JP2000292393A - 薄膜ガスセンサ - Google Patents
薄膜ガスセンサInfo
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- JP2000292393A JP2000292393A JP11096269A JP9626999A JP2000292393A JP 2000292393 A JP2000292393 A JP 2000292393A JP 11096269 A JP11096269 A JP 11096269A JP 9626999 A JP9626999 A JP 9626999A JP 2000292393 A JP2000292393 A JP 2000292393A
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- Japan
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- heater
- gas sensor
- diaphragm
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- Pending
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 ダイヤフラム型薄膜ガスセンサに対する応力
集中を緩和し、機械的強度を向上させる。 【解決手段】 ヒーター３の形状を図１（ａ），（ｂ）
のような渦巻き型とするか、または図１（ｃ），（ｄ）
のようなヒーター３に支持部４をもつような構造とする
ことにより、機械的強度を高め、ダイヤフラム部を薄く
できるようにして低消費電力化を可能とする。
集中を緩和し、機械的強度を向上させる。 【解決手段】 ヒーター３の形状を図１（ａ），（ｂ）
のような渦巻き型とするか、または図１（ｃ），（ｄ）
のようなヒーター３に支持部４をもつような構造とする
ことにより、機械的強度を高め、ダイヤフラム部を薄く
できるようにして低消費電力化を可能とする。
Description
【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。
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、特に家庭用ガス
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 ，ＣＨＯＨ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。
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 ，ＣＨＯＨ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℃〜４００℃の
高温に加熱し検知する必要がある。このことから、Ｓｎ
Ｏ2 などの粉末を焼結したものが提案されたが、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ため
には限界があり、電池駆動に用いるには熱容量が大き過
ぎる。そこで、半導体微細加工プロセスによりヒータ
ー，感応膜を１μｍ以下の薄膜で形成し、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。
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℃〜４００℃の
高温に加熱し検知する必要がある。このことから、Ｓｎ
Ｏ2 などの粉末を焼結したものが提案されたが、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ため
には限界があり、電池駆動に用いるには熱容量が大き過
ぎる。そこで、半導体微細加工プロセスによりヒータ
ー，感応膜を１μｍ以下の薄膜で形成し、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】ところで、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側面
上に、ＳｉＯ2 やＳｉＮなどの電気絶縁膜を支持膜とし
て薄膜ヒーターを形成する場合、熱膨張係数の差による
変形や応力集中によりダイヤフラム部が割れやすいとい
う問題がある。このような問題を解決するには支持膜を
厚くし、機械的強度を上げるのも１つの方法として考え
られるが、ヒーター部からの熱伝導が増え消費電力が大
きくなるので好ましくない。また、ヒーターの膜厚を薄
くすることにより、応力を低減する方法もあるが、電池
駆動でパルス動作することを想定すると印加電圧を２
Ｖ、消費電力４０ｍＷとすると、抵抗値は１００Ωが適
当である。
一側面中央部がダイヤフラム様にくりぬかれた基板側面
上に、ＳｉＯ2 やＳｉＮなどの電気絶縁膜を支持膜とし
て薄膜ヒーターを形成する場合、熱膨張係数の差による
変形や応力集中によりダイヤフラム部が割れやすいとい
う問題がある。このような問題を解決するには支持膜を
厚くし、機械的強度を上げるのも１つの方法として考え
られるが、ヒーター部からの熱伝導が増え消費電力が大
きくなるので好ましくない。また、ヒーターの膜厚を薄
くすることにより、応力を低減する方法もあるが、電池
駆動でパルス動作することを想定すると印加電圧を２
Ｖ、消費電力４０ｍＷとすると、抵抗値は１００Ωが適
当である。
【０００５】また、温度上昇に対する応答性を考慮した
場合、１００μｍ×１００μｍ程度のサイズに収めるの
が望ましく、比較的簡便なウエットエッチングによるフ
ォトプロセスでは、最小線幅は１０μｍ程度である。よ
って、線の長さは５００μｍ，比抵抗１００μΩ・ｃｍ
とすると、Ｒ＝ρ・Ｌ／Ａなる関係式より、膜厚は５０
００Å程度に制約されてしまう。したがって、この発明
の課題はヒーター形状を考察することで、膜応力集中の
緩和および機械的強度の向上を図ることにある。
場合、１００μｍ×１００μｍ程度のサイズに収めるの
が望ましく、比較的簡便なウエットエッチングによるフ
ォトプロセスでは、最小線幅は１０μｍ程度である。よ
って、線の長さは５００μｍ，比抵抗１００μΩ・ｃｍ
とすると、Ｒ＝ρ・Ｌ／Ａなる関係式より、膜厚は５０
００Å程度に制約されてしまう。したがって、この発明
の課題はヒーター形状を考察することで、膜応力集中の
緩和および機械的強度の向上を図ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】上記課題の解決を図るべ
く、この発明では、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側面上に、支持膜を介して薄
膜ヒーターを形成するに当たり、そのヒーターを渦巻き
形状にするか、ヒーターに支持部を形成するか、または
これらを組み合わせることを特徴としている。これによ
り、膜応力集中の緩和および機械的強度の向上を図るこ
とができ、ダイヤフラム部の変位を改善できる。また、
ＳｉＯ2 やＳｉＮ膜からなる支持層を薄くすることがで
き、消費電力を低減することが可能となる。
く、この発明では、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側面上に、支持膜を介して薄
膜ヒーターを形成するに当たり、そのヒーターを渦巻き
形状にするか、ヒーターに支持部を形成するか、または
これらを組み合わせることを特徴としている。これによ
り、膜応力集中の緩和および機械的強度の向上を図るこ
とができ、ダイヤフラム部の変位を改善できる。また、
ＳｉＯ2 やＳｉＮ膜からなる支持層を薄くすることがで
き、消費電力を低減することが可能となる。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１にこの発明の実施の形態、図
２にヒーターの設置位置、図３に変位量とヒーター温度
との関係、図４にＳｉＯ2 支持層の膜厚変化による変位
量，消費電力の関係、図５に一般的なガスセンサの断面
構造、図６にヒーターの従来例をそれぞれ示す。図５を
参照して一般的なガスセンサの構造から説明する。ま
ず、Ｓｉ基板の両面にＳｉＯ2 熱酸化膜を０．３μｍ形
成し、さらに表面にのみＣＶＤ−Ｓｉ3 Ｎ4 膜を０．１
５μｍ、ＣＶＤ−ＳｉＯ2 を１μｍ形成し、ダイヤフラ
ムの支持層とする。この基板上にヒーター層としてＮｉ
Ｃｒ膜を０．５μｍ形成し、ＳｉＯ2 絶縁膜をスパッタ
法により２μｍ形成する。ＮｉＣｒヒーターと電極パッ
ド部の導通を確保するため、ＮｉＣｒ上部のＳｉＯ2 膜
をフォトエッチングにより窓あけ加工を行なった。次
に、電極層としてＰｔ／Ｔａ膜をスパッタにより０．２
μｍ／５０ｎｍ形成し、フォトエッチングによりパター
ニングする。ここで、Ｔａ膜はＰｔ層とＳｉＯ2 層との
密着力を高めるために用いている。次いで、フォトレジ
ストをマスクとしたリフトオフ法によりＳｎＯ2 層を形
成し、最後に、基板裏面よりドライエッチングによりＳ
ｉを除去し、ダイヤフラム構造とする。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。
２にヒーターの設置位置、図３に変位量とヒーター温度
との関係、図４にＳｉＯ2 支持層の膜厚変化による変位
量，消費電力の関係、図５に一般的なガスセンサの断面
構造、図６にヒーターの従来例をそれぞれ示す。図５を
参照して一般的なガスセンサの構造から説明する。ま
ず、Ｓｉ基板の両面にＳｉＯ2 熱酸化膜を０．３μｍ形
成し、さらに表面にのみＣＶＤ−Ｓｉ3 Ｎ4 膜を０．１
５μｍ、ＣＶＤ−ＳｉＯ2 を１μｍ形成し、ダイヤフラ
ムの支持層とする。この基板上にヒーター層としてＮｉ
Ｃｒ膜を０．５μｍ形成し、ＳｉＯ2 絶縁膜をスパッタ
法により２μｍ形成する。ＮｉＣｒヒーターと電極パッ
ド部の導通を確保するため、ＮｉＣｒ上部のＳｉＯ2 膜
をフォトエッチングにより窓あけ加工を行なった。次
に、電極層としてＰｔ／Ｔａ膜をスパッタにより０．２
μｍ／５０ｎｍ形成し、フォトエッチングによりパター
ニングする。ここで、Ｔａ膜はＰｔ層とＳｉＯ2 層との
密着力を高めるために用いている。次いで、フォトレジ
ストをマスクとしたリフトオフ法によりＳｎＯ2 層を形
成し、最後に、基板裏面よりドライエッチングによりＳ
ｉを除去し、ダイヤフラム構造とする。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。
【０００８】図５のように構成されるガスセンサのヒー
ターとして、従来は例えば図６の如き形状のものが用い
られているが、これには上記のように機械的強度が十分
でないという問題がある。そこで、この発明ではヒータ
ー３の形状を図１（ａ），（ｂ）のような渦巻き形状に
するか、または、図１（ｃ），（ｄ）のようにヒーター
３の側部から延びる線状の支持部４を設けるようにして
いる。このような支持部４としては、ダイヤフラム１に
かかる応力を低減する目的から、ダイヤフラム端部を越
え延長して設けられていることが望ましい。このとき、
ヒーター３は図２（ａ）に示すように電極の上部に設け
るか、または図２（ｂ）に示すように電極の下部に設け
ることができる。なお、図２（ｂ）は図５と対応し、図
２（ａ）とはヒーターと電極の取り付け順序が異なるだ
けで、その他は同じである。
ターとして、従来は例えば図６の如き形状のものが用い
られているが、これには上記のように機械的強度が十分
でないという問題がある。そこで、この発明ではヒータ
ー３の形状を図１（ａ），（ｂ）のような渦巻き形状に
するか、または、図１（ｃ），（ｄ）のようにヒーター
３の側部から延びる線状の支持部４を設けるようにして
いる。このような支持部４としては、ダイヤフラム１に
かかる応力を低減する目的から、ダイヤフラム端部を越
え延長して設けられていることが望ましい。このとき、
ヒーター３は図２（ａ）に示すように電極の上部に設け
るか、または図２（ｂ）に示すように電極の下部に設け
ることができる。なお、図２（ｂ）は図５と対応し、図
２（ａ）とはヒーターと電極の取り付け順序が異なるだ
けで、その他は同じである。
【０００９】上記のようにすると、ヒーター部の構造と
その設置位置とにより、４×２＝８通りの例ができる。
つまり、図１（ａ）〜図１（ｄ）の各ヒータ部を単に
〜とし、図５（ａ），（ｂ）を単にＡ，Ｂとすると、
Ａ，Ｂ，Ａ，Ｂ，Ａ，ＢおよびＡ，Ｂ
の８通りの場合が考えられるが、，の場合はＡ，Ｂ
とも同じなので、実際には６通りとなる。これら６通り
の場合の変位量とヒーター温度との関係は図３に示すよ
うに、図５に示す従来構造のものは４５０℃で割れが生
じているのに対し、４５０℃における上記各場合の変位
量について、それぞれＡの場合は８μｍ、Ｂの場合
も８μｍ、Ａ，Ｂの場合はともに１４μｍ、の場
合は１０μｍ、の場合は１６μｍにそれぞれ収まって
いることが分かる。
その設置位置とにより、４×２＝８通りの例ができる。
つまり、図１（ａ）〜図１（ｄ）の各ヒータ部を単に
〜とし、図５（ａ），（ｂ）を単にＡ，Ｂとすると、
Ａ，Ｂ，Ａ，Ｂ，Ａ，ＢおよびＡ，Ｂ
の８通りの場合が考えられるが、，の場合はＡ，Ｂ
とも同じなので、実際には６通りとなる。これら６通り
の場合の変位量とヒーター温度との関係は図３に示すよ
うに、図５に示す従来構造のものは４５０℃で割れが生
じているのに対し、４５０℃における上記各場合の変位
量について、それぞれＡの場合は８μｍ、Ｂの場合
も８μｍ、Ａ，Ｂの場合はともに１４μｍ、の場
合は１０μｍ、の場合は１６μｍにそれぞれ収まって
いることが分かる。
【００１０】また、，の構造で支持層（ＣＶＤ−Ｓ
ｉＯ2 ，ＣＶＤ−ＳｉＮ，熱酸化膜からなるＣＶＤ−Ｓ
ｉＯ2 ）のＣＶＤ−ＳｉＯ2 の膜厚を変化させたとき
の、変位量と消費電力の関係を示すのが図４である。４
５０℃において、の場合では支持層のＳｉＯ2 の膜厚
が０μｍで、ダイヤフラム部に割れが生じているのに対
し、では２５μｍ程度の変位に止まっており、消費電
力も３０ｍｗ以内に収まっていることが分かる。
ｉＯ2 ，ＣＶＤ−ＳｉＮ，熱酸化膜からなるＣＶＤ−Ｓ
ｉＯ2 ）のＣＶＤ−ＳｉＯ2 の膜厚を変化させたとき
の、変位量と消費電力の関係を示すのが図４である。４
５０℃において、の場合では支持層のＳｉＯ2 の膜厚
が０μｍで、ダイヤフラム部に割れが生じているのに対
し、では２５μｍ程度の変位に止まっており、消費電
力も３０ｍｗ以内に収まっていることが分かる。
【００１１】なお、図１（ｃ），（ｄ）では一般的なヒ
ーターに支持部４を設けているが、図１（ａ），（ｂ）
のような渦巻き形状のヒーターに支持部４を設けるよう
にしても、上記と同様の効果を期待することができる。
ーターに支持部４を設けているが、図１（ａ），（ｂ）
のような渦巻き形状のヒーターに支持部４を設けるよう
にしても、上記と同様の効果を期待することができる。
【００１２】
【発明の効果】この発明によれば、ヒーター構造を改良
することにより、ダイヤフラム部の変位量を従来よりも
低減でき、機械的強度を高めることが可能となる利点が
もたらされる。その結果、ダイヤフラム支持層を薄くで
き、消費電力を低減することができる。
することにより、ダイヤフラム部の変位量を従来よりも
低減でき、機械的強度を高めることが可能となる利点が
もたらされる。その結果、ダイヤフラム支持層を薄くで
き、消費電力を低減することができる。
【図１】この発明の実施の形態を示す断面図である。
【図２】ヒーターの設置位置説明図である。
【図３】変位量とヒーター温度との関係説明図である。
【図４】膜厚変化による変位量と消費電力との関係説明
図である。
図である。
【図５】薄膜ガスセンサの従来例を示す断面図である。
【図６】ヒーターの従来例を示す構成図である。
１…ダイヤフラム、２…電極、３…ヒーター、４…支持
部。
部。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 鈴木 卓弥 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (72)発明者 津田 孝一 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 Ｆターム(参考） 2G046 AA11 AA19 AA21 AA25 BA01 BA09 BB02 BB04 BC04 BC08 BE03 BE07 DB04 DC12 DD01 EA11 FB02 FE38 FE39 5C086 AA02 CA04 CB12 DA04 GA02
Claims (3)
- 【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、電気絶縁性の支持膜を介
して薄膜ヒーターを形成した後、さらに電気絶縁膜を介
しその上に感知膜を形成した上にＳｎＯ2 からなる感知
膜を形成した薄膜ガスセンサにおいて、 前記薄膜ヒーターを渦巻き形状とすることを特徴とする
薄膜ガスセンサ。 - 【請求項２】 前記薄膜ヒーターの側部に、周縁方向に
ダイヤフラム部を越えて延びる線状の支持部を設けたこ
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】 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、電気絶縁性の支持膜を介
して薄膜ヒーターを形成した後、さらに電気絶縁膜を介
しその上に感知膜を形成した上にＳｎＯ2 からなる感知
膜を形成した薄膜ガスセンサにおいて、 前記薄膜ヒーターの側部に、周縁方向にダイヤフラム部
を越えて延びる線状の支持部を設けたことを特徴とする
薄膜ガスセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11096269A JP2000292393A (ja) | 1999-04-02 | 1999-04-02 | 薄膜ガスセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP11096269A JP2000292393A (ja) | 1999-04-02 | 1999-04-02 | 薄膜ガスセンサ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2000292393A true JP2000292393A (ja) | 2000-10-20 |
Family
ID=14160444
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP11096269A Pending JP2000292393A (ja) | 1999-04-02 | 1999-04-02 | 薄膜ガスセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2000292393A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009020053A (ja) * | 2007-07-13 | 2009-01-29 | Nippon Ceramic Co Ltd | ガスセンサ |
-
1999
- 1999-04-02 JP JP11096269A patent/JP2000292393A/ja active Pending
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009020053A (ja) * | 2007-07-13 | 2009-01-29 | Nippon Ceramic Co Ltd | ガスセンサ |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050413 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20050623 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20051027 |