(57)【要約】【課題】既存のＭＥＭＳ構造を有するガスセンサは，ダイアフラム２上に，ヒーターパターン５，絶縁層，検出電極パターン，更にその上にガス感応層が重ねられた多層構造からなっているため素子温度のスイッチングで疲労が発生して破損してしまう欠点がある。本発明の目的はマイクロマシーニング技術を利用して大量生産が可能で，低消費電力の加熱手段，機械的特性，耐熱衝撃性及び耐久性などの特性に優れたガスセンサの構造を提供することにある。【解決手段】シリコン基板とＳｉＯ２層及びＳｉＮｘ層等からなるダイアフラム構造体（図１）において，該ダイアフラム部の一部を除去して形成される４本のブリッジ１３を有するブリッジ構造体（図４）であって，該ブリッジ構造体中央の４本のブリッジで支えられたステージ１４上に１対の電極とヒーターを同一平面上に形成し，電極部分の上部にはガス感応膜を形成したことを特徴とするガスセンサの構造を提供する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン基板とＳｉＯ２層及びＳｉＮｘ層等からなるダイアフラム構造体において，該ダイアフラム部の一部を除去して形成される４本のブリッジを有するブリッジ構造体であって，該ブリッジ構造体中央の４本のブリッジで支えられたステージ上に１対の電極とヒーターを同一平面上に形成し，電極部分の上部にはガス感応膜を形成したことを特徴とするガスセンサの構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロマシーニング技術を利用したガスセンサの構造に関するものである。詳しくは，マイクロマシーニング技術を利用してブリッジ構造を形成し，そのブリッジ構造上に電極とヒーター及びガス感応層を設けたガスセンサの構造に関すものである。
【背景技術】
【０００２】
一般にセラミックガスセンサは，目的のガスを検出し濃度表示出力，警報出力あるいは制御信号を出力する機器に使用されている。ガスセンサが特定のガスに曝される時，ガス感応物質であるセラミックの電気伝導度の変化あるいは起電力の発生が生じ，その値から目的ガスの存在及びガス濃度を検出することができる。この種のガスセンサは，他のセンサに比べて消費電力が非常に大きい。従って，セラミックガスセンサの応用範囲を拡大するためには，小さいエネルギーでセンサ温度を維持できる低電力型のセラミックガスセンサを提供することは非常に意義がある。
【０００３】
従来のガスセンサは，絶縁セラミック基板の片面あるいは両面を利用して，電極とヒーターを形成し電極面にはガス感応物質を印刷又は塗布したセンサ素子をリード線により宙づりにした構造であった。この構造では，十分な低消費電力化を実現するのは困難であった。
【０００４】
一方、最近従来のセラミックセンサの小型化が進み印刷タイプや薄膜タイプも出現していると同時に，極細の貴金属線コイルにガス感応セラミック粉体を塗布した極低電力型も出現してきた。しかし，従来のセラミック粉体を立体的なコイルに塗りつけたセンサは粉体と電極兼用のコイルとの剥離が発生するなど欠点も見られる。また，依然として宙づり構造であるので振動や衝撃に弱い。
【０００５】
その他の動きとして，シリコンのマイクロマシーニング技術を利用してダイアフラム２を形成し，その上にマイクロヒーターを，更にその上に絶縁層を介して検出用電極を設け，さらにガス感応層を設けたＭＥＭＳ構造を有するガスセンサも出現している。ＭＥＭＳ型の構造を有するガスセンサ（図２）は，大量生産に向きコスト的にも低価格を実現できる可能性がある。しかし，機械的な特性、耐熱衝撃性、耐久性などの特性でまだ実用化の段階に達することが困難な実情である。例えば，昨今自動車の空質の制御用にガスセンサが使用されるようになったが，未だに従来型のセラミックガスセンサが使用されているのはＭＥＭＳ型ガスセンサの信頼性が自動車の信頼性のレベルに達していないからである。
【特許文献１】１０−２００１−００３７６５５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のセンサとは異なり，ＭＥＭＳ型の構造を有するガスセンサは，大量生産に向きコスト的にも低価格を実現できる可能性がある一方で，現状のＭＥＭＳガスセンサは上述のように自動車の信頼性基準に達していない。既存のＭＥＭＳ構造を有するガスセンサは，図２と図３に示す用にＳｉＯ２層とＳｉＮｘ層等から構成されるダイアフラム２上に，ヒーターパターン５，絶縁層，検出電極パターン，更にその上にガス感応層が重ねられた多層構造からなっている。ダイアフラム２中に応力が残らないように最適な設計を行ったとしても，その上に構成される金属のヒーターパターン５や絶縁層６を介しての検出電極パターン７は，温度変化による線膨張率が遙かに大きいため，室温と高温の素子温度の間でスイッチングすると疲労が発生して破損してしまう欠点がある。この試験は，自動車用のガスセンサには標準的に課され傾向にある。従って、本発明の目的はマイクロマシーニング技術を利用して大量生産が可能で，低消費電力の加熱手段，機械的特性，耐熱衝撃性及び耐久性などの特性に優れたガスセンサの構造を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
シリコン基板とＳｉＯ２層及びＳｉＮｘ層等からなるダイアフラム構造体（図１）において，該ダイアフラム部の一部を除去して形成される４本のブリッジ１３を有するブリッジ構造体（図４）であって，該ブリッジ構造体中央の４本のブリッジで支えられたステージ１４上に１対の電極とヒーターを同一平面上に形成し，電極部分の上部にはガス感応膜を形成したことを特徴とするガスセンサの構造を提供する。
【発明の効果】
【０００８】
従来のＭＥＭＳ構造を有するガスセンサは，シリコン基板上に形成されたＳｉＯ２層とＳｉＮｘ層等からなるダイアフラム構造の上に多層構造的に，ヒーターパターン４と検出電極５を絶縁層６を介して積み上げる構造であるため，センサの使用に当たって，与えられる熱衝撃や機械的衝撃に弱い構造であった。一方，本発明のガスセンサの構造は，図４，図５−ａ及び図５−ｂに見られるようにブリッジ構造とし更にヒーター４と検出電極５を同一平面上に設けたことにより，それぞれの部分にて発生する応力を緩和することができ，熱衝撃や機械的衝撃に耐えうる構造を与えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
シリコン基板とＳｉＯ２層及びＳｉＮｘ層等からなるダイアフラム構造体において，該ダイアフラム部の一部を除去して形成される４本のブリッジ１３を有するブリッジ構造体（図４）であって，該ブリッジ構造体中央の４本のブリッジ１３で支えられたステージ１４上に１対の電極５とヒーター４を同一平面上に形成し，電極部分の上部にはガス感応膜を形成したことを特徴とするガスセンサの構造を適用することである。
【実施例１】
【００１０】
実施例１を，図面を参照して説明する．図４は本発明のガスセンサの構造を上方から見た図である。また，図５−ａと図５−ｂはそれぞれＡ−Ａ’及びＢ−Ｂ’の断面図である。シリコン基板上にＳｉＯ２層とＳｉＮｘ層等からなるダイアフラム２を形成した後，Ｐｔ層を形成し，ヒーターパターン４と電極パターン７をドライエッチングにより形成する。その後，保護層８を形成し，電極のパターン５の一部とワイヤーボンディング用パッド３の部分のみ露出させる。更にその後電極の露出部分にガス感応層７を形成する。今回は，ガス感応層は専用ゾルをスピンコーティングで塗膜とし，乾燥することとでゲル化する通常のゾルゲル法で形成した。ガス感応層の形成は，ゾルを適当量滴下する滴下法でも形成できる。また，原料はゾルでなくとも超微粒子から構成される粉体の懸濁物を用いても良い。ガス感応層７が形成された後に，ダイアフラム上面より４本のブリッジ１３と中央のステージ１４を残すようにドライエッチング装置によりエッチングを行う。ダイアフラム２上に貫通孔９が形成された後，裏面から窓１０のドライエッチング加工を行う。窓１０の加工は，ウエットエッチングで行うこともできる。
【実施例２】
【００１１】
実施例２を，図面を参照して説明する．図６は実施例２のガスセンサの構造を上方から見た図である。また，図７−ａと図７−ｂはそれぞれＣ−Ｃ’及びＤ−Ｄ’の断面図である。シリコン基板上にＳｉＯ２層とＳｉＮｘ層等からなるダイアフラム２を形成した後，Ｐｔ層を形成し，ヒーターパターン４と検出電極パターン５をドライエッチングにより形成する。その後，保護層を形成し，電極のパターンの一部１１とワイヤーボンディング用パッド３の部分のみ露出させる。更にその後電極の露出部分にガス感応層７を形成する。今回は，ガス感応層７は専用ゾルをスピンコーティングで塗膜とし，乾燥することとでゲル化する通常のゾルゲル方で形成した。ガス感応層の形成は，ゾルを適当量滴下する滴下法でも形成できる。また，原料はゾルでなくとも超微粒子から構成される粉体の懸濁物を用いても良い。ガス感応層が形成された後に，ダイアフラム上面より４本のブリッジと中央のステージを残すようにドライエッチング装置によりエッチングする。ダイアフラム上に貫通孔９が形成された後，ウエットエッチング処理を行いピット部１２を形成する。等方性エッチングガスＸＦ２を用いたガスエッチングによりピット部１２を形成することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００１２】
本発明のガスセンサの構造を有するガスセンサに対して，ヒーター電源のＯＮ−ＯＦＦ試験を行った。その際の条件は，ヒーター電圧１．５Ｖで１０秒間ＯＮ，１０秒間ＯＦＦのサイクルで行い，現在２０万回以上のＯＮ−ＯＦＦサイクルを経ても何ら破損は認められない。充分な耐久性が認められた。以上のことより本発明の構造を有するガスセンサが自動車へ適用できる可能性は大いにある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】ダイアフラム構造体。
【図２】既存のＭＥＭＳ型構造を有するガスセンサの上面図。
【図３】既存のＭＥＭＳ型構造を有するガスセンサの断面図。
【図４】実施例１の上面図。
【図５】ａ：実施例１のＡ−Ａ’断面図。  ｂ：実施例１のＢ−Ｂ’断面図。
【図６】実施例２の上面図。
【図７】ａ：実施例２のＣ−Ｃ’断面図。  ｂ：実施例２のＤ−Ｄ’断面図。
【符号の説明】
【００１４】
１  シリコン
２  ダイアフラム
３  ワイヤーボンディング用パッド
４  ヒーターパターン
５  検出用電極パターン
６  絶縁層
７  ガス感応層
８  保護層
９  貫通孔
１０  窓
１１  ガス感応層塗布部
１２  ピット
１３  ブリッジ
１４  ステージ
【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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