JP6451395B2

JP6451395B2 - センサ素子

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Publication number: JP6451395B2
Application number: JP2015032659A
Authority: JP
Inventors: 裕松尾; 純也福田
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Priority date: 2015-02-23
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2019-01-16
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Description

本発明は、感温抵抗素子（検知部）とヒータ（ヒータ電極）を用いて、対象物を検知するセンサ素子に関するものである。以降は、対象物の一例としてガスを対象物として詳細を説明する。

対象ガスを検知する手段のひとつとして、大気中の熱伝導率と対象ガスの熱伝導率の差を使用したものが知られている。感温抵抗素子をヒータで加熱した状態にし、感温抵抗素子の抵抗値が大気中と対象ガスの熱伝導率の違いによって変化することで、その抵抗値の変化量から対象ガスを検知するものである。

図２Ａ、図２Ｂに従来のガスセンサ素子１０１を示す。図２Ａはガスセンサ素子１０１の平面図で、基板２４にヒータ電極２１、検知電極２２、感温抵抗層２７、空洞部（キャビティ）２３が形成される。空洞部２３には基板２４が存在せず中空構造を形成し、感温抵抗層２７、ヒータ電極２１および検知電極１２が支持されている。感温抵抗層２７と検知電極２２が積層方向において重なり抵抗値の変化を検出する部分を検知部２０とする。ヒータ電極２１は空洞部２３においてミアンダパターンを有している。

図２Ｂはガスセンサ素子１０１の断面図で、基板２４に空洞部２３が形成され、第１の絶縁層２５、ヒータ電極２１、第２の絶縁層２６、検知電極２２、感温抵抗層２７、第３の絶縁層２８の順で積層される。第３の絶縁層２８の一部を取り除き、検知電極２２から信号の取出すための取出し電極（入力端子、出力端子）２９が形成される。図示しないが、第２の絶縁層２６と第３の絶縁層２８の一部を取り除き、ヒータ電極２１から信号を取り出すために取出し電極も形成される。また、第３の絶縁層２８がない構成も可能である。

図２Ａ、図２Ｂのガスセンサ素子１０１は基板２４に空洞部２３を形成することで熱容量を低減している。これにより、ヒータ電極２１が加熱されることで空洞部２３上の検知部２０の温度を上昇させる際の加熱効率を向上させている。つまり、検知部２０の加熱効率が向上していることになる。しかし、ガスセンサ素子１０１の構成では加熱効率は向上するが、空洞部２３上の検知部２０の中央部の温度が高く、周辺部行くほど温度が低くなり、検知部２０の温度分布の均一性が悪くなる。温度分布の均一性が悪いとガスセンサ素子１０１の測定感度が十分に引き出されていない状態となっている問題があった。

このような問題を解決するために、特許文献１のような半導体式薄膜ガスセンサが開示されている。特許文献１のガスセンサは、中央部に空洞部を有する半導体基板と、この基板上に空洞部を遮るように設けられたダイヤフラム構造の絶縁膜と、この絶縁膜上に互いに絶縁されるように形成されたヒータ、抵抗測定用電極およびガス感応膜とを備えて、ヒータを周辺部の密度が最も大きく中央部に至るほど漸次密度が小さくなるパターン形状に形成されている。これにより、ヒータヘの通電加熱時に絶縁膜上の範囲を均一な温度に昇温可能としており、測定感度を向上させたガスセンサが提案されている。

特開２００７−６４９０８号公報

しかし、特許文献１で開示されたガスセンサはヒータを周辺部の密度が最も大きく中央部に至るほど漸次密度が小さくなるパターン形状に形成することにより温度分布の均一性は改善しているが、ヒータのパターンによる改善は十分とは言えない。

本発明は、以上の点を考慮してなされたものであり、ヒータのパターンの更なる改善により、温度分布の均一性をより改善することで、センサの測定感度が向上したセンサ素子を提供する。

本発明は、空洞部を有する基板と、前記空洞部を覆うように形成された第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上の前記空洞部の位置に対応して形成されたヒータと、前記ヒータを覆うように形成された第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層上の前記空洞部の位置に対応して形成された検知部を備え、前記ヒータは第１の配線部と第２の配線部を有し、前記第１の配線部は前記空洞部の中央でループ形状を有し、前記第２の配線部は一対からなり、前記第１の配線部に接続され、前記ループ形状の外側で折り返しを有するとともに、前記ループ形状の中心に対して点対称な形状を有し、前記基板上に形成された入力端子と出力端子にそれぞれ接続され、前記検知部が前記ヒータの形成領域と概ね等しい大きさであるセンサ素子である。

本発明によれば、ヒータの第１の配線部が空洞部の中央部でループ形状を有することで、空洞部の中央部における発熱を小さくし、ヒータの第２の配線部がループ形状の外側で折り返しを有し、ループ形状の中心に対して点対称な形状を有することで、空洞部の周辺部における発熱を均一に大きくすることで空洞部の温度分布を均一化し、検知部がヒータの形成領域と等しいことでセンサの測定感度を向上することが可能となる。また、点対称な形状とは、完全な点対称である必要はなく、温度分布の均一化を悪化させない範囲での点対称を意味する。また、概ね等しい大きさとは、検知部の形成領域がヒータによって加熱されやすい大きさであれば良く、検知部の形成領域が、ヒータの形成する領域より小さくても良い。例えば、検知部の形成領域（面積）がヒータの形成する領域（面積）と等しい値から、検知部の形成領域（面積）が−２０％までの範囲である。

また、本発明は、空洞部を有する基板と、前記空洞部を覆うように形成された第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上の前記空洞部の位置に対応して形成された検知部と、前記検知部を覆うように形成された第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層上の前記空洞部の位置に対応して形成されたヒータを備え、前記ヒータは第１の配線部と第２の配線部を有し、前記第１の配線部は前記空洞部の中央でループ形状を有し、前記第２の配線部は一対からなり、前記第１の配線部に接続され、前記ループ形状の外側で折り返しを有するとともに、前記ループ形状の中心に対して点対称な形状を有し、前記基板上に形成された入力端子と出力端子にそれぞれ接続され、前記検知部が前記ヒータの形成領域と概ね等しい大きさであるセンサ素子としてもよい。

また、本発明は、前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層は前記空洞部の一部を覆わずに貫通部を有する請求項１又は請求項２に記載のセンサ素子としてもよい。

また、本発明は、前記第２の配線部の前記ループ形状の中心から離間する一部において配線が狭くなる部分を有する請求項１から請求項３の何れか１項に記載のセンサ素子としてもよい。

本発明により、ヒータによる加熱で空洞部の温度分布を均一化し、検知部がヒータの形成領域と等しいことでセンサの測定感度を向上することが可能となる。

実施形態１におけるガスセンサ素子の平面図である。実施形態１におけるガスセンサ素子の断面図である。従来例におけるガスセンサ素子の平面図である。従来例におけるガスセンサ素子の断面図である。実施形態２におけるガスセンサ素子の断面図である。実施形態３におけるガスセンサ素子の平面図である。実施形態３におけるガスセンサ素子の断面図である。実施形態４におけるガスセンサ素子の平面図である。実施形態１〜４によるガスセンサ素子の回路図である。従来例におけるガスセンサ素子の温度分布図である。比較例におけるガスセンサ素子の温度分布図である。実施形態１におけるガスセンサ素子の温度分布図である。実施形態３におけるガスセンサ素子の温度分布図である。実施形態４におけるガスセンサ素子の温度分布図である。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載した構成要素は、適宜組み合わせることができる。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。

図１Ａと図１Ｂに、実施形態１によるガスセンサ素子１００を示す。図１Ａはガスセンサ素子１００の平面図で、基板１４にヒータ電極１１、検知電極１２、感温抵抗層１７、空洞部１３が形成される。空洞部１３には基板１４が存在せず中空構造を形成し、感温抵抗層１７、ヒータ電極１１および検知電極１２が支持されている。感温抵抗層１７と検知電極１２が積層方向において重なり抵抗値の変化を検出する部分を検知部１０とする。ヒータ電極１１は空洞部１３の中央でループ形状を有する第１の配線部２００と、ループ形状の外側で折り返しを有するとともに、ループ形状の中心に対して点対称な形状で基板１４上に形成された入力端子と出力端子にそれぞれ接続される一対の第２の配線部２１０を有する。検知電極１２は一対の電極であり、櫛歯のような形状を取ってもかまわない。

図１Ｂはガスセンサ素子の断面図で、基板１４に空洞部１３が形成され、第１の絶縁層１５、ヒータ電極１１、第２の絶縁層１６、検知電極１２、感温抵抗層１７、第３の絶縁層１８の順で積層される。第３の絶縁層１８の一部を取り除き、検知電極１２から信号の取出すための取出し電極（入力端子、出力端子）１９が形成される。図示しないが、第２の絶縁層１６と第３の絶縁層１８の一部を取り除き、ヒータ電極１１から信号を取り出すために取出し電極も形成される。また、検知電極１２、感温抵抗層１７が十分な耐腐食性を有する場合は第３の絶縁層１８がない構成も可能である。図１Ｂでは、空洞部１３が形成されている部分の基板１４は完全に取り除かれているが、中空構造を形成すれば良い。すなわち、基板１４の一部が残った凹形状であってもかまわない。

実施形態１において、ヒータ電極１１が空洞部１３の中央部でループ形状を有することで、空洞部１３の中央部における発熱を小さくする。さらに、ループ形状から入力端子と出力端子へ接続される配線とすることで、点対称となる配線が可能となる。入力端子と出力端子へ接続される配線は折り返しを有することで、空洞部１３の周辺部における発熱を均一に大きくする。ループ形状と入力端子と出力端子に対して点対称な折り返し配線を組み合わせることで空洞部１３の温度分布を均一化し、検知部１０がヒータ電極１１の形成領域と等しいことでセンサの測定感度を向上することを可能としている。

図３は、実施形態２によるガスセンサ素子１０２の断面図を示す。基板３４に空洞部３３が形成され、第１の絶縁層３５、検知電極３２、感温抵抗層３７、第２の絶縁層３６、ヒータ電極３１、第３の絶縁層３８の順で積層される。第３の絶縁層３８の一部を取り除き、ヒータ電極３１から信号の取出すための取出し電極（入力端子、出力端子）３９が形成される。図示しないが、第２の絶縁層３６と第３の絶縁層３８の一部を取り除き、検知電極３１から信号を取り出すために取出し電極も形成される。また、ヒータ電極３１が十分な耐腐食性を有する場合は第３の絶縁層３８がない構成も可能である。感温抵抗層３７と検知電極３２が積層方向において重なり抵抗値の変化を検出する部分を検知部３０とする。図３では、空洞部３３が形成されている部分の基板３４は完全に取り除かれているが、中空構造を形成すれば良い。すなわち、基板３４の一部が残った凹形状であってもかまわない。

実施形態２において、ヒータ電極３１と検知部３０（検知電極３２、感温抵抗層３７）の積層される順番が入れ替わっている。対象ガスに対して、感温抵抗素子が近い側にある必要があるので、対象ガスが空洞部３３側から流れてくる場合には、実施形態２の積層順にガスセンサ素子を構成することでセンサの測定感度を向上することを可能としている。

図４Ａと図４Ｂに、実施形態３によるガスセンサ素子１０３を示す。
図４Ａはガスセンサ素子１０３の平面図で、基板４４にヒータ電極４１、検知電極４２、感温抵抗層４７、空洞部４３が形成される。空洞部４３には基板４４が存在せず中空構造を形成し、感温抵抗層４７、ヒータ電極４１および検知電極４２が支持されている。感温抵抗層４７と検知電極４２が積層方向において重なり抵抗値の変化を検出する部分を検知部４０とする。
ヒータ電極４１は空洞部４３の中央でループ形状を有する第１の配線部２０１と、ループ形状の外側で折り返しを有するとともに、ループ形状の中心に対して点対称な形状で基板４４上に形成された入力端子と出力端子にそれぞれ接続される一対の第２の配線部２１１を有する。検知電極４２は一対の電極であり、櫛歯のような形状を取ってもかまわない。また、空洞部４３の一部に貫通部１０４が存在する。

図４Ｂはガスセンサ素子の断面図で、基板４４に空洞部４３が形成され、第１の絶縁層４５、ヒータ電極４１、第２の絶縁層４６、検知電極４２、感温抵抗層４７、第３の絶縁層４８の順で積層される。第３の絶縁層４８の一部を取り除き、検知電極４２から信号の取出すための取出し電極（入力端子、出力端子）４９が形成される。図示しないが、第２の絶縁層４６と第３の絶縁層４８の一部を取り除き、ヒータ電極４１から信号を取り出すために取出し電極も形成される。また、第３の絶縁層４８がない構成も可能である。また、空洞部４３の一部に貫通部１０４が存在する。

実施形態３において、空洞部４３の一部に貫通部１０４を有していることで熱伝導による熱の逃げが抑えられる。それによりヒータ電極４１による加熱に必要な消費電力を抑えて、空洞部４３の温度分布を均一化することでセンサの測定感度を向上することを可能としている。

図５は、実施形態４によるガスセンサ素子１０５の平面図を示す。ガスセンサ素子１０５は、基板５４にヒータ電極５１、検知電極５２、感温抵抗層５７、空洞部５３が形成される。空洞部５３には基板５４が存在せず中空構造を形成し、感温抵抗層５７、ヒータ電極５１および検知電極５２が支持されている。感温抵抗層５７と検知電極５２が積層方向において重なり抵抗値の変化を検出する部分を検知部５０とする。
ヒータ電極５１は空洞部５３の中央でループ形状を有する第１の配線部２０２と、ループ形状の外側で折り返しを有するとともに、ループ形状の中心に対して点対称な形状で基板５４上に形成された入力端子と出力端子にそれぞれ接続される一対の第２の配線部２１２を有する。検知電極４２は一対の電極であり、櫛歯のような形状を取ってもかまわない。第２の配線部２１２のループ形状の中心から離間する一部において配線が狭くなる部分となる狭い配線部５５を有している。

実施形態４において、第２の配線部２１２のループ形状の中心から離間する一部が、狭い配線部５５を有していることで、狭い配線部５５の発熱が大きくなり、空洞部５３の温度分布を均一化することでセンサの測定感度を向上することが可能としている。これにより、折り返しを有する配線の折り返し回数を増やさずに温度分布を均一化することが可能である。また、狭い配線部５５は、空洞部５３の中央から離れた部分、すなわち検知部５０の外周に配置することが効果的である。

図６は、実施形態１〜４によるガスセンサ素子の回路図である。図６に示すようにガスセンサ素子の回路１０６は、ヒータ６１、感温抵抗素子６２で構成されたガスセンサ素子６０と、基準抵抗６３で構成される。ヒータ６１の一方の端子はＧＮＤに接続され、もう一方の端子は電源に接続されて電圧Ｖｈが供給される。電圧Ｖｈは、ＤＣ電圧もしくはパルス電圧で供給される。感温抵抗素子６２の一方の端子はＧＮＤに接続され、もう一方の端子は基準抵抗６３と接続される。基準抵抗６３の感温抵抗素子６２と接続されないもう一方の端子は電源に接続された電圧Ｖｃが供給される。電圧Ｖｃは、ＤＣ電圧もしくはパルス電圧で供給される。感温抵抗素子６２と基準抵抗６３が接続された中点からの電圧Ｖｄがガスセンサ素子の出力となる。

ヒータ６１による加熱で、感温抵抗素子６２を対象ガスとの反応が良い温度まで上昇させる。対象ガスの濃度によって熱伝導率が変わり感温抵抗素子６２の抵抗値が変動する。それにより、電圧Ｖｄの値が変動する。この電圧Ｖｄの変化量がセンサの測定感度となる。

次に、ヒータ電極に電圧を印加した場合の温度分布のシミュレーション結果について説明する。ヒータ電極の配線の違いによる温度分布の違いを比較するために、基板（１５００μｍ□、厚み２５０μｍ）に、基板上に絶縁層（１５００μｍ□、厚み２μｍ）形成され、基板の中央に空洞部（１０００μｍ□）が形成されて、絶縁層による中空構造が形成される共通のモデルを用意し、絶縁層上にヒータ電極（厚み１μｍ）を形成して、ヒータ電極の両端に電圧を印加して加熱を行い、温度分布を確認した。ヒータ電極に印加する電圧は空洞部の最高温度が１５０℃となるように設定した。ここで基板はＳｉ、絶縁層はＳｉＯ２、ヒータ配線はＰｔとした。各材料に則した密度（Ｋｇ/ｍ３）、熱伝導率（Ｗ/ｍ・Ｋ）、比熱（Ｊ/Ｋｇ・Ｋ）を設定した。計算モデルの周囲は空気で覆われていて周囲温度は２２℃に設定した。また、Ｓｉ基板のヒータ配線と反対側の面を熱的なＧＮＤとして設定した。

図７から図１１がヒータ電極の配線と温度分布の結果である。図７は従来例のガスセンサ素子のヒータ電極の配線の結果である。図８は比較例のガスセンサ素子のヒータ電極の配線（特許文献１のように従来例のミアンダパターンの周辺部の密度が最も大きく中央部に至るほど漸次密度を小さくしている）の結果である。図９は実施形態１のガスセンサ素子のヒータ電極の配線の結果である。図１０は実施形態３のガスセンサ素子のヒータ電極の配線の結果である。図１１は実施形態４のガスセンサ素子のヒータ電極の配線の結果である。ヒータ電極の線幅は５０μｍで、図１１のヒータ電極の配線が細くなっている部分のみ３０μｍである。

温度分布は等高線で表されており、空洞部の中央部が高温となり、１０℃単位で区切られている。つまり、最も中央部の等高線内の温度分布は１４０〜１５０℃となることを表している。１４０〜１５０℃の等高線内の面積を大きい順に並べると、実施形態３＞実施形態４＞実施形態１＞比較例＞従来例となった。空洞部の温度分布は実施形態において均一化されることが確認された。

図１Ａと図１Ｂに示したガスセンサ素子１００の具体的な製造方法について説明する。基板１４としては、適度な機械的強度を有し、且つエッチングなどの微細加工に適した材質であれば、特に限定されるものではない。例えば、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板などが好適である。基板１４の表面および裏面には、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜などの絶縁膜が形成される。絶縁膜として、例えばシリコン酸化膜を形成するには、熱酸化法やＣＶＤ（ＣｈｅｍｉｃａｌＶａｐｏｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による成膜法を適用すればよい。膜厚は、絶縁膜上に形成する膜と基板との絶縁がとれ、且つキャビティを形成する際のエッチング停止層として機能すれば良く、通常０．３〜１．０μｍ程度が好適である。第１の絶縁層１５は基板の表面に形成される絶縁膜のことである。

ヒータ電極１１の材質としては、感温抵抗層１７の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料からなる金属層であって、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム(Ｐｄ)、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。また、イオンミリングなどの高精度なドライエッチングが可能である導電材質であることが好ましく、さらに耐腐食性が高い、Ｐｔなどがより好適である。また絶縁膜との密着性を向上させるためにはＰｔの下部にはチタン(Ｔｉ)などの密着層を形成するのが好ましい。膜厚は、ヒータ電極１１の線幅にもよるが、通常０．１〜１．０μｍ程度が好適である。

ヒータ電極１１および第１の絶縁層１５を覆うように第２の絶縁層１６が形成される。第２の絶縁層１６としては、第１の絶縁層１５と同じ材料であることが望ましい。ヒータ電極１１は数百度にまで上昇し、次に常温へ下がるという熱ストレスを繰り返し受ける。この熱ストレスを継続的に受けると層間剥離やクラックといった破壊につながる。同じ材料同士は、異種材料を積層した場合に比べて材料特性が同じであり密着性が強固で機械的強度も強い。このため、ヒータ電極１１の熱ストレスに対しても破壊を防止することができる。第２の絶縁層１６として、例えばシリコン酸化膜を形成するには、熱酸化法やＣＶＤによる成膜法を適用すればよい。膜厚は、ヒータ電極１１を確実に覆うことができ層間絶縁ができる厚みで、通常０．３〜１．０μｍ程度が好適である。

また、感温抵抗層１７に、複合金属酸化物等を利用する場合においては、第２の絶縁層１６は、絶縁性を有する酸化膜であることが望ましく、例えばシリコン酸化膜等が望ましい。第２の絶縁層１６の上には感温抵抗層１７および検知電極１２が形成される。第２の絶縁層１６は、ヒータ電極１１の保護膜であると同時に、感温抵抗層１７および検知電極１２の下地層でもあり、感温抵抗層１７と直接接触する。

感温抵抗層１７の電気信号を取り出す為に、検知電極１２が形成される。検知電極１２の材質としては、感温抵抗層１７の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質で比較的高融点の材料、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム(Ｐｄ)、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。膜厚は、検知電極１２の線幅にもよるが、通常０．１〜１．０μｍ程度が好適である。

感温抵抗層１７としてはサーミスタなどが好適である。白金測温体などに比べて抵抗温度係数が大きいために、検出感度を大きくすることができるためである。サーミスタの材質としては、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の温度抵抗係数を持つ材料をスパッタ法、ＣＶＤなどの薄膜プロセスを用いて形成する。膜厚は目標とするサーミスタ抵抗値に応じて調整すればよく、例えばＭｎＮｉＣｏ系酸化物を用いるのであれば、検知電極１２の電極間の距離にもよるが０．２〜１．０μｍ程度が好適である。

一般的に、複合金属酸化物を利用したサーミスタは、高温で還元劣化があるためサーミスタ全体を耐還元材料でコーティングする方法が知られている。即ち、サーミスタが還元性を持つ材料と接触した状態で高温状態にすると、サーミスタから酸素を奪って還元を引き起こし、サーミスタ特性に影響を与えてしまう。よって第３の絶縁層１８においてもシリコン酸化膜等の絶縁性を有する酸化膜であることが望ましい。

また、同様な理由により、ヒータ電極１１上に、絶縁層である第２の絶縁層１６を介して、検知電極１２、サーミスタの順に積層し形成されることが好ましい。つまり、検知電極１２の上にサーミスタが形成される。一般的に、薄膜電極は、電極材料と下地との密着力を上げるために密着層が形成される。例えばクロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）等が数ｎｍ程度の膜厚で形成される。サーミスタ上に検知電極１２が形成された場合、この密着層が直接サーミスタと接触し、サーミスタからの酸素を奪う等により酸化することで、界面抵抗が上昇してしまい好ましくない。

感温抵抗層１７および検知電極１２を覆うように第３の絶縁層１８が形成される。第３の絶縁層１８としては、第１の絶縁層１５および第２の絶縁層１６と同じ材料であることが望ましい。感温抵抗層１７および検知電極１２もヒータ電極１１の加熱により数百度にまで上昇し、次に常温へ下がるという熱ストレスを繰り返し受ける。この熱ストレスを継続的に受けると層間剥離やクラックといった破壊につながる。同じ材料同士は、異種材料を積層した場合に比べて材料特性が同じであり密着性が強固で機械的強度も強い。このため、熱ストレスに対しても破壊を防止することができる。第３の絶縁層１８として、例えばシリコン酸化膜を形成するには、熱酸化法やＣＶＤによる成膜法を適用すればよい。膜厚は、感温抵抗層１７および検知電極１２を確実に覆うことができ層間絶縁ができる厚みで、通常０．３〜１．０μｍ程度が好適である。

ヒータ電極１１、検知電極１２は空洞部１３の外で、取出し電極１９と接続される。取出し電極１９と接続するために、必要に応じて第２の絶縁層１６および第３の絶縁層１８の一部が除去される。取出し電極１９は、例えばアルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）などの材料で形成され、必要に応じて積層してもよい。膜厚は、第２の絶縁層１６および第３の絶縁層１８の厚みにもよるが、通常０．５〜２．０μｍ程度が好適である。

空洞部１３は第１の絶縁層から取出し電極１９まで形成されたのちに、エッチングにより基板１４を除去することにより形成される。エッチングはフッ化物系ガスを用いたＤ−ＲＩＥ法等の反応性イオンエッチングが空洞部１３のテーパーを抑えることが出来るので好適である。また事前に凹部を形成した貼り合せ基板、いわゆるキャビティ付ＳＯＩ基板（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ基板）を用いて空洞部１３を部分的にエッチングすることで形成してもよい。空洞部１３のサイズは、検知部１０のサイズによるが、通常１００〜１０００μｍ□程度が好適である。

図６に示したガスセンサ素子の回路１０６を使用した測定結果について説明する。ここでの対象ガスは水素とした。ヒータ６１の抵抗値を１４０Ω前後となるように作製する。ヒータの加熱は検知部を１５０℃前後にするように電圧Ｖｈを設定する。感温抵抗層にサーミスタを使用した感温抵抗素子６２の抵抗値は１５０℃で１４０ｋΩ前後となるように作製する。感温抵抗素子６２と同等（１４０ｋΩ前後）の基準抵抗６３を感温抵抗素子６２と接続する。電圧Ｖｃとして３Ｖを印加して、ガスセンサ素子の出力である電圧Ｖｄが１．５Ｖとなるように設定する。図示しないが、ガスセンサ素子の近辺に温度センサが設置されている。これにより環境の温度変化によってサーミスタの抵抗変化したことによる電圧Ｖｄの誤差を補正している。この補正によって、対象ガスだけの変動を検出可能としている。

ガスセンサ素子６０をインレットとアウトレットを持った閉空間に入れてインレットからマスフローコントローラを使用して空気中の水素濃度０．０％、０．５％、１．０％としたガスを流し、各水素濃度で安定した状態での電圧Ｖｄを読み取った。各水素濃度の電圧Ｖｄの変化量からセンサの測定感度を評価した。評価は、図１Ａ、図１Ｂの実施形態１のガスセンサ素子、図７の比較例のガスセンサ素子（断面の構成は図１Ｂと同様）、図２Ａ、図２Ｂの従来例のガスセンサ素子の３つの素子で行った。

水素濃度０．０％から０．５％間の測定感度、水素濃度０．５％から１．０％間の測定感度をまとめたものを表１に示す。

測定感度は［μＶ／ｐｐｍ]で表し、水素濃度０．０％から０．５％間の測定感度は、従来例のガスセンサ素子で２．９０、比較例のガスセンサ素子で２．９３、実施形態１のガスセンサ素子で３．０４となった。水素濃度０．５％から１．０％間の測定感度は、従来例のガスセンサ素子で２．７３、比較例のガスセンサ素子で２．７５、実施形態１のガスセンサ素子で２．７９となった。どちらの条件においても実施形態１のガスセンサ素子で測定感度が向上しているこが確認出来た。また、温度分布の均一化によってセンサの測定感度が向上することが確認された。以上によりセンサの測定感度が向上したガスセンサ素子を提供することを示した。なお、測定対象物は、ガス以外にも、流量が変わることによって温度が変化する、例えば流量センサなどにも適用可能である。

本発明は、産業機器や環境モニタリング装置に搭載され、対象ガスを検知する用途に用いられる。

１０、２０検知部
１１、２１ヒータ電極
１２、２２検知電極
１３、２３空洞部
１４、２４基板
１５、２５第１の絶縁層
１６、２６第２の絶縁層抗
１７、２７感温抵抗層
１８、２８第３の絶縁層
１９、２９取出し電極
１００、１０１ガスセンサ素子
２００第１の配線部
２１０第２の配線部

Claims

空洞部を有する基板と、前記空洞部を覆うように形成された第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上の前記空洞部の位置に対応して形成されたヒータと、前記ヒータを覆うように形成された第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層上の前記空洞部の位置に対応して形成された検知部と、一対の検知電極を備え、前記ヒータは第１の配線部と第２の配線部を有し、前記第１の配線部は前記空洞部の中央でループ形状を有し、前記第２の配線部は一対からなり、前記第１の配線部に接続され、前記ループ形状の外側で折り返しを有するとともに、前記ループ形状の中心に対して点対称な形状を有し、前記基板上に形成された入力端子と出力端子にそれぞれ接続され、前記検知部が前記ヒータの形成領域と概ね等しい大きさであり、前記検知部は、前記一対の検知電極の間に位置する四角形の領域であり、前記四角形の領域内における前記第２の配線部の最外周の辺は、前記四角形の領域の一辺と平行であるセンサ素子。
空洞部を有する基板と、前記空洞部を覆うように形成された第１の絶縁層と、前記第１の絶縁層上の前記空洞部の位置に対応して形成された検知部と、一対の検知電極と、前記検知部を覆うように形成された第２の絶縁層と、前記第２の絶縁層上の前記空洞部の位置に対応して形成されたヒータを備え、前記ヒータは第１の配線部と第２の配線部を有し、前記第１の配線部は前記空洞部の中央でループ形状を有し、前記第２の配線部は一対からなり、前記第１の配線部に接続され、前記ループ形状の外側で折り返しを有するとともに、前記ループ形状の中心に対して点対称な形状を有し、前記基板上に形成された入力端子と出力端子にそれぞれ接続され、前記検知部が前記ヒータの形成領域と概ね等しい大きさであり、前記検知部は、前記一対の検知電極の間に位置する四角形の領域であり、前記四角形の領域内における前記第２の配線部の最外周の辺は、前記四角形の領域の一辺と平行であるセンサ素子。
前記第１の絶縁層と前記第２の絶縁層は前記空洞部の一部を覆わずに貫通部を有する請求項１又は請求項２に記載のセンサ素子。
前記第２の配線部の前記ループ形状の中心から離間する一部において配線が狭くなる部分を有する請求項１から請求項３の何れか１項に記載のセンサ素子。