JPH11211689A

JPH11211689A - ガスセンサ用マイクロヒータ

Info

Publication number: JPH11211689A
Application number: JP876298A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Oda; 清志小田
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 1998-01-20
Filing date: 1998-01-20
Publication date: 1999-08-06
Anticipated expiration: 2018-01-20
Also published as: JP3537077B2

Abstract

(57)【要約】【課題】少ない消費電力で感知精度を高くした小型化
接触燃焼式ガスセンサ用のマイクロヒータを提供する。【解決手段】断熱域３によって囲まれた略矩形の均熱
域２の全域にわたって薄膜状のヒータ抵抗１を格子状に
設けて小型化接触燃焼式ガスセンサ用マイクロヒータ１
０とする。電極４ａ、４ｂは、マイクロヒータ１０の格
子の対角線方向に位置する角部にそれぞれ設けることが
できる。また、電極電極１４ａ、１４ｂは、マイクロヒ
ータ２０の格子の向かい合う両最外端に配置された薄膜
状のヒータ抵抗１１の辺の中央部にそれぞれ設けること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ガスセンサ素子を
均等に加熱するための小型化接触燃焼式ガスセンサ用マ
イクロヒータ関する。

【０００２】

【従来の技術】図１２は、従来の接触燃焼式ガスセンサ
の検出回路を示す結線図である。Ｒ1及びＲ2は、それぞ
れ、固定抵抗１０１及び固定抵抗１０２の抵抗値であ
り、Ｒ3及びＲ4 は、それぞれ、補償素子１０４及びガ
ス検知素子１０３の抵抗値である。Ｒ1、Ｒ2、Ｒ3及び
Ｒ4は、ホィーストンブリッジを形成している。ガス検
知素子１０３は、例えば、白金コイルの周囲に貴金属の
担持されたアルミナ担体が固着されたものである。補償
素子１０４は、ガス検知素子と同一の構造のものである
が、ガス検知素子の貴金属に代えて酸化銅が担持された
ものである。

【０００３】可燃性ガスが存在しないときは、ホィース
トンブリッジ回路は平衡して、Ｒ1×Ｒ4＝Ｒ2×Ｒ3 と
なり、検出計に示される負荷の電圧は０Ｖとなる。一
方、雰囲気に可燃性ガスが含まれると、ガス検知素子１
０３において、可燃性ガスが燃焼し、そのため、白金コ
イルの温度が上昇して、その抵抗値Ｒ4 が増大し、そし
て、補償素子１０４においては、可燃性ガスは、燃焼せ
ず、そのため、抵抗値Ｒ3 は変化しない。それらの結
果、ホィーストンブリッジ回路の平衡が破れて、検出計
１５に負荷の電圧が表示される。

【０００４】図１３は、従来の小型化接触燃焼式ガスセ
ンサを示す平面図であり、そして、図１４は、図１３の
Ｘ−Ｘ線断面図である。

【０００５】図１３、図１４に示されるように、絶縁体
層（断熱域）１１０がシリコン基体１１１の上に熱酸化
膜によるストッパー層１１２を介して橋絡部を形成す
る。橋絡部は、空洞部の上に橋渡しされる。この橋絡部
に金属薄膜抵抗体１０７Ａ、１０７Ｂ、１０７Ｃ及び１
０７Ｄが積層され、そして、シリコン基体１１１の上に
は、絶縁体層１１０を介して電極１０９Ａ及び１０９Ｂ
が積層されている。電極１０９Ａは、電源印加用端子で
あり、電極１０９Ｂは、出力端子である。金属薄膜抵抗
体１０７Ａ、１０７Ｂ、１０７Ｃ及び１０７Ｄは、ジグ
ザグの形状を示し、ホィーストンブリッジ回路を形成し
ている。ホィーストンブリッジ回路の一つの枝片を形成
する金属薄膜抵抗体１０７Ａ及び１０７Ｂは、保護層１
０８により被覆されている。ホィーストンブリッジ回路
の他の枝片を形成する金属薄膜抵抗体１０７Ｃ及び１０
７Ｄは、それぞれ、補償層１０６及びガス検知層１０５
により被覆されている。

【０００６】前記金属薄膜抵抗体１０７Ａ、１０７Ｂ、
１０７Ｃ及び１０７Ｄは、このような従来の小型化接触
燃焼式ガスセンサにおいて、可燃ガスが触媒の存在下に
燃焼するのに必要な温度を維持するために設けられ、加
熱体として機能し、また、マイクロヒータとしても機能
している。

【０００７】図１５は、かかる従来のマイクロヒータの
上面図である。図１５に示すように、従来のマイクロヒ
ータ１３０は、均熱域１２２にマイクロヒータ１２１を
配し、これに電流を流すことで高温を得ている。マイク
ロヒータ１２１の両端には、それぞれ、電極１２４ａ及
び電極１２４ｂが設けられている。図１３及び図１５に
それぞれ示されている絶縁体層（断熱域）１１０及び断
熱域１２３は、マイクロヒータで発熱した熱が基体を伝
わって外部に逃げないように配置されている。

【０００８】このようにガスセンサを小型化する場合、
シリコンのような基板上に薄膜ヒータ、ガス感知体膜、
絶縁体膜等を形成しなければならない。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】図１５に示すような従
来のマイクロヒータは、電池のような低消費電流による
発熱を利用するものであるところ、その断熱域１２３
は、支持部としての機能も有したものとなっていので、
充分な断熱が得られず、そのために、均熱域１２２の外
側の部分の温度が比較的低くなっていた。そして、従来
のマイクロヒータは、直列の電熱ヒータで配置している
ため、ヒータ抵抗のどの部分でも同じ電流ｉ ₀が流れて
いるので、前記したような温度分布が発生すると、温度
の高い部分の抵抗ｒが高くなり、その分発熱量ｑ（＝ｒ
ｉ₀ ²）も大きくなり、その結果、ヒータ内の温度差がさ
らに大きくなるものとなっていた。

【００１０】そのために、従来のマイクロヒータを設け
た小型化接触燃焼式ガスセンサは、少ない消費電力で感
知精度を高くすることができない、という問題があっ
た。

【００１１】本発明は、かかる問題を解決することを目
的としている。即ち、本発明は、少ない消費電力で感知
精度を高くした小型化接触燃焼式ガスセンサ用のマイク
ロヒータを提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本第１発明は、上記目的
を達成するために、断熱域によって囲まれた略矩形の均
熱域の全域にわたって薄膜状のヒータ抵抗を格子状に設
けたことを特徴とするガスセンサ用マイクロヒータであ
る。

【００１３】本第２発明は、第１発明において、マイク
ロヒータの格子の対角線方向に位置する角部にそれぞれ
電極を設けたことを特徴としている。

【００１４】本第３発明は、第１発明において、マイク
ロヒータの格子の向かい合う両最外端に配置された薄膜
状ヒータ抵抗の辺の中央部にそれぞれ電極を設けたこと
を特徴としている。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
に基づいて説明する。

【００１６】図１は、本発明の一実施の形態を示す小型
化接触燃焼式ガスセンサ用マイクロヒータの上面図であ
る。

【００１７】図１において、１０は、格子状のマイクロ
ヒータである。格子状のマイクロヒータ１０は、薄膜状
のヒータ抵抗１によって構成されている。格子状のマイ
クロヒータ１０は、絶縁体層５の面に設けられた略矩形
の均熱域２の全域にわたって設けられ、その周囲には、
断熱域３が取り囲むように設けられている。ヒータ抵抗
１０の格子の最外端に配置された薄膜状のヒータ抵抗１
ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄによって形成される４角の対角線
方向に位置する一方の角部及び他方の角部には、電極４
ａ及び電極４ｂがそれぞれ配置されている。

【００１８】図１のようなマイクロヒータの構造では、
縦方向の温度分布をみると、温度の高い部分の抵抗ｒ_h
及び温度の低い部分抵抗ｒ_lの関係は、ｒ_h＞ｒ_lとな
り、電流はｒ_l側に多く流れる。そのために、各の発
熱量ｑ_h （＝ｖｉ_h）、ｑ_l（＝ｖｉ_l）はｑ_h＜ｑ
_lとなり、温度の低い方の発熱が大きくなる。これによ
り、マイクロヒータ内の温度差は小さくなる。そして、
この均熱域の構造では、特に、コーナー部の温度が下が
りやすいので、図１に示されるマイクロヒータの構造で
は、そのコーナ部の発熱が大きくなり、そのために、温
度分布をより均一にすることができる。また、横方向の
温度調整はあまりきかないが、ヒータ抵抗の周囲に断熱
域を設けて断熱を良くすることにより十分に解決でき
る。さらに、温度分布を良くしたい場合には、各抵抗線
の大きさを調整することもできる。

【００１９】図２は、本発明の他の一実施の形態を示す
小型化接触燃焼式ガスセンサ用マイクロヒータの底面図
であり、図３は、その部分拡大説明図である。

【００２０】図２において、２０は、格子状のマイクロ
ヒータである。格子状のマイクロヒータ２０は、薄膜状
のヒータ抵抗１１によって構成されている。格子状のマ
イクロヒータ２０は、絶縁体層１５の面に設けられた略
矩形の均熱域１２の全域にわたって設けられ、その周囲
には、断熱域１３が取り囲むように設けられている。マ
イクロヒータの格子の向かい合う両最外端に配置された
薄膜状のヒータ抵抗１１ａ、１１ｃ又は１ｂ、１ｄによ
る辺の中央部には、電極１４ａ及び電極１４ｂがそれぞ
れ配置されている。

【００２１】図２のようなマイクロヒータの構造では、
縦方向の薄膜状のヒータには、電流調整分の電流しか流
れない。その理由は、次のとおりである。

【００２２】即ち、図３において、電流は、ＡからＢの
方向に流れる。Ａ−Ｃ、Ａ−Ｄ、Ｃ−Ｂ及びＤ−Ｂの４
個の抵抗に着目すると、これでホイーストンブリッジを
形成していることがわかる。４個の抵抗の温度が同じで
あれば、各抵抗は等しくなるので、抵抗Ｃ−Ｄ間には電
流が流れない。しかし、実際には、センサ内の温度分布
があるので、各抵抗部分の温度は同じではない。したが
って、抵抗体の抵抗温度特性により、４個の抵抗の抵抗
値が異なり、抵抗Ｃ−Ｄ間に調整分の電流が流れること
になる。この電流値は、明らかに他の４個の抵抗に流れ
る電流よりかなり少ない。図２の構成のマイクロヒータ
は、このホイーストンブリッジ抵抗が多数ある構造にな
っていることから、縦方向（ＣーＤ）の抵抗には、電流
調整分の電流しか流れないことがわかる。

【００２３】そして、この均熱域の構造では、特に、コ
ーナー部の温度が下がりやすいので、図２に示されるマ
イクロヒータの構造は、そのコーナ部の発熱が大きくな
り、そのために、均熱域の温度分布をより均一にするこ
とができる。また、上記図１のマイクロヒータと同様
に、横方向の温度調整はあまりきかないが、ヒータ抵抗
の周囲に断熱域設けて断熱を良くすることにより十分に
解決でき、さらに、温度分布を良くしたい場合には、各
抵抗線の大きさを調整することもできる。

【００２４】

【実施例】図４（ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施例を
示す概略工程別断面説明図である。以下、工程順に説明
する。

【００２５】(1) （ａ）に示すように、厚さ４０００Å
の熱酸化膜をストッパー層２２として有する厚さ４００
μｍのシリコンウエハよりなる基体２１の表面及び裏面
にそれぞれスパッタリングにより厚さ１μｍの窒化ケイ
素膜よりなる絶縁体層２３及び絶縁体層２４を形成し
た。基体２１は、本実施例ではシリコンウエハを用いた
が、その他の半導体基板、アルミナ、ジルコニア、ムラ
イト等のセラミックス基板、或いは、サファイア、ガー
ネット等の酸化物単結晶基板を用いてもかまわない。 (2) （ｂ）に示すように、絶縁体層２３の上に電子ビー
ム蒸着法により厚さ０．５μｍのＰｔ金属膜を成膜し、
フォトリソグラフィによりマイクロヒータ２５及び配線
２６にパターニングした。前記金属膜としては、Ａｌ、
Ａｕ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｃｕ、ＩＴＯ等の金属膜でも良い。 (3) （ｃ）に示すように、前記マイクロヒータ２５及び
配線２６の上に触媒を担持した多孔質セラミックスを成
膜し、フォトリソグラフィによりガス検知部２７をマイ
クロヒータ２５の上にパターニングした。この際、補償
素子を形成する場合には、触媒を変えるか、又は、触媒
を担持しないセラミックスを成膜すればよい。 (4) 次に、（ｄ）に示すように、前記窒化ケイ素膜より
なる絶縁体層２４をマスクとして裏面よりシリコン基体
２１をエッチングしてマイクロヒータを保持するための
橋絡部を形成した。

【００２６】図５は、マイクロヒータの素子の中心部か
ら側面部までの温度分布のシュミレーション結果（以
下、「シュミレーション結果」という）を示すグラフで
あって、図１５で示される従来のマイクロヒータのもの
である。図６は、図２で示される本発明のマイクロヒー
タのシュミレーション結果を示すグラフである。図７
は、図１で示される本発明のマイクロヒータのシュミレ
ーション結果を示すグラフである。図８〜１０は、前記
図５〜７のシュミレーション結果を示すマイクロヒータ
に均熱体を設けた場合のシュミレーション結果を示すグ
ラフである。図１１は、前記図５〜１０のシュミレーシ
ョン結果を示すマイクロヒータの消費電力−ガス感度の
関係を示すグラフである。

【００２７】図５及び図６において、点線は、可燃性ガ
スの引火温度であり、そして、斜線部は、不必要な熱量
を示している。図５で示される温度分布を有する従来の
マイクロヒータは、図６で示される温度分布を有する本
発明のマイクロヒータに比べて、明らかに同じ感度で不
要な熱量を消費していることがわかる。即ち、感度を同
じにした場合、本発明の図２で示されるマイクロヒータ
は、従来の図１５で示される形状のマイクロヒータに対
して、消費電力が大幅に節約できることがわかる。図１
１によれば、前記図５〜１０のシュミレーション結果を
示すマイクロヒータにおけるセンサの最大感度は、どれ
も同じであるが、それらのガス感度を発生させる消費電
力に大きな違いが生じる。即ち、温度分布の良いマイク
ロヒータによるガスセンサでは、少ない消費電力で高感
度のセンサ特性を得ることができる。

【００２８】以上、本発明によれば、マイクロヒータの
均熱域の温度分布をより均一にしたので、これを用いた
小型化接触燃焼式ガスセンサの感知精度を高くすること
ができると共に消費電力が大幅に節約できる。また、そ
のガス検知部の一部の温度が必要以上に高くなることが
なくなり、その結果、これを用いた小型化接触燃焼式ガ
スセンサの耐久性が向上する。

【００２９】

【発明の効果】少ない消費電力で感知精度を高くし且つ
耐久性を向上させた小型化接触燃焼式ガスセンサ用のマ
イクロヒータを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態を示す小型化接触燃焼式
ガスセンサ用マイクロヒータの底面図である。

【図２】本発明の他の一実施の形態を示す小型化接触燃
焼式ガスセンサ用マイクロヒータの底面図である。

【図３】図２の部分拡大説明図である。

【図４】本発明の一実施例を示す概略工程別断面説明図
である。

【図５】図１５で示される従来のマイクロヒータのシュ
ミレーション結果を示すグラフである。

【図６】図２で示される本発明のマイクロヒータのシュ
ミレーション結果を示すグラフである。

【図７】図１で示される本発明のマイクロヒータのシュ
ミレーション結果を示すグラフである。

【図８】図５のシュミレーション結果を示すマイクロヒ
ータに均熱体を設けた場合のシュミレーション結果を示
すグラフである。

【図９】図６のシュミレーション結果を示すマイクロヒ
ータに均熱体を設けた場合のシュミレーション結果を示
すグラフである。

【図１０】図７のシュミレーション結果を示すマイクロ
ヒータに均熱体を設けた場合のシュミレーション結果を
示すグラフである。

【図１１】図５〜１０のシュミレーション結果を示すマ
イクロヒータの消費電力−ガス感度特性を示すグラフで
ある。

【図１２】従来の小型化接触燃焼式ガスセンサの検出回
路を示す結線図である。

【図１３】従来の小型化接触燃焼式ガスセンサを示す平
面図である。

【図１４】図１３のＸ−Ｘ線断面図である。

【図１５】従来のマイクロヒータの上面図である。

【符号の説明】

１、１１薄膜状のヒータ抵抗１ａ、１ｂ、１ｃ、１ｄ最外端に配置された薄膜状の
ヒータ抵抗１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１１ｄ最外端に配置された
薄膜状のヒータ抵抗２、１２均熱域３、１３断熱域４ａ、４ｂ電極５、１５絶縁体層１０、２０マイクロヒータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】断熱域によって囲まれた略矩形の均熱域
の全域にわたって薄膜状のヒータ抵抗を格子状に設けた
ことを特徴とするガスセンサ用マイクロヒータ。
【請求項２】マイクロヒータの格子の対角線方向に位
置する角部にそれぞれ電極を設けたことを特徴とする請
求項１記載のガスセンサ用マイクロヒータ。
【請求項３】マイクロヒータの格子の向かい合う両最
外端に配置された薄膜状のヒータ抵抗の辺の中央部にそ
れぞれ電極を設けたことを特徴とする請求項１記載のガ
スセンサ用マイクロヒータ。