(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板の一側面中央部がダイヤフラム様にくりぬかれた基板面上に支持膜を介して薄膜ヒーターを形成し、その上に電気絶縁層を介して電極（感知膜電極）を形成し、さらにその上に感知膜を形成した薄膜ガスセンサにおいて、
前記感知膜を含む発熱部を半径１００μｍの円内に入る大きさで、ダイヤフラム直径の１／２の円内に入る大きさとするとともに、ガス検知時に前記感知膜に印加する電界強度を１．０×１０5Ｖ／ｍ以下とすることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
【請求項２】
支持膜上に形成された、薄膜ヒーターの上に電気絶縁層を介して電極（感知膜電極）を形成し、その上に感知膜を形成した薄膜ガスセンサにおいて、
前記感知膜を含む発熱部を半径１００μｍの円内に入る大きさとし、ガス検知時に前記感知膜に印加する電界強度を１．０×１０5Ｖ／ｍ以下とすることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電池駆動を想定した低消費電力型薄膜ガスセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にガスセンサは家庭用ガス漏れ警報器などの用途に用いられ、或る特定のガス、例えばＣＯ，ＣＨ4 ，Ｃ3 Ｈ8 ，ＣＨ3 ＯＨ等に選択的に感応するデバイスであり、その性格上高感度，高選択性，高応答性，高信頼性，低消費電力が必要不可欠である。
ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的としたものと、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的としたもの、または、両方の機能を合わせ持ったものなどがあるが、いずれもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。このような事情から普及率をアップさせるべく、設置性の改善、具体的には電池駆動としてコードレス化することが望まれている。
【０００３】
電池駆動を実現するためには低消費電力化が最も重要であるが、従来一般的に用いられる接触燃焼式や半導体式のガスセンサでは、２００℃〜５００℃の高温に加熱し検知する必要がある。このことから、ＳｎＯ2 などの粉末を焼結したものでは、スクリーン印刷等の方法を用いたとしても厚みを薄くするには限界があり、電池駆動に用いるには熱容量が大きすぎる。そこで、ヒーター，感応膜を１μｍ以下の薄膜で形成し、さらに、半導体微細加工プロセスによりダイヤフラム構造などの低熱容量構造とした薄膜ガスセンサの出現が望まれている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ガス漏れ警報器が対象とするＣＯ，ＣＨ4 等の可燃性ガスと酸素との反応は３０ｍｓであるため、ヒーターによる昇温時間は少なくとも３０ｍｓ以内であることが要求される。既存のダイヤフラム構造の低消費電力型薄膜ガスセンサでは、発熱部が半径２００μｍの円を越える大きさであるため、応答に１００ｍｓ以上かかるという問題がある。また、検知電圧を上げるか、または感知膜の長さ（感知膜電極の間隔）を短縮してゆくと、ガス感度が低下するという問題を生じることになる。
【０００５】
通常、ガス漏れ警報器は２０〜６０秒の一定周期に１回の検知が必要であり、この周期に合わせて検知部を室温から２００〜５００℃の高温に加熱する。ヒーターの応答が遅い場合は、ガス検知に遅れが生じ、ヒーターのオン時間をそれだけ長くしなければならない。ヒーターのオン時間を長くすれば、オフ時間も含む平均消費電力が増大し、電池寿命を低下させることになる。発熱部は通常円盤状でダイヤフラムの中心にあると考えた場合、発熱部の半径をｒh 、ヒーターへの投入パワーをＰとすると、発熱部をΔＴだけ昇温するのに要する時間ｔh は、投入時間＝熱容量×温度変化の関係から、
ｔh ＝ＣΔＴｒh 2 ／Ｐ（Ｃ：比例定数）
となり、応答時間ｔh は発熱部の半径の二乗に比例することになる。
【０００６】
一方、ヒーターのオン時投入パワーＰは、定常状態での発熱部からの熱損失で決まる。すなわち、
全熱損失＝支持層からの熱伝導＋ヒーターリードからの熱伝導
＋センサ電極リードからの熱伝導＋ダイヤフラム全表面からの熱伝導
＋ダイヤフラム全表面からの熱放射
であるが、通常は支持層からの熱伝導が支配的である。ダイヤフラムおよび発熱部の寸法のみによる効果を考えると、円形状ダイヤフラムの半径をｒd とするとき、支持層からの熱伝導量Ｑは、
Ｑ＝ＤΔＴ／ｌｎ（ｒd ／ｒh ）（Ｄ：比例定数）
と表わされ、ヒーターのオン時投入パワーＰは、ダイヤフラムと発熱部の半径比ｒd ／ｒh で決まることがわかる。
したがって、この発明の課題は消費電力を低減しつつ、応答時間の短縮化とガス感度の確保を図ることにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題の解決を図るべく、請求項１の発明では、Ｓｉ基板の一側面中央部がダイヤフラム様にくりぬかれた基板面上に支持膜を介して薄膜ヒーターを形成し、その上に電気絶縁層を介して電極（感知膜電極）を形成し、さらにその上に感知膜を形成した薄膜ガスセンサにおいて、
前記感知膜を含む発熱部を半径１００μｍの円内に入る大きさで、ダイヤフラム直径の１／２の円内に入る大きさとするとともに、ガス検知時に前記感知膜に印加する電界強度を１．０×１０5Ｖ／ｍ以下とすることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の発明では、支持膜上に形成された、薄膜ヒーターの上に電気絶縁層を介して電極（感知膜電極）を形成し、その上に感知膜を形成した薄膜ガスセンサにおいて、
前記感知膜を含む発熱部を半径１００μｍの円内に入る大きさとし、ガス検知時に前記感知膜に印加する電界強度を１．０×１０5Ｖ／ｍ以下とすることを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の実施の形態を説明するための概要断面図である。構造そのものは公知であるが、各部の厚さや大きさ等に特徴を持たせたもので、以下に構造および製造方法等について説明する。
両面にＳｉＯ2 熱酸化膜が付いたＳｉ基板上に、ダイヤフラム構造の支持膜および熱絶縁膜として、Ｓｉ3 Ｎ4 ，ＳｉＯ2 膜を順次プラズマＣＶＤ法にて形成する。次に、ＮｉＣｒヒーター層１、ＳｉＯ2 絶縁膜２の順にスパッタ法にて形成する。その上にこの発明にかかわる接合層３，感知膜電極４を形成する。
【００１１】
成膜はＲＦ（高周波）マグネトロンスパッタリング装置により、通常のスパッタリング法により行なう。成膜条件は接合層（ＰｒまたはＡｕ），感知膜電極（ＴａまたはＴｉ）とも同じで、Ａｒガス圧力１Ｐａ，基板温度３００℃，ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ2 、膜厚は接合層／感知膜電極＝５００Å／２０００Åである。次に、感知膜であるＳｎＯ2 ５を成膜する。成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、反応性スパッタリングにより行なう。ターゲットにはＳｂを０．５ｗｔ％とＰｔ６ｗｔ％を有するＳｎＯ2 を用いる。成膜条件はＡｒ＋Ｏ2 ガス圧力２Ｐａ，基板温度１５０〜３００℃，ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ2 で、膜厚５０００Åである。最後に基板裏面よりエッチングによりＳｉを除去し、ダイヤフラム構造とした。なお、ダイヤフラムとは薄膜状の支持膜の周囲をＳｉ基板により支持し、周囲が厚く中央部が薄く形成されたものをいうこととする。
【００１２】
以上のようにして作製したサンプルの例を表１に実施例１〜４として示す。これは、発熱部の直径（２ｒh ）とダイヤフラムの直径（２ｒd ）とを変えて、応答時間，消費電力を調べるためのサンプル例および比較例である。
【表１】
0003931473.tif 000002
【００１３】
図２に表１の実施例１〜３と比較例１について、室温から４５０℃まで昇温するのに要する時間と発熱部の直径との関係を示す。図２から、発熱部の直径が大きくなるにつれて応答時間が増大し、発熱部の直径が２００μｍで応答時間は約３０ｍｓである。したがって、要求される応答時間３０ｍｓ以下とするには、発熱部の直径を２００μｍとする必要がある。なお、発熱部の形状は必ずしも円とは限らないが、その大きさを表わすに当たっては或る大きさの円を想定し、その中に入るかどうかで表わすものとする。
【００１４】
図３に実施例２，４と比較例２，３について、室温から４５０℃まで昇温するのに要する電力と半径比（ｒd ／ｒh ）との関係を示す。消費電力はｒd ／ｒh に応じて減少するが、ｒd ／ｒh ＝２の付近でその傾きが大きく変化しているのが分かる。消費電力の低下はｒd ／ｒh ＜２以下では大きく、ｒd ／ｒh ＞２ではなだらかである。したがって、消費電力低減のためにはｒd ／ｒh ＞２が望ましいことになる。
【００１５】
図４に実施例１〜３について、検知時における感知膜の電界強度とガス感度との関係を示す。被検ガスはＣＯ１００ｐｐｍであり、ガス感度は空気中とガス中でのセンサ抵抗の比と定義した。同図から、電界強度が１．０×１０5 Ｖ／ｍ以下ではほぼ平坦であるが、１．０×１０5 Ｖ／ｍ以上ではガス感度が大きく低下していることが分かる。したがって、検知時の電界強度は１．０×１０5 Ｖ／ｍ以下であることが望ましい。電界強度が増すことによる感度低下は、主に、空気中でのセンサ抵抗値の低下に起因する。これは、電界強度が増すことによりセンサ表面の酸素吸着量が減少したためと考えられる。
また、一般的に使われる電池の電圧は１．０〜３．０Ｖであるが、電圧＝電界強度×センサ長さ（感知膜電極間距離）の関係から、電極間距離としては１０μｍ以上が望ましい。なお、この電極間距離は応答性の条件を満たす大きさ以内に制限されることは勿論である。
【００１６】
以上では、主としてダイヤフラム構造のセンサについて説明したが、この発明はダイヤフラム構造のものに限らず、ヒーターの上に電気絶縁層を介して感知膜電極を形成し、さらにその上に感知膜を形成したタイプのセンサについても同様にして適用することができる。ただし、感知膜を含む発熱部の直径（２ｒh ）とダイヤフラムの直径（２ｒd ）との関係については適用外であることはいうまでもないが、その他は全く同様に適用可能である。
【００１７】
【発明の効果】
この発明によれば、ガス感知膜を含む発熱部を半径１００μｍ以下の円内に入る大きさとすることで熱容量を低下させ、所定（３０ｍｓ以内）の応答時間を得ることができる。同様に、ダイヤフラム構造のものについては、感知膜を含む発熱部をダイヤフラム直径の１／２以下の円内に入る大きさとすることで、低消費電力化が可能となる。さらに、検知時に感知膜にかかる電界を１．０×１０5 Ｖ／ｍ以下とするか、または検知電圧１〜３Ｖに対して感知膜電極間距離を１０μｍ以上で上記応答性の条件を満たす大きさ以内とすることで、十分なガス感度を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を説明するための概略断面図である。
【図２】昇温時間と発熱部の大きさとの関係説明図である。
【図３】昇温に要する電力と半径比との関係説明図である。
【図４】感知膜の電界強度とガス感度との関係説明図である。
【符号の説明】
１…ヒーター層、２…絶縁層、３…接合層、４…感知膜電極、５…感知膜。
【図１】
0003931473.tif 000003
【図２】
0003931473.tif 000004
【図３】
0003931473.tif 000005
【図４】
0003931473.tif 000006