JP6512988B2 - マイクロメカニカルガスセンサ装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロメカニカルガスセンサ装置および対応する製造する方法に関する。

任意のマイクロメカニカルガスセンサ装置に適用可能であるが、本発明およびそのベースにある問題をマイクロメカニカルガスセンサ装置について説明する。

公知のマイクロメカニカルガスセンサ装置は、例えばＣｈｅｍＦＥＴ、フォトニック結晶、抵抗測定構造体および電子バー構造体である。このようなマイクロメカニカルガスセンサ装置は、複雑な製造プロセスおよび／または繁雑な種々の評価メカニズムを必要とする複雑な構造体である。

独国特許出願公開第10 2012 211 460号明細書には、電界効果トランジスタによるガスセンサおよび対応する製造方法が記載されており、この電界効果トランジスタには、ガスに曝すことの可能なゲート電極、ソース電極およびドレイン電極が配置されており、基板とゲート電極との間には電気絶縁部が設けられている。この電気絶縁部は、層システムとして構成されており、この層システムの少なくとも１つの層には、所定かつ安定化された電荷を導入することができる。特にゲート電極は、多孔性に構成されているため、電極に接触するガス種は、電気絶縁部表面へ直接到達し、ひいては相互作用を発生させ得る。

独国特許出願公開第10 2012 211 460号明細書

従来公知のコンポーネントを使用した、簡単に製造可能なマイクロメカニカルガスセンサ装置およびその製造方法を提供することである。

上記のマイクロメカニカルガスセンサ装置についての課題は、本発明の請求項１により、
基板と、
この基板とは反対側を向いた上側面、基板側を向いた下側面、および、検知すべきガスが通流可能な側面を有する、基板上に設けられた多孔性領域と、
上側面を少なくとも部分的に覆う被覆領域であって、ガスを多孔性領域に導くことの可能な１つまたは複数のガス進入チャネルを有する被覆領域と、
多孔性領域内のガスにおいて伝搬可能な電磁信号を形成する信号形成装置と、
ガスにおいて伝搬した後の電磁信号を受信する信号受信装置と、
ガスにおいて伝搬した際の電磁信号の変化に基づき、ガスの少なくとも１つの化学的または物理的なパラメタを求める評価装置とを有するマイクロメカニカルガスセンサ装置を構成する、ことによって解決される。

また上記のマイクロメカニカルガスセンサ装置の製造方法についての課題は、本発明の請求項１１により、マイクロメカニカルガスセンサ装置を製造する製造方法において、
基板を準備し、
基板とは反対側を向いた上側面、基板側を向いた下側面、および、検知すべきガスが通流可能な側面を有する多孔性領域を基板上に形成し、
上側面を少なくとも部分的に覆う被覆領域であって、ガスを多孔性領域に導くことの可能な１つまたは複数のガス進入チャネルを有する被覆領域を形成し、
多孔性領域内のガスにおいて伝搬可能な電磁信号を形成する信号形成装置を形成し、
ガスにおいて伝搬した後の電磁信号を受信する信号受信装置を形成し、
ガスにおいて伝搬した際の電磁信号の変化に基づき、ガスの少なくとも１つの化学的または物理的なパラメタを求める評価装置を形成する製造方法によって解決される。

有利な発展形態は、各従属請求項に記載されている。

本発明の基礎にある構想は、有利には多孔性ケイ素または酸化した多孔性ケイ素からなる、多孔性領域に多孔性ガスチャネルを形成することにある。この多孔性領域により、ガス流が低減される（フィルタ作用）か、ないしは、高い表面積対体積比を有する周囲環境内にガス流が存在し、これによって反応の確率が高くなるガスチャネルの形成が可能になる。

電磁信号は、上記多孔性領域内で、検出すべきガスとの相互作用に起因して変化し、この信号変化から上記のガスの所望の化学的および／または物理的なパラメタを求めることができる。その例には、熱伝導率、誘電率、光透過度がある。考えられ得る電磁的な励起は、交流電流、熱ビーム、光ビームなどである。

請求項１に記載した本発明のマイクロメカニカルガスセンサ装置および請求項１１に記載した対応する製造方法により、簡単かつ公知のコンポーネントを使用することができ、種々異なる多数の評価メカニズムが可能になる。これらの評価メカニズムは、感度および／または頑強さを高めるために互いに組み合わせることも可能である。

本発明は、大量生産の可能性のある確立された技術に、すなわちコスト的に有利な技術に基づいている。本発明によるマイクロメカニカルガスセンサ装置は、極めて簡単なガスセンサ装置から複雑なクロマトグラフィ装置に容易に拡張が可能である。ここでは種々異なる測定方式を適用することができ、ないし感度および頑強さを高めるために組み合わせることができる。また例えば静的モード、クロマトグラフィモードなどの種々異なる測定モードを使用することができる。

本発明によるマイクロメカニカルガスセンサ装置はまた、容易に状態調整ないしは再生可能であり、これは、例えば加熱装置または電界形成装置を使用することによって行われる。

有利な実施形態によれば、上記被覆領域は上側面を完全に覆っており、上記側面の少なくとも１つの領域を通して上記多孔性領域にガスを導くことができる。これにより、上記多孔性領域全体を測定に使用することができる。

別の有利な実施形態によれば、信号形成装置および信号受信装置は、上記上側面において被覆領域に埋め込み可能である。これにより、この埋め込みは、これらの電子コンポーネントの保護および絶縁に使用可能であり、これらの電子コンポーネントそれ自体を多孔性領域に可能な限りに接近させて配置することができる。

別の有利な実施形態によれば、信号形成装置は、上側面において被覆領域内に埋め込まれており、信号受信装置は、下側面において基板内に埋め込まれている。これにより、垂直方向の信号伝搬を行うことができる。

別の有利な実施形態によれば、上記多孔性領域は、ガスを導くことの可能な空洞を有しており、信号形成装置は、電磁信号が空洞内のガスにおいて伝搬できるように構成されている。この空洞では自由な拡散を行うことができ、周囲の多孔性領域をフィルタとして使用することができる。

別の有利な実施形態によれば、多孔性領域を状態調整する状態調整装置が設けられている。これにより、所定の測定条件を設定することができる。

別の有利な実施形態によれば、基板はウェハ基板であり、またこのウェハ基板上に設けられた第１の酸化物層を有しており、この酸化物層は、上記多孔性領域の下側面に接して設けられている。これにより、公知の構造体が使用されて製造が容易になる。

別の有利な実施形態によれば、上記被覆領域は少なくとも１つの第２の酸化物層を有する。これにより、ガス気密の被覆を容易に作製することができる。

別の有利な実施形態によれば、上記多孔性領域は、多孔性ケイ素または酸化された多孔性ケイ素から構成されている。これにより、良好に制御されたプロセスにおいて、広いサイズ範囲にわたって比較的均一な孔径を製造することができる。

別の有利な実施形態によれば、信号形成装置は、交流電流の形態、光ビームの形態、または熱ビームの形態で電磁信号を形成するように構成されている。これにより、公知の評価技術を用いて、関連の極めて強い電気的および化学的なパラメタを容易に求めることができる。

本発明によるマイクロメカニカルガスセンサ装置を製造する製造方法は、基板を準備するステップと、この基板とは反対側を向いた上側面、基板側を向いた下側面、および、検知すべきガスが通流可能な側面を有する基板に多孔性領域を形成するステップと、上側面を少なくとも部分的に覆う被覆領域であって、ガスを多孔性領域に導くことの可能な１つまたは複数のガス進入チャネルを有する被覆領域を形成するステップと、多孔性領域内のガスにおいて伝搬可能な電磁信号を形成する信号形成装置を形成するステップと、ガスにおいて伝搬した後の電磁信号を受信する信号受信装置を形成するステップと、ガスにおいて伝搬した際の電磁信号の変化に基づき、ガスの少なくとも１つの化学的または物理的なパラメタを求める評価装置を形成するステップとを有する。

本発明による製造方法の有利な実施形態によれば、信号形成装置および信号受信装置を上側面において被覆領域に埋め込む。

本発明による製造方法の別の有利な実施形態によれば、信号形成装置を上側面において被覆領域内に埋め込み、信号受信装置を下側面において基板内に埋め込む。

本発明の第１実施形態によるマイクロメカニカルガスセンサ装置の概略断面図である。 本発明の第２実施形態によるマイクロメカニカルガスセンサ装置の概略断面図である。 本発明の第３実施形態によるマイクロメカニカルガスセンサ装置の概略断面図である。 本発明の第４実施形態によるマイクロメカニカルガスセンサ装置の概略断面図である。 本発明の第５実施形態によるマイクロメカニカルガスセンサ装置の概略断面図である。

本発明を以下、図面の複数の概略図において示した実施例に基づいて詳しく説明する。

図面において同じ参照符号は、同じ要素、ないしは、機能が同じ要素を示している。

図１は、本発明の第１実施形態によるマイクロメカニカルガスセンサ装置の概略断面図である。

図１において参照符号１は、ケイ素半導体基板を示しており、このケイ素半導体基板上には、例えば基板１を熱酸化させることにより、また堆積することにより、酸化物層５が設けられている。

酸化ケイ素層５上には、一般的には１０ｎｍから数マイクロメートルまでで製造可能な、比較的均一な孔径を有する多孔性ケイ素からなる領域１０が設けられており、しかも検知すべきガスの種類に応じて作製可能である。酸化された多孔性ケイ素領域を使用することも可能である。多孔性領域１０は、基板１側を向いた下側面Ｕと、基板とは反対側を向いた上側面Ｏと、側面ＳＦとを有する。

被覆領域５０，５０ａは上側面Ｏを覆い、またガス進入チャネルＴ１，Ｔ２を有する。これらのチャネルにより、側面ＳＦの領域１１および１２を介し、検知すべきガスを多孔性領域１０に導くことができる。ガス進入チャネルＴ１，Ｔ２の上端部には、必要に応じて、（図示しない）接続部を実現することができ、これによって正圧下で、検知すべきガスを多孔性領域１０に導くことできる。

多孔性領域１０の上側面Ｏには上記被覆領域の領域５０ａに信号形成装置Ｓと、これから離隔した信号受信装置Ｅとが埋め込まれており、これらは共に（図示しない）評価装置１００に接続されている。

信号形成装置Ｓは、被覆領域の領域５０ａにおいても、多孔性領域１０内のガスにおいても共に伝搬し得る電磁信号Ｗ１，Ｗ２を形成するのに使用される。例えば、電磁信号Ｗ１，Ｗ２は、交流電流の形態、光ビームの形態または熱ビームの形態で形成される。

信号受信装置Ｅは、被覆領域の領域５０ａを伝搬した後の電磁信号Ｗ１および多孔性領域１０内のガスにおいて伝搬した後の電磁信号Ｗ２を受信するために使用され、後者の電磁信号Ｗ２により、検知すべきガスの状態および組成についての情報が得られ、特にこのガスの物理的および／または化学的なパラメタが得られる。

これにより、評価装置１００を用いれば、多孔性領域１０内のガスにおいて伝搬する際の電磁信号Ｗ２の変化に基づいてこのガスの化学的または物理的のパラメタを求めることができる。

この電磁信号は、例えば、周期的な信号またはパルス状の信号とすることが可能であり、その振幅変化および／または線幅変化は評価装置１００によって求めることができ、これによって所望の化学的および／または物理的なパラメタが得られる。

このようなパラメタの例は、熱伝導率、熱容量、誘電率、電離度などである。

図２は、本発明の第２実施形態によるマイクロメカニカルガスセンサ装置の概略断面図である。

第２実施形態では、信号形成装置Ｓおよび信号受信装置Ｅの配置構成が変更されている。ここでは信号形成装置Ｓは、被覆領域の領域５０ａ内の上側面Ｏに設けられており、信号受信装置Ｅは、酸化物層５内の下側面Ｕに設けられている。

これにより、上で説明した第１実施形態では、複数の領域によって横方向の信号伝搬が行われるのに対して、第２実施形態では、電磁信号Ｗ０の垂直方向の信号伝搬が多孔性領域１０だけによって行われる。

その他の点では、第２実施形態は第１実施形態と同様に構成されており、ガスの所要の物理的および／または化学的なパラメタを求めるために同様に動作させることができる。

図３は、本発明の第３実施形態によるマイクロメカニカルガスセンサ装置の概略断面図である。

この第３実施形態では、多孔性領域１０ａは空洞Ｋを有しており、この空洞は、残りの多孔性領域１０ａないしは酸化物層５および被覆領域の領域５０ａによって全面が囲まれている。

ここでは、領域５０ａ内の、上側面Ｏに設けられた信号形成装置は、空洞Ｋの一部分も、多孔性領域１０ａの周囲領域の一部分も共に覆っている。信号形成装置Ｓから離隔して多孔性領域１０ａの上側面Ｏにおいて、領域５０ａに埋め込まれている信号受信装置Ｅも同様に、空洞Ｋの一部分も、多孔性領域１０ａの周囲領域の一部分も共に覆っている。しかしながらこのような埋め込みは必須ではなく、信号受信装置Ｅも信号形成装置Ｓも外部に配置することも可能である。

第３実施形態でも同様に、電磁信号Ｗ１’が被覆領域の領域５０ａにおいて伝搬すると共に電磁信号Ｗ２’も空洞Ｋを通って伝搬し、後者は、所望の物理的および／または化学的なパラメタを求めるのに重要である。

その他の点では第３実施形態は、上で説明した第１実施形態と同様に構成されている。

図４は、本発明の第４実施形態によるマイクロメカニカルガス装置の概略断面図である。

第４実施形態では第３実施形態と同様に空洞Ｋが設けられおり、信号形成装置Ｓは、空洞Ｋの上側の領域５０ａに、また信号受信装置Ｅは、空洞Ｋの下側の酸化物層５に埋め込まれている。第３実施形態では第１実施形態と同様に、２つの領域を通る横方向の信号伝搬が検知されるのに対し、ここでは、上で説明した第２実施形態と同様に、空洞Ｋを通る電磁信号Ｗ０’の垂直方向の信号伝搬が検知される。

図５には、本発明の第５実施形態によるマイクロメカニカルガスセンサ装置の概略断面図が示されている。

第５実施形態では、上で説明した第２実施形態とは異なり、付加的に状態調整装置ＫＯが設けられており、これにより、測定を行おうとする、あらかじめ設定した物理的または化学的な状態に多孔性領域１０を変化させる。この状態調整の例は、あらかじめ設定した温度、あらかじめ設定した電界強度などである。

ここまで本発明を有利な実施例に基づいて完全に説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、多様に変更可能である。

上記の複数の実施形態では、上記多孔性領域におけるガスの進入は上記側面だけを介して行われているが、ガスの進入のすべてまたは一部を上記上側面または下側面を介して行うことも可能である。この際に保証しなければならないのは、所望の化学的および／または物理的なパラメタを求めるために、信号伝搬路が十分に広くなるようにすることである。

特に上記の測定は、上記多孔性領域の対応する供給および排出が行われる場合、流れのない雰囲気においてだけでなく、ガスが流れる場合にも行うことができる。

さらに精度を改善するため、あらかじめ設定したガス雰囲気が存在する閉鎖された多孔性参照チャンバを設けることが可能であり、この際には、検知すべきガスにおいて実行すべき測定は、上記のあらかじめ設定したガス雰囲気における参照測定によって較正される。

１ 半導体基板、 ５ 酸化物層、 １０，１０ａ 多孔性領域、 １１，１２ 側面ＳＦの領域、 ５０，５０ａ 被覆領域、 １００ 評価装置、 Ｏ 多孔性領域１０の上側面、 Ｕ 多孔性領域１０の下側面、 ＳＦ 多孔性領域１０の側面、 Ｔ１，Ｔ２ ガス進入チャネル、 Ｗ０，Ｗ０’，Ｗ１，Ｗ１’，Ｗ２，Ｗ２’ 電磁信号、 Ｅ 信号受信装置、 Ｓ 信号形成装置、 Ｋ 空洞、 ＫＯ 状態調整装置

Claims (13)

1. 基板（１，５）と、
   当該基板（１，５）とは反対側を向いた上側面（Ｏ）、前記基板（１，５）側を向いた下側面（Ｕ）、および、検知すべきガスが通流可能な側面（ＳＦ）を有する、前記基板（１，５）上に設けられた多孔性領域（１０，１０ａ）と、
   前記上側面（Ｏ）を少なくとも部分的に覆う被覆領域（５０，５０ａ）であって、前記ガスを前記多孔性領域（１０，１０ａ）に導くことの可能な１つまたは複数のガス進入チャネル（Ｔ１，Ｔ２）を有する被覆領域（５０，５０ａ）と、
   前記多孔性領域（１０，１０ａ）内の前記ガスにおいて伝搬可能な電磁信号（Ｗ２，Ｗ０，Ｗ２’，Ｗ０’）を形成する信号形成装置（Ｓ）と、
   前記ガスにおいて伝搬した後の前記電磁信号（Ｗ２，Ｗ０，Ｗ２’，Ｗ０’）を受信する信号受信装置（Ｅ）と、
   前記ガスにおいて伝搬した際の前記電磁信号（Ｗ２，Ｗ０，Ｗ２’，Ｗ０’）の変化に基づき、前記ガスの少なくとも１つの化学的または物理的なパラメタを求める評価装置（１００）とを有する、
   ことを特徴とするマイクロメカニカルガスセンサ装置。
2. 前記被覆領域（５０，５０ａ）は、前記上側面（Ｏ）を完全に覆っており、
   前記側面（ＳＦ）の少なくとも１つの領域（１１，１２）を通して前記多孔性領域（１０，１０ａ）に前記ガスを導くことができる、
   請求項１に記載のマイクロメカニカルガスセンサ装置。
3. 前記信号形成装置（Ｓ）および前記信号受信装置（Ｅ）は、前記上側面（Ｏ）において前記被覆領域（５０，５０ａ）に埋め込まれている、
   請求項１または２に記載のマイクロメカニカルガスセンサ装置。
4. 前記信号形成装置（Ｓ）は、前記上側面（Ｏ）において前記被覆領域（５０，５０ａ）内に埋め込まれており、
   前記信号受信装置（Ｅ）は、前記下側面（Ｕ）において前記基板（１，５）内に埋め込まれている、
   請求項１または２に記載のマイクロメカニカルガスセンサ装置。
5. 前記多孔性領域（１０ａ）は、前記ガスを導くことの可能な空洞（Ｋ）を有しており、
   前記信号形成装置（Ｓ）は、前記電磁信号（Ｗ２’，Ｗ０’）が前記空洞（Ｋ）内のガスにおいて伝搬できるように構成されている、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載のマイクロメカニカルガスセンサ装置。
6. 前記多孔性領域（１０，１０ａ）を状態調整する状態調整装置（Ｋ）が設けられている、
   請求項１から５までのいずれか１項に記載のマイクロメカニカルガスセンサ装置。
7. 前記基板（１，５）は、ウェハ基板（１）と、当該ウェハ基板（１）上に設けられた第１の酸化物層（５）とを有しており、当該酸化物層（５）は、前記多孔性領域（１０，１０ａ）の前記下側面（Ｕ）に接して設けられている、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載のマイクロメカニカルガスセンサ装置。
8. 前記被覆領域（５０，５０ａ）は、少なくとも１つの第２の酸化物層（５０，５０ａ）を有する、
   請求項１から７までのいずれか１項に記載のマイクロメカニカルガスセンサ装置。
9. 前記多孔性領域（１０，１０ａ）は、多孔性ケイ素または酸化された多孔性ケイ素から構成されている、
   請求項１から８までのいずれか１項に記載のマイクロメカニカルガスセンサ装置。
10. 前記信号形成装置（Ｓ）は、交流電流の形態、光ビームの形態、または熱ビームの形態で電磁信号（Ｗ２，Ｗ０，Ｗ２’，Ｗ０’）を形成するように構成されている、
    請求項１から９までのいずれか１項に記載のマイクロメカニカルガスセンサ装置。
11. マイクロメカニカルガスセンサ装置を製造する製造方法において、
    該方法は、
    基板（１，５）を準備するステップと、
    当該基板（１，５）とは反対側を向いた上側面（Ｏ）、前記基板（１，５）側を向いた下側面（Ｕ）、および、検知すべきガスが通流可能な側面（ＳＦ）を有する多孔性領域（１０，１０ａ）を前記基板（１，５）上に形成するステップと、
    前記上側面（Ｏ）を少なくとも部分的に覆う被覆領域（５０，５０ａ）であって、前記ガスを前記多孔性領域（１０，１０ａ）に導くことの可能な１つまたは複数のガス進入チャネル（Ｔ１，Ｔ２）を有する被覆領域（５０，５０ａ）を形成するステップと、
    前記多孔性領域（１０，１０ａ）内の前記ガスにおいて伝搬可能な電磁信号（Ｗ２，Ｗ０，Ｗ２’，Ｗ０’）を形成する信号形成装置（Ｓ）を形成するステップと、
    前記ガスにおいて伝搬した後の前記電磁信号（Ｗ２，Ｗ０，Ｗ２’，Ｗ０’）を受信する信号受信装置（Ｅ）を形成するステップと、
    前記ガスにおいて伝搬した際の前記電磁信号（Ｗ２，Ｗ０，Ｗ２’，Ｗ０’）の変化に基づき、前記ガスの少なくとも１つの化学的または物理的なパラメタを求める評価装置（１００）を形成するステップとを有する、
    ことを特徴とする、マイクロメカニカルガスセンサ装置を製造するための製造方法。
12. 前記信号形成装置（Ｓ）および前記信号受信装置（Ｅ）を前記上側面（Ｏ）において前記被覆領域（５０，５０ａ）に埋め込む、
    請求項１１に記載の製造方法。
13. 前記信号形成装置（Ｓ）を前記上側面（Ｏ）において前記被覆領域（５０，５０ａ）内に埋め込み、
    前記信号受信装置（Ｅ）を前記下側面（Ｕ）において前記基板（１，５）内に埋め込む、
    請求項１１に記載の製造方法。

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