JP3724443B2 - 薄膜ガスセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電池駆動に適した低消費電力のダイヤフラム型の薄膜ガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にガスセンサは、ガス漏れ警報器などの用途に用いられ、ある特定ガス、例えば、CO、CH₄ 、C₃H₈等に選択的に感応するデバイスであり、その性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、低消費電力が必要不可欠である。ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的としたものと燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的としたもの、または、両方の機能を合わせ持ったものなどがあるが、いずれもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。普及率の向上をはかるためには、設置性の改善、具体的には、電池駆動としコードレス化することが望まれている。
【０００３】
ガス警報器の電池駆動を実現するためにはガスセンサの低消費電力化が最も重要であるが、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでは、200 ℃〜500 ℃の高温に加熱し検知する必要がある。SnO₂などの粉体を焼結した形態の従来のガスセンサでは、スクリーン印刷等を適用しても厚みを薄くするには限界があり、電池駆動に用いるには熱容量が大きすぎた。
【０００４】
そこで、ヒーターやガス感知膜などを厚さ1 μm 以下の薄膜で形成して熱容量を下げた薄膜ガスセンサが開発されている。そして、このような薄膜ガスセンサを微細加工プロセスにより形成されたダイヤフラム上に設置することによって、さらなる低熱容量化を図ったダイヤフラム型のガスセンサが開発されており、その実用化が待たれている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４は従来の薄膜ガスセンサを示し、（ａ）は透視平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるXX断面図である。中央部に貫通孔を有するSi基板1 の開口部には熱酸化ケイ素膜2a、ＣＶＤ（化学気相成長）された窒化ケイ素膜2bおよびＣＶＤされた二酸化ケイ素膜2cからなる第１の絶縁膜2 が張られていて、第１の絶縁膜2 はダイヤフラムを構成している。第１の絶縁膜2 上にはヒーター3 、ヒーター3 を被覆する酸化ケイ素からなる第２の絶縁膜4 、第２の絶縁膜4 の上には両端にPtまたはAuからなる感知膜電極5 を有するSnO₂薄膜からなるガス感知膜6 が順次形成されている。感知膜電極5 は第２の絶縁膜4 （SiO₂）との密着性を高めるためにCr、Ti、Taなどからなる接合層を有している。そしてガス感知膜6 を被覆する選択燃焼層が形成されている場合もある。
【０００６】
また、ヒーター3 は、ガス感知膜6 を加熱するためガス感知膜6 に重なる発熱部3h、その反対側端部の電源回路への接続用ワイヤがボンディングされる幅の広くSi基板1 に対向する位置に配置されたパッド部3p、およびこれら両部を連結しているヒーターリード部3lからなっている。
ガス感知膜6 は、ある特定ガス、例えば、CO、CH₄ 、C₃H₈等に触れた時にその抵抗値が変化し、変化割合はガス感知膜6 の温度とガス種に依存する。従って、ヒーター3 に流す電流値を選定しガス感知膜6 の温度を制御することにより、特定のガスに対する感度が高く、他のガスに対する感度が低い、高感度と高選択性を得ることができる。
【０００７】
薄膜ガスセンサにおいては、ダイヤフラムの厚さは数μm と薄いため、ダイヤフラムの中心部に形成されたヒーター3hで発生した熱はダイヤフラムの半径方向には断熱され、ガス感知膜6 は有効に加熱される。ところが、従来の薄膜ガスセンサではヒーターリード部3lの線幅が狭いため、ヒーターリード部3lの部分でも発熱する。この熱はガス感知膜6 を加熱せず、大気中に放熱されるだけなので投入電力のロスになり、電池駆動式ガスセンサでは電池消耗の大きな要因になっていた。
【０００８】
また、発熱部3hの片側（図４では右側）にヒーターリード部3lが出ているため、通電時のヒーターリード部3lの発熱によって、ダイヤフラムの温度分布は発熱部3hあるいはガス感知部6 の左右において非対称になり、最悪の場合には発熱部3hの左側のヒーターリード部がない部分でダイヤフラムの破壊が生じる恐れがあった。
【０００９】
本発明の目的は、ヒーターがガス感知膜のみを有効に加熱でき、電池の消耗の少ないまた信頼性の高い薄膜ガスセンサを提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的を達成するために、貫通孔を有するSi基板と、この貫通孔の開口部に張られた少なくとも第１の絶縁膜からなるダイアフラムと、このダイアフラム上のヒーターとヒーターを被覆する第２の絶縁膜と、両端に感知膜電極が形成されたSnO2 からなるガス感知膜からなり、このヒーターはガス感知膜領域に重なる発熱部、Si基板領域に配置されたワイヤボンディング用のパッド部およびこれら両部を連結しているヒーターリード部からなっており、この感知膜電極はガス感知膜と重なる電極部、Si基板領域に配置されたワイヤボンディング用のパッド部およびこれら両部を連結している電極リード部からなっている、薄膜ガスセンサにおいて、前記ヒーターリード部と材質および形状が同じダミーヒーターリード、および前記電極リード部と材質および形状が同じダミー電極リードが前記ガス感知膜を線対称中心としてそれぞれ対称位置に形成されていることとする。
【００１２】
本発明によれば、ヒーターリード部と材質および形が同じダミーヒーターリードおよび感知膜電極の電極リードと材質および形が同じダミー電極リードをガス感知膜を線対称中心とする対称位置に形成したため、ダイヤフラム上の構成要素の対称性が高く、通電時のダイヤフラムの熱応力の対称性はさらに高くなり、薄膜ガスセンサの信頼性はさらに向上すると期待できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係る薄膜ガスセンサの透視平面図である。本発明に係る薄膜ガスセンサの層構成は従来の薄膜ガスセンサ（図４）と変わりはないので断面図は省略し、同じ構成要素には同じ符号を付してある。。
薄膜ガスセンサにおいて、ヒーター3 の発熱部3hとパッド3pを連結するヒーターリード部3lが、ダイヤフラム様の支持基板上で、その線幅を発熱部3hの幅からパッド部3pの幅までテーパー状に広くなっている。ヒーターリード部3lの抵抗値は、厚さが一定であるため線幅に反比例して低下するので、ヒーターリード部3lでの発熱量を低く抑えることができる。すなわち、ガス感知膜の所定の温度を維持するために必要な投入電力は従来の薄膜ガスセンサに比べて少なくて済み、電池の寿命は長くなる。また、ヒーターリード部3lでの発熱量が減少したため、ダイヤフラムの温度分布の非対称は小さくなり、ダイヤフラムの熱応力破壊の可能性は極めて小さくなる。
【００１４】
図２は本発明に係る他の薄膜ガスセンサの透視平面図である。ヒーター3 の発熱部3hとパッド3pを連結するヒーターリード部3lを、ダイヤフラム様の支持基板上で、その線幅を発熱部3hの幅からパッド部3pの幅までステップ状に広くしてある。上記の薄膜ガスセンサよりさらにヒーターリード部3lでの発熱は少なくなり、電池寿命と薄膜ガスセンサの信頼性は向上する。
【００１５】
図３は本発明に係る別の薄膜ガスセンサの透視平面図である。図１に示した薄膜ガスセンサと同じ構成であるが、そのヒーターリード部3lと同じ材質で同じ形状のダミーヒーターリード部3d、および感知膜電極5 の電極リード5lと材質および形が同じダミー電極リード5dをガス感知膜6 を対称中心として対称の位置に形成してある。
【００１６】
このように、ダイヤフラム上の構成要素の対称性が高くなったため、通電時のダイヤフラムの熱応力の対称性はさらに高くなり、薄膜ガスセンサの信頼性はさらに向上する。
実施例１
図１に示したヒーターリード部が幅広のヒーターを有する薄膜ガスセンサを以下に述べる工程にしたがって作製した。発熱部の幅は5 μm 、パッド部は300 μm 平方である。
【００１７】
両面に熱酸化膜2aを0.3 μm 形成したSi基板を用いた。その表面にダイアフラム構造の支持および熱絶縁層となる厚さ0.15μm のSiN 膜2bおよび厚さ1 μm のSiO₂膜2cを順次プラズマＣＶＤにより成膜した。
この上にヒーター接合層としてTaを厚さ0.05μm 成膜、連続して、 ヒーターとなるPtW （Pt＋4 Wt％W ）膜を0.5 μm 成膜した。
【００１８】
そして、 微細加工によりパターニングして図１に示したヒーターリード部が幅広のヒーターを形成した。 微細加工におけるウエットエッチングのエッチャントとして、Taに対しては水酸化ナトリウムと過酸化水素混合液、 Ptに対しては王水をそれぞれ90℃に加熱して用いた。
その上に、第２の絶縁膜4 としてSiO₂をスパッタにより厚さ1.0 μm 成膜した後、 微細加工によりヒーターのパッド部3pのSiO₂をHFにてエッチングし窓明けした。
【００１９】
次に、 ガス感知膜(SnO₂)6 の抵抗測定用の感知膜電極5 と下地である第２の絶縁膜(SiO₂)4 との密着性向上のためのTaの中間層を厚さ0.05μm 成膜後、 連続して感知膜電極用のPtを厚さ0.2 μm 成膜した。成膜後、微細加工によりヒーターと同様にウエットエッチングにより一対の感知膜電極5 をパターニング形成した。
【００２０】
さらに、この上部にレジストをパターニングし、ガス感知膜用としてスパッタによりSnO₂を成膜し、レジストリフトオフによりガス感知膜6 を形成した。SnO₂膜の成膜条件は300W、1 Pa、Ar+O₂ 中100 ℃で膜厚は約2 μm とした。
次にアルミナ粒子にPtおよびPd触媒を担持させた粉末をバインダとともにペーストとし、スクリーン印刷によりSnO₂の表面に塗布、焼成させ約30μm 厚の選択燃焼層（触媒フィルターともいう、図示してない）を形成した。選択燃焼層により、薄膜ガスセンサの感度、ガス種選択性、信頼性が向上する。
【００２１】
最後に基板1 の裏面からドライエッチにより、ヒーター3 やガス感知膜6 とその周縁部分に対向する400 μm 径の大きさのSiを完全に除去しダイアフラム構造とした。
パッド間で測定したヒーターの抵抗値は従来の65 %となり、電池寿命の延長に有効であることが判った。
【００２２】
また、ヒーターにパルス通電し、実際には行わない高温（500 ℃）にしたところ、従来の薄膜ガスセンサでは熱歪みのためダイヤフラムに亀裂が生じたが、この実施例１の薄膜ガスセンサでは亀裂は生じなかった。
実施例２
図３に示したダミーヒーターリードおよびダミー電極リードを有する薄膜ガスセンサを作製した。
【００２３】
ダミーヒーターリードおよびダミー電極リードを加えたために、製造工程が変わることはなく、実施例１と同じなので省略する。
ヒーターにパルス通電し、実際には行わない高温（550 ℃実施例１より高温）にしたところ、従来の薄膜ガスセンサでは勿論実施例１のそれらにも熱歪みのためダイヤフラムに亀裂が生じたが、この実施例２の薄膜ガスセンサでは亀裂は生じなかった。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、貫通孔を有するSi基板と、この貫通孔の開口部に張られた少なくとも第１の絶縁膜からなるダイアフラムと、このダイアフラム上のヒーターとヒーターを被覆する第２の絶縁膜と、両端に感知膜電極が形成されたSnO2 などからなるガス感知膜からなり、このヒーターはガス感知膜領域に重なる発熱部、Si基板領域に配置されたワイヤボンディング用のパッド部およびこれら両部を連結しているヒーターリード部からなっている、薄膜ガスセンサにおいて、ヒーターリード部と材質および形が同じダミーヒーターリード、および電極リード部と材質および形状が同じダミー電極リードをガス感知膜を線対称中心とする対称位置に形成したため、ダイヤフラム上の構成要素の対称性が高くなったため、通電時のダイヤフラムの熱応力の対称性はさらに高くなり、薄膜ガスセンサの信頼性はさらに向上する。
【００２５】
また、上記の幅広のヒーターリード部と材質および形が同じダミーヒーターリード、および電極リード部と材質および形状が同じダミー電極リードをガス感知膜を線対称中心とする対称位置に形成したため、ダイヤフラム上の構成要素の対称性が高くなったため、通電時のダイヤフラムの熱応力の対称性はさらに高くなり、薄膜ガスセンサの信頼性はさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る薄膜ガスセンサの透視平面図である。
【図２】本発明に係る他の薄膜ガスセンサの透視平面図である。
【図３】本発明に係る別の薄膜ガスセンサの透視平面図である。
【図４】従来の薄膜ガスセンサを示し、（ａ）透視平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるXX断面図である。
【符号の説明】
1 Si基板
2 第１の絶縁膜
2a 熱酸化ケイ素膜
2b 窒化ケイ素膜
2c 二酸化ケイ素膜
3 ヒーター
3h 発熱部
3l ヒーターリード部
3p パッド部
3d ダミーヒーターリード部
4 第２の絶縁膜
5 感知膜電極
5l 電極リード部
5d ダミー電極リード部
6 ガス感知膜

Claims (1)

1. 貫通孔を有するSi基板と、この貫通孔の開口部に張られた少なくとも第１の絶縁膜からなるダイアフラムと、このダイアフラム上のヒーターとヒーターを被覆する第２の絶縁膜と、両端に感知膜電極が形成されたSnO2 からなるガス感知膜からなり、このヒーターはガス感知膜領域に重なる発熱部、Si基板領域に配置されたワイヤボンディング用のパッド部およびこれら両部を連結しているヒーターリード部からなっており、この感知膜電極はガス感知膜と重なる電極部、Si基板領域に配置されたワイヤボンディング用のパッド部およびこれら両部を連結している電極リード部からなっている、薄膜ガスセンサにおいて、前記ヒーターリード部と材質および形状が同じダミーヒーターリード、および前記電極リード部と材質および形状が同じダミー電極リードが前記ガス感知膜を線対称中心としてそれぞれ対称位置に形成されていることを特徴とする薄膜ガスセンサ。

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