JP5630821B2

JP5630821B2 - ガスセンサ

Info

Publication number: JP5630821B2
Application number: JP2010248140A
Authority: JP
Inventors: 一哉新西
Original assignee: Figaro Engineering Inc
Current assignee: Figaro Engineering Inc
Priority date: 2010-11-05
Filing date: 2010-11-05
Publication date: 2014-11-26
Anticipated expiration: 2030-11-05
Also published as: JP2012098232A

Description

この発明はガスセンサに関し、特に半導体基板の空洞上の薄膜を用いたガスセンサに関する。

発明者らは、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）型の接触燃焼式ガスセンサにおいて、絶縁膜と薄膜ヒータとから成り酸化触媒を支持するベースに孔を設けると、ガス感度が向上することを見出した（特願2010-17184）。なおベースは絶縁膜と薄膜ヒータとから成り、ベースを酸化触媒、補償用のセラミック、金属酸化物半導体等で被覆したものが感ガス体である。ここで、孔の周囲を取り巻くように薄膜ヒータを配線すると、配線を孔の両側に並列に２本に分けない場合、孔の片方で配線の本数が奇数本となり、他方で偶数本となり、配線数が孔の両側で不揃いになることが分かった。ベースは絶縁体と金属の薄膜ヒータとから成り、絶縁体の酸化タンタル、シリカ等と、ヒータのＰｔ等では熱膨張率が相違する。この種のガスセンサは、消費電力を小さくするため、間欠的に動作温度に加熱し、他は室温に放置するのが原則である。ガスセンサを温度変化させると、孔の両側でベースの熱膨張率が異なるため、大きな熱応力が生じ、ベースにクラックが生じる、ベースと半導体基板とを接続する脚が折れる、などの可能性がある。

関連する先行技術を示す。特許文献１：JP3724443Bは、MEMS型のガスセンサでのダイアフラムに、電極リードとヒータリードとの他に、ダミーの電極リードとヒータリードとを設け、電極リードとダミーの電極リードを対称に、ヒータリードとダミーのヒータリードを対称に配置することを開示している。特許文献２：JP2010-25734Aは、ベースと半導体基板とを接続する４本の脚の２本に本来のリードを、他の２本にダミーのリードを配置することを開示している。

JP3724443B JP2010-25734A

この発明の課題は、薄膜ヒータのオンオフに伴いベースに働く熱応力を、緩和することにある。

この発明は、半導体基板のキャビティに薄膜ヒータを有する絶縁膜を配置したガスセンサにおいて、
前記絶縁膜は平面視での中心に孔を１個のみ備え、
前記孔から見た絶縁膜の一端とその反対側の端部との間に、孔の周囲の略全周を取り巻きかつ折り返すように薄膜ヒータが配置され、薄膜ヒータの各部は互いに直列に接続され、さらに孔の一方で他方に比べて薄膜ヒータの配線が１本少なく、また薄膜ヒータの配線は孔の周囲に複数本ずつ、絶縁膜上に配置され、
前記孔の一方に、前記薄膜ヒータと同材質でかつヒータ電流が流れないダミーの配線が少なくとも１本設けられていることを特徴とする。

この発明では孔の両側で薄膜ヒータの本数が等しいので、ベースの熱膨張率は孔の両側で均等となる。従ってベースに働く熱応力は孔の両側で均等で、ベースのクラックあるいは脚の破損等の原因となることはない。

ガスセンサは、SnO_２等の金属酸化物半導体を、厚膜あるいは薄膜として備えた、金属酸化物半導体ガスセンサでも良い。しかし好ましくは、接触燃焼式ガスセンサ、即ち、絶縁膜が可燃性ガスの酸化触媒で被覆され、薄膜ヒータの抵抗値の変化から可燃性ガスを検出するセンサとする。接触燃焼式ガスセンサでベースに孔を開けると、酸化触媒への雰囲気の供給量が増し、ガス感度が増加するので、ベースに孔を設けることに特に意義がある。

実施例のガスセンサでのヒータ配線を示す要部平面図図１のII-II方向断面図変形例のガスセンサでのヒータ配線を示す要部平面図第２の実施例でのヒータ配線を示す要部平面図図４の実施例を変形したヒータ配線を示す要部平面図金属酸化物半導体を用いた実施例の要部断面図図６のガスセンサでの電極パターンを示す要部平面図変形例での電極パターンを示す要部平面図

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８に、実施例の接触燃焼式ガスセンサ２とその変形とを示す。４は半導体基板で、例えばシリコンあるいはGaAsなどから成り、５はベースで、絶縁膜６とヒータ配線１２とから成る薄膜ヒータとで構成されている。またベース５の中心部に孔１１が設けられ、ベース５は、基板４に設けたキャビティ８上に配置され、例えば４本の脚９，９，１０，１０で支持されている。さらにベース５の絶縁膜６と同じ絶縁膜７が、基板４上に設けられている。

絶縁膜６，７は例えば酸化タンタルから成り、シリカ、窒化珪素などでもよく、ベース５側から基板４にキャビティ８を設ける代わりに、基板４の裏面から孔を設けて、ベース５をダイヤフラム状にしてもよい。その場合、脚９，１０は設けない。またヒータ配線１２は、例えば膜厚200nm程度のPtから成り、膜厚及び組成は任意である。

１４，１４はパッドで、ヒータ配線１２の両端に接続され、ヒータ配線１２は孔１１から見て左側と下側とで各２本で、右側と上側とで各３本である。これは孔１１を取り巻くようにヒータ配線１２を設けると、配線の本数が孔１１の一方で奇数本、他方で偶数本となるためである。そこでヒータ配線１２の本数が少ない側にダミーパターン１６，１７を設け、ダミーパターン１６Pは孔１１の左側での配線の本数を３本にし、ダミーパターン１６r，１７は孔１１の下側での配線の本数を３本にする。このため折り返し１８，１８を除き、孔１１の四方いずれの側でも配線の本数は３本となる。なおダミーパターン１６，１７の膜厚、線幅、組成などは例えばヒータ配線１２と同一とし、例えば同じマスクを用いて同時に成膜する。またダミーパターン１６，１７は電流が流れない配線で、図１の破線で示すダミーパターン１６ｄ，１７ｄを追加し、ヒータ配線１２に接続しても良い。

ここではヒータ配線１２の本数が孔１１の一方で３本、他方で２本であったが、３本と４本、４本と５本、あるいは５本と６本、などのように配線することもできる。いずれの場合も、孔１１の周囲をヒータ配線１２が取り巻き、かつヒータ配線１２の各部が直列に接続されるようにすると、一方の本数が他方の本数よりも１本少なくなる。これを補うようにダミーパターン１６，１７を設ける。またダミーパターン１６，１７はヒータ電流が流れないが、ヒータ配線１２と絶縁する必要もない。例えばダミーパターン１６，１７の一端をヒータ配線１２に接続してもよい。

図２に、ガスセンサ２の断面構造を示し、ヒータ配線１２とダミーパターン１６，１７は保護膜１９で覆われ、保護膜１９の材質は例えば酸化タンタルあるいはシリカなどである。そしてベース５を覆うように、メタン酸化触媒などの酸化触媒の厚膜で被覆する。実施例では接触燃焼式ガスセンサの検知片の部分を示すが、補償片も同様であり、補償片は別の半導体基板に設けても、あるいは同じ半導体基板４上に設けてもよい。補償片に対しても同様にダミーパターン１６，１７を設け、酸化触媒２０に代えて、触媒活性の低い材質で被覆する以外は全く同じである。

図３は変形例でのヒータ配線３２とダミーパターン３６とを示し、３５は新たなベースである。ヒータ配線３２は、孔１１の左側と下側で３本で、右側と上側とで２本である。そこでベース３５の右側と上側とに、例えばＬ字状のダミーパターン３６を設け、孔１１の四方いずれの側でも配線の本数を３本に揃える。他の点は図１，図２の実施例と同じである。

図４，図５は円形のベース４５，５５を示し、特に指摘した点以外は、図１〜図３の実施例及び変形例と共通である。図４では、ヒータ配線４２は孔４１の左側で２本、右側で３本となるので、左側にダミーパターン４６を１本設ける。図５では、ヒータ配線５２は孔４１の左側で３本、右側で２本となるので、右側にダミーパターン５６を設ける。ここで配線の本数は、平行に配置された配線の数である。

図１〜図５では、接触燃焼式ガスセンサの例を示したが、金属酸化物半導体ガスセンサでもよい。このような例を図６〜図８に示し、図６，図７の例では、保護膜１９上に一対の電極６０，６２を設ける。そしてベース５の周囲を、SnO_２などの金属酸化物半導体６４で被覆する。必要であれば金属酸化物半導体６４の周囲をさらにフィルタで被覆する。図では金属酸化物半導体６４を厚膜として示すが、薄膜でも良い。図７に図６のセンサの平面配置を示し、一対の電極６０，６２は孔１１の周囲に対称に配置できる。従ってダミーの電極は必要ではない。図８は円形のベースでの例を示し、電極７０，７２は孔４１の周囲に対称に対置できる。従ってダミーの電極は必要ではない。図６〜図８の場合も、薄膜ヒータにダミーパターン１６，１７等を設ける。

実施例では以下の効果が得られる。孔１１，４１の周囲四方に対し、ヒータ配線１２とダミーパターン１６，１７とを合計で同じ本数ずつ配置できる。この結果、ガスセンサを間欠的に加熱した際に、孔１１の四方で、ベース５，４５，５５の熱膨張率が均等になる。従ってベース５，４５，５５に働く熱応力あるいは熱衝撃を小さくし、ベースへのクラックの発生を防止でき、またベースの不均等な変形に伴う脚９，１０の破損を防止できる。なおベース５での発熱の分布自体よりも、各種の材質が均等に配置され、熱膨張率の分布が均一に近いことが、熱応力の均一化に重要であると、経験的に推定できる。

２接触燃焼式ガスセンサ
４半導体基板
５ベース
６，７絶縁膜
８キャビティ
９，１０脚
１１孔
１２ヒータ配線
１４パッド
１６，１７ダミーパターン
１８折り返し
１９保護膜
２０酸化触媒
２２貫通孔
３２ヒータ配線
３５ベース
３６ダミーパターン
４１孔
４２，５２ヒータ配線
４５，５５ベース
４６，５６ダミーパターン
６０，６２電極
６４金属酸化物半導体
７０，７２電極

Claims

半導体基板のキャビティに薄膜ヒータを有する絶縁膜を配置したガスセンサにおいて、
前記絶縁膜は平面視での中心に孔を１個のみ備え、
前記孔から見た絶縁膜の一端とその反対側の端部との間に、孔の周囲の略全周を取り巻きかつ折り返すように薄膜ヒータが配置され、薄膜ヒータの各部は互いに直列に接続され、さらに孔の一方で他方に比べて薄膜ヒータの配線が１本少なく、また薄膜ヒータの配線は孔の周囲に複数本ずつ、絶縁膜上に配置され、
前記孔の一方に、前記薄膜ヒータと同材質でかつヒータ電流が流れないダミーの配線が少なくとも１本設けられていることを特徴とするガスセンサ。
前記絶縁膜が可燃性ガスの酸化触媒で被覆され、前記薄膜ヒータの抵抗値の変化から可燃性ガスを検出するセンサであることを特徴とする、請求項１のガスセンサ。