JP7421441B2 - MEMS type semiconductor gas detection element - Google Patents
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Description
本発明は、MEMS型半導体式ガス検知素子に関する。 The present invention relates to a MEMS type semiconductor gas sensing element.
従来、ガス検知器用のガス検知素子として、たとえば特許文献1に開示されるように、検知対象ガスを検知するためのガス感応部を備えたMEMS型半導体式ガス検知素子が用いられている。特許文献1のMEMS型半導体式ガス検知素子は、基板と、基板に設けられた電極およびヒータと、電極に電気的に接続され、ヒータに熱的に接続されたガス感応部とを備えている。
BACKGROUND ART Conventionally, as a gas detection element for a gas detector, a MEMS type semiconductor gas detection element equipped with a gas sensitive part for detecting a gas to be detected has been used, for example, as disclosed in
このようなMEMS型半導体式ガス検知素子では、ガス感応部は、特許文献1に開示されているように、基板上に設けられた電極に直接接触するように設けられる。ところが、電極に対するガス感応部の密着性が必ずしも十分でなく、ガス感応部と電極との間に良好な電気接続を確保することが難しい。ガス感応部と電極との間に良好な電気接続を確保することができないと、検知対象ガスがガス感応部に接触した際に生じるガス感応部の抵抗値の変化を正確に検知することができない。さらに、ガス感応部と電極との間の低い密着性は、ガス検知能力の経時的な変化をももたらし、たとえば高温高湿環境下に曝された場合に、経時的にガス検知感度が劣化するなどの問題が生じる。
In such a MEMS type semiconductor gas sensing element, the gas sensing portion is provided in direct contact with an electrode provided on a substrate, as disclosed in
本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、電極に対するガス感応部の密着性が優れたMEMS型半導体式ガス検知素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide a MEMS type semiconductor gas sensing element with excellent adhesion of a gas sensitive part to an electrode.
本発明のMEMS型半導体式ガス検知素子は、基板と、前記基板に設けられる電極と、前記基板に設けられるヒータと、前記電極に電気的に接続し、前記ヒータに熱的に接続するように前記基板に設けられるガス感応部とを備えるMEMS型半導体式ガス検知素子であって、前記電極と比較して前記ガス感応部に対する密着性が高く、前記電極と前記ガス感応部とを接続する導電膜を備え、前記導電膜は、前記電極の経路とは異なる経路で前記電極を電気的に短絡させないように、前記電極の少なくとも一部の上面に接続されることを特徴とする。 The MEMS type semiconductor gas sensing element of the present invention includes a substrate, an electrode provided on the substrate, a heater provided on the substrate, electrically connected to the electrode, and thermally connected to the heater. A MEMS type semiconductor gas sensing element comprising a gas sensitive section provided on the substrate, the adhesiveness of which is higher with respect to the gas sensitive section compared to the electrode, and a conductive element that connects the electrode and the gas sensitive section. The conductive film is connected to the top surface of at least a portion of the electrode so as not to electrically short-circuit the electrode through a path different from the path of the electrode.
また、前記導電膜は、前記ガス感応部に含まれる金属酸化物半導体の金属元素と同一の金属元素を含む金属酸化物半導体を主成分として形成されることが好ましい。 Further, it is preferable that the conductive film is formed mainly of a metal oxide semiconductor containing the same metal element as the metal element of the metal oxide semiconductor included in the gas sensitive part.
また、前記MEMS型半導体式ガス検知素子が、前記電極および前記導電膜よりも電気抵抗が大きい絶縁膜を備え、前記絶縁膜は、前記導電膜が前記電極の経路とは異なる(よりも短い)経路で前記電極を電気的に短絡させないように、前記電極の異なる2点間の隙間に形成されることが好ましい。 Further, the MEMS type semiconductor gas sensing element includes an insulating film having a higher electrical resistance than the electrode and the conductive film, and the insulating film has a path different from (shorter than) a path of the conductive film. It is preferable that the electrode be formed in a gap between two different points of the electrode so as not to electrically short-circuit the electrode along the path.
また、前記導電膜の少なくとも一部が、前記絶縁膜の上に設けられることが好ましい。 Further, it is preferable that at least a portion of the conductive film is provided on the insulating film.
また、前記電極が、一方のリード線に接続される第1の端部を含む第1の端部領域と、他方のリード線に接続される第2の端部を含む第2の端部領域と、前記第1の端部領域と前記第2の端部領域との間に延び、前記第1の端部領域と前記第2の端部領域とを接続する本体領域とを備え、前記導電膜は、前記第1の端部領域および前記第2の端部領域に接続されることが好ましい。 Further, the electrode has a first end region including a first end connected to one lead wire, and a second end region including a second end connected to the other lead wire. and a main body region extending between the first end region and the second end region and connecting the first end region and the second end region, Preferably, a membrane is connected to said first end region and said second end region.
また、前記電極は、前記ヒータを兼ねており、前記導電膜および前記絶縁膜は、前記ガス感応部よりも緻密であり、前記導電膜および前記絶縁膜は、前記ヒータを覆うように前記ヒータに接続されることが好ましい。 Further, the electrode also serves as the heater, the conductive film and the insulating film are denser than the gas sensitive part, and the conductive film and the insulating film are attached to the heater so as to cover the heater. Preferably, they are connected.
本発明によれば、電極に対するガス感応部の密着性が優れたMEMS型半導体式ガス検知素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a MEMS type semiconductor gas sensing element with excellent adhesion of a gas sensitive part to an electrode.
以下、添付図面を参照して、本発明の2つの実施形態に係るMEMS型半導体式ガス検知素子を説明する。ただし、以下に示す実施形態は例示に過ぎず、本発明のMEMS型半導体式ガス検知素子は以下の例に限定されることはない。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, MEMS type semiconductor gas detection elements according to two embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, the embodiments shown below are merely examples, and the MEMS type semiconductor gas sensing element of the present invention is not limited to the following examples.
<第1実施形態>
本実施形態のMEMS型半導体式ガス検知素子は、たとえば大気などの環境雰囲気において、環境雰囲気に含まれる検知対象ガスを検知するために用いられる。MEMS型半導体式ガス検知素子は、表面に吸着した酸素と環境雰囲気中の検知対象ガスとの化学反応に伴って抵抗値(または電気伝導度)が変化することを利用して、検知対象ガスを検知する。検知対象ガスとしては、特に限定されることはなく、たとえば、メタン、ブタン、イソブタン、プロパン、一酸化炭素、水素、エタノールなどが例示される。
<First embodiment>
The MEMS type semiconductor gas detection element of this embodiment is used, for example, in an environment such as the atmosphere, to detect a gas to be detected contained in the environment. MEMS type semiconductor gas detection elements detect the target gas by utilizing the change in resistance (or electrical conductivity) caused by the chemical reaction between oxygen adsorbed on the surface and the target gas in the environment. Detect. The gas to be detected is not particularly limited, and examples include methane, butane, isobutane, propane, carbon monoxide, hydrogen, and ethanol.
MEMS型半導体式ガス検知素子1は、図1および図2に示されるように、MEMS(Micro Electro Mechanical System)構造を有している。MEMS構造とは、シリコン基板などの基板の上に微細加工技術によって素子構成要素の少なくとも一部を集積化したデバイス構造のことを意味する。MEMS型半導体式ガス検知素子1は、MEMS構造を有することにより、コイル型の半導体式ガス検知素子と比べて、小型化が可能で、低消費電力での駆動が可能である。
The MEMS type semiconductor
MEMS型半導体式ガス検知素子1は、図1および図2に示されるように、基板2と、基板2に設けられる電極3と、基板2に設けられるヒータ4と、電極3に電気的に接続し、ヒータ4に熱的に接続するように基板2に設けられるガス感応部5と、電極3とガス感応部5とを接続する導電膜6とを備える。MEMS型半導体式ガス検知素子1は、任意で、ガス感応部5を被覆する機能層7を備えていてもよい。なお、図1(図4も同様)においては、電極3およびヒータ4の配置を見やすくするために、ガス感応部5および機能層7の図示を省略するとともに、導電膜6を(図4では絶縁膜8も)2点鎖線で示している。
As shown in FIGS. 1 and 2, the MEMS type semiconductor
MEMS型半導体式ガス検知素子1は、たとえば、公知のブリッジ回路(図示せず)に組み込まれて、ガス感応部5の表面の吸着酸素と環境雰囲気中の検知対象ガスとの化学反応に伴う抵抗値の変化が検出される。MEMS型半導体式ガス検知素子1は、ガス感応部5の抵抗値の変化を検出するために、電極3を介してブリッジ回路に組み込まれる。ブリッジ回路は、MEMS型半導体式ガス検知素子1における抵抗値の変化によって生じる回路内の電位差の変化を電位差計によって測定して、その電位差の変化を検知対象ガスの検知信号として出力する。ただし、MEMS型半導体式ガス検知素子1は、ガス感応部5の表面の吸着酸素と検知対象ガスとの化学反応に伴って生じる抵抗値の変化を検出することができれば、ブリッジ回路に限定されることはなく、ブリッジ回路とは異なる回路に組み込まれて使用されてもよい。
The MEMS type semiconductor
基板2は、基板2に対して電気的に絶縁状態となるように、電極3、ヒータ4、ガス感応部5、導電膜6を支持する部材であり、機能層7、第2実施形態における絶縁膜8、接着層9が設けられる場合はそれらも含んで支持する部材である。以下、電極3、ヒータ4、ガス感応部5、導電膜6(機能層7、第2実施形態における絶縁膜8、接着層9が設けられる場合はそれらも含む)をまとめて「集積部A」ともいう。基板2は、基板2に対して電気的に絶縁状態で集積部Aを支持することができればよく、その構成は特に限定されることはない。基板2は、本実施形態では、図1および図2に示されるように、基板本体21と、基板本体21に支持される絶縁支持膜22と、基板本体21と絶縁支持膜22との間に設けられる空洞部23とを備えている。
The
基板本体21は、絶縁支持膜22を支持し、絶縁支持膜22を介して集積部Aを支持する部材である。基板本体21は、図2に示されるように、絶縁支持膜22の下方(集積部Aが設けられる側の反対側)に設けられ、下方から絶縁支持膜22を支持する。基板本体21は、絶縁支持膜22との間に空洞部23を形成するために、凹部21aが形成されている。ただし、基板本体21は、絶縁支持膜22との間に空洞部23が設けられるように形成されていればよく、たとえば図3(図6の変形例も同様)の変形例に示されるように、凹部21aを有することなく、絶縁支持膜22の端部を下方から支持しながら、絶縁支持膜22の中央部分の下方には基板本体21が全く存在しない構造を有していてもよい。基板本体21は、絶縁支持膜22を支持することができれば、特に限定されることはなく、たとえばシリコンなどにより形成される。
The
絶縁支持膜22は、集積部Aと基板本体21との間が電気的に絶縁状態となるように、集積部Aを支持する部材である。絶縁支持膜22は、図2に示されるように、基板本体21に設けられて、基板本体21により支持される。絶縁支持膜22は、絶縁物により膜状に形成される。絶縁支持膜22は、本実施形態では、基板本体21に接続される酸化シリコン膜22aと、酸化シリコン膜22a上に設けられる窒化シリコン膜22bと、窒化シリコン膜22b上に設けられる酸化シリコン膜22cとを備え、これらの3層が積層されて形成される。絶縁支持膜22は、たとえばCVDなどの公知の成膜技術により形成することができる。
The insulating
絶縁支持膜22は、基板本体21との間を電気的に絶縁するように集積部Aを支持することができればよく、その層構造、構成材料、膜厚は特に限定されない。たとえば、絶縁支持膜22は、本実施形態では3層構造を有しているが、単層構造や3層以外の複層構造を有していてもよい。また、絶縁支持膜22は、本実施形態では酸化シリコン膜や窒化シリコン膜により形成されているが、酸化アルミニウムなどの他の絶縁物により形成されてもよい。また、絶縁支持膜22の膜厚は、特に限定されることはなく、基板本体21との間を電気的に絶縁して集積部Aを支持することができるように適宜設定することができる。
The insulating
絶縁支持膜22は、本実施形態では、図1および図2に示されるように、集積部Aを支持する本体部221と、基板本体21上に設けられる基部222と、本体部221と基部222とを接続する接続部223とを備えている。絶縁支持膜22は、基部222を介して基板本体21に支持され、本体部221を介して集積部Aを支持する。本体部221、基部222および接続部223は、たとえば、基板本体21上に均一な絶縁支持膜22を形成した後に、公知のエッチング加工技術により形成することができる。
In this embodiment, as shown in FIGS. 1 and 2, the insulating
本体部221は、接続部223を介して基部222に接続され、接続部223および基部222を介して基板本体21に支持される。本体部221は、基板本体21との間に形成された空洞部23を介して基板本体21から離間して設けられる。MEMS型半導体式ガス検知素子1では、基板本体21から離間して設けられる本体部221に集積部Aが設けられることで、集積部Aに加えられる熱が基板本体21に伝導するのを抑制することができる。それによって、MEMS型半導体式ガス検知素子1では、集積部Aをより効率よく加熱することができ、低消費電力の駆動が可能になる。本体部221は、本実施形態では、図1に示されるように、上面視で略円形状に形成されている。しかし、本体部221は、基板本体21から離間して設けられ、集積部Aを支持することができれば、特に限定されることはなく、上面視で略矩形状など他の形状に形成されてもよい。
The
基部222は、図1および図2に示されるように、基板本体21上に設けられ、基板本体21に支持される。また、基部222は、接続部223を介して本体部221に接続され、接続部223を介して本体部221を支持する。基部222は、本実施形態では、中央部分が略矩形状にくり抜かれた枠状に形成され、その枠内に空洞部23が形成されている。しかし、基部222は、基板本体21上に設けられて、接続部223を介して本体部221を支持することができれば、特に限定されることはなく、略円形状など他の形状でくり抜かれた枠状に形成されてもよい。
The
接続部223は、図1に示されるように、本体部221と基部222とに接続されて、基部222に支持されながら本体部221を支持する。接続部223は、基板本体21との間に形成された空洞部23を介して基板本体21から離間して設けられる。本体部221を基部222に接続する接続部223が基板本体21から離間して設けられることにより、集積部Aに加えられる熱が基板本体21に伝導するのを抑制することができる。接続部223は、基部222の枠の内側面に接続され、基部222の枠の内側面から、基部222の枠の内側の略中央に位置する本体部221に向かって延びるように形成される。接続部223は、本実施形態では、基部222の枠の4つの内側面のそれぞれに接続され、隣り合う接続部223同士の間の角度が略等角度となる4方向から略等しい長さで本体部221を支持している。したがって、接続部223は、本体部221をバランスよく支持することができる。ただし、接続部223は、本体部221と基部222とを接続し、本体部221を支持することができればよく、図示された例に限定されることはない。
As shown in FIG. 1, the connecting
電極3は、ガス感応部5の抵抗値変化を検出するための部材である。電極3は、図1および図2に示されるように、基板2の絶縁支持膜22の本体部221上に設けられ、その少なくとも一部がガス感応部5に電気的に接続される。電極3は、第1の端部3aおよび第2の端部3bを備え、第1の端部3aが一方のリード線L1に接続され、第2の端部3bが他方のリード線L2に接続される。リード線L1、L2は、電極3と比べて低い電気抵抗を有するように形成される。一方および他方のリード線L1、L2を、たとえば公知のブリッジ回路(図示せず)に接続して、電極3の第1の端部3aと第2の端部3bとの間の抵抗値を測定することにより、電極3とガス感応部5との合成抵抗値を測定することができる。そして、電極3とガス感応部5との合成抵抗値の変化を測定することにより、ガス感応部5の抵抗値変化を検出することができる。
The electrode 3 is a member for detecting a change in resistance value of the gas
電極3は、本実施形態では、通電により発熱して、ガス感応部5を(機能層7が設けられる場合は機能層7も)加熱するヒータ4としても機能する。つまり、本実施形態のMEMS型半導体式ガス検知素子1では、電極3は、ヒータ4を兼ねており、逆に、ヒータ4は、電極3を兼ねている。したがって、電極3およびヒータ4は、ガス感応部5の抵抗値変化を検出することができるとともに、通電によって、ガス感応部5を、検知対象ガスの検知に適した温度に加熱することができる。ただし、電極3は、少なくともガス感応部5の抵抗値変化を検出することができればよく、ガス感応部5を加熱するためのヒータ4とは別に設けられてもよい。また、ヒータ4は、少なくともガス感応部5を加熱することができればよく、ガス感応部5の抵抗値変化を検出する電極3とは別に設けられてもよい。以下では、電極3の詳細を説明することで、ヒータ4の詳細な説明を省略する。電極3およびヒータ4がそれぞれ別に設けられる場合には、電極3およびヒータ4の両方を以下で説明する構成と同じ構成とすることもできるし、電極3およびヒータ4のいずれか一方を以下で説明する構成と同じ構成とし、電極3およびヒータ4の他方を以下で説明する構成と異なる構成とすることもできるし、電極3およびヒータ4の両方を以下で説明する構成と異なる構成とすることもできる。
In this embodiment, the electrode 3 also functions as a
電極3は、ガス感応部5の抵抗値変化を検出することができればよく、その構成材料は特に限定されない。電極3は、たとえば白金、白金-ロジウム合金などの貴金属などにより形成することができる。電極3は、たとえば、電極3用材料により均一な膜を形成した後に、公知のエッチング加工技術により形成することができる。なお、電極3は、たとえば図2に示されるように、任意で、基板2の絶縁支持膜22の本体部221との密着性を高めるために、また、図5に示されるように、第2実施形態のMEMS型半導体式ガス検知素子100に関連して後述する絶縁膜8との密着性を高めるために、酸化タンタルなどにより形成される接着層9を介して本体部221および絶縁膜8に接続されてもよい。
The electrode 3 only needs to be able to detect a change in the resistance value of the gas
電極3は、ガス感応部5の抵抗値変化を検出することができるように配置されていればよく、その配線経路は特に限定されない。電極3は、本実施形態では、図1に示されるように、一方のリード線L1に接続される第1の端部3aを含む第1の端部領域31と、他方のリード線L2に接続される第2の端部3bを含む第2の端部領域32と、第1の端部領域31と第2の端部領域32との間に延び、第1の端部領域31と第2の端部領域32とを接続する本体領域33とを備えている。電極3は、第1の端部領域31、第2の端部領域32および本体領域33を備え、単一の電極として構成される。ただし、電極は、ガス感応部の抵抗値変化を検出することができれば、本実施形態に限定されることはなく、互いに分離した2つ以上の電極により構成されてもよい。
The electrode 3 may be arranged so as to be able to detect a change in the resistance value of the gas
第1の端部領域31は、第1の端部3aを含む、第1の端部3aに隣接する電極3の一部の領域である。第1の端部領域31は、第1の端部3aから所定の長さの範囲の電極3の一部により構成される。本実施形態では、第1の端部領域31は、図1に示されるように、基板2(本体部221)の端部近傍に配置された第1の端部3aと、第1の端部3aから基板2の中心に向かって延び、基板2の中心に最も近づいた部位である第1の近接部3cとの間の領域である。第1の端部領域31は、本実施形態では、第1の端部3aから基板2の中心に向かって略直線的に略最短距離で延びている。ただし、第1の端部領域31は、第1の端部3aから、少なくとも基板2の中心から遠ざかることなく、基板2の中心に近づくように延びていれば、図示された例に限定されることはなく、湾曲して延びていてもよい。また、第1の端部領域31は、基板2の中心近傍に第1の端部3aが配置されて、第1の端部3aから、基板2の中心から離れる方向に延びる電極3の一部により構成されてもよい。
The
第2の端部領域32は、第2の端部3bを含む、第2の端部3bに隣接する電極3の一部の領域である。第2の端部領域32は、第2の端部3bから所定の長さの範囲の電極3の一部により構成される。第2の端部領域32は、本実施形態では、図1に示されるように、基板2(本体部221)の端部近傍に配置された第2の端部3bと、第2の端部3bから基板2の中心に向かって延び、基板2の中心に最も近づいた部位である第2の近接部3dとの間の領域である。第2の端部領域32は、本実施形態では、第2の端部3bから基板2の中心に向かって略直線的に略最短距離で延びている。ただし、第2の端部領域32は、第2の端部3bから、少なくとも基板2の中心から遠ざかることなく、基板2の中心に近づくように延びていれば、本実施形態に限定されることはなく、湾曲して延びていてもよい。また、第2の端部領域32は、本実施形態では第1の端部領域31と略平行かつ略一直線上に延び、第1の端部領域31と略同一の長さを有しているが、第1の端部領域31に対して傾斜して設けられていてもよく、第1の端部領域31とは異なる長さを有していてもよい。また、第2の端部領域32は、基板2の中心近傍に第2の端部3bが配置されて、第2の端部3bから、基板2の中心から離れる方向に延びる電極3の一部により構成されてもよい。
The
第1の端部領域31および第2の端部領域32は、本実施形態では、図1に示されるように、第1の端部領域31および第2の端部領域32の単位長さ当たりの面積が本体領域33の単位長さ当たりの面積よりも大きくなるように(本体領域33よりも幅広に)形成されている。したがって、第2実施形態のMEMS型半導体式ガス検知素子100に関して以下で述べるように、第1の端部領域31および第2の端部領域32に導電膜6を容易に設けることができ、また広い接続面積を確保することができる。また、第1の端部領域31および第2の端部領域32は、本実施形態では、図1に示されるように、互いに接近して設けられている。より具体的には、第1の端部領域31および第2の端部領域32は、第1の端部領域31と第2の端部領域32との間の距離が、基板2(本体部221)の中心から外縁までの距離の1/2の距離よりも短くなるように、互いに接近して設けられている。したがって、第1の端部領域31および第2の端部領域32に電気的に接続するように設けられるガス感応部5をより小さく形成することができる。そして、ガス感応部5を小さく形成しても、電極3とガス感応部5との合成抵抗値が、電極3のほぼ全体の電気抵抗値とガス感応部5の電気抵抗値の並列合成抵抗値となるため、ガス感応部5のわずかな抵抗値変化を検出することができ、検知対象ガスの高い検出感度を確保することができる。ガス感応部5をより小さく形成するという観点から、第1の端部領域31と第2の端部領域32との間の距離は、たとえば、基板2の中心から外縁までの距離の2/3以下であることが好ましく、基板2の中心から外縁までの距離の1/2以下であることがより好ましく、基板2の中心から外縁までの距離の1/3以下であることがよりさらに好ましい。
In this embodiment, as shown in FIG. 1, the
また、第1の端部領域31および第2の端部領域32は、本実施形態では、図1に示されるように、基板2(本体部221)の中心近傍まで延びている。より具体的には、第1の端部領域31および第2の端部領域32は、基板2の外縁までの距離の1/2の距離よりも短い距離まで、基板2の中心に接近して延びている。したがって、ガス感応部5は、基板2の中心近傍において、より小さく形成することができる。さらに、ガス感応部5が基板2の中心近傍にだけ設けられることで、ガス感応部5の端部の全体において機能層7を十分な厚さで形成することができるので、機能層7の機能をより高めることができる。ガス感応部5を基板2の中心近傍に設けるという観点から、第1の端部領域31および第2の端部領域32のそれぞれと基板2の中心との間の距離は、たとえば、基板2の中心から外縁までの距離の2/3以下であることが好ましく、基板2の中心から外縁までの距離の1/2以下であることがより好ましく、基板2の中心から外縁までの距離の1/3以下であることがよりさらに好ましい。
Further, in this embodiment, the
本体領域33は、第1の端部領域31と第2の端部領域32とを接続する電極3の一部の領域である。本体領域33は、第1の端部領域31と第2の端部領域32とを接続するように第1の端部領域31と第2の端部領域32との間に延びていれば、その配置は特に限定されることはない。本体領域33は、本実施形態では、図1に示されるように、基板2(本体部221)上の第1の端部3aと第2の端部3bとを結ぶ直線Sに対して垂直方向の一方側(第1の領域221a)と、基板2上の第1の端部3aと第2の端部3bとを結ぶ直線Sに対して垂直方向の他方側(第2の領域221b)とに延びている。本体領域33が、基板2(本体部221)上の対向する2つの領域221a、221bに設けられることにより、ガス感応部5を加熱するために電極3(ヒータ4)を昇温しても、基板2がより均一に加熱されるので、基板2が熱により湾曲することが抑制される。
The
本体領域33は、本実施形態では、図1に示されるように、基板2(本体部221)の第1の領域221aに設けられる第1の本体領域331と、基板2の第2の領域221bに設けられる第2の本体領域332と、第1の本体領域331と第2の本体領域332との間に設けられる中間領域333とを備えている。
In this embodiment, the
第1の本体領域331は、図1に示されるように、基板2(本体部221)の第1の領域221a上において、第1の端部領域31の一方側の端部である第1の端部3aとは反対側の他方側の端部(第1の近接部3c)から中間領域333まで延びている。より具体的には、第1の本体領域331は、第1の端部領域31の他方側の端部から、基板2の端部に(図中、上側に)向かって蛇行しながら延び、基板2の端縁に沿って延びた後、基板2の中心に向かって延び、中間領域333にまで延びている。それによって、第1の本体領域331は、第1の領域221a内において高い密度で配置されるので、長い配線長さを確保し、高い電気抵抗値を確保することができる。
As shown in FIG. 1, the first
第2の本体領域332は、図1に示されるように、基板2(本体部221)の第2の領域221b上において、第2の端部領域32の一方側の端部である第2の端部3bとは反対側の他方側の端部(第2の近接部3d)から中間領域333まで延びている。より具体的には、第2の本体領域332は、第2の端部領域32の他方側の端部から、基板2の端部に(図中、下側に)向かって蛇行しながら延び、基板2の端縁に沿って延びた後、基板2の中心に向かって延び、中間領域333にまで延びている。それによって、第2の本体領域332は、第2の領域221b内において高い密度で配置されるので、長い配線長さを確保し、高い電気抵抗値を確保することができる。
As shown in FIG. 1, the second
第1の本体領域331および第2の本体領域332は、本実施形態では、図1に示されるように、互いに略同一の長さに形成され、互いに略同一の電気抵抗を有している。それにより、ガス感応部5を加熱するために電極3(ヒータ4)を昇温しても、基板2がより均一に加熱されるので、基板2が熱により湾曲するのが抑制される。また、第1の本体領域331および第2の本体領域332は、基板2の略中心を中心として、互いに略点対象に配置されている。それにより、電極3(ヒータ4)を昇温した際に、基板2がよりさらに均一に加熱されるので、基板2が熱により湾曲するのがよりさらに抑制される。
In this embodiment, the
中間領域333は、図1に示されるように、第1の本体領域331と第2の本体領域332とを接続する。中間領域333は、基板2(本体部221)の第1の領域221aと第2の領域221bとの間の境界において、第1の端部3aと第2の端部3bとを結ぶ直線Sと交差(図示された例では直交)して、第1の領域221aと第2の領域221bとの間に延びるように設けられている。本実施形態では、中間領域333の両側に設けられる第1の本体領域331および第2の本体領域332が互いに略同一の長さに形成されているので、中間領域333は、本体領域33の延びる方向における本体領域33の略中間の長さの位置にある。中間領域333は、基板2の略中心において、第1の端部領域31および第2の端部領域32の間に設けられている。第1の端部領域31および第2の端部領域32の間には、第1の本体領域331および第2の本体領域332が設けられることなく、中間領域333のみが設けられている。
ガス感応部5は、表面の吸着酸素と検知対象ガスとの化学反応に伴って電気抵抗が変化する部位である。ガス感応部5は、検知対象ガスの接触によって電気抵抗が変化する材料であれば、特に限定されることはなく、たとえば金属酸化物半導体を主成分とする材料により構成することができる。ガス感応部5は、図1および図2に示されるように、電極3に電気的に接続し、ヒータ4に熱的に接続するように基板2上に設けられる。ガス感応部5が電極3に電気的に接続するように設けられることで、電極3を介してガス感応部5の電気抵抗の変化を検出することができる。また、ガス感応部5がヒータ4に熱的に接続するように設けられることで、ヒータ4を介してガス感応部5を検知対象ガスの検知に適した温度に加熱することができる。
The gas
ガス感応部5の金属酸化物半導体としては、吸着酸素と検知対象ガスとの化学反応に伴って電気抵抗が変化するものであれば、特に限定されることはない。たとえば、ガス感応部5の金属酸化物半導体としては、酸素吸着、および吸着酸素とガス成分との化学反応を促進し、ガス検知感度を向上させるという観点から、n型半導体を用いることが好ましく、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛および酸化タングステンの中から選択される少なくとも1種を含む金属酸化物半導体を用いることがさらに好ましく、酸化スズおよび酸化インジウムの中から選択される少なくとも1種を含む金属酸化物半導体を用いることがよりさらに好ましい。
The metal oxide semiconductor of the
ガス感応部5の金属酸化物半導体は、電気抵抗を調整するために、ドナーとして金属元素が添加されていてもよい。添加される金属元素としては、金属酸化物半導体中にドナーとして添加可能であり、金属酸化物半導体の電気抵抗を調整することが可能であれば、特に限定されることはないが、たとえば、アンチモン、ニオブおよびタングステンの中から選択される少なくとも1種が例示される。また、ガス感応部5の金属酸化物半導体は、電気抵抗を調整するために、金属酸化物半導体中に酸素欠損が導入されてもよい。金属元素濃度や酸素欠損濃度は、要求される電気抵抗に応じて、適宜設定することができる。
A metal element may be added as a donor to the metal oxide semiconductor of the gas
ガス感応部5は、基板2上において、電極3によって抵抗変化を検出できるように、またヒータ4によって加熱されるように設けられればよく、その形成方法は特に限定されない。ガス感応部5は、たとえば、金属酸化物半導体の微粉体を溶媒に混ぜてペースト状としたものを、予め電極3およびヒータ4が設けられた基板2上に塗布して乾燥させることにより形成することが可能である。
The gas
ガス感応部5に任意で被覆するように設けられる機能層7は、ガス感応部5における検知対象ガスの選択性を向上させる機能や、ガス感応部5の劣化を抑制する機能など、ガス感応部5のガス検知特性を向上させる機能を有する層である。機能層7は、ガス感応部5を被覆するようにガス感応部5上に設けられる。本実施形態のMEMS型半導体式ガス検知素子1では、ガス感応部5が、基板2の一部に設けられている。それにより、ガス感応部5上に設けられる機能層7は、ガス感応部5の端部領域においても、必要な厚さで形成することができるので、機能の低下を抑制することができる。したがって、本実施形態のMEMS型半導体式ガス検知素子1では、ガス感応部5が基板2の全体に設けられる場合と比べて、機能層7の全体の機能を向上させることができる。
The
本実施形態では、機能層7として、ガス感応部5の劣化を抑制し、ガス感応部5を保護する機能を有する2種類の層(以下、第1機能層、第2機能層という)が例示される。ただし、機能層7としては、ガス感応部5のガス検知特性を向上させる機能を有するものであれば、特に限定されることはなく、半導体式ガス検知素子において、ガス感応部を被覆することでガス感応部のガス検知特性を向上させる機能を有する公知の層を採用することができる。
In this embodiment, two types of layers (hereinafter referred to as a first functional layer and a second functional layer) having functions of suppressing deterioration of the gas
第1の例である第1機能層は、環境雰囲気中に含まれる検知対象ガス以外の特定のガス成分(たとえば有機シリコーンガス)からガス感応部5を保護し、ガス感応部5の耐久性を向上させる。第1機能層は、たとえば、環境雰囲気中に含まれる有機シリコーンガス(たとえば、ヘキサメチルジシロキサンなど)がガス感応部5に付着することによってガス感応部5が被毒する(ガス感応部5の検知感度が変化してMEMS型半導体式ガス検知素子1が誤作動する)のを抑制する。
The first functional layer, which is a first example, protects the gas
第1機能層は、ガス感応部5を保護し、ガス感応部5の耐久性を向上させるという目的のために、金属酸化物半導体に金属酸化物が担持されて形成される。金属酸化物半導体としては、特に限定されることはなく、たとえば、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛および酸化タングステンの中から選択される少なくとも1種を含む金属酸化物半導体を用いることができる。金属酸化物としては、特定のガス成分からガス感応部5を保護し得る金属酸化物であり、たとえば、酸化クロム、酸化パラジウム、酸化コバルト、酸化鉄、酸化ロジウム、酸化銅、酸化セリウム、酸化白金、酸化タングステンおよび酸化ランタンの中から選択される少なくとも1種を用いることができる。金属酸化物は、上に例示された中でも、ガス感応部5の劣化をよりさらに抑制する観点から、酸化クロムおよび酸化パラジウムの中から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
The first functional layer is formed by supporting a metal oxide on a metal oxide semiconductor for the purpose of protecting the gas
第1機能層は、特定のガス成分からガス感応部5を保護し、ガス感応部5の耐久性を向上させることができれば、その形成方法は特に限定されない。第1機能層は、たとえば、金属酸化物半導体の微粉体と金属酸化物の微粉体との混合物を溶媒に混ぜてペースト状としたものをガス感応部5に塗布して乾燥させることによって形成することができる。
The method of forming the first functional layer is not particularly limited as long as it can protect the gas
第2の例である第2機能層は、第1機能層と同様の目的のために、絶縁性酸化物により構成される。第2機能層は、絶縁性酸化物により特定のガス成分を捕捉することで、ガス感応部5を保護する。また、第2機能層が絶縁性酸化物により構成されることで、第2機能層中に電流が流れることが抑制され、検知対象ガス検知時のガス感応部5の抵抗値変化に及ぼす影響を抑えることができるので、検知対象ガスの検知感度が低下するのを抑えることができる。絶縁性酸化物としては、特に限定されることはないが、たとえば酸化アルミニウムおよび酸化シリコンの中から選択される少なくとも1種が例示される。
The second functional layer, which is the second example, is made of an insulating oxide for the same purpose as the first functional layer. The second functional layer protects the gas
第2機能層は、絶縁性酸化物に、酸化活性を有する金属酸化物が担持されて形成されてもよい。第2機能層は、酸化活性を有する金属酸化物が絶縁性酸化物に担持されて形成されることにより、ガス感応部5の劣化をより抑制することができる。酸化活性を有する金属酸化物としては、たとえば、酸化クロム、酸化パラジウム、酸化コバルト、酸化鉄、酸化ロジウム、酸化銅、酸化セリウム、酸化白金、酸化タングステンおよび酸化ランタンの中から選択される少なくとも1種が例示される。金属酸化物は、上に例示された中でも、ガス感応部5の劣化をよりさらに抑制する観点から、酸化クロムおよび酸化パラジウムの中から選択される少なくとも1種であることが好ましい。
The second functional layer may be formed by supporting an oxidizing active metal oxide on an insulating oxide. The second functional layer is formed by supporting a metal oxide having oxidation activity on an insulating oxide, so that deterioration of the gas
第2機能層は、特定のガス成分からガス感応部5を保護し、ガス感応部5の耐久性を向上させることができれば、その形成方法は特に限定されない。第2機能層は、たとえば、絶縁性酸化物の微粉体と金属酸化物の微粉体との混合物を溶媒に混ぜてペースト状としたものをガス感応部5に塗布して乾燥させることによって形成することができる。
The method of forming the second functional layer is not particularly limited as long as it can protect the gas
導電膜6は、導電性を有し、電極3とガス感応部5とを電気的に接続する。導電膜6の導電性(または電気抵抗)は、導電膜6を介して電極3によりガス感応部5の抵抗値変化を検出することができればよく、特に限定されることはないが、たとえばガス感応部5の導電性よりも高い(またはガス感応部5の電気抵抗よりも低い)ことが好ましい。また、導電膜6は、電極3と比較してガス感応部5に対して高い密着性を有し、また好ましくはガス感応部5と比較して電極3に対して高い密着性を有し、電極3とガス感応部5との間に介在して、電極3とガス感応部5とを互いに接続する。電極3と比較してガス感応部5に対する密着性が高い導電膜6を介して電極3とガス感応部5とが接続されることで、電極3に対するガス感応部5の密着性を高めることができる。それによって、電極3とガス感応部5との間に良好な電気接続を確保することができ、検知対象ガスがガス感応部5に接触した際に生じるガス感応部5の抵抗値の変化をより正確に検知することができる。さらに、MEMS型半導体式ガス検知素子1のガス検知能力の経時的な変化を抑制し、たとえば高温高湿環境下に曝された場合に生じる経時的なガス検知感度の劣化を抑制することができる。
The
導電膜6は、導電性を有し、電極3と比較してガス感応部5に対する密着性が高ければよく、その構成材料は特に限定されることはない。本実施形態では、導電膜6は、ガス感応部5に含まれる金属酸化物半導体の金属元素と同一の金属元素を含む金属酸化物半導体を主成分として形成される。具体的には、たとえばガス感応部5の主成分が酸化スズである場合、導電膜6は酸化スズを主成分として含み、ガス感応部5の主成分が酸化インジウムである場合、導電膜6は酸化インジウムを主成分として含む。ガス感応部5に含まれる金属酸化物半導体の金属元素と同一の金属元素を含む金属酸化物半導体を主成分として導電膜6が形成されることにより、ガス感応部5と導電膜6とが互いに馴染みやすく、ガス感応部5と導電膜6との間の密着性をより高めることができる。導電膜6の膜厚は、特に限定されることはなく、電極3とガス感応部5とを接続することができるように適宜設定可能である。
The
導電膜6は、導電性を有し、電極3と比較してガス感応部5に対する密着性が高くなるように形成することができれば、その形成方法は特に限定されない。本実施形態では、導電膜6は、スパッタリングや真空蒸着により形成することができる。導電膜6は、スパッタリングや真空蒸着により形成されることで、塗布などにより形成される場合と比べて、より緻密な膜として形成される。導電膜6は、より緻密な膜として形成されることで、ガス感応部5に対する密着性をより高め、またガス感応部5とは反対側の電極3や後述する絶縁膜8に対する密着性をより高めることができる。導電膜6は、たとえば、基板2を300℃などの高温で加熱しながら、ターゲットである酸化スズや酸化インジウムなどの金属酸化物半導体をアルゴンイオンでスパッタリングすることにより、金属酸化物半導体を主成分として形成することができる。この方法によれば、ガス感応部5に対する密着性を高めるだけでなく、金属酸化物半導体中に酸素欠損を生じさせて導電性を高めるとともに、電極3や絶縁膜8に対する密着性をより高めることができる。なお、導電膜6は、アンチモン、ニオブ、タングステンなどのドナーを添加することによって、導電性を高めてもよい(電気抵抗を下げてもよい)。
The method of forming the
導電膜6は、図1および図2に示されるように、電極3の経路とは異なる(よりも短い)経路で電極3を電気的に短絡させないように、電極3の少なくとも一部の上面に接続される。この場合、電極3の電気抵抗値とガス感応部5の電気抵抗値との合成抵抗値は、導電膜6による電極3の短絡が抑制されることで、ガス感応部5が接続する電極3の全体の電気抵抗値とガス感応部5の電気抵抗値との並列合成抵抗値となる。これにより、導電膜6を設けても、電極3の電気抵抗値とガス感応部5の電気抵抗値との合成抵抗値は、ガス感応部5の電気抵抗値の変化に応じて大きく変化するので、検知対象ガスに対して高い感度を得ることができる。さらに、本実施形態のように電極3がヒータ4を兼ねるような場合には、導電膜6によるヒータ4の短絡が抑制されることで、ヒータ4を正常または正常に近い状態で機能させることができる。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
ここで、「電極3の経路とは異なる経路で電極3を短絡させる」とは、たとえば基板2上の電極3の配線経路とは異なる経路で導電膜6が配置されて、その導電膜6が、電極3の配線経路とは異なる経路で電極3の一部同士を橋渡しするようにして短絡させることを意味する。なお、「電極3の経路とは異なる経路で電極3を電気的に短絡させない」とは、電極3の経路の少なくとも一部に亘って短絡させないことを意味し、必ずしも電極3の経路のいずれにおいても短絡させないことを意味するものではない。ただし、検知対象ガスに対して高い検知感度を得るためには、電極3の経路の全体に亘って短絡させないことが好ましい。また、本実施形態のように電極3がヒータ4を兼ねるような場合には、ヒータ4を正常に機能させるために、ヒータ4(電極3)の経路の全体に亘って短絡させないことが好ましい。
Here, "short-circuiting the electrodes 3 by a route different from the route of the electrodes 3" means, for example, that the
導電膜6は、上述したように、電極3の経路とは異なる経路で電極3を電気的に短絡させないように、電極3の少なくとも一部の上面に接続されていればよく、その配置は特に限定されない。導電膜6は、本実施形態では、図1および図2に示されるように、電極3の上面にのみ接続されている。より具体的には、導電膜6は、電極3の全長および全幅に亘って、電極3の上面のみに接続されている。これにより、導電膜6は、ガス感応部5との間の接続面積をより増やすことで、電極3の全体に対するガス感応部5の密着性をより高めながらも、電極3の経路とは異なる経路で電極3を電気的に短絡させない。MEMS型半導体式ガス検知素子1では、電極3の全体に対するガス感応部5の密着性をより高めることで、電極3とガス感応部5との間により良好な電気接続を確保することができるので、検知対象ガスがガス感応部5に接触した際に生じるガス感応部5の抵抗値の変化をより正確に検知することができる。さらに、MEMS型半導体式ガス検知素子1のガス検知能力の経時的な変化をより抑制し、たとえば高温高湿環境下に曝された場合に生じる経時的なガス検知感度の劣化をより抑制することができる。なお、導電膜6は、電極3の経路とは異なる経路で電極3を電気的に短絡させないように電極3の少なくとも一部の上面に接続されていればよく、たとえば、電極3の上面からはみ出るように設けられていてもよい。
As described above, the
<第2実施形態>
つぎに、図4および図5を参照して、第2実施形態に係るMEMS型半導体式ガス検知素子100を説明する。以下では、第1実施形態に係るMEMS型半導体式ガス検知素子1と異なる構成(主に導電膜6および絶縁膜8)を中心に説明し、他の共通する構成の説明は省略する。また、図4および図5においては、第1実施形態に係るMEMS型半導体式ガス検知素子1の構成要素と同一の機能を有する構成要素を同じ参照符号で示している。
<Second embodiment>
Next, a MEMS type semiconductor
本実施形態のMEMS型半導体式ガス検知素子100の導電膜6もまた、第1実施形態における導電膜6と同様に、電極3の経路とは異なる(よりも短い)経路で電極3を電気的に短絡させないように、電極3の少なくとも一部の上面に接続される。本実施形態では、導電膜6は、図4および図5に示されるように、電極3の第1の端部領域31および第2の端部領域32に接続されている。これにより、ガス感応部5が第1の端部領域31および第2の端部領域32に電気的に接続することとなり、電極3とガス感応部5との合成抵抗値が、電極3の長さ方向に亘って全体の電気抵抗値とガス感応部5の電気抵抗値との並列合成抵抗値となる。これにより、電極3とガス感応部5との合成抵抗値は、ガス感応部5の電気抵抗値の変化に応じて大きく変化するので、検知対象ガスに対して高い感度を得ることができる。なお、導電膜6は、図示された例では、電極3の第1の端部領域31および第2の端部領域32の上面にのみ接続されている。しかし、導電膜6は、電極3を短絡させないように電極3に接続されていれば、図示された例に限定されることはなく、第1の端部領域31および第2の端部領域32からはみ出るように設けられていてもよい。
Similarly to the
より具体的に説明すると、導電膜6は、本実施形態では、図4および図5に示されるように、第1の端部領域31に接続される第1の導電膜61と、第2の端部領域32に接続される第2の導電膜62とを備えている。第1の導電膜61および第2の導電膜62は、電極3を介して互いに電気的に接続されている以外には、互いに電気的に分離するように設けられている。これによって、導電膜6は、電極3の経路とは異なる経路で電極3を電気的に短絡させない。
To explain more specifically, in this embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the
第1の導電膜61および第2の導電膜62はそれぞれ、図4および図5に示されるように、電極3と接続する電極接続部61a、62aと、ガス感応部5と接続するガス感応部接続部61b、62bとを備えている。電極接続部61a、62aは、ガス感応部5側から電極3(第1の端部領域31および第2の端部領域32)に向かって、後述する絶縁膜8および接着層9に設けられた貫通孔を通って延びるように設けられている。電極接続部61a、62aの一端は、電極3の第1の端部領域31および第2の端部領域32に接続され、電極接続部61a、62aの他端は、ガス感応部接続部61b、62bに接続される。ガス感応部接続部61b、62bは、基板2(本体部221)の表面に沿って、電極接続部61a、62aの電極3との接続面積よりも広く、また電極3の表面積よりも広い面積で面状に広がるように設けられている。ガス感応部接続部61b、62bの一方の面は、ガス感応部5に接続され、ガス感応部接続部61b、62bの他方の面は、電極接続部61a、62aおよび後述する絶縁膜8に接続される。このように、導電膜6の少なくとも一部が、絶縁膜8の上に設けられることにより、電極3を短絡させることなく導電膜6を基板2の表面に沿って面状に広がるように設けることが可能になる。それによって、ガス感応部5と導電膜6との間の接続面積を大きくして、ガス感応部5と導電膜6との間の密着力を向上させ、結果として、電極3とガス感応部5との間の密着性をより向上させることができる。さらに、電極接続部61a、62aの電極3との接続面積よりも広く、また電極3の表面積よりも広い面積を有するガス感応部接続部61b、62bがガス感応部5と接続することで、導電膜6とガス感応部5との導通、ひいては電極3とガス感応部5との導通をより確実に確保することができ、ガス感応部5の抵抗値変化をより確実に検知することができる。さらに、MEMS型半導体式ガス検知素子100のガス検知能力の経時的な変化をより抑制し、たとえば高温高湿環境下に曝された場合に生じる経時的なガス検知感度の劣化をより抑制することができる。ガス感応部接続部61b、62bはそれぞれ、基板2(本体部221)の略半分の面積を有し、略半円状に形成されている。そして、ガス感応部接続部61b、62bは、電極3の第1の端部3aと第2の端部3bとを結ぶ直線Sに沿って互いに対向するように、それぞれの略半円の直線部分同士の間に設けられたギャップGを介して互いに離間して設けられている。
As shown in FIGS. 4 and 5, the first
MEMS型半導体式ガス検知素子100は、図4および図5に示されるように、電極3および導電膜6よりも電気抵抗が大きい絶縁膜8を備えている。絶縁膜8は、導電膜6が電極3の経路とは異なる(よりも短い)経路で電極3を電気的に短絡させないように、電極3の異なる2点間の隙間に形成される。より具体的には、絶縁膜8は、基板2(本体部221)上において電極3が設けられてない領域を充填するように設けられる。これにより、導電膜6による電極3の短絡をより確実に抑制することができるので、検知対象ガスに対してより高い感度を得ることができる。
The MEMS type semiconductor
絶縁膜8は、電極3および導電膜6よりも電気抵抗が大きくなるように形成されていれば、その構成材料は特に限定されることはなく、たとえば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタルなどの絶縁性材料を主成分として構成することができる。本実施形態では、絶縁膜8は、基板2(本体部221)に含まれる絶縁性酸化物の金属元素または半導体元素と同一の金属元素または半導体元素を含む絶縁性酸化物を主成分として構成される。具体的には、たとえば基板2に含まれる絶縁性酸化物が酸化シリコンである場合、絶縁膜8は酸化シリコンを主成分として構成される。基板2に含まれる絶縁性酸化物の金属元素または半導体元素と同一の金属元素または半導体元素を含む絶縁性酸化物を主成分として絶縁膜8が構成されることにより、基板2と絶縁膜8とが互いに馴染みやすく、基板2と絶縁膜8との間の密着性を高めることができる。絶縁膜8の膜厚は、特に限定されることはなく、導電膜6が電極3の経路とは異なる経路で電極3を電気的に短絡させないように、また基板2との密着性を確保できるように適宜設定可能である。
The constituent material of the insulating
絶縁膜8は、電極3および導電膜6よりも電気抵抗が大きくなるように形成することができれば、その形成方法は特に限定されない。本実施形態では、絶縁膜8は、たとえばCVDやスパッタリングなどの公知の成膜技術により形成することができる。絶縁膜8は、CVDやスパッタリングにより形成されることで、塗布などにより形成される場合と比べて、より緻密な膜として形成される。
The method of forming the insulating
絶縁膜8は、上述したように、導電膜6が電極3の経路とは異なる経路で電極3を電気的に短絡させないように、電極3の異なる2点間の隙間に形成されていればよく、その配置は特に限定されない。絶縁膜8は、本実施形態では、図4および図5に示されるように、電極3間の隙間に設けられる電極間絶縁部8aと、(本実施形態では、接着層9を介して)電極3の表面上に設けられる電極表面絶縁部8bとを備えている。電極間絶縁部8aは、電極3間の隙間において、ガス感応部5側から基板2(本体部221)に向かって延びるように設けられている。電極間絶縁部8aの一端は、基板2に接続され、電極間絶縁部8aの他端は、電極表面絶縁部8bに接続される。基板2表面に沿う方向の電極間絶縁部8aの側面は、隣接する電極3の側部に接続される。また、電極表面絶縁部8bは、基板2の表面に沿って面状に広がるように設けられる。電極表面絶縁部8bの一方の面は、ガス感応部5および導電膜6に接続され、電極表面絶縁部8bの他方の面は、(本実施形態では、接着層9を介して)電極3および電極間絶縁部8aに接続される。電極表面絶縁部8bは、電極3の第1の端部領域31および第2の端部領域32に接続される導電膜6の電極接続部61a、62aが貫通するための貫通孔が設けられている以外は、基板2の表面の略全体に亘って面状に広がるように設けられている。
As described above, the insulating
以上に示したように、本実施形態では、図4および図5に示されるように、導電膜6および絶縁膜8は、(本実施形態では、一部において接着層9を介して)電極3を覆うように電極3に接続される。本実施形態では、電極3がヒータ4を兼ねているので、導電膜6および絶縁膜8はまた、ヒータ4を覆うようにヒータ4に接続される。ここで、導電膜6および絶縁膜8を、ガス感応部5よりも緻密であるように形成することで、ガス感応部5でヒータ4を覆う場合と比べて、ヒータ4の昇温時の劣化を抑制することができる。これは、ヒータ4の昇温時にマイグレーションなどの発生が抑制されるためだと考えられる。ヒータ4の熱耐久性を向上させることで、MEMS型半導体式ガス検知素子100の長期使用が可能になる。
As shown above, in this embodiment, as shown in FIGS. 4 and 5, the
以下において、実施例をもとに2つの実施形態のMEMS型半導体式ガス検知素子の優れた効果を説明する。ただし、本発明のMEMS型半導体式ガス検知素子は、以下の実施例に限定されるものではない。 In the following, the excellent effects of the MEMS type semiconductor gas detection elements of two embodiments will be explained based on Examples. However, the MEMS type semiconductor gas sensing element of the present invention is not limited to the following embodiments.
(実施例1)
図1および図2に示されるMEMS型半導体式ガス検知素子1を以下の手順で作製した。まず、公知の微細加工技術により、基板2を作成し、基板2上に導電膜6/電極3(ヒータ4)/接着層9を配線した。その際、接着層9としては、酸化タンタルを用い、電極3(ヒータ4)としては、白金を用い、導電膜6としては酸化スズを用いた。接着層9、電極3(ヒータ4)および導電膜6はそれぞれ、スパッタリングにより形成した。接着層9、電極3(ヒータ4)および導電膜6の膜厚はそれぞれ、20nm、300nmおよび100nmとした。つぎに、アンチモンをドナーとして0.1wt%添加した酸化スズ半導体の微粉体のペーストを、基板2上の接着層9/電極3(ヒータ4)/導電膜6を覆って最大厚さが20μmになるように塗布して、乾燥後、電気炉にて650℃で2時間加熱して焼結することにより、ガス感応部5を形成した。引き続いて、ガス感応部5を被覆するように機能層7を設けた。機能層7は、酸化パラジウムの微粉体を混ぜたアルミナの微粉体のペーストを、ガス感応部5を覆って最大厚さが30μmになるように塗布して、乾燥後、電気炉にて650℃で2時間加熱して焼結することにより形成した。以上のMEMS型半導体式ガス検知素子を、後述する検出感度試験に供した。
(Example 1)
The MEMS type semiconductor
(実施例2)
図4および図5に示されるMEMS型半導体式ガス検知素子100の電極3(ヒータ4)の熱耐久性を評価しやすくするために、MEMS型半導体式ガス検知素子100からガス感応部5および機能層7を除いたサンプルを以下の手順で作製した。まず、公知の微細加工技術により、基板2を作成し、基板2上に接着層9/電極3(ヒータ4)/接着層9を配線した。その際、接着層9としては、酸化タンタルを用い、電極3(ヒータ4)としては、白金を用いた。接着層9および電極3(ヒータ4)はそれぞれ、スパッタリングにより形成した。接着層9および電極3(ヒータ4)の膜厚はそれぞれ、20nmおよび300nmとした。つぎに、公知の微細加工技術により、導電膜6/絶縁膜8を接着層9/電極3(ヒータ4)/接着層9上に配置した。導電膜6としては、酸化スズを用い、絶縁膜8としては、酸化シリコンを用いた。導電膜6は、スパッタリングにより形成し、絶縁膜8は、CVDにより形成した。導電膜6および絶縁膜8の膜厚はそれぞれ、500nmおよび1000nmとした。以上のサンプルを、後述する熱耐久性試験に供した。
(Example 2)
In order to easily evaluate the thermal durability of the electrode 3 (heater 4) of the MEMS type semiconductor
(実施例3)
実施例2のサンプルに以下の手順でガス感応部5および機能層7を設けることで、図4および図5に示されるMEMS型半導体式ガス検知素子100を作製した。アンチモンをドナーとして0.1wt%添加した酸化スズ半導体の微粉体のペーストを、実施例2のサンプルの導電膜6/絶縁膜8を覆って最大厚さが20μmになるように塗布して、乾燥後、電気炉にて650℃で2時間加熱して焼結することにより、ガス感応部5を形成した。引き続いて、ガス感応部5を被覆するように機能層7を設けた。機能層7は、酸化パラジウムの微粉体を混ぜたアルミナの微粉体のペーストを、ガス感応部5を覆って最大厚さが30μmになるように塗布して、乾燥後、電気炉にて650℃で2時間加熱して焼結することにより形成した。以上のMEMS型半導体式ガス検知素子を、後述する検出感度試験および高温高湿耐久性試験に供した。
(Example 3)
A MEMS type semiconductor
(比較例1)
熱耐久性評価の比較例として、図1および図2に示されるMEMS型半導体式ガス検知素子1から導電膜6、ガス感応部5および機能層7を除いたサンプルを以下の手順で作製した。まず、公知の微細加工技術により、基板2を作成し、基板2上に電極3(ヒータ4)/接着層9を配線した。その際、接着層9としては、酸化タンタルを用い、電極3(ヒータ4)としては、白金を用いた。接着層9および電極3(ヒータ4)はそれぞれ、スパッタリングにより形成した。接着層9および電極3(ヒータ4)の膜厚はそれぞれ、20nmおよび300nmとした。以上のサンプルを、後述する熱耐久性試験に供した。
(Comparative example 1)
As a comparative example of thermal durability evaluation, a sample was prepared by removing the
(比較例2)
比較例1のサンプルに以下の手順でガス感応部5および機能層7を設けることで、図1および図2に示されるMEMS型半導体式ガス検知素子1から導電膜6を除いたMEMS型半導体式ガス検知素子を作製した。アンチモンをドナーとして0.1wt%添加した酸化スズ半導体の微粉体のペーストを、比較例1のサンプルの電極3(ヒータ4)/接着層9を覆って最大厚さが20μmになるように塗布して、乾燥後、電気炉にて650℃で2時間加熱して焼結することにより、ガス感応部5を形成した。引き続いて、ガス感応部5を被覆するように機能層7を設けた。機能層7は、酸化パラジウムの微粉体を混ぜたアルミナの微粉体のペーストを、ガス感応部5を覆って最大厚さが30μmになるように塗布して、乾燥後、電気炉にて650℃で2時間加熱して焼結することにより形成した。以上のMEMS型半導体式ガス検知素子を、後述する検出感度試験および高温高湿耐久性試験に供した。
(Comparative example 2)
By providing the
(検出感度試験)
実施例1、3および比較例2のMEMS型半導体式ガス検知素子を、公知のブリッジ回路に組み込んで、検知対象ガスを含む大気環境下でセンサ出力を測定した。検知対象ガスとしては、メタン、エタノール、水素を用いた。
(Detection sensitivity test)
The MEMS type semiconductor gas detection elements of Examples 1 and 3 and Comparative Example 2 were incorporated into a known bridge circuit, and the sensor output was measured in an atmospheric environment containing a gas to be detected. Methane, ethanol, and hydrogen were used as detection target gases.
(高温高湿耐久性試験)
実施例3および比較例2のMEMS型半導体式ガス検知素子を、公知のガス検知器に組み込んで、20℃、60%RHの標準環境および40℃、85%RHの高温高湿環境のそれぞれで放置した後に、メタンに対して所定のセンサ出力に達した際に警報を発するように設定されたガス検知器が警報を発するメタンの濃度を測定した。
(High temperature and high humidity durability test)
The MEMS type semiconductor gas detection elements of Example 3 and Comparative Example 2 were incorporated into a known gas detector and tested in a standard environment of 20°C and 60% RH and in a high temperature and high humidity environment of 40°C and 85% RH. After standing, a gas detector, which was set to issue an alarm when a predetermined sensor output for methane was reached, measured the concentration of methane that would trigger an alarm.
(熱耐久性試験)
実施例2および比較例1のサンプルの電極3(ヒータ4)に所定の電力を投入して、電極3(ヒータ4)が断線するまでの時間(断線寿命)を測定した。
(Thermal durability test)
A predetermined power was applied to the electrode 3 (heater 4) of the samples of Example 2 and Comparative Example 1, and the time until the electrode 3 (heater 4) was disconnected (disconnection life) was measured.
(検出感度試験結果)
実施例1、3および比較例2のMEMS型半導体式ガス検知素子について、メタン、エタノール、水素の濃度を変化させたときのセンサ出力の変化を調べた結果を図7および図8に示す。
(Detection sensitivity test results)
FIGS. 7 and 8 show the results of examining changes in sensor output when changing the concentrations of methane, ethanol, and hydrogen for the MEMS type semiconductor gas sensing elements of Examples 1 and 3 and Comparative Example 2.
図8の比較例2の検出感度試験結果では、メタン、エタノール、水素のそれぞれの濃度の増加に伴ってそれぞれのセンサ出力が増加している。それに対して、図7(a)の実施例1の検出感度試験結果では、図8の比較例2の結果と比べて、いずれのガス濃度でもセンサ出力が増加している。これは、電極3と比較してガス感応部5に対する密着性が高い導電膜6を介して電極3とガス感応部5とが接続されることで、電極3に対するガス感応部5の密着性が高まり、電極3とガス感応部5との間に良好な電気接続が確保されたためだと考えられる。このように、検知対象ガスに対するガス感応部5の検知感度を向上させることで、検知対象ガスがガス感応部5に接触した際に生じるガス感応部5の抵抗値の変化をより正確に検知し、検知対象ガスをより正確に検知することができる。さらに、図7(b)の実施例3の検出感度試験結果では、図8の比較例2の結果と比べて、図7(a)の実施例1の結果よりも、いずれのガス濃度でもセンサ出力が増加している。これは、実施例1よりもガス感応部5と導電膜6との間の接続面積が大きくなって、ガス感応部5と導電膜6との間の密着力がさらに向上し、結果として、電極3とガス感応部5との間の密着性がさらに向上し、電極3とガス感応部5との間にさらに良好な電気接続を確保することができたためだと考えられる。このように、検知対象ガスに対するガス感応部5の検知感度をさらに向上させることで、検知対象ガスがガス感応部5に接触した際に生じるガス感応部5の抵抗値の変化をより正確に検知し、検知対象ガスをより正確に検知することができる。
In the detection sensitivity test results of Comparative Example 2 shown in FIG. 8, the sensor outputs of each of methane, ethanol, and hydrogen increase as their respective concentrations increase. On the other hand, in the detection sensitivity test results of Example 1 shown in FIG. 7A, the sensor output increases at any gas concentration compared to the results of Comparative Example 2 shown in FIG. This is because the electrode 3 and the gas
(高温高湿耐久性試験)
公知のガス検知器に組み込まれた実施例3および比較例2のMEMS型半導体式ガス検知素子について、20℃、60%RHの標準環境および40℃、85%RHの高温高湿環境のそれぞれに放置したときの、ガス検知器が警報を発するメタンの濃度の経時変化を調べた結果を図9および図10に示す。ガス検知器は、所定のセンサ出力が得られたときに警報を発するように設定されているので、ガス検知器が警報を発するメタンの濃度の経時変化は、MEMS型半導体式ガス検知素子のメタンに対する検知感度の経時変化を表している。たとえば、ガス検知器が警報を発するメタンの濃度が高ければ高いほど、MEMS型半導体式ガス検知素子のメタンに対する検知感度が低いことを示している。
(High temperature and high humidity durability test)
The MEMS type semiconductor gas sensing elements of Example 3 and Comparative Example 2 incorporated into known gas detectors were tested in a standard environment of 20°C and 60% RH and in a high temperature and high humidity environment of 40°C and 85% RH. Figures 9 and 10 show the results of examining changes over time in the concentration of methane that causes the gas detector to issue an alarm when the gas detector is left unattended. The gas detector is set to issue an alarm when a predetermined sensor output is obtained, so the change over time in the methane concentration that causes the gas detector to issue an alarm is based on the methane concentration of the MEMS semiconductor gas detection element. It shows the change in detection sensitivity over time. For example, the higher the concentration of methane at which the gas detector issues an alarm, the lower the detection sensitivity of the MEMS semiconductor gas detection element to methane.
20℃、60%RHの標準環境に実施例3および比較例2のMEMS型半導体式ガス検知素子を放置した結果(図9)では、実施例3(図9(a))および比較例2(図9(b))ともに、経過日数の増加に伴って、わずかにメタン濃度が低下する(メタン検知感度が増加する)傾向が見られるものの、メタン濃度(メタン検知感度)は概してほぼ一定である。それに対して、40℃、85%RHの高温高湿環境に実施例3および比較例2のMEMS型半導体式ガス検知素子を放置した結果(図10)では、比較例2(図10(b))において、経過日数の増加に伴って、メタン濃度が大幅に増加している(メタン検知感度が大幅に低下している)のに対して、実施例3(図10(a))において、メタン濃度の増加(メタン検知感度の低下)が抑制されている。つまり、実施例3では、高温高湿環境下に曝された場合に生じる経時的なガス検知感度の劣化が抑制されている。これは、電極3と比較してガス感応部5に対する密着性が高い導電膜6を介して電極3とガス感応部5とが接続されることで、電極3に対するガス感応部5の密着性が高まり、電極3とガス感応部5との間に良好な電気接続が確保されたためだと考えられる。
The results of leaving the MEMS type semiconductor gas sensing elements of Example 3 and Comparative Example 2 in a standard environment of 20°C and 60% RH (Fig. 9) show that Example 3 (Fig. 9(a)) and Comparative Example 2 ( In both cases (Figure 9(b)), there is a tendency for the methane concentration to slightly decrease (methane detection sensitivity increases) as the number of days elapsed, but the methane concentration (methane detection sensitivity) generally remains almost constant. . On the other hand, the results of leaving the MEMS type semiconductor gas sensing elements of Example 3 and Comparative Example 2 in a high temperature and high humidity environment of 40°C and 85% RH (Fig. 10) show that Comparative Example 2 (Fig. 10(b) ), the methane concentration increased significantly (methane detection sensitivity decreased significantly) as the number of days elapsed, whereas in Example 3 (Figure 10(a)), the methane concentration increased significantly as the number of days elapsed. Increase in concentration (decrease in methane detection sensitivity) is suppressed. In other words, in Example 3, deterioration in gas detection sensitivity over time that occurs when exposed to a high temperature and high humidity environment is suppressed. This is because the electrode 3 and the gas
(熱耐久性試験結果)
実施例2および比較例1のサンプルの電極3(ヒータ4)に所定の電力を投入して、電極3(ヒータ4)が断線するまでの時間(断線寿命)を測定した結果を図11に示す。図11では、実施例2および比較例1ともに、投入電力の増加に伴って断線寿命が短くなっているが、比較例1と比べて実施例2の方が、断線寿命が大幅に長くなっている。これは、緻密な導電膜6および絶縁膜8がヒータ4を覆うようにヒータ4に接続されたことで、ヒータ4の昇温時にマイグレーションなどの発生が抑制されたためだと考えられる。このように、緻密な導電膜6および絶縁膜8がヒータ4を覆うようにヒータ4に接続して、ヒータ4の熱耐久性を向上させることで、MEMS型半導体式ガス検知素子100の長期使用が可能になる。
(Thermal durability test results)
Figure 11 shows the results of measuring the time until the electrode 3 (heater 4) breaks (breakage life) by applying a predetermined power to the electrode 3 (heater 4) of the samples of Example 2 and Comparative Example 1. . In Figure 11, in both Example 2 and Comparative Example 1, the disconnection life becomes shorter as the input power increases, but the disconnection life is significantly longer in Example 2 than in Comparative Example 1. There is. This is considered to be because the dense
1、100 MEMS型半導体式ガス検知素子
2 基板
21 基板本体
21a 凹部
22 絶縁支持膜
22a 酸化シリコン膜
22b 窒化シリコン膜
22c 酸化シリコン膜
221 本体部
221a 第1の領域
221b 第2の領域
222 基部
223 接続部
23 空洞部
3 電極
3a 第1の端部
3b 第2の端部
3c 第1の近接部
3d 第2の近接部
31 第1の端部領域
32 第2の端部領域
33 本体領域
331 第1の本体領域
332 第2の本体領域
333 中間領域
4 ヒータ
5 ガス感応部
6 導電膜
61 第1の導電膜
61a 電極接続部
61b ガス感応部接続部
62 第2の導電膜
62a 電極接続部
62b ガス感応部接続部
7 機能層
8 絶縁膜
8a 電極間絶縁部
8b 電極表面絶縁部
9 接着層
A 集積部
G ギャップ
L1 一方のリード線
L2 他方のリード線
S 第1の端部と第2の端部とを結ぶ直線
1, 100 MEMS semiconductor
Claims (7)
前記基板に設けられる電極であって、一方のリード線に接続される第1の端部と他方のリード線に接続される第2の端部とを結ぶ経路に沿って延びる電極と、
前記基板に設けられるヒータと、
前記電極に電気的に接続し、前記ヒータに熱的に接続するように前記基板に設けられるガス感応部と
を備えるMEMS型半導体式ガス検知素子であって、
前記電極と比較して前記ガス感応部に対する密着性が高く、前記電極と前記ガス感応部とを接続する導電膜を備え、
前記導電膜は、前記電極の経路とは異なる経路で前記電極を電気的に短絡させないように、前記電極の少なくとも一部の上面に接続され、
前記導電膜は、前記ガス感応部に含まれる金属酸化物半導体の金属元素と同一の金属元素を含む金属酸化物半導体を主成分として形成される、
MEMS型半導体式ガス検知素子。 A substrate and
an electrode provided on the substrate , the electrode extending along a path connecting a first end connected to one lead wire and a second end connected to the other lead wire;
a heater provided on the substrate;
A MEMS type semiconductor gas sensing element comprising a gas sensitive section provided on the substrate so as to be electrically connected to the electrode and thermally connected to the heater,
comprising a conductive film that has higher adhesion to the gas sensitive part than the electrode and connects the electrode and the gas sensitive part,
The conductive film is connected to an upper surface of at least a portion of the electrode so as not to electrically short-circuit the electrode through a path different from a path of the electrode ,
The conductive film is formed mainly of a metal oxide semiconductor containing the same metal element as the metal element of the metal oxide semiconductor included in the gas sensitive part.
MEMS type semiconductor gas detection element.
前記絶縁膜は、前記導電膜が前記電極の経路とは異なる経路で前記電極を電気的に短絡させないように、前記電極の異なる2点間の隙間に形成される、
請求項1に記載のMEMS型半導体式ガス検知素子。 The MEMS type semiconductor gas sensing element includes an insulating film having a higher electrical resistance than the electrode and the conductive film,
The insulating film is formed in a gap between two different points of the electrode so that the conductive film does not electrically short-circuit the electrode in a path different from the path of the electrode.
The MEMS type semiconductor gas sensing element according to claim 1 .
請求項2に記載のMEMS型半導体式ガス検知素子。 at least a portion of the conductive film is provided on the insulating film;
The MEMS type semiconductor gas sensing element according to claim 2 .
前記導電膜は、前記第1の端部領域および前記第2の端部領域に接続される、
請求項1~3のいずれか1項に記載のMEMS型半導体式ガス検知素子。 The electrode has a first end region including a first end connected to one lead wire, and a second end region including a second end connected to the other lead wire; a body region extending between the first end region and the second end region and connecting the first end region and the second end region;
the conductive film is connected to the first end region and the second end region;
The MEMS type semiconductor gas sensing element according to any one of claims 1 to 3 .
前記導電膜および前記絶縁膜は、前記ガス感応部よりも緻密であり、
前記導電膜および前記絶縁膜は、前記ヒータを覆うように前記ヒータに接続される、
請求項2または3に記載のMEMS型半導体式ガス検知素子。 The electrode also serves as the heater,
The conductive film and the insulating film are denser than the gas sensitive part,
the conductive film and the insulating film are connected to the heater so as to cover the heater;
The MEMS type semiconductor gas sensing element according to claim 2 or 3 .
前記基板に設けられる電極であって、一方のリード線に接続される第1の端部と他方のリード線に接続される第2の端部とを結ぶ経路に沿って延びる電極と、an electrode provided on the substrate, the electrode extending along a path connecting a first end connected to one lead wire and a second end connected to the other lead wire;
前記基板に設けられるヒータと、a heater provided on the substrate;
前記電極に電気的に接続し、前記ヒータに熱的に接続するように前記基板に設けられるガス感応部とa gas sensitive section provided on the substrate so as to be electrically connected to the electrode and thermally connected to the heater;
を備えるMEMS型半導体式ガス検知素子であって、A MEMS type semiconductor gas sensing element comprising:
前記電極と比較して前記ガス感応部に対する密着性が高く、前記電極と前記ガス感応部とを接続する導電膜を備え、comprising a conductive film that has higher adhesion to the gas sensitive part than the electrode and connects the electrode and the gas sensitive part,
前記導電膜は、前記電極の経路とは異なる経路で前記電極を電気的に短絡させないように、前記電極の少なくとも一部の上面に接続され、The conductive film is connected to an upper surface of at least a portion of the electrode so as not to electrically short-circuit the electrode through a path different from a path of the electrode,
前記MEMS型半導体式ガス検知素子が、前記電極および前記導電膜よりも電気抵抗が大きい絶縁膜を備え、The MEMS type semiconductor gas sensing element includes an insulating film having a higher electrical resistance than the electrode and the conductive film,
前記絶縁膜は、前記導電膜が前記電極の経路とは異なる経路で前記電極を電気的に短絡させないように、前記電極の異なる2点間の隙間に形成される、The insulating film is formed in a gap between two different points of the electrode so that the conductive film does not electrically short-circuit the electrode in a path different from the path of the electrode.
MEMS型半導体式ガス検知素子。MEMS type semiconductor gas detection element.
前記基板に設けられる電極であって、一方のリード線に接続される第1の端部と他方のリード線に接続される第2の端部とを結ぶ経路に沿って延びる電極と、an electrode provided on the substrate, the electrode extending along a path connecting a first end connected to one lead wire and a second end connected to the other lead wire;
前記基板に設けられるヒータと、a heater provided on the substrate;
前記電極に電気的に接続し、前記ヒータに熱的に接続するように前記基板に設けられるガス感応部とa gas sensitive section provided on the substrate so as to be electrically connected to the electrode and thermally connected to the heater;
を備えるMEMS型半導体式ガス検知素子であって、A MEMS type semiconductor gas sensing element comprising:
前記電極と比較して前記ガス感応部に対する密着性が高く、前記電極と前記ガス感応部とを接続する導電膜を備え、comprising a conductive film that has higher adhesion to the gas sensitive part than the electrode and connects the electrode and the gas sensitive part,
前記導電膜は、前記電極の経路とは異なる経路で前記電極を電気的に短絡させないように、前記電極の少なくとも一部の上面に接続され、The conductive film is connected to the top surface of at least a portion of the electrode so as not to electrically short-circuit the electrode through a path different from the path of the electrode,
前記電極が、一方のリード線に接続される第1の端部を含む第1の端部領域と、他方のリード線に接続される第2の端部を含む第2の端部領域と、前記第1の端部領域と前記第2の端部領域との間に延び、前記第1の端部領域と前記第2の端部領域とを接続する本体領域とを備え、The electrode has a first end region including a first end connected to one lead wire, and a second end region including a second end connected to the other lead wire; a body region extending between the first end region and the second end region and connecting the first end region and the second end region;
前記導電膜は、前記第1の端部領域および前記第2の端部領域に接続される、the conductive film is connected to the first end region and the second end region;
MEMS型半導体式ガス検知素子。MEMS type semiconductor gas detection element.
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