JPH0894559A - ガスセンサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 厚膜型ガスセンサでの、ロット間の抵抗値変
動を防止する。 【構成】 金属酸化物半導体膜８に接続した一対の電極
を、膜８の内部で複数の枝１０〜１５に枝別れされ、膜
８の外部へ引出し部１８で引出し、結合部１６に結合す
る。引出し部１８を膜８の抵抗値に応じてカットし、抵
抗値を調整する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の利用分野】この発明は、可燃性ガスや毒性ガス
等のガス、あるいは電子レンジでの調理過程で発生する
水蒸気等を検出するための、ガスセンサとその製造方法
に関する。この発明は、特にガスセンサの出力調整に関
する。

【０００２】

【用語法】この明細書において、ガスは可燃性ガスや毒
性ガス等の通常のガスのみでなく、水蒸気をも含むもの
とする。またこの明細書において、「基板上」という
時、基板表面に直接という意味ではなく、対象が基板に
より支持されていることを意味するものとする。

【０００３】

【従来技術】出願人は、絶縁基板上に金属酸化物半導体
膜とヒータ膜とを設け、金属酸化物半導体膜の抵抗値の
変化から、メタンやＣＯ，水素，水蒸気等のガスを検出
するようにしたガスセンサを開発してきた（例えば特開
平５−８７，７６２号公報，特開平５−３４０，９１０
号公報）。金属酸化物半導体膜は薄膜あるいは厚膜と
し、ヒータ膜と金属酸化物半導体膜とを基板の表裏に設
けても良く、あるいは基板上に断熱ガラスの層を設け
て、断熱ガラス上にヒータ膜，層間絶縁膜，金属酸化物
半導体膜の順に積層しても良い（例えば特開平５−３４
０，９１０号公報）。このようなガスセンサの構造は周
知であり、種々の変形ができる。例えばシリコン基板の
表面にシリカの薄層を設け、基板を裏面からエッチング
すると、エッチングにより生じた空洞上にシリカの薄層
が残る。そしてこの薄層上にヒータ膜と金属酸化物半導
体膜とを設けると、熱容量が小さく、消費電力の小さな
ガスセンサが得られる。

【０００４】しかしながら、発明者はこのようなガスセ
ンサでは、ロット毎にセンサの抵抗値（金属酸化物半導
体膜の抵抗値）が著しく変動することを見い出した。ロ
ット毎の抵抗値のばらつきは最大で１０倍程度にも達
し、これに対してロット内での抵抗値のばらつきは小さ
い。ロット内での抵抗値の変動が小さいのは、薄膜にせ
よ厚膜にせよ、ガスセンサの製造プロセス自体は母体基
板内での位置に対して均質で、センサ毎の変動が小さい
ことによる。従って問題は、ロット毎のセンサ出力の変
動である。

【０００５】ロットにより金属酸化物半導体膜の抵抗値
が変動する原因は充分解明されていないが、厚膜の場
合、季節により印刷前の金属酸化物半導体のペーストの
含水量等が変動することによると考えられる。薄膜の場
合、成膜毎の真空装置の状態の変化やターゲットの状態
の変化によるものと考えられる。

【０００６】

【発明の課題】この発明の課題は、金属酸化物半導体ガ
スセンサの出力の、ロット間変動を防止することにある
（請求項１〜３）。

【０００７】

【発明の構成】この発明のガスセンサは、絶縁基板上に
ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体膜と、こ
の金属酸化物半導体膜に接続した一対の電極と、前記金
属酸化物半導体膜を加熱するためのヒータとを設けたも
のにおいて、前記金属酸化物半導体膜は基板表面の一部
のみを覆うようにし、前記一対の電極の少なくとも一方
を、金属酸化物半導体膜の内部で複数の枝に枝別れし、
かつ枝を金属酸化物半導体膜の外に引き出して、金属酸
化物半導体膜の外で枝を結合するように構成したことを
特徴とする（請求項１）。

【０００８】ガスセンサはガスあるいは湿度を検出する
ものである。また、金属酸化物半導体膜は、外に枝を引
き出せるように、基板の全面を被覆しないようにする。
また枝別れさせた電極はそのまま金属酸化物半導体膜の
外に引き出し、ここで結合する。これらの点を除けば、
この発明のガスセンサの構造や製法は任意で、例えば用
いる金属酸化物半導体の種類はＳｎＯ2やＩｎ2Ｏ3等の
ガスにより抵抗値が変化するものであれば良く、厚膜で
も薄膜でも良い。ヒータは実施例では基板裏面に設けた
が、基板上にヒータと金属酸化物半導体膜を積層しても
良い。電極は金属酸化物半導体膜の下地に配置したが、
配置を変えて金属酸化物半導体膜上に電極を配置しても
良い。

【０００９】好ましくは、電極間の合成抵抗値に対す
る、前記各枝の寄与を枝によって異ならせ、枝毎の抵抗
値に対する寄与に階調を設ける（請求項２）。またこの
ようなガスセンサの製造では、枝の一部を金属酸化物半
導体膜の外で切断して、ガスセンサの出力を調整する
（請求項３）。切断の前提となる金属酸化物半導体膜の
抵抗値は、ロット毎に代表サンプルを選んで測定し、個
々のセンサ毎の抵抗値の測定は行わなくても良い。また
測定する抵抗値は使用予定温度でのガス中での抵抗値の
他に、簡便のため室温での空気中の抵抗値等でも良い。

【００１０】

【発明の作用】この発明では、金属酸化物半導体膜の内
部で電極を複数の枝に枝別れさせ、枝別れしたまま膜の
外部に電極を引き出し、結合する。この結果、膜の外で
枝を切断して金属酸化物半導体膜の抵抗値を調整するこ
とができる。そして切断は金属酸化物半導体膜の外部で
行うので、切断時の過熱や熱衝撃等により金属酸化物半
導体膜を劣化させることがない。好ましくは膜の合成抵
抗値に対する寄与を枝毎に異ならせ、膜の抵抗値を大き
な範囲でしかも細かな刻みで調整する。

【００１１】

【実施例】図１〜図４に、実施例を示す。図１に金属酸
化物半導体膜の成膜前の電極パターンを、図２に金属酸
化物半導体膜の成膜後のガスセンサを、図３に基板裏面
のヒータの配置を示す。これらの図において、２はＡｌ
2Ｏ3やＳｉＯ2等の耐熱絶縁性基板で、４，６は一対の
パッド、８はＳｎＯ2やＩｎ2Ｏ3等の金属酸化物半導体
膜である。金属酸化物半導体膜８には一対の電極を接続
し、これらの電極は各々３本ずつの合計６本に枝別れさ
せ、実施例では膜８の合成電気伝導度への寄与の大きい
ものから順に、枝１０，１１，１２，１３，１４，１５
とした。枝１０〜１５は３本ずつ膜８の外で結合部１６
に結合し、枝１０〜１５と結合部１６，１６との間には
引き出し部１８を設けてある。２０は抵抗値調整用の切
断ラインの位置で、膜８の外で結合部１６に各枝を結合
する手前の位置で引き出し部１８を切断し、抵抗値を調
整する。

【００１２】膜８の合成抵抗値への寄与は、枝１０で最
も大きく、枝１５で最も小さい。抵抗値への寄与が最も
小さい枝１４，１５間では、枝が向かい合っている長さ
が小さく、しかも枝の間隔が大きい。枝１３，１４間で
は、枝が向き合う長さを大きくし、しかも間隔をより小
さくしてある。枝１２，１３間では、枝１２，１３に突
起を設けて枝が向き合う長さをさらに大きくしてある。
枝１２，１０間では、枝の間隔をさらに小さくし、また
枝が向き合う長さをさらに大きくしてある。最後の枝１
０，１１間では枝の間隔は極めて小さく、しかも枝１
０，１１は櫛の歯状で、枝と枝とが向き合う長さが極め
て長い。実施例では枝１０〜１５を例えば２０μｍルー
ルで形成し、枝１０〜１５の線幅を各々２０μｍとする
と共に、枝の間隔を最小で２０μｍとした。

【００１３】図３に示すように、実施例ではヒータ２４
を金属酸化物半導体膜８の反対面に設け、基板２の裏面
にＲｕＯ2膜等のヒータ２４と、これらに接続したパッ
ド２２，２２、並びにヒータ電極２６，２６を設けた。
そしてパッド４，６，２２は溶接やワイヤボンディング
等により、図示しない外部端子に結線する。

【００１４】ガスセンサの製法を示すと、基板２は一辺
が１〜２ｍｍ程度の四角形で、直径２インチや５インチ
等のＡｌ2Ｏ3やＳｉＯ2等の母体基板を用いて成膜す
る。例えば最初にパッド２２やヒータ電極２６を印刷
し、ＲｕＯ2膜２４を印刷して焼成する。次いで基板２
の反対面にスクリーン印刷等で枝１０〜１５，引き出し
部１８，結合部１６，パッド４，６を印刷する。この後
パッド２２，２２間の抵抗値を監視しながら、レーザ等
でヒータ２４をトリミングし、ヒータ抵抗を一定値に揃
える。次にＳｎＯ2−Ｐｄ−Ａｌ2Ｏ3等のペーストを調
整し、スクリーン印刷して金属酸化物半導体膜８を形成
し、焼成する。

【００１５】この後、パッド４，６を用いて金属酸化物
半導体膜８の合成電気伝導度をセンサ毎に測定し記録す
る。測定は個々のセンサに分割する前の母体基板の段階
で行い、母体基板内での膜８の伝導度のばらつきが小さ
いので、１つの母体基板に対して数カ所で代表サンプル
を選び、代表サンプルに対してのみ電気伝導度を測定し
ても良い。また測定雰囲気は、使用予定温度での検出目
標のガス中、例えば４００℃でのメタン３０００ｐｐｍ
中、としてもよく、あるいは簡便のため室温の空気中と
しても良い。空気中の室温での伝導度は、４００℃のメ
タンガス中での伝導度にほぼ相関する。

【００１６】金属酸化物半導体膜８の伝導度を測定する
と、これに応じてヤグレーザ等でトリミングし、伝導度
を一定値に揃える。トリミングは、６本の引き出し部１
８に対して選んだ引き出し部１８を切断することで行
う。金属酸化物半導体膜８を直接レーザでトリミングす
ると、トリミング時の過熱のため膜８が変質したり、あ
るいは熱衝撃のため基板２から膜８が剥離したりするこ
とがある。しかし膜８の外の引き出し部１８を切断する
ので、金属酸化物半導体膜８の劣化は生じず、また膜８
への熱衝撃も小さい。

【００１７】図４に、トリミングによる伝導度の調整レ
ベルを示す。枝１４，１５間の領域を領域Ａ、枝１３，
１４間を領域Ｂとし、この順に領域Ａ〜Ｅを定める。例
えばここで膜８の全電気伝導度に対する各領域の寄与
が、領域Ａで５％，領域Ｂで８％，領域Ｃで２０％，領
域Ｄで２７％，領域Ｅで４０％となるように、枝１０〜
１５の形状を定める。この電気伝導度の分布は一例で、
枝毎に電気伝導度の寄与を変え、伝導度の制御範囲を大
きくし、かつ細かな調整ができるようにする。枝１５を
カットすると領域Ａの電気伝導度が失われ、枝１１をカ
ットすると領域Ｅの電気伝導度が失われる。中間の枝１
０，１２，１３，１４をカットすると、各々その両側の
電気伝導度が失われる。この結果、枝１１または枝１５
をカットすると４領域の電気伝導度が残り、枝１０，１
２，１３，１４をカットすると３領域の電気伝導度が残
る。次に枝１２，１３の２本をカットすると、領域Ａと
領域Ｅの電気伝導度が残る。ただしこの場合、枝１２，
１３をカットすると枝１０，１４間に小さな電気伝導度
が発生するので、図に示した電気伝導度の変化は定性的
なものである。同様に枝１０，１２や枝１１，１２をカ
ットすると領域Ａ，Ｂが残り、枝１１，１３をカットす
ると領域Ａ，Ｄが残る。また１つの領域のみの電気伝導
度を残すことができる。例えば枝１２〜１５あるいは枝
１２，１４をカットすると、枝１０，１１間の電気伝導
度のみが残る。これらの結果、膜８の電気伝導度は枝を
１本のみカットする場合の６通りと、２つの領域を維持
する場合の４通り、並びに１つの領域のみを維持する場
合の５通りの合計１５階調と、トリミングを行わない場
合の１階調を合わせて、少なくとも１６階調に変化させ
ることができる。

【００１８】前記のように各領域の電気伝導度への寄与
を定め、枝１０〜１５をカットしてトリミングすると、
図４のように電気伝導度を調整できる。図の縦軸は、ト
リミング前の伝導度をσ0、トリミング後の伝導度をσS
とした相対値で表示した。トリミング範囲はσ0の５〜
１００％の２０倍で、この間に１５階調があるため、伝
導度の調整は２０％刻みで行うことができ、±１０％の
精度で膜８の電気伝導度を調整できる。

【００１９】

【変形例】図５に、一対の電極の一方のみを複数に枝別
れさせた変形例を示す。これ以外の点は図１〜図３の実
施例と同様である。図５において、３０は一方の電極、
３１〜３４は枝で、１８は各々の枝の引き出し部であ
る。膜８の合成伝導度への寄与は、枝３１が電極３０と
の間隔が小さく、対向距離が大きいため最も大きい。枝
３２では電極３０と向き合う距離が約１／２になり、伝
導度への寄与は枝３１の約１／２になる。枝３３では電
極３０と間隔が枝３２の２倍になり、伝導度への寄与は
枝３２の１／２となる。枝３４では枝の向きが電極３０
と直角で、合成伝導度への寄与は枝３３の約１／２とな
る。これらのため枝３１〜３４の伝導度への寄与は、枝
番号が１つ増える毎に１／２に減少する。枝３１，３
２，３３，３４の電気伝導度への寄与は８：４：２：１
で、合成電気伝導度を１５とすると、トリミングにより
１刻みで１〜１５の１５段階に伝導度を調整できる。即
ち枝３４のみをカットすると伝導度は１４となり、枝３
３では１３、枝３２では１１、枝３１では７となり、枝
３３，３４をカットすると１２となり、枝３２，３４を
カットすると１０で、枝３２，３３をカットすると９と
なる。次に枝３１のみを残すと伝導度は８となり、枝３
２，３３を残すと６となり、枝３２，３４を残すと５と
なり、枝３２のみを残すと４となる。また枝３４のみを
残すと１となる。このようにして４本の枝３１〜３４の
カットの組み合せで、１〜１５の１５階調に膜８の合成
電気伝導度を調整できる。

【００２０】

【発明の効果】この発明では、金属酸化物半導体ガスセ
ンサの抵抗値をトリミングできる。しかもトリミング
は、金属酸化物半導体膜の外で行うので、ガスセンサの
劣化をもたらすことが無い。

【図面の簡単な説明】

【図１】 実施例のガスセンサの電極パターンを示す
平面図

【図２】 実施例のガスセンサの平面図

【図３】 実施例のガスセンサの底面図

【図４】 実施例のガスセンサの抵抗値のトリミング
範囲を示す特性図

【図５】 変形例のガスセンサの電極パターンを示す
平面図

【符号の説明】

２ 基板 ４，６ パッド ８ 金属酸化物半導体膜 １０〜１５ 枝 １６ 結合部 １８ 引き出し部 ２０ 切断ライン ２２ パッド ２４ ヒータ ２６ ヒータ電極 ３０ 電極 ３１〜３５ 枝

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁基板上にガスにより抵抗値が変化す
   る金属酸化物半導体膜と、この金属酸化物半導体膜に接
   続した一対の電極と、前記金属酸化物半導体膜を加熱す
   るためのヒータとを設けたガスセンサにおいて、 前記金属酸化物半導体膜は基板表面の一部のみを覆うよ
   うにし、 前記一対の電極の少なくとも一方を、金属酸化物半導体
   膜の内部で複数の枝に枝別れさせ、かつ枝を金属酸化物
   半導体膜の外に引き出して、金属酸化物半導体膜の外で
   枝を結合したことを特徴とする、ガスセンサ。
2. 【請求項２】 前記一対の電極間の金属酸化物半導体膜
   の合成抵抗値に対する、前記各枝の寄与を枝によって異
   ならせたことを特徴とする、請求項１のガスセンサ。
3. 【請求項３】 絶縁基板上にガスにより抵抗値が変化す
   る金属酸化物半導体膜と、この金属酸化物半導体膜に接
   続した一対の電極と、前記金属酸化物半導体膜を加熱す
   るためのヒータとを設けたガスセンサの製造方法におい
   て、 前記金属酸化物半導体膜は基板表面の一部のみを覆うよ
   うにし、 かつ、前記一対の電極の少なくとも一方を、金属酸化物
   半導体膜の内部で複数の枝に枝別れさせ、枝を金属酸化
   物半導体膜の外に引き出して、金属酸化物半導体膜の外
   で枝を結合し、 前記枝の一部を金属酸化物半導体膜の外で切断して、ガ
   スセンサの出力を調整する工程を設けたことを特徴とす
   る、ガスセンサの製造方法。