(57)【要約】【課題】検出対象ガスの検出感度を高めることができる接触燃焼式ガスセンサ及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板１１と、触媒層１５と、触媒層１５の近傍に設けられた支持体１６Ｂと、基板１１に形成されたヒータ１３及び測温素子１４と熱的に接続された支持体１６Ｂと、を備え、触媒層１５は、支持体１６Ｂに支持されている。【選択図】図１
2019211395.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒層と、
測温素子と、
支持脚及び前記触媒層を支持する支持体からなり、前記測温素子に熱的に接続された支持部材と、
を備えた接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項２】
前記触媒層を加熱する加熱手段を備える請求項１に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項３】
前記測温素子は、サーモパイルである請求項１または２に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項４】
前記支持体は、高熱伝導材料で形成されている請求項１〜３のうちのいずれか１項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項５】
前記支持体の膜厚は、前記触媒層の膜厚よりも薄い請求項１〜４のうちのいずれか１項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項６】
前記支持体には、１つまたは複数の貫通穴が設けられている請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項７】
前記支持体を基板の積層方向に見た際の面積は、メンブレンを前記基板の積層方向に見た際の面積よりも大きい請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項８】
前記触媒層は、前記支持体の表面及び裏面に設けられている請求項１〜７のうちのいずれか１項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項９】
前記触媒層あるいは前記支持体から放出される熱を遮断する遮熱体が設けられている請求項１〜８のうちのいずれか１項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項１０】
前記触媒層のレファレンス層が設けられている請求項１〜９のうちのいずれか１項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項１１】
触媒層を設け、
測温素子を設け、
支持脚及び支持体を備える支持部材を設けて、前記支持部材を前記測温素子に熱的に接続させ、
前記支持体に前記触媒層を支持させる接触燃焼式ガスセンサの製造方法。
【請求項１２】
前記支持体の表面及び裏面で前記触媒層を支持させ、
前記支持体の裏面で前記触媒層を支持させるにあたり、
基板上の上に複数層の犠牲膜を形成し、
前記犠牲膜に沿って前記支持体を設けた後、前記犠牲膜の一部を除去し、
残存する前記犠牲膜に沿って、前記触媒層を成型する請求項１１に記載の接触燃焼式ガスセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、接触燃焼式ガスセンサ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的な接触燃焼式ガスセンサでは、基板上に触媒層及びヒータが設けられている。触媒層は、可燃性ガスの燃焼のための触媒として作用する。ヒータはこの燃焼を促進する。接触燃焼式ガスセンサは、この燃焼の熱量をサーモパイル等の温度測定素子で測定することによって、可燃性ガスの量を検出する（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−９９８０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記特許文献１に記載のガスセンサでは、基板上の小面積領域内に触媒層が設けられている。この触媒層は、可燃性ガスの燃焼のための触媒として作用する。しかし、触媒層が小面積領域内に限られるため、可燃性ガスの燃焼熱を十分に得ることはできない。そのため、検出対象ガスの検出感度を高めることができなかった。
【０００５】
本発明が解決しようとする課題は、検出対象ガスの検出感度を高めることができる接触燃焼式ガスセンサ及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記問題を解決するために、本発明の一態様は、触媒層と、測温素子と、支持脚及び前記触媒層を支持する支持体からなり、前記測温素子に熱的に接続された支持部材と、を備えた接触燃焼式ガスセンサである。
【０００７】
また、本発明の一態様は、触媒層を設け、測温素子を設け、支持脚及び支持体を備える支持部材を設けて、前記支持部材を前記測温素子に熱的に接続させ、前記支持体に前記触媒層を支持させる接触燃焼式ガスセンサの製造方法である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明に係る接触燃焼式ガスセンサ及びその製造方法によれば、検出対象ガスの検出感度を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】第１実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】第１製造工程において接触燃焼式ガスセンサが製造される様子を順に示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図３】第２製造工程において接触燃焼式ガスセンサが製造される様子を順に示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図４】第３製造工程において接触燃焼式ガスセンサが製造される様子を順に示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図５】第４製造工程において接触燃焼式ガスセンサが製造される様子を順に示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図６】第２実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。
【図７】第３実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。
【図８】第３実施形態に係る、第１製造工程における接触燃焼式ガスセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図９】第３実施形態に係る、第２製造工程における接触燃焼式ガスセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。
【図１０】第４実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。
【図１１】第５実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明を適用した接触燃焼式ガスセンサ及びその製造方法について説明する。以下の第１実施形態〜第５実施形態、及び各変形例では、検出対象ガスが水素である場合の例について説明する。なお、検出対象となるガスは、水素以外の可燃性ガスであってもよい。また、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。本発明の説明では、後述する基板からみて触媒層が設けられる向きを上とし、相対する向きを下とする。また、層状、膜状、板状の要素、部材などについて、上側の面を表（おもて）とし、下側の面を裏とする。
【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は、第１実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。図１（Ａ）（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ１は、基板１１を備えている。基板１１は、基板本体１１Ａと絶縁上層１１Ｂと絶縁下層１１Ｄとを備えている。基板本体１１Ａは、熱伝導性に優れた材料からなる。例えば単結晶シリコンによって構成されるが、他の素材で構成されていてもよい。絶縁上層１１Ｂは、基板本体１１Ａの表側に設けられた複数の絶縁膜からなっている。絶縁上層１１Ｂは絶縁性を備え熱伝導性の低い材料、例えばシリコン酸化膜やシリコン窒化膜によって構成されている。絶縁下層１１Ｄは、基板本体１１Ａの裏面に層状に形成されている。基板１１の裏面側には凹部１１Ｃが形成されている。凹部１１Ｃは基板本体１１Ａの一部（図１（Ｂ）に示す略中央部分）と絶縁下層１１Ｄの一部（図１（Ｂ）に示す略中央部分）とをエッチングすることによって形成される。基板１１における絶縁上層１１Ｂのうち、凹部１１Ｃ及び絶縁下層１１Ｄをエッチング後に凹部１１Ｃから露出する部分（図１（Ｂ）に示す略中央部分）はメンブレンＭであり、断熱部ＨＢである。また、基板１１のそれ以外の部分、すなわち、絶縁上層１１Ｂのうち、凹部１１Ｃ及び絶縁下層１１Ｄをエッチング後凹部１１Ｃから露出する部分以外の部分（非露出部）、及び基板本体１１Ａなどが非断熱部ＨＴである。非断熱部ＨＴは、熱伝導性に優れた基板本体１１Ａを備えるとともに、接触燃焼式ガスセンサ１に流入する気体に広く面しているために、その気体の温度の影響を受けて、接触燃焼式ガスセンサ１に流入する気体の温度と同じ温度あるいは近い温度になる。それに対し、断熱部ＨＢは、熱伝導性が低いため、断熱部自身や断熱部に設けられる部材は非断熱部ＨＴと熱的に接続されず、接触燃焼式ガスセンサ１に流入する気体の温度の影響を受けにくい。
【００１２】
基板１１の下面には、ダイボンド材２１が設けられ、更にその下にはベース材３１が設けられている。ダイボンド材２１によって、基板１１はベース材３１に貼り付けられて固定されている。
【００１３】
ベース材３１における基板１１が設けられていない部分に、図１（Ａ）に示すように、３本の電極３２が設けられている。電極３２は、図１（Ｂ）に示すように、ベース材３１を貫通して設けられている。ベース材３１と電極３２との間には、絶縁材３４が充填されている。絶縁材３４によって、ベース材３１と電極３２との間の絶縁が保たれている。ベース材３１には、フィルタ３３が設けられている。ただし、図１（Ａ）において、フィルタ３３のうち、ベース材３１の上方を覆っている部分は図示していない。フィルタ３３は、接触燃焼式ガスセンサ１の上部を覆っている。このため、フィルタ３３は、接触燃焼式ガスセンサ１に設けられた基板１１、ヒータ１３、測温素子１４等も覆っている。フィルタ３３は、気体透過性を有しており、接触燃焼式ガスセンサ１に流入する気体に含まれる塵埃を除去する。フィルタ３３は、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によって構成されている。
【００１４】
絶縁上層１１Ｂを構成する複数の絶縁層の間や上には、均熱膜１７、ヒータ１３、及び測温素子１４が設けられている。均熱膜１７は、熱伝導性と電気伝導性に優れ、例えば多結晶シリコンで形成されている。均熱膜１７は、ヒータ１３や他の部材から部分的に供給される熱を伝達し、均熱膜１７自身の温度分布を均等にする。均熱膜１７は省略してもよい。ヒータ１３及び測温素子１４は、例えば多結晶シリコンによって形成されている。ヒータ１３は、図示しない外部の電源から駆動電流が供給されることにより、昇温する。測温素子１４は、Ｎ型半導体からなる上側測温素子１４ＡとＰ型半導体からなる下側測温素子１４Ｂからなる熱電対を、複数、直列接続したサーモパイルで構成されている。各熱電対の温接点ＨＰは、メンブレンＭ、すなわち断熱部に配置されている。また、各熱電対の冷接点ＣＰは、非断熱部に配置されている。
【００１５】
ヒータ１３の上方であって絶縁上層１１Ｂの上には、支持部材１６が設けられ、更にその上に触媒層１５が設けられている。
【００１６】
支持部材１６は、高熱伝導材料で形成されている。例えば、アルミニウムなどの金属で形成されるが、他の金属またはその他の素材で形成されていてもよい。支持部材１６はヒータ１３及び測温素子１４と触媒層１５とを熱的に接続する。そのためヒータ１３は、触媒層１５を加熱する加熱手段となる。支持部材１６は、横からみると略Ｔ字形状をなしている。
【００１７】
支持部材１６は、支持脚１６Ａと支持体１６Ｂとからなる。支持脚１６Ａは、例えば角柱状をなしており、絶縁上層１１Ｂの上において、基板本体１１Ａに対してほぼ垂直に立てられている。支持体１６Ｂは、例えば、図１（Ａ）に示すように、角部が面取りされた矩形状をなしている。支持体１６Ｂは、上からみたときの面積が、メンブレンＭよりも大きくされている。支持体１６Ｂには、複数の貫通穴１６Ｃがマトリクス状に整列させて形成されている。支持体１６Ｂの貫通穴１６Ｃは、支持体１６Ｂを貫通することなく、支持体１６Ｂの表面が凹んだ凹状の穴部となっていてもよい。
【００１８】
触媒層１５は、支持体１６Ｂによって支持されている。触媒層１５は、貫通穴１６Ｃに入り込んでいる。触媒層１５の膜厚は、支持部材１６における支持体１６Ｂの膜厚よりも厚い。ここでの触媒層１５の膜厚は、触媒層１５の貫通穴１６Ｃに入り込んだ部分を除いた部分の膜厚である。触媒層１５は、検出対象の水素と空気中の酸素を化学反応させる触媒として機能する。触媒層１５で発生した熱は、高熱伝導材料で構成された支持体１６Ｂによって効率よく集められて、支持脚１６Ａ経由で測温素子１４の温接点ＨＰへ伝わる。
【００１９】
絶縁上層１１Ｂの表層には、表面配線１９が設けられている。表面配線１９は、ワイヤ２０を介して電極３２と電気的に接続されている。表面配線１９は、ヒータ１３及び測温素子１４に接続されている。ヒータ１３には、電極３２、ワイヤ２０、及び表面配線１９を介して駆動電流が供給される。ヒータ１３は、図示しない外部の制御装置から供給される駆動電流によって昇温し、触媒層１５を加熱する。測温素子１４の温接点ＨＰは、基板１１における触媒層１５と熱的に接続された位置に設けられている。測温素子１４は、温接点ＨＰと冷接点ＣＰの温度差によって生じる電圧を出力電圧として制御装置に出力する。制御装置は、測温素子から出力される電圧に基づいて、ヒータ１３の加熱温度に対する触媒層１５の上昇温度を計測し、水素の濃度（ガス量）を検出する。
【００２０】
本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ１による水素の検出手順について説明すると、まず、水素の漏れを検査する対象である被検出体（例えば密閉容器）をチャンバ内に設置し、被検出体内に接触燃焼式ガスセンサ１を設置する。次に、チャンバと被検出体の間に水素を充填させ、制御装置によってヒータ１３を昇温させる。そして、測温素子１４から出力される電圧を計測して水素濃度を検出する。
【００２１】
水素の検出過程において、被検出体の中に水素が存在すると、触媒層１５の近傍で、空気中の酸素と水素とが反応して、水が生成される。その際の反応熱により触媒層１５の温度が上昇する。触媒層１５の温度が上昇すると、触媒層１５に熱的に接続された基板１１の非断熱部の温度が上昇する。その一方で、基板１１の断熱部は、メンブレンＭであり、触媒層１５との間で熱的に非接続とされているので、触媒層１５の温度が上昇したとしてもほぼ一定のままである。
【００２２】
測温素子１４は、基板１１の非断熱部（基板１１のメンブレンＭ以外の部分）に温接点ＨＰを設け、断熱部（メンブレンＭ）に冷接点ＣＰを設けて温接点ＨＰと冷接点ＣＰの温度差によって生じる電圧を制御装置に出力する。水素と酸素が反応して触媒層１５の温度が上昇すると、触媒層１５の温度が一定のままである場合と比較して、測温素子１４における温接点ＨＰと冷接点ＣＰの温度差が大きくなり、制御装置に出力される電圧も大きくなる。制御装置は、出力された電圧に基づいて、被検出体の中の水素濃度を検出する。制御装置では、触媒層１５が昇温していないときに測温素子１４から出力される電圧と比較した測温素子１４から出力される電圧に基づいて、被検出体の中の水素濃度を検出する。
【００２３】
以上説明した本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ１では、測温素子１４によって触媒層１５の温度を測定することにより、水素濃度を検出する。ここで、触媒層１５は、支持部材１６に設けられ、支持体１６Ｂによって支持されている。支持体１６Ｂは、支持脚１６Ａによって測温素子１４の温接点ＨＰに熱的に接続された状態でほぼ垂直に立てられている。また、支持体１６Ｂは、ヒータ１３に熱的に接続されているので、ヒータ１３の熱を触媒層１５に供給することができる。したがって、触媒層１５を好適に昇温させることができる。また、支持体１６Ｂは、基板本体１１Ａから離れた位置に設けられるので、面積を大きくすることができる。支持体１６Ｂの面積を広くすることにより、触媒層１５における水素や酸素との接触可能面積も大きくすることができる。触媒層１５における水素や酸素との接触可能面積を大きくすることにより、水素と酸素の反応熱をより増大させることができるので、検出対象ガスの検出感度を高めることができる。
【００２４】
また、触媒層１５は、ヒータ１３によって昇温されている。このため、触媒層１５による水素と酸素との反応がより活発になるように反応を促進できる。また、ヒータ１３の温度を水の沸点以上の温度、例えば１２０℃に設定すると、触媒層１５の表面に生成した水を気化させることにより、触媒層１５の表面の水膜による反応速度低下を防止できる。したがって、検出対象ガスの検出感度をより高めることができる。また、測温素子１４は、サーモパイルによって構成されている。このため、Ｎ型半導体素子とＰ型半導体素子とを多数直接接続することにより出力電圧を増大させて温度検出を行うことができるので、検出精度を高めることができる。
【００２５】
また、支持脚１６Ａ及び支持体１６Ｂは、高熱伝導材料で構成されている。このため、ヒータ１３による熱を触媒層１５に効率的に伝達することができ、触媒層１５で発生した熱を効率よく集め支持脚１６Ａ経由で測温素子１４の温接点ＨＰに伝達することができる。したがって、水素と酸素の反応熱を効率よく収集することができるので、検出対象ガスの検出感度を高めることができる。
【００２６】
また、支持体１６Ｂの膜厚は、触媒層１５の膜厚よりも薄くされている。このため、触媒層１５の水素や酸素との接触可能面積を大きくすることで、触媒層１５が大型化したとしても、支持体１６Ｂについての熱容量の増大は抑制することができる。したがって、接触燃焼式ガスセンサ１の応答性の悪化を抑制できる。
【００２７】
また、支持体１６Ｂには、多数の貫通穴１６Ｃが設けられている。このため、貫通穴１６Ｃに触媒層１５を進入させて触媒層１５を設けることができるので、触媒層１５と支持体１６Ｂとの密着性が向上し、安定した状態で触媒層１５を支持体１６Ｂに支持させることができる。なお、貫通穴１６Ｃの数は、多数でなく少数でもよいし、単数（１つ）でもよい。このように、貫通穴１６Ｃは、１つまたは複数でよい。
【００２８】
また、支持体１６Ｂを積層方向に見た際の面積は、基板本体１１Ａに設けられたメンブレンＭの面積よりも大きくされている。このため、支持体１６Ｂの面積、ひいては触媒層１５における水素や酸素と接触可能面積をより大きくすることができる。したがって、水素と酸素の反応熱をより大きくすることができるので、検出対象ガスの検出感度を高めることができる。
【００２９】
次に、第１実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ１の製造方法について説明する。図２〜図５は、接触燃焼式ガスセンサの各製造工程において接触燃焼式ガスセンサが製造される様子を順に示す図である。図２〜図５の各図において、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。接触燃焼式ガスセンサ１を製造する際には、まず、図２に示すように、製造後に基板本体１１Ａとなる単結晶シリコン層１１１Ａの上層に３層の絶縁膜層１１１Ｂを設け、下層に２層の絶縁膜層１１１Ｃを設ける。絶縁膜層１１１Ｂ、１１１Ｃは、プラズマＣＶＤ法やＬＰ−ＣＶＤ法などの適宜の方法を用いて製膜する。他の絶縁膜層も同様の手法で製膜することができる。２層の絶縁膜層１１１Ｃは、図１に示す絶縁下層１１Ｄとなる。例えば、３層の絶縁膜層１１１Ｂのうち、上層及び下層はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなり、中層はシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）からなる。また、２層の絶縁膜層１１１Ｃのうち、上層はシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなり、下層はシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）からなる。
【００３０】
続いて、均熱膜１７及び下側測温素子１４Ｂとなる半導体膜を形成する。半導体膜は、例えば多結晶シリコンを減圧ＣＶＤ法で形成し、リン等の不純物をイオン注入法で導入するなどして設けることで形成する。イオン注入後は、ランプアニールを行ってイオンを活性化させてもよい。また、イオン注入の代わりに、拡散炉でリン等の不純物を熱拡散してもよい。また、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で製膜してもよい。他の半導体膜も同様の手法で製膜することができる。
【００３１】
こうして形成した半導体膜を例えばフォトリソグラフィ技術を用いて、パターニングして所望のパターン形状とし、エッチングを行って均熱膜１７及び下側測温素子１４Ｂを形成する。均熱膜１７、下側測温素子１４Ｂ及び絶縁膜層１１１Ｂの上層に絶縁膜層１１１Ｄを製膜する。それから、均熱膜１７及び下側測温素子１４Ｂの上側に、絶縁膜層１１１Ｄを介した上層にヒータ１３及び上側測温素子１４Ａを設け、その上層に絶縁膜層１１１Ｅを製膜する。絶縁膜層１１１Ｂ、１１１Ｄ、１１１Ｅは、図１に示す絶縁上層１１Ｂを形成する。例えば、絶縁膜層１１１Ｄはシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなり、絶縁膜層１１１Ｅはシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）からなる。
【００３２】
続いて、例えばフォトリソグラフィ技術を用いて、絶縁膜層１１１Ｅに所望形状のコンタクトホールパターンを形成し、ヒータ１３及び測温素子１４の一部を露出させる。その後、絶縁膜層１１１Ｅをエッチングする。そして、例えば白金からなる導電膜を例えばスパッタ法で製膜し、エッチング等を行って表面配線１９を設ける。
【００３３】
それから、図３に示すように、絶縁上層１１Ｂ及び表面配線１９の上に、さらに絶縁膜（犠牲膜）層１１１Ｆを形成し、その上面に、フォトリソグラフィ技術を用いて図１に示す支持部材１６を形成するための支持部材用凹部を形成する。なお、例えば、絶縁膜層１１１ＦはＳｉＯ２からなる。続いて、メッキ法により、絶縁膜層１１１Ｆの上面に導電膜を形成する。導電膜は、例えば銅からなる。それから、ＣＭＰ技術によって、支持部材用凹部に導電膜を残存させることによって、支持部材１６を形成する。支持部材１６は、ヒータ１３に対して、１層の絶縁膜層１１１Ｅを介して隣接しているので、ヒータ１３と支持部材１６は熱的に接続され、ヒータ１３の熱が支持部材１６に伝熱されて、支持部材１６の温度はヒータ１３の温度と略同一となる。その後、単結晶シリコン層１１１Ａを下面（裏面）からエッチングして、凹部１１Ｃを形成し、凹部１１Ｃを形成することによって、絶縁上層１１Ｂの一部（図１（Ｂ）に示す略中央部分）をメンブレンＭとした基板本体１１Ａとなる。
【００３４】
続いて、絶縁膜層１１１Ｆをエッチングする。ここでは、例えば、緩衝フッ酸を用いたエッチングを行う。絶縁膜層１１１Ｆと、その下層の絶縁膜層１１１Ｅ及び表面配線１９は、それぞれシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）、シリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）、及び白金（Ｐｔ）からなる。絶縁膜層１１１Ｆと絶縁膜層１１１Ｅとでは、緩衝フッ酸に対するエッチング速度が大きく異なっている。このため、絶縁膜層１１１Ｆをエッチングする際に、絶縁膜層１１１Ｆの下層の絶縁膜層１１１Ｅがエッチングストッパとして機能する。支持体１６Ｂには、マトリクス状に整列した多数の貫通穴１６Ｃが設けられている。緩衝フッ酸は貫通穴１６Ｃから浸入できるので、絶縁膜層１１１Ｆのエッチング時間が短縮される。
【００３５】
絶縁膜層１１１Ｆのエッチングを行うと、図４に示すように、支持部材１６及び表面配線１９が露出した形となる。その後、支持部材１６における支持体１６Ｂの上面において、触媒ペーストの塗布及び焼成を行う。触媒ペーストは、例えば、白金からなる触媒微粒子が担持された多孔質アルミナ粉末と有機ビヒクル（α−テルピネオールとフタル酸ジｎ−ブチル）を混合して製作される。この触媒ペーストを支持部材１６の支持体１６Ｂの表面にディスペンサを用いて塗布した後、例えば７００℃、１時間の条件下においてオーブンで焼成する。こうして、図５に示すように、支持部材１６の支持体１６Ｂに触媒層１５を形成することができる。なお、触媒層１５の焼成は、絶縁膜層１１１Ｆのエッチングを行う前であって、基板本体１１Ａの裏面に凹部１１Ｃを形成した後に行ってもよいし、凹部１１Ｃを形成する前に行ってもよい。
【００３６】
その後は、絶縁下層１１Ｄの下面をダイボンド材２１でベース材３１に貼り付けて固定し、ワイヤ２０を介して表面配線１９や電極３２を接続する。そして、フィルタ３３によって基板１１及び基板１１に搭載されたヒータ１３、測温素子１４、及び触媒層１５など覆う。こうして、接触燃焼式ガスセンサ１が完成する。
【００３７】
このように、接触燃焼式ガスセンサ１を制作する際に、絶縁膜（犠牲膜）を設けて支持部材１６及び支持体１６Ｂに支持される触媒層１５を設けている。このため、容易かつ精度よく支持部材１６及び触媒層１５を製造することができる。基板１１上の銅などを積層させて支持部材１６を設けることにより、基板１１を製作する工程の流れで支持部材１６及び触媒層１５を製造することができる。したがって、クリーンルーム内に設置された高精度な微細加工設備を用いた製造工程で接触燃焼式ガスセンサ１を製造することができるため、高品質、高歩留まり、低コストで大量生産を行うことが可能となる。
【００３８】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図６は、第２実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサを示す図であり（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。図６（Ａ）（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ２は、上記第１実施形態と比較して、基板１１と支持体１６Ｂとの間に、遮熱体４０が設けられている点において、主に異なっている。
【００３９】
遮熱体４０は、基板１１にほぼ垂直に立てられた遮熱体支持脚４１によって支持されている。遮熱体４０は、図６（Ａ）に示すように、薄板状であり、その厚さは、支持体１６Ｂの厚さと略同一とされている。また、遮熱体４０と遮熱体支持脚４１は、一体的に成型されている。
【００４０】
遮熱体４０には、複数の貫通穴４２が設けられている。複数の貫通穴４２は、複数の貫通穴１６Ｃと同様、マトリクス状に整列した状態で形成されている。上から見たとき、遮熱体４０と支持体１６Ｂが重なる領域において、遮熱体４０に設けられた貫通穴４２は、支持体１６Ｂに設けられた貫通穴１６Ｃと位置が一致するように形成されている。なお、それぞれ貫通穴４２は、それぞれの貫通穴の位置は必ずしも一致させなくてもよい。
【００４１】
遮熱体支持脚４１の一部は、基板１１に熱的及び電気的に接続されている。また遮熱体４０及び遮熱体支持脚４１は、いずれも熱伝導性と導電性に優れた材料、例えば銅などの金属で構成されている。ワイヤ２０の一端は電極３２に接続され、もう一端は表面配線１９に電気的に接続されている。図示しない制御装置から供給される駆動電流はワイヤ２０を介して、ヒータ１３に供給される。
【００４２】
以上説明した本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ２は、上記第１の実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ１と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ２は、遮熱体４０を備えており、遮熱体４０は、触媒層１５及び支持体１６Ｂと測温素子１４との間に介在されている。このため、遮熱体４０は、触媒層１５及び支持体１６Ｂから放出される熱を遮断し、触媒層１５から測温素子１４への直接的な熱の移動、特に、輻射熱や対流による熱の移動を抑制することができる。したがって、測温素子１４では、適切な冷接点ＣＰ及び温接点ＨＰ間における温度に基づく触媒層１５の温度の検出を行うことができる。また、遮熱体４０は、測温素子１４のシールドとしても機能し、ノイズを低減できる。したがって、触媒層１５の温度、さらには、検出対象ガスの検出感度をさらに高くすることができる。
【００４３】
また、遮熱体４０は、熱伝導性に優れた遮熱体支持脚４１を介して基板１１に設けられている。このため、遮熱体４０の温度を基板１１の温度に非常に近づけることができる。したがって、遮熱体４０による触媒層１５から基板１１への熱の移動をより好適に遮蔽することができる。その結果、触媒層１５の温度の検出精度、さらには、検出対象ガスの検出感度をさらに高くすることができる。
【００４４】
［第３実施形態］
続いて、第３実施形態について説明する。図７は、第３実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。図７（Ａ）（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ３は、上記第１実施形態と比較して、支持体１６Ｂの上面と下面（表面と裏面）の両方に触媒層５０が設けられている点で、上記第１の実施形態と主に異なっている。
【００４５】
図７（Ｂ）に示すように、触媒層５０は、支持体１６Ｂの上面及び下面に設けられている。このうち、上面側に設けられた触媒層５０は、略四角形をなす断面の上辺が面取りされた形状をなしている。また。触媒層５０のうち、支持体１６Ｂの上側に設けられ部分の厚さと下側に設けられた部分の厚さは略同一である。触媒層５０は、支持体１６Ｂの外周辺よりも外側まではみ出し、支持体１６Ｂを完全に包含するように形成されている。支持体１６Ｂの下面において、触媒層５０は、支持脚１６Ａと支持体１６Ｂとが接合する部分を取り囲むように設けられている。また、触媒層５０は、支持体１６Ｂに設けられた貫通穴１６Ｃを通過して、支持体１６Ｂの上面と下面との間を接合している。
【００４６】
また、本実施形態では、基板１１の態様が第１実施形態とわずかに異なっている。具体的には、基板本体１１Ａに設けられる凹部１１Ｃの断面は、第１実施形態では略台形状であるのに対して、本実施形態では、略矩形状である。また、基板本体１１Ａの下側には絶縁下層は設けられておらず、基板本体１１Ａの下面が直接ダイボンド材２１によってベース材３１に貼り付けられて固定されている。
【００４７】
以上説明した本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ３は、上記第１の実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ１と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ３は、支持部材１６における支持体１６Ｂの上面（表面）及び下面（裏面）の両側で触媒層５０が設けられている。このため、触媒層５０における水素や酸素との接触可能面積をさらに広くすることができる。したがって、水素と酸素の反応熱をより大きくすることができるので、検出対象ガスの検出感度を高めることができる。また、触媒層５０が支持体１６Ｂを包み込む形で一体形成されているため、触媒層５０の支持体１６Ｂからの剥離などの不具合を大幅に低減できる。
【００４８】
次に、本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ３の製造方法について、特に特徴的な触媒の製造部分を中心として説明する。接触燃焼式ガスセンサ３を製造する際、図２に示す部分までは、第１の実施形態における接触燃焼式ガスセンサ１を製造する工程と共通である。
【００４９】
続いて、上記第１の実施形態では、図３に示す絶縁膜（犠牲膜）層１１１Ｆを１層形成するが、本実施形態では、図８に示すように、第１犠牲膜層１２１、第２犠牲膜層１２２、及び第３犠牲膜層１２３を設ける。第１犠牲膜層１２１及び第３犠牲膜層１２３は、例えばシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）からなり、第２犠牲膜層１２２は、例えばシリコン窒化膜（Ｓｉ３Ｎ４）からなる。第３犠牲膜層１２３は、支持体１６Ｂの下側に設けられる触媒層５０と同じ厚さにしておく。それから、第１の実施形態において、絶縁膜層１１１Ｆをエッチング等をするのと同様に、第１犠牲膜層１２１、第２犠牲膜層１２２、及び第３犠牲膜層１２３をエッチング等をして、エッチングによって形成された凹部に沿った形状の支持部材１６を設ける。
【００５０】
その後、第３犠牲膜層１２３を除去し、図９に示すように、支持体１６Ｂの上面（表面）及び下面（裏面）に対して、触媒ペースト１５Ａの塗布及び焼成を行い、触媒層５０を設ける。触媒ペースト１５Ａを塗布する際、支持体１６Ｂに塗布した触媒ペーストが、第２犠牲膜層１２２の表面に到達するように、触媒ペーストの塗布膜厚、面積、密度、及び粘度、さらには、貫通穴１６Ｃのサイズ、個数、配置を調整する。こうして、第２犠牲膜層１２２の表面に沿って触媒層５０を成型する。その後、オーブンで焼成することによって、触媒層５０を設ける。その後は、適宜のタイミングで第２犠牲膜層１２２及び第１犠牲膜層１２１を除去する。なお、触媒ペーストの塗布及び焼成は複数回行ってもよい。
【００５１】
このように、第３の実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ３を製造するにあたり、触媒層５０を支持体１６Ｂの下面（裏面）に製造する場合に、触媒層５０の厚みに応じた犠牲膜層（第３犠牲膜層１２３）を形成しておく。このため、支持体１６Ｂの下面に触媒層５０を製造する際の触媒層５０の厚さを容易に調整することができる。
【００５２】
［第４実施形態］
続いて、第４実施形態について説明する。図１０は、第４実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。図１０（Ａ）（Ｂ）に示すように、本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ４は、上記第１実施形態と比較して、ガスセンサ本体のほかに、触媒のレファレンスが設けられた参照用ガスセンサが設けられている点と、ヒータ６１が支持部材の役割も兼ねている点で、上記第１の実施形態と主に異なっている。
【００５３】
図１０に示すように、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ４は、ガスセンサ本体６０と、レファレンス装置７０とを備えている。ガスセンサ本体６０とレファレンス装置７０は、ベース材３１上において並んで設けられており、いずれもフィルタ３３によって覆われている。
【００５４】
ガスセンサ本体６０は、上記第１実施形態の接触燃焼式ガスセンサ１と同様の基板１１、測温素子１４、及び均熱膜１７等を備えている。また、ガスセンサ本体６０は、ヒータ６１及び触媒層６２を備えている。ヒータ６１は、触媒層６２を昇温させるとともに、触媒層６２内部の温度を均一にする作用を備えている。ヒータ６１は、例えば、白金（Ｐｔ）によって構成されている。なお、ヒータ６１は、白金に代えて、Ｔｉ、Ｗ、Ｍｏ、Ｃｒ。Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の金属で構成されていてもよいし、ＴｉＳｉ、ＷＳｉ、ＭｏＳｉ、ＴａＳｉ、ＣｒＳｉ、ＮｉＳｉ等のシリサイド、あるいはＮｉＣｒ、ＡｉＣｕ等の合金を用いてもよい。また、他の実施形態におけるヒータ等においても、これらの金属、シリサイド、合金等を用いてもよい。
【００５５】
触媒層６２は、上記の各実施形態と同様、白金（Ｐｔ）からなる触媒微粒子が担持された多孔質アルミナ粉末と有機ビヒクル（α−テルピネオールとフタル酸ジｎ−ブチル）を混合して製作した触媒ペーストを塗布及び焼成することによって形成されている。触媒層６２は、略Ｔ字形状をなし、脚部と、板状をなす板部を備えている。図１０（Ｂ）に示すように、触媒層６２における脚部の周囲及び板部の下面側には、ヒータ６１が密着している。このため、ヒータ６１も脚部と板部を備えている。ヒータ６１は、触媒層６２の支持体としても機能する。
【００５６】
ヒータ６１の脚部は、測温素子１４の間に配置され、基板１１の絶縁上層１１Ｂから上方向にほぼ垂直に立てられている。また、板部の外側端部は、表面配線１９と電気的に接続されている。表面配線１９を介してヒータ６１に駆動電流が供給される。また、ヒータ６１における外側縁辺は、触媒層６２によって覆われている。
【００５７】
レファレンス装置７０は、ガスセンサ本体６０と比較して、触媒層６２に代えて、触媒層６２の略同一形状のレファレンス層７１を備えている。それ以外の点において、レファレンス装置７０は、ガスセンサ本体６０とほぼ同一の構成を有している。レファレンス装置７０におけるレファレンス層７１の脚部周囲及び板部の下面側には、ガスセンサ本体６０の触媒層６２と同様に、ヒータ６１が密着している。レファレンス層７１は、多孔質アルミナ粉末と有機ビヒクル（α−テルピネオールとフタル酸ジｎ−ブチル）を混合して製作したペーストを塗布及び焼成することによって形成されている。要は、レファレンス層７１は、白金（Ｐｔ）からなる触媒微粒子を担持していない点で、触媒層６２と異なる。
【００５８】
また、ガスセンサ本体６０及びレファレンス装置７０は、ダイボンド材２１によってベース材８１に貼り付けられて固定されている。ベース材８１は、上方が開口する箱型をなしている。上方の開口部にはフィルタ８２が設けられている。ベース材８１の下面には電極８３が形成されている。電極８３は制御装置と接続される。
【００５９】
以上説明した本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ４は、上記第１の実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ１と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ４は、ガスセンサ本体６０と、触媒層６２のレファレンス層７１を有するレファレンス装置７０を備えている。このため、ガスセンサ本体６０における出力電圧と、レファレンス装置７０における出力電圧を比較することにより、環境温度や湿度当に起因するドリフトを大幅に低減できるので、水素を検出する際の再現性を高めることができる。
【００６０】
また、ガスセンサ本体６０及びレファレンス装置７０におけるヒータ６１は、いずれも基板本体１１Ａにおける絶縁上層１１Ｂに浸み込んでいる。このため、ヒータ６１が基板本体１１Ａから剥がれにくくなるようにすることができる。また、ヒータ６１に多数の貫通穴が形成されていることにより、触媒層６２やレファレンス層７１がヒータ６１から剥がれにくくなるようにすることができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、ガスセンサ本体６０は、ヒータ６１が支持体として機能しているが、上記各実施形態と同様、基板にヒータを設け、基板に熱的に接続された支持体に触媒を設けたガスセンサ本体を設けるようにしてもよい。この場合のレファレンス装置は、基板にヒータを設け、そのヒータと熱的に接続されているがヒータとしては機能しない支持体に、白金触媒微粒子を担持していないレファレンス層を形成するとよい。
【００６２】
［第５実施形態］
続いて、第５実施形態について説明する。図１１は、第５実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサの側断面図であり、（Ａ）は、平面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。図１１に示すように、本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ５は、上記第１実施形態と比較して、触媒層９０が基板の裏面側に設けられている点において主に異なっている。
【００６３】
図１１（Ｂ）に示すように、接触燃焼式ガスセンサ５では、触媒層９０が、基板１１を介してヒータ１３及び測温素子１４の反対側（基板１１の裏側）に設けられている。触媒層９０は、支持体９１によって支持されている。支持体９１は、支持脚９２によって基板１１における凹部１１Ｃにほぼ垂直に立てられている。支持体９１の凹凸は、基板１１の裏面側の凹凸に沿っており、凹部１１Ｃが形成されている部分が突出する形状をなしている。支持体９１は、基板１１の裏面側のほぼ全域にわたって形成されており、積層方向に見て、凹部１１Ｃよりも広い面積とされている。なお、ベース材８１、フィルタ８２及び電極８３については、ベース材８１に段差が設けられていない点を除いて、上記第４の実施形態と同様の構成を有している。
【００６４】
以上説明した本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ５は、上記第１の実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ１と同様の作用効果を奏する。また、本実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサ５は、触媒層９０が、基板１１を介してヒータ１３及び測温素子１４の反対側に設けられている。このため、触媒層９０を設ける側にヒータ１３等の他の素子を設ける必要がないので、触媒層９０を大きくするためのスペースを確保しやすくすることができる。
【００６５】
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。
【００６６】
例えば、冷接点ＣＰと温接点ＨＰの温度差を計測する素子としては、サーモパイルからなる測温素子以外の測温素子でもよい。例えば、単一の熱電対で構成してもよい。あるいは、抵抗体や赤外線検出素子等の素子を用いてもよい。また、上記の各実施形態では、ヒータを設けているが、ヒータを設けることなく、触媒層を加熱するようにしてもよい。あるいは、触媒と検出対象ガスの種類によっては、触媒層における検出対象ガスと空気中の物質との反応が進み触媒層の温度が変化するのであれば、ヒータを設ける必要はない。
【００６７】
また、例えば、上記の第１の実施形態では、支持体１６Ｂに貫通穴１６Ｃを設けているが、貫通穴１６Ｃや貫通穴に代わる凹部などを設けなくてもよい。また、支持体１６Ｂを基板の積層方向に見た際の面積は、凹部１１Ｃを基板１１の積層方向に見た際の面積よりも小さくなるか、同等であるようにしてもよい。また、上記各実施形態や変形例の各要素は、他の実施形態における要素と置き換えたり入れ替えたり、あるいは他の実施形態に付け加えたりしてもよい。
【符号の説明】
【００６８】
１〜５…接触燃焼式ガスセンサ、１１…基板、１１Ａ…基板本体、１１Ｂ…絶縁上層、１１Ｃ…凹部、１１Ｄ…絶縁下層、１３，６１…ヒータ、１４…測温素子、１５，５０，６２，９０…触媒層、１６…支持部材、１６Ａ，９２…支持脚、１６Ｂ，９１…支持体、１６Ｃ…貫通穴、１７…均熱膜、１９…表面配線、２０…ワイヤ、２１…ダイボンド材、３１，８１…ベース材、３２，８３…電極、３３，８２…フィルタ、３４…絶縁材、４０…遮熱体、４１…遮熱体支持脚、４２…貫通穴、６０…ガスセンサ本体、７０…レファレンス装置、７１…レファレンス層、１１１Ａ…単結晶シリコン層、１１１Ｂ，１１１Ｃ，１１１Ｄ，１１１Ｅ…絶縁膜層、１１１Ｆ…絶縁膜（犠牲膜）層、１２１…第１犠牲膜層、１２２…第２犠牲膜層、１２３…第３犠牲膜層、Ｍ…メンブレン、ＣＰ…冷接点、ＨＰ…温接点
【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】
2019211395.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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