WO2019234998A1 - マイクロホットプレート及びｍｅｍｓガスセンサ - Google Patents

マイクロホットプレート及びｍｅｍｓガスセンサ Download PDF

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多田羅　佳孝
祐仁 本多
永井　宏明
義樹 芦原
井澤　邦之
正和 佐井
謙一 吉岡
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オムロン株式会社
フィガロ技研株式会社
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    • H05B2203/016—Heaters using particular connecting means

Definitions

  • the present invention relates to a micro hot plate using MEMS technology and a MEMS gas sensor using the same, and more particularly to the arrangement of heaters and electrodes.
  • the micro hot plate is used for a gas sensor or the like.
  • a gas sensitive layer is provided on the micro hot plate, it becomes a gas sensor.
  • the heater surrounds the gas-sensitive layer and its electrode, that is, the heater is disposed outside the electrode (Patent Document 1: WO2005 / 012892). .
  • WO2005 / 012892 a pair of comb-shaped electrodes and a gas-sensitive layer are provided inside a concentric triple heater. *
  • Patent Document 2 discloses a comb-like electrode and a sensor on the outside of the heater. It describes that four pairs of gas layers are provided.
  • the inventor has arranged the heater and electrode so that the electrode surrounds the heater, i.e., the heater is located inside the electrode, improving the power efficiency of the micro hot plate, e.g., higher gas with the same power consumption. It has been found that sensitivity can be obtained.
  • An object of the present invention is to improve the power efficiency of a micro hot plate and a MEMS gas sensor.
  • an electrode and a heater are provided on a support layer that spans the cavity of the silicon substrate, the electrode surrounds the heater, and the heater is disposed inside the electrode.
  • an electrode, a heater, and a gas-sensitive layer are provided on a support layer that spans the cavity of the silicon substrate, the electrode surrounds the heater, the heater is disposed inside the electrode, and the gas-sensitive layer further includes an electrode. Covering.
  • micro hot plate can be used in addition to MEMS gas sensors. Further, in this specification, the description related to the micro hot plate applies to the MEMS gas sensor as it is. Hereinafter, the MEMS gas sensor is simply referred to as a gas sensor.
  • FIG. 8 and 9 show the sensitivity of the gas sensor with the heater inside and the electrode outside
  • FIG. 10 shows the sensitivity of the conventional gas sensor with the heater outside and the electrode inside.
  • These gas sensors were driven with the same power consumption.
  • the sensitivity to a fuel gas such as isobutane is increased by increasing the temperature of the gas sensitive layer. 8 and 9, the isobutane sensitivity is expressed, but the gas sensor (conventional example) in FIG. 10 has very little isobutane sensitivity.
  • the ethanol sensitivity is much lower than the hydrogen sensitivity, but in the gas sensors of FIGS. 8 and 9, the ethanol sensitivity and the hydrogen sensitivity are almost equal. From the above, it can be seen that the power efficiency of the micro hot plate is improved by arranging the heater inside and the electrode outside and surrounding the heater with the electrode.
  • the electrode surrounds the heater in the form of a ring having an opening, that is, not in the form of a closed ring but in the form of a ring having an opening.
  • the heater has a circular or annular heat generating region, and a pair of heater leads connected to both ends of the heater are drawn out from the opening. Since the heater is circular or annular, heat flows uniformly to the electrode side. Further, the heater lead can be pulled out from the opening.
  • the circle does not mean the circumference, but means the circumference and the inside thereof.
  • the heat generating area is circular, and the heater includes a plurality of arcs along the outer periphery of the heat generating area while being folded back multiple times within the heat generating area.
  • the heater is linear between the turns. If the heater is arranged so as to fill the heat generating area while being folded back multiple times, it is difficult to pull out both ends of the heater from one opening. Therefore, an arc-shaped portion is provided along the outer periphery of the heat generating region, and both ends of the heater are pulled out from the same opening.
  • the electrode comprises at least two electrodes facing each other, both of which surround the heater in a ring shape and have a common opening. It is also possible to use one electrode and also use the heater as the other electrode. However, this makes it difficult to process the gas sensitive layer signal because the potential in the heater is not constant. Therefore, two opposing electrodes are both arranged in a ring shape so as to surround the heater, and the heater lead is drawn out from the common opening.
  • the electrode is composed of two electrodes, and an electrode lead is connected to each electrode, and the connection portion of the electrode lead to the electrode is divided into three around the heat generation region from the common opening to the common opening. .
  • a dummy electrode that is not connected to any electrode and surrounds the heat generating area in an arc shape is provided between the common opening and the electrode lead connected to one of the electrodes.
  • the dummy electrodes and the original two electrodes as a whole surround the heater substantially uniformly in the range from the common opening to the common opening.
  • a dummy electrode controls that a paste spreads.
  • the heater and the electrode can be arbitrarily arranged.
  • the electrode and the heater are provided at the same height with respect to the support layer, that is, when the electrode and the heater are formed at the same time, these arrangements are either outside the heater (conventional example) or inside the heater (the present invention ) Is limited to any of the above.
  • the present invention is particularly suitable when the electrode and the heater are provided at the same height with reference to the support layer.
  • FIGS. 1 to 6 show micro hot plates (hereinafter simply referred to as “hot plates”) 2, 22, 32, and 42, and gas sensors 40 and 45 using them.
  • a conventional hot plate 62 is shown in FIG.
  • the same reference numerals represent the same, and the description relating to the embodiment of FIG. 1 also applies to other embodiments unless otherwise noted.
  • the hot plate 2 is provided on the support layer 4 on the Si substrate 15 in FIG.
  • the support layer 4 is insulative and includes three layers of Si oxide, Si nitride, and Si oxide, but the material of the support layer 4 is arbitrary.
  • the support layer 4 has a diaphragm shape covering the cavity 6, but may be a bridging portion on the cavity 6.
  • the material of the heater 8 may be a metal such as Pt, Si or the like imparted with conductivity by doping.
  • the heater 8 includes a semicircular arcuate portion 19 that folds back and forth within a circular heat generation region, is linear between the turns, and returns from the left side to the right side in FIG. Further, both ends of the heater 8 are drawn out from the opening 17 of the electrodes 10 and 11 as a pair of heater leads 9 and 9 to the outside of the cavity 6 and connected to a pad or the like (not shown).
  • the heat generation area (including the arcuate portion 19) of the heater 8 is circular, heat flows uniformly from the heater 8 to the electrodes 10 and 11 side. As shown in FIG. 1, the heater 8 is arranged in the heat generation region from the right to the left in the figure while being folded back, and an arcuate portion 19 is provided to connect the left end of the heater 8 to the heater lead 9. Also, since the heater leads 9 and 9 cannot cross the electrodes 10 and 11, they are pulled out from the common opening 17.
  • the pair of electrodes 10 and 11 surrounds the heater 8 in a double circle shape, leaving the opening 17, and the electrodes 10 and 11 face each other. Since the electrodes 10 and 11 cannot be crossed, a region in which the outer electrode 11 cannot be disposed occurs. Therefore, preferably, a dummy electrode 13 is provided in this region so that the heat radiation amount to the outside of the electrodes 10 and 11 is made to be constant regardless of the position. The dummy electrode 13 may not be provided.
  • the electrodes 10 and 11 are connected to the electrode lead 12, drawn out of the cavity 6, and connected to a pad (not shown).
  • a gas sensitive layer made of a metal oxide semiconductor such as SnO 2, In 2 O 3, or WO 3 is provided in the gas sensitive layer area 14. The gas sensitive layer covers the electrodes 10 and 11 and may be a thin layer or a thick layer.
  • FIG. 2 shows a hot plate 22 of the second embodiment
  • the electrode 10 is a double circumferential electrode composed of an inner electrode 10a and an outer electrode 10b.
  • An electrode 11 is disposed between the electrodes 10a and 10b. The other points are the same as the embodiment of FIG.
  • the arrangement of the heater 28 and the arrangement of the arcuate portion 29 in the heat generating region are different from those in FIGS.
  • FIG. 4 shows the hot plate 42 of the third embodiment, and the heater 38 is annular and has no arcuate portion. The other points are the same as the embodiment of FIG.
  • FIG. 5 shows a gas sensor 40 using the hot plate 2 of FIG. 1.
  • the gas sensitive layer 44 is a thin film or a thick film, and is made of a metal oxide semiconductor such as SnO2, In2O3, WO3 or the like.
  • a support layer 4 is provided on the Si substrate 15.
  • the heater 8 and the electrodes 10 and 11 are simultaneously formed with the same mask and are at the same height with respect to the support layer 4.
  • An insulating layer 16 such as Si oxide, Si nitride, or Ta nitride is provided around the heater 8 and the electrodes 10 and 11, but the insulating layer 16 may not be provided.
  • FIG. 6 shows a gas sensor 45 using the hot plate 42 of FIG. 4.
  • the gas sensitive layer 46 has a ring shape, covers the electrodes 10 and 11, and a part of the heater 38 is exposed. The other points are the same as those of the gas sensor 40 of FIG.
  • FIG. 7 shows a conventional micro hot plate 62 in which a pair of comb-shaped electrodes 66 and 67 are arranged inside a ring-shaped heater 64.
  • the other points are the same as the embodiment of FIG.
  • the gas sensitive SnO2 paste is dispensed into the gas sensitive layer area 14 of the micro hot plate and baked at 600 ° C in air to form a gas sensitive layer 44 consisting of a thick film of SnO2 (film thickness of about 20 ⁇ m). It was.
  • This gas sensor was continuously heated so that the gas sensitive film became 350 ° C., and the resistance values were measured at gas concentrations of 10 ppm and 30 ppm for isobutane, hydrogen, and ethanol.
  • the power consumption was the same for all micro hot plates.
  • FIG. 8 shows the result when the micro hot plate 2 of FIG. 1 is used
  • FIG. 9 shows the result when the micro hot plate 22 of FIG. 2 is used.
  • FIG. 10 shows the result when the conventional micro hot plate 62 of FIG. 7 is used. All the results are averages of five gas sensors. Rs / R0 in the figure indicates the ratio of the resistance value in gas and air.
  • the isobutane sensitivity is negligible and the ethanol sensitivity is low.
  • isobutane sensitivity is exhibited, and ethanol sensitivity is equivalent to hydrogen sensitivity. This indicates that the gas sensitive layer 44 is effectively heated with the same power consumption in the embodiment as compared with the conventional example.
  • it since it has high ethanol sensitivity, it can be used for detection of alcohol and the like, and since it has isobutane sensitivity, it can also be used for detection of hydrocarbons.

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Abstract

マイクロホットプレートは、シリコン基板のキャビティを掛け渡す支持層に電極とヒータとが設けられている。電極はヒータを取り囲み、かつヒータが電極の内側に配置されている。マイクロホットプレートの電力効率が向上する。

Description

マイクロホットプレート及びＭＥＭＳガスセンサ
　この発明は、MEMS技術を用いたマイクロホットプレート、及びこれを用いたMEMSガスセンサに関し、特にヒータと電極の配置に関する。
　マイクロホットプレートはガスセンサ等に用いられ、例えばマイクロホットプレートに感ガス層を設けるとガスセンサとなる。感ガス層内の温度分布を小さくするため、ヒータが感ガス層とその電極とを取り囲むこと、即ちヒータを電極の外側に配置することが好ましいとされている（特許文献１：WO2005/012892）。WO2005/012892では、同心円状の３重のヒータの内側に、櫛の歯状の一対の電極と感ガス層とを設ける。　
　ヒータを感ガス層の外側に配置することにより感ガス層を均一に加熱する、との原則に従わない例として、特許文献２（US2018/0017516）はヒータの外側に櫛の歯状電極と感ガス層を４対設けることを記載している。
WO2005/012892 US2018/0017516
　発明者は、電極がヒータを取り囲むように、即ち、ヒータが電極の内側に位置するように、ヒータと電極を配置すると、マイクロホットプレートの電力効率が改善し、例えば同じ消費電力でより高いガス感度を得ることができることを見出した。
　この発明は、マイクロホットプレート及びMEMSガスセンサの電力効率を改善することを課題とする。
　この発明のマイクロホットプレートでは、シリコン基板のキャビティを掛け渡す支持層に電極とヒータとが設けられ、電極がヒータを取り囲み、かつヒータが電極の内側に配置されている。
　この発明のMEMSガスセンサでは、シリコン基板のキャビティを掛け渡す支持層に電極とヒータと感ガス層を設けられ、電極がヒータを取り囲み、かつヒータが電極の内側に配置され、さらに感ガス層が電極を覆っている。
　なおマイクロホットプレートはMEMSガスセンサ以外にも用いることができる。またこの明細書において、マイクロホットプレートに関する記載はそのままMEMSガスセンサにも当てはまる。また以下では、MEMSガスセンサを単にガスセンサという。
　図８，図９はヒータを内に電極を外に配置したガスセンサの感度を示し、図１０はヒータを外に電極を内に配置した従来例のガスセンサの感度を示す。これらのガスセンサは同じ消費電力で駆動した。一般にガスセンサでは、感ガス層の温度を増すことにより、イソブタン等の燃料ガスへの感度が増す。図８，図９のガスセンサ（実施例）ではイソブタン感度が発現しているが、図１０のガスセンサ（従来例）ではイソブタン感度は極く僅かである。また図１０のガスセンサではエタノール感度が水素感度よりも遙かに低いが、図８，図９のガスセンサではエタノール感度と水素感度はほぼ同等である。以上のことから、ヒータを内、電極を外に配置し、電極がヒータを取り囲むようにすることにより、マイクロホットプレートの電力効率が向上することが分かる。
　好ましくは、電極は開口部を有するリング状に、即ち閉じたリングではなく、開口部を有するリング状に、ヒータを取り囲んでいる。ヒータは円状もしくは環状の発熱領域を備え、かつ開口部からヒータの両端部に接続された一対のヒータリードが引き出されている。ヒータは円状もしくは環状なので、熱は電極側に均一に流れる。また開口部からヒータリードを引き出すことができる。なおこの明細書で、円は円周の意味ではなく、円周とその内部の意味で用いる。
　より好ましくは、前記発熱領域は円状で、ヒータは発熱領域内で複数回折り返すと共に、発熱領域の外周に沿う弧状部を備えている。好ましくは、折り返しと折り返しの間で、ヒータは直線状である。複数回折り返しながら発熱領域内を埋めるようにヒータを配置すると、１個の開口部からヒータの両端を引き出すことが難しい。そこで発熱領域の外周に沿う弧状部を設けて、ヒータの両端を同じ開口部から引き出す。
　特に好ましくは、電極は対向する少なくとも２個の電極から成り、２個の電極は共にヒータをリング状に取り囲み、かつ共通の開口部を備えている。電極を１個にし、ヒータを他方の電極に兼用することも可能である。しかしこのようにすると、ヒータ内の電位が一定でないため、感ガス層の信号の処理が難しくなる。そこで対向する２個の電極を共にリング状にヒータを取り囲むように配置し、共通の開口部からヒータリードを引き出す。
　好ましくは、電極は２個の電極から成り、各電極に電極リードが接続され、前記共通の開口部から共通の開口部までの発熱領域の周囲を電極リードの電極への接続個所が３分割する。さらに、共通の開口部から一方の電極に接続された電極リードまでの間に、何れの電極にも接続されずかつ発熱領域を弧状に囲むダミー電極が設けられている。ダミー電極と本来の２個の電極が、全体として、共通の開口部から共通の開口部までの範囲で、ヒータの周囲をほぼ均一に取り囲む。またペーストを滴下することにより感ガス層を形成する場合、ペーストが拡がることをダミー電極が規制する。
　ヒータ上に絶縁層を介して電極を設ける場合、ヒータと電極は任意に配置できる。これに対して、電極とヒータを支持層を基準として同じ高さに設ける場合、即ち電極とヒータを同時に形成する場合、これらの配置はヒータが外（従来例）か、ヒータが内（本発明）かの何れかに限られる。そしてこの発明は、電極とヒータを支持層を基準として同じ高さに設ける場合に特に適している。
実施例のマイクロホットプレートの平面図 第２の実施例のマイクロホットプレートの平面図 変形例のマイクロホットプレートの平面図 第３の実施例のマイクロホットプレートの平面図 図１のマイクロホットプレートを用いたMEMSガスセンサの断面図 図４のマイクロホットプレートを用いたMEMSガスセンサの断面図 従来例のマイクロホットプレートの平面図 図１のマイクロホットプレートを用いたMEMSガスセンサのガス感度を示す図 図２のマイクロホットプレートを用いたMEMSガスセンサのガス感度を示す図 従来例のマイクロホットプレートを用いたMEMSガスセンサのガス感度を示す図
　以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
　図１～図６に実施例のマイクロホットプレート（以下単に「ホットプレート」）2，22，32，42と、それらを用いたガスセンサ40，45を示す。また従来例のホットプレート62を図７に示す。図１～図６の実施例で、同じ符号は同じものを表し、図１の実施例に関する記載は、特に指摘しない限り、他の実施例にも当てはまる。
　図１において、ホットプレート2は図５のSi基板15上の支持層4に設けられている。支持層4は絶縁性で、酸化Si，窒化Si，酸化Siの3層等から成るが、支持層4の材質等は任意である。支持層4はキャビティ6を覆うダイアフラム状であるが、キャビティ6上の架橋部でも良い。ヒータ8の材質は、Pt等の金属でも、ドーピングにより導電性を付与したSi等でも良い。ヒータ8は円形の発熱領域内で複数回折り返し、折り返しと折り返しの間は直線状で、他に図１の左側から右側へ戻る半円形の弧状部19を備えている。またヒータ8の両端は一対のヒータリード9，9として、電極10，11の開口部17から、キャビティ6の外部へ引き出され、図示しないパッド等に接続されている。
　ヒータ8の発熱領域（弧状部19を含む）が円形なので、熱はヒータ8から均一に電極10，11側へ流れる。図１のように、折り返しながら図の右から左へヒータ8を発熱領域内に配置し、ヒータ8の左端をヒータリード9に接続するため、弧状部19を設ける。またヒータリード9，9は電極10，11とクロスできないので、共通の開口部17から引き出す。
　一対の電極10，11が、開口部17を残して、ヒータ8を２重円状に取り囲み、電極10，11は互いに対向している。電極10，11はクロスできないので、外側の電極11を配置できない領域が生じる。そこで好ましくはこの領域にダミー電極13を設け、電極10，11の外側への放熱量を、位置によらずに一定に近づける。ダミー電極13は設けなくても良い。電極10，11を電極リード12に接続し、キャビティ6の外部へ引き出し、図示しないパッド等に接続する。感ガス層用エリア14に、SnO2，In2O3，WO3等の金属酸化物半導体から成る感ガス層を設ける。感ガス層は電極10，11を覆い、薄い層でも厚い層でも良い。
　図２は第２の実施例のホットプレート22を示し、電極10を内側の電極10aと外側の電極10bから成る2重の円周状電極とする。そして電極10a，10b間に、電極11を配置する。他の点では図１の実施例と同様である。
　図３のホットプレート32（変形例）では、発熱領域内のヒータ28の配置と弧状部29の配置が、図１，図２での配置と異なる。
　図４は第３の実施例のホットプレート42を示し、ヒータ38は環状で弧状部がない。他の点では、図１の実施例と同様である。
　図５は図１のホットプレート2を用いたガスセンサ40を示し、感ガス層44は薄膜あるいは厚膜で、SnO2，In2O3，WO3等の金属酸化物半導体から成る。またSi基板15上に支持層4が設けられている。またヒータ8と電極10，11は、同一のマスクで同時に形成され、支持層4を基準として同じ高さにある。またヒータ8，電極10，11の周囲に酸化Si，窒化Si、窒化Ta等の絶縁層16を設けるが、絶縁層16は設けなくても良い。
　図６は図４のホットプレート42を用いたガスセンサ45を示し、感ガス層46はリング状で、電極10，11を覆って、ヒータ38の一部が露出している。他の点では、図５のガスセンサ40と同様である。
　図７は従来例のマイクロホットプレート62を示し、リング状のヒータ64の内部に一対の櫛の歯状の電極66，67が配置されている。他の点では、図１の実施例と同様である。
　ガス感度
　SnO2のペーストをマイクロホットプレートの感ガス層用エリア14にディスペンスし、空気中600℃で焼成し、SnO2の厚膜（膜厚約20μm）から成る感ガス層44を成膜し、ガスセンサとした。このガスセンサを感ガス膜が350℃になるように連続的に加熱し、イソブタン、水素、及びエタノールに対し、ガス濃度10ppm及び30ppmでの抵抗値を測定した。いずれのマイクロホットプレートでも、消費電力は同じであった。図１のマイクロホットプレート2を用いた際の結果を図８に、図２のマイクロホットプレート22を用いた際の結果を図９に示す。また図７の従来例のマイクロホットプレート62を用いた際の結果を図１０に示す。結果は何れも5個のガスセンサでの平均である。図のRs/R0はガス中と空気中の抵抗値の比を示す。
　図１０（従来例）ではイソブタン感度は極く僅かで、エタノール感度も低い。これに対して図８及び図９の実施例では、イソブタン感度が発現し、エタノール感度は水素感度と同等である。このことは、実施例では従来例に比べ、同じ消費電力で感ガス層44が効果的に加熱されていることを示している。またエタノール感度が高いのでアルコール等の検出に用いることができ、イソブタン感度が有るので炭化水素の検出に用いることもできる。
2，22，32，42　マイクロホットプレート　　4　支持層
6　キャビティ　　8，28　ヒータ　　9　ヒータリード
10，11　電極　　10a，10b　電極　　12　電極リード
13　ダミー電極　　14　感ガス層用エリア　　15　Si基板
16　絶縁層　　17　開口部　　19，29　弧状部　　38　ヒータ
40，45　ガスセンサ　　44，46　感ガス層
62　マイクロホットプレート　　64　ヒータ　　66，67　電極　

Claims (8)

  1. 　シリコン基板のキャビティを掛け渡す支持層に電極とヒータが設けられている、マイクロホットプレートであって、
    　前記電極が前記ヒータを取り囲み、かつヒータが電極の内側に配置されているマイクロホットプレート。
  2. 　前記電極は、開口部を有するリング状に、前記ヒータを取り囲み、
    　前記ヒータは円状もしくは環状の発熱領域を備え、かつ前記開口部から前記ヒータの両端部に接続された一対のヒータリードが引き出されていることを特徴とする、請求項１のマイクロホットプレート。
  3. 　前記発熱領域は円状で、前記ヒータは発熱領域内で複数回折り返すと共に、発熱領域の外周に沿う弧状部を備えていることを特徴とする、請求項２のマイクロホットプレート。
  4. 　前記電極は対向する少なくとも２個の電極から成り、前記少なくとも２個の電極は共に前記ヒータをリング状に取り囲み、かつ共通の開口部を備えていることを特徴とする、請求項２または３のマイクロホットプレート。
  5. 　前記電極は２個の電極から成り、各電極に電極リードが接続され、前記共通の開口部から共通の開口部までの発熱領域の周囲を電極リードの電極への接続個所が３分割し、
    　さらに、前記共通の開口部から一方の電極に接続された電極リードまでの間に、何れの電極にも接続されずかつ発熱領域を弧状に囲むダミー電極が設けられていることを特徴とする、請求項４のマイクロホットプレート。
  6. 　前記電極と前記ヒータが、前記支持層を基準として、同じ高さに設けられていることを特徴とする、請求項１～５のいずれかのマイクロホットプレート。
  7. 　シリコン基板のキャビティを掛け渡す支持層に電極とヒータと感ガス層が設けられている、MEMSガスセンサであって、
    　前記電極が前記ヒータを取り囲み、かつヒータが電極の内側に配置され、
    　さらに前記感ガス層が前記電極を覆っているMEMSガスセンサ。
  8. 　前記電極は対向する少なくとも２個の電極から成り、前記少なくとも２個の電極は共に前記ヒータをリング状に取り囲み、かつ共通の開口部を備え、
    　前記ヒータは円状もしくは環状の発熱領域を備え、かつ前記共通の開口部から前記ヒータの両端部に接続された一対のヒータリードが引き出され、
    　前記少なくとも２個の電極と前記ヒータが、前記支持層を基準として、同じ高さに設けられていることを特徴とする、請求項７のMEMSガスセンサ。　
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