JP2024086564A - Gas Sensors - Google Patents

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JP2024086564A
JP2024086564A JP2023150361A JP2023150361A JP2024086564A JP 2024086564 A JP2024086564 A JP 2024086564A JP 2023150361 A JP2023150361 A JP 2023150361A JP 2023150361 A JP2023150361 A JP 2023150361A JP 2024086564 A JP2024086564 A JP 2024086564A
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insulating film
heater
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gas sensor
gas
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JP2023150361A
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誠 柴田
志津子 小野
拓己 松尾
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TDK Corp
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TDK Corp
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Abstract

【課題】簡易なプロセスで製造可能であって、良好な検出安定性および検出応答性を奏するガスセンサを提供する。
【解決手段】キャビティが形成される基材と、前記基材における前記キャビティの周縁部であるキャビティ周縁部に接続する複数の梁部と、前記梁部を介して前記キャビティ上に保持される第1絶縁膜メンブレン部と、を有する第1の絶縁膜と、前記第1の絶縁膜の上側に積層する第2の絶縁膜と、前記第1絶縁膜メンブレン部の上側に設けられるヒーター部と、前記第1絶縁膜メンブレン部と前記第2の絶縁膜との間に設けられ、上方から見て前記ヒーター部より前記第1絶縁膜メンブレン部の中心側に配置され、上側を向く平坦面を形成する平坦部と、前記平坦部の上側に少なくとも前記第2の絶縁膜を介して配置され、前記平坦面より狭い面積を有するガス検出部と、を有するガスセンサ。
【選択図】図6

A gas sensor that can be manufactured by a simple process and has good detection stability and detection responsiveness is provided.
[Solution] A gas sensor comprising: a substrate in which a cavity is formed; a first insulating film having a plurality of beam portions connected to a cavity periphery, which is the periphery of the cavity in the substrate, and a first insulating film membrane portion held on the cavity via the beam portions; a second insulating film stacked on the upper side of the first insulating film; a heater portion provided on the upper side of the first insulating film membrane portion; a flat portion provided between the first insulating film membrane portion and the second insulating film, positioned toward the center of the first insulating film membrane portion relative to the heater portion when viewed from above, and forming a flat surface facing upward; and a gas detection portion positioned above the flat portion via at least the second insulating film, and having an area narrower than the flat surface.
[Selected Figure] Figure 6

Description

本発明はガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor.

ガスセンサは、雰囲気中に存在するガスを検知し、その種類、濃度等の情報を電気信号に変換して出力する装置である。このようなガスセンサは、家電機器、産業用機器、環境モニタリング機器等に搭載され、人間、環境等に対して影響を及ぼす特定のガスの濃度を検知するために用いられている。 A gas sensor is a device that detects gases present in the atmosphere and converts information such as the type and concentration of the gas into an electrical signal and outputs it. Such gas sensors are installed in home appliances, industrial equipment, environmental monitoring equipment, etc., and are used to detect the concentration of specific gases that have an impact on humans, the environment, etc.

ガスセンサとしては、検知するガスの種類、濃度範囲、精度、動作原理、構成材料等の違いにより様々な検知方式が知られている。そのなかでも、検出部と、検出部周辺の温度を制御するためのヒーターとを組み合わせたものが、温度影響による誤差を低減できるセンサとして、開発が進められている。 There are a variety of gas sensor detection methods known, differing in the type of gas to be detected, concentration range, accuracy, operating principle, and constituent materials. Among these, a sensor that combines a detection unit with a heater to control the temperature around the detection unit is being developed as a sensor that can reduce errors caused by temperature effects.

たとえば、従来技術に係るガスセンサの1つとして、メンブレンの外周部にヒーター線を配置し、メンブレンの内側部分に検出電極を配置するものがある(たとえば、特許文献1等参照)。このようなガスセンサでは、メンブレンの中央付近にはヒーター線からの熱が伝わりづらいため、検出電極周辺の温度分布の不均一性が大きくなり、検出安定性に悪影響が生じる場合がある。一方、メンブレンにおいて、ヒーター線と検出電極を層状に重ね合わせる技術も提案されている(たとえば、特許文献2等参照)。このような技術では、下層のヒーター線のパターン形状による凹凸により、上層の検出電極を平坦な面の上に形成することが難しいため、検出電極の形状に局所的な歪みが生じやすく、検出信号が不安定になって検出応答性が低下する課題がある。また、ヒーター線と検出電極を層状に重ね合わせる技術では、CMPなどにより中間層を平坦化する対応も考えられるが、このような対応を行う場合、プロセスのリードタイムの増加およびコストアップにつながる問題がある。 For example, one of the conventional gas sensors has a heater wire arranged on the outer periphery of the membrane and a detection electrode arranged on the inner part of the membrane (see, for example, Patent Document 1, etc.). In such a gas sensor, since heat from the heater wire is not easily transmitted near the center of the membrane, the temperature distribution around the detection electrode becomes uneven, which may adversely affect the detection stability. On the other hand, a technique for overlapping the heater wire and the detection electrode in layers in the membrane has also been proposed (see, for example, Patent Document 2, etc.). In such a technique, it is difficult to form the detection electrode in the upper layer on a flat surface due to the unevenness caused by the pattern shape of the heater wire in the lower layer, so there is a problem that the shape of the detection electrode is easily locally distorted, making the detection signal unstable and reducing the detection response. In addition, in the technique for overlapping the heater wire and the detection electrode in layers, it is possible to planarize the intermediate layer by CMP, etc., but such an approach leads to problems of increased process lead time and increased costs.

特許第6960645号明細書Patent No. 6960645 特許第6877397号明細書Patent No. 6877397

本発明は、このような実状に鑑みてなされ、簡易なプロセスで製造可能であって、良好な検出安定性および検出応答性を奏するガスセンサを提供する。 The present invention has been made in consideration of these circumstances, and provides a gas sensor that can be manufactured using a simple process and has good detection stability and detection responsiveness.

本発明に係るガスセンサは、
キャビティが形成される基材と、
前記基材における前記キャビティの周縁部であるキャビティ周縁部に接続する複数の梁部と、前記梁部を介して前記キャビティ上に保持される第1絶縁膜メンブレン部と、を有する第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜の上側に積層する第2の絶縁膜と、
前記第1絶縁膜メンブレン部の上側に設けられるヒーター部と、
前記第1絶縁膜メンブレン部と前記第2の絶縁膜との間に設けられ、上方から見て前記ヒーター部より前記第1絶縁膜メンブレン部の中心側に配置され、上側を向く平坦面を形成する平坦部と、
前記平坦部の上側に少なくとも前記第2の絶縁膜を介して配置され、前記平坦面より狭い面積を有するガス検出部と、を有する。
The gas sensor according to the present invention comprises:
a substrate in which a cavity is formed;
a first insulating film having a plurality of beam portions connected to a cavity periphery that is a periphery of the cavity in the base material, and a first insulating film membrane portion held on the cavity via the beam portions;
a second insulating film laminated on an upper side of the first insulating film;
a heater section provided on an upper side of the first insulating film membrane section;
a flat portion provided between the first insulating film membrane portion and the second insulating film, disposed closer to the center of the first insulating film membrane portion than the heater portion when viewed from above, and forming a flat surface facing upward;
The gas detector has a gas detection portion disposed above the flat portion with at least the second insulating film interposed therebetween, the gas detection portion having an area smaller than that of the flat surface.

このようなガスセンサは、ヒーター部の内側に平坦面を有する平坦部が形成されており、第2の絶縁膜を介して、平坦部の上に、平坦面より狭い面積を有するガス検出部が形成されている。そのため、ガス検出部は下層の形状による凹凸の影響を受けずに精度よく形成することができ、良好な応答性を奏することができる。また、平坦部は平面方向に略均一な厚みで形成すればよいため、このようなガスセンサは、簡易なプロセスで製造可能であって、プロセス効率も良好である。また、ヒーター部の熱は、第2の絶縁膜や平坦部等介してガス検出部に伝えられるためガス検出部における局所的な温度ばらつきが小さくなり、ガスセンサの検出安定性も良好である。 In this type of gas sensor, a flat portion having a flat surface is formed inside the heater portion, and a gas detection portion having an area smaller than that of the flat portion is formed on the flat portion via a second insulating film. Therefore, the gas detection portion can be formed with high precision without being affected by unevenness due to the shape of the lower layer, and good responsiveness can be achieved. Furthermore, since the flat portion only needs to be formed with a substantially uniform thickness in the planar direction, this type of gas sensor can be manufactured by a simple process, and the process efficiency is also good. Furthermore, since the heat of the heater portion is transferred to the gas detection portion via the second insulating film, the flat portion, etc., local temperature variations in the gas detection portion are reduced, and the detection stability of the gas sensor is also good.

また、たとえば、前記平坦部は、前記第2の絶縁膜より熱伝導率が高くてもよい。 Also, for example, the flat portion may have a higher thermal conductivity than the second insulating film.

平坦部の熱伝導率を高くすることにより、ヒーター部の熱がより効率的にガス検出部に伝わるとともに、ガス検出部における局所的な温度ばらつきもより小さくなり、ガスセンサの検出安定性を効果的に高めることができる。 By increasing the thermal conductivity of the flat portion, heat from the heater section is transferred more efficiently to the gas detection section, and local temperature variations in the gas detection section are reduced, effectively improving the detection stability of the gas sensor.

また、たとえば、前記平坦部は、前記ヒーター部と同じ材質であってもよい。 Also, for example, the flat portion may be made of the same material as the heater portion.

平坦部とヒーター部とを同じ材質とすることにより、いずれも第1の絶縁膜と第2の絶縁膜との間にある平坦部とヒーター部を、同一の成膜プロセスで形成することができるため、このようなガスセンサは、生産効率が良好である。 By using the same material for the flat portion and the heater portion, both of which are between the first insulating film and the second insulating film, the flat portion and the heater portion can be formed using the same film formation process, making this type of gas sensor highly efficient to produce.

また、たとえば、前記ヒーター部は、略矩形である前記第1絶縁膜メンブレン部の辺の長さの1/2以下の振幅で屈曲を繰り返す屈曲部を有してもよい。 Also, for example, the heater portion may have a bending portion that repeatedly bends with an amplitude of less than 1/2 the length of a side of the first insulating film membrane portion, which is substantially rectangular.

このような屈曲部を有するヒーター部は、ヒーター部が接触する第1の絶縁膜および第2の絶縁膜の熱収縮が、平面に沿う特定の方向に偏ることを防止することができる。そのため、このようなヒーター部を有するガスセンサは、メンブレンを構成する第1の絶縁膜および第2の絶縁膜の熱応力による検出誤差やノイズが生じる問題を、効果的に防止することができる。 A heater section having such a bent portion can prevent the thermal contraction of the first insulating film and the second insulating film with which the heater section comes into contact from being biased in a specific direction along the plane. Therefore, a gas sensor having such a heater section can effectively prevent problems such as detection errors and noise caused by thermal stress in the first insulating film and the second insulating film that constitute the membrane.

また、たとえば、前記ヒーター部は、前記第1絶縁膜メンブレン部の中心を通り水平方向に延びる基準線を基準として、対称な形状を有してもよい。 Also, for example, the heater portion may have a symmetrical shape with respect to a reference line that passes through the center of the first insulating film membrane portion and extends horizontally.

このようなヒーター部は、上方から見てヒーター部より第1絶縁膜メンブレン部の中心側に配置されるガス検出部の温度分布を均一化することができるため、ガスセンサの検出安定性を効果的に高めることができる。 Such a heater section can uniformly distribute the temperature of the gas detection section, which is located closer to the center of the first insulating film membrane section than the heater section when viewed from above, and can therefore effectively improve the detection stability of the gas sensor.

前記ヒーター部は、前記平坦部と繋がっていてもよい。 The heater portion may be connected to the flat portion.

このようなガスセンサでは、ヒーター部から平坦部へ、より効率的に熱が伝わるため、ガスセンサの熱応答性が向上するとともに、平坦部の上側に形成されるガス検出部の温度分布を均一化することができ、ガスセンサの検出安定性を高めることができる。 In such a gas sensor, heat is transferred more efficiently from the heater portion to the flat portion, improving the thermal response of the gas sensor and making it possible to uniformize the temperature distribution of the gas detection portion formed above the flat portion, thereby improving the detection stability of the gas sensor.

また、たとえば、前記ガス検出部は、半導体材料に接触する少なくとも1対の電極を有してもよく、
ガスセンサは、前記電極の間の抵抗変化によりガスの検出を行ってもよい。
Also, for example, the gas detection unit may have at least one pair of electrodes in contact with a semiconductor material,
The gas sensor may detect the gas based on a change in resistance between the electrodes.

このようなガスセンサは、特に低濃度領域において高感度かつ信頼性の高いガスセンサを実現することができる。 Such a gas sensor can provide high sensitivity and reliability, especially in the low concentration range.

また、たとえば、前記ガス検出部は、触媒材料に接触するPt線を有してもよく、
ガスセンサは、前記Pt線の抵抗変化によりガスの検出を行ってもよい。
Also, for example, the gas detection portion may have a Pt wire in contact with a catalytic material,
The gas sensor may detect gas based on a change in resistance of the Pt wire.

このような構成を有するガスセンサは、簡易的な構造で、応答性および信頼性の良好なガスセンサを実現することができる。 A gas sensor having such a configuration can realize a gas sensor with good responsiveness and reliability with a simple structure.

また、たとえば、前記ガス検出部は、サーミスタ膜に接触する少なくとも1対の電極を有してもよく、
ガスセンサは、前記電極の間の抵抗変化によりガスの検出を行ってもよい。
Also, for example, the gas detection unit may have at least one pair of electrodes in contact with a thermistor film,
The gas sensor may detect the gas based on a change in resistance between the electrodes.

このような構成を有するガスセンサは、簡易的な構造で、安定性の良好なガスセンサを実現することができる。 A gas sensor having such a configuration can realize a gas sensor with good stability with a simple structure.

また、サーミスタ膜は、触媒材料に接触していてもよい。 The thermistor film may also be in contact with a catalyst material.

このような構成を有するガスセンサは、簡易的な構造で、熱応答性が高く、出力値が高いガスセンサを実現することができる。 A gas sensor having such a configuration can realize a gas sensor with a simple structure, high thermal response, and high output value.

また、ガスセンサは、前記キャビティ周縁部に設けられるヒーター端子と前記ヒーター部とを、複数の前記梁部のいずれかの上側を通って接続するヒーター配線部を有してもよい。
また、ガスセンサは、前記キャビティ周縁部に設けられる検出端子と前記ガス検出部とを、複数の前記梁部のいずれかの上側を通って接続する検出配線部を有してもよい。
The gas sensor may further include a heater wiring portion that connects a heater terminal provided on the periphery of the cavity and the heater portion, passing through an upper side of any one of the beam portions.
The gas sensor may further include a detection wiring portion that connects a detection terminal provided on the periphery of the cavity and the gas detection portion, passing through an upper side of any one of the beam portions.

図1は、本発明の第1実施形態に係るガスセンサの平面模式図である。FIG. 1 is a schematic plan view of a gas sensor according to a first embodiment of the present invention. 図2は、図1に示すガスセンサの、II-IIに沿う断面模式図である。FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor shown in FIG. 1 taken along line II-II. 図3は、図1に示すガスセンサの、III-IIIに沿う断面模式図である。FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor shown in FIG. 1 taken along line III-III. 図4は、図1に示すガスセンサの、IV-IVに沿う断面模式図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor shown in FIG. 1 taken along line IV-IV. 図5は、図1に示すガスセンサにおけるヒーター部およびガスセンサ部等の形状を示す部分拡大図である。FIG. 5 is a partial enlarged view showing the shapes of the heater portion, the gas sensor portion, etc. in the gas sensor shown in FIG. 図6は、図1に示すガスセンサにおけるヒーター部および平坦部等の形状を示す部分拡大図である。FIG. 6 is a partial enlarged view showing the shapes of the heater portion, flat portion, etc. in the gas sensor shown in FIG. 図7は、図2に示すガスセンサにおいてキャビティの上側に配置される部分を拡大した拡大断面図である。FIG. 7 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the gas sensor shown in FIG. 2 that is disposed above the cavity. 図8は、本発明の第2実施形態に係るガスセンサの平面模式図である。FIG. 8 is a schematic plan view of a gas sensor according to a second embodiment of the present invention. 図9は、図8に示すガスセンサのIX-IXに沿う断面模式図である。FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor shown in FIG. 8 taken along line IX-IX. 図10は、図8に示すガスセンサのX-Xに沿う断面模式図である。FIG. 10 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor shown in FIG. 8 taken along line XX. 図11は、図8に示すガスセンサにおけるヒーター部およびガスセンサ部等の形状を示す部分拡大図である。FIG. 11 is a partial enlarged view showing the shapes of the heater portion, the gas sensor portion, etc. in the gas sensor shown in FIG. 図12は、図9に示すガスセンサにおいてキャビティの上側に配置される部分を拡大した拡大断面図である。FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the gas sensor shown in FIG. 9 that is disposed above the cavity. 図13は、本発明の第3実施形態に係るガスセンサの平面模式図である。FIG. 13 is a schematic plan view of a gas sensor according to a third embodiment of the present invention. 図14は、図13に示すガスセンサのXIV-XIVに沿う断面模式図である。FIG. 14 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor shown in FIG. 13 taken along line XIV-XIV. 図15は、図13に示すガスセンサのXV-XVに沿う模式図である。FIG. 15 is a schematic view of the gas sensor shown in FIG. 13 taken along line XV-XV. 図16は、図13に示すガスセンサにおけるヒーター部およびガスセンサ部等の形状を示す部分拡大図である。FIG. 16 is a partial enlarged view showing the shapes of the heater portion, the gas sensor portion, etc. in the gas sensor shown in FIG. 図17は、図14に示すガスセンサにおいてキャビティの上側に配置される部分を拡大した拡大断面図である。FIG. 17 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the gas sensor shown in FIG. 14 that is disposed above the cavity. 図18は、第1変形例に係る平坦部およびヒーター部等を示す部分拡大図である。FIG. 18 is a partial enlarged view showing a flat portion, a heater portion, and the like according to the first modified example. 図19は、第2~第4変形例に係る平坦部およびヒーター部等を示す部分拡大図である。FIG. 19 is a partial enlarged view showing the flat portion, the heater portion, and the like according to the second to fourth modified examples. 図20は、比較例に係るガスセンサの平面模式図である。FIG. 20 is a schematic plan view of a gas sensor according to a comparative example. 図21は、図20に示すガスセンサにおいてキャビティの上側に配置される部分を拡大した拡大断面図である。FIG. 21 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the gas sensor shown in FIG. 20 that is disposed above the cavity. 図22は、実施例と比較例に係るガスセンサの温度分布の算出結果を示すグラフである。FIG. 22 is a graph showing the calculation results of the temperature distribution of the gas sensors according to the example and the comparative example. 図23は、比較例に係るガスセンサにおける素子応答性を示すグラフである。FIG. 23 is a graph showing the element response of the gas sensor according to the comparative example. 図24は、実施例に係るガスセンサにおける素子応答性を示すグラフである。FIG. 24 is a graph showing the element response of the gas sensor according to the example.

以下、本発明を、具体的な実施形態等に基づき、以下の順序で詳細に説明する。
1.第1実施形態
1.1.全体構成
1.2.基材
1.3.第1および第2の絶縁膜
1.4.ヒーター部およびヒーター配線部
1.5.平坦部
1.6.ガス検出部および検出配線部
1.7.半導体材料
1.8.製造方法
1.9.作用
2.第2実施形態
3.第3実施形態
4.変形例
5.実施例および比較例
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on specific embodiments in the following order.
1. First embodiment 1.1. Overall configuration 1.2. Substrate 1.3. First and second insulating films 1.4. Heater section and heater wiring section 1.5. Flat section 1.6. Gas detection section and detection wiring section 1.7. Semiconductor material 1.8. Manufacturing method 1.9. Function 2. Second embodiment 3. Third embodiment 4. Modification 5. Examples and comparative examples

(1.第1実施形態)
図1は、第1実施形態に係るガスセンサ10を示す概略平面図であり、ガスセンサ10を上方から見た図である。なお、図1では、第2の絶縁膜40は透視しており、半導体材料92は、配置のみを仮想線で示している。ガスセンサ10は、薄膜状のメンブレン18により支持されるヒーター部50およびガス検出部60等を有する。検知対象ガスは可燃性ガスおよび還元性ガスであり、具体的には、一酸化炭素(CO)、メタン(CH4)、プロパン(C38)、エタノール(C25OH)等が例示される。
1. First embodiment
Fig. 1 is a schematic plan view showing a gas sensor 10 according to a first embodiment, as viewed from above. In Fig. 1, the second insulating film 40 is seen through, and only the location of the semiconductor material 92 is shown by imaginary lines. The gas sensor 10 has a heater section 50 and a gas detection section 60 supported by a thin membrane 18. The gas to be detected is a combustible gas and a reducing gas, and specific examples thereof include carbon monoxide (CO), methane ( CH4 ), propane ( C3H8 ), and ethanol (C2H5OH ) .

ガスセンサ10は、還元性ガスとの接触により抵抗値が変化する半導体材料92を有する。また、ガスセンサ10のガス検出部60は、半導体材料92に接触する少なくとも1対の電極62a、62bを有する。ガスセンサ10は、電極62a、62bの間を繋ぐ半導体材料92の抵抗変化により、ガス濃度を検出する。半導体材料92を用いるガスセンサ10は、特に低濃度領域において、高感度かつ信頼性の高いガスセンサ10を実現する。 The gas sensor 10 has a semiconductor material 92 whose resistance value changes upon contact with a reducing gas. The gas detection section 60 of the gas sensor 10 has at least one pair of electrodes 62a, 62b in contact with the semiconductor material 92. The gas sensor 10 detects the gas concentration by the change in resistance of the semiconductor material 92 connecting the electrodes 62a, 62b. The gas sensor 10 using the semiconductor material 92 realizes a gas sensor 10 that is highly sensitive and reliable, especially in the low concentration range.

なお、本発明に係るガスセンサとしては、半導体材料92と1対の電極62a、62bとを有するもののみには限定されず、触媒材料、Pt線、サーミスタ膜などを有するものなどが含まれる(第2および第3実施形態等参照)。また、本発明に係るガスセンサには、直接的にはガス検知能を有さない参照用のガスセンサを有するものや、複数の互いに異なるガス検出部を有するものなども含まれる。 The gas sensor according to the present invention is not limited to those having a semiconductor material 92 and a pair of electrodes 62a, 62b, but includes those having a catalyst material, a Pt wire, a thermistor film, etc. (see the second and third embodiments, etc.). The gas sensor according to the present invention also includes those having a reference gas sensor that does not have direct gas detection capability, and those having multiple mutually different gas detection units.

(1.1.全体構成)
図2は、図1におけるII-II線に沿う平面で切断したガスセンサ10の断面模式図である。図3は、図1におけるIII-III線に沿う平面で切断したガスセンサ10の断面模式図であり、図4は、図1におけるIV-IV線に沿う平面で切断したガスセンサ10の断面模式図である。なお、ガスセンサ10の説明では、ガスセンサ10の上下方向をZ軸とし、Z軸に垂直であってヒーター部50の対称軸である基準線A1(図6参照)に平行な方向をY軸とし、Z軸およびY軸に垂直な方向をX軸とする。なお、ガスセンサ10のZ軸方向は、後述する第1の絶縁膜30および第2の絶縁膜40等の積層方向と一致する。また、ガスセンサ10の説明では、基材20から第1の絶縁膜30および第2の絶縁膜40側を上側およびZ軸正方向として、上側およびZ軸正方向の反対方向を下側およびZ軸負方向として説明を行う。
(1.1. Overall configuration)
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor 10 cut along a plane along line II-II in FIG. 1. FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor 10 cut along a plane along line III-III in FIG. 1, and FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor 10 cut along a plane along line IV-IV in FIG. 1. In the description of the gas sensor 10, the vertical direction of the gas sensor 10 is the Z axis, the direction perpendicular to the Z axis and parallel to the reference line A1 (see FIG. 6) which is the symmetrical axis of the heater section 50 is the Y axis, and the direction perpendicular to the Z axis and the Y axis is the X axis. The Z axis direction of the gas sensor 10 coincides with the lamination direction of the first insulating film 30 and the second insulating film 40, which will be described later. In the description of the gas sensor 10, the side of the first insulating film 30 and the second insulating film 40 from the substrate 20 is the upper side and the Z axis positive direction, and the opposite direction to the upper side and the Z axis positive direction is the lower side and the Z axis negative direction.

図1および図2に示すように、ガスセンサ10は、キャビティ22が形成される基材20を有する。図2に示すように、ガスセンサ10の他の部材は、基材20のキャビティ22の上およびキャビティ22の周縁部であるキャビティ周縁部24に配置されている。ガスセンサ10が有する基材20以外の他の部材としては、第1の絶縁膜30、第2の絶縁膜40、ヒーター部50、ガス検出部60、ヒーター端子58a、58b、ヒーター配線部59a、59b、検出端子68a、68b、検出配線部69a、69b、平坦部70および半導体材料92等が挙げられる。 As shown in Figs. 1 and 2, the gas sensor 10 has a substrate 20 in which a cavity 22 is formed. As shown in Fig. 2, other components of the gas sensor 10 are disposed on the cavity 22 of the substrate 20 and on the cavity periphery 24 which is the periphery of the cavity 22. Other components of the gas sensor 10 besides the substrate 20 include a first insulating film 30, a second insulating film 40, a heater section 50, a gas detection section 60, heater terminals 58a, 58b, heater wiring sections 59a, 59b, detection terminals 68a, 68b, detection wiring sections 69a, 69b, a flat section 70, and a semiconductor material 92.

(1.2.基材)
図1に示すように、キャビティ22は基材20の中央付近に形成されている。キャビティ22の上方にはメンブレン18が配置されており、図1では、メンブレン18の下方に見えるキャビティ22が、濃いグレーで示されている。
(1.2. Substrate)
1, the cavity 22 is formed near the center of the substrate 20. The membrane 18 is disposed above the cavity 22, and in FIG. 1, the cavity 22 visible below the membrane 18 is shown in dark gray.

図1~図3に示すように、基材20におけるキャビティ22は、基材20における略矩形の貫通孔で構成されるが、キャビティ22の形状は矩形のみには限定されない。また、キャビティ22は、図2および図3に示すような貫通孔のみには限定されず、キャビティ22は、基板表面側であるキャビティ周縁部24から下方に凹む凹部で構成されていてもよい。 As shown in Figures 1 to 3, the cavity 22 in the substrate 20 is configured as a substantially rectangular through-hole in the substrate 20, but the shape of the cavity 22 is not limited to a rectangle. In addition, the cavity 22 is not limited to a through-hole as shown in Figures 2 and 3, and the cavity 22 may be configured as a recess that is recessed downward from the cavity periphery 24 on the substrate surface side.

基材20の材質は、キャビティ22の上およびキャビティ周縁部24に形成される部材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されていれば、特に限定されない。本実施形態では、基材20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、フェライト基板等が例示される。 The material of the substrate 20 is not particularly limited as long as it has sufficient mechanical strength to support the members formed on the cavity 22 and on the cavity periphery 24, and is made of a material suitable for microfabrication such as etching. In this embodiment, examples of the substrate 20 include a silicon single crystal substrate, a sapphire single crystal substrate, a ceramic substrate, a quartz substrate, a glass substrate, and a ferrite substrate.

(1.3.第1および第2の絶縁膜)
図1~図3に示すように、基材20の中央部に形成されるキャビティ22の上側および基材20の上側表面を構成するキャビティ周縁部24の上側には、第1の絶縁膜30および第2の絶縁膜40が形成されている。図1に示すように、第1の絶縁膜30は、キャビティ22の外縁部周辺に形成されるメンブレン周縁孔18aに相当する部分を除き、第2の絶縁膜40は、メンブレン周縁孔18aに相当する部分およびキャビティ周縁部24においてヒーター端子58a、58bが形成される部分を除き、基材20の上側全体に形成されている。また、第1の絶縁膜30および第2の絶縁膜40のうち、キャビティ22の上に配置される第1絶縁膜メンブレン部32および第2絶縁膜メンブレン部44(図7参照)が、ガスセンサ10におけるメンブレン18を構成する。
(1.3. First and second insulating films)
1 to 3, a first insulating film 30 and a second insulating film 40 are formed on the upper side of a cavity 22 formed in the center of the substrate 20 and on the upper side of a cavity peripheral portion 24 constituting the upper surface of the substrate 20. As shown in FIG. 1, the first insulating film 30 is formed on the entire upper side of the substrate 20 except for a portion corresponding to a membrane peripheral hole 18a formed around the outer edge of the cavity 22, and the second insulating film 40 is formed on the entire upper side of the substrate 20 except for a portion corresponding to a membrane peripheral hole 18a and a portion where heater terminals 58a, 58b are formed in the cavity peripheral portion 24. Of the first insulating film 30 and the second insulating film 40, the first insulating film membrane portion 32 and the second insulating film membrane portion 44 (see FIG. 7) arranged on the cavity 22 constitute the membrane 18 in the gas sensor 10.

図1に示すように、第1の絶縁膜30は、基材20におけるキャビティ22の周縁部であるキャビティ周縁部24に接続する複数(実施形態では4つ)の梁部31a、31b、31c、31dと、梁部31a~31dを介してキャビティ22上に保持される第1絶縁膜メンブレン部32(図2および図3参照)を有する。また、図1に示すように、第1の絶縁膜30は、キャビティ周縁部24上に形成される第1絶縁膜周縁部36を有している。第1の絶縁膜30における梁部31a~31dと第1絶縁膜周縁部36とは、キャビティ周縁部24上で接続する。 As shown in FIG. 1, the first insulating film 30 has multiple (four in the embodiment) beam portions 31a, 31b, 31c, and 31d that connect to the cavity peripheral portion 24, which is the peripheral portion of the cavity 22 in the substrate 20, and a first insulating film membrane portion 32 (see FIG. 2 and FIG. 3) that is held on the cavity 22 via the beam portions 31a to 31d. Also, as shown in FIG. 1, the first insulating film 30 has a first insulating film peripheral portion 36 that is formed on the cavity peripheral portion 24. The beam portions 31a to 31d of the first insulating film 30 and the first insulating film peripheral portion 36 are connected on the cavity peripheral portion 24.

図2~図4に示すように、第2の絶縁膜40は、第1の絶縁膜30の上側に積層する。図1に示す第2の絶縁膜40の平面形状は、ヒーター端子58a、58bが形成される部分に第2の絶縁膜40が形成されないことを除き、第1の絶縁膜30と同様である。すなわち、第2の絶縁膜40も、第1の絶縁膜30の梁部31a~31dの上に積層する部分と、第1の絶縁膜30の第1絶縁膜メンブレン部32の上に積層する第2絶縁膜メンブレン部44と、第1絶縁膜周縁部36の上に積層する第2絶縁膜周縁部46とを有する。ただし、第2の絶縁膜40は、実施形態に示す形状のみには限定されず、第2の絶縁膜40の平面形状は、第1の絶縁膜30の平面形状とは、必ずしも一致していなくてもよい。 As shown in FIG. 2 to FIG. 4, the second insulating film 40 is laminated on the upper side of the first insulating film 30. The planar shape of the second insulating film 40 shown in FIG. 1 is similar to that of the first insulating film 30, except that the second insulating film 40 is not formed in the portion where the heater terminals 58a, 58b are formed. That is, the second insulating film 40 also has a portion laminated on the beam portions 31a to 31d of the first insulating film 30, a second insulating film membrane portion 44 laminated on the first insulating film membrane portion 32 of the first insulating film 30, and a second insulating film peripheral portion 46 laminated on the first insulating film peripheral portion 36. However, the second insulating film 40 is not limited to the shape shown in the embodiment, and the planar shape of the second insulating film 40 does not necessarily have to be the same as the planar shape of the first insulating film 30.

図7は、図2に示すガスセンサ10においてキャビティ22の上側に配置される部分を拡大した拡大断面図である。図7に示すように、第1の絶縁膜30の第1絶縁膜メンブレン部32の上に積層する第2絶縁膜メンブレン部44は、第1部分41と、第2部分42と、第3部分43とを有する。ガスセンサ10においてキャビティ22の上側に配置される部分については、後ほど詳述する。 Figure 7 is an enlarged cross-sectional view of the portion of the gas sensor 10 shown in Figure 2 that is disposed above the cavity 22. As shown in Figure 7, the second insulating film membrane portion 44 that is laminated on the first insulating film membrane portion 32 of the first insulating film 30 has a first portion 41, a second portion 42, and a third portion 43. The portion of the gas sensor 10 that is disposed above the cavity 22 will be described in detail later.

図1~図3に示すように、第1絶縁膜メンブレン部32および第2絶縁膜メンブレン部44で構成されるメンブレン18の周りには、メンブレン周縁孔18aが、メンブレン18を囲むように形成されている。また、図2および図3に示すように、第1絶縁膜メンブレン部32の下方にはキャビティ22が形成されており、第1絶縁膜メンブレン部32は基材20に接触せず、断面積の狭い梁部31a~31d等を介して、基材20に対して支持されている。 As shown in Figures 1 to 3, a membrane peripheral hole 18a is formed around the membrane 18, which is composed of the first insulating film membrane portion 32 and the second insulating film membrane portion 44, so as to surround the membrane 18. Also, as shown in Figures 2 and 3, a cavity 22 is formed below the first insulating film membrane portion 32, and the first insulating film membrane portion 32 does not contact the substrate 20, but is supported by the substrate 20 via beam portions 31a to 31d and the like, which have narrow cross-sectional areas.

このようなガスセンサ10は、ガス検出部60近傍において、ガス検出部60およびガス検出部60が接触する半導体材料92を除く他の物質の熱容量を小さくすることができる。また、梁部31a~31dを有するメンブレン18の構造により、メンブレン18の中央部分に配置されるガス検出部60等が、メンブレン18を支える基材20に対して好適に断熱された構造となる。このようなガスセンサ10は、ガス検出部60および半導体材料92を所定の温度まで加熱するために必要なヒーター部50の消費電力を非常に小さくすることができる。 Such a gas sensor 10 can reduce the heat capacity of other materials near the gas detection section 60, except for the gas detection section 60 and the semiconductor material 92 with which the gas detection section 60 comes into contact. In addition, due to the structure of the membrane 18 having the beam sections 31a to 31d, the gas detection section 60 and other parts located in the central portion of the membrane 18 are suitably insulated from the substrate 20 that supports the membrane 18. Such a gas sensor 10 can greatly reduce the power consumption of the heater section 50 required to heat the gas detection section 60 and the semiconductor material 92 to a predetermined temperature.

図2~図4に示すように、第1の絶縁膜30は、メンブレン周縁孔18aが形成されていることを除き、全体的に平坦であり、第1の絶縁膜30の内部に段差や傾斜を有さない。これは、後述するように、第1の絶縁膜30が、平坦な基材表面のような平坦な表面に形成されるためである。これに対して、第2の絶縁膜40は、第1の絶縁膜30の上に直接接触する部分と、第1の絶縁膜30との間にヒーター部50等の他の層を挟む部分とがある。したがって、第2の絶縁膜40は、特に図7等に示す第2絶縁膜メンブレン部44内に、段差や傾斜を有する。 As shown in Figures 2 to 4, the first insulating film 30 is generally flat except for the membrane peripheral hole 18a, and has no steps or slopes inside the first insulating film 30. This is because the first insulating film 30 is formed on a flat surface like a flat substrate surface, as described below. In contrast, the second insulating film 40 has a portion that directly contacts the first insulating film 30 and a portion that sandwiches other layers, such as the heater section 50, between the first insulating film 30. Therefore, the second insulating film 40 has steps and slopes, especially in the second insulating film membrane section 44 shown in Figure 7, etc.

図7を用いて後述するように、ガスセンサ10は、第2絶縁膜メンブレン部44内に形成される段差や傾斜の配置を、平坦部70を設けることで制御し、第2絶縁膜メンブレン部44の上に形成されるガス検出部60が、下層の凹凸の影響を受ける問題を防止できる。 As will be described later with reference to FIG. 7, the gas sensor 10 controls the arrangement of steps and slopes formed in the second insulating film membrane portion 44 by providing a flat portion 70, thereby preventing the problem of the gas detection portion 60 formed on the second insulating film membrane portion 44 being affected by unevenness in the lower layer.

第1の絶縁膜30および第2の絶縁膜40の厚みとしては特に限定されないが、第1の絶縁膜30の厚みが、第2の絶縁膜40の厚みより厚いことが、メンブレン18の強度を確保しつつ、ヒーター部50の熱を効率的にガス検出部60および半導体材料92に伝える観点から好ましい。第1の絶縁膜30の厚みは、たとえば0.1~10μmとすることが好ましく、たとえば0.5~5μmとすることがより好ましい。また、第2の絶縁膜40の厚みは、たとえば0.1~5μmとすることが好ましく、たとえば0.2~2μmとすることがより好ましい。 The thicknesses of the first insulating film 30 and the second insulating film 40 are not particularly limited, but it is preferable that the thickness of the first insulating film 30 is thicker than the thickness of the second insulating film 40 from the viewpoint of efficiently transferring heat from the heater section 50 to the gas detection section 60 and the semiconductor material 92 while ensuring the strength of the membrane 18. The thickness of the first insulating film 30 is preferably, for example, 0.1 to 10 μm, and more preferably, for example, 0.5 to 5 μm. The thickness of the second insulating film 40 is preferably, for example, 0.1 to 5 μm, and more preferably, for example, 0.2 to 2 μm.

第1の絶縁膜30および第2の絶縁膜40の材質は、熱ストレスによる耐久性、機械的強度、膜応力、密着性、電気絶縁性等を考慮して採用され、酸化アルミニウムや五酸化二タンタルなどが挙げられる。第1の絶縁膜30と第2の絶縁膜40の材質は、同じであっても、異なっていてもよい。また、第1の絶縁膜30と第2の絶縁膜40は、上述した材質の膜の積層膜であってもよい。 The material of the first insulating film 30 and the second insulating film 40 is selected taking into consideration durability against thermal stress, mechanical strength, film stress, adhesion, electrical insulation, etc., and examples of such materials include aluminum oxide and ditantalum pentoxide. The materials of the first insulating film 30 and the second insulating film 40 may be the same or different. In addition, the first insulating film 30 and the second insulating film 40 may be a laminated film of films made of the above-mentioned materials.

(1.4.ヒーター部およびヒーター配線部)
図1および図2に示すように、ヒーター部50は、第1絶縁膜メンブレン部32の上側に設けられ、実施形態では、上下方向に関してメンブレン18における第1の絶縁膜30と第2の絶縁膜40との間に設けられる。図2に示すガスセンサ10の断面図のうち、キャビティ22の上部に配置される部分を拡大した図7に示すように、ヒーター部50は、第1の絶縁膜30における第1絶縁膜メンブレン部32と、第2の絶縁膜40における第2絶縁膜メンブレン部44との間に配置されている。ヒーター部50は、通電によりジュール熱を発生し、ガス検出部60の温度を調整する。
(1.4. Heater section and heater wiring section)
1 and 2, the heater section 50 is provided above the first insulating film membrane section 32, and in the embodiment, is provided between the first insulating film 30 and the second insulating film 40 of the membrane 18 in the up-down direction. As shown in FIG. 7, which is an enlarged view of a portion of the gas sensor 10 in the cross-sectional view of FIG. 2 that is located above the cavity 22, the heater section 50 is disposed between the first insulating film membrane section 32 of the first insulating film 30 and the second insulating film membrane section 44 of the second insulating film 40. The heater section 50 generates Joule heat when energized, and adjusts the temperature of the gas detection section 60.

図6は、ガスセンサ10におけるメンブレン18およびその周縁部分における第1の絶縁膜30と、ヒーター部50と、ヒーター配線部59a、59bと、平坦部70とを表示した部分説明図である。図6では、ガスセンサ10における第2の絶縁膜40および第2の絶縁膜40より上に配置されるガス検出部60等については、図示していない。 Figure 6 is a partial explanatory diagram showing the membrane 18 of the gas sensor 10, the first insulating film 30 at its peripheral portion, the heater section 50, the heater wiring sections 59a and 59b, and the flat section 70. In Figure 6, the second insulating film 40 of the gas sensor 10 and the gas detection section 60 arranged above the second insulating film 40 are not shown.

図6に示すように、ヒーター部50は、第1絶縁膜メンブレン部32の上に、第1絶縁膜メンブレン部32における中央領域R1を囲むように、中央領域R1の外側に形成されている。ヒーター部50は、略矩形である第1絶縁膜メンブレン部32の辺32aの長さL1の1/2以下の振幅L2で屈曲を繰り返す屈曲部52を有する。特に、ヒーター部50における屈曲部52の大半は、所定の振幅L2の矩形波形状(ミアンダパターン)から構成される。 As shown in FIG. 6, the heater section 50 is formed on the first insulating film membrane section 32, outside the central region R1 of the first insulating film membrane section 32 so as to surround the central region R1 of the first insulating film membrane section 32. The heater section 50 has a bent section 52 that repeatedly bends with an amplitude L2 that is less than 1/2 the length L1 of the side 32a of the first insulating film membrane section 32, which is substantially rectangular. In particular, most of the bent sections 52 in the heater section 50 are composed of a rectangular wave shape (meander pattern) with a predetermined amplitude L2.

このようなヒーター部50は、ヒーター部50が接触する第1の絶縁膜30における第1絶縁膜メンブレン部32および第2の絶縁膜40における第2絶縁膜メンブレン部44の熱収縮が、特定の方向に偏ることを防止することができる。したがって、ガスセンサ10は、メンブレン18を構成する第1の絶縁膜30および第2の絶縁膜40の熱応力による検出誤差やノイズを、効果的に抑制することができる。 Such a heater section 50 can prevent the thermal contraction of the first insulating film membrane section 32 in the first insulating film 30 and the second insulating film membrane section 44 in the second insulating film 40, which the heater section 50 contacts, from being biased in a particular direction. Therefore, the gas sensor 10 can effectively suppress detection errors and noise caused by thermal stress in the first insulating film 30 and the second insulating film 40 that constitute the membrane 18.

また、ヒーター部50は、第1絶縁膜メンブレン部32の中心34を通り水平方向に延びる基準線A1を基準として、対称な形状を有する。このようなヒーター部50は、メンブレン18においてヒーター部50より中央側の中央領域R1に配置されるガス検出部60の温度分布を均一化することができ、ガスセンサ10の検出安定性を高めることができる。 The heater section 50 has a symmetrical shape with respect to a reference line A1 that passes through the center 34 of the first insulating film membrane section 32 and extends horizontally. Such a heater section 50 can homogenize the temperature distribution of the gas detection section 60 that is disposed in the central region R1 of the membrane 18, which is closer to the center than the heater section 50, and can improve the detection stability of the gas sensor 10.

ヒーター部50は、梁部31aを通るヒーター配線部59aと、梁部31bを通るヒーター配線部59bに接続する。図1に示すように、ヒーター配線部59a、59bは、キャビティ周縁部24の上に設けられるヒーター端子58a、58bとヒーター部50とを、複数の梁部31a~31bのうちいずれか(実施形態では2つの梁部31a、31b)の上側を通って接続する。 The heater section 50 is connected to a heater wiring section 59a that passes through the beam section 31a, and a heater wiring section 59b that passes through the beam section 31b. As shown in FIG. 1, the heater wiring sections 59a and 59b connect the heater terminals 58a and 58b provided on the cavity periphery 24 to the heater section 50 by passing through the upper side of one of the multiple beam sections 31a to 31b (in this embodiment, two beam sections 31a and 31b).

ヒーター配線部59a、59bは、ヒーター部50と同様に、上下方向に関して第1の絶縁膜30と第2の絶縁膜40との間に形成されている。ただし、図4に示すように、ヒーター配線部59a、59bのうち、ヒーター端子58a、58bの下側に形成される部分については、ヒーター配線部59a、59bの上側の第2の絶縁膜40が形成されていない。 The heater wiring parts 59a, 59b are formed between the first insulating film 30 and the second insulating film 40 in the vertical direction, similar to the heater part 50. However, as shown in FIG. 4, the second insulating film 40 is not formed on the upper side of the heater wiring parts 59a, 59b in the parts formed below the heater terminals 58a, 58b.

図6に示すように、ガスセンサ10におけるヒーター部50は、ヒーター配線部59aに接続する部分と、ヒーター配線部59bに接続する部分とが略対称であり、これらの2つの部分が、導電性の平坦部70を介して電気的に接続している。ただし、ヒーター部50としては平坦部70を介して2つの部分が電気的に接続するものには限定されず、ヒーター配線部59aに接続する部分と、ヒーター配線部59bに接続する部分とが、直接接続していてもよい。 As shown in FIG. 6, the heater section 50 in the gas sensor 10 has a substantially symmetrical portion connected to the heater wiring section 59a and a portion connected to the heater wiring section 59b, and these two portions are electrically connected via the conductive flat section 70. However, the heater section 50 is not limited to having two portions electrically connected via the flat section 70, and the portion connected to the heater wiring section 59a and the portion connected to the heater wiring section 59b may be directly connected.

ヒーター部50およびヒーター配線部59aの材質としては、導電性であれば特に限定されないが、ガス検出部60および半導体材料92の形成工程における高温プロセスを可能とする観点から、比較的高融点の材料であることが好ましい。このような材料として、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、ニッケルクロム合金(NiCr)、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、これらを2つ以上含む合金が例示される。本実施形態では、リフトオフ等の高精度のパターニングが可能であり、耐久性が高いという理由から、特に白金が好ましい。ヒーター部50とヒーター配線部59a、59bとは、同一の材質とすることが、同じ成膜工程で形成可能とする観点から好ましいが、ヒーター部50とヒーター配線部59a、59bとは異なる材質であってもよい。 The material of the heater section 50 and the heater wiring section 59a is not particularly limited as long as it is conductive, but from the viewpoint of enabling high-temperature processes in the formation process of the gas detection section 60 and the semiconductor material 92, it is preferable that the material has a relatively high melting point. Examples of such materials include molybdenum (Mo), platinum (Pt), nickel-chromium alloy (NiCr), tungsten (W), tantalum (Ta), palladium (Pd), iridium (Ir), or an alloy containing two or more of these. In this embodiment, platinum is particularly preferable because it allows high-precision patterning such as lift-off and has high durability. It is preferable that the heater section 50 and the heater wiring sections 59a and 59b are made of the same material from the viewpoint of being able to be formed in the same film formation process, but the heater section 50 and the heater wiring sections 59a and 59b may be made of different materials.

図1および図2に示すように、ヒーター端子58a、58bは、基材20のキャビティ周縁部24において、ヒーター配線部59a、59bの上に、ヒーター配線部59a、59bに対して接触するように設けられる。図4に示すように、ヒーター端子58a、58bの上面はガスセンサ10の上側に露出しており、ヒーター端子58a、58bに対して、ヒーター部50に対して電力を供給する外部配線が接続される。 As shown in Figs. 1 and 2, the heater terminals 58a, 58b are provided on the heater wiring parts 59a, 59b at the cavity peripheral part 24 of the substrate 20 so as to be in contact with the heater wiring parts 59a, 59b. As shown in Fig. 4, the upper surfaces of the heater terminals 58a, 58b are exposed to the upper side of the gas sensor 10, and external wiring that supplies power to the heater part 50 is connected to the heater terminals 58a, 58b.

ヒーター端子58a、58bの材質は、良導体であれば特に限定されないが、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)などが挙げられ、外部配線に対する接合性などの観点から、金(Au)が好ましい。 The material of the heater terminals 58a, 58b is not particularly limited as long as it is a good conductor, but examples include gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and aluminum (Al), with gold (Au) being preferred from the standpoint of adhesion to external wiring.

(1.5.平坦部)
図6に示すように、平坦部70は、ヒーター部50と同様に、上下方向に関してメンブレン18における第1の絶縁膜30と第2の絶縁膜40との間に設けられる。すなわち、図7に示すように、平坦部70は、第1の絶縁膜30における第1絶縁膜メンブレン部32と、第2の絶縁膜40における第2絶縁膜メンブレン部44との間に配置されている。
(1.5. Flat part)
6, the flat portion 70 is provided between the first insulating film 30 and the second insulating film 40 of the membrane 18 in the vertical direction, similar to the heater portion 50. That is, as shown in FIG. 7, the flat portion 70 is disposed between the first insulating film membrane portion 32 of the first insulating film 30 and the second insulating film membrane portion 44 of the second insulating film 40.

図6に示すように、平坦部70は、上方から見てヒーター部50に比べて第1絶縁膜メンブレン部32の中央側の領域である中央領域R1に配置される。図6および図7に示すように、平坦部70は、上側を向き平坦である平坦面72を有する。 As shown in FIG. 6, the flat portion 70 is disposed in a central region R1, which is a region closer to the center of the first insulating film membrane portion 32 than the heater portion 50 when viewed from above. As shown in FIGS. 6 and 7, the flat portion 70 has a flat surface 72 that faces upward and is flat.

平坦部70は、上方から見て略矩形であるが、平坦部70の平面形状としてはこれに限定されず、円形、楕円形および矩形以外の多角形などの形状であってもよい。平坦部70は、上方から見て第1絶縁膜メンブレン部32の中心34に重なることが、平坦部70の上に形成されるガス検出部60をメンブレン18の中央部分に配置し、ガス検出部60の温度分布を均一化する観点から好ましい。 The flat portion 70 is substantially rectangular when viewed from above, but the planar shape of the flat portion 70 is not limited to this and may be circular, elliptical, or a polygon other than a rectangle. It is preferable that the flat portion 70 overlaps the center 34 of the first insulating film membrane portion 32 when viewed from above, from the viewpoint of arranging the gas detection portion 60 formed on the flat portion 70 in the central portion of the membrane 18 and uniformizing the temperature distribution of the gas detection portion 60.

上方から見た平坦部70の面積は、第1絶縁膜メンブレン部32の面積の5~25%とすることが好ましく、第1絶縁膜メンブレン部32の面積の10~20%とすることがさらに好ましい。平坦部70の第1絶縁膜メンブレン部32に対する面積割合を所定値より大きくすることで、ガス検出部60の形成面積を広く確保して、ガスセンサ10の検出感度を好適に確保することができる。一方、平坦部70の第1絶縁膜メンブレン部32に対する面積割合を所定値より小さくすることで、ヒーター部50の形成面積を広く確保して、ガス検出部60の温度応答性を好適に確保することができる。 The area of the flat portion 70 as viewed from above is preferably 5 to 25% of the area of the first insulating film membrane portion 32, and more preferably 10 to 20% of the area of the first insulating film membrane portion 32. By making the area ratio of the flat portion 70 to the first insulating film membrane portion 32 larger than a predetermined value, the formation area of the gas detection portion 60 can be secured widely, and the detection sensitivity of the gas sensor 10 can be secured favorably. On the other hand, by making the area ratio of the flat portion 70 to the first insulating film membrane portion 32 smaller than a predetermined value, the formation area of the heater portion 50 can be secured widely, and the temperature responsiveness of the gas detection portion 60 can be secured favorably.

図7に示すように、平坦部70は、第2の絶縁膜40の第2絶縁膜メンブレン部44を介して平坦部70の上に配置されるガス検出部60に対してヒーター部50の熱を効果的に伝える観点から、第2の絶縁膜40より熱伝導率が高いことが好ましい。また、図6に示すように、平坦部70は、ヒーター部50と繋がっていてもよい。平坦部70とヒーター部50とが繋がっていることにより、ヒーター部50による熱が、ガス検出部60に対してより近くに配置される平坦部70に効果的に伝わり、ガスセンサ10の熱応答性を高めることができる。また、平坦部70が、熱伝導性が高ければ、ガス検出部60の温度の均一性が向上する。 As shown in FIG. 7, the flat portion 70 preferably has a higher thermal conductivity than the second insulating film 40 in order to effectively transfer heat from the heater portion 50 to the gas detection portion 60 disposed on the flat portion 70 via the second insulating film membrane portion 44 of the second insulating film 40. Also, as shown in FIG. 6, the flat portion 70 may be connected to the heater portion 50. By connecting the flat portion 70 and the heater portion 50, the heat from the heater portion 50 is effectively transferred to the flat portion 70 disposed closer to the gas detection portion 60, and the thermal responsiveness of the gas sensor 10 can be improved. Also, if the flat portion 70 has high thermal conductivity, the temperature uniformity of the gas detection portion 60 is improved.

なお、図6に示すように、ヒーター部50の2つの部分が平坦部70を介して接続(直列接続)している場合、平坦部70にも電流が流れてジュール熱が生じ、平坦部70での発熱がガス検出部60の温度調整に寄与する場合がある。ただし、平坦部70は、電流方向に直交する断面積がヒーター部50より広いため、仮に平坦部70とヒーター部50とが同材質であれば、平坦部70での発熱量は、ヒーター部50での発熱量に比べて小さい。平坦部70で生じるジュール熱は、平坦部70の材質の他、平坦部70の厚みや、ヒーター部50の2つの部分と平坦部70との接続形態(直列・並列)などによっても調整可能である。なお、平坦部70の厚みは、ヒーター部50の厚みと同じであってもよく、異なっていてもよい。 As shown in FIG. 6, when the two parts of the heater section 50 are connected (connected in series) through the flat section 70, current also flows through the flat section 70, generating Joule heat, and the heat generated in the flat section 70 may contribute to the temperature adjustment of the gas detection section 60. However, since the cross-sectional area of the flat section 70 perpendicular to the current direction is larger than that of the heater section 50, if the flat section 70 and the heater section 50 are made of the same material, the amount of heat generated in the flat section 70 is smaller than that of the heater section 50. The Joule heat generated in the flat section 70 can be adjusted by the material of the flat section 70, the thickness of the flat section 70, and the connection form (series/parallel) between the two parts of the heater section 50 and the flat section 70. The thickness of the flat section 70 may be the same as or different from that of the heater section 50.

平坦部70の材質は、たとえば金属である。より具体的には、ヒーター部50と同様に、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、ニッケルクロム合金(NiCr)、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、これらを2つ以上含む合金が例示される。また、平坦部70は、ヒーター部50と同じ材質であってもよく、この場合、平坦部70はヒーター部50と同じ成膜プロセスで形成可能であり、製造プロセスを簡略化できる。ただし、平坦部70は、ヒーター部50と異なる材質であってもよい。ヒーター部50とは異なる平坦部70の材質としては、上述したもの以外に、銀(Ag)、銅(Cu)、アルミニウム(Al)などが挙げられる。 The material of the flat portion 70 is, for example, a metal. More specifically, as with the heater portion 50, examples include molybdenum (Mo), platinum (Pt), nickel-chromium alloy (NiCr), tungsten (W), tantalum (Ta), palladium (Pd), iridium (Ir), or an alloy containing two or more of these. The flat portion 70 may also be made of the same material as the heater portion 50. In this case, the flat portion 70 can be formed by the same film formation process as the heater portion 50, simplifying the manufacturing process. However, the flat portion 70 may also be made of a different material from the heater portion 50. Examples of materials of the flat portion 70 that are different from the heater portion 50 include silver (Ag), copper (Cu), and aluminum (Al), in addition to those mentioned above.

(1.6.ガス検出部および検出配線部)
図1および図2に示すように、ガス検出部60は、メンブレン18における第2の絶縁膜40の上に設けられる。図5は、ガスセンサ10におけるメンブレン18およびその周縁部分における第1の絶縁膜30と、ヒーター部50と、ヒーター配線部59a、59bと、平坦部70と、ガス検出部60と、検出配線部69a、69bとを表示した部分図である。図5では、ガスセンサ10における第2の絶縁膜40は透視しており、半導体材料92は配置のみを仮想線で示している。
(1.6. Gas Detection Section and Detection Wiring Section)
1 and 2, the gas detection section 60 is provided on the second insulating film 40 of the membrane 18. Fig. 5 is a partial view showing the membrane 18 and the first insulating film 30 at its peripheral portion, the heater section 50, the heater wiring sections 59a and 59b, the flat section 70, the gas detection section 60, and the detection wiring sections 69a and 69b in the gas sensor 10. In Fig. 5, the second insulating film 40 of the gas sensor 10 is seen through, and only the location of the semiconductor material 92 is shown by virtual lines.

図5に示すように、ガス検出部60は、上方から見てヒーター部50より第1絶縁膜メンブレン部32の中心34側の領域である中央領域R1に配置される。ガス検出部60は、図5に示すように、一対の電極62a、62bを有しており、一対の電極62aは、図7に示すように、半導体材料92に接触している。 As shown in FIG. 5, the gas detection unit 60 is disposed in a central region R1, which is a region closer to the center 34 of the first insulating film membrane unit 32 than the heater unit 50 when viewed from above. As shown in FIG. 5, the gas detection unit 60 has a pair of electrodes 62a, 62b, and as shown in FIG. 7, the pair of electrodes 62a is in contact with the semiconductor material 92.

図5に示すように、一対の電極62a、62bは、互いに所定の間隔を空けて水平方向に対向しており、一対の電極62a、62bを接続するように配置される半導体材料92の抵抗変化を検出する。一対の電極62a、62bは、いずれの櫛歯形状を有しており、互いの櫛歯と櫛歯の間の隙間とが噛み合うように配置されている。このような櫛歯状の電極62a、62bを有するガス検出部60は、狭い面積の中で、電極62a、62b同士が対向する長さを長くすることができ、検出感度を向上させることができる。 As shown in FIG. 5, the pair of electrodes 62a, 62b face each other horizontally with a predetermined distance between them, and detects the resistance change of the semiconductor material 92 that is arranged to connect the pair of electrodes 62a, 62b. The pair of electrodes 62a, 62b have a comb-tooth shape and are arranged so that the gaps between the comb teeth interdigitate with each other. The gas detection unit 60 having such comb-tooth electrodes 62a, 62b can increase the length over which the electrodes 62a, 62b face each other in a small area, thereby improving the detection sensitivity.

なお、ガスセンサ10におけるガス検出部60は、一対の電極62a、62bが互いに対向している部分、すなわち図5および図7において一点鎖線(太線)で囲まれる部分である。図5において一点鎖線で囲まれる部分の外側の部分は、互いに対向していない部分であり、ガス検出部60および電極62a、62bに含まれず、後述する検出配線部69a、69bに含まれる。 The gas detection section 60 in the gas sensor 10 is the portion where the pair of electrodes 62a, 62b face each other, i.e., the portion surrounded by the dashed line (thick line) in Fig. 5 and Fig. 7. The portion outside the portion surrounded by the dashed line in Fig. 5 is the portion that does not face each other, and is not included in the gas detection section 60 and the electrodes 62a, 62b, but is included in the detection wiring sections 69a, 69b described below.

図5に示すように、ガスセンサ10は、一対の検出配線部69a、69bを有する。図7に示すように、一対の検出配線部69a、69bも、ガス検出部60と同様に、第2の絶縁膜40の上に設けられる。図5に示すように、検出配線部69aは、メンブレン18内において電極62aに接続しており、検出配線部69bは、メンブレン18内において電極62bに接続している。 As shown in FIG. 5, the gas sensor 10 has a pair of detection wiring portions 69a and 69b. As shown in FIG. 7, the pair of detection wiring portions 69a and 69b are also provided on the second insulating film 40, similar to the gas detection portion 60. As shown in FIG. 5, the detection wiring portion 69a is connected to the electrode 62a within the membrane 18, and the detection wiring portion 69b is connected to the electrode 62b within the membrane 18.

図1に示すように、検出配線部69a、69bは、キャビティ周縁部24の上に設けられる検出端子68a、68bとガス検出部60とを、複数の梁部31a~31bのうちいずれか(実施形態では2つの梁部31c、31d)およびこれに重なる第2の絶縁膜40の梁部の上側を通って接続する。 As shown in FIG. 1, the detection wiring sections 69a, 69b connect the detection terminals 68a, 68b provided on the cavity periphery 24 to the gas detection section 60 through one of the multiple beam sections 31a-31b (two beam sections 31c, 31d in this embodiment) and the upper side of the beam section of the second insulating film 40 that overlaps it.

ガス検出部60は、平坦部70の上側に少なくとも第2の絶縁膜40を介して配置される。図5に示すように、一対の電極62a、62bを有するガス検出部60は、上方から見て平坦面72(図6参照)に重なるように配置され、平坦面72より狭い面積を有する。図7に示すように、ガス検出部60の全体は、第2の絶縁膜40を介して平坦部70の平坦面72の上に形成されており、上方から見て平坦面72の範囲内に形成されることが好ましい。 The gas detection unit 60 is disposed above the flat portion 70 with at least the second insulating film 40 interposed therebetween. As shown in FIG. 5, the gas detection unit 60 having a pair of electrodes 62a, 62b is disposed so as to overlap the flat surface 72 (see FIG. 6) when viewed from above, and has an area smaller than that of the flat surface 72. As shown in FIG. 7, the entire gas detection unit 60 is formed on the flat surface 72 of the flat portion 70 with the second insulating film 40 interposed therebetween, and is preferably formed within the range of the flat surface 72 when viewed from above.

図7に示すように、第1絶縁膜メンブレン部32の上に形成される第2の絶縁膜40の第2絶縁膜メンブレン部44は、第1絶縁膜メンブレン部32の上に直接接触する第1部分41と、第1絶縁膜メンブレン部32との間にヒーター部50を挟む第2部分42と、第1絶縁膜メンブレン部32との間に平坦部70を挟む第3部分43とを有する。第1部分41は、第1絶縁膜メンブレン部32との間にヒーター部50や平坦部70を挟む第2部分42および第3部分43に比べて高さが低くなるため、第2絶縁膜メンブレン部44には起伏や段差が形成される。 As shown in FIG. 7, the second insulating film membrane portion 44 of the second insulating film 40 formed on the first insulating film membrane portion 32 has a first portion 41 that is in direct contact with the first insulating film membrane portion 32, a second portion 42 that sandwiches the heater portion 50 between the first insulating film membrane portion 32, and a third portion 43 that sandwiches the flat portion 70 between the first insulating film membrane portion 32. The first portion 41 is lower in height than the second portion 42 and the third portion 43 that sandwich the heater portion 50 and the flat portion 70 between the first insulating film membrane portion 32, so that undulations and steps are formed in the second insulating film membrane portion 44.

図7に示すように、検出配線部69aは、第1部分41、第2部分42および第3部分43に跨って形成されているため、検出配線部69aの形状自体も下層の起伏の影響を受け、形状ばらつきが生じやすくなる。これに対して、ガス検出部60は、平坦面72の上に形成される第3部分43の上に形成されるため、ガス検出部60の形状は、第2絶縁膜メンブレン部44の起伏や段差の影響を受けずばらつきが少なくなり、たとえば、一対の電極62a、62bとの間の隙間についても、精度よく管理することができる。 As shown in FIG. 7, the detection wiring portion 69a is formed across the first portion 41, the second portion 42, and the third portion 43, so the shape of the detection wiring portion 69a itself is affected by the undulations of the lower layers, making it more likely for shape variation to occur. In contrast, the gas detection portion 60 is formed on the third portion 43, which is formed on the flat surface 72, so the shape of the gas detection portion 60 is not affected by the undulations and steps of the second insulating film membrane portion 44, and there is less variation. For example, the gap between the pair of electrodes 62a, 62b can also be precisely controlled.

一対の電極62a、62bを有するガス検出部60および検出配線部69a、69bの材質は、金属などの導電体を用いることができ、たとえば、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)などが挙げられる。ガス検出部60と検出配線部69a、69bとは、同一の材質とすることが、同じ成膜工程で形成可能とする観点から好ましいが、ガス検出部60と検出配線部69a、69bとは異なる材質であってもよい。 The gas detection unit 60 having a pair of electrodes 62a, 62b and the detection wiring units 69a, 69b may be made of a conductor such as metal, for example, gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), aluminum (Al), etc. It is preferable that the gas detection unit 60 and the detection wiring units 69a, 69b are made of the same material from the viewpoint of being able to form them in the same film formation process, but the gas detection unit 60 and the detection wiring units 69a, 69b may be made of different materials.

図1および図2に示すように検出端子68a、68bは、基材20のキャビティ周縁部24において、検出配線部69a、69bの上に、検出配線部69a、69bに対して接触するように設けられる。図4に示すように、検出端子68a、68bの上面はガスセンサ10の上側に露出しており、検出端子68a、68bに対して、ガス検出部60の出力を伝える外部配線が接続される。 As shown in Figures 1 and 2, the detection terminals 68a, 68b are provided on the cavity peripheral portion 24 of the substrate 20 so as to contact the detection wiring portions 69a, 69b. As shown in Figure 4, the upper surfaces of the detection terminals 68a, 68b are exposed to the upper side of the gas sensor 10, and external wiring that transmits the output of the gas detection portion 60 is connected to the detection terminals 68a, 68b.

検出端子68a、68bの材質は、良導体であれば特に限定されないが、金(Au)、銀(Ag)、白金(Pt)、アルミニウム(Al)などが挙げられ、外部配線に対する接合性などの観点から、金(Au)が好ましい。 The material of the detection terminals 68a, 68b is not particularly limited as long as it is a good conductor, but examples include gold (Au), silver (Ag), platinum (Pt), and aluminum (Al), with gold (Au) being preferred from the standpoint of adhesion to external wiring.

(1.7.半導体材料)
図7および図5に示すように、半導体材料92は、メンブレン18の中央領域R1に配置されるガス検出部60の電極62a、62bの間およびガス検出部60の上に設けられる。半導体材料92は、上方から見てガス検出部60の全体に重なるように、ガス検出部60より広い面積に形成されることが好ましい。半導体材料92は、ガス検出部60を構成する一対の電極62a、62bの双方に接触する。また、半導体材料92の一部は、ガス検出部60に接続する検出配線部69a、69bに接触していてもよい。
(1.7. Semiconductor Materials)
7 and 5, the semiconductor material 92 is provided between the electrodes 62a, 62b of the gas detection unit 60 arranged in the central region R1 of the membrane 18 and on the gas detection unit 60. The semiconductor material 92 is preferably formed to have an area larger than that of the gas detection unit 60 so as to overlap the entire gas detection unit 60 when viewed from above. The semiconductor material 92 contacts both of the pair of electrodes 62a, 62b that constitute the gas detection unit 60. In addition, a part of the semiconductor material 92 may contact the detection wiring parts 69a, 69b that are connected to the gas detection unit 60.

図7に示すように、半導体材料92は、略ドーム状の外形状を有する。半導体材料92は、半導体材料92における温度分布の均一性の観点から、上方から見て略円形または略楕円形とすることが好ましく、略円形であることがより好ましい。 As shown in FIG. 7, the semiconductor material 92 has a generally dome-shaped outer shape. From the viewpoint of uniformity of temperature distribution in the semiconductor material 92, the semiconductor material 92 is preferably generally circular or generally elliptical when viewed from above, and more preferably generally circular.

半導体材料92としては、還元性ガスとの接触により抵抗値が変化する材料であれば特に制限されないが、熱的安定性および化学的安定性の観点から、金属酸化物であることが好ましい。半導体材料92に用いる金属酸化物としては、酸化スズ(SnO2)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化鉄(Fe23)、酸化タングステン(WO3)、酸化インジウム(In23)、酸化コバルト(Co34)等が例示される。また、検知対象ガスに対する感度をさらに高めるために、半導体材料92を構成する金属酸化物には、白金(Pt)、パラジウム(Pd)等の貴金属が担持されていてもよい。また、これらの材料は複合化、又は合金化されていてもい。 The semiconductor material 92 is not particularly limited as long as the material changes its resistance value upon contact with a reducing gas, but is preferably a metal oxide from the viewpoint of thermal stability and chemical stability. Examples of metal oxides used for the semiconductor material 92 include tin oxide (SnO 2 ), zirconium oxide (ZrO 2 ), iron oxide (Fe 2 O 3 ), tungsten oxide (WO 3 ), indium oxide (In 2 O 3 ), and cobalt oxide (Co 3 O 4 ). In order to further increase the sensitivity to the gas to be detected, the metal oxide constituting the semiconductor material 92 may support a precious metal such as platinum (Pt) or palladium (Pd). These materials may also be composited or alloyed.

(1.8.製造方法)
以下、ガスセンサ10の製造方法の一例を説明する。ただし、ガスセンサ10の製造方法は、下記に示す製造方法にのみには限定されない。まず、ガスセンサ10の製造では、まず基材20の原料となる基材材料を準備する。基材材料は、キャビティ22が形成されていない平板状である。次に、準備した基材材料の一方の主面(キャビティ22形成後にキャビティ周縁部24となる面)に、第1の絶縁膜30を形成する。第1の絶縁膜30を形成する方法としては、熱酸化法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等の公知の成膜法を用いればよい。
(1.8. Manufacturing method)
An example of a method for manufacturing the gas sensor 10 will be described below. However, the method for manufacturing the gas sensor 10 is not limited to the manufacturing method described below. First, in manufacturing the gas sensor 10, a substrate material that is a raw material for the substrate 20 is prepared. The substrate material is a flat plate in which the cavity 22 is not formed. Next, a first insulating film 30 is formed on one main surface (the surface that will become the cavity periphery 24 after the cavity 22 is formed) of the prepared substrate material. The first insulating film 30 may be formed by a known film formation method such as a thermal oxidation method or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method.

形成した第1の絶縁膜30上に、ヒーター部50、平坦部70およびヒーター配線部59a、59bを形成する。ヒーター部50、平坦部70およびヒーター配線部59a、59bは、同一成膜工程で形成可能である。ヒーター部50、平坦部70およびヒーター配線部59a、59bの形状は、たとえば、リフトオフ工法により形成される。リフトオフ工程では、まず、所定のパターンを形成する面全体にレジストを塗布して、所定のパターン形状となるように露光し現像する。現像により、所定のパターン形状に対応するレジストが溶解し、所定のパターン形状がパターニングされる。レジスト溶解後に、スパッタリング、蒸着等の成膜法によりパターンを構成する材料を成膜する。成膜後、残存しているレジストを剥離液により除去することにより、レジスト上に成膜された材料も除去され、パターニングした領域のみに成膜した材料が残り、所定のパターンが形成される。 The heater section 50, the flat section 70, and the heater wiring sections 59a and 59b are formed on the first insulating film 30. The heater section 50, the flat section 70, and the heater wiring sections 59a and 59b can be formed in the same film formation process. The shapes of the heater section 50, the flat section 70, and the heater wiring sections 59a and 59b are formed, for example, by a lift-off method. In the lift-off process, first, a resist is applied to the entire surface on which a predetermined pattern is to be formed, and the resist is exposed and developed to form a predetermined pattern shape. The resist corresponding to the predetermined pattern shape is dissolved by development, and the predetermined pattern shape is patterned. After the resist is dissolved, a film of the material that constitutes the pattern is formed by a film formation method such as sputtering or vapor deposition. After the film formation, the remaining resist is removed with a stripping solution, and the material formed on the resist is also removed, and the material formed in the film remains only in the patterned area, forming the predetermined pattern.

ヒーター部50、平坦部70およびヒーター配線部59a、59bを形成した後、これらが少なくとも覆われるように、第1の絶縁膜30の形成と同様にして、第2の絶縁膜40を、公知の成膜法により形成する。 After forming the heater section 50, flat section 70, and heater wiring sections 59a, 59b, the second insulating film 40 is formed by a known film formation method in the same manner as the first insulating film 30 so that it at least covers these sections.

次に、第2の絶縁膜40の上に、ガス検出部60および検出配線部69a、69bを形成する。ガス検出部60および検出配線部69a、69bは、同一成膜工程で形成可能である。ガス検出部60および検出配線部69a、69bの形状は、ヒーター部50、平坦部70およびヒーター配線部59a、59bと同様に、リフトオフ工法等により形成される。さらに、第2の絶縁膜40に所定の開口を形成したのち、検出端子68a、68bおよびヒーター端子58a、58bの形成を行う。 Next, the gas detection unit 60 and the detection wiring units 69a, 69b are formed on the second insulating film 40. The gas detection unit 60 and the detection wiring units 69a, 69b can be formed in the same film formation process. The shapes of the gas detection unit 60 and the detection wiring units 69a, 69b are formed by a lift-off method or the like, similar to the heater unit 50, the flat unit 70, and the heater wiring units 59a, 59b. Furthermore, after forming a predetermined opening in the second insulating film 40, the detection terminals 68a, 68b and the heater terminals 58a, 58b are formed.

次に、基材材料の主面のうち、第1の絶縁膜30が形成されていない主面において、所定の領域にエッチングマスクを施し、反対側の主面に形成された第1の絶縁膜30が露出するまで基材材料をエッチングし、キャビティ22を形成する。キャビティ22が形成された領域に対応する第1の絶縁膜30が、第1絶縁膜メンブレン部32となる。 Next, an etching mask is applied to a predetermined area of the main surface of the base material on which the first insulating film 30 is not formed, and the base material is etched until the first insulating film 30 formed on the opposite main surface is exposed, forming a cavity 22. The first insulating film 30 corresponding to the area in which the cavity 22 is formed becomes the first insulating film membrane portion 32.

さらに、ガス検出部60の一対の電極62a、62bの上から、一対の電極62a、62bに接触するように半導体材料92を形成し、ガスセンサ10を得る。半導体材料92の形成工程では、半導体材料92の原料を含む半導体材料用ペーストを用いて塗布体を形成し、これを所定の温度で熱処理することにより、半導体材料92を形成する。 Furthermore, a semiconductor material 92 is formed on top of the pair of electrodes 62a, 62b of the gas detection unit 60 so as to contact the pair of electrodes 62a, 62b, thereby obtaining the gas sensor 10. In the process of forming the semiconductor material 92, a coating body is formed using a semiconductor material paste containing the raw material of the semiconductor material 92, and the coating body is heat-treated at a predetermined temperature to form the semiconductor material 92.

半導体材料用ペーストは、半導体材料として上述した材料の原料と、溶剤、バインダおよび添加剤とを混合することにより得られる。半導体材料の原料としては、たとえば金属酸化物粉末を用いる。金属酸化物粉末の平均粒子径は、特に制限されないが0.1~20μmであることが好ましい。 The semiconductor material paste is obtained by mixing the raw materials of the semiconductor materials described above with a solvent, a binder, and additives. As the raw material of the semiconductor material, for example, a metal oxide powder is used. The average particle size of the metal oxide powder is not particularly limited, but is preferably 0.1 to 20 μm.

(1.9.動作)
ガスセンサ10において、ヒーター部50は、ヒーター配線部59a、59b、平坦部70およびヒーター端子58a、58bを介して、図示しない外部回路に接続される。また、ガス検出部60の電極62a、62bは、検出配線部69a、69bおよび検出端子68a、68bを介して、図示しない外部回路に接続される。ガスセンサ10を作動させると、通電が開始され、ヒーター部50に所定の電圧が印加され、ガス検出部60およびその周辺部は、所定の温度に加熱される。
1.9. Operation
In the gas sensor 10, the heater section 50 is connected to an external circuit (not shown) via heater wiring sections 59a, 59b, the flat section 70, and heater terminals 58a, 58b. The electrodes 62a, 62b of the gas detection section 60 are connected to an external circuit (not shown) via detection wiring sections 69a, 69b and detection terminals 68a, 68b. When the gas sensor 10 is operated, current is applied and a predetermined voltage is applied to the heater section 50, so that the gas detection section 60 and its surroundings are heated to a predetermined temperature.

ガス検出部60が接触する半導体材料92は、ガスセンサ10が配置された空間に検知対象ガスが含まれている場合、半導体材料92の表面に吸着している酸素と検知対象ガスとの間で生じる酸化還元反応に起因する電子の移動量に応じて、抵抗値が変化する。電子の移動量は検知対象ガスの濃度に対応しているので、この抵抗値変化をガス検出部60の電極62a、62bが検知することにより、検知対象ガスの濃度を測定することができる。半導体材料92の抵抗値変化は、検知対象ガスの濃度が非常に低くても高感度であるので、ガスセンサ10は、検知対象ガスが低濃度の場合の検知に好適である。ただし、検知対象ガスが高濃度の場合には、抵抗値変化が飽和するので、検知は可能であるが、濃度測定は困難となる。 When the gas sensor 10 is placed in a space containing a gas to be detected, the resistance of the semiconductor material 92 that is in contact with the gas detection unit 60 changes depending on the amount of electron movement resulting from an oxidation-reduction reaction that occurs between the oxygen adsorbed on the surface of the semiconductor material 92 and the gas to be detected. The amount of electron movement corresponds to the concentration of the gas to be detected, so the electrodes 62a and 62b of the gas detection unit 60 detect this change in resistance, and the concentration of the gas to be detected can be measured. The change in resistance of the semiconductor material 92 is highly sensitive even when the concentration of the gas to be detected is very low, so the gas sensor 10 is suitable for detecting low concentrations of the gas to be detected. However, when the gas to be detected is highly concentrated, the change in resistance saturates, making it difficult to measure the concentration, although detection is possible.

図5~図7に示すように、ガスセンサ10は、ヒーター部50の内側に平坦面72を有する平坦部70が形成されており、第2の絶縁膜40を介して、平坦部70の上に、平坦面72より狭い面積を有するガス検出部60が形成されている。そのため、ガス検出部60は下層の形状による凹凸の影響を受けずに精度よく形成することができ、形状のばらつきなどに起因するノイズを低減し、良好な応答性を奏することができる。また、平坦部70は平面方向に略均一な厚みで形成すればよいため、このようなガスセンサ10は、プロセス効率も良好である。また、ヒーター部50の熱は、第2の絶縁膜40だけでなく平坦部70を経由してガス検出部60に伝えられるため、ガス検出部60における局所的な温度ばらつきが小さくなり、ガスセンサ10の検出安定性も良好である。 As shown in Figures 5 to 7, the gas sensor 10 has a flat portion 70 having a flat surface 72 formed inside the heater portion 50, and a gas detection portion 60 having a smaller area than the flat surface 72 is formed on the flat portion 70 via the second insulating film 40. Therefore, the gas detection portion 60 can be formed with high precision without being affected by unevenness due to the shape of the lower layer, and noise caused by shape variations can be reduced and good responsiveness can be achieved. In addition, since the flat portion 70 only needs to be formed with a substantially uniform thickness in the planar direction, such a gas sensor 10 has good process efficiency. In addition, the heat of the heater portion 50 is transferred to the gas detection portion 60 not only via the second insulating film 40 but also via the flat portion 70, so local temperature variations in the gas detection portion 60 are reduced, and the detection stability of the gas sensor 10 is also good.

ガスセンサ10では、平坦面72はヒーター部50と同じ材質であり、ヒーター部50と繋がっており、第2の絶縁膜40より熱伝導性が高い。このようなガスセンサ10では、ヒーター部50の熱が平坦部70を経由してガス検出部60に効果的に伝えられるため、ガス検出部60における局所的な温度ばらつきがより小さくなり、ガスセンサ10の検出安定性が向上する。 In the gas sensor 10, the flat surface 72 is made of the same material as the heater section 50, is connected to the heater section 50, and has higher thermal conductivity than the second insulating film 40. In such a gas sensor 10, the heat of the heater section 50 is effectively transferred to the gas detection section 60 via the flat section 70, so that local temperature variations in the gas detection section 60 are reduced, and the detection stability of the gas sensor 10 is improved.

また、ガスセンサ10では、ヒーター部50が第1絶縁膜メンブレン部32の中心34を通り水平方向に延びる基準線A1を基準として対称な形状を有するため、ガス検出部60の温度分布を均一化することができる。また、ガスセンサ10のヒーター部50は、所定の振幅で屈曲を繰り返す屈曲部52を有するため、第1の絶縁膜30および第2の絶縁膜40に生じる熱応力による検出誤差やノイズを、効果的に抑制することができる。 In addition, in the gas sensor 10, the heater section 50 has a shape that is symmetrical with respect to the reference line A1 that passes through the center 34 of the first insulating film membrane section 32 and extends horizontally, so that the temperature distribution in the gas detection section 60 can be made uniform. In addition, the heater section 50 of the gas sensor 10 has a bent section 52 that repeatedly bends with a predetermined amplitude, so that detection errors and noise caused by thermal stress generated in the first insulating film 30 and the second insulating film 40 can be effectively suppressed.

(2.第2実施形態)
図8は、第2実施形態に係るガスセンサ110を示す概略平面図であり、ガスセンサ110を上方から見た図である。なお、図8では、第2の絶縁膜40は透視しており、触媒材料192は、配置のみを仮想線で示している。第2実施形態に係るガスセンサ110は、ガス検出部160が触媒材料192に接触するPt線165(図11参照)を有し、Pt線165の抵抗変化によりガスの検出を行う点で、第1実施形態に係るガスセンサ10とは異なる。ただし、ガスセンサ110は、ガス検出部160および触媒材料192以外の部分については、第1実施形態に係るガスセンサ10と同様である。ガスセンサ110については、ガスセンサ10との相違点を中心に説明を行い、ガスセンサ10との共通点については、共通の符号を付して説明を省略する。
(2. Second embodiment)
FIG. 8 is a schematic plan view showing the gas sensor 110 according to the second embodiment, and is a view of the gas sensor 110 seen from above. In FIG. 8, the second insulating film 40 is seen through, and only the arrangement of the catalyst material 192 is shown by virtual lines. The gas sensor 110 according to the second embodiment is different from the gas sensor 10 according to the first embodiment in that the gas detection section 160 has a Pt wire 165 (see FIG. 11) that contacts the catalyst material 192, and gas is detected by a change in resistance of the Pt wire 165. However, the gas sensor 110 is similar to the gas sensor 10 according to the first embodiment in parts other than the gas detection section 160 and the catalyst material 192. The gas sensor 110 will be described mainly with respect to differences from the gas sensor 10, and common reference numerals will be used to denote common parts with the gas sensor 10, and description thereof will be omitted.

図9は、図8におけるIX-IX線に沿う平面で切断したガスセンサ110の断面模式図であり、図10は、図8におけるX-X線に沿う平面で切断したガスセンサ110の断面模式図である。ガスセンサ110は、基材20、第1の絶縁膜30、第2の絶縁膜40、ヒーター部50、ガス検出部160、ヒーター端子58a、58b、ヒーター配線部59a、59b、検出端子68a、68b、検出配線部69a、69b、平坦部70および触媒材料192等を有する。ガスセンサ110は、基材20、第1の絶縁膜30、第2の絶縁膜40、ヒーター部50、ヒーター端子58a、58b、ヒーター配線部59a、59b、検出端子68a、68b、平坦部70など、第2の絶縁膜40より下側の構造については、第1実施形態に係るガスセンサ10と同様である。 Figure 9 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor 110 cut along a plane along line IX-IX in Figure 8, and Figure 10 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor 110 cut along a plane along line X-X in Figure 8. The gas sensor 110 has a substrate 20, a first insulating film 30, a second insulating film 40, a heater section 50, a gas detection section 160, heater terminals 58a, 58b, heater wiring sections 59a, 59b, detection terminals 68a, 68b, detection wiring sections 69a, 69b, a flat section 70, a catalyst material 192, and the like. The gas sensor 110 has the same structure as the gas sensor 10 according to the first embodiment below the second insulating film 40, including the substrate 20, first insulating film 30, second insulating film 40, heater section 50, heater terminals 58a, 58b, heater wiring sections 59a, 59b, detection terminals 68a, 68b, and flat section 70.

図8および図9に示すように、ガス検出部160は、メンブレン18における第2の絶縁膜40の上に設けられる。図11は、ガスセンサ110におけるメンブレン18およびその周縁部分における第1の絶縁膜30と、ヒーター部50と、ヒーター配線部59a、59bと、平坦部70と、ガス検出部160と、検出配線部69a、69bとを表示した部分図である。図11では、ガスセンサ110における第2の絶縁膜40は透視しており、触媒材料192は配置のみを仮想線で示している。 As shown in Figures 8 and 9, the gas detection section 160 is provided on the second insulating film 40 of the membrane 18. Figure 11 is a partial view showing the membrane 18 of the gas sensor 110 and the first insulating film 30 at its peripheral portion, the heater section 50, the heater wiring sections 59a, 59b, the flat section 70, the gas detection section 160, and the detection wiring sections 69a, 69b. In Figure 11, the second insulating film 40 of the gas sensor 110 is seen through, and only the location of the catalyst material 192 is shown by virtual lines.

図11に示すように、ガス検出部160は、図5に示すガス検出部60と同様に、上方から見てヒーター部50より第1絶縁膜メンブレン部32の中心側の領域である中央領域R1に配置される。ガスセンサ110のガス検出部160は、図5に示す櫛歯状の電極62a、62bの換わりに、Pt線165を有する。Pt線165は、白金(Pt)の薄膜を、ミアンダ状にパターン形成したものである。このようなミアンダ状のPt線165を有するガス検出部160は、狭い面積の中で、触媒材料192に接触するPt線165の長さを長くすることができ、検出感度を向上させることができる。 As shown in FIG. 11, the gas detection unit 160 is disposed in the central region R1, which is the region closer to the center of the first insulating film membrane unit 32 than the heater unit 50 when viewed from above, similar to the gas detection unit 60 shown in FIG. 5. The gas detection unit 160 of the gas sensor 110 has a Pt wire 165 instead of the comb-shaped electrodes 62a, 62b shown in FIG. 5. The Pt wire 165 is a platinum (Pt) thin film patterned in a meandering shape. The gas detection unit 160 having such a meandering Pt wire 165 can increase the length of the Pt wire 165 that contacts the catalyst material 192 in a small area, thereby improving the detection sensitivity.

Pt線165の一方の端部は検出配線部69aに接続しており、Pt線165の他方の端部は検出配線部69bに接続している。なお、検出配線部69a、69bが、メンブレン18に配置されるガス検出部160と、キャビティ周縁部24に配置される検出端子68a、68bとを接続している点は、第1実施形態に係るガスセンサ10と同様である。また、検出配線部69a、69bの材質は、ガス検出部160と同様に白金(Pt)であってもよく、金(Au)などの他の導電材料であってもよい。 One end of the Pt wire 165 is connected to the detection wiring portion 69a, and the other end of the Pt wire 165 is connected to the detection wiring portion 69b. Note that the detection wiring portions 69a and 69b connect the gas detection portion 160 arranged on the membrane 18 to the detection terminals 68a and 68b arranged on the cavity periphery 24, as in the gas sensor 10 according to the first embodiment. The material of the detection wiring portions 69a and 69b may be platinum (Pt) like the gas detection portion 160, or may be other conductive materials such as gold (Au).

図12は、図9に示すガスセンサ110においてキャビティ22の上側に配置される部分を拡大した拡大断面図である。図12に示すように、Pt線165を有するガス検出部160は、上方から見て平坦面72(図11参照)に重なるように配置され、平坦面72より狭い面積を有する。図12に示すように、ガス検出部160の全体は、第2の絶縁膜40を介して平坦部70の平坦面72の上に形成されており、上方から見て平坦面72の範囲内に形成されることが好ましい。なお、ガスセンサ110にけるガス検出部160は、Pt線165の一方の端部から他方の端部まであり、すなわち、図11において一点鎖線(太線)で囲まれる部分である。 12 is an enlarged cross-sectional view of the portion of the gas sensor 110 shown in FIG. 9 that is disposed above the cavity 22. As shown in FIG. 12, the gas detection section 160 having the Pt wire 165 is disposed so as to overlap the flat surface 72 (see FIG. 11) when viewed from above, and has a smaller area than the flat surface 72. As shown in FIG. 12, the entire gas detection section 160 is formed on the flat surface 72 of the flat section 70 via the second insulating film 40, and is preferably formed within the range of the flat surface 72 when viewed from above. The gas detection section 160 in the gas sensor 110 extends from one end to the other end of the Pt wire 165, that is, the portion surrounded by the dashed line (thick line) in FIG. 11.

図12に示すガス検出部160は、平坦面72の上に形成される第3部分43の上に形成されるため、ガス検出部60の形状は、第2絶縁膜メンブレン部44の起伏や段差の影響を受けずばらつきが少なくなり、たとえば、Pt線165の線幅、全長および断面積についても、精度よく管理することができる。 The gas detection section 160 shown in FIG. 12 is formed on the third portion 43 which is formed on the flat surface 72, so the shape of the gas detection section 60 is not affected by the undulations and steps of the second insulating film membrane section 44 and has less variation. For example, the line width, total length and cross-sectional area of the Pt wire 165 can also be precisely controlled.

図12に示すように、触媒材料192は、メンブレン18の中央領域R1に配置されるガス検出部160のPt線165の間およびガス検出部160の上に設けられる。触媒材料192は、上方から見てガス検出部160の全体に重なり、Pt線165の全体に接触するように、ガス検出部160より広い面積に形成されることが好ましい。触媒材料192は、略ドーム状の外形状を有するが、触媒材料192の形状は特に限定されない。 As shown in FIG. 12, the catalyst material 192 is provided between the Pt wires 165 of the gas detection unit 160 arranged in the central region R1 of the membrane 18 and on the gas detection unit 160. The catalyst material 192 is preferably formed over an area larger than the gas detection unit 160 so as to overlap the entire gas detection unit 160 when viewed from above and to contact the entire Pt wires 165. The catalyst material 192 has an approximately dome-shaped outer shape, but the shape of the catalyst material 192 is not particularly limited.

触媒材料192を構成する材料は、ガスセンサの触媒として公知の材料であれば特に制限されない。通常は、担体に貴金属粒子が担持されたものが用いられる。担体としては、酸化アルミニウム(γアルミナ等)、酸化シリコン等の酸化物材料が例示される。また、担体に担持される貴金属粒子としては、白金(Pt)、パラジウム(Pd)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)等の貴金属粒子等が例示される。 The material constituting the catalyst material 192 is not particularly limited as long as it is a material known as a catalyst for gas sensors. Typically, a carrier carrying precious metal particles is used. Examples of the carrier include oxide materials such as aluminum oxide (such as gamma alumina) and silicon oxide. Examples of the precious metal particles carried by the carrier include precious metal particles such as platinum (Pt), palladium (Pd), ruthenium (Ru), and rhodium (Rh).

ガスセンサ110のガス検出部160は、ガスセンサ10のガス検出部60と同様に、公知の成膜法およびリフトオフ工程等により形成される。また、触媒材料192は、ガスセンサ10の半導体材料92と同様に、ペースト塗布および熱処理工程等により形成される。 The gas detection section 160 of the gas sensor 110 is formed by known film formation methods and lift-off processes, etc., in the same manner as the gas detection section 60 of the gas sensor 10. The catalyst material 192 is formed by paste application and heat treatment processes, etc., in the same manner as the semiconductor material 92 of the gas sensor 10.

ガスセンサ110が有する触媒材料192は、ガスセンサが配置された空間に、検知対象ガスが含まれている場合、その存在割合に応じて、触媒材料192上で可燃性ガスと酸素等が結合し燃焼する。ガスセンサ110が有するガス検出部160のPt線165は、触媒材料において生じた可燃性ガスの燃焼による温度変化を、その抵抗変化により検出する。 When the gas sensor 110 contains a target gas in a space in which the gas sensor is placed, the combustible gas and oxygen combine and burn on the catalytic material 192 depending on the proportion of the gas present. The Pt wire 165 of the gas detection unit 160 of the gas sensor 110 detects the temperature change caused by the combustion of the combustible gas generated in the catalytic material by the change in resistance.

ガスセンサ110は、ガスセンサ10と同様に、平坦部70の上に、平坦面72より狭い面積を有するガス検出部160が形成されている。そのため、ガス検出部160は下層の形状による凹凸の影響を受けずに精度よく形成することができ、形状のばらつきなどに起因するノイズを低減し、良好な応答性を奏することができる。また、ガスセンサ110は、平坦部70を経由してヒーター部50の熱がガス検出部160に伝えられるため、ガス検出部160における局所的な温度ばらつきが小さくなり、検出安定性が向上する。 In the gas sensor 110, like the gas sensor 10, a gas detection section 160 having a smaller area than the flat surface 72 is formed on the flat section 70. Therefore, the gas detection section 160 can be formed with high precision without being affected by unevenness due to the shape of the underlying layer, reducing noise caused by shape variations and providing good responsiveness. In addition, in the gas sensor 110, heat from the heater section 50 is transferred to the gas detection section 160 via the flat section 70, so that local temperature variations in the gas detection section 160 are reduced and detection stability is improved.

その他、ガスセンサ110は、第1実施形態に係るガスセンサ10との共通点については、ガスセンサ10と同様の効果を奏する。 In addition, the gas sensor 110 has the same effects as the gas sensor 10 according to the first embodiment in terms of the commonalities between them.

(3.第3実施形態)
図13は、第3実施形態に係るガスセンサ210を示す概略平面図であり、ガスセンサ210を上方から見た図である。なお、図13では、第2の絶縁膜40は透視しており、触媒材料192は、配置のみを仮想線で示している。第3実施形態に係るガスセンサ210は、ガス検出部260がサーミスタ膜294(触媒材料192に接触する)に接触する一対の電極262a、262b(図16参照)を有し、電極262a、262bにより検出されるサーミスタ膜294の触媒反応熱に伴う抵抗変化によりガスの検出を行う点で、第1実施形態に係るガスセンサ10とは異なる。ただし、ガスセンサ210は、ガス検出部260、サーミスタ膜294および触媒材料192以外の部分については、第1実施形態に係るガスセンサ10と同様である。ガスセンサ210については、ガスセンサ10との相違点を中心に説明を行い、ガスセンサ10との共通点については、共通の符号を付して説明を省略する。
3. Third embodiment
FIG. 13 is a schematic plan view showing a gas sensor 210 according to the third embodiment, and is a view of the gas sensor 210 seen from above. In FIG. 13, the second insulating film 40 is seen through, and only the arrangement of the catalyst material 192 is shown by virtual lines. The gas sensor 210 according to the third embodiment is different from the gas sensor 10 according to the first embodiment in that the gas detection unit 260 has a pair of electrodes 262a, 262b (see FIG. 16) that contact the thermistor film 294 (which contacts the catalyst material 192), and detects gas by the resistance change caused by the catalytic reaction heat of the thermistor film 294 detected by the electrodes 262a, 262b. However, the gas sensor 210 is similar to the gas sensor 10 according to the first embodiment in parts other than the gas detection unit 260, the thermistor film 294, and the catalyst material 192. The gas sensor 210 will be described mainly with respect to the differences from the gas sensor 10, and the common parts to the gas sensor 10 will be denoted by the common reference numerals and will not be described.

図14は、図13におけるXIV-XIV線に沿う平面で切断したガスセンサ210の断面模式図であり、図14は、図13におけるXV-XV線に沿う平面で切断したガスセンサ210の断面模式図である。ガスセンサ210は、基材20、第1の絶縁膜30、第2の絶縁膜40、ヒーター部50、ガス検出部260、ヒーター端子58a、58b、ヒーター配線部59a、59b、検出端子68a、68b、検出配線部69a、69b、平坦部70、サーミスタ膜294および触媒材料192等を有する。ガスセンサ210は、基材20、第1の絶縁膜30、第2の絶縁膜40、ヒーター部50、ヒーター端子58a、58b、ヒーター配線部59a、59b、検出端子68a、68b、平坦部70など、第2の絶縁膜40より下側の構造については、第1実施形態に係るガスセンサ10と同様である。 Figure 14 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor 210 cut along a plane along line XIV-XIV in Figure 13, and Figure 14 is a schematic cross-sectional view of the gas sensor 210 cut along a plane along line XV-XV in Figure 13. The gas sensor 210 has a substrate 20, a first insulating film 30, a second insulating film 40, a heater section 50, a gas detection section 260, heater terminals 58a, 58b, heater wiring sections 59a, 59b, detection terminals 68a, 68b, detection wiring sections 69a, 69b, a flat section 70, a thermistor film 294, a catalyst material 192, and the like. The gas sensor 210 has the same structure as the gas sensor 10 according to the first embodiment below the second insulating film 40, including the substrate 20, first insulating film 30, second insulating film 40, heater section 50, heater terminals 58a, 58b, heater wiring sections 59a, 59b, detection terminals 68a, 68b, and flat section 70.

図14および図15に示すように、ガス検出部260は、メンブレン18における第2の絶縁膜40の上に設けられる。図16は、ガスセンサ210におけるメンブレン18およびその周縁部分における第1の絶縁膜30と、ヒーター部50と、ヒーター配線部59a、59bと、平坦部70と、ガス検出部260とサーミスタ膜194と、検出配線部69a、69bとを表示した部分図である。図16では、ガスセンサ110における第2の絶縁膜40は透視しており、触媒材料192は配置のみを仮想線で示している。 As shown in Figures 14 and 15, the gas detection section 260 is provided on the second insulating film 40 of the membrane 18. Figure 16 is a partial view showing the membrane 18 of the gas sensor 210 and the first insulating film 30 at its peripheral portion, the heater section 50, the heater wiring sections 59a, 59b, the flat section 70, the gas detection section 260, the thermistor film 194, and the detection wiring sections 69a, 69b. In Figure 16, the second insulating film 40 of the gas sensor 110 is seen through, and only the location of the catalyst material 192 is shown by virtual lines.

図16に示すように、ガス検出部260は、図5に示すガス検出部60と同様に、上方から見てヒーター部50より第1絶縁膜メンブレン部32の中心側の領域である中央領域R1に配置される。ガスセンサ210のガス検出部260は、図5に示す櫛歯状の電極62a、62bの換わりに、サーミスタ膜294に接触する一対の電極262a、262bを有する。 As shown in FIG. 16, the gas detection section 260 is disposed in the central region R1, which is the region closer to the center of the first insulating film membrane section 32 than the heater section 50 when viewed from above, similar to the gas detection section 60 shown in FIG. 5. The gas detection section 260 of the gas sensor 210 has a pair of electrodes 262a, 262b in contact with the thermistor film 294, instead of the comb-shaped electrodes 62a, 62b shown in FIG. 5.

図16に示すように、一対の電極262a、262bは略直線状であり、互いに所定の間隔を空けて水平方向に対向している。サーミスタ膜294は、一対の電極262a、262bを跨ぐように形成されており、一対の電極262a、262bの両方に接触する。ガス検出部260の電極262aは、検出配線部69aに接続しており、ガス検出部260の電極262bは、検出配線部69bに接続している。なお、検出配線部69a、69bが、メンブレン18に配置されるガス検出部260と、キャビティ周縁部24に配置される検出端子68a、68bとを接続している点は、第1実施形態に係るガスセンサ10と同様である。ガス検出部260における電極262a、262bの材質は、ガスセンサ10の電極26a、26bと同様である。 As shown in FIG. 16, the pair of electrodes 262a, 262b are substantially linear and face each other horizontally with a predetermined gap between them. The thermistor film 294 is formed to straddle the pair of electrodes 262a, 262b and contact both of the pair of electrodes 262a, 262b. The electrode 262a of the gas detection unit 260 is connected to the detection wiring portion 69a, and the electrode 262b of the gas detection unit 260 is connected to the detection wiring portion 69b. Note that the detection wiring portions 69a, 69b connect the gas detection unit 260 arranged on the membrane 18 to the detection terminals 68a, 68b arranged on the cavity peripheral portion 24, which is the same as in the gas sensor 10 according to the first embodiment. The material of the electrodes 262a, 262b in the gas detection unit 260 is the same as the electrodes 26a, 26b of the gas sensor 10.

図17は、図14に示すガスセンサ210においてキャビティ22の上側に配置される部分を拡大した拡大断面図である。図17に示すように、一対の電極262a、262bを有するガス検出部260は、上方から見て平坦面72(図16参照)に重なるように配置され、平坦面72より狭い面積を有する。図17に示すように、ガス検出部260の全体は、第2の絶縁膜40を介して平坦部70の平坦面72の上に形成されており、上方から見て平坦面72の範囲内に形成されることが好ましい。なお、ガスセンサ210におけるガス検出部260は、サーミスタ膜294を挟んで対向する電極262a、262bであり、図16および図17において一点鎖線(太線)で囲まれる部分である。 17 is an enlarged cross-sectional view of the portion of the gas sensor 210 shown in FIG. 14 that is disposed above the cavity 22. As shown in FIG. 17, the gas detector 260 having a pair of electrodes 262a, 262b is disposed so as to overlap the flat surface 72 (see FIG. 16) when viewed from above, and has a smaller area than the flat surface 72. As shown in FIG. 17, the entire gas detector 260 is formed on the flat surface 72 of the flat portion 70 via the second insulating film 40, and is preferably formed within the range of the flat surface 72 when viewed from above. The gas detector 260 in the gas sensor 210 is the electrodes 262a, 262b that face each other across the thermistor film 294, and is the portion surrounded by the dashed line (thick line) in FIG. 16 and FIG. 17.

図17に示すように、サーミスタ膜294は、ガス検出部260を構成する電極262a、262bの間およびガス検出部260の上に配置される。すなわち、サーミスタ膜294の一部は、電極262a、262bの間の第2の絶縁膜40(第2絶縁膜メンブレン部44の第3部分43)に接触する。また、サーミスタ膜294の他の一部は、電極262a、262bの外側に接続する検出配線部69a、69bにも接触している。 As shown in FIG. 17, the thermistor film 294 is disposed between the electrodes 262a, 262b constituting the gas detection unit 260 and on top of the gas detection unit 260. That is, a part of the thermistor film 294 contacts the second insulating film 40 (the third part 43 of the second insulating film membrane part 44) between the electrodes 262a, 262b. In addition, another part of the thermistor film 294 also contacts the detection wiring parts 69a, 69b that connect to the outside of the electrodes 262a, 262b.

サーミスタ膜294は、サーミスタ膜294の上に設けられる触媒材料192に接触する。サーミスタ膜294は、負の抵抗温度係数を有している。サーミスタ膜294は触媒材料192と熱的に接続されており、触媒材料192における可燃性ガスの燃焼による温度変化に起因してサーミスタ膜294の熱伝導率の変化が生じ、これに応じてサーミスタ膜294の抵抗値が変化する。サーミスタ膜294を構成する材料としては、サーミスタとして使用可能な材料であれば特に制限されないが、たとえば、マンガン(Mn)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、鉄(Fe)等の金属元素を含む複合金属酸化物等が例示される。サーミスタ膜294は、スパッタリングなどの公知の成膜法により形成される。 The thermistor film 294 contacts the catalyst material 192 provided on the thermistor film 294. The thermistor film 294 has a negative temperature coefficient of resistance. The thermistor film 294 is thermally connected to the catalyst material 192, and a change in the thermal conductivity of the thermistor film 294 occurs due to a temperature change caused by the combustion of a combustible gas in the catalyst material 192, and the resistance value of the thermistor film 294 changes accordingly. There are no particular limitations on the material constituting the thermistor film 294 as long as it is a material that can be used as a thermistor, and examples of the material include composite metal oxides containing metal elements such as manganese (Mn), nickel (Ni), cobalt (Co), and iron (Fe). The thermistor film 294 is formed by a known film formation method such as sputtering.

ガスセンサ210が有する触媒材料192は、ガスセンサ210が配置された空間に、検知対象ガスが含まれている場合、その存在割合に応じて、触媒材料192上で可燃性ガスと酸素等が結合し燃焼する。ガスセンサ210が有するガス検出部260の電極262a、262bは、可燃性ガスの燃焼により触媒材料192において生じた燃焼熱に伴うサーミスタ膜294の抵抗変化を検出する。このようなガスセンサ210は、検知対象ガスが高濃度の場合には、サーミスタ膜294の抵抗変化を検出しやすくなるため、検知対象ガスが高濃度の場合の検知に特に好適である。 When the gas sensor 210 is placed in a space where the gas sensor 210 is placed, the combustible gas and oxygen combine on the catalyst material 192 and combust depending on the proportion of the gas present. The electrodes 262a, 262b of the gas detection unit 260 of the gas sensor 210 detect the resistance change of the thermistor film 294 caused by the combustion heat generated in the catalyst material 192 by the combustion of the combustible gas. Such a gas sensor 210 is particularly suitable for detecting high concentrations of the gas to be detected, since it is easier to detect the resistance change of the thermistor film 294 when the gas to be detected is in high concentration.

ガスセンサ210は、ガスセンサ10と同様に、平坦部70の上に、平坦面72より狭い面積を有するガス検出部260が形成されている。そのため、ガス検出部260は下層の形状による凹凸の影響を受けずに精度よく形成することができ、形状のばらつきなどに起因するノイズを低減し、良好な応答性を奏することができる。また、ガスセンサ210は、平坦部70を経由してヒーター部50の熱がガス検出部60に伝えられるため、ガス検出部60における局所的な温度ばらつきが小さくなり、検出安定性が向上する。 In the gas sensor 210, similar to the gas sensor 10, a gas detection section 260 having a smaller area than the flat surface 72 is formed on the flat section 70. Therefore, the gas detection section 260 can be formed with high precision without being affected by unevenness due to the shape of the underlying layer, reducing noise caused by shape variations and providing good responsiveness. In addition, in the gas sensor 210, heat from the heater section 50 is transferred to the gas detection section 60 via the flat section 70, so that local temperature variations in the gas detection section 60 are reduced and detection stability is improved.

なお、ガスセンサ210の電極262a、262bは、ガスセンサ10の電極62a、62bと同様に、櫛歯状であってもよい。また、ガスセンサ210は、触媒材料192を有さず、電極262a、262bに接触するサーミスタ膜の抵抗変化によりガスを検出するものであってもよい。その他、ガスセンサ210は、第1実施形態に係るガスセンサ10との共通点については、ガスセンサ10と同様の効果を奏する。 The electrodes 262a, 262b of the gas sensor 210 may be comb-shaped like the electrodes 62a, 62b of the gas sensor 10. The gas sensor 210 may not have the catalyst material 192 and may detect gas by a change in resistance of a thermistor film in contact with the electrodes 262a, 262b. In addition, the gas sensor 210 has the same effects as the gas sensor 10 in terms of the points in common with the gas sensor 10 according to the first embodiment.

(4.1.第1変形例)
上述したガスセンサ10、110、210では、図6に示すような形状のヒーター部50および平坦部70を用いたが、ガスセンサ10、110、210に用いるヒーター部50および平坦部70としては、図5に示すもの以外にも、様々な形状が考えられる。図18は、第1変形例に係るヒーター部450および平坦部470を、メンブレン18およびその周縁部分における第1の絶縁膜30、ヒーター配線部59a、59b等とともに表示した部分説明図である。
(4.1. First Modified Example)
In the above-described gas sensors 10, 110, and 210, the heater section 50 and the flat section 70 having the shape shown in Fig. 6 are used, but various shapes are conceivable for the heater section 50 and the flat section 70 used in the gas sensors 10, 110, and 210 other than those shown in Fig. 5. Fig. 18 is a partial explanatory diagram showing the heater section 450 and the flat section 470 according to the first modified example together with the membrane 18, the first insulating film 30 on its peripheral portion, the heater wiring sections 59a, 59b, etc.

図18に示すように、第1変形例に係るヒーター部450は、平坦部470に対して接続していない。ヒーター部450は、ヒーター配線部59aに接続する部分と、ヒーター配線部59aに接続する部分とが略対称であり、これらの2つの部分が、直接接続している。ヒーター部450の材質は、図5に示すヒーターブ50の材質と同様である。 As shown in FIG. 18, the heater section 450 according to the first modified example is not connected to the flat section 470. The heater section 450 has a portion that connects to the heater wiring section 59a and a portion that connects to the heater wiring section 59a that are substantially symmetrical, and these two portions are directly connected. The material of the heater section 450 is the same as the material of the heater section 50 shown in FIG. 5.

平坦部470は、図6に示す平坦部70と同様に上を向く平坦面472を有し、平坦部70と同様の形状および配置である。ただし、平坦部470は、平坦部470を囲むように配置されるヒーター部450から離間しており、ヒーター部450を流れる電流は、平坦部470を通過しない。 The flat portion 470 has an upwardly facing flat surface 472 similar to the flat portion 70 shown in FIG. 6, and has the same shape and arrangement as the flat portion 70. However, the flat portion 470 is separated from the heater portion 450 arranged to surround the flat portion 470, and the current flowing through the heater portion 450 does not pass through the flat portion 470.

平坦部470の材質は、ヒーター部450の材質と同様であってもよいが、平坦部470はヒーター部450に対して離間しているため、ヒーター部450とは異なる材質とすることも容易である。たとえば、平坦部470の材質として、ヒーター部450より熱伝導率の高い材料を採用してもよい。 The material of the flat portion 470 may be the same as the material of the heater portion 450, but since the flat portion 470 is separated from the heater portion 450, it is easy to use a material different from that of the heater portion 450. For example, the material of the flat portion 470 may be a material having a higher thermal conductivity than the heater portion 450.

平坦部470は、ヒーター部450とは繋がっていないが、ガス検出部60、160、260に伝える熱伝導経路として好適に作用する。また、平坦部470の平坦面472は、図5に示す平坦面72と同様に、上層のガス検出部60、160、260の形状ばらつきを抑制し、ガスセンサの応答性の向上に寄与する。したがって、図5に示すヒーター部50および平坦部70に代えて、第1変形例に係るヒーター部450および平坦部470を用いるガスセンサも、ガスセンサ10、110、210と同様の効果を奏する。 The flat portion 470 is not connected to the heater portion 450, but it functions effectively as a heat conduction path to the gas detection portion 60, 160, 260. Similarly to the flat surface 72 shown in FIG. 5, the flat surface 472 of the flat portion 470 suppresses the shape variation of the upper gas detection portion 60, 160, 260, and contributes to improving the responsiveness of the gas sensor. Therefore, a gas sensor using the heater portion 450 and flat portion 470 according to the first modified example instead of the heater portion 50 and flat portion 70 shown in FIG. 5 also achieves the same effect as the gas sensors 10, 110, 210.

(4.2.第2変形例)
図19(a)は、第2変形例に係るヒーター部550および平坦部570を、メンブレン18およびその周縁部分における第1の絶縁膜30、ヒーター配線部59a、59b等とともに表示した部分説明図である。図19(a)に示すように、第2変形例に係るヒーター部550は、図5に示すヒーター部50と同様に、平坦部570に対して接続している。
(4.2. Second Modified Example)
19(a) is a partial explanatory diagram showing a heater section 550 and a flat section 570 according to the second modified example together with the membrane 18, the first insulating film 30 at its peripheral portion, heater wiring sections 59a, 59b, etc. As shown in Fig. 19(a), the heater section 550 according to the second modified example is connected to the flat section 570, similar to the heater section 50 shown in Fig. 5.

ヒーター部550は、ヒーター配線部59aに接続する部分と、ヒーター配線部59bに接続する部分とが略対称であり、これらの2つの部分が、導電性の平坦部570を介して電気的に接続している。ヒーター部550は、平坦部570における2箇所のY方向中央位置で平坦部570に対して接続している。なお、ヒーター部550の屈曲部は、複数の異なる振幅を有する部分を組み合わせてなり、このようなヒーター部550も、ヒーター部50と同様の効果を奏する。 The heater section 550 has a portion connected to the heater wiring section 59a and a portion connected to the heater wiring section 59b that are approximately symmetrical, and these two portions are electrically connected via the conductive flat section 570. The heater section 550 is connected to the flat section 570 at two central positions in the Y direction of the flat section 570. The bent portion of the heater section 550 is made up of a combination of portions having multiple different amplitudes, and such a heater section 550 also has the same effect as the heater section 50.

平坦部570は、図6に示す平坦部70と同様に上を向く平坦面572を有し、平坦部70と同様の形状および配置である。ヒーター部550および平坦部570の材質は、図5に示すヒーター部50および平坦部70と同様である。 The flat portion 570 has an upwardly facing flat surface 572 similar to the flat portion 70 shown in FIG. 6, and has the same shape and arrangement as the flat portion 70. The materials of the heater portion 550 and the flat portion 570 are the same as those of the heater portion 50 and the flat portion 70 shown in FIG. 5.

図5に示すヒーター部50および平坦部70に代えて、第2変形例に係るヒーター部550および平坦部570を用いるガスセンサも、ガスセンサ10、110、210と同様の効果を奏する。 A gas sensor that uses the heater section 550 and flat section 570 of the second modified example instead of the heater section 50 and flat section 70 shown in FIG. 5 also achieves the same effects as the gas sensors 10, 110, and 210.

(4.3.第3変形例)
図19(b)は、第3変形例に係るヒーター部650および平坦部670を、メンブレン18およびその周縁部分における第1の絶縁膜30、ヒーター配線部59a、59b等とともに表示した部分説明図である。図19(b)に示すように、第3変形例に係るヒーター部650は、図5に示すヒーター部50と同様に、平坦部670に対して接続している。
(4.3. Third Modification)
19(b) is a partial explanatory diagram showing a heater section 650 and a flat section 670 according to the third modified example together with the membrane 18, the first insulating film 30 at its peripheral portion, heater wiring sections 59a, 59b, etc. As shown in Fig. 19(b) , the heater section 650 according to the third modified example is connected to the flat section 670, similar to the heater section 50 shown in Fig. 5 .

ヒーター部650は、梁部31cの上を通るヒーター配線部659aに接続する部分と、ヒーター配線部59bに接続する部分とが、平坦部670の中心位置を基準として180度回転対称である。ヒーター部650におけるこれらの2つの部分が、導電性の平坦部670を介して電気的に接続している。ヒーター部650は、略矩形の平坦部670において所定の対角線上に配置される2箇所のコーナーで、平坦部670に対して接続している。また、ヒーター配線部659a、59bは、略矩形の第1絶縁膜メンブレン部32において、所定の対角線上に配置される2箇所のコーナーに接続する梁部31c、31bの上を通る。 The heater section 650 has a portion connected to the heater wiring section 659a that passes over the beam section 31c and a portion connected to the heater wiring section 59b that are 180 degrees rotationally symmetrical with respect to the center position of the flat section 670. These two portions of the heater section 650 are electrically connected via the conductive flat section 670. The heater section 650 is connected to the flat section 670 at two corners that are arranged on a predetermined diagonal line in the approximately rectangular flat section 670. The heater wiring sections 659a, 59b also pass over the beam sections 31c, 31b that connect to two corners that are arranged on a predetermined diagonal line in the approximately rectangular first insulating film membrane section 32.

平坦部670は、図6に示す平坦部70と同様に上を向く平坦面672を有し、平坦部70と同様の形状および配置である。ヒーター部650および平坦部670の材質は、図5に示すヒーター部50および平坦部70と同様である。 The flat portion 670 has an upwardly facing flat surface 672 similar to the flat portion 70 shown in FIG. 6, and has the same shape and arrangement as the flat portion 70. The materials of the heater portion 650 and the flat portion 670 are the same as those of the heater portion 50 and the flat portion 70 shown in FIG. 5.

図5に示すヒーター部50および平坦部70に代えて、第3変形例に係るヒーター部650および平坦部670を用いるガスセンサも、ガスセンサ10、110、210と同様の効果を奏する。 A gas sensor that uses the heater section 650 and flat section 670 of the third modified example instead of the heater section 50 and flat section 70 shown in FIG. 5 also achieves the same effects as the gas sensors 10, 110, and 210.

(4.5.第4変形例)
図19(c)は、第4変形例に係るヒーター部750および平坦部770を、メンブレン18およびその周縁部分における第1の絶縁膜30、ヒーター配線部59a、59b等とともに表示した部分説明図である。図19(c)に示すように、第3変形例に係るヒーター部750は、図5に示すヒーター部50と同様に、平坦部770に対して接続している。
(4.5. Fourth Modification)
19(c) is a partial explanatory diagram showing the heater section 750 and flat section 770 according to the fourth modification together with the membrane 18, the first insulating film 30 at its peripheral portion, the heater wiring sections 59a, 59b, etc. As shown in Fig. 19(c), the heater section 750 according to the third modification is connected to the flat section 770, similar to the heater section 50 shown in Fig. 5.

ヒーター部750は、梁部31cの上を通るヒーター配線部759aに接続する部分と、ヒーター配線部59bに接続する部分とが、平坦部770の中心位置を基準として180度回転対称である。ヒーター部750におけるこれらの2つの部分が、導電性の平坦部770を介して電気的に接続している。ヒーター部750は、平坦部770の外縁における2箇所のX方向中央位置で、平坦部770に対して接続している。また、ヒーター配線部759a、59bは、略矩形の第1絶縁膜メンブレン部32において、所定の対角線上に配置される2箇所のコーナーに接続する梁部31c、31bの上を通る。 The heater section 750 has a portion connected to the heater wiring section 759a that passes over the beam section 31c and a portion connected to the heater wiring section 59b that are 180 degrees rotationally symmetrical with respect to the center position of the flat section 770. These two portions of the heater section 750 are electrically connected via the conductive flat section 770. The heater section 750 is connected to the flat section 770 at two central positions in the X direction on the outer edge of the flat section 770. The heater wiring sections 759a and 59b also pass over the beam sections 31c and 31b that connect to two corners arranged on a predetermined diagonal line in the substantially rectangular first insulating film membrane section 32.

平坦部770は、図6に示す平坦部70と同様に上を向く平坦面772を有し、平坦面70と同様の形状および配置である。ヒーター部750および平坦部770の材質は、図5に示すヒーター部50および平坦部70と同様である。 The flat portion 770 has a flat surface 772 facing upward like the flat portion 70 shown in FIG. 6, and has the same shape and arrangement as the flat surface 70. The material of the heater portion 750 and the flat portion 770 is the same as that of the heater portion 50 and the flat portion 70 shown in FIG. 5.

図5に示すヒーター部50および平坦部70に代えて、第4変形例に係るヒーター部750および平坦部770を用いるガスセンサも、ガスセンサ10、110、210と同様の効果を奏する。 A gas sensor that uses the heater section 750 and flat section 770 of the fourth modified example instead of the heater section 50 and flat section 70 shown in FIG. 5 also achieves the same effects as the gas sensors 10, 110, and 210.

(5.実施例および比較例)
以下、実施例及び比較例を用いて、本発明をさらに詳細に説明する。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
5. Examples and Comparative Examples
The present invention will be described in more detail below using examples and comparative examples, although the present invention is not limited to the following examples.

実施例に係る試料として、図1~図7に示す第1実施形態に係るガスセンサ10を準備した。ガスセンサ10に用いた主な構成の材質は以下の通りである。
基材20:Si
第1の絶縁膜30:SiN/SiО2
第2の絶縁膜40:SiN
ヒーター部50:Pt
ガス検出部60:Pt
平坦部70:Pt
As a sample according to the example, the gas sensor 10 according to the first embodiment shown in Figures 1 to 7 was prepared. The main materials used in the gas sensor 10 are as follows.
Substrate 20: Si
First insulating film 30: SiN/SiO 2
Second insulating film 40: SiN
Heater section 50: Pt
Gas detection unit 60: Pt
Flat portion 70: Pt

比較例に係る試料として、平坦部を有さず、ヒーター部850の形状のみを変更し、ガスセンサ10と同様に作製したガスセンサを準備した。図20は、比較例に係るガスセンサにおけるメンブレン18およびその周縁部分における第1の絶縁膜30と、ヒーター部850と、ヒーター配線部59a、59bと、ガス検出部60と、検出配線部69a、69bとを表示した部分図である。 As a sample for the comparative example, a gas sensor was prepared that did not have a flat portion and only changed the shape of the heater portion 850, and was fabricated in the same manner as gas sensor 10. Figure 20 is a partial view showing the membrane 18 and the first insulating film 30 at its peripheral portion, heater portion 850, heater wiring portions 59a and 59b, gas detection portion 60, and detection wiring portions 69a and 69b in the gas sensor for the comparative example.

図20に示すように、比較例に係るガスセンサのヒーター部850は、第1絶縁膜メンブレン部32の中央領域を含む、第1絶縁膜メンブレン部32上のほぼ全域に形成されている。図21は、比較例に係るガスセンサにおいてキャビティ22の上側に配置される部分を拡大した拡大断面図である。 As shown in FIG. 20, the heater section 850 of the gas sensor according to the comparative example is formed over almost the entire area of the first insulating film membrane section 32, including the central region of the first insulating film membrane section 32. FIG. 21 is an enlarged cross-sectional view of a portion of the gas sensor according to the comparative example that is disposed above the cavity 22.

図20および図21に示すように、比較例に係るガスセンサは平坦部を有しておらず、ガス検出部60の下にもヒーター部850の一部が配置されている。したがって、比較例に係るガスセンサでは、ガス検出部60が、起伏や凹凸のある第2の絶縁膜40の上に形成されている。したがって、比較例に係るガスセンサにおけるガス検出部60の形状は、図20に示す平面図の上では図5に示すガスセンサ10と同様であるものの、下層の起伏や凹凸の影響を受けて、立体形状としては、ガスセンサ10のガス検出部60とは異なる起伏や傾斜を有し、形状ばらつきも大きいと考えられる。 20 and 21, the gas sensor according to the comparative example does not have a flat portion, and a part of the heater section 850 is also disposed under the gas detection section 60. Therefore, in the gas sensor according to the comparative example, the gas detection section 60 is formed on the second insulating film 40, which has undulations and irregularities. Therefore, although the shape of the gas detection section 60 in the gas sensor according to the comparative example is similar to that of the gas sensor 10 shown in FIG. 5 in the plan view shown in FIG. 20, due to the influence of the undulations and irregularities of the lower layer, the three-dimensional shape has undulations and slopes different from those of the gas detection section 60 of the gas sensor 10, and the shape variation is also thought to be large.

まず、準備した実施例および比較例に係る試料を用いて、各試料におけるメンブレン18の中央付近の温度部分を算出した。図22に結果を示す。比較例に係る試料では、図22において点線で示されるように、メンブレン18の中央で温度のピーク(最高値)が現れ、中央から離れるに従って放物線状に温度が低下する。比較例に係る試料では、温度が最も高い位置(メンブレン18の中央)と、温度が最も低い位置(メンブレン18の中央から75μm離れた位置)とでは、約2.3度の温度差が形成された。 First, the temperature of the area near the center of the membrane 18 in each sample was calculated using the prepared samples according to the embodiment and comparative example. The results are shown in Figure 22. In the sample according to the comparative example, as shown by the dotted line in Figure 22, the temperature peak (highest value) appears in the center of the membrane 18, and the temperature drops parabolically as it moves away from the center. In the sample according to the comparative example, a temperature difference of approximately 2.3 degrees was formed between the position with the highest temperature (the center of the membrane 18) and the position with the lowest temperature (a position 75 μm away from the center of the membrane 18).

これに対して、実施例に係る試料では、図22において実線で示されるように、メンブレン18の中央から50μm程度離れた2箇所で温度のピーク(最高値)が現れ、2箇所のピークの間のメンブレン18の中央部分では、ピークが現れる位置から緩やかに温度が低下した。実施例に係る試料では、温度が最も高い位置(メンブレン18の中央から50μm離れた位置)と、温度が最も低い位置(メンブレン18の中央から75μm離れた位置)とでは、約1.3度の温度差が形成された。 In contrast, in the sample according to the embodiment, as shown by the solid line in Figure 22, temperature peaks (maximum values) appeared at two locations approximately 50 μm away from the center of the membrane 18, and in the central part of the membrane 18 between the two peaks, the temperature gradually decreased from the location where the peak appeared. In the sample according to the embodiment, a temperature difference of approximately 1.3 degrees was formed between the location with the highest temperature (location 50 μm away from the center of the membrane 18) and the location with the lowest temperature (location 75 μm away from the center of the membrane 18).

図22に示すように、ヒーター部50より中心側に平坦部70を形成した実施例に係る試料では、平坦部を形成せずヒーター部850をメンブレン18の中央部にも形成した比較例に係る試料に比べて、最高温度と最低温度との差が小さくなり、メンブレン18における温度分布が均一化されることが確認された。 As shown in FIG. 22, in the sample according to the embodiment in which the flat portion 70 is formed closer to the center than the heater portion 50, the difference between the maximum and minimum temperatures is smaller than in the sample according to the comparative example in which no flat portion is formed and the heater portion 850 is also formed in the center of the membrane 18, and it has been confirmed that the temperature distribution in the membrane 18 is uniform.

次に、準備した実施例および比較例に係る試料を用いて、COガスの検出における応答波形を取得した。図23および図24は、比較例および実施例に係るガスセンサで取得された応答波形(左縦軸、単位Ω、検出値を表す黒丸と、検出値の近似曲線で表される)を示すグラフである。なお、図23および図24において応答波形とともに示される矩形の波形は、素子に供給されるCOガスの濃度変化(右縦軸、ppm)を示している。応答波形を取得では、経過時間(横軸)が6200secの時点で0ppmから100ppmにCOガス濃度を変化させ、経過時間(横軸)が6800secの時点で100ppmから0ppmにCOガス濃度を変化させた。 Next, the response waveforms in the detection of CO gas were obtained using the prepared samples according to the embodiment and the comparative example. Figures 23 and 24 are graphs showing the response waveforms (left vertical axis, unit Ω, represented by black circles representing detection values and approximate curves of the detection values) obtained by the gas sensors according to the comparative example and the embodiment. Note that the rectangular waveforms shown together with the response waveforms in Figures 23 and 24 indicate the change in concentration of CO gas supplied to the element (right vertical axis, ppm). In obtaining the response waveforms, the CO gas concentration was changed from 0 ppm to 100 ppm at the point when the elapsed time (horizontal axis) was 6200 sec, and the CO gas concentration was changed from 100 ppm to 0 ppm at the point when the elapsed time (horizontal axis) was 6800 sec.

図23に示すように、比較例に係る試料では、COガスを検出した際の応答波形にオーバーシュートが見られ、また、オーバーシュートが解消するまでの経過時間も長く、6600secを超える時点まで影響が残っている。また、COガスを除去した際の応答波形については、ベースラインまでの収束に時間がかかり、7200secの時点でも完全に収束できていない。 As shown in Figure 23, in the sample according to the comparative example, an overshoot was observed in the response waveform when CO gas was detected, and it took a long time for the overshoot to disappear, with the effect remaining until after 6,600 seconds. In addition, the response waveform when CO gas was removed took a long time to converge to the baseline, and had not yet completely converged even at 7,200 seconds.

図24に示すように、実施例に係る試料では、COガスを検出した際の応答波形にオーバーシュートが見られず、また、検出値が安定するまでの経過時間が短く、6600secより前の時点までに検出値が安定している。また、COガスを除去した際の応答波形については、ベースラインまでの収束が早く、7200secより前の時点でも収束できている。 As shown in Figure 24, in the sample according to the embodiment, no overshoot was observed in the response waveform when CO gas was detected, and the time elapsed until the detection value stabilized was short, with the detection value stabilizing by the time point before 6600 seconds. In addition, the response waveform when CO gas was removed quickly converged to the baseline, and convergence was achieved even before 7200 seconds.

比較例に係る試料では、図22に示すようにメンブレン18の温度勾配が大きく中央部の温度が高すぎる状態になり易いことが、図23に示すような応答波形のオーバーシュートを生じる一因であると考えられる。また、比較例に係る試料では、ガス検出部が起伏や傾斜を有し形状が均一でないことが、応答波形におけるベースラインまでの収束が遅れる一因であると考えられる。 In the comparative sample, as shown in FIG. 22, the temperature gradient of the membrane 18 is large, and the temperature in the center tends to be too high, which is thought to be one of the causes of the overshoot in the response waveform as shown in FIG. 23. In addition, in the comparative sample, the gas detection part has undulations and inclinations, and is not uniform in shape, which is thought to be one of the causes of the delay in convergence to the baseline in the response waveform.

実施例に係る試料では、図22に示すようにメンブレン18の温度分布が均一であることにより、応答波形のオーバーシュートを防止できたと考えられる。また、実施例に係る試料では、ガス検出部60が平坦部70の上に形成されて形状が均一であるとともに、平坦部70により温度分布を均一にしつつ熱伝導率が向上したために、応答波形の安定および収束までの時間が短縮されたと考えられる。 In the sample according to the embodiment, it is believed that the temperature distribution of the membrane 18 is uniform as shown in Figure 22, which is why overshooting of the response waveform was prevented. In addition, in the sample according to the embodiment, the gas detection section 60 is formed on the flat section 70, so that it has a uniform shape, and the flat section 70 improves the thermal conductivity while making the temperature distribution uniform, which is why it is believed that the time until the response waveform stabilizes and converges is shortened.

以上、実施形態、変形例および実施例を挙げてガスセンサ10、110、210について説明したが、本発明はこれらの実施形態等のみに限定されるものではなく、他の多くの実施形態や変形例が本発明の技術範囲に含まれることは言うまでもない。たとえば、平坦部70、ヒーター部50、ガス検出部60の形状については、多角形若しくは矩形波のような直線を繋ぐ形状のみには限定されず、円、楕円若しくは円弧のような曲線を繋ぐ形状や、曲線と直線とを繋ぐ形状であってもよい。また、ガス検出部60、260は、2対以上の電極62a、62b、262a、262bを有していてもよい。 The gas sensors 10, 110, and 210 have been described above with reference to embodiments, modifications, and examples. However, the present invention is not limited to these embodiments, and it goes without saying that many other embodiments and modifications are included in the technical scope of the present invention. For example, the shapes of the flat portion 70, heater portion 50, and gas detection portion 60 are not limited to shapes that connect straight lines such as polygons or rectangular waves, but may be shapes that connect curved lines such as circles, ellipses, or arcs, or shapes that connect curved lines and straight lines. In addition, the gas detection portions 60 and 260 may have two or more pairs of electrodes 62a, 62b, 262a, and 262b.

10、110、210…ガスセンサ
18…メンブレン
18a…メンブレン周縁孔
R1…中央領域
20…基材
22…キャビティ
24…キャビティ周縁部
30…第1の絶縁膜
31a、31b、31c、31d…梁部
32…第1絶縁膜メンブレン部
32a…辺
34…中心
A1…基準線
36…第1絶縁膜周縁部
40…第2の絶縁膜
41…第1部分
42…第2部分
43…第3部分
44…第2絶縁膜メンブレン部
46…第2絶縁膜周縁部
50、450、550、650、750…ヒーター部
52…屈曲部
L1…長さ
L2…振幅
60、160、260…ガス検出部
62a、62b、262a、262b…電極
58a、58b…ヒーター端子
59a、59b、659a、759a…ヒーター配線部
68a、68b…検出端子
69a、69b…検出配線部
70、470、570、670、770…平坦部
72、472、572、672、772…平坦面
92…半導体材料
165…Pt線
192…触媒材料
294…サーミスタ膜
10, 110, 210...gas sensor 18...membrane 18a...membrane peripheral hole R1...central region 20...substrate 22...cavity 24...cavity peripheral portion 30...first insulating film 31a, 31b, 31c, 31d...beam portion 32...first insulating film membrane portion 32a...side 34...center A1...reference line 36...first insulating film peripheral portion 40...second insulating film 41...first portion 42...second portion 43...third portion 44...second insulating film membrane portion 46...second insulating film peripheral portion 50, 450, 550, 65 0, 750... heater portion 52... bending portion L1... length L2... amplitude 60, 160, 260... gas detection portion 62a, 62b, 262a, 262b... electrodes 58a, 58b... heater terminals 59a, 59b, 659a, 759a... heater wiring portion 68a, 68b... detection terminals 69a, 69b... detection wiring portion 70, 470, 570, 670, 770... flat portion 72, 472, 572, 672, 772... flat surface 92... semiconductor material 165... Pt wire 192... catalyst material 294... thermistor film

Claims (12)

キャビティが形成される基材と、
前記基材における前記キャビティの周縁部であるキャビティ周縁部に接続する複数の梁部と、前記梁部を介して前記キャビティ上に保持される第1絶縁膜メンブレン部と、を有する第1の絶縁膜と、
前記第1の絶縁膜の上側に積層する第2の絶縁膜と、
前記第1絶縁膜メンブレン部の上側に設けられるヒーター部と、
前記第1絶縁膜メンブレン部と前記第2の絶縁膜との間に設けられ、上方から見て前記ヒーター部より前記第1絶縁膜メンブレン部の中心側に配置され、上側を向く平坦面を形成する平坦部と、
前記平坦部の上側に少なくとも前記第2の絶縁膜を介して配置され、前記平坦面より狭い面積を有するガス検出部と、
を有するガスセンサ。
a substrate in which a cavity is formed;
a first insulating film having a plurality of beam portions connected to a cavity periphery that is a periphery of the cavity in the base material, and a first insulating film membrane portion held on the cavity via the beam portions;
a second insulating film laminated on an upper side of the first insulating film;
a heater section provided on an upper side of the first insulating film membrane section;
a flat portion provided between the first insulating film membrane portion and the second insulating film, disposed closer to the center of the first insulating film membrane portion than the heater portion when viewed from above, and forming a flat surface facing upward;
a gas detection portion disposed above the flat portion via at least the second insulating film and having an area smaller than that of the flat surface;
A gas sensor having
前記平坦部は、前記第2の絶縁膜より熱伝導率が高いことを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, characterized in that the flat portion has a higher thermal conductivity than the second insulating film. 前記平坦部は、前記ヒーター部と同じ材質であることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, characterized in that the flat portion is made of the same material as the heater portion. 前記ヒーター部は、略矩形である前記第1絶縁膜メンブレン部の辺の長さの1/2以下の振幅で屈曲を繰り返す屈曲部を有する請求項1に記載のガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, wherein the heater portion has a bent portion that repeatedly bends with an amplitude of less than 1/2 the length of a side of the first insulating film membrane portion, which is substantially rectangular. 前記ヒーター部は、前記第1絶縁膜メンブレン部の中心を通り水平方向に延びる基準線を基準として、対称な形状を有する請求項1に記載のガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, wherein the heater portion has a symmetrical shape with respect to a reference line that passes through the center of the first insulating film membrane portion and extends in the horizontal direction. 前記ヒーター部は、前記平坦部と繋がっている請求項1に記載のガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, wherein the heater portion is connected to the flat portion. 前記ガス検出部は、半導体材料に接触する少なくとも1対の電極を有し、
前記電極の間の抵抗変化によりガスの検出を行う請求項1に記載のガスセンサ。
The gas detection portion has at least one pair of electrodes in contact with a semiconductor material;
2. The gas sensor according to claim 1, wherein the gas is detected based on a change in resistance between the electrodes.
前記ガス検出部は、触媒材料に接触するPt線を有し、
前記Pt線の抵抗変化によりガスの検出を行う請求項1に記載のガスセンサ。
the gas detection portion has a Pt wire in contact with a catalytic material;
2. The gas sensor according to claim 1, wherein the gas is detected by a change in resistance of the Pt wire.
前記ガス検出部は、サーミスタ膜に接触する少なくとも1対の電極を有し、
前記電極の間の抵抗変化によりガスの検出を行う請求項1に記載のガスセンサ。
The gas detection unit has at least one pair of electrodes in contact with a thermistor film,
2. The gas sensor according to claim 1, wherein the gas is detected based on a change in resistance between the electrodes.
前記サーミスタ膜は、触媒材料に接触する請求項9に記載のガスセンサ。 The gas sensor according to claim 9, wherein the thermistor film is in contact with a catalytic material. 前記キャビティ周縁部に設けられるヒーター端子と前記ヒーター部とを、複数の前記梁部のいずれかの上側を通って接続するヒーター配線部を有する請求項1に記載のガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, which has a heater wiring section that connects a heater terminal provided on the periphery of the cavity and the heater section through the upper side of one of the beam sections. 前記キャビティ周縁部に設けられる検出端子と前記ガス検出部とを、複数の前記梁部のいずれかの上側を通って接続する検出配線部を有する請求項1に記載のガスセンサ。 The gas sensor according to claim 1, which has a detection wiring section that connects a detection terminal provided on the periphery of the cavity and the gas detection section through the upper side of one of the multiple beam sections.
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