JPH08189911A

JPH08189911A - ガス検知素子

Info

Publication number: JPH08189911A
Application number: JP1754795A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Sato; 康弘佐藤; Tsutomu Ishida; 力石田; Etsuko Fujisawa; 悦子藤沢
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 1995-01-09
Filing date: 1995-01-09
Publication date: 1996-07-23

Abstract

(57)【要約】（修正有）【目的】従来のガス検知素子の張り出し部の構造の改
良及び付加機能を付与し、二つの電熱器における利点を
さらに応用し、平板形の構造も取り入れたガス検知素子
の提供。【構成】少なくとも空中に張り出して設けられた電気
絶縁性材料からなる張り出し部３、張り出し部３上にガ
ス検知用の金属酸化物半導体層４と、金属酸化物半導体
層４に接触する電極リード６と、電極リード６とは独立
したヒーターリード層５，５′，５″とを具備したガス
検出装置において、ヒーターリード層が膜厚方向に複数
のヒートリード層を有して構成され、各ヒーターリード
が電気絶縁層または電気絶縁層と拡散層（電気絶縁層と
ヒーターリードとの密着性向上のための層）を介して隔
離されるガス検知素子。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【技術分野】本発明は、雰囲気中の特定ガスを検知する
ためのガス検知素子に関する。

【０００２】

【従来技術】従来のガス検知素子は、図１から図３に示
すように、基板１、前記基板上に空中に張り出して設け
られた電気絶縁性材料からなる張り出し部上に設けられ
たガス感応物質４、該感応物質層とコンタクト部９を介
して接続した検出リード６、前記張り出し部上に前記検
出用リードと並置して設けられた少なくとも一個のヒー
ター５より構成されている。一般に、前記ガス検知素子
等は、検出素子自体あるいは、検出素子を加熱するため
の電熱器を必要とする。その電熱器は消費電力が少な
く、かつ熱時定数の小さいものが望ましく、そのために
電熱器を小型化して熱容量を小さくしたものが既に提案
されている（特公昭６２−２４３８、特公平２−１３７
３９）。前者の電熱器は基板上に基板と異なる物質の絶
縁層を形成し、その上に発熱体を形成しており、前記発
熱体を含む前記絶縁層が空中に浮いた構造を呈してい
る。また、この構造の電熱器を用いた前記発熱体層上に
絶縁膜を介し、パターン形成された一対のリード層間に
ガス感応物質を有するガス検出装置は既に知られている
（特開昭５９−１４３９４６）。一方、後者の電熱器
は、導電性物質のみが空中に架橋された構造である。ま
た、基板を複数の基板層を積層して形成するとともに、
ヒーターを前記基板間に位置し、互いに通電可能に接続
された複数のヒーター層により形成したことを特徴とし
た平板形のガスセンサや基板とこの基板上に形成された
感ガス部と前記基板に内蔵されるとともにヒーターパタ
ーンを形成し通電されて前記感ガス部を加熱するヒータ
ーとを備えたガスセンサにおいて、前記ヒーターパター
ンを渦巻状に設定したガスセンサは公知である（特開平
３−１８３９４１）。しかし、この平板形のガスセンサ
は、前記の電熱器と比較し、熱容量が大きい。

【０００３】

【目的】本発明は、前記従来のガス検知素子の前記張り
出し部の構造の改良及び付加機能を付与し、前記二つの
電熱器における利点をさらに応用し、前記平板形の構造
も取り入れたガス検知素子の提供を目的とする。

【０００４】

【構成】本発明は、少なくとも空中に張り出して設けら
れた電気絶縁性材料からなる張り出し部、前記張り出し
部上にガス検知用の金属酸化物半導体層と、該金属酸化
物半導体層に接触する電極リードと、該電極リードとは
独立したヒーターリード層とを具備したガス検出装置に
おいて、ヒーターリード層が膜厚方向に複数のヒートリ
ード層を有して構成され、各ヒーターリードが電気絶縁
層または電気絶縁層と拡散層（電気絶縁層とヒーターリ
ードとの密着性向上のための層）を介して隔離されたも
のであることを特徴とするガス検知素子に関する。以
下、本発明のガス検知素子の構成および機能を図面に基
づいて説明する。

【０００５】実施例１本発明のガス検知素子の代表的な構造を図４に示す。図
５は、図４のＡ−Ａ′線の断面図である。基板１は、ア
ンダーカットエッチングが容易で、高温でも変形しない
材料、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ｃｒ等が使用
され、好ましくはＳｉ（１００）が使用される。ここ
で、Ｓｉ（１００）面を使用するのは、アンダーカット
エッチングする際に公知の異方性エッチング液を使用で
きるからである。また、電気絶縁性層２０としては、エ
ッチング工程が容易で且つ他の構成材料をエッチングし
ない選択性を有する比較的耐熱性があるＳｉＯ₂、Ａｌ₂
Ｏ₃、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｔａ₂Ｏ₅、ＭｇＦ₂等あるいは、微細加
工に適したコーニング社製のフォトフォーム、フォトセ
ラムあるいは、エポキシとアクリル、ポリイミド等が好
ましい。また、ヒーターリード５、５′、５″材料とし
ては、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｐｔ族合金、ＮｉＣｒ、ＴａＮ₂、
ＢＮ、ＳｉＣ、カンタル合金等が挙げられ、電極（検出
リード）６材料としては、Ｐｔ、Ａｕ、Ｒｈ、Ｉｒ、Ｎ
ｉ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ等が挙げられる。前記ヒーターリー
ド材料及び前記電極材料の形成方法として、蒸着、スパ
ッタリング等の公知の薄膜形成法を用いる。また、ガス
検知部（ガス感応物質薄膜）４材料としては、スズ、亜
鉛、鉄、チタン、インジウム、ニッケル、タングステ
ン、カドミウム、バナジウム等の酸化物が挙げられ、中
でもスズ酸化物の使用が最も好ましい。前記金属酸化物
の形成方法として、蒸着、スパッタリング、イオンプレ
ーティング等の物理的方法、ＣＶＤ法等の気相化学反応
法、Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法等の液相を利用した公知の薄膜形
成法により形成する。本実施例では、基板１として、Ｓ
ｉ（１００）を使用し、所用の材料を多層積層し、フォ
トリソグラフィー及び、Ｓｉ異方性エッチングにより作
製した図４および図４のＡ−Ａ′線の断面図である図５
について説明する。（１）前記基板１上に電気絶縁性層２０として、ＳｉＯ
₂をスパッタリングにより１．０μｍの膜厚で形成す
る。（２）ヒーターリード５１、５２材料と前記電気絶縁性
層２０との密着性を高めるために、拡散層２２として、
Ｔａ₂Ｏ₅をスパッタリングにより０．５μｍの膜厚で形
成する。（３）ヒーターリード５１を、Ｐｔをスパッタリングに
より０．５μｍの膜厚で、形成する。（４）更に、前記同様にＴａ₂Ｏ₅膜を０．１μｍの膜厚
でヒーター材料５１の表面に拡散層２２として形成す
る。（５）フォトレジストをコートする。（６）フォトリソグラフィーによるパターン露光により
不要部分をエッチング除去して、フォトレジストパター
ンを形成させる。（７）前記フォトレジストパターンをマスクとし、エッ
チングを行い、図４の第１層目のヒーターリードのパタ
ーンを形成する。同様に、（２）〜（７）の工程を二度繰り返すことによ
り第２層目のヒーター層を膜厚方向に並べることが可能
である。この後、電極（検出リード）６材料Ｐｔ及びガ
ス検知部（ガス感応物質薄膜）４材料ＳｎＯ₂をスパッ
タリングにより形成し、公知のフォトリソグラフィーエ
ッチングによりパターニングを行い、形成した。更に、
ガス検知部４及び、ボンディングパッド部７、７′及
び、８以外は、絶縁層により被覆した。更に、Ｓｉ異方
性エッチングにより、これらの部位を空中に浮いた張り
出し部構造とし、図４及び図５の構造にした。また、本
発明の他の構造のガス検知素子の構造を図６に示した。
このガス検知素子の構造は、張り出し部３内に設けられ
た複数のヒーターリード層の形状が、ガス検知用の金属
酸化物半導体層の下部または下部および下部付近で矩形
状であることを特徴とする。この図６に示される構造を
有するガス検知素子も、前記作製方法により容易に作製
できる。前記エッチングは、材料の種類に応じて、化学
的エッチング、イオンビームエッチング、スパッタエッ
チング又はプラズマエッチング等、適宜の方法を選択し
て行う。前記図４、５および６のガス検知素子におい
て、ボンディングパッド部７、７′への入力は、外部に
おいて、直列にしても並列にしても良い。

【０００６】実施例２張り出し部自体が検出部のヒーターと電極を兼ねたもの
である本発明の他の代表的な構造を図７に示す。図８は
図７のＢ−Ｂ′線断面図である。基板１としてはＳｉ
（１００）を用い、前記基板１上にスパッタリングによ
り膜厚０．５μｍでＰｔを形成し、該Ｐｔ上にフォトレ
ジストを塗布した後、フォトリソグラフィーによりパタ
ーン露光し、不要部分をエッチング除去して前記Ｐｔ上
にフォトレジストパターン（図７の３０）を形成する。
次いで、このフォトレジストパターンをマスクとして、
前記Ｐｔをエッチングする。更に、前記基板１をフォト
リソグラフィーエッチング及び異方性エッチングによ
り、張り出し部構造を形成させる。更に、該張り出し部
にガス検知部３１として、ＳｎＯ₂をスパッタリング法
により膜厚０．３μｍで、図８の（ａ）〜（ｃ）の様に
上及び／又は下に形成する。この構造は、張り出し部自
体が検出部のヒーターと電極を兼ねたものであり、接触
燃焼を利用したガス検知素子の小型化、高感度化、低消
費電力化を図ることができる。

【０００７】実施例３複数のヒーターリードのうちの少なくとも１つを測温抵
抗体として用いることを特徴とする他の代表的な構造の
ガス検知素子に関する。この構造のガス検知素子は、膜
厚方向に複数のヒーターリード層が形成された構造であ
れば適用でき、例えば前記図４または図５に示した構造
のガス検知素子にも適用できる。さらに複数のヒーター
リードを測温抵抗体として使用する場合（但し、全部の
ヒーターリードを測温抵抗体として使用する場合を除
く）、膜厚方向のヒーターリードの層の各層の少なくと
も１つを測温抵抗体として用いることが好ましい。ま
た、測温抵抗体として用いるヒーターリードは、埋め込
まれたヒーターリードのうちの何れでも良い。

【０００８】前記のヒーターリードに入力する電圧、電
流および電力を調整し、検知部の一定温度加熱を行うこ
とができる。例えば、ヒーターリード材料として膜厚
０．５μｍのＰｔを用いた場合について、以下に説明す
る。図９に抵抗の温度依存性を示す。この時、下式によ
り抵抗温度係数α、βを４００℃から５００℃の温度範
囲で測定、算出すると、α＝２３７３（ｐ．ｐ．ｍ．／
℃）、β＝−０．３９８（ｐ．ｐ．ｍ．／℃²）とな
る。ここで、温度を４００℃から５００℃の温度範囲に
設定したのは、ガス検知素子であるＳｎＯ₂がこの温度
範囲で、最大感度を有するためである。

【数１】ここで、Ｒは実駆動時の抵抗値（Ω）、Ｒ₀は、室温抵
抗値（Ω）、ΔＴは室温と実駆動温度の温度差（℃）を
それぞれ示しており、α、βは抵抗温度係数を示してい
る。抵抗温度係数α、βとして、前記の値を用い、Ｒと
Ｒ₀の測定により下式によりΔＴが求まる。

【数２】前記検知部の一定温度加熱は、例えば、図１０のような
ブロック図で示されるような回路構成とし、ヒーター電
圧制御部Ａにより、ヒーターにある電圧を印加し、電流
検出部によりその時の電流をモニターし、前記印加電圧
及び電流検出部からの出力電流から抵抗値に演算する抵
抗演算部、該抵抗値から前記（２）式によりΔＴに変換
するΔＴ演算部を有し、この結果から、所定の温度なら
ば、ヒーター電圧制御部Ｂによりその時の電圧をヒータ
ーにフィードバックし駆動し、所定の温度ではない場
合、再びヒーター電圧制御部Ａにより印加電圧を変化さ
せて前記過程を繰り返す判定部を有する。この回路を用
いることにより、検知部加熱温度の制御が可能になり、
センサー出力の安定化、再現性の向上を図ることができ
る。

【０００９】実施例４張り出し部をヒーターリード材料により形成し、該張り
出し部の上及び／または下にガス検知用の金属酸化物半
導体層を設け、前記ヒーターリード材料を前記金属酸化
物半導体の電極として兼用するものであるガス検知素子
において、前記張り出し部がヒーターリード材料からな
る極細のワイヤにより、形成されたものであることを特
徴とするガス検知素子を図１１に示す。このガス検知素
子は、前記実施例１と同様の作製方法により、図１中の
空洞２を形成し、全面に絶縁層でコーティングした後、
ボンディングパッド部５６をＡｕで、膜厚１μｍで形成
する。これをベースにし、公知のマイクロボンディング
技術によって、以下の構造を実現させることができる。
極細ワイヤ材料としては、代表的なワイヤボンディング
材料である直径２５〜５０μｍのＡｕワイヤ若しくは、
光ファイバのコア材料としても用いられている直径５〜
１００μｍのＳｉＯ₂のワイヤが使用できる。但し、前
記ＳｉＯ₂ワイヤ等の絶縁性のものの場合には、図１２
（ｂ）のように絶縁性ワイヤ５４の表面にＡｕ等のヒー
ター材料５３をコーティングする。従って、極細に加工
が可能な材料であれば、前記極細材料として使用するこ
とができるので幅広く応用できる。前記極細ワイヤのボ
ンディングパット部５６への接着方法としては、公知の
マイクロボンディング技術である熱圧着ボンディング方
式や超音波ボンディング方式を用いる。前記の作製方法
により、より容易に、前記ガス検知素子の空中に浮いた
張り出し構造を実現できる。更に、前記構造の張り出し
部にガス検知層（金属酸化物半導体薄膜）５５を形成し
たことを特徴とするものが図１３および図１４に示すガ
ス検知素子であり、図１３に示すものがガス検知層５５
を部分的に形成したものであり、図１４に示すものが前
記ガス検知層５５を全面に形成したものである。ワイヤ
５０は、ヒーターと電極を兼ねたものであり、雰囲気中
に存在する特定ガスに対する接触燃焼反応を利用した接
触燃焼式のガス検知素子である。また図１５の（ａ）、
（ｂ）は、前記図１２の（ａ）、（ｂ）のそれぞれのワ
イヤを用いた場合の図１３及び１４のＤ−Ｄ′線の断面
図を示している。これらの構造によって、より小型の接
触燃焼式ガス検知素子が実現できるとともに、その作製
法をより簡便なものにすることが可能である。

【００１０】

【効果】

１．加熱部位の均熱化を図り、少ない電力で短時間に適
性動作温度に到達させることができるガス検知素子が提
供される。２．接触燃焼を利用したガス検知素子の小型化、高感度
化、低消費電力化を図ったガス検知素子が提供される。３．検知部の集中的な加熱が行えるので、検知部以外の
部位の熱による劣化（膜ハガレによる断線、クラック
等）を防止したガス検知素子が提供される。４．複数のヒーターリードの少なくとも１個のヒーター
リードを測温抵抗体として用いることにより検知部温度
のモニタリングができるガス検知素子が提供される。５．測温抵抗体の出力（温度）から、ヒーターリードに
入力する電圧、電流、電力を調整する回路を設け、検知
部の一定温度加熱を行えるようにし、検知出力の安定
化、再現性の向上を図ったガス検知素子が提供される。６．公知のマイクロボンディング技術により、張り出し
部をヒーターリード材料からなる極細ワイヤにより形成
させることにより、ガス検知素子の形成を容易にするこ
とができ、該素子の作製方法を簡易にする。７．前記６の構造の極細ワイヤを絶縁性の極細ワイヤの
表面にヒーターリード材料をコーティンクすることによ
り幅広い材料を極細ワイヤに使用することが可能とな
る。８．前記６、７において極細ワイヤの一部に検知材料で
ある金属酸化物半導体層を設けることにより、ガス感度
向上を図ると同時に、前記２記載の構造に比べ、容易な
作製方法で作成することのできるガス検知素子が提供さ
れる。９．前記８において、前記極細ワイヤの全面に検知材料
である金属酸化物半導体層をもうけることにより、更な
る高感度化及び、より容易な作製方法で作成することの
できるガス検知素子が提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来型のガス検知素子の１例の平面図である。

【図２】図１のＸ−Ｘ′線の断面図である。

【図３】図１のＹ−Ｙ′線の断線図である。

【図４】実施例１のガス検知素子の平面図である。

【図５】図４ののＡ−Ａ′線断面図である。

【図６】実施例１の他のガス検知素子の平面図である。

【図７】実施例２のガス検知素子の平面図である。

【図８】図７のＢ−Ｂ′線断面図である。

【図９】ヒーター抵抗の温度依存性を示す図である。

【図１０】ヒーター駆動回路のブロック図を示す図であ
る。

【図１１】実施例４のガス検知素子の平面図である。

【図１２】（ａ）は、図１１のＣ−Ｃ′線断面図、
（ｂ）は、前記（ａ）の絶縁性ワイヤの表面にヒーター
リード材料で形成されたコーティング層を有するもので
ある。

【図１３】実施例４のガス検知層を部分的に形成したガ
ス検知素子の平面図である。

【図１４】実施例４のガス検知層を全面に形成した検知
素子の平面図である

【図１５】（ａ）は、図１３のＤ−Ｄ′線断面図、
（ｂ）は、図１４のＤ−Ｄ′線断面図である。

【符号の説明】

１基板２空洞部３張り出し部４ガス検出部（ガス感応物質薄膜）５ヒーター及びヒーターリード５′ ヒーター及びヒーターリード５′′ ヒーター及びヒーターリード６電極（検出リード）７ヒーター電極パッド７′ ヒーター電極パッド８検出電極パッド９コンタクト部２０電気絶縁性層２１基板ベース２２拡散層３０ヒーター兼電極リード３１金属酸化物半導体薄膜３２ヒーター兼電極リード材料５０極細ワイヤ５１第１層目のヒーターリード５２第２層目のヒーターリード５３ヒーターリード材料５４絶縁性ワイヤ５５ガス検出層（金属酸化物半導体薄膜）５６ボンディングパッド部５７ワイヤ接合部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも空中に張り出して設けられた
電気絶縁性材料からなる張り出し部、前記張り出し部上
にガス検知用の金属酸化物半導体層と、該金属酸化物半
導体層に接触する電極リードと、該電極リードとは独立
したヒーターリード層とを具備したガス検出装置におい
て、ヒーターリード層が膜厚方向に複数のヒートリード
層を有して構成され、各ヒーターリードが電気絶縁層ま
たは電気絶縁層と拡散層（電気絶縁層とヒーターリード
との密着性向上のための層）を介して隔離されたもので
あることを特徴とするガス検知素子。
【請求項２】請求項１記載のガス検知素子において、
張り出し部をヒーターリード材料により形成し、該張り
出し部の上及び／又は下にガス検知用の金属酸化物半導
体層を設け、前記ヒーターリード材料を前記金属酸化物
半導体層の電極リードとして兼用するものであるガス検
知素子。
【請求項３】請求項１記載のガス検知素子において、
張り出し部内に設けられた複数のヒーターリード層が、
ガス検知用の金属酸化物半導体層の下部または下部と下
部付近に局在するものとし、前記ガス検知用の金属酸化
物半導体層の局所的加熱を可能としたガス検知素子。
【請求項４】請求項１または３記載のガス検知素子に
おいて、複数のヒーターリードの少なくとも１個が、測
温抵抗体として用いられるものであるガス検知素子。
【請求項５】請求項４記載のガス検知素子において、
測温抵抗体の出力（温度）から、検知部の一定温度加熱
を行うことが可能なようにヒーターリードに入力する電
圧、電流および電力を調整することができる回路を有す
るガス検知素子。
【請求項６】請求項２記載のガス検知素子において、
張り出し部がヒーターリード材料からなる極細のワイヤ
により形成されたものであるガス検知素子。
【請求項７】請求項６記載のガス検知素子において極
細のワイヤが絶縁性ワイヤ表面にヒーターリード材料を
コーティングしたものであるガス検知素子。
【請求項８】請求項６または７記載のガス検知素子に
おいて、ワイヤの一部または全面に検知材料である金属
酸化物半導体層を設けたものであるガス検知素子。