JP2019515279A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

ガスセンサは、平らな担体膜、担体膜上のガス検知層、それぞれガス検知層に導電可能に位置する第１および第２電極、並びに第１電極への第１電気リード線および第２電極への第２電気リード線を含む。この場合、第２電極は第１電極の半径方向外側に位置し、および第１リード線はガス検知層に対して絶縁されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサに関する。特に、本発明は、マイクロメカニカル・ガスセンサに関する。

ガスセンサはガス検知層を含み、ガス検知層は担体膜上において２つの導体構造の間に位置する。担体膜は、ガス検知層を所定の温度に上昇させるために加熱されてもよい。種々の物質に対するガス検知層の感度、選択度または応答時間は、温度によって設定可能である。通常の温度は約２００ないし８００℃の範囲内に位置可能である。導体構造の領域内のガス検知層の異なる部分が異なる温度を有することを回避するために、またガスセンサのエネルギー吸収を低減させるために、ガスセンサをできるだけ小さく構成することが試みられる。マイクロメカニカル・ガスセンサは、数ｍＷの加熱により約４００℃の温度を実現することが可能である。この場合、導体構造およびガス検知層は、通常、空洞を介して展張されることにより、熱的に絶縁された担体膜上に配置されている。

ガスセンサを製造するために、通常の半導体技術の方法、特にきわめて正確な構造の形成を可能にするリソグラフィーが使用可能である。しかしながら、ガス検知層は、通常、液状またはペースト状物質として適用され、この場合、担体膜の表面特性、塗布される物質の粘度、塗布の間における堆積精度、物質の乾燥過程または物質の塗布と乾燥の間の時間が、担体膜上のガス検知層の形状およびサイズに影響を与えることがある。しかしながら、担体膜上の導体構造の通常の配置において、ガス検知層のサイズおよび位置は、導体構造に関してガス検知層の電気的作用領域に影響を与えることがある。

したがって、本発明の課題は、ガスセンサが、ガス検知層の形状、サイズまたは位置における不正確さを、低減された程度で有するように、ガスセンサおよび製造方法を提供することである。

本発明は、この課題を、独立請求項の対象により解決する。従属請求項は、好ましい実施形態を再現する。特別のマイクロメカニカル・ガスセンサの製造において、ガス検知層の位置決めまたは展張における不正確さはガスセンサの決定的な特徴に影響を与えることはない。これらの特徴は、特に、所定の物質に対する感度、選択度または応答時間を含んでもよい。

ガスセンサの可能な態様は、平らな担体膜、担体膜上のガス検知層、それぞれガス検知層に導電可能に位置する第１および第２電極、並びに第１電極への第１電気リード線および第２電極への第２電気リード線を含む。この場合、第２電極は第１電極の半径方向外側に位置し、および第１リード線はガス検知層に対して絶縁されている。

これにより、第２電極の外側に位置するガス検知層の部分が、電極間ないしはリード線間で電気的に作用するように位置することが阻止可能である。第２電極の半径方向外側のガス検知層のサイズおよび位置は、電極に関するガス検知層の電気特性に対して、実際的にもはや関与しない。

電極相互間の相対位置に関して、第１電極を貫通して延在する、担体膜の平面に垂直な軸線が考察されてもよい。この軸線に関して、第２電極は、第１電極の外側境界よりもはるかに離れて位置すべきである。ガスセンサの導体構造は、それがガス検知層と接触する領域内において、電極およびその他のリード線と呼ばれる。第２電極へのリード線は、一実施形態において、実際に設けられていないぐらいに短いことは任意である。

電極は、担体膜の平面内に凸面領域が定められるように形成されていてもよく、この場合、第１電極は領域の内側に限定され、および第２電極は外側の少なくとも３つの側に位置するように形成されていてもよい。これにより、第２電極は第１電極を少なくともＵ形状に包囲し、および第２電極の外側に位置するガス検知層の領域は、電極ないしはリード線に関して、電気的に全く作用しないかまたは無視できるほどに小さく作用するような結果をもたらすことが保証される。

両方の電極の形状は、第１内部電極および第２外部電極の間の上記の関係が選択されているかぎり、任意に選択されていてもよい。他の実施形態において、第２電極は、第１電極を、担体膜の平面内において少なくとも２７０°の角度にわたり包囲する。この場合、第２電極は、例えば多角形形状または楕円形形状を有してもよい。さらに他の実施形態において、第２電極は、第１電極を、さらに大きな角度にわたり包囲し、それは全角まで増大されてもよい。第２電極が第１電極をこのように包囲した場合、第２電極の半径方向外側に位置するガス検知層の領域は、電気的に実際には完全に非作動とされることになる。第１電極に関して第２電極が包囲する形状により、ガス検知層の、電極間に位置する電気作用領域は、ほぼ第２電極の内部領域に限定されることになる。これにより、ガスセンサの特性は、第２電極の外側のガス検知層の位置またはサイズとは無関係に制御可能である。

さらに他の実施形態において、第１電極は、他の第２電極の半径方向外側に位置する。このように、第１および第２電極は半径方向に入れ子式にされてもよい。この場合、半径方向最外側の電極は、ガス検知層の位置およびサイズの希望の十分な独立性が保持されたままであることを保証可能である。入れ子式は、電極の複数の入れ子式の同心配置が得られるようにカスケード方式にされてもよい。

さらに他の実施形態において、第１および第２電極は、第２電極の半径方向内側で櫛状に相互にかみ合わされている。この実施形態において、第２電極の部分は、第１電極を完全に包囲する上記の凸面領域の内部に位置してもよい。それにも関わらず、第２電極が凸面領域の外側のできるだけ大きな部分を包囲することが好ましい。

第１電極は、ところどころで絶縁により第２電極の１つから分離されていてもよい。特に、絶縁は担体膜の表面に関して垂直方向に作用し、これにより、電極は、絶縁の領域内において、担体膜から異なる垂直方向間隔に位置する。絶縁は、例えば、二酸化ケイ素のような絶縁性半導体材料を含んでもよい。

他の実施形態において、電極の少なくとも１つのリード線は、絶縁によりガス検知層から分離されていてもよい。この場合、絶縁は、上記のように特に垂直方向に作用可能であることが好ましい。

上記のガスセンサのようなガスセンサの製造方法は、平らな担体膜の提供ステップを含み、第１および第２導体構造の取り付けステップを含み、第１導体構造の一部分の絶縁の取り付けステップを含み、これにより、第２導体構造は第１導体構造の絶縁されていない部分の半径方向外側に位置し、および絶縁されていない導体構造の領域内における担体膜へのガス検知層の取り付けステップを含む。

導体構造の１つの一部分の絶縁により、リード線の上記の機能が得られる。これとは逆に、ガス検知層と接触する導体構造の絶縁されていない部分は電極である。ガス検知層のサイズ、位置または向きに関する比較的大きな公差は犠牲にされてもよいことが有利である。しかしながら、半径方向に両方の電極間に位置する領域は、できるだけ完全にガス検知層の領域内に位置するように考慮されるべきである。

ここで添付図面を参照して本発明が詳細に説明される。

図１は、ガスセンサを示す。 図２は、既知のガスセンサにおける電位線を示す。 図３は、図１のガスセンサにおける電位線を示す。 図４は、他の実施形態における図１のガスセンサを示す。 図５は、図１のガスセンサに対する配置の一実施形態を示す。 図６は、図１のガスセンサに対する配置の一実施形態を示す。 図７は、図１のガスセンサに対する配置の一実施形態を示す。 図８は、図１のガスセンサに対する配置の一実施形態を示す。 図９は、ガスセンサの製造方法の流れ図を示す。

図１はガスセンサ１００を示す。上側領域内に、ガスセンサ１００の平面図が、下側にその縦断面図が示されている。ガスセンサ１００は、マイクロメカニカルに製造可能であることが好ましく、かつガスの検知ないしは濃度測定をするように適合されている。このために、ガスセンサ１００は担体膜１０５を含み、担体膜は、例えば、半導体基板から製造されてもよく、好ましい実施形態においては、熱的に絶縁された空洞を介して延在する。担体膜１０５上に加熱装置１１０が設けられていることが好ましく、加熱装置は、例えばオーム抵抗タイプによって電流を熱に変換可能であり、これにより、担体膜１０５は加熱される。さらに、担体膜１０５上に、第１電極１２０および第１リード線１２５を有する第１導体構造１１５並びに第２電極１４０および第２リード線１４５を有する第２導体構造１３５が取り付けられる。ガス検知層１５０と電気接触する導体構造１１５、１３５の一部分は電極１２０、１４０と呼ぶ。電極１２０、１４０の領域内にガス検知層１５０が設けられ、ガス検知層は、金属酸化物を含むことが好ましく、例えば、ＳｎＯ_２、ＷＯ_３、Ｇａ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｃｒ２Ｏ_３を含んでもよい。絶縁体１５５は例えば二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）を含んでもよい。ガス検知層１５０と接触しない導体構造１１５、１３５の一部分は、特にそれが絶縁体１５５によりガス検知層から電気的に絶縁されているので、リード線１２５、１４５と呼ぶ。第２導体構造１３５を第２電極１４０および第２リード線１４５に分割する左側に示した絶縁体１５５は、第２リード線１４５が０の長さを有し、したがって実際に存在しないように省略されてもよい。

ガス検知層１５０は、通常、分配方法、印刷方法またはジェット印刷方法により担体膜１０５上に適用される。特に導体構造１１５、１３５は幾何形状的にきわめて正確に形成可能である一方で、ガス検知層１５０の適用工程はしばしば比較的大きな不正確さを受ける。例えば、ガス検知層１５０のサイズは、図示のサイズと最大サイズ１６０の間で変動し得る。ガス検知層１５０の形状および向きもまたそれぞれ所定の領域内で変動し得る。

変動領域（図１の図においてガス検知層１５０と最大サイズ１６０の間の領域）内に位置するガス検知層１５０の部分が実際に電極１２０、１４０に関して電気測定に影響を与えないように、電極１２０、１４０を担体膜１０５上に配置することを提案する。この場合、ガス検知層１５０は、その抵抗を所定のガス状物質に依存して変化してもよく、あるいは電極１２０、１４０により走査可能なガス検知層１５０における他の効果、例えば複合抵抗、電圧、電流、熱電圧またはホール電圧の変化が得られてもよい。電極１２０、１４０は、金属であることが好ましいが、混合伝導材料またはイオン伝導材料を含んでもよい。

第２電極１４０は、第１電極１２０の半径方向外側に位置することが好ましい。このために、担体膜１０５の平面に垂直に第１電極１２０を貫通して延在する軸線１６２が定められてもよい。このように定め可能な全ての軸線１６２に対して、第１電極１２０の外側限界が、第２電極１４０の内側限界より近くに位置することが成立すべきである。

第２電極１４０は第１電極１２０を少なくとも３つの側で包囲することが好ましい。図１の図において、第２電極１４０は、第１電極１２０を、上側、下側および左側で包囲する。この場合、第２電極１４０は、例えば開放多角形のタイプのＵ形状構造を形成する。第１電極１２０は、第２電極１４０の多角形が仮想的に閉じられたときに形成される領域内に位置することが好ましい。

また、凸面領域１６５が形成されてもよく、この場合、第１電極１２０は完全に領域１６５内に位置する。図に付属する任意のそれぞれ２つの点に対して、それらの結合線もまた常に完全に図内に位置するとき、幾何形状図は凸面と呼ぶ。第２電極１４０は、図示の実施形態においては完全に領域１６５の外に位置するが、第２電極１４０の一部分が領域１６５内に位置する実施形態もまた提供可能である。領域１６５の外側が、少なくとも一部、第２電極１４０の部分により包囲されることは好ましい。このために、第２電極１４０はＵ形状に形成されていてもよく、あるいは領域１６５を少なくとも部分的に任意の曲線に沿って包囲してもよい。領域１６５は、他の実施形態においては、ドーピングにより、周辺に対して異なる材料構成および／または物理的ないしは化学的に異なる組成により境界が形成されてもよい。

図２は、既知のガスセンサ１００における電位線を示す。導体構造１１５および１３５はガス検知層１５０に対して絶縁されていない。上側領域に、検知層１５０が小さいときの導体構造１１５、１３５における電位線を示し、図２の下側領域に、ガス検知層１５０が大きいときの電位線を示している。ガス検知層１５０のサイズの上昇と共にガス検知層１５０の半径方向外側に位置する領域の導体構造１１５、１３５への影響が増大することは明らかである。この影響は、電気的に、電極１２０および１４０の間に並列に接続された抵抗のように作用可能である。

図３は、図１のガスセンサ１００における電位線を示す。この場合、ガス検知層１５０の３つの異なる可能なサイズが示されている。リード線１２５は、絶縁層１５５により、電気的に直接ガス検知層１５０と結合されていない。第２電極１４０の半径方向外側には、この領域は電極１２０と１４０の間で電気的に作用がないので、実際に電位変化がもはや存在しないことがわかる。図示の実施形態において、第２導体構造１３５は完全にガス検知層１５０と接触し、これにより、第２リード線１４５はガス検知層１５０の範囲を越えた領域に限定されているかまたは省略される。

図４は、他の実施形態における図１のガスセンサ１００を示す。ここでは、第２電極１４０は第１電極１２０を担体膜１０５の平面内において完全に包囲する。第２電極１４０と第１電極１２０の間の絶縁は、交差領域内において絶縁体１５５により実行可能である。

図５は、図１のガスセンサ１００に対する配置の第１実施形態を示す。第１導体構造１１５、第２導体構造１３５および絶縁体１５５のみが示されている。第１電極１２０および第２電極１４０は相互に櫛状にかみ合されて配置されている。かみ合わせ領域は第２電極１４０によりできるだけ完全に包囲される。この場合、第１電極１２０および第２電極１４０は同様に絶縁体１５５により相互に絶縁されていてもよい。他の実施形態において、平面内で接触することなく第１電極１２０を通過可能にするために、第２電極１４０の包囲部分は１つの位置において開放されていてもよい。これにより、両方の電極１２０、１４０は、共通の工程において取り付け可能であり、相前後して作られる必要はない。

図６は、図５の例による図１のガスセンサ１００の他の配置を示す。ここでは、第１電極１２０および第２電極１４０は改善されて軸線１６２に対して同心に形成されている。この場合、第２電極１４０は、第１電極１２０を、好ましくは２７０°より大きい角度、図示の実施形態においては約３００°の角度にわたり包囲する。軸線１６２に関する第２電極１４０の図示の開放角６０５はここでは約６０°を有するが、さらに小さく選択されてもよい。

図７は、図５および６の図に対応して、ガスセンサ１００に対する配置の他の実施形態を示す。ここでもまた、軸線１６２に関する同心配置が選択されているが、第１電極１２０および第２電極１４０は半径方向に交互に配置されている。最も外側の電極は、この場合、第２電極１４０である。交差点において、電極１２０、１４０は、絶縁体１５５により相互に絶縁され、他の実施形態において、この位置に、図１および図６の実施形態に示されているように、切欠部が位置していてもよい。

図８は、図７の実施形態に準拠した、図１のガスセンサ１００に対する配置のさらに他の実施形態を示す。ここでは、円形の基本形状の代わりに正方形の基本形状が選択されている。

図９は、ガスセンサ１００の製造方法９００の流れ図を示す。
ステップ９０５において、担体膜１０５が提供される。この場合、担体膜１０５に加熱装置１１０が予め取り付けられていることが好ましい。ステップ９１０において、導体構造１１５および１３５が取り付けられる。ステップ９１５において、絶縁体１５５が取り付けられる。導体構造１１５、１３５の部分は、ステップ９１５において絶縁体１５５を取り付けた後に担体膜１０５に取り付けられてもよい。

ステップ９１５における絶縁体１５５の取り付けにより、少なくとも第１導体構造１１５は第１電極１２０および第１リード線１２５に分割される。この場合、第１電極１２０は、他の図特に図１に関して上記されているように位置すべきである。

ステップ９２０において、ガス検知層１５０が、導体構造１１５、１３５の領域内において担体膜１０５に取り付けられる。ガス検知層１５０の取り付けは、例えば、液状またはペースト状物質の射出、スタンピング、印刷または塗布により実行されてもよく、液状またはペースト状物質はそれに続いてさらに硬化可能である。このステップは、適用されたガス検知層１５０が、担体膜１０５に関して、位置、サイズまたは向きにおいて場合により変化するように、上昇された幾何形状的不正確さを受けてもよい。ガス検知層１５０が、少なくとも、担体膜１０５の平面内の、電極１２０および１４０の間に位置する領域内において延在することがステップ９２０において保証される限り、この変化は、ガスセンサ１００の走査特性に決定的な影響を与えることはない。特に、ガスセンサ１００の感度、選択度または応答時間は、ガス検知層１５０の、第２電極１４０の半径方向外側に位置する領域から影響を受けることはない。

１００ ガスセンサ
１０５ 担体膜
１１０ 加熱装置
１１５ 第１導体構造
１２０ 第１電極
１２５ 第１電気リード線、第１リード線
１３５ 第２導体構造
１４０ 第２電極
１４５ 第２電気リード線、第２リード線
１５０ ガス検知層
１５５ 絶縁体、絶縁層
１６０ 最大サイズ
１６２ 軸線
１６５ 凸面領域
９００ 方法
９０５、９１０、９１５、９２０ ステップ

Claims (9)

1. 平らな担体膜（１０５）、
   担体膜（１０５）上のガス検知層（１５０）、
   それぞれガス検知層（１５０）に導電可能に位置する、第１電極（１２０）および少なくとも１つの第２電極（１４０）、
   第１電極（１２０）への第１電気リード線（１２５）および第２電極（１４０）への第２電気リード線（１４５）、
   を含むガスセンサ（１００）において、
   第２電極（１４０）は第１電極（１２０）の半径方向外側に位置し、第１リード線（１２５）はガス検知層（１５０）に対して絶縁されているガスセンサ（１００）。
2. 担体膜（１０５）の平面内に凸面の領域（１６５）が位置し、第１電極（１２０）は領域（１６５）の内側に限定され、および第２電極（１４０）は外側の少なくとも３つの側に位置する、請求項１に記載のガスセンサ（１００）。
3. 第２電極（１４０）は、第１電極（１２０）を、担体膜（１０５）の平面内において少なくとも２７０°の角度にわたり包囲する、請求項１または２に記載のガスセンサ（１００）。
4. ガス検知層（１５０）の、電極（１２０、１４０）間に位置する電気作用領域は、ほぼ第２電極（１４０）の内部領域に限定されている、請求項１ないし３のいずれかに記載のガスセンサ（１００）。
5. 第１電極（１２０）は、他の第２電極（１４０）の半径方向外側に位置する、請求項１ないし４のいずれかに記載のガスセンサ（１００）。
6. 第１電極（１２０）および第２電極（１４０）は、第２電極（１４０）の半径方向内側で櫛状に相互にかみ合わされている、請求項１ないし５のいずれかに記載のガスセンサ（１００）。
7. 第１電極（１２０）は、ところどころで絶縁体（１５５）により第２電極（１４０）の１つから分離されている、請求項１ないし６のいずれかに記載のガスセンサ（１００）。
8. 電極（１２０、１４０）の少なくとも１つのリード線（１２５、１４５）は、絶縁体（１５５）によりガス検知層（１５０）から分離されている、請求項１ないし７のいずれかに記載のガスセンサ（１００）。
9. ガスセンサ（１００）の製造方法（９００）であって、
   平らな担体膜（１０５）を提供するステップ（９０５）、
   第１および第２導体構造（１１５、１３５）を取り付けるステップ（９１０）、
   第１導体構造（１１５）の一部分に絶縁体（１５５）を取り付けるステップ（９１５）、
   を含み、
   これにより、第２導体構造（１３５）は第１導体構造（１１５）の絶縁されていない部分の半径方向外側に位置し、および
   絶縁されていない導体構造（１１５、１３５）の領域内における担体膜（１０５）へガス検知層（１５０）を取り付けるステップ（９２０）を含む、ガスセンサ（１００）の製造方法（９００）。

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