特許 7421442 ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-01-16

(45)【発行日】2024-01-24

(54)【発明の名称】ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/12 20060101AFI20240117BHJP

【ＦＩ】

G01N27/12 B

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020134713

(22)【出願日】2020-08-07

(65)【公開番号】P2022030597

(43)【公開日】2022-02-18

【審査請求日】2023-02-15

(73)【特許権者】

【識別番号】000190301

【氏名又は名称】新コスモス電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001896

【氏名又は名称】弁理士法人朝日奈特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】中谷 忠司

(72)【発明者】

【氏名】中尾 祥一郎

【審査官】黒田 浩一

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－２６４９９５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１６４５７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－２８２０２４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－０３３４７０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０１Ｎ ２７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板に設けられる電極と、
前記基板に設けられるヒータと、
前記電極に電気的に接続し、前記ヒータに熱的に接続するように前記基板に設けられるガス感応部と
を備えるＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子であって、
前記ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子が、前記ガス感応部よりも緻密な第１の緻密膜および第２の緻密膜を備え、
前記第１および第２の緻密膜が、前記ヒータと前記ガス感応部とを熱的に接続し、
前記第１および第２の緻密膜が、前記ヒータを覆うように前記ヒータに熱的に接続され、
前記第１の緻密膜が、前記第２の緻密膜と比較して前記ガス感応部に対する密着性が高く、
前記第２の緻密膜が、前記第１の緻密膜と比較して前記基板に対する密着性が高く、
前記第１の緻密膜が、前記ガス感応部に直接接続され、
前記第２の緻密膜が、前記基板に直接接続され、
前記第１の緻密膜が、前記ヒータの少なくとも一部の上面に直接接続される、
ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子。

【請求項2】

前記第１の緻密膜が、前記ガス感応部に含まれる金属酸化物半導体の金属元素と同一の金属元素を含む金属酸化物半導体を主成分として構成され、
前記第２の緻密膜が、前記基板に含まれる絶縁性酸化物の金属元素または半導体元素と同一の金属元素または半導体元素を含む絶縁性酸化物を主成分として構成される、
請求項１に記載のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子。

【請求項3】

前記第１の緻密膜の少なくとも一部が、前記第２の緻密膜の上に設けられる、
請求項１または２に記載のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子。

【請求項4】

前記ヒータが、前記電極を兼ねており、
前記ヒータが、一方のリード線に接続される第１の端部と他方のリード線に接続される第２の端部とを結ぶ経路に沿って延び、
前記第１の緻密膜が、前記ガス感応部よりも電気抵抗が小さく、導電性を有し、
前記第２の緻密膜が、前記ガス感応部よりも電気抵抗が大きく、絶縁性を有し、
前記第１および第２の緻密膜は、前記ヒータの経路とは異なる経路で前記ヒータを電気的に短絡させないように、前記ヒータに電気的に接続される、
請求項１～３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子。

【請求項5】

前記ヒータが、一方のリード線に接続される第１の端部を含む第１の端部領域と、他方のリード線に接続される第２の端部を含む第２の端部領域と、前記第１の端部領域と前記第２の端部領域との間に延び、前記第１の端部領域と前記第２の端部領域とを接続する本体領域とを備え、
前記第１の緻密膜は、前記第１の端部領域および前記第２の端部領域に接続される、
請求項１～４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子。

【請求項6】

基板と、
前記基板に設けられる電極と、
前記基板に設けられるヒータと、
前記電極に電気的に接続し、前記ヒータに熱的に接続するように前記基板に設けられるガス感応部と
を備えるＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子であって、
前記ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子が、前記ガス感応部よりも緻密な第１の緻密膜および第２の緻密膜を備え、
前記第１および第２の緻密膜が、前記ヒータと前記ガス感応部とを熱的に接続し、
前記第１および第２の緻密膜が、前記ヒータを覆うように前記ヒータに熱的に接続され、
前記第１の緻密膜が、前記第２の緻密膜と比較して前記ガス感応部に対する密着性が高く、
前記第２の緻密膜が、前記第１の緻密膜と比較して前記基板に対する密着性が高く、
前記第１の緻密膜が、前記ガス感応部に直接接続され、
前記第２の緻密膜が、前記基板に直接接続され、
前記ヒータが、前記電極を兼ねており、
前記ヒータが、一方のリード線に接続される第１の端部と他方のリード線に接続される第２の端部とを結ぶ経路に沿って延び、
前記第１の緻密膜が、前記ガス感応部よりも電気抵抗が小さく、導電性を有し、
前記第２の緻密膜が、前記ガス感応部よりも電気抵抗が大きく、絶縁性を有し、
前記第１および第２の緻密膜は、前記ヒータの経路とは異なる経路で前記ヒータを電気的に短絡させないように、前記ヒータに電気的に接続される、
ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子。

【請求項7】

基板と、
前記基板に設けられる電極と、
前記基板に設けられるヒータと、
前記電極に電気的に接続し、前記ヒータに熱的に接続するように前記基板に設けられるガス感応部と
を備えるＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子であって、
前記ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子が、前記ガス感応部よりも緻密な第１の緻密膜および第２の緻密膜を備え、
前記第１および第２の緻密膜が、前記ヒータと前記ガス感応部とを熱的に接続し、
前記第１および第２の緻密膜が、前記ヒータを覆うように前記ヒータに熱的に接続され、
前記第１の緻密膜が、前記第２の緻密膜と比較して前記ガス感応部に対する密着性が高く、
前記第２の緻密膜が、前記第１の緻密膜と比較して前記基板に対する密着性が高く、
前記第１の緻密膜が、前記ガス感応部に直接接続され、
前記第２の緻密膜が、前記基板に直接接続され、
前記ヒータが、一方のリード線に接続される第１の端部を含む第１の端部領域と、他方のリード線に接続される第２の端部を含む第２の端部領域と、前記第１の端部領域と前記第２の端部領域との間に延び、前記第１の端部領域と前記第２の端部領域とを接続する本体領域とを備え、
前記第１の緻密膜は、前記第１の端部領域および前記第２の端部領域に接続される、
ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、ガス検知器用のガス検知素子として、たとえば特許文献１に開示されるように、検知対象ガスを検知するためのガス感応部を備えたＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子が用いられている。特許文献１のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子は、基板と、基板に設けられた電極およびヒータと、電極に電気的に接続され、ヒータに熱的に接続されたガス感応部とを備えている。

【0003】

このようなＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子では、ガス感応部は、たとえば特許文献１に示されるように印刷法により設けられると、スパッタリングやＣＶＤにより設けられるのと比べてポーラスとなる。たとえばポーラスなガス感応部をヒータに直接接続すると、ヒータの昇温時にマイグレーションなどにより劣化するため、ヒータの熱耐久性が劣ってしまう。ヒータのマイグレーションを抑制して熱耐久性を向上させるためには、たとえば特許文献１に開示されるように、ガス感応部よりも緻密なＳｉＯ₂絶縁膜を、ヒータを覆うように設けることが有効である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１６－７０７０４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところが、ＳｉＯ₂絶縁膜に対するガス感応部の密着性が十分でないために、ヒータをＳｉＯ₂絶縁膜で覆うことで、ガス感応部とヒータとの間に良好な熱的接続を確保することが難しい。そのため、ガス感応部は、安定して所望の温度に昇温することができないために、所望のガス検知感度が得られないだけでなく、たとえば高温高湿環境下に曝された場合に、経時的にガス検知感度が劣化するなどの問題が生じる。

【0006】

本発明は、上記問題に鑑みなされたもので、ヒータの熱耐久性が優れ、ガス感応部の密着性が優れたＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子は、基板と、前記基板に設けられる電極と、前記基板に設けられるヒータと、前記電極に電気的に接続し、前記ヒータに熱的に接続するように前記基板に設けられるガス感応部とを備えるＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子であって、前記ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子が、前記ガス感応部よりも緻密な第１の緻密膜および第２の緻密膜を備え、前記第１および第２の緻密膜が、前記ヒータと前記ガス感応部とを熱的に接続し、前記第１および第２の緻密膜が、前記ヒータを覆うように前記ヒータに接続され、前記第１の緻密膜が、前記第２の緻密膜と比較して前記ガス感応部に対する密着性が高く、前記第２の緻密膜が、前記第１の緻密膜と比較して前記基板に対する密着性が高く、前記第１の緻密膜が、前記ガス感応部に接続され、前記第２の緻密膜が、前記基板に接続されることを特徴とする。

【0008】

また、前記第１の緻密膜が、前記ガス感応部に含まれる金属酸化物半導体の金属元素と同一の金属元素を含む金属酸化物半導体を主成分として構成され、前記第２の緻密膜が、前記基板に含まれる絶縁性酸化物の金属元素または半導体元素と同一の金属元素または半導体元素を含む絶縁性酸化物を主成分として構成されることが好ましい。

【0009】

また、前記第１の緻密膜の少なくとも一部が、前記第２の緻密膜の上に設けられることが好ましい。

【0010】

また、前記第１の緻密膜が、前記ヒータの少なくとも一部の上面に接続されることが好ましい。

【0011】

また、前記第１の緻密膜が、前記ガス感応部よりも電気抵抗が小さく、導電性を有し、前記第２の緻密膜が、前記ガス感応部よりも電気抵抗が大きく、絶縁性を有し、前記第１および第２の緻密膜は、前記ヒータの経路とは異なる経路で前記ヒータを電気的に短絡させないように、前記ヒータに接続されることが好ましい。

【0012】

また、前記ヒータが、一方のリード線に接続される第１の端部を含む第１の端部領域と、他方のリード線に接続される第２の端部を含む第２の端部領域と、前記第１の端部領域と前記第２の端部領域との間に延び、前記第１の端部領域と前記第２の端部領域とを接続する本体領域とを備え、前記第１の緻密膜は、前記第１の端部領域および前記第２の端部領域に接続されることが好ましい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、ヒータの熱耐久性が優れ、ガス感応部の密着性が優れたＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の一実施形態のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子の上面図である。

【図2】図１のＩＩ－ＩＩ線断面図である。

【図3】図２のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子の変形例の断面図である。

【図4】実施例および比較例のサンプルのヒータへの投入電力と、ヒータが断線するまでの断線寿命との関係を示すグラフである。

【図5】実施例および比較例のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子のガス濃度変化に対するセンサ出力変化を示すグラフであり、（ａ）は、実施例のグラフであり、（ｂ）は、比較例のグラフである。

【図6】実施例および比較例のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子を２０℃、６０％ＲＨの標準環境で放置したときの経過日数と、ガス検知器が警報を発するメタン濃度との関係を示すグラフであり、（ａ）は、実施例のグラフであり、（ｂ）は、比較例のグラフである。

【図7】実施例および比較例のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子を４０℃、８５％ＲＨの高温高湿環境で放置したときの経過日数と、ガス検知器が警報を発するメタン濃度との関係を示すグラフであり、（ａ）は、実施例のグラフであり、（ｂ）は、比較例のグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、添付図面を参照して、本発明の一実施形態に係るＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子を説明する。ただし、以下に示す実施形態は一例に過ぎず、本発明のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子は以下の例に限定されることはない。

【0016】

本実施形態のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子は、たとえば大気などの環境雰囲気において、環境雰囲気に含まれる検知対象ガスを検知するために用いられる。ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子は、表面に吸着した酸素と環境雰囲気中の検知対象ガスとの化学反応に伴って抵抗値（または電気伝導度）が変化することを利用して、検知対象ガスを検知する。検知対象ガスとしては、特に限定されることはなく、たとえば、メタン、ブタン、イソブタン、プロパン、一酸化炭素、水素、エタノールなどが例示される。

【0017】

ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１は、図１および図２に示されるように、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）構造を有している。ＭＥＭＳ構造とは、シリコン基板などの基板の上に微細加工技術によって素子構成要素の少なくとも一部を集積化したデバイス構造のことを意味する。ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１は、ＭＥＭＳ構造を有することにより、コイル型の半導体式ガス検知素子と比べて、小型化が可能で、低消費電力での駆動が可能である。

【0018】

ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１は、図１および図２に示されるように、基板２と、基板２に設けられる電極３と、基板２に設けられるヒータ４と、電極３に電気的に接続し、ヒータ４に熱的に接続するように基板２に設けられるガス感応部５とを備える。ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１は、任意で、ガス感応部５を被覆する機能層７を備えていてもよい。なお、図１においては、電極３およびヒータ４の配置を見やすくするために、ガス感応部５および機能層７の図示を省略するとともに、後述する第１の緻密膜６および第２の緻密膜８を２点鎖線で示している。

【0019】

ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１は、たとえば、公知のブリッジ回路（図示せず）に組み込まれて、ガス感応部５の表面の吸着酸素と環境雰囲気中の検知対象ガスとの化学反応に伴う抵抗値の変化が検出される。ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１は、ガス感応部５の抵抗値の変化を検出するために、電極３を介してブリッジ回路に組み込まれる。ブリッジ回路は、ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１における抵抗値の変化によって生じる回路内の電位差の変化を電位差計によって測定して、その電位差の変化を検知対象ガスの検知信号として出力する。ただし、ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１は、ガス感応部５の表面の吸着酸素と検知対象ガスとの化学反応に伴って生じる抵抗値の変化を検出することができれば、ブリッジ回路に限定されることはなく、ブリッジ回路とは異なる回路に組み込まれて使用されてもよい。

【0020】

基板２は、基板２に対して電気的に絶縁状態となるように、電極３、ヒータ４、ガス感応部５、ならびに後述する第１の緻密膜６および第２の緻密膜８を支持する部材であり、機能層７が設けられる場合は機能層７も含んで支持する部材である。以下、電極３、ヒータ４、ガス感応部５、第１の緻密膜６、第２の緻密膜８（機能層７が設けられる場合は機能層７も含む）をまとめて「集積部Ａ」ともいう。基板２は、基板２に対して電気的に絶縁状態で集積部Ａを支持することができればよく、その構成は特に限定されることはない。基板２は、本実施形態では、図１および図２に示されるように、基板本体２１と、基板本体２１に支持される絶縁支持膜２２と、基板本体２１と絶縁支持膜２２との間に設けられる空洞部２３とを備えている。

【0021】

基板本体２１は、絶縁支持膜２２を支持し、絶縁支持膜２２を介して集積部Ａを支持する部材である。基板本体２１は、図２に示されるように、絶縁支持膜２２の下方（集積部Ａが設けられる側の反対側）に設けられ、下方から絶縁支持膜２２を支持する。基板本体２１は、絶縁支持膜２２との間に空洞部２３を形成するために、凹部２１ａが形成されている。ただし、基板本体２１は、絶縁支持膜２２との間に空洞部が設けられるように形成されていればよく、たとえば図３の変形例に示されるように、凹部２１ａを有することなく、絶縁支持膜２２の端部を下方から支持しながら、絶縁支持膜２２の中央部分の下方には基板本体２１が全く存在しない構造を有していてもよい。基板本体２１は、絶縁支持膜２２を支持することができれば、特に限定されることはなく、たとえばシリコンなどにより形成される。

【0022】

絶縁支持膜２２は、集積部Ａと基板本体２１との間が電気的に絶縁状態となるように、集積部Ａを支持する部材である。絶縁支持膜２２は、図２に示されるように、基板本体２１に設けられて、基板本体２１により支持される。絶縁支持膜２２は、絶縁物により膜状に形成される。絶縁支持膜２２は、本実施形態では、基板本体２１に接続される酸化シリコン膜２２ａと、酸化シリコン膜２２ａ上に設けられる窒化シリコン膜２２ｂと、窒化シリコン膜２２ｂ上に設けられる酸化シリコン膜２２ｃとを備え、これらの３層が積層されて形成される。絶縁支持膜２２は、たとえばＣＶＤなどの公知の成膜技術により形成することができる。

【0023】

絶縁支持膜２２は、基板本体２１との間を電気的に絶縁するように集積部Ａを支持することができればよく、その層構造、構成材料、膜厚は特に限定されない。たとえば、絶縁支持膜２２は、本実施形態では３層構造を有しているが、単層構造や３層以外の複層構造を有していてもよい。また、絶縁支持膜２２は、本実施形態では酸化シリコン膜や窒化シリコン膜により形成されているが、酸化アルミニウムなどの他の絶縁物により形成されてもよい。また、絶縁支持膜２２の膜厚は、特に限定されることはなく、基板本体２１との間を電気的に絶縁して集積部Ａを支持することができるように適宜設定することができる。

【0024】

絶縁支持膜２２は、本実施形態では、図１および図２に示されるように、集積部Ａを支持する本体部２２１と、基板本体２１上に設けられる基部２２２と、本体部２２１と基部２２２とを接続する接続部２２３とを備えている。絶縁支持膜２２は、基部２２２を介して基板本体２１に支持され、本体部２２１を介して集積部Ａを支持する。本体部２２１、基部２２２および接続部２２３は、たとえば、基板本体２１上に均一な絶縁支持膜２２を形成した後に、公知のエッチング加工技術により形成することができる。

【0025】

本体部２２１は、接続部２２３を介して基部２２２に接続され、接続部２２３および基部２２２を介して基板本体２１に支持される。本体部２２１は、基板本体２１との間に形成された空洞部２３を介して基板本体２１から離間して設けられる。ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１では、基板本体２１から離間して設けられる本体部２２１に集積部Ａが設けられることで、集積部Ａに加えられる熱が基板本体２１に伝導するのを抑制することができる。それによって、ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１では、集積部Ａをより効率よく加熱することができ、低消費電力の駆動が可能になる。本体部２２１は、本実施形態では、図１に示されるように、上面視で略円形状に形成されている。しかし、本体部２２１は、基板本体２１から離間して設けられ、集積部Ａを支持することができれば、特に限定されることはなく、上面視で略矩形状など他の形状に形成されてもよい。

【0026】

基部２２２は、図１および図２に示されるように、基板本体２１上に設けられ、基板本体２１に支持される。また、基部２２２は、接続部２２３を介して本体部２２１に接続され、接続部２２３を介して本体部２２１を支持する。基部２２２は、本実施形態では、中央部分が略矩形状にくり抜かれた枠状に形成され、その枠内に空洞部２３が形成されている。しかし、基部２２２は、基板本体２１上に設けられて、接続部２２３を介して本体部２２１を支持することができれば、特に限定されることはなく、略円形状など他の形状でくり抜かれた枠状に形成されてもよい。

【0027】

接続部２２３は、図１に示されるように、本体部２２１と基部２２２とに接続されて、基部２２２に支持されながら本体部２２１を支持する。接続部２２３は、基板本体２１との間に形成された空洞部２３を介して基板本体２１から離間して設けられる。本体部２２１を基部２２２に接続する接続部２２３が基板本体２１から離間して設けられることにより、集積部Ａに加えられる熱が基板本体２１に伝導するのを抑制することができる。接続部２２３は、基部２２２の枠の内側面に接続され、基部２２２の枠の内側面から、基部２２２の枠の内側の略中央に位置する本体部２２１に向かって延びるように形成される。接続部２２３は、本実施形態では、基部２２２の枠の４つの内側面のそれぞれに接続され、隣り合う接続部２２３同士の間の角度が略等角度となる４方向から略等しい長さで本体部２２１を支持している。したがって、接続部２２３は、本体部２２１をバランスよく支持することができる。ただし、接続部２２３は、本体部２２１と基部２２２とを接続し、本体部２２１を支持することができればよく、図示された例に限定されることはない。

【0028】

電極３は、ガス感応部５の抵抗値変化を検出するための部材である。電極３は、図１および図２に示されるように、基板２の絶縁支持膜２２の本体部２２１上に設けられ、その少なくとも一部がガス感応部５に電気的に接続される。電極３は、第１の端部３ａおよび第２の端部３ｂを備え、第１の端部３ａが一方のリード線Ｌ１に接続され、第２の端部３ｂが他方のリード線Ｌ２に接続される。リード線Ｌ１、Ｌ２は、電極３と比べて低い電気抵抗を有するように形成される。一方および他方のリード線Ｌ１、Ｌ２を、たとえば公知のブリッジ回路（図示せず）に接続して、電極３の第１の端部３ａと第２の端部３ｂとの間の抵抗値を測定することにより、電極３とガス感応部５との合成抵抗値を測定することができる。そして、電極３とガス感応部５との合成抵抗値の変化を測定することにより、ガス感応部５の抵抗値変化を検出することができる。

【0029】

電極３は、本実施形態では、通電により発熱して、ガス感応部５を（機能層７が設けられる場合は機能層７も）加熱するヒータ４としても機能する。つまり、本実施形態のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１では、電極３は、ヒータ４を兼ねており、逆に、ヒータ４は、電極３を兼ねている。したがって、電極３およびヒータ４は、ガス感応部５の抵抗値変化を検出することができるとともに、通電によって、ガス感応部５を、検知対象ガスの検知に適した温度に加熱することができる。ただし、電極３は、少なくともガス感応部５の抵抗値変化を検出することができればよく、ガス感応部５を加熱するためのヒータ４とは別に設けられてもよい。また、ヒータ４は、少なくともガス感応部５を加熱することができればよく、ガス感応部５の抵抗値変化を検出する電極３とは別に設けられてもよい。以下では、電極３の詳細を説明することで、ヒータ４の詳細な説明を省略する。電極３およびヒータ４がそれぞれ別に設けられる場合には、電極３およびヒータ４の両方を以下で説明する構成と同じ構成とすることもできるし、電極３およびヒータ４のいずれか一方を以下で説明する構成と同じ構成とし、電極３およびヒータ４の他方を以下で説明する構成と異なる構成とすることもできるし、電極３およびヒータ４の両方を以下で説明する構成と異なる構成とすることもできる。

【0030】

電極３は、ガス感応部５の抵抗値変化を検出することができればよく、その構成材料は特に限定されない。電極３は、たとえば白金、白金－ロジウム合金などの貴金属などにより形成することができる。電極３は、たとえば、電極３用材料により均一な膜を形成した後に、公知のエッチング加工技術により形成することができる。なお、電極３は、たとえば図２に示されるように、任意で、基板２の絶縁支持膜２２の本体部２２１との密着性を高めるために、また、後述する第２の緻密膜８との密着性を高めるために、酸化タンタルなどにより形成される接着層９を介して本体部２２１および第２の緻密膜８に接続されてもよい。

【0031】

電極３は、ガス感応部５の抵抗値変化を検出することができるように配置されていればよく、その配線経路は特に限定されない。電極３は、本実施形態では、図１に示されるように、一方のリード線Ｌ１に接続される第１の端部３ａを含む第１の端部領域３１と、他方のリード線Ｌ２に接続される第２の端部３ｂを含む第２の端部領域３２と、第１の端部領域３１と第２の端部領域３２との間に延び、第１の端部領域３１と第２の端部領域３２とを接続する本体領域３３とを備えている。電極３は、第１の端部領域３１、第２の端部領域３２および本体領域３３を備え、単一の電極として構成される。ただし、電極は、ガス感応部の抵抗値変化を検出することができれば、本実施形態に限定されることはなく、互いに分離した２つ以上の電極により構成されてもよい。

【0032】

第１の端部領域３１は、第１の端部３ａを含む、第１の端部３ａに隣接する電極３の一部の領域である。第１の端部領域３１は、第１の端部３ａから所定の長さの範囲の電極３の一部により構成される。本実施形態では、第１の端部領域３１は、図１に示されるように、基板２（本体部２２１）の端部近傍に配置された第１の端部３ａと、第１の端部３ａから基板２の中心に向かって延び、基板２の中心に最も近づいた部位である第１の近接部３ｃとの間の領域である。第１の端部領域３１は、本実施形態では、第１の端部３ａから基板２の中心に向かって略直線的に略最短距離で延びている。ただし、第１の端部領域３１は、第１の端部３ａから、少なくとも基板２の中心から遠ざかることなく、基板２の中心に近づくように延びていれば、図示された例に限定されることはなく、湾曲して延びていてもよい。また、第１の端部領域３１は、基板２の中心近傍に第１の端部３ａが配置されて、第１の端部３ａから、基板２の中心から離れる方向に延びる電極３の一部により構成されてもよい。

【0033】

第２の端部領域３２は、第２の端部３ｂを含む、第２の端部３ｂに隣接する電極３の一部の領域である。第２の端部領域３２は、第２の端部３ｂから所定の長さの範囲の電極３の一部により構成される。第２の端部領域３２は、本実施形態では、図１に示されるように、基板２（本体部２２１）の端部近傍に配置された第２の端部３ｂと、第２の端部３ｂから基板２の中心に向かって延び、基板２の中心に最も近づいた部位である第２の近接部３ｄとの間の領域である。第２の端部領域３２は、本実施形態では、第２の端部３ｂから基板２の中心に向かって略直線的に略最短距離で延びている。ただし、第２の端部領域３２は、第２の端部３ｂから、少なくとも基板２の中心から遠ざかることなく、基板２の中心に近づくように延びていれば、本実施形態に限定されることはなく、湾曲して延びていてもよい。また、第２の端部領域３２は、本実施形態では第１の端部領域３１と略平行かつ略一直線上に延び、第１の端部領域３１と略同一の長さを有しているが、第１の端部領域３１に対して傾斜して設けられていてもよく、第１の端部領域３１とは異なる長さを有していてもよい。また、第２の端部領域３２は、基板２の中心近傍に第２の端部３ｂが配置されて、第２の端部３ｂから、基板２の中心から離れる方向に延びる電極３の一部により構成されてもよい。

【0034】

第１の端部領域３１および第２の端部領域３２は、本実施形態では、図１に示されるように、第１の端部領域３１および第２の端部領域３２の単位長さ当たりの面積が本体領域３３の単位長さ当たりの面積よりも大きくなるように（本体領域３３よりも幅広に）形成されている。したがって、第１の端部領域３１および第２の端部領域３２に、後述する第１の緻密膜６を容易に設けることができ、また広い接続面積を確保することができる。また、第１の端部領域３１および第２の端部領域３２は、本実施形態では、図１に示されるように、互いに接近して設けられている。より具体的には、第１の端部領域３１および第２の端部領域３２は、第１の端部領域３１と第２の端部領域３２との間の距離が、基板２（本体部２２１）の中心から外縁までの距離の１／２の距離よりも短くなるように、互いに接近して設けられている。したがって、第１の端部領域３１および第２の端部領域３２に電気的に接続するように設けられるガス感応部５をより小さく形成することができる。そして、ガス感応部５を小さく形成しても、電極３とガス感応部５との合成抵抗値が、電極３のほぼ全体の電気抵抗値とガス感応部５の電気抵抗値の並列合成抵抗値となるため、ガス感応部５のわずかな抵抗値変化を検出することができ、検知対象ガスの高い検出感度を確保することができる。ガス感応部５をより小さく形成するという観点から、第１の端部領域３１と第２の端部領域３２との間の距離は、たとえば、基板２の中心から外縁までの距離の２／３以下であることが好ましく、基板２の中心から外縁までの距離の１／２以下であることがより好ましく、基板２の中心から外縁までの距離の１／３以下であることがよりさらに好ましい。

【0035】

また、第１の端部領域３１および第２の端部領域３２は、本実施形態では、図１に示されるように、基板２（本体部２２１）の中心近傍まで延びている。より具体的には、第１の端部領域３１および第２の端部領域３２は、基板２の外縁までの距離の１／２の距離よりも短い距離まで、基板２の中心に接近して延びている。したがって、ガス感応部５は、基板２の中心近傍において、より小さく形成することができる。さらに、ガス感応部５が基板２の中心近傍にだけ設けられることで、ガス感応部５の端部の全体において機能層７を十分な厚さで形成することができるので、機能層７の機能をより高めることができる。ガス感応部５を基板２の中心近傍に設けるという観点から、第１の端部領域３１および第２の端部領域３２のそれぞれと基板２の中心との間の距離は、たとえば、基板２の中心から外縁までの距離の２／３以下であることが好ましく、基板２の中心から外縁までの距離の１／２以下であることがより好ましく、基板２の中心から外縁までの距離の１／３以下であることがよりさらに好ましい。

【0036】

本体領域３３は、第１の端部領域３１と第２の端部領域３２とを接続する電極３の一部の領域である。本体領域３３は、第１の端部領域３１と第２の端部領域３２とを接続するように第１の端部領域３１と第２の端部領域３２との間に延びていれば、その配置は特に限定されることはない。本体領域３３は、本実施形態では、図１に示されるように、基板２（本体部２２１）上の第１の端部３ａと第２の端部３ｂとを結ぶ直線Ｓに対して垂直方向の一方側（第１の領域２２１ａ）と、基板２上の第１の端部３ａと第２の端部３ｂとを結ぶ直線Ｓに対して垂直方向の他方側（第２の領域２２１ｂ）とに延びている。本体領域３３が、基板２（本体部２２１）上の対向する２つの領域２２１ａ、２２１ｂに設けられることにより、ガス感応部５を加熱するために電極３（ヒータ４）を昇温しても、基板２がより均一に加熱されるので、基板２が熱により湾曲することが抑制される。

【0037】

本体領域３３は、本実施形態では、図１に示されるように、基板２（本体部２２１）の第１の領域２２１ａに設けられる第１の本体領域３３１と、基板２の第２の領域２２１ｂに設けられる第２の本体領域３３２と、第１の本体領域３３１と第２の本体領域３３２との間に設けられる中間領域３３３とを備えている。

【0038】

第１の本体領域３３１は、図１に示されるように、基板２（本体部２２１）の第１の領域２２１ａ上において、第１の端部領域３１の一方側の端部である第１の端部３ａとは反対側の他方側の端部（第１の近接部３ｃ）から中間領域３３３まで延びている。より具体的には、第１の本体領域３３１は、第１の端部領域３１の他方側の端部から、基板２の端部に（図中、上側に）向かって蛇行しながら延び、基板２の端縁に沿って延びた後、基板２の中心に向かって延び、中間領域３３３にまで延びている。それによって、第１の本体領域３３１は、第１の領域２２１ａ内において高い密度で配置されるので、長い配線長さを確保し、高い電気抵抗値を確保することができる。

【0039】

第２の本体領域３３２は、図１に示されるように、基板２（本体部２２１）の第２の領域２２１ｂ上において、第２の端部領域３２の一方側の端部である第２の端部３ｂとは反対側の他方側の端部（第２の近接部３ｄ）から中間領域３３３まで延びている。より具体的には、第２の本体領域３３２は、第２の端部領域３２の他方側の端部から、基板２の端部に（図中、下側に）向かって蛇行しながら延び、基板２の端縁に沿って延びた後、基板２の中心に向かって延び、中間領域３３３にまで延びている。それによって、第２の本体領域３３２は、第２の領域２２１ｂ内において高い密度で配置されるので、長い配線長さを確保し、高い電気抵抗値を確保することができる。

【0040】

第１の本体領域３３１および第２の本体領域３３２は、本実施形態では、図１に示されるように、互いに略同一の長さに形成され、互いに略同一の電気抵抗を有している。それにより、ガス感応部５を加熱するために電極３（ヒータ４）を昇温しても、基板２がより均一に加熱されるので、基板２が熱により湾曲するのが抑制される。また、第１の本体領域３３１および第２の本体領域３３２は、基板２の略中心を中心として、互いに略点対象に配置されている。それにより、電極３（ヒータ４）を昇温した際に、基板２がよりさらに均一に加熱されるので、基板２が熱により湾曲するのがよりさらに抑制される。

【0041】

中間領域３３３は、図１に示されるように、第１の本体領域３３１と第２の本体領域３３２とを接続する。中間領域３３３は、基板２（本体部２２１）の第１の領域２２１ａと第２の領域２２１ｂとの間の境界において、第１の端部３ａと第２の端部３ｂとを結ぶ直線Ｓと交差（図示された例では直交）して、第１の領域２２１ａと第２の領域２２１ｂとの間に延びるように設けられている。本実施形態では、中間領域３３３の両側に設けられる第１の本体領域３３１および第２の本体領域３３２が互いに略同一の長さに形成されているので、中間領域３３３は、本体領域３３の延びる方向における本体領域３３の略中間の長さの位置にある。中間領域３３３は、基板２の略中心において、第１の端部領域３１および第２の端部領域３２の間に設けられている。第１の端部領域３１および第２の端部領域３２の間には、第１の本体領域３３１および第２の本体領域３３２が設けられることなく、中間領域３３３のみが設けられている。

【0042】

ガス感応部５は、表面の吸着酸素と検知対象ガスとの化学反応に伴って電気抵抗が変化する部位である。ガス感応部５は、検知対象ガスの接触によって電気抵抗が変化する材料であれば、特に限定されることはなく、たとえば金属酸化物半導体を主成分とする材料により構成することができる。ガス感応部５は、図１および図２に示されるように、電極３に電気的に接続し、ヒータ４に熱的に接続するように基板２上に設けられる。ガス感応部５が電極３に電気的に接続するように設けられることで、電極３を介してガス感応部５の電気抵抗の変化を検出することができる。また、ガス感応部５がヒータ４に熱的に接続するように設けられることで、ヒータ４を介してガス感応部５を検知対象ガスの検知に適した温度に加熱することができる。

【0043】

ガス感応部５の金属酸化物半導体としては、吸着酸素と検知対象ガスとの化学反応に伴って電気抵抗が変化するものであれば、特に限定されることはない。たとえば、ガス感応部５の金属酸化物半導体としては、酸素吸着、および吸着酸素とガス成分との化学反応を促進し、ガス検知感度を向上させるという観点から、ｎ型半導体を用いることが好ましく、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛および酸化タングステンの中から選択される少なくとも１種を含む金属酸化物半導体を用いることがさらに好ましく、酸化スズおよび酸化インジウムの中から選択される少なくとも１種を含む金属酸化物半導体を用いることがよりさらに好ましい。

【0044】

ガス感応部５の金属酸化物半導体は、電気抵抗を調整するために、ドナーとして金属元素が添加されていてもよい。添加される金属元素としては、金属酸化物半導体中にドナーとして添加可能であり、金属酸化物半導体の電気抵抗を調整することが可能であれば、特に限定されることはないが、たとえば、アンチモン、ニオブおよびタングステンの中から選択される少なくとも１種が例示される。また、ガス感応部５の金属酸化物半導体は、電気抵抗を調整するために、金属酸化物半導体中に酸素欠損が導入されてもよい。金属元素濃度や酸素欠損濃度は、要求される電気抵抗に応じて、適宜設定することができる。

【0045】

ガス感応部５は、基板２上において、電極３によって抵抗変化を検出できるように、またヒータ４によって加熱されるように設けられればよく、その形成方法は特に限定されない。ガス感応部５は、たとえば、金属酸化物半導体の微粉体を溶媒に混ぜてペースト状としたものを、予め電極３およびヒータ４が設けられた基板２上に塗布して乾燥させることにより形成することが可能である。

【0046】

ガス感応部５に任意で被覆するように設けられる機能層７は、ガス感応部５における検知対象ガスの選択性を向上させる機能や、ガス感応部５の劣化を抑制する機能など、ガス感応部５のガス検知特性を向上させる機能を有する層である。機能層７は、ガス感応部５を被覆するようにガス感応部５上に設けられる。本実施形態のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１では、ガス感応部５が、基板２の一部に設けられている。それにより、ガス感応部５上に設けられる機能層７は、ガス感応部５の端部領域においても、必要な厚さで形成することができるので、機能の低下を抑制することができる。したがって、本実施形態のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１では、ガス感応部５が基板２の全体に設けられる場合と比べて、機能層７の全体の機能を向上させることができる。

【0047】

本実施形態では、機能層７として、ガス感応部５の劣化を抑制し、ガス感応部５を保護する機能を有する２種類の層（以下、第１機能層、第２機能層という）が例示される。ただし、機能層７としては、ガス感応部５のガス検知特性を向上させる機能を有するものであれば、特に限定されることはなく、半導体式ガス検知素子において、ガス感応部を被覆することでガス感応部のガス検知特性を向上させる機能を有する公知の層を採用することができる。

【0048】

第１の例である第１機能層は、環境雰囲気中に含まれる検知対象ガス以外の特定のガス成分（たとえば有機シリコーンガス）からガス感応部５を保護し、ガス感応部５の耐久性を向上させる。第１機能層は、たとえば、環境雰囲気中に含まれる有機シリコーンガス（たとえば、ヘキサメチルジシロキサンなど）がガス感応部５に付着することによってガス感応部５が被毒する（ガス感応部５の検知感度が変化してＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１が誤作動する）のを抑制する。

【0049】

第１機能層は、ガス感応部５を保護し、ガス感応部５の耐久性を向上させるという目的のために、金属酸化物半導体に金属酸化物が担持されて形成される。金属酸化物半導体としては、特に限定されることはなく、たとえば、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛および酸化タングステンの中から選択される少なくとも１種を含む金属酸化物半導体を用いることができる。金属酸化物としては、特定のガス成分からガス感応部５を保護し得る金属酸化物であり、たとえば、酸化クロム、酸化パラジウム、酸化コバルト、酸化鉄、酸化ロジウム、酸化銅、酸化セリウム、酸化白金、酸化タングステンおよび酸化ランタンの中から選択される少なくとも１種を用いることができる。金属酸化物は、上に例示された中でも、ガス感応部５の劣化をよりさらに抑制する観点から、酸化クロムおよび酸化パラジウムの中から選択される少なくとも１種であることが好ましい。

【0050】

第１機能層は、特定のガス成分からガス感応部５を保護し、ガス感応部５の耐久性を向上させることができれば、その形成方法は特に限定されない。第１機能層は、たとえば、金属酸化物半導体の微粉体と金属酸化物の微粉体との混合物を溶媒に混ぜてペースト状としたものをガス感応部５に塗布して乾燥させることによって形成することができる。

【0051】

第２の例である第２機能層は、第１機能層と同様の目的のために、絶縁性酸化物により構成される。第２機能層は、絶縁性酸化物により特定のガス成分を捕捉することで、ガス感応部５を保護する。また、第２機能層が絶縁性酸化物により構成されることで、第２機能層中に電流が流れることが抑制され、検知対象ガス検知時のガス感応部５の抵抗値変化に及ぼす影響を抑えることができるので、検知対象ガスの検知感度が低下するのを抑えることができる。絶縁性酸化物としては、特に限定されることはないが、たとえば酸化アルミニウムおよび酸化シリコンの中から選択される少なくとも１種が例示される。

【0052】

第２機能層は、絶縁性酸化物に、酸化活性を有する金属酸化物が担持されて形成されてもよい。第２機能層は、酸化活性を有する金属酸化物が絶縁性酸化物に担持されて形成されることにより、ガス感応部５の劣化をより抑制することができる。酸化活性を有する金属酸化物としては、たとえば、酸化クロム、酸化パラジウム、酸化コバルト、酸化鉄、酸化ロジウム、酸化銅、酸化セリウム、酸化白金、酸化タングステンおよび酸化ランタンの中から選択される少なくとも１種が例示される。金属酸化物は、上に例示された中でも、ガス感応部５の劣化をよりさらに抑制する観点から、酸化クロムおよび酸化パラジウムの中から選択される少なくとも１種であることが好ましい。

【0053】

第２機能層は、特定のガス成分からガス感応部５を保護し、ガス感応部５の耐久性を向上させることができれば、その形成方法は特に限定されない。第２機能層は、たとえば、絶縁性酸化物の微粉体と金属酸化物の微粉体との混合物を溶媒に混ぜてペースト状としたものをガス感応部５に塗布して乾燥させることによって形成することができる。

【0054】

ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１は、図１および図２に示されるように、ガス感応部５よりも緻密な第１の緻密膜６および第２の緻密膜８を備えている。第１の緻密膜６および第２の緻密膜８は、（本実施形態では一部が接着層９を介して）ヒータ４を覆うようにヒータ４に接続され、ヒータ４とガス感応部５とを熱的に接続する。ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１では、ガス感応部５よりも緻密な第１および第２の緻密膜６、８によりヒータ４が覆われることで、ガス感応部５によりヒータ４が覆われる場合と比べて、ヒータ４の熱耐久性が向上する。これは、緻密な第１および第２の緻密膜６、８によって、ヒータ４の昇温時にマイグレーションなどが発生することが抑制されるためだと考えられる。ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１は、ヒータ４の熱耐久性が向上することで、長期の使用が可能になる。

【0055】

また、第１の緻密膜６は、第２の緻密膜８と比較してガス感応部５に対する密着性が高く、ガス感応部５に接続される。そして、第２の緻密膜８は、第１の緻密膜６と比較して基板２に対する密着性が高く、基板２に接続される。これにより、ヒータ４を覆うように接続される第１および第２の緻密膜６、８は、ガス感応部５および基板２に強固に密着される。ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１では、ガス感応部５および基板２に強固に密着される第１および第２の緻密膜６、８がヒータ４を覆うことによって、ヒータ４とガス感応部５との間に良好な熱的接続を確保することができる。そして、ヒータ４とガス感応部５との間に良好な熱的接続が確保されることで、ガス感応部５を検知対象ガスの検知に適した温度に正確に加熱することができるので、検知対象ガスに対して高い感度を得ることができる。さらに、ヒータ４とガス感応部５との間に良好な熱的接続が確保されることで、たとえばＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１が高温高湿環境下に曝された場合にも、熱的接続の経時劣化が抑制される。ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１は、ヒータ４とガス感応部５との間の熱的接続の経時劣化が抑制されることで、経時後もガス感応部５を安定して加熱することができ、それによってガス検知感度の劣化を抑制することができる。

【0056】

第１の緻密膜６は、上述したように、ガス感応部５よりも緻密に構成され、第２の緻密膜８とともにヒータ４を覆うようにヒータ４に接続される。また、第１の緻密膜６は、第２の緻密膜８と比較してガス感応部５に対して高い密着性を有し、好ましくはヒータ４と比較してガス感応部５に対して高い密着性を有し、また好ましくはガス感応部５と比較してヒータ４に対して高い密着性を有し、ヒータ４とガス感応部５との間に介在して、ヒータ４とガス感応部５とを互いに接続する。

【0057】

第１の緻密膜６は、ガス感応部５よりも緻密であり、すなわちガス感応部５よりも高い密度を有し、第２の緻密膜８と比較してガス感応部５に対する密着性が高ければよく、その構成材料は特に限定されることはない。本実施形態では、第１の緻密膜６は、ガス感応部５に含まれる金属酸化物半導体の金属元素と同一の金属元素を含む金属酸化物半導体を主成分として形成される。具体的には、たとえばガス感応部５の主成分が酸化スズである場合、第１の緻密膜６は酸化スズを主成分として含み、ガス感応部５の主成分が酸化インジウムである場合、第１の緻密膜６は酸化インジウムを主成分として含む。ガス感応部５に含まれる金属酸化物半導体の金属元素と同一の金属元素を含む金属酸化物半導体を主成分として第１の緻密膜６が形成されることにより、ガス感応部５と第１の緻密膜６とが互いに馴染みやすく、ガス感応部５と第１の緻密膜６との間の密着性をより高めることができる。第１の緻密膜６の膜厚は、特に限定されることはなく、第２の緻密膜８とともにヒータ４を被覆し、ヒータ４とガス感応部５とを接続することができるように適宜設定可能である。

【0058】

第１の緻密膜６は、ガス感応部５よりも緻密であり、第２の緻密膜８と比較してガス感応部５に対する密着性が高くなるように形成することができれば、その形成方法は特に限定されない。本実施形態では、第１の緻密膜６は、スパッタリングや真空蒸着により形成することができる。第１の緻密膜６は、スパッタリングや真空蒸着により形成されることで、塗布などにより形成される場合と比べて、より緻密な膜として形成される。第１の緻密膜６は、たとえば、基板２を３００℃などの高温で加熱しながら、ターゲットである酸化スズや酸化インジウムなどの金属酸化物半導体をアルゴンイオンでスパッタリングすることにより、金属酸化物半導体を主成分として形成することができる。この方法によれば、第１の緻密膜６をより緻密な膜として形成できるとともに、ガス感応部５、ヒータ４、第２の緻密膜８に対する密着性をより高めることができる。

【0059】

ここで、第１の緻密膜６は、ガス感応部５よりも電気抵抗が小さく、導電性を有していてもよい。この場合、第１の緻密膜６は、以下に述べるように、第２の緻密膜８とともに、ヒータ４の経路とは異なる（よりも短い）経路でヒータ４を電気的に短絡させないように、ヒータ４に接続されることが好ましい。これにより、第１の緻密膜６が導電性を有していても、第１の緻密膜６によるヒータ４の短絡が抑制されることで、ヒータ４を正常または正常に近い状態で機能させることができる。また、本実施形態のようにヒータ４が電極３を兼ねる場合には、第１の緻密膜６は、導電性を有することで、電極３とガス感応部５とを電気的に接続するように機能する。そして、第１の緻密膜６は、ガス感応部５に対して高い密着性を有しているので、電極３に対するガス感応部５の密着性を高めることができる。それによって、電極３とガス感応部５との間に良好な電気接続を確保することができ、検知対象ガスがガス感応部５に接触した際に生じるガス感応部５の抵抗値の変化をより正確に検知することができる。さらに、ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１のガス検知能力の経時的な変化を抑制し、たとえば高温高湿環境下に曝された場合に生じる経時的なガス検知感度の劣化を抑制することができる。

【0060】

第１の緻密膜６は、第２の緻密膜８とともに、ヒータ４を覆うようにヒータ４に接続され、ヒータ４とガス感応部５とを熱的に接続することができれば、その配置は特に限定されることはない。第１の緻密膜６は、本実施形態では、図１および図２に示されるように、ヒータ４の少なくとも一部の上面に接続される。これにより、ヒータ４の上面から接続されるガス感応部５の密着性をより高めることができ、ヒータ４とガス感応部５との間により良好な熱的接続を確保することができる。第１の緻密膜６が導電性を有する場合には、第１の緻密膜６がヒータ４の上面に設けられて、ヒータ４の経路とは異なる（よりも短い）経路でヒータ４を電気的に短絡させないことで、ヒータ４を正常または正常に近い状態で機能させることができる。また、第１の緻密膜６の少なくとも一部は、図２に示されるように、第２の緻密膜８の上に設けられる。これにより、第２の緻密膜８と比較してガス感応部５に対する密着性の高い第１の緻密膜６のガス感応部５に対する接続面積を大きくすることができるので、ヒータ４とガス感応部５との密着性をより高め、ヒータ４とガス感応部５との間により良好な熱的接続を確保することができる。

【0061】

本実施形態では、第１の緻密膜６は、図１および図２に示されるように、ヒータ４の第１の端部領域３１および第２の端部領域３２に接続されている。これにより、ガス感応部５がヒータ４の両方の端部領域３１、３２に熱的に接続されることとなる。この場合、たとえばヒータ４の延びる方向に熱勾配が生じたとしても、両方の端部領域３１、３２の平均の温度でガス感応部５が加熱されるので、熱勾配の影響を抑えることができる。また、本実施形態のようにヒータ４が電極３を兼ね、第１の緻密膜６が導電性を有する場合には、第１の緻密膜６は、電極３の第１の端部領域３１および第２の端部領域３２に接続される。この場合、ガス感応部５が第１の端部領域３１および第２の端部領域３２に電気的に接続することとなり、電極３とガス感応部５との合成抵抗値が、電極３の長さ方向に亘って全体の電気抵抗値とガス感応部５の電気抵抗値との並列合成抵抗値となる。これにより、電極３とガス感応部５との合成抵抗値は、ガス感応部５の電気抵抗値の変化に応じて大きく変化するので、検知対象ガスに対して高い感度を得ることができる。

【0062】

より具体的に説明すると、第１の緻密膜６は、本実施形態では、図１および図２に示されるように、第１の端部領域３１に接続される第１の緻密部６１と、第２の端部領域３２に接続される第２の緻密部６２とを備えている。第１の緻密部６１および第２の緻密部６２は、ヒータ４を介して互いに接続されている以外には、互いに分離するように設けられている。これによって、第１の緻密膜６は、導電性を有していても、ヒータ４の経路とは異なる経路でヒータ４を電気的に短絡させない。

【0063】

第１の緻密部６１および第２の緻密部６２はそれぞれ、図１および図２に示されるように、ヒータ４（電極３）と接続するヒータ（電極）接続部６１ａ、６２ａと、ガス感応部５と接続するガス感応部接続部６１ｂ、６２ｂとを備えている。ヒータ（電極）接続部６１ａ、６２ａは、ガス感応部５側からヒータ４（電極３）の第１の端部領域３１および第２の端部領域３２に向かって、第２の緻密膜８および接着層９に設けられた貫通孔を通って延びるように設けられている。ヒータ（電極）接続部６１ａ、６２ａの一端は、ヒータ４（電極３）の第１の端部領域３１および第２の端部領域３２に接続され、ヒータ（電極）接続部６１ａ、６２ａの他端は、ガス感応部接続部６１ｂ、６２ｂに接続される。ガス感応部接続部６１ｂ、６２ｂは、基板２（本体部２２１）の表面に沿って、ヒータ（電極）接続部６１ａ、６２ａのヒータ４（電極３）との接続面積よりも広く、またヒータ４（電極３）の表面積よりも広い面積で面状に広がるように設けられている。ガス感応部接続部６１ｂ、６２ｂの一方の面は、ガス感応部５に接続され、ガス感応部接続部６１ｂ、６２ｂの他方の面は、ヒータ（電極）接続部６１ａ、６２ａおよび第２の緻密膜８に接続される。このように、第１の緻密膜６の少なくとも一部が、第２の緻密膜８の上に設けられることにより、ガス感応部５に対する接続面積を大きくして、ヒータ４とガス感応部５との密着性をより高めることができ、結果として、ヒータ４とガス感応部５との間により良好な熱的接続を確保することができる。また、本実施形態のようにヒータ４が電極３を兼ね、第１の緻密膜６が導電性を有する場合には、電極３を短絡させることなく第１の緻密膜６を基板２の表面に沿って面状に広がるように設けることが可能になる。それによって、ガス感応部５と第１の緻密膜６との間の接続面積を大きくして、ガス感応部５と第１の緻密膜６との間の密着力を向上させ、結果として、電極３とガス感応部５との間の密着性をより向上させることができる。さらに、ヒータ（電極）接続部６１ａ、６２ａの電極３との接続面積よりも広く、また電極３の表面積よりも広い面積を有するガス感応部接続部６１ｂ、６２ｂがガス感応部５と接続することで、第１の緻密膜６とガス感応部５との導通、ひいては電極３とガス感応部５との導通をより確実に確保することができ、ガス感応部５の抵抗値変化をより確実に検知することができる。さらに、ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１のガス検知能力の経時的な変化をより抑制し、たとえば高温高湿環境下に曝された場合に生じる経時的なガス検知感度の劣化をより抑制することができる。ガス感応部接続部６１ｂ、６２ｂはそれぞれ、基板２（本体部２２１）の略半分の面積を有し、略半円状に形成されている。そして、ガス感応部接続部６１ｂ、６２ｂは、ヒータ４（電極３）の第１の端部３ａと第２の端部３ｂとを結ぶ直線Ｓに沿って互いに対向するように、それぞれの略半円の直線部分同士の間に設けられたギャップＧを介して互いに離間して設けられている。

【0064】

第２の緻密膜８は、上述したように、ガス感応部５よりも緻密に構成され、第１の緻密膜６とともにヒータ４を覆うようにヒータ４に接続される。また、第２の緻密膜８は、第１の緻密膜６と比較して基板２に対して高い密着性を有し、好ましくはガス感応部５と比較して基板２に対して高い密着性を有し、基板２とヒータ４との間に介在して、基板２とヒータ４とを互いに接続する。

【0065】

第２の緻密膜８は、ガス感応部５よりも緻密であり、すなわちガス感応部５よりも高い密度を有し、第１の緻密膜６と比較して基板２に対する密着性が高くなるように形成されていれば、その構成材料は特に限定されることはなく、たとえば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタルなどの絶縁性材料を主成分として構成することができる。本実施形態では、第２の緻密膜８は、基板２（本体部２２１）に含まれる絶縁性酸化物の金属元素または半導体元素と同一の金属元素または半導体元素を含む絶縁性酸化物を主成分として構成される。具体的には、たとえば基板２に含まれる絶縁性酸化物が酸化シリコンである場合、第２の緻密膜８は酸化シリコンを主成分として構成される。基板２に含まれる絶縁性酸化物の金属元素または半導体元素と同一の金属元素または半導体元素を含む絶縁性酸化物を主成分として第２の緻密膜８が構成されることにより、基板２と第２の緻密膜８とが互いに馴染みやすく、基板２と第２の緻密膜８との間の密着性を高めることができる。第２の緻密膜８の膜厚は、特に限定されることはなく、第１の緻密膜６とともにヒータ４を被覆し、基板２との密着性を確保できるように適宜設定可能である。

【0066】

第２の緻密膜８は、ガス感応部５よりも緻密であり、第１の緻密膜６と比較して基板２に対する密着性が高くなるように形成することができれば、その形成方法は特に限定されない。本実施形態では、第２の緻密膜８は、たとえばＣＶＤやスパッタリングなどの公知の成膜技術により形成することができる。第２の緻密膜８は、ＣＶＤやスパッタリングにより形成されることで、塗布などにより形成される場合と比べて、より緻密な膜として形成される。

【0067】

ここで、上述したように、第２の緻密膜８は、ガス感応部５よりも電気抵抗が大きく、絶縁性を有してもよい。この場合、第１および第２の緻密膜６、８は、図１および図２に示されるように、ヒータ４の経路とは異なる（よりも短い）経路でヒータ４を電気的に短絡させないように、ヒータ４に接続されることが好ましい。これにより、第１の緻密膜６が導電性を有していても、第１の緻密膜６によるヒータ４の短絡が抑制されることで、ヒータ４を正常または正常に近い状態で機能させることができる。また、本実施形態のようにヒータ４が電極３を兼ねる場合には、第１および第２の緻密膜６、８は、電極３の経路とは異なる（よりも短い）経路で電極３を電気的に短絡させないように、電極３に接続されることが好ましい。この場合、電極３の電気抵抗値とガス感応部５の電気抵抗値との合成抵抗値は、導電性を有する第１の緻密膜６による電極３の短絡が抑制されることで、ガス感応部５が接続する電極３の全体の電気抵抗値とガス感応部５の電気抵抗値との並列合成抵抗値となる。これにより、第１の緻密膜６を設けても、電極３の電気抵抗値とガス感応部５の電気抵抗値との合成抵抗値は、ガス感応部５の電気抵抗値の変化に応じて大きく変化するので、検知対象ガスに対して高い感度を得ることができる。

【0068】

ここで、「ヒータ４（電極３）の経路とは異なる経路でヒータ４（電極３）を短絡させる」とは、たとえば基板２上のヒータ４（電極３）の配線経路とは異なる経路で、導電性を有する第１の緻密膜６が配置されて、その第１の緻密膜６が、ヒータ４（電極３）の配線経路とは異なる経路でヒータ４（電極３）の一部同士を橋渡しするようにして短絡させることを意味する。なお、「ヒータ４（電極３）の経路とは異なる経路でヒータ４（電極３）を電気的に短絡させない」とは、ヒータ４（電極３）の経路の少なくとも一部に亘って短絡させないことを意味し、必ずしもヒータ４（電極３）の経路のいずれにおいても短絡させないことを意味するものではない。ただし、ヒータ４を正常に機能させるためには、ヒータ４の経路の全体に亘って短絡させないことが好ましい。また、本実施形態のようにヒータ４が電極３を兼ねる場合には、検知対象ガスに対して高い検知感度を得るために、電極３の経路の全体に亘って短絡させないことが好ましい。

【0069】

第２の緻密膜８は、第１の緻密膜６とともに、ヒータ４を覆うようにヒータ４に接続され、ヒータ４とガス感応部５とを熱的に接続することができれば、その配置は特に限定されることはない。第２の緻密膜８は、本実施形態では、図１および図２に示されるように、ヒータ４の異なる２点間の隙間に形成される。より具体的には、第２の緻密膜８は、基板２（本体部２２１）上においてヒータ４が設けられてない領域を充填するように設けられる。これにより、第１の緻密膜６が導電性を有し、第２の緻密膜８が絶縁性を有する場合には、より確実に第１の緻密膜６がヒータ４の経路とは異なる経路でヒータ４を電気的に短絡させないようにすることができるので、ヒータ４をより正常に機能させることができる。そして、ヒータ４が電極３を兼ねる場合には、より確実に電極３を短絡させることがないので、検知対象ガスに対してより高い感度を得ることができる。

【0070】

第２の緻密膜８は、本実施形態では、図１および図２に示されるように、ヒータ４（電極３）間の隙間に設けられるヒータ（電極）間緻密部８ａと、（本実施形態では、接着層９を介して）ヒータ４（電極３）の表面上に設けられるヒータ（電極）表面緻密部８ｂとを備えている。ヒータ（電極）間緻密部８ａは、ヒータ４（電極３）間の隙間において、ガス感応部５側から基板２（本体部２２１）に向かって延びるように設けられている。ヒータ（電極）間緻密部８ａの一端は、基板２に接続され、ヒータ（電極）間緻密部８ａの他端は、ヒータ（電極）表面緻密部８ｂに接続される。基板２表面に沿う方向のヒータ（電極）間緻密部８ａの側面は、隣接するヒータ４（電極３）の側部に接続される。また、ヒータ（電極）表面緻密部８ｂは、基板２の表面に沿って面状に広がるように設けられる。ヒータ（電極）表面緻密部８ｂの一方の面は、ガス感応部５および第１の緻密膜６に接続され、ヒータ（電極）表面緻密部８ｂの他方の面は、（本実施形態では、接着層９を介して）ヒータ４（電極３）およびヒータ（電極）間緻密部８ａに接続される。ヒータ（電極）表面緻密部８ｂは、ヒータ４（電極３）の第１の端部領域３１および第２の端部領域３２に接続される第１の緻密膜６のヒータ（電極）接続部６１ａ、６２ａが貫通するための貫通孔が設けられている以外は、基板２の表面の略全体に亘って面状に広がるように設けられている。

【実施例】

【0071】

以下において、実施例をもとに本実施形態のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子の優れた効果を説明する。ただし、本発明のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子は、以下の実施例に限定されるものではない。

【0072】

（実施例１）
図１および図２に示されるＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１のヒータ４（電極３）の熱耐久性を評価しやすくするために、ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１からガス感応部５および機能層７を除いたサンプルを以下の手順で作製した。まず、公知の微細加工技術により、基板２を作成し、基板２上に接着層９／ヒータ４（電極３）／接着層９を配線した。その際、接着層９としては、酸化タンタルを用い、ヒータ４（電極３）としては、白金を用いた。接着層９およびヒータ４（電極３）はそれぞれ、スパッタリングにより形成した。接着層９およびヒータ４（電極３）の膜厚はそれぞれ、２０ｎｍおよび３００ｎｍとした。つぎに、公知の微細加工技術により、第１の緻密膜６／第２の緻密膜８を接着層９／ヒータ４（電極３）／接着層９上に配置した。第１の緻密膜６としては、酸化スズを用い、第２の緻密膜８としては、酸化シリコンを用いた。第１の緻密膜６は、スパッタリングにより形成し、第２の緻密膜８は、ＣＶＤにより形成した。第１の緻密膜６および第２の緻密膜８の膜厚はそれぞれ、５００ｎｍおよび１０００ｎｍとした。以上のサンプルを、後述する熱耐久性試験に供した。

【0073】

（実施例２）
実施例１のサンプルに以下の手順でガス感応部５および機能層７を設けることで、図１および図２に示されるＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１を作製した。アンチモンをドナーとして０．１ｗｔ％添加した酸化スズ半導体の微粉体のペーストを、実施例１のサンプルの第１の緻密膜６／第２の緻密膜８を覆って最大厚さが２０μｍになるように塗布して、乾燥後、電気炉にて６５０℃で２時間加熱して焼結することにより、ガス感応部５を形成した。引き続いて、ガス感応部５を被覆するように機能層７を設けた。機能層７は、酸化パラジウムの微粉体を混ぜたアルミナの微粉体のペーストを、ガス感応部５を覆って最大厚さが３０μｍになるように塗布して、乾燥後、電気炉にて６５０℃で２時間加熱して焼結することにより形成した。以上のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子を、後述する検出感度試験および高温高湿耐久性試験に供した。

【0074】

（比較例１）
熱耐久性評価の比較例として、図１および図２に示されるＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１から第１の緻密膜６、第２の緻密膜８、上層の接着層９、ガス感応部５および機能層７を除いたサンプルを以下の手順で作製した。まず、公知の微細加工技術により、基板２を作成し、基板２上にヒータ４（電極３）／接着層９を配線した。その際、接着層９としては、酸化タンタルを用い、ヒータ４（電極３）としては、白金を用いた。接着層９およびヒータ４（電極３）はそれぞれ、スパッタリングにより形成した。接着層９およびヒータ４（電極３）の膜厚はそれぞれ、２０ｎｍおよび３００ｎｍとした。以上のサンプルを、後述する熱耐久性試験に供した。

【0075】

（比較例２）
比較例１のサンプルに以下の手順でガス感応部５および機能層７を設けることで、図１および図２に示されるＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１から第１の緻密膜６、第２の緻密膜８および上層の接着層９を除いたＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子を作製した。アンチモンをドナーとして０．１ｗｔ％添加した酸化スズ半導体の微粉体のペーストを、比較例１のサンプルのヒータ４（電極３）／接着層９を覆って最大厚さが２０μｍになるように塗布して、乾燥後、電気炉にて６５０℃で２時間加熱して焼結することにより、ガス感応部５を形成した。引き続いて、ガス感応部５を被覆するように機能層７を設けた。機能層７は、酸化パラジウムの微粉体を混ぜたアルミナの微粉体のペーストを、ガス感応部５を覆って最大厚さが３０μｍになるように塗布して、乾燥後、電気炉にて６５０℃で２時間加熱して焼結することにより形成した。以上のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子を、後述する検出感度試験および高温高湿耐久性試験に供した。

【0076】

（熱耐久性試験）
実施例１および比較例１のサンプルのヒータ４に所定の電力を投入して、ヒータ４が断線するまでの時間（断線寿命）を測定した。

【0077】

（検出感度試験）
実施例２および比較例２のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子を、公知のブリッジ回路に組み込んで、検知対象ガスを含む大気環境下でセンサ出力を測定した。検知対象ガスとしては、メタン、エタノール、水素を用いた。

【0078】

（高温高湿耐久性試験）
実施例２および比較例２のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子を、公知のガス検知器に組み込んで、２０℃、６０％ＲＨの標準環境および４０℃、８５％ＲＨの高温高湿環境のそれぞれで放置した後に、メタンに対して所定のセンサ出力に達した際に警報を発するように設定されたガス検知器が警報を発するメタンの濃度を測定した。

【0079】

（熱耐久性試験結果）
実施例１および比較例１のサンプルのヒータ４に所定の電力を投入して、ヒータ４が断線するまでの時間（断線寿命）を測定した結果を図４に示す。図４では、実施例１および比較例１ともに、投入電力の増加に伴って断線寿命が短くなっているが、比較例１と比べて実施例１の方が、断線寿命が大幅に長くなっている。これは、第１の緻密膜６および第２の緻密膜８がヒータ４を覆うようにヒータ４に接続されたことで、ヒータ４の昇温時にマイグレーションなどの発生が抑制されたためだと考えられる。このように、第１の緻密膜６および第２の緻密膜８がヒータ４を覆うようにヒータ４に接続して、ヒータ４の熱耐久性を向上させることで、ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１の長期使用が可能になる。

【0080】

（検出感度試験結果）
実施例２および比較例２のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子について、メタン、エタノール、水素の濃度を変化させたときのセンサ出力の変化を調べた結果を図５に示す。

【0081】

図５（ｂ）の比較例２の検出感度試験結果では、メタン、エタノール、水素のそれぞれの濃度の増加に伴ってそれぞれのセンサ出力が増加している。それに対して、図５（ａ）の実施例２の検出感度試験結果では、図５（ｂ）の比較例２の結果と比べて、いずれのガス濃度でもセンサ出力が増加している。これは、ガス感応部５および基板２に強固に密着された第１および第２の緻密膜６、８がヒータ４を覆うことによって、ヒータ４とガス感応部５との間に良好な熱的接続が確保されたことによるものと考えられる。つまり、ヒータ４とガス感応部５との間に良好な熱的接続が確保されたことで、ガス感応部５を検知対象ガスの検知に適した温度に正確に加熱することができるので、検知対象ガスに対して高い感度を得ることができたものと考えられる。さらに、この例では、ヒータ４が電極３を兼ねており、上記結果が得られたのは、ガス感応部５に対する密着性が高い第１の緻密膜６を介して電極３とガス感応部５とが接続されることで、電極３に対するガス感応部５の密着性が高まり、電極３とガス感応部５との間に良好な電気接続が確保されたためだと考えられる。このように、検知対象ガスに対するガス感応部５の検知感度を向上させることで、検知対象ガスがガス感応部５に接触した際に生じるガス感応部５の抵抗値の変化をより正確に検知し、検知対象ガスをより正確に検知することができる。

【0082】

（高温高湿耐久性試験）
公知のガス検知器に組み込まれた実施例２および比較例２のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子について、２０℃、６０％ＲＨの標準環境および４０℃、８５％ＲＨの高温高湿環境のそれぞれに放置したときの、ガス検知器が警報を発するメタンの濃度の経時変化を調べた結果を図６および図７に示す。ガス検知器は、所定のセンサ出力が得られたときに警報を発するように設定されているので、ガス検知器が警報を発するメタンの濃度の経時変化は、ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子のメタンに対する検知感度の経時変化を表している。たとえば、ガス検知器が警報を発するメタンの濃度が高ければ高いほど、ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子のメタンに対する検知感度が低いことを示している。

【0083】

２０℃、６０％ＲＨの標準環境に実施例２および比較例２のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子を放置した結果（図６）では、実施例２（図６（ａ））および比較例２（図６（ｂ））ともに、経過日数の増加に伴って、わずかにメタン濃度が低下する（メタン検知感度が増加する）傾向が見られるものの、メタン濃度（メタン検知感度）は概してほぼ一定である。それに対して、４０℃、８５％ＲＨの高温高湿環境に実施例２および比較例２のＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子を放置した結果（図７）では、比較例２（図７（ｂ））において、経過日数の増加に伴って、メタン濃度が大幅に増加している（メタン検知感度が大幅に低下している）のに対して、実施例２（図７（ａ））において、メタン濃度の増加（メタン検知感度の低下）が抑制されている。つまり、実施例２では、高温高湿環境下に曝された場合に生じる経時的なガス検知感度の劣化が抑制されている。これは、ガス感応部５および基板２に強固に密着された第１および第２の緻密膜６、８がヒータ４を覆うことによって、ヒータ４とガス感応部５との間に良好な熱的接続が確保されたことによるものと考えられる。つまり、ヒータ４とガス感応部５との間に良好な熱的接続が確保されたことで、ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１が高温高湿環境下に曝されても、熱的接続の経時劣化が抑制されて、経時後もガス感応部５を安定して加熱することができ、それによってガス検知感度の劣化を抑制することができたものと考えられる。さらに、この例では、ヒータ４が電極３を兼ねており、上記結果が得られたのは、ガス感応部５に対する密着性が高い第１の緻密膜６を介して電極３とガス感応部５とが接続されることで、電極３に対するガス感応部５の密着性が高まり、電極３とガス感応部５との間に良好な電気接続が確保されたためだと考えられる。つまり、電極３とガス感応部５との間に良好な電気接続が確保されたことで、ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子１が高温高湿環境下に曝されても、電気接続の経時劣化が抑制されて、経時後もガス感応部５の抵抗値変化を安定して検知することができ、それによってガス検知感度の劣化を抑制することができたものと考えられる。

【符号の説明】

【0084】

１ ＭＥＭＳ型半導体式ガス検知素子
２ 基板
２１ 基板本体
２１ａ 凹部
２２ 絶縁支持膜
２２ａ 酸化シリコン膜
２２ｂ 窒化シリコン膜
２２ｃ 酸化シリコン膜
２２１ 本体部
２２１ａ 第１の領域
２２１ｂ 第２の領域
２２２ 基部
２２３ 接続部
２３ 空洞部
３ 電極
３ａ 第１の端部
３ｂ 第２の端部
３ｃ 第１の近接部
３ｄ 第２の近接部
３１ 第１の端部領域
３２ 第２の端部領域
３３ 本体領域
３３１ 第１の本体領域
３３２ 第２の本体領域
３３３ 中間領域
４ ヒータ
５ ガス感応部
６ 第１の緻密膜
６１ 第１の緻密部
６１ａ ヒータ（電極）接続部
６１ｂ ガス感応部接続部
６２ 第２の緻密部
６２ａ ヒータ（電極）接続部
６２ｂ ガス感応部接続部
７ 機能層
８ 第２の緻密膜
８ａ ヒータ（電極）間緻密部
８ｂ ヒータ（電極）表面緻密部
９ 接着層
Ａ 集積部
Ｇ ギャップ
Ｌ１ 一方のリード線
Ｌ２ 他方のリード線
Ｓ 第１の端部と第２の端部とを結ぶ直線

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】