JP6873879B2 - センサ素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本開示は、センサ素子及びその製造方法に関する。

従来、流体中の特定の物質を検出するセンサが知られている。例えば、特許文献１には、ダイヤフラム部と、ダイヤフラム部の表面に形成された複数の感応膜とを備えたガスセンサが開示されている。

特開２０１４−１５３１３５号公報

このようなセンサでは、検出精度を向上させることが求められている。

本開示の目的は、検出精度を向上させることができるセンサ素子及びその製造方法を提供することにある。

本開示の一実施形態に係るセンサ素子は、基板と、前記基板上に配置された感応膜と、前記基板上に配置された保護層と、を備える。前記保護層は、前記感応膜を囲む貫通孔を有する。前記感応膜は、少なくとも前記貫通孔の一部において前記保護層と接している。

また、本開示の一実施形態に係るセンサ素子の製造方法は、基板を準備するステップと、前記基板上に貫通孔を有する保護層を形成するステップと、前記貫通孔内に感応膜材料を塗布し、少なくとも前記貫通孔の一部で前記感応膜材料を堰き止めて感応膜を形成するステップと、を含む。

本開示の一実施形態に係るセンサ素子及びその製造方法によれば、検出精度を向上させることができる。

本開示の一実施形態に係るセンサ素子の概略構成を示す上面図である。 図１に示すセンサ素子のＬ−Ｌ線に沿った断面図である。 本開示の一実施形態に係るセンサ素子の製造工程を説明するための断面図である。 本開示の一実施形態に係るセンサ素子の製造工程を説明するための断面図である。 本開示の一実施形態に係るセンサ素子の製造工程を説明するための断面図である。 本開示の一実施形態に係るセンサ素子の製造工程を説明するための断面図である。 本開示の一実施形態に係るセンサ素子の製造工程を説明するための断面図である。

以下、本開示の実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本開示の一実施形態に係るセンサ素子１の概略構成を示す上面図である。図２は、図１に示すセンサ素子１のＬ−Ｌ線に沿った断面図である。なお、本明細書では、図１における紙面手前方向が上側、その反対方向が下側であるとして、以下説明する。

センサ素子１は、基板１０と、保護層２０と、感応膜３０と、４個のピエゾ抵抗素子（検出部）４０とを備える。センサ素子１は、感応膜３０が流体中の物質を吸着することにより、流体中の物質を検出する。センサ素子１には、例えば上面側から気体が吹きかけられる。センサ素子１は、吹きかけられた気体中に、検出対象となる所定のガス分子が含まれるか否かを検出できる。

基板１０は、変形可能な薄い基板であり、ダイヤフラムとして機能する。基板１０は、上面に配置された感応膜３０が変形すると、感応膜３０の変形の度合いに応じて変形する。基板１０は、例えば、ｎ型Ｓｉ基板とすることができる。基板１０は、基板１０の周囲を囲む基板１０よりも厚い基板と一体として構成されている。

保護層２０は、基板１０の上面に配置される。保護層２０は、感応膜３０を囲む貫通孔を有する。保護層２０の貫通孔は、図１に示すように、例えば円形状であるが、この形状に限定されない。保護層２０の貫通孔は、例えば４角形などのような多角形であってもよい。保護層２０は、ピエゾ抵抗素子４０を保護することができる。

保護層２０は、図２に示すように、基板１０の上面に配置される第１の保護層２１と、第１の保護層２１の上面に配置される第２の保護層２２とを備える。

図２に示すように、第２の保護層２２の貫通孔の大きさは、第１の保護層２１の貫通孔の大きさよりも小さい。エッチングにより保護層２０の貫通孔を形成する際に、第１の保護層２１をオーバーエッチングすることにより、第２の保護層２２の貫通孔の大きさを、第１の保護層２１の貫通孔の大きさより小さくすることができる。例えば、第１の保護層２１の材料を、第２の保護層２２の材料よりもエッチング速度の速い材料とすることにより、第１の保護層２１をオーバーエッチングすることができる。

また、図２に示すように、第２の保護層２２は、貫通孔に向かうにつれて上方に突出している。第２の保護層２２の圧縮応力は、第１の保護層２１の圧縮応力よりも大きい。そのため、保護層２０を形成する際に、第１の保護層２１をオーバーエッチングすると、第２の保護層２２のうち、下方に第１の保護層２１のない部分が上方に反り上がった形状となる。

上述のように、第１の保護層２１のエッチング速度は、第２の保護層２２のエッチング速度よりも速いことが好ましい。また、第２の保護層２２の圧縮応力は、第１の保護層２１の圧縮応力よりも大きいことが好ましい。これらの条件を満たすため、例えば、第１の保護層２１の材料をＳｉＯ₂とし、第２の保護層２２の材料をＳｉＮとしてもよい。

感応膜３０は、基板１０の上面に配置される。感応膜３０は、図１に示す例では円形状であるが、この形状に限定されない。感応膜３０は、例えば４角形などのような多角形であってもよい。感応膜３０の形成の際、基板１０上に塗布された液体状の感応膜材料は、広がろうとするところを保護層２０の貫通孔によって堰き止められる。そのため、感応膜３０の上面視の形状は、保護層２０の貫通孔の形状に対応した形状となる。感応膜３０は、図２に示すように、少なくとも保護層２０の貫通孔の一部において、保護層２０と接している。

感応膜３０は、検出対象となる物質がその表面に吸着すると、その物質との物理的な接触又はその物質との化学反応等によって、伸縮等して変形する。感応膜３０には、検出対象となる物質に応じた材料が用いられる。感応膜３０の材料は、例えば、ポリスチレン、クロロプレンゴム、ポリメチルメタクリレート又はニトロセルロース等である。

ピエゾ抵抗素子４０は、基板１０上に配置される。本明細書において、基板１０上に配置されるとは、基板１０の上面に配置された状態と、図２に示すように基板１０の上面側において基板１０に埋め込まれた状態とを含む。

ピエゾ抵抗素子４０は、自身が受ける応力によって抵抗値が変化する。感応膜３０に検出対象となる物質が吸着して基板１０が変形すると、ピエゾ抵抗素子４０が受ける応力が変化する。したがって、感応膜３０に検出対象となる物質が吸着すると、ピエゾ抵抗素子４０の抵抗値は変化する。ピエゾ抵抗素子４０の抵抗値の変化は、配線を介して外部の制御装置等に電気信号として出力される。

ピエゾ抵抗素子４０は、例えば基板１０がｎ型Ｓｉ基板である場合、基板１０にボロン（Ｂ）を拡散させることによって形成することができる。

このように、本実施形態に係るセンサ素子１において、感応膜３０は、少なくとも保護層２０の貫通孔の一部において保護層２０と接している。そのため、感応膜３０の面積及び中心位置は、保護層２０の貫通孔の大きさ及び位置によって精度良く決めることができる。したがって、本実施形態に係るセンサ素子１は、感応膜３０の面積、中心位置、及び膜厚のばらつきを、従来のセンサ素子よりも低減することができる。そのため、本実施形態に係るセンサ素子１は、検出対象となる物質の検出精度を向上させることができる。

また、本実施形態に係るセンサ素子１において、保護層２０は、第１の保護層２１と、第２の保護層２２とを備え、第２の保護層２２は、貫通孔に向かうにつれて上方に突出している。これにより、第２の保護層２２は、感応膜３０の形成の際に、広がろうとする液体状の感応膜材料を、より確実に堰き止めることができる。そのため、本実施形態に係るセンサ素子１は、検出対象となる物質の検出精度を向上させることができる。

なお、図２において、第２の保護層２２が、貫通孔に向かうにつれて上方に突出している構造を示したが、第２の保護層２２は、上方に突出していなくてもよい。上方に突出していなくても、保護層２０の貫通孔により、広がろうとする液体状の感応膜材料を堰き止めることは可能である。

また、図２において、第２の保護層２２の貫通孔の大きさが、第１の保護層２１の貫通孔の大きさよりも小さい構造を示したが、第２の保護層２２の貫通孔の大きさは、第１の保護層２１の貫通孔の大きさより小さくなくてもよい。第２の保護層２２を上方に突出させる構成としない場合、第２の保護層２２の貫通孔の大きさを、第１の保護層２１の貫通孔の大きさより小さくする必要がないためである。

（センサ素子の製造工程）
本開示の一実施形態に係るセンサ素子１の製造工程の一例について、図３〜図７を参照して説明する。

（１）ピエゾ抵抗素子の形成
まず、基板１０を用意する。基板１０は、例えば、ｎ型Ｓｉ基板である。図３に示すように、基板１０上にマスクパターン２０１を形成した後、イオン注入法によってマスクパターン２０１の開口部に低濃度のボロン（Ｂ）を注入し、ピエゾ抵抗素子４０を形成する。ピエゾ抵抗素子４０の形成後、マスクパターン２０１は除去する。

（２）保護層の形成
続いて、基板１０上に、第１の保護層２１及び第２の保護層２２を堆積させた後、図４に示すように、マスクパターン２０２を形成する。その後、マスクパターン２０２の開口部をエッチングすることにより、貫通孔を形成する。貫通孔の形成後、マスクパターン２０２は除去する。

図５に、マスクパターン２０２を除去した状態を示す。図５に示すように、第１の保護層２１は、第２の保護層２２に対して、オーバーエッチングされている。そのため、第２の保護層２２の貫通孔の大きさは、第１の保護層２１の貫通孔の大きさより小さい。また、第２の保護層２２の圧縮応力は、第１の保護層２１の圧縮応力よりも大きい。そのため、第２の保護層２２のうち、下方に第１の保護層２１のない部分は、上方に反り上がった形状となる。

（３）ダイヤフラムの形成
続いて、基板１０の上下を反転させ、図６に示すように、基板１０上にマスクパターン２０３を形成した後、マスクパターン２０３の開口部を、ドライエッチングする。基板１０において、ドライエッチングにより薄膜化された部分は、基板１０の薄膜部１０ａとなる。また、マスクパターン２０３によって保護されていて、ドライエッチングされなかった部分は、基板１０の厚膜部１０ｂとなる。図６に示す基板１０の薄膜部１０ａがダイヤフラムとして機能する部分であり、この薄膜部１０ａが、図１及び図２に示した基板１０の部分に対応する。ダイヤフラムの形成後、マスクパターン２０３は除去する。

（４）感応膜の形成
続いて、基板１０の上下を再度反転させて、感応膜３０を形成する。図７に示すように、感応膜材料を、基板１０の薄膜部１０ａ上において、第１の保護層２１及び第２の保護層２２の貫通孔内に塗布した後、乾燥させて感応膜３０を形成する。この際、塗布された液体状の感応膜材料は、広がろうとすると、少なくとも第１の保護層２１及び第２の保護層２２の貫通孔の一部によって堰き止められる。

本開示を諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形及び修正を行うことが容易であることに注意されたい。従って、これらの変形及び修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各機能部、各手段等に含まれる機能等は論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の機能部等を１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。また、上述した本開示の各実施形態は、それぞれ説明した各実施形態に忠実に実施することに限定されるものではなく、適宜、各特徴を組み合わせたり、一部を省略したりして実施することもできる。

例えば、本実施形態では、センサ素子１が４個のピエゾ抵抗素子４０を備える構成を示しているが、センサ素子１が備えるピエゾ抵抗素子４０の個数は４個に限られない。センサ素子１は、検出対象となる物質を検出可能な任意の個数のピエゾ抵抗素子４０を備えていればよい。

また、基板１０に生じる応力を検出する検出部として、ピエゾ抵抗素子４０の代わりに、他の検出素子を用いてもよい。

また、本実施形態では、感応膜３０が基板１０の上面に配置されているが、感応膜３０は、基板１０の下面に配置されてもよいし、上面と下面の両方に配置されてもよい。

１ センサ素子
１０ 基板
１０ａ 基板（薄膜部）
１０ｂ 基板（厚膜部）
２０ 保護層
２１ 第１の保護層
２２ 第２の保護層
３０ 感応膜
４０ ピエゾ抵抗素子（検出部）
２０１、２０２、２０３ マスクパターン

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板上に配置された感応膜と、
   前記基板上に配置された保護層と、を備え、
   前記保護層は、前記感応膜を囲む貫通孔を有し、
   前記感応膜は、少なくとも前記貫通孔の一部において前記保護層と接し、
   前記保護層は、第１の保護層と、前記第１の保護層上に配置された第２の保護層と、を備え、
   前記第２の保護層の貫通孔の大きさは、前記第１の保護層の貫通孔の大きさよりも小さい、センサ素子。
2. 請求項１に記載のセンサ素子において、
   前記第２の保護層は、貫通孔に向かうにつれて上方に突出している、センサ素子。
3. 請求項１又は２に記載のセンサ素子において、
   前記第２の保護層の圧縮応力は、前記第１の保護層の圧縮応力よりも大きい、センサ素子。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載のセンサ素子において、
   前記第１の保護層のエッチング速度は、前記第２の保護層のエッチング速度よりも速い、センサ素子。
5. 基板を準備するステップと、
   前記基板上に貫通孔を有する保護層を形成するステップと、
   前記貫通孔内に感応膜材料を塗布し、少なくとも前記貫通孔の一部で前記感応膜材料を堰き止めて感応膜を形成するステップと、を含み、
   前記保護層は、第１の保護層と、前記第１の保護層上に配置された第２の保護層と、を備え、
   前記第２の保護層の貫通孔の大きさは、前記第１の保護層の貫通孔の大きさよりも小さい、センサ素子の製造方法。

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