JP7421442B2 - Mems型半導体式ガス検知素子 - Google Patents
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Description
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のヒータ4(電極3)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1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/ヒータ4(電極3)/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、ヒータ4(電極3)としては、白金を用いた。接着層9およびヒータ4(電極3)はそれぞれ、スパッタリングにより形成した。接着層9およびヒータ4(電極3)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、第1の緻密膜6/第2の緻密膜8を接着層9/ヒータ4(電極3)/接着層9上に配置した。第1の緻密膜6としては、酸化スズを用い、第2の緻密膜8としては、酸化シリコンを用いた。第1の緻密膜6は、スパッタリングにより形成し、第2の緻密膜8は、CVDにより形成した。第1の緻密膜6および第2の緻密膜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。
実施例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1のサンプルの第1の緻密膜6/第2の緻密膜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。
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から第1の緻密膜6、第2の緻密膜8、上層の接着層9、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上にヒータ4(電極3)/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、ヒータ4(電極3)としては、白金を用いた。接着層9およびヒータ4(電極3)はそれぞれ、スパッタリングにより形成した。接着層9およびヒータ4(電極3)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。
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から第1の緻密膜6、第2の緻密膜8および上層の接着層9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のサンプルのヒータ4(電極3)/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。
実施例1および比較例1のサンプルのヒータ4に所定の電力を投入して、ヒータ4が断線するまでの時間(断線寿命)を測定した。
実施例2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。
実施例2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。
実施例1および比較例1のサンプルのヒータ4に所定の電力を投入して、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4に示す。図4では、実施例1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1の方が、断線寿命が大幅に長くなっている。これは、第1の緻密膜6および第2の緻密膜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、第1の緻密膜6および第2の緻密膜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1の長期使用が可能になる。
実施例2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5に示す。
公知のガス検知器に組み込まれた実施例2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6および図7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。
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 第1の緻密膜
61 第1の緻密部
61a ヒータ(電極)接続部
61b ガス感応部接続部
62 第2の緻密部
62a ヒータ(電極)接続部
62b ガス感応部接続部
7 機能層
8 第2の緻密膜
8a ヒータ(電極)間緻密部
8b ヒータ(電極)表面緻密部
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
Claims (7)
- 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MEMS型半導体式ガス検知素子が、前記ガス感応部よりも緻密な第1の緻密膜および第2の緻密膜を備え、
前記第1および第2の緻密膜が、前記ヒータと前記ガス感応部とを熱的に接続し、
前記第1および第2の緻密膜が、前記ヒータを覆うように前記ヒータに熱的に接続され、
前記第1の緻密膜が、前記第2の緻密膜と比較して前記ガス感応部に対する密着性が高く、
前記第2の緻密膜が、前記第1の緻密膜と比較して前記基板に対する密着性が高く、
前記第1の緻密膜が、前記ガス感応部に直接接続され、
前記第2の緻密膜が、前記基板に直接接続され、
前記第1の緻密膜が、前記ヒータの少なくとも一部の上面に直接接続される、
MEMS型半導体式ガス検知素子。 - 前記第1の緻密膜が、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構成され、
前記第2の緻密膜が、前記基板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、
請求項1に記載のMEMS型半導体式ガス検知素子。 - 前記第1の緻密膜の少なくとも一部が、前記第2の緻密膜の上に設けられる、
請求項1または2に記載のMEMS型半導体式ガス検知素子。 - 前記ヒータが、前記電極を兼ねており、
前記ヒータが、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、
前記第1の緻密膜が、前記ガス感応部よりも電気抵抗が小さく、導電性を有し、
前記第2の緻密膜が、前記ガス感応部よりも電気抵抗が大きく、絶縁性を有し、
前記第1および第2の緻密膜は、前記ヒータの経路とは異なる経路で前記ヒータを電気的に短絡させないように、前記ヒータに電気的に接続される、
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。 - 前記ヒータが、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、
前記第1の緻密膜は、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1~4のいずれか1項に記載のMEMS型半導体式ガス検知素子。 - 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MEMS型半導体式ガス検知素子が、前記ガス感応部よりも緻密な第1の緻密膜および第2の緻密膜を備え、
前記第1および第2の緻密膜が、前記ヒータと前記ガス感応部とを熱的に接続し、
前記第1および第2の緻密膜が、前記ヒータを覆うように前記ヒータに熱的に接続され、
前記第1の緻密膜が、前記第2の緻密膜と比較して前記ガス感応部に対する密着性が高く、
前記第2の緻密膜が、前記第1の緻密膜と比較して前記基板に対する密着性が高く、
前記第1の緻密膜が、前記ガス感応部に直接接続され、
前記第2の緻密膜が、前記基板に直接接続され、
前記ヒータが、前記電極を兼ねており、
前記ヒータが、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、
前記第1の緻密膜が、前記ガス感応部よりも電気抵抗が小さく、導電性を有し、
前記第2の緻密膜が、前記ガス感応部よりも電気抵抗が大きく、絶縁性を有し、
前記第1および第2の緻密膜は、前記ヒータの経路とは異なる経路で前記ヒータを電気的に短絡させないように、前記ヒータに電気的に接続される、
MEMS型半導体式ガス検知素子。 - 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MEMS型半導体式ガス検知素子が、前記ガス感応部よりも緻密な第1の緻密膜および第2の緻密膜を備え、
前記第1および第2の緻密膜が、前記ヒータと前記ガス感応部とを熱的に接続し、
前記第1および第2の緻密膜が、前記ヒータを覆うように前記ヒータに熱的に接続され、
前記第1の緻密膜が、前記第2の緻密膜と比較して前記ガス感応部に対する密着性が高く、
前記第2の緻密膜が、前記第1の緻密膜と比較して前記基板に対する密着性が高く、
前記第1の緻密膜が、前記ガス感応部に直接接続され、
前記第2の緻密膜が、前記基板に直接接続され、
前記ヒータが、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、
前記第1の緻密膜は、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、
MEMS型半導体式ガス検知素子。
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