WO2025239396A1 - ガス濃度測定デバイス及び被測定ガス中の被検出対象ガス濃度の測定方法 - Google Patents

ガス濃度測定デバイス及び被測定ガス中の被検出対象ガス濃度の測定方法

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WO2025239396A1
WO2025239396A1 PCT/JP2025/017577 JP2025017577W WO2025239396A1 WO 2025239396 A1 WO2025239396 A1 WO 2025239396A1 JP 2025017577 W JP2025017577 W JP 2025017577W WO 2025239396 A1 WO2025239396 A1 WO 2025239396A1
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WO
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gas
heating resistor
gas concentration
measurement device
insulating layer
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Application number
PCT/JP2025/017577
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English (en)
French (fr)
Inventor
翔太 竹村
陽樹 松尾
慎吾 井手
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsui Kinzoku Co Ltd
Original Assignee
Mitsui Kinzoku Co Ltd
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Publication date
Application filed by Mitsui Kinzoku Co Ltd filed Critical Mitsui Kinzoku Co Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/14—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature
    • G01N27/18—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of an electrically-heated body in dependence upon change of temperature caused by changes in the thermal conductivity of a surrounding material to be tested

Definitions

  • the present invention relates to a gas concentration measurement device used to measure the concentration of a target gas in a gas to be measured.
  • the present invention also relates to a method for measuring the concentration of a target gas in a gas to be measured.
  • thermal conduction gas sensor In a thermal conduction gas sensor, heat from a heating resistor is conducted to the gas to be measured, and the gas concentration in the gas to be measured is measured using the heat lost from the heating resistor.
  • Patent Document 1 describes a flammable gas detection device equipped with a thermal conduction gas detection unit.
  • Patent Document 1 As exemplified by Patent Document 1, various gas sensors have been proposed to date, but there is a demand for greater sensitivity in measuring the concentration of target gases.
  • an object of the present invention is to provide a gas concentration measurement device that can measure the concentration of a target gas with high sensitivity.
  • the present invention provides a heating element that generates heat when energized, and a stage that supports the heating element, the heating resistor overlaps with the stage in a plan view,
  • a gas concentration measurement device that measures a concentration of a target gas in a measurement gas based on a resistance value of the heating resistor
  • the present invention provides a gas concentration measurement device in which a heat dissipation layer for transmitting heat generated from the heating resistor to the atmosphere in which the gas concentration measurement device is placed is arranged above and/or below the heating resistor.
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a preferred embodiment of a gas concentration measuring device of the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view showing the position and shape of the heating resistor in the gas concentration measuring device shown in FIG. 3 is a cross-sectional view of the gas concentration measuring device shown in FIG. 1 taken along line III-III.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing another embodiment of the gas concentration measuring device of the present invention, and corresponds to FIG.
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing a preferred method for manufacturing the gas concentration measuring device shown in FIG.
  • FIG. 6 is a perspective view schematically showing another embodiment of the gas concentration measuring device of the present invention, and corresponds to FIG. FIG.
  • FIG. 7 is a plan view showing the position and shape of the heating resistor in the gas concentration measuring device shown in FIG. 6, and corresponds to FIG.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the gas concentration measuring device shown in FIG. 6 taken along line VIII-VIII, and corresponds to FIG.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing still another embodiment of the gas concentration measuring device of the present invention, and corresponds to FIG.
  • the present invention will now be described based on preferred embodiments thereof with reference to the drawings.
  • the gas concentration measurement device 10 (hereinafter also referred to as "device 10") of this embodiment includes a stage 21 and one or more bridges 22 extending from the periphery of the stage 21.
  • the stage 21 and bridges 22 form a bridge structure 20.
  • the bridge structure 20 includes the stage 21, which is a rectangular plate-like body in a plan view, and four bridges 22 extending from the periphery of the stage 21.
  • the bridges 22 extend in one direction.
  • the device 10 also has a peripheral portion 24 that is spaced from and surrounds the stage 21, and the bridges 22 are connected to the peripheral portion 24. Note that the shape of the stage 21 in a plan view is not limited to a rectangular shape.
  • the stage 21 has a multi-layer structure. Specifically, the stage 21 has a five-layer structure including a first insulating layer 121, a second insulating layer 122 disposed on the first insulating layer 121, a third insulating layer 123 disposed on the second insulating layer 122, a fourth insulating layer 124 disposed on the third insulating layer 123, and a heat dissipation layer 13 (described in detail below) disposed on the fourth insulating layer 124.
  • the layer structure of the stage 21 is not limited to this, and the stage 21 may have, for example, a single-layer structure, a two-layer structure, a three-layer structure, or a four-layer structure.
  • the fourth insulating layer 124, the heat dissipation layer 13, and the second adhesion layer 34 described later are omitted from the illustration in order to clearly show the position and shape of the heating resistor 31 described later.
  • the device 10 has a heating resistor 31 that generates heat when current is applied.
  • the heating resistor 31 is supported by the stage 21 and overlaps the stage 21 in a plan view. More specifically, in the embodiment shown in Figures 1 to 3, the stage 21 includes the heating resistor 31 inside in its thickness direction.
  • the heating resistor 31 is disposed on the third insulating layer 123, with the fourth insulating layer 124 disposed above and to the side. In this way, the heating resistor 31 is surrounded by the third insulating layer 123 and the fourth insulating layer 124, preventing contact with the surrounding gas, thereby improving the durability of the heating resistor 31.
  • the device 10 is provided with a heat dissipation layer 13.
  • the heat dissipation layer 13 is a layer for transferring heat generated from the heating resistor 31 to the atmosphere (measurement gas) in which the device 10 is placed. By including the heat dissipation layer 13 in the device 10, the heat generated from the heating resistor 31 is transferred to the measurement gas more efficiently, thereby improving the measurement sensitivity of the detection gas concentration.
  • the heat dissipation layer 13 may be made of a dense film or a porous film.
  • the heat dissipation layer 13 may be located above and/or below the heating resistor 31. Regardless of the location of the heat dissipation layer, the heat generated by the heating resistor 31 is more efficiently transferred to the gas under measurement, thereby improving the measurement sensitivity of the concentration of the gas under measurement.
  • “above the heating resistor 31” means that the heat dissipation layer 13 is disposed in contact with the upper surface of the heating resistor 31, or that the heat dissipation layer 13 is disposed above the heating resistor 31 at a distance from the upper surface of the heating resistor 31. In the latter case, one or more layers may be interposed between the heat dissipation layer 13 and the heating resistor 31.
  • “below the heating resistor 31” means that the heat dissipation layer 13 is disposed in contact with the lower surface of the heating resistor 31, or that the heat dissipation layer 13 is disposed below the heating resistor 31 at a distance from the lower surface of the heating resistor 31.
  • FIG. 3 shows a state in which the heat dissipation layer 13 is positioned directly above the heating resistor 31 at a distance from the heating resistor 31 .
  • a non-electrically conductive heat insulating layer is disposed on the heating resistor 31, and a heat dissipation layer 13 is disposed on the non-electrically conductive heat insulating layer.
  • the "non-electrically conductive heat insulating layer” refers to a layer whose electrical conductivity at 25°C is preferably 1.0 ⁇ 10-10 S/m or less, more preferably 1.0 ⁇ 10-11 S/m or less, and even more preferably 1.0 ⁇ 10-12 S/m or less, and whose thermal conductivity at the same temperature is equal to or less than the thermal conductivity of SiO2 .
  • the device 10 shown in FIG. 3 includes a fourth insulating layer 124 as an electrically non-conductive thermal insulating layer.
  • the thermal conductivity of the heat dissipation layer 13 be higher than the thermal conductivity of SiO 2. More specifically, the thermal conductivity of the heat dissipation layer 13 is preferably 10 W/m ⁇ K or higher, more preferably 50 W/m ⁇ K or higher, and even more preferably 100 W/m ⁇ K or higher. In this specification, the thermal conductivity of the heat dissipation layer 13 refers to a value measured at 25°C.
  • the heat dissipation layer 13 is preferably made of a material having a thermal conductivity of 10 W/m ⁇ K or higher . More specifically, examples of such materials include metals such as Al , Au, Ag, Cu, and Pt ; metal oxides such as Al2O3 , MgO, BeO, and Y2O3 ; and nitrides such as AlN, Si3N4 , and BN. These materials may be used alone or in combination. Furthermore, the heat dissipation layer 13 may be formed using one or more of these materials in combination with one or more resins, such as epoxy resin. Unlike the non-electrically conductive heat insulating layer described above, in the embodiment shown in FIG. 3, the heat dissipation layer 13 may be electrically conductive.
  • FIG. 4 shows a cross-sectional view of device 10, which is another embodiment of the gas concentration measurement device of the present invention.
  • the non-electrically conductive heat insulating layer (fourth insulating layer 124 in FIG. 3 ) is not provided, and the heat dissipation layer 13 is provided on the heating resistor 31 so as to be in contact with the third insulating layer 123. That is, the stage 21 in this embodiment is formed by laminating the first insulating layer 121, the second insulating layer 122, the third insulating layer 123, and the heat dissipation layer 13 in this order. As such, in this embodiment, the non-electrically conductive heat insulating layer (fourth insulating layer 124 in FIG. 3 ) is not provided between the heating resistor 31 and the heat dissipation layer 13.
  • the heat dissipation layer 13 be non-electrically conductive.
  • the heat dissipation layer in device 10 shown in FIG. 4 preferably has an electrical conductivity at 25° C. of 1.0 ⁇ 10 ⁇ 10 S/m or less, more preferably 1.0 ⁇ 10 ⁇ 11 S/m or less, and even more preferably 1.0 ⁇ 10 ⁇ 12 S/m or less.
  • the material for the heat dissipation layer 13 in the device 10 shown in Figure 4 is preferably one that satisfies the above-mentioned ranges of thermal conductivity and electrical conductivity. More specifically, nitrides such as AlN, Si3N4 , and BN are preferably used. These materials may be used alone or in combination of two or more. Furthermore, the heat dissipation layer 13 may be formed by using one or more of these materials in combination with one or more resins such as epoxy resin.
  • the amount of heat generated balances the amount of heat absorbed by the surrounding measured gas, and a steady state is reached.
  • the temperature of the heating resistor 31 at this time depends on the thermal conductivity (heat absorption) of the measured gas. Because the thermal conductivity of the measured gas varies depending on the composition of that gas, the temperature of the heating resistor in the steady state will change depending on the composition of the measured gas. Therefore, the gas concentration in the measured gas can be measured based on the resistance value of the heating resistor 31 at this time.
  • the total heat capacity of the heating resistor 31 and the stage 21 is preferably 8.3 ⁇ 10 ⁇ 6 J/K or less, more preferably 3.9 ⁇ 10 ⁇ 6 J/K or less, and even more preferably 9.4 ⁇ 10 ⁇ 7 /K or less.
  • the total heat capacity of the heating resistor 31 and the stage 21 is preferably 9.0 ⁇ 10 ⁇ 10 J/K or more, more preferably 1.8 ⁇ 10 ⁇ 9 J/K or more, and even more preferably 3.7 ⁇ 10 ⁇ 9 J/K or more.
  • 1 to 3 has a bridge structure 20 consisting of a stage 21 containing a heating resistor 31 therein and a bridge 22.
  • the area S of the stage 21 in a planar view is preferably 9.0 ⁇ 10 6 ⁇ m 2 or less, more preferably 4.0 ⁇ 10 6 ⁇ m 2 or less, and even more preferably 1.0 ⁇ 10 6 ⁇ m 2 or less.
  • S is preferably 100 ⁇ m 2 or more, more preferably 200 ⁇ m 2 or more, and even more preferably 400 ⁇ m 2 or more.
  • the length of one side of the stage 21 is preferably 10 ⁇ m or more and 3000 ⁇ m or less, more preferably 12.5 ⁇ m or more and 2000 ⁇ m or less, and even more preferably 20 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less, provided that S is within the above-mentioned range.
  • S/V is preferably 0.0020 ⁇ m ⁇ 1 or more, more preferably 0.0040 ⁇ m ⁇ 1 or more, and even more preferably 0.0050 ⁇ m ⁇ 1 or more. Furthermore, from the viewpoint of reducing power consumption, S/V is preferably 10 ⁇ m ⁇ 1 or less, more preferably 7.0 ⁇ m ⁇ 1 or less, and even more preferably 5.0 ⁇ m ⁇ 1 or less.
  • the heating resistor 31 is preferably made up of a series of wires.
  • the term "series of wires" refers to a single wire or a plurality of wires having at least both ends in common. 2 and 3, the series of wires forms a heating resistor 31 in the stage 21.
  • the series of wires also extends to the two bridges 22 and the peripheral edge 24, forming two wires 312.
  • the series of wires is made up of the heating resistor 31 disposed in the stage 21 and the bridges 22 and the wires 312 extending to the peripheral edge 24.
  • two or more bridges 22 extend from the peripheral edge of the stage 21. Furthermore, from the viewpoint of supporting the stage 21 more stably, it is preferable that three or more, and more preferably four or more, bridges 22 extend from the peripheral edge of the stage 21.
  • the heating resistor 31 is connected to two wire bonding pads 32, 32 (hereinafter simply referred to as "pads 32") arranged on the peripheral edge portion 24 via two wires 312, 312.
  • the heating resistor 31 shown in Figure 2 consists of a single wire. This wire extends within the stage 21, meandering repeatedly in one direction and then the opposite direction without crossing itself. Because the wire has this shape, the resistance value of the heating resistor 31 can be increased. As a result, gas concentration can be measured with less power consumption.
  • heating resistor 31 is made up of multiple filaments with at least both ends in common is an embodiment (not shown) in which the multiple filaments are arranged so as not to intersect with each other within the stage 21, and the portions of the multiple filaments arranged within the bridge 22 are common (overlapping with each other).
  • the thickness of the heating resistor 31 is preferably 0.01 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, more preferably 0.02 ⁇ m or more and 75 ⁇ m or less, and even more preferably 0.05 ⁇ m or more and 50 ⁇ m or less.
  • the thickness of the heating resistor and the first and second adhesive layers 33 and 34 described below can be measured by a stylus-type profilometer, an electron microscope, or an optical three-dimensional measuring device.
  • the heating resistor 31 is made up of one or more filaments, and the resistance of the portion of the filament overlapping the bridge 22 in a planar view is R B and the resistance of the portion of the filament overlapping the stage 21 in a planar view (heating resistor 31) is R S , it is preferable that the ratio R S /R B of R S to R B be within a predetermined numerical range.
  • R S /R B is preferably 0.01 or more, more preferably 0.1 or more, and even more preferably 1 or more. Setting R S /R B to 0.01 or more reduces the heat radiation from the heating resistor 31 in the portion overlapping the bridge 22 in a planar view, thereby improving the accuracy and sensitivity of measuring the concentration of the target gas.
  • R S /R B is preferably 10,000 or less, more preferably 1,000 or less, and even more preferably 100 or less.
  • R S /R B is preferably 10,000 or less, more preferably 1,000 or less, and even more preferably 100 or less.
  • the resistance value of the heating resistor 31 has high temperature dependency.
  • the temperature coefficient of resistance ⁇ t of the heating resistor 31 at 25°C is preferably 100 ppm/°C or more, more preferably 500 ppm/°C or more, and even more preferably 1000 ppm/°C or more.
  • materials having a temperature coefficient of resistance ⁇ t of 100 ppm/°C or higher at 25°C include platinum, tungsten, copper, gold, silver, molybdenum, aluminum, tantalum, and alloys thereof.
  • alloys containing platinum include Pt—Nb, Pt—Rh, and Pt—W.
  • the heating resistor 31 contains one or more materials selected from the group consisting of these materials. Among these, from the viewpoint of stability in high-temperature environments, it is particularly preferable that the heating resistor 31 contains platinum or an alloy containing platinum.
  • a first adhesion layer 33 and a second adhesion layer 34 are arranged at positions that contact the lower and upper surfaces of the heating resistor 31, respectively.
  • the first adhesion layer 33 and the second adhesion layer 34 may also be disposed in positions that contact the lower and upper surfaces of the wiring 312 and the pad 32.
  • the second adhesion layer 34 is made of a non-conductive material, it is preferable that the second adhesion layer 34 is not disposed on the upper surface of the pad 32.
  • the thickness of the first adhesion layer 33 and the second adhesion layer 34 is preferably 1 nm or more and 200 nm or less, more preferably 2 nm or more and 150 nm or less, and even more preferably 10 nm or more and 100 nm or less, respectively.
  • the device 10 has a peripheral portion 24 that surrounds the stage 21.
  • the peripheral portion 24 is preferably spaced apart from the stage 21, and the two are preferably connected via a bridge 22.
  • the peripheral portion 24 preferably includes a substrate 11 and a plurality of insulating layers formed above and below the substrate 11. Specifically, in the device 10 shown in Fig. 3, a first insulating layer 121, a second insulating layer 122, a third insulating layer 123, and a fourth insulating layer 124 are disposed in this order above the substrate 11. Also, a fifth insulating layer 125 and a sixth insulating layer 126 are disposed in this order below the substrate 11. On the other hand, in the device 10 shown in Fig.
  • the first insulating layer 121, the second insulating layer 122, and the third insulating layer 123 are disposed in this order above the substrate 11, and the fifth insulating layer 125 and the sixth insulating layer 126 are disposed in this order below the substrate 11.
  • the device 10 may or may not have a fifth insulating layer 125 and a sixth insulating layer 126.
  • the presence or absence of the fifth insulating layer 125 and the sixth insulating layer 126 can adjust the stress applied to the substrate 11.
  • the peripheral portion 24 may or may not have a heat dissipation layer 13.
  • the device 10 shown in FIG. 3 does not have a heat dissipation layer in the peripheral portion 24.
  • the device 10 shown in FIG. 4 has a heat dissipation layer 13 on the third insulating layer 123 in the peripheral portion 24.
  • the peripheral portion 24 of the device 10 shown in FIG. 4 may have an insulating layer instead of the heat dissipation layer 13.
  • the material for the insulating layer can be any of the suitable materials for the first insulating layer 121 to the sixth insulating layer 126, as described below.
  • the minimum width of the bridge 22 is preferably 5 ⁇ m or more, more preferably 7.5 ⁇ m or more, even more preferably 10 ⁇ m or more, even more preferably 20 ⁇ m or more, and particularly preferably 30 ⁇ m or more.
  • the minimum width of the bridge 22 is preferably 1500 ⁇ m or less, more preferably 450 ⁇ m or less, even more preferably 300 ⁇ m or less, and even more preferably 200 ⁇ m or less.
  • the "minimum width of the bridge 22" refers to the width of the bridge 22 (the length of the bridge 22 in a direction perpendicular to the longitudinal direction) at the position where the width is minimum when the device 10 is viewed in plan.
  • the substrate 11 preferably comprises silicon (Si).
  • the insulating layers formed above and below the substrate 11 preferably contain a silicon (Si) compound from the viewpoints of availability, ease of formation, and chemical stability, and more preferably contain silicon dioxide (SiO 2 ) and silicon nitride (SiN x , where x is a number between 0.100 and 1.667.) More specifically, the first insulating layer 121, the third insulating layer 123, the fourth insulating layer 124, and the fifth insulating layer 125 are preferably made of SiO 2 , and the second insulating layer 122 and the sixth insulating layer 126 are preferably made of SiN x .
  • the first adhesion layer 33 and the second adhesion layer 34 preferably contain one or more selected from tantalum (Ta), titanium (Ti), titanium nitride, titanium oxide, titanium oxynitride, tantalum oxide, zirconium, zirconium oxide, yttrium, yttrium oxide, tungsten, tungsten oxide, chromium, chromium oxide, nickel, nickel oxide, and alloys thereof.
  • the first adhesion layer 33 and the second adhesion layer 34 made of these materials typically do not function as heat insulating layers, and therefore do not fall under the category of the "non-electrically conductive heat insulating layer" described above.
  • the material of the heating resistor 31 has already been explained.
  • the materials for the wiring 312 and pad 32 can be the same as those mentioned above for the heating resistor 31.
  • the heating resistor 31, wiring 312, and pad 32 may be made of different materials, or may be made of the same material. From the perspective of enabling simple manufacturing and reducing manufacturing costs, it is preferable that the heating resistor 31, wiring 312, and pad 32 be made of the same material.
  • Figures 6 to 8 show a device 10 according to yet another embodiment of the present invention.
  • the following description of this embodiment will focus mainly on the differences from the embodiment shown in Figures 1 to 3.
  • Figures 6, 7 and 8 correspond to Figures 1, 2 and 3, respectively.
  • Figures 6, 7 and 8 the same members as those in Figures 1, 2 and 3 are denoted by the same reference numerals.
  • the device 10 of this embodiment differs from the device 10 shown in Figures 1 to 3 in that the first insulating layer 121, second insulating layer 122, and third insulating layer 123 are disposed across the entire area of the device 10 in the planar direction ( Figure 8).
  • the fourth insulating layer 124 is also disposed across the entire area of the device 10 in the planar direction, except for the area where the pad 32 is located. Due to this structure, the device 10 of this embodiment does not have a bridge 22 or bridge structure 20 ( Figures 6 and 8).
  • the device 10 comprises a diaphragm 23 having a first insulating layer 121, a second insulating layer 122, a third insulating layer 123, and a fourth insulating layer 124, a heat dissipation layer 13 disposed on the diaphragm, and a peripheral edge 24 surrounding the diaphragm 23, with a heating resistor 31 provided somewhere in the thickness direction of the diaphragm 23.
  • the diaphragm 23 is made of a thin film, and its thickness can be the same as that of the stage 21 described above.
  • the diaphragm 23 is rectangular, with the length of one side preferably being 100 ⁇ m or more and 4500 ⁇ m or less, more preferably 150 ⁇ m or more and 3000 ⁇ m or less, and even more preferably 200 ⁇ m or more and 1500 ⁇ m or less.
  • the shape of the diaphragm 23 is not limited to a rectangle.
  • the device 10 of this embodiment has a heating resistor 31 and two wires 312, 312 that connect the heating resistor 31 to a pad 32.
  • Each end of the heating resistor 31 is connected to each end of the two wires 312, 312, and the heating resistor 31 as a whole forms a single filament.
  • the heating resistor 31 and the wiring 312 are made of the same material, the portion of the wire that is densely packed due to meandering or the like is defined as the heating resistor 31, and the portion that extends outward from the heating resistor 31 is defined as the wiring 312.
  • the heating resistor 31 is located approximately in the center of the diaphragm 23.
  • the portion that overlaps with the figure K in a plan view is defined as the stage 21 of the device 10.
  • the figure K is indicated by a dashed line and has a rectangular shape.
  • the peripheral portion 24 is spaced apart from the stage 21 and surrounds the stage 21 in a plan view.
  • FIG. 9 shows a cross-sectional view of device 10, which is another embodiment of the gas concentration measurement device of the present invention.
  • the device 10 shown in FIG. 9 differs from the device 10 shown in FIG. 4 in that the first insulating layer 121, second insulating layer 122, and third insulating layer 123 are disposed across the entire area of the device 10 in the planar direction (FIG. 9).
  • the heat dissipation layer 13 is also disposed across the entire area of the device 10 in the planar direction, except for the area where the pad 32 is located. Due to this structure, the device 10 of this embodiment does not have a bridge 22 or bridge structure 20 (FIG. 9).
  • the device 10 has a diaphragm 23 provided with a first insulating layer 121, a second insulating layer 122, a third insulating layer 123 and a heat dissipation layer 13, and a peripheral portion 24 surrounding the diaphragm 23, and a heating resistor 31 is provided at any position in the thickness direction of the diaphragm 23 (preferably on the third insulating layer 123).
  • the details of the diaphragm 23, heating resistor 31, wiring (not shown), and stage 21 in the device 10 shown in Figure 9 are similar to the details of the diaphragm 23, heating resistor 31, wiring 312, and stage 21 in the device 10 shown in Figures 6 to 8, and the above description of the device 10 shown in Figures 6 to 8 applies as appropriate.
  • the heating resistor 31 When measuring the concentration of a target gas in a measurement gas using the device 10, current is applied to the heating resistor 31 to cause it to heat up.
  • the conditions for applying current are not particularly limited, as long as a good linear relationship is established between the concentration of the target gas in the measurement gas and the resistance value of the heating resistor.
  • current may be applied under constant power conditions, i.e., conditions under which the amount of heat generated by the heating resistor 31 due to current application remains constant even when the concentration of the target gas in the measurement gas changes.
  • current may be applied under constant voltage conditions, i.e., conditions under which the voltage applied to the heating resistor 31 remains constant even when the concentration of the target gas in the measurement gas changes, or under constant current conditions, i.e., conditions under which the current flowing through the heating resistor 31 remains constant even when the concentration of the target gas in the measurement gas changes.
  • constant power here does not require that the power be strictly constant during measurement of the target gas concentration. For example, if the power change during measurement is 1% or less, more preferably 0.5% or less, the target gas concentration can be measured with sufficient accuracy. Therefore, even if a power change of this magnitude occurs during measurement of the target gas concentration, the measurement is considered to have been performed under constant power conditions. The same applies to the "constant voltage” and “constant current” described above.
  • the resistance value of the heating resistor 31 changes depending on the temperature of the heating resistor 31, and the concentration of the target gas can be measured based on that resistance value.
  • the temperature difference between the heating resistor 31 and the measurement gas is preferably 30°C or more, more preferably 60°C or more, and even more preferably 100°C or more.
  • the temperature difference between the heating resistor 31 and the gas to be measured is preferably 800°C or less, more preferably 750°C or less, and even more preferably 700°C or less.
  • gases to be detected in the measurement gas examples include oxygen gas, nitrogen gas, argon gas, helium gas, water vapor, hydrogen gas, carbon dioxide gas, etc.
  • gases to be detected are oxygen gas, water vapor, and carbon dioxide gas.
  • the thermal conductivity of oxygen gas is relatively low, so the temperature change of the heating resistor 31 due to changes in the oxygen gas concentration is small. This has led to a problem that the accuracy of measuring the oxygen gas concentration is easily reduced in conventional thermal conduction gas sensors.
  • the thermal conductivities of oxygen gas and nitrogen gas are similar, making it particularly difficult to measure the oxygen gas concentration with high accuracy using conventional thermal conduction gas sensors.
  • the measurement sensitivity of the detection target gas concentration in device 10 is sufficiently increased, so that even if the detection target gas is oxygen gas, the concentration can be measured with high accuracy. Furthermore, device 10 can measure the oxygen gas concentration with high accuracy even if the measurement target gas contains oxygen gas and nitrogen gas.
  • the total content of oxygen gas and nitrogen gas in the gas to be measured is preferably 0.00001 vol.% or more, more preferably 0.0001 vol.% or more, and even more preferably 0.001 vol.% or more.
  • the device 10 can measure the concentration of the target gas in the measurement gas with high accuracy even if it has only the heating resistor 31 as the component sensitive to the target gas. In this way, the device 10 can be constructed from a relatively small number of components, making it easier to manufacture.
  • a component sensitive to a target gas refers to a component whose properties change in response to the concentration of the target gas in the measurement gas.
  • a component sensitive to the target gas is an electrode portion consisting of a positive electrode, a negative electrode, and an electrolyte disposed between them, in which the value of the current flowing through the electrode portion changes depending on the concentration of the target gas in the measured gas.
  • oxygen gas sensitive materials include semiconductors such as tin oxide and zinc oxide, and piezoelectric materials such as barium titanate, zirconium titanate and zinc oxide.
  • FIG. 5(a) to 5(e) show a preferred manufacturing procedure for the device 10 shown in Figures 1 to 3.
  • This manufacturing method includes the following steps in this order: 1. A step of forming an insulating layer on the substrate 11; 2. A step of forming a heating resistor 31 on the insulating layer; 3. A step of forming a fourth insulating layer 124 and a heat dissipation layer 13 on the sides and above the heating resistor 31; 4. A step of forming a bridge structure 20
  • Step of forming an insulating layer on substrate 11 First, the substrate 11 is thermally oxidized by heating it to 700°C or higher and 1400°C or lower in an atmosphere containing oxygen or water vapor, and a first insulating layer 121 and a fifth insulating layer 125 made of SiO2 are formed on the surface of the substrate 11. Next, a second insulating layer 122 and a sixth insulating layer 126 made of SiNx are formed on the surfaces of the first insulating layer 121 and the fifth insulating layer 125 using a thin film forming method described later.
  • PVD physical vapor deposition
  • CVD chemical vapor deposition
  • PECVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • LP-CVD low pressure chemical vapor deposition
  • a third insulating layer 123 is formed on the second insulating layer 122 (FIG. 5(a)).
  • the third insulating layer 123 is formed over the entire surface of the substrate 11.
  • the above-mentioned thin film formation methods can be used to form the third insulating layer 123.
  • a first adhesive layer 33 is formed as needed.
  • the first adhesive layer 33 can be formed by patterning using a lift-off method. Specifically, a photoresist layer (not shown) is first provided over the entire surface of the third insulating layer 123, and then exposed and developed to form a patterned mask (not shown) having a shape complementary to that of the first adhesive layer 33. Next, with the third insulating layer 123 covered with the mask, the first adhesive layer 33 is formed by a thin-film forming method. From the viewpoint of mass productivity, a sputtering method is particularly preferable as the thin-film forming method. Finally, the photoresist layer is removed to obtain the first adhesive layer 33 having the desired shape.
  • the heating resistor 31 is formed (FIG. 5B).
  • the heating resistor 31, the wiring 312, and the pad 32 are formed simultaneously.
  • a means for forming the thin film it is particularly preferable to use a sputtering method from the viewpoint of mass productivity.
  • the patterning method it is particularly preferable to use a milling method from the viewpoint of suppressing burrs from being generated at the ends of the heating resistor 31.
  • a lift-off method can also be used instead of the milling method.
  • the method for forming the heating resistor 31 is the same as the method for forming the first adhesion layer 33, and therefore a description thereof will be omitted here.
  • the second adhesive layer 34 is formed as needed.
  • the second adhesive layer 34 can be formed by the same method as the first adhesive layer 33. In FIG. 5B, the first adhesive layer 33 and the second adhesive layer 34 are omitted from the illustration.
  • Step of forming the fourth insulating layer 124 and the heat dissipation layer 13 on the sides and above the heating resistor 31 After forming the heating resistor 31 and, if necessary, the first adhesive layer 33 and the second adhesive layer 34, the fourth insulating layer 124 is formed.
  • the fourth insulating layer 124 is formed on the entire surface of the substrate 11 ( FIG. 5( c) ).
  • the fourth insulating layer 124 can be formed by the same method as the third insulating layer 123.
  • the heat dissipation layer 13 is formed on the fourth insulating layer 124 at a position that overlaps with the stage 21 in a plan view of the target device 10 (FIG. 1).
  • the heat dissipation layer 13 can be formed in the same manner as the heating resistor 31.
  • Step of forming bridge structure 20 First, unnecessary portions of the first insulating layer 121, second insulating layer 122, third insulating layer 123, and fourth insulating layer 124, which are insulating layers located above the substrate 11, are removed ( FIG. 5( d) ).
  • the unnecessary portions here refer to portions of the target device 10 ( FIG. 1 ) that do not overlap with the bridge structure 20 or the peripheral portion 24 in a plan view.
  • a portion of the fourth insulating layer 124 formed on the pad 32 can be removed to expose the pad 32.
  • the device 10 shown in Figures 6 to 8 can be manufactured instead of the device 10 shown in Figures 1 to 3.
  • the unnecessary portions can be removed by etching methods such as dry etching and wet etching.
  • Dry etching can be reactive ion etching (RIE) using fluorocarbon or halogen gas
  • wet etching can be isotropic etching using hydrofluoric acid, nitric acid, sulfuric acid, phosphoric acid, or the like, or anisotropic etching using an alkaline solution such as KOH (potassium hydroxide), TMAH (tetramethylammonium hydroxide), or EDP (ethylenediamine pyrocatechol).
  • KOH potassium hydroxide
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • EDP ethylenediamine pyrocatechol
  • the method for removing the unnecessary portions can be the same as the method for removing the insulating layer located above the substrate 11 .
  • RIE can be preferably used as a method for removing unnecessary portions of the insulating layer located below the substrate 11.
  • DRIE deep reactive ion etching
  • SF6 sulfur hexafluoride
  • C4F8 fluoroalkane gas
  • the gas concentration measuring device of the present invention has been described above based on the preferred embodiment, the present invention is not limited to such an embodiment.
  • the gas concentration measuring device of the present invention does not have to have a structure including the bridge structure 20 .
  • a gas concentration measurement device that measures a concentration of a target gas in a measurement gas based on a resistance value of the heating resistor
  • the heating resistor is made of a series of filaments, the series of filaments is composed of a single filament or a plurality of filaments having at least both ends in common, At least two of the bridges extend from the periphery of the stage;
  • the gas concentration measurement device according to claim 10 wherein the series of wire members extend to each of the two bridges.
  • the gas concentration measurement device according to any one of [1] to [13], which has only the heating resistor as a member sensitive to the gas to be detected.
  • the measurement gas contains oxygen gas and nitrogen gas, The gas concentration measuring device according to any one of [1] to [14], which measures the oxygen gas concentration in the measurement gas.
  • the measurement gas contains oxygen gas and nitrogen gas, The measurement method according to [16], wherein the oxygen gas concentration in the measurement gas is measured.
  • the present invention provides a gas concentration measurement device that can measure the concentration of a target gas with high sensitivity.

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Abstract

通電によって熱を生じる発熱抵抗体（３１）と、発熱抵抗体（３１）を支持するステージ（２１）と、を備えるガス濃度測定デバイス（１０）である。発熱抵抗体（３１）は、平面視においてステージ（２１）と重なっている。ガス濃度測定デバイス（１０）は、発熱抵抗体（３１）の抵抗値に基づいて被測定ガス中の被検出対象ガス濃度を測定する。ガス濃度測定デバイス（１０）は、発熱抵抗体（３１）から生じた熱を、ガス濃度測定デバイス（１０）が置かれた雰囲気へ伝達するための放熱層（１３）を、発熱抵抗体（３１）の上方側及び／又は下方側に配している。

Description

ガス濃度測定デバイス及び被測定ガス中の被検出対象ガス濃度の測定方法
　本発明は、被測定ガス中の被検出対象ガス濃度の測定に用いられるガス濃度測定デバイスに関する。また本発明は、被測定ガス中の被検出対象ガス濃度の測定方法に関する。
　従来、被測定ガス中のガス濃度を測定するためのデバイスが種々知られている。このようなデバイスの１つに、熱伝導式ガスセンサがある。熱伝導式ガスセンサにおいては、発熱抵抗体からの熱が被測定ガスに伝導することで、当該発熱抵抗体から失われる熱を利用して、被測定ガス中のガス濃度が測定される。
　例えば特許文献１には、熱伝導式ガス検出部を備えた可燃性ガス検出装置が記載されている。
特開２００５－１５６３６４号公報
　特許文献１に例示されるように、これまでに種々のガスセンサが提案されてきたが、被検出対象ガス濃度の測定における感度をより高めたいという要求がある。
　したがって本発明の課題は、被検出対象ガス濃度を高感度にて測定し得るガス濃度測定デバイスを提供することにある。
　本発明は、通電によって熱を生じる発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体を支持するステージと、を備え、
　前記発熱抵抗体は、平面視において前記ステージと重なっており、
　前記発熱抵抗体の抵抗値に基づいて被測定ガス中の被検出対象ガス濃度を測定する、ガス濃度測定デバイスであって、
　前記発熱抵抗体から生じた熱を、前記ガス濃度測定デバイスが置かれた雰囲気へ伝達するための放熱層を、前記発熱抵抗体の上方側及び／又は下方側に配した、ガス濃度測定デバイスを提供するものである。
図１は、本発明のガス濃度測定デバイスの好ましい一実施形態を模式的に示す斜視図である。 図２は、図１に示すガス濃度測定デバイスにおける発熱抵抗体の位置及び形状を示す平面図である。 図３は、図１に示すガス濃度測定デバイスのＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿う断面図である。 図４は、本発明のガス濃度測定デバイスの別の実施形態を示す断面図であり、図３相当図である。 図５は、図１に示すガス濃度測定デバイスの好ましい製造方法を模式的に示す斜視図である。 図６は、本発明のガス濃度測定デバイスの別の一実施形態を模式的に示す斜視図であり、図１相当図である。 図７は、図６に示すガス濃度測定デバイスにおける発熱抵抗体の位置及び形状を示す平面図であり、図２相当図である。 図８は、図６に示すガス濃度測定デバイスのＶＩＩＩ－ＶＩＩＩ線に沿う断面図であり、図３相当図である。 図９は、本発明のガス濃度測定デバイスの更に別の実施形態を示す断面図であり、図３相当図である。
　以下本発明を、その好ましい実施形態に基づき図面を参照しながら説明する。
　図１ないし図３には、本発明のガス濃度測定デバイスの好ましい一実施形態が示されている。本実施形態のガス濃度測定デバイス１０（以下、「デバイス１０」ともいう。）は、ステージ２１と、該ステージ２１の周縁から延出した一本又は複数本のブリッジ２２とを備えている。これらのステージ２１及びブリッジ２２によってブリッジ構造体２０が形成されている。図１に示すデバイス１０においては、ブリッジ構造体２０は平面視で矩形の板状体からなるステージ２１と、該ステージ２１の周縁から延出した四本のブリッジ２２を有している。ブリッジ２２は一方向に沿って延びる形状を有している。またデバイス１０は、ステージ２１から離間し且つステージ２１を囲繞する周縁部２４を有しており、ブリッジ２２は周縁部２４に連接されている。なお、ステージ２１の平面視での形状は矩形に限られない。
　図３に示すとおり、ステージ２１は多層構造を有している。詳細には、ステージ２１は第一絶縁層１２１と、該第一絶縁層１２１上に配置された第二絶縁層１２２と、該第二絶縁層１２２上に配置された第三絶縁層１２３と、該第三絶縁層１２３上に配置された第四絶縁層１２４と、第四絶縁層１２４上に配置された放熱層１３（詳細は後述する。）と、からなる５層構造を有している。尤も、ステージ２１の層構造はこれに限られず、例えばステージ２１は単層構造、２層構造、３層構造又は４層構造を有していてもよい。
　なお、図２に示すデバイス１０においては、後述する発熱抵抗体３１の位置及び形状を明示するために、第四絶縁層１２４、放熱層１３及び後述する第二密着層３４の図示が省略されている。
　デバイス１０は、通電によって熱を生じる発熱抵抗体３１を有している。発熱抵抗体３１はステージ２１によって支持されており、また平面視においてステージ２１と重なっている。より具体的には、図１ないし３に示す実施形態においては、ステージ２１はその厚み方向の内部に発熱抵抗体３１を含んでいる。本実施形態において、発熱抵抗体３１は第三絶縁層１２３上に配置されており、その上方及び側方には第四絶縁層１２４が配置されている。このように、発熱抵抗体３１が第三絶縁層１２３及び第四絶縁層１２４に囲まれ、周囲のガスとの接触が防止されていることによって、発熱抵抗体３１の耐久性を向上させることができる。
　図３に示すとおり、デバイス１０においては、放熱層１３が配されている。放熱層１３は、発熱抵抗体３１から生じた熱を、デバイス１０が置かれた雰囲気（被測定ガス）へ伝達するための層である。デバイス１０がかかる放熱層１３を有していることによって、発熱抵抗体３１から生じた熱がより効率的に被測定ガスに伝達されるので、被検出ガス濃度の測定感度を向上させることができる。放熱層１３は緻密膜からなっていてもよいし、多孔質膜からなっていてもよい。
　放熱層１３の配置位置は、発熱抵抗体３１の上方側及び／又は下方側とすることができる。いずれの位置に放熱層が配置されている場合であっても、発熱抵抗体３１から生じた熱がより効率的に被測定ガスに伝達されるようになるので、被検出ガス濃度の測定感度を向上させることができる。
　本明細書において「発熱抵抗体３１の上方側」とは、放熱層１３が発熱抵抗体３１の上面に接した状態で配置されているか、又は放熱層１３が発熱抵抗体３１の上面から距離を隔てて、発熱抵抗体３１の上方に配置されていることをいう。後者の場合、放熱層１３と発熱抵抗体３１との間には、一又は二以上の層が介在していてもよい。
　また、本明細書において「発熱抵抗体３１の下方側」とは、放熱層１３が発熱抵抗体３１の下面に接した状態で配置されているか、又は放熱層１３が発熱抵抗体３１の下面から距離を隔てて、発熱抵抗体３１の下方に配置されていることをいう。後者の場合、放熱層１３と発熱抵抗体３１との間には、一又は二以上の層が介在していてもよい。
　図３においては、放熱層１３が発熱抵抗体３１から距離を隔てて、発熱抵抗体３１の直上に位置している状態が示されている。
　本発明のガス濃度測定デバイスは、一実施形態において、発熱抵抗体３１上に非電気伝導性の断熱層が配されており、該非電気伝導性の断熱層上に放熱層１３が配されている。前記「非電気伝導性の断熱層」とは、２５℃における電気伝導率が好ましくは１．０×１０－１０Ｓ／ｍ以下、より好ましくは１．０×１０－１１Ｓ／ｍ以下、更に好ましくは１．０×１０－１２Ｓ／ｍ以下であり、且つ同温度における熱伝導率がＳｉＯ２の熱伝導率以下である層のことをいう。
　図３に示すデバイス１０は、非電気伝導性の断熱層として第四絶縁層１２４を有している。
　放熱層１３を配置することによる上述の効果をより確実に得る観点から、放熱層１３の熱伝導率はＳｉＯ２の熱伝導率よりも高いことが好ましい。より具体的には、放熱層１３の熱伝導率は１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、５０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることがより好ましく、１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが更に好ましい。
　本明細書において、放熱層１３の熱伝導率は２５℃で測定した値のことをいう。
　放熱層１３の材料としては、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である材料を好適に用いることができ、より具体的にはＡｌ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ等の金属；Ａｌ２Ｏ３、ＭｇＯ、ＢｅＯ、Ｙ２Ｏ３等の金属酸化物；及びＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ等の窒化物を挙げることができる。これらの材料は、一種を単独で用いてもよいし、あるいは二種以上を組み合わせて用いてもよい。更に、これらの材料の一種又は二種以上を、エポキシ樹脂等の樹脂の一種又は二種以上と併用して、放熱層１３を形成することもできる。先に述べた非電気伝導性の断熱層と異なり、図３に示す実施形態においては、放熱層１３は電気伝導性を有していてもよい。
　図４には、本発明のガス濃度測定デバイスの別の実施形態であるデバイス１０の断面図が示されている。以下、図３に示す実施形態との相違点を主に説明し、同様の点については同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態について特に説明しない点については、図３に示す実施形態についての説明が適宜適用される。
　図４に示すデバイス１０においては、非電気伝導性の断熱層（図３における第四絶縁層１２４）が非配置になっており、放熱層１３が、発熱抵抗体３１上に、第三絶縁層１２３に接するように配されている。すなわち、本実施形態におけるステージ２１は、第一絶縁層１２１と、第二絶縁層１２２と、第三絶縁層１２３と、放熱層１３とがこの順で積層されてなる。このように、本実施形態では発熱抵抗体３１と放熱層１３との間に非電気伝導性の断熱層（図３における第四絶縁層１２４）が配されていない。よって、発熱抵抗体３１における短絡を防ぐ観点から、放熱層１３は非電気伝導性であることが好ましい。
　詳細には、図４に示すデバイス１０における放熱層は、その２５℃における電気伝導率が１．０×１０－１０Ｓ／ｍ以下であることが好ましく、１．０×１０－１１Ｓ／ｍ以下であることがより好ましく、１．０×１０－１２Ｓ／ｍ以下であることが更に好ましい。
　図４に示すデバイス１０における放熱層１３の材料としては、上述した熱伝導率及び電気伝導率の数値範囲を満足するものを用いることが好ましく、より具体的には、ＡｌＮ、Ｓｉ３Ｎ４、ＢＮ等の窒化物を好ましく用いることができる。これらの材料は、一種を単独で用いてもよいし、あるいは二種以上を組み合わせて用いてもよい。更に、これらの材料の一種又は二種以上を、エポキシ樹脂等の樹脂の一種又は二種以上と併用して、放熱層１３を形成することもできる。
　発熱抵抗体３１に通電して発熱させると、所定時間経過後にはその発熱量と、周囲の被測定ガスによる吸熱量がつり合い、定常状態に達する。このときの発熱抵抗体３１の温度は、被測定ガスの熱伝導率（吸熱性）に依存する。被測定ガスの熱伝導率は該ガスの組成によって変化するため、被測定ガスの組成に応じて、発熱抵抗体の前記定常状態における温度が変化することになる。したがって、このときの発熱抵抗体３１の抵抗値に基づいて、被測定ガス中のガス濃度を測定することができる。
　本発明者らの検討の結果、発熱抵抗体３１及びその周囲の熱容量を所定の値以下とすることによって、被検出対象ガス濃度の変化に応じた発熱抵抗体３１の温度変化量を十分に高めることができるため、被測定ガス中の被検出対象ガス濃度の測定精度及び測定感度を高められることを見出した。詳細には、発熱抵抗体３１及びステージ２１の合計熱容量は８．３×１０－６Ｊ／Ｋ以下であることが好ましく、３．９×１０－６Ｊ／Ｋ以下であることがより好ましく、９．４×１０－７／Ｋ以下であることが更に好ましい。
　また、消費電力を低減する観点から、発熱抵抗体３１及びステージ２１の合計熱容量は９．０×１０－１０Ｊ／Ｋ以上であることが好ましく、１．８×１０－９Ｊ／Ｋ以上であることがより好ましく、３．７×１０－９Ｊ／Ｋ以上であることが更に好ましい。
　図１ないし図３に示すデバイス１０は、既に説明したとおり、発熱抵抗体３１を内部に含むステージ２１と、ブリッジ２２とからなるブリッジ構造体２０と有する。本発明のガス濃度測定デバイスとして、かかる構造を有するデバイス１０を採用することによって、発熱抵抗体３１と平面視で重なる部分の熱容量を上述の範囲内に容易に制御することができる。
　発熱抵抗体３１と平面視で重なる部分の熱容量を上述の範囲内に制御する観点及び十分な機械強度を確保する観点から、ステージ２１の平面視における面積Ｓは９．０×１０６μｍ２以下であることが好ましく、４．０×１０６μｍ２以下であることがより好ましく、１．０×１０６μｍ２以下であることが更に好ましい。
　また、被測定ガスとの熱伝達の効率を高める観点から、Ｓは１００μｍ２以上であることが好ましく、２００μｍ２以上であることがより好ましく、４００μｍ２以上であることが更に好ましい。
　同様の観点から、ステージ２１が矩形である場合には、Ｓが上述の範囲内であることを条件として、ステージ２１の一辺の長さは好ましくは１０μｍ以上３０００μｍ以下、より好ましくは１２．５μｍ以上２０００μｍ以下、更に好ましくは２０μｍ以上１０００μｍ以下である。
　被測定ガスによる吸熱量を十分に確保して、被検出対象ガス濃度の測定精度及び感度を向上させる観点から、発熱抵抗体３１及びステージ２１の合計体積をＶとしたとき、Ｓ／Ｖは０．００２０μｍ－１以上であることが好ましく、０．００４０μｍ－１以上であることがより好ましく、０．００５０μｍ－１以上であることが更に好ましい。
　また、消費電力を低減させる観点から、Ｓ／Ｖは１０μｍ－１以下であることが好ましく、７．０μｍ－１以下であることがより好ましく、５．０μｍ－１以下であることが更に好ましい。
　次に、本発明のデバイス１０における発熱抵抗体３１の詳細を説明する。
　発熱抵抗体３１は一連の線条体からなることが好ましい。本明細書において「一連の線条体」とは、一本の線条体、又は少なくとも両端部が共通する複数本の線条体のことをいう。
　図２及び図３に示すとおり、前記一連の線条体は、ステージ２１中において発熱抵抗体３１を形成している。また前記一連の線条体は、二本のブリッジ２２，２２及び周縁部２４に延在しており、二本の配線３１２，３１２を形成している。つまり、前記一連の線条体はステージ２１中に配置された発熱抵抗体３１と、ブリッジ２２及び周縁部２４に延在した配線３１２とからなっている。かかる二本の配線３１２，３１２を形成可能とするために、ステージ２１の周縁から二本以上のブリッジ２２が延出していることが好ましい。また、ステージ２１をより安定的に支持する観点から、ステージ２１の周縁から好ましくは三本以上、更に好ましくは四本以上のブリッジ２２が延出していることが好ましい。
　発熱抵抗体３１は、二本の配線３１２，３１２を介して、周縁部２４上に配置された２つのワイヤボンディング用パッド３２，３２（以下、単に「パッド３２」ともいう。）に接続されている。
　図２に示す発熱抵抗体３１は一本の線条体からなっている。この線条体は、ステージ２１中において、交差せずに一方向及びそれと反対方向へ繰り返し蛇行しながら延びている。線条体がこのような形状を有していることによって、発熱抵抗体３１の抵抗値を高めることができる。これに起因して、より低消費電力でガス濃度の測定が可能となる。
　発熱抵抗体３１が、少なくとも両端部が共通する複数本の線条体からなっている実施形態の例としては、前記複数本の線条体がステージ２１中においては互いに交わらないように配置され、且つ前記複数本の線条体のブリッジ２２中に配置された部分が共通する（互いに重なっている）実施形態（図示せず）を挙げることができる。
　発熱抵抗体３１の物理強度を十分に高める観点、及び発熱抵抗体３１の抵抗値を十分に高めてデバイス１０の消費電力を低下させる観点から、発熱抵抗体３１の厚さは０．０１μｍ以上１００μｍ以下とすることが好ましく、０．０２μｍ以上７５μｍ以下とすることがより好ましく、０．０５μｍ以上５０μｍ以下とすることが更に好ましい。
　発熱抵抗体及び後述する第一密着層３３及び第二密着層３４の厚さは、触針式段差計、電子顕微鏡又は光学式三次元測定器よって測定することができる。
　発熱抵抗体３１が一本又は二本以上の線条体からなる場合において、該線条体のうちブリッジ２２と平面視で重なる部分の抵抗値をＲＢとし、該線条体のうちステージ２１と平面視で重なる部分（発熱抵抗体３１）の抵抗値をＲＳとしたとき、ＲＢに対するＲＳの比ＲＳ／ＲＢは所定の数値範囲内であることが好ましい。詳細には、ＲＳ／ＲＢは好ましくは０．０１以上、より好ましくは０．１以上、更に好ましくは１以上である。ＲＳ／ＲＢを０．０１以上に設定することによって、ブリッジ２２と平面視で重なる部分の発熱抵抗体３１からの放熱が小さくなるので、被検出対象ガス濃度の測定における精度及び感度を向上させることができる。
　また、ＲＳ／ＲＢは好ましくは１００００以下、より好ましくは１０００以下、更に好ましくは１００以下である。ＲＳ／ＲＢを１００００以下に設定することによって、ブリッジ２２及びステージ２１と平面視で重なる部分の線条体を適切に設計でき、デバイス１０の形成が容易になる。
　ＲＳ／ＲＢを上述の数値範囲内に設定するためには、例えばステージ２１及びブリッジ２２上それぞれにおける線条体の幅又は厚さを適宜調整すればよい。
　被検出対象ガス濃度の測定精度及び感度をより高める観点から、発熱抵抗体３１はその抵抗値の温度依存性が高いことが好ましい。詳細には、発熱抵抗体３１の２５℃における抵抗温度係数αｔは、好ましくは１００ｐｐｍ／℃以上、より好ましくは５００ｐｐｍ／℃以上、更に好ましくは１０００ｐｐｍ／℃以上である。
　２５℃における抵抗温度係数αｔが１００ｐｐｍ／℃以上である材料としては、白金、タングステン、銅、金、銀、モリブデン、アルミニウム及びタンタル並びにこれらの合金を挙げることができる。白金を含有する合金の例として、Ｐｔ－Ｎｂ、Ｐｔ－Ｒｈ、Ｐｔ－Ｗ等を挙げることができる。また、別の例として、白金族元素（白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウム及びオスミウム）及び／又はこれらを含む合金と金属酸化物とのサーメットを挙げることができる。したがって、発熱抵抗体３１はこれらの材料からなる群から選ばれる１種以上を含むことが好ましい。なかでも、高温環境における安定性の観点から、発熱抵抗体３１は白金又は白金を含有する合金を含むことが特に好ましい。
　発熱抵抗体３１と第三絶縁層１２３及び第四絶縁層１２４との密着性を高めて、デバイス１０の耐久性を向上させる観点から、発熱抵抗体３１の下面及び上面に接する位置には、それぞれ第一密着層３３及び第二密着層３４が配置されていることが好ましい。
　第一密着層３３及び第二密着層３４は、配線３１２及びパッド３２の下面及び上面に接する位置にも配置されていてもよい。ただし、第二密着層３４が導電性を有しない材料からなっている場合には、パッド３２の上面には第二密着層３４が配置されていないことが好ましい。
　発熱抵抗体３１と第三絶縁層１２３及び第四絶縁層１２４との密着性を十分に高める観点から、第一密着層３３及び第二密着層３４の厚さは、それぞれ独立に、好ましくは１ｎｍ以上２００ｎｍ以下、より好ましくは２ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、更に好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
　図１及び３に示すとおり、パッド３２上に配置された第四絶縁層１２４は、その一部が除去されている。これに起因して、第二密着層３４（第二密着層がパッド３２上に存在しない実施形態においては、パッド３２の一部）が外部に露出している。
　上述のとおり、デバイス１０はステージ２１を囲繞する周縁部２４を有する。周縁部２４は、ステージ２１から離間し、且つ両者がブリッジ２２を介して連結されていることが好ましい。
　周縁部２４は、好ましくは基板１１及び該基板１１の上下に形成された複数の絶縁層を含んでいる。詳細には、図３に示すデバイス１０においては、基板１１の上方に第一絶縁層１２１、第二絶縁層１２２、第三絶縁層１２３及び第四絶縁層１２４がこの順序で配置されている。また、基板１１の下方には第五絶縁層１２５及び第六絶縁層１２６がこの順序で配置されている。一方、図４に示すデバイス１０においては、基板１１の上方に第一絶縁層１２１、第二絶縁層１２２及び第三絶縁層１２３がこの順序で配置され、また基板１１の下方には第五絶縁層１２５及び第六絶縁層１２６がこの順序で配置されている。
　デバイス１０は、第五絶縁層１２５及び第六絶縁層１２６を有していてもよいし、有していなくてもよい。第五絶縁層１２５及び第六絶縁層１２６の有無によって、基板１１にかかる応力を調整することができる。
　周縁部２４は放熱層１３を有していてもよいし、あるいは放熱層１３を有していなくてもよい。例えば、図３に示すデバイス１０は周縁部２４に放熱層を有していない。これに対し、図４に示すデバイス１０は、周縁部２４の第三絶縁層１２３上に放熱層１３を有している。尤も、図４に示すデバイス１０の周縁部２４は、放熱層１３に代えて絶縁層を有していてもよい。この場合において、当該絶縁層の材料としては、第一絶縁層１２１ないし第六絶縁層１２６の好適な材料として後述するものを適宜用いることができる。
　平面視において、ブリッジ２２の最小幅は５μｍ以上であることが好ましく、７．５μｍ以上であることがより好ましく、１０μｍ以上であることが更に好ましく、２０μｍ以上であることが一層好ましく、３０μｍ以上であることが特に好ましい。ブリッジ２２の最小幅を５μｍ以上に設定することによって、ブリッジ２２の物理強度を十分に確保することができる。
　また、ブリッジ２２の最小幅は１５００μｍ以下であることが好ましく、４５０μｍ以下であることがより好ましく、３００μｍ以下であることが更に好ましく、２００μｍ以下であることが一層好ましい。ブリッジ２２の最小幅を４５０μｍ以下に設定することによって、ステージ２１からブリッジ２２への熱伝導をより抑制することができ、これに起因して被検出対象ガス濃度の測定精度及び測定感度を向上させることができる。
　前記「ブリッジ２２の最小幅」とは、デバイス１０の平面視において、ブリッジ２２の幅（ブリッジ２２の長手方向に垂直な方向の長さ）が最小になる位置における当該幅のことをいう。
　次に、先に説明した各層の材料について説明する。
　基板１１はシリコン（Ｓｉ）を含むことが好ましい。
　基板１１の上下に形成された複数の絶縁層は、入手のしやすさ、形成のしやすさ、及び化学的安定性の観点からケイ素（Ｓｉ）化合物を含むことが好ましく、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）及び窒化ケイ素（ＳｉＮｘ、ｘは０．１００以上１．６６７以下の数である。）を含むことがより好ましい。より具体的には、第一絶縁層１２１、第三絶縁層１２３、第四絶縁層１２４及び第五絶縁層１２５がＳｉＯ２からなり、第二絶縁層１２２及び第六絶縁層１２６がＳｉＮｘからなっていることが好ましい。
　第一密着層３３及び第二密着層３４は、第三絶縁層１２３及び第四絶縁層１２４との密着性を高める観点から、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン、酸化チタン、酸窒化チタン、酸化タンタル、ジルコニウム、酸化ジルコニウム、イットリウム、酸化イットリウム、タングステン、酸化タングステン、クロム、酸化クロム、ニッケル、酸化ニッケル、及びこれらの合金から選ばれる一種以上を含むことが好ましい。
　なお、これらの材料からなる第一密着層３３及び第二密着層３４は、典型的には断熱層としては機能しない。したがって、第一密着層３３及び第二密着層３４は、上述した「非電気伝導性の断熱層」には該当しない。
　発熱抵抗体３１の材料は既に説明したとおりである。配線３１２及びパッド３２の材料としては、発熱抵抗体３１の材料として上述したものを用いることができる。発熱抵抗体３１、配線３１２及びパッド３２はそれぞれ異なる材料からなっていてもよいし、同じ材料からなっていてもよい。簡易な製造を可能とし、製造コストを抑制する観点から、発熱抵抗体３１、配線３１２及びパッド３２は同じ材料からなっていることが好ましい。
　図６ないし図８には、本発明の更に別の実施形態のデバイス１０が示されている。以下では、本実施形態について、図１ないし図３に示す実施形態との相違点を主として説明する。本実施形態について特に説明をしなかった点については、図１ないし図３に示す実施形態についての説明が適宜適用される。
　図６、図７及び図８はそれぞれ図１、図２及び図３に対応する。図６、図７及び図８において、図１、図２及び図３と同じ部材については同じ符号が付されている。
　本実施形態のデバイス１０は、図１ないし図３に示すデバイス１０と異なり、第一絶縁層１２１、第二絶縁層１２２、及び第三絶縁層１２３がデバイス１０の平面方向の全域にわたって配されている（図８）。また、第四絶縁層１２４についても、パッド３２が位置する部位を除いて、デバイス１０の平面方向の全域にわたって配されている。本実施形態のデバイス１０は、かかる構造を有していることに起因して、ブリッジ２２及びブリッジ構造体２０を有していない（図６及び図８）。
　すなわちデバイス１０は、第一絶縁層１２１、第二絶縁層１２２、第三絶縁層１２３及び第四絶縁層１２４を備えたダイヤフラム２３と、ダイヤフラム上に配置された放熱層１３と、ダイヤフラム２３を取り囲む周縁部２４とを有し、ダイヤフラム２３の厚み方向のいずれかの位置に発熱抵抗体３１が設けられてなるものである。ダイヤフラム２３は薄膜体からなり、その厚さは先に述べたステージ２１の厚さと同様とすることができる。ダイヤフラム２３は矩形をしており、その一辺の長さは好ましくは１００μｍ以上４５００μｍ以下、より好ましくは１５０μｍ以上３０００μｍ以下、更に好ましくは２００μｍ以上１５００μｍ以下である。尤も、ダイヤフラム２３の形状は矩形に限定されるものではない。
　図６及び図７に示すとおり、本実施形態のデバイス１０は、発熱抵抗体３１と、該発熱抵抗体３１とパッド３２とを接続する二本の配線３１２，３１２とを有している。発熱抵抗体３１は、その各端部が二本の配線３１２,３１２の各端部とそれぞれ接続されており、全体として一本の線条体を形成している。
　本実施形態において、発熱抵抗体３１と配線３１２，３１２との材質が同一の場合には、前記線条体のうち、蛇行等により密集している部分を発熱抵抗体３１と定義し、該発熱抵抗体３１から外方に延びる部分を配線３１２と定義する。発熱抵抗体３１は、ダイヤフラム２３の概ね中心部に位置している。
　図７に示すとおり、本実施形態においては、デバイス１０の平面視における発熱抵抗体３１の外縁を結ぶことによって得られる図形をＫとしたとき、図形Ｋと平面視で重なる部分（ただし、発熱抵抗体３１を除く。）を、デバイス１０のステージ２１と定義する。図７において、図形Ｋは破線で示されており、矩形形状を有する。
　上述したステージ２１の定義から明らかなとおり、平面視において、周縁部２４はステージ２１から離間し且つステージ２１を囲繞している。
　上述した「ステージ２１の平面視における面積Ｓ」は、本実施形態では「図形Ｋの面積」と同義である。また、上述した「発熱抵抗体３１及びステージ２１の合計体積Ｖ」は、本実施形態では「図形Ｋと平面視で重なる部分の体積」と同義である。
　図９には、本発明のガス濃度測定デバイスの別の実施形態であるデバイス１０の断面図が示されている。以下、図４に示す実施形態との相違点を主に説明し、同様の点については同一の符号を付して説明を省略する。本実施形態について特に説明しない点については、図４に示す実施形態についての説明が適宜適用される。
　図９に示すデバイス１０は、図４に示すデバイス１０と異なり、第一絶縁層１２１、第二絶縁層１２２、及び第三絶縁層１２３がデバイス１０の平面方向の全域にわたって配されている（図９）。また、放熱層１３についても、パッド３２が位置する部位を除いて、デバイス１０の平面方向の全域にわたって配されている。本実施形態のデバイス１０は、かかる構造を有していることに起因して、ブリッジ２２及びブリッジ構造体２０を有していない（図９）。
　すなわちデバイス１０は、第一絶縁層１２１、第二絶縁層１２２、第三絶縁層１２３及び放熱層１３を備えたダイヤフラム２３と、該ダイヤフラム２３を取り囲む周縁部２４とを有し、ダイヤフラム２３の厚み方向のいずれかの位置（好ましくは第三絶縁層１２３上）に発熱抵抗体３１が設けられてなるものである。
　図９に示すデバイス１０におけるダイヤフラム２３、発熱抵抗体３１、配線（図示せず）及びステージ２１の詳細は、図６ないし図８に示すデバイス１０におけるダイヤフラム２３、発熱抵抗体３１、配線３１２及びステージ２１の詳細と同様であり、図６ないし図８に示すデバイス１０についてした上述の説明が適宜適用される。
　次に、上述したデバイス１０を用いた、被測定ガス中の被検出対象ガス濃度の測定方法について説明する。
　デバイス１０を用いて被測定ガス中の被検出対象ガス濃度を測定する際には、発熱抵抗体３１に通電して、発熱抵抗体３１を発熱させる。通電条件は、被測定ガス中の被検出対象ガス濃度と発熱抵抗体の抵抗値との間に良好な直線関係が成立する限りにおいて、特に限定されない。例えば、通電は定電力条件、すなわち被測定ガス中の被検出対象ガス濃度が変化しても、通電に起因する発熱抵抗体３１からの発熱量が一定になる条件で実施することができる。これに代えて、通電は定電圧条件、すなわち被測定ガス中の被検出対象ガス濃度が変化しても、発熱抵抗体３１に印加される電圧が一定になる条件で実施してもよいし、定電流条件、すなわち被測定ガス中の被検出対象ガス濃度が変化しても、発熱抵抗体３１に流れる電流が一定になる条件で実施してもよい。
　ここでいう「定電力」とは、被検出対象ガス濃度の測定中において電力が厳密に一定であることを要しない。例えば、測定中において、電力の変化が１％以下、より好ましくは０．５％以下であれば、十分な精度で被検出対象ガス濃度を測定することができる。よって、被検出対象ガス濃度の測定中にこの程度の電力変化が生じた場合も、該測定は定電力条件にて実施されたものとみなすこととする。このことは、先に述べた「定電圧」及び「定電流」についても同様である。
　いずれの条件で通電した場合であっても、発熱抵抗体３１の温度に依存して発熱抵抗体３１の抵抗値が変化するので、その抵抗値に基づいて被検出対象ガス濃度を測定することができる。
　被測定ガスによる発熱抵抗体３１からの吸熱を促進して、被検出対象ガス濃度の測定精度を一層高める観点から、被検出対象ガス濃度の測定中における発熱抵抗体３１の温度を通電によって十分高めることが好ましい。詳細には、被測定ガス中の被検出対象濃度を測定する際には、発熱抵抗体３１に通電することによって、発熱抵抗体３１と被測定ガスとの温度差を好ましくは３０℃以上、より好ましくは６０℃以上、更に好ましくは１００℃以上にすることが好ましい。
　また、発熱抵抗体３１の熱による劣化を抑制する観点から、発熱抵抗体３１と被測定ガスとの温度差は好ましくは８００℃以下、より好ましくは７５０℃以下、更に好ましくは７００℃以下である。
　被測定ガス中の被検出対象ガスとしては、酸素ガス、窒素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガス、水蒸気、水素ガス、二酸化炭素ガス等を挙げることができる。なかでも特に好ましい被検出対象ガスは、酸素ガス、水蒸気又は二酸化炭素ガスである。
　ところで、被検出対象ガスが酸素ガスである場合、酸素ガスは熱伝導率が比較的低いため、酸素ガス濃度の変化に伴う発熱抵抗体３１の温度変化が小さくなる。このことに起因して、従来の熱伝導式ガスセンサでは酸素ガス濃度の測定精度が低くなりやすいという課題があった。また、空気のように酸素ガスと窒素ガスとを含む被測定ガスを測定対象とする場合においては、酸素ガスと窒素ガスとの熱伝導率が近いため、従来の熱伝導式ガスセンサでは酸素ガス濃度を高精度で測定することは特に困難であった。
　これに対し、デバイス１０においては、上述のとおり被検出対象ガス濃度の測定感度が十分に高められているため、被検出対象ガスが酸素ガスである場合であっても、その濃度を高精度で測定することができる。またデバイス１０によれば、被測定ガスが酸素ガスと窒素ガスとを含む場合であっても高精度で酸素ガス濃度を測定することができる。
　上述したデバイス１０の利点を活かす観点から、被測定ガス中の酸素ガス及び窒素ガスの合計含有量は、好ましくは０．００００１体積％以上、より好ましくは０．０００１体積％以上、更に好ましくは０．００１体積％以上である。
　以上のとおり、デバイス１０においては、被検出対象ガス感応性を有する部材として発熱抵抗体３１のみを有していても、被測定ガス中の被検出対象ガス濃度を高精度で測定することが可能である。このように、デバイス１０は比較的少数の部材から構成することができるので、より簡便に製造が可能である。
　本明細書において「被検出対象ガス感応性を有する部材」とは、被測定ガス中の被検出対象ガス濃度に応じて性質が変化する部材のことをいう。発熱抵抗体３１は、通電された際に、被測定ガス中の被検出対象ガス濃度に応じて抵抗値を変化させるので、被検出対象ガス感応性を有する部材に該当する。
　被検出対象ガス感応性を有する部材の別の例として、正極と、負極と、それらの間に配された電解質とからなる電極部であって、被測定ガス中の被検出対象ガス濃度に応じて該電極部に流れる電流値が変化するものを挙げることができる。
　また、酸素ガス感応性を有する部材の例として、酸化スズ及び酸化亜鉛等の半導体、並びにチタン酸バリウム、チタン酸ジルコニウム及び酸化亜鉛等の圧電体を挙げることもできる。
　次に、本発明のガス濃度測定デバイスの好ましい製造方法について、図１ないし図３に示すデバイス１０の製造方法を例にとって説明する。図５（ａ）ないし（ｅ）には、図１ないし図３に示すデバイス１０の好ましい製造手順が示されている。本製造方法は、以下に示す工程をこの順で有する。
　１．基板１１上に絶縁層を形成する工程
　２．絶縁層上に発熱抵抗体３１を形成する工程
　３．発熱抵抗体３１の側方及び上方に第四絶縁層１２４及び放熱層１３を形成する工程
　４．ブリッジ構造体２０を形成する工程
１．基板１１上に絶縁層を形成する工程
　まず、酸素又は水蒸気を含有する雰囲気下、基板１１を７００℃以上１４００℃以下に加熱することで熱酸化し、基板１１の表面にＳｉＯ２からなる第一絶縁層１２１及び第五絶縁層１２５を形成する。次いで、後述する薄膜形成手段を用いて、ＳｉＮｘからなる第二絶縁層１２２及び第六絶縁層１２６を第一絶縁層１２１及び第五絶縁層１２５の表面に形成する。
　薄膜形成手段としては、蒸着法、スパッタリング法及びイオンプレーティング法などの物理気相成長（ＰＶＤ）法及び化学気相成長（ＣＶＤ）法を用いることができる。なかでも、残留応力の調整が可能であるという観点、及び量産性の観点から、ＰＥＣＶＤ（プラズマ化学気相成長）法又はＬＰ－ＣＶＤ（減圧化学気相成長）法を用いて第二絶縁層１２２及び第六絶縁層１２６を形成することが好ましい。
　なお、図５（ａ）ないし（ｅ）においては、第一絶縁層１２１、第二絶縁層１２２、第三絶縁層１２３、第五絶縁層１２５及び第六絶縁層１２６の図示を省略している。
　次いで、第二絶縁層１２２上に第三絶縁層１２３を形成する（図５（ａ））。第三絶縁層１２３は基板１１上の全面に形成される。第三絶縁層１２３の形成には、上述した薄膜形成手段を用いることができる。なかでも、ＳｉＯ２からなる第三絶縁層１２３を形成する場合には、残留応力の調整が可能であるという観点、及び量産性の観点から、ＰＥＣＶＤ法を用いることが好ましい。
２．絶縁層上に発熱抵抗体３１を形成する工程
　発熱抵抗体３１の形成に先立ち、必要に応じて、第一密着層３３を形成する。第一密着層３３は、リフトオフ法によってパターニングして形成することができる。詳細には、まず第三絶縁層１２３上の全域にフォトレジストからなる層（図示せず）を設け、次いで露光及び現像を行い、第一密着層３３の形状と相補形状をなすマスク（図示せず）をパターニングして形成する。次いで、該マスクよって第三絶縁層１２３を被覆した状態下に、薄膜形成手段によって第一密着層３３を形成する。薄膜形成手段としては、量産性の観点から、スパッタリング法を用いることが特に好ましい。最後に、フォトレジストからなる層を除去することで、所望の形状を有する第一密着層３３を得る。
　次いで、発熱抵抗体３１を形成する（図５（ｂ））。本製造方法においては、製造工程の簡略化のため、発熱抵抗体３１、配線３１２及びパッド３２を同時に形成する。発熱抵抗体３１、配線３１２及びパッド３２の形成においては、まず基板１１上の全面に、上述した薄膜形成手段のいずれかを用いて発熱抵抗体３１、配線３１２及びパッド３２を形成し、その後にパターニングを行うことが好ましい。
　薄膜形成手段としては、量産性の観点から、スパッタリング法を用いることが特に好ましい。
　パターニング法としては、発熱抵抗体３１の端部に生じるバリを抑制する観点から、ミリング法を用いることが特に好ましい。またミリング法に代えて、リフトオフ法を用いることもできる。リフトオフ法を用いる場合の発熱抵抗体３１の形成方法は、第一密着層３３の形成方法と同様であるため、ここでの説明を省略する。
　発熱抵抗体３１を形成した後、必要に応じて、第二密着層３４を形成する。第二密着層３４は、第一密着層３３と同様の方法によって形成することができる。
　なお、図５（ｂ）においては、第一密着層３３及び第二密着層３４の図示が省略されている。
３．発熱抵抗体３１の側方及び上方に第四絶縁層１２４及び放熱層１３を形成する工程
　発熱抵抗体３１並びに必要に応じて第一密着層３３及び第二密着層３４を形成した後、第四絶縁層１２４を形成する。第四絶縁層１２４は、基板１１上の全面に形成される（図５（ｃ））。第四絶縁層１２４は、第三絶縁層１２３と同様の方法によって形成することができる。
　次いで、第四絶縁層１２４上の、目的のデバイス１０（図１）においてステージ２１と平面視で重なる位置に放熱層１３を形成する。放熱層１３は、発熱抵抗体３１と同様にして形成することができる。
　以上の工程によって、各絶縁層、発熱抵抗体３１及び放熱層１３を含む構造体４０を得ることができる。
４．ブリッジ構造体２０を形成する工程
　最初に、基板１１よりも上方に位置する絶縁層である第一絶縁層１２１、第二絶縁層１２２、第三絶縁層１２３及び第四絶縁層１２４における不要箇所を除去する（図５（ｄ））。ここでいう不要箇所とは、目的のデバイス１０（図１）において、平面視でブリッジ構造体２０又は周縁部２４と重ならない箇所を指す。
　なお本工程においては、不要箇所の除去と並行して、パッド３２上に形成された第四絶縁層１２４の一部を除去し、パッド３２を外部に露出させることができる。本工程においてパッド３２上に形成された第四絶縁層１２４の一部の除去のみを行う（すなわち、ブリッジ構造体２０を形成しない）ことによって、図１ないし図３に示すデバイス１０に代えて、図６ないし図８に示すデバイス１０を製造することができる。
　不要箇所の除去は、ドライエッチング法及びウェットエッチング法等のエッチング法によって行うことができる。
　ドライエッチング法としては、フルオロカーボンやハロゲンガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いることができる。ウェットエッチング法としては、フッ酸、硝酸、硫酸、リン酸等を用いた等方性エッチング、又はＫＯＨ（水酸化カリウム）、ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）、ＥＤＰ（エチレンジアミン・ピロカテコール）等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチングを用いることができる。
　なかでも、構造体４０のエッチングを防ぐ観点から、不要箇所の除去にはＲＩＥを好ましく用いることができる。
　次いで、基板１１よりも下方に位置する絶縁層である第五絶縁層１２５及び第六絶縁層１２６における不要箇所を除去し、その後に基板１１における不要箇所を除去する（図５（ｅ））。ここでいう不要箇所とは、平面視において周縁部２４と重ならない箇所を指す。
　不要箇所を除去する方法は、基板１１よりも上方に位置する絶縁層を除去する方法と同様とすることができる。
　特に、基板１１よりも下方に位置する絶縁層における不要箇所を除去する方法としては、ＲＩＥを好ましく用いることができる。また基板１１における不要箇所を除去する方法としては、ＳＦ６（六フッ化硫黄）を用いたエッチングプロセスと、Ｃ４Ｆ８（オクタフルオロシクロブタン）等のフルオロアルカン系のガスを用いたパッシベーションプロセスを交互に行う、深掘エッチング（ＤＲＩＥ）を好ましく用いることができる。
　以上、本発明のガス濃度測定デバイスをその好ましい実施形態に基づいて説明したが、本発明はかかる実施形態には制限されない。
　例えば、本発明のガス濃度測定デバイスは、ブリッジ構造体２０を含む構造を有していなくてもよい。
　本発明の上記の実施形態は、以下の技術思想を包含するものである。
〔１〕　通電によって熱を生じる発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体を支持するステージと、を備え、
　前記発熱抵抗体は、平面視において前記ステージと重なっており、
　前記発熱抵抗体の抵抗値に基づいて被測定ガス中の被検出対象ガス濃度を測定する、ガス濃度測定デバイスであって、
　前記発熱抵抗体から生じた熱を、前記ガス濃度測定デバイスが置かれた雰囲気へ伝達するための放熱層を、前記発熱抵抗体の上方側及び／又は下方側に配した、ガス濃度測定デバイス。
〔２〕　前記放熱層の熱伝導率がＳｉＯ２の熱伝導率よりも高い、〔１〕に記載のガス濃度測定デバイス。
〔３〕　前記放熱層の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、〔２〕に記載のガス濃度測定デバイス。
〔４〕　前記発熱抵抗体上に、非電気伝導性の断熱層が配されており、
　前記非電気伝導性の断熱層上に前記放熱層が配されている、〔１〕ないし〔３〕のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
〔５〕　前記発熱抵抗体上に、非電気伝導性の断熱層が非配置になっており、
　前記発熱抵抗体上に、電気伝導率が１．０×１０－１０Ｓ／ｍ以下である前記放熱層が配されている、〔１〕ないし〔３〕のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
〔６〕　前記放熱層が多孔質体からなる、〔１〕ないし〔５〕のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
〔７〕　平面視における前記ステージの面積Ｓが９．０×１０６μｍ２以下である、〔１〕ないし〔６〕のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
〔８〕　平面視における前記ステージの面積をＳとし、
　前記発熱抵抗体及び前記ステージの合計体積をＶとしたとき、
　Ｓ／Ｖが０．００１０μｍ－１以上１０μｍ－１以下である、〔１〕ないし〔７〕のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
〔９〕　前記発熱抵抗体及び前記ステージの合計熱容量が、９．０×１０－１０Ｊ／Ｋ以上８．３×１０－６Ｊ／Ｋ以下である、〔１〕ないし〔８〕のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
〔１０〕　前記ステージの周縁から延出した一本又は複数本のブリッジを更に備え、ブリッジ構造体を形成している、〔１〕ないし〔９〕のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
〔１１〕　前記発熱抵抗体が一連の線条体からなり、
　前記一連の線条体は、一本の線条体、又は少なくとも両端部が共通する複数本の線条体からなり、
　前記ステージの周縁から少なくとも二本の前記ブリッジが延出しており、
　前記一連の線条体が、前記二本のブリッジそれぞれに延在している、〔１０〕に記載のガス濃度測定デバイス。
〔１２〕　前記発熱抵抗体の２５℃における抵抗温度係数αｔが１００ｐｐｍ／℃以上である、〔１〕ないし〔１１〕のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
〔１３〕　前記発熱抵抗体が白金又は白金を含有する合金を含む、〔１〕ないし〔１２〕のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
〔１４〕　被検出対象ガス感応性を有する部材として、前記発熱抵抗体のみを有する、〔１〕ないし〔１３〕のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
〔１５〕　前記被測定ガスが酸素ガスと窒素ガスとを含み、
　前記被測定ガス中の酸素ガス濃度を測定する、〔１〕ないし〔１４〕のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
〔１６〕　〔１〕ないし〔１５〕のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイスを用いた、被測定ガス中の被検出対象ガス濃度の測定方法。
〔１７〕　前記被測定ガスが酸素ガスと窒素ガスとを含み、
　前記被測定ガス中の酸素ガス濃度を測定する、〔１６〕に記載の測定方法。
　以上、詳述したとおり本発明によれば、被検出対象ガス濃度を高感度にて測定し得るガス濃度測定デバイスが提供される。

Claims (17)

  1. 　通電によって熱を生じる発熱抵抗体と、前記発熱抵抗体を支持するステージと、を備え、
    　前記発熱抵抗体は、平面視において前記ステージと重なっており、
    　前記発熱抵抗体の抵抗値に基づいて被測定ガス中の被検出対象ガス濃度を測定する、ガス濃度測定デバイスであって、
    　前記発熱抵抗体から生じた熱を、前記ガス濃度測定デバイスが置かれた雰囲気へ伝達するための放熱層を、前記発熱抵抗体の上方側及び／又は下方側に配した、ガス濃度測定デバイス。
  2. 　前記放熱層の熱伝導率がＳｉＯ２の熱伝導率よりも高い、請求項１に記載のガス濃度測定デバイス。
  3. 　前記放熱層の熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である、請求項２に記載のガス濃度測定デバイス。
  4. 　前記発熱抵抗体上に、非電気伝導性の断熱層が配されており、
    　前記非電気伝導性の断熱層上に前記放熱層が配されている、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
  5. 　前記発熱抵抗体上に、非電気伝導性の断熱層が非配置になっており、
    　前記発熱抵抗体上に、電気伝導率が１．０×１０－１０Ｓ／ｍ以下である前記放熱層が配されている、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
  6. 　前記放熱層が多孔質体からなる、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
  7. 　平面視における前記ステージの面積Ｓが９．０×１０６μｍ２以下である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
  8. 　平面視における前記ステージの面積をＳとし、
    　前記発熱抵抗体及び前記ステージの合計体積をＶとしたとき、
    　Ｓ／Ｖが０．００１０μｍ－１以上１０μｍ－１以下である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
  9. 　前記発熱抵抗体及び前記ステージの合計熱容量が、９．０×１０－１０Ｊ／Ｋ以上８．３×１０－６Ｊ／Ｋ以下である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
  10. 　前記ステージの周縁から延出した一本又は複数本のブリッジを更に備え、ブリッジ構造体を形成している、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
  11. 　前記発熱抵抗体が一連の線条体からなり、
    　前記一連の線条体は、一本の線条体、又は少なくとも両端部が共通する複数本の線条体からなり、
    　前記ステージの周縁から少なくとも二本の前記ブリッジが延出しており、
    　前記一連の線条体が、前記二本のブリッジそれぞれに延在している、請求項１０に記載のガス濃度測定デバイス。
  12. 　前記発熱抵抗体の２５℃における抵抗温度係数αｔが１００ｐｐｍ／℃以上である、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
  13. 　前記発熱抵抗体が白金又は白金を含有する合金を含む、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
  14. 　被検出対象ガス感応性を有する部材として、前記発熱抵抗体のみを有する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
  15. 　前記被測定ガスが酸素ガスと窒素ガスとを含み、
    　前記被測定ガス中の酸素ガス濃度を測定する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイス。
  16. 　請求項１ないし３のいずれか一項に記載のガス濃度測定デバイスを用いた、被測定ガス中の被検出対象ガス濃度の測定方法。
  17. 　前記被測定ガスが酸素ガスと窒素ガスとを含み、
    　前記被測定ガス中の酸素ガス濃度を測定する、請求項１６に記載の測定方法。
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014190878A (ja) * 2013-03-27 2014-10-06 Ngk Spark Plug Co Ltd ガスセンサ
US20150021716A1 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 Electronics And Telecommunications Research Institute Low power micro semiconductor gas sensor and method of manufacturing the same
JP2018115976A (ja) * 2017-01-19 2018-07-26 ヤマハファインテック株式会社 熱伝導式ガスセンサ
JP2019158358A (ja) * 2018-03-07 2019-09-19 Tdk株式会社 センサ素子及びこれを備えたガスセンサ
CN115047030A (zh) * 2022-05-30 2022-09-13 苏州芯镁信电子科技有限公司 一种用于锂电池热失控预警的气体传感器及其制备方法
JP2022139844A (ja) * 2021-03-12 2022-09-26 オムロン株式会社 熱式センサ、及び熱式センサを用いた計測方法

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014190878A (ja) * 2013-03-27 2014-10-06 Ngk Spark Plug Co Ltd ガスセンサ
US20150021716A1 (en) * 2013-07-19 2015-01-22 Electronics And Telecommunications Research Institute Low power micro semiconductor gas sensor and method of manufacturing the same
JP2018115976A (ja) * 2017-01-19 2018-07-26 ヤマハファインテック株式会社 熱伝導式ガスセンサ
JP2019158358A (ja) * 2018-03-07 2019-09-19 Tdk株式会社 センサ素子及びこれを備えたガスセンサ
JP2022139844A (ja) * 2021-03-12 2022-09-26 オムロン株式会社 熱式センサ、及び熱式センサを用いた計測方法
CN115047030A (zh) * 2022-05-30 2022-09-13 苏州芯镁信电子科技有限公司 一种用于锂电池热失控预警的气体传感器及其制备方法

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