要因による出力変動を補償する補償部とも謂うことができる。

ガスセンサ１００は、ガスの検出機能を実現するための構造として、サーモパイルＴＰと、導電膜１７０（図２）として形成された２つのヒータ１７１，１７２および各部を接続する配線１７３〜１７９と、ヒータ１７１，１７２の上部にそれぞれ形成されたガス反応膜１９１および参照膜１９２とを有している。なお、図３（ａ）に示すように、サーモパイルＴＰ、ヒータ１７１，１７２、ガス反応膜１９１および参照膜１９２は、メンブレン１２１上に形成されている。メンブレン１２１は、一般に薄く（約１〜５μｍ）形成されるので、メンブレン１２１自体の熱容量が小さくなるとともに、メンブレン１２１に沿った方向への熱の伝達が抑制される。そして、薄いメンブレン１２１の下面には、熱を伝達しない空洞部１１９が形成されている。そのため、ガス反応膜１９１における可燃性ガスの触媒燃焼で発生する熱量が少ない場合においても、ガス反応膜１９１の温度を十分に上昇させることができるので、ガスセンサ１００における可燃性ガスの検出感度をより高くすることができる。なお、メンブレン１２１の下面に形成された空洞部１１９は、熱を伝達しないので、断熱部とも謂うことができる。

サーモパイルＴＰは、図３（ｂ）に示すように、ｎ型半導体膜１３０（図２）として形成されたｎ型熱電素子１３１と、ｐ型半導体膜１５０として形成されたｐ型熱電素子１５１と、導電膜１７０として形成された温接点接続線１７３および冷接点接続線１７４とを有している。このサーモパイルＴＰにおいては、縦方向に伸びる複数のｎ型熱電素子１３１が横方向に配列され、ｎ型熱電素子１３１の第１の層間絶縁膜１４０（図２）を挟んで上の位置に、ｎ型熱電素子１３１よりも短いｐ型熱電素子１５１が形成されている。

第１および第２の層間絶縁膜１４０，１６０には、上にｐ型熱電素子１５１が形成されていないｎ型熱電素子１５１の両端部の位置に、第１および第２の層間絶縁膜１４０，１６０を貫通するコンタクトホールＨ１１，Ｈ１２が設けられている。また、第２の層間絶縁膜１６０には、ｐ型熱電素子１５１の両端部の位置に、第２の層間絶縁膜１６０を貫通するコンタクトホールＨ２１，Ｈ２２が設けられている。温接点接続線１７３は、コンタクトホールＨ１１，Ｈ２１を介して、第１の層間絶縁膜１４０を挟んで上下に積層されたｎ型熱電素子１３１とｐ型熱電素子１５１とを接続している。一方、冷接点接続線１７４は、コンタクトホールＨ１２，Ｈ２２を介して、隣接したｎ型熱電素子１３１とｐ型熱電素子１５１とを接続している。これにより、ｎ型熱電素子１３１、ｐ型熱電素子１５１、温接点接続線１７３および冷接点接続線１７４は、温接点ＨＪと冷接点ＣＪとを有する複数の熱電対を直列接続したサーモパイルＴＰを構成し、温接点ＨＪ上に形成されたガス反応膜１９１と、冷接点ＣＪ上に形成された参照膜１９２の温度差を表す電圧を出力する。

このように、サーモパイルＴＰは、ガス反応膜１９１と参照膜１９２の温度差を表す電圧を出力するが、温接点ＨＪおよび冷接点ＣＪによりガス反応膜１９１および参照膜１９２の温度を測定し、その差（温度差）を求めた上で、当該温度差を表す電圧を出力するものと捉えることもできる。このような捉え方をした場合、サーモパイルＴＰの温接点ＨＪおよび冷接点ＣＪは、それぞれガス反応膜１９１および参照膜１９２の温度を測定する測温素子とも謂うことができる。図３に示すように、これらの測温素子のうち、第１の測温素子（すなわち、温接点ＨＪ）は、ガス検出部（中心線Ｃ１の上側）に形成されており、第２の測温素子（すなわち、冷接点ＣＪ）は、ガス検出部とは別個の領域である補償部（中心線Ｃ１の下側）に形成されている。なお、図３の例では、温接点ＨＪおよび冷接点ＣＪは、それぞれ、ガス反応膜１９１および参照膜１９２の下に形成されているが、一般に、温接点ＨＪおよび冷接点ＣＪは、それぞれ、ガス反応膜１９１および参照膜１９２の近傍に形成されていればよい。このようにしても、サーモパイルＴＰにより、ガス反応膜１９１および参照膜１９２の温度（温度差）を測定することができる。また、図３と、以上の説明とから分かるように、ガス反応膜１９１および参照膜１９２は、それぞれ、ヒータ１７１，１７２の上で、かつ、測温素子（温接点ＨＪおよび冷接点ＣＪ）の近傍を含む領域に形成されていればよい。

図３において左側の端に位置するｐ型熱電素子１５１は、コンタクトホールＨ２２を介して、導電膜１７０として形成された第１の信号配線１７５に接続されている。一方、図３において右側の端に位置するｎ型熱電素子１３１は、コンタクトホールＨ１２を介して、導電膜１７０として形成された第２の信号配線１７６に接続されている。これにより、第１の信号配線１７５上のボンディングパッドＰＤ１と、第２の信号配線１７６上のボンディングパッドＰＤ２との間には、サーモパイルＴＰが出力するガス反応膜１９１と参照膜１９２の温度差を表す電圧がそのまま出力される。

ヒータ１７１，１７２は、図３（ａ）に示すように、ガス反応膜１９１および参照膜１９２のそれぞれの下部に、サーモパイルＴＰを挟むように別個に形成されている。そのため、ガス反応膜１９１の下のヒータ１７１は、温接点ＨＪを基準として冷接点ＣＪの反対側に配置され、参照膜１９２の下のヒータ１７２は、冷接点ＣＪを基準として温接点ＨＪの反対側に配置されている。なお、ヒータ１７１はガス反応膜１９１を加熱するヒータであるので、反応膜ヒータとも謂うことができ、ヒータ１７２は補償部に形成された参照膜１９２を加熱するヒータであるので、補償部ヒータとも謂うことができる。

２つのヒータ１７１，１７２は、幅の狭い葛折の線状に形成されており、その一端は、図３（ａ）において右側に伸びる第１のヒータ配線１７７に接続されている。ヒータ１７１，１７２の他端は、第２のヒータ配線１７８を介して、矩形状のグランド配線１７９に接続されている。これらのヒータ１７１，１７２は、第１のヒータ配線１７７上のボンディングパッドＰＤ３，ＰＤ４と、グランド配線１７９上の２つのボンディングパッドＰＤ５，ＰＤ６の少なくとも一方との間に電圧を印加してヒータ１７１，１７２に通電することにより発熱する。なお、図３（ａ）の例では、２つのヒータ１７１，１７２のそれぞれに第１のヒータ配線１７７を接続し、２つのヒータ１７１，１７２に別個に通電できるようにしているが、２つある第１のヒータ配線１７７がメンブレン１２１上でない領域において接続されるように、導電膜をパターニングして、２つのヒータ１７１，１７２に同時に通電するようにしても良い。なお、ガスセンサ１００では、導電膜１７０として形成したヒータ１７１，１７２を用いているが、ｎ型もしくはｐ型の半導体膜としてヒータを形成することも可能である。

ヒータ１７１を発熱させると、ガス反応膜１９１の温度が上昇する。これにより、ガス反応膜１９１が有する触媒の活性が高くなり、ガス反応膜１９１における可燃性ガスの触媒燃焼が促進されるので、ガスセンサ１００における可燃性ガスの検出感度が高くなる。また、可燃性ガスとして水素ガス（Ｈ_２）を検出する場合、ガス反応膜１９１における触媒燃焼により水（Ｈ_２Ｏ）が生成される。このとき、ガス反応膜１９１の温度が低いと、生成されたＨ_２Ｏが凝結してガス反応膜１９１が濡れ、検出感度が低下する虞がある。一方、本実施形態では、ヒータ１７１によりガス反応膜１９１を加熱することにより、生成されたＨ_２Ｏによる検出感度の低下を抑制することが可能となる。また、参照膜１９２は、ガス反応膜１９１と同様にヒータ１７２により加熱されるので、雰囲気に可燃性ガスが含まれない場合、ガス反応膜１９１と参照膜１９２とは、略同温度となり、出力信号のオフセットは略０となる。

ガス反応膜１９１および参照膜１９２の温度差を測定するための温接点ＨＪおよび冷接点ＣＪは、図３（ａ）に示すように、いずれもメンブレン１２１上に形成されている。上述のように、メンブレン１２１に沿った方向への熱の伝達が抑制されるとともに、メンブレン１２１の下面には断熱部となる空洞部１１９が形成されているので、環境温度の変化等の外的要因により基板１１０の温度が変動しても、ガス反応膜１９１、参照膜１９２、温接点ＨＪ、および、冷接点ＣＪの温度の変動は抑制される。そのため、ガス反応膜１９１と参照膜１９２との温度差を表す出力信号の外的要因による変動が抑制されるので、当該出力信号に基づいて求められ可燃性ガスの濃度に対応するガス反応膜１９１の温度上昇量をより正確に求めることが可能となる。

また、一般に、ヒータは、導電性を有する材料により形成されるので、熱を伝達しやすい。そのため、ヒータが、ガス反応膜と参照膜との間、すなわち、温接点と冷接点との間に配置されていると、可燃性ガスの燃焼によりガス反応膜で生じた熱が、ヒータを介して参照膜側に伝達されることにより参照膜の温度が上昇し、可燃性ガスの検出感度が低下する虞がある。一方、本実施形態では、ガス反応膜１９１と参照膜１９２とを加熱する２つのヒータ１７１，１７２を別個に形成することにより、ヒータ１７１，１７２を温接点ＨＪおよび冷接点ＣＪの外側に配置することが可能となっている。そのため、可燃性ガスの燃焼によりガス反応膜１９１で生じた熱の参照膜１９２側への伝達を抑制し、可燃性ガスの検出感度をより高くすることできる。

このように本実施形態では、断熱部となる空洞部１１９上に、ガス反応膜１９１、参照膜１９２、温接点ＨＪ、および、冷接点ＣＪを形成している。そのため、外的要因により基板１１０の温度が変動しても、ガス反応膜１９１、参照膜１９２、温接点ＨＪ、および、冷接点ＣＪの温度の変動が抑制されるので、可燃性ガスの濃度に対応するガス反応膜１９１の温度上昇量をより正確に求めることが可能となり、可燃性ガスの検出感度をより高くすることができる。また、本実施形態では、冷接点ＣＪ（第２の測温素子）をガス検出部とは別個の領域に形成することにより、ガス反応膜１９１と冷接点ＣＪとの距離を十分に長くし、ガス反応膜１９１で生じた熱による冷接点ＣＪの温度上昇を抑制できるので、可燃性ガスの検出感度をより高くすることができる。さらに、本実施形態では、ガス反応膜１９１および参照膜１９２を加熱するためのヒータ１７１，１７２を別個に形成することにより、可燃性ガスの燃焼によりガス反応膜１９１で生じた熱の参照膜１９２側への伝達が抑制されるので、可燃性ガスの検出感度をより高くすることができる。

Ｂ．変形例：
本発明は上記実施形態に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能であり、例えば、次のような変形も可能である。

Ｂ１．変形例１：
上記実施形態では、端子数が４のヘッダ１１を用いているため、ヒータ１７１，１７２に通電するための２つのボンディングパッドＰＤ３，ＰＤ４を１つの端子１４に接続し、２つのヒータ１７１，１７２に同時に通電しているが、端子数が５以上のヘッダを用いて、ボンディングパッドＰＤ３，ＰＤ４を別個の端子に接続するものとしても良い。このようにすれば、２つのヒータ１７１，１７２に別個に通電し、通電電流を調整することができる。そのため、雰囲気中に可燃性ガスがない状態において通電電流を調整し、ガス濃度に対応する出力信号のオフセットを０に調整することにより、より低濃度のガスを検出することが可能となる。

Ｂ２．変形例２：
上記実施形態では、ｎ型およびｐ型熱電素子１３１，１５１を、温接点接続線１７３および冷接点接続線１７４で接続することにより構成されたサーモパイルＴＰを用いているが、ｎ型およびｐ型熱電素子１３１，１５１の少なくとも一方を、金属熱電素子に置き換えて構成されたサーモパイル用いることも可能である。この場合、金属熱電素子は、ヒータや種々の配線を形成する導電膜と同時に形成することができるので、ガスセンサを製造するための工程数の増加を抑制することができる。なお、ｎ型およびｐ型熱電素子１３１，１５１の双方を金属熱電素子に置き換える場合には、２つの金属熱電素子は、材質の異なる金属で形成される。但し、可燃性ガスの燃焼によりガス反応膜１９１で生じた熱の参照膜１９２側への伝達を抑制し、ガスセンサ１００の感度をより高くすることができる点で、熱電素子として極性の異なる２種の半導体を用いるのが好ましい。

Ｂ３．変形例３：
上記実施形態では、ガス反応膜１９１および参照膜１９２の温度（温度差）を測定するために複数の熱電対を直列接続したサーモパイルＴＰを用いているが、ガス反応膜１９１および参照膜１９２の温度は、単一の熱電対、測温抵抗体あるいはサーミスタ等の他の測温素子を用いて測定することも可能である。但し、ガス反応膜１９１と参照膜１９２との温度差を表す十分に高い電圧信号が直接出力されるため、可燃性ガスの検出感度をより高くするとともに、可燃性ガスの検出回路をより簡単にすることができる点で、複数の熱電対を直列接続したサーモパイルＴＰを用いるのが好ましい。

Ｂ４．変形例４：
上記実施形態では、燃焼触媒を担持していない担体を含む参照膜１９２を形成しているが、製造工程を簡略化するために参照膜１９２の形成を省略することも可能である。この場合、補償部の測温素子である冷接点ＣＪは、温度がガス反応膜１９１に近くなるヒータ１７２の温度を測定するように、ヒータ１７２の近傍に形成されていればよい。なお、このとき、補償部のヒータ１７２は、補償部の測温素子（冷接点ＣＪ）の近傍を含む領域に形成されているといえる。但し、参照膜１９２およびガス反応膜１９１のそれぞれが形成している領域の熱容量をより近くし、気流等の影響による可燃性ガスの検出精度の低下を抑制することができる点で、参照膜１９２を形成するのが好ましい。

Ｂ５．変形例５：
上記実施形態では、ガス反応膜１９１および参照膜１９２のそれぞれの下にヒータ１７１，１７２を形成しているが、参照膜１９２の下のヒータ１７２を省略することも可能である。この場合においても、空洞部１１９を渡る薄いメンブレン１２１上にガス反応膜１９１および参照膜１９２が形成されているので、雰囲気が可燃性ガスを含まない場合におけるガス反応膜１９１と参照膜１９２と温度差は、主としてメンブレン１２１上の構造により決定される。そして、基板１１０の温度が変動しても、ガス反応膜１９１と参照膜１９２と温度差の変動は抑制されるので、可燃性ガスの濃度に対応するガス反応膜１９１の温度上昇量をより正確に求めることが可能となる。但し、雰囲気が可燃性ガスを含まない場合においてガス反応膜１９１と参照膜１９２とを略同温度とし、ガス濃度に対応する出力信号のオフセットを略０とすることにより、低濃度のガスをより容易に検出することが可能となる点で、ガス反応膜１９１および参照膜１９２のそれぞれの下にヒータ１７１，１７２を形成するのが好ましい。

Ｂ６．変形例６：
上記実施形態では、断熱部として、基板自体に設けられた空洞部、もしくは、基板上に形成された空洞部を用いているが、断熱部は必ずしも空洞である必要はない。断熱部は、例えば、基板自体に設けられた空洞部に、多孔質材や樹脂等の断熱材を埋め込むことにより形成することができる。多孔質材としてＳｉＯ_２を用いる場合には、周知の低比誘電率（Low-k）絶縁膜やシリカエアロゲルの形成技術により空洞部に多孔質ＳｉＯ_２を埋め込むことができる。多孔質材として樹脂を用いる場合には、当該樹脂のモノマやプレポリマを空洞部に充填し、その後、熱や紫外線によりモノマやプレポリマを重合させればよい。また、断熱部として、基板上に多孔質材や樹脂等の断熱膜を形成するものとしても良い。この場合、上述した基板上に空洞部を形成する工程と同様に、基板もしくは絶縁膜１２０上に多孔質材や樹脂等の断熱膜を形成し、形成した断熱膜を残存させることにより断熱部を形成することができる。また、基板上に断熱膜を形成するためのポリシリコン膜を形成し、当該ポリシリコン膜を陽極酸化により多孔質化しても良い。さらに、断熱部として、基板自体に多孔質部を形成するものとしても良い。多孔質部は、例えば、基板としてＳｉ基板を用いている場合には、基板自体に空洞部を形成する工程と同様に、基板の下面側もしくは基板の上面側から、空洞部に相当する領域を陽極酸化により多孔質化することで形成することができる。なお、空洞でない断熱部を用いる場合において、断熱部の材料が導電性を有する場合には、断熱部と、半導体膜あるいは導電膜との間には絶縁膜が追加される。このように、空洞でない断熱部を用いることにより、断熱部上に形成された機能膜の破損が抑制される。

１０…センサモジュール、１１…ヘッダ、１２…キャップ、１３…封止材、１４…端子、１５…ダイボンド材、１６…ワイヤ、１９…パッケージ、１００…ガスセンサ、１０１…マスク膜、１０９…開口部、１１０…基板、１１９…空洞部、１２０…絶縁膜、１２１…メンブレン、１３０…ｎ型半導体膜、１３１…ｎ型熱電素子、１４０…層間絶縁膜、１５０…ｐ型半導体膜、１５１…ｐ型熱電素子、１６０…層間絶縁膜、１７０…導電膜、１７１，１７２…ヒータ、１７３…温接点接続線、１７４…冷接点接続線、１７５，１７６…信号配線、１７７，１７８…ヒータ配線、１７９…グランド配線、１８０…保護膜、１９１…ガス反応膜、１９２…参照膜、ＣＪ…冷接点、ＨＪ…温接点、Ｈ１１，Ｈ１２，Ｈ２１，Ｈ２２…コンタクトホール、ＰＤ１〜ＰＤ６…ボンディングパッド、ＴＰ…サーモパイル

Claims (4)

1. 可燃性ガスを検出する接触燃焼式ガスセンサであって、
   断熱部と、
   前記断熱部上に形成された反応膜ヒータと、前記断熱部上において前記反応膜ヒータの上に形成され、前記可燃性ガスの燃焼触媒を担持した担体を含むガス反応膜と、前記断熱部上において前記ガス反応膜の近傍に形成された第１の測温素子と、を有するガス検出部と、
   前記断熱部上の前記ガス検出部とは別個の領域に形成された第２の測温素子を有する補償部と、
   を備え、
   前記反応膜ヒータは、前記第１の測温素子を基準として、前記第２の測温素子の反対側に配置されている、
   接触燃焼式ガスセンサ。
2. 請求項１記載の接触燃焼式ガスセンサであって、
   前記補償部は、さらに、前記断熱部上で、かつ、前記第２の測温素子の近傍を含む領域において、前記反応膜ヒータとは別個に形成された補償部ヒータを備え、
   前記補償部ヒータは、前記第２の測温素子を基準として、前記第１の測温素子の反対側に配置されている、
   接触燃焼式ガスセンサ。
3. 請求項１または２記載の接触燃焼式ガスセンサであって、
   前記第１の測温素子は、温接点および冷接点を有する複数の熱電対を直列接続したサーモパイルの温接点であり、
   前記第２の測温素子は、前記サーモパイルの冷接点である、
   接触燃焼式ガスセンサ。
4. 請求項１ないし３のいずれか記載の接触燃焼式ガスセンサであって、
   前記断熱部は、基板自体に設けられた第１の空洞部と、基板上に形成された第２の空洞部と、前記第１の空洞部に埋め込まれた多孔質材または樹脂と、基板上に形成された多孔質膜または樹脂膜と、基板自体に形成された多孔質部と、のいずれかである、
   接触燃焼式ガスセンサ。

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