特開 2023-184338 ガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023184338

(43)【公開日】2023-12-28

(54)【発明の名称】ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/12 20060101AFI20231221BHJP

【ＦＩ】

G01N27/12 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022098423

(22)【出願日】2022-06-17

(71)【出願人】

【識別番号】000191238

【氏名又は名称】日清紡マイクロデバイス株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100119677

【弁理士】

【氏名又は名称】岡田 賢治

(74)【代理人】

【識別番号】100160495

【弁理士】

【氏名又は名称】畑 雅明

(74)【代理人】

【識別番号】100173716

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 真理

(74)【代理人】

【識別番号】100115794

【弁理士】

【氏名又は名称】今下 勝博

(72)【発明者】

【氏名】臼井 孝英

(72)【発明者】

【氏名】久保田 瑶

(72)【発明者】

【氏名】菊池 直樹

(72)【発明者】

【氏名】藤井 伸彦

(72)【発明者】

【氏名】小野 悟

【テーマコード（参考）】

2G046

【Ｆターム（参考）】

2G046BA01

2G046BA09

2G046BE03

2G046EA02

2G046FB02

(57)【要約】

【課題】本開示は、絶縁膜での放熱量を減少させることを目的とする。
【解決手段】本開示は、基板１と、基板１に設けられている開口部６と、開口部６を覆うメンブレン３と、メンブレン３の開口部６上に搭載され、ガスを検知するセンサ部４と、メンブレン３の開口部６上に搭載され、センサ部４を加熱するヒーター４ｄと、センサ部４及びヒーター４ｄの外周のメンブレン３に配置されている、少なくとも一つのスリット５と、を備えるガスセンサである。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板に設けられている開口部と、
前記開口部を覆う絶縁膜と、
前記開口部上の前記絶縁膜に搭載され、ガスを検知するセンサ部と、
前記開口部上の前記絶縁膜に搭載され、前記センサ部を加熱するヒーターと、
前記センサ部及び前記ヒーターの外周の前記絶縁膜に配置されている、少なくとも一つのスリットと、
を備えるガスセンサ。

【請求項2】

前記スリットの終端が、前記絶縁膜が前記基板に固定されている位置よりも前記センサ部側に配置されている、
請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項3】

前記絶縁膜は、前記開口部上に配置されている絶縁膜と連続して形成されているクローズドメンブレンである、
請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項4】

前記絶縁膜は、前記基板に固定されている絶縁膜と三箇所以上でアンカー固定されているサスペンデッドメンブレンである、
請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項5】

前記基板の前記センサ部側に重ねられ、前記センサ部を取り囲むように、貫通する開口部が形成されている第２の基板をさらに備える、
請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項6】

前記開口部が、
前記基板を貫通している貫通孔、又は
前記基板の底部を残し、前記絶縁膜側に設けられた窪みである、
請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項7】

前記センサ部は、
ガスのセンシング膜と、
前記センシング膜の下に配置され、前記センシング膜の電気特性を測定するための電極と、を備え
前記ヒーターは、前記電極の下に少なくとも一つの絶縁膜を間に挟んで配置され、
前記ヒーターと同じ層に、温度を測定する温度センサを備え、
前記ヒーター及び温度センサの下に、絶縁膜を備える、
請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項8】

前記絶縁膜の上に、一つ以上の前記センサ部が備わり、
前記センサ部のそれぞれに前記スリットが備わる、
請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項9】

前記スリットが、前記センサ部から等距離に伸びている、
請求項１に記載のガスセンサ。

【請求項10】

前記センサ部は円形であり、
前記スリットが、前記センサ部の外周に沿った湾曲形状を有している、
請求項１に記載のガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

ガスと反応するセンシング膜の電気特性の変化に基づいて、ガスを検知するガスセンサが提案されている（例えば、特許文献１参照。）。特許文献１では、センシング膜を特定の温度に加熱するヒーターの支持膜を、熱損失の少ないガラス質で形成することで、支持膜側への放熱を防ぐ。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特許第２５８２３４３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、ヒーターの熱は支持膜で放熱されにくいが、ヒーターと温度センサの配置されている絶縁膜内で熱が伝搬する。このため、特許文献１のような、クローズドメンブレン構造では、ヒーターで熱したセンシング膜の熱が絶縁膜を伝わり放熱されるため、消費電力が増加する問題があった。

【0005】

そこで本開示は、絶縁膜での放熱量を減少させることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示のガスセンサは、
基板と、
前記基板に設けられている開口部と、
前記開口部を覆う絶縁膜と、
前記絶縁膜の前記開口部上に搭載され、ガスを検知するセンサ部と、
前記絶縁膜の前記開口部上に搭載され、前記センサ部を加熱するヒーターと、
前記センサ部及び前記ヒーターの外周の前記絶縁膜に配置されている、少なくとも一つのスリットと、
を備える。

【0007】

本開示のガスセンサでは、前記スリットの終端が、前記絶縁膜が前記基板に固定されている位置よりも前記センサ部側に配置されていてもよい。
例えば、前記絶縁膜は、前記開口部上に配置されている絶縁膜と連続して形成されているクローズドメンブレンである。
例えば、前記絶縁膜は、前記基板に固定されている絶縁膜と三箇所以上でアンカー固定されているサスペンデッドメンブレンである。

【0008】

前記開口部は、前記基板を貫通している貫通孔、又は前記基板の底部を残し、前記絶縁膜側に設けられた窪みでありうる。

【0009】

前記センサ部は、ガスのセンシング膜と、前記センシング膜の下に配置され、前記センシング膜の電気特性を測定するための電極と、を備える。
本開示では、前記ヒーターは、前記電極の下に少なくとも一つの絶縁膜を間に挟んで配置され、前記ヒーターと同じ層に、温度を測定する温度センサを備え、前記ヒーター及び温度センサの下に、絶縁膜を備える態様を採用しうる。

【0010】

前記絶縁膜の上に、一つ以上の前記センサ部が備わり、前記センサ部のそれぞれに前記スリットが備わっていてもよい。

【0011】

前記スリットは、前記センサ部から等距離に伸びていてもよい。また、前記センサ部は円形であってもよい。この場合、前記スリットが、前記センサ部の外周に沿った湾曲形状を有していてもよい。

【0012】

本開示のガスセンサでは、前記基板の前記センサ側に重ねられ、前記センサ部を取り囲むように、貫通する開口部が形成されている第２の基板をさらに備えてもよい。

【0013】

なお、上記各開示は、可能な限り組み合わせることができる。

【発明の効果】

【0014】

本開示のガスセンサは、絶縁膜での熱の伝搬を遮るスリットを備えるため、絶縁膜での放熱量を減少させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本開示のガスセンサの構成例を示す。

【図2】Ａ－Ａ’断面の構成例を示す。

【図3】本開示のガスセンサの断面構成の一例であり、（ａ）はＢ－Ｂ’断面を示し、（ｂ）はＣ－Ｃ’断面を示す。

【図4】メンブレンに加わる応力の一例であり、（ａ）はスリットが短い場合を示し、（ｂ）はスリットが長い場合を示す。

【図5】センサ部の構成例を示す。

【図6】スリットのバリエーションの一例を示す。

【図7】本開示のガスセンサの構成例を示す。

【図8】本開示のガスセンサの製造過程の一例を示す。

【図9】本開示のガスセンサの構成例を示す。

【図10】Ｄ－Ｄ’断面の構成例を示す。

【図11】Ｄ－Ｄ’断面の構成例を示す。

【図12】多層基板の構成例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。これらの実施の例は例示に過ぎず、本開示は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

【0017】

（第１の実施形態）
図１及び図２に、本開示のガスセンサの構成例を示す。図１はガスセンサの平面図を示し、図２はＡ－Ａ’断面構成を示す。図では、メンブレン３が開口部６上に配置されている絶縁膜と連続して形成されているクローズドメンブレンである例を示す。本実施形態のガスセンサは、基板１と、基板１に設けられている開口部６と、開口部６を覆う絶縁膜からなるメンブレン３と、ガスを検知するセンサ部４と、少なくとも一つのスリット５と、を備える。

【0018】

開口部６は、基板１のうちのメンブレン３の配置される表面に設けられた空隙であり、基板１を貫通していてもよいし、基板１の底部を残していてもよい。図では、基板１を貫通する構成例を示す。センサ部４は、開口部６上のメンブレン３に搭載される。

【0019】

スリット５は、メンブレン３の厚み方向を貫通する、細長い貫通孔である。センサ部４の外周に配置するスリット５は、少なくとも１本以上、センサ部４の外周のメンブレン３に配置される。本実施形態では、センサ部４の外周のうちのＸ軸方向の両側に、Ｙ軸方向に延びるスリット５が配置されている例を示す。スリット５の端部の形状は円形のように湾曲していてもよいし、矩形であってもよい。

【0020】

図３（ａ）に、センサ部４を通るＹ軸上のＢ－Ｂ’断面構成例を示す。図３（ｂ）に、スリット５を通るＣ－Ｃ’断面構成例を示す。スリット５の終端は、図３（ｂ）に示すように、メンブレン３が基板１に固定されている場所よりも、基板１の中央側に配置される。開口部６の幅は、センサ部４よりも大きな任意の値とするが、本実施形態ではＹ軸方向の幅がＤ_Ｂである例を示す。スリット５のＹ軸方向の長さＤ_Ｍは、センサ部４の幅よりも長くかつ幅Ｄ_Ｂよりも短い任意の値を採用することができる。

【0021】

図４に、スリット５の長さの比較例を示す。図ではスリット５の端部が矩形である例を示す。長いスリット５Ｌと比較して短いスリット５Ｓの方が、センサ部４の配置される部分への応力の影響が少ないことが分かる。また長いスリット５Ｌと比較して短いスリット５Ｓの方が、スリット５の端部にかかる応力が小さく、範囲も狭い。これらより、スリット５の長さを調整することで、メンブレン３におけるセンサ部４の搭載部分の強度を向上させ、センサ部４を安定して固定できることが分かる。

【0022】

図５に、センサ部４の構成例を示す。センサ部４は、ガスを検知可能な任意の構成を採用することができる。例えば、センサ部４は、センシング膜４ｆと、電極４ｅと、ヒーター４ｄと、温度センサ４ｃと、を備える。本実施形態では、メンブレン３が下部メンブレン３ａ及び上部メンブレン３ｂを備え、上部メンブレン３ｂ上にセンシング膜４ｆ及び電極４ｅが配置される例を示す。

【0023】

センシング膜４ｆは、金属酸化膜のようなガスのセンシング材料を含む。電極４ｅは、センシング膜４ｆの下に配置され、センシング膜４ｆの電気特性を測定する。ヒーター４ｄは、電極４ｅの下に少なくとも一つの絶縁膜を間に挟んで配置される。本実施形態では、少なくとも一つの絶縁膜が上部メンブレン３ｂである例を示す。ヒーター４ｄは、センシング膜４ｆを加熱する。温度センサ４ｃは、ヒーター４ｄの近傍に配置され、温度を測定する。

【0024】

ガスセンサでは、感度を良くするために、センシング膜４ｆの急速な昇温を行うことがある。本実施形態では、スリット５によってセンサ部４とメンブレン３との接触面積が少なくなっているため、メンブレン３を伝わってセンサ部４の温度が拡散しにくい。このため、本実施形態のガスセンサは、急速な昇温を効率よく行うことができる。

【0025】

図６に、スリット５のバリエーションの一例を示す。センサ部４の形状は任意であるが、図１では矩形、図６では円形の例を示す。センサ部４の外周に配置するスリット５は、少なくとも１本以上配置される。スリット５は、直線でも良く、曲線でも良く、一部曲線を含んでも良い。例えば、図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、センサ部４の外周に沿った湾曲形状を有していてもよい。また、スリット５の長さは任意であるが、図１、図６（ｂ）、図６（ｃ）及び図６（ｄ）に示すように、センサ部４から等距離に伸びていてもよい。

【0026】

本実施形態では、メンブレン３がクローズドメンブレンである例を示したが、本開示はこれに限定されず、メンブレン３が基板１に固定されている位置よりもセンサ部４側にスリット５の終端が配置されている任意の態様を採用することができる。具体的には、図７に示すような、基板１に固定されているメンブレン３と三箇所以上でアンカー固定されているサスペンデッドメンブレンであってもよい。

【0027】

以上説明したように、本実施形態によれば、スリット５が基板１まで伸延していないため、外部からの力や昇温又は降温により生じる内部応力の集中を緩和できる。また、メンブレン３がクローズドメンブレン又はサスペンデッドメンブレンであれば、メンブレン３の裏面にガスが回り込みにくく、基板１の上部から導入されるガスを効率良くセンシング膜４ｆに供給できる。さらに本開示は、基板１上から導入された低温のガスが、メンブレン３の裏面に回り込みにくいため、センシング膜４ｆの温度低下を抑制することができる。

【0028】

（第２の実施形態）
本実施形態では、図８を参照しながら、本開示のガスセンサの製造方法を説明する。基板１は、たとえばシリコン基板であり、シリコン基板の表面全体に熱酸化により、ＳｉＯ２膜を５０００Ａの厚さに形成する。プラズマ酸化膜でも良く、厚さは０．１μｍから２μｍの範囲で形成する（図８（ａ））

【0029】

次に、少なくとも一層以上のＣＶＤ膜２を形成する（図８（ａ））。ＣＶＤ膜２は、酸化膜でも良く、減圧ナイトライド膜でも良く、ＳｉＯＮ膜でも良い。ＣＶＤ膜２の厚さは、例えば、０．１μｍから２μｍの範囲で形成する。

【0030】

次に、メンブレン３、ヒーター４ｄ、温度センサ４ｃ、及び電極４ｅを形成する（図８（ａ））。ここで、メンブレン３は、図５に示す通り、下部メンブレン３ａ及び上部メンブレン３ｂを備え、下部メンブレン３ａ及び上部メンブレン３ｂの間にヒーター４ｄ及び温度センサ４ｃが形成される。

【0031】

また、下部メンブレン３ａ上へのヒーター４ｄ及び温度センサ４ｃの形成は、たとえばＰｔをスパッタリング法で形成して、フォトリソグラフィー法でヒーター４ｄあるいは温度センサ４ｃのパターニングをして、ドライエッチング法で除去する。初めにフォトリソグラフィー法でパターニングしてから、Ｐｔをスパッタリング法で形成して、リフトオフしてパターニングしても良く、蒸着法を用いても良い。ヒーター４ｄあるいは温度センサ４ｃの材料としては、Ｐｔだけでなく、Ｗでも良く、ポリシリコンでも良い。上部メンブレン３ｂ及び下部メンブレン３ａの密着層として、ＴｉやＴｉＮを形成しても良く、Ｃｒを形成しても良く、Ｓｉを形成しても良い。ヒーター４ｄ及び温度センサ４ｃの厚さは、例えば、０．１μｍから２μｍの範囲で形成する。

【0032】

また、上部メンブレン３ｂ上への電極４ｅの形成は、ヒーター４ｄ及び温度センサ４ｃの形成と同様である。ただし、電極４ｅ厚さは、例えば、０．１μｍから１μｍの範囲で形成する。

【0033】

電極４ｅの形成の後、続いて、メンブレン３にスリット５を形成する（図８（ｂ））。この図以降はヒーター４ｄ及び温度センサ４ｃを省略する。フォトリソグラフィー法を用いて、センシング膜４ｆの配置される領域の外周に、スリット５の形状に合わせてパターニングを行い、ドライエッチング法でメンブレン３を除去する。メンブレン３の除去は、ウエットエッチング法で除去しても良く、イオンミリングで除去しても良い。

【0034】

続いて、基板１に開口部６を形成する（図８（ｃ））。具体的には、基板１の裏面の研磨により基板１を所望の厚さに薄化し、フォトリソグラフィー法を用いて基板１の裏面にパターニングを行い、ドライエッチングを行う。これにより、基板１を貫通した開口部６が形成され、スリット５が形成される。なお、基板１は、ウエットエッチング法で除去しても良く、基板１の表面にパターニングして、表面から基板１を除去しても良い。

【0035】

続いて、センシング膜４ｆを形成する（図８（ｄ））。具体的には、電極４ｅの上からセンシング膜４ｆを塗布し、アニールにより焼結する。センシング膜４ｆの塗布は、例えば、インクジェット法又はディスペンス法で行うことができる。またセンシング膜４ｆは、スパッタリング法により形成することもできる。センシング膜４ｆの厚さは、所望のガスを検出するために最適化された厚さであり、センシング膜４ｆの材料は、特に金属酸化膜で良く、ＳｎＯ２膜でもよく、ＷＯ３でも良い。

【0036】

以上説明した工程を行うことで、実施形態１のガスセンサを製造することができる。

【0037】

（第３の実施形態）
図９に、本開示のガスセンサの構成例を示す。本実施形態のガスセンサは、メンブレン３に２つのセンサ部４Ａ及び４Ｂが配置されている。本開示は、図８（ｃ）に示した開口部６の形成の際に、センサ部４Ａ及び４Ｂの間のメンブレン３Ｃの下の基板１を除去してもよいし、残してもよい。

【0038】

図１０及び図１１に、Ｄ－Ｄ’断面の構成例を示す。例えば、図１０に示すように、メンブレン３Ｃの下は、開口部６になっていてもよい。また図１１に示すように、メンブレン３Ｃの下が基板１になっていてもよい。

【0039】

本実施形態は、メンブレン３の上に二つ以上のセンサ部４を配置した場合であっても、センサ部４Ａ及び４Ｂの間にメンブレン３Ｃが配置されている。このため、本開示は、ガスをメンブレン３の表面に効率よく導入することができる。

【0040】

さらに、本開示のガスセンサは、メンブレン３の上に二つ以上のセンサ部４Ａ及び４Ｂを配置した場合に、センサ部４の間に、メンブレン３Ｃがあるために、センサ部４Ａ及び４Ｂの下のメンブレン３の裏面にガスが流れ込みにくく、導入されるガスによる冷却を抑制できる。

【0041】

（第４の実施形態）
図１２に、本実施形態のガスセンサの断面構成例を示す。本実施形態のガスセンサは、複数の基板が重ねられた多層構造を有する。図１２では、一例として、図２に示すガスセンサにおいて、基板１のセンサ部４側に基板１０１が重ねられ、電極７及び貫通電極１０７で接続されている例を示す。

【0042】

基板１０１は、センサ部４を取り囲むように、貫通する開口部１０６が形成されている。これにより、ガスを開口部１０６においてセンサ部４をガスと効率よく反応させることができる。開口部１０６のＸＹ平面における形状は任意であり、開口部６と同じであってもよいし、異なっていてもよい。開口部１０６のＸＹ平面における形状は、センサ部４に向けてガスに一定の流れを発生させる形状であってもよい。

【0043】

なお、本実施形態は、基板１０１に配線を形成し、開口部１０６を形成し、貫通電極１０７を形成し、図２に示すガスセンサと接合することで、作製することができる。接合は、金属接合でも、常温接合でもよい。また、上下の基板１間の電位を伝えるために、複数の基板が電極７で接続されていてもよい。

【0044】

また、本開示の開口部６は、図１２に示すように、基板１の底部を残し、メンブレン３側に設けられた窪みであってもよい。

【符号の説明】

【0045】

１：基板
２：ＣＶＤ膜
３：メンブレン
３ａ：下部メンブレン
３ｂ：上部メンブレン
４、４Ａ、４Ｂ：センサ部
４ｃ：温度センサ
４ｄ：ヒーター
４ｅ、７：電極
４ｆ：センシング膜
５：スリット
６、１０６：開口部
１０７：貫通電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】