JP3485151B2 - 接触燃焼式ガスセンサ - Google Patents
接触燃焼式ガスセンサInfo
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Description
するための接触燃焼式ガスセンサに関する。
6に示す。この図は内部の白金線を見えるようにした部
分透過斜視図である。コイル状になった細い白金線周囲
に触媒を有する多孔質アルミナ担体を配してある。この
ものは使用時には白金線に通電することにより貴金属な
どの酸化触媒を有するアルミナ担体をその触媒能に適し
た温度に保ってある。可燃性ガスがこのガスセンサに達
すると、そのアルミナ担体に配された触媒によって燃焼
し、発熱する。この時の熱変化を白金線の抵抗変化を測
定することにより、可燃性ガスの検出が可能となる。し
かしながらこのような接触燃焼式ガスセンサは熱容量が
大きいため、消費電力が大きいと云う欠点を有してい
た。このため、電池を用いた小型可燃性ガス測定装置へ
の応用に際して問題となっていた。
特開平8−94561号でシリコン半導体技術を応用し
た図7(a)及び(b)に示すようなセンサにより低熱
容量化が計られている。すなわち、シリコン基板に酸化
シリコンからなる絶縁層を設け、その上に白金線を有
し、さらに白金線の一部表面を覆う酸化触媒を有する担
体からなる触媒層を有する。なお、白金線側は図6の接
触燃焼式ガスセンサと同じ働きをし、白金線側は熱補正
用素子として働く。なおシリコン基板には空洞部が設け
られ、測定部付近の熱容量低下を計っている。このセン
サは上述のように消費電力が小さく、小型化が容易であ
ると云った長所を有していたが、他方、使用時間が長く
なると劣化し易いと云った欠点を有していた。また、こ
のものは、可燃性ガスに対する出力が小さいと云った欠
点をも有していた。
しても劣化せず、感度の良い接触燃焼式ガスセンサを提
供することを目的とする。
技術に係るセンサ、特に特開平8−94561号に記載
のガスセンサに注目して、その劣化原因を調べた。その
結果、このセンサの白金線は極細配線の薄膜ヒータであ
り、配線幅に比して膜厚が小さくなることから、特定の
部分において電流の集中が起こりやすく、局所的な発熱
が生じ、その結果、ヒータの高温酸化、クラック発生な
どによる抵抗変化が生じることが判った。本発明の接触
燃焼式ガスセンサは上記課題を解決するため、請求項1
に記載のように、検知部にヒータと測温抵抗体とをそれ
ぞれ別に有し、かつ、検知部の温度分布を小さくするた
めの均熱体を有する構成を有する。
測温抵抗体とをそれぞれ別に有することが必要である。
この構成により、劣化しやすく、抵抗の経時変化が大き
いヒータの影響を受けることなく、測温抵抗体により測
定することが可能である。さらに、ヒータの抵抗は消費
電力を小さくするため抵抗値の設定に制限があるが、本
発明においてはヒータと別に測温抵抗体を有するため、
測温抵抗体の電気抵抗を測定に最適な抵抗値に設定する
ことができ、従って高いガス感度を得ることができる。
ヒータと測温抵抗体との間に絶縁体が配されていると、
この絶縁体により熱伝導が行われるため望ましい。この
ような絶縁体として、五酸化タンタル、シリコン窒化
物、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、及び酸化ハフニウ
ムが挙げられる。なお、このうち、シリコン窒化物、炭
化ケイ素、窒化アルミニウムであると、熱伝導性が高い
ので好ましい。なお、従来の接触燃焼式ガスセンサは、
ヒータは測温抵抗体と兼用であったため、その性質上酸
化触媒を有する多孔質担体により覆われていて、通常空
気などの酸素を含む雰囲気下で加熱されていた。しか
し、本発明の接触燃焼式ガスセンサ、前述のようにヒー
タと測温抵抗体とをそれぞれ別に有するため、ヒータは
外気に接する必要がない。従って、ヒータへの外気の接
触をガス非透過性絶縁体により妨げることが可能とな
る。このような構成によることにより、ヒータ寿命を著
しく延長することができ、温度斑の発生を防止し、経年
変化を極めて小さいものとすることが可能となる。この
ようにヒータと外気との接触を妨げるガス非透過性絶縁
体として五酸化タンタル、シリコン窒化物、炭化ケイ
素、窒化アルミニウム、あるいはリン硼珪酸ガラスを用
いることが可能である。
検知部の温度分布を小さくするための均熱体を有するこ
とが望ましい。この均熱体は熱伝導性に優れた材質から
なることが必要で、この働きによりセンサの検知部の温
度分布を均一なものとし、センサ感度を安定したものと
する。なお、この均熱体がボロンを拡散してなるシリコ
ン層であると、作成が容易であり、また、良好な熱伝導
性を有するため望ましい。次に本発明に係る接触燃焼式
ガスセンサの一例αについて図面を用いて説明する。
センサαの上面図、及び図1(b)にその断面図を示し
てある。図中符号1を付して示してあるのは基板となる
シリコンであり、検知部であるダイアフラム部1aを有
している。このダイアフラム部1aにはシリコン酸化物
層2、ガス非透過性絶縁体であるシリコン窒化膜からな
る絶縁層3、さらにこの絶縁層3の上にはポリシリコン
(多結晶シリコン)からなるヒータ4が配されている。
なお、このセンサαではヒータの材質としてポリシリコ
ンを用いたが、その他、P++シリコン(高濃度にp型不
純物を拡散した領域のシリコン)、酸化ルテニウムある
いは白金等が可能である。しかし、ポリシリコンを用い
ることにより発熱による材料の熱膨張挙動をシリコン酸
化膜の熱膨張挙動及びシリコン窒化膜の熱膨張挙動に非
常に近い物とすることができるため、ヒータ及びダイア
フラムの破壊耐性を高めることができる。
間にガス非透過性絶縁体であるシリコン窒化膜からなる
絶縁層5が配されている。この絶縁膜5はヒータ4を被
覆して、外気のヒータ4への接触を妨げている。測温抵
抗体6周囲には酸化触媒としてパラジウムを有する多孔
質アルミナからなる触媒層7が配されている。
コンからなる均熱体8があり、この検知部であるダイア
フラム部1aの温度の均一化に寄与している。なおダイ
アフラム部1aはシリコン基板1が薄くなっていて、検
知部の熱容量低下によって温度制御が容易となってい
る。このような構成により、この接触燃焼式ガスセンサ
αのヒータ4は外気との接触を妨げられているため、劣
化しにくい。さらに測温抵抗体6の電気抵抗は、ヒータ
4の電気抵抗とは別に設定できるため、被測定ガスに対
して最も感度を良好とする抵抗値にすることが可能であ
る。さらに、ヒータがある程度劣化した場合にも殆ど影
響されずに精度の高い測定が可能となる。
抗値Rsを有するセンサSとして、接触燃焼式ガスセン
サαと同様に、ただし、触媒層に酸化触媒を有しない温
度補償用センサD(電気抵抗値Rd)と共には図2に示
したようなブリッジ回路に組み込まれて使用される。
ように作製される。図3(a)に符号1を付して示した
ようなシリコン基板の片面を熱酸化によって酸化して酸
化膜1’を形成する(図3(b)参照)。次いで、この
酸化膜1’にフォトレジスト加工法によりパターニング
して図3(c)に示すように窓を開ける。この窓部にボ
ロンを気相拡散法により拡散して、均熱体8を形成する
(図3(d)参照)。酸化膜1’をウェットエッチング
法により剥離させて除去し(図4(a)参照)、シリコ
ン基板1の均熱体8を設けた面全体を再度熱酸化により
酸化させてシリコン酸化物層2を形成する(図4(b)
参照)。次いで、酸化物層2上にシリコン窒化物からな
る絶縁層3をCVD(化学的気相成長)法により形成す
る(図4(c)参照)。さらに均熱体8に対応する箇所
にポリシリコンからなるヒータ4をCVD法により形成
する(図4(d)参照)。
絶縁体であるシリコン窒化物からなる絶縁層5をCVD
法によって形成し(図5(a)参照)、この絶縁層5上
にスパッタリング法により白金製の測温抵抗体6を配す
る(図5(b)参照)。次いで、測温抵抗体6を覆うよ
うに酸化触媒としてパラジウムを含む多孔質アルミナか
らなる触媒層7をパラジウムとアルミナの混合物からな
るターゲットを蒸着して設ける(図5(c)参照)。な
お、ここで蒸着でなくスパッタリングでも触媒層7を得
ることができる。最後にシリコン基板を水酸化カリウム
によりエッチングして、ダイアフラム部1aを形成す
る。なお、ここで水酸化カリウムの代わりに水酸化テト
ラメチルアンモニウムを用いても良い。このようにして
接触燃焼式ガスセンサαを得ることができる(図5
(d)参照)。
抗体とをそれぞれ別に有するため、劣化しやすく、抵抗
の経時変化が大きいヒータの影響を受けることなく、測
温抵抗体により測定することが可能となる。さらに、ヒ
ータは消費電力を小さくするためその抵抗値の設定に制
限があるが、本発明においてはヒータと別に測温抵抗体
を有するため、測温抵抗体の電気抵抗を測定に最適な抵
抗値に設定することができ、従って高いガス感度を得る
ことができる。
示す図である。 (a)上面図 (b)断面図
センサSとして組み込んだ検出回路の例を示す図であ
る。
製造工程を示す図である。
製造工程を示す図である。
製造工程を示す図である。
ある。
である。 (a)断面図 (b)上面図
Claims (6)
- 【請求項1】 検知部にヒータと測温抵抗体とをそれぞ
れ別に有し、かつ、検知部の温度分布を小さくするため
の均熱体を有することを特徴とする接触燃焼式ガスセン
サ。 - 【請求項2】 上記均熱体が、ボロンを拡散してなるシ
リコンからなるものであることを特徴とする請求項1に
記載の接触燃焼式ガスセンサ。 - 【請求項3】 上記ヒータと測温抵抗体との間に絶縁体
が配されていることを特徴とする請求項1または請求項
2に記載の接触燃焼式ガスセンサ。 - 【請求項4】 上記ヒータがガス非透過性絶縁体により
外気との接触を妨げられていることを特徴とする請求項
1ないし請求項3のいずれかに記載の接触燃焼式ガスセ
ンサ。 - 【請求項5】 上記ガス非透過性絶縁体が五酸化タンタ
ル、シリコン窒化物、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、
及び酸化ハフニウム、リン硼珪酸ガラスより選ばれた1
つ以上よりなることを特徴とする請求項4に記載の接触
燃焼式ガスセンサ。 - 【請求項6】 上記絶縁体が、シリコン窒化物からなる
薄膜であることを特徴とする請求項3に記載の接触燃焼
式ガスセンサ。
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