JP2023023346A - マイクロヒータ及びガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】耐久性に優れたマイクロヒータ及びガスセンサを提供する。【解決手段】貫通孔１１が設けられた基板１０と、貫通孔１１の表面１０Ｆ側を閉じるように配されてダイヤフラムＤＰを形成する薄膜３０と、薄膜３０に配され給電によって発熱する発熱抵抗体５０と、薄膜３０に配され発熱抵抗体５０に給電する第１リード部７０Ａ及び第２リード部７０Ｂと、を備えるマイクロヒータ１において、貫通孔１１の表面１０Ｆ側の開口である表面側開口１１Ｆは円形状をなし、発熱抵抗体５０は外周をつないだ第１仮想線ＶＣ１が円周をなすように配設され、前記発熱抵抗体５０に接続された第１リード部７０Ａは第１接続部７１Ａにおいて、第２リード部７０Ｂは第２接続部７１Ｂにおいて、前記発熱抵抗体５０に接続されている。第２接続部７１Ｂは、第１仮想線ＶＣ１の中心である配設中心Ｏと前記第１接続部７１Ａとを結んだ第１半径ＲＡに直交する基準直径線ＲＬについて、第１接続部７１Ａの反対側に位置している。【選択図】図１
Description
本開示は、マイクロヒータ及びガスセンサに関する。
貫通孔を有する基板と、前記貫通孔に張設されてダイヤフラムを形成する薄膜と、前記薄膜に設けられた発熱抵抗体と、を含むマイクロヒータを備えたガスセンサが知られている。このようなマイクロヒータでは、抵抗体発熱時のダイヤフラムにおける熱分布に偏りがあると、温度差に起因する熱応力によって薄膜が破損する可能性がある。また、抵抗体発熱時にダイヤフラムが局所的に高温になると、ストレスマイグレーションによって高温部分が経時劣化し、製品寿命が短くなるという問題が生じる。
例えば下記特許文献１に記載のガスセンサは、開口部（貫通孔）を有するシリコン製の基板と、前記開口部を覆う多層絶縁膜からなるダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上に配線された円形状のヒータと、を有し、前記ヒータを渦巻状に配線するとともに、中心からの距離に応じて配線幅を調整することで、単位面積当たりの発熱量を調整して均熱性の向上を図っている。
例えば下記特許文献１に記載のガスセンサは、開口部（貫通孔）を有するシリコン製の基板と、前記開口部を覆う多層絶縁膜からなるダイヤフラムと、前記ダイヤフラム上に配線された円形状のヒータと、を有し、前記ヒータを渦巻状に配線するとともに、中心からの距離に応じて配線幅を調整することで、単位面積当たりの発熱量を調整して均熱性の向上を図っている。
上記ガスセンサでは、開口部が基板を平面に視て四角形状をなしており、ダイヤフラム中心から基板の開口縁への距離が一定ではない。よって、ダイヤフラムから基板への熱伝導（熱引き）が一様でなくなり、ヒータ発熱時の熱分布に偏りが生じる可能性がある。また、開口縁に特異点となる角部が含まれるため、ダイヤフラムを構成する多層絶縁膜に働く応力が、特定部分に集中する可能性がある。さらに、渦巻状に配線されたヒータの外形は、厳密には楕円周形状をなすため、ダイヤフラム中心から視た熱分布に異方性が生じることも懸念される。
本技術は、上記状況に鑑み、ダイヤフラムにおける熱分布や応力分布の偏りを軽減し、耐久性に優れたマイクロヒータ及びガスセンサを提供することを課題とする。
本開示に係るマイクロヒータは、表面と裏面との間を貫通する貫通孔が設けられた基板と、前記貫通孔の前記表面側を閉じるように前記表面上に配されてダイヤフラムを形成する薄膜と、前記薄膜に配され、給電によって発熱する発熱抵抗体と、前記薄膜に配され、前記発熱抵抗体に給電する一対のリード部と、を備え、前記貫通孔の前記表面側の開口である表面側開口は円形状をなし、前記発熱抵抗体は、当該発熱抵抗体の外周をつないだ第１仮想線が円周をなすように配設され、一対の前記リード部は、前記発熱抵抗体に設けられた第１接続部に接続された第１リード部と、前記発熱抵抗体に設けられた第２接続部に接続された第２リード部と、からなり、前記第２接続部は、前記第１仮想線の中心である配設中心と前記第１接続部とを結んだ第１半径に直交する基準直径線について、前記第１接続部の反対側に位置している、マイクロヒータである。
本開示によれば、ダイヤフラムにおける熱分布や応力分布の偏りを軽減し、耐久性に優れたマイクロヒータ及びガスセンサを提供できる。
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記する。
＜１＞ 本開示のマイクロヒータは、表面と裏面との間を貫通する貫通孔が設けられた基板と、前記貫通孔の前記表面側を閉じるように前記表面上に配されてダイヤフラムを形成する薄膜と、前記薄膜に配され、給電によって発熱する発熱抵抗体と、前記薄膜に配され、前記発熱抵抗体に給電する一対のリード部と、を備え、前記貫通孔の前記表面側の開口である表面側開口は円形状をなし、前記発熱抵抗体は、当該発熱抵抗体の外周をつないだ第１仮想線が円周をなすように配設され、一対の前記リード部は、前記発熱抵抗体に設けられた第１接続部に接続された第１リード部と、前記発熱抵抗体に設けられた第２接続部に接続された第２リード部と、からなり、前記第２接続部は、前記第１仮想線の中心である配設中心と前記第１接続部とを結んだ第１半径に直交する基準直径線について、前記第１接続部の反対側に位置している、マイクロヒータである。
最初に本開示の実施態様を列記する。
＜１＞ 本開示のマイクロヒータは、表面と裏面との間を貫通する貫通孔が設けられた基板と、前記貫通孔の前記表面側を閉じるように前記表面上に配されてダイヤフラムを形成する薄膜と、前記薄膜に配され、給電によって発熱する発熱抵抗体と、前記薄膜に配され、前記発熱抵抗体に給電する一対のリード部と、を備え、前記貫通孔の前記表面側の開口である表面側開口は円形状をなし、前記発熱抵抗体は、当該発熱抵抗体の外周をつないだ第１仮想線が円周をなすように配設され、一対の前記リード部は、前記発熱抵抗体に設けられた第１接続部に接続された第１リード部と、前記発熱抵抗体に設けられた第２接続部に接続された第２リード部と、からなり、前記第２接続部は、前記第１仮想線の中心である配設中心と前記第１接続部とを結んだ第１半径に直交する基準直径線について、前記第１接続部の反対側に位置している、マイクロヒータである。
＜２＞ 上記＜１＞のマイクロヒータにおいて、前記第１リード部及び第２リード部は、前記第１接続部もしくは前記第２接続部から、互いに反対方向に延びるように、前記発熱抵抗体が配設された配設領域の外方に延設されている。
＜３＞ 上記＜１＞又は＜２＞のマイクロヒータにおいて、前記配設中心は、前記基板を平面に視て、前記表面側開口の中心と一致する。
＜４＞ 上記＜１＞から上記＜３＞の何れかに記載のマイクロヒータにおいて、前記発熱抵抗体は、前記第１接続部と前記第２接続部の間を一筆書きで接続する線状のヒータパターンを形成するように配設され、一対の前記リード部は、前記配設中心について互いに点対称となるようにそれぞれ直線状に延びており、前記ヒータパターンは、一対の前記リード部の延びる方向に沿って前記配設中心を通る線状の中心部と、前記第１仮想線と同心の複数の仮想円周上に延びる複数の円弧状部と、一の前記円弧状部の一端部と他の前記円弧状部の一端部とを直線状に接続する直線状部と、を含み、前記第１接続部及び前記第２接続部はそれぞれ、複数の前記円弧状部のうち最も外周に位置する半円弧状の２つの最外周半円弧状部の一端部に設けられ、前記中心部は、複数の前記円弧状部のうち最も内周に位置する２つの最内周円弧状部の一端部に接続されている。
＜５＞ 上記＜４＞に記載のマイクロヒータにおいて、前記ヒータパターンは、複数の前記直線状部を有し、前記第１接続部から前記第１仮想線に沿って一方の前記最外周半円弧状部を形成して前記第２接続部の手前で前記直線状部を介して折り返し、前記仮想円周に沿って前記円弧状部を形成して前記第１リード部の延長線上で前記中心部の一端部に接続される第１パターンと、前記第２接続部から前記第１仮想線に沿って他方の前記最外周半円弧状部を形成して前記第１接続部の手前で前記直線状部を介して折り返し、前記仮想円周に沿って前記円弧状部を形成して前記第２リード部の延長線上で前記中心部の他端部に接続される第２パターンと、を含む。
＜６＞ 上記＜４＞に記載のマイクロヒータにおいて、前記ヒータパターンは、複数の前記直線状部を有し、前記第１接続部から前記第１仮想線に沿って一方の前記最外周半円弧状部を形成して前記第２接続部の手前で前記直線状部を介して折り返し、前記仮想円周に沿って前記円弧状部を形成して前記第１リード部の延長線上で前記直線状部を介して折り返した後に、前記中心部の一端部に接続される第１パターンと、前記第２接続部から前記第１仮想線に沿って他方の前記最外周半円弧状部を形成して前記第１接続部の手前で前記直線状部を介して折り返し、前記仮想円周に沿って前記円弧状部を形成して前記第２リード部の延長線上で前記直線状部を介して折り返した後に、前記中心部の他端部に接続される第２パターンと、を含む。なお、上記において、第１パターンは、前記第１リード部の延長線上で折り返した後に、さらに前記仮想円周に沿って前記円弧状部を形成し、第２リード部の延長線の手前もしくは第１リード部の延長線上で折り返すことを所定回数繰り返した後に、最内周円弧状部を介して前記中心部に接続されるように形成してもよい。上記第２パターンも同様である。
＜７＞ 上記＜４＞から上記＜６＞の何れかに記載のマイクロヒータにおいて、前記ヒータパターンは、複数の前記円弧状部において、前記配設中心に近い前記円弧状部ほど配線幅が大きくなるように形成されている。
＜８＞ 上記＜４＞から上記＜６＞の何れかに記載のマイクロヒータにおいて、一対の前記リード部をそれぞれ前記発熱抵抗体が配設された配設領域の内方に延長した一対の第２仮想線は、何れも前記中心部を通る。
＜９＞ 上記＜４＞から上記＜８＞の何れかに記載のマイクロヒータにおいて、前記ヒータパターンは、前記配設中心について点対称となるように形成されている。
＜１０＞ 上記＜１＞から上記＜９＞の何れかに記載のマイクロヒータを備えたガスセンサ。
［本開示の実施形態の詳細］
本開示のマイクロヒータ及びガスセンサの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、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すべての変更が含まれることが意図される。なお、以下の説明では、図１及び図５における紙面手前上側で図３における上側を上側とするが、マイクロヒータが必ずこのような姿勢で使用されることを意味するものではない。各図面において、複数の同一部材については、一の部材に符号を付して他の部材の符号を省略することがある。また、各図面における部材の相対的な大きさや配置は必ずしも正確ではなく、説明の便宜を考慮して一部の部材の縮尺等を変更しているものがある。以下の説明において、「平行」「直交」は必ずしも厳密にこのような位置関係にあることを要さず、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、「略平行」「略直交」であることを含むものとする。
本開示のマイクロヒータ及びガスセンサの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本開示はこれらの例示に限定されるものではなく、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すべての変更が含まれることが意図される。なお、以下の説明では、図１及び図５における紙面手前上側で図３における上側を上側とするが、マイクロヒータが必ずこのような姿勢で使用されることを意味するものではない。各図面において、複数の同一部材については、一の部材に符号を付して他の部材の符号を省略することがある。また、各図面における部材の相対的な大きさや配置は必ずしも正確ではなく、説明の便宜を考慮して一部の部材の縮尺等を変更しているものがある。以下の説明において、「平行」「直交」は必ずしも厳密にこのような位置関係にあることを要さず、本開示の要旨を逸脱しない限りにおいて、「略平行」「略直交」であることを含むものとする。
＜マイクロヒータ＞
以下、本実施形態に係るマイクロヒータ１を、図１から図５を参照しつつ説明する。
図１に示すように、マイクロヒータ１は、基板１０と、基板１０の表面１０Ｆ上に設けられてダイヤフラムＤＰを形成する薄膜３０と、薄膜３０に配された発熱抵抗体５０と、薄膜３０に配されて発熱抵抗体５０に給電する一対のリード部７０Ａ，７０Ｂと、を備える。
以下、本実施形態に係るマイクロヒータ１を、図１から図５を参照しつつ説明する。
図１に示すように、マイクロヒータ１は、基板１０と、基板１０の表面１０Ｆ上に設けられてダイヤフラムＤＰを形成する薄膜３０と、薄膜３０に配された発熱抵抗体５０と、薄膜３０に配されて発熱抵抗体５０に給電する一対のリード部７０Ａ，７０Ｂと、を備える。
（基板）
基板１０は、絶縁性の材料からなるものであって、例えばシリコン製の基板を用いることができる。基板１０の外形は限定されるものではないが、図１から図３に示すように、例えば平面視で方形の平板状に形成できる。図２の平面図に示すように、本実施形態では、平面視で正方形状をなす基板１０について記載する。
基板１０は、絶縁性の材料からなるものであって、例えばシリコン製の基板を用いることができる。基板１０の外形は限定されるものではないが、図１から図３に示すように、例えば平面視で方形の平板状に形成できる。図２の平面図に示すように、本実施形態では、平面視で正方形状をなす基板１０について記載する。
図３等に示すように、基板１０の中央部には、基板１０の上側の面である表面１０Ｆと、下側の面である裏面１０Ｂとの間を貫通する、円筒形状の貫通孔１１が形成されている。図２に示すように、本実施形態では、表面１０Ｆにおける表面側開口１１Ｆが真円形状をなす貫通孔１１が形成された基板１０について記載する。表面側開口１１Ｆは、正方形状をなす表面１０Ｆの対角線の交点を中心として形成されており、この表面側開口１１Ｆの中心は、基板１０を平面に視て、後述する配設中心Ｏと一致する。なお、図３に示すように、本実施形態では、貫通孔１１は、基板１０を上下方向に真っすぐ貫通するように形成されており、裏面１０Ｂにおける裏面側開口１１Ｂも、表面１０Ｆにおける表面側開口１１Ｆと同様の位置及び形状に形成されているが、このような構成に限定されるものではない。貫通孔１１は、例えば表面側開口１１Ｆから裏面側開口１１Ｂに向かって拡径もしくは縮径するように形成されていてもよい。
（薄膜）
図３等に示すように、基板１０の表面１０Ｆ上には、貫通孔１１の表面１０Ｆ側を閉じるように、換言すれば表面側開口１１Ｆを覆うように、薄膜３０が設けられている。薄膜３０のうち表面側開口１１Ｆに対応する部分が、ダイヤフラムＤＰを構成する。よって、ダイヤフラムＤＰは、配設中心Ｏを中心とする円形状をなす。なお、本実施形態では、基板１０の裏面１０Ｂ側にも、絶縁性の裏面膜４０が設けられている。裏面膜４０の中央部、裏面側開口１１Ｂに対応する箇所には、裏面側開口１１Ｂと同じ形状寸法の開口が設けられている。
図３等に示すように、基板１０の表面１０Ｆ上には、貫通孔１１の表面１０Ｆ側を閉じるように、換言すれば表面側開口１１Ｆを覆うように、薄膜３０が設けられている。薄膜３０のうち表面側開口１１Ｆに対応する部分が、ダイヤフラムＤＰを構成する。よって、ダイヤフラムＤＰは、配設中心Ｏを中心とする円形状をなす。なお、本実施形態では、基板１０の裏面１０Ｂ側にも、絶縁性の裏面膜４０が設けられている。裏面膜４０の中央部、裏面側開口１１Ｂに対応する箇所には、裏面側開口１１Ｂと同じ形状寸法の開口が設けられている。
薄膜３０は、例えば酸化シリコンや窒化シリコンからなる絶縁層を含む。薄膜３０は、単一の材料で形成されていても良いし、図３に示すように、異なる材料が複数の層をなすように形成されていてもよい。図３に示すように、本実施形態に係る薄膜３０は、表面１０Ｆ上に、酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる第１絶縁層３１、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）からなる第２絶縁層３２、酸化シリコン等からなる第３絶縁層３３、窒化シリコンからなる第４絶縁層３４、が順次積層された積層膜からなる。このように積層膜として形成することで、薄膜３０の損傷を低減しながら十分な絶縁性能を確保し、デバイスの信頼性を高めることができる。また、図３に示すように、本実施形態では、裏面膜４０もまた積層膜とされており、裏面１０Ｂに接する側から順に、酸化シリコンからなる第１裏面絶縁層４１、窒化シリコンからなる第２裏面絶縁層４２が順次積層されてなる。なお、以上は薄膜３０及び裏面膜４０の構成の一例であって、薄膜３０及び裏面膜４０がこのような構成に限定されるものではない。
（発熱抵抗体）
図１及び図３等に示すように、薄膜３０には、導電性の発熱抵抗体５０が配設されている。図３に示すように、本実施形態に係る発熱抵抗体５０は、薄膜３０の中間層を構成する第３絶縁層３３の内部に配設されている。発熱抵抗体５０は、例えば白金や金、アルミニウム、銅等の熱伝導率の高い金属を含む材料で形成されることが好ましく、本実施形態では、白金で形成される。発熱抵抗体５０は、給電によって発熱して薄膜３０からなるダイヤフラムＤＰを温めるものであり、その抵抗値が自身の温度変化によって変化する。図２に示すように、基板１０を平面に視て、すなわち表面１０Ｆの法線方向から視て、発熱抵抗体５０は、当該発熱抵抗体５０の外周をつないだ第１仮想線ＶＣ１が真円の円周をなすように配設されている。また、図２及び図３に示すように、基板１０を平面に視て、第１仮想線ＶＣ１の中心すなわち発熱抵抗体５０が配設された配設領域の中心である配設中心Ｏは、表面側開口１１Ｆの中心と一致する。発熱抵抗体５０の配設形状、すなわちヒータパターン６０の詳細形状については、後述する。
図１及び図３等に示すように、薄膜３０には、導電性の発熱抵抗体５０が配設されている。図３に示すように、本実施形態に係る発熱抵抗体５０は、薄膜３０の中間層を構成する第３絶縁層３３の内部に配設されている。発熱抵抗体５０は、例えば白金や金、アルミニウム、銅等の熱伝導率の高い金属を含む材料で形成されることが好ましく、本実施形態では、白金で形成される。発熱抵抗体５０は、給電によって発熱して薄膜３０からなるダイヤフラムＤＰを温めるものであり、その抵抗値が自身の温度変化によって変化する。図２に示すように、基板１０を平面に視て、すなわち表面１０Ｆの法線方向から視て、発熱抵抗体５０は、当該発熱抵抗体５０の外周をつないだ第１仮想線ＶＣ１が真円の円周をなすように配設されている。また、図２及び図３に示すように、基板１０を平面に視て、第１仮想線ＶＣ１の中心すなわち発熱抵抗体５０が配設された配設領域の中心である配設中心Ｏは、表面側開口１１Ｆの中心と一致する。発熱抵抗体５０の配設形状、すなわちヒータパターン６０の詳細形状については、後述する。
（リード部）
図１に示すように、薄膜３０にはまた、第１リード部７０Ａと第２リード部７０Ｂからなる一対のリード部７０Ａ，７０Ｂが配設されている。図３に示すように、本実施形態に係るリード部７０Ａ，７０Ｂは、発熱抵抗体５０と同じく、薄膜３０の中間層を構成する第３絶縁層３３内部に配設されている。リード部７０Ａ，７０Ｂも、例えば白金や金、アルミニウム、銅等の金属を含む材料で形成される。図には表されていないが、例えば第３絶縁層３３及び第４絶縁層３４に形成されたコンタクトホール等を介して、第１リード部７０Ａが外部電源に接続された電極に接続され、第２リード部７０Ｂがグランド電極に接続されることで、発熱抵抗体５０に給電可能とされている。電極は、例えば白金や金等の金属を含む材料で形成できる。
図１に示すように、薄膜３０にはまた、第１リード部７０Ａと第２リード部７０Ｂからなる一対のリード部７０Ａ，７０Ｂが配設されている。図３に示すように、本実施形態に係るリード部７０Ａ，７０Ｂは、発熱抵抗体５０と同じく、薄膜３０の中間層を構成する第３絶縁層３３内部に配設されている。リード部７０Ａ，７０Ｂも、例えば白金や金、アルミニウム、銅等の金属を含む材料で形成される。図には表されていないが、例えば第３絶縁層３３及び第４絶縁層３４に形成されたコンタクトホール等を介して、第１リード部７０Ａが外部電源に接続された電極に接続され、第２リード部７０Ｂがグランド電極に接続されることで、発熱抵抗体５０に給電可能とされている。電極は、例えば白金や金等の金属を含む材料で形成できる。
図２及び図４に示すように、第１リード部７０Ａは、ヒータパターン６０の最外周に設けられた第１接続部７１Ａにおいて、発熱抵抗体５０に接続される。また、第２リード部７０Ｂは、同じくヒータパターン６０の最外周に設けられた第２接続部７１Ｂにおいて、発熱抵抗体５０に接続される。図４に示すように、第２接続部７１Ｂは、配設中心Ｏと第１接続部７１Ａとを結んだ第１半径ＲＡに直交する基準直径線ＲＬについて、第１接続部７１Ａの反対側に位置している。例えば、図４に示すヒータパターン６０では、第１接続部７１Ａが同図において右上方に配されているのに対し、第２接続部７１Ｂは左下方に配されており、左上方から右下方に延びる基準直径線ＲＬについて、第１接続部７１Ａの反対側に位置している。
図２に示すように、第１リード部７０Ａは第１接続部７１Ａから、第２リード部７０Ｂは第２接続部７１Ｂから、それぞれ発熱抵抗体５０の配設領域の外方に向けて、互いに反対方向に延びるように延設されている。なお、本明細書において「反対方向に延びる」には、厳密に反対方向、すなわち両リード部が厳密に平行に延びる場合のみならず、概ね反対方向、すなわち両リード部が概ね反対方向に延びていることが含まれるものとする。本実施形態に係る一対のリード部７０Ａ，７０Ｂは、正方形状をなす表面１０Ｆ上において、対角となる角部（図２において右上及び左下に位置する角部）の近傍に向けて直線状に延びている。本実施形態では、図４に示すように、第１リード部７０Ａと第２リード部７０Ｂは、配設中心Ｏについて点対称となる位置及び形状に配設されている。すなわち、第１リード部７０Ａと第２リード部７０Ｂは互いに平行に延びており、図４に示すように、第１リード部７０Ａを配設領域の内方に延長した第２仮想線ＶＬ２Ａと、第２リード部７０Ｂを配設領域の内方に延長した第２仮想線ＶＬ２Ｂは、互いに平行となる。本実施形態ではまた、第１リード部７０Ａ及び第２リード部が延びる方向Ｄ７０は、表面１０Ｆの一の対角線（図２において右上角部と左下角部とを結ぶ対角線）ＤＬに平行とされており、図４に示すように、対角線ＤＬと第２仮想線ＶＬ２Ａの間隔ｄと、対角線ＤＬと第２仮想線ＶＬ２Ｂの間隔ｄは、互いに等しくなっている。
（ヒータパターン）
本実施形態に係る発熱抵抗体５０は、全体として真円形状をなす配設領域内において、第１接続部７１Ａと第２接続部７１Ｂとの間を一筆書きで接続する線状のヒータパターン６０を形成している。ヒータパターン６０では、発熱抵抗体５０が概ね半周をもって繰り返し折り返して配設されることで、複数の同心円形状が形成されている。以下、ヒータパターン６０の詳細形状について、図２及び図４を参照しつつ説明する。
本実施形態に係る発熱抵抗体５０は、全体として真円形状をなす配設領域内において、第１接続部７１Ａと第２接続部７１Ｂとの間を一筆書きで接続する線状のヒータパターン６０を形成している。ヒータパターン６０では、発熱抵抗体５０が概ね半周をもって繰り返し折り返して配設されることで、複数の同心円形状が形成されている。以下、ヒータパターン６０の詳細形状について、図２及び図４を参照しつつ説明する。
ヒータパターン６０は、図４に示すように、リード部７０Ａ，７０Ｂの延びる方向Ｄ７０に沿って延びて配設中心Ｏを通る中心部６３を有する。本実施形態では、前述のようにリード部７０Ａ，７０Ｂは対角線ＤＬと平行に延びているため、図４に示すように、配設中心Ｏを通って方向Ｄ７０と平行に延びる中心部６３は、対角線ＤＬ上に延びる。そして、中心部６３において当該中心部６３が延びる方向と直交する両側縁は、外周側に膨出されて配設中心Ｏを中心とする円弧をなすように形成されている。換言すれば、本実施形態に係る中心部６３は、図４に示すように、配設中心Ｏを中心とする円形の中心円部６３Ｃと、中心円部６３Ｃから対角線ＤＬ上に延出して中心部６３の両端部を形成する２つの延出部６３Ａ，６３Ｂと、によって形成されている。
ヒータパターン６０はまた、図２等に示すように、第１接続部７１Ａと中心部６３とを接続する第１パターン６１と、第２接続部７１Ｂと中心部６３とを接続する第２パターン６２と、を有する。本実施形態では、図４等に示すように、第１パターン６１と第２パターン６２は、配設中心Ｏを中心とする点対称な形状をなしている。以下では、主として第１パターン６１について説明する。
第１パターン６１は、図４に示すように、第１仮想線ＶＣ１と同心の複数の仮想円周ＶＣ上に延びる複数の円弧状部６５を有する。以下の説明では、第１仮想線ＶＣ１を含む複数の仮想円周ＶＣにおいて、外周側からｎ番目に位置している仮想円周を仮想円周ＶＣｎと表し（ｎは正の整数）、最も内周側に位置している仮想円周を最内仮想円周ＶＣＯと表す。本実施形態では、仮想円周ＶＣ４に相当する仮想円周が、最内仮想円周ＶＣＯとされる。また、以下の説明では、複数の円弧状部６５において、外周側からｎ番目に位置している円弧状部を円弧状部６５－ｎと表し（ｎは正の整数）、最も内周側に位置している円弧状部を最内周円弧状部６５－Ｏと表す。本実施形態では、円弧状部６５－４に相当する仮想円周が、最内周円弧状部６５－Ｏとされる。複数の円弧状部のうち最も外周には、第１仮想線ＶＣ１に沿って形成され半円弧状をなす最外周半円弧状部６５－１が配されている。なお、本明細書において「半円弧状」は、中心角が概ね１８０°である円弧をいうものとする。具体的には、「半円弧状をなす」円弧には、中心角が１７０°以上１８０°未満である円弧、より具体的には、中心角が１７５°以上１７８°以下である円弧が含まれる。
第１パターン６１はまた、図４に示すように、一の円弧状部６５の一端部を、他の円弧状部６５の一端部に接続する直線状部６７を有する。本実施形態に係る第１パターン６１は、複数の直線状部６７を有し、これら複数の直線状部６７は何れも、リード部７０Ａ，７０Ｂが延びる方向Ｄ７０に沿って直線状に延びている。以下の説明では、第１パターン６１に含まれる複数の直線状部６７において、第１仮想線ＶＣ１からこれに最も近い部分までの距離がｎ番目に小さい直線状部６７を６７－ｎと表す（ｎは正の整数）。
図４に示すように、第１パターン６１において、最外周半円弧状部６５－１の一端部が第１接続部７１Ａとされ、ここに第１リード部７０Ａが接続される。また、最内周円弧状部６５－Ｏの一端部が、中心部６３の一端部（一方の延出部６３Ａ）に接続される。なお、第２パターン６２でも同様に、最外周半円弧状部６５－１の一端部が第２接続部７１Ｂとされ、最内周円弧状部６５－Ｏの一端部が中心部６３の他端部（他方の延出部６３Ｂ）に接続される。これにより、第１パターン６１と第２パターン６２とが中心部６３を介して連結され、第１リード部７０Ａと第２リード部７０Ｂとが電気的に接続される。
図４に示すように、本実施形態に係る第１パターン６１は、第１接続部７１Ａから第１仮想線ＶＣ１に沿って最外周半円弧状部６５－１を形成して第２接続部７１Ｂの手前で直線状部６７－１を介して折り返し、仮想円周ＶＣ２に沿って円弧状部６５－２を形成して、第１リード部７０Ａの延長線である第２仮想線ＶＬ２Ａ上で直線状部６７－２を介して折り返されている。本実施形態では、直線状部６７－２を介して折り返された後、さらに、仮想円周ＶＣ３に沿って円弧状部６５－３を形成して、第２リード部７０Ｂの延長線である第２仮想線ＶＬ２Ｂの手前で直線状部６７－３を介して折り返され、最内仮想円周ＶＣＯに沿って最内周円弧状部６５－Ｏを形成してから、第２仮想線ＶＬ２Ａ上で延出部６３Ａに接続されている。
図４に示すように、上記の第１パターン６１において、複数の円弧状部６５の配線幅Ｗ６５は、配設中心Ｏに近い内周側に位置する円弧状部６５ほど大きくなるように形成されている。具体的には、本実施形態ではＷ（６５－１）＜Ｗ（６５－２）＜Ｗ（６５－３）＜Ｗ（６５－Ｏ）とされている。本実施形態ではまた、第１パターン６１に含まれる複数の直線状部６７の配線幅Ｗ６７も、配設中心Ｏに近い内周側に位置する直線状部６７ほど大きくなるように形成されている。具体的には、Ｗ（６７－１）＜Ｗ（６７－２）＜Ｗ（６７－３）とされている。なお、本明細書において「配線幅」は、線状をなすヒータパターンの延在方向に直交する方向における幅をいう。
また、ヒータパターン６０において、中心部６３の延出部６３Ａ，６３Ｂ（中心部６３のうち最も配線幅が小さい部分）における配線幅Ｗ６３は、本実施形態で最も内周側の位置する直線状部６７－３の配線幅Ｗ（６７－３）について、Ｗ６３≧Ｗ（６７－３）を満たしている。また、一対のリード部７０Ａ，７０Ｂは、これらを延長した一対の第２仮想線ＶＬ２Ａ，ＶＬ２Ｂが何れも、中心部６３の延出部６３Ａ，６３Ｂ内を通過するものとされている。換言すれば、延出部６３Ａ，６３Ｂの配線幅Ｗ６３は、図４に示す第２仮想線ＶＬ２Ａ，ＶＬ２Ｂの間隔２ｄについて、Ｗ６３≧２ｄを満たしている。
（マイクロヒータの作製方法）
以下に、上記のようなマイクロヒータ１の作製方法の一例について説明する。まず、平面視で方形をなす平板形状の基板の表面上に、薄膜３０の下層側の一部を、減圧ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ等の既知の手法によって成膜する。このとき、裏面上に裏面膜４０を同様に形成してもよい。続いて、薄膜３０の一部の上に、リード部７０Ａ，７０Ｂ及び発熱抵抗体５０を構成する導電性の金属層を、スパッタリング法やエッチング法等によって上記した位置及び形状にパターン形成する。なお、後述するガス検出素子１７０を製造する場合には、発熱抵抗体５０等と同時に測温抵抗体１５０を形成してもよい。そして、パターン形成した金属層の上から、ＣＶＤ法等によって薄膜３０の残りの上層側の部分を形成する。続いて、薄膜３０の各層の適当な位置に、エッチング法等によってコンタクトホールを形成する。その後、電極等を形成する金属層をスパッタリング法やエッチング法等によってパターン形成し、電極等と発熱抵抗体５０とを電気的に接続する。測温抵抗体１５０を有するガス検出素子１７０を作製する場合は、測温抵抗体１５０用の電極を同時に形成し、測温抵抗体１５０に接続してもよい。続いて、エッチング法等により、裏面膜４０に開口を形成するとともに基板に上記した位置形状の貫通孔１１を設けて、ダイヤフラムＤＰを形成する。以上のように、図１のようなマイクロヒータ１を作製できる。
以下に、上記のようなマイクロヒータ１の作製方法の一例について説明する。まず、平面視で方形をなす平板形状の基板の表面上に、薄膜３０の下層側の一部を、減圧ＣＶＤ法やプラズマＣＶＤ等の既知の手法によって成膜する。このとき、裏面上に裏面膜４０を同様に形成してもよい。続いて、薄膜３０の一部の上に、リード部７０Ａ，７０Ｂ及び発熱抵抗体５０を構成する導電性の金属層を、スパッタリング法やエッチング法等によって上記した位置及び形状にパターン形成する。なお、後述するガス検出素子１７０を製造する場合には、発熱抵抗体５０等と同時に測温抵抗体１５０を形成してもよい。そして、パターン形成した金属層の上から、ＣＶＤ法等によって薄膜３０の残りの上層側の部分を形成する。続いて、薄膜３０の各層の適当な位置に、エッチング法等によってコンタクトホールを形成する。その後、電極等を形成する金属層をスパッタリング法やエッチング法等によってパターン形成し、電極等と発熱抵抗体５０とを電気的に接続する。測温抵抗体１５０を有するガス検出素子１７０を作製する場合は、測温抵抗体１５０用の電極を同時に形成し、測温抵抗体１５０に接続してもよい。続いて、エッチング法等により、裏面膜４０に開口を形成するとともに基板に上記した位置形状の貫通孔１１を設けて、ダイヤフラムＤＰを形成する。以上のように、図１のようなマイクロヒータ１を作製できる。
＜評価実験＞
（実施例：マイクロヒータ１の作製）
基板として、図２に示したように平面視で正方形をなす平板形状のシリコン製基板を準備し、この表面上に、図３に示したようなリード部７０Ａ，７０Ｂ及び発熱抵抗体５０を内部に有する積層膜からなる薄膜３０を形成した。詳しくは、まず、ＣＶＤ法によって基板の表面上にシリコン酸化物からなる第１絶縁層３１及びシリコン窒化物からなる第２絶縁層３２を順次積層形成するとともに、裏面上にシリコン酸化物からなる第１裏面絶縁層４１及びシリコン窒化物からなる第２裏面絶縁層４２を積層して裏面膜４０を形成した。続いて、第２絶縁層３２上に、シリコン酸化物等からなる第３絶縁層３３のうち下層側（第２絶縁層３２側）の一部をＣＶＤ法によって形成した後、白金層をスパッタ法及びエッチング法によりパターン形成して、上記した位置及び形状のリード部７０Ａ，７０Ｂ及び発熱抵抗体５０を形成した。パターニングした白金層の上から、ＣＶＤ法等によって第３絶縁層３３の残りの上層側の部分を形成し、さらにシリコン窒化物からなる第４絶縁層３４を積層形成した。続いて、薄膜３０の各層の適当な位置に、エッチング法等によってコンタクトホールを形成し、金からなる層をスパッタ法及びエッチング法によりパターン形成して、電極を形成して発熱抵抗体５０を電気的に接続した。続いて、エッチング法により、裏面膜４０に開口を形成するとともに基板１０に上記した位置形状の貫通孔１１を設けてダイヤフラムＤＰを形成した。以上によって作製した図１に示すマイクロヒータ１を、実施例の評価試料とした。
（実施例：マイクロヒータ１の作製）
基板として、図２に示したように平面視で正方形をなす平板形状のシリコン製基板を準備し、この表面上に、図３に示したようなリード部７０Ａ，７０Ｂ及び発熱抵抗体５０を内部に有する積層膜からなる薄膜３０を形成した。詳しくは、まず、ＣＶＤ法によって基板の表面上にシリコン酸化物からなる第１絶縁層３１及びシリコン窒化物からなる第２絶縁層３２を順次積層形成するとともに、裏面上にシリコン酸化物からなる第１裏面絶縁層４１及びシリコン窒化物からなる第２裏面絶縁層４２を積層して裏面膜４０を形成した。続いて、第２絶縁層３２上に、シリコン酸化物等からなる第３絶縁層３３のうち下層側（第２絶縁層３２側）の一部をＣＶＤ法によって形成した後、白金層をスパッタ法及びエッチング法によりパターン形成して、上記した位置及び形状のリード部７０Ａ，７０Ｂ及び発熱抵抗体５０を形成した。パターニングした白金層の上から、ＣＶＤ法等によって第３絶縁層３３の残りの上層側の部分を形成し、さらにシリコン窒化物からなる第４絶縁層３４を積層形成した。続いて、薄膜３０の各層の適当な位置に、エッチング法等によってコンタクトホールを形成し、金からなる層をスパッタ法及びエッチング法によりパターン形成して、電極を形成して発熱抵抗体５０を電気的に接続した。続いて、エッチング法により、裏面膜４０に開口を形成するとともに基板１０に上記した位置形状の貫通孔１１を設けてダイヤフラムＤＰを形成した。以上によって作製した図１に示すマイクロヒータ１を、実施例の評価試料とした。
（比較例：マイクロヒータ２０１の作製）
図５のように第１リード部２７０Ａ及び第２リード部２７０Ｂを配置し、また図６Ａに破線で示したヒータパターン２６０を形成するように発熱抵抗体２５０を配設したほかは、実施例と同様にして、シリコン製の基板上に薄膜及び白金層を形成した。続いて、貫通孔等の形状を図５に示すような四角筒状としたほかは、実施例と同様にして、エッチング法により、裏面膜４０に開口を形成するとともに基板２１０に貫通孔２１１を設けてダイヤフラムＤＰを形成した。以上によって作製した図５に示すマイクロヒータ２０１を、比較例の評価試料とした。
図５のように第１リード部２７０Ａ及び第２リード部２７０Ｂを配置し、また図６Ａに破線で示したヒータパターン２６０を形成するように発熱抵抗体２５０を配設したほかは、実施例と同様にして、シリコン製の基板上に薄膜及び白金層を形成した。続いて、貫通孔等の形状を図５に示すような四角筒状としたほかは、実施例と同様にして、エッチング法により、裏面膜４０に開口を形成するとともに基板２１０に貫通孔２１１を設けてダイヤフラムＤＰを形成した。以上によって作製した図５に示すマイクロヒータ２０１を、比較例の評価試料とした。
（電気－伝熱シミュレーション）
マイクロヒータ１，２０１に同じ大きさの電圧を印加したときの、それぞれのダイヤフラムＤＰにおける温度分布をシミュレーションした。比較例のマイクロヒータ２０１について得られた温度コンター図を図６Ａに、実施例のマイクロヒータ１について得られた温度コンター図を図６Ｂに、示す。
マイクロヒータ１，２０１に同じ大きさの電圧を印加したときの、それぞれのダイヤフラムＤＰにおける温度分布をシミュレーションした。比較例のマイクロヒータ２０１について得られた温度コンター図を図６Ａに、実施例のマイクロヒータ１について得られた温度コンター図を図６Ｂに、示す。
（評価結果）
図６Ｂと図６Ａとの比較から明らかであるように、実施例に係るマイクロヒータ１では、比較例に係るマイクロヒータ２０１と比較して、温度分布の偏りが小さく、ダイヤフラムＤＰにおける均熱化が図られている。また、それぞれのヒータの平均温度が同等となるようにしたとき、シミュレーションによって算出された最高温度と最低温度との差は、比較例で８５．９℃であったのに対し、実施例では比較例の半分以下の３９．７℃であった。マイクロヒータ１では、マイクロヒータ２０１に対して均熱性が大きく向上していることが確認された。
図６Ｂと図６Ａとの比較から明らかであるように、実施例に係るマイクロヒータ１では、比較例に係るマイクロヒータ２０１と比較して、温度分布の偏りが小さく、ダイヤフラムＤＰにおける均熱化が図られている。また、それぞれのヒータの平均温度が同等となるようにしたとき、シミュレーションによって算出された最高温度と最低温度との差は、比較例で８５．９℃であったのに対し、実施例では比較例の半分以下の３９．７℃であった。マイクロヒータ１では、マイクロヒータ２０１に対して均熱性が大きく向上していることが確認された。
＜マイクロヒータに関する作用効果＞
以上記載したように、本実施形態に係るマイクロヒータ１は、表面１０Ｆと裏面１０Ｂとの間を貫通する貫通孔１１が設けられた基板１０と、貫通孔１１の表面１０Ｆ側を閉じるように表面１０Ｆ上に配されてダイヤフラムＤＰを形成する薄膜３０と、薄膜３０に配され、給電によって発熱する発熱抵抗体５０と、薄膜３０に配され、発熱抵抗体５０に給電する一対のリード部７０Ａ，７０Ｂと、を備え、貫通孔１１の表面１０Ｆ側の開口である表面側開口１１Ｆは円形状をなし、発熱抵抗体５０は、当該発熱抵抗体５０の外周をつないだ第１仮想線ＶＣ１が円周をなすように配設され、一対のリード部７０Ａ，７０Ｂは、第１接続部７１Ａにおいて発熱抵抗体５０に接続された第１リード部７０Ａと、第２接続部７１Ｂにおいて発熱抵抗体５０に接続された第２リード部７０Ｂと、からなり、第２接続部７１Ｂは、第１仮想線ＶＣ１の中心である配設中心Ｏと第１接続部７１Ａとを結んだ第１半径ＲＡに直交する基準直径線ＲＬについて、第１接続部７１Ａの反対側に位置している。
以上記載したように、本実施形態に係るマイクロヒータ１は、表面１０Ｆと裏面１０Ｂとの間を貫通する貫通孔１１が設けられた基板１０と、貫通孔１１の表面１０Ｆ側を閉じるように表面１０Ｆ上に配されてダイヤフラムＤＰを形成する薄膜３０と、薄膜３０に配され、給電によって発熱する発熱抵抗体５０と、薄膜３０に配され、発熱抵抗体５０に給電する一対のリード部７０Ａ，７０Ｂと、を備え、貫通孔１１の表面１０Ｆ側の開口である表面側開口１１Ｆは円形状をなし、発熱抵抗体５０は、当該発熱抵抗体５０の外周をつないだ第１仮想線ＶＣ１が円周をなすように配設され、一対のリード部７０Ａ，７０Ｂは、第１接続部７１Ａにおいて発熱抵抗体５０に接続された第１リード部７０Ａと、第２接続部７１Ｂにおいて発熱抵抗体５０に接続された第２リード部７０Ｂと、からなり、第２接続部７１Ｂは、第１仮想線ＶＣ１の中心である配設中心Ｏと第１接続部７１Ａとを結んだ第１半径ＲＡに直交する基準直径線ＲＬについて、第１接続部７１Ａの反対側に位置している。
上記構成によれば、発熱抵抗体５０は、表面側開口１１Ｆと同じ円形状をなす領域に配設される。よって、発熱抵抗体の外周縁が表面側開口の開口縁とは異なる形状をなすように配設される構成と比較して、発熱抵抗体５０が発熱したときのダイヤフラムＤＰにおける熱分布が均一化される。また、表面側開口１１Ｆは平面視で円形状をなすため、表面側開口が四角形状をなすような貫通孔が設けられた従来の構成と比較して、ダイヤフラムＤＰを構成する薄膜に働く応力が特定部分に集中し難くなる。さらに、温度特異点となるリード部７０Ａ，７０Ｂが、互いに離れた位置において発熱抵抗体５０に接続されるため、これらによる熱伝導への影響を分散して小さくできる。これらの結果、発熱抵抗体５０が発熱したときに生じる熱応力による薄膜３０の破損を低減し、ストレスマイグレーションによる劣化を軽減して、耐久性に優れたマイクロヒータ１を得ることができる。
また、本実施形態に係るマイクロヒータ１において、第１リード部７０Ａ及び第２リード部７０Ｂは、第１接続部７１Ａもしくは第２接続部７１Ｂから、互いに反対方向に延びるように、発熱抵抗体５０が配設された配設領域の外方に延設されている。
上記構成によれば、第１リード部７０Ａと第２リード部７０Ｂは互いに離れた位置に配設される。よって、リード部７０Ａ，７０Ｂが同じ方向に延びるような構成と比較して、リード部７０Ａ，７０Ｂにおいて発生した熱がダイヤフラムＤＰの均熱性に与える影響を抑制することができる。
また、本実施形態に係るマイクロヒータ１において、配設中心Ｏは、基板１０を平面に視て、表面側開口１１Ｆの中心と一致する。
上記構成によれば、発熱抵抗体５０の円形状をなす配設領域と、同じく円形状をなす表面側開口１１Ｆとが同心となり、発熱抵抗体５０の外周縁から表面側開口１１Ｆの開口縁への距離が一定となる。よって、基板１０への熱伝導が一様となって、ダイヤフラムＤＰにおける均熱性が向上する。また、配設中心Ｏから表面１０Ｆの開口縁への距離が一定となることで、ダイヤフラムＤＰを構成する薄膜３０に働く応力の異方性が一層低減されることが期待できる。
また、本実施形態に係るマイクロヒータ１において、発熱抵抗体５０は、第１接続部７１Ａと第２接続部７１Ｂの間を一筆書きで接続する線状のヒータパターン６０を形成するように配設され、一対のリード部７０Ａ，７０Ｂは、配設中心Ｏについて互いに点対称となるようにそれぞれ直線状に延びており、ヒータパターン６０は、一対のリード部７０Ａ，７０Ｂの延びる方向Ｄ７０に沿って配設中心Ｏを通る線状の中心部６３と、第１仮想線ＶＣ１と同心の複数の仮想円周ＶＣ上に延びる複数の円弧状部６５と、一の円弧状部６５の一端部と他の円弧状部６５の一端部とを直線状に接続する直線状部６７と、を含み、第１接続部７１Ａ及び第２接続部７１Ｂはそれぞれ、複数の円弧状部６５のうち最も外周に位置して半円弧状をなす２つの最外周半円弧状部６５－１の一端部に設けられ、中心部６３は、複数の円弧状部６５のうち最も内周に位置する２つの最内周円弧状部６５－Ｏの一端部に接続されている。
上記構成によれば、発熱抵抗体５０の配設領域が真円形状をなし、複数の円弧状部６５から配設中心Ｏへの距離が一定となるように、ヒータパターン６０を形成可能である。よって、例えばヒータパターンが渦巻状に形成されて配設領域が楕円形状をなす構成と比較して、熱分布の異方性が低減される。また、渦巻状のヒータパターンでは、配線パターンの曲率を無段階的に変化させることが必要であるのに対し、本構成では、各円弧状部６５における曲率及び半径を一定とできるため、配置設計が容易であり、完成品の寸法検査等も簡便に実施可能である。
本実施形態に係るマイクロヒータ１において、ヒータパターン６０は、複数の直線状部６７を有し、第１接続部７１Ａから第１仮想線ＶＣ１に沿って一方の最外周半円弧状部６５－１を形成して第２接続部７１Ｂの手前で直線状部６７－１を介して折り返し、仮想円周ＶＣ２に沿って円弧状部６５－２を形成して第１リード部７０Ａの延長線である第２仮想線ＶＬ２Ａ上で直線状部６７－２を介して折り返した後に、中心部６３の一端部である延出部６３Ａに接続される第１パターン６１と、第２接続部７１Ｂから第１仮想線ＶＣ１に沿って他方の最外周半円弧状部６５－１を形成して第１接続部７１Ａの手前で直線状部６７－１を介して折り返し、仮想円周ＶＣ２に沿って円弧状部６５－２を形成して第２リード部７０Ｂの延長線である第２仮想線ＶＬ２Ｂ上で直線状部６７－２を介して折り返した後に、中心部６３の他端部である延出部６３Ｂに接続される第２パターン６２と、を含む。
第１パターン６１は、直線状部６７－１を介して折り返した後、仮想円周ＶＣ２に沿って円弧状部６５－２を形成して、第２仮想線ＶＬ２Ａ上で中心部６３の延出部６３Ａに接続されるように構成してもよい。第２パターン６２も、円弧状部６５－２を形成して、第２仮想線ＶＬ２Ｂ上で前記中心部６３の延出部６３Ｂに接続されるように構成してもよい。このような構成によれば、ヒータパターンを比較的単純な形状としながら、異方性が小さくなるように発熱抵抗体を配設できる。
本実施形態に係る第１パターン６１は、第１リード部７０Ａの延長線である第２仮想線ＶＬ２Ａ上で直線状部６７－２を介して折り返した後に、さらに仮想円周ＶＣ３に沿って円弧状部６５－３を形成して、第２リード部７０Ｂの延長線である第２仮想線ＶＬ２Ｂの手前で直線状部６７－３を介して折り返し、仮想円周ＶＣ４に沿って円弧状部６５－４を形成して、第２仮想線ＶＬ２Ａ上で中心部６３の一端部である延出部６３Ａに接続されている。第２パターン６２も同様である。すなわち、第１パターン６１は、第２仮想線ＶＬ２Ｂの手前もしくは第２仮想線ＶＬ２Ａ上線上で折り返すことを所定回数繰り返して、第１接続部７１Ａと中心部６３とを接続する。他方、第２パターン６２は、第２仮想線ＶＬ２Ａの手前もしくは第２仮想線ＶＬ２Ｂ上で折り返すことを所定回数繰り返して、第２接続部７１Ｂと中心部６３とを接続するように構成できる。第１パターン６１は、奇数回目の折り返し時には第２リード部７０Ｂの延長線である第２仮想線ＶＬ２Ｂの手前で折り返し、偶数回目の折り返し時には第１リード部７０Ａの延長線である第２仮想線ＶＬ２Ａ上で折り返される。第１パターン６１及び第２パターン６２の折り返し数を変えることにより、目標とするマイクロヒータ１の設定温度等に応じて、ダイヤフラムＤＰにおける熱分布を調整できる。
ヒータパターン６０を上記のように形成する場合、第１パターン６１における折り返し回数と第２パターン６２における折り返し回数、すなわち各パターンに含まれる円弧状部６５の数は、等しいことが好ましい。また、第１パターン６１もしくは第２パターン６２において、最外周半円弧状部６５－１から同回数だけ折り返された後に形成される円弧状部６５は、同じ仮想円周ＶＣ上に形成されることが好ましい。このようにすれば、第１パターン６１における熱分布と、第２パターン６２における熱分布との間の不均衡を小さくできる。
本実施形態に係るマイクロヒータ１において、ヒータパターン６０は、複数の円弧状部６５において、配設中心Ｏに近い円弧状部６５ほど配線幅Ｗ６５が大きくなるように形成されている。
上記構成によれば、発熱抵抗体５０による単位面積当たりの発熱量が、配線領域の中央部分において外周部分よりも小さくなる。配線領域内における単位面積当たりの発熱量を一定とすると中央部分の温度が高くなりがちであるところ、中央部分における単位面積当たりの発熱量が外周部分よりも小さくなっていることで、中央部分の温度上昇が抑えられ、均熱性が向上する。本実施形態にように、ヒータパターン６０が複数の直線状部６７を有している場合、直線状部６７についても、配設中心に近い直線状部６７ほど配線幅Ｗ６７が大きくなるように形成されていることが好ましい。また、ヒータパターン６０の中心部６３における配線幅Ｗ６３も大きいことが好ましい。このようにすれば、配線領域中央部分の温度上昇がさらに抑えられ、均熱性が向上する。
本実施形態に係るマイクロヒータ１において、一対のリード部７０Ａ，７０Ｂをそれぞれ発熱抵抗体５０が配設された配設領域の内方に延長した一対の第２仮想線ＶＬ２Ａ，ＶＬ２Ｂは、何れも中心部６３を通る。
配設中心Ｏについて互いに点対称となるように直線状に設けられる一対のリード部７０Ａ，７０Ｂを延長した一対の第２仮想線ＶＬ２Ａ，ＶＬ２Ｂは、互いに平行な線となる。一対のリード部７０Ａ，７０Ｂを、同一直線上、すなわち配設中心を通る直径線上に延設した場合、ヒータパターン６０における中心部６３の配線幅Ｗ６３を大きくしようとすると、第１接続部７１Ａや第２接続部７１Ｂ、直線状部６７（円弧状部６５の折り返し部分）等の近傍において、発熱抵抗体５０が配されない領域が形成されてしまう。リード部７０Ａ，７０Ｂを互いにシフトさせて、中心部６３を通る一対の第２仮想線ＶＬ２Ａ，ＶＬ２Ｂ上に延設することで、発熱抵抗体５０が配されない領域を増加させることなく中心部６３の配線幅Ｗ６３を確保し、均熱性を向上させることができる。
本実施形態に係るマイクロヒータ１において、ヒータパターン６０は、配設中心Ｏについて点対称となるように形成されている。
上記構成によれば、ヒータパターン６０全体が配設中心Ｏについて点対称とされることで、熱分布の異方性が一層低減され、ダイヤフラムＤＰにおける均熱性が向上する。
＜ガスセンサ＞
上記した本実施形態に係るマイクロヒータ１は、例えばガスセンサ１００に用いることができる。ここでは、被検出雰囲気中に含まれる可燃性の水素ガス等、熱伝導率の高い被検出ガスを検知するための熱伝導式のガスセンサ１００について例示する。ガスセンサ１００は、図７に示すように、例えば上記したマイクロヒータ１を備えるガス検出素子１７０と、制御部１９０と、を備える。ガス検出素子１７０は、ヒータパターン６０を形成するように配設された発熱抵抗体５０を備えるマイクロヒータ１に加え、測温抵抗体１５０を有している。
上記した本実施形態に係るマイクロヒータ１は、例えばガスセンサ１００に用いることができる。ここでは、被検出雰囲気中に含まれる可燃性の水素ガス等、熱伝導率の高い被検出ガスを検知するための熱伝導式のガスセンサ１００について例示する。ガスセンサ１００は、図７に示すように、例えば上記したマイクロヒータ１を備えるガス検出素子１７０と、制御部１９０と、を備える。ガス検出素子１７０は、ヒータパターン６０を形成するように配設された発熱抵抗体５０を備えるマイクロヒータ１に加え、測温抵抗体１５０を有している。
（測温抵抗体）
測温抵抗体１５０は、マイクロヒータ１が設置された空間内における被検出雰囲気（被検出ガスを含む）の温度を検出するためのものである。測温抵抗体１５０は、自身の温度に比例して抵抗値が変化する導電性の材料で形成され、例えばマイクロヒータ１の薄膜３０において、ダイヤフラムＤＰを構成する部分よりも外側の領域に配設できる。測温抵抗体１５０は、発熱抵抗体５０と同様の金属を含む材料（例えば白金）を用いて、発熱抵抗体５０と同じ層（例えば薄膜３０の中間層を構成する第３絶縁層３３）に配設できる。この場合、測温抵抗体１５０も発熱抵抗体５０と同じく、薄膜３０の絶縁層に形成されたコンタクトホール等を介して、一端部が外部電源に接続された電極に、他端部がグランド電極に、それぞれ接続される。
測温抵抗体１５０は、マイクロヒータ１が設置された空間内における被検出雰囲気（被検出ガスを含む）の温度を検出するためのものである。測温抵抗体１５０は、自身の温度に比例して抵抗値が変化する導電性の材料で形成され、例えばマイクロヒータ１の薄膜３０において、ダイヤフラムＤＰを構成する部分よりも外側の領域に配設できる。測温抵抗体１５０は、発熱抵抗体５０と同様の金属を含む材料（例えば白金）を用いて、発熱抵抗体５０と同じ層（例えば薄膜３０の中間層を構成する第３絶縁層３３）に配設できる。この場合、測温抵抗体１５０も発熱抵抗体５０と同じく、薄膜３０の絶縁層に形成されたコンタクトホール等を介して、一端部が外部電源に接続された電極に、他端部がグランド電極に、それぞれ接続される。
（ガス検出素子）
ガス検出素子１７０において、発熱抵抗体５０が温度変化（発熱）によって発熱すると、被検出ガスへの熱伝導が生じる。被検出ガスへの熱伝導によって発熱抵抗体５０から奪われる熱量の大きさは、被検出ガスの濃度に応じて決まる。発熱抵抗体５０及び測温抵抗体１５０は、自身の温度変化によって抵抗値が変化するため、これらの抵抗値の変化に基づいて、被検出ガスの濃度検出が可能となる。
ガス検出素子１７０において、発熱抵抗体５０が温度変化（発熱）によって発熱すると、被検出ガスへの熱伝導が生じる。被検出ガスへの熱伝導によって発熱抵抗体５０から奪われる熱量の大きさは、被検出ガスの濃度に応じて決まる。発熱抵抗体５０及び測温抵抗体１５０は、自身の温度変化によって抵抗値が変化するため、これらの抵抗値の変化に基づいて、被検出ガスの濃度検出が可能となる。
（制御部）
制御部１９０は、ガス検出素子１７０を駆動制御するものであって、例えばマイクロコンピュータ（マイコン）からなる。制御部１９０では、測温抵抗体１５０の抵抗値変化に基づいて被検出ガスの温度が算出される。また、制御部１９０では、検出温度に応じて発熱抵抗体５０に印加する電圧が調整され、発熱抵抗体５０の抵抗値変化に基づいて、被検出雰囲気中に含まれる被検出ガスの濃度が算出される。
制御部１９０は、ガス検出素子１７０を駆動制御するものであって、例えばマイクロコンピュータ（マイコン）からなる。制御部１９０では、測温抵抗体１５０の抵抗値変化に基づいて被検出ガスの温度が算出される。また、制御部１９０では、検出温度に応じて発熱抵抗体５０に印加する電圧が調整され、発熱抵抗体５０の抵抗値変化に基づいて、被検出雰囲気中に含まれる被検出ガスの濃度が算出される。
＜ガスセンサに関する作用効果＞
以上記載したように、本実施形態に係るガスセンサ１００は、本開示に係るマイクロヒータ１を備える。
以上記載したように、本実施形態に係るガスセンサ１００は、本開示に係るマイクロヒータ１を備える。
上記構成によれば、均熱性が高く耐久性に優れたマイクロヒータ１を備えることで、長期間に亘って検出精度を維持可能なガスセンサ１００を得ることができる。本開示に係るマイクロヒータは、例えば熱伝導式ガスセンサに好適に適用できる。
＜他の実施形態＞
（１）上記実施形態のマイクロヒータ１及びガスセンサ１００における各部材を形成する材料はあくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、薄膜３０の膜構成や、発熱抵抗体５０及びリード部７０Ａ，７０Ｂの形成材料等、種々に変更が可能である。また、上記実施形態に記載したマイクロヒータ１の作製方法もあくまで一例であって、これに限定されず、本開示に係るマイクロヒータ１は、種々の公知の手法を用いて作製できる。
（１）上記実施形態のマイクロヒータ１及びガスセンサ１００における各部材を形成する材料はあくまで例示であり、各部材が他の材料により形成されてもよい。例えば、薄膜３０の膜構成や、発熱抵抗体５０及びリード部７０Ａ，７０Ｂの形成材料等、種々に変更が可能である。また、上記実施形態に記載したマイクロヒータ１の作製方法もあくまで一例であって、これに限定されず、本開示に係るマイクロヒータ１は、種々の公知の手法を用いて作製できる。
（２）上記実施形態では、熱伝導式のガスセンサ１００について記載したが、他の測定原理に基づくガスセンサや、他のセンサ等にも適用が可能である。
１，２０１…マイクロヒータ、１０，２１０…基板、１０Ｂ…裏面、１０Ｆ…表面、１１，２１１…貫通孔、１１Ｂ…裏面側開口、１１Ｆ…表面側開口、３０…薄膜、３１…第１絶縁層、３２…第２絶縁層、３３…第３絶縁層、３４…第４絶縁層、４０…裏面膜、４１…第１裏面絶縁層、４２…第２裏面絶縁層、５０，２５０…発熱抵抗体、６０，２６０…ヒータパターン、６１…第１パターン、６２…第２パターン、６３…中心部、６３Ａ，６３Ｂ…延出部、６３Ｃ…中心円部、６５…円弧状部、６５－１…最外周半円弧状部、６５－Ｏ…最内周円弧状部、６７…直線状部、７０Ａ，２７０Ａ…第１リード部、７０Ｂ，２７０Ｂ…第２リード部、７１Ａ…第１接続部、７１Ｂ…第２接続部、１００…ガスセンサ、１５０…測温抵抗体、１７０…ガス検出素子、１９０…制御部、Ｄ７０…リード部の延びる方向、ＤＬ…対角線、ＤＰ…ダイヤフラム、Ｏ…配設中心、ＲＡ…第１半径、ＲＬ…基準直径線、ＶＣ１…第１仮想線、ＶＣ…仮想円周、ＶＣＯ…最内仮想円周、ＶＬ２Ａ，ＶＬ２Ｂ…第２仮想線、Ｗ…配線幅
Claims (10)
- 表面と裏面との間を貫通する貫通孔が設けられた基板と、
前記貫通孔の前記表面側を閉じるように前記表面上に配されてダイヤフラムを形成する薄膜と、
前記薄膜に配され、給電によって発熱する発熱抵抗体と、
前記薄膜に配され、前記発熱抵抗体に給電する一対のリード部と、を備え、
前記貫通孔の前記表面側の開口である表面側開口は円形状をなし、
前記発熱抵抗体は、当該発熱抵抗体の外周をつないだ第１仮想線が円周をなすように配設され、
一対の前記リード部は、
前記発熱抵抗体に設けられた第１接続部に接続された第１リード部と、
前記発熱抵抗体に設けられた第２接続部に接続された第２リード部と、からなり、
前記第２接続部は、前記第１仮想線の中心である配設中心と前記第１接続部とを結んだ第１半径に直交する基準直径線について、前記第１接続部の反対側に位置している、マイクロヒータ。 - 前記第１リード部及び第２リード部は、前記第１接続部もしくは前記第２接続部から、互いに反対方向に延びるように、前記発熱抵抗体が配設された配設領域の外方に延設されている、請求項１に記載のマイクロヒータ。
- 前記配設中心は、前記基板を平面に視て、前記表面側開口の中心と一致する、請求項１又は請求項２に記載のマイクロヒータ。
- 前記発熱抵抗体は、前記第１接続部と前記第２接続部との間を一筆書きで接続する線状のヒータパターンを形成するように配設され、
一対の前記リード部は、前記配設中心について互いに点対称となるようにそれぞれ直線状に延びており、
前記ヒータパターンは、
一対の前記リード部の延びる方向に沿って前記配設中心を通る線状の中心部と、
前記第１仮想線と同心の複数の仮想円周上に延びる複数の円弧状部と、
一の前記円弧状部の一端部と他の前記円弧状部の一端部とを直線状に接続する直線状部と、を含み、
前記第１接続部及び前記第２接続部はそれぞれ、複数の前記円弧状部のうち最も外周に位置して半円弧状をなす２つの最外周半円弧状部の一端部に設けられ、
前記中心部は、複数の前記円弧状部のうち最も内周に位置する２つの最内周円弧状部の一端部に接続されている、請求項１から請求項３の何れか一項に記載のマイクロヒータ。 - 前記ヒータパターンは、複数の前記直線状部を有し、
前記第１接続部から前記第１仮想線に沿って一方の前記最外周半円弧状部を形成して前記第２接続部の手前で前記直線状部を介して折り返し、前記仮想円周に沿って前記円弧状部を形成して前記第１リード部の延長線上で前記中心部の一端部に接続される第１パターンと、
前記第２接続部から前記第１仮想線に沿って他方の前記最外周半円弧状部を形成して前記第１接続部の手前で前記直線状部を介して折り返し、前記仮想円周に沿って前記円弧状部を形成して前記第２リード部の延長線上で前記中心部の他端部に接続される第２パターンと、を含む、請求項４に記載のマイクロヒータ。 - 前記ヒータパターンは、複数の前記直線状部を有し、
前記第１接続部から前記第１仮想線に沿って一方の前記最外周半円弧状部を形成して前記第２接続部の手前で前記直線状部を介して折り返し、前記仮想円周に沿って前記円弧状部を形成して前記第１リード部の延長線上で前記直線状部を介して折り返した後に、前記中心部の一端部に接続される第１パターンと、
前記第２接続部から前記第１仮想線に沿って他方の前記最外周半円弧状部を形成して前記第１接続部の手前で前記直線状部を介して折り返し、前記仮想円周に沿って前記円弧状部を形成して前記第２リード部の延長線上で前記直線状部を介して折り返した後に、前記中心部の他端部に接続される第２パターンと、を含む、請求項４に記載のマイクロヒータ。 - 前記ヒータパターンは、複数の前記円弧状部において、前記配設中心に近い前記円弧状部ほど配線幅が大きくなるように形成されている、請求項４から請求項６の何れか一項に記載のマイクロヒータ。
- 一対の前記リード部をそれぞれ前記発熱抵抗体が配設された配設領域の内方に延長した一対の第２仮想線は、何れも前記中心部を通る、請求項４から請求項７の何れか一項に記載のマイクロヒータ。
- 前記ヒータパターンは、前記配設中心について点対称となるように形成されている、請求項４から請求項８の何れか一項に記載のマイクロヒータ。
- 請求項１から請求項９の何れか一項に記載のマイクロヒータを備えたガスセンサ。
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