(57)【要約】【課題】感度の低下を抑制することができる熱伝導式ガスセンサを提供する。【解決手段】ガスセンサ１０は、メンブレン２８の上方に設けられ、基板１１に対して断熱されたヒータ１５と、ヒータ１５の近傍に配されたサーモパイル１３と、基板１１から延びるように形成されてヒータ１５と熱的に接続された放熱体１８と、基板１１から延びるように形成された基板１１と熱的に接続された吸熱体１９と、を備え、放熱体１８と吸熱体１９との間隔が、被検出ガスの平均自由行程よりも狭く、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程よりも広い。【選択図】図４
2018119846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ヒートシンクと、
前記ヒートシンクに設けられた断熱部と、
前記断熱部に設けられ、前記ヒートシンクと断熱されたヒータと、
前記断熱部において前記ヒータの近傍に配された測温部と、
前記断熱部から延びるように形成されて前記ヒータと熱的に接続された放熱体と、
前記ヒートシンクから延びるように形成されて前記ヒートシンクと熱的に接続された吸熱体と、を備え、
前記放熱体と前記吸熱体との間隔が、被検出ガスの平均自由行程よりも狭く、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程よりも広いことを特徴とする熱伝導式ガスセンサ。
【請求項２】
前記放熱体及び前記吸熱体にそれぞれ凹凸部が形成されており、
前記放熱体及び前記吸熱体における前記凹凸部の凸部が、前記吸熱体及び前記放熱体における前記凹凸部の凹部に挿入されている請求項１に記載の熱伝導式ガスセンサ。
【請求項３】
前記放熱体及び前記吸熱体の少なくとも一方が、互いに間隔をあけて配された複数の柱状体を備える請求項１または２に記載の熱伝導式ガスセンサ。
【請求項４】
前記断熱部から延びるように形成されて前記ヒータと熱的に接続された参照用放熱体と、
前記ヒートシンクから延びるように形成されて前記ヒートシンクと熱的に接続された参照用吸熱体と、を備え、
前記参照用放熱体と前記参照用吸熱体との間隔が、被検出ガスの平均自由行程よりも広い請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の熱伝導式ガスセンサ。
【請求項５】
前記断熱部が設けられた基板を有し、
前記断熱部は、前記基板に形成された空洞部を含み、
前記放熱体が前記空洞部に位置している請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の熱伝導式ガスセンサ。
【請求項６】
前記放熱体が、前記ヒータと前記吸熱体に挟み込まれる位置に配置されている請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の熱伝導式ガスセンサ。
【請求項７】
前記放熱体と前記吸熱体との間隔が、９μｍ以下である請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の熱伝導式ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱伝導式ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
水素やヘリウムなどのガス（被検出ガス）を検出するガスセンサとして、自身の温度変化（発熱）により抵抗値が変化し、放熱体が熱的に接続されたヒータを備えた熱伝導式ガスセンサがある。また、特許文献１には、測定ガス中の成分を分析するために、測定ガスの熱伝導度を検出する熱伝導度検出器が開示されている。この熱伝導度検出器では、抵抗器を発熱させ、抵抗器から測定ガスへの熱放散の度合いを計測することで、測定ガスの熱伝導度を測定する。また、特許文献２，３には、気体雰囲気の真空度を計測する真空度計測装置が開示されている。これらの真空度計測装置では、真空度に左右される気体の熱伝導度を計測（ヒータから気体への熱放散の度合いを計測）することで、気体の真空度を計測する。
【０００３】
特許文献１〜３に開示された技術では、いずれもヒータ（抵抗器）を含むシリコン基板（ＳＯＩ基板）と、ヒートシンクとして機能するシリコン基板（ＳＯＩ基板）と、を別個に形成したうえで、ヒータとヒートシンクとが狭い間隔で対向するように、２つのシリコン基板（ＳＯＩ基板）を接合している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１１８７４９号公報
【特許文献２】特開平７−３２５００２号公報
【特許文献３】特開２００７−１４７３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来のセンサでは、２つのシリコン基板（ＳＯＩ基板）を接合する構成であることから、ヒータとヒートシンクとの間を高い精度設定することが難しい一方で、ヒータとヒートシンクとの接触を避ける必要がある。このため、ヒータとヒートシンクとの間には、ある程度の間隔を設定することが必要となり、結果として、感度が低いという問題がある。
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、感度の低下を抑制することができる熱伝導式ガスセンサを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記問題を解決するために、本発明の一態様は、ヒートシンクと、前記ヒートシンクに設けられた断熱部と、前記断熱部に設けられ、前記ヒートシンクと断熱されたヒータと、前記断熱部において前記ヒータの近傍に配された測温部と、前記断熱部から延びるように形成されて前記ヒータと熱的に接続された放熱体と、前記ヒートシンクから延びるように形成されて前記ヒートシンクと熱的に接続された吸熱体と、を備え、前記放熱体と前記吸熱体との間隔が、被検出ガスの平均自由行程よりも狭く、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程よりも広いことを特徴とする熱伝導式ガスセンサである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る熱伝導式ガスセンサによれば、感度の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係るガスセンサモジュールの断面図である。
【図２】第１実施形態に係るガスセンサモジュールの平面図である。
【図３】（ａ）は、第１実施形態に係るガスセンサの平面図、（ｂ）は、その一部拡大図である。
【図４】（ａ）は、Ａ１−Ａ１線断面図及びその一部拡大図、（ｂ）は、図３（ａ）のＢ１−Ｂ１線断面図である。
【図５】第１実施形態に係るガスセンサの製造過程の一工程を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ１−Ｃ１線断面図、（ｃ）は（ａ）のＤ１−Ｄ１線断面図である。
【図６】図５に続く製造過程の一工程を示す図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＥ１−Ｅ１線断面図、（ｃ）は（ａ）のＦ１−Ｆ１線断面図である。
【図７】図６に続く製造過程の一工程を示す図であり、（ａ）はＥ１−Ｅ１線断面相当の図、（ｂ）はＦ１−Ｆ１線断面相当の図である。
【図８】図７に続く製造過程の一工程を示す図であり、（ａ）はＥ１−Ｅ１線断面相当の図、（ｂ）はＦ１−Ｆ１線断面相当の図である。
【図９】第２実施形態に係るガスセンサモジュールの断面図である。
【図１０】第２実施形態に係るガスセンサモジュールの平面図である。
【図１１】第２実施形態に係るガスセンサの平面図である。
【図１２】（ａ）は、図１１のＡ２−Ａ２線断面図、（ｂ）は、図１１のＢ２−Ｂ２線断面図、（ｃ）は、図１１のＣ２−Ｃ２線断面図である。
【図１３】第２実施形態に係るガスセンサの製造過程の一工程を示す図であり、（ａ）は、Ａ２−Ａ２線断面相当の図、（ｂ）は、Ｂ２−Ｂ２線断面相当の図、（ｃ）は、Ｃ２−Ｃ２線断面相当の図である。
【図１４】図１３に続く製造過程の一工程を示す図であり、（ａ）は、Ａ２−Ａ２線断面相当の図、（ｂ）は、Ｂ２−Ｂ２線断面相当の図、（ｃ）は、Ｃ２−Ｃ２線断面相当の図である。
【図１５】図１４に続く製造過程の一工程を示す図であり、（ａ）は、Ａ２−Ａ２線断面相当の図、（ｂ）は、Ｂ２−Ｂ２線断面相当の図、（ｃ）は、Ｃ２−Ｃ２線断面相当の図である。
【図１６】図１５に続く製造過程の一工程を示す図であり、（ａ）は、Ａ２−Ａ２線断面相当の図、（ｂ）は、Ｂ２−Ｂ２線断面相当の図、（ｃ）は、Ｃ２−Ｃ２線断面相当の図である。
【図１７】（ａ）は、第３実施形態に係るガスセンサモジュールの断面図、（ｂ）は、（ａ）のＸ３部分の拡大図、（ｃ）は、（ａ）のＹ３部分の拡大図である。
【図１８】第３実施形態に係るガスセンサの平面図である。
【図１９】（ａ）は、第３実施形態に係るガスセンサの製造過程の一工程を示す図１８（ａ）のＡ３−Ａ３線断面相当の図、（ｂ）は、（ａ）に続く製造過程の一工程を示す図１８（ａ）のＡ３−Ａ３線断面相当の図、（ｃ）は、（ｂ）に続く製造過程の一工程を示す図１８（ａ）のＡ３−Ａ３線断面相当の図である。
【図２０】（ａ）は、図１９（ｃ）に続く製造過程の一工程を示すＡ３−Ａ３線断面相当の図、（ｂ）は、（ａ）のｘ４部分の拡大図である。
【図２１】図２０に続く製造過程の一工程を示すＡ３−Ａ３線断面相当の図である。
【図２２】図２１に続く製造過程の一工程を示すＡ３−Ａ３線断面相当の図である。
【図２３】図２２に続く製造過程の一工程を示すＡ３−Ａ３線断面相当の図である。
【図２４】図２３に続く製造過程の一工程を示すＡ３−Ａ３線断面相当の図である。
【図２５】図２４に続く製造過程の一工程を示すＡ３−Ａ３線断面相当の図である。
【図２６】（ａ）は、微細凹部絶縁膜エッチング前の図２５のＺ３部分の拡大図、（ｂ）は、微細凹部絶縁膜エッチング後の図２５のＺ３部分の拡大図である。
【図２７】第４実施形態に係るガスセンサモジュールの断面図である。
【図２８】第４実施形態に係るガスセンサの平面図である。
【図２９】（ａ）は、図２８のＡ４−Ａ４線断面図、（ｂ）は、図２８のＢ４−Ｂ４線断面図である。
【図３０】第４実施形態に係るガスセンサの製造過程の一工程を示すＡ４−Ａ４線断面相当の図である。
【図３１】図３０に続く製造過程の一工程を示すＡ４−Ａ４線断面相当の図である。
【図３２】図３１に続く製造過程の一工程を示すＡ４−Ａ４線断面相当の図である。
【図３３】図３１に続く製造過程の一工程を示すＢ４−Ｂ４線断面相当の図である。
【図３４】（ａ）は、変形例に係るガスセンサの正断面図、（ｂ）は、その側断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を適用したガスセンサの実施形態について説明する。以下の各実施形態において、共通する要素、部材等について、同一の符号を付し、その説明を省略または簡略化することがある。なお、ガスセンサの検出対象となる被検出ガスは、特に限定されず、例えば、水素などの可燃性ガスであってもよいし、ヘリウムなどの不活性ガスであってもよい。
【００１１】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態について説明する。図１及び図２に示すように、第１実施形態に係るガスセンサ１０は、ガスセンサモジュール１の一部として設けられている。ガスセンサモジュール１は、ガスセンサ１０及びパッケージ３０を備えている。パッケージ３０は、板状のパッケージ本体３１と、パッケージ本体３１に取り付けられるパッケージ蓋３２とを備えており、パッケージ蓋３２によってパッケージ本体３１の上方を閉塞する箱型を成している。パッケージ蓋３２は、通気性を有しており、例えば、ステンレスや真鍮からなる焼結金属、ステンレス金網、あるいは多孔質セラミックからなる。パッケージ蓋３２は、フィルタとして機能し、水素などの被検出ガスを含むエアを通過する一方で埃や塵など異物を捕捉して除去する。
【００１２】
パッケージ３０には、ガスセンサ１０が収容されている。ガスセンサ１０は、ダイボンド材３６によってパッケージ本体３１の上面に固定されている。パッケージ本体３１には、貫通孔３１Ａが形成されており、電極３３（グランド端子３３Ａ、電圧印加端子３３Ｂ、及び出力端子３３Ｃ）が貫通している。貫通孔３１Ａと電極３３との間の空間は封止材３４で封止されている。パッケージ本体３１上には、図示しない配線が設けられており、この配線とガスセンサ１０とは、電極３３を介してワイヤ３５によって接続されている。
【００１３】
本実施形態に係るガスセンサ１０は、ガスの熱伝導度の差による発熱体の温度変化を測定することによってガスを検知する、いわゆる熱伝導式ガスセンサである。図１及び図４に示すように、ガスセンサ１０は、基板１１を備えている。基板１１は、例えばＳｉによって構成されている。図４（ａ），（ｂ）に示すように、基板１１の上層には、下層絶縁膜１２が設けられている。下層絶縁膜１２は、第１下層絶縁膜１２Ａ、第２下層絶縁膜１２Ｂ、及び第３下層絶縁膜１２Ｃを備えている。第１下層絶縁膜１２Ａは、例えばＳｉＯ２によって構成されている。第２下層絶縁膜１２Ｂは、例えばＳｉ３Ｎ４によって構成されている。第３下層絶縁膜１２Ｃは、例えばＳｉＯ２によって構成されている。
【００１４】
下層絶縁膜１２の上部には、サーモパイル１３、均熱部１４、及びヒータ１５が設けられている。サーモパイル１３は、第１熱電素子１３Ａと第２熱電素子１３Ｂとを備えて構成された測温部である。第１熱電素子１３Ａと均熱部１４は、いずれも例えば多結晶シリコンで構成されており、下層絶縁膜１２の表面に取り付けられている。第１熱電素子１３Ａは、均熱部１４の周囲に配置されている。
【００１５】
下層絶縁膜１２の上層には、上層絶縁膜１６が形成されている。上層絶縁膜１６は、第１上層絶縁膜１６Ａ、第２上層絶縁膜１６Ｂ、及び第３上層絶縁膜１６Ｃを備えている。第１上層絶縁膜１６Ａ、第２上層絶縁膜１６Ｂ、及び第３上層絶縁膜１６Ｃは、いずれも例えばＳｉＯ２によって構成されている。上層絶縁膜１６の内側には、導電膜１７が設けられている。導電膜１７は、サーモパイル１３やヒータ１５をパッケージ３０の電極に接続するための配線、サーモパイル１３における第１熱電素子１３Ａと第２熱電素子１３Ｂとを接続する配線などを構成している。導電膜１７は、例えば白金によって構成されている。また、上層絶縁膜１６には、複数の露出孔が形成されている。導電膜１７の一部は、露出孔を介して露出している。
【００１６】
下層絶縁膜１２及び下層絶縁膜１２の表面に取り付けられた第１熱電素子１３Ａと均熱部１４は、上層絶縁膜１６によって覆われている。上層絶縁膜１６の上部には、第２熱電素子１３Ｂとヒータ１５とが設けられている。第２熱電素子１３Ｂとヒータ１５は、第１上層絶縁膜１６Ａの表面に取り付けられており、いずれも例えば多結晶シリコンで構成されている。ヒータ１５は、均熱部１４の直上位置に配置されている。第２熱電素子１３Ｂは、ヒータ１５の周囲であって、第１熱電素子１３Ａの直上位置に配置されている。サーモパイル１３における第１熱電素子１３Ａと第２熱電素子１３Ｂとは、図４（ａ）に示すように直列に接続されている。ヒータ１５は、基板１１に対して断熱されている。サーモパイル１３の温接点は、ヒータ１５の近傍に配されている。
【００１７】
第１上層絶縁膜１６Ａ及び第１上層絶縁膜１６Ａの表面に取り付けられたヒータ１５と第２熱電素子１３Ｂとは、第２上層絶縁膜１６Ｂで覆われている。また、ヒータ１５の上方には、放熱体１８及び吸熱体１９が形成されている。放熱体１８は、板状や柱状を成しており、ヒータ１５から延びるように形成されヒータ１５と熱的に接続されている。吸熱体１９は、基板１１から延びるように形成され基板１１と熱的に接続されている。基板１１は、ヒートシンクとして機能し、吸熱体１９からの放熱を促進する。
【００１８】
図３（ａ）（ｂ）に示すように、放熱体１８は、左放熱体２１、中放熱体２２、及び右放熱体２３を備えている。また、吸熱体１９は、左吸熱体２４及び右吸熱体２５を備えている。左放熱体２１、左吸熱体２４、中放熱体２２、右吸熱体２５、及び右放熱体２３は、板状や柱状をなしており、この順で互いに略平行に配置されている。したがって、左吸熱体２４は、左放熱体２１と中放熱体２２の間に配置され、右吸熱体２５は中放熱体２２と右放熱体２３の間に配置されている。なお、感度を向上させるために放熱体１８、吸熱体１９の数を増やしてもよく、小型化や低コスト化するために放熱体１８、吸熱体１９の数を減らしてもよい。
【００１９】
図４（ａ）に示すように、放熱体１８は、第１放熱体である下段放熱体１８Ａと第２放熱体である上段放熱体１８Ｂを備えている。下段放熱体１８Ａは、ヒータ１５上に立設されており、上段放熱体１８Ｂは、下段放熱体１８Ａ上に立設されている。放熱体１８は、下段放熱体１８Ａにおいてヒータ１５と接触している。下段放熱体１８Ａと上段放熱体１８Ｂとの平面視した形状はそれぞれ略同一であり、図３（ａ）（ｂ）に示すように、ガスセンサ１０を上方から見た場合に、下段放熱体１８Ａは、上段放熱体１８Ｂに隠されて視認できないようになっている。また、上段放熱体１８Ｂは、下段放熱体１８Ａとは異なる材料からなる。
【００２０】
吸熱体１９は、第１吸熱体である下段吸熱体１９Ａ及び第２吸熱体である上段吸熱体１９Ｂを備えている。図４（ｂ）に示すように、下段吸熱体１９Ａは、下層絶縁膜１２に形成された剥取り部１２Ｄを介して基板１１に接続されている。下段吸熱体１９Ａは、ヒータ１５を挟んで形成された一対の剥取り部１２Ｄにそれぞれ設けられ、ヒータ１５を跨いで設けられている。このため、吸熱体１９は、ヒータ１５から離間してヒータ１５とは非接触とされている。上段吸熱体１９Ｂは、下段吸熱体１９Ａ上に設けられている。下段吸熱体１９Ａと上段吸熱体１９Ｂとの平面視した形状はそれぞれ略同一であり、図３（ａ）（ｂ）に示すようにガスセンサ１０を上方から見た場合に、図４に示す下段吸熱体１９Ａは、上段吸熱体１９Ｂに隠されて視認できないようになっている。また、上段吸熱体１９Ｂは、下段吸熱体１９Ａとは異なる材料からなる。
【００２１】
図４（ａ）に示すように、放熱体１８における左放熱体２１は、左下段放熱体２１Ａ及び左上段放熱体２１Ｂを備えている。同様に、中放熱体２２は、中下段放熱体２２Ａ及び中上段放熱体２２Ｂを備えており、右放熱体２３は、右下段放熱体２３Ａ及び右上段放熱体２３Ｂを備えている、また、吸熱体１９における左吸熱体２４は、左下段吸熱体２４Ａ及び左上段吸熱体２４Ｂを備えており、右吸熱体２５は、右下段吸熱体２５Ａ及び右上段吸熱体２５Ｂを備えている。
【００２２】
図３（ｂ）に示すように、左放熱体２１の右側辺（内側辺）２１Ｒ及び右放熱体２３の左側辺（内側辺）２３Ｌには、それぞれ凹凸部が形成されている。また、左吸熱体２４の左側辺２４Ｌ及び右側辺２４Ｒには凹凸部が形成されており、中放熱体２２の左側辺２２Ｌ及び右側辺２２Ｒ、右吸熱体２５の左側辺２５Ｌ及び右側辺２５Ｒにもそれぞれ凹凸部が形成されている。
【００２３】
左放熱体２１の右側辺２１Ｒに形成された凹凸部における凸部は、左吸熱体２４の左側に形成された凹凸部における凹部に挿入されるように配置されている。また、左放熱体２１の右側辺２１Ｒに形成された凹凸部における凹部には、左吸熱体２４の左側に形成された凹凸部における凸部に挿入されるように配置されている。こうして、左放熱体２１と左吸熱体２４とは、一定の間隔をあけて離間して配置されている。放熱体１８及び吸熱体１９における凹凸部の凸部が、吸熱体１９及び放熱体１８における凹凸部の凹部に挿入されている。
【００２４】
同様にして、隣り合う放熱体と吸熱体、具体的には、左吸熱体２４と中放熱体２２、中放熱体２２と右吸熱体２５、及び右吸熱体２５と右放熱体２３とは、一定の間隔をあけて離間して配置されている。隣り合う放熱体と吸熱体との間隔ｈ１１は、被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程より長い（広い）距離とされている。測定環境には、例えば温度、気圧などが含まれる。この実施形態では、被検出ガスを水素（Ｈ２）としている。水素の平均自由行程は、３００Ｋ、１気圧の下で０．１２２μｍである。このため、隣り合う放熱体と吸熱体との間隔ｈ１１は、０．１μｍとされている。
【００２５】
平均自由行程は、被検出ガスごとに求められ、温度、気圧に応じて変動する。以下に、３００Ｋ、４００Ｋ、及び７００Ｋの温度下におけるヘリウム（Ｈｅ）、水素（Ｈ２）、空気（Ａｉｒ）、窒素（Ｎ２）、酸素（Ｏ２）、二酸化炭素（ＣＯ２）、及び水（Ｈ２Ｏ）の各平均自由行程について、１気圧、０．５気圧０．１気圧、０．０１気圧の条件ごとに示す。これらの平均自由行程を参照することによって、放熱体と吸熱体との間隔ｈ１１が定められる。
【００２６】
【表１】
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【００２７】
例えば、大気圧（１０１３２５Ｐａ）の二酸化炭素（ＣＯ２）雰囲気下で被検出ガスをヘリウム（Ｈｅ）とし、ワーク（被検査物）内に充填して漏れ検出を行うことを想定したガスセンサでは、放熱体１８と吸熱体１９との間隔ｈ１１をヘリウム（Ｈｅ）の平均自由工程０．１９８μｍより短く（狭く）、二酸化炭素（ＣＯ２）の平均自由工程０．０４４７μｍより長い（広い）、例えば０．１μｍとすればよい。なお、コストを下げるために、測定雰囲気ガスとして二酸化炭素（ＣＯ２）雰囲気下で漏れ検出を行う代わりに、例えば、空気（Ａｉｒ）雰囲気下で漏れ検出を行ってもよい。また、０．０１気圧（１０１３Ｐａ）の窒素（Ｎ２）雰囲気下で被検出ガスを水素（Ｈ２）とし、ワーク（被検査物）に充填して漏れ検出を行うことを想定したガスセンサでは、放熱体１８と吸熱体１９との間隔ｈ１１を水素（Ｈ２）の平均自由工程１２．２μｍより短く（狭く）、窒素（Ｎ２）の平均自由工程６．５３μｍより長い（広い）、例えば９μｍとすればよい。なお、安全性を高めるために、水素（Ｈ２）単一ガスの代わりに、例えば、非可燃性である水素（Ｈ２）５％、窒素（Ｎ２）９５％の混合ガスをワーク（被検査物）に充填してもよい。その他、被検出ガスの測定環境に応じて、放熱体１８と吸熱体１９との間隔ｈ１１を０．１μｍ、１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ等、適宜の長さに設計してもよい。
【００２８】
図３及び図４に示すように、基板１１における下側には、断面略台形の空洞部１１Ａが設けられている。ヒータ１５、放熱体１８、及び吸熱体１９は、空洞部１１Ａの上側に位置している。空洞部１１Ａは、基板１１上の熱を断熱している。基板１１における下面側では、空洞部１１Ａを除いた位置にマスク層２６が形成されている。マスク層２６は、第１マスク膜２６Ａ及び第２マスク膜２６Ｂを備えている。第１マスク膜２６Ａは、例えばＳｉＯ２によって構成されている。第２マスク膜２６Ｂは、例えばＳｉ３Ｎ４によって構成されている。空洞部１１Ａからは、下層絶縁膜１２の一部（メンブレン２８）が露出している。上層絶縁膜１６、メンブレン２８、及び基板１１の空洞部１１Ａによって断熱部が構成されている。これらの上層絶縁膜１６、メンブレン２８、及び基板１１の空洞部１１Ａは、いずれも基板１１に設けられている。また、ヒータ１５は、断熱部に設けられている。
【００２９】
次に、第１実施形態に係るガスセンサ１０の製造手順について説明する。第１実施形態に係るガスセンサ１０は、基板１１上で成膜とエッチングとを繰り返すＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスを実行することによって各種素子を形成して製造される。ガスセンサ１０を製造する際には、はじめに、図５（ｂ），（ｃ）に示すように、基板１１の上面に下層絶縁膜１２を形成し、下面にマスク層２６を形成する。下層絶縁膜１２及びマスク層２６を形成する際には、まず、例えば、基板１１を１１００℃の温度の酸素雰囲気中に曝して酸化することにより、ＳｉＯ２を例えば厚さ０．２μｍに形成し、第１下層絶縁膜１２Ａ及び第１マスク膜２６Ａを形成する。ＳｉＯ２（厚さ０．２μｍ）からなる第１下層絶縁膜１２Ａ及び第１マスク膜２６Ａは、例えば基板１１表面上にプラズマＣＶＤ法にて成膜することにより基板１１の両面に形成してもよい。
【００３０】
次に、第１下層絶縁膜１２Ａの上面及び第１マスク膜２６Ａの下面に、例えば厚さ０．３μｍのＳｉ３Ｎ４をＬＰ−ＣＶＤによって形成して第２下層絶縁膜１２Ｂ及び第２マスク膜２６Ｂを形成する。続いて、第２下層絶縁膜１２Ｂの上面に第３下層絶縁膜１２Ｃとして、例えば厚さ０．２μｍのＳｉＯ２をプラズマＣＶＤで形成する。下層絶縁膜１２に代えて、例えばＳｉＯＮからなる１層の下層絶縁膜を設けてもよい。
【００３１】
次に、第３下層絶縁膜１２Ｃの上面及び第２マスク膜２６Ｂの下面に第１半導体膜２９Ａを形成する。第１半導体膜２９Ａは、例えばＳｉＨ４ガスとＮ２ガスを用いて、６５０℃の条件下において多結晶シリコンを減圧ＣＶＤ法によって０．４μｍの膜厚で形成し、リン等の不純物をイオン注入法等によって多結晶シリコン膜に導入し、所定の抵抗値を得られるように調整する。例えば、１ｃｍ当り１×１０２０個のイオンを注入する。
【００３２】
イオン注入を行った後、１０００℃のランプアニールを行ってイオンを活性化させる。こうして第１半導体膜２９Ａを形成する。なお、イオン注入に代わりに拡散炉においてリン等の不純物を熱拡散してもよい。また、イオン注入や拡散炉における不純物の熱拡散を行う代わりに、ＳｉＨ４及びＰＨ３ガスを用いてＣＶＤを行うことにより、リンドープされた多結晶シリコンを成膜してもよい。第１半導体膜２９Ａは、多結晶シリコンの代わりに、鉄シリサイド、ＳｉＧｅ、ビスマスアンチモン等をスパッタ法等によって成膜してもよい。
【００３３】
第３下層絶縁膜１２Ｃの上面及び第２マスク膜２６Ｂの下面に第１半導体膜２９Ａを形成したら、フォトリソグラフィ技術を用いたパターニングを行い、第１半導体膜２９Ａの上面に形成した第１半導体膜２９Ａを所望の形状に加工することにより、第１熱電素子１３Ａと均熱部１４を形成する。パターニングでは、例えば、第３下層絶縁膜１２Ｃの上面フォトレジストを１μｍの厚さでスピンコートにより塗布した後、プリベークする。次に、所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いて、アライナー、ステッパー等の露光装置で露光した後、現像及びポストベークを行い、所望のパターン形状のフォトレジストを第１半導体膜２９Ａ上に形成する。そのフォトレジストをマスクにして、第１半導体膜２９Ａをエッチングする。第１半導体膜２９Ａのエッチングは、例えば、ＣＦ４ガスを用いたプラズマエッチングにて行う。エッチング後、フォトレジストパターンは、酸素プラズマを用いてアッシャーで除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、硫酸、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。
【００３４】
第１半導体膜２９Ａのエッチングを行い、第１熱電素子１３Ａと均熱部１４を形成したら、第１熱電素子１３Ａ、均熱部１４、及び第３下層絶縁膜１２Ｃの上に、第１上層絶縁膜１６Ａを形成する。第１上層絶縁膜１６Ａとしては、例えばプラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ２を例えば０．３μｍの厚さで成膜する。
【００３５】
次に、第１上層絶縁膜１６Ａの上面に第２半導体膜２９Ｂを形成する。第２半導体膜２９Ｂは、例えばＳｉＨ４ガスとＮ２ガスを用いて、６５０℃の条件下において多結晶シリコンを減圧ＣＶＤ法によって０．４μｍの膜厚で形成し、ボロン等の不純物をイオン注入法等によって多結晶シリコン膜に導入し、所定の抵抗値を得られるように調整する。例えば、１ｃｍ３当り１×１０２０個のイオンを注入する。イオン注入後１０００℃のランプアニールを行ってイオンを活性化させる。イオン注入の代わりに、拡散炉にてボロン等の不純物を熱拡散してもよい。イオン注入や熱拡散を行う代わりに、ＳｉＨ４及びＢＦ３ガスを用いてＣＶＤを行うことにより、ボロンドープされた多結晶シリコンを成膜してもよい。多結晶シリコンの代わりに、減圧ＣＶＤ法、プラズマＣＢＤ法、スパッタ法＋アニールにより、ボロンドープされた多結晶ＳｉＧｅを成膜してもよい。
【００３６】
その後、第１熱電素子１３Ａと均熱部１４を形成したときと同様にしてフォトレジストを第２半導体膜２９Ｂ上に形成する。そのフォトレジストをマスクにして、第２半導体膜２９Ｂをエッチングして、第１熱電素子１３Ａと均熱部１４上に第１上層絶縁膜１６Ａを介して第２熱電素子１３Ｂ及びヒータ１５を形成する。
【００３７】
次に、第２熱電素子１３Ｂ、ヒータ１５、及び第１上層絶縁膜１６Ａの上面に、第２上層絶縁膜１６Ｂを形成する。第２上層絶縁膜１６Ｂとしては、プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ２を例えば０．３μｍの厚さに成膜する。次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて、ＳｉＯ２からなる第１上層絶縁膜１６Ａ及び第２上層絶縁膜１６Ｂに、所望の形状のコンタクトホール１６Ｈのパターンを形成し、第１熱電素子１３Ａ、第２熱電素子１３Ｂ、及びヒータ１５の一部を露出させる。ここでは、例えばフォトレジストを１μｍの厚さでスピンコートにより塗布し、プリベークする。コンタクトホール１６Ｈの最下層に剥ぎ取り部１２Ｄが形成される。次に、所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いて、アライナー、ステッパー等の露光装置で露光した後、現像及びポストベークを行い、図示しないフォトレジストパターンを第２上層絶縁膜１６Ｂ上に形成する。このフォトレジストパターンをマスクにして、第２上層絶縁膜１６Ｂ及び第１上層絶縁膜１６Ａをエッチングする。第２上層絶縁膜１６Ｂ及び第１上層絶縁膜１６Ａのエッチングは、例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングにて行う。エッチング後、フォトレジストは、酸素プラズマを用いてアッシャーで除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。
【００３８】
コンタクトホール１６Ｈを形成したら、図６に示すように、コンタクトホール１６Ｈ内及び第２上層絶縁膜１６Ｂ上に導電膜１７、下段放熱体１８Ａ、及び下段吸熱体１９Ａを形成する。導電膜１７、下段放熱体１８Ａ、及び下段吸熱体１９Ａは、例えばスパッタ法を用いて白金（Ｐｔ）をスパッタリングすることによって成膜された導電膜層を所望の形状にパターニングすることによって形成する。パターニングは、フォトリソグラフィ技術を用いて行う。
【００３９】
導電膜１７、下段放熱体１８Ａ、及び下段吸熱体１９Ａを形成するにあたり、ここでは、例えばフォトレジストを２μｍの厚さでスピンコートにより塗布し、プリベークする。次に、所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いて、アライナー又はステッパーで露光した後、現像及びポストベークを行い、所望のパターン形状のフォトレジストを導電膜層上に形成する。このフォトレジストをマスクにして、白金（Ｐｔ）からなる導電膜層をＡｒイオンミリング法にてエッチングする。導電膜層は、白金(Ｐｔ）の代わりにアルミニウム、チタン等の金属やＡｌＳｉＣｕ等の合金を用いて形成してもよい。エッチング後、フォトレジストは、酸素プラズマを用いてアッシャーで除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。
【００４０】
導電膜１７、下段放熱体１８Ａ、及び下段吸熱体１９Ａを形成する過程において、第１熱電素子１３Ａと第２熱電素子１３Ｂが直列接続されてサーモパイル１３が完成する。また、下段放熱体１８Ａと下段吸熱体１９Ａとは、互いに平面視して凹凸形状を成しており、狭ギャップ、具体的には、被検出ガスの平均自由行程よりも狭いギャップで対向して形成されている。下段放熱体１８Ａは、ヒータ１５の上方に形成されたコンタクトホール１６Ｈ（図５参照）内に形成された導電膜層を含んで構成される。このため、下段放熱体１８Ａはヒータ１５に接触して形成される。下段吸熱体１９Ａは、下層絶縁膜１２に形成された剥取り部１２Ｄ内に形成された導電膜層を含んで構成される。このため、下段吸熱体１９Ａは、基板１１に接触して形成される。
【００４１】
それから、下段放熱体１８Ａ、及び下段吸熱体１９Ａの上に上段放熱体１８Ｂ及び上段吸熱体１９Ｂをそれぞれ形成する。上段放熱体１８Ｂ及び上段吸熱体１９Ｂとしては、図示しないフォトレジストをマスクにしてめっき法を用いて、銅（Ｃｕ）を２μｍ成膜する。なお、スパッタ法を用いて、アルミニウム（Ａｌ）又はアルミニウム（Ａｌ）合金を成膜後、図示しないフォトレジストをマスクにして反応性イオンエッチングを行ってもよい。 めっき終了後、あるいは、エッチング後、フォトレジストは、酸素プラズマを用いてアッシャーで除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。なお、上段放熱体１８Ｂ及び上段吸熱体１９Ｂの形成を省略してもよい。
【００４２】
続いて、導電膜１７及び第２上層絶縁膜１６Ｂの上に、図７に示す第３上層絶縁膜１６Ｃを形成する。第３上層絶縁膜１６Ｃとしては、プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ２を例えば０．３μｍの厚さで成膜する。なお、第３上層絶縁膜１６Ｃとしては、プラズマＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯ２の代わりにＳｉＯ３Ｎ４を成膜してもよい。
【００４３】
次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて、ＳｉＯ２からなる第３上層絶縁膜１６Ｃに所望の形状の露出孔を形成し、導電膜１７の一部を露出させる。例えば、フォトレジストを１μｍの厚さでスピンコートにより塗布した後、プリベークする。次に、所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いて、アライナー、ステッパー等の露光機で露光した後、現像及びポストベークを行い、フォトレジストパターンを第３上層絶縁膜１６Ｃ上に形成する。このフォトレジストパターンをマスクにして、第３上層絶縁膜１６Ｃをエッチングする。第３上層絶縁膜１６Ｃのエッチングは、例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングにて行う。エッチング後、フォトレジストは、酸素プラズマを用いてアッシャーで除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。
【００４４】
それから、図８に示すように、放熱体１８及び吸熱体１９の直下における第２上層絶縁膜１６Ｂをエッチングする。放熱体１８の直下における第２上層絶縁膜１６Ｂをエッチングすることにより、放熱体１８と基板１１との間における熱の伝達が遮断される。吸熱体１９の直下における第２上層絶縁膜１６Ｂをエッチングすることにより、当該部分における吸熱体１９と基板１１との間の熱の伝達が遮断されるが、剥取り部１２Ｄに形成された吸熱体１９と基板１１との間で熱伝達が行われる。こうして、ガスセンサ１０における基板１１の上側部分が完成する。
【００４５】
最後に、基板１１の下側部分を作成する。基板１１の下側では、図４に示すように、基板１１を下側（裏面側）からエッチングして空洞部１１Ａを形成し、メンブレン２８を露出させる。例えば、図示しないフォトレジストをマスクにして、基板１１の裏面に形成された第１マスク膜２６Ａ及び第２マスク膜２６ＢをＳＦ６ガスを用いた等方性ドライエッチングあるいはＣＦ４ガスを用いた異方性ドライエッチングにて除去した後、基板１１の下面（裏面）の第１マスク膜２６Ａ及び第２マスク膜２６Ｂをエッチングする。エッチング終了後、フォトレジストを除去する。第１マスク膜２６Ａ及び第２マスク膜２６Ｂをマスクにして、ＴＭＡＨまたはＫＯＨを用いて基板１１を結晶異方性エッチングして、メンブレン２８を露出させる。こうして、図３及び図４に示すガスセンサ１０が製造される。
【００４６】
本実施形態に係るガスセンサ１０は、基板１１に対してヒータ１５が断熱され、ヒータ１５に熱的に接続された放熱体１８を設けて構成されており、ヒータ１５から放熱体１８を介して被検出雰囲気中に拡散される熱の大きさに基づいて、サーモパイル１３を用いて被検出ガスの濃度を検出する。サーモパイル１３は、ヒータ１５の近傍に設けられているので、サーモパイル１３の温接点（第１熱電素子１３Ａ及び第２熱電素子１３Ｂのうちヒータ１５の近くに位置する端部）は、略ヒータ１５の温度となる。またサーモパイル１３の冷接点（第１熱電素子１３Ａ及び第２熱電素子１３Ｂのうちヒータ１５から離れて位置する端部）は、基板１１上にあり、略基板１１の温度に保たれている。
【００４７】
ヒータ１５から被検出ガスを含むエアへの放熱量は、ヒータ１５を取り巻く被検出ガスを含むエアの組成（被検出ガスの濃度）に左右されるため、サーモパイル１３は、温接点と冷接点との温度差により熱起電力を発生する。この起電力の大きさから被検出ガスの濃度を推定することができる。
【００４８】
ここで、ガスセンサ１０においては、放熱体１８から放出される熱は、ヒートシンクとなる基板１１に熱的に接続された吸熱体１９に吸収される。図３（ｂ）に示す放熱体１８と吸熱体１９との間隔ｈ１１が、被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程より長く（広く）されている。このため、放熱体１８と吸熱体１９とに対する被検出ガスの衝突回数を多くすることができる。したがって、被検ガスが存在すると放熱体１８からの熱を吸熱体１９に効率よく伝達することができるので、ガスセンサ１０の高感度化を図ることができる。
【００４９】
また、放熱体１８と吸熱体１９とを設けていることから、放熱体１８と吸熱体１９との面積をメンブレン２８の面積よりも広く設計することができる。したがって、ガスセンサ１０の高感度化及び小型化を図ることができる。また、放熱体１８と吸熱体１９との間に隙間が形成されているので、ガスセンサ１０の高速応答化に寄与することができる。
【００５０】
また、放熱体１８と吸熱体１９とは、ＭＥＭＳ技術によって形成されている。このため、数μｍといった微小なオーダーであっても、精度よく形成することができる。したがって、放熱体１８と吸熱体１９との間隔ｈ１１が、被検出ガスの平均自由行程よりも狭くなるように放熱体１８と吸熱体１９を形成することができる。したがって、ガスセンサ１０の高感度化、小型化、及び高歩留まり化を図ることができる。
【００５１】
また、放熱体１８と吸熱体１９とには、凹凸部が形成されており、放熱体１８及び吸熱体１９における凹凸部の凸部が、吸熱体１９及び放熱体１８における凹凸部の凹部に挿入されている。このため、放熱体１８と吸熱体１９との間で向かい合う面積を大きくすることができ、熱交換率を高めることができる。したがって、ガスセンサ１０の高感度化を図ることができる。
【００５２】
また、放熱体１８は、左放熱体２１、中放熱体２２、右放熱体２３の３本を備え、吸熱体１９は、左吸熱体２４及び右吸熱体２５の２本を備えている。このため、放熱体１８と吸熱体１９との間で向かい合う面積を大きくすることができ、熱交換率を高めることができる。したがって、ガスセンサ１０の高感度化を図ることができる。
【００５３】
また、放熱体１８の下段放熱体１８Ａと上段放熱体１８Ｂ、及び吸熱体１９の下段吸熱体１９Ａと上段吸熱体１９Ｂとは、それぞれ異なる材料からなる。このため、被検出ガスの種類等の条件に応じて適切な放熱体と吸熱体とを個別に選定することができる。なお、本実施形態では、下段放熱体１８Ａと下段吸熱体１９Ａ、上段放熱体１８Ｂと上段吸熱体１９Ｂは、いずれも同一の材料で構成されているが、これらが異なる材料で構成されていてもよい。
【００５４】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態について説明する。図９及び図１０に示す第２実施形態に係るガスセンサモジュール２は、上記第１実施形態に係るガスセンサモジュール１と比較して、パッケージの態様及びガスセンサの構造が主な相違点となっている。以下、これらの相違点を中心として、第２実施形態に係るガスセンサモジュールについて説明する。
【００５５】
図９及び図１０に示すように、第２実施形態に係るガスセンサモジュール２は、ガスセンサ４０及びパッケージ６０を備えている。パッケージ６０は、上方が開口する箱型のパッケージ本体６１と、パッケージ本体６１に取り付けられるパッケージ蓋６２とを備えており、パッケージ蓋６２によってパッケージ本体６１の開口を閉塞している。パッケージ蓋６２は、通気性を有しており、例えば、ステンレスや真鍮からなる焼結金属、ステンレス金網、あるいは多孔質セラミックからなる。パッケージ蓋６２は、フィルタとして機能し、水素などの被検出ガスを含むエアを通過する一方で埃や塵など異物を捕捉して除去する。
【００５６】
パッケージ６０には、ガスセンサ４０が収容されている。ガスセンサ４０は、ダイボンド材６３によってパッケージ本体６１の底板上面に固定されている。パッケージ本体６１の底板裏（下面）には、電極板６４が取り付けられている。パッケージ本体６１における側壁には、平面視して矩形の段差部６１Ａが設けられている。図１０に示すように、段差部６１Ａには、第１電極パッド６５Ａ〜第５電極パッド６５Ｅが設けられている。
【００５７】
第１電極パッド６５Ａ及び第３電極パッド６５Ｃは、加熱ヒータ印加電圧用電極パッドであり、第２電極パッド６５Ｂは、グランド用電極パッドである。第４電極パッド６５Ｄは、参照素子出力電圧パッドであり、第５電極パッド６５Ｅは、検出素子出力電圧パッドである。第１電極パッド６５Ａ〜第３電極パッド６５Ｃは、段差部６１Ａの三辺の各中央位置にそれぞれ配置されている。また、第４電極パッド６５Ｄ及び第５電極パッド６５Ｅは、段差部６１Ａの残り一辺に並設されている。これらの第１電極パッド６５Ａ〜第５電極パッド６５Ｅは、パッケージ本体６１を貫通する図示しない電極を介して電極板６４に電気的に接続されている。第１電極パッド６５Ａ〜第５電極パッド６５Ｅは、ワイヤ６６を介してガスセンサ４０に設けられた導電膜４８に電気的に接続されている。
【００５８】
図１１及び図１２に示すように、ガスセンサ４０は、基板４１と基板４１の上に形成された下層絶縁膜４２を備えている。下層絶縁膜４２は、基板４１上に設けられた第１下層絶縁膜４２Ａと、第１下層絶縁膜４２Ａの上に設けられた第２下層絶縁膜４２Ｂと、第２下層絶縁膜４２Ｂの上に設けられた第３下層絶縁膜４２Ｃを備えて構成されている。第１下層絶縁膜４２Ａは、例えばＳｉＯ２によって構成されている。第２下層絶縁膜４２Ｂは、例えばＳｉ３Ｎ４によって構成されている。第３下層絶縁膜４２Ｃは、例えばＳｉＯ２によって構成されている。
【００５９】
下層絶縁膜４２の上には、検出用サーモパイル４３、検出用ヒータ４４、参照用サーモパイル４５、及び参照用ヒータ４６が設けられている。検出用サーモパイル４３は、検出用第１熱電素子４３Ａと検出用第２熱電素子４３Ｂとを備えている。検出用第１熱電素子４３Ａは、検出用ヒータ４４と共通の材料によって下層絶縁膜４２の上に形成されている。また、検出用第１熱電素子４３Ａの上に検出用第２熱電素子４３Ｂが設けられている。検出用第１熱電素子４３Ａは、検出用ヒータ４４を囲んで設けられており、検出用サーモパイル４３の温接点は、検出用ヒータ４４の近傍に配されている。
【００６０】
参照用サーモパイル４５は、参照用第１熱電素子４５Ａと参照用第２熱電素子４５Ｂとを備えている。参照用第１熱電素子４５Ａは、参照用ヒータ４６と共通の材料によって下層絶縁膜４２の上に形成されている。また、参照用第１熱電素子４５Ａの上に参照用第２熱電素子４５Ｂが設けられている。参照用第１熱電素子４５Ａは、参照用ヒータ４６を囲んで設けられており、参照用サーモパイル４５の温接点は、参照用ヒータ４６の近傍に配されている。
【００６１】
下層絶縁膜４２の上層には、上層絶縁膜４７が形成されている。上層絶縁膜４７は、第１上層絶縁膜４７Ａ、第２上層絶縁膜４７Ｂ、及び第３上層絶縁膜４７Ｃを備えている。第１上層絶縁膜４７Ａ、第２上層絶縁膜４７Ｂ、及び第３上層絶縁膜４７Ｃは、いずれも例えばＳｉＯ２によって構成されている。上層絶縁膜４７の内側には、導電膜４８が設けられている。導電膜４８は、サーモパイル４３，４５やヒータ４４，４６をパッケージ６０の電極に接続するための配線、サーモパイル４３，４５における第１熱電素子４３Ａ，４５Ａと第２熱電素子４３Ｂ，４５Ｂとを接続する配線などを構成している。導電膜４８は、例えば白金によって構成されている。検出用ヒータ４４の上方には検出用放熱体５１及び検出用吸熱体５２が設けられ、参照用ヒータ４６の上方には参照用放熱体５３、及び参照用吸熱体５４が設けられている。
【００６２】
図１１及び図１２（ａ）に示すように、検出用放熱体５１は、検出用ヒータ４４に立設された複数、本実施形態では３枚の第１板状体５１Ａ、第２板状体５１Ｂ、及び第３板状体５１Ｃを備えている。第１板状体５１Ａ、第２板状体５１Ｂ、及び第３板状体５１Ｃは、図１２（ａ）の奥行き方向に沿って延在し、互いに平行となるように略等間隔を置いて配置されている。検出用ヒータ４４の上方には、検出用ヒータ４４及び検出用放熱体５１を覆って検出用吸熱体５２が設けられている。検出用吸熱体５２は、図１２（ｃ）に示すように、脚部５２Ａと、脚部５２Ａに接続された傘部５２Ｂとを備えている。傘部５２Ｂには、複数の孔部５２Ｃが形成されている。孔部５２Ｃは、平面視して、４×１０列と６×１列に形成されている。これらの孔部５２Ｃのうち、隣接する孔部５２Ｃは、互いに略等間隔で配置されている。
【００６３】
傘部５２Ｂは、検出用放熱体５１の直上に間隔をあけて配置されている。傘部５２Ｂの下面には、第１検出用突出吸熱体５２Ｅ１及び第２検出用突出吸熱体５２Ｅ２が設けられている。第１検出用突出吸熱体５２Ｅ１は、検出用放熱体５１の第１板状体５１Ａと第２板状体５１Ｂの間に配された板状体である。同様に、第２検出用突出吸熱体５２Ｅ２は、検出用放熱体５１の第２板状体５１Ｂと第３板状体５１Ｃとの間に配された板状体である。検出用放熱体５１における第１板状体５１Ａ、第２板状体５１Ｂ、及び第３板状体５１Ｃと、検出用吸熱体５２における第１検出用突出吸熱体５２Ｅ１，第２検出用突出吸熱体５２Ｅ２は、互いに略平行に配置されている。傘部５２Ｂの孔部５２Ｃは、第１検出用突出吸熱体５２Ｅ１、第２検出用突出吸熱体５２Ｅ２の配列方向において、検出用突出吸熱体５２Ｅ１、第２検出用突出吸熱体５２Ｅ２を挟み込む位置に形成されている。
【００６４】
図１２（ａ）に示すように、検出用ヒータ４４と検出用吸熱体５２における第１検出用突出吸熱体５２Ｅ１の間隔ｈ２１は、被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程より長い（広い）距離とされている。また、検出用ヒータ４４と第２検出用突出吸熱体５２Ｅ２の間隔は、検出用ヒータ４４と第１検出用突出吸熱体５２Ｅ１の間隔と同一である。
【００６５】
検出用放熱体５１における第１板状体５１Ａと、検出用吸熱体５２の第１検出用突出吸熱体５２Ｅ１の間隔ｈ２２は、被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程より長い（広い）距離とされている。言い換えると、第１板状体５１Ａと第１検出用突出吸熱体５２Ｅ１とは、被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程より長い（広い）ギャップで対向して形成されている。第１検出用突出吸熱体５２Ｅ１と第２板状体５１Ｂの間隔、第２板状体５１Ｂと第２検出用突出吸熱体５２Ｅ２の間隔、及び第２検出用突出吸熱体５２Ｅ２と第３板状体５１Ｃの間隔は、第１板状体５１Ａと第１検出用突出吸熱体５２Ｅ１の間隔と同一である。
【００６６】
図１１及び図１２（ｂ）に示すように、参照用放熱体５３は、参照用ヒータ４６に立設された複数、本実施形態では２枚の第１板状体５３Ａ及び第２板状体５３Ｂを備えている。第１板状体５３Ａ及び第２板状体５３Ｂは、図１２（ｂ）の奥行き方向に沿って延在し、互いに平行となるように略等間隔を置いて配置されている。参照用ヒータ４６の上方には、参照用ヒータ４６及び参照用放熱体５３を覆って参照用吸熱体５４が設けられている。参照用吸熱体５４は、検出用吸熱体５２と同様、脚部５４Ａと、脚部５４Ａに接続された傘部５４Ｂとを備えている（図１２（ｃ）参照）。傘部５４Ｂには、複数の孔部５４Ｃが形成されている。孔部５４Ｃは、平面視して、２×１０列と３×１列に形成されている。これらの孔部５４Ｃのうち、奥行き方向に隣接する孔部５４Ｃは、互いに略等間隔で配置されている。また、幅方向に隣接する孔部５４Ｃの間隔は、奥行き方向に隣接する孔部５４Ｃの幅よりも広くされている。幅方向に隣接する孔部５４Ｃの間隔は、検出用吸熱体５２における隣接する孔部５２Ｃの間隔と略同一とされている。
【００６７】
傘部５４Ｂは、参照用放熱体５３の直上に間隔をあけて配されている。参照用突出吸熱体５４Ｅは、参照用放熱体５３の第１板状体５３Ａと第２板状体５３Ｂの間に配された板状体である。参照用放熱体５３における第１板状体５３Ａ及び第２板状体５３Ｂと、参照用吸熱体５４における参照用突出吸熱体５４Ｅは、互いに略平行に配置されている。
【００６８】
図１２（ｂ）に示すように、参照用ヒータ４６と参照用吸熱体５４における参照用突出吸熱体５４Ｅの間隔ｈ２４は、被検出ガスの平均自由行程よりも長い（広い）距離とされている。
【００６９】
参照用放熱体５３における第１板状体５３Ａと、参照用吸熱体５４の参照用突出吸熱体５４Ｅの間隔ｈ２５は、被検出ガスの平均自由行程よりも長い（広い）距離とされている。参照用突出吸熱体５４Ｅと第２板状体５３Ｂの間隔は、第１板状体５３Ａと参照用突出吸熱体５４Ｅの間隔と同一である。
【００７０】
基板４１における下側には、断面略矩形の空洞部４１Ａが設けられている。ヒータ４４，４６、放熱体５１，５３、及び吸熱体５２，５４は、空洞部４１Ａの上側に位置している。空洞部４１Ａは、基板４１上の熱を断熱している。空洞部４１Ａからは、下層絶縁膜４２の一部（メンブレン４９）が露出している。上層絶縁膜４７、メンブレン４９、及び基板４１の空洞部４１Ａによって断熱部が構成されている。これらの上層絶縁膜４７、メンブレン４９、及び基板４１の空洞部４１Ａは、いずれも基板４１に設けられている。また、ヒータ４４，４６は、断熱部に設けられている。図１１、図１２（ｃ）に示すように、本実施形態では、空洞部４１Ａが検出用ヒータ４４等の直下と参照用ヒータ４６等の直下とで二つに分けて形成されているが、これに限ることはない。
【００７１】
次に、第２実施形態に係るガスセンサの製造手順について説明する。第２実施形態に係るガスセンサ４０は、第１実施形態と同様にＭＥＭＳ技術によって製造される。第２実施形態に係るガスセンサ４０を製造する際には、図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、はじめに、基板４１の上面に下層絶縁膜４２を形成し、下面にマスク層６７を形成する。下層絶縁膜４２及びマスク層６７は、第１実施形態における下層絶縁膜１２及びマスク層２６と同様にして形成することができる。
【００７２】
続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、多結晶シリコン等からなる半導体膜６８Ａをパターニングして、所望の形状の第１熱電素子４３Ａ，４５Ａ、ヒータ４４，４６のパターンを得る。例えば、フォトレジストを１ミクロンの厚さでスピンコートにより塗布した後プリベークする。所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いて、アライナー、ステッパー等の露光装置で露光した後、現像及びポストベークを行い、所望のパターン形状のフォトレジストを半導体膜６８Ａ上に形成する。このフォトレジストのパターンをマスクにして、多結晶シリコンからなる半導体膜６８Ａをエッチングする。半導体膜６８Ａのエッチングは、例えば、ＣＦ４ガスを用いたプラズマエッチングにて行う。
【００７３】
エッチング後、フォトレジストパターンは、酸素プラズマを用いてアッシング装置（所謂アッシャー）で除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、硫酸、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。なお、ヒータ４４，４６は多結晶シリコン等の半導体の代わりに、白金（Ｐｔ）等の金属やニクロム（ＮｉＣｒ）等の合金で形成してもよい。
【００７４】
第１熱電素子４３Ａ，４５Ａ及びヒータ４４，４６を形成したら、第１熱電素子４３Ａ，４５Ａ、ヒータ４４，４６、及び下層絶縁膜４２上に第１上層絶縁膜４７Ａを成膜する。第１上層絶縁膜４７Ａとしては、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を０．３μｍの厚さで成膜する。
【００７５】
続いて、第１上層絶縁膜４７Ａの上に半導体膜６８Ｂを成膜する。半導体膜６８Ｂとしては、例えば、ＳｉＨ４ガスとＮ２ガスを用いて、６５０℃の条件で多結晶シリコンを減圧ＣＶＤ法で０．４μｍの膜厚で形成し、ボロン等の不純物をイオン注入法等により多結晶シリコン膜へ導入して所定の抵抗値が得られるように調整する。例えば、１×１０２０個/ｃｍ３イオン注入する。イオン注入後１０００℃のランプアニールを行ってイオンを活性化させる。イオン注入の代わりに、拡散炉にてボロン等の不純物を熱拡散してもよい。イオン注入や熱拡散を行う代わりに、ＳｉＨ４及びＢＦ３ガスを用いてＣＶＤを行うことにより、ボロンドープされた多結晶シリコンを製膜してもよい。多結晶シリコンの代わりに、減圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法＋アニールにより、ボロンドープされた多結晶ＳｉＧｅを成膜してもよい。
【００７６】
半導体膜６８Ｂを成膜したら、第２熱電素子４３Ｂ，４５Ｂを形成する。第２熱電素子４３Ｂ，４５Ｂを形成するにあたり、第１上層絶縁膜４７Ａ上に多結晶シリコンからなる半導体膜６８Ｂを形成し、その半導体膜６８Ｂの上に所望パターンのフォトレジストを形成する。このフォトレジストをマスクにして半導体膜６８Ｂをエッチングして、第２熱電素子４３Ｂ，４５Ｂを形成する。
【００７７】
それから、第２熱電素子４３Ｂ，４５Ｂ、ヒータ４４，４６、及び第１上層絶縁膜４７Ａの上に第２上層絶縁膜４７Ｂを成膜する。第２上層絶縁膜４７Ｂとしては、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を１．５μｍの厚さで成膜する。さらに、ＣＭＰ（化学的機械研磨）あるいはエッチバックを行い、第２上層絶縁膜４７Ｂを平坦化する。なお、ＣＭＰあるいはエッチバック等による平坦化工程は省略してもよい。次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第２上層絶縁膜４７Ｂ及び第１上層絶縁膜４７Ａに、所望の形状の第１コンタクトホール４７Ｈ１を形成し、第１熱電素子４３Ａ，４５Ａ及び第２熱電素子４３Ｂ，４５Ｂの一部を露出し、さらにヒータ４４，４６上に深さの異なる第１コンタクトホール４７Ｈ１を形成する。第１コンタクトホール４７Ｈ１としては、ヒータ４４，４６表面を露出するものと、ヒータ４４，４６の表面を露出せず、例えば、第１上層絶縁膜４７Ａの厚さを残したものとを形成する。第１コンタクトホール４７Ｈ１を形成する際は、例えば、ハーフトーンマスク法にて階段形状のフォトレジストを形成後、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法によりフォトレジスト形状を縦方向（基板４１に対する各層の積層方向）方向に拡張する。なお、フォトレジスト形成と基板４１に対するエッチングを複数回繰り返してもよい。
【００７８】
こうして、第１コンタクトホール４７Ｈ１を形成したら、図１４に示すように、アルミニウム（Ａｌ）を所望の形状にパターニングして導電膜層を形成し、この導電膜層をエッチングすることによって導電膜４８、放熱体５１，５３を形成するとともに、吸熱体５２，５４の一部を形成する。ここでは、検出用吸熱体５２のうちの脚部５２Ａ（図１１参照）及び検出用突出吸熱体５２Ｅ１，５２Ｅ２、参照用吸熱体５４のうちの脚部５４Ａ（図１１参照）及び参照用突出吸熱体５４Ｅを形成する。
【００７９】
例えば、スパッタ法を用いてアルミニウム（Ａｌ）を１μｍの厚さで成膜して導電膜層を形成後、フォトレジストをマスクにして、反応性イオンエッチングを行うことにより、所望の導電膜４８、放熱体５１，５３、及び吸熱体５２，５４の一部を得ることができる。アルミニウム（Ａｌ）の表面にチタン（Ｔｉ）やタンタル（Ｔａ）等からなる密着層や、窒化チタン（ＴｉＮ）や窒化タンタル（ＴａＮ）等からなるバリアメタル層を積層させてもよい。これにより、第１熱電素子４３Ａ，４５Ａと第２熱電素子４３Ｂ，４５Ｂは直列接続され、検出用サーモパイル４３及び参照用サーモパイル４５が形成される。アルミニウムの代わりに、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、ベリリュウム（Ｂｅ）等の金属やアルミニウムシリコン銅（ＡｌＳｉＣｕ）等の合金、用いてもよい。
【００８０】
それから、図１５に示すように、第３上層絶縁膜４７Ｃを成膜する。第３上層絶縁膜４７Ｃとしては、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を０．６μｍの厚さで成膜する。なお、第３上層絶縁膜４７Ｃとしては、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の代わりにアルミナ（Ａｉ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を成膜してもよい。次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第３上層絶縁膜４７Ｃに所望の形状の第２コンタクトホール４７Ｈ２及び第３コンタクトホール４７Ｈ３を形成する。第２コンタクトホール４７Ｈ２では、基板４１が露出し、第３コンタクトホール４７Ｈ３では、導電膜４８の一部を露出する。例えば、フォトレジストを１μｍの厚さでスピンコートにより塗布した後、プリベークする。所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いて、アライナー、ステッパー等の露光機で露光した後、現像及びポストベークを行い、図示しないフォトレジストパターンを第３上層絶縁膜４７Ｃ上に形成する。それから、フォトレジストパターンをマスクにして、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第３上層絶縁膜４７Ｃをエッチングする。第３上層絶縁膜４７Ｃのエッチングは、例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングにて行う。エッチング後、フォトレジストは、酸素プラズマを用いてアッシャーで除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。なお、ヒータ４４，４６からの対流による放熱性を高めるためには、第３上層絶縁膜４７Ｃにおいて、導電膜４８の直上の膜厚と、導電膜４８の側面上の膜厚とが略等しくなる、いわゆる等方的な成膜を行うことが好ましい。これらの膜厚は、被検出ガス及び雰囲気ガスの平均自由行程と、検査チャンバー内の測定圧力により決定すればよい。
【００８１】
続いて、アルミニウム（Ａｌ）からなる導電膜層を所望の形状にパターニングして、吸熱体５２，５４における孔部５２Ｃ，５４Ｃを有する傘部５２Ｂ，５４Ｂを形成する。孔部５２Ｃ，５４Ｃを有する傘部５２Ｂ，５４Ｂを形成するにあたっては、例えば、スパッタ法を用いてアルミニウム（Ａｌ）を１μｍの厚さで成膜して導電膜層を形成した後、フォトレジスト（図示せず）をマスクにして、反応性イオンエッチングを行う。こうして、傘部５２Ｂ，５４Ｂを得ることができる。アルミニウム（Ａｌ）の表面にチタン（Ｔｉ）やタンタル（Ｔａ）等からなる密着層や、窒化チタン（ＴｉＮ）や窒化タンタル（ＴａＮ）等からなるバリアメタル層を積層させてもよい。アルミニウムの代わりに、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、クロム（Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、ベリリュウム（Ｂｅ）等の金属やアルミニウムシリコン銅（ＡｉＳｉＣｕ）等の合金、用いてもよい。ドライエッチングが困難な銅（Ｃｕ）の微細パターニングには、メッキ法とＣＭＰ法を組み合わせるのが好ましい。
【００８２】
それから、図１６に示すように、第３上層絶縁膜４７Ｃにおける吸熱体５２，５４の直上を除いた位置を覆うフォトレジスト６９を形成し、このフォトレジスト６９をマスクにして、吸熱体５２，５４の直下の第３上層絶縁膜４７Ｃを異方的にエッチングする。例えば、フォトレジスト６９を１μｍの厚さでスピンコートにより塗布した後、プリベークする。次に、所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いてアライナー、ステッパー等の露光機で露光した後、現像及びポストベークを行い、フォトレジスト６９を第３上層絶縁膜４７Ｃにおける吸熱体５２，５４の直上を除いた位置及び導電膜４８上に形成する。このフォトレジスト６９をマスクにして、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第３上層絶縁膜４７Ｃ、第２上層絶縁膜４７Ｂ、及び第１上層絶縁膜４７Ａをエッチングする。第３上層絶縁膜４７Ｃ、第２上層絶縁膜４７Ｂ、及び第１上層絶縁膜４７Ａのエッチングは、例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）にて行う。
【００８３】
続いてフォトレジスト６９をマスクにして、吸熱体５２，５４の直下の第３上層絶縁膜４７Ｃを等方的にエッチングする。ＳｉＯ２からなる第３上層絶縁膜４７Ｃのエッチングは、例えば、ＣＦ４あるいはＣＨＦ３等のガスを用いたプラズマドライエッチングを用いて行う。プラズマドライエッチングの代わりにウェットエッチング（例えば、林純薬工業株式会社  「ＰｕｒｅＥｔｃｈ  ＺＥ」等を使用）を行ってもよい。エッチング後、フォトレジスト６９は、酸素プラズマを用いてアッシング装置（いわゆるアッシャー）で除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。
【００８４】
その後、基板４１の厚さを薄くする作業を行う。例えば、基板４１の裏面から研削及び研磨を行い、基板４１の厚さを６２５μｍから３００μｍへ薄くした後、図１２に示すように、基板４１を裏面からエッチングして空洞部４１Ａを形成する。例えば、基板４１の裏面上に厚さ1０μｍのフォトレジストを塗布、露光、現像して所望の開口形状のパターンを形成する。このフォトレジストをマスクにして、基板４１をエッチングし、空洞部４１Ａを形成し、下層絶縁膜４２の表面（裏面）を露出する。例えば、基板４１のエッチングは、パッシベーション（Ｃ４Ｆ８プラズマ）とエッチング（ＳＦ６プラズマ）のステップを短く交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセスで行う。エッチング終了後、酸素プラズマアッシャーを用いてフォトレジストを除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、硫酸、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。なお、基板４１のエッチングの工程を行う前に、基板４１の表面を保護フィルムやフォトレジストにて保護してもよい。なお、研削、研磨工程を省略することも可能である。例えば厚さ３００μｍの基板４１を使用する場合には、研削、研磨工程は不要となるが、基板４１の裏面上の半導体膜や絶縁膜等を形成し、フォトレジストをマスクにして、エッチングする必要がある。また、空洞部４１Ａの形成をドライエッチングで行う代わりにＳｉ結晶異方性ウェットエッチングを用いてもよい。なお、基板４１を裏面からエッチングする前、ウエハ表面に保護膜を塗布、ベークし、エッチング終了後に保護膜を除去してもよい。こうして、図１１及び図１２に示すように、ガスセンサ４０が製造される。
【００８５】
本実施形態に係るガスセンサ４０においては、検出用サーモパイル４３における温接点と冷接点との差によって生じる起電力の大きさから被検出ガスの濃度を推定することができる。ガスセンサ４０においては、検出用放熱体５１から放出される熱は、ヒートシンクとなる基板４１に熱的に接続された検出用吸熱体５２に吸収される。検出用放熱体５１と検出用吸熱体５２とが隣接する位置の間隔に相当する第１板状体５１Ａと第１検出用突出吸熱体５２Ｅ１の間隔ｈ２２は、被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程より長い（広い）距離とされている。このため、検出用放熱体５１と検出用吸熱体５２に対する被検出ガスの衝突回数を多くすることができる。したがって、被検出ガスが存在すると検出用放熱体５１からの熱を検出用吸熱体５２に効率よく伝達することができるので、ガスセンサ４０の高感度化を図ることができる。
【００８６】
また、本実施形態に係るガスセンサ４０では、検出用サーモパイル４３及び検出用ヒータ４４を備えるとともに、参照用サーモパイル４５及び参照用ヒータ４６を備えている。ここで、検出用ヒータ４４と検出用吸熱体５２における第１検出用突出吸熱体５２Ｅ１の間隔ｈ２１は、被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程よりも長い（広い）距離とされている。一方、参照用ヒータ４６と参照用吸熱体５４における参照用突出吸熱体５４Ｅの間隔ｈ２４は、被検出ガスの平均自由行程よりも長い（広い）距離とされている。また、参照用放熱体５３における第１板状体５３Ａと、参照用吸熱体５４の参照用突出吸熱体５４Ｅの間隔ｈ２５は、被検出ガスの平均自由行程よりも長い（広い）距離とされている。このため、検出用ヒータ４４から被検出ガスへ伝達される伝熱量は、参照用ヒータ４６から被検出ガスへ伝達される伝熱量よりも大幅に増大する。さらには、検出用放熱体５１と検出用吸熱体５２との間における伝熱量は、参照用放熱体５３と参照用吸熱体５４との間における伝熱量よりも大きくされている。さらには、検出用ヒータ４４及び検出用吸熱体５２を用いた被検出ガスの検出結果と、参照用ヒータ４６と参照用吸熱体５４を用いた被検出ガスの検出結果を比較して被検出ガスを検出している。したがって、被検出ガスの濃度の感度、応答性を大幅に向上させることができる。
【００８７】
なお、複数の圧力に対応するために、検出用サーモパイル４３、検出用ヒータ４４、参照用サーモパイル４５、及び参照用ヒータ４６は、複数設けられていてもよい。
【００８８】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態について説明する。図１７（ａ）及び図１８に示す第３実施形態に係るガスセンサモジュール３は、上記第１実施形態に係るガスセンサモジュール１と比較して、パッケージの態様及びガスセンサの構造が主な相違点となっている。以下、これらの相違点を中心として、第３実施形態に係るガスセンサモジュールについて説明する。
【００８９】
図１７に示すように、第３実施形態に係るガスセンサモジュール３は、ガスセンサ７０及びパッケージ９０を備えている。パッケージ９０は、上方が開口する箱型のパッケージ本体９１と、パッケージ本体９１に取り付けられるパッケージ蓋９２とを備えており、パッケージ蓋９２によってパッケージ本体９１の開口を閉塞している。パッケージ蓋９２は、通気性を有しており、例えば、ステンレスや真鍮からなる焼結金属、ステンレス金網、あるいは多孔質セラミックからなる。パッケージ蓋９２は、フィルタとして機能し、水素などの被検出ガスを含むエアを通過する一方で埃や塵など異物を捕捉して除去する。
【００９０】
パッケージ９０には、ガスセンサ７０が収容されている。ガスセンサ７０は、はんだボール９４によってパッケージ本体９１の上面に固定されている。パッケージ本体９１の上面には、電極板９３が配されており、電極板９３には導電性のはんだボール９４が設けられている。電極板９３とガスセンサ７０とは、はんだボール９４を介して電気的に接続されている。また、パッケージ本体９１の下面に外側電極板９５が設けられている。外側電極板９５は、電極板９３に対して、図示しない配線を介して電気的に接続されている。
【００９１】
本実施形態に係るガスセンサ７０は、上記第１実施形態のガスセンサ１０と同様、いわゆる熱伝導式ガスセンサである。図１７に示すように、ガスセンサ７０は、基板７１を備えている。基板７１は、例えばＳｉによって構成されている。基板７１の下層には、上層絶縁膜７２が設けられている。上層絶縁膜７２は、第１上層絶縁膜７２Ａ、第２上層絶縁膜７２Ｂ、及び第３上層絶縁膜７２Ｃを備えている。第１上層絶縁膜７２Ａは、例えばＳｉＯ２によって構成されている。第２上層絶縁膜７２Ｂは、例えばＳｉ３Ｎ４によって構成されている。第３上層絶縁膜７２Ｃは、例えばＳｉＯ２によって構成されている。
【００９２】
上層絶縁膜７２の下部には、サーモパイル７３及びヒータ７５が設けられている。サーモパイル７３は、第１熱電素子７３Ａと第２熱電素子７３Ｂとを備えて構成されている。第１熱電素子７３Ａ及びヒータ７５は、いずれも例えば多結晶シリコンで構成されており、上層絶縁膜７２の下面に取り付けられている。第１熱電素子７３Ａは、ヒータ７５の周囲に配置されている。
【００９３】
上層絶縁膜７２の下層には、下層絶縁膜７６が形成されている。下層絶縁膜７６は、第１下層絶縁膜７６Ａ、第２下層絶縁膜７６Ｂ、及び第３下層絶縁膜７６Ｃを備えている。第１下層絶縁膜７６Ａ、第２下層絶縁膜７６Ｂ、及び第３下層絶縁膜７６Ｃは、いずれも例えばＳｉＯ２によって構成されている。下層絶縁膜７６には、露出孔が形成されており、露出孔を介して導電膜７７が外部の電極などと接続可能とされている。導電膜７７は、例えば白金によって構成されている。
【００９４】
上層絶縁膜７２及び上層絶縁膜７２の裏面に取り付けられた第１熱電素子７３Ａは、下層絶縁膜７６によって覆われている。下層絶縁膜７６の下部には、第２熱電素子７３Ｂが設けられている。第２熱電素子７３Ｂは、第１下層絶縁膜７６Ａの裏面に取り付けられており、例えば多結晶シリコンで構成されている。第２熱電素子７３Ｂは、ヒータ７５の周囲であって、第１熱電素子７３Ａの直下位置に配置されている。サーモパイル７３における第１熱電素子７３Ａと第２熱電素子７３Ｂとは、直列に接続されている。サーモパイル７３の温接点は、ヒータ７５の近傍に配されている。
【００９５】
第１下層絶縁膜７６Ａ及び第１下層絶縁膜７６Ａの表面に取り付けられた第２熱電素子７３Ｂは、第２下層絶縁膜７６Ｂで覆われている。ヒータ７５には、放熱体７８がヒータ７５の表面に接触して形成されている。放熱体７８は、柱状（ピン状）なし、突出部となる６本の柱状体７８Ａ，７８Ａ…を有しており、上層絶縁膜７２を貫通して上層絶縁膜７２における第１上層絶縁膜７２Ａから突出するように延びている。このため、放熱体７８は、ガスセンサ７０の表面に露出している。放熱体７８は、基板７１の上面の高さ位置よりもやや下方位置まで延在している。複数の柱状体７８Ａ，７８Ａ…は、ヒータ７５から離れる方向に延び、互いに間隔をあけて配されてヒータ７５上に立設されており、図１８に示すように、縦横に２×３列で整列している。
【００９６】
基板７１における上側には、空洞部７１Ａが設けられている。空洞部７１Ａは、断面略矩形状をなしており、サーモパイル７３及びヒータ７５は、空洞部７１Ａの下方に位置している。放熱体７８は、上層絶縁膜７２から上方に突出して空洞部７１Ａに位置している。空洞部７１Ａは、基板７１上の熱を断熱している。基板７１における上面側では、空洞部７１Ａを除いた位置にマスク層７９が形成されている。マスク層７９は、第１マスク膜７９Ａ、第２マスク膜７９Ｂ、及び第３マスク膜７９Ｃを備えている。第１マスク膜７９Ａ及び第３マスク膜７９Ｃは、例えばＳｉＯ２によって構成されている。第２マスク膜７９Ｂは、例えばＳｉ３Ｎ４によって構成されている。空洞部７１Ａからは、上層絶縁膜７２の一部（メンブレン８０）が露出している。下層絶縁膜７６、メンブレン８０、及び基板７１の空洞部７１Ａによって断熱部が構成されており、断熱部にヒータ７５が設けられている。
【００９７】
基板７１における空洞部７１Ａには、吸熱体８１が設けられている。吸熱体８１は、吸熱体枠体８２と、網状体８３と、吸熱体本体８４とを備えている。吸熱体枠体８２は、基板７１における空洞部７１Ａに沿って形成され、中抜きの矩形状をなしており、断面略ロ字形状の柱状体をなしている。このため、吸熱体枠体８２は、基板７１に接触し、ヒータ７５とは接触していない。吸熱体枠体８２の上方開口部に網状体８３が設けられている。網状体８３は、薄板が格子状に配置された構造を成しており、網状体８３を介して吸熱体枠体８２（空洞部４１Ａ）の内側に外気が流入可能とされている。網状体８３は、吸熱体枠体８２と一体に形成されている。
【００９８】
網状体８３には、吸熱体本体８４が上方から吊り下げられている。吸熱体本体８４は、図１８に示すように、放熱体７８の６本の柱状体７８Ａをそれぞれ取り囲むように配置された１７本の棒状体８４Ａ，８４Ａ…を備えている。隣接する放熱体７８の柱状体７８Ａと吸熱体８１の棒状体８４Ａとの間隔ｈ３１は、被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程よりも長い（広い）距離とされている。
【００９９】
次に、第３実施形態に係るガスセンサの製造手順について説明する。第３実施形態に係るガスセンサ７０は、第１実施形態と同様にＭＥＭＳ技術によって製造される。第３実施形態に係るガスセンサ７０を製造する際には、図１９（ａ）に示すように、基板７１の上面に、上記第１実施形態と同様のＳｉＯ２層、Ｓｉ３Ｎ４層、及びＳｉＯ２層を形成し、基板７１の下面に、上記第１実施形態と同様のＳｉＯ２層及びＳｉ３Ｎ４層を形成し、さらにその下層にＳｉＯ２層を形成する。なお、第３実施形態に係るガスセンサ７０の製造工程では、途中で基板７１を天地入れ替える天地入替工程がある。この天地入替工程後は、基板７１の上面が裏面になり、基板７１の下面が表面となる。
【０１００】
基板７１の上面に形成されたＳｉＯ２層、Ｓｉ３Ｎ４層、及びＳｉＯ２層は、それぞれ上層絶縁膜７２の第１上層絶縁膜７２Ａ、第２上層絶縁膜７２Ｂ、及び第３上層絶縁膜７２Ｃとなる。また、基板７１の下面に形成されたＳｉＯ２層、Ｓｉ３Ｎ４層、及びＳｉＯ２層は、それぞれマスク層７９の第１マスク膜７９Ａ、第２マスク膜７９Ｂ、及び第３マスク膜７９Ｃとなる。なお、厚さ０．２μｍのＳｉＯ２層は、基板７１の表面または裏面上にプラズマＣＶＤ法にて成膜することにより基板７１の両面に形成してもよい。なお、上層絶縁膜７２に代えて、ＳｉＯＮからなる１層の上層絶縁膜を設けてもよい。
【０１０１】
次に、基板７１を裏面（上面）からエッチングして微細凹部８５を形成し、第１マスク膜７９Ａを露出させる。例えば、基板７１の裏面上に厚さ1０μｍのフォトレジストを塗布、露光、現像して所望の開口形状のパターンを形成する。このフォトレジストをマスクにして、基板７１をエッチングして微細凹部８５を形成し、第１マスク膜７９Ａ（ＳｉＯ２）の表面を露出する。例えば、基板７１のエッチングは、例えば、パッシベーション（Ｃ４Ｆ８プラズマ）とエッチング（ＳＦ６プラズマ）のステップを短く交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセスで行う。なお、上層絶縁膜７２を露出させず、基板７１の途中までエッチングを行ってもよい。
【０１０２】
続いて、微細凹部８５の内壁に微細凹部絶縁膜８５Ａを形成する。微細凹部絶縁膜８５Ａは、例えば、基板７１の熱酸化を行い、Ｓｉからなる基板７１表面にＳｉＯ２を成長させて形成する。微細凹部絶縁膜８５Ａの厚さは、例えば０．１μｍの厚さとする。
【０１０３】
それから、図１９（ｂ）に示すように、上層絶縁膜７２及び微細凹部８５の内壁に形成された微細凹部絶縁膜８５Ａの上に第１放熱膜８６Ａを形成する。第１放熱膜８６Ａは、例えば、ＳｉＨ４ガスとＰＨ３ガスを用いて、６５０℃の条件でリンドープされた多結晶シリコンを減圧ＣＶＤ法で０．４μｍの膜厚で形成し、リン等の不純物をイオン注入法等により多結晶シリコン膜に導入して所定の抵抗値が得られるように調整する。ＳｉＨ４ガスとＰＨ３ガスを用いて、６５０℃の条件でリンドープされた多結晶シリコンを減圧ＣＶＤ法で形成する代わりに、ＳｉＨ４ガスとＰＨ３ガスを用いて、６５０℃の条件でノンドープの多結晶シリコンを減圧ＣＶＤ法で０．４μｍの膜厚で形成し、リン等の不純物をイオン注入法等により多結晶シリコン膜に導入して所定の抵抗値が得られるように調整してもよい。例えば、１×１０２０個/ｃｍ３イオン注入する。イオン注入後１０００℃のランプアニールを行ってイオンを活性化させる。イオン注入の代わりに、拡散炉にてリン等の不純物を熱拡散してもよい。なお、第１放熱膜８６Ａは、多結晶シリコンの代わりに、鉄シリサイド、ＳｉＧｅ、ビスマスアンチモン等をスパッタ法等によって成膜してもよい。
【０１０４】
続いて、フォトリソグラフィ技術を用いて、多結晶シリコン等からなる第１放熱膜８６Ａをパターニングして、図１９（ｃ）に示すように、所望の形状の第１熱電素子７３Ａ及びヒータ７５を得る。例えば、フォトレジストを１μｍの厚さでスピンコートにより塗布した後プリベークする。それから、所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いて、アライナー、ステッパー等の露光装置で露光した後、現像及びポストベークを行い、所望のパターン形状のフォトレジストを第１放熱膜８６Ａ上に形成する。このフォトレジストをマスクにして、第１放熱膜８６Ａをエッチングする。第１放熱膜８６Ａのエッチングは、例えば、ＣＦ４ガスを用いたプラズマエッチングにて行う。エッチング後、フォトレジストパターンは、酸素プラズマを用いてアッシャーで除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、硫酸、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。また、微細凹部８５内に導入された多結晶シリコン等によって、放熱体７８の柱状体７８Ａが形成される（図２０（ｂ）参照）。
【０１０５】
それから、第１熱電素子７３Ａ、ヒータ７５及び上層絶縁膜７２を覆うように第１下層絶縁膜７６Ａをウエハ表面上に成膜する。第１下層絶縁膜７６Ａとしては、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を０．３μｍの厚さで成膜する。
【０１０６】
その後、第１下層絶縁膜７６Ａの上に半導体膜８７を成膜する。半導体膜８７としては、例えば、ＳｉＨ４とＮ２ガスを用いて、６５０℃の条件で多結晶シリコンを減圧ＣＶＤ法で０．４μｍの膜厚で形成し、ボロン等の不純物をイオン注入法等により多結晶シリコン膜導入して所定の抵抗値が得られるように調整する。例えば、１×１０２０個/ｃｍ３イオン注入する。イオン注入後１０００℃のランプアニールを行ってイオンを活性化させる。イオン注入の代わりに、拡散炉にてボロン等の不純物を熱拡散してもよい。イオン注入や熱拡散を行う代わりに、ＳｉＨ４及びＢＦ３ガスを用いてＣＶＤを行うことにより、ボロンドープされた多結晶シリコンを製膜してもよい。多結晶シリコンの代わりに、減圧ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法、スパッタ法＋アニールにより、ボロンドープされた多結晶ＳｉＧｅを成膜してもよい。それから、図示しないフォトレジストをマスクにして半導体膜８７をエッチングして、第１熱電素子７３Ａ上に第１下層絶縁膜７６Ａを介して、第２熱電素子７３Ｂを形成する。
【０１０７】
続いて、第２熱電素子７３Ｂ及び第１下層絶縁膜７６Ａを覆うようにして上に第２下層絶縁膜７６Ｂをウエハ表面上に成膜する。第２下層絶縁膜７６Ｂとしては、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を０．３μｍの厚さで成膜する。次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第２下層絶縁膜７６Ｂに、所望の形状の第１コンタクトホール７６Ｈ１を形成し、第１熱電素子７３Ａ、ヒータ７５、及び第２熱電素子７３Ｂの一部を露出する。例えば、フォトレジストを１μｍの厚さでスピンコートにより塗布・プリベークする。次に、所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いて、アライナー、ステッパー等の露光装置で露光した後、現像及びポストベークを行い、図示しないフォトレジストパターンを第２下層絶縁膜７６Ｂの上に形成する。このフォトレジストパターンをマスクにして、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第２下層絶縁膜７６Ｂをエッチングする。第２下層絶縁膜７６Ｂのエッチングは、例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングにて行う。エッチング後、フォトレジストは、酸素プラズマを用いてアッシング装置（いわゆるアッシャー）で除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。
【０１０８】
それから、白金（Ｐｔ）からなる導電膜層を所望の形状にパターニングして、導電膜７７を形成する。ヒータ７５と導電膜７７が接続され、また、第１熱電素子７３Ａと第２熱電素子７３Ｂは直列接続される。導電膜層を形成する際には、白金（Ｐｔ）の代わりにアルミニウム、チタン、銅、金等の金属やＡｌＳｉＣｕ等の合金を用いてもよい。続いて、第２下層絶縁膜７６Ｂおよび導電膜７７の上面に第３下層絶縁膜７６Ｃとして、例えば厚さ０．２μｍのＳｉＯ２をプラズマＣＶＤで形成する（図２０（ａ）参照）。
【０１０９】
その後、基板７１の天地を入れ替える天地入替工程を経て、基板７１の上面（裏面）におけるマスク層７９の上に図示しない第１フォトレジストを形成する。この第１フォトレジストをマスクにして、基板７１裏面のマスク層７９を反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってエッチングする。エッチングが終了した後、第１フォトレジストを除去する。
【０１１０】
続いて、図２０（ａ）に示すように、基板７１の上面（裏面）におけるマスク層７９の上に第２フォトレジスト８９Ａを形成する。この第２フォトレジスト８９Ａをマスクにして、シリコンからなる基板７１をエッチングし、第１空洞部７１Ｂ〜第５空洞部７１Ｆを形成し、第１空洞部７１Ｂおよび第５空洞部７１Ｆは、第１上層絶縁膜７２Ａ（ＳｉＯ２）の表面を露出する。第３空洞部７１Ｄは、放熱体７８における柱状体７８Ａ，７８Ａ…の間に形成され、第２空洞部７１Ｃ及び第４空洞部７１Ｅは、放熱体７８に近接した外側に形成される。第１空洞部７１Ｂ及び第５空洞部７１Ｆは、さらにその外側に形成される。第１空洞部７１Ｂの幅Ｗ１と第５空洞部７１Ｆの幅Ｗ５は略同一とされている。第２空洞部７１Ｃの幅Ｗ２と第３空洞部７１Ｄの幅Ｗ３と第４空洞部７１Ｅの幅Ｗ４は略同一とされている。第１空洞部７１Ｂの幅Ｗ１及び第５空洞部７１Ｆの幅Ｗ５は、第２空洞部７１Ｃの幅Ｗ２と第３空洞部７１Ｄの幅Ｗ３と第４空洞部７１Ｅの幅Ｗ４よりも長くされている。
【０１１１】
基板７１のエッチングは、例えば、パッシベーション（Ｃ４Ｆ８プラズマ）とエッチング（ＳＦ６プラズマ）のステップを短く交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセスによって行う。エッチング終了後、酸素プラズマアッシャーを用いて第２フォトレジスト８９Ａの除去を行う。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、硫酸、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。なお、エッチングの工程を行う前に、基板７１の表面を保護フィルムやフォトレジストにて保護してもよい。
【０１１２】
第１空洞部７１Ｂの幅Ｗ１及び第５空洞部７１Ｆの幅Ｗ５は、第２空洞部７１Ｃの幅Ｗ２と第３空洞部７１Ｄの幅Ｗ３と第４空洞部７１Ｅの幅Ｗ４よりも長くされていることにより、マイクロローディング効果により、第２空洞部７１Ｃ、第３空洞部７１Ｄ、及び第４空洞部７１Ｅは、第１空洞部７１Ｂ及び第５空洞部７１Ｆよりもエッチング速度が遅くなる。このため、第２空洞部７１Ｃ、第３空洞部７１Ｄ、及び第４空洞部７１Ｅの底部に、基板７１がわずかに残存する部分を生じさせることができる。したがって、第２空洞部７１Ｃ、第３空洞部７１Ｄ、及び第４空洞部７１Ｅは、第１空洞部７１Ｂ及び第５空洞部７１Ｆよりもエッチング深さが浅くなっている。なお、「マイクロローディング効果」を利用する代わりに、フォトリソグラフィを２回に分けることによりエッチング深さを変えてもよい。
【０１１３】
こうして基板１１に形成された第１空洞部７１Ｂ〜第５空洞部７１Ｆに対して、図２１に示すように、第２放熱膜８６Ｂを成膜する。第２放熱膜８６Ｂは、めっき法を用いて銅（Ｃｕ）を２μｍ成膜する。続いて、ＣＭＰ（化学機械的研磨）法を用いて、銅（Ｃｕ）からなる第２放熱膜８６Ｂをエッチングして、図２２に示すように、マスク層７９の表面を露出させる。こうして、吸熱体８１の吸熱体枠体８２、網状体８３、及び吸熱体本体８４を形成する。
【０１１４】
その後、図２３に示すように、吸熱体８１における網状体８３の上部を除いた位置にフォトレジスト８９Ｃ，８９Ｄをマスクする。それから、基板７１の下面に形成され、フォトレジスト８９Ｃ，８９Ｄにマスクされていない領域におけるマスク層７９をエッチングする。なお、フォトレジスト８９Ｃに比べ、フォトレジスト８９Ｄの膜厚を薄くする。厚さの異なるフォトレジスト８９Ｃ，８９Ｄは、ハーフトーンマスクを用いることにより、１度のフォトリソグラフィで形成可能であるが、複数回のフォトリソグラフィで形成してもよい。
【０１１５】
さらに、Ｏ２ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、フォトレジスト８９Ｃ，８９Ｄをエッチングする。その後、フォトレジスト８９Ｄが消失し、フォトレジスト８９Ｄの直下のマスク層７９が露出したところで反応性イオンエッチングを終了する。続いて、図２４に示すように、フォトレジスト８９Ｃ、網状体８３、マスク層７９をマスクにして、シリコンからなる基板７１を異方的にエッチングする。ここでのエッチングは、例えば、パッシベーション（Ｃ４Ｆ８プラズマ）とエッチング（ＳＦ６プラズマ）のステップを短く交互に繰り返す、いわゆるボッシュプロセスで行う。基板７１の異方的エッチングの条件は、エッチング終了時において、フォトレジスト８９Ｃの膜厚及び基板７１の異方性エッチング条件を以下の３通りのいずれかに定めておく。
（１）マスク層７９が消失し、かつ、上層絶縁膜７２の一部を残存させる。
（２）エッチング終了時にフォトレジスト８９Ｃを残存させる。
（３）銅（Ｃｕ）などの金属（あるいは合金）からなる網状体８３が十分な膜厚（例えば５μｍ以上）となるように残存させる。
【０１１６】
なお、基板７１の異方性エッチング条件では、エッチング終了時にマスク層７９が残存する場合には、フォトレジスト８９Ｄを消失させる工程の後に、例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングを行い、マスク層７９を薄くしてから、基板７１を異方的にエッチングする工程を行う。
【０１１７】
その後、図２５及び図２６に示すように、シリコンからなる基板７１を等方的にエッチングする。ここでは、例えば、ＳＦ６ガスを用いた等方性ドライエッチングを行った後、ＳｉＯ２からなる第１マスク膜７９Ａ及び微細凹部８５に形成された微細凹部絶縁膜８５Ａは、緩衝フッ酸を用いてエッチングする。緩衝フッ酸を用いる代わりに希フッ酸を用いてもよい。基板７１の表面側を保護するための保護膜をコーティングしておいてもよい。基板７１をエッチングした際には、図２６（ａ）に示すように、柱状体７８Ａに微細凹部絶縁膜８５Ａが残存しているので、放熱体７８の柱状体７８Ａと吸熱体８１の棒状体との間隔は、間隔ｈ３２となる。また、微細凹部８５に形成された微細凹部絶縁膜８５Ａをエッチングした後は、図２６（ｂ）に示すように、放熱体７８の柱状体７８Ａと吸熱体８１の棒状体との間隔は、間隔ｈ３２よりも広い間隔ｈ３１となる。こうして、図１７及び図１８に示すガスセンサ７０が製造される。
【０１１８】
本実施形態に係るガスセンサ７０においては、サーモパイル７３における温接点と冷接点との差によって生じる起電力の大きさから被検出ガスの濃度を推定することができる。ガスセンサ７０においては、放熱体７８から放出される熱は、ヒートシンクとなる基板７１に熱的に接続された吸熱体８１に吸収される。隣接する放熱体７８の柱状体７８Ａと吸熱体８１の棒状体８４Ａとの間隔ｈ３１は、被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程よりも長い（広い）距離とされている。このため、放熱体７８から放出される熱は、基板７１に熱的に接続された吸熱体８１に吸収される。隣接する放熱体７８の柱状体７８Ａと吸熱体８１の棒状体８４Ａとの間における放熱体７８の柱状体７８Ａと吸熱体８１の棒状体８４Ａとに対する被検出ガスの衝突回数を多くすることができる。したがって、被検出ガスが存在すると放熱体７８の柱状体７８Ａからの熱を吸熱体８１の棒状体８４Ａに効率よく伝達することができるので、ガスセンサ７０の高感度化を図ることができる。
【０１１９】
また、ガスセンサ７０では、ヒータ７５に立設された放熱体７８の柱状体７８Ａと、上方から吊り下げられた吸熱体本体８４の棒状体８４Ａとが設けられている。このため、例えば棒状体８４Ａを柱状体７８Ａの近傍位置に配置しながら、吸熱体８１とヒートシンクとなる基板７１の配置位置をヒータ７５の位置によらずに決めることができる。したがって、ガスセンサ７０を設計する際の自由度を高くすることができる。
【０１２０】
また、ガスセンサ７０では、放熱体７８及び吸熱体８１が基板７１の空洞部７１Ａ内に設けられ、いわば基板７１の厚みを利用して設けられている。したがって、放熱体７８や吸熱体８１の長さ（高さ）におけるチップ内、ウエハ内、ロット間のばらつきを低減することができる。また、ガスセンサ７０の製造工程における放熱体７８、吸熱体８１の損傷を抑制することができる。
【０１２１】
［第４実施形態］
次に、第４実施形態について説明する。図２７に示す第４実施形態に係るガスセンサモジュール４は、上記第１実施形態に係るガスセンサモジュール１と比較して、ガスセンサの構造が主な相違点となっている。以下、この相違点を中心として、第４実施形態に係るガスセンサモジュールについて説明する。
【０１２２】
図２７に示すように、第４実施形態に係るガスセンサモジュール４は、ガスセンサ１００及びパッケージ３０を備えている。パッケージ３０は、図１等に示す第１実施形態と同様に、パッケージ本体３１、パッケージ蓋３２、電極３３、及び封止材３４等を備えている。ガスセンサ１００は、ダイボンド材３６によってパッケージ本体３１の上面に固定されている。
【０１２３】
ガスセンサ１００は上記第１実施形態のガスセンサ１０と同様、いわゆる熱伝導式ガスセンサである。ガスセンサ１００は、図２９にも示すように、基板１０１を備えている。基板１０１は、例えばＳｉによって構成されている。図２７及び図２９に示すように、基板１０１の上層には、下層絶縁膜１０２が設けられている。下層絶縁膜１０２は、第１下層絶縁膜１０２Ａ、第２下層絶縁膜１０２Ｂ、及び第３下層絶縁膜１０２Ｃを備えている。第１下層絶縁膜１０２Ａは、例えばＳｉＯ２によって構成されている。第２下層絶縁膜１０２Ｂは、例えばＳｉ３Ｎ４によって構成されている。第３下層絶縁膜１０２Ｃは、例えばＳｉＯ２によって構成されている。
【０１２４】
下層絶縁膜１０２の上部には、サーモパイル１０３、均熱部１０４、及びヒータ１０５が設けられている。サーモパイル１０３は、第１熱電素子１０３Ａと第２熱電素子１０３Ｂとを備えて構成された測温部である。第１熱電素子１０３Ａと均熱部１０４は、いずれも例えば多結晶シリコンで構成されており、下層絶縁膜１０２の表面に取り付けられている。第１熱電素子１０３Ａは、均熱部１０４の周囲に配置されている。
【０１２５】
下層絶縁膜１０２の上層には、上層絶縁膜１０６が形成されている。上層絶縁膜１０６は、第１上層絶縁膜１０６Ａ及び第２上層絶縁膜１０６Ｂを備えている。第１上層絶縁膜１０６Ａ及び第２上層絶縁膜１０６Ｂ、いずれも例えばＳｉＯ２によって構成されている。上層絶縁膜１０６の内側には、導電膜１０７が設けられている。導電膜１０７は、サーモパイル１０３やヒータ１０５をパッケージ３０の電極に接続するための配線、サーモパイル１０３における第１熱電素子１０３Ａと第２熱電素子１０３Ｂとを接続する配線などを構成している。導電膜１０７は、例えば白金によって構成されている。
【０１２６】
下層絶縁膜１０２及び下層絶縁膜１０２の表面に取り付けられた第１熱電素子１０３Ａと均熱部１０４は、上層絶縁膜１０６によって覆われている。上層絶縁膜１０６の上部には、第２熱電素子１０３Ｂとヒータ１０５とが設けられている。第２熱電素子１０３Ｂとヒータ１０５は、第１上層絶縁膜１０６Ａの表面に取り付けられており、いずれも例えば多結晶シリコンで構成されている。ヒータ１０５は、均熱部１０４の直上位置に配置されている。第２熱電素子１０３Ｂは、ヒータ１０５の周囲であって、第１熱電素子１０３Ａの直上位置に配置されている。サーモパイル１０３における第１熱電素子１０３Ａと第２熱電素子１０３Ｂとは直列に接続されている。ヒータ１０５は、基板１０１に対して断熱されている。サーモパイル１０３の温接点は、ヒータ１０５の近傍に配されている。
【０１２７】
第１上層絶縁膜１０６Ａ及び第１上層絶縁膜１０６Ａの表面に取り付けられたヒータ１０５と第２熱電素子１０３Ｂとは、第２上層絶縁膜１０６Ｂで覆われている。また、サーモパイル１０３及びヒータ１０５の上方には、放熱体１０８及び吸熱体１０９が形成されている。放熱体１０８は、ヒータ１０５から延びるように形成された柱状脚部１０８Ａと、柱状脚部１０８Ａに支持される放熱天板部１０８Ｂとを備えている。放熱天板部１０８Ｂは、柱状脚部１０８Ａに固定されて略水平に配置されており、放熱体１０８は、ヒータ１０５に接触してヒータ１０５と熱的に接続されている。
【０１２８】
吸熱体１０９は、支持脚部１０９Ａと、支持脚部１０９Ａに支持される吸熱天板部１０９Ｂとを備えている。支持脚部１０９Ａは、図２８に示すように、平面視して横長の矩形状を成しており、図２８の上部と下部に配置され、吸熱天板部１０９Ｂを支持している。支持脚部１０９Ａは、図２９（ｂ）に示すように、基板１０１上に直接立設され、基板１０１と接触して基板１０１と熱的に接続されている。
【０１２９】
吸熱体１０９における吸熱天板部１０９Ｂは、略水平に配置された板状体であり、吸熱天板部１０９Ｂは、平面視してマトリクス状に配置された複数の貫通孔１０９Ｂ１，１０９Ｂ１…を有している。また、放熱天板部１０８Ｂにも、平面視してマトリクス状に配置された複数の貫通孔１０８Ｂ１，１０８Ｂ１…が形成されている。放熱天板部１０８Ｂと、吸熱天板部１０９Ｂとは、略同一形状をなしており、平面視して放熱天板部１０８Ｂが吸熱天板部１０９Ｂに被覆されて視認できない関係となっている。また、放熱体１０８における貫通孔１０８Ｂ１，１０８Ｂ１…と、吸熱体１０９における貫通孔１０９Ｂ１，１０９Ｂ１…とは、図２９に示すように、平面視して互いに重なる位置に配置されてもよいし、例えば重ならなくてもよい。
【０１３０】
放熱天板部１０８Ｂと、吸熱天板部１０９Ｂとの間隔ｈ４１は、被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程よりも長い（広い）距離とされている。放熱天板部１０８Ｂと吸熱天板部１０９Ｂの側方には、３本の立体電極３３Ｓが立設されている。立体電極３３Ｓは、図２９（ａ）に示すように、導電膜１０７に接触して立設されている。立体電極３３Ｓには、図２７に示すように、例えばワイヤ３５を介してパッケージ３０の電極３３に電気的に接続されている。
【０１３１】
基板１０１における下側には、断面略台形の空洞部１０１Ａが設けられている。ヒータ１０５、放熱天板部１０８Ｂ、及び吸熱天板部１０９Ｂは、空洞部１０１Ａの上側に位置している。空洞部１０１Ａは、基板１０１上の熱を断熱している。基板１０１における下面側では、空洞部１０１Ａを除いた位置にマスク層１１１が形成されている。マスク層１１１は、第１マスク膜１１１Ａ及び第２マスク膜１１１Ｂを備えている。第１マスク膜１１１Ａは、例えばＳｉＯ２によって構成されている。第２マスク膜１１１Ｂは、例えばＳｉ３Ｎ４によって構成されている。空洞部１０１Ａからは、下層絶縁膜１０２の一部（メンブレン１１２）が露出している。上層絶縁膜１０６、メンブレン１１２、及び基板１０１の空洞部１０１Ａによって断熱部が構成されている。これらの上層絶縁膜１０６、メンブレン１１２、及び基板１０１の空洞部１０１Ａは、いずれも基板１０１に設けられている。また、ヒータ１０５は、断熱部に設けられている。
【０１３２】
次に、第４実施形態に係るガスセンサの製造手順について説明する。第４実施形態に係るガスセンサ１００は、第１実施形態と同様にＭＥＭＳ技術によって製造される。第４実施形態に係るガスセンサ１００を製造する際には第１実施形態におけるガスセンサ１０の基板１１に下層絶縁膜１２、マスク層２６、サーモパイル１３、均熱部１４、ヒータ１５、第１上層絶縁膜１６Ａ、第２上層絶縁膜１６Ｂを形成する工程と同様の工程によって、図３０に示すように、基板１０１に下層絶縁膜１０２、マスク層１１１、サーモパイル１０３、均熱部１０４、ヒータ１０５、及び上層絶縁膜１０６を形成する。
【０１３３】
続いて、スパッタ法を用いて、白金（Ｐｔ）からなる導電膜層を上層絶縁膜１０６の上に成膜する。それから、フォトリソグラフィ技術を用いて、白金（Ｐｔ）からなる導電膜層を所望の形状にパターニングして、導電膜１０７を形成する。また、形成された導電膜１０７によって第１熱電素子１０３Ａと第２熱電素子１０３Ｂは直列接続され、サーモパイル１０３が完成する。
【０１３４】
ここでは、例えば、フォトレジストを２μｍの厚さでスピンコートにより塗布・プリベークする。続いて、所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いて、アライナー又はステッパーで露光した後、現像・ポストベークを行い、所望のパターン形状のフォトレジストを導電膜層上に形成する。このフォトレジストをマスクにして、白金（Ｐｔ）からなる導電膜層をＡｒイオンミリング法にてエッチングする。白金（Ｐｔ）の代わりにアルミニウム、チタン等の金属やアルミニウムシリコン銅（ＡｌＳｉＣｕ）等の合金を用いてもよい。エッチング後、フォトレジストは、酸素プラズマを用いてアッシャーで除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。
【０１３５】
それから、上層絶縁膜１０６及び導電膜１０７上に第１犠牲膜１１３を成膜する。第１犠牲膜１１３としては、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を１．５μｍの厚さで成膜する。なお、第１犠牲膜１１３としては、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の代わりにアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を成膜してもよい。次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第１犠牲膜１１３に所望の形状の放熱体用凹部パターン１１３Ａを形成する。例えば、フォトレジストを１μｍの厚さでスピンコートにより塗布した後、プリベークする。それから、所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いて、アライナー、ステッパー等の露光機で露光した後、現像及びポストベークを行い、フォトレジストパターンを第１犠牲膜１１３上に形成する。このフォトレジストパターンをマスクにして、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第１犠牲膜１１３をエッチングする。第１犠牲膜１１３のエッチングは、例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングにて行う。エッチング後、フォトレジストは、酸素プラズマを用いてアッシャーで除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。
【０１３６】
その後、メッキ法を用いて、銅（Ｃｕ）からなる導電膜層を第１犠牲膜１１３上に成膜する。続いて、ＣＭＰ技術を用いて、図３１に示すように、銅（Ｃｕ）からなる導電膜層を放熱体用凹部パターン１１３Ａに残存させて、放熱体用凹部パターン１１３Ａの内側に放熱体１０８を形成する。
【０１３７】
それから、図３２及び図３３に示すように、第１犠牲膜１１３および放熱体１０８上に第２犠牲膜１１４を成膜する。第２犠牲膜１１４としては、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）を０．６μｍの厚さで成膜する。なお、第２犠牲膜１１４としては、プラズマＣＶＤ法を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）の代わりにアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を成膜してもよい。次いで、フォトリソグラフィ技術を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第２犠牲膜１１４に所望の形状の吸熱体用凹部パターン１１４Ａ、第１コンタクトホール１１４Ｂ及び第２コンタクトホール１１４Ｃを形成する。ここでは、例えば、フォトレジストを１μｍの厚さでスピンコートにより塗布した後、プリベークする。所望のパターンが形成されたフォトマスクを用いて、アライナー、ステッパー等の露光機で露光した後、現像及びポストベークを行い、フォトレジストパターンを第２犠牲膜１１４上に形成する。このフォトレジストパターンをマスクにして、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第２犠牲膜１１４をエッチングする。第２犠牲膜１１４のエッチングは、例えば、ＣＨＦ３ガスを用いた反応性イオンエッチングにて行う。エッチング後、フォトレジストは、酸素プラズマを用いてアッシャーで除去する。アッシャーを用いたドライエッチングの代わりに、有機溶剤、フォトレジスト用剥離液等の薬品を用いたウェットエッチングを用いてもよい。また、第１コンタクトホール１１４Ｂを形成する際には、第２犠牲膜１１４とともに第１犠牲膜１１３もエッチングする。第２コンタクトホール１１４Ｃを形成する際には、第２犠牲膜１１４とともに第１犠牲膜１１３、上層絶縁膜１０６、及び下層絶縁膜１０２もエッチングする。
【０１３８】
その後、メッキ法を用いて、銅（Ｃｕ）からなる導電膜層を第２犠牲膜１１４上に成膜する。続いて、ＣＭＰ技術を用いて、図３２及び図３３に示すように、銅（Ｃｕ）からなる導電膜層を吸熱体用凹部パターン１１４Ａ、第１コンタクトホール１１４Ｂ及び第２コンタクトホール１１４Ｃに残存させて、吸熱体用凹部パターン１１４Ａ、第１コンタクトホール１１４Ｂ及び第２コンタクトホール１１４Ｃの内側に吸熱天板部１０９Ｂ、立体電極３３Ｓ、及び支持脚部１０９Ａを形成する。それから、緩衝フッ酸を用いて、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなる第１犠牲膜１１３及び第２犠牲膜１１４をエッチングする。これにより、図２９に示すように、放熱体１０８と吸熱体１０９が狭ギャップ(距離ｈ４１)だけ離間して対向して形成される。
【０１３９】
その後、基板１０１を裏面からエッチングして空洞部１０１Ａを形成し、下層絶縁膜１０２を露出させる。例えば、図示しないフォトレジストをマスクにして、基板１０１の裏面のマスク層１１１をエッチングする。エッチング終了後、フォトレジストを除去する。それから、マスク層１１１をマスクにして、ＴＭＡＨ又はＫＯＨを用いて基板１０１を結晶異方性エッチングして、下層絶縁膜１０２の一部を露出させる。こうして、図２８及び図２９に示すガスセンサ１００が製造される。
【０１４０】
本実施形態に係るガスセンサ１００は、サーモパイル１０３における温接点と冷接点との差によって生じる起電力の大きさから被検出ガスの濃度を推定することができる。ガスセンサ１００においては、放熱体１０８から放出される熱は、ヒートシンクとなる基板１０１に熱的に接続された吸熱体１０９に吸収される。隣接する放熱天板部１０８Ｂと吸熱天板部１０９Ｂとの間隔ｈ４１は、被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程よりも長い（広い）距離とされている。このため、放熱体１０８から放出される熱は、基板１０１に熱的に接続された吸熱体１０９に吸収される。隣接する放熱天板部１０８Ｂと吸熱天板部１０９Ｂに対する被検出ガスの衝突回数を多くすることができる。したがって、被検出ガスが存在すると放熱体１０８からの熱を吸熱体１０９に効率よく伝達することができるので、ガスセンサ１００の高感度化を図ることができる。
【０１４１】
また、ガスセンサ１００では、放熱天板部１０８Ｂと吸熱天板部１０９Ｂがいずれも略水平に配置されている。このため、放熱天板部１０８Ｂと吸熱天板部１０９Ｂとが向き合う面の面積を大きくとることができる。したがって、放熱体１０８からの熱を吸熱体１０９に効率よく伝達することができる。また、放熱天板部１０８Ｂと吸熱天板部１０９Ｂには、それぞれ多数の貫通孔１０８Ｂ１，１０８Ｂ１…、貫通孔１０９Ｂ１，１０９Ｂ１…が形成されている。このため、放熱天板部１０８Ｂと吸熱天板部１０９Ｂとの間に被検出ガスが流入しやすくなるようにすることができる。
【０１４２】
［第４実施形態の変形例］
次に、第４実施形態の変形例（以下単に「変形例」という）について説明する。図３４に示すように、変形例に係るガスセンサ１１０は、第４実施形態に係るガスセンサ１００と比較して、吸熱体の構造が主に異なっている。以下、吸熱体の構造を中心として変形例に係るガスセンサについて説明する。
【０１４３】
図３４に示すように、ガスセンサ１１０における吸熱体１２０は、支持脚部１２１を備えている。支持脚部１２１Ａは、基板１０１に立設されている。支持脚部１２１には、第１吸熱天板部１２２及び第２吸熱天板部１２３が支持されている。第１吸熱天板部１２２と第２吸熱天板部１２３は、いずれも略水平に配置されている。
【０１４４】
また、第１吸熱天板部１２２と第２吸熱天板部１２３の間に放熱体１０８の放熱天板部１０８Ｂが配置されており、放熱天板部１０８Ｂは、第１吸熱天板部１２２と第２吸熱天板部１２３の間に挟み込まれる位置に配置されている。第１吸熱天板部１２２及び放熱天板部１０８Ｂとの間隔ｈ５１と、放熱天板部１０８Ｂ及び第２吸熱天板部１２３との間隔ｈ５２は、いずれも同じ幅であり、被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程よりも長い（広い）距離とされている。第１吸熱天板部１２２と第２吸熱天板部１２３は、略同一形状を成しており、平面視して第１吸熱天板部１２２が第２吸熱天板部１２３に覆われて視認できない関係となっている。また、平面視して放熱天板部１０８Ｂが第２吸熱天板部１２３に覆われて視認できない関係となっている。
【０１４５】
第１吸熱天板部１２２と第２吸熱天板部１２３には、それぞれ複数の貫通孔１２２Ａ，１２２Ａ…、１２３Ａ，１２３Ａ…が設けられている。これらの貫通孔１２２Ａ，１２２Ａ…、１２３Ａ，１２３Ａ…は、図３４に示すように、平面視して放熱天板部１０８Ｂに設けられた貫通孔１０８Ｂ１，１０８Ｂ１…と重なる位置に配置されてもよいし、例えば重ならなくもよい。
【０１４６】
変形例に係るガスセンサ１１０においては、第１吸熱天板部１２２及び放熱天板部１０８Ｂとの間隔ｈ５１と、放熱天板部１０８Ｂ及び第２吸熱天板部１２３との間隔ｈ５２は、いずれも被検出ガスの平均自由行程よりも短く（狭く）、測定環境の雰囲気ガスの平均自由工程よりも長い（広い）距離とされている。このため放熱体１０８と吸熱体１２０に対する被検出ガスの衝突回数を多くすることができる。したがって、被検出ガスが存在すると放熱体１０８からの熱を吸熱体１２０に効率よく伝達することができるので、ガスセンサ１１０の高感度化を図ることができる。
【０１４７】
また、吸熱体１２０は、２枚の吸熱天板部１２２，１２３を備えており、いずれも放熱天板部１０８Ｂの近傍に配置されている。このため、放熱体１０８と吸熱体１２０とが向き合う面の面積を大きくとることができる。したがって、放熱体１０８からの熱を吸熱体１０９に効率よく伝達することができる。
【０１４８】
なお、上記の変形例では、放熱天板部１０８Ｂを１枚、吸熱天板部１２２，１２３を２枚設けたが、複数の放熱天板部、さらにはより多くの吸熱天板部を設けてもよい。この場合、放熱天板部と吸熱天板部を交互に設けてもよい。あるいは、放熱天板部及び吸熱天板部を垂直方向に沿って立設し、複数の板状体を放熱体と吸熱体とに交互に並べて設けるようにしてもよい。
【０１４９】
以上、本発明の実施形態について、図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。例えば、上記第１実施形態〜第４実施形態、あるいはその変形例に含まれる要素を他の実施形態に含まれる要素と代えてもよいし、他の実施形態に含まれる要素と組み合わせてもよい。
【０１５０】
また、上記実施形態では、温度計測を行うために、サーモパイルを用いているが、抵抗体や赤外線検出素子などを他の温度計測素子によって温度計測を行ってもよい。また、断熱部を形成するに当たり、Ｌｏｗ−Ｋ材料を用いたいわゆるＬｏｗ−Ｋ膜を用いてもよい。また、吸引ポンプなどを用いてパッケージ内に被検知ガスを含むエアを吸引するようにしてもよい。吸引ポンプなどを用いてパッケージ内に被検知ガスを含むエアを吸引することにより、パッケージ内を減圧することができる。
【符号の説明】
【０１５１】
１〜４…ガスセンサモジュール、１０，４０，７０，１００，１１０…ガスセンサ、１１，４１，７１，１０１…基板（ヒートシンク）、１１Ａ，４１Ａ，７１Ａ，１０１Ａ…空洞部、１２，４２，７６，１０２…下層絶縁膜、１３,７３，１０３…サーモパイル（測温部）、１３Ａ，７３Ａ…第１熱電素子、１３Ｂ，７３Ｂ…第２熱電素子、１５，７５，１０５…ヒータ、１６，４７，７２，１０６…上層絶縁膜、１７，４８，７７，１０７…導電膜、１８，７８，１０８…放熱体、１８Ａ…下段放熱体、１８Ｂ…上段放熱体、１９，８１，１０９，１２０…吸熱体、１９Ａ…下段吸熱体、１９Ｂ…上段吸熱体、２１Ｒ右側辺（凹凸部）、２３Ｌ…左側辺（凹凸部）、２８，４９，８０，１１２…メンブレン、３０，６０，９０…パッケージ、３１，６１，９１…パッケージ本体、３２，６２，９２…パッケージ蓋、４３…検出用サーモパイル、４４…検出用ヒータ、４５…参照用サーモパイル、４６…参照用ヒータ、５１…検出用放熱体、５１Ａ…第１板状体、５１Ｂ…第２板状体、５１Ｃ…第３板状体、５２…検出用吸熱体、５２Ａ…脚部、５２Ｂ…傘部、５２Ｃ…孔部、５２Ｅ１…第１検出用突出吸熱体、５２Ｅ２…第２検出用突出吸熱体、５３…参照用放熱体、５４…参照用吸熱体、７８Ａ…柱状体、８２…吸熱体枠体、８３…網状体、８４…吸熱体本体、８４Ａ…棒状体、１０８Ａ…柱状脚部、１０８Ｂ…放熱天板部、１０９…吸熱体、１０９Ａ…支持脚部、１０９Ｂ…吸熱天板部、１０９Ｂ１…貫通孔、１２０Ａ…支持脚部、１２１…支持脚部、１２２…第１吸熱天板部、１２２Ａ…貫通孔、１２３…第２吸熱天板部
【図１】
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【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】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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