(57)【要約】      （修正有）【課題】ガス検出の感度を安定的に保つことができる薄膜ガスセンサを提供する。【解決手段】貫通孔４ｃを有するシリコン基板４、熱絶縁層５、ヒータ層６、測定対象ガスが検出されるガス検出部８、及び、シリコン基板の下面４ｂに取り付けられるベース１３を備えて薄膜ガスセンサ１が構成される。薄膜ガスセンサにおいては、貫通孔、熱絶縁層、及び、ベースで囲まれる内部空間Ｓが形成される。シリコン基板は、内部空間とシリコン基板の外部とに通じる溝４ｄを下面に有し、内部空間の空気が膨張しても、当該空気が溝を通じて外部に排出される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
貫通孔を有するシリコン基板と、
前記貫通孔を覆うように前記シリコン基板の一方の面に薄膜状に形成された支持層と、
前記支持層に形成されたヒータ層と、
前記ヒータ層にて加熱され、測定対象ガスが検出されるガス検出部と、
前記シリコン基板の他方の面に取り付けられるベースとを備え、前記貫通孔、前記支持層及び前記ベースで囲まれる内部空間を形成する薄膜ガスセンサであって、
前記シリコン基板または前記ベースの少なくともいずれか一方に、前記内部空間と外部とに通じる通気部を有していることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
【請求項２】
前記通気部は、前記シリコン基板の他方の面に形成された溝を有していることを特徴とする請求項１に記載の薄膜ガスセンサ。
【請求項３】
前記通気部は、前記ベースであって、前記シリコン基板が取り付けられる面に形成された溝を有していることを特徴とする請求項１に記載の薄膜ガスセンサ。
【請求項４】
前記通気部は、前記シリコン基板の他方の面における中心位置に対し、点対称に配置されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３の何れかに記載の薄膜ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微量ガスの検出を可能とする薄膜ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサは、メタンガス（ＣＨ４）、プロパンガス（Ｃ３Ｈ８）、一酸化炭素（ＣＯ）等のガス漏れや不完全燃焼の検出に用いられている。このようなガスセンサとしては、例えば、特許文献１のような薄膜式のガスセンサが知られている。同文献のガスセンサは、空隙部を有するシリコン基板の表面側に絶縁薄膜を設けたダイアフラム構造をなし、絶縁薄膜の上にガスを検出する触媒膜と、ヒータとが設けられている。シリコン基板は、その裏面において、接着部材による接着によってベースとなる素子ケースに装着されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２００４／０２３１２６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１にあっては、素子ケースに対してシリコン基板の裏面全面を接着しているので、空隙部の内部空間が密閉することとなる。このため、ヒータによる加熱の程度によって内部空間内で膨張する空気の体積が変わるため、触媒膜に生じる応力が変化し、触媒膜によるガス検出の感度が不安定になる、という問題がある。
【０００５】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、ガス検出の感度を安定的に保つことができる薄膜ガスセンサの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明における薄膜ガスセンサは、貫通孔を有するシリコン基板と、前記貫通孔を覆うように前記シリコン基板の一方の面に薄膜状に形成された支持層と、前記支持層に形成されたヒータ層と、前記ヒータ層にて加熱され、測定対象ガスが検出されるガス検出部と、前記シリコン基板の他方の面に取り付けられるベースとを備え、前記貫通孔、前記支持層及び前記ベースで囲まれる内部空間を形成する薄膜ガスセンサであって、前記シリコン基板または前記ベースの少なくともいずれか一方に、前記内部空間と外部とに通じる通気部を有していることを特徴とする。
【０００７】
この構成によれば、シリコン基板またはベースが通気部を有するので、通気部を通じて内部空間とシリコン基板との間で通気することができる。これにより、ヒータ層の加熱によって内部空間内の空気が膨張しても、当該空気が通気部を通じて排出され、内部空間の内圧を一定に保ってガス検出部に生じる応力を抑制することができる。その結果、加熱に応じてガス検出部での抵抗値等が変化しないようになり、ガス検出部におけるガス検出の感度を安定して維持することができる。
【０００８】
前記通気部は、前記シリコン基板の他方の面に形成された溝を有している構成をとってもよい。
【０００９】
前記通気部は、前記ベースであって、前記シリコン基板が取り付けられる面に形成された溝を有している構成をとってもよい。上記のようにベースに溝を形成した場合、溝の大きさや深さの制約を緩和することができ、加工容易性を高めることができる。
【００１０】
前記通気部は、前記シリコン基板の他方の面における中心位置に対し、点対称に配置されているとよい。この構成では、ベースに対するシリコン基板の取り付け領域がバランスよく配置され、これによっても、ガス検出の感度を安定化に寄与することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、内部空間とシリコン基板の外部とに通じる通気部を形成したので、ガス検出の感度を安定的に保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】第１の実施の形態に係る薄膜ガスセンサの縦断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線矢視図である。
【図３】第１の実施の形態に係るシリコン基板を下から見た概略斜視図である。
【図４】第２の実施の形態に係る薄膜ガスセンサの縦断面図である。
【図５】図４のＢ−Ｂ線矢視図である。
【図６】第２の実施の形態に係るベースを上から見た概略斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨の範囲内で種々変形して実施することができる。
【００１４】
図１は、第１の実施の形態に係る薄膜ガスセンサの縦断面図である。薄膜ガスセンサ１は、半導体式のガスセンサであり、後述するガス感知層に吸着したガスとの間で反応が生じることで変化する抵抗値に基づいてガス検出を行うものである。
【００１５】
図１に示す薄膜ガスセンサ１は、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）加工により形成されるセンサ素子２を備えている。なお、図１に示す薄膜ガスセンサ１は、模式的に図示したものであり、図に示す各層の形状や膜厚比が実際の製品と異なることを許容するものである。後述する図４においても同様である。
【００１６】
センサ素子２は、シリコン基板４、熱絶縁層（支持層）５、ヒータ層６、電気絶縁層７、及び、測定対象ガスが検出されるガス検出部８、を有して構成される。
【００１７】
シリコン基板４は、一方の面となる上面４ａから他方の面となる下面４ｂにかけて貫通する貫通孔４ｃを有している。熱絶縁層５は、シリコン基板４の上面４ａから貫通孔４ｃの上方開口部を覆うように薄膜状に形成されており、ダイアフラムのような形態（以下、ダイアフラム構造と称する）を構成している。
【００１８】
熱絶縁層５は、シリコン基板４側から熱酸化ＳｉＯ２層、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層、及び、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層の順に積層されたものが例示できる。このうち、熱酸化ＳｉＯ２層は、ヒータ層６で発生する熱をシリコン基板４側へ熱伝導しないようにして熱容量を小さくする機能を備えている。また、熱酸化ＳｉＯ２層は、プラズマエッチングに対して強い耐性を有しており、シリコン基板４にプラズマエッチングにて貫通孔４ｃを適切に形成することができる。また、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層は、ヒータ層６との密着性を高めるとともに優れた電気絶縁性を確保するための層である。なお、熱絶縁層５の材質や層構成は適宜変更可能である。
【００１９】
熱絶縁層５の表面にヒータ層６が形成される。ヒータ層６の材質を特に限定するものではないが、例えば、薄膜状のＰｔ−Ｗ膜で形成される。また、ヒータ層６の形状を限定するものではないが、例えば、蛇行形状にて形成される。
【００２０】
電気絶縁層７は、ヒータ層６の表面から熱絶縁層５の表面にかけて形成されている。電気絶縁層７は、例えば、ＳｉＯ２のスパッタ層である。電気絶縁層７は、ヒータ層６とガス検出部８との間の電気的な絶縁を確保するための層である。また電気絶縁層７は、後述するガス感知層１０との密着性に優れている。
【００２１】
ガス検出部８は、ガス感知層１０、及び、選択燃焼層１１を有して構成される。ガス感知層１０は、電気絶縁層７の表面に積層されている。ガス感知層１０は、金属酸化層で形成され、具体的にはＳｎＯ２層が好ましく使用される。ただし、ＳｎＯ２に限定されるものでなく、ガス感知層１０として、Ｉｎ２Ｏ３、ＷＯ３、ＺｎＯ、ＴｉＯ２等を主成分とした薄膜の層を用いることが可能である。図１では、ガス感知層１０を略矩形状で図示したが、ガス感知層１０はスパッタ条件等に応じて複数の柱状構造で形成でき、これによりガス感知層１０の表面積を大きくすることが可能である。ガス感知層１０の表面積を大きくすることで、測定対象ガスとの間で反応感度を向上させることができる。
【００２２】
選択燃焼層１１は、電気絶縁層７の表面上で、ガス感知層１０の側面から上面にかけて形成されており、ガス感知層１０の表面全体を覆っている。選択燃焼層１１は、触媒としてプラチナ等を混入した酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）から構成されていると好ましい。
【００２３】
薄膜ガスセンサ１は、センサ素子２を搭載するベース１３を更に備えている。ベース１３の上面は被取付面１３ａとされ、この被取付面１３ａにシリコン基板４の下面４ｂが取り付けられる。この取り付けとしては、接着剤による接着が好ましくは採用されるが、これに限られず、ベース１３に対するセンサ素子２の取り付け状態を維持できる限りにおいて、はんだ付け等の他の方法を採用してもよい。ベース１３にシリコン基板４を取り付けた状態において、貫通孔４ｃの内周面と、熱絶縁層５と、ベース１３とで囲まれる内部空間Ｓが形成される。
【００２４】
ベース１３には、センサ素子２を囲うように筒状をなす不図示のキャップが配設される。ベース１３には、端子としてのステム１４が突設され、このステム１４の内端において、ボンディングワイヤ１５がセンサ素子２に接続されている。ボンディングワイヤ１５は、不図示の制御手段に接続され、この制御手段によってヒータ層６による加熱が制御され、また、ヒータ層６で加熱されたガス検出部８の検出結果が制御手段に出力される。
【００２５】
続いて、図１に加え、図２及び図３も参照してシリコン基板４の形態について説明する。図２は、図１のＡ−Ａ線矢視図であり、図３は、第１の実施の形態に係るシリコン基板を下から見た概略斜視図である。
【００２６】
図１〜図３に示すように、シリコン基板４の下面４ｂには、当該下面４ｂを凹ませるように４本の通気部としての溝４ｄ（図１では、１本の溝４ｄを不図示）が形成されている。溝４ｄの一方の端部となる内方端は、貫通孔４ｃの内部となる内部空間Ｓに連通している。この一方、溝４ｄの他方の端部となる外方端は、シリコン基板４の下面４ｂにおける四辺の中央部分において、シリコン基板４の外部に連通している。従って、溝４ｄは、内部空間Ｓとシリコン基板４の外部とに通じており、それらの間で溝４ｄを介して通気を行えるようになっている。従って、内部空間Ｓは密閉されない状態に維持することができる。なお、溝４ｄは、エッチング加工により形成されるが、その加工方法は適宜変更可能である。
【００２７】
溝４ｄは、シリコン基板４を下面視したときに、方形状となる下面４ｂの中心点Ｃ１に対して点対称となるように配設されている。本実施の形態では、溝４ｄは、図２において交点が中心点Ｃ１となる＋字に沿って配置され、中心点Ｃ１に対して点対称となっている。溝４ｄは、下面４ｂを縦横に略等分に四分割する位置に形成されている。従って、下面４ｂにおいて、溝４ｄによって分割された４箇所領域は、貫通孔４ｃの周方向９０°毎に配置されるとともに、それぞれ等しい面積に形成される。
【００２８】
以上の構成において、ガス検出部８によるガス検出を行うため、ヒータ層６を加熱すると、ガス検出部８だけでなく内部空間Ｓ内の空気も加熱されて膨張される。この膨張によって増加した体積分の空気は、溝４ｄを通じてシリコン基板４の外部に排出される。従って、内部空間Ｓの内圧を一定に保ってガス検出部８に生じる応力を抑制でき、ヒータ層６による加熱の程度によってガス検出部８での抵抗値が変わらないようになる。この結果、ガス検出部８におけるガス検出の感度を安定的に保つことが可能となる。
【００２９】
ところで、例えば、シリコン基板４に溝４ｄを形成せず、シリコン基板４とベース１３との間に接着剤を局所的に設け、接着剤を設けていない部分を空気の通路として、内部空間Ｓとシリコン基板４の外部とを連通する構成が考えられる。ところが、この構成では、接着剤による接着領域や接着面積が薄膜ガスセンサ１の商品毎に異なり、ひいては、ガス検出の感度も商品毎に異なってしまう、という問題がある。本実施の形態では、溝４ｄの形成領域がベース１３と非接触となって接着剤等によってベース１３に取り付けられない領域とすることができる。言い換えると、溝４ｄが形成されていないシリコン基板４の下面４ｂ全てを取付領域として、接着剤による接着の位置や面積を一定に維持することができ、ガス検出の感度が商品毎に異なることを回避することができる。
【００３０】
しかも、上記した局所的な接着にあっては、シリコン基板４の大きさが極めて小さいために高い技術を要し、その作業時間や工程時間も長くなる、という問題がある。この点、本実施の形態では、シリコン基板４の下面４ｂにおける溝４ｄの非形成領域全てが接着領域となり、接着の容易化を通じて作業時間の短縮を図ることができる。
【００３１】
また、溝４ｄを中心位置Ｃ１に対して点対称に配置したので、上述のように等分に四分割されたシリコン基板４の下面４ｂをベース１３への取り付け領域としてバランスよく配置することができ、ガス検出の感度を良好に保つことができる。
【００３２】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について図４〜図６を参照して詳細に説明する。なお、第２の実施の形態において、第１の実施の形態と共通する構成要素については、同一の符号を付し、その図示、説明を省略する。
【００３３】
図４は、第２の実施の形態に係る薄膜ガスセンサの縦断面図である。図５は、図４のＢ−Ｂ線矢視図である。図６は、第２の実施の形態に係るベースを上から見た概略斜視図である。図４〜図６に示すように、第２の実施の形態に係る薄膜ガスセンサ１では、第１の実施の形態の溝４ｄ（図１参照）を形成せずに、ベース１３の被取付面１３ａに２本の通気部としての溝１３ｂを形成している。各溝１３ｂは、被取付面１３ａにおいてシリコン基板４の下面４ｂが取り付けられる領域に形成されている。溝１３ｂは、切削装置等の機械加工により形成されるが、その加工方法は適宜変更可能である。
【００３４】
２本の溝１３ｂは、上面視で略直角に交差しており、その交差位置が、シリコン基板４が取り付けられる方形状の下面４ｂの中心点Ｃ２となっている。この中心点Ｃ２は、２本の溝１３ｂの中間点にもなり、これにより、２本の溝１３ｂは中心点Ｃ２に対して点対称となっている。従って、第２の実施の形態においても、シリコン基板４の下面４ｂがベース１３に取り付けられる領域は、略等分に四分割されて配置される。溝１３ｂの両端部は、シリコン基板４の下面４ｂが取り付けられる領域より外方に配設されている。従って、溝１３ｂは、内部空間Ｓとシリコン基板４の外部とに通じており、それらの間で溝１３ｂを介して通気を行えるようになっている。
【００３５】
第２の実施の形態においても、溝１３ｂによって上述した第１の実施の形態と同様の作用効果を得ることができる。また、ベース１３に溝１３ｂを形成したので、第１の実施の形態に比べ、溝１３ｂの形成対象が大きくなり、溝１３ｂを加工するための負担軽減を図ることができる。
【００３６】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、さまざまに変更して実施可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている大きさや形状、方向などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更が可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施可能である。
【００３７】
例えば、溝４ｄ、１３ｂは、内部空間Ｓとシリコン基板４の外部とに通じている限りにおいて、種々の変更が可能である。例を挙げると、第１の実施の形態において、シリコン基板４の下面４ｂにおける対角線に沿って４本の溝４ｄを配設してもよい。また、４本の溝４ｄのうち、何れか３本または何れか２本の形成を省略してもよい。
【００３８】
更に、第２の実施の形態において、シリコン基板４の下面４ｂにおける対角線に沿って２本の溝１３ｂを配設してもよい。また、２本の溝１３ｂのうち、何れか１本の形成を省略したり、溝１３ｂの一方の端部が内部空間Ｓ内に配設されるようにしたりしてもよい。
【００３９】
また、薄膜ガスセンサ１において、シリコン基板４の溝４ｄとベース１３の溝１３ｂとの両方を形成してもよい。
【００４０】
また、本発明の通気部は、溝４ｄ、１３ｂに限られるものでなく、シリコン基板４の内部空間Ｓと外部とに通じる限りにおいて変更してもよい。例えば、第１の実施の形態において、内部空間Ｓと外部とに通じる穴をシリコン基板４に形成して通気部としてもよい。更に、第２の実施の形態において、内部空間Ｓと外部とに通じる穴をベース１３を貫通するよう形成して通気部としてもよい。更に、第２の実施の形態において、一端が内部空間Ｓに連通し、他端がシリコン基板４の外部に連通する流路をベース１３に形成して通気部としてもよい。
【符号の説明】
【００４１】
１  薄膜ガスセンサ
４  シリコン基板
４ａ  上面（一方の面）
４ｂ  下面（他方の面）
４ｃ  貫通孔
４ｄ  溝（通気部）
５  熱絶縁層（支持層）
６  ヒータ層
７  電気絶縁層
８  ガス検出部
１３  ベース
１３ａ  被取付面
１３ｂ  溝（通気部）
Ｓ  内部空間
【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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