JP2018072239A - Gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、雰囲気中に含まれる測定対象ガスの濃度を検出するガスセンサに関し、特に、サーミスタ膜とヒータを備えたガスセンサに関する。 The present invention relates to a gas sensor that detects the concentration of a measurement target gas contained in an atmosphere, and more particularly, to a gas sensor that includes a thermistor film and a heater.
ガスセンサとしては、接触燃焼式、半導体式、熱伝導式などの方式が知られている。これらの方式のガスセンサは、ヒータ等で加熱されたセンサ素子の抵抗値が雰囲気中の測定対象ガスの存在によって変化することを利用してガス濃度を検出するものである。 As a gas sensor, methods such as a contact combustion type, a semiconductor type, and a heat conduction type are known. These types of gas sensors detect the gas concentration by utilizing the fact that the resistance value of the sensor element heated by a heater or the like changes depending on the presence of the gas to be measured in the atmosphere.
例えば、特許文献１の図１０に記載されたガスセンサは、白金（Ｐｔ）等を主成分とするヒータとサーミスタ膜をこの順に積層した構成を有している。白金（Ｐｔ）等を主成分とするヒータは、膜厚が薄すぎると電気抵抗の経時変化が大きくなるという現象が発生するため、ヒータの膜厚はある程度厚くすることが好ましい。 For example, the gas sensor described in FIG. 10 of Patent Document 1 has a configuration in which a heater mainly composed of platinum (Pt) or the like and a thermistor film are stacked in this order. In the case of a heater mainly composed of platinum (Pt) or the like, if the film thickness is too thin, a phenomenon occurs in which the electrical resistance changes with time. Therefore, the heater film thickness is preferably increased to some extent.
しかしながら、特許文献１の図１０に記載されたガスセンサは、基板上にヒータとサーミスタ膜をこの順に積層した構成を有していることから、ヒータによって形成される凹凸面上にサーミスタ膜やサーミスタ膜の抵抗を検知するための検知電極を成膜し、パターニングする必要がある。このため、ヒータの膜厚を大きくすると、サーミスタ膜や検知電極の下地の凹凸が大きくなり、パターニングが困難となるという問題が生じる。 However, since the gas sensor described in FIG. 10 of Patent Document 1 has a configuration in which a heater and a thermistor film are stacked in this order on a substrate, the thermistor film or thermistor film is formed on the uneven surface formed by the heater. It is necessary to form a sensing electrode for detecting the resistance of the film and pattern it. For this reason, when the film thickness of the heater is increased, the unevenness of the thermistor film and the base of the detection electrode is increased, resulting in a problem that patterning becomes difficult.
また、検知電極としては白金（Ｐｔ）などの金属薄膜が多く用いられるが、これらの金属は、絶縁膜として一般的に用いられる酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）との密着性が低いため、検知電極と絶縁膜の間にチタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）などの密着層を形成する必要がある。しかしながら、密着層を構成するチタン（Ｔｉ）やクロム（Ｃｒ）などの金属がサーミスタ膜に拡散すると、サーミスタ膜の組成や結晶構造が変化する。その結果、サーミスタ膜の温度特性が変化し、ガスの検出感度が変化するという問題もあった。 In addition, a metal thin film such as platinum (Pt) is often used as the detection electrode, and these metals are in contact with silicon oxide (SiO 2 ) and silicon nitride (Si 3 N 4 ) that are generally used as an insulating film. Since adhesion is low, it is necessary to form an adhesion layer such as titanium (Ti) or chromium (Cr) between the detection electrode and the insulating film. However, when a metal such as titanium (Ti) or chromium (Cr) constituting the adhesion layer diffuses into the thermistor film, the composition or crystal structure of the thermistor film changes. As a result, the temperature characteristic of the thermistor film changes, and there is a problem that the gas detection sensitivity changes.
したがって、本発明は、ヒータの膜厚を大きくすることができるとともに、ガスの検出感度が安定したガスセンサを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a gas sensor that can increase the thickness of the heater and has a stable gas detection sensitivity.
本発明によるガスセンサは、基板と、前記基板上に形成された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜上に形成されたサーミスタ膜と、前記サーミスタ膜上に形成された検知電極と、前記サーミスタ膜および前記検知電極を覆う第２の絶縁膜と、前記第２の絶縁膜上に形成されたヒータとを備え、前記検知電極と前記第１の絶縁膜は、前記サーミスタ膜によって隔離されていることを特徴とする。 A gas sensor according to the present invention includes a substrate, a first insulating film formed on the substrate, a thermistor film formed on the first insulating film, a detection electrode formed on the thermistor film, A second insulating film covering the thermistor film and the detection electrode; and a heater formed on the second insulating film, wherein the detection electrode and the first insulating film are isolated by the thermistor film. It is characterized by.
本発明によれば、基板上にサーミスタ膜、検知電極及びヒータをこの順に積層していることから、ヒータの膜厚を大きくしてもサーミスタ膜及び検知電極のパターニングに影響することがない。このため、ヒータの膜厚を任意の膜厚まで厚くすることができ、電気抵抗の経時変化を抑制することができる。また、検知電極と第１の絶縁膜がサーミスタ膜によって隔離されていることから、検知電極の下地に密着層を形成する必要がない。このため、密着層を構成する金属がサーミスタ膜に拡散することもない。 According to the present invention, since the thermistor film, the detection electrode, and the heater are laminated in this order on the substrate, the patterning of the thermistor film and the detection electrode is not affected even if the thickness of the heater is increased. For this reason, the thickness of the heater can be increased to an arbitrary thickness, and the change in electrical resistance with time can be suppressed. Further, since the detection electrode and the first insulating film are separated by the thermistor film, it is not necessary to form an adhesion layer on the base of the detection electrode. For this reason, the metal constituting the adhesion layer does not diffuse into the thermistor film.
本発明においては、前記ヒータで前記サーミスタ膜を加熱し、雰囲気ガスの熱伝導率の変化を検知することで測定対象ガスの濃度を検出しても構わない。これによれば、ＣＯ２等、熱伝導率が空気と大きく異なるガスの濃度を測定することができる。 In the present invention, the concentration of the measurement target gas may be detected by heating the thermistor film with the heater and detecting a change in the thermal conductivity of the atmospheric gas. According to this, it is possible to measure the concentration of gas such as CO 2 whose thermal conductivity is greatly different from that of air.
本発明によるガスセンサは、触媒層をさらに備え、前記ヒータで加熱された前記触媒層上で測定対象ガスが接触燃焼することにより生じる熱を前記サーミスタ膜で検知することで前記測定対象ガスの濃度を検出しても構わない。これによれば、ＣＯ等の可燃性ガスの濃度を測定することができる。 The gas sensor according to the present invention further includes a catalyst layer, and detects the concentration of the measurement target gas by detecting heat generated by contact combustion of the measurement target gas on the catalyst layer heated by the heater by the thermistor film. It may be detected. According to this, the density | concentration of combustible gas, such as CO, can be measured.
本発明によれば、ヒータの膜厚が大きく、且つ、ガスの検出感度が安定したガスセンサを提供することが可能となる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the gas sensor which the film thickness of the heater was large and the detection sensitivity of gas was stable.
以下、添付図面を参照しながら、本発明のいくつかの実施形態について詳細に説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載する構成要素には、当業者が容易に想定できるもの及び実質的に同一のものが含まれる。さらに以下に記載する構成要素は、適宜組み合わせることができる。 Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited to the following embodiment. The constituent elements described below include those that can be easily assumed by those skilled in the art and those that are substantially the same. Furthermore, the constituent elements described below can be appropriately combined.
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａの構成を説明するための断面図である。尚、図面は模式的なものであり、説明の便宜上、厚みと平面寸法との関係、デバイス相互間の厚みの比率などは、本実施形態の効果が得られる範囲内で現実の構造とは異なっていても構わない。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a cross-sectional view for explaining the configuration of a gas sensor 10A according to a first embodiment of the present invention. The drawings are schematic, and for convenience of explanation, the relationship between the thickness and the planar dimensions, the ratio of the thickness between devices, and the like are different from the actual structure within the range where the effect of this embodiment can be obtained. It does not matter.
第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａは、検出対象となるガスと雰囲気ガスである空気の熱伝導率差を利用してガス濃度を検出する熱伝導式のガスセンサであり、図１に示すように、基板２０と、基板２０の上面にこの順に積層された第１〜第３の絶縁膜３１〜３３と、第１及び第２の絶縁膜３１，３２間に設けられたサーミスタ膜４０及び一対の検知電極４１，４２と、第２及び第３の絶縁膜３２，３３間に設けられたヒータ５０とを備えている。 The gas sensor 10A according to the first embodiment is a heat conduction type gas sensor that detects a gas concentration using a difference in thermal conductivity between air as a detection target and air as an atmospheric gas, and as shown in FIG. The substrate 20, the first to third insulating films 31 to 33 stacked in this order on the upper surface of the substrate 20, the thermistor film 40 provided between the first and second insulating films 31 and 32, and a pair of detections Electrodes 41 and 42 and a heater 50 provided between the second and third insulating films 32 and 33 are provided.
基板２０は、適度な機械的強度を有し、且つ、エッチングなどの微細加工に適した材質であれば特に限定されるものではなく、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板などを用いることができる。基板２０には、放熱性を低下させるためのキャビティ２１が設けられている。キャビティ２１により基板２０が取り除かれた部分は、メンブレンと呼ばれる。メンブレンを構成すれば、基板２０を薄肉化した分だけ熱容量が小さくなるため、より少ない消費電力で加熱を行うことが可能となる。 The substrate 20 is not particularly limited as long as it has an appropriate mechanical strength and is suitable for fine processing such as etching. A silicon single crystal substrate, a sapphire single crystal substrate, a ceramic substrate, or a quartz substrate is not limited. A glass substrate or the like can be used. The substrate 20 is provided with a cavity 21 for reducing heat dissipation. A portion where the substrate 20 is removed by the cavity 21 is called a membrane. If the membrane is configured, the heat capacity is reduced by the thickness of the substrate 20, so that heating can be performed with less power consumption.
第１〜第３の絶縁膜３１〜３３は、酸化シリコン又は窒化シリコンなどの絶縁材料からなる。第１〜第３の絶縁膜３１〜３３として例えば酸化シリコンを用いる場合には、熱酸化法やＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法などの成膜法を用いればよい。第１〜第３の絶縁膜３１〜３３の膜厚は、絶縁性が確保される限り特に限定されず、例えば０．１〜１．０μｍ程度とすればよい。特に、第１の絶縁膜３１は、基板２０にキャビティ２１を形成する際のエッチング停止層としても用いられるため、当該機能を果たすのに適した膜厚とすればよい。 The first to third insulating films 31 to 33 are made of an insulating material such as silicon oxide or silicon nitride. When silicon oxide is used as the first to third insulating films 31 to 33, for example, a film forming method such as a thermal oxidation method or a CVD (Chemical Vapor Deposition) method may be used. The film thicknesses of the first to third insulating films 31 to 33 are not particularly limited as long as the insulating property is ensured, and may be, for example, about 0.1 to 1.0 μm. In particular, since the first insulating film 31 is also used as an etching stop layer when the cavity 21 is formed in the substrate 20, the first insulating film 31 may have a thickness suitable for performing the function.
第１〜第３の絶縁膜３１〜３３の材料としては、互いに同じ材料を用いることが望ましい。ヒータ５０は、数十度から数百度にまで上昇し、次に常温へ下がるという激しい熱変化を繰り返し生じるため、第１〜第３の絶縁膜３１〜３３にも強い熱ストレスがかかり、この熱ストレスを継続的に受けると層間剥離やクラックといった破壊につながる。しかしながら、第１〜第３の絶縁膜３１〜３３を互いに同じ材料によって構成すれば、これらの材料特性が同じであり、且つ、密着性が強固であることから、異種材料を用いた場合と比べて、層間剥離やクラックといった破壊が生じにくくなる。 As materials for the first to third insulating films 31 to 33, it is desirable to use the same materials. Since the heater 50 repeatedly undergoes a violent thermal change that rises from several tens of degrees to several hundred degrees and then falls to room temperature, the first to third insulating films 31 to 33 are also subjected to strong thermal stress, and this heat Continuing stress can lead to delamination and cracking. However, if the first to third insulating films 31 to 33 are made of the same material, the material characteristics are the same and the adhesiveness is strong. Thus, destruction such as delamination and cracks is less likely to occur.
第１の絶縁膜３１の上面には感温抵抗素子としてサーミスタ膜４０が形成され、サーミスタ膜４０の上面には一対の検知電極４１，４２が形成される。これらサーミスタ膜４０及び検知電極４１，４２は、第２の絶縁膜３２によって覆われている。 A thermistor film 40 is formed on the upper surface of the first insulating film 31 as a temperature sensitive resistance element, and a pair of detection electrodes 41 and 42 are formed on the upper surface of the thermistor film 40. The thermistor film 40 and the detection electrodes 41 and 42 are covered with a second insulating film 32.
サーミスタ膜４０は、複合金属酸化物、アモルファスシリコン、ポリシリコン、ゲルマニウムなどの負の抵抗温度係数を持つ材料からなり、スパッタ法、ＣＶＤなどの薄膜プロセスを用いて形成することができる。サーミスタ膜４０の膜厚は、目標とする抵抗値に応じて調整すればよく、例えばＭｎＮｉＣｏ系酸化物を用いて室温での抵抗値（Ｒ２５）を１４０ｋΩ程度に設定するのであれば、一対の検知電極４１，４２間の距離にもよるが０．２〜１μｍ程度の膜厚に設定すればよい。ここで、感温抵抗素子としてサーミスタ膜４０を用いているのは、また、白金測温体などに比べて抵抗温度係数が大きいことから、大きな検出感度を得ることができるためである。また、薄膜構造であることから、ヒータ５０の発熱を効率よく検出することも可能となる。サーミスタ膜４０を構成する材料は、酸化シリコンや窒化シリコンとの密着性が高いため、サーミスタ膜４０と第１の絶縁膜３１との間に密着層などを設ける必要はなく、第１の絶縁膜３１上にサーミスタ膜４０を直接形成することができる。 The thermistor film 40 is made of a material having a negative resistance temperature coefficient such as composite metal oxide, amorphous silicon, polysilicon, germanium, etc., and can be formed using a thin film process such as sputtering or CVD. The film thickness of the thermistor film 40 may be adjusted according to the target resistance value. For example, if the resistance value (R25) at room temperature is set to about 140 kΩ using a MnNiCo-based oxide, a pair of detections are performed. Depending on the distance between the electrodes 41 and 42, the film thickness may be set to about 0.2 to 1 μm. Here, the thermistor film 40 is used as the temperature-sensitive resistance element because the resistance temperature coefficient is larger than that of a platinum temperature sensor or the like, and thus a large detection sensitivity can be obtained. Further, since it has a thin film structure, it is possible to efficiently detect the heat generated by the heater 50. Since the material constituting the thermistor film 40 has high adhesion to silicon oxide or silicon nitride, it is not necessary to provide an adhesion layer or the like between the thermistor film 40 and the first insulating film 31, and the first insulating film The thermistor film 40 can be formed directly on the film 31.
検知電極４１，４２は所定の間隔を持った一対の電極であり、両者はサーミスタ膜４０を介して電気的に接続される。これにより、一対の検知電極４１，４２間における抵抗値は、サーミスタ膜４０の抵抗値によって決まる。検知電極４１，４２の材料としては、第２の絶縁膜３２の成膜工程および熱処理工程などのプロセスに耐えうる導電性物質であって、比較的高融点の材料、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム(Ｐｄ)、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。 The detection electrodes 41 and 42 are a pair of electrodes having a predetermined interval, and both are electrically connected via the thermistor film 40. Thereby, the resistance value between the pair of detection electrodes 41 and 42 is determined by the resistance value of the thermistor film 40. The material of the detection electrodes 41 and 42 is a conductive substance that can withstand processes such as a film formation process and a heat treatment process of the second insulating film 32 and has a relatively high melting point, such as molybdenum (Mo), Platinum (Pt), gold (Au), tungsten (W), tantalum (Ta), palladium (Pd), iridium (Ir), or an alloy containing any two or more thereof is suitable.
検知電極４１，４２の上面には、第２の絶縁膜３２に対する密着性を向上させるために、チタン（Ｔｉ）などからなる密着層４９が形成されている。これに対し、検知電極４１，４２の下面には密着層は設けられておらず、したがって、検知電極４１，４２とサーミスタ膜４０は直接接触する。検知電極４１，４２は、第２及び第３の絶縁膜３２，３３を貫通して設けられた電極パターン６１，６２にそれぞれ接続される。 An adhesion layer 49 made of titanium (Ti) or the like is formed on the upper surfaces of the detection electrodes 41 and 42 in order to improve adhesion to the second insulating film 32. On the other hand, the adhesion layer is not provided on the lower surfaces of the detection electrodes 41 and 42, and therefore the detection electrodes 41 and 42 and the thermistor film 40 are in direct contact. The detection electrodes 41 and 42 are respectively connected to electrode patterns 61 and 62 provided through the second and third insulating films 32 and 33.
図２は、サーミスタ膜４０と検知電極４１，４２の形状を説明するための平面図である。尚、図２に示すＡ−Ａ線に沿った断面が図１に相当する。 FIG. 2 is a plan view for explaining the shapes of the thermistor film 40 and the detection electrodes 41 and 42. Note that a cross section taken along line AA shown in FIG. 2 corresponds to FIG.
図２に示すように、サーミスタ膜４０は、基板２０の略中央部に設けられた矩形の主領域４０ａと、主領域４０ａの互いに対向する角部に設けられた第１及び第２の拡大領域４０ｂ、４０ｃを有している。検知電極４１は、サーミスタ膜４０の主領域４０ａ及び第１の拡大領域４０ｂに形成されている。一方、検知電極４２は、サーミスタ膜４０の主領域４０ａ及び第２の拡大領域４０ｃに形成されている。検知電極４１，４２のうち、サーミスタ膜４０の主領域４０ａに形成された部分はライン状であり、所定の間隔をもって対向している。一方、検知電極４１，４２のうち、サーミスタ膜４０のそれぞれ第１及び第２の拡大領域４０ｂ、４０ｃに形成された部分は、ライン状の部分よりも幅が拡大されたパッド形状を有しており、この部分においてそれぞれ電極パターン６１，６２に接続される。 As shown in FIG. 2, the thermistor film 40 includes a rectangular main region 40a provided at a substantially central portion of the substrate 20 and first and second enlarged regions provided at opposite corners of the main region 40a. 40b and 40c. The detection electrode 41 is formed in the main region 40a and the first enlarged region 40b of the thermistor film 40. On the other hand, the detection electrode 42 is formed in the main region 40 a and the second enlarged region 40 c of the thermistor film 40. Of the detection electrodes 41 and 42, the portion formed in the main region 40a of the thermistor film 40 has a line shape and is opposed to the detection electrode 41 and 42 with a predetermined interval. On the other hand, of the detection electrodes 41 and 42, the portions of the thermistor film 40 formed in the first and second enlarged regions 40b and 40c have a pad shape whose width is larger than that of the line-shaped portion. This portion is connected to the electrode patterns 61 and 62, respectively.
本実施形態では、検知電極４１，４２の全ての部分がサーミスタ膜４０上に形成されており、検知電極４１，４２と第１の絶縁膜３１が接する部分がない。つまり、検知電極４１，４２と第１の絶縁膜３１は、サーミスタ膜４０によって完全に隔離されている。このため、検知電極４１，４２の下面に密着層などを形成する必要がない。いわば、サーミスタ膜４０が第１の絶縁膜３１と検知電極４１，４２との間の密着層を兼ねていると言える。 In the present embodiment, all the detection electrodes 41 and 42 are formed on the thermistor film 40, and there is no portion where the detection electrodes 41 and 42 are in contact with the first insulating film 31. That is, the detection electrodes 41 and 42 and the first insulating film 31 are completely isolated by the thermistor film 40. For this reason, it is not necessary to form an adhesion layer or the like on the lower surfaces of the detection electrodes 41 and 42. In other words, it can be said that the thermistor film 40 also serves as an adhesion layer between the first insulating film 31 and the detection electrodes 41 and 42.
第１の絶縁膜３１上には、サーミスタ膜４０及び検知電極４１，４２を覆う第２の絶縁膜３２が形成されている。上述の通り、検知電極４１，４２の上面にはチタン（Ｔｉ）などからなる密着層４９が形成されているが、この密着層４９はサーミスタ膜４０と接しないため、密着層４９を構成する金属がサーミスタ膜４０に拡散することはない。また、サーミスタ膜４０及び検知電極４１，４２は、いずれも膜厚を厚く設計する必要がないことから、これらを覆う第２の絶縁膜３２の上面は、十分な平坦性が保たれる。 A second insulating film 32 that covers the thermistor film 40 and the detection electrodes 41, 42 is formed on the first insulating film 31. As described above, the adhesion layer 49 made of titanium (Ti) or the like is formed on the upper surfaces of the detection electrodes 41 and 42. Since the adhesion layer 49 does not contact the thermistor film 40, the metal constituting the adhesion layer 49 is formed. Does not diffuse into the thermistor film 40. Further, since it is not necessary to design the thermistor film 40 and the detection electrodes 41 and 42 to be thick, the upper surface of the second insulating film 32 covering them is kept sufficiently flat.
第２の絶縁膜３２の膜厚は、サーミスタ膜４０及び検知電極４１，４２を確実に覆うことができる膜厚であれば特に限定されず、例えば０．１〜３．０μｍ程度とすればよい。尚、サーミスタ膜４０と還元性を持つ材料を接触させて高温状態にすると、サーミスタ膜４０から酸素を奪って還元を引き起こし、サーミスタ特性に影響を与えてしまう。これを防止するためには、第２の絶縁膜３２の材料としては、酸化シリコン等の還元性を持たない絶縁性酸化膜材料を用いることが望ましい。 The film thickness of the second insulating film 32 is not particularly limited as long as it can reliably cover the thermistor film 40 and the detection electrodes 41 and 42, and may be, for example, about 0.1 to 3.0 μm. . When the thermistor film 40 and a reducing material are brought into contact with each other and brought to a high temperature state, oxygen is taken from the thermistor film 40 to cause reduction, thereby affecting the thermistor characteristics. In order to prevent this, it is desirable to use an insulating oxide film material having no reducing property such as silicon oxide as the material of the second insulating film 32.
第２の絶縁膜３２上には、ヒータ５０が形成される。ヒータ５０は、温度によって抵抗率が変化する導電性物質からなり、比較的高融点の材料からなる金属材料、例えば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）又はこれら何れか２種以上を含む合金などが好適である。また、イオンミリングなどの高精度なドライエッチングが可能である導電材質であることが好ましく、特に、耐腐食性が高い白金（Ｐｔ）を主成分とすることがより好適である。また、第２及び第３の絶縁膜３２，３３との密着性を向上させるために、ヒータ５０の下面及び上面にチタン（Ｔｉ）などの密着層５１，５２が形成されている。 A heater 50 is formed on the second insulating film 32. The heater 50 is made of a conductive material whose resistivity changes with temperature, and is a metal material made of a relatively high melting point material such as molybdenum (Mo), platinum (Pt), gold (Au), tungsten (W), Tantalum (Ta), palladium (Pd), iridium (Ir), or an alloy containing any two or more thereof is preferable. Moreover, it is preferable that the conductive material be capable of high-precision dry etching such as ion milling, and it is more preferable that platinum (Pt) having high corrosion resistance is the main component. Further, in order to improve the adhesion with the second and third insulating films 32 and 33, adhesion layers 51 and 52 such as titanium (Ti) are formed on the lower surface and the upper surface of the heater 50.
ヒータ５０は、膜厚が薄いと電気抵抗の経時変化が大きくなるという現象が発生するため、経時変化を抑えるためには、ある程度大きな膜厚が必要である。そして、本実施形態においては、ヒータ５０の上層にサーミスタ膜４０や検知電極４１，４２を形成する必要がないことから、ヒータ５０の膜厚を任意の膜厚まで厚くすることができる。 The heater 50 has a phenomenon that when the film thickness is thin, the change in electrical resistance with time increases, so that a certain degree of film thickness is necessary to suppress the change with time. In the present embodiment, since it is not necessary to form the thermistor film 40 and the detection electrodes 41 and 42 in the upper layer of the heater 50, the thickness of the heater 50 can be increased to an arbitrary thickness.
第２の絶縁膜３１上には、ヒータ５０を覆う第３の絶縁膜３３が形成されている。ここで、ヒータ５０の膜厚を十分に厚く設計した場合、第３の絶縁膜３３の上面には大きな凹凸が形成されるが、本実施形態においては第３の絶縁膜３３上にパターニングが必要な他の素子を形成する必要がないことから、第３の絶縁膜３３の上面が大きな凹凸面を構成していても問題がない。 A third insulating film 33 that covers the heater 50 is formed on the second insulating film 31. Here, when the thickness of the heater 50 is designed to be sufficiently thick, large irregularities are formed on the upper surface of the third insulating film 33, but in this embodiment, patterning is required on the third insulating film 33. Therefore, there is no problem even if the upper surface of the third insulating film 33 forms a large uneven surface.
電極パターン６１，６２はメンブレンの外に配置され、第２及び第３の絶縁膜３２、３３を貫通して、それぞれ検知電極４１，４２に接続される。電極パターン６１，６２の材料としては、アルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）などの金属材料が用いられる。必要に応じて積層膜を用いても構わない。電極パターン６１，６２は、図示しないボンディングワイヤなどを介して外部回路と電気的に接続される。 The electrode patterns 61 and 62 are disposed outside the membrane, pass through the second and third insulating films 32 and 33, and are connected to the detection electrodes 41 and 42, respectively. As a material for the electrode patterns 61 and 62, a metal material such as aluminum (Al) or gold (Au) is used. A laminated film may be used as necessary. The electrode patterns 61 and 62 are electrically connected to an external circuit via a bonding wire (not shown).
以上が本実施形態によるガスセンサ１０Ａの構成である。本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、上述の通り、検出対象となるガスと空気の熱伝導率差を利用してガス濃度を検出する。測定対象ガスの種類としては、空気との熱伝導率に差があれば特に限定されないが、空気との熱伝導率に差が大きいＣＯ２を測定対象ガスとすることが好ましい。ＣＯ２は空気に比べて熱伝導率が非常に低いため、ＣＯ２の濃度が高くなるほど、ヒータ５０の放熱性が低下し、サーミスタ膜４０の温度が上昇する。サーミスタ膜４０の温度変化は、一対の検知電極４１，４２間における抵抗値の変化となって現れるため、これを検出することによってＣＯ２の濃度を測定することが可能となる。 The above is the configuration of the gas sensor 10A according to the present embodiment. As described above, the gas sensor 10A according to the present embodiment detects the gas concentration using the difference in thermal conductivity between the gas to be detected and air. The type of measurement target gas is not particularly limited as long as there is a difference in thermal conductivity with air, but CO 2 having a large difference in thermal conductivity with air is preferably used as the measurement target gas. Since CO 2 has a much lower thermal conductivity than air, the higher the CO 2 concentration, the lower the heat dissipation of the heater 50 and the higher the temperature of the thermistor film 40. Since the temperature change of the thermistor film 40 appears as a change in resistance value between the pair of detection electrodes 41 and 42, the CO 2 concentration can be measured by detecting this change.
そして、本実施形態によるガスセンサ１０Ａは、サーミスタ膜４０及び検知電極４１，４２上にヒータ５０を形成していることから、ヒータ５０の膜厚を十分に厚く設計した場合であっても、サーミスタ膜４０及び検知電極４１，４２のパターニングに影響を及ぼすことがない。しかも、検知電極４１，４２をサーミスタ膜４０の上面に形成していることから、検知電極４１，４２の下面に密着層を形成する必要がない。このため、密着層を構成するチタン（Ｔｉ）などの材料がサーミスタ膜４０に拡散することもない。 In the gas sensor 10A according to the present embodiment, the heater 50 is formed on the thermistor film 40 and the detection electrodes 41, 42. Therefore, even if the heater 50 is designed to be sufficiently thick, the thermistor film 40 and the patterning of the detection electrodes 41 and 42 are not affected. In addition, since the detection electrodes 41 and 42 are formed on the upper surface of the thermistor film 40, it is not necessary to form an adhesion layer on the lower surface of the detection electrodes 41 and 42. For this reason, materials such as titanium (Ti) constituting the adhesion layer do not diffuse into the thermistor film 40.
これにより、ヒータ５０の経時変化や、サーミスタ膜４０の温度特性の変化を防止することが可能となる。 As a result, it is possible to prevent changes in the heater 50 over time and changes in the temperature characteristics of the thermistor film 40.
＜第２の実施形態＞
図３は、本発明の第２の実施形態によるガスセンサ１０Ｂの構成を説明するための断面図である。
<Second Embodiment>
FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining the configuration of a gas sensor 10B according to the second embodiment of the present invention.
本実施形態によるガスセンサ１０Ｂは、検出対象となる可燃性ガスの触媒反応に基づいてガス濃度を検出する接触燃焼式のガスセンサであり、第３の絶縁膜３３の上面に触媒層７０が設けられている点において、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと相違している。その他の構成は、第１の実施形態によるガスセンサ１０Ａと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。 The gas sensor 10 </ b> B according to the present embodiment is a catalytic combustion type gas sensor that detects a gas concentration based on a catalytic reaction of a combustible gas to be detected, and a catalyst layer 70 is provided on the upper surface of the third insulating film 33. Is different from the gas sensor 10A according to the first embodiment. Since other configurations are the same as those of the gas sensor 10A according to the first embodiment, the same elements are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted.
触媒層７０は、γアルミナ等からなる多孔質セラミックに白金（Ｐｔ）を担持させたものを、バインダーとともにペースト状にして、塗布・焼成を行ったものを用いることができる。尚、担持させる材料としては、金（Ａｕ）、パラジウム（Ｐｄ）又はロジウム（Ｒｈ）などであっても構わない。或いは、これら貴金属の多孔質体を触媒層７０として用いても構わない。 As the catalyst layer 70, a porous ceramic made of γ-alumina or the like and platinum (Pt) supported thereon may be pasted together with a binder and applied and fired. The material to be supported may be gold (Au), palladium (Pd), rhodium (Rh), or the like. Alternatively, these noble metal porous bodies may be used as the catalyst layer 70.
触媒層７０は、ヒータ５０によって所定の温度に加熱されると、測定対象ガスである例えばＣＯガスと雰囲気中のＯ２ガスの反応（燃焼）を促進させ、ＣＯ２ガスに変化させる。その際に生じる反応熱はサーミスタ膜４０に伝導し、その抵抗値を変化させる。これにより、検出対象となる可燃性ガスの濃度を測定することができる。検出対象となる可燃性ガスとしては、Ｈ２（水素）ガスやメタンガスであっても構わない。 When the catalyst layer 70 is heated to a predetermined temperature by the heater 50, the catalyst layer 70 promotes the reaction (combustion) of, for example, CO gas that is a measurement target gas and O 2 gas in the atmosphere, and changes the CO 2 gas to CO 2 gas. The reaction heat generated at that time is conducted to the thermistor film 40 and changes its resistance value. Thereby, the density | concentration of the combustible gas used as detection object can be measured. The combustible gas to be detected may be H 2 (hydrogen) gas or methane gas.
図４は、本実施形態によるガスセンサ１０Ｂの応答特性を示すグラフである。 FIG. 4 is a graph showing the response characteristics of the gas sensor 10B according to the present embodiment.
図４に示すグラフは、ヒータ５０を３００℃で加熱した状態で、測定開始から４００ｓ〜１３００ｓの期間に５００ｐｐｍの一酸化炭素（ＣＯ）を空気に混入した例を示している。この場合、測定開始から４００ｓで出力が急速に立ち上がり、測定開始から１３００ｓで出力が急速に立ち下がる波形が得られ、出力感度は１０．３μＶ／ｐｐｍであった。 The graph shown in FIG. 4 shows an example in which 500 ppm of carbon monoxide (CO) is mixed into the air during a period of 400 s to 1300 s from the start of measurement in a state where the heater 50 is heated at 300 ° C. In this case, a waveform was obtained in which the output rapidly rose at 400 s from the start of measurement, and the output rapidly dropped at 1300 s from the start of measurement, and the output sensitivity was 10.3 μV / ppm.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention. Needless to say, it is included in the range.
１０Ａ，１０Ｂ ガスセンサ
２０ 基板
２１ キャビティ
３１ 第１の絶縁膜
３２ 第２の絶縁膜
３３ 第３の絶縁膜
４０ サーミスタ膜
４０ａ 主領域
４０ｂ，４０ｃ 拡大領域
４１，４２ 検知電極
４９ 密着層
５０ ヒータ
５１，５２ 密着層
６１，６２ 電極パターン
７０ 触媒層
10A, 10B Gas sensor 20 Substrate 21 Cavity 31 First insulating film 32 Second insulating film 33 Third insulating film 40 Thermistor film 40a Main regions 40b, 40c Enlarged regions 41, 42 Detection electrode 49 Adhesion layer 50 Heaters 51, 52 Adhesion layers 61, 62 Electrode pattern 70 Catalyst layer
Claims (3)
前記基板上に形成された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜上に形成されたサーミスタ膜と、
前記サーミスタ膜上に形成された検知電極と、
前記サーミスタ膜および前記検知電極を覆う第２の絶縁膜と、
前記第２の絶縁膜上に形成されたヒータと、を備え、
前記検知電極と前記第１の絶縁膜は、前記サーミスタ膜によって隔離されていることを特徴とするガスセンサ。 A substrate,
A first insulating film formed on the substrate;
A thermistor film formed on the first insulating film;
A sensing electrode formed on the thermistor film;
A second insulating film covering the thermistor film and the detection electrode;
A heater formed on the second insulating film,
The gas sensor, wherein the detection electrode and the first insulating film are separated by the thermistor film.
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