JPH053894B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は雰囲気中にガスが存在することを検知
するガス検出装置に関するものであつて、更に詳
細には、LPガスや都市ガスのガス漏れ警報器と
して適用するのに適したガス検出装置に関するも
のである。

従来技術 従来、ガス検出装置として、金属酸化物半導体
の内部に電極と、電極を兼ねたヒータコイルを内
蔵し、ヒータコイルにより加熱した金属酸化物半
導体の抵抗値が表面でのガス吸着によつて下がる
ことを利用したものがあるが、消費電力が大きく
乾電池駆動には適さないという問題があつた。

この点を改良すべく、架橋構造や片持梁構造等
の空中に張り出させた張り出し部を設け、熱容量
を可乃的に最小として、応答特性を上げ、且つ消
費電力を低下させる試みが成されているが、構造
が比較的に複雑である為に製造上の困難性がある
とか歩留まりが悪いとかの欠点が存在する場合が
多く、必ずしも満足のいくものとは言いがたかつ
た。

目 的 本発明は、以上の点に鑑みなされたものであつ
て、消費電力を最小とすると共に、ガス検出感度
が高く、耐久性を有すると共に、構造が簡単であ
り、従つて容易に且つ高歩留まりを持つて製造す
ることの可能なガス検出装置を提供することを目
的とする。

構 成 本発明は、上述した如き目的を達成することの
可能なガス検出装置を提供するものであり、構成
上、基板、前記基板上に空中に張り出して設けら
れ電気的絶縁性材料からなる張り出し部、前記張
り出し部上に設けられており検出領域において互
いに所定距離離隔して設けた少なくとも一対の検
出用のリード、前記張り出し部上に略前記検出用
リードと並置して設けられた少なくとも１個のヒ
ータリード、前記検出領域を除いて前記検出用リ
ードとヒータリードとを夫々独立的に被覆し互い
に電気的に分離する電気的絶縁性材料からなる被
覆層、前記検出領域において前記少なくとも一対
の検知用リードの夫々に接触して設けられたガス
感応物質層、を有しており、前記ガス感応物質層
がガスと接触反応することによりその抵抗値変化
としてガス検出を行なうことを特徴とするもので
ある。即ち、本発明のガス検出装置においては、
張り出し部上に大略並置関係に検出用リードとヒ
ータリードとを設け、夫々のリードを別々に電気
的絶縁性材料からなる被覆層で被覆して検出用リ
ードとヒータリードとを電気的に互いに分離する
ことを特徴としている。

以下、添付の図面を参考に、本発明の具体的な
実施の態様に付いて詳細に説明する。

第１図は、本発明の１実施例を示したガス検出
装置１０の平面図であつて、略正方形の形状をし
た基板１の上に一体的に構成されている。図示し
た如く、基板１の左上角部及び右下角部には台座
部１ｂ，１ｂが形成されており基板１の他の部分
に凹所１ａを形成している。これらの台座部１
ｂ，１ｂ間に架橋して電気的絶縁性材料からなる
ブリツジ３が形成されており、空中に張り出した
架橋構造を構成している。尚、後述する如く、本
実施例における架橋構造は、基板１を非等方的に
エツチングして基板１を選択的に除去することに
よつて構成する。

ブリツジ３上には一対の検出用リード５ａ，５
ｂが端部を互いに対向させ且つ所定距離離隔して
配設されており、その対向領域部分には所定の半
導体材料からなるガス検出層７が形成されており
ガス検出領域を画定している。ガス検出層７は検
出用リード５ａ及び５ｂの対向端部に夫々接触し
て設けられており、後述する如く、ガスの吸着に
よりその抵抗値が変化し、その変化を検出するこ
とによつてガスの検出を行なう。検出用リード５
ａ，５ｂは互いに反対方向へブリツジ３上を延在
しており、夫々の台座１ｂ，１ｂ上に絶縁層を介
して設けられている検出用電極９ａ，９ｂに接続
されている。

ブリツジ３上には検出用リード５ａ，５ｂと並
列的に延在してヒータリード８ｃが設けられてお
り、台座部１ｂ，１ｂ上に夫々設けられているヒ
ータ用電極８ａ，８ｂに接続されている。このヒ
ータリード８ｃには、後述する如く、好適にはパ
ルス状の電流を印加させて検出用半導体層７を加
熱しその抵抗値を低下させガス検出の精度を向上
させる。尚、本実施例においては、ガス検出領域
を除いて検出用リード５ａ，５ｂとヒータリード
８ｃは電気的絶縁性の材料からなる被覆層で完全
に被覆されており、ブリツジ３上において検出用
リード５ａ，５ｂとヒータリード８ｃとはこの被
覆層によつて電気的に分離されている。従つて、
リード間の漏れ電流は最小とされ、且つエレクト
ロマイグレーシヨン等も積極的に防止することが
可能となるので夫々のリードの寿命が長くなる。

第２図は第１図の実施例の駆動方法を示した概
略図である。図示した如く、電極８ａと８ｂ間に
パルス駆動回路１１ａからパルス電圧1.5乃至３
Ｖが印加されると、ブリツジ３上のヒータリード
８ｃが発熱し、被覆絶縁層を介して半導体層７を
加熱する。従つて、半導体層７の抵抗値は１乃至
２桁低下する。この状態で、ガス検出用の半導体
層７にガスが吸着すると、例えば0.4％の濃度の
イソブタンガスの場合、半導体層７の抵抗値は更
に２桁程度低下する。電極９ａ及び９ｂには、負
荷抵抗Ｒの検出用電源（DC又はパルス電源1.5乃
至3V）１１ｂが直列して接続されている。従つ
て、半導体層７の抵抗値変化による電流変化は負
荷抵抗Ｒの両端での電圧変動として検出される。

以上の如き構成において、本発明では、検出用
リードとヒータリードとが絶縁性のブリツジ上に
大略並設して設けられており且つ各リードは被覆
絶縁層によつて被覆されているのでリード間の漏
れ電流は略完全に解消することが出来る為検出信
号電圧に混入せず、検出を容易にすることが可能
である。又、ガス検出時以外は、半導体層７の抵
抗値がメガオーム乃至キロオームのオーダであ
り、極僅かの電流しか流れず、ガス検出装置１０
において消費される消費電流の80乃至90％はヒー
タリード８ｃで消費される。本発明によれば、ヒ
ータリード８ｃは絶縁層によつて完全に被覆され
るので、漏れ電流は最小とされ且つ半導体に過剰
の電流が加わつて発生する性能の劣化が防止され
る。

次に、第１図に示したガス検出装置１０の製造
方法の１例を第３ａ図乃至第３ｇ図を参考に詳細
に説明する。

第３ａ図に示した如く、基板１は、アンダーカ
ツトエツチングが容易で、高温度（500℃の加熱
を数〜10時間）で変形変質しない材料、例えば
Si，Al，Cu，Ni，Cr等を使用する。本実施例で
は、Si（100）を使用する。（100）面を使用するの
は、アンダーカツトする際に公知の異方性エツチ
ングにより行なう為である。基板１の外径寸法は
１乃至４mm角で0.1乃至１mmの厚さとする良い。

第３ａ図は、本製造過程の出発物質としての基
板１の上に所要の材料を多層積層して形成してあ
り、以下、これらの各層に付いて説明する。

４ａはヒータリード８ｃを支持し、電極間の絶
縁を行なう為の絶縁耐熱層である。耐熱性があり
絶縁性が高くヒータ材料と線膨張率の近い材料、
例えばSiO₂，Al₂O₃，MgO，Si₃N₄，Ta₂O₅等を
使用する。本実施例では、SiO₂を公知のRFスパ
ツタリング（Ar圧力0.1乃至0.1Torr，投入電力
密度１乃至10W／cm²、基板温度350乃至400℃）に
より、0.3乃至２ミクロンの厚さに形成している。

４ｃはヒータ材料層４ｂと絶縁耐熱層４ａとの
密着性を高める拡散層である。基板１と絶縁耐熱
層４ａ双方のエツチング液に耐久性を持つ材料、
例えばMo，Cr，Ni，Tiを使用する。本実施例
では、MoをRFスパツタリング（上述のRFスパ
ツタリングと同一の条件による）により300乃至
800Åの厚さに形成している。

４ｂはヒータ材料層である。長期間安定な材料
であるPt，SiC，NiCr，PtIr，PtRh等を使用す
る。本実施例では、PtをRFスパツタリング（上
述と同一条件）により0.3乃至２ミクロンの厚さ
に形成している。

４ｄはエツチング用レジスト層である。本実施
例では、SiO₂をRFスパツタリング（上述と同一
の条件）により0.5乃至１ミクロンの厚さに形成
している。尚、４ｄは４ｃ，４ｂ，４ｃと選択的
エツチングが可能である材料及び条件でなければ
ならない。即ち、４ｃ，４ｂ，４ｃがウエツトエ
ツチングによりパターン化出来る材料である
TaN₂やNiCrの場合には、４ｄはホトレジストで
良く、一方、ドライエツチングによりパターン化
出来る材料であるPtやSiC等の場合には、４ｄは
ホトレジストとし、ホトレジストがドライエツチ
ングに耐えられない場合には、SiO₂やMgOをホ
トエツチングしてドライエツチングレジストとし
て用いると良い、本実施例では、４ｂをPtに選
び、４ｄをホトレジスト若しくはSiO₂とし、ス
パツタエツチング若しくはCCl₄（＋O₂）プラズマ
エツチングで４ｃ，４ｂ，４ｃのパターニングを
行なう。

以上の過程は、全て連続工程処理が可能である
為、膜間の界面が清浄であり、膜と膜との密着性
に優れ信頼性が高いと同時に、大量生産に適して
いる。又、上述した過程におけるRFスパツタリ
ングが全て基板温度が350乃至400℃の条件で行な
われるのは、基板加熱により膜が緻密になりヒー
タ材料の抵抗値の経時変動が小さくなるという利
点が他に、350乃至400℃がガス検出装置のガス検
出動作温度である為に、動作時に膜に働くストレ
スが最小となり、信頼性を向上させることが可能
となる。

次いで、ホトレジスト又はSiO₂からなる膜４
ｄを公知のホトリソグラフイ技術でホトエツチン
グする。エツチング液は緩衝フツ酸（HF＋
NH₄F）を用いる。この様にエツチングした後の
状態を第３ｂ図に示してある。次いで、残存する
４ｄをマスクとして使用して、その下側に存在す
る層４ｃ，４ｄ及び４ｃを公知のドライエツチン
グによつてエツチングする。本実施例では、Ar
スパツタエツチング（Ar圧力0.1乃至0.01Torr、
投入電力密度１乃至10W／cm²、基板温度は常温）
を用いることが可能であるが、その他にCF₄＋O₂
プラズマエツチングを使用することも可能であ
る。その結果得られる構成を第３ｃ図に示してあ
る。この状態において、検出用リード５とヒータ
リード８ｃ及び電極８及び９が同時に形成されて
いる。

次いで、第３ｄ図に示した如く、構成体上に絶
縁層４ｅを被着形成させる。本実施例では、
SiO₂を付着形成させている。これより、検出用
リードとヒータリードとは夫々別々に絶縁層で取
り囲まれることとなり互いに電気的に分離され
る。次いで、絶縁層４ｅをパターニングして、第
３ｅ図に示した如く、開口１２ａ乃至１２ｃを開
ける。後で理解される如く、開口１２ａ及び１２
ｂは基板１をアンダーカツトエツチングする為の
ものであり、一方開口１２ｃはガス検出領域を画
定すると共に検出用リード間に接続して半導体層
７を形成する為である。

次いで、開口１２ａ及び１２ｂを利用して、基
板１のアンダーカツトエツチングを行ない、第３
ｆ図に示した如く、基板１内に凹所１ａを形成す
ることによつてブリツジ３を形成する。次いで、
第３ｇ図に示した如く、ガス検出領域にガス検出
用の半導体層７を付着形成して、製造工程を完了
する。本発明においては、金属酸化物半導体を使
用し、例えば、SnO₂，Fe₂O₃，ZnO等を蒸着やス
パツタリング等の方法で0.3乃至ミクロンの厚さ
にコーテイングする。一方、金属酸化物半導体の
微粉末を、水とアルコールで分散スピンコーテイ
ングしても良い。尚、第４図は、第１図の装置を
ブリツジ３の長手軸方向に沿つて取つた断面を示
している。

以上の説明から明らかな如く、本装置において
は、検出用リード５とヒータリード８ｃとは電気
的に完全に分離されており、ヒータリード８ｃか
らの漏れ電流は最小とすることが可能である。
又、ヒータリード８ｃの表面は耐熱性耐強度の大
きいセラミツクで完全に包囲されて保護されてお
り、特性が安定化され長寿命化が図られている。

第５図は、本発明の別の実施例を示しており、
このガス検出装置２０において、ブリツジ２３上
に２本のヒータリード２８ｃ及び２８c′が平行し
て而も検出用リード２５ａ及び２５ｂの両側に配
設して設けられている。尚、本実施例において前
述した第１実施例における構成要素に対応するも
のには「20」を加算した参照符号で示してある。

第７図は、本発明の更に別の実施例を示してお
り、これは前述した実施例の場合には架橋構造と
したのちに対して、片持梁構造とした場合であ
る。即ち、本実施例のガス検出装置３０は、空中
に張り出す部分としてのブリツジ３３を有してい
るが、このブリツジ３３は架橋構造ではなく、片
持梁構造である。従つて、基板３１には右下角部
にのみ台座部３１ｂが形成されており、片持梁状
のブリツジ３３はそこから空中に張り出して延在
している。ブリツジ３３上には、ヒータリード３
８ｃと検出用リード３５ａ及び３５ｂが並設して
設けられており、検出用リード３５ａと３５ｂと
は離隔して並設されており、その先端部間に接続
してガス検出用の半導体層３７が形成されてい
る。本実施例では、ヒータリード３８ｃは検出用
リード３５ａ及び３５ｂを取りまく様に設けられ
ている。尚、第８図は第７図の装置の片持梁ブリ
ツジ３３の長手方向に沿つての断面を示してい
る。第７図及び第８図においては、第１実施例と
対応する構成要素には「30」を加算した参照符号
で示してある。

第９図は、本発明の更に別の実施例を示してお
り、第７図からの変形例である。即ち、第９図の
ガス検出装置４０は、基本的に第７図のものと同
一の構成であるが、検出用リード４５ａ及び４５
ｂとヒータリード４８ｃとの配置関係が異なつて
いる。即ち、本実施例では、検出用リード４５ａ
及び４５ｂはヒータリード４８ｃの外側に設けら
れておりそれを取りまいた状態となつている。

効 果 以上詳説した如く、本発明によれば、検出用リ
ードとヒータリードとは同一面上に互いに大略並
置関係を持つて構成されており、且つ絶縁層によ
つて別々に被覆されて電気的に完全に分離されて
いる。従つて、検出用リードとヒータリードとを
同一のパターニング工程で形成することが可能で
あり、構成が簡単化されると共に製造が容易であ
る。又、検出用リード及びヒータリードは絶縁層
で別々に被覆されており、リード間の漏れ電流は
最小とされ、且つリードの特性は安定化されてい
る。以上、本発明の具体的実施の態様に付いて詳
細に説明したが、本発明はこれら具体例にのみ限
定されるべきものでは無く、本発明の技術的範囲
を逸脱すること無しに種々の変形が可能であるこ
とは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明ガス検出装置のブリツジを架橋
構造とした場合の１実施例を示した平面概略図、
第２図は第１図の装置の駆動回路を示した説明
図、第３ａ図乃至第３ｇ図は第１図の装置の製造
方法の１例における各段階を示した各断面図、第
４図は第１図の装置のブリツジ３の長手方向に沿
つての断面図、第５図は本発明ガス検出装置の別
の実施例を示した平面概略図、第６図はその断面
図、第７図は本発明ガス検出装置のブリツジを片
持梁構造とした場合の１実施例を示した平面概略
図、第８図はその断面図、第９図はその変形例を
示した平面概略図、である。 （符号の説明）、１：基板、３：ブリツジ、４
ｅ：被覆絶縁層、５ａ，５ｂ：検出用リード、８
ｃ：ヒータリード、７：半導体層。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 基板、前記基板上に空中に張り出して設けら
   れ電気的絶縁性材料からなる張り出し部、前記張
   り出し部上に設けられており検出領域において互
   いに所定距離離隔して設けた少なくとも一対の検
   出用リード、前記張り出し部上に略前記検出用リ
   ードと並置して設けられた少なくとも１個のヒー
   タリード、前記検出領域を除いて前記検出用リー
   ドとヒータリードとを夫々独立的に被覆し互いに
   電気的に分離する電気的絶縁性材料からなる被覆
   層、前記検出領域において前記少なくとも一対の
   検知用リードの夫々に接触して設けられたガス感
   応物質層、を有しており、前記ガス感応物質層が
   ガスと接触反応することによりその抵抗値変化と
   してガス検出を行なうことを特徴とするガス検出
   装置。 ２ 特許請求の範囲第１項において、前記張り出
   し部が架橋構造であることを特徴とするガス検出
   装置。 ３ 特許請求の範囲第１項において、前記張り出
   し部が片持ち梁構造であることを特徴とするガス
   検出装置。 ４ 特許請求の範囲第１項乃至第３項の内の何れ
   か１項において、前記ガス感応物質層が金属酸化
   半導体で構成されてることを特徴とするガス検出
   装置。