JPH05256823A - 環境変化検出素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 対向する２つの電極間に電圧を印加して空気
をイオン化し、得られるイオン電流の変化から大気の環
境の変化を検出する素子を、印加電圧を低く抑えること
ができ、かつ小形にした構造のものとする。 【構成】 表面に孔２を有しこの孔を含んで少なく共表
面がＳｉＯ₂ 膜の絶縁体からなる素子基板の孔２の上部
に突出するように絶縁体面に設けられた２つの電極と、
この電極のうちすくなく共正電極４ａの先端は尖鋭なエ
ッジとなっていて、対向する正電極４ａと負電極４ｂ間
のギャップが数μｍである構造からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は環境変化検出素子および
その製造方法に関し、特に大気をイオン化しそのイオン
電流の変化から、例えば環境汚染などの環境の変化を検
出する環境変化検出素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】大気の環境変化にはいろいろの状態の環
境の変化があるが、例えば、自動車用道路の長いトンネ
ルのように密閉に近い状態にある空間や、火災の発生し
た室内のように、煙などが急激に増大するような環境の
変化などがその考え方の１つに属するものと考えられ
る。その他、大気の組成成分比の大幅な局部的変化など
も大気環境の変化と定義できると思われる。

【０００３】このような環境の変化を検出するための素
子として、大気中で先端の鋭く尖った電極を対向させ
て、その間に数ｋＶの電圧を印加すると空気の成分分子
がイオン化されてイオン電流が得られるので、このイオ
ン電流の変化をとらえる方式のものがある。すなわち、
平常な大気の清浄な空気から煙などを含むような汚れて
いる空気に変化すると、このイオン電流値が変化（煙の
場合は減少）するので空気の汚れを検出できるというも
のである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記のような従来の環
境変化の検出手段では、電極に印加する電圧が数ｋＶと
高いので、測定に必要な他の電気回路に影響を与えるの
で、他の回路と同じ場所に配置できないという問題があ
った。つまり、現在使用されている上述の他の回路の類
は、一般に多くとも１０数Ｖの電圧で作動しているの
で、例えばこの回路のプリント基板の１部に数ｋＶの電
圧で作動する検出素子を同居させることは、装置の保守
上不可能であるから、素子と回路とを分離しなくてはな
らないという構成上の不都合があった。

【０００５】本発明は上述のような問題点を解決するた
めになされたもので、電極間の距離を極小さくすること
で低電圧で作動する電極配置の構成からなり、周辺回路
の例えば配線基板内に設置可能な環境変化検出素子を提
供することを目的とするものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明に係る環境変化検
出素子は、表面に孔を有しこの孔も含んで少なく共表面
が絶縁体からなる素子基板の孔の上部に突出するように
絶縁体の面に設けられた対向する２個の電極を有し、こ
れらの対向する２個の電極の間隔が数μｍ〜１０数μｍ
であるような構成からなるものであり、更にこれらの電
極のうち少なくとも正電極の対向部先端に形成した尖鋭
な電極先端部を有するものである。また、上記の環境変
化検出素子では、素子基板はシリコン板を用い、絶縁体
はこのシリコン板の表面を酸化して形成した酸化シリコ
ン膜を用いるのが良く、さらに電極は耐食性のよい白金
で形成したものであることが好適である。

【０００７】また、上記素子の製造方法において、表面
に絶縁膜である酸化シリコン膜を有するシリコン基板上
にレジストを塗布乾燥し、所定の電極パターンを露光焼
付した後、不用なレジストを除去し、白金の蒸着などに
より導電層を形成した後に残るレジストを除去して２の
対向する電極を作成する電極作成工程により、電極を微
少な間隔で対向させることができ、再びレジストを塗布
乾燥し、孔作成のためのパターンを露光焼付した後、不
用なレジストを除去し、フッ酸バッファー溶液に浸漬し
て酸化シリコン膜をパターン形状に溶かし、更にテトラ
エチルアンモニウムハイドロオキサイド溶液等のエッチ
ング液に浸漬してシリコン基板を所定深さ溶出させ、残
るレジストを除去した後、孔表面に絶縁膜を作成する孔
作成工程により、微少な間隔で対向する電極の隙間の位
置に所定の孔を作成することができる。

【０００８】

【作用】本発明においては、孔を含む表面絶縁体基板上
の孔の上部中央に２個の電極の先端間隔を数μｍ程度に
まで接近して対向配置し、かつこれらの電極のうち少な
く共正電極は尖鋭な先端部を有するような素子構造とし
たから、この両電極間に低い電圧（例えば数Ｖ〜１０数
Ｖ）を印加しても、特に正電極の先端部近傍には高電界
が発生するようになる。そこでこの高電界領域に空気分
子が到達するとトンネル効果でイオン化するため、両電
極の間にイオン電流が得られる。

【０００９】このイオン電流は大気が通常状態のクリー
ンな空気であれば空気の主成分元素分子の比較的安定な
定常イオン流が得られる。しかし、この雰囲気に例えば
煙が混入すると、イオンは比較的大きな粒径（μｍの
桁）の煙粒子に吸収されて負電極に到達しなくなるか
ら、イオン電流減少という変化となって検知することが
できる。つまり、煙などの混入による大気の環境変化を
イオン電流の変化としてとらえることが可能となる。

【００１０】

【実施例】図１は本発明によるチップ状の環境変化検出
素子の一実施例を示す模式平面図である。また、図２は
図１のＡ−Ａ線に沿う模式断面図である。両図におい
て、１はシリコン（Ｓｉ）基板であり、２はシリコン基
板１の表面側所定位置（本実施例では表面中央）に設け
た孔、３は孔２を含むシリコン基板１の全表面に形成さ
れた酸化シリコン（以下ＳｉＯ₂ と略記する）膜であ
り、絶縁体を構成している。４ａは正電極、４ｂは負電
極であり、いずれも白金（Ｐｔ）膜で形成されている。
そして、これらはいずれもＳｉＯ₂ 膜３上に形成され、
孔２の中央部でその先端部が対向するように配置されて
いる。正電極４ａの先端は特に尖鋭な先端部となってい
る。正電極４ａ、負電極４ｂのいずれも電極端子５を含
むそれぞれの電極パッド５ａ，５ｂと一体形成されてい
る。図２に示したｇは正電極４ａと負電極４ｂの先端部
の間隔であり、通常は数μｍ、大きくても１０数μｍで
あるように形成されている。以上のようにして、シリコ
ンチップ状の環境変化検出素子の検出部６が得られる。

【００１１】以上説明した検出部６は、近年の半導体Ｉ
Ｃ生産技術を利用することによって、２つの白金電極間
の距離（ギャップ）が数μｍ程度の微細加工を可能とし
た結果得られたものである。つまり、このようにして作
成された電極はその対向する端部が孔２の上部で空中に
突出した形となり、さらに白金電極が形成されているシ
リコン基板１の表面が酸化されて絶縁膜になっているか
ら、印加電圧を低くおさえることができ、また、非常に
小型に形成できるようになる。したがって、この検出部
６を図示しない周辺回路用の配線基板の一部に組込んで
装着することができる。

【００１２】つぎに、図３の準ブロック図を用いて、そ
の動作を説明する。図示のように、検出部６の負電極４
ｂと検出用抵抗１７の一端とを接続し、他端は接地して
おく。一方、負電極４ｂに接続している増幅器回路８は
その出力側をスイッチング回路９を介して警報回路１０
に入力する。この一連の構成体は、前述のように１つの
配線基板（図示せず）の中に組込むことができる。

【００１３】上記の構成において、検出部６の正電極４
ａに数Ｖ乃至１０数Ｖ程度の電圧を印加すれば、前述の
作用によって空気がイオン化され検出用抵抗１７を介し
てイオン電流が流れて電圧が発生する。微弱なこのイオ
ン電流による電圧を増幅回路８で増幅し、スイッチング
回路９へ入力する。スイッチング回路９では、クリーン
な空気の場合は定常値が得られるが、煙等が混入すると
イオン電流は減少するから、所定値以下に減少した場合
はスイッチング回路９を介して警報回路１０を作動さ
せ、環境が大きく変化したことを報知する。この外、上
述のような煙等の他に、例えば燃焼ガスの成分などが雰
囲気となるような環境変化の際にもイオン電流は減少す
る。この場合も同様にアラームできるようにもなってい
る。

【００１４】つぎに、本発明による図１の実施例素子の
作成方法を説明する。図４はその作成方法を説明する工
程順の断面図である。以下、（ａ）〜（ｊ）の順にした
がい作成工程の手順・状態を説明する。

【００１５】まず、シリコン基板１を用意し（ａ）、そ
の表面に熱酸化によりＳｉＯ₂ 膜３を形成する（ｂ）。
このシリコン基板１上にレジスト７を塗布し乾燥させ、
白金で形成される予定の電極パターン４０を露光焼付し
た後、リフトオフ（レジスト７の溶剤中で不用なレジス
トを除去）する（ｃ）。次に、スパッタ装置（図示せ
ず）を用いてシリコン基板１上に白金膜４を蒸着する
（ｄ）。残っているレジスト７を溶かして除去し、２個
の対向する白金の正電極４ａ、負電極４ｂのパターンを
形成する（ｅ）。再びレジスト７ａを塗布・乾燥・焼付
してリフトオフし、孔２形成のためにエッチングするパ
ターン２ａを作成する（ｆ）。ついでフッ酸バッファー
溶液（ＨＦ・ＮＨ₄ Ｆ）を用いて、先ずＳｉＯ₂ 膜３を
溶かし出す（ｇ）。そして、テトラエチルアンモニウム
ハイドロオキサイド（ＴＥＡ：［（Ｃ₂ Ｈ₅ ）₄ Ｎ］Ｏ
Ｈ）２０％溶液を用い、８０℃に加熱することによりシ
リコン基板１に孔２を作成していく（ｈ）。所定の深さ
に孔２を形成した後、残りのレジスト７ａを除去し
（ｉ）、孔２の表面に熱酸化によりＳｉＯ₂ 膜３を形成
し（ｊ）、イオン電流を測定するための検出部６が形成
される。

【００１６】なお、上記実施例では正電極の先端部のみ
尖鋭形状とした場合を示したが負電極の先端部も同様形
状としてもよい。また、素子基板はシリコンウエハを使
用した場合を示したがプリント基板等を構成しているよ
うな絶縁基板上に電極を形成してもよく、絶縁膜は酸化
物に限らず、窒化物等でもよい。電極の材料も耐食性の
金属であればよく、実施例の白金に限定されない。

【００１７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、孔も含め
て少なく共表面が絶縁体からなる素子基板に設けた孔の
上に白金電極をギャップ数μｍで対向させて配設した素
子によって、大気をイオン化し、そのイオン電流の変化
から環境の変化を検出する素子を形成したので、イオン
化に対して電極間の電圧を低く押さえると共に、素子全
体を非常に小型に形成でき、しかも煙感知等の環境変化
を効果的に検出できる環境変化検出素子が得られる。

【００１８】従って、上述のほかに例えば電子回路が作
成される基板の一部に上記電極を用いた検出部とそのイ
オン電流値を監視する回路を構成することができ、何ら
かの装置に搭載される基板上に一体に設けられば、その
装置の内部の環境も監視することができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による環境変化検出素子の一実施例を示
す模式平面図である。

【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。

【図３】本発明の環境変化検出素子の動作を説明する準
ブロック図である。

【図４】本発明による環境変化検出素子の作成する工程
順断面説明図である。

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 孔 ２ａ パターン ３ ＳｉＯ₂ 膜 ４ 白金膜 ４ａ 正電極 ４ｂ 負電極 ５ 電極端子 ５ａ，５ｂ 電極パッド ６ 検出部 ７，７ａ レジスト ８ 検出用抵抗 ９ スイッチング回路 １０ 警報回路 １７ 検出用抵抗 ４０ パターン

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２個の電極を対向・配置し、その間に電
   圧を印加して大気をイオン化し、そのイオン電流の変化
   から大気状態による環境変化を検出する環境変化検出素
   子であって、 表面に孔を有し、この孔を含む少なく共表面が絶縁体か
   らなる素子基板と、 この素子基板の前記孔の上部に突出するように前記絶縁
   体の面に設けられ、前記孔のほぼ中心部で対向する前記
   ２個の電極とを有し、対向する前記２個の電極の間隔が
   数μｍ〜１０数μｍであるように構成したことを特徴と
   する環境変化検出素子。
2. 【請求項２】 対向する２個の電極の少なくとも正電極
   の対向先端部に尖鋭な電極先端を有している請求項１の
   環境変化検出素子。
3. 【請求項３】 表面に絶縁膜を有するシリコン基板上に
   レジストを塗布乾燥し、所定の極パターンを露光焼付し
   た後、不用なレジストを除去し、蒸着等により導電層を
   作成し後に残るレジストを除去して２個の対向する電極
   を作成する電極作成工程と、 再びレジストを塗布乾燥し、孔作成のためのパターンを
   露光焼付した後、不用なレジストを除去し、フッ酸バッ
   ファー溶液に浸漬して絶縁膜をパータン形状に溶かし、
   更にエッチング液に浸漬してシリコン基板を所定深さ溶
   出させ、残るレジストを除去した後、孔面に絶縁膜を作
   成する孔作成工程と、により作成されることを特徴とす
   る環境変化検出素子の製造方法。