(57)【要約】【課題】保持部材にかかる機械的応力や、ガスの燃焼による熱応力などにより、ガスセンサの検出素子は、損壊してしまっていた。【解決手段】ガスのセンサ領域Ｒを円形または角部を有しない形状に形成する。また、薄膜熱感知体及びガス感知体を保持する保持部材の上部、中央領域に薄膜熱感知体、ガス感知体を設ける。また、保持部材には、薄膜熱感知体の搭載部を避けて、複数の貫通孔を分散して設ける。このような構成により、支持基板に熱応力や保持部材に機械的応力がかかっても、クラックなどによる損壊の発生を抑える効果が得られる。また、これによって、ガスセンサの寿命も向上する。【選択図】図１
2010230387.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠形状をなす支持基板の内側をセンサ領域とし、前記支持基板の上部に設ける絶縁膜を該センサ領域に前記支持基板から延設してなる保持部材を設け、該保持部材上に薄膜熱感知体を備えた薄膜型ガスセンサにおいて、
前記センサ領域は、平面視で円形または全ての内角が鈍角である多角形の形状をなしていることを特徴とする薄膜型ガスセンサ。
【請求項２】
前記保持部材は、梁構造であり、
前記センサ領域で、前記保持部材と前記支持基板とで平面的に分割された領域を貫通孔とし、
前記貫通孔は、平面視で円形または全ての内角が鈍角である多角形の形状をなしていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜型ガスセンサ。
【請求項３】
前記保持部材は、平面視で前記センサ領域を覆うように設けるメンブレン構造であり、
前記保持部材は、前記薄膜熱感知体の搭載部を避けて複数の貫通孔を有し、
前記貫通孔は、平面視で円形または全ての内角が鈍角である多角形の形状をなしていることを特徴とする請求項１に記載の薄膜型ガスセンサ。
【請求項４】
前記貫通孔は、前記センサ領域に所定の間隔をなして分散して設けていることを特徴とする請求項３に記載の薄膜型ガスセンサ。
【請求項５】
隣り合う前記貫通孔は、その中心間距離が同一であることを特徴とする請求項３または４に記載の薄膜型ガスセンサ。
【請求項６】
前記メンブレン構造は、第１の薄膜と、センサ領域の中心点を通る梁形状の第２の薄膜と、からなることを特徴とする請求項３から４のいずれか１つに記載の薄膜型ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、各種のガス漏れを検知する接触燃焼式ガスセンサに関し、特に薄膜型ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、水素ガスやメタンガス等の可燃性ガスを検知するセンサとして、ガスセンサが用いられている。ガスセンサは、検知素子の検知面にガスが到来することによる相互作用で検知素子の電気信号の変化を捉えるものである。なお、以降の説明では、可燃性ガスを単にガスと表現する。
【０００３】
ガスセンサの構成に関しては多くの提案をみるが、中でも接触燃焼式ガスセンサが広く知られている。この接触燃焼式ガスセンサは、ガスが検知面の触媒と接触して発熱反応を起こすことでガスの到来を検知するものである。
【０００４】
このような接触燃焼式ガスセンサは、家庭用、産業用等において、可燃性ガスを使用する各種の機器内や、それが設置された室内等におけるガス漏れ検知装置として多用されている。
【０００５】
近年では、接触燃焼式ガスセンサの中でもバルク型と呼ばれるタイプが広く用いられているが、一方でシリコンウエハ上に薄膜状の熱伝膜、触媒膜、電極、配線、ヒータを形成するマイクロセンサ素子製造技術を利用したＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ：微小電気機械素子）によるセンサチップを用いた薄膜型ガスセンサも用いられるようになってきた（例えば、特許文献１参照。）。
【０００６】
特許文献１に示した従来技術を図５を用いて説明する。図５は、説明しやすいようにその主旨を逸脱しないように書き直しした平面図である。
図５において、１９は電極パッド、１８は電気配線、３は空洞、２は半導体基板、１７は熱感知部、１６は梁部である。なお、２ａは半導体基板の内壁の角部であり、１６ａは梁部１６と半導体基板２との接続角部である。
【０００７】
半導体基板２は枠形状に加工されているため、その内壁には４つの角部があるが、枠形状の半導体基板２を橋渡しするように梁部１６が形成されているため、図５に示すような平面視では、その角部は２つ（角部２ａ）である。梁部１６と半導体基板２との接続部分は、平面視では、４つの接続角部１６ａがある。
梁部１６がない部分は空洞３となっている。空洞３は、エアホールとも呼ばれるものであって、ガスが通過する部分である。
梁部１６の上部に設けられた熱感知部１７は、ガスの到達により発熱反応し抵抗値が変化する。
【０００８】
このような構成を有するセンサチップと、このセンサチップを制御する回路等により薄膜型ガスセンサを構成する。ガスの到来を検出するためには、予め電極パッド１９間に電圧を印加しておき、ガスの到来による熱感知部１７の発熱によって生じる抵抗変化分を検出する。
【０００９】
薄膜型ガスセンサのセンサチップは、構成要素が半導体製造技術により形成することができるため、バルク型接触燃焼式ガスセンサに比べ集積度が高く、量産性も高いという特徴がある。また、ヒータなども金属製の薄膜熱感知体で形成できることから、熱応答性も
良好である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開平８−２４７９８１号公報（第６頁、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１に示した従来技術は、図５に示すように、接続角部１６ａでは、平面視で梁部１６と半導体基板２とがなす角度は、４５度である。また、半導体基板２の角部２ａは９０度である。発明者が検討したところによれば、角部２ａや接続角部１６ａの角度が少なくなるほど（鋭角になるほど）この部分にクラックが生じ易くなることが分かった。
【００１２】
接触燃焼式ガスセンサでは、熱感知部１７を高温に発熱させて使用する。このため、この発熱した熱が梁部１６から半導体基板２に伝わり、角部２ａに熱応力が集中しやすい。このため、特許文献１に示した従来技術は、角部２ａにクラックなどが入りやすいのである。
熱感知部１７の抵抗値を上げるなどして、さらに高温に発熱させることでガスの検出感度が良くなる場合があるが、このように、高温なればなるほど熱応力もかかるため、角部２ａにさらにクラックが入りやすくなる。
【００１３】
また、到来するガスの流圧を受けて、梁部１６が撓むこともあるが、このセンサチップに衝撃や振動などが加わることでも梁部１６が撓むことが発生する。このようなときには、梁部１６と半導体基板２との接続部分の接続角部１６ａに、いわゆる機械的応力が集中しやすい。このため、特許文献１に示した従来技術は、接続角部１６ａにクラックなどが入りやすいのである。
図５に示す例では、梁部１６の上部に１つの熱感知部１７を設けているが、この数を増やして検出感度を上げようとすると、梁部１６の重量も増すため、接続角部１６ａにさらにクラックが入りやすくなる。
【００１４】
このように、特許文献１に示した従来技術は、ガスセンサとして稼動させると、熱応力や梁部の撓みなどによる機械的応力により、梁部や半導体基板が損壊に至ることが起きる。さらに、センサの感度を向上しようとすると、さらに損壊しやすくなるのである。すなわち、従来知られている技術にあっては、センサの感度と耐久性能とを両立したものは、ないのである。
【００１５】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、梁などの支持部材にクラックなどが発生しない、耐久性能の良いガスセンサを得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的を達成する手段として、本発明の薄膜型ガスセンサは、枠形状をなす支持基板の内側をセンサ領域とし、支持基板の上部に設ける絶縁膜をセンサ領域に支持基板から延設して保持部材を設け、この保持部材上に薄膜熱感知体を備えた薄膜型ガスセンサにおいて、センサ領域は、平面視で円形または全ての内角が鈍角である多角形の形状をなしていることを特徴とするものである。
【００１７】
これによって、保持部材と支持基板との接続部分は、支持基板の内側縁の一周にわたる全域が固定領域となる。このため、保持部材の強度も強くなると共に、保持部材にかかる負荷は一周にわたる固定領域に分散するので保持部材に生じる機械的応力は非常に小さいものになり、クラックなどの発生をなお一層抑制する。
【００１８】
保持部材は、梁構造であり、センサ領域で、保持部材と支持基板とで平面的に分割された領域を貫通孔とし、この貫通孔は、平面視で円形または全ての内角が鈍角である多角形の形状をなしているようにしてもよい。
【００１９】
このような構成にすれば、保持部材と支持基板とで規定される領域が貫通孔とすることができる。そして、貫通孔には鋭角な部分がないので梁構造に応力が集中することはない。
【００２０】
保持部材は、平面視でセンサ領域を覆うように設けるメンブレン構造であり、保持部材は、薄膜熱感知体の搭載部を避けて複数の貫通孔を有し、この貫通孔は、平面視で円形または全ての内角が鈍角である多角形の形状をなしているようにしてもよい。
【００２１】
このような構成にすれば、メンブレン構造には、鋭角な部分がない貫通孔を設けることができる。そして、貫通孔には鋭角な部分がないのでメンブレン構造に応力が集中することはない。
【００２２】
貫通孔は、センサ領域に所定の間隔をなして分散して設けているようにしてもよい。
【００２３】
これによって、貫通孔が分散できるので、ガス流圧の負荷も分散させることができる。このため、ガス流圧による保持部材の撓みを小さく抑えることができる。
【００２４】
隣り合う貫通孔は、その中心間距離が同一であるようにしてもよい。
【００２５】
これによって、ガスの流れが均一に分散して流れ、また、保持部材にかかるガスの流圧による負荷も分散して均一になる。
【００２６】
メンブレン構造は、第１の薄膜と、センサ領域の中心点を通る梁形状の第２の薄膜と、からなるようにしてもよい。
【００２７】
このように、保持部材を複数の薄膜で構成すれば、保持部材の更なる強度アップが得られる。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の薄膜型ガスセンサは、支持基板に熱応力や保持部材に機械的応力がかかっても、クラックなどによる損壊の発生を抑える効果が得られる。また、これによって、ガスセンサの寿命も向上する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の薄膜型ガスセンサの第１の実施形態に係る検知素子の構造を模式的に示した平面図と端面図である。
【図２】本発明の薄膜型ガスセンサの第２の実施形態に係る検知素子の構造を模式的に示した平面図と端面図である。
【図３】本発明の薄膜型ガスセンサの第３の実施形態を説明する平面図である。
【図４】本発明の薄膜型ガスセンサの第４の実施形態に係る検知素子の構造を模式的に示した平面図と端面図である。
【図５】特許文献１に記載されたガスセンサの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
本発明の薄膜型ガスセンサは、ガスを検知するための薄膜熱感知体を搭載する保持部材
と接続する支持基板の内側を、円形や全ての内角が鈍角である多角形の形状にする。なお、ここで言う円形とは、楕円形も含むものである。また、保持部材をメンブレン構造にすることで、さらに保持部材の強度を高めるものである。
【００３１】
なお、本発明の薄膜型ガスセンサの実施形態の説明では、薄膜熱感知体の上部にガス検知体を設ける場合を例にして説明する。また、ガスの検知手順であるが、薄膜熱感知体に電流を流し、通電による発熱で所定の温度に達した状態でガスが到来するまで待機する。ガスが到来し、薄膜熱感知体の上部のガス検知体にガスが接触することでガス検知体が燃焼し、薄膜熱感知体はより発熱する。これにより、薄膜熱感知体に流れる電流値が変化するので、それを検出するものである。
このような検出手順はすでに知られているものであるから、詳細な説明は省略するものとする。
以下、図面を用いて実施形態の詳細を説明する。
【実施例１】
【００３２】
［第１の実施形態の説明：図１］
本発明の薄膜型ガスセンサの第１の実施形態を図１を用いて説明する。図１は、本発明の薄膜型ガスセンサの第１の実施形態の構造を模式的に示す図である。図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）の切断線Ｘ−Ｘ´における端面を模式的に示す端面図である。
【００３３】
図１において、２１は枠形状の支持基板、２１ｃは支持基板２１の内壁、２２は絶縁膜、２２ｈは貫通孔である。２３は梁部である。２３ａは梁部２３と支持基板２１との接続角部である。２４ａ，２４ｂは電極パッドである。２５ａ，２５は金属薄膜抵抗体である。２６は薄膜熱感知体である。２８はガス感知体である。そして、これらでガス検知素子２０を構成している。
【００３４】
記号Ｒは、センサ領域を示している。記号Ｃは、センサ領域Ｒの中心点を示しており、「＋」で示している。
【００３５】
図１に示すように、ガス検知素子２０は、枠形状の支持基板２１から、その内側に梁部２３が、図１（ａ）に示すように平面視で支持基板２１を橋渡しするように構成されている。梁部２３には、薄膜熱感知体２６と金属薄膜抵抗体２５ａ，２５ｂとガス検知体２８とが設けられている。
このようにセンサ領域Ｒは、ガスの検出を行う構成が設けられる領域であり、支持基板２１の内壁２１ｃに囲まれた部分である。図１（ａ）では、破線で示している。
【００３６】
［外形形状の説明：図１］
まず、外形形状を説明する。
図１に示すように、支持基板２１の形状は、平面的に枠形状を有している。支持基板２１は、絶縁性を有し、熱伝導率が低く、耐熱性に優れている材質が適している。さらに、加工のし易さを鑑みると、知られている半導体素子の製造方法を適用できることから、例えば、シリコン（Ｓｉ）が好適である。もちろん、その他の材質を用いてもかまわない。
【００３７】
センサ領域Ｒは、支持基板２１の内壁２１ｃに囲まれた部分であって、図１（ａ）に示すような平面視では、支持基板２１の上面の貫通孔２２ｈのエッジと重なっている部分もあるが、円形である。このように、内壁２１ｃには、鋭角な部分がなく、滑らかなラウンド形状となるから、熱応力の集中が発生しないのである。
【００３８】
図１（ｂ）に示すように、支持基板２１の表面には、絶縁膜２２が形成されている。絶
縁膜２２は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）で構成している。もちろん、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）なども用いることができる。また、これらを積層した積層膜としてもよい。
【００３９】
絶縁膜２２の形状は、図１（ａ）に示すように、枠形状の支持基板２１を、所定の幅を持って橋渡しするように形成されており、梁部２３を構成している。梁部２３と支持基板２１との接続部分は、平面視では、４つの接続角部２３ａがある。図１（ａ）に示すように、接続角部２３ａでは、平面視で梁部２３と支持基板２１とがなす角度は、鈍角である。
このため、到来するガスの流圧を受けて、梁部２３が撓むことがあっても、機械的応力が集中することがないのである。
【００４０】
図１に示す例では、梁部２３は、その裏側に支持基板２１はなく、絶縁膜２２のみで構成している。梁部２３は、薄膜熱感知体２６や金属薄膜抵抗体２５ａ，２５ｂを搭載する保持部材である。
【００４１】
ところで、このように、支持基板を橋渡しするように梁部が設けてある構成を、両持ち梁構造という。なお、支持基板から梁部が延在し、その端部が開放端となっている構成を、片持ち梁構造という。
どちらの梁構造であっても、ガスが到来して、そのガスの圧力により生じる力が梁部２３にかかり、機械的応力が発生したとしても、梁部が損壊しないような強度を備える必要がある。
【００４２】
絶縁膜２２を積層膜とするとき、積層する膜の応力特性を変えるようにしてもよい。例えば、２つの膜を積層するとき、下の膜を引っ張り応力を有する膜とし、上の膜を圧縮応力を有する膜とするのである。
このようにすれば、双方の膜の応力を打ち消すことができる。そうすると、ガスの到来により生じる力が梁部２３にかかったとしても、梁部に発生する撓みに絶縁膜２２自体の応力特性は関与しないから、梁部の設計がし易くなる。
【００４３】
図１（ａ）に示すように、平面視で支持基板２１が梁部２３により平面的に分割された領域が、ガスの流通部となる貫通孔２２ｈとなっている。図１に示す例では、梁部２３が１つであるため、この貫通孔２２ｈは２つである。この貫通孔２２ｈは、いわゆるエアホールと呼ばれ、ガスが通過する部分となっている。この貫通孔２２ｈは、平面視で円形または全ての内角が鈍角である多角形の形状をなしている。図１に示す例では、この貫通孔２２ｈは、楕円形状を有している。
【００４４】
図示はしないが、この２つの貫通孔２２ｈは、互いに異なる大きさであってもかまわないが、梁部２３によって枠形状の支持基板２１が橋渡しされたことにより貫通孔２２ｈが形成されているから、双方の貫通孔は同一の形状を有する方が、梁部２３のバランスがよくなるので好ましい。
また、双方の貫通孔は、センサ領域Ｒの中心点Ｃからの距離が同一である方が好ましい。  なお、ここでいう中心点Ｃからの距離とは、中心点Ｃから貫通孔２２ｈの中心までの距離であっても、中心点Ｃから貫通孔２２ｈのエッジまでの距離であっても、どちらでもよい。大切なことは、センサ領域Ｒにおいて、貫通孔２２ｈがバランスよく配置されているという点である。
【００４５】
貫通孔２２ｈを有することで、貫通孔を通ってガスが保持部材である梁部２３の上面側と裏面側とに流通する。そうすると、センサ領域Ｒに到来したガスが留まることがないた
め、ガスの流入を阻害することがない。
【００４６】
［薄膜熱感知体、金属薄膜抵抗体、電極パッドの説明：図１］
次に、梁部２３に設ける薄膜熱感知体２６よび金属薄膜抵抗体２５ａ，２５ｂ、そしてこれらに接続する電極パッド２４ａ，２４ｂについて説明する。
絶縁膜２２で構成している保持部材である梁部２３の上部には、薄膜熱感知体２６、金属薄膜抵抗体２５ａ，２５ｂが設けてある。支持基板２１上の絶縁膜２２の上部には、電極パッド２４ａ，２４ｂが設けてある。
電極パッドは支持基板２１の上部のどこに設けてもかまわないが、図１に示す例では、図１（ａ）の平面視して時計の文字板に例えると、電極パッド２４ａは９時方向、同じく、電極パッド２４ｂは３時方向にそれぞれ設けている。
【００４７】
薄膜熱感知体２６は、支持基板２１上の電極パッド２４ａと金属薄膜抵抗体２５ａを介して接続しており、電極パッド２４ｂとは金属薄膜抵抗体２５ｂを介して接続している。
図１（ａ）に示すように、薄膜熱感知体２６のほぼ中心を中心点Ｃ上に重ねると共に、梁部２３の幅方向の中央にも重ねるようにし、電極パッド２４ａから、金属薄膜抵抗体２５ａ、薄膜熱感知体２６、金属薄膜抵抗体２５ｂ、金属パッド２４ｂの順に直線的に設けている。このような構成とすることにより、重量的にバランスの取れた配置構造が形成されている。
【００４８】
薄膜熱感知体２６の上部にはガス感知体２８を設けている。このような構成にすれば、ガスの到来によってガス検知体２８は発熱し、ガスを検知する感度特性や反応速度特性などの精度を向上することができる。
【００４９】
ところで、ガスを検知する際の反応速度特性とは、ガスが到来して薄膜熱感知体が発熱したとき、薄膜熱感知体が、ガスが到来したと感知する所定の温度に達するまでの速度を示すものである。
また、感度特性とは、ガスが到来して発熱し、薄膜熱感知体の抵抗値が変化する変化量のことをいう。
すなわち、センサとしては、ガスが到来したときに所定の温度まで素早く変化し、その抵抗値の変化量が大きいほど感度がよいとされているのである。
【００５０】
［薄膜熱感知体の形状説明：図１］
次に、薄膜熱感知体の形状を説明する。
薄膜熱感知体２６ａは、複数の折り返し部を有する九十九折りパターンの形状をなしている。図１に示す例では、１つの薄膜熱感知体の折り返し部は１０個設けている。
【００５１】
ところで、薄膜熱感知体２６の抵抗値は、適する値が存在する。もちろん、高抵抗である方が、ガス検知の感度特性や反応速度特性が向上して好ましいのである。抵抗値を高くするためには、加工が難しくなるものの、薄膜熱感知体を細く、薄く形成すればよい。
【００５２】
しかしながら、薄膜熱感知体のパターンの幅などを小さくすると、電力密度が増して、エレクトロマイグレーションの影響を受けやすくなる。
エレクトロマイグレーションとは、電気伝導体の中で移動する電子が金属原子と衝突し、これらの間で運動量の交換が行われるために、金属原子が徐々に移動する現象である。このため、金属原子が欠乏した部分に、欠損が生じるのである。
エレクトロマイグレーションが発生すると、薄膜熱感知体の断線が発生し、ガスセンサとしての寿命が短くなってしまう。
【００５３】
このような事情から、薄膜熱感知体の抵抗値には、ガスセンサとして十分な感度とエレ
クトロマイグレーションなどへの耐性とを両立する値が存在するのである。
このような事情を鑑みて、薄膜熱感知体２６の形状を決めるのであるが、一般に、薄膜熱感知体２６のパターンの幅を小さくすると、折り返し部も数多く設けることができ、実質的にパターンの全長を長くすることができて高抵抗が得られる。このため、薄膜熱感知体のパターンの幅や膜厚などのほか、折り返し部の個数なども考慮に入れて、抵抗値を決めるのである。
そのような値は、検出するガスの種類、薄膜熱感知体の温度、印加する電圧（つまり、システム系の電源電圧）などにより異なるものの、一例をあげると、薄膜熱感知体の材質に白金（Ｐｔ）を用い、その膜厚を０．３μｍとしたとき、その配線幅を１０μｍ、抵抗値は５００Ωである。
【００５４】
薄膜熱感知体２６を複数の折り返し部を有する九十九折りパターンとするとき、薄膜熱感知体２６の抵抗値をより高抵抗にするためには、そのパターンの幅を小さく（細く）すればよい。
パターンの幅を小さくすると、折り返し部も数多く設けることができ、実質的にパターンの全長を長くすることができて高抵抗が得られる。
また、九十九折りの形状を有することで抵抗体としての分布密度が高くなり、発熱効率が高められ、より高い発熱量が得られる。
【００５５】
薄膜熱感知体２６の九十九折りパターン形状は、図１に示す例では、梁部２３の短手方向（幅方向）に折り返し部を有しているが、もちろんこれに限定するものではない。図示はしないが、長手方向（長さ方向）に折り返し部を有してもよいのである。
いずれにしても、九十九折りパターン形状は、薄膜熱感知体の配設スペースを小さくすることができるのでセンサ領域Ｒを小型化でき、その結果、薄膜型ガスセンサ自体も小型化することができるという効果も奏するのである。
【００５６】
［梁部を構成する絶縁膜の説明：図１］
次に、梁部の構造の特徴を説明する。
保持部材である梁部２３は、その上面側に薄膜熱感知体２６と、それに接続する金属薄膜抵抗体２５ａ，２５ｂ、および薄膜熱感知体２６の上部にガス感知体２８を設けるので、それらの部材を保持するに耐えうる強度を必要とする。そのため、梁部２３を構成する絶縁膜２２の膜厚は、所定の厚みを必要とする。
しかしながら、到来するガスの検知性能を向上させるためには、薄膜熱感知体２６を搭載する部分（梁部２３）の熱容量を小さくする方が望ましい。なぜならば、熱容量が大きいと、ガスの到来により生じた熱が梁部に吸収されてしまうからである。この状態では、薄膜熱感知体の熱が上昇しきれず（つまり、抵抗値が変化しきれず）、ガスが到来してもそれを感知することができなくなってしまう。
【００５７】
このように、梁部２３の強度とガスを検知するための性能とは、トレードオフの関係にあるから、梁部２３を構成する絶縁膜２２の膜厚は、それを鑑みて適宜に設定する。到来するガスの種類、薄膜熱感知体やガス検知体の材質によっても発熱温度が異なるから、例えば、実験を繰り返してデータを取るなどして、絶縁膜２２の膜厚を設定してもよい。
【００５８】
また、梁部２３の薄膜熱感知体２６を搭載する部位の幅も同様である。この幅が広ければ、梁部の強度は向上する。
発明者が検討したところ、梁部２３の薄膜熱感知体２６を搭載する部位の幅とその膜厚とは、「膜厚＜幅」とすることがよいことを見出した。その理由は、薄膜熱感知体２６が搭載されている部位の直下が最も熱伝導性が高いからである。そのため、梁部２３を構成する絶縁膜２２の膜厚を薄くして熱容量を小さくし、幅を大きくして強度を維持するとよいのである。
【００５９】
図１に示す例では、例えば、電極パッド２４ａと電極パッド２４ｂとを外部の基板上などで電気的に接続し、それらに電源および電流計を接続すると、薄膜熱感知体２６に電流を流すことができると共に、電流量を計測することができる。具体的には、電極パッド２４ａと電極パッド２４ｂとの間に図示しない電源から電圧を印加しておき、薄膜熱感知体２６に通電しておく。その後、ガスが到来するとガス検知体２８がガスに反応して発熱し、薄膜熱感知体２６の温度も上昇し、その電流量に変化が起きる。この電流量の変化を捉えることで、ガスの到来を知り得ることができるのである。
なお、ガスの到来による発熱をすばやくさせて検出感度を向上させる目的で、薄膜熱感知体２６の上部には、ガス検知体２８を設けているが、その材質などの詳細については、後述する。
【００６０】
ところで、ガスの到来により薄膜熱感知体２６が発熱することで、そのガスの到来を知り得るわけであるから、薄膜熱感知体に接続する電極パッドの配置や金属薄膜抵抗体の引き回しなど、薄膜熱感知体にどのように電流を流し、その電流をどう計測するかは、自由であり、各要素の配置は、図１に示す例に限定するものではないのは明らかである。
【００６１】
これら薄膜熱感知体、金属薄膜抵抗体、電極パッドは、同一の金属で構成することができる。これらは、高融点貴金属を用いる場合が多く、例えば、白金（Ｐｔ）である。
【００６２】
このような高融点貴金属を用いる理由は、温度である。すなわち、薄膜熱感知体２６の上部にはガス感知体２８が設けてあり、このガス検知体２８は、触媒として機能するものであって、ガスが到来したときに発熱し、検出感度を向上させる効果がある。ガス検知体２８は、薄膜熱感知体２６上に焼結させている。しかし、このガス検知体２８の焼結温度は高く、用いる触媒の材質にもよるが、例えば、６００〜７００度程度である。そして、ガスが到来したときに生じる温度を、いわゆる燃焼温度と呼び、その温度は、例えば、４００度を超える。
このように、薄膜熱感知体２６や金属薄膜抵抗体２５ａ，２５ｂは高温に晒されるため、高融点貴金属を用いるのである。
【００６３】
薄膜熱感知体２６、金属薄膜抵抗体２５ａ，２５ｂ、電極パッド２４ａ，２４ｂは、保持部材である絶縁膜２２との密着性を良くするために、クロム（Ｃｒ）やチタン（Ｔｉ）、あるいは、これらの合金からなる金属膜を下地層として設け、その上に白金（Ｐｔ）を形成して構成してもよい。例えば、白金（Ｐｔ）は、スパッタリング法などの知られている形成方法で形成することができる。
なお、薄膜熱感知体、金属薄膜抵抗体、電極パッドは、白金（Ｐｔ）以外の材料としては、ロジウム（Ｒｄ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）などの高融点貴金属、あるいは、これらの合金金属などを用いることができる。
【００６４】
［ガス検知体の説明］
薄膜熱感知体２６の上面に設けるガス感知体２８は、ガスの到来による発熱をすばやくさせて検出感度を向上させる目的で設ける触媒である。特に限定するものではないが、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）からなる熱伝導層と、この熱伝導層の表面に燃焼触媒層を重ねた構成を有している。
燃焼触媒層は、例えば、酸化スズ（ＳｎＯ２）を主成分にして、白金（Ｐｔ）とパラジウム（Ｐｄ）なる燃焼触媒の微粉末を溶媒に混ぜ合わせてスラリー状にし、それを熱伝導層の表面に塗布して６００°Ｃの温度で焼結したものである。
【００６５】
図１に示す例では、ガス検知体２８は、センサ領域Ｒにて、梁部２３の上部に図面上横長に薄膜熱感知体２６を覆うように設けている。
もちろん、薄膜熱感知体２６ａの抵抗値、到来するガスの種類などに応じて、ガス検知体２８を設けない場合もある。
【００６６】
また、図１（ｂ）に示すように、ガス感知体２８は、薄膜熱感知体２６ｄの上面側にのみ設ける例を示したが、もちろんこれに限定するものではない。到来するガスは貫通孔２２ｈを通って流通するので、図示はしないが、保持部材である梁部２３を挟んでその裏面側にも設けてもよい。つまり、ガス感知体２８で梁部２３を上下から包むようにしてもよいのである。
このような構造をとると、燃焼触媒層の表面面積が増してガスとの接触面積が増え、より速く燃焼することができる。そして、ガス検知の反応速度を更に速める効果を得る。
【００６７】
［発明の効果の説明］
ここで、第１の実施形態の効果についてまとめると次のようになる。
１つ目の効果としては、センサ領域Ｒが平面視で円形の形状をなしていることで、熱応力に対して耐久性が高いという点である。
すなわち、支持基板２１の内壁２１ｃには鋭角なる角部がなくなるため、ガスの到来により生じる発熱があっても、その熱応力による歪は小さく、また、特定の場所に熱応力が集中することなく、支持基板２１にクラックなどを発生することはない。
【００６８】
２つ目の効果としては、保持部材である梁部２３と支持基板２１との接続角部２３ａにあっても、平面視で鋭角なる角部がないため、機械的応力に対して耐久性が高いという点である。
すなわち、到来するガスの流圧を受けたり、不測の衝撃や振動により梁部２３が撓んだとしても、梁部２３と支持基板２１との接続部分に機械的応力が集中することはなく、梁部２３にクラックなどを発生することはない。
【００６９】
３つ目の効果としては、センサ領域Ｒの重量バランスがよいという点である。
すなわち、金属薄膜抵抗体２５ａ，２５ｂ、薄膜熱感知体２６、ガス感知体２８をセンサ領域Ｒの中心点Ｃを通る線上に設け、薄膜熱感知体２６とガス感知体２８を中心領域に設けていることにより、偏重のない均衡した重量バランスが得られて安定するのである。
【００７０】
４つ目の効果としては、ガスの燃焼効率を高めることができるという点である。
すなわち、貫通孔２２ｈが所定の間隔をなして分散した配置をなしており、ガスが到来しても、その流れる流量に偏りが生じない。このため、ガス感知体２８にガスが均一な状態でもって接触するようになり、その結果としてガスの燃焼効率が上がるのである。
【００７１】
つまり、本発明の薄膜型ガスセンサは、熱応力と機械的応力とに対する耐久性が高く、ガスの検出感度を向上させるため、薄膜熱感知体の数を増やしたりしても、その耐久性が低下することがないのである。その結果、センサとしての寿命が延びるのである。
【実施例２】
【００７２】
［第２の実施形態の説明：図２］
次に、第２の実施形態に係るガス検知素子について図２を用いて説明する。なお、図２は、第２の実施形態の構造を模式的に示す図である。図２（ａ）はその平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）の切断線Ｙ−Ｙ´における端面を模式的に示す端面図である。
【００７３】
図２において、２２ａは絶縁膜２２で構成したメンブレン構造体である。２２ｉ，２２ｊ，２２ｋ，２２ｌ，２２ｍ，２２ｎは貫通孔である。貫通孔２２ｉ〜２２ｎは、メンブレン構造体２２ａに設けている。２２ｋｃは貫通孔２２ｋの中心点であり、同様に、２２ｌｃは貫通孔２２ｌの、２２ｍｃは貫通孔２２ｍの、それぞれ中心点であり、「＋」で示
している。そして、これらでガス検知素子３０を構成している。Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４は貫通孔同士の距離を示している。なお、すでに説明した同一の構成については同一符号を付与しており、詳細な説明は省略する。
【００７４】
図２に示す第２の実施形態のガス検知素子３０の特徴は、保持部材をメンブレン構造とした点である。すでに説明した第１の実施形態は、支持基板２１の上部に絶縁膜２２を設け、この絶縁膜２２で枠形状の支持基板２１を所定の幅を持って橋渡しするように梁部を構成していた。図２に示す第２の実施形態では、保持部材を梁部で構成せず、メンブレン構造体２２ａとしたものである。
【００７５】
メンブレン構造体２２ａは、支持基板２１の上部に設ける絶縁膜２２をセンサ領域Ｒの方向に一様な薄膜で構成したものである。メンブレンとは「膜」を意味するものであり、メンブレン構造とは、膜による構造そのものを意味するものであるが、本発明の実施形態では、説明しやすいように絶縁膜２２のうち、センサ領域Ｒの部分をメンブレン構造体２２ａとしている。
【００７６】
メンブレン構造体２２ａの上部には、センサ領域Ｒの中心点Ｃを含む中心領域に薄膜熱感知体２６を設けている。そして、薄膜熱感知体２６の両端を２つの金属薄膜抵抗体２５ａ，２５ｂを介して支持基板２１の上部の一対の電極パッド２４ａ，２４ｂに接続している。
図２（ａ）に示すように、薄膜熱感知体２６のほぼ中心を中心点Ｃ上にし、電極パッド２４ａから、金属薄膜抵抗体２５ａ、薄膜熱感知体２６、金属薄膜抵抗体２５ｂ、金属パッド２４ｂの順に直線的に設けている。このような構成とすることにより、重量的にバランスの取れた配置構造が形成されている。
【００７７】
［絶縁膜の形状説明：図２］
絶縁膜２２は、図２に示すように、支持基板２１の上部とセンサ領域Ｒに設けている。センサ領域Ｒに設けた絶縁膜２２をメンブレン構造体２２ａと表しているが、メンブレン構造体２２ａは、支持基板２１の上部に設ける絶縁膜２２をセンサ領域Ｒの方向に延設して、一様な薄膜で構成したものである。
【００７８】
メンブレン構造体２２ａは保持部材の働きをなすことから、保持するに耐えうる強度を備える必要がある。また、ガスが到来して、そのガスの圧力によりメンブレン構造体２２ａが撓んでもメンブレン構造体２２ａが損壊しないような強度を備える必要がある。絶縁膜２２の膜厚は、例えば、１μｍ位の薄膜である。しかしながら、特には限定するものではなく、上記のことを考慮して適宜に設定すると良い。また、絶縁膜２２は、第１の実施形態と同様に、積層膜とすることもできる。このとき、積層する膜の応力特性を変えるようにしてもよいことは、すでに説明した通りである。
【００７９】
メンブレン構造体２２ａには、薄膜熱感知体２６と金属薄膜抵抗体２５ａ，２５ｂとガス感知体２８とを有していない部分に、複数の貫通孔を設けている。図２に示す例では、６つの貫通孔２２ｉ〜２２ｎを設けている。
貫通孔２２ｉ〜２２ｎは、同じ大きさをなしており、図２に示す例では円形である。そして、センサ領域Ｒに所定の間隔をなして分散して設けてある。
ようするに、隣り合う貫通孔同士が所定の距離だけ離間して配置しており、センサ領域Ｒを全体視すると、概ね分散して配置しているのである。
【００８０】
隣り合う貫通孔とは、図２に示す例では、例えば、貫通孔２２ｉと貫通孔２２ｊ、貫通孔２２ｉと貫通孔２２ｎであり、貫通孔２２ｌと貫通孔２２ｋ、貫通孔２２ｌと貫通孔２２ｍである。そして、隣り合う貫通孔同士は、同一の距離で離間している。
図２において、距離Ｌ１と距離Ｌ２とは同一であり、距離Ｌ３と距離Ｌ４とは同一である。なお、距離Ｌ３は、貫通孔の中心点２２ｋｃと中心点２２ｌｃとの距離であり、距離Ｌ４は、貫通孔の中心点２２ｌｃと中心点２２ｍｃとの距離を示している。
【００８１】
つまり、メンブレン構造体２２ａに開口した貫通孔のエッジ間の距離である距離Ｌ１と距離Ｌ２とが同じであっても、貫通孔の中心間距離である距離Ｌ３と距離Ｌ４とが同じであってもよいのである。大切なことは、センサ領域Ｒにおいて、貫通孔がバランスよく配置されているという点である。
【００８２】
なお、貫通孔２２ｉ〜２２ｎは、図２に示す例では、円形の形状を有しているが、もちろん、その形状は一例であって、多角形で構成してもよい。例えば、正六角形、正八角形などである。また、多角形と円形とを組み合わせてもよく、自由に変更が可能である。
なお、貫通孔の形状の説明で用いる円形とは、楕円形も含むものであって、また、多角形の角部を面取りして滑らかにした形状も、広義で円形と定義するものである。
【００８３】
［発明の効果の説明］
ここで、第２の実施形態の効果についてまとめる。すでに説明した第１の実施形態の効果と同様な点は省略すると、次のようになる。
保持部材であるメンブレン構造体２２ａは、支持基板２１から延長して一様に形成しているため、機械的応力が発生したとしても、膜全体で分散し、応力集中する部分がない。このため、メンブレン構造体２２ａにクラックなどを発生することはないのである。
【００８４】
また、貫通孔２２ｉ〜２２ｎが所定の間隔で分散した配置をなしており、ガスが到来しても、その流れる流量に偏りが生じない。このため、ガス感知体２８にガスが均一な状態でもって接触するようになり、その結果としてガスの燃焼効率をより向上させることができるのである。
【実施例３】
【００８５】
［センサ領域Ｒの他の形状の説明：図３］
次に、センサ領域Ｒの他の形状を図３の平面図を用いて説明する。図３は、図１（ａ）および図２（ａ）に示す方向と同一の方向からみたときの支持基板を説明する平面図である。そして、なお、図３は、説明に必要のない部分は省略している。
【００８６】
図３において、３１，３２，３３は支持基板である。３１ｃ，３２ｃ、３３ｃは、それぞれ支持基板の内壁である。α１，α２，α３，α４，α５，α６は、内壁３３ｃの角度である。支持基板３１〜３３は、すでに説明した第１および第２の実施形態の支持基板２１に相当するものであるから、説明にあっては、図１および図２を適宜参照されたい。
【００８７】
すでに説明した第１の実施形態と第２の実施形態とでは、センサ領域Ｒを円形形状に形成する例を説明したが、必ずしも円形形状に限るものではない。例えば、図３に示す形状であっても同様な効果を奏する。図３はセンサ領域のその他の形状を示したものである。
【００８８】
図３（ａ）は、センサ領域Ｒの形状が楕円形状、すなわち、支持基板３１の内壁３１ｃの形状が楕円形状をなしたものである。図３（ａ）に示す例では、図面の左右方向に長い楕円形状を示しているが、画面上下方向や斜め方向に長い楕円形状を有していてもよい。楕円形状は角部がないため、過度に応力が集中するような部分がない。従って、円形の場合と同様な効果を奏する。
なお、本発明においては、楕円形状のものも円形形状と表現している。
【００８９】
図３（ｂ）は、センサ領域Ｒの形状が楕円形に近い四角形の角をなくしたような形状を
有する例である。すなわち、支持基板３２の内壁３２ｃは角がない滑らかな四角形の形状をなしたものである。このような形状は角部がないため、過度に応力が集中するような部分がない。従って、円形の場合と同様な効果を奏する。
【００９０】
図３（ｃ）は、センサ領域Ｒの形状が正六角形の形状、すなわち、支持基板３３の内壁３３ｃが六辺に囲まれた正六角形の形状をなしたものである。正六角形は、内角α１〜α６のいずれの内角も１２０度の鈍角をなしている。内角の角度が１２０度になると、鋭角または直角の場合に比べて過度に応力が集中するようなことはなく、円形の場合と同様な効果を奏するのである。なお、図示した例は、正六角形であるが、もちろんその他の多角形でもよいことは無論である。
【実施例４】
【００９１】
［第４の実施形態の説明：図４］
次に、第４の実施形態を図４を用いて説明する。
図４は第４の実施形態の構造を模式的に示す平面図である。図４（ａ）はその平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の切断線Ｚ−Ｚ´における端面を模式的に示す端面図である。
図４において、９９は絶縁膜である。９９ａは絶縁膜９９で構成したメンブレン構造体である。２２ｏ，２２ｐはメンブレン構造体９９に設ける貫通孔である。４０はガス検知素子である。すでに説明した同一の構成については同一符号を付与しており、詳細な説明は省略する。
【００９２】
図４に示す第４の実施形態のガス検知素子４０の特徴は、保持部材を梁部とメンブレン構造体とにした点である。図１を用いて説明した第１の実施形態と図２を用いて説明した第２の実施形態とを合わせた構成であって、下側に第１の薄膜としてのメンブレン構造体９９を設け、その上側に第２の薄膜としての梁部２３を重ねている構成である。
【００９３】
貫通孔２２ｏ，２２ｐは、図４に示す例では、六角形の形状を有している。これら２つの貫通孔は、図４（ａ）に示すように、梁部２３を挟み、対向して配置している。
【００９４】
第４実施形態のガス検知素子４０は、メンブレン構造体９９ａと梁部２３とで保持部材を構成しているから、その強度が増し、保持部材の撓みや機械的応力に対する抗力は更に向上し、ガスセンサの耐久性能は更に向上する。
【００９５】
なお、図４に示す例では、メンブレン構造体９９ａの上部に梁部２３を設ける構成を説明したが、図示はしないが、梁部２３の上部にメンブレン構造体９９ａを設ける構成とすることもできる。もちろん、貫通孔２２ｏ，２２ｐの形状も六角形とは異なる形状であってもかまわなく、適宜変更可能である。
【００９６】
以上、すでに説明した実施形態では、薄膜熱感知体の上部にガス感知体を設ける構成を例示したが、もちろんこれに限定するものではない。薄膜熱感知体を半導体で構成すれば、ガス感知体は不要になる。
【産業上の利用可能性】
【００９７】
本発明の薄膜型ガスセンサは、機械的応力や熱応力に対する耐久性が向上しているため、ガスの流速が高く、より高温になる環境用のガスセンサとして好適である。
【符号の説明】
【００９８】
２０，３０，４０  ガス検知素子
２１，３１，３２，３３  支持基板
２１ｃ，３１ｃ，３２ｃ，３３ｃ  内壁
２２，９９  絶縁膜
２２ａ，９９ａ  メンブレン構造体
２２ｈ〜２２ｐ  貫通孔
２３  梁部
２３ａ  接続角部
２４ａ，２４ｂ  電極パッド
２５ａ，２５ｂ  金属薄膜抵抗体
２６  薄膜熱感知体
２８  ガス感知体
Ｒ  センサ領域
Ｃ  中心点
【図１】
2010230387.tif 000003
【図２】
2010230387.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2010230387.tif 000007