JP3846615B2 - 薄膜ガスセンサ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電池駆動を想定した低消費電力型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、特に家庭用ガス漏れ警報器などの用途に用いられる場合、ＣＯ，ＣＨ₄ ，Ｃ₃ Ｈ₈ ，Ｃ₄ Ｈ₁₀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。このような事情から普及率をアップさせるべく、設置性の改善、具体的には電池駆動としてコードレス化することが望まれている。
【０００３】
電池駆動を実現するためには小型化し、低消費電力化することが不可欠であるが、従来一般的に用いられる接触燃焼式や半導体式のガスセンサでは、粉末を焼結する方法で製造されており、スクリーン印刷等の方法を用いたとしても小型化には限界がある。
一方、比較的小型化が容易である半導体微細加工プロセスを用いたセンサも知られており、これは、基板上に絶縁膜，ヒータ，電極，感応膜などをＣＶＤ法や蒸着，スパッタ法により積層し、さらにセンサの熱容量を小さくし、かつ熱絶縁を図るために、基板をエッチングすることで薄くしたり、あるいは完全に除去するといった方法がとられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のような微細加工プロセスを用いたセンサにおいては、エレクトロマイグレーションなどの耐久性を加味すると、ヒータ抵抗の比抵抗ρ_H はセンササイズにより次の（１）式で示すような制約を受ける。
ρ_H ≧Ｖ_appl／（Ｊ_max Ｌ） …（１）
（Ｖ_appl：印加電圧、Ｊ_max ：最大電流密度、Ｌ：ヒータの長さ）
例えば、Ｖ_appl＝２Ｖ、Ｊ_max ＝５×１０⁹ Ａ／ｍ² 、Ｌ＝５００μｍとすると、ρ_H ≧８０μΩｃｍとなる。
【０００５】
一般的に用いられるＰｔをヒータに使うと、その比抵抗が１０μΩｃｍであるため、電流密度Ｊは４×１０¹⁰Ａ／ｍ² となり、エレクトロマイグレーションにより容易に抵抗が劣化し、短時間で断線することが確認されている。勿論、Ｌを長くすることで計算上はより比抵抗の低い材料の選定も可能であるが、現実には限られたスペース、例えば１００μｍ角の面積上に長いヒータを配するためにはヒータ幅を狭くする必要があり、微細加工上の制約や、信頼性上の制約のため、現実的にはＬは５００μｍ程度となってしまう。なお、温度に対する応答性を考慮するとセンサは１００μｍ角より小さいことが望ましい。
【０００６】
また、低消費電力化のためには、ヒータ部での発熱とダイアフラム全体からの放熱を考えなくてはならない。以下に、図２を参照して、熱収支について考察する。同図では発熱部を板状で表わしているが、実際には蛇行状ヒータを用いるのが一般的である。
さて、ヒータ発熱部の抵抗をＲ_H 、ダイアフラム支持層上にあるヒータリード部２本の合計の抵抗をＲ_L とするとき、各部の発熱量Ｗ_H ，Ｗ_L は、
Ｗ_H ＝Ｉ_T ² Ｒ_H …（２）
Ｗ_L ＝Ｉ_T ² Ｒ_L …（３）
と表わされる。ただし、電流Ｉ_T は、
電流Ｉ_T ＝Ｖ_appl／（Ｒ_H ＋Ｒ_L ） …（４）
である。
【０００７】
一方、ダイアフラム支持層上のヒータリード部と支持層からの放熱は、支持層からの熱伝導による加熱Ｗ_DS、ヒータリード部からの熱伝導による放熱Ｗ_DL、大気への熱伝達による放熱Ｗ_DV、大気中への熱放射による放熱Ｗ_DE、とし全放熱量をＷ_DTとすると、
Ｗ_DT＝Ｗ_DS＋Ｗ_DL＋Ｗ_DV＋Ｗ_DE …（５）
となる。
【０００８】
各放熱量はそれぞれ（６）式，（７）式，（８）式および（９）式の如く示される。
Ｗ_DS＝２πΔＴΣ（λ_i ｔ_i ）／ｌｎ（ｒ_d ／ｒ_h ）｛ｉ＝１，２，３…｝
（中括弧内はλ_i ｔ_i について積和をとることを示している） …（６）
Ｗ_DL＝２ｔ_L ｄ_L λ_L ΔＴ／（ｒ_d −ｒ_h ） …（７）
Ｗ_DV＝∫２πｒｈΔＴ（ｒ）ｄｒ｛ｒ＝ｒ_h 〜ｒ_d ｝ …（８）
Ｗ_DE＝∫２πｒσΔＴ（ｒ）⁴ ｄｒ｛ｒ＝ｒ_h 〜ｒ_d ｝ …（９）
（８，９式の中括弧内はΔＴ（ｒ）についてｒ_h 〜ｒ_d まで積分する
ことを示している）
また、上記（６）式〜（９）式の各符号の意味は次の通りである。
ΔＴ：発熱部とダイアフラム外周部の温度差、ｒ_d ：ダイアフラム径、ｒ_h ：発熱部径、λ_i ：支持層ｉの熱伝導率、ｔ_i ：支持層ｉの厚さ、λ_L ：ヒータリード部の熱伝導率、ｔ_L ：ヒータリード部の厚さ、ｄ_L ：ヒータリード部の幅、ｈ：大気中への熱伝達係数、σ：大気中への熱放射率
【０００９】
電池駆動型ガスセンサの命題である低消費電力化のためには、ヒータ発熱部の消費電力Ｗ_H を小さくするだけでなく、ヒータリード部の消費電力Ｗ_LLとの総和ｆ_T を小さくすることが必要である。ここにｆ_T は、
ｆ_T ＝Ｗ_H ＋Ｗ_LL≒Ｗ_DT＋Ｗ_LL＝Ｄ_const ＋Ｗ_DL＋Ｗ_LL …（１０）
と表わすことができる。ただし、Ｄ_const ＝Ｗ_DS＋Ｗ_DV＋Ｗ_DEで、これは発熱部，ヒータリード部の材料には依存しない値である。これから、発熱部とリード部を含むヒータ部の総消費電力ｆ_T を小さくするには、ヒータリード部の発熱Ｗ_LLとヒータリード部からの熱伝導による放熱Ｗ_DLとの和（Ｗ_LL＋Ｗ_DL）を小さくすれば良いことが分かる。
【００１０】
一例として、リード部でのジュール熱による損失をヒータ発熱部における発熱の１０％に抑える場合について考えてみる。
例えば、ヒータ部の発熱を３０ｍＷ、リード部の長さＬを１００μｍとし、印加電圧を２Ｖとすると、リード部に流れる電流は１６．５ｍＡとなり、これによる発熱を３ｍＷに抑えるには、リード部の抵抗は１１Ω以下にすることが要求される。したがって、リード部の厚さを０．５μｍ、幅を１０μｍとすると比抵抗ρ_L は５５μΩｃｍ以下に制約される。このように、発熱部とリード部材料に求められる比抵抗の幅（差）はなく、両方を満足する材料の選定は非常に難しいものとなってしまう。さらに、リード部では比抵抗が小さいことに加えて、熱伝導によるエネルギー損失が少ないことや、熱膨張による応力が小さいことが要求され、ますますヒータ材料選定の幅が狭くなり、要求性能を満足する材料選定が極めて難しいという問題がある。
したがって、この発明の課題は、要求性能を満足するための材料選定幅を広げ、材料選定を容易にすることにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題の解決を図るべく、請求項１の発明では、Ｓｉ基板の一側面中央部がダイアフラム様にくりぬかれた基板面上に、電気絶縁性の支持膜を介して薄膜ヒータを形成した後、さらに電気絶縁膜を介してその上に感知膜を形成した薄膜ガスセンサにおいて、
前記薄膜ヒータを発熱部と電流を導入するヒータリード部とに分けたとき、少なくともダイアフラム支持層上のヒータリード部が発熱部を構成する材料と異なる材料からなり、前記ヒータリード部からの熱伝導による熱損失をＷ _DL 、ヒータリード部の抵抗による発熱量をＷ _LL 、さらに前記発熱部を構成する材料と同一の材料でヒータリード部を作製した場合に発生する熱伝導による熱損失をＷ _DL ’、この発熱部の抵抗による発熱量をＷ _LL ’、とするとき、（Ｗ _DL ＋Ｗ _LL ）＜（Ｗ _DL ’＋Ｗ _LL ’）なる関係を満たすようにすることを特徴とする。
【００１２】
上記請求項１の発明においては、前記ヒータリード部の熱伝導率をλ_L、比抵抗をρ_L、発熱部材料の熱伝導率をλ_H、比抵抗をρ_Hとするとき、各々の積がλ_Lρ_L＜λ_Hρ _H なる関係を満たすようにすることができ（請求項２の発明）、または、前記ヒータリード部の熱伝導率をλ_L、比抵抗をρ_L、発熱部材料の熱伝導率をλ_H、比抵抗をρ_Hとするとき、λ_L／λ_H＜１，かつρ_L／ρ_H＜１なる関係を満たすようにすることができる（請求項３の発明）。
【００１３】
また、上記請求項１〜３のいずれかの発明においては、前記ヒータリード部材料がＮｂ−Ｎ化合物，Ｔａ−Ｎ化合物，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金の内のいずれか１つであることができ（請求項４の発明）、請求項１〜４のいずれかの発明においては、前記ヒータ発熱部がＴｉＳｉ₂またはＨｆＢ₂であることができる（請求項５の発明）。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１にこの発明の実施の形態を示す。
これは、両面に熱酸化膜が付いたＳｉ基板上にダイアフラム構造の支持膜および熱絶縁膜としてＳｉＮとＳｉＯ₂ 膜を順次プラズマＣＶＤ法にて形成する。なお、ダイアフラムとは薄膜状の支持膜の周囲をＳｉ基板により支持し、周囲が厚く中央部が薄く形成されたものをいうこととする。その上にこの発明によるヒータ層（発熱部）１として、ＴｉＳｉ₂ 膜を０．５μｍ形成した。また、ヒータリード２としてはＮｂＮ膜を０．５μｍ形成した。さらに、ＳｉＯ₂ 絶縁膜を介して感知膜用の電極４をＰｔ／Ｔａにより形成した後、スパッタ法により感知膜となるＳｎＯ₂ 膜３を形成した。最後に、基板裏面よりエッチングによりＳｉを除去し、ダイアフラム構造とした。ヒータ層であるＴｉＳｉ₂ 膜の形成には混晶ターゲットによるスパッタ法を用い、２００℃の成膜温度にて実施した。スパッタ後、ＴｉＳｉ₂ 膜の結晶化を行なうためにＮ₂ 雰囲気中にて８５０℃，３Ｈ（時間）の熱処理を行なった。
すなわち、上記の如き構造自体は公知であるが、ヒータの発熱部がＴｉＳｉ₂ からなり、ヒータリード部がＮｂＮからなる点で従来のものと異なっている。
【００１５】
上記（１０）式でも説明したように、ダイアフラム構造が決まれば、消費電力を低減することと、ヒータリード部における発熱量Ｗ_LLとヒータリード部からの熱伝導による放熱Ｗ_DLとの和（Ｗ_LL＋Ｗ_DL）を小さくすることとは等価である。したがって、ヒータ発熱部に用いられる材料でヒータリード部を作製した場合、すなわち、発熱部とヒータリード部を一体で作製した場合のＷ_LLをＷ_LL’とし、Ｗ_DLをＷ_DL’とすると、
（Ｗ_LL＋Ｗ_DL）＜（Ｗ_LL’＋Ｗ_DL’） …（１１）
なる関係が成り立つ材料を組み合わせれば、ヒータ発熱部とヒータリード部を異なる材料にすることによるメリットが出てくることになる。
【００１６】
また、ヒータ部は円状または矩形状で示しているが、実際は例えば１０μｍの線幅にて約５００μｍの長さで形成した。ヒータ部の抵抗値はおよそ６０Ωである。また、従来技術との比較のため、ヒータリードを発熱部と同じＴｉＳｉ₂ 膜でも作製した。これらの薄膜ガスセンサにおいて、薄膜ガスセンサの表面温度が４５０℃になったときの、定常状態の消費電力を次の表１のＮｏ．１とＮｏ．７に示す。さらに、ＮｂＮの代わりにリード部をＴａ−Ｎ化合物，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金，Ｐｔでも作製した。これらの消費電力を表１のＮｏ．２からＮｏ．６に示す。表１からも明らかなように、発熱部とリード部をともにＴｉＳｉ₂ 単体で作製したＮｏ．７の場合よりも、リード部に別の材料を用いたＮｏ．１〜６の方が消費電力が低減していることが分かる。
【表１】

【００１７】
発熱部のＴｉＳｉ₂ をＨｆＢ₂ に替え、同様の実験を行なった場合の消費電力を表１のＮｏ．８からＮｏ．１４に示す。これからも、発熱部とリード部を異なる材料で作製した方が消費電力が低いことが認められる。また、表１のＮｏ．１５からＮｏ．１９はリード部に選定した材料でヒータ発熱部とリード部を一体に作製した場合で、ここに示した材料はＴｉＳｉ₂ 単体やＨｆＢ₂ 単体に比べて低消費電力ではあるが、この発明の組み合わせに比べると、低消費電力化は十分ではない。比抵抗の低いＰｔでは、４５０℃で４０Ｈ程度通電するだけで断線が発生した（Ｎｏ．１９参照）。
【００１８】
上記のようなヒータ材料の組み合わせは、従来方法に比べれば優れた方法ではあるが、実際にはダイアフラム構造上に発熱部やヒータリード部を作製してはじめて熱収支を評価できる。この発明は（１１）式を基に考察を加え、実際にダイアフラム構造を作製しなくとも、発熱部とヒータリード部を構成している材料の比抵抗と熱伝導率から、以下のように最適な組み合わせを判断することを提案するものである。
すなわち、先の（２），（３）式から、
Ｗ_H ＝Ｒ_H Ｗ_L ／Ｒ_L …（１２）
で、また発熱，放熱のバランスから、
Ｗ_H ＝Ｗ_DL＋Ｄ_const …（１３）
であるので、
Ｗ_L ＝Ｗ_DLＲ_L ／Ｒ_H ＋Ｄ_const Ｒ_L ／Ｒ_H …（１４）
となる。
【００１９】
ここで、
ｆ_L ＝Ｗ_LL＋Ｗ_DL，ｆ_H ＝Ｗ_LL’＋Ｗ_DL’ …（１５）
とすると、次式が得られる。
ｆ_L ＝Ｗ_DLＲ_L （１／Ｒ_H ＋１／Ｒ_L ）＋Ｄ_const Ｒ_L ／Ｒ_H …（１６）
ｆ_H ＝Ｗ_DL’Ｒ_L ’（１／Ｒ_H ’＋１／Ｒ_L ’）＋Ｄ_const Ｒ_L ’／Ｒ_H ’…（１７）
（１６），（１７）式から、Ｒ_L ／Ｒ_H ≒Ｒ_L ’／Ｒ_H ’で、（１／Ｒ_H ＋１／Ｒ_L ）≒（１／Ｒ_H ’＋１／Ｒ_L ’）の場合に、（１１）式が成り立つためには、次の（１８）式を満たす必要がある。
Ｗ_DLＲ_L ＜Ｗ_DL’Ｒ_L ’ …（１８）
【００２０】
ここで、ヒータリード部の形状が選んだ材料に依らず同じとすると、上記（１８）式から、
λ_L ρ_L ＜λ_H ρ_H …（１９）
となる。金属材料においては、一般にλρ積は次のＷｉｅｄｅｍａｎｎ−Ｆｒａｎｚの関係式（２０）で示される定数となるが、実際には完全に当てはまることはなく、このため、（１９）式を満足する材料の組み合わせが低消費電力化には望ましい組み合わせとなる。
λρ＝（πｋ_B ／ｅ）² Ｔ／３ …（２０）
先の表１には消費電力の他にλ_L ρ_L とλ_H ρ_H も示しているが、この発明の組み合わせでは（１９）式を満足しており、その着眼点の正しさが確認されている。
【００２１】
また、（１１）式が常に成り立つためには、次式が成り立つ必要がある。
Ｗ_LL／Ｗ_LL’＜１で、かつＷ_DL／Ｗ_DL’＜１ …（２１）
Ｗ_LL／Ｗ_LL’＝λ_L ／λ_H で、Ｗ_DL／Ｗ_DL’＝ρ_L ／ρ_H …（２２）
であるので、（２１）式が成り立つためには（２３）式が必要である。
λ_L ／λ_H ＜１ かつ ρ_L ／ρ_H ＜１ …（２３）
したがって、材料の物性値だけで、ヒータ発熱部材料とヒータリード部材料の組み合わせを選定することができる。表１の組み合わせでは、（２３）式を満足するのは、Ｎｏ．２，３，８〜１１で、いずれも優れた低消費電力化を達成している。
【００２２】
上記では主として半導体式の薄膜ガスセンサについて説明したが、この発明はこれと同様の接触燃焼式ガスセンサについても同様にして適用することが可能である。
【００２３】
【発明の効果】
この発明によれば、発熱部の材料とヒータリード部の材料を異ならせることにより、消費電力を低減する材料の組み合わせを容易に見つけることができ、実用に耐える電池駆動型ガスセンサを提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す断面図である。
【図２】ヒータ発熱部およびリード部の熱収支説明図である。
【符号の説明】
１…ヒータ層、２…ヒータリード部、３…感知膜、４…感知膜電極。

Claims (5)

1. Ｓｉ基板の一側面中央部がダイアフラム様にくりぬかれた基板面上に、電気絶縁性の支持膜を介して薄膜ヒータを形成した後、さらに電気絶縁膜を介してその上に感知膜を形成した薄膜ガスセンサにおいて、
   前記薄膜ヒータを発熱部と電流を導入するヒータリード部とに分けたとき、少なくともダイアフラム支持層上のヒータリード部が発熱部を構成する材料と異なる材料からなり、前記ヒータリード部からの熱伝導による熱損失をＷ _DL 、ヒータリード部の抵抗による発熱量をＷ _LL 、さらに前記発熱部を構成する材料と同一の材料でヒータリード部を作製した場合に発生する熱伝導による熱損失をＷ _DL ’、この発熱部の抵抗による発熱量をＷ _LL ’、とするとき、（Ｗ _DL ＋Ｗ _LL ）＜（Ｗ _DL ’＋Ｗ _LL ’）なる関係を満たすようにすることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
2. 前記ヒータリード部の熱伝導率をλ _L 、比抵抗をρ _L 、発熱部材料の熱伝導率をλ _H 、比抵抗をρ _H とするとき、各々の積がλ _L ρ _L ＜λ _H ρ _H なる関係を満たすようにすることを特徴とする請求項１に記載の薄膜ガスセンサ。
3. 前記ヒータリード部の熱伝導率をλ_L、比抵抗をρ_L、発熱部材料の熱伝導率をλ_H、比抵抗をρ_Hとするとき、λ _L ／λ _H ＜１，かつρ _L ／ρ _H ＜１なる関係を満たすようにすることを特徴とする請求項１に記載の薄膜ガスセンサ。
4. 前記ヒータリード部材料がＮｂ−Ｎ化合物，Ｔａ−Ｎ化合物，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ合金，Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ合金の内のいずれか１つであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の薄膜ガスセンサ。
5. 前記ヒータ発熱部がＴｉＳｉ ₂ またはＨｆＢ ₂ であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の薄膜ガスセンサ。

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