JP5252742B2

JP5252742B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP5252742B2
Application number: JP2010017184A
Authority: JP
Inventors: 一哉新西
Original assignee: Figaro Engineering Inc
Current assignee: Figaro Engineering Inc
Priority date: 2010-01-28
Filing date: 2010-01-28
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2030-01-28
Also published as: JP2011153996A

Description

この発明はSi等の基板に微細加工を施したガスセンサに関する。

Si基板にキャビティを設けると共に、キャビティ上に絶縁膜からなる架橋部を設けて、架橋部と同じ絶縁膜からなる脚で、架橋部をSi基板の表面の絶縁膜に接続したガスセンサが知られている。そして架橋部にヒータと感ガス膜等を設け、脚からヒータ等を基板上へ接続する。発明者らは、感ガス膜として可燃性ガスを燃焼させる触媒膜を用いて、膜厚とガス感度との関係を調べた。するとガス濃度当たりの架橋部の温度上昇は酸化触媒をビード状にした在来のガスセンサに比べて小さく、低感度で有ることが判明した。また感ガス膜の膜厚を増しても、膜厚３０〜４０μｍ程度でガス感度が飽和することが判明した。

なお特許文献１（JP2009-79907A）は、Si等の基板に設けたダイアフラムにホールを設け、ホールを架橋するように支持膜無しのヒータを設けて、ヒータを感ガス膜で覆うことを開示している。しかし支持膜無しのヒータでは薄い感ガス膜しか支持できない。またヒータがダイアフラムのホールを架橋すると、ヒータと感ガス膜に大きな温度分布が生じるので、感ガス膜の温度を一定にできず、また熱応力も大きくなる。

JP2009-79907A

この発明の課題はガスセンサの感度を高めることにある。

この発明は、Si基板に設けたキャビティ上に、絶縁膜からなる架橋部と脚とを設けて、前記架橋部を前記脚でSi基板上の絶縁膜に接続し、該架橋部にヒータと感ガス膜とを設けたガスセンサにおいて、前記架橋部の中央部付近に架橋部を貫通するホールを設けると共に、前記感ガス膜が架橋部の表面と該ホールの少なくとも一部及び架橋部の周縁を覆い、かつ前記ヒータがホールを取り巻いていることを特徴とする。感ガス膜は厚膜で、例えば架橋部の表面側で10〜50μｍ程度の厚さを持ち、架橋部の裏面側では少なくともホールの縁と架橋部の外周の縁とを覆っている。「取り巻く」とは、例えば図２，図６のように、ヒータがホールの４方に存在することである。「中央部付近」とは、ホールの中心と架橋部の中心との位置ずれが、例えば架橋部の１辺もしくは直径の１０％以内、好ましくは５％以内であることを意味する。

この発明では、架橋部を貫通するホールを設け、ホールに少なくとも部分的に感ガス膜の材料を充填する。この結果、感ガス膜が雰囲気に接触する面積が増すので、ガス感度が増す。また同じ量の感ガス材料を用いる場合、架橋部から高く盛り上がっているため、ヒータから離れている部分を少なくできる。従ってヒータからの熱が届きにくい部分を減らし、感ガス膜全体を適切な温度に加熱できる。ホールに隙間が残っている場合、この隙間を通る上昇気流が生じるので、ガスの供給をさらに促進できる。隙間が残らない場合でも、架橋部の裏面で加熱された雰囲気がホール内を上昇し、ガスの供給を促進する。以上のメカニズムで、ガス感度を増すことができる。またホールは架橋部の中央部付近にあり、ヒータはホールの４方を取り巻くので、架橋部を均一に加熱できる。

好ましくは、前記脚は前記架橋部の４点からキャビティ上へ突き出す４本の脚からなり、前記４点により構成される４角形の対角２頂点を結ぶように、前記ヒータがホールの両側に配置され、前記ヒータは、前記対角２頂点から突き出す２本の脚を介して、Si基板側へ接続されている。なお感ガス膜が酸化触媒膜で、ヒータ以外に電極が無い場合でも、好ましくは脚を４本設ける。このようにすると４本の脚で架橋部を安定に支持でき、ヒータがホールの両側を通るので架橋部は均一に加熱される。
好ましくは、前記４本の脚は折れ曲がっており、脚の周囲で前記キャビティが架橋部とは反対側へ広がっている。このようにすると、キャビティが広がった部分から架橋部の底部へ潜り込む気流が生じるので、架橋部の周縁から上昇する気流と衝突しなくなり、架橋部の底面へより多くの雰囲気を供給できる。従ってガス感度を向上できる。また折れ曲がった脚が変形することにより、架橋部に働く熱応力を吸収できる。そして脚の周囲でキャビティを拡げることにより、脚に付着した感ガス材料と基板との接触を防止できる。

また好ましくは、前記架橋の底部で、前記キャビティが前記基板を貫通している。このようにすると基板の底面から架橋部の底面へガスを供給でき、ガス感度を向上できる。
好ましくは、感ガス膜はSnO_２，In₂O₃等の金属酸化物半導体の厚膜で、金属酸化物半導体膜と前記ヒータとの間に架橋部を覆う絶縁膜があり、絶縁膜上に一対の電極がホールの４方の各々で互いに向き合うように設けられている。このようにするとホールの４方の金属酸化物半導体膜を全てガスの検出に利用できる。

実施例でのガスセンサチップの平面図実施例での架橋部とヒータパターンの平面図実施例でのガスセンサチップの断面図で、ホールに感ガス材料で充填されていない孔が残っている例を示す実施例でのガスセンサチップの断面図で、ホールが感ガス材料で充填されている例を示す実施例でのガスセンサチップの断面図で、架橋部が感ガス材料内に埋設されている例を示す接触燃焼式ガスセンサチップの平面図

以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。

図１〜図６に、実施例とその変形とを示す。実施例ではガスセンサチップ２，３０のみを示し、チップ２，３０を支持するプリント基板、プリント基板との配線、及びキャップは説明を省略する。図１〜図５において、ガスセンサチップ２はSiなどの基板から成り、４は架橋部、５は絶縁膜、１８は脚で、これらはいずれも５酸化タンタルなどから成る絶縁膜で構成され、膜厚は例えば100〜1000nm程度である。８はキャビティで、アンダーカットエッチングなどで設け、架橋部４の底部とその周囲とに有り、脚１８の付近でキャビティ８を拡張し、拡張キャビティ１０を設ける。脚１８は架橋部４から突き出し、折れ曲がって絶縁膜５に接続され、拡張キャビティ１０は脚１８が突き出す方向に沿って広がっている。

架橋部４の中心に貫通孔からなるホール６を設け、ホール６を取り巻くように架橋部４に例えば一対の電極１６，１６を設ける。そして電極１６，１６はホールの周囲で互いに対向している。架橋部４上に図２に示すヒータパターン２０を設け、ヒータパターン２０はホール６の周囲を取り巻くように配置され、例えばヒータパターン２０と電極１６との間に図示しない絶縁膜を１層設ける。電極１６及びヒータパターン２０は絶縁膜５上に設けたパッド１２，１４上へと引き出され、図示しないAu線などでプリント基板へ配線されている。

ヒータパターン２０及び電極１６は、厚さ100〜1000nm程度のPt等で構成し、ヒータパターン２０と電極１６間の絶縁膜はシリカ，窒化珪素、５酸化タンタルなどで構成する。架橋部４は四角形で１辺が30〜300μｍ程度で、キャビティ８は四角形で１辺が60〜600μｍ程度である。そして拡張キャビティ１０は、架橋部４とは反対側に20〜300μｍ程度、開口が拡張されている。パッド１２，１４は例えばPt膜とAu膜の２層で構成され、例えば１辺が50〜200μｍ程度である。そしてガスセンサチップ２は例えば１辺が100〜1000μｍ程度である。ホール６は１辺が20〜60μｍ程度で、長さ単位で一辺が架橋部４の1/5〜3/5程度のサイズとする。感ガス膜の加熱温度は例えば200〜500℃程度とし、連続的に加熱しても、間歇的に加熱しても良い。

図３〜図５に感ガス膜２２〜２４の例を示し、感ガス膜２２〜２４は架橋部４から見て図の上側に、10〜50μｍ程度の厚さを備えている。図３では感ガス膜２２はホール６を完全には充填せずに隙間が残り、ホール６の周囲で架橋部４の裏面へ回り込むと共に、架橋部４の周縁でも裏面側へ回り込んでいる。図４では感ガス膜２３はホール６を完全に充填し、架橋部４の周縁でも裏面側に回り込んでいる。図５では感ガス膜２４中に架橋部４が完全に埋設されている。また図５では、感ガス膜２４の裏面側へのガスの供給を促進するため、ガスセンサチップ２に貫通孔２６を設けており、貫通孔２６は図３，図４のガスセンサに設けても良い。図３〜図５の感ガス膜２２〜２４は、感ガス材料の塗布量と粘度、及び架橋部４との馴染みの善し悪しで作り分けることができる。即ち塗布量が多く、粘度が低く、かつ架橋部４との馴染みがよいと、架橋部４を感ガス材料内に均一に埋め込んだ、図５の感ガス膜２４となりやすい。この逆の場合、図３の感ガス膜２２となり易い。感ガス膜２２〜２４は、SnO2などの金属酸化物半導体膜でも、Pt触媒などを担持したアルミナなどの酸化触媒膜でも良い。酸化触媒膜の場合、電極１６は不要である。

実施例の作用効果を示す。ホール６を設けると感ガス膜はホール６の周囲並びに架橋部４の裏面側に回り込み、感ガス膜２２〜２４の面積が増す。これによって周囲のガスとの接触面積が増し、ガス感度を向上する。また同じ量の感ガス膜を付着させる場合、架橋部４から突き出す厚さ、特に図３〜図５の上側への厚さを小さくできる。このため架橋部４から大きく盛り上がって温度が充分に上昇し難い領域を減らすことができる。

図３〜図５の白矢印は周囲雰囲気の供給を示し、ハッチング付きの矢印は加熱された雰囲気の上昇を示す。図３のようにホール６が感ガス膜２２で埋め尽くされていない場合、ホール６を通って加熱された雰囲気が上昇し、感ガス膜２２へのガスの供給を促進できる。図４，図５の場合、ホール６は感ガス材料で埋め尽くされているので、図３の場合のような強い対流は生じない。それでも架橋部４の裏面側で200〜500℃程度に加熱された雰囲気は、比重が周囲の雰囲気の1/2程度となり、ホール６内を拡散して上昇する。このため感ガス膜２３，２４への雰囲気の供給が促進される。これらのため感ガス膜２２〜２４に、より多量の周囲雰囲気を供給し、感度を増すことができる。

架橋部４の周縁でも上昇気流が生じるので、キャビティ８の幅が狭い場合、架橋部４の下部へ潜り込む気流と、架橋部４の周縁を伝わって上昇する気流とが、狭いキャビティ８を通過し、気流が制限される。そこで図１の拡張キャビティ１０を設けると、架橋部４の底面に周囲空気を充分供給できる。この場合図５のように貫通孔２６を設けると、上昇気流と架橋部４の底面への気流との衝突を弱め、周囲空気をより効率的に供給できる。

脚１８は架橋部４の４頂点から突き出し、途中で折れ曲がる。折れ曲がり部を設けるのは、架橋部４の熱膨張を折れ曲がり部付近の変形で吸収するためである。脚１８を折り曲げるとキャビティ８の縁と脚１８との間のスペースが小さくなり、この部分で脚１８に付着した感ガス材料が基板に接触することがある。これに対して拡張キャビティ１０を設けると、脚１８が変形しても基板と感ガス材料が接触することがない。

図６は、酸化触媒を用いた接触燃焼式ガスセンサでのガスセンサチップ３０を示し、図１〜図５と異なる点は、２個の架橋部３４を同じチップ３０に設けた点である。架橋部３４の対角線の４頂点から脚３８，３９を引き出し、２個の架橋部３４を例えば１個のキャビティ３２上に設ける。一対の架橋部３４，３４の中心にホール３６を設け、４５はチップ表面の絶縁膜である。そして架橋部３４にヒータパターン４０を設け、パッド４１，４１，４２へ接続する。図示しない酸化触媒膜で架橋部３４を覆い、酸化触媒膜はホール３６を少なくとも部分的に埋め、また架橋部３４の周縁から裏面側へ回り込んでいる。酸化触媒膜は、図３〜図５のように付着させる。図６の場合も、架橋部３４にホール３６を設けるので、酸化触媒膜の面積が増し、また同じ酸化触媒量の場合、膜厚を小さくできるので、触媒膜内の温度分布を小さくできる。さらに拡張キャビティ１０などから周囲雰囲気を供給し、架橋部３４の周縁とホール３６などに沿って上昇させて、充分に雰囲気を感ガス膜に供給できる。

実施例では以下の効果が得られる。
1) 感ガス膜が雰囲気に接触する面積が増す。また厚い感ガス膜を用いる場合にも、感ガス膜とヒータとの距離を短くできるので、感ガス膜全体を適切な温度に加熱する。
2) 架橋部４，３４の裏面で加熱された雰囲気がホール内６，３６を上昇し、ガスの供給を促進できる。
3) ホール６、３６は架橋部４，３４の中央部付近にあり、ヒータ２０，４０はホール６，３６の４方を取り巻くので、架橋部４，３４を均一に加熱できる。
4) ４本の脚１８，３８，３９で架橋部４，３４を安定に支持でき、ヒータ２０，４０がホール６，３６の両側を通るので架橋部はさらに均一に加熱される。
5) 拡張キャビティ１０から架橋部の底部へ潜り込む気流が生じるので、架橋部の周縁から上昇する気流と衝突しなくなり、架橋部の底面へより多くの雰囲気を供給できる。また脚１８，３８，３９に付着した感ガス材料と基板との接触を防止できる。
6) 折れ曲がった４本の脚１８，３８，３９が変形することにより、架橋部４，３４に働く熱応力を吸収できる。
7) 半導体ガスセンサとする場合、電極１６，１６がホール６の４方の各々で互いに対向するので、ホール６の４方の金属酸化物半導体を全てガスの検出に利用できる。

２，３０ガスセンサチップ
４，３４架橋部
５，４５絶縁膜
６，３６ホール
８，３２キャビティ
１０拡張キャビティ
１２，１４パッド
１６電極
１８脚
２０，４０ヒータパターン
２２〜２４感ガス膜
２６貫通孔
３８，３９脚
４１，４２パッド

Claims

Si基板に設けたキャビティ上に、絶縁膜からなる架橋部と脚とを設けて、前記架橋部を前記脚でSi基板上の絶縁膜に接続し、該架橋部にヒータと感ガス膜とを設けたガスセンサにおいて、
前記架橋部の中央部付近に架橋部を貫通するホールを設けると共に、前記感ガス膜が架橋部の表面と該ホールの少なくとも一部及び架橋部の周縁を覆い、かつ前記ヒータがホールを取り巻いていることを特徴とする、ガスセンサ。
前記脚は前記架橋部の４点からキャビティ上へ突き出す４本の脚からなり、
前記４点により構成される４角形の対角２頂点を結ぶように、前記ヒータがホールの両側に配置され、前記ヒータは、前記対角２頂点から突き出す２本の脚を介して、Si基板側へ接続されていることを特徴とする、請求項１のガスセンサ。
前記４本の脚は折れ曲がっており、脚の周囲で前記キャビティが架橋部とは反対側へ広がっていることを特徴とする、請求項２のガスセンサ。
前記架橋の底部で、前記キャビティが前記基板を貫通していることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかのガスセンサ。
前記感ガス膜はガスとの接触で抵抗値が変化する金属酸化物半導体膜で、
該金属酸化物半導体膜と前記ヒータとの間に前記架橋部を覆う絶縁膜があり、
該絶縁膜上に、一対の電極が前記ホールの４方の各々で互いに向き合うように設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかのガスセンサ。