(57)【要約】【課題】容易に、複数種類の気体の濃度を検出できるセンサ又は、気体の濃度を高精度に検出する上でモジュールとして好ましい構造を有するセンサを提供することを目的とする。【解決手段】キャビティを有する半導体基板と、キャビティの上に配置された、ダイアフラム構造からなる第１の検出部及び第２の検出部とを有し、第１の検出部は第２の検出部と異なる材料から構成されていることを特徴とするセンサを提供する。又は、キャビティを有する半導体基板と、キャビティの上に配置された、ダイアフラム構造からなる検出部と、半導体基板を覆うカバーと、半導体基板を搭載する基板を有し、カバーには第１の開口部が配置され、基板には第２の開口部が配置されているセンサを提供する。【選択図】図１
2015072193.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティを有する半導体基板と、
前記キャビティの上に配置された、ダイアフラム構造からなる第１の検出部及び第２の検出部とを有し、
前記第１の検出部は前記第２の検出部と異なる材料から構成されていることを特徴とするセンサ。
【請求項２】
前記第１の検出部は第１の下部電極、第１の固体電解質、第１の検知極、第１の上部電極の順に積層された積層構造を有し、
前記第２の検出部は第２の下部電極、第２の固体電解質、第２の検知極、第２の上部電極の順に積層された積層構造を有しており、
前記第１の検知極と前記第２の検知極の材料が異なることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記第１の検知極は、酸化亜鉛、酸化ニッケル又は酸化タングステンから構成され、
前記第２の検知極は、酸化カドミウム、酸化インジウム又はクロム酸亜鉛から構成されることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
【請求項４】
前記第１の下部電極及び前記第２の下部電極は、白金又は金から構成され、
前記第１の上部電極及び前記第２の上部電極は、白金又は金から構成され、
前記第１の固体電解質及び前記第２の固体電解質はイットリア安定化ジルコニアから構成されていることを特徴とする請求項２又は３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記第１の下部電極、前記第１の上部電極、前記第２の下部電極、前記第２の上部電極は、それぞれ複数の孔を有していることを特徴とする請求項２〜４のいずれか１つに記載のセンサ。
【請求項６】
前記半導体基板を覆うカバーをさらに有し、
前記カバーは第１の開口部を有し、
前記第１の開口部には第１のメッシュ構造体が取り付けられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のセンサ。
【請求項７】
前記半導体基板を搭載する基板をさらに有し、
前記基板は前記基板と前記キャビティが連結するような第２の開口部を有していることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のセンサ。
【請求項８】
前記第２の開口部には第２のメッシュ構造体が取り付けられていることを特徴とする請求項７に記載のセンサ。
【請求項９】
前記基板上における前記第１の検出部と前記第２の検出部の間にはヒータ配線が配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載のセンサ。
【請求項１０】
キャビティを有する半導体基板と、
前記キャビティの上に配置された、ダイアフラム構造からなる検出部と、
前記半導体基板を覆うカバーと、
前記半導体基板を搭載する基板を有し、
前記カバーには第１の開口部が配置され、前記基板には第２の開口部が配置されていることを特徴とするセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ダイアフラムを隔てた２つの空間のそれぞれに存在する気体の濃度差から、検出対象の気体の濃度を検出する気体成分検出装置などのセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の気体成分検出装置などのセンサとして、例えば、特許文献１〜５に記載されている装置がある。特許文献１〜５に共通する技術は、ダイアフラムを隔てた２つの空間のそれぞれに存在する気体の濃度差から、検出対象の気体の濃度を検出するという点にある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１０７０３７号公報
【特許文献２】特開２００１−０５６３１３号公報
【特許文献３】特開平６−２８８９７８号公報
【特許文献４】特開平６−２２２０４０号公報
【特許文献５】特開平４−０６４０５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、特許文献１〜５の開示内容では、１種類の気体の濃度のみを検出するセンサしか提供することができない。また、モジュールとしての利用形態についての開示がない。
【０００５】
そこで、本発明は、容易に、複数種類の気体の濃度を検出できるセンサ又は、気体の濃度を高精度に検出する上でモジュールとして好ましい構造を有するセンサを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のセンサは、キャビティを有する半導体基板と、キャビティの上に配置された、ダイアフラム構造からなる第１の検出部及び第２の検出部とを有し、第１の検出部は第２の検出部と異なる材料から構成されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明のセンサは、キャビティを有する半導体基板と、キャビティの上に配置された、ダイアフラム構造からなる検出部と、半導体基板を覆うカバーと、半導体基板を搭載する基板を有し、カバーには第１の開口部が配置され、基板には第２の開口部が配置されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明のセンサによれば、容易に、複数種類の気体の濃度を検出することができるという効果がある。また、気体の濃度をより高精度に検出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係るセンサの上面図、断面図、拡大図、下面図
【図２】本発明の実施形態に係るセンサをモジュールとして示した図
【図３】図１の変形例を示した図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態に係るセンサについて、図１〜図３を参照して説明する。図１〜図３において、同一部分には同一符号を付し、その説明を適宜省略することがある。また、図１〜図３は好ましい形態の一例を示すものであり、それぞれの形状に限定されるわけではない。
【００１１】
＜実施形態＞
図１、図２を用いて、本発明の実施形態に係るセンサについて説明する。図１（ａ）はセンサの上面図を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図を示し、図１（ｃ）は図１（ｂ）の部位Ａの拡大図を示し、図１（ｄ）は図１（ｂ）の部位Ｂの拡大図を示し、図１（ｅ）は第１の検出部の上面図を示し、図１（ｆ）は第１の検出部の下面図を示している。また、図２はセンサをモジュールとして示した図である。
【００１２】
図１に示すように、該センサ１は、キャビティ２を有する半導体基板３と、キャビティ２の上に配置されたダイアフラム構造からなる第１の検出部４及び第２の検出部５を有し、第１の検出部４は第２の検出部５と異なる材料から構成されている。該センサ１は半導体基板３に配置されたダイアフラム構造からなる第１の検出部４と第２の検出部５からなる検出部を境に上部空間６と下部空間７（キャビティ２に相当）を有している。例えば、上部空間６に検出対象である気体が満ちており、下部空間７に検出対象の気体と同種の気体が満ちているとする。ここで、上部空間６に存在する気体の濃度が変化し、下部空間７に存在する気体の濃度が変化しないとすると、上部空間６と下部空間７の間で気体の濃度差に変化が生じる。この変化を検出部が読み取ることにより、上部空間６に存在する検出対象である気体の濃度を検出部が検出することが可能となる。ここで、検出部を構成する第１の検出部４と第２の検出部５が異なる材料から構成されていれば、第１の検出部４と第２の検出部５は異なる種類の気体の濃度変化を１つのセンサで簡便に検出することが可能となる。
【００１３】
なお、図１に示すように、検出部として、さらに第３の検出部及び第４の検出部を備えていても構わない。つまり、検出部は２種類に限られず、３種類以上あっても構わない。検出部の種類数に応じた種類数の気体を検出することが可能である。
【００１４】
また、図１に示すように、第１の検出部４は第１の下部電極１０、第１の固体電解質１１、第１の検知極１２、第１の上部電極１３の順に積層された積層構造を有しており、第２の検出部５は第２の下部電極１４、第２の固体電解質１５、第２の検知極１６、第２の上部電極１７の順に積層された積層構造を有していることが好ましい。それぞれの検出部が固体電解質と検知極を下部電極と上部電極が挟むコンデンサを構成することで、上部空間６と下部空間７のそれぞれに存在する気体の濃度差に応じた起電力が発生する。該起電力から検出対象となる気体の濃度を容易に検出することが可能である。
【００１５】
また、第１の検知極１２と第２の検知極１６の材料が異なることが好ましく、例えば、第１の検知極１２には、酸化亜鉛（ZnO）、酸化ニッケル（NiO）又は酸化タングステン（WO3）から構成され、第２の検知極１６には、酸化カドミウム（CdO）、酸化インジウム（In2O3）又はクロム酸亜鉛（ZnCr2O3）によって構成されることが考えられる。第１の検知極１２と第２の検知極１６の材料が異なることにより、第１の検出部４と第２の検出部５は異なる気体の濃度を読み取ることが可能となる。また、第１の検知極１２として酸化亜鉛（ZnO）、酸化ニッケル（NiO）又は酸化タングステン（WO3）を用いることにより、例えば、酸化窒素（NOx）といった気体を読み取ることができ、第２の検知極１６として、酸化カドミウム（CdO）、酸化インジウム（In2O3）又はクロム酸亜鉛（ZnCr2O3）を用いることにより、例えば、炭化水素（HCs）といった気体を読み取ることができる。
【００１６】
また、第１の下部電極１０及び第２の下部電極１４は、白金（Pt）又は金（Au）から構成されることが好ましく、第１の上部電極１３及び第２の上部電極１７も同様に、白金（Pt）又は金（Au）から構成されることが好ましく、第１の固体電解質１１及び第２の固体電解質１５はイットリア安定化ジルコニア（YSZ）から構成されることが好ましい。検知極材料とその上部に形成される金属電極との組み合わせによっては、酸化触媒として作用するなどの効果も得られる。例えば、固体電解質にイットリア安定化ジルコニア（YSZ）を使用し、金（Au）電極を有する酸化ニッケル（NiO）の組み合わせが考えられる。
【００１７】
こうした材料を使用することにより、それぞれの検出部の検出機能を向上させることが可能となる。
【００１８】
また、図１に示すように、第１の下部電極１０、第１の上部電極１３、第２の下部電極１４、第２の上部電極１７はそれぞれ複数の孔を有していることが好ましく、多孔質形状であることが好ましい。第１の下部電極１０と第２の下部電極１４に複数の孔が形成されていることにより、第１の固体電解質１１及び第２の固体電解質１５と下部空間７に存在する気体とが接触しやすくなる。また、第１の上部電極１３と第２の上部電極１７に複数の孔が形成されていることにより、第１の検知極１２及び第２の検知極１６と上部空間６に存在する気体とが接触しやすくなる。
【００１９】
なお、図１においては、下部電極１０、１４と上部電極１３、１７が、固体電解質１１、１５及び検知極１２、１６を介して隔てた位置に形成されている。しかし、図３に示すように、下部電極１０、１４が半導体基板３裏面において露出している部分（キャビティ２、下部空間７に露出している部分）では、下部電極１０、１４と上部電極１３、１７がオーバラップしていない場合もある。該構成により、検知極１２、１６表面が、広い面積において、直接的にガスと接触するため、効果的にガスを検知することが可能となる。
【００２０】
また、図２に示すように、センサ１は、半導体基板３を覆うカバー１８をさらに有し、カバー１８は第１の開口部１９を有し、第１の開口部１９には第１のメッシュ構造体２０が取り付けられていることが好ましい。第１の開口部１９を介して検出対象となる気体を第１の検出部４及び第２の検出部５の上面に露出させることが可能となる。ここで、第１の開口部１９がある程度の大きさを有する場合には、ゴミなどのパーティクルがそれぞれの検出部に付着してしまうおそれがある。そこで、第１のメッシュ構造体２０を第１の開口部１９に取り付けることによって、パーティクルが検出部に付着するのを抑制することが可能となる。なお、第１の開口部１９の開口径は数ｍｍ程度の大きさであることが好ましい。また、第１のメッシュ構造体２０の材料としては、例えば、セラミックやステンレスなどが好ましく、メッシュの開口径は数１０μｍ程度の大きさであることが好ましい。
【００２１】
また、図２に示すように、センサ１は半導体基板３を搭載する基板２１をさらに有し、基板２１は基板２１とキャビティ２が連結するような第２の開口部２２を有していることが好ましい。そして、第２の開口部２２には第２のメッシュ構造体２３が取り付けられていることが好ましい。半導体基板３中のキャビティ２内に比較対象となる検出対象と同種類の気体を第１の検出部４及び第２の検出部５の下面に閉じ込めておくことも可能であるが、第２の開口部２２を介して該気体を常に供給できる構成としておいた方が、検出対象が変わったときには、便利である。ここで、第２の開口部２２がある程度の大きさを有する場合には、ゴミなどのパーティクルがそれぞれの検出部に付着してしまうおそれがある。そこで、第２のメッシュ構造体２３を第２の開口部２２に取り付けることによって、パーティクルが検出部に付着するのを抑制することが可能となる。なお、第２の開口部２２の開口径は数ｍｍ程度の大きさであることが好ましい。また、第２のメッシュ構造体２３の材料としては、例えば、セラミックやステンレスなどが好ましく、メッシュの開口径は数１０μｍ程度の大きさであることが好ましい。
【００２２】
また、図２に示すように、第１の開口部１９と第２の開口部２２の径を比較した場合には、第１の開口部１９の開口径の方が大きいことが好ましい。検出対象の気体の変化を瞬時に読み取るためには、第１の開口部１９からの気体の流入量が多い方が好ましい。そのため、第１の開口部１９の開口径を大きくする方が好ましいからである。
【００２３】
また、図２に示すように、半導体基板３を基板２１に搭載する際には、半導体基板３の下面全周囲を覆うように、半導体基板３と基板２１とを接合材２４で固定することが好ましい。上部空間６と下部空間７が完全に隔離されている方が好ましいからである。
【００２４】
また、図１に示すように、半導体基板３上における第１の検出部４と第２の検出部５の間にはヒータ配線２５が配置されていることが好ましい。ヒータ配線２５を設けることにより、検出対象となる気体を高精度に検出可能な温度に設定することが可能となる。
【００２５】
また、第１の検出部４及び第２の検出部５は、物理蒸着法や化学蒸着法などの微細加工技術やゾルゲル法によって容易に形成することが可能である。
【００２６】
また、第１の検出部４及び第２の検出部５はダイアフラム構造であるので、半導体基板３の熱容量を低減することができ、センサ１の応答特性を向上させることが可能である。
【００２７】
また、第１の検出部４、第２の検出部５、第３の検出部８、第４の検出部９の一部を構成する下部電極と接続する下部電極用パッド２７を用意することが好ましい。
【００２８】
また、第１の検出部４、第２の検出部５、第３の検出部８、第４の検出部９の一部を構成する上部電極と接続する上部電極用パッド２８を用意することが好ましい。
【００２９】
また、符号２９は絶縁膜を表し、上部電極と下部電極との絶縁する機能を有する。
【００３０】
なお、図２のようなモジュールにおいて、複数種類の気体の濃度を検出する必要が無い場合には、検出部は１種類のみから構成されていても構わない。例えば、キャビティを有する半導体基板と、キャビティの上に配置された、ダイアフラム構造からなる検出部と、半導体基板を覆うカバーと、半導体基板を搭載する基板を有し、カバーには第１の開口部が配置され、基板には第２の開口部が配置されているセンサなども好ましい形態の一つである。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明のセンサによれば、容易に、複数種類の気体の濃度を検出することができるという効果がある。また、気体の濃度をより高精度に検出することが可能となる。
【符号の説明】
【００３２】
１  センサ
２  キャビティ
３  半導体基板
４  第１の検出部
５  第２の検出部
６  上部空間
７  下部空間
８  第３の検出部
９  第４の検出部
１０  第１の下部電極
１１  第１の固体電解質
１２  第１の検知極
１３  第１の上部電極
１４  第２の下部電極
１５  第２の固体電解質
１６  第２の検知極
１７  第２の上部電極
１８  カバー
１９  第１の開口部
２０  第１のメッシュ構造体
２１  基板
２２  第２の開口部
２３  第２のメッシュ構造体
２４  接合材
２５  ヒータ配線
２６  ヒータ用パッド
２７  下部電極用パッド
２８  上部電極用パッド
２９  絶縁膜
【図１】
2015072193.tif 000003
【図２】
2015072193.tif 000004
【図３】
2015072193.tif 000005