(57)【要約】【課題】ガス検知素子の薄膜熱感知体の電気特性の劣化を防止し、検知精度を向上させると共に、長寿命を図る。【解決手段】薄膜型ガスセンサにおいて、保持部材である梁部４３上に設ける薄膜熱感知体４６の両側に、ガス感知体４８を焼結する焼結用ヒータ５６，６６を薄膜熱感知体４６に近接して、平行に設ける。ガス感知体４８は、薄膜熱感知体４６と焼結用ヒータ５６，６６とに平面的に重なって設けており、焼結用ヒータ５６，６６でガス感知体４８を焼結する。また、薄膜熱感知体４６と焼結用ヒータ５６，６６とは、九十九折りの形状に形成することで、配設スペースを小さくすることができ、薄膜型ガスセンサ自体も小型化することができる。【選択図】図１
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【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、該センサ領域に前記支持基板から延設して保持部材を設け、該保持部材上に薄膜熱感知体とガス感知体を備えた薄膜型ガスセンサにおいて、
前記ガス感知体を焼結するための焼結用ヒータを前記薄膜熱感知体に近接して設けたことを特徴とする薄膜型ガスセンサ。
【請求項２】
前記焼結用ヒータは、前記薄膜熱感知体に平行に設けられ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】
前記ガス感知体は、前記薄膜熱感知体上と前記焼結用ヒータ上とに平面的に重なっていることを特徴とする請求項１または２に記載の薄膜型ガスセンサ。
【請求項４】
前記薄膜熱感知体と前記焼結用ヒータは、平面視で、折り返し部を有した九十九折りの形状をなすことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の薄膜型ガスセンサ。
【請求項５】
前記焼結用ヒータの九十九折りの形状は、前記薄膜熱感知体の九十九折りの形状に近接して、形状に沿って形成していることを特徴とする請求項４に記載の薄膜型ガスセンサ。
【請求項６】
前記保持部材が梁形状を有するとき、前記薄膜熱感知体と前記焼結用ヒータとの前記折り返し部は、前記梁形状の幅方向に対して前記折り返し部を形成していることを特徴とする請求項４または５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に示された従来技術を図７を用いて説明する。図７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と断面図を示したものである。
図７において、１は接触燃焼式ガスセンサで、１０は基板、１１は開口部、１２は絶縁膜、１３，１４，１５はパッド部、２０はガス検知素子、２１，３１は絶縁膜部、２２は検知ヒータ、２３，３３は保護膜、２４は触媒焼結体、２６はヒータユニット、３０は補償素子、３２は補償ヒータ、３４は焼結体である。
【０００７】
特許文献１に記載された接触燃焼式ガスセンサの構成は、基板１０の開口部１１上にガス検知素子２０と補償素子３０とを搭載している。ガス検知素子２０は架橋構造に設けた絶縁膜部２１上に検知ヒータ２２を搭載し、その上に保護膜２３を設け、触媒焼結体２４を坦持した構成をなしている。
また、補償素子３０は架橋構造に設けた絶縁膜部３１上に、補償ヒータ３２を搭載し、その上に保護膜３３を設け、焼結体３４を坦持した構成をなしている。
【０００８】
ガス検知素子２０の検知ヒータ２２は白金（Ｐｔ）の細線からなり、通電によって４００°Ｃを超える高温まで発熱して触媒焼結体２４を加熱する。
同様に、補償素子３０の補償ヒータ３２も白金（Ｐｔ）の細線からなり、通電によって４００°Ｃを超える高温まで発熱し、焼結体３４を加熱する。
【０００９】
保護膜２３，３３は酸化アルミニウム膜で、高い熱伝導率を有して、検知ヒータ２２の発熱を触媒焼結体２４に効率よく伝導する。あるいは、補償ヒータ３２の発熱を焼結体３４に効率よく伝導する。
【００１０】
ガス検知素子２０の触媒焼結体２４は、触媒としてパラジウム化合物を混合したセラミック粉体のペーストを絶縁膜部２１と検知ヒータ２２、保護膜２３を包み込むようにして塗布し、７００°Ｃ程度に加熱して焼結したものからなる。
また、補償素子３０の焼結体３４は、セラミック粉体のみからなるペーストを絶縁膜部３１と補償ヒータ３２、保護膜３３を包み込むようにして塗布し、７００°Ｃ程度に加熱して焼結したものからなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−２９８６１７号公報（第５頁、図１、図２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献１によれば、ガス検知素子２０並びに補償素子３０は、通常の使用時においては、検知ヒータ２２並びに補償ヒータ３２に通電して４００°Ｃを超える温度に発熱させてガス検知を行う。
また、ガス検知素子２０の触媒焼結体２４と補償素子３０の焼結体３４を形成するときに、検知ヒータ２２並びに補償ヒータ３２に通電して７００°Ｃの高温に発熱させて、触媒焼結体２４、焼結体３４を焼成して焼結体を形成している。
つまり、検知ヒータ２２、並びに補償ヒータ３２は、ガス検知を行うときの温度よりもはるかに高い温度に発熱させて触媒焼結体２４、焼結体３４の焼結を行っている。
【００１３】
しかしながら、白金（Ｐｔ）などからなる検知ヒータ２２、補償ヒータ３２を７００°Ｃの高温に発熱させて焼結用に用いると、その材料特性が変化してしまう。つまり、電気特性の劣化が発生するという問題が起きる。
このような電気特性の劣化は、ガス検知の精度にも影響を及ぼすばかりでなく、ガスセンサの寿命を短くしてしまうという問題が起きる。
【００１４】
すなわち、従来は、ガス検知に用いる触媒を焼結させるために、ガス検知を行う検知ヒータそのものを用いていたため、ガス検知を行う検知ヒータが劣化してしまっていた。
【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、ガスの検出に要する薄膜熱感知体の電気特性の劣化を防止し、ガスセンサの長寿命化を図るものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の課題を解決するための手段として、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、このセンサ領域に支持基板から延設して保持部材を設け、その保持部材上に薄膜熱感知体とガス感知体を備えた薄膜型ガスセンサにおいて、
ガス感知体を焼結するための焼結用ヒータを薄膜熱感知体に近接して設けたことを特徴とするものである。
【００１７】
このようにすれば、焼結用ヒータでガス感知体を焼結することができ、薄膜熱感知体を焼結用に用いないので、薄膜熱感知体に電気特性の劣化は起きない。
【００１８】
また、焼結用ヒータは、薄膜熱感知体に平行に設けられているようにしてもよい。
【００１９】
これによって、焼結ムラなどが発生せずに、均一に焼結されたガス感知体を得ることができる。
【００２０】
また、ガス感知体は、薄膜熱感知体上と焼結用ヒータ上とに平面的に重なっているのが好ましい。
【００２１】
これによって、薄膜熱感知体上のガス感知体が焼結用ヒータによって十分に焼成されて形成され、品質の良いガス感知体を形成することができる。
【００２２】
また、薄膜熱感知体と焼結用ヒータは、平面視で、折り返し部を有した九十九折りの形状をなすようにしてもよい。
【００２３】
九十九折りのパターン形状は、パターン幅を細くすると幾重にも折り返し部が形成でき、抵抗長を長くすることができて高抵抗が得られる。また、抵抗体の分布密度も密になるので発熱効率は高められて高い発熱温度が得られる。また、薄膜熱感知体や焼結用ヒータの形成面積も小さく済むので薄膜型ガスセンサを小型化できるという効果も奏する。
【００２４】
また、焼結用ヒータの九十九折りの形状は、薄膜熱感知体の九十九折りの形状に近接して、形状に沿って形成するのが好ましい。
【００２５】
このようにすれば、薄膜熱感知体と焼結用ヒータとの間の距離を小さくすることができる。そのため、薄膜熱感知体上のガス感知体を十分、ムラなく焼結することができる。
【００２６】
また、保持部材が梁形状を有するとき、薄膜熱感知体と焼結用ヒータとの折り返し部は、梁形状の幅方向に対して折り返し部を形成するのが好ましい。
【００２７】
このようにすれば、梁の幅を大きくせず済み、また、ガス感知体の形成面積も大きくせずに済む。材料費の節約や薄膜型ガスセンサの小型化への効果を生む。
【発明の効果】
【００２８】
本発明の薄膜型ガスセンサは、薄膜熱感知体の電気特性の劣化が防止され、ガスセンサの耐久性能が向上して長寿命化が得られる。
【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実施形態に係るガス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】本発明の第２の実施形態に係るガス検知素子の構造を模式的に示した平面図である。
【図３】図２における薄膜熱感知体と焼結用ヒータの形状を示す要部拡大平面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係るガス検知素子の構造を模式的に示した平面図である。
【図５】図４における薄膜熱感知体と焼結用ヒータの形状を示す要部拡大平面図である。
【図６】本発明の第４の実施形態に係るガス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７】特許文献１に記載された接触燃焼式ガスセンサの平面図と断面図である。
【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、焼結用ヒータを薄膜熱感知体とは別に設けて、焼結用ヒ
ータでもってガス感知体を焼結する。
薄膜熱感知体上に設けるガス感知体をムラなく、均一に焼結するために、焼結用ヒータを薄膜熱感知体に近接して、薄膜熱感知体と平行に並べて配置する。また、薄膜熱感知体と同様に、焼結用ヒータを折り返し部を有する九十九折りの形状に形成する。そして、薄膜熱感知体はガス検知用のみに使用する。
このような構成をとることにより、薄膜熱感知体を７００°Ｃ近くの発熱状態で使用することはないので、電気特性の劣化は発生しない。また、これによって、薄膜型ガスセンサの寿命も延び、検知精度も維持できるようになる。
【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］
以下、本発明の薄膜型ガスセンサの第１の実施形態に係るガス検知素子について図１を用いて説明する。図１は第１の実施形態に係るガス検知素子の構造を模式的に示した図で、図１（ａ）はその平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）における切断線Ｄ−Ｄ′の端面を模式的に示した端面図、図１（ｃ）は図１（ａ）における切断線Ｅ−Ｅ′の端面を模式的に示した端面図である。
【００３３】
図１において、４１は枠形状の支持基板、４１ｃは支持基板４１の内壁、４２は絶縁膜、４２ｈは貫通孔、４３は梁部である。４４ａ，４４ｂは電極パッド、４５ａ，４５ｂは金属薄膜抵抗体、４６は薄膜熱感知体である。４８はガス感知体である。また、５４ａ，５４ｂ，６４ａ，６４ｂはヒータ用電極パッド、５５ａ，５５ｂ，６５ａ，６５ｂは接続抵抗体、５６，６６は焼結用ヒータを表している。そして、これらでガス検知素子４０を構成している。
【００３４】
記号Ｒは、センサ領域を示していて、支持基板４１の４つの内壁４１ｃで囲まれた領域がセンサ領域になっている。また、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】
第１の実施形態のガス検知素子４０は、図１に示すように、枠形状の支持基板４１から、その内側のセンサ領域Ｒに梁部４３をなす絶縁膜４２が、支持基板４１を橋渡しするように設けた構成をなす。
梁部４３は、薄膜熱感知体４６などを搭載する保持部材をなしており、梁部４３の上部には薄膜熱感知体４６と、２つの焼結用ヒータ５６，６６を薄膜熱感知体４６に近接して設けている。なお、図1に示す例では、これらは平行して設けている。
そして、薄膜熱感知体４６は、その両側を金属薄膜抵抗体４５ａ，４５ｂを介して支持基板４１上の絶縁膜４２の上部に設けた電極パッド４４ａ，４４ｂに接続している。
【００３６】
また、焼結用ヒータ５６も接続抵抗体５５ａ，５５ｂを介して支持基板４１上の絶縁膜４２の上部に設けたヒータ用電極パット５４ａ，５４ｂに接続している。
同様に、焼結用ヒータ６６も接続抵抗体６５ａ，６５ｂを介してヒータ用電極パット６
４ａ，６４ｂに接続している。
そして、薄膜熱感知体４６と２つの焼結用ヒータ５６，６６の上部に、平面的に重なるようにしてガス検知体４８を設けている。なお、このガス検知体４８は、ガスが到来すると反応して発熱する触媒の役割を果たすものである。
【００３７】
［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４１の形状は、平面的に枠形状をなしている。支持基板４１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。
【００３８】
図１（ｂ）に示すように、支持基板４１の上面には、絶縁膜４２が形成されている。絶縁膜４２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４２は、図１（ａ）に示すように、支持基板４１の枠形状の上部に設けており、枠形状の対向する２辺から所定の幅を持って橋渡しするように設け、梁部４３を構成する。図１に示す例では、梁部４３は、その裏側に支持基板４１はなく、絶縁膜４２のみで構成している。梁部４３は、薄膜熱感知体４６と２つの焼結用ヒータ５６，６６などを搭載する保持部材である。
また、梁部４３はセンサ領域Ｒの中心点Ｃを通って直線状に設けている。梁部４３の上部には薄膜熱感知体４６と金属薄膜抵抗体４５ａ，４５ｂ、及び２つの焼結用ヒータ５６，６６と接続抵抗体５５ａ，５５ｂ，６５ａ，６５ｂ、ガス感知体４８が搭載されるので、全体での重量バランスを配慮する必要がある。
【００４０】
重量バランスの均衡を考えると、図１に示すように、薄膜熱感知体４６のほぼ中心を中心点Cと重ね、焼結用ヒータ５６，６６をその近傍に平行して設けるとバランスがよい。
【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４３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４２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４３にかかったとしても、梁部に発生する撓みに絶縁膜４２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、支持基板４１が中央の梁部４３により２つに分割された領域が、ガスの流通部となる貫通孔４２ｈとなっている。図１に示す例では、梁部４３が１つであるため、この貫通孔４２ｈは２つある。この貫通孔４２ｈは、いわゆるエアホールと呼ばれ、ガスが流通する部分となっている。
【００４４】
貫通孔４２ｈ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４３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。
【００４５】
図示はしないが、この２つの貫通孔４２ｈは、互いに異なる大きさであってもかまわないが、梁部４３を中心点Ｃを通る位置に設けて、双方の貫通孔４２ｈを同一大きさにすると、梁部４３のバランスがよくなるので好ましい。
【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４６よび金属薄膜抵抗体４５ａ，４５ｂ、そしてこれらに接続する電極パッド４４ａ，４４ｂについて説明する。
絶縁膜４２で構成している保持部材である梁部４３の上部には、薄膜熱感知体４６、金属薄膜抵抗体４５ａ，４５ｂが設けてある。支持基板４１上の絶縁膜４２の上部には、電極パッド４４ａ，４４ｂが設けてある。
電極パッド４４ａ，４４ｂは支持基板４１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、対角上の２隅にそれぞれ設けている。
【００４７】
薄膜熱感知体４６は、支持基板４１上の電極パッド４４ａと金属薄膜抵抗体４５ａを介して接続しており、電極パッド４４ｂとは金属薄膜抵抗体４５ｂ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４６は中心点Ｃ上に重ねると共に、梁部４３の幅方向の中央にも重ねるようにして設けている。
金属薄膜抵抗体４５ａ，４５ｂは、梁部４３上から支持基板４１上の絶縁膜４２上に引き回されて、それぞれの一方端は薄膜熱感知体４６に接続し、他方端は電極パット４４ａと電極パッド４４ｂに接続している。
【００４８】
薄膜熱感知体４６の上部にはガス感知体４８を設け、薄膜熱感知体４６に電流を流すことによってガスの検知を行う。
具体的には、電極パッド４４ａと電極パッド４４ｂ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４６に通電しておく。その後、ガスが到来するとガス検知体４８がガスに反応して発熱し、薄膜熱感知体４６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、ガスの到来を検知するのである。
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４６の上部には、ガス検知体４８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。
【００４９】
ところで、ガスの到来により薄膜熱感知体４６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、各々の薄膜熱感知体にどのように電流を流し、その電流を計測するかは、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。
【００５０】
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。
【００５１】
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４６の上部にはガス感知体４８が設けてあり、このガス検知体４８は、触媒として機能するものであって、ガスが到来してガス感知体４８と接触したときに、接触したガスは燃焼して４００°Ｃを超える燃焼温度に達する。
このように、薄膜熱感知体４６や金属薄膜抵抗体４５ａ，４５ｂは高温に晒されるため、高融点貴金属を用いるのである。
【００５２】
薄膜熱感知体４６、金属薄膜抵抗体４５ａ，４５ｂ、電極パッド４４ａ，４４ｂは、保
持部材である絶縁膜４２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。
【００５３】
［焼結用ヒータ、接続抵抗体、ヒータ用電極パッドの説明：図１］
次に、焼結用ヒータ５６，６６、接続抵抗体５５ａ，５５ｂ，６５ａ，６５ｂ、ヒータ用電極パッド５４ａ，５４ｂ，６４ａ，６４ｂについて説明する。
図１において、梁部４３の中心領域に設けた薄膜熱感知体４６に平行して（平面視で挟むように）焼結用ヒータ５６，６６を設けている。この２つの焼結用ヒータ５６，６６は、薄膜熱感知体４６との間隔を同一にして、薄膜熱感知体４６と平行に配置している。
また、この２つの焼結用ヒータ５６，６６は、その中心が、横長の梁部４３に対して中心点Ｃを通る垂直の線上にくるように配置している。
【００５４】
焼結用ヒータ５６，６６は後述するガス感知体４８を焼結するために設けているものである。従って、図１（ａ）や図１（ｃ）に示すように、焼結用ヒータ５６，６６と薄膜熱感知体４６の上部に平面的に重なり合うようにガス感知体４８を設けている。
焼結用ヒータ５６，６６を６００〜７００°Ｃ位まで発熱させて、所定の時間焼成してガス感知体４８を焼結する。
【００５５】
焼結用ヒータ５６，６６は、ガス感知体４８を焼結するために設けているものであるから、一度焼結が完了するとその後は使用しない。焼結用ヒータ５６，６６を６００〜７００°Ｃ位まで発熱させるとその材料特性が変化して電気特性が劣化することが起きるが、焼結後は使用しないのでなんら支障はない。
【００５６】
焼結用ヒータ５６，６６に電流を供給するために、焼結用ヒータ５６は接続抵抗体５５ａ，５５ｂを介してヒータ用電極パッド５４ａ，５４ｂに接続している。また同様に、焼結用ヒータ６６は接続抵抗体６５ａ，６５ｂを介してヒータ用電極パッド６４ａ，６４ｂに接続している。
このヒータ用電極パッドに図示しない電源を接続して、焼結用ヒータ５６，６６に電流を流すのである。
【００５７】
図１に示す例では、ヒータ用電極パッド５４ａ，５４ｂを支持基板４１上の絶縁膜４２上に設け、梁部４３上に接続抵抗体５５ａ，５５ｂと焼結用ヒータ５６を設けて、これらを直線状に繋げている。また同様に、ヒータ用電極パッド６４ａ，６４ｂを支持基板４１上の絶縁膜４２上に設けて、梁部４３上に接続抵抗体６５ａ，６５ｂと焼結用ヒータ６６を設けてこれらを直線状に繋げている。
もちろん、ヒータ用電極パッド５４ａ，５４ｂ，６４ａ，６４ｂは、支持基板４１の上部のどこに設けてもかまわない。
【００５８】
焼結用ヒータ５６，６６、接続抵抗体５５ａ，５５ｂ，６５ａ，６５ｂ、ヒータ用電極パッド５４ａ，５４ｂ，６４ａ，６４ｂは同一の金属で構成することができる。これらは、高融点金属で耐熱性を有する材料が好適に利用できる。これらの材料として、例えば、白金であるが、それ以外に、タングステン、チタン、モリブデン、タンタル、多結晶シリコンなども好適な材料として挙げられる。
【００５９】
また、梁部４３なる絶縁膜４２と密着性をよくするために、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の下地層を設けても良い。
【００６０】
焼結用ヒータ５６，６６を設けてガス感知体４８を焼結することで、薄膜熱感知体４６はガスの検知用のみに使用することができる。ガス検知の燃焼温度は４００°Ｃ近くの温度であるので、薄膜熱感知体４６の電気特性の劣化は発生せず、寿命は長く延びる。また、同時に、ガス検知の感度特性や反応速度特性も向上し、その精度も高められる。
【００６１】
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。
【００６２】
さて、精度の高い良好な感度特性や反応速度特性を得るには、ガス感知体に焼結のムラがなく、均一な焼結が求められる。
そのために、本発明においては、図１に示すように、焼結用ヒータ５６，６６を薄膜熱感知体４６に近接して、両側に同じ距離をなして、平行に配置している。同一距離をなして近接して、平行に配置することで、薄膜熱感知体４６上のガス感知体４８が、両側から同一焼成条件の下で、ムラなく、均一に焼成できるからである。
もし、焼結用ヒータ５６、６６と薄膜熱感知体４６上のガス感知体４８との距離に遠近のバラツキがあると、近いところは十分に焼成されても、遠いところは焼成不十分と言う状態が生まれ、焼成のムラ、即ち、焼結ムラが発生するからである。
【００６３】
このように、焼結用ヒータ５６，６６を薄膜熱感知体４６に近接して、両側に同じ距離をなして、平行に配置することで、薄膜熱感知体４６上のガス感知体４８に焼結ムラをなくし、均一な焼結品質が得られるようにしている。
また、２つの焼結用ヒータ５６，６６は形状を同じくして、同じ熱容量になるように形成し、双方の発熱温度が同じになるようにしている。これによっても、焼結ムラの発生を防止している。
【００６４】
また、センサ領域Ｒの中心点Ｃを通る梁部４３の中心領域に薄膜熱感知体４６と、焼結用ヒータ５６，６６を配置する構造をとっている。これにより、均衡の取れた重量バランスが得られ、梁部４３に及ぼす負荷などの影響を最小限に抑制している。
なお、絶縁膜４２で構成する梁部４３は、薄膜熱感知体４６や焼結用ヒータ５６，６６、ガス感知体４８を搭載することから、それらの重量に耐え得る強度が必要とされる。梁部４３の厚みや幅は適宜に設計して最良の形状に設定するのが好ましい。また、絶縁膜４２を積層膜で構成して応力緩和を図るのも良い方法である。
【００６５】
［薄膜熱感知体、焼結用ヒータの形状：図１］
次に、薄膜熱感知体と焼結用ヒータの形状について説明する。
薄膜熱感知体４６と焼結用ヒータ５６，６６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、薄膜熱感知体、焼結用ヒータ５６，６６の折り返し部はそれぞれ８個設けている。
【００６６】
ところで、薄膜熱感知体４６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。
【００６７】
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。
【００６８】
このような事情から、薄膜熱感知体４６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４６の形状を決めるのであるが、一般に、薄膜熱感知体４６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。
【００６９】
薄膜熱感知体４６、焼結用ヒータ５６，６６の九十九折りパターン形状は、図１に示す例では、梁部４３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４６、焼結用ヒータ５６，６６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。
【００７０】
なお、薄膜熱感知体４６と焼結用ヒータ５６，６６の九十九折りのパターン形状は全く同じにする必要はない。２つの焼結用ヒータ５６，６６は同一熱容量にするために同一形状にする必要はあるが、ガス感知体４８と焼結用ヒータ５６，６６のパターン形状は異なっていても良いものである。
【００７１】
［ガス検知体の説明］
薄膜熱感知体４６の上面に設けるガス感知体４８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、２つの焼結用ヒータ５６，６６で６００〜７００℃の温度で焼結したものである。
【００７２】
燃焼触媒層の焼結方法は、次のようにして行うことができる。焼結用ヒータ５６，６６ヒータ用電極パッド５４ａ，５４ｂに電流を供給し、焼結用ヒータ５６，６６を発熱させる。最初は、５℃／毎分の間隔で１５０℃まで段階的に温度を高め、次に、１０℃／毎分の間隔で段階的に高めて、６００〜７００℃位まで加熱を施して焼成する。
なお、この方法は一例であって、これに限るものではない。ガス検知体４８を構成する材料などに応じて自由に変更することができる。
【００７３】
また、図１（ｂ）に示すように、ガス感知体４８は、薄膜熱感知体４６と焼結用ヒータ５６，６６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４２ｈ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４３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４８で梁部４３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。
【００７４】
［効果の説明］
以上の説明で明らかなように、薄膜熱感知体４６はガスの検知のみに使用するので、電気特性の劣化を防止することができる。そして、寿命の長いガスセンサを得ることができる。
また、２つの焼結用ヒータ５６，６６は、薄膜熱感知体４６と平行に並べてセンサ領域Ｒの中心領域に設けているので、荷重に偏重が無く、バランスも均衡がとれて安定する。
【００７５】
なお、図１に示す例では、保持部材４２を梁構造に形成したもので構成したが、特に梁構造に限るものではない。例えば、絶縁膜４２をセンサ領域Ｒを覆うように延長して設けるメンブレン構造としても良い。
また、焼結用ヒータは、薄膜熱感知体の両側に２つ設けたもので構成したが、特に２つに限るものではない。より多くの焼結用ヒータを用いれば、それだけ早く焼成ができる。もちろん、１つで構成することも可能である。
【００７６】
さらに、焼結用ヒータを複数設けるとき、それぞれの焼結用ヒータの抵抗値を変えてもよい。焼結用ヒータを配置する場所などにより、その抵抗値を変えることで、かえって均一に焼成ができる場合があるからである。
【実施例２】
【００７７】
［第２の実施形態の説明：図２、図３］
次に、第２の実施形態に係るガス検知素子について図２、図３を用いて説明する。図２は第２の実施形態に係るガス検知素子の構造を模式的に示した平面図である。また、図３は図２における薄膜熱感知体と焼結用ヒータとの形状を示す要部拡大平面図である。
なお、既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。
【００７８】
図２において、５０はガス検知素子である。第２の実施形態のガス検知素子５０は、保持部材である梁部４３上に、薄膜熱感知体４６の隣りに１つの焼結用ヒータ５６を設けている。また、この焼結用ヒータ５６の形状は、薄膜熱感知体４６の九十九折りのパターン形状に沿って、パターンに近接して、九十九折りの形状をなしている。
【００７９】
すでに説明した第１の実施形態のガス検知素子４０の構成と異なるところは、焼結用ヒータを１つで構成し、その九十九折りのパターン形状を薄膜熱感知体の九十九折りの形状に沿って設けたことである。
【００８０】
なお、薄膜熱感知体４６と焼結用ヒータ５６との九十九折りのパターン形状のそれぞれの中心は、概ねセンサ領域Ｒの中心点Ｃの位置にくるように配置するようにする。このようにすると、重量バランスの取れた配置になる。
【００８１】
焼結用ヒータ５６の九十九折りの形状を、上記のように薄膜熱感知体４６の九十九折りの形状に沿って形成することにより、１つの焼結用ヒータでガス感知体４８を十分焼結することができる。そして、焼結ムラのない均一に焼結された品質のガス感知体４８が得られる。
【００８２】
また、これに伴って、梁部４３の幅を小さく（細く）することもでき、ガス感知体４８の形成面積も小さくすることができる。また、薄膜型ガスセンサの小型化も可能になる。
これは、ガスとガス感知体４８との接触面積が減るものではあるが、梁部４３の幅が小さくなることで、到来したガスがガス感知体４８へ回り込みやすくなるから、燃焼効率も高められてガス検知の反応速度特性が向上するようにもなる。
また、ガス感知体４８の材料費の節約効果も得られて、便利である。
【００８３】
図２に示す例は、薄膜熱感知体４６及び焼結用ヒータ５６の九十九折りのパターンの折り返し部を梁部４３の幅方向に設けているものである。折り返し部を梁部４３の幅方向に設けると、所定の梁部４３の幅の中で数多くの折り返し部を形成することができ、結果として、抵抗長の全長を長くすることができる。
【実施例３】
【００８４】
［第３の実施形態の説明：図４、図５］
次に、第３の実施形態に係るガス検知素子について図４、図５を用いて説明する。図４は第３の実施形態に係るガス検知素子の構造を模式的に示した平面図である。また、図５は図４における薄膜熱感知体と焼結用ヒータの形状を示す要部拡大平面図である。
なお、既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。
【００８５】
図４において、６２は絶縁膜である。６２ａは絶縁膜６２で構成したメンブレン構造体、６２ｈは貫通孔を表している。６０はガス検知素子である。
【００８６】
第３の実施形態のガス検知素子６０は、絶縁膜６２からなるメンブレン構造体６２ａなる保持部材上に薄膜熱感知体４６と２つの焼結用ヒータ５６，６６を搭載した構成をなす。
すでに説明した第１の実施形態のガス検知素子４０は、梁部なる保持部材上に薄膜熱感知体４６と２つの焼結用ヒータ５６，６６を設けた構成であったが、図４に示す第３の実施形態のガス検知素子６０は、梁部に代えてメンブレン構造体６２ａ上に薄膜熱感知体と２つの焼結用ヒータを設けたものである。
そして、２つの焼結用ヒータの形状は、薄膜熱感知体４６の九十九折りのパターン形状に沿って九十九折りの形状に形成したものである。
【００８７】
まず、保持部材であるメンブレン構造体６２ａについて説明する。絶縁膜６２は、図４に示すように、支持基板４１の枠形状の上部に設けており、支持基板４１からセンサ領域Ｒに薄膜を延設するようにして設け、メンブレン構造体６２ａを構成する。メンブレン構造体６２ａは薄膜熱感知体４６や焼結用ヒータ５６、６６、ガス感知体４８を搭載する保持部材をなす。
【００８８】
メンブレン構造体６２ａには、中心点Ｃのある中心領域に薄膜熱感知体４６と、その薄膜熱感知体４６に接続する金属薄膜抵抗体４５ａ，４５ｂとを設けている。
また、薄膜熱感知体４６の両隣り（図４および図５においては、上下）に２つの焼結用ヒータ５６，６６を薄膜熱感知体４６に近接して薄膜熱感知体４６の形状に沿って設けている。
また、焼結用ヒータ５６は、接続抵抗体５５ａ，５５ｂを介して一対のヒータ用電極パッド５４ａ，５４ｂに接続し、同様に、焼結用ヒータ６６も接続抵抗体６５ａ，６５ｂを介して一対のヒータ用電極パッド６４ａ，６４ｂに接続している。
【００８９】
そして、薄膜熱感知体４６と２つの焼結用ヒータ５６，６６の上部にはガス感知体４８を設けている。
【００９０】
メンブレン構造体６２ａには、薄膜熱感知体４６、２つの焼結用ヒータ５６，６６など
を避けた位置に、複数の貫通孔６２ｈを所定の間隔をあけて分散して設けている。
この貫通孔６２ｈはガスが流通する孔で、この貫通孔６２ｈを通ってガスがメンブレン構造体６２ａの上面側と下面側に回り込む。
【００９１】
焼結用ヒータ５６，６６の九十九折りの形状を、図４および図５に示すような形状にすることにより、焼結用ヒータ５６，６６のパターン形状を、薄膜熱感知体４６のパターン形状に沿って、僅かの隙間をもたせて挟み込むように平行に形成することができる。
【００９２】
２つの焼結用ヒータ５６，６６のパターン形状を上記の構造にすることにより、ガス感知体４８を２つの焼結用ヒータ５６，６６で両側から焼成するので、焼成効率が高められて、焼結ムラのないガス感知体４８を得ることができる。
なお、２つの焼結用ヒータ５６，６６で６００〜７００°Ｃの高温で焼成するので、薄膜熱感知体４６との間の隙間が余り小さいと薄膜熱感知体４６の電気特性に影響を及ぼすことがある。したがって、薄膜熱感知体４６の電気特性に影響を及ぼさない範囲内で適宜な隙間を確保するのが好ましい。
【００９３】
保持部材をメンブレン構造体６２ａにすることにより、保持部材の強度は一段と強くなる。更に、２つの焼結用ヒータ５６，６６で高温発熱をさせるのでメンブレン構造体６２ａにも熱が伝わり、メンブレン構造体６２ａにも熱応力を発生する。しかしながら、メンブレン（膜）をなすために応力は四方に分散し、発生する応力の歪みは小さく抑制することができる。つまり、メンブレン構造体６２ａにすることで、焼結用ヒータ５６，６６から影響をうける熱応力の歪みを小さく抑制することができる。そして、クラックなどの損壊の発生を防止することができる。
もちろん、薄膜熱感知体４６の電気特性の劣化は起きず、寿命の長い薄膜型ガスセンサが得られる。
【実施例４】
【００９４】
［第４の実施形態の説明：図６］
次に、第４の実施形態に係るガス検知素子について図６を用いて説明する。図６は第４の実施形態に係るガス検知素子の構造を模式的に示した図で、図６（ａ）はその平面図、図６（ｂ）は図６（ａ）における切断線Ｆ−Ｆ′の端面を模式的に示した端面図である。
なお、既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。
【００９５】
図６において、４２ｂは絶縁膜４２に設けた凹溝である。また、７０はガス検知素子である。
【００９６】
第４の実施形態のガス検知素子７０の構成で、第１の実施形態のガス検知素子４０の構成と違うところは、薄膜熱感知体４６と、それに接続される金属薄膜抵抗体４５ａ，４５ｂと、一対の電極パッド４４ａ，４４ｂとを、絶縁膜４２に設けた凹溝４２ｂの中に設けた構成にしたことと、薄膜熱感知体４６を白金で構成し、２つの焼結用ヒータ５６，６６をチタンで構成したことである。
つまり、薄膜熱感知体４６と焼結用ヒータ５６，６６とを立体的に配置して構成したことである。
【００９７】
チタンは熱伝導率が低いため、発熱した熱は逃げにくい。焼結用ヒータ５６，６６はガス感知体４８を焼結するために６００〜７００°Ｃ近くの高温発熱が要求されるので、熱が逃げにくいチタンの材料は好適である。
【００９８】
図６に示すように、薄膜熱感知体４６と焼結用ヒータ５６，６６とを立体的に配置する
ことで、次に示す３つの効果が得られる。
第１の効果は、薄膜熱感知体４６を搭載した部分の絶縁膜４２の熱容量を小さくできるというものである。
搭載部分の絶縁膜４２の膜厚を薄く（小さく）すると、その部分の熱容量が小さくなるため、ガスの到来により生じた熱が梁部４３に逃げにくくなり、薄膜熱感知体４６の温度上昇が素早くなる。これによって、ガス検知の感度特性や反応速度特性が向上するのである。
【００９９】
第２の効果は、薄膜熱感知体４６が劣化しにくくなるというものである。
すでに説明したように、ガス検知体４８を焼結用ヒータ５６，６６で６００〜７００°Ｃの高温で焼成するので、薄膜熱感知体４６との間の隙間が余り小さいと薄膜熱感知体４６の電気特性に影響を及ぼすことがある。しかしながら、図６に示すように、薄膜熱感知体４６は凹溝４２ｂの中に設けているので、焼結用ヒータ５６，６６との距離をとることができる。もちろん、このような構成にしても、焼結用ヒータ５６，６６はガス検知体４８と近いため、焼成にはなんら影響はないのである。
【０１００】
第２の効果は、梁部４３の強度を向上させることができるというものである。
梁部４３は、凹溝４２ｂを設ける構造であるから、その断面は凹形状となる。このため、凹溝４２ｂの底部の膜厚さえ所定の膜厚を得ていれば、梁部４３はねじれ方向の強度を増すことができるのである。
【０１０１】
なお、図６に示す構成は、これに限定するものではなく、すでに説明した実施形態と組み合わせることもできる。例えば、図４に示す第３の実施形態のメンブレン構造を図６に示す梁部４３と組み合わせてもよいのである。
【産業上の利用可能性】
【０１０２】
本発明の薄膜型ガスセンサで焼結用ヒータを用いる構成は、焼結部材を設けるセンサなどに広く利用できる。ガスセンサに限らず、その他の検器や装置などにおいて、ＭＥＭＳ技術を用いて焼結部材を設ける構成には広く利用できるものである。
【符号の説明】
【０１０３】
４０、５０、６０  ガス検知素子
４１  支持基板
４１ｃ  内壁
４２、６２  絶縁膜
４２ｂ  凹溝
４２ｈ、６２ｈ  貫通孔
４３  梁部
４４ａ、４４ｂ  電極パッド
４５  金属薄膜抵抗体
４６  薄膜熱感知体
４８  ガス感知体
５４ａ、５４ｂ、６４ａ、６４ｂ  ヒータ用電極パッド
５５ａ、５５ｂ、６５ａ、６５ｂ  接続抵抗体
５６、６６  焼結用ヒータ
【図１】
2010230507.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
2010230507.tif 000008
【図７】
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