(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロホットプレートの電力効率が向上するＭＥＭＳ技術を用いたマイクロホットプレート、及びこれを用いたＭＥＭＳガスセンサを提供する。【解決手段】マイクロホットプレート２は、シリコン基板のキャビティ６を掛け渡す支持層に電極１０、１１とヒータ８とが設けられている。電極はヒータを取り囲み、かつヒータが電極の内側に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板のキャビティを掛け渡す支持層に電極とヒータとを設けた、マイクロホットプレートであって、
前記電極が前記ヒータを取り囲み、かつヒータが電極の内側に配置されているマイクロホットプレート。
【請求項２】
前記電極は、開口部を有するリング状に、前記ヒータを取り囲み、
前記ヒータは円状もしくは環状の発熱領域を備え、かつ前記開口部から前記ヒータの両端部に接続された一対のヒータリードが引き出されていることを特徴とする、請求項１のマイクロホットプレート。
【請求項３】
前記発熱領域は円状で、前記ヒータは発熱領域内で複数回折り返すと共に、発熱領域の外周に沿う弧状部を備えていることを特徴とする、請求項２のマイクロホットプレート。
【請求項４】
前記電極は対向する少なくとも２個の電極から成り、前記２個の電極は共に前記ヒータをリング状に取り囲み、かつ共通の開口部を備えていることを特徴とする、請求項２または３のマイクロホットプレート。
【請求項５】
前記電極と前記ヒータが、前記支持層を基準として、同じ高さに設けられていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかのマイクロホットプレート。
【請求項６】
シリコン基板のキャビティを掛け渡す支持層に電極とヒータと感ガス層を設けた、MEMSガスセンサであって、
前記電極が前記ヒータを取り囲み、かつヒータが電極の内側に配置され、
さらに前記感ガス層が前記電極を覆っているMEMSガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、MEMS技術を用いたマイクロホットプレート、及びこれを用いたMEMSガスセンサに関し、特にヒータと電極の配置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロホットプレートはガスセンサ等に用いられ、例えばマイクロホットプレートに感ガス層を設けるとガスセンサとなる。感ガス層内の温度分布を小さくするため、ヒータが感ガス層とその電極とを取り囲むこと、即ちヒータを電極の外側に配置することが好ましいとされている（特許文献１：WO2005/012892）。WO2005/012892では、同心円状の３重のヒータの内側に、櫛の歯状の一対の電極と感ガス層とを設ける。  
【０００３】
ヒータを感ガス層の外側に配置することにより感ガス層を均一に加熱する、との原則に従わない例として、特許文献２（US2018/0017516）はヒータの外側に櫛の歯状電極と感ガス層を４対設けることを記載している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】WO2005/012892
【特許文献２】US2018/0017516
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者は、電極がヒータを取り囲むように、即ち、ヒータが電極の内側に位置するように、ヒータと電極を配置すると、マイクロホットプレートの電力効率が改善し、例えば同じ消費電力でより高いガス感度を得ることができることを見出した。
この発明は、マイクロホットプレート及びMEMSガスセンサの電力効率を改善することを課題とする。
【０００６】
この発明のマイクロホットプレートでは、シリコン基板のキャビティを掛け渡す支持層に電極とヒータとが設けられ、電極がヒータを取り囲み、かつヒータが電極の内側に配置されている。
【０００７】
この発明のMEMSガスセンサでは、シリコン基板のキャビティを掛け渡す支持層に電極とヒータと感ガス層を設けられ、電極がヒータを取り囲み、かつヒータが電極の内側に配置され、さらに感ガス層が電極を覆っている。
【０００８】
なおマイクロホットプレートはMEMSガスセンサ以外にも用いることができる。またこの明細書において、マイクロホットプレートに関する記載はそのままMEMSガスセンサにも当てはまる。また以下では、MEMSガスセンサを単にガスセンサという。
【０００９】
図８，図９はヒータを内に電極を外に配置したガスセンサの感度を示し、図１０はヒータを外に電極を内に配置した従来例のガスセンサの感度を示す。これらのガスセンサは同じ消費電力で駆動した。一般にガスセンサでは、感ガス層の温度を増すことにより、イソブタン等の燃料ガスへの感度が増す。図８，図９のガスセンサ（実施例）ではイソブタン感度が発現しているが、図１０のガスセンサ（従来例）ではイソブタン感度は極く僅かである。また図１０のガスセンサではエタノール感度が水素感度よりも遙かに低いが、図８，図９のガスセンサではエタノール感度と水素感度はほぼ同等である。以上のことから、ヒータを内、電極を外に配置し、電極がヒータを取り囲むようにすることにより、マイクロホットプレートの電力効率が向上することが分かる。
【００１０】
好ましくは、電極は開口部を有するリング状に、即ち閉じたリングではなく、開口部を有するリング状に、ヒータを取り囲んでいる。ヒータは円状もしくは環状の発熱領域を備え、かつ開口部からヒータの両端部に接続された一対のヒータリードが引き出されている。ヒータは円状もしくは環状なので、熱は電極側に均一に流れる。また開口部からヒータリードを引き出すことができる。なおこの明細書で、円は円周の意味ではなく、円周とその内部の意味で用いる。
【００１１】
より好ましくは、前記発熱領域は円状で、ヒータは発熱領域内で複数回折り返すと共に、発熱領域の外周に沿う弧状部を備えている。好ましくは、折り返しと折り返しの間で、ヒータは直線状である。複数回折り返しながら発熱領域内を埋めるようにヒータを配置すると、１個の開口部からヒータの両端を引き出すことが難しい。そこで発熱領域の外周に沿う弧状部を設けて、ヒータの両端を同じ開口部から引き出す。
【００１２】
特に好ましくは、電極は対向する少なくとも２個の電極から成り、２個の電極は共にヒータをリング状に取り囲み、かつ共通の開口部を備えている。電極を１個にし、ヒータを他方の電極に兼用することも可能である。しかしこのようにすると、ヒータ内の電位が一定でないため、感ガス層の信号の処理が難しくなる。そこで対向する２個の電極を共にリング状にヒータを取り囲むように配置し、共通の開口部からヒータリードを引き出す。
【００１３】
ヒータ上に絶縁層を介して電極を設ける場合、ヒータと電極は任意に配置できる。これに対して、電極とヒータを支持層を基準として同じ高さに設ける場合、即ち電極とヒータを同時に形成する場合、これらの配置はヒータが外（従来例）か、ヒータが内（本発明）かの何れかに限られる。そしてこの発明は、電極とヒータを支持層を基準として同じ高さに設ける場合に特に適している。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例のマイクロホットプレートの平面図
【図２】第２の実施例のマイクロホットプレートの平面図
【図３】変形例のマイクロホットプレートの平面図
【図４】第３の実施例のマイクロホットプレートの平面図
【図５】図１のマイクロホットプレートを用いたMEMSガスセンサの断面図
【図６】図４のマイクロホットプレートを用いたMEMSガスセンサの断面図
【図７】従来例のマイクロホットプレートの平面図
【図８】図１のマイクロホットプレートを用いたMEMSガスセンサのガス感度を示す図
【図９】図２のマイクロホットプレートを用いたMEMSガスセンサのガス感度を示す図
【図１０】従来例のマイクロホットプレートを用いたMEMSガスセンサのガス感度を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
【実施例】
【００１６】
図１〜図６に実施例のマイクロホットプレート（以下単に「ホットプレート」）2，22，32，42と、それらを用いたガスセンサ40，45を示す。また従来例のホットプレート62を図７に示す。図１〜図６の実施例で、同じ符号は同じものを表し、図１の実施例に関する記載は、特に指摘しない限り、他の実施例にも当てはまる。
【００１７】
図１において、ホットプレート2は図５のSi基板15上の支持層4に設けられている。支持層4は絶縁性で、酸化Si，窒化Si，酸化Siの3層等から成るが、支持層4の材質等は任意である。支持層4はキャビティ6を覆うダイアフラム状であるが、キャビティ6上の架橋部でも良い。ヒータ8の材質は、Pt等の金属でも、ドーピングにより導電性を付与したSi等でも良い。ヒータ8は円形の発熱領域内で複数回折り返し、折り返しと折り返しの間は直線状で、他に図１の左側から右側へ戻る半円形の弧状部19を備えている。またヒータ8の両端は一対のヒータリード9，9として、電極10，11の開口部17から、キャビティ6の外部へ引き出され、図示しないパッド等に接続されている。
【００１８】
ヒータ8の発熱領域（弧状部19を含む）が円形なので、熱はヒータ8から均一に電極10，11側へ流れる。図１のように、折り返しながら図の右から左へヒータ8を発熱領域内に配置し、ヒータ8の左端をヒータリード9に接続するため、弧状部19を設ける。またヒータリード9，9は電極10，11とクロスできないので、共通の開口部17から引き出す。
【００１９】
一対の電極10，11が、開口部17を残して、ヒータ8を２重円状に取り囲み、電極10，11は互いに対向している。電極10，11はクロスできないので、外側の電極11を配置できない領域が生じる。そこで好ましくはこの領域にダミー電極13を設け、電極10，11の外側への放熱量を、位置によらずに一定に近づける。ダミー電極13は設けなくても良い。電極10，11を電極リード12に接続し、キャビティ6の外部へ引き出し、図示しないパッド等に接続する。感ガス層用エリア14に、SnO2，In2O3，WO3等の金属酸化物半導体から成る感ガス層を設ける。感ガス層は電極10，11を覆い、薄い層でも厚い層でも良い。
【００２０】
図２は第２の実施例のホットプレート22を示し、電極10を内側の電極10aと外側の電極10bから成る2重の円周状電極とする。そして電極10a，10b間に、電極11を配置する。他の点では図１の実施例と同様である。
【００２１】
図３のホットプレート32（変形例）では、発熱領域内のヒータ28の配置と弧状部29の配置が、図１，図２での配置と異なる。
【００２２】
図４は第３の実施例のホットプレート42を示し、ヒータ38は環状で弧状部がない。他の点では、図１の実施例と同様である。
【００２３】
図５は図１のホットプレート2を用いたガスセンサ40を示し、感ガス層44は薄膜あるいは厚膜で、SnO2，In2O3，WO3等の金属酸化物半導体から成る。またSi基板15上に支持層4が設けられている。またヒータ8と電極10，11は、同一のマスクで同時に形成され、支持層4を基準として同じ高さにある。またヒータ8，電極10，11の周囲に酸化Si，窒化Si、窒化Ta等の絶縁層16を設けるが、絶縁層16は設けなくても良い。
【００２４】
図６は図４のホットプレート42を用いたガスセンサ45を示し、感ガス層46はリング状で、電極10，11を覆って、ヒータ38の一部が露出している。他の点では、図５のガスセンサ40と同様である。
【００２５】
図７は従来例のマイクロホットプレート62を示し、リング状のヒータ64の内部に一対の櫛の歯状の電極66，67が配置されている。他の点では、図１の実施例と同様である。
【００２６】
ガス感度
SnO2のペーストをマイクロホットプレートの感ガス層用エリア14にディスペンスし、空気中600℃で焼成し、SnO2の厚膜（膜厚約20μm）から成る感ガス層44を成膜し、ガスセンサとした。このガスセンサを感ガス膜が350℃になるように連続的に加熱し、イソブタン、水素、及びエタノールに対し、ガス濃度10ppm及び30ppmでの抵抗値を測定した。いずれのマイクロホットプレートでも、消費電力は同じであった。図１のマイクロホットプレート2を用いた際の結果を図８に、図２のマイクロホットプレート22を用いた際の結果を図９に示す。また図７の従来例のマイクロホットプレート62を用いた際の結果を図１０に示す。結果は何れも5個のガスセンサでの平均である。図のRs/R0はガス中と空気中の抵抗値の比を示す。
【００２７】
図１０（従来例）ではイソブタン感度は極く僅かで、エタノール感度も低い。これに対して図８及び図９の実施例では、イソブタン感度が発現し、エタノール感度は水素感度と同等である。このことは、実施例では従来例に比べ、同じ消費電力で感ガス層44が効果的に加熱されていることを示している。またエタノール感度が高いのでアルコール等の検出に用いることができ、イソブタン感度が有るので炭化水素の検出に用いることもできる。
【符号の説明】
【００２８】
2，22，32，42    マイクロホットプレート
4             支持層
6             キャビティ
8，28          ヒータ
9             ヒータリード
10，11         電極
10a，10b       電極
12            電極リード
13            ダミー電極
14            感ガス層用エリア
15            Si基板
16            絶縁層  
17            開口部
19，29         弧状部
38            ヒータ
40，45         ガスセンサ
44，46         感ガス層
62            マイクロホットプレート
64            ヒータ
66，67         電極  
【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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【手続補正書】
【提出日】令和1年7月25日(2019.7.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板のキャビティを掛け渡す支持層に、２個の電極と、１個のヒータ、及び感ガス層を設けた、MEMSガスセンサであって、
前記２個の電極は円形でかつ開口部を有し、共に前記１個のヒータを取り囲み、かつ互いに対向し、
前記ヒータは前記２個の電極の内側に配置され、かつ前記２個の電極の内側で複数回折り返して円盤状あるいはドーナツ状の発熱領域を構成し、
さらに前記ヒータの両端部に接続された一対のヒータリードが、前記開口部から引き出され、
前記感ガス層は、少なくとも前記２個の電極及び前記電極間の領域を覆っていることを特徴とする、MEMSガスセンサ。
【請求項２】
前記発熱領域は円盤状で、かつ前記ヒータは発熱領域の外周に沿う弧状部を備えていることを特徴とする、請求項１のMEMSガスセンサ。
【請求項３】
前記２個の電極は共通の開口部を備えていることを特徴とする、請求項１または２のMEMSガスセンサ。
【請求項４】
前記２個の電極と前記ヒータが、前記支持層を基準として、同じ高さに設けられていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかのMEMSガスセンサ。