JP5297112B2 - 薄膜ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、薄膜ガスセンサに係り、特に電池駆動を念頭においた低消費電力型薄膜ガスセンサに関する。

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、ＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８、ＣＨ_３ＯＨ等を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、あるいはその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はない。

このような事情から、ガスセンサの普及率向上をはかるべく、設置性の改善、具体的には警報器を電池駆動とし、コードレス化することが望まれている。電池駆動を実現するためには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℃の高温に加熱して検知する必要がある。このことからヒータ、感知膜を１μｍ以下の薄膜で形成し、さらに、深堀エッチング加工プロセスによりダイヤフラム構造とし、低熱容量・断熱構造とした薄膜ガスセンサの適用が図られている（例えば、特許文献１〜３を参照）。

従来の薄膜ガスセンサの断面構造を図４に示す。この薄膜ガスセンサは、両面に熱酸化膜が付いた薄板上のＳｉ基板１の面上に、ダイヤフラム構造の支持層及び熱絶縁層２としてＳｉ_３Ｎ_４とＳｉＯ_２膜を順次プラズマＣＶＤ法で形成する。次に熱絶縁層２の面上には、スパッタ法により順にヒータ層３、ＳｉＯ_２絶縁層４が形成される。更にその面上には、接合層５、感知層電極６、感知層(ＳｎＯ_２)７が形成される。成膜はＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。成膜条件は接合層（ＴａあるいはＴｉ）５、感知層電極（ＰｔあるいはＡｕ）６とも同じで、Ａｒガス圧力１Ｐａ、基板温度３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ^２、膜厚は接合層／感知層電極＝５００Å／２０００Åである。

次にＳｎＯ_２による感知層７が成膜される。成膜はＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、反応性スパッタリング法によって行う。ターゲットにはＳｂを０.５ｗｔ％とＰｔ６.０ｗｔ％を有するＳｎＯ_２が用いられる。成膜条件はＡｒ＋Ｏ_２ガス圧力２Ｐａ、基板温度１５０〜３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ^２、膜厚５０００Åである。感知層７の上側には、スクリーン印刷などの手段によりＡｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３、Ｆｅ_２Ｏ_３、Ｎｉ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、ＳｉＯ_２などの多孔質金属酸化物からなるフィルタ層８が形成される。そうして薄膜ガスセンサは、エッチングによって基板裏面のＳｉが除去されダイヤフラム構造が形成される。

図５は、従来の薄膜ガスセンサチップ１１の平面図であり、支持層／熱絶縁層２の表面に形成された部品の形状パターンを示している。この図において図４と同じ構成要素には同一符号を付してある。
ヒータ層３は、ダイヤフラム部の中心（貫通孔の軸心）近傍に形成され、ヒータリード１２を介してヒータ電極１３に接続されている。ヒータ電極１３には、ワイヤボンディング法などでＡｕやＡｌワイヤが接続され、外部から電流を供給してヒータ層３を加熱するようになっている。またヒータ層３の上には図示しない絶縁層（図４ではＳｉＯ_２絶縁層４）、接合層（図４では接合層５）を挟んで、感知層電極６が形成されている。

またヒータ層３の直上には、図示しない絶縁層（図４ではＳｉＯ_２絶縁層４）を挟んでヒータ層３を覆うようにＳｎＯ_２の感知層７が形成されている。この感知層７と感知層電極６は、感知層リード１４を介して電気的に接続されている。尚、感知層リード１４の下には密着性を向上させるために接合層５を設けてもよい。
感知層電極６には、ワイヤボンディング法などでＡｕやＡｌワイヤが接続され、外部から感知層７の抵抗値変化を検出するようになっている。感知層７は、ある特定ガス、例えば、ＣＯ、ＣＨ_４、Ｃ_３Ｈ_８、ＣＨ_３ＯＨ等に触れたときにその抵抗値が変化する。この変化割合は、感知層７の温度とガス種に依存する。したがって、ヒータ層３に流す電流値を選定し、感知層７の温度を制御することによって、特定のガスに対する感度を高くし、他のガスに対する感度を抑えることで、高感度、高選択性を有する薄膜ガスセンサを得ることができる。
特開２００６−２５８４２２号公報 特開２００７−２４５０８号公報 特開２００８−４６００７号公報

しかしながら、上述した図５に示した構成の薄膜ガスセンサにおいて、ダイヤフラムの肉厚と直径との比は１：１００〜１：２００にもなり、ダイヤフラム上のヒータ層を加熱したとき生ずる熱膨張によってフィルタ層のエッジが、その中央部の面方向に対して垂直方向に最大約２μｍ変形する。この変形によってダイヤフラム上に形成されたヒータ層および感知膜電極も同時に変形する。したがって低消費電力化のために間欠的に２００℃〜５００℃にまで加熱するような動作モードをとる薄膜ガスセンサには、ダイヤフラム支持部やヒータリード部や感知部に繰り返し応力が発生することになる。この繰り返し応力のため従来の薄膜ガスセンサは、フィルタ層が剥離したり、クラックが発生したりするという問題があった。

本発明は、このような事情を解決するべくなされたもので、その目的とするところは、間欠的に加熱される動作モードを有する薄膜ガスセンサにおけるフィルタ層の剥離やクラックの発生を防止し、長寿命の薄膜ガスセンサを提供することにある。

上述した目的を達成するため本発明の薄膜ガスセンサは、円形の貫通孔を有するＳｉ基板と、この貫通孔の開口部に張られてダイヤフラムを形成する熱絶縁支持層と、この熱絶縁支持層上の前記貫通孔の軸心近傍に設けられる薄膜状のヒータ層と、前記熱絶縁支持層上に設けられて、前記ヒータ層と所定の間隔を置いて設けられる一対のヒータ電極と、これらヒータ電極と前記ヒータ層とを電気的に接続する２本のヒータリードと、前記熱絶縁支持層、前記ヒータ層および前記ヒータリードを覆うように設けられる電気絶縁層と、この電気絶縁層上に設けられるガス感知層と、前記電気絶縁層上に設けられて、前記ガス感知層と所定の間隔を置いて設けられる一対の感知層電極と、これら感知層電極と前記ガス感知層とを電気的に接続する２本の感知層リードと、前記ガス感知層および前記感知層リードの一部を覆うように前記電気絶縁層上に設けられるフィルタ層とを具備した薄膜ガスセンサであって、前記各ヒータリードおよび前記各感知層リードは、前記貫通孔の軸心に対して放射状に、かつ、この軸心を支点として各リード間の成す角を３０度ないし６０度に広げて位置付けることを特徴としている。

本発明の請求項１に記載の薄膜ガスセンサによれば、２本のヒータリードおよび２本の感知層リードの計４本がダイヤフラムの中心（貫通孔の軸心）から放射状に配置され、しかもこの軸心を支点として各リード間の成す角を３０度ないし６０度になるよう広げて配置しているので、ダイヤフラムの変形量を抑えることができ、それ故、フィルタ層の剥離やクラック発生を回避し、薄膜ガスセンサの信頼性を向上することができるという優れた効果を奏し得る。

以下、本発明の一実施形態に係る薄膜ガスセンサについて添付図面を参照しながら説明する。なお、図１〜図３は、発明を本発明の一実施形態を示すものであって、これらの図面によって本発明が限定されるものではない。また図中、図４，５と同一の符号を付した部分は同一物を表わし、基本的な構成は図に示す従来のものと同様であるのでその説明を略述する。

さて、図１は、本発明の実施例である薄膜ガスセンサチップ１１の平面図であり、支持層／熱絶縁層２の表面に形成された構成要素の形状パターンを示すものである。この図１に示した薄膜ガスセンサは、薄膜ガスセンサチップ１１の絶縁層４の面上に設けられたヒータ層３と、このヒータ層３に通電するために設けられた２本のヒータリード１２，１２および一対のヒータ電極１３，１３、感知層７に至る２本の感知層リード１４，１４および一対の感知層電極６，６を備え、ダイヤフラムの中心（軸心）からヒータ電極１３，１３および感知層リード１４，１４が放射状に配置されている。

概略的には上述したように構成された本発明の薄膜ガスセンサが特徴とするところは、ヒータリード１２，１２、感知層リード１４，１４をダイヤフラムの軸心から放射状に、しかも、この軸心を支点として各リード間の成す角を所定の角度以上、好ましくは３０度以上広げて位置付けた点にある。
発明者らは、このように構成した本発明の薄膜ガスセンサの効果を検証するべく、隣り合う電極の間隔（角度）を変えて評価試験を行った。その結果、図２に示すように隣り合う電極の角度が０度（θ＝０°）、具体的には従来の薄膜ガスセンサの構成である図４に示されるように２本のヒータリード１２，１２または２本の感知層リード１４，１４が平行に配置されたとき、フィルタ層８のエッジにおける最大変位量は、２μｍとなった。

次いで、２本のヒータリード１２，１２または２本の感知層リード１４，１４がダイヤフラムの軸心を支点として放射状に配置されたとき、各リード間が成す角を２０度、３０度、６０度、９０度と変化させたとき、フィルタ層８のエッジにおける最大変位量は、それぞれ１.８μｍ、１．５μｍ、１.１μｍ、１μｍとなった。
この結果から、２本のヒータリード１２，１２または２本の感知層リード１４，１４が互いに成す角を３０度以上広げて位置付ければダイヤフラムの変位量を１.５μｍ以下に抑えることができることが確かめられた。したがって本発明の薄膜ガスセンサは、２本のヒータリード１２，１２および２本の感知層リード１４，１４の計４本のリードをダイヤフラムの軸心から放射状に、しかも各リード間の成す角を３０度以上になるよう広げて位置付けることでフィルタ層８の剥離やクラック発生を回避し、薄膜ガスセンサの信頼性を向上することができることができる。

次に図３は、本発明の第二実施例である薄膜ガスセンサチップ１１の平面図である。この図において上述した従来および第一実施例と同一の部位には同符号を付し、その説明を省略する。
この第二実施例が上述した第一実施例と異なるところは、２本のヒータリード１２，１２同士および２本の感知層リード１４，１４同士をダイヤフラムの軸心を支点として点対称に配置した点にある。

このように構成された本発明の第二実施例に係る薄膜ガスセンサであっても隣接するリードをダイヤフラムの軸心から放射状に位置付け、互いのリードが成す角を３０度以上になるように離して配置することでダイヤフラムの変位量を１.５μｍ以下に抑えることが可能である。このため本発明の第二実施例に係る薄膜ガスセンサは、フィルタ層８の剥離やクラック発生を回避し、薄膜ガスセンサの信頼性を向上することができる。

尚、本発明の薄膜ガスセンサは、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加えてもかまわない。

本発明の第一実施例に係る薄膜ガスセンサを説明するための平面図。 隣接するリードの角度とダイヤフラム最大変位量の相関を示すグラフ。 本発明の第二実施例に係る薄膜ガスセンサを説明するための平面図。 薄膜ガスセンサの構造を示す断面図。 従来の薄膜ガスセンサの構成部品の形状パターンを説明するための平面図。

符号の説明

１ 基板
２ 熱絶縁層
３ ヒータ層
４ 絶縁層
５ 接合層
６ 感知層電極
７ 感知層
８ フィルタ層
１１ 薄膜ガスセンサチップ
１２ ヒータリード
１３ ヒータ電極
１４ 感知層リード

Claims (1)

1. 円形の貫通孔を有するＳｉ基板と、
   この貫通孔の開口部に張られてダイヤフラムを形成する熱絶縁支持層と、
   この熱絶縁支持層上の前記貫通孔の軸心近傍に設けられる薄膜状のヒータ層と、
   前記熱絶縁支持層上に設けられて、前記ヒータ層と所定の間隔を置いて設けられる一対のヒータ電極と、
   これらヒータ電極と前記ヒータ層とを電気的に接続する２本のヒータリードと、
   前記熱絶縁支持層、前記ヒータ層および前記ヒータリードを覆うように設けられる電気絶縁層と、
   この電気絶縁層上に設けられるガス感知層と、
   前記電気絶縁層上に設けられて、前記ガス感知層と所定の間隔を置いて設けられる一対の感知層電極と、
   これら感知層電極と前記ガス感知層とを電気的に接続する２本の感知層リードと、
   前記ガス感知層および前記感知層リードの一部を覆うように前記電気絶縁層上に設けられるフィルタ層と
   を具備した薄膜ガスセンサであって、
   前記各ヒータリードおよび前記各感知層リードは、前記貫通孔の軸心に対して放射状に、かつ、この軸心を支点として各リード間の成す角を３０度ないし６０度に広げて位置付けることを特徴とする薄膜ガスセンサ。