JPH10111264A - ガスセンサ - Google Patents
ガスセンサInfo
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- JPH10111264A JPH10111264A JP26304596A JP26304596A JPH10111264A JP H10111264 A JPH10111264 A JP H10111264A JP 26304596 A JP26304596 A JP 26304596A JP 26304596 A JP26304596 A JP 26304596A JP H10111264 A JPH10111264 A JP H10111264A
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- gas sensor
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 間欠駆動による温度変動に対して耐久性が高
く、使用時間が長いガスセンサを提供する。 【解決手段】 ガスセンサ２は、基板４の上面に絶縁膜
６を設け、絶縁膜６の上にヒータ８、保護膜１０、電極
１２、ガス感応物質である半導体１４が形成してある。
一方、ヒータの下部は基板が一部除去され、窪み１６が
形成されている。基板はシリコン等からなり、電極は保
護膜の上に一対形成され、電極を覆うように、ＳｎＯ2
等からなるガス感応物質である半導体がヒータの上方に
その断面を山形で、かつその周縁に向かってなだらかに
膜厚が減少するように形成してある。このように半導体
の周縁がなだらかに減少していることから、温度変動を
受けた場合でも半導体に応力の集中等が発生せず、間欠
駆動に対して非常に耐久性が高く、使用時間の長いガス
センサを提供することができる。
く、使用時間が長いガスセンサを提供する。 【解決手段】 ガスセンサ２は、基板４の上面に絶縁膜
６を設け、絶縁膜６の上にヒータ８、保護膜１０、電極
１２、ガス感応物質である半導体１４が形成してある。
一方、ヒータの下部は基板が一部除去され、窪み１６が
形成されている。基板はシリコン等からなり、電極は保
護膜の上に一対形成され、電極を覆うように、ＳｎＯ2
等からなるガス感応物質である半導体がヒータの上方に
その断面を山形で、かつその周縁に向かってなだらかに
膜厚が減少するように形成してある。このように半導体
の周縁がなだらかに減少していることから、温度変動を
受けた場合でも半導体に応力の集中等が発生せず、間欠
駆動に対して非常に耐久性が高く、使用時間の長いガス
センサを提供することができる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、発熱部の加熱によ
ってガス感応材の温度を上昇させてガス検出を行うガス
センサに関し、特に、耐久性を向上させたガスセンサに
関する。
ってガス感応材の温度を上昇させてガス検出を行うガス
センサに関し、特に、耐久性を向上させたガスセンサに
関する。
【０００２】
【従来の技術】現在、ガス漏れを検知するガスセンサが
都市ガスやＬＰガスの漏洩検知用に実用化されている。
ガスセンサは、主に半導体式と接触燃焼式があり、多く
の場合Ｐｔ、Ｐｄなどからなるヒータ線の周囲に半導
体、もしくは酸化触媒の原料を焼結させる方法で製造さ
れている。このためセンサの小型化に限界があり、しか
も消費電力が比較的大きく、電池による長時間使用はで
きないという問題点を有していた。
都市ガスやＬＰガスの漏洩検知用に実用化されている。
ガスセンサは、主に半導体式と接触燃焼式があり、多く
の場合Ｐｔ、Ｐｄなどからなるヒータ線の周囲に半導
体、もしくは酸化触媒の原料を焼結させる方法で製造さ
れている。このためセンサの小型化に限界があり、しか
も消費電力が比較的大きく、電池による長時間使用はで
きないという問題点を有していた。
【０００３】一方、半導体微細加工技術を用いた薄膜型
のガスセンサが知られている。この種の薄膜型の半導体
式ガスセンサは、基板、絶縁膜、ヒータ、保護膜、電
極、半導体を積層した構造となっており、更に、ヒータ
下部の基板にエッチングを行って基板を除去したりある
いはその厚みを薄くし、基板との熱絶縁を図っている。
基板は、エッチングのためにシリコン、サファイアなど
の単結晶基板を用いることが多く、絶縁膜および保護膜
には電気絶縁性、耐熱性に優れたＳｉＯ2 膜、Ｓｉ3 Ｎ
4 膜、あるいはこれらの複合膜などが使われ、ヒータに
は長期にわたって安定なＰｔ、Ｗ、多結晶シリコンなど
が多く用いられる。又電極にはＰｔなどが用いられ、半
導体にはＳｎＯ2 、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯなどの金属
酸化物が用いられている。
のガスセンサが知られている。この種の薄膜型の半導体
式ガスセンサは、基板、絶縁膜、ヒータ、保護膜、電
極、半導体を積層した構造となっており、更に、ヒータ
下部の基板にエッチングを行って基板を除去したりある
いはその厚みを薄くし、基板との熱絶縁を図っている。
基板は、エッチングのためにシリコン、サファイアなど
の単結晶基板を用いることが多く、絶縁膜および保護膜
には電気絶縁性、耐熱性に優れたＳｉＯ2 膜、Ｓｉ3 Ｎ
4 膜、あるいはこれらの複合膜などが使われ、ヒータに
は長期にわたって安定なＰｔ、Ｗ、多結晶シリコンなど
が多く用いられる。又電極にはＰｔなどが用いられ、半
導体にはＳｎＯ2 、ＺｎＯ、ＮｉＯ、ＣｕＯなどの金属
酸化物が用いられている。
【０００４】このようなガスセンサは、小型化が容易な
ため消費電力を極めて小さくすることができ、更に、温
度上昇速度が速く、ヒータを間欠駆動させても十分にガ
スの監視が可能であることから、ヒータの消費電力をよ
り一層小さくすることができるという利点を備えてい
る。
ため消費電力を極めて小さくすることができ、更に、温
度上昇速度が速く、ヒータを間欠駆動させても十分にガ
スの監視が可能であることから、ヒータの消費電力をよ
り一層小さくすることができるという利点を備えてい
る。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ガ
スセンサは種々の材質の膜が積層されて形成されてお
り、これら各材質の熱膨張率がそれぞれ異なるため、温
度変動に弱く、耐久性が不十分で長時間の使用に問題が
あった。殊に、ヒータを間欠的に駆動させて加熱を行う
場合には、各部における温度変動が激しく、それが繰り
返されるため、一層破壊され易いという状態になってい
た。
スセンサは種々の材質の膜が積層されて形成されてお
り、これら各材質の熱膨張率がそれぞれ異なるため、温
度変動に弱く、耐久性が不十分で長時間の使用に問題が
あった。殊に、ヒータを間欠的に駆動させて加熱を行う
場合には、各部における温度変動が激しく、それが繰り
返されるため、一層破壊され易いという状態になってい
た。
【０００６】例えばヒータを５５０℃まで０．１秒ごと
に間欠的に駆動させたとき、上記ガスセンサは数十万回
程度の駆動で破壊が生じる。都市ガスやＬＰガスの警報
器として使用する場合、少なくとも５００万回程度の間
欠駆動に耐える必要があるため、上記ガスセンサは耐久
性の点で実用化に問題があった。
に間欠的に駆動させたとき、上記ガスセンサは数十万回
程度の駆動で破壊が生じる。都市ガスやＬＰガスの警報
器として使用する場合、少なくとも５００万回程度の間
欠駆動に耐える必要があるため、上記ガスセンサは耐久
性の点で実用化に問題があった。
【０００７】本発明は以上のような状況に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、ヒータの間欠駆動
に対しても十分な耐久性を有し長時間の使用が可能なガ
スセンサを提供することにある。
たもので、その目的とするところは、ヒータの間欠駆動
に対しても十分な耐久性を有し長時間の使用が可能なガ
スセンサを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、ガスセンサを次のように構成した。
決するため、ガスセンサを次のように構成した。
【０００９】すなわち、基板上に、ヒータ部と、ヒータ
部により加熱されるガス感応材を備え、かつヒータ部の
下方の前記基板を除去あるいは厚みを減少させて窪みを
形成してなるガスセンサにおいて、ガス感応材の膜厚を
該ガス感応材の周縁に向かってなだらかに減少するよう
に形成してガスセンサを構成した。
部により加熱されるガス感応材を備え、かつヒータ部の
下方の前記基板を除去あるいは厚みを減少させて窪みを
形成してなるガスセンサにおいて、ガス感応材の膜厚を
該ガス感応材の周縁に向かってなだらかに減少するよう
に形成してガスセンサを構成した。
【００１０】又、ヒータ部によってガス感応材をガス感
応可能温度に加熱したとき、ガス感応材の内部応力が最
も減少するようにガスセンサを構成した。
応可能温度に加熱したとき、ガス感応材の内部応力が最
も減少するようにガスセンサを構成した。
【００１１】又、ガス感応材の膜厚をヒータ部からの加
熱によって生じるガス感応材の温度分布に対応させて形
成した。
熱によって生じるガス感応材の温度分布に対応させて形
成した。
【００１２】又、ガス感応材を半導体層としてガスセン
サを構成した。
サを構成した。
【００１３】又、基板をシリコンとし、シリコン基板と
ヒータ部との間に絶縁膜を設け、かつヒータ部上面を少
なくとも覆う保護膜を設け、保護膜上に半導体層と、半
導体層の電気抵抗を検出するための電極を備え、半導体
層の電気抵抗変化からガスを検出するようにガスセンサ
を構成した。
ヒータ部との間に絶縁膜を設け、かつヒータ部上面を少
なくとも覆う保護膜を設け、保護膜上に半導体層と、半
導体層の電気抵抗を検出するための電極を備え、半導体
層の電気抵抗変化からガスを検出するようにガスセンサ
を構成した。
【００１４】絶縁膜および保護膜をＳｉＯ2 膜、あるい
はＳｉＯ2 とＳｉ3 Ｎ4 との複合膜とし、ヒータ部を多
結晶シリコンとし、半導体層をＳｎＯ2 とし、電極をＰ
ｔとしてガスセンサを構成した。
はＳｉＯ2 とＳｉ3 Ｎ4 との複合膜とし、ヒータ部を多
結晶シリコンとし、半導体層をＳｎＯ2 とし、電極をＰ
ｔとしてガスセンサを構成した。
【００１５】又、基板から張り出し部を形成し、その張
り出し部上にヒータ部と半導体層と電極とを形成した。
更に、張り出し部を架橋構造、あるいは片持ち梁構造と
してガスセンサを構成した。
り出し部上にヒータ部と半導体層と電極とを形成した。
更に、張り出し部を架橋構造、あるいは片持ち梁構造と
してガスセンサを構成した。
【００１６】尚、ガス感応材に代えて、触媒としたガス
センサでもよい。
センサでもよい。
【００１７】半導体層の膜厚をその半導体層の周縁に向
かってなだらかに減少するように形成する方法として
は、基板上に形成したヒータに通電し、それによって発
生した熱を用いて半導体を熱ＣＶＤ法等により付着させ
ることした。熱ＣＶＤ法等によって半導体層は、温度に
応じた成膜速度で基板等の表面に付着されることから、
ヒータ中央部を中心としてなだらかに変化する温度分布
に従った膜厚で半導体が付着する。したがって、その半
導体層の膜厚は半導体層の周縁に向かってなだらかに減
少するように形成される。
かってなだらかに減少するように形成する方法として
は、基板上に形成したヒータに通電し、それによって発
生した熱を用いて半導体を熱ＣＶＤ法等により付着させ
ることした。熱ＣＶＤ法等によって半導体層は、温度に
応じた成膜速度で基板等の表面に付着されることから、
ヒータ中央部を中心としてなだらかに変化する温度分布
に従った膜厚で半導体が付着する。したがって、その半
導体層の膜厚は半導体層の周縁に向かってなだらかに減
少するように形成される。
【００１８】又、半導体付着時は、基板、電極等その他
の部材の温度がガスセンサとして機能している状態とほ
ぼ等しい温度に上昇していることから、かかる状態で半
導体が付着されることにより、使用状態、すなわち加熱
状態において半導体層には何等内部応力が生じない状態
で付着される。
の部材の温度がガスセンサとして機能している状態とほ
ぼ等しい温度に上昇していることから、かかる状態で半
導体が付着されることにより、使用状態、すなわち加熱
状態において半導体層には何等内部応力が生じない状態
で付着される。
【００１９】尚、膜厚がなだらかに減少するとは、半導
体層の断面において、膜厚変化部の外形線と膜の付着部
とのなす角度を傾斜角とすると、一般的なエッチングで
半導体層を加工した際の平均傾斜角よりも小さい平均傾
斜角で膜厚が減少することをいう。
体層の断面において、膜厚変化部の外形線と膜の付着部
とのなす角度を傾斜角とすると、一般的なエッチングで
半導体層を加工した際の平均傾斜角よりも小さい平均傾
斜角で膜厚が減少することをいう。
【００２０】このように半導体層を形成すると、加熱時
に各材質の熱膨張率の違いによって生じる応力を効果的
に吸収し、変形力がある特定の箇所に集中することがな
く、耐久性を大幅に向上させることができる。
に各材質の熱膨張率の違いによって生じる応力を効果的
に吸収し、変形力がある特定の箇所に集中することがな
く、耐久性を大幅に向上させることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】本発明のガスセンサの実施の一形
態について説明する。
態について説明する。
【００２２】図１及び図６にガスセンサ２を示す。図１
に示すようにガスセンサ２は、基板４の上面に絶縁膜６
を設け、絶縁膜６の上にヒータ８、保護膜１０、電極１
２、ガス感応物質である半導体１４が形成してある。一
方、絶縁膜６の下部は基板４が一部除去され、窪み１６
が形成されている。
に示すようにガスセンサ２は、基板４の上面に絶縁膜６
を設け、絶縁膜６の上にヒータ８、保護膜１０、電極１
２、ガス感応物質である半導体１４が形成してある。一
方、絶縁膜６の下部は基板４が一部除去され、窪み１６
が形成されている。
【００２３】基板４はシリコンからなり、絶縁膜６はＳ
ｉＯ2 から形成してある。ヒータ８は、多結晶シリコン
からなり、ヒータ８の上面に絶縁膜６と同じ材質からな
る保護膜１０が形成されている。そして、保護膜１０の
上に一対の電極１２が形成され、電極１２を覆うよう
に、ＳｎＯ2 からなるガス感応物質である半導体１４が
ヒータ８の上方に断面を山型で、その周縁がなだらかに
減少し保護膜１０に連続するように形成してある。
ｉＯ2 から形成してある。ヒータ８は、多結晶シリコン
からなり、ヒータ８の上面に絶縁膜６と同じ材質からな
る保護膜１０が形成されている。そして、保護膜１０の
上に一対の電極１２が形成され、電極１２を覆うよう
に、ＳｎＯ2 からなるガス感応物質である半導体１４が
ヒータ８の上方に断面を山型で、その周縁がなだらかに
減少し保護膜１０に連続するように形成してある。
【００２４】次に、半導体１４について詳しく説明す
る。
る。
【００２５】半導体１４は、ヒータ８のほぼ中心上部の
厚さが最も厚く、その頂点から徐々に周囲に向かって薄
くなっている。更に、半導体１４は、ヒータ８によって
所定温度に加熱されている状態で内部の引っ張り応力や
圧縮応力が最も小さくなるように形成されている。つま
り、ヒータ８に通電されて半導体１４がガス感知物質と
して機能する状態に加熱されると、基板４、絶縁膜６、
ヒータ８等は、熱膨張等により、わずかでも変形が生
じ、半導体１４に変形力が加えられる。又半導体１４自
体も温度上昇により熱変形される。半導体１４は、この
ような熱変形にかかわらずガスセンサ２の作動温度状態
において内部応力が最も小さくなるように形成されてい
る。
厚さが最も厚く、その頂点から徐々に周囲に向かって薄
くなっている。更に、半導体１４は、ヒータ８によって
所定温度に加熱されている状態で内部の引っ張り応力や
圧縮応力が最も小さくなるように形成されている。つま
り、ヒータ８に通電されて半導体１４がガス感知物質と
して機能する状態に加熱されると、基板４、絶縁膜６、
ヒータ８等は、熱膨張等により、わずかでも変形が生
じ、半導体１４に変形力が加えられる。又半導体１４自
体も温度上昇により熱変形される。半導体１４は、この
ような熱変形にかかわらずガスセンサ２の作動温度状態
において内部応力が最も小さくなるように形成されてい
る。
【００２６】したがって、半導体１４は、基板４、正確
には保護膜１０の上面に温度分布に応じて、その周縁の
膜厚がなだらかに減少するように形成されていることか
ら、各材質の熱膨張率の違いによって生じる応力を効果
的に吸収して温度変化による変形力が一か所に集中する
ことがなく、加熱を断続して行っても、破断することが
なく、使用時間を長くすることができる。
には保護膜１０の上面に温度分布に応じて、その周縁の
膜厚がなだらかに減少するように形成されていることか
ら、各材質の熱膨張率の違いによって生じる応力を効果
的に吸収して温度変化による変形力が一か所に集中する
ことがなく、加熱を断続して行っても、破断することが
なく、使用時間を長くすることができる。
【００２７】更に、半導体１４を加熱したセンサ２の使
用状態において、半導体１４は最もストレスが小さいこ
とから、温度上昇を原因とした変形力が発生しにくく、
破壊や損傷の発生が最小となり、高い精度と耐久性を実
現できる。
用状態において、半導体１４は最もストレスが小さいこ
とから、温度上昇を原因とした変形力が発生しにくく、
破壊や損傷の発生が最小となり、高い精度と耐久性を実
現できる。
【００２８】次に、上記ガスセンサ２の製造方法の一例
について説明する。
について説明する。
【００２９】まずシリコンなどの単結晶基板４上に絶縁
膜６を成膜する。この絶縁膜６はＳｉＯ2 のほか、Ｓｉ
3 Ｎ4 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯやこれらを複合させたもの
でも良い。尚、基板がサファイアなどの絶縁性のもので
あればこの絶縁膜６の形成は必ずしも必要ではない。次
にこの絶縁膜６の上部にヒータ８を形成する。ヒータ８
は多結晶シリコンのほか、Ｐｔ、Ｗなどでもよい。続い
てヒータ８を含む基板全面に保護膜１０を成膜する。保
護膜１０の材質は絶縁膜６と同様ＳｉＯ2 に限らず、様
々な材質の膜またはそれらを複合させたものも可能であ
る。
膜６を成膜する。この絶縁膜６はＳｉＯ2 のほか、Ｓｉ
3 Ｎ4 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｇＯやこれらを複合させたもの
でも良い。尚、基板がサファイアなどの絶縁性のもので
あればこの絶縁膜６の形成は必ずしも必要ではない。次
にこの絶縁膜６の上部にヒータ８を形成する。ヒータ８
は多結晶シリコンのほか、Ｐｔ、Ｗなどでもよい。続い
てヒータ８を含む基板全面に保護膜１０を成膜する。保
護膜１０の材質は絶縁膜６と同様ＳｉＯ2 に限らず、様
々な材質の膜またはそれらを複合させたものも可能であ
る。
【００３０】この上面にＰｔなどで電極１２を形成した
後、Ａｕなどでヒータ８と電極１２の信号取出用電極１
８をそれぞれに形成する。その後、基板４の裏面から異
方性エッチングを行いヒータ８の下部に窪み１６を形成
する。異方性エッチングは基板４の表面から行っても良
く、この場合は基板４に架橋構造や片持ち梁などの構造
を形成する。すなわち、この過程までは半導体微細加工
技術を用いて形成する熱線式マイクロヒータの製造過程
と同一である。
後、Ａｕなどでヒータ８と電極１２の信号取出用電極１
８をそれぞれに形成する。その後、基板４の裏面から異
方性エッチングを行いヒータ８の下部に窪み１６を形成
する。異方性エッチングは基板４の表面から行っても良
く、この場合は基板４に架橋構造や片持ち梁などの構造
を形成する。すなわち、この過程までは半導体微細加工
技術を用いて形成する熱線式マイクロヒータの製造過程
と同一である。
【００３１】次に、ヒータ加熱による熱ＣＶＤ法などを
用いてガス感応部である半導体１４の成膜を行う。すな
わち、有機金属などを原料とし、上述したように基板４
上に既に作製したヒータ８に通電を行って、原料の熱分
解が起こる温度以上に加熱し、原料の蒸気を酸素やオゾ
ンなどの酸化剤と共にヒータ８に接触させる。すると、
熱分解によってヒータ８の近傍にＳｎＯ2 の膜が生成さ
れる。ＳｎＯ2 の成膜は所定の温度に達した時点から始
まり、温度が高くなるに従って成膜速度も上昇する。こ
のため膜厚はヒータ８の直上で最も厚く、ヒータ８から
離れるに従って徐々に薄くなり、温度が熱分解の開始温
度となる箇所で膜厚がほぼ０となる。したがって、半導
体１４の周縁に向かって膜厚がなだらかに減少するよう
に形成される。
用いてガス感応部である半導体１４の成膜を行う。すな
わち、有機金属などを原料とし、上述したように基板４
上に既に作製したヒータ８に通電を行って、原料の熱分
解が起こる温度以上に加熱し、原料の蒸気を酸素やオゾ
ンなどの酸化剤と共にヒータ８に接触させる。すると、
熱分解によってヒータ８の近傍にＳｎＯ2 の膜が生成さ
れる。ＳｎＯ2 の成膜は所定の温度に達した時点から始
まり、温度が高くなるに従って成膜速度も上昇する。こ
のため膜厚はヒータ８の直上で最も厚く、ヒータ８から
離れるに従って徐々に薄くなり、温度が熱分解の開始温
度となる箇所で膜厚がほぼ０となる。したがって、半導
体１４の周縁に向かって膜厚がなだらかに減少するよう
に形成される。
【００３２】尚、成膜する半導体はＳｎＯ2 のほかＺｎ
Ｏ、ＮｉＯ、ＣｕＯなどの金属酸化物も可能であり、成
膜する物質によって供給する原料を変更する。また成膜
方法は熱ＣＶＤ法のほか噴霧熱分解法なども可能であ
り、この場合には原料を蒸気でなくミスト状にして、熱
ＣＶＤ法と同じ方法で成膜することができる。ヒータ８
の温度を原料の熱分解が始まる温度よりも高くするほど
半導体を広い範囲に成膜できるため、所望の範囲に半導
体を成膜することができる。逆にヒータ８付近だけの成
膜を望む場合はヒータ８の温度を原料の熱分解が始まる
温度よりわずか上にすればよい。
Ｏ、ＮｉＯ、ＣｕＯなどの金属酸化物も可能であり、成
膜する物質によって供給する原料を変更する。また成膜
方法は熱ＣＶＤ法のほか噴霧熱分解法なども可能であ
り、この場合には原料を蒸気でなくミスト状にして、熱
ＣＶＤ法と同じ方法で成膜することができる。ヒータ８
の温度を原料の熱分解が始まる温度よりも高くするほど
半導体を広い範囲に成膜できるため、所望の範囲に半導
体を成膜することができる。逆にヒータ８付近だけの成
膜を望む場合はヒータ８の温度を原料の熱分解が始まる
温度よりわずか上にすればよい。
【００３３】又、架橋構造や片持ち構造の場合には、ヒ
ータ８の周囲全体に半導体１４が付着されることとなる
が、それら各面で付着された半導体１４の断面はなだら
かに山型に形成されるので問題はない。
ータ８の周囲全体に半導体１４が付着されることとなる
が、それら各面で付着された半導体１４の断面はなだら
かに山型に形成されるので問題はない。
【００３４】半導体１４の成膜には、上記以外にスパッ
タリングや蒸着なども用いることができる。この場合は
図２に示すように、メタルマスク２０を、メタルマスク
２０に設けた孔２２をヒータ８の直上にして、かつ基板
４から所定距離離して配置し、孔２２からスパッタリン
グ等を行い成膜する。すると、孔２２における粒子の回
り込みによってヒータ８の中央付近を頂点とした山型の
膜厚分布をもった半導体１４が基板４上に成膜される。
成膜される範囲はメタルマスク２０と基板４との距離
や、孔２２の直径等の選択によって適宜制御できる。更
にこの場合、ヒータ８を加熱する必要は必ずしも無い
が、付着力や内部応力の点を考慮してガスセンサ２の使
用温度程度に加熱しておいてもよい。
タリングや蒸着なども用いることができる。この場合は
図２に示すように、メタルマスク２０を、メタルマスク
２０に設けた孔２２をヒータ８の直上にして、かつ基板
４から所定距離離して配置し、孔２２からスパッタリン
グ等を行い成膜する。すると、孔２２における粒子の回
り込みによってヒータ８の中央付近を頂点とした山型の
膜厚分布をもった半導体１４が基板４上に成膜される。
成膜される範囲はメタルマスク２０と基板４との距離
や、孔２２の直径等の選択によって適宜制御できる。更
にこの場合、ヒータ８を加熱する必要は必ずしも無い
が、付着力や内部応力の点を考慮してガスセンサ２の使
用温度程度に加熱しておいてもよい。
【００３５】以上述べたように、本実施例のガスセンサ
２は、ガス検知部分である半導体１４の膜厚が、その周
縁に向かってなだらかに減少するように形成されている
ため、加熱時に各材質の熱膨張率の違いによって生じる
応力を効果的に吸収し、耐久性を大幅に向上させること
ができる。
２は、ガス検知部分である半導体１４の膜厚が、その周
縁に向かってなだらかに減少するように形成されている
ため、加熱時に各材質の熱膨張率の違いによって生じる
応力を効果的に吸収し、耐久性を大幅に向上させること
ができる。
【００３６】又、半導体１４の付着時は、基板４、その
他部材も加熱されており、かかる昇温状態において半導
体１４が付着されることから、加熱状態での半導体１４
には無理な変形力が発生せず、内部応力が最も小さい状
態となり、耐久性を向上できる。逆に、常温状態は使用
時に比べて低温であることから、一般に温度上昇ととも
に膨張する材質が多いことを考慮するとガスセンサ２、
少なくとも半導体１４は圧縮状態にあると考えられ、加
熱時においても又常温状態においても、強固な状態を保
持することができる。
他部材も加熱されており、かかる昇温状態において半導
体１４が付着されることから、加熱状態での半導体１４
には無理な変形力が発生せず、内部応力が最も小さい状
態となり、耐久性を向上できる。逆に、常温状態は使用
時に比べて低温であることから、一般に温度上昇ととも
に膨張する材質が多いことを考慮するとガスセンサ２、
少なくとも半導体１４は圧縮状態にあると考えられ、加
熱時においても又常温状態においても、強固な状態を保
持することができる。
【００３７】
【実施例】次に、本発明にかかるガスセンサの実施例に
ついて説明する。
ついて説明する。
【００３８】本実施例では基板としてシリコン単結晶基
板を用い、この基板上にＳｉＯ2 を絶縁膜として成膜
し、更に絶縁膜の上部にＰイオンを不純物として含む多
結晶シリコンでヒータを形成した。次にヒータを含む基
板全面にＳｉＯ2 を保護膜として成膜し、保護膜の上面
にＰｔでガス検知部分となる半導体の電気抵抗を測定す
るための電極を形成した後、基板の裏面から異方性エッ
チングを行い絶縁膜の下部に窪みを形成した。
板を用い、この基板上にＳｉＯ2 を絶縁膜として成膜
し、更に絶縁膜の上部にＰイオンを不純物として含む多
結晶シリコンでヒータを形成した。次にヒータを含む基
板全面にＳｉＯ2 を保護膜として成膜し、保護膜の上面
にＰｔでガス検知部分となる半導体の電気抵抗を測定す
るための電極を形成した後、基板の裏面から異方性エッ
チングを行い絶縁膜の下部に窪みを形成した。
【００３９】ガス感応部である半導体はＳｎＯ2 とし、
熱ＣＶＤ法を用いて成膜した。付着は、前述したように
基板上にヒータと電極を形成した後、ヒータに電線を接
続し、基板を反応容器内に収納して行った。半導体の原
料はテトラメチルスズとし、原料の蒸気を反応容器内に
アルゴンガスをキャリアとして酸化剤である酸素と共に
供給した。このとき、反応容器内の温度は７０℃に保
ち、圧力は３Torrに調整した。更にヒータへの通電によ
りヒータの温度は、５５０℃になるように制御し、Ｓｎ
Ｏ2 の成膜を１時間行った。
熱ＣＶＤ法を用いて成膜した。付着は、前述したように
基板上にヒータと電極を形成した後、ヒータに電線を接
続し、基板を反応容器内に収納して行った。半導体の原
料はテトラメチルスズとし、原料の蒸気を反応容器内に
アルゴンガスをキャリアとして酸化剤である酸素と共に
供給した。このとき、反応容器内の温度は７０℃に保
ち、圧力は３Torrに調整した。更にヒータへの通電によ
りヒータの温度は、５５０℃になるように制御し、Ｓｎ
Ｏ2 の成膜を１時間行った。
【００４０】図３に、ヒータ中央部の温度を５５０℃に
した状態のセンサの温度分布を示す。一方ＳｎＯ2 の成
膜速度は図４に示すようになっており、これら両者の関
係から、基板上のＳｎＯ2 の膜厚分布を求めると、図５
に示すように膜厚が周縁に向かってなだらかに減少する
形状になっていることがわかる。又、このことは、干渉
を用いた膜厚計測によっても確かめられた。
した状態のセンサの温度分布を示す。一方ＳｎＯ2 の成
膜速度は図４に示すようになっており、これら両者の関
係から、基板上のＳｎＯ2 の膜厚分布を求めると、図５
に示すように膜厚が周縁に向かってなだらかに減少する
形状になっていることがわかる。又、このことは、干渉
を用いた膜厚計測によっても確かめられた。
【００４１】次に、上記実施例のガスセンサ２と従来技
術のガスセンサの耐久実験を行った。実験は、５５０℃
で０．１秒ごとにヒータ８を間欠駆動させ、ＳｎＯ2 の
抵抗を計測した。結果を図７に示す。図７から明らかな
ように、従来の半導体微細加工技術によるセンサが十数
万回の駆動でＳｎＯ2 の膜が破断したのに対し、本発明
によるセンサは一千万回の駆動でも破断は発生しなかっ
た。このことから、本発明によるセンサは従来技術によ
るセンサに比べて数十〜百数十倍の優れた耐久性を有し
ていることがわかる。
術のガスセンサの耐久実験を行った。実験は、５５０℃
で０．１秒ごとにヒータ８を間欠駆動させ、ＳｎＯ2 の
抵抗を計測した。結果を図７に示す。図７から明らかな
ように、従来の半導体微細加工技術によるセンサが十数
万回の駆動でＳｎＯ2 の膜が破断したのに対し、本発明
によるセンサは一千万回の駆動でも破断は発生しなかっ
た。このことから、本発明によるセンサは従来技術によ
るセンサに比べて数十〜百数十倍の優れた耐久性を有し
ていることがわかる。
【００４２】尚、上記例では、ヒータ８上の半導体１４
の周縁を膜厚がなだらかに減少するように形成したが、
本発明では、それに限らず、半導体１４を支持する支持
構造、すなわち保護膜１０等（温度上昇範囲に限れば十
分である。）を上記説明したように形成してもよい。こ
のように構成すれば、半導体１４部分の破断のみでな
く、全体構造自体のヒータ加熱による温度変動に対して
素子全体としての耐久性を向上させることができる。
の周縁を膜厚がなだらかに減少するように形成したが、
本発明では、それに限らず、半導体１４を支持する支持
構造、すなわち保護膜１０等（温度上昇範囲に限れば十
分である。）を上記説明したように形成してもよい。こ
のように構成すれば、半導体１４部分の破断のみでな
く、全体構造自体のヒータ加熱による温度変動に対して
素子全体としての耐久性を向上させることができる。
【００４３】
【発明の効果】本発明の構造の素子によれば、耐久性が
高く、使用時間を大幅に延長させることができる。
高く、使用時間を大幅に延長させることができる。
【図１】本発明にかかるガスセンサを示す断面図であ
る。
る。
【図２】本発明にかかるガスセンサの製造方法の一例を
示す断面図である。
示す断面図である。
【図３】ガスセンサの温度分布状態を示す図である。
【図４】半導体の成膜速度を示す図である。
【図５】形成された膜厚を示す図である。
【図６】本発明にかかるガスセンサを示す斜視図であ
る。
る。
【図７】耐久試験の実験結果を示す図である。
２ ガスセンサ ４ 基板 ６ 絶縁膜 ８ ヒータ １０ 保護膜 １２ 電極 １４ 半導体 １６ 窪み １８ 信号取出用電極 ２０ メタルマスク ２２ 孔
フロントページの続き (72)発明者 中村 健一 東京都豊島区西巣鴨３−19−10−404
Claims (10)
- 【請求項１】 基板上に、ヒータ部と、該ヒータ部によ
り加熱されるガス感応材を備え、かつ前記ヒータ部の下
方の前記基板を除去あるいはその厚みを減少させ窪みを
形成してなるガスセンサにおいて、前記ガス感応材の膜
厚を該ガス感応材の周縁に向かってなだらかに減少する
ように形成したことを特徴とするガスセンサ。 - 【請求項２】 前記ヒータ部によって前記ガス感応材を
ガス感応可能温度に加熱したとき、該ガス感応材の内部
応力が最も減少するように構成したことを特徴とする請
求項１に記載のガスセンサ。 - 【請求項３】 前記ガス感応材の膜厚を前記ヒータ部か
らの加熱によって生じる該ガス感応材の温度分布に対応
させたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の
ガスセンサ。 - 【請求項４】 前記ガス感応材を半導体層としたことを
特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。 - 【請求項５】 前記基板はシリコンであり、該シリコン
基板と前記ヒータ部との間に絶縁膜を設け、かつ前記ヒ
ータ部上面を少なくとも覆う保護膜を設け、該保護膜上
に前記半導体層と、該半導体層の電気抵抗を検出するた
めの電極を備え、該半導体の電気抵抗変化からガスを検
出することとした請求項４に記載のガスセンサ。 - 【請求項６】 前記絶縁膜および保護膜はＳｉＯ2 膜、
あるいはＳｉＯ2 とＳｉ3 Ｎ4 の複合膜であり、前記ヒ
ータ部は多結晶シリコンであり、前記半導体層はＳｎＯ
2 であり、前記電極はＰｔである請求項５に記載のガス
センサ。 - 【請求項７】 前記基板を除去あるいはその厚みを減少
させ窪みを形成した箇所を該基板から張り出した張り出
し部に形成し、該張り出し部上に前記ヒータ部と前記半
導体層と前記電極とを形成した請求項４から請求項６の
いずれか１項に記載のガスセンサ。 - 【請求項８】 前記張り出し部が架橋構造である請求項
７に記載のガスセンサ。 - 【請求項９】 前記張り出し部が片持ち梁構造である請
求項７に記載のガスセンサ。 - 【請求項１０】 前記ガス感応材に代えて、所定のガス
の反応を助長する触媒としたことを特徴とした請求項１
から請求項３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26304596A JPH10111264A (ja) | 1996-10-03 | 1996-10-03 | ガスセンサ |
| US08/812,557 US5821402A (en) | 1996-03-11 | 1997-03-07 | Thin film deposition method and gas sensor made by the method |
| EP97103890A EP0795625A1 (en) | 1996-03-11 | 1997-03-07 | Thin film deposition method and gas sensor made by the method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP26304596A JPH10111264A (ja) | 1996-10-03 | 1996-10-03 | ガスセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH10111264A true JPH10111264A (ja) | 1998-04-28 |
Family
ID=17384106
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP26304596A Withdrawn JPH10111264A (ja) | 1996-03-11 | 1996-10-03 | ガスセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH10111264A (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003065990A (ja) * | 2001-08-27 | 2003-03-05 | Denso Corp | ガスセンサおよびその製造方法 |
| KR100780076B1 (ko) * | 2001-11-08 | 2007-11-29 | 허증수 | 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법 및 반도체형가스센서 어레이 |
| JP2012107999A (ja) * | 2010-11-17 | 2012-06-07 | New Cosmos Electric Corp | ガス検知素子 |
-
1996
- 1996-10-03 JP JP26304596A patent/JPH10111264A/ja not_active Withdrawn
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003065990A (ja) * | 2001-08-27 | 2003-03-05 | Denso Corp | ガスセンサおよびその製造方法 |
| KR100780076B1 (ko) * | 2001-11-08 | 2007-11-29 | 허증수 | 반도체형 가스센서용 감지막 형성방법 및 반도체형가스센서 어레이 |
| JP2012107999A (ja) * | 2010-11-17 | 2012-06-07 | New Cosmos Electric Corp | ガス検知素子 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A300 | Withdrawal of application because of no request for examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A300 Effective date: 20040106 |