JP6505086B2 - 加熱式感応層ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、分子センサ、特に、加熱式の感応層で動作するガスセンサに関する。

このタイプのセンサの感応層は、一般に半導体酸化物を含み、その性質及び動作温度は、検出されるべき分子に従って選択される。感応層の抵抗率は、酸化物層によって吸着される分子の濃度に応じて変化する。

図１Ａ及び図１Ｂは、例えば、論文［Ｉ Ｄｅｗａ Ｐｕｔｕ Ｈｅｒｍｉｄａ ｅｔ ａｌ．、「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏ Ｇａｓ Ｓｅｎｓｉｎｇ Ｂａｓｅｄ ＳｎＯ２ Ｔｈｉｎ ｆｉｌｍ」、Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ＩＪＥＴ−ＩＪＥＮＳ Ｖｏｌ：１３ Ｎｏ：．０１］及び［Ｇｅｏｒｇｅ Ｆ．Ｆｉｎｅ ｅｔ ａｌ．、「Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉ−Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｇａｓ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ」、Ｓｅｎｓｏｒｓ ２０１０、１０、５４６９−５５０２］などに記載される従来の加熱式感応層センサの軸線ＡＡに沿った上面図及び断面図を概略的に示す。

センサは、半導体酸化物に基づく感応層１２をその上面で支える絶縁性基板１０を備える。導電性トラックＥ１及びＥ２の形態の２つの相補的な電極が、感応層１２と電気接触する状態で配置される。電極Ｅ１及びＥ２は、電極間に存在する感応層の区域の抵抗率の変化を測定するように構成される。感度を向上させるために、２つの電極の隣接する長さを増加させることが望ましい。この目的のために、電極トラックは、しばしば、図示されるように櫛形に形成される。

各電極は、感応層の活性領域外のセンサの辺縁に位置する接触端子を含む。電極Ｅ１の端子はグラウンド電圧（０Ｖ）に設定され、電極Ｅ２の端子はおおよそ１Ｖの測定電圧Ｍに設定される。センサは、２つの電極の端子間を流れる電流を測定することによって動作する。

感応層１２を加熱するために、感応層から電気的に分離され、例えば基板１０の底面上に位置する、抵抗性トラック１４が設けられる。トラック１４は、感応層の活性領域、すなわち電極の対向するフィンガ間の領域を一様に加熱するように構成される。トラック１４は、しばしば、図示されるように蛇行する形態をとる。これによって、グラウンド（０Ｖ）と所望の温度を達成するように調整される電圧Ｖｈとの間の電圧が供給される。

加熱式感応層センサの構造及びそれに用いられる材料は、集積回路技術を用いる製造に特によく適する。このときのセンサの寸法は、感応層をわずか３０ｍＷの電力消費で３５０℃まで加熱することができるほど小さい。しかし、こうしたセンサの感応層は、他の技術で作製されるセンサよりも早く老化することが分かっている。

したがって、集積回路製造技術を用いて生産される加熱式感応層センサの寿命を延ばすことが望まれる。

この必要性は、感応層を支える絶縁性基板と、感応層と電気接触するように構成される２つの隣接する導電性トラックの形態の２つの相補的な測定電極と、感応層の活性領域を一様に加熱するために基板上に配列される抵抗性トラックの形態の加熱素子とを備える加熱式感応層センサによって対処される。抵抗性トラックは、抵抗性トラックの長さにわたって規則的に間隔をおいて配置される少なくとも３つの電力供給ポイントを備え、奇数番目の各ポイントに第１の供給電圧が供給され、偶数番目の各ポイントに第２の供給電圧が供給される。

一実施形態によれば、抵抗性トラックの平面上に突き出る電極の導電性トラックのレイアウトは、抵抗性トラックの周りに画定される境界外にとどまる。

一実施形態によれば、抵抗性トラックと電極の導電性トラックとは同一平面上にある。

一実施形態によれば、感応層の活性領域内の抵抗性トラック及び電極の導電性トラックの方向変化部は、ゼロでない曲率半径を有する。

一実施形態によれば、抵抗性トラックは連続的にＵ字形弧状部を備え、２つの導電性トラックが、抵抗性トラックと平行して延びて各弧状部に入り、抵抗性トラックから最も遠い導電性トラックが、弧状部を出るときに終端し、抵抗性トラックに隣接する導電性トラックが、弧状部を出ると最も遠い導電性トラックの端の周りでＵターンして弧状部に戻る。

一実施形態によれば、抵抗性トラックは、導電性トラックと同一平面上にあり、また、感応層と電気接触し、抵抗性トラックに隣接する導電性トラックは、抵抗性トラックと隣接する導電性トラックとの間の感応層に流れるどのような電流も導電性トラック間に流れる電流を乱さないように、グラウンド電圧に設定される。

単に例示する目的で提供され添付図で表される本発明の特定の実施形態の以下の説明から、他の利点及び特徴がより明確に明らかになるであろう。

前述の、従来の加熱式感応層センサの概略的に示される上面図である。 前述の、従来の加熱式感応層センサの概略的に示される断面図である。 センサの寿命を増加させるセンサ加熱素子の抵抗性トラックの実施形態を概略的に示す図である。 抵抗性トラックの別の実施形態、及び適切な電極の一実施形態を概略的に示す図である。 図３のタイプのいくつかの構造に関する直列接続技法を例示する図である。

本発明者らは、小型の加熱式センサの感応層は、特にセンサが集積回路製造技法を用いて生産されるときに、主に、図１Ａに示された領域Ｄの、抵抗性トラックにより高電圧（Ｖｈ）を供給する側で劣化することを見出した。本発明者らは、この影響は感応層が耐える電界によるものと考えている。実際に、抵抗性トラックの供給電圧Ｖｈは比較的高く、最高５．７Ｖとなる場合があり、抵抗性トラックと電極の導電性トラックとの間の距離は集積回路技術では特に小さい場合があり、ゆえに、抵抗性トラックが最高電圧である側の、電極と抵抗性トラックとの各交差部で強い電界が発生する。実際に、これらのトラックの交差部で感応層への最初の損傷が生じる。

電界によって生じるこの劣化を避けるために抵抗性トラックを電極から引き離すことは、加熱効率が低下することになり、抵抗性トラックの供給電圧の増加を必要とすることになるので、問題の解決にはならない。

図２は、加熱効率を低下させずに電界を減少させる、加熱素子の抵抗性トラック構成１４’を概略的に示す。ここでは蛇行する形態の抵抗性トラックは、各端での電力供給端子以外に、抵抗性トラックの長さに沿って規則的に間隔をおいて配置される１つ又は複数の中間供給ポイントを備える。図２では、抵抗性トラックは、例えば、端の端子を数に含めて合計５つの供給ポイントのうち、３つの中間供給ポイントを備える。奇数番目のポイントに、第１の電力供給電圧、例えばグランド（０Ｖ）が供給され、偶数番目のポイントに、第２の供給電圧である高電圧Ｖｈ’が印加される。この目的のために、奇数番目のポイントは、第１の電圧が供給される共通低抵抗ライン２０に接続されてもよく、偶数番目のポイントは、第２の電圧が供給される共通低抵抗ライン２２に接続されてもよい。

図示された構成では、電圧Ｖｈ’は、同じ加熱パワーを提供しながら、２つのみの電力供給端子に必要とされる電圧Ｖｈに対して４で割られてもよい。実際に、蛇行の各セグメントは、全抵抗の１／４の抵抗を有し、その端間に従来の供給電圧の１／４の電圧が見られ、電流は従来の構成から変更されず、ゆえに損失される電力は同じである。したがって、電界は、抵抗性トラックで用いられるセグメントの数で割られてもよい。

センサの製造を簡単にするために、電極のトラックと抵抗性トラックを同一平面上にすることが望ましい。これは、単一のマスクレベルでのトラックの形成を可能にする。この場合、図２に示すように、電力供給トラックをセンサの活性領域を通して引き回すこと又はこの領域にバイアを配置することを避けるために、供給端子はセンサの縁上に存在することが好ましい。その場合、電力供給端子は、センサの活性領域外に配列される金属トラック及びバイアに接続されてもよい。

図３は、別のセンサの実施形態を概略的に示す。抵抗性トラック１４’は、ここでは、電圧Ｖｈ’が供給される中央の供給ポイントを通る垂直軸に対して対称な２つの蛇行セグメントを備える。各セグメントが奇数の弧状部を有する場合、図示されるように、ここでは０Ｖである端の供給ポイントが中央のポイントと同じセンサの縁上に存在する。

この構成では、抵抗性トラックの中央部分は、２つのセグメントのそれぞれのための電流を伝導し、したがって、セグメントのそれぞれよりも２倍多くの電流が流れるのがわかる。中央部分が抵抗性トラックの残りの部分と同じ抵抗率を有する場合、これは残りの部分よりも４倍多くの電力を損失する。加熱パワーを均一化するために、中央部分は、トラックの残りの部分の抵抗率の１／４の抵抗率を呈するように寸法設定されてもよい。

図３はまた、抵抗性トラック１４’と同一平面内に作製することができるようにする、電極Ｅ１及びＥ２の例示的な引き回し構成を示す。この電極の引き回しはさらに、感応層が耐える電界をさらに減少させるように構成される。

図１Ｂに示すような従来の電極の引き回し構成は、ゼロに近い曲率半径を持つ多くの方向変化部を有する。これは、結果的に、各方向変化部での電界の局所的な強調をもたらす。

この影響を減らすために、図３に示すように、電極Ｅ１、Ｅ２のトラック及び抵抗性トラック１４’の方向変化部は、円弧などのゼロでない曲率半径をたどる。抵抗性トラック１４’の蛇行経路は、連続的な「Ｕ」字形の弧状部で形成されてもよい。電極に関して、これはまた、多くの直角及び鋭い端を持つ櫛状経路を回避すると考えられる。したがって、２つの電極Ｅ１、Ｅ２のトラックは、抵抗性トラック１４’と平行なまま各弧状部を通り抜ける。弧状部を出るときに、抵抗性トラックから最も遠い電極、ここではＥ２が止まり、一方、抵抗性トラックに隣接する電極、ここではＥ１は、電極Ｅ２の先端の周りでＵターンして弧状部に戻る。この引き回し構成は、櫛パターンを用いずに電極の対向する長さを増加させる一助となる。

この電極レイアウト技法では、蛇行の各弧状部に関して一対の電極トラックＥ１、Ｅ２が形成される。対の各トラックの開始ポイントは、センサの縁上の端子に接続され、そこからトラックは、必要であればセンサの活性領域外のバイアを通じて他の弧状部のピアトラックに供給及び接続されてもよい。

抵抗性トラック１４’の開始時に、図示されるように、電極Ｅ１、Ｅ２の対が、抵抗性トラックと同じ側で始まり、次の弧状部まで外側から平行して第１の弧状部をたどり、そこで前述のパターンが始まる。抵抗性トラックの終了時のパターンは対称であってもよい。

図３の構成は、感応層と接触する同一平面内の電極のトラック及び抵抗性トラックを達成することを可能にする。抵抗性トラック１４’は、感応層と電気接触する場合、感応層に偽の電流を発生させることもあり、これは電極からの測定を乱すこともある。

これを防ぐために、感応層と抵抗性トラックとの間に局所的な絶縁体を蒸着することもでき、又は感応層を電極上に局所的に蒸着することもできる。これは感応層の加熱効率に悪影響を及ぼすことになる。

図３に示された電極の電力供給構成は、抵抗性トラックが感応層と電気接触するときに抵抗性トラックによって発生する偽の電流の影響を回避する。抵抗性トラックに隣接する電極Ｅ１のトラックが接地され（０Ｖ）、一方、より遠い電極Ｅ２のトラックに測定電圧Ｍが供給される。その後、電極Ｅ１のトラックと抵抗性トラック１４’との間の感応層に流れる傾向があるどのような電流も地面へ流れ、電極Ｅ２のトラックには到達しない。

こうした状況では、図３のトラック構造体は、この構造体よりも下又は上に蒸着される感応層と交換可能に用いられてもよい。感応層は、上に蒸着するとより大きい表面積を環境に露出することから、上に蒸着することが好ましい。

図３の構成は、抵抗性トラック１４’が電極Ｅ１、Ｅ２とは異なる平面内に位置する場合の、より伝統的な構造で用いられてもよい。その場合、この構造は、より低い電界の利点を依然として与える。抵抗性トラックと電極の割合及び位置は、抵抗性トラックの平面上に突き出る電極トラックのレイアウトが、抵抗性トラックの周りに画定される境界外にとどまる、言い換えれば、センサの活性領域での電極トラックと抵抗性トラックの交差が回避されるように維持されてもよい。

図４は、図３に示されたタイプのいくつかの構造体を直列に接続するための例示的な技法を示す。図３のタイプの２つの構造体が、電極Ｅ２の横方向部分を共通に用いることによって接合されてもよい。したがって、意図される用途の必要性に対処するために抵抗性トラックの供給電圧Ｖｈ’を１／セグメント数に減らすことが可能である。

この構成は、異なる構造体を一緒に接続することによって構造体全体を単一のセンサとして用いること、又は異なる構造体を別々に用いること、したがって、いくつかの異なる信号（例えば各蛇行の温度に基づく）を提供する「マルチセンサ」構成、例えば「エレクトロニックノーズ」デバイスを達成することを可能にする。

Claims (6)

1. 加熱式感応層センサであって、
   感応層（１２）を支える絶縁性基板（１０）と、
   前記感応層（１２）と電気接触するように構成される２つの隣接する導電性トラックの形態の２つの相補的な測定電極（Ｅ１、Ｅ２）と、
   前記感応層（１２）の活性領域を一様に加熱するために前記基板上に配列される抵抗性トラック（１４’）の形態の加熱素子（１４）であって、前記抵抗性トラック（１４’）が、前記抵抗性トラック（１４’）の長さにわたって規則的に間隔をおいて配置される少なくとも３つの電力供給ポイントを含み、前記抵抗性トラック（１４’）が、前記電力供給ポイント間において複数のセグメントに分割される、加熱素子（１４）と、
   前記抵抗性トラック（１４’）の奇数番目のポイントに接続される第１の共通供給ライン（２０）と、
   前記抵抗性トラック（１４’）の偶数番目のポイントに接続される第２の共通供給ライン（２２）であって、前記第１の共通供給ライン（２０）と前記第２の共通供給ライン（２２）との間に印加される供給電圧が、最大で、前記抵抗性トラック（１４’）の複数のセグメントの数で割られる５．７Ｖである、第２の共通供給ライン（２２）と、
   を備える、センサ。
2. 前記抵抗性トラック（１４’）の平面上に突き出る前記電極（Ｅ１、Ｅ２）の導電性トラックのレイアウトが、前記抵抗性トラック（１４’）の外にとどまる、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記抵抗性トラック（１４’）及び前記電極（Ｅ１、Ｅ２）の導電性トラックが同一平面上にある、請求項２に記載のセンサ。
4. 前記感応層（１２）の活性領域での前記抵抗性トラック（１４’）及び前記電極（Ｅ１、Ｅ２）の導電性トラックの方向変化部がゼロでない曲率半径を有する、請求項２に記載のセンサ。
5. 前記抵抗性トラック（１４’）が連続的にＵ字形弧状部を備え、前記２つの隣接する導電性トラックが、前記抵抗性トラック（１４’）と平行して延びて各弧状部に入り、前記抵抗性トラック（１４’）から最も遠い導電性トラックが、前記弧状部を出るときに終端し、前記抵抗性トラック（１４’）に隣接する導電性トラックが、前記弧状部を出ると前記最も遠い導電性トラックの端の周りでＵターンして前記弧状部に戻る、請求項４に記載のセンサ。
6. 前記抵抗性トラック（１４’）が、前記導電性トラックと同一平面上にあり、また、前記感応層（１２）と電気接触し、前記抵抗性トラック（１４’）に隣接する導電性トラックが、前記抵抗性トラック（１４’）と前記隣接する導電性トラックとの間の、前記感応層（１２）に流れるどのような電流も前記導電性トラック間に流れる電流を乱さないように、グラウンド電圧に設定される、請求項５に記載のセンサ。

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