JP6988585B2 - センサ素子及びこれを備えたガスセンサ - Google Patents

Description

本発明はセンサ素子及びこれを備えたガスセンサに関し、特に、メンブレン構造を有するセンサ素子及びこれを備えたガスセンサに関する。

検出対象ガスの濃度を測定するためのガスセンサとしては、メンブレン構造を有するガスセンサが知られている。メンブレン構造を有するガスセンサは、基板に支持されたメンブレン部にヒータ抵抗を形成することにより、メンブレン部の熱抵抗を増大させ、これによって消費電力を低減することができる。例えば、特許文献１には、ヒータ抵抗が形成されたメンブレン部を４つの梁部によって支持する構造が開示されている。

メンブレン部からの放熱は、大部分が梁部を介した熱伝導によるものである。したがって、メンブレン部の熱抵抗を高めるためには、梁部の長さをより長くするか、梁部の断面積をより縮小することが望ましい。

特開平６−１１８０４７号公報

しかしながら、単純に梁部の長さを長くしたり梁部の断面積を縮小すると、梁部の機械的強度が不足し、僅かな振動によって梁部が破損するおそれがあった。

したがって、本発明は、梁部の機械的強度を確保しつつ、メンブレン部の熱抵抗を高めることが可能なセンサ素子及びこれを備えたガスセンサを提供することを目的とする。

本発明によるセンサ素子は、空洞部を有する基板と、基板の空洞部上に位置し、基板の表面から延在する梁部によって支持されたメンブレン部と、メンブレン部に形成されたヒータ抵抗とを備え、梁部の表面には、基板とメンブレン部を接続する長さ方向に延在するリブが設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、メンブレン部を支持する梁部にリブが設けられていることから、リブが設けられていない場合と比べて、同じ機械的強度を確保するために必要な断面積を縮小することができる。これにより、梁部の破損を防止しつつ、メンブレン部の熱抵抗を高めることが可能となる。

本発明において、リブは、梁部の幅方向における両側に設けられていても構わないし、梁部の幅方向における中央部に設けられていても構わない。これらのいずれにおいても、梁部の機械的強度を高めることが可能となる。

本発明において、メンブレン部及び梁部は、基板の表面を覆う絶縁膜の一部からなり、空洞部上に位置する絶縁膜には複数の切り欠き部が形成されており、これによってメンブレン部と梁部に区画されても構わない。これによれば、絶縁膜が形成された基板の一部を除去することにより空洞部を形成することできるとともに、空洞部上の絶縁膜に複数の切り欠き部を形成することによりメンブレン部と梁部を形成することが可能となる。

本発明において、梁部は、絶縁膜からなる本体部と、リブと、本体部とリブの間に位置し、本体部を構成する絶縁膜とは異なる材料からなるストッパー膜とを含むものであっても構わない。これによれば、梁部にリブを形成する際にストッパー膜がエッチングストッパーとして機能することから、高精度且つ容易に梁部を加工することが可能となる。

本発明によるガスセンサは、上述したセンサ素子と、ヒータ抵抗と重なるよう、メンブレン部に形成されたサーミスタと、サーミスタを介して接続された一対のサーミスタ電極とを備えることを特徴とする。これによれば、熱伝導式のガスセンサを提供することが可能となる。

本発明によるガスセンサは、ヒータ抵抗及びサーミスタと重なるようメンブレン部に形成され、検出対象ガスの燃焼を促進させる触媒をさらに備えるものであっても構わない。これによれば、接触燃焼式のガスセンサを提供することが可能となる。

このように、本発明によれば、梁部の機械的強度を確保しつつ、メンブレン部の熱抵抗を高めることが可能なセンサ素子及びこれを備えたガスセンサを提供することが可能となる。これにより、センサ素子及びガスセンサの信頼性を高めることができるとともに、消費電力を低減することも可能となる。

図１は、本発明の第１の実施形態によるセンサ素子１の外観を説明するための略斜視図である。 図２は、センサ素子１の略上面図である。 図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。 図４は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図であり、比較例による梁部２０Ｂ_１の断面形状を示している。 図５は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図であり、第１の具体例による梁部２０Ｂ_１の断面形状を示している。 図６は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図であり、第２の具体例による梁部２０Ｂ_１の断面形状を示している。 図７は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図であり、第３の具体例による梁部２０Ｂ_１の断面形状を示している。 図８は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図であり、第４の具体例による梁部２０Ｂ_１の断面形状を示している。 図９は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図であり、第５の具体例による梁部２０Ｂ_１の断面形状を示している。 図１０は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図であり、第６の具体例による梁部２０Ｂ_１の断面形状を示している。 図１１は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図であり、第７の具体例による梁部２０Ｂ_１の断面形状を示している。 図１２は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図であり、第８の具体例による梁部２０Ｂ_１の断面形状を示している。 図１３は、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ２の構成を説明するための略上面図である。 図１４は、図１３に示すＣ−Ｃ線に沿った略断面図である。 図１５は、本発明の第３の実施形態によるガスセンサ３の構成を説明するための略上面図である。 図１６は、図１５に示すＤ−Ｄ線に沿った略断面図である。 図１７は、ガスセンサ２の変形例を示す略断面図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるセンサ素子１の外観を説明するための略斜視図である。また、図２は、センサ素子１の略上面図である。

本実施形態によるセンサ素子１は、温度センサ又はガスセンサとして機能し、図１及び図２に示すように、基板１０と、基板１０の表面に形成された絶縁膜２０と、ヒータ抵抗３０とを備える。

基板１０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く、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、ガラス基板などを用いることができる。基板１０には、ヒータ抵抗３０による熱が基板１０への伝導するのを抑制するため、平面視でヒータ抵抗３０と重なる位置に空洞部１１が設けられている。

絶縁膜２０は、基板の１０の表面に形成されるとともに、空洞部１１を覆う部分にも形成されている。絶縁膜２０のうち空洞部１１を覆う部分は、略中央部に位置するメンブレン部２０Ｍと、メンブレン部２０Ｍを支持する４つの梁部２０Ｂ_１〜２０Ｂ_４からなる。つまり、絶縁膜２０は、基板１０の表面を覆う部分の他に、基板１０の表面から延在する梁部２０Ｂ_１〜２０Ｂ_４と、梁部２０Ｂ_１〜２０Ｂ_４によって支持されるメンブレン部２０Ｍを含み、これらが一体的に構成されている。絶縁膜２０のうち空洞部１１を覆う部分には４つの切り欠き部２０ａが設けられており、これによってメンブレン部２０Ｍと梁部２０Ｂ_１〜２０Ｂ_４に区画される。

ヒータ抵抗３０は、温度によって抵抗率が変化する導電性物質からなり、比較的高融点の材料からなる金属材料、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。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、特に、耐腐食性が高い白金（Ｐｔ）を主成分とすることがより好適である。また、絶縁膜２０との密着性を向上させるために、Ｐｔの下地にチタン（Ｔｉ）などの密着層を形成しても構わない。

ヒータ抵抗３０はメンブレン部２０Ｍにおいて蛇行しており、これによって抵抗値が高められているとともに、メンブレン部２０Ｍの面方向における均熱性が高められている。ヒータ抵抗３０の一端は、梁部２０Ｂ_１に形成された引き出し導体部３１を介して端子電極４１に接続され、ヒータ抵抗３０の他端は、梁部２０Ｂ_３に形成された引き出し導体部３２を介して端子電極４２に接続される。引き出し導体部３１，３２及び端子電極４１，４２は、ヒータ抵抗３０と同じ金属材料によって構成しても構わないし、一部が異なる金属材料によって構成されていても構わない。

図３は、図２に示すＡ−Ａ線に沿った略断面図である。

図３に示すように、メンブレン部２０Ｍは下層絶縁膜２１と上層絶縁膜２２が積層された構成を有しており、両者間にヒータ抵抗３０が形成されている。下層絶縁膜２１及び上層絶縁膜２２は、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料からなる。下層絶縁膜２１及び上層絶縁膜２２の材料として例えば酸化シリコンを用いる場合には、熱酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの成膜法を用いればよい。熱ストレスによる層間剥離などを防止するためには、下層絶縁膜２１と上層絶縁膜２２を同じ絶縁材料によって構成することが好ましい。

このように、本実施形態においては、ヒータ抵抗３０がメンブレン部２０Ｍに形成されていることから、ヒータ抵抗３０によって生成された熱が基板１０に逃げにくくなる。つまり、メンブレン部２０Ｍの熱抵抗が高くなることから、より少ない消費電力で加熱を行うことが可能となる。そして、例えばヒータ抵抗３０に一定の電流を流した場合に得られる抵抗値の変化に基づいて、環境温度やガス濃度などを測定することができる。

図４は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図であり、比較例による梁部２０Ｂ_１の断面形状を示している。

図４に示すように、比較例による梁部２０Ｂ_１の断面は矩形であり、したがって、その上面及び下面は平坦である。梁部２０Ｂ_１の断面がこのような矩形状である場合、梁部２０Ｂ_１の熱抵抗を高めるためにその断面積を縮小すると、梁部２０Ｂ_１の機械的強度が不足し、梁部２０Ｂ_１が破損しやすくなってしまう。この点を考慮し、本実施形態においては、梁部２０Ｂ_１〜２０Ｂ_４にリブを設けている。

図５〜図１２は、図２に示すＢ−Ｂ線に沿った略断面図であり、それぞれ第１〜第８の具体例による梁部２０Ｂ_１の断面形状を示している。他の梁部２０Ｂ_２〜２０Ｂ_４についても梁部２０Ｂ_１と同じ断面形状を有している。

図５に示す第１の具体例では、梁部２０Ｂ_１を構成する上層絶縁膜２２の幅方向における両側にリブＲが設けられている。リブＲは、基板１０とメンブレン部２０Ｍを接続する長さ方向に延在する突起であり、リブＲが存在する部分において梁部２０Ｂ_１の厚さが選択的に増大している。リブＲは、梁部２０Ｂ_１の機械的強度を増大させる役割を果たし、図４に示した比較例のようにリブＲが存在しない場合と比べると、同じ断面積でより大きな機械的強度を得ることができる。逆に言えば、同じ機械的強度を得るための断面積をより縮小することができるため、機械的強度を確保しつつ、梁部２０Ｂ_１の熱抵抗を高めることが可能となる。図５に示すリブＲは、マスクを介して上層絶縁膜２２の幅方向における略中央部をエッチングすることによって形成することができる。

リブＲは、梁部２０Ｂ_１の長さ方向、つまり、基板１０とメンブレン部２０Ｍを接続する方向に延在している必要がある。これは、梁部２０Ｂ_１にかかる応力がメンブレン部２０Ｍのｚ方向における変位に起因するものであるため、ｚ方向への曲げ強度を高める必要があるからである。

図６に示す第２の具体例では、梁部２０Ｂ_１を構成する上層絶縁膜２２の幅方向における中央部にリブＲが設けられている。このような形状であっても、機械的強度を確保しつつ、梁部２０Ｂ_１の熱抵抗を高めることが可能となる。図６に示すリブＲは、マスクを介して上層絶縁膜２２の幅方向における両側をエッチングすることによって形成することができる。

図７に示す第３の具体例では、梁部２０Ｂ_１を構成する下層絶縁膜２１の幅方向における両側にリブＲがさらに設けられている点が第１の具体例と相違する。このような形状とすれば、第１の具体例よりもさらに高い機械的強度を得ることが可能となる。図７に示すリブＲは、マスクを介して下層絶縁膜２１及び上層絶縁膜２２の幅方向における略中央部をエッチングすることによって形成することができる。

図８に示す第４の具体例では、梁部２０Ｂ_１を構成する下層絶縁膜２１の幅方向における中央部にリブＲがさらに設けられている点が第２の具体例と相違する。このような形状とすれば、第２の具体例よりもさらに高い機械的強度を得ることが可能となる。図８に示すリブＲは、マスクを介して下層絶縁膜２１及び上層絶縁膜２２の幅方向における両側をエッチングすることによって形成することができる。

図９及び図１０に示す第５及び第６の具体例は、それぞれ第１及び第２の具体例の変形であり、梁部２０Ｂ_１が下層絶縁膜２１、上層絶縁膜２２及びリブ用絶縁膜２３によって構成されるとともに、上層絶縁膜２２とリブ用絶縁膜２３の間にストッパー膜５０が介在している点において、第１及び第２の具体例と相違している。ストッパー膜５０は、上層絶縁膜２２とは異なる絶縁材料からなり、リブ用絶縁膜２３をパターニングする際のエッチングストッパーとして機能する。つまり、下層絶縁膜２１、上層絶縁膜２２、ストッパー膜５０及びリブ用絶縁膜２３をこの順に積層した後、マスクを介し、ストッパー膜５０をエッチングストッパーとして上層絶縁膜２２をエッチングすれば、リブＲを高精度且つ容易に梁部を加工することが可能となる。一例として、上層絶縁膜２２が酸化シリコンからなる場合、ストッパー膜５０の材料として、窒化シリコンや酸化アルミニウムなど、酸化シリコンとはエッチングレートの異なる材料を用いることができる。

図１１及び図１２に示す第７及び第８の具体例は、それぞれ第３及び第４の具体例の変形であり、上層絶縁膜２２とリブ用絶縁膜２３の間だけでなく、下層絶縁膜２１とリブ用絶縁膜２３の間にもストッパー膜５０が介在している。これにより、ストッパー膜５０をエッチングストッパーとして下層絶縁膜２１をエッチングすれば、リブＲを高精度且つ容易に梁部を加工することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態によるセンサ素子１は、ヒータ抵抗３０がメンブレン部２０Ｍに形成されていることから、ヒータ抵抗３０によって生成された熱が基板１０に逃げにくくなる。メンブレン部２０Ｍからの放熱経路は、大部分が梁部２０Ｂ_１〜２０Ｂ_４を介した経路であるが、本実施形態においては、梁部２０Ｂ_１〜２０Ｂ_４にリブＲが設けられていることから、同じ機械的強度を得るための断面積をより縮小することができる。これにより、十分な機械的強度を確保しつつ、梁部２０Ｂ_１〜２０Ｂ_４の熱抵抗が高められることから、より少ない消費電力で加熱を行うことが可能となる。

＜第２の実施形態＞
図１３は、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ２の構成を説明するための略上面図である。また、図１４は、図１３に示すＣ−Ｃ線に沿った略断面図である。

図１３及び図１４に示すように、本実施形態によるガスセンサ２は、ヒータ抵抗３０と重なるようメンブレン部２０Ｍに設けられたサーミスタ６０と、サーミスタ６０を介して接続された一対のサーミスタ電極６１，６２と、サーミスタ電極６１，６２にそれぞれ接続された端子電極６３，６４と、サーミスタ６０及びサーミスタ電極６１，６２を覆うサーミスタ保護膜２４とを備えている。その他の基本的な構成は、第１の実施形態によるセンサ素子１と同一であることから同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

サーミスタ６０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抵抗温度係数を持つ材料からなり、スパッタ法、ＣＶＤなどの薄膜プロセスを用いて形成することができる。サーミスタ６０の膜厚は、目標とする抵抗値に応じて調整すればよく、例えばＭｎＮｉＣｏ系酸化物を用いて室温での抵抗値（Ｒ２５）を２ＭΩ程度に設定するのであれば、一対のサーミスタ電極６１，６２間の距離にもよるが０．２〜１μｍ程度の膜厚に設定すればよい。

サーミスタ電極６１，６２は、サーミスタ６０と接するよう所定の間隔を持って配置された一対の電極であり、これにより、一対のサーミスタ電極６１，６２間における抵抗値は、サーミスタ６０の抵抗値によって決まる。サーミスタ電極６１，６２の材料としては、サーミスタ６０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あって、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。

サーミスタ６０及びサーミスタ電極６１，６２は、サーミスタ保護膜２４で覆われる。尚、サーミスタ６０と還元性を持つ材料を接触させて高温状態にすると、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。これを防止するためには、サーミスタ保護膜２４の材料としては、シリコン酸化膜等の還元性を持たない絶縁性酸化膜を用いることが望ましい。

図１３に示すように、サーミスタ電極６１，６２の端部は、それぞれ端子電極６３，６４に接続される。

本実施形態によるガスセンサ２は、熱伝導式のガスセンサとして用いることができる。熱伝導式のガスセンサは、ＣＯ_２など熱伝導率が空気と異なるガスを検出対象とする。つまり、雰囲気中における検出対象ガスの濃度によってサーミスタ６０の放熱特性が変化することを利用し、ヒータ抵抗３０による加熱を行うとともに、サーミスタ電極６１，６２間の抵抗値を測定することによって、雰囲気中における検出対象ガス（例えばＣＯ_２ガス）の濃度を検出することができる。

本実施形態が例示するように、本発明によるセンサ素子は、熱伝導式のガスセンサに応用することが可能である。

＜第３の実施形態＞
図１５は、本発明の第３の実施形態によるガスセンサ３の構成を説明するための略上面図である。また、図１６は、図１５に示すＤ−Ｄ線に沿った略断面図である。

図１５及び図１６に示すように、本実施形態によるガスセンサ３は、ヒータ抵抗３０及びサーミスタ６０と重なるようメンブレン部２０Ｍに設けられた触媒７０を備える点において、第２の実施形態によるガスセンサ２と相違している。その他の基本的な構成は、第２の実施形態によるガスセンサ２と同一であることから同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

触媒７０は、γアルミナなどに白金（Ｐｔ）を担持させたものを、バインダーとともにペースト状にして、塗布・焼成を行ったものを用いることができる。尚、担持させる材料としては、金（Ａｕ）又はパラジウム（Ｐｄ）などの触媒金属であっても構わない。

触媒７０は、ヒータ抵抗３０によって所定の温度に加熱されると、ＣＯガスなど検出対象となる可燃性ガスと雰囲気中のＯ_２ガスの反応（燃焼）を促進させる。その際に生じる反応熱はサーミスタ６０に伝導し、その抵抗値を変化させる。このため、ヒータ抵抗３０による加熱を行うとともに、サーミスタ電極６１，６２間の抵抗値を測定すれば、雰囲気中における検出対象ガス（例えばＣＯガス）の濃度を検出することができる。

本実施形態が例示するように、本発明によるセンサ素子は、接触燃焼式のガスセンサに応用することも可能である。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上述した各実施形態では、空洞部１１が基板１０をｚ方向に貫通しているが、本発明においてこの点は必須でない。したがって、ガスセンサ２の変形例として図１７に例示するように、基板１０に設けられた非貫通の凹部によって空洞部１１を構成しても構わない。また、図示しないが、メンブレン部２０Ｍが絶縁膜２０のみからなる点も必須ではなく、メンブレン部２０Ｍに基板１０の一部が薄く残存していても構わない。

１ センサ素子
２，３ ガスセンサ
１０ 基板
１１ 空洞部
２０ 絶縁膜
２０Ｂ_１〜２０Ｂ_４ 梁部
２０Ｍ メンブレン部
２０ａ 切り欠き部
２１ 下層絶縁膜
２２ 上層絶縁膜
２３ リブ用絶縁膜
２４ サーミスタ保護膜
３０ ヒータ抵抗
３１，３２ 引き出し導体部
４１，４２ 端子電極
５０ ストッパー膜
６０ サーミスタ
６１，６２ サーミスタ電極
６３，６４ 端子電極
７０ 触媒
Ｒ リブ

Claims (7)

1. 空洞部を有する基板と、
   前記基板の空洞部上に位置し、前記基板の表面から延在する梁部によって支持されたメンブレン部と、
   前記メンブレン部に形成されたヒータ抵抗と、を備え、
   前記梁部の表面には、前記基板と前記メンブレン部を接続する長さ方向に延在するリブが設けられていることを特徴とするセンサ素子。
2. 前記リブは、前記梁部の幅方向における両側に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
3. 前記リブは、前記梁部の幅方向における中央部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ素子。
4. 前記メンブレン部及び前記梁部は、前記基板の前記表面を覆う絶縁膜の一部からなり、
   前記空洞部上に位置する前記絶縁膜には複数の切り欠き部が形成されており、これによって前記メンブレン部と前記梁部に区画されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のセンサ素子。
5. 前記梁部は、前記絶縁膜からなる本体部と、前記リブと、前記本体部と前記リブの間に位置し、前記絶縁膜とは異なる材料からなるストッパー膜とを含むことを特徴とする請求項４に記載のセンサ素子。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載のセンサ素子と、
   前記ヒータ抵抗と重なるよう、前記メンブレン部に形成されたサーミスタと、
   前記サーミスタを介して接続された一対のサーミスタ電極と、を備えることを特徴とするガスセンサ。
7. 前記ヒータ抵抗及び前記サーミスタと重なるよう前記メンブレン部に形成され、検出対象ガスの燃焼を促進させる触媒をさらに備えることを特徴とする請求項６に記載のガスセンサ。

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