JP2023091320A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】素子の熱変形に伴う測定誤差を低減できるガスセンサを提供すること。【解決手段】空洞部を有する基板と、空洞部の上方において基板から延在する２以上の梁部によって支持された検知部と、を有するガスセンサである。検知部は、ヒータと、感応膜と、感応膜と接する一対の対向電極と、を含む積層構造を有している。一対の対向電極は、それぞれ、積層方向と直交する方向に沿って延在し、感応膜の面内方向において所定の間隔で互いに対向している。そして、全ての梁部が、対向電極の延在方向に対して実質的に平行な方向に延在している。【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、エアブリッジ構造を有するガスセンサに関する。

メンブレン状の検知部を基板の空洞部上方に保持させた、エアブリッジ構造を有するガスセンサが知られている。当該ガスセンサでは、ヒータ抵抗により検知部を動作動温度まで加熱して、雰囲気中に存在する対象ガスの濃度を測定する。当該測定に際して、加熱によりメンブレン状の検知部が変形すると、素子変形に伴い、電極間距離（一対の対向電極の間隔）が変動し、測定誤差が生じてしまう。そのため、熱応力による電極間距離の変動を抑制する必要がある。

たとえば、特許文献１は、検知部の内部応力を制御することで、検知部の反りを抑制することを開示している。具体的に、特許文献１では、圧縮応力を有する酸化シリコン膜と、引っ張り応力を有する窒化シリコン膜とを検知部に積層することで、検知部の内部応力を相殺している。ただし、特許文献１の技術では、製造誤差により内部応力のバランスが崩れやすく、十分な変形抑制効果が得られない場合がある。また、膜厚などの寸法、積層膜の材質、電極パターンなどの検知部の設計を変更すると、内部応力のバランスも変化するため、設計変更が困難という問題もある。

また、特許文献２は、検知部の表裏面を貫通する孔やスリットを形成することで、検知部の変形を抑制することを開示している。ただし、特許文献２の技術では、孔やスリットを避けてヒータ抵抗や電極パターンを積層する必要があり、素子設計の自由度が低いという問題がある。

特開平８－２６４８４４号公報 特許第３３７４４９８号

本発明は、上記の実情を鑑みてなされ、その目的は、素子の熱変形に伴う測定誤差を低減できるガスセンサを提供することである。

上記の目的を達成するために、本発明に係るガスセンサは、
空洞部を有する基板と、前記空洞部の上方において前記基板から延在する２以上の梁部によって支持された検知部と、を有し、
前記検知部が、ヒータと、感応膜と、前記感応膜と接する一対の対向電極と、を含む積層構造を有しており、
一対の前記対向電極は、それぞれ、積層方向と直交する方向に沿って延在し、前記感応膜の面内方向において所定の間隔で互いに対向しており、
全ての前記梁部が、前記対向電極の延在方向に対して実質的に平行な方向に延在している。

上記の特徴を有するガスセンサでは、ヒータの加熱により検知部が変形したとしても、電極間距離（一対の対向電極の間隔）の変動を抑制することができる。その結果、素子変形に伴う測定誤差を低減することができる。

前記対向電極の前記延在方向における前記検知部の最大幅Ｗｙ０と、前記対向電極の対向方向における前記検知部の最大幅Ｗｘ０と、が等しくてもよい。
ただし、好ましくは、前記対向電極の前記延在方向における前記検知部の最大幅Ｗｙ０が、前記対向電極の対向方向における前記検知部の最大幅Ｗｘ０よりも広い。そして、一対の前記対向電極および全ての前記梁部が、いずれも、前記検知部の長手方向に沿って延在していることが好ましい。

好ましくは、前記検知部が、前記対向電極の対向方向における前記検知部の幅が部分的に狭まっている幅狭部、を有する。この場合、前記幅狭部は、前記延在方向における前記検知部の中央に位置することが好ましい。

好ましくは、前記素子本体部が、前記延在方向に沿う縁辺の一部において、切り欠き部を有する。この場合、前記切り欠き部は、前記縁辺の中央に位置することが好ましい。

本発明に係るガスセンサは、熱伝導式、接触燃焼式、半導体式、もしくは、固体電解質式のガスセンサとして利用することができる。ガスセンサの駆動方式として、熱伝導式もしくは接触燃焼式を採用する場合には、前記感応膜は、サーミスタ膜であることが好ましい。

図１Ａは、本発明の一実施形態に係るガスセンサ１ａを示す分解斜視図である。 図１Ｂは、図１Ａに示すガスセンサ１ａの平面図である。 図１Ｃは、図１ＢのIC－IC線に沿う断面図である。 図１Ｄは、図１ＢのID－ID線に沿う断面図である。 図２Ａは、従来のガスセンサ１ｂを示す平面図である。 図２Ｂは、従来のガスセンサ１ｃを示す平面図である。 図３は、本発明の他の実施形態に係るガスセンサ１ｄを示す平面図である。 図４は、本発明の他の実施形態に係るガスセンサ１ｅを示す平面図である。 図５Ａは、本発明のガスセンサの変形例を示す平面図である。 図５Ｂは、図５ＡのVB－VB線に沿う断面図である。 図６は、本開示のガスセンサの変形例を示す平面図である。 図７Ａは、本発明のガスセンサの変形例を示す平面図である。 図７Ｂは、本発明のガスセンサの変形例を示す平面図である。 図７Ｃは、本発明のガスセンサの変形例を示す平面図である。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき詳細に説明する。

第１実施形態
第１実施形態では、本発明に係るガスセンサの一例として、図１Ａ～図１Ｄに示す熱伝導式のガスセンサ１ａについて説明する。

図１Ａに示すように、ガスセンサ１ａは、基板５０と、基板５０の上に形成してある膜積層部１０とを有する。ガスセンサ１ａの基板５０は、基板５０の表裏面を貫通する空洞部５５を有しており、中空四角柱状の全体形状を有する。なお、基板５０は、後述するエアブリッジ構造を形成し得る構造を有していればよく、基板５０の形状および寸法は、図１Ａに示す様態に限定されない。

一方、膜積層部１０は、第１絶縁膜２１、ヒータ３、第２絶縁膜２３、一対の検知電極４、感応膜６、および、第３絶縁膜２５を有している。膜積層部１０では、上記の複数の構成膜が、Ｚ軸に沿って記載の順に積層してある。そして、膜積層部１０の上面には、４つのパッド電極８が形成してあり、パッド電極８を介して、図示しない外部回路と、ヒータ３または検知電極４とを電気的に接続できるようになっている。なお、本実施形態において、一対の検知電極４については、第１検知電極４ａおよび第２検知電極４ｂに区別して記載する場合がある。

図１Ｂの平面図に示すように、ガスセンサ１ａの膜積層部１０は、空洞部５５の上方の一部を覆う検知部１２と、基板５０の表面と直に接している周縁部１４と、検知部１２と周縁部１４とを一体的に接続する４本の梁部１６と、を有する。すなわち、ガスセンサ１ａは、検知部１２が、空洞部５５の上方で、基板表面の周縁部１４から延在する４本の梁部１６により支持されたエアブリッジ構造を有している。なお、４本の梁部１６については、第１梁部１６ａ～第４梁部１６ｄに区別して記載する場合がある。単に「梁部１６」と記載する場合は、第１梁部１６ａ～第４梁部１６ｄに共通する特徴について記述していることを意味する。

検知部１２は、Ｘ軸またはＹ軸と平行な４つの縁辺を有し、検知部１２のＸ軸方向の最大幅Ｗｘ０と、検知部１２のＹ軸方向の最大幅Ｗｙ０とが、等しくなっている。すなわち、ガスセンサ１ａの検知部１２は、正方形の平面視形状を有する。ただし、検知部１２の形状は、特に限定されず、検知部１２が、長方形、多角形、円形、楕円形などの平面視形状を有していてもよい。また、Ｗｘ０およびＷｙ０の寸法は、特に限定されず、ガスセンサ１ａの用途や要求仕様に応じて適宜決定すればよい。

なお、ガスセンサ１ａにおける空洞部５５は、検知部１２よりも大きい正方形の平面視形状を有する。ただし、空洞部５５の形状は、エアブリッジ構造を形成できる形状であればよく、図１Ａおよび図１Ｂに示す形状に限定されない。空洞部５５についても、長方形、多角形、円形、楕円形などの平面視形状を有していてもよい。

図１Ｂの平面図は、内部透視図となっており、検知部１２に積層してあるヒータ３および一対の検知電極４が破線で示してある。具体的に、ヒータ３が細い破線で示してあり、一対の検知電極４が太い破線で示してある。

ヒータ３は、図１Ｂに示すように、配線が複数回折り返されて所定の間隔で平行に配置されるミアンダパターン３１を有することが好ましい。このヒータ３のミアンダパターン３１は、検知部１２に積層してあり、対象ガスを検知する際に、検知部１２の温度を作動温度まで加熱する役割を有する。検知部１２に積層してあるヒータ３の配線パターンを、ミアンダパターンとすることで、効率よく均質に検知部１２を加熱することができる。なお、ヒータ３における端部配線３２は、それぞれ、ミアンダパターン３１の末尾から、第２梁部１６ｂまたは第４梁部１６ｄを通って、周縁部１４まで引き出されている。

一対の検知電極４は、同一平面上に積層してあり、それぞれ、対向部４１（対向電極）と、引出部４２と、を有する。第１検知電極４ａの対向部４１、および、第２検知電極４ｂの対向部４１は、いずれも、Ｙ軸と平行な方向に延在している。そして、第１検知電極４ａの対向部４１と第２検知電極４ｂの対向部４１とは、Ｘ軸方向において、所定の電極間距離Ｄ₀で互いに対向している。電極間距離Ｄ₀は、特に限定されず、所望の特性に応じて適宜設定すればよい。たとえば、検知部１２の最大幅Ｗｘ０に対する電極間距離Ｄ₀の比（Ｄ₀／Ｗｘ０）は、０．０２～０．８とすることができ、０．０２～０．３であることが好ましい。なお、第１実施形態の図１Ａ～図１Ｄでは、上記のとおり、Ｘ軸が対向部４１の対向方向であり、Ｙ軸が対向部４１の延在方向であり、Ｚ軸が膜積層部１０における各膜の積層方向である。Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸は、相互に略垂直である。

第１検知電極４ａの引出部４２は、対向部４１の一端から第１梁部１６ａを通って周縁部１４まで引き出されている。第１検知電極４ａと同様に、第２検知電極４ｂの引出部４２は、対向部４１の一端から第３梁部１６ｃを通って周縁部１４まで引き出されている。

図１Ｃに示す断面では、検知部１２は、周縁部１４に接続されておらず、周縁部１４および基板５０から離隔して存在している。このように、検知部１２が空洞部５５の上方で離隔して存在することで、検知部１２の熱容量を、基板５０と接している周縁部１４の熱容量よりも小さくすることができる。また、検知部１２と周縁部１４との断熱性を向上することができる。したがって、エアブリッジ構造を有するガスセンサ１ａでは、ヒータ３により検知部１２を加熱する際に、少ない消費電力で効率よく検知部１２を加熱することができる。

また、図１Ｃに示すように、ヒータ３は、検知部１２において、第１絶縁膜２１と第２絶縁膜２３との間に積層してある。すなわち、ヒータ３は、外部雰囲気に露出しないように、第２絶縁膜２３により覆われている。また、ヒータ３と一対の検知電極４との間に第２絶縁膜２３が積層してあることで、ヒータ３と検知電極４との短絡が抑制されている。

また、図１Ｃに示すように、一対の検知電極４は、いずれも、第２絶縁膜２３の上に積層してある。一対の検知電極４の上には、感応膜６が積層してあり、対向部４１が感応膜６により覆われている。すなわち、第１検知電極４ａの対向部４１と第２検知電極４ｂの対向部４１とは、いずれも、同一平面上において、感応膜６と直に接している。そして、検知部１２の最上層には、第３絶縁膜２５が積層してある。つまり、一対の検知電極４および感応膜６が外部雰囲気に露出しないように、感応膜６が、第３絶縁膜２５により覆われている。

図１Ｄの断面に示すように、周縁部１４には、第１絶縁膜２１、第２絶縁膜２３、および第３絶縁膜２５が積層してある。また、周縁部１４における第３絶縁膜２５の表面には、パッド電極８が形成してある。そして、パッド電極８の下方には、第３絶縁膜２５を貫通するビアホール電極９が形成してある。各検知電極４ａ，４ｂにおける引出部４２の端部は、ビアホール電極９を介して、パッド電極８と電気的に接続している。

なお、ヒータ３の端部配線３２が通る断面は、図示していないが、端部配線３２の端部も、検知電極４の引出部４２と同様に、ビアホール電極９を介して、パッド電極８と電気的に接続している。端部配線３２と接続しているビアホール電極９は、第２絶縁膜２３および第３絶縁膜２５を貫通する電極である。

第１梁部１６ａおよび第３梁部１６ｃでは、図１Ｄに示すように、第１絶縁膜２１～第３絶縁膜２５、検知電極４の引出部４２、および、感応膜６が積層してある。なお、第２梁部１６ｂおよび第４梁部１６ｄの断面は図示していないが、第２梁部１６ｂおよび第４梁部１６ｄでは、第１絶縁膜２１～第３絶縁膜２５、ヒータ３の端部配線３２、および、感応膜６が積層してある。上記のとおり、感応膜６は、検知部１２から各梁部１６に跨って存在しているが、感応膜６は、少なくとも検知部１２に積層してあればよく、梁部１６には、感応膜６が含まれていなくともよい。

本実施形態のガスセンサ１ａでは、各梁部１６ａ～１６ｄの延在方向が、検知電極４の延在方向を基準として定められている。具体的に、４本の梁部１６ａ～１６ｄは、いずれも、対向部４１の延在方向に対して実質的に平行な方向に延在している（図１Ｂ参照）。ここで、「実質的に平行」とは、梁部１６の延在方向と対向部４１の延在方向とがなす角αが、±４５°未満であることを意味する。上記の角度αは、±１０°以下であることが好ましく、±３°以下であることがより好ましく、０°（平行）であることがさらに好ましい。

なお、本実施形態のガスセンサ１ａは、４本の梁部１６を有しているが、梁部１６の数は、２本以上であればよく、特に限定されない。梁部１６の数が多いほど、検知部１２の機械的強度が向上する傾向となる。ただし、梁部１６の数が多いと、検知部１２の熱が梁部１６を介して周縁部１４に伝達され易くなる。そのため、梁部１６の数は、２～４本であることが好ましく、４本であることがより好ましい。

ガスセンサ１ａの梁部１６ａ～１６ｂは、図１Ｂに示すように、それぞれ、検知部１２のＸ軸と平行な縁辺の端部に接続してある。第１梁部１６ａと第２梁部１６ｂとは、対になっており、Ｙ軸方向の同一線上に配置してある。また、第３梁部１６ｃと第４梁部１６ｄとは、対になっており、Ｙ軸方向の同一線上に配置してある。このように、複数の梁部１６は、対向部４１の延在方向に沿う中心線に対して線対称の位置に配置してあることが好ましい。複数の梁部１６をバランスよく配置することで、検知部１２の機械的強度が向上するとともに、検知部１２の変形抑制効果が期待できる。

梁部１６のＸ軸方向の幅は、特に限定されない。たとえば、梁部１６のＸ軸方向の幅は、検知部１２のＸ軸方向の最大幅Ｗｘ０に対して、０．２倍～０．７５倍の範囲内とすることが好ましい。また、梁部１６のＹ軸方向の長さＬ（図１Ｄ参照）も特に限定されない。たとえば、梁部１６のＹ軸方向の長さＬは、検知部１２のＹ軸方向の最大幅Ｗｙ０に対して、０．２倍～０．４倍の範囲内とすることが好ましい。

次に、基板５０や膜積層部１０に含まれる各膜の材質等について詳述する。

基板５０は、膜積層部１０を支持できる程度の機械的強度を有し、かつ、エッチング等の微細加工に適した材料で構成すればよく、基板５０の材質は、特に限定されない。たとえば、基板５０として、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板等シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、もしくは、ガラス基板等を用いることができる。

第１絶縁膜２１、第２絶縁膜２３、および第３絶縁膜２５は、いずれも、絶縁性を有していればよく、その材質は特に限定されない。たとえば、これら第１絶縁膜２１～第３絶縁膜２５の材質は、酸化シリコンもしくは窒化シリコンなどとすることができ、酸化シリコンであることが好ましい。なお、第１絶縁膜２１～第３絶縁膜２５は、それぞれ異なる材料で構成してもよいが、同じ材料で構成することが好ましい。第１絶縁膜２１～第３絶縁膜２５を同じ材料で構成することで、層間の密着性が向上し、検知部１２の機械的強度を確保することができる。

第１絶縁膜２１は、基板５０とヒータ３との間の絶縁性を十分に確保でき、かつ、空洞部５５を形成する際のエッチング停止層として機能する程度の厚みであればよく、第１絶縁膜２１の厚みは、特に限定されない。たとえば、第１絶縁膜２１の厚みは、０．１～１．０μｍ程度とすることが好ましい。

第２絶縁膜２３は、ヒータ３を確実に覆うことができ、かつ、層間の絶縁性を十分に確保できる程度の厚みであればよく、第２絶縁膜２３の厚みは、特に限定されない。たとえば、第２絶縁膜２３は、０．０６～１．２μｍ程度の厚みとすることが好ましい。また、第３絶縁膜２５は、感応膜６を確実に覆うことができ、かつ、層間の絶縁性を十分に確保できる程度の厚みであればよく、第３絶縁膜２５の厚みは、特に限定されない。たとえば、第３絶縁膜２５は、０．０６～１．２μｍ程度の厚みとすることが好ましい。

ヒータ３は、導電性を有し、かつ、比較的高融点の材料で構成してあることが好ましい。このような材料として、たとえば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム(Ｐｄ)、イリジウム（Ｉｒ）、または、上記の元素のうち１種以上を含む合金が例示される。上記の材料のなかでも、白金は、イオンミリング等の高精度なドライエッチングが可能であり、耐腐食性も高いため、ヒータ３は、白金で構成することが好ましい。ヒータ３を白金材料で構成する場合、第１絶縁膜２１に対するヒータ３の密着性を向上させるために、第１絶縁膜２１と白金材料との間にチタン(Ｔｉ)等の密着層を形成することが好ましい。

一対の検知電極４は、いずれも、導電性を有し、かつ、比較的高融点の材料で構成してあることが好ましい。一対の検知電極４についても、ヒータ３と同様に、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム(Ｐｄ)、イリジウム（Ｉｒ）、または、上記の元素のうち１種以上を含む合金で構成することができ、白金で構成することが好ましい。

感応膜６は、温度によって抵抗値が変化する材質で構成すればよい。たとえば、感応膜６は、サーミスタ膜、または白金膜等とすることができ、サーミスタ膜であることが好ましい。また、サーミスタ膜の構成材料としては、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウム等が挙げられる。感応膜６の材質および厚みは、いずれも、検知部１２の初期抵抗値に影響する要素である。そのため、感応膜６の材質および厚みは、検知対象ガスの種類やガスセンサ１ａの用途を鑑みて、所望の初期抵抗値となるように、適宜設定すればよい。

次に、ガスセンサ１ａの製造方法の一例について説明する。

まず、基板５０を準備し、基板５０の一方の主面に、第１絶縁膜２１を成膜する。第１絶縁膜２１の成膜方法としては、熱酸化法、ＣＶＤ法などを用いればよい。そして、第１絶縁膜２１の上に、ヒータ３に含まれる導電性材料の薄膜（導電性薄膜）を形成する。ヒータ３を複数の導電性材料による積層構造（たとえばＴｉ／Ｐｔの積層構造）とする場合、複数の導電性薄膜を積層すればよい。導電性薄膜は、公知の成膜法を用いて形成すればよい。公知の成膜法とは、たとえば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ＰＶＤ法などが挙げられる。導電性薄膜の形成後、エッチングにより当該導電性薄膜のパターニング加工を行い、ミアンダパターンを有するヒータ３を形成する。

次に、ヒータ３を覆うように、第２絶縁膜２３を成膜する。第２絶縁膜２３の成膜方法としては、第１絶縁膜２１と同様の方法を採用すればよい。そして、第２絶縁膜２３の上に、検知電極４を構成する導電性材料の薄膜を形成する。当該導電性薄膜に対して、エッチングによるパターニング加工を施し、図１Ｂに示すようなパターンを有する一対の検知電極４を形成する。

次に、一対の検知電極４を覆うように、感応膜６を成膜する。感応膜６は、感応膜６の材質に応じて、公知の成膜法で形成すればよい。たとえば、感応膜６を複合酸化物のサーミスタ膜とする場合、当該複合酸化物の組成となるように、スパッタリング法により感応膜６を成膜すればよい。感応膜６については、成膜後に、所定の温度および保持時間で熱処理を行い、所定の形状となるようにエッチングする。その後、感応膜６を覆うように、第３絶縁層２５を、第１～第２絶縁膜と同様の方法で成膜する。

なお、第１～第３絶縁膜についても、エッチングによるパターニング加工を施し、図１Ａおよび図１Ｂに示すような梁部を有する形状に加工する。以上の工程により膜積層部１０を形成した後、リフトオフ法などの公知の方法により、パッド電極８およびビアホール電極９を形成する。その後、周縁部１４のＺ軸下方にのみ基板５０が残存するように、基板５０の一部をエッチングにより除去し、空洞部５５を形成する。基板５０のエッチングは、Ｄｅｅｐ－ＲＩＥ法などのドライエッチングや、異方性ウェットエッチングなどが適用できる。以上の方法により、図１Ａ～図１Ｄに示すガスセンサ１ａが得られる。

本実施形態のガスセンサ１ａは、熱伝導式のガスセンサとして利用することができる。熱伝導式のガスセンサ１ａでは、空気とは異なる熱伝導率を有するＣＯ₂，Ｈ₂，Ｈｅ，ＣＯなどのガスを検知対象とする。所定の雰囲気中に存在する検知対象ガスの濃度を測定する際には、検知部１２をヒータ３により作動温度まで加熱する。検知部１２に検知対象ガスが触れると、雰囲気中の検知対象ガスの濃度に応じて、検知部１２の放熱特性が変化する。放熱特性の変化により検知部１２の温度が変わると、サーミスタ膜等で構成される感応膜６の抵抗値が変化する。この抵抗値変化を一対の検知電極４により電気信号として取り出すことで、検知対象ガスの濃度を求めることができる。

（第１実施形態のまとめ）
本実施形態のガスセンサ１ａは、検知部１２が、空洞部５５の上方で、基板５０の表面から延在する４本の梁部１６によって支持された、エアブリッジ構造を有する。検知部１２には、ヒータ３と、感応膜６と、感応膜と接する一対の対向電極（対向部４１）が含まれる。対向部４１は、それぞれ、Ｙ軸方向に沿って延在し、Ｘ軸方向において電極間距離Ｄ₀で互いに対向している。このようなエアブリッジ構造を有するガスセンサ１ａにおいて、全ての梁部１６が、対向部４１の延在方向に対して実質的に平行な方向に延在している。

ガスセンサ１ａが上記の特徴を有することで、検知部１２の変形によって測定誤差が生じることを抑制することができる。当該効果は、電極間距離Ｄ₀の変動と関係していると考えられる。

従来、エアブリッジ構造のガスセンサは、図２Ａに示すような構造を有することが一般的であった。具体的に、比較例に相当する図２Ａのガスセンサ１ｂでは、４本の梁部１６´が、検知部１２の対角線に沿って形成してある。この場合、梁部１６´は、いずれも、対向部４１´の延在方向と交差する方向に延在しており、梁部１６´の延在方向と対向部４１´の延在方向とがなす角が４５°である。

ヒータ３´により検知部１２´を加熱すると、検知部１２´の熱膨張が梁部１６´により遮られる。熱膨張が抑制されると、梁部１６´の間で検知部１２´が圧縮されるように応力が加わり、検知部１２´が変形する。従来のガスセンサ１ｂでは、特に、梁部１６´の延在方向である検知部１２の対角線上に沿って、大きな変形が生じるため、この変形に伴って電極間距離Ｄ₀が変化する（電極間距離Ｄ₀が広がる）。また、電極間距離Ｄ₀は、対向部４１´の中央側よりも端部側で広がる傾向となり、電極間距離Ｄ₀のバラツキが大きくなる。検知部１２´の変形により電極間距離Ｄ₀が変動すると、電極間（一対の対向部間）の抵抗値が変化し、ガス濃度の測定結果に誤差が生じてしまう。

一方で、本実施形態のガスセンサ１ａでは、検知部１２の変形が、梁部１６の延在方向に依存し、異方的になる。具体的に、梁部１６の延在方向であるＹ軸方向では、検知部１２が変形しやすいが、梁部１６が延在していない対向部４１の対向方向（Ｘ軸方向）では、検知部１２が変形し難くなっている。そのため、熱応力により検知部１２が変形したとしても、電極間距離Ｄ₀の変動は抑制でき、電極間距離Ｄ₀のバラツキも低減できる。つまり、検知部１２の変形に伴う抵抗値変化を小さくすることができる。その結果、本実施形態のガスセンサ１ａでは、ガス濃度の測定結果に誤差が生じることを抑制できる。

なお、図２Ｂに示すガスセンサ１ｃは、本実施形態の比較例に相当する。図２Ｂのガスセンサ１ｃでは、第１梁部１６ａ´および第３梁部１６ｃ´は、対向部４１´の延在方向と平行な方向に延在しているが、第２梁部１６ｂ´および第４梁部１６ｄ´は、対向部４１´の延在方向と直交する方向に延在している。このガスセンサ１ｃの場合、検知部１２´の変形は等方的になり、検知部１２´は、対向部４１´の対向方向においても、延在方向と同程度の割合で変形する。つまり、対向部４１´の延在方向に対して±４５°以上の角度で交差する梁部１６´が存在すると、検知部１２´の変形に伴って電極間距離Ｄ₀が変動し、ガス濃度の測定結果に誤差が生じてしまう。

したがって、電極間距離Ｄ₀の変動を抑制し、測定誤差を低減するためには、「全て」の梁部１６が、対向部４１の延在方向に対して実質的に平行な方向に延在している必要がある。なお、梁部１６の延在方向と対向部４１の延在方向とのなす角αが、０°に近いほど、電極間距離Ｄ₀がより変化し難くなり、測定誤差をより小さくすることができる。

第２実施形態
以下、図３に基づいて、第２実施形態に係るガスセンサ１ｄについて説明する。なお、第２実施形態における第１実施形態と共通の構成に関しては、説明を省略し、同様の符号を使用する。

図３に示すように、ガスセンサ１ｄも、第１実施形態のガスセンサ１ａと同様に、エアブリッジ構造を有し、４本の梁部１６の延在方向が、対向部４１の延在方向と実質的に平行となっている。

ガスセンサ１ｄでは、検知部１２の平面視形状が、第１実施形態のガスセンサ１ａとは異なる。具体的に、ガスセンサ１ｄでは、対向部４１の延在方向（図３ではＹ軸方向）における検知部１２の最大幅Ｗｙ０が、対向部４１の対向方向（図３ではＸ軸方向）における検知部１２の最大幅Ｗｘ０よりも広くなっている。すなわち、検知部１２が、Ｙ軸方向を長手方向とする長方形の平面視形状を有する。

上記のようにＷｘ０＜Ｗｙ０を満たす場合、検知部１２の長手方向と、対向部４１の延在方向と、梁部１６の延在方向とが、実質的に平行となる。換言すると、ガスセンサ１ｄでは、一対の対向部４１、および、全ての梁部１６が、いずれも、検知部１２の長手方向に沿って延在している。このように、対向部４１の延在方向と梁部１６の延在方向とを一致させるだけでなく、検知部１２の長手方向も対向部４１および梁部１６の延在方向と一致させることで、検知部１２では、Ｙ軸方向の変形が支配的となる。そして、対向部４１の対向方向であるＸ軸方向では、検知部１２がより変形し難くなり、第１実施形態のガスセンサ１ａよりも電極間距離Ｄ₀の変動を抑制できる。その結果、第２実施形態のガスセンサ１ｄでは、検知部１２の変形による測定誤差をより低減することができる。

なお、対向部４１の延在方向と検知部１２の長手方向とがなす角βは、±１０°以下であることが好ましく、±５°以下であることが好ましく、０°であることがさらに好ましい。同様に、梁部１６の延在方向と検知部１２の長手方向とがなす角γは、±１０°以下であることが好ましく、±５°以下であることが好ましく、０°であることがさらに好ましい。

また、検知部１２における短手幅に対する長手幅の比（Ｗｙ０／Ｗｘ０）は、１．０超過２．０以下であることが好ましく、１．２以上１．８以下であることがより好ましい。Ｗｙ０／Ｗｘ０を上記の範囲内とすることで、検知部１２の機械的強度を十分に確保しつつ、電極間距離Ｄ₀の変動を抑制できる。

なお、第２実施形態において、検知部１２の形状は必ずしも長方形には限定されない。検知部１２は、Ｗｘ０＜Ｗｙ０を満たしていればよく、楕円形、多角形などの平面視形状を有していてもよい。

第３実施形態
以下、図４に基づいて、第３実施形態に係るガスセンサ１ｅについて説明する。なお、第３実施形態における第１～第２実施形態と共通の構成に関しては、説明を省略し、同様の符号を使用する。

図４に示すように、ガスセンサ１ｅは、検知部１２が４本の梁部１６により支持されているエアブリッジ構造を有している。そして、第２実施形態のガスセンサ１ｄと同様に、ガスセンサ１ｅにおいても、検知電極４の対向部４１および４本の梁部１６が、検知部１２の長手方向に沿って延在している。

第３実施形態では、検知部１２の４つの縁辺を、以下に示すように区別して記載する。具体的に、第１梁部１６ａと第２梁部１６ｂとの間に位置する縁辺を第１縁辺１２ａとし、第３梁部１６ｃと第４梁部１６ｄとの間に位置する縁辺を第２縁辺１２ｂとし、第２梁部１６ｂと第３梁部１６ｃとの間に位置する縁辺を第３縁辺１２ｃとし、第１梁部１６ａと第４梁部１６ｄとの間に位置する縁辺を第４縁辺１２ｄとする。第１縁辺１２ａおよび第２縁辺１２ｂは、対向部４１の延在方向（Ｙ軸方向）と平行であり、第３縁辺１２ｃと第４縁辺１２ｄは、対向部４１の対向方向（Ｘ軸方向）と平行である。なお、第１縁辺１２ａおよび第２縁辺１２ｂは、対向部４１の対向方向と交差する縁辺でもある。

ガスセンサ１ｅの検知部１２は、対向部４１の延在方向に沿う縁辺（１２ａ，１２ｂ）の一部において、切り欠き部７１を有する。具体的に、第１縁辺１２ａの中央に切り欠き部７１が形成してあり、第２縁辺１２ｂの中央にも切り欠き部７１が形成してある。この切り欠き部７１は、検知部１２の一部が切り取られるようにして欠落している領域である。

なお、切り欠き部７１は、縁辺の中央からずれた位置に形成してあってもよいが、図４に示すように縁辺の中央に位置することが好ましい。また、切り欠き部７１は、第１縁辺１２ａと第２縁辺１２ｂのいずれか一方にのみ形成してあってもよい。ただし、図４に示すように、第１縁辺１２ａと第２縁辺１２ｂの両方に切り欠き部を形成することが好ましく、第１縁辺側の切り欠き部７１と第２縁辺側の切り欠き部７１とが、対になるように、Ｘ軸方向で同一直線上に配置してあることが好ましい。

ガスセンサ１ｅの検知部１２には、切り欠き部７１により、幅狭部７０が形成されている。幅狭部７０は、検知部１２においてＸ軸方向の幅が部分的に狭まっている領域であり、図４においてグレーの網掛けで示してある。換言すると、幅狭部７０は、検知部１２がＸ軸方向の内側に向かって部分的に括れている領域である。幅狭部７０は、対向部４１の延在方向における検知部１２の中央に位置することが好ましい。

検知部１２に切り欠き部７１や幅狭部７０を形成することで、検知部１２の熱膨張によって生じる応力を緩和でき、電極間距離Ｄ₀の変動をより効果的に抑制することができる。なお、検知部１２に加わる応力は、梁部と梁部の間の中央部分（すなわち縁辺の中央部分）に集中し易い。そのため、縁辺の中央に切り欠き部７１を形成することで、検知部１２の変形をより効果的に抑制することができる。同様に、Ｙ軸方向の中央に幅狭部７０を形成することで、検知部１２の変形をより効果的に抑制することができる。

また、切り欠き部７１は、筋状のスリットではなく、所定の大きさを有していることが好ましい。筋状のスリットでは、反ってスリット部分に応力が集中する恐れがあるためである。切り欠き部７１のＸ軸方向の最大幅Ｗｘ２は、検知電極４の対向部４１に達しない程度の幅であればよく、たとえば、検知部１２の最大幅Ｗｘ０に対するＷｘ２の比Ｗｘ２／Ｗｘ０は、０．０５～０．１５であることが好ましく、０．０５～０．１であることがより好ましい。

また、切り欠き部７１のＹ軸方向の最大幅をＷｙ１とすると、検知部１２の最大幅Ｗｙ０に対するＷｙ１の比Ｗｙ１／Ｗｙ０は、０．１５～０．５であることが好ましく、０．１５～０．２であることがより好ましい。なお、図４に示す切り欠き部７１は、楔形のような三角形の平面視形状を有しているが、切り欠き部７１の形状は特に限定されない。たとえば、切り欠き部７１は、切り欠き部分の縁辺が円弧状となるような、半円形や半楕円形の平面視形状を有していてもよい。

幅狭部７０のＸ軸方向の最小幅Ｗｘ１は、電極間距離Ｄ₀の設定値に応じて決定すればよい。たとえば、検知部１２の最大幅Ｗｘ０に対するＷｘ１の比Ｗｘ１／Ｗｘ０は、０．８５～０．９５であることが好ましく、０．９０～０．９５であることがより好ましい。なお、幅狭部７０のＹ軸方向の幅は、切り欠き部７１のＹ軸方向の最大幅Ｗｙ１と同様に設定すればよい。

なお、第１縁辺１２ａにおける切り欠き部７１と、第２縁辺１２ｂにおける切り欠き部７１とは、互いに異なる形状や寸法を有していてもよいが、同様の形状および寸法を有していることが好ましい。また、切り欠き部は、第３縁辺１２ｃおよび第４縁辺１２ｄにも形成してあってもよい。

以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明は、上述した実施形態に限定されず、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

（変形例）
たとえば、上記の実施形態では、熱伝導式のガスセンサについて説明したが、本発明に係るガスセンサは、接触燃焼式、半導体式、もしくは、固体電解質式のガスセンサであってもよい。

図５Ａおよび図５Ｂに示すガスセンサ１ｆが、接触燃焼式のガスセンサの一例である。ガスセンサ１ｆは、エアブリッジ構造の膜積層部１０を有しており、膜積層部１０に含まれる各膜（３，４，６，２１～２３）の構成は、第１実施形態のガスセンサ１ａと同様とすることができる。ガスセンサ１ｆでは、膜積層部１０の検知部１２の上に、触媒部８０が形成してある。

触媒部８０は、触媒材料を担持した多孔質状の担体材料により構成することができる。担体材料としては、たとえば、酸化アルミニウム（γアルミナ等）、酸化チタン、酸化シリコン、酸化セリウム等の酸化物材料を用いることができる。触媒材料としては、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）等の貴金属、または、希土類元素酸化物、ビスマス酸化物等の金属酸化物を用いることができる。触媒部８０の大きさは、検知部１２に対する触媒部８０の体積比が、１０以上４０以下となるように制御することが好ましい。また、触媒部８０は、原料ペーストを、スクリーン印刷やディスペンサを用いた吐出等により、検知部１２の上に塗布し、所定の温度で熱処理することで、形成することができる。

接触燃焼式のガスセンサ１ｆでは、ＣＯなどの可燃性ガスの濃度を測定することができる。測定時には、ヒータ３により検知部１２を所定の温度に加熱する。この際、ガスセンサ１ｆが配置された空間に、検知対象である可燃性ガスが存在すると、その存在割合に応じて、触媒部８０の上で可燃性ガスと酸素等が結合し燃焼する。触媒部８０は可燃性ガスと酸素の結合を促進する役割を有する。可燃性ガスの燃焼によって生じた燃焼熱（反応熱）が、サーミスタ膜などで構成される感応膜６に伝達されると、感応膜６の抵抗値が変化する。この抵抗値変化を一対の検知電極４により電気信号として取り出すことで、可燃性ガスの濃度を求めることができる。

このような接触燃焼式のガスセンサ１ｆにおいても、梁部１６の延在方向を、検知電極４の延在方向と実質的に平行な方向とすることで、電極間距離の変動を抑制でき、第１実施形態と同様の効果が得られる。

なお、本発明を半導体式のガスセンサに適用する場合には、感応膜６をＳｎＯ₂，ＺｎＯ，Ｉｎ₂Ｏ₃などの金属酸化物の半導体膜とすればよい。また、本発明を固体電解質式のガスセンサに適用する場合には、感応膜６を、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）やリチウムイオン導電性固体電解質などで構成される固体電解質膜とすればよい。固体電解質式のガスセンサの場合、一対の検知電極４の一方を作用電極とし、他方を参照電極とすればよい。作用電極には、白金、金、パラジウム、銀などの電子伝導材料と、アルカリ金属炭酸塩やアルカリ土類金属炭酸塩などの補助電極物質が含まれ、参照電極は、白金、金、パラジウム、銀などの電子伝導材料で構成すればよい。

第１～第３実施形態では、検知部１２が略矩形の平面視形状を有していたが、検知部の平面視形状は、図６に示すように円形であってもよい。図６のガスセンサ１ｇでは、円形の平面視形状を有する検知部１３が、４本の梁部１６により支持されている。円形の検知部１３を有するガスセンサ１ｇにおいても、梁部１６の延在方向を、対向部４１の延在方向と実質的に平行とすることで、電極間距離Ｄ₀の変動を抑制でき、第１実施形態のガスセンサ１ａと同様の効果が得られる。

また、ガスセンサ１ｇの検知部１３は、対向部４１の延在方向に沿う円弧状の第１縁辺１３ａおよび第２縁辺１３ｂにおいて、切り欠き部７１が形成してある。また、ガスセンサ１ｇにおける検知部１３の一部は、Ｘ軸方向の内側に向かって括れており、検知部１３の径方向の幅が部分的に狭まるように幅狭部７０が存在する。なお、「径方向の幅」とは、円の中心点をとおる幅であり、幅狭部７０の径方向における最小幅Ｗｘ３が、検知部１３の直径や最大幅Ｗｘ０よりも小さくなっている。Ｗｘ３は、第３実施形態のＷｘ１と同様にして設定すればよく、Ｗｘ３／Ｗｘ０は、０．８５～０．９５であることが好ましく、０．９０～０．９５であることがより好ましい。検知部１３が円形の場合においても、切り欠き部７１または／および幅狭部７０を形成することにより、検知部１３の変形を緩和することができ、第３実施形態のガスセンサ１ｅと同様の効果が得られる。

第１～第３実施形態では、梁部１６の本数が、４本であったが、梁部１６は、少なくとも２本形成してあればよい。検知部１２を２本の梁部１６で支持する場合、ガスセンサは、たとえば、図７Ａまたは図７Ｂに示すような構造とすることができる。

図７Ａのガスセンサ１ｈでは、第１梁部１６ａが、対向部４１の対向方向と平行な第４縁辺１２ｄの中央に接続してあり、第２梁部１６ｂが、対向部４１の対向方向と平行な第３縁辺１２ｃの中央に接続してある。このように梁部１６の本数が２本の場合であっても、梁部１６の延在方向が対向部４１の延在方向と平行であれば、電極間距離Ｄ₀の変動を抑制でき、第１実施形態のガスセンサ１ａと同様の効果が期待できる。ただし、ガスセンサ１ａと図７Ａのガスセンサ１ｈとを、比較すると、ガスセンサ１ｈよりもガスセンサ１ａのほうが、電極間距離Ｄ₀の変動をより低減でき、かつ、検知部１２の機械的強度を高めることができる。

図７Ｂのガスセンサ１ｉでは、検知電極４の対向部４１が、検知部１２の縁辺と約４５°の角度で交差する方向に延在している。そして、第１梁部１６ａが、検知部１２の第１角部１２ｅに接続してあり、第２梁部１６ｂが、検知部１２の第３角部１２ｇに接続してある。ガスセンサ１ｉにおいても、第１梁部１６ａおよび第２梁部１６ｂは、いずれも、対向部４１の延在方向と平行な方向に延在している。

ガスセンサ１ｉでは、第２角部１２ｆから第４角部１２ｈまでの距離が、対向部４１の対向方向における検知部１２の最大幅Ｗｘ０に相当する。また、第１角部１２ｅから第３角部１２ｇまでの距離（すなわち第１梁部１６ａから第２梁部１６ｂまでの距離）が、対向部４１の延在方向における検知部１２の最大幅Ｗｙ０に相当し、Ｗｘ０≒Ｗｙ０を満たす。

図７Ｂに示すように、対向部４１の延在方向が検知部１２の縁辺と交差している場合であっても、第１実施形態のガスセンサ１ａと同様の効果が期待できる。ただし、ガスセンサ１ａと図７Ｂのガスセンサ１ｉとを、比較すると、ガスセンサ１ｉよりもガスセンサ１ａのほうが、電極間距離Ｄ₀の変動をより低減でき、かつ、検知部１２の機械的強度を高めることができる。

また、変形例として、ガスセンサが、図７Ｃに示すような構造を有していてもよい。図７Ｃのガスセンサ１ｊでは、対向部４１が、検知部１２の対角線方向に沿って延在している。そして、４本の梁部１６は、それぞれ、対応する縁辺の中央に接続してあり、縁辺の中央から対向部４１の延在方向に沿って延びている。このような構造のガスセンサ１ｊにおいても、対向部４１の延在方向と梁部１６の延在方向とが平行であるため、電極間距離Ｄ₀の変動を抑制できる。

１ａ～１ｊ … ガスセンサ
１０ … 膜積層部
１２，１３ … 検知部
１２ａ～１２ｄ，１３ａ～１３ｄ … （検知部の）縁辺
１２ｅ～１２ｈ … （検知部の）角部
１４ … 周縁部
１６，１６ａ～１６ｄ … 梁部
７０ … 幅狭部
７１ … 切り欠き部
３ … ヒータ
３１ … ミアンダパターン
３２ … 端部配線
４，４ａ，４ｂ … 検知電極
４１ … 対向部（対向電極）
４２ … 引出部
６ … 感応膜
８ … パッド電極
９ … ビアホール電極
２１，２３，２５ … 絶縁膜
８０ … 触媒部
５０ … 基板
５５ … 空洞部

Claims (8)

1. 空洞部を有する基板と、前記空洞部の上方において前記基板から延在する２以上の梁部によって支持された検知部と、を有し、
   前記検知部が、ヒータと、感応膜と、前記感応膜と接する一対の対向電極と、を含む積層構造を有しており、
   一対の前記対向電極は、それぞれ、積層方向と直交する方向に沿って延在し、前記感応膜の面内方向において所定の間隔で互いに対向しており、
   全ての前記梁部が、前記対向電極の延在方向に対して実質的に平行な方向に延在しているガスセンサ。
2. 前記対向電極の前記延在方向における前記検知部の最大幅Ｗｙ０と、前記対向電極の対向方向における前記検知部の最大幅Ｗｘ０と、が等しい請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記対向電極の前記延在方向における前記検知部の最大幅Ｗｙ０が、前記対向電極の対向方向における前記検知部の最大幅Ｗｘ０よりも広く、
   一対の前記対向電極および全ての前記梁部が、いずれも、前記検知部の長手方向に沿って延在している請求項１に記載のガスセンサ。
4. 前記検知部が、前記対向電極の対向方向における前記検知部の幅が部分的に狭まっている幅狭部、を有する請求項１～３のいずれかに記載のガスセンサ。
5. 前記幅狭部が、前記延在方向における前記検知部の中央に位置する請求項４に記載のガスセンサ。
6. 前記検知部が、前記延在方向に沿う縁辺の一部において、切り欠き部を有する請求項１～３のいずれかに記載のガスセンサ。
7. 前記切り欠き部が、前記縁辺の中央に位置する請求項６に記載のガスセンサ。
8. 前記感応膜が、サーミスタ膜である請求項１～７のいずれかに記載のガスセンサ。

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