JP2022183481A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】固体電解質層が熱応力により破損してしまうことを抑制可能なガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサは、基板と、基板上に配置されている絶縁層と、固体電解質層とを備えている。基板には、基板を厚さ方向に貫通しているキャビティが形成されている。絶縁層は、キャビティの周囲にある基板上に配置されている周辺部と、キャビティ上にあり、かつ、周辺部に接続されているメンブレン部とを有している。メンブレン部は、可動部を含む。可動部は、可動部の周囲にあるメンブレン部を基板の厚さ方向に貫通している貫通穴が形成されることにより、基板の厚さ方向に沿って変位可能である。固体電解質層は、可動部上に配置されている。【選択図】図３

Description

本開示は、ガスセンサに関する。

国際公開第２０１７／０１４０３３号（特許文献１）に記載のガスセンサは、基板と、絶縁層と、固体電解質層と、マイクロヒータとを有している。基板には、基板を厚さ方向に貫通しているキャビティが形成されている。絶縁層は、基板上に配置されている。絶縁層は、キャビティの周囲にある基板上にある部分（以下「周辺部」とする）と、キャビティ上にあり、かつ周辺部に接続されている部分（以下「メンブレン部」とする）とを有している。固体電解質層は、メンブレン部上にある。

国際公開第２０１７／０１４０３３号

特許文献１に記載のガスセンサの動作時には、固体電解質層が、マイクロヒータにより高温に（例えば、５００℃程度に）加熱される。その結果、特許文献１に記載のガスセンサでは、固体電解質層が熱応力で破損してしまうおそれがある。

本開示は、固体電解質層が熱応力により破損してしまうことを抑制可能なガスセンサを提供するものである。

本開示のガスセンサは、基板と、基板上に配置されている絶縁層と、固体電解質層とを備える。基板には、基板を厚さ方向に貫通しているキャビティが形成されている。絶縁層は、キャビティの周囲にある基板上に配置されている周辺部と、キャビティ上にあり、かつ、周辺部に接続されているメンブレン部とを有している。メンブレン部は、可動部を含む。可動部は、可動部の周囲にあるメンブレン部を基板の厚さ方向に貫通している貫通穴が形成されることにより、基板の厚さ方向に沿って変位可能である。固体電解質層は、可動部上に配置されている。

本開示のガスセンサによると、固体電解質層が熱応力により破損してしまうことを抑制可能である。

ガスセンサ１００の平面図である。 絶縁層７０及び多孔質金属層８０の図示を省略したガスセンサ１００の平面図である。 図１ＡのＩＩ－ＩＩにおける断面図である。 図１ＡのＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。 ガスセンサ１００の製造方法を示す工程図である。 第１絶縁層形成工程Ｓ２を説明するための断面図である。 配線形成工程Ｓ３を説明するための断面図である。 第２絶縁層形成工程Ｓ４を説明するための断面図である。 多孔質酸化物層形成工程Ｓ５を説明するための断面図である。 第１多孔質金属層形成工程Ｓ６を説明するための断面図である。 固体電解質層形成工程Ｓ７を説明するための断面図である。 パターンニング工程Ｓ８を説明するための断面図である。 第３絶縁層形成工程Ｓ９を説明するための断面図である。 第２多孔質金属層形成工程Ｓ１０を説明するための断面図である。 貫通穴形成工程Ｓ１１を説明するための断面図である。 変形例１に係るガスセンサ１００の断面図である。 変形例２に係るガスセンサ１００の平面図である。

本開示の実施形態の詳細を、図面を参照しながら説明する。以下の図面では、同一又は相当する部分に同一の参照符号を付し、重複する説明は繰り返さないものとする。

（実施形態に係るガスセンサの構成）
以下に、実施形態に係るガスセンサ（以下「ガスセンサ１００」とする）の構成を説明する。ガスセンサ１００は、例えば、酸素・湿度センサである。但し、ガスセンサ１００は、これに限られない。

図１Ａは、ガスセンサ１００の平面図である。図１Ｂは、絶縁層７０及び多孔質金属層８０の図示を省略したガスセンサ１００の平面図である。図２は、図１ＡのＩＩ－ＩＩにおける断面図である。図３は、図１ＡのＩＩＩ－ＩＩＩにおける断面図である。図１Ａ中では、配線３０が点線により示されている。図１Ａ、図１Ｂ、図２及び図３に示されるように、ガスセンサ１００は、基板１０と、絶縁層２０と、配線３０と、多孔質酸化物層４０と、多孔質金属層５０と、固体電解質層６０と、絶縁層７０と、多孔質金属層８０とを有している。

基板１０は、第１主面１０ａと、第２主面１０ｂとを有している。第１主面１０ａ及び第２主面１０ｂは、基板１０の厚さ方向における端面である。第２主面１０ｂは、第１主面１０ａの反対面である。基板１０には、キャビティＣが形成されている。キャビティＣは、基板１０の厚さ方向に沿って基板１０を貫通している。キャビティＣは、平面視において（第１主面１０ａ側から基板１０の厚さ方向に沿って見た際に）、矩形状になっている。基板１０は、例えば、単結晶シリコンにより形成されている。

絶縁層２０は、基板１０上に配置されている。より具体的には、絶縁層２０は、第１主面１０ａ上に配置されている。絶縁層２０は、例えば、第１層２１と、第２層２２と、第３層２３と、第４層２４とを有している。

第１層２１は、基板１０（第１主面１０ａ）上に配置されている。第１層２１は、例えば、シリコン酸化物により形成されている。第２層２２は、第１層２１上に配置されている。第２層２２は、例えば、シリコン窒化物により形成されている。第３層２３は、第２層２２上に配置されている。第３層２３は、例えば、シリコン酸化物により形成されている。第４層２４は、第３層２３上に配置されている。第４層２４は、例えば、シリコン酸化物により形成されている。

絶縁層２０のうちのキャビティＣの周囲にある基板１０上に配置されている部分を、周辺部２０ａとする。絶縁層２０のうちのキャビティＣ上にある部分を、メンブレン部２０ｂとする。メンブレン部２０ｂは、周辺部２０ａに接続されている。これにより、メンブレン部２０ｂは、キャビティＣ上において支持されている。

配線３０は、絶縁層２０中に配置されている。より具体的には、配線３０は、第３層２３上に配置されており、かつ第４層２４により覆われている。配線３０の周囲は、バリア層３１により覆われている。バリア層３１により、絶縁層２０と配線３０との密着性が確保されている。配線３０は、例えば、白金により形成されている。バリア層３１は、例えば、チタン酸化物により形成されている。なお、バリア層３１のうちの第３層２３上に配置されている部分を第１部分３１ａとし、バリア層３１のうちの配線３０を覆っている部分を第２部分３１ｂとする。

配線３０は、ヒータ部３０ａと、端部３０ｂと、接続部３０ｃとを有している。ヒータ部３０ａは、配線３０を蛇行させることにより構成されている。ヒータ部３０ａは、メンブレン部２０ｂ中に配置されている。端部３０ｂは、周辺部２０ａ中に配置されている。接続部３０ｃは、ヒータ部３０ａと端部３０ｂとを接続している。

多孔質酸化物層４０は、絶縁層２０上に配置されている。多孔質酸化物層４０は、例えば、タンタル酸化物により形成されている。多孔質酸化物層４０は、多孔質であるため、ガスセンサ１００により検知されるガス（被検知ガス）の流路となる。

多孔質金属層５０は、多孔質酸化物層４０上に配置されている。多孔質金属層５０は、例えば、白金により形成されている。多孔質金属層５０は、電極部５０ａと、端部５０ｂと、接続部５０ｃとを有している。電極部５０ａは、多孔質酸化物層４０を介在させてメンブレン部２０ｂ上にある。端部５０ｂは、多孔質酸化物層４０を介在させて周辺部２０ａ上にある。接続部３０ｃは、電極部５０ａと端部５０ｂとを接続している。

固体電解質層６０は、多孔質金属層５０上に配置されている。より具体的には、固体電解質層６０は、電極部５０ａ上に配置されている。固体電解質層６０は、イオン伝導性を有している。固体電解質層６０は、例えば、イットリア安定化ジルコニアにより形成されている。

絶縁層７０は、多孔質酸化物層４０、多孔質金属層５０及び固体電解質層６０を覆うように、絶縁層２０上に配置されている。但し、絶縁層７０には、固体電解質層６０の上面を少なくとも部分的に露出させる開口部が形成されている。絶縁層７０は、例えば、シリコン酸化物により形成されている層とタンタル酸化物により形成されている層とがスタックされている層である。

絶縁層７０上には、パッド部３０ｄ及びパッド部５０ｄが配置されている。パッド部３０ｄは、端部３０ｂを露出させるように絶縁層２０（第４層２４）及び絶縁層７０に形成されている開口部（図示せず）を介して、端部３０ｂに電気的に接続されている。パッド部５０ｄは、端部５０ｂを露出させるように絶縁層７０に形成されている開口部（図示せず）を介して端部５０ｂに電気的に接続されている。

多孔質金属層８０は、電極部８０ａと、パッド部８０ｂと、接続部８０ｃとを有している。電極部８０ａは、固体電解質層６０上に配置されている。パッド部８０ｂは、絶縁層７０を介在させて絶縁層２０上にある。接続部８０ｃは、電極部８０ａとパッド部８０ｂとを接続している。

メンブレン部２０ｂ及びメンブレン部２０ｂ上にある絶縁層７０には、貫通穴ＴＨが形成されている。貫通穴ＴＨは、基板１０の厚さ方向に沿って、メンブレン部２０ｂ及び絶縁層７０を貫通している。メンブレン部２０ｂは、可動部２０ｃを有している。可動部２０ｃの周囲には、貫通穴ＴＨがある。これにより、可動部２０ｃは、可動部２０ｃの基端側を支点として、基板１０の厚さ方向に沿って変位可能になっている。貫通穴ＴＨは、例えば、Ｕ字形である。ヒータ部３０ａ、電極部５０ａ、固体電解質層６０及び電極部８０ａは、可動部２０ｃ上にある。

接続部３０ｃを構成している配線３０の可動部２０ｃの基端における幅は、ヒータ部３０ａを構成している配線３０の幅よりも大きくなっている。

（実施形態に係るガスセンサ１００の動作）
以下に、ガスセンサ１００の動作を説明する。ここでは、被検知ガス中の酸素ガスを検知する場合を例に、ガスセンサ１００の動作を説明する。

配線３０に電流を流すことにより、ヒータ部３０ａが抵抗発熱する。これにより、固体電解質層６０が加熱され、イオン伝導性を発現する。なお、固体電解質層６０がイットリア安定化ジルコニアである場合には、固体電解質層６０がヒータ部３０ａにより５００℃程度まで加熱される。

パッド部５０ｄ及びパッド部８０ｂは、それぞれ、電源の負極及び正極に接続される。被検知ガスは、多孔質酸化物層４０及び電極部５０ａを通って、電極部５０ａと固体電解質層６０との界面に到達する。電極部５０ａと固体電解質層６０との界面に到達した被検知ガス中の酸素ガスは、電極部５０ａから電子を受け取ることにより酸素イオンになる。

この酸素イオンは、固体電解質層６０を通って、固体電解質層６０と電極部８０ａとの界面に到達する。固体電解質層６０と電極部８０ａとの界面に到達した酸素イオンは、電極部８０ａに対して電子を放出し、酸素ガスになる。これにより、パッド部５０ｄとパッド部８０ｂとの間に電流が流れる。この電流は、被検知ガス中の酸素ガスの濃度に比例する。そのため、この電流を検知することにより、被検知ガス中の酸素ガスの濃度を測定することができる。

（実施形態に係るガスセンサ１００の製造方法）
以下に、ガスセンサ１００の製造方法を説明する。

図４は、ガスセンサ１００の製造方法を示す工程図である。図４に示されるように、ガスセンサ１００の製造方法は、準備工程Ｓ１と、第１絶縁層形成工程Ｓ２と、配線形成工程Ｓ３と、第２絶縁層形成工程Ｓ４と、多孔質酸化物層形成工程Ｓ５と、第１多孔質金属層形成工程Ｓ６と、固体電解質層形成工程Ｓ７と、パターンニング工程Ｓ８と、第３絶縁層形成工程Ｓ９と、第２多孔質金属層形成工程Ｓ１０と、貫通穴形成工程Ｓ１１と、キャビティ形成工程Ｓ１２とを有している。

準備工程Ｓ１では、基板１０が準備される。なお、準備工程Ｓ１において準備された基板１０には、キャビティＣが形成されていない。

図５は、第１絶縁層形成工程Ｓ２を説明するための断面図である。図５に示されるように、第１絶縁層形成工程Ｓ２では、第１層２１、第２層２２及び第３層２３が順次形成される。第１層２１、第２層２２及び第３層２３の形成は、例えば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて行われる。

図６は、配線形成工程Ｓ３を説明するための断面図である。図６に示されるように、配線形成工程Ｓ３では、配線３０及びバリア層３１が形成される。配線形成工程Ｓ３では、第１に、第１部分３１ａが形成される。第１部分３１ａは、バリア層３１の構成材料を成膜及びパターンニングすることにより形成される。この成膜は、例えばスパッタ法を用いて行われる。このパターンニングは、フォトリソグラフィ法を用いたマスクの形成及び当該マスクを用いたエッチングにより行われる。

配線形成工程Ｓ３では、第２に、配線３０が形成される。配線３０は、配線３０の構成材料を成膜及びパターンニングすることにより形成される。この成膜は、例えばスパッタ法を用いて行われる。このパターンニングは、フォトリソグラフィ法を用いたマスクの形成及び当該マスクを用いたエッチングにより行われる。配線形成工程Ｓ３では、第３に、第２部分３１ｂが形成される。第２部分３１ｂは、バリア層３１の構成材料を成膜及びパターンニングすることにより形成される。この成膜は、例えばスパッタ法を用いて行われる。このパターンニングは、フォトリソグラフィ法を用いたマスクの形成及び当該マスクを用いたエッチングにより行われる。

図７は、第２絶縁層形成工程Ｓ４を説明するための断面図である。図７に示されるように、第２絶縁層形成工程Ｓ４では、第４層２４が形成される。第４層２４の形成は、例えば、ＣＶＤ法を用いて行われる。図８は、多孔質酸化物層形成工程Ｓ５を説明するための断面図である。図８に示されるように、多孔質酸化物層形成工程Ｓ５では、多孔質酸化物層４０が形成される。多孔質酸化物層４０の形成は、例えば、蒸着法を用いて行われる。

図９は、第１多孔質金属層形成工程Ｓ６を説明するための断面図である。図９に示されるように、第１多孔質金属層形成工程Ｓ６では、多孔質金属層５０が形成される。多孔質金属層５０は、例えば、スパッタ法を用いて形成される。

図１０は、固体電解質層形成工程Ｓ７を説明するための断面図である。図１０に示されるように、固体電解質層形成工程Ｓ７では、固体電解質層６０が形成される。固体電解質層６０は、固体電解質層６０の構成材料を成膜及びパターンニングすることにより形成される。この成膜は、例えばスパッタ法を用いて行われる。このパターンニングは、例えばドライエッチングにより行われる。図１１は、パターンニング工程Ｓ８を説明するための断面図である。図１１に示されるように、パターンニング工程Ｓ８では、多孔質酸化物層４０及び多孔質金属層５０のパターンニングが行われる。このパターンニングは、例えばドライエッチングにより行われる。

図１２は、第３絶縁層形成工程Ｓ９を説明するための断面図である。図１２に示されるように、第３絶縁層形成工程Ｓ９では、絶縁層７０が形成される。絶縁層７０の形成は、例えばスパッタ法を用いて行われる。なお、絶縁層７０には、エッチングが行われることにより、固体電解質層６０を露出させる開口部が形成される。図１３は、第２多孔質金属層形成工程Ｓ１０を説明するための断面図である。図１３に示されるように、第２多孔質金属層形成工程Ｓ１０では、多孔質金属層８０が形成される。多孔質金属層８０は、多孔質金属層８０の構成材料を成膜及びパターンニングすることにより形成される。この成膜は、例えばスパッタ法により行われる。このパターンニングは、例えばドライエッチングにより行われる。

図１４は、貫通穴形成工程Ｓ１１を説明するための断面図である。図１４に示されるように、貫通穴形成工程Ｓ１１では、絶縁層２０及び絶縁層７０に、貫通穴ＴＨが形成される。貫通穴ＴＨの形成は、例えばドライエッチングにより行われる。キャビティ形成工程Ｓ１２では、キャビティＣが形成される。キャビティＣは、例えば、ウェットエッチングにより形成される。以上により、図１Ａ、図１Ｂ、図２及び図３に示される構造のガスセンサ１００が形成される。

（実施形態に係るガスセンサの効果）
以下に、実施形態に係るガスセンサ１００の効果を説明する。

ガスセンサ１００により被検知ガスの検知を行う際には、ヒータ部３０ａが固体電解質層６０を加熱する。ヒータ部３０ａにより固体電解質層６０が加熱した際にメンブレン部２０ｂが固体電解質層６０の熱膨張を拘束すると、固体電解質層６０が熱応力により割れてしまうことがある。このことは、固体電解質層６０がイットリア安定化ジルコニアのように加熱を要する温度が高い材料で形成されている場合に、顕著である。

しかしながら、ガスセンサ１００では、メンブレン部２０ｂが可動部２０ｃを有しており、可動部２０ｃ上に固体電解質層６０が配置されている。可動部２０ｃは、周囲に貫通穴ＴＨが形成されていることにより、基板１０の厚さ方向に沿って変位可能である。そのため、固体電解質層６０が加熱された際に、可動部２０ｃが変位して固体電解質層６０に加わる熱応力を緩和し、固体電解質層６０に割れが生じにくい。

ガスセンサ１００では、接続部３０ｃを構成している配線３０の可動部２０ｃの基端における幅が、ヒータ部３０ａを構成している配線３０の幅よりも大きくなっている。そのため、ガスセンサ１００では、可動部２０ｃの変位に伴って配線３０が断線してしまうことが抑制されている。

（変形例１）
図１５は、変形例１に係るガスセンサ１００の断面図である。絶縁層２０は、図１５に示されるように、第４層２４上に配置されている第５層２５と、第５層２５上に配置されている第６層２６とをさらに有していてもよい。第５層２５は、例えば、シリコン窒化物により形成されている。第６層２６は、例えば、シリコン酸化物により形成されている。ガスセンサ１００は、配線９０をさらに有していてもよい。配線９０は、例えば、白金により形成されている。配線９０は、絶縁層２０中に配置されている。より具体的には、配線９０は、第５層２５上に配置されており、かつ第６層２６に覆われている。

配線９０の周囲には、バリア層９１が配置されている。バリア層９１は、例えばチタン酸化物により形成されており、バリア層９１と絶縁層２０（第５層２５及び第６層２６）との密着性を確保している。配線９０は、可動部２０ｃ中に蛇行配置されている部分を有しており、当該部分が温度センサ部９０ａを構成している。

（変形例２）
図１６は、変形例２に係るガスセンサ１００の平面図である。貫通穴ＴＨは、平面視において、図１６に示されるように、曲線状に形成されていてもよい。これにより、可動部２０ｃの周囲における応力集中を抑制することが可能となる。

以上のように本開示の実施形態について説明を行ったが、上述の実施形態を様々に変形することも可能である。また、本発明の範囲は、上述の実施形態に限定されるものではない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更を含むことが意図される。

１０ 基板、１０ａ 第１主面、１０ｂ 第２主面、２０ 絶縁層、２０ａ 周辺部、２０ｂ メンブレン部、２０ｃ 可動部、２１ 第１層、２２ 第２層、２３ 第３層、２４ 第４層、２５ 第５層、２６ 第６層、３０ 配線、３０ａ ヒータ部、３０ｂ 端部、３０ｃ 接続部、３０ｄ パッド部、３１ バリア層、３１ａ 第１部分、３１ｂ 第２部分、４０ 多孔質酸化物層、５０ 多孔質金属層、５０ａ 電極部、５０ｂ 端部、５０ｃ 接続部、５０ｄ パッド部、６０ 固体電解質層、７０ 絶縁層、８０ 多孔質金属層、８０ａ 電極部、８０ｂ パッド部、８０ｃ 接続部、９０ 配線、９０ａ 温度センサ部、９１ バリア層、９０ａ 温度センサ部、１００ ガスセンサ、Ｃ キャビティ、Ｓ１ 準備工程、Ｓ２ 第１絶縁層形成工程、Ｓ３ 配線形成工程、Ｓ４ 第２絶縁層形成工程、Ｓ５ 多孔質酸化物層形成工程、Ｓ６ 第１多孔質金属層形成工程、Ｓ７ 固体電解質層形成工程、Ｓ８ パターンニング工程、Ｓ９ 第３絶縁層形成工程、Ｓ１０ 第２多孔質金属層形成工程、Ｓ１１ 貫通穴形成工程、Ｓ１２ キャビティ形成工程、ＴＨ 貫通穴。

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板上に配置されている絶縁層と、
   固体電解質層とを備え、
   前記基板には、前記基板を厚さ方向に貫通しているキャビティが形成されており、
   前記絶縁層は、前記キャビティの周囲にある前記基板上に配置されている周辺部と、前記キャビティ上にあり、かつ前記周辺部に接続されているメンブレン部とを有しており、
   前記メンブレン部は、可動部を含み、
   前記可動部は、前記可動部の周囲にある前記メンブレン部を前記厚さ方向に貫通している貫通穴が形成されることにより、前記厚さ方向に沿って変位可能であり、
   前記固体電解質層は、前記可動部上に配置されている、ガスセンサ。
2. 前記貫通穴は、平面視において、曲線状に形成されている、請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記固体電解質層は、イットリア安定化ジルコニアにより形成されている、請求項１又は請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記絶縁層中に配置されている配線をさらに備え、
   前記配線は、前記可動部中に配置されているヒータ部と、前記周辺部中に配置されている端部と、前記ヒータ部及び前記端部を接続している接続部とを有しており、
   前記接続部を構成している前記配線の前記可動部の基端における幅は、前記ヒータ部を構成している前記配線の幅よりも大きい、請求項１～請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
   

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