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KR101745985B1 - 접촉 연소식 가스센서 - Google Patents

접촉 연소식 가스센서 Download PDF

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KR101745985B1
KR101745985B1 KR1020150119572A KR20150119572A KR101745985B1 KR 101745985 B1 KR101745985 B1 KR 101745985B1 KR 1020150119572 A KR1020150119572 A KR 1020150119572A KR 20150119572 A KR20150119572 A KR 20150119572A KR 101745985 B1 KR101745985 B1 KR 101745985B1
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KR
South Korea
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film
gas
heat insulating
heater
cracking
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KR1020150119572A
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아츠오 핫토리
Original Assignee
야마하 파인 테크 가부시키가이샤
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Publication date
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Abstract

가연성 가스를 검출하는 접촉 연소식 가스센서는 단열부와, 단열부 상에 형성된 히터와, 단열부 상에 있어서 히터 상에 형성되고 가연성 가스의 연소 촉매를 담지한 담체를 포함하는 가스 반응막과, 단열부 상에 있어서 가스 반응막의 근방에 형성된 측온소자와, 단열부 상에 형성되고 단열부와 가스 반응막 사이에 배치된 균열부를 갖고 있다. 이 균열부는 균열부에 전달된 열을 균열부 전체에 분산시키도록 구성되어 있다.

Description

접촉 연소식 가스센서{CATALYTIC COMBUSTION TYPE GAS SENSOR}
본 발명은 가연성 가스를 검출하는 접촉 연소식 가스센서에 관한 것으로, 특히 접촉 연소식 가스센서에 있어서 가연성 가스의 검출 감도를 보다 높게 하는 기술에 관한 것이다.
본원은 2014년 9월 16일에 일본에 출원된 일본 특허출원 2014-187772호에 의거해서 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.
종래부터 수소 등의 가연성 가스를 검출하는 가스센서로서 촉매를 이용하여 가연성 가스를 연소시키고, 연소열에 의한 촉매온도의 상승을 전기적으로 검출하는 접촉 연소식 가스센서가 사용되고 있다. 이러한 접촉 연소식 가스센서에 있어서도 각종 센서와 마찬가지로 검출 감도를 보다 높게 하는 것이 항상 요구되고 있으며, 여러가지 방법에 의해 고감도화가 꾀해지고 있다. 예를 들면 일본국 특허공개 2001-99801호 공보에서는 저농도의 가연성 가스나 감도가 낮은 가연성 가스에 대해서 가스 검출 감도를 높이기 위해서 가연성 가스의 연소에 대해서 촉매로서 작용하는 촉매층(가스 검출막)의 근방에 가연성 가스의 연소를 촉진시키기 위한 히터를 형성하는 것이 제안되어 있다.
그러나, 가스 검출막을 히터로 가열할 경우, 히터에서 발생한 열이 균일하게 가스 검출막에 전달되지 않아 가스 검출막에 온도 불균일이 생길 가능성이 있다. 또한 가스 검출막 자체의 촉매입자의 분포나 막두께가 불균일해지면 가연성 가스의 연소에 의한 발열량이 불균일해지며, 가스 반응막에 온도 불균일이 생길 가능성이 있다. 일반적으로, 가연성 가스를 연소시키는 연소 촉매의 활성은 온도에 강하게 의존하므로, 온도 불균일이 발생해서 저온의 영역이 생기면 그 영역에서는 촉매연소량이 크게 저하된다. 그 때문에 온도 불균일이 발생하면 가스 반응막 전체에서의 가연성 가스의 촉매 연소량이 저하되어 가스의 검출 감도가 저하될 우려가 있다.
본 발명은 상술한 종래의 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것이며, 가연성 가스를 검출하는 접촉 연소식 가스센서에 있어서, 가연성 가스를 검출하기 위한 가스 반응막의 온도를 균일화하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 접촉 연소식 가스센서는 단열부와, 상기 단열부 상에 형성된 히터와, 상기 단열부 상에 있어서 상기 히터 상에 형성되고, 가연성 가스의 연소 촉매를 담지한 담체를 포함하는 가스 반응막과, 상기 단열부 상에 있어서 상기 가스 반응막의 근방에 형성된 측온소자와, 상기 단열부 상에 형성되고, 상기 단열부와 상기 가스 반응막 사이에 배치된 균열부를 구비하고, 상기 균열부는 상기 균열부에 전달된 열을 상기 균열부 전체에 분산시키도록 구성되어 있고, 상기 균열부는, 상기 가스 반응막의 하부에 형성된 상기 측온 소자의 적어도 일부와, 이 적어도 일부와 인접하도록, 또한 평면도에서 볼 때, 상기 가스 반응막의 둘레가장자리의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되는 균열막을 포함하고, 상기 측온 소자는 직렬 접속된 복수의 열전대에 의해 구성된다.
이 구성에 의하면, 히터나 가스 반응막에서 발생한 열이 균열부에 전달되어 균열부 전체에 분산된다. 그 때문에 히터에서 발생한 열이 보다 균일하게 가스 반응막에 전달됨과 아울러, 가스 반응막의 고온의 영역으로부터 저온의 영역에 균열부를 통해 열이 전달되므로, 가스 반응막의 온도가 균일화된다.
상기 균열부는 별개로 형성된 제1균열부와 제2균열부를 가져도 좋고, 상기 히터는 상기 제1균열부와 상기 제2균열부 사이에 배치되어도 좋다.
히터를 제1균열부와 제2균열부 사이에 배치함으로써, 히터에 있어서 발생한 열을 보다 균일에 분산시킬 수 있다. 그 때문에 히터에서 발생한 열을 보다 균일하게 가스 검출막에 전달할 수 있으므로, 가스 검출막의 온도를 보다 균일하게 하는 것이 가능해진다.
상기 측온소자는 서로 다른 재료로 형성된 제1열전소자와 제2열전소자를 포함하는 열전대를 자져도 좋고, 상기 균열부는 상기 제1열전소자와 동일한 재료로 형성되어도 좋다.
균열부를 제1열전소자와 동일한 재료로 형성함으로써, 제1열전소자와 균열부를 동시에 형성할 수 있다. 그 때문에 접촉 연소식 가스센서의 제조공정을 보다 간략화할 수 있다.
상기 균열부는 금속으로 형성되어도 좋다.
균열부를 금속으로 형성함으로써, 금속에 의해 형성되는 배선 등과 균열부를 동시에 형성할 수 있다. 그 때문에 접촉 연소식 가스센서의 제조공정을 보다 간략화할 수 있다.
상기 접촉 연소식 가스센서는 또한, 상기 히터와 상기 가스 반응막과 상기 측온소자와 상기 균열부를 갖는 가스 검출부와는 별개로 설치된 보상부를 구비해도 좋고, 상기 보상부는 상기 단열부 상에 형성된 보상부 히터와, 상기 단열부 상에 있어서 상기 보상부 히터 상에 형성되고 상기 가연성 가스의 연소 촉매를 담지하고 있지 않은 담체를 포함하는 참조막과, 상기 단열부 상에 있어서 상기 참조막의 근방에 형성된 보상부 측온소자와, 상기 단열부 상에 형성되고 상기 단열부와 상기 참조막 사이에 배치된 보상부 균열부를 가져도 좋고, 상기 보상부 균열부는 상기 보상부 균열부에 전달된 열을 상기 보상부 균열부 전체에 분산시키도록 구성되어도 좋다.
상기 접촉 연소식 가스센서에 가스 검출부와 마찬가지로 구성된 보상부를 설치함으로써, 외적 요인에 의한 가스 반응막의 온도의 변화를 보상할 수 있으므로, 가연성 가스의 검출 감도를 보다 높게 할 수 있다.
또, 본 발명은 여러가지 실시형태로 실현하는 것이 가능하다. 예를 들면 가스센서, 그 가스센서를 이용한 센서 모듈, 그 센서 모듈을 사용한 가연가스 검출장치 및 가연가스 검출 시스템, 이들 가스센서, 센서 모듈 및 가연가스 검출장치를 사용한 리크 테스트 장치나 리크 테스트 시스템 등의 실시형태로 실현할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 센서 모듈을 나타내는 단면도 및 평면도이다.2
도 2a 및 도 2b는 제조공정의 중간단계에 있어서 제조된 제1실시형태의 가스센서의 중간품을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a 및 도 2b에 나타내어진 제조공정 후의 공정에 있어서 제조된 제1실시형태의 가스센서의 중간품을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 도 3b에 나타내어진 제조공정 후의 공정에 있어서 제조된 제1실시형태의 가스센서의 중간품을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 도 4a 및 도 4b에 나타내어진 제1실시형태의 가스센서의 중간품에 형성되는 균열막의 형성 패턴의 예를 나타내는 평면도이다.
도 6a 및 도 6b는 도 4a 및 도 4b에 나타내어진 제조공정 후의 공정에 있어서 제조된 제1실시형태의 가스센서를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 제조공정의 중간단계에 있어서 제조된 본 발명의 제2실시형태의 가스센서의 중간품을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 8a 및 도 8b는 도 7a 및 도 7b에 나타내어진 제조공정 후의 공정에 있어서 제조된 제2실시형태의 가스센서의 중간품을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 9a 및 도 9b는 도 8a 및 도 8b에 나타내어진 제조공정 후의 공정에 있어서 제조된 제2실시형태의 가스센서의 중간품을 나타내는 평면도 및 단면도이다.
도 10a 및 도 10b는 도 9a 및 도 9b에 나타내어진 제조공정 후의 공정에 있어서 제조된 제2실시형태의 가스센서를 나타내는 평면도 및 단면도이다.
A.제1실시형태:
A1.센서 모듈:
도 1a 및 도 1b는 본 발명의 제1실시형태에 있어서의 접촉 연소식 가스센서 모듈(10)(이하, 단지 「센서 모듈(10)」이라고도 부른다)의 구성을 나타내는 설명도이다. 도 1a는 센서 모듈(10)의 단면을 나타내고 있다. 제1실시형태의 센서 모듈(10)에서는 센서칩(100)이 케이스(11)와 캡(12)으로 이루어지는 패키지(19)내에 실장되어 있다. 캡(12)은 예를 들면 스테인레스강이나 진유 등의 소결 금속, 스테인레스강 등으로 이루어지는 철망, 또는 다공질 세라믹스로 형성되어 있다. 이에 따라 패키지(19) 내외의 통기성이 확보됨과 아울러, 센서칩(100)의 오염이 억제되고, 또한 센서 모듈(10) 자체의 방폭화가 꾀해지고 있다. 센서칩(100)은 공동부(119)가 형성된 기판(110)이 다이본드재(15)에 의해 케이스(11)에 접착됨으로써 케이스(11)에 고정되어 있다.
도 1b는 케이스(11)에 고정된 센서칩(100)을 상면으로부터 본 모양을 나타내고 있다. 도 1b에 있어서의 1점쇄선(A)은 도 1a에서 나타낸 단면의 위치를 나타내는 절단선이다. 또한 1점쇄선(C1,C2)은 센서칩(100)의 중심위치를 나타내는 중심선이다. 도 1b에 나타낸 바와 같이 센서칩(100)의 상면에는 도전막이 노출된 본딩 패드(P11∼P15)가 형성되어 있다. 이 본딩 패드(P11∼P15)와, 케이스(11)의 외부전극(13)에 접속된 단자(14)를 와이어(16)로 접속함으로써, 센서칩(100)과 외부회로의 접속이 가능해지고 있다.
센서칩(100)의 상면에는 가연성 가스를 촉매연소시키기 위한 가스 반응막(191)과, 비교를 위한 참조막(192)이 형성되어 있다. 가연성 가스가 캡(12)을 투과해서 센서칩(100)에 도달하면 가스 반응막(191)에서는 가연성 가스가 촉매연소되어 가연성 가스의 농도에 따른 양의 열이 발생한다. 그 때문에 가스 반응막(191)은 가연성 가스의 농도에 따라 온도가 상승한다. 한편, 참조막(192)은 촉매연소에 의한 온도상승이 발생하지 않는다. 상세에 대해서는 후술하지만, 센서칩(100)은 가스 반응막(191)과 참조막(192)의 각각의 온도를 나타내는 신호를 출력한다. 이들의 출력 신호에 의거하여 가연성 가스의 촉매연소에 의해 온도상승하는 가스 반응막(191)과, 가연성 가스에 의한 온도상승이 없는 참조막(192)의 온도차를 구함으로써 분위기중의 가연성 가스의 농도를 측정할 수 있다. 또, 이렇게, 센서칩(100)은 센서 모듈(10)에 있어서 가스를 검출하는 기능을 담당하고 있으므로, 가스센서 자체인 것이라고 할 수 있다. 그 때문에 이하에서는 센서칩(100)을 단지 「가스센서(100)」라고 부른다.
도 1b에 나타내듯이, 가스센서(100)는 가로방향으로 연장되는 중심선(C1)에 대해서 대칭으로 형성되어 있고, 또한 세로방향으로 연장되는 중심선(C2)에 대해서 대략 대칭으로 형성되어 있다. 그 때문에 이하에서는 필요성이 없는 한, 이렇게 대칭성을 갖는 부분에 대해서는 그 1개에 대해서만 설명한다. 또한 중심선(C1)보다 가스 반응막(191)측의 부분은 가스 반응막(191)의 온도를 나타내는 신호, 즉, 분위기중의 가연성 가스의 농도에 따른 신호를 출력하도록 구성되어 있고, 중심선(C1)보다 참조막(192)측의 부분은 외적 요인에 의한 가스 반응막(191)의 온도변화를 보상하기 위한 신호를 출력한다. 그 때문에 가스 반응막(191)측의 부분은 가스를 검출하는 가스 검출부라고도 할 수 있고, 참조막(192)측의 부분은 외적 요인에 의한 출력 변동을 보상하는 보상부라고도 할 수 있다. 이렇게, 가스센서(100)는 가스 검출부와 보상부가 대략 대칭으로 형성되어 있으므로, 환경온도의 변화 등의 외적 요인에 의한 출력 변동을 높은 정밀도로 보상할 수 있다.
A2.가스센서의 제조공정:
도 1a에 나타내듯이, 가스센서(100)는 공동부(119)가 형성된 기판(110)과, 기판(110)의 상면에 형성된 절연막(120)을 갖고 있다. 절연막(120) 상에는 가스의 검출 기능을 실현하기 위한 구조(후술함)를 형성하는 복수의 막(기능막)이 적층되어 있다. 구체적으로는 절연막(120) 상에 반도체, 도전체 및 절연체 등을 성막하고, 필요에 따라 패터닝함으로써, 여러가지 기능막이 형성된다. 또, 이들 기능막은 반도체 디바이스의 제조 방법으로서 주지의 기술을 이용하여 형성할 수 있으므로, 각 기능막의 구체적인 형성 방법에 대해서는 설명을 생략한다. 또한 절연막(120) 및 절연막(120) 상에 적층되는 기능막은 가스센서의 제조공정이나 구조의 변경에 따라 적당하게 추가 또는 생략된다.
도 2a 및 도 2b는 가스센서(100)의 제조공정의 중간단계에 있어서의 중간품(중간체)(100a)의 형상을 나타내는 설명도이다. 도 2a는 중간품(100a)을 상면으로부터 본 모양을 나타내고 있고, 도 2b는 도 2a의 절단선(A)에 있어서의 중간품(100a)의 단면을 나타내고 있다. 가스센서(100)의 제조공정에서는 우선, 공동부(119)(도 1a)를 갖지 않는 실리콘(Si) 등의 기판(110a)을 준비한다. 이어서, 준비한 기판(110a)의 상면에 산화 규소(SiO2), 질화 규소(Si3N4) 및 SiO2를 이 순서로 성막함으로써, 절연막(120)을 형성한다. 또, 절연막(120)을 SiO2와 Si3N4의 다층막으로 하지 않고, 산질화 규소(SiON)의 단층막으로 하는 것도 가능하다. 또한 기판(110a)의 이면에 SiO2 및 Si3N4를 이 순서로 성막함으로써, 마스크막(102a)을 형성한다.
기판(110a)에 절연막(120)과 마스크막(102a)을 형성한 후, 기판(110a)에 성막된 절연막(120) 상에 n형 폴리실리콘을 성막함으로써, n형 반도체막(130)을 형성한다. 이 n형 반도체막(130)을 패터닝함으로써, 절연막(120) 상에 n형 열전소자(131)와, 히터(132)와, 히터(132)에 통전하기 위한 히터 배선(133,134)이 형성된 중간품(100a)이 얻어진다.
도 3a 및 도 3b는 도 2a 및 도 2b에 나타내어진 공정 후의 단계에 있어서의 중간품(중간체)(100b)의 형상을 나타내는 설명도이다. 도 3a는 중간품(100b)을 상면으로부터 본 모양을 나타내고 있고, 도 3b는 도 3a의 절단선(A)에 있어서의 중간품(100b)의 단면을 나타내고 있다. n형 반도체막(130)의 형성(도 2a 및 도 2b) 후, 중간품(100a) 상에 SiO2를 성막함으로써, 제1층간 절연막(140b)을 형성한다. 이어서, 제1층간 절연막(140b) 상에 p형 폴리실리콘을 성막함으로써, p형 반도체막(150)을 형성한다. 이 p형 반도체막(150)을 패터닝함으로써, 제1층간 절연막(140b) 상에 p형 열전소자(151)가 형성된 중간품(100b)이 얻어진다.
또, n형 반도체막(130) 및 p형 반도체막(150)의 적어도 한쪽의 재료로서 폴리실리콘 대신에 철실리사이드(FeSi2), 실리콘·게르마늄(SiGe) 또는 비스무트·안티몬(BiSb) 등의 여러가지 반도체를 사용해도 좋다. 또한 제1실시형태에서는 절연막(120) 상에 n형 반도체막(130)을 형성하고, 층간 절연막(140b) 상에 p형 반도체막(150)을 형성하고 있지만, 이들 반도체막의 도프형을 반대로 하는 것도 가능하다. 또한, 2개의 반도체막(130,150) 중 적어도 한쪽을 금속으로 이루어지는 도전막으로 치환하는 것도 가능하다. 단, 2개의 반도체막(130,150)의 쌍방을 도전막으로 치환하는 경우에는 2개의 도전막은 재질이 다른 금속으로 형성된다.
도 4a 및 도 4b는 도 3a 및 도 3b에 나타내어진 공정 후의 단계에 있어서의 중간품(100c)의 형상을 나타내는 설명도이다. 도 4a는 중간품(100c)을 상면으로부터 본 모양을 나타내고 있고, 도 4b는 도 4a의 절단선(A)에 있어서의 중간품(100c)의 단면을 나타내고 있다. p형 반도체막(150)의 형성(도 3a 및 도 3b) 후 중간품(100b) 상에 SiO2를 성막해서 제2층간 절연막(도면에는 나타내지 않는다)을 형성한다. 그리고, 제1층간 절연막(140b)과 제2층간 절연막을 합쳐서 패터닝한다. 이에 따라 개구부(컨택트홀)(H11∼H16)이 형성된 제1과 제2층간 절연막(140,160)이 형성된다. 컨택트홀(H12,H14,H15,H16)에 있어서는 n형 반도체막(130)이 노출되고, 컨택트홀(H11,H13)에 있어서는 p형 반도체막(150)이 노출된다.
제1과 제2층간 절연막(140,160)의 형성 후 백금(Pt)의 성막·패터닝을 행하여 도전막(170)을 형성한다. 이에 따라 도전막(170)이 형성된 중간품(100c)이 얻어진다. 또, 도전막(170)을 형성하는 재료로서 Pt 대신에 텅스텐(W), 탄탈(Ta), 금(Au), 알루미늄(Al) 또는 Al합금 등 합금을 포함하는 여러가지의 금속을 사용해도 좋다. 또한 도전막(170)의 적어도 한쪽의 면에 티타늄(Ti)이나 크롬(Cr)으로 이루어지는 밀착층을 형성해도 좋다.
전술한 바와 같이, 제1과 제2층간 절연막(140,160)에는 반도체막(130,150)이 노출된 컨택트홀(H11∼H16)이 형성되어 있다. 그 때문에 도전막(170)을 형성함으로써, n형 반도체막(130)과, p형 반도체막(150)과, 도전막(170)을 소정의 기능을 실현하도록 접속하는 배선 및 전극이 형성된다. 구체적으로는 온접점 접속선(171), 냉접점 접속선(172), 신호 출력 전극(173), 서모파일 접속선(174), 히터 통전 전극(175) 및 그라운드 배선(176)이 도전막(170)으로서 형성된다. 또한 이들 배선이나 전극과 동시에 온접점 접속선(171)의 근방에 균열막(177)이 형성된다.
온접점 접속선(171)은 상하로 적층된 n형 열전소자(131)와 p형 열전소자(151)를 접속하고, 가스 반응막(191)이나 참조막(192)(도 1a 및 도 1b)의 온도를 측정하기 위한 온접점을 형성한다. 냉접점 접속선(172)은 인접하는 n형 열전소자(131)와 p형 열전소자(151)를 접속하고, 온도측정의 기준이 되는 냉접점을 형성함과 아울러 n형 열전소자(131)와 p형 열전소자(151)로 구성되는 복수의 열전대를 직렬접속한다. 서모파일 접속선(174)은 열전대를 직렬접속한 서모파일을 더 직렬접속한다. 신호 출력 전극(173)은 직렬접속된 서모파일의 일단의 p형 열전소자(151)에 접속되어 있다. 한편, 직렬접속된 서모파일의 타단에 있는 n형 열전소자(131)는 그라운드 배선(176)에 접속되어 있다. 이에 따라 신호 출력 전극(173)에는 그라운드 배선(176)에 대해서 온접점과 냉접점의 온도차에 대응한 전압이 발생한다. 히터(132)에 접속되어 있는 2개의 히터 배선(133,134)은 각각 히터 통전 전극(175)과 그라운드 배선(176)에 접속되어 있고, 히터 통전 전극(175)과 그라운드 배선(176) 사이에 전압을 인가함으로써, 히터(132)에 통전할 수 있다. 또, 이렇게, 온접점 접속선(171)에 의해 형성되는 온접점은 가스 반응막(191)이나 참조막(192)의 온도를 측정하는 기능을 가지므로 측온소자라고도 할 수 있다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 균열막의 형성 패턴의 예를 나타내는 설명도이다. 도 5a는 제1실시형태에 있어서의 균열막(177)과 균열막(177)의 근방에 형성되는 온접점 접속선(171)의 형성 패턴을 나타내고, 도 5b 및 도 5c는 균열막(877,977)과, 균열막(877,977)의 근방에 형성되는 온접점 접속선(871,971)의 형성 패턴의 변형예를 나타내고 있다. 도 5a에 나타내듯이, 제1실시형태의 균열막(177)은 온접점 접속선(171)과의 사이에 좁은 간극(SP1)을 만들도록 형성되어 있다. 이렇게, 간극(SP1)이 좁아져 있기 때문에, 균열막(177)과 온접점 접속선(171) 사이에서는 열이 양호하게 전달된다. 균열막(177)과 온접점 접속선(171)은 모두 열전도도가 높은 도전막(170)으로서 형성되어 있으므로, 균열막(177)과 온접점 접속선(171)을 포함하는 영역에서는 열이 해당 영역의 전체에 분산되어져 온도가 균일화된다. 이렇게, 균열막(177)과 온접점 접속선(171)은 열을 분산시키고, 균열막(177)과 온접점 접속선(171)을 포함하는 영역의 온도를 균일화하므로, 합쳐서 「균열부」라고도 부를 수 있다.
도 5b의 예에서는 온접점 접속선(871)이 균열막(877)의 중심 방향으로 연장되어 있기 때문에, 균열막(877)과 온접점 접속선(871)을 포함하는 영역의 대부분에 있어서 도전막이 연속되어 있지 않다. 그러나, 도 5b의 경우에 있어서도, 균열막(877)과 온접점 접속선(871) 사이의 간극(SP8)이 좁아져 있기 때문에, 균열막(877)과 온접점 접속선(871) 사이의 열의 전달을 양호하게 할 수 있다. 그 때문에 온접점 접속선(871)이 형성되어 있는 영역에서는 균열막(877)을 통해 열이 전달되므로, 균열막(877)과 온접점 접속선(871)을 포함하는 영역에서는 열이 해당 영역의 전체에 분산되어져 온도가 균일화된다.
도 5c의 예에서는 인접하는 온접점 접속선(971) 사이에는 균열막(977)이 형성되어 있지 않다. 그 때문에 인접하는 온접점 접속선(971) 사이에서는 열은 양호하게 전달되지 않는다. 그러나, 도 5c의 경우에 있어서도, 균열막(977)은 온접점 접속선(971)의 인접 방향으로 연속되어 있고, 또한 균열막(977)과 온접점 접속선(971) 사이의 간극(SP9)은 인접 방향과 직교하는 방향에서 좁아져 있다. 그 때문에 인접하는 온접점 접속선(971)과의 사이에 있어서는 균열막(977)을 통해 충분히 양호하게 열이 전달되므로, 균열막(977)과 온접점 접속선(971)을 포함하는 영역에서는 열이 해당 영역의 전체에 분산되어져 온도가 균일화된다.
도 6a 및 도 6b는 도 4a 및 도 4b에 나타내는 단계 후, 공정을 더 진행시킴으로써 얻어지는 가스센서(100)의 형상을 나타내는 설명도이다. 도 6a는 가스센서(100)를 상면으로부터 본 모양을 나타내고 있고, 도 6b는 도 6a의 절단선(A)에 있어서의 가스센서(100)의 단면을 나타내고 있다. 도전막(170)의 형성(도 4a 및 도 4b) 후 중간품(100c) 상에 SiO2를 성막하고, 보호막(180)을 형성한다. 보호막(180)의 패터닝에 의해 개구부(181∼183)를 형성함으로써, 신호 출력 전극(173)이 노출된 본딩 패드(신호 출력 패드)(P11,P13)와, 히터 통전 전극(175)이 노출된 본딩 패드(히터 통전 패드)(P12,P14)와, 그라운드 배선(176)이 노출된 본딩 패드(그라운드 패드)(P15)가 형성된다.
보호막(180)을 형성한 후, 기판(110)에 형성되는 공동부(119)를 형성한다. 공동부(119)의 형성에 있어서는 우선, 마스크막(102a)에 개구부(109)를 형성한다. 이어서, 개구부(109)가 형성된 마스크막(102)을 마스크로 해서 기판(110a)을 에칭함으로써, 공동부(119)가 형성된다. 에칭은 예를 들면 수산화 테트라메틸암모늄(TMAH)이나 수산화칼륨(KOH)의 수용액을 사용한 결정 이방성 에칭에 의해 행할 수 있다. 또한 이러한 웨트 에칭 외에 소위 보시 프로세스 등의 드라이 에칭에 의해 공동부(119)를 형성하는 것으로 해도 좋다. 이렇게 공동부(119)를 형성함으로써, 절연막(120)이 이면측에 있어서 노출된 멤브레인(121)이 형성된다. 또, 이 멤브레인(121)은 도 6a 및 도 6b에서 알 수 있는 바와 같이, 공동부(119)를 걸치도록 형성되어 있다.
또, 도 6a 및 도 6b의 예에서는 기판을 하면측으로부터 에칭함으로써 공동부(119)를 형성하고 있지만, 공동부는 기판을 상면측으로부터 에칭해서 형성하는 것도 가능하다. 이 경우, 절연막(120)과, 제1및 제2층간 절연막(140,160)과, 보호막(180)에 관통구멍을 형성하고, 해당 관통구멍을 통해 기판을 에칭함으로써 공동부를 형성할 수 있다. 이렇게 기판을 상면측으로부터 에칭한 경우, 기판의 상면측으로부터의 가공만으로 가스센서를 제조할 수 있고, 또한 기판의 잔존부를 하면측으로부터 에칭한 경우보다 많게 할 수 있다. 그 때문에 가스센서의 제조공정을 간략화해서 수율을 보다 높게 할 수 있음과 아울러 에칭 후의 기판의 강도를 보다 높게 할 수 있는 점에서 기판을 상면측으로부터 에칭하는 것이 바람직하다. 한편, 기판의 하면측으로부터 에칭하는 쪽이 절연막(120)에 관통구멍을 형성하지 않고 공동부(119)를 형성할 수 있으므로, 멤브레인에 관통구멍이 형성되어서 강도가 저하되는 것을 억제하고, 멤브레인의 파손을 억제할 수 있는 점에서 바람직하다.
또한 공동부는 반드시 기판에 형성할 필요는 없다. 예를 들면 기판과 절연막 사이, 또는 절연막(120)과 n형 반도체막 및 제1층간 절연막 사이에 공동부를 형성하는 것도 가능하다. 이러한 기판 상의 공동부는 기판 또는 절연막(120) 상의 공동부를 형성하는 영역에 희생막을 형성한 후, 전술한 바와 같이 보호막까지의 각 기능막을 형성하고, 이어서 보호막 상면으로부터 희생막에 도달하는 관통구멍을 형성하고, 해당 관통구멍을 통해 희생막을 제거함으로써 형성할 수 있다. 희생막을 형성하는 재료로서는 폴리이미드 등의 수지나 폴리실리콘 등의 반도체를 사용할 수 있다. 수지로 이루어지는 희생막은 애싱에 의해 제거할 수 있고, 반도체로 이루어지는 희생막은 에칭에 의해 제거할 수 있다. 단, 희생막으로서 반도체를 사용할 경우에는 기판 또는 n형 반도체막의 에칭을 저지하기 위해서 기판, 또는 절연막(120) 및 희생막 상에 SiO2나 Si3N4 등으로 이루어지는 저지막이 형성된다. 이렇게, 기판 상에 공동부를 형성한 경우 기판을 에칭한 경우보다 기판의 강도를 보다 높게 할 수 있다. 한편, 가스센서의 제조공정을 보다 간략화할 수 있는 점에 있어서는 기판을 에칭하는 것이 바람직하다.
공동부(119)의 형성후, 보호막(180) 상에 가스 반응막(191) 및 참조막(192)을 형성한다. 구체적으로는 가스 반응막(191) 및 참조막(192)을 형성하는 영역에 각각 연소 촉매로서의 Pt 미립자를 담지시킨 알루미나 입자를 포함하는 페이스트와, 촉매를 담지시키고 있지 않은 알루미나 입자를 포함하는 페이스트를 도포한다. 페이스트의 도포는 디스펜서에 의한 도포기술이나 스크린 인쇄 기술을 이용하여 행할 수 있다. 페이스트를 도포한 후, 소성함으로써 가스 반응막(191) 및 참조막(192)이 형성된다. 이렇게, 보호막(180) 상에 가스 반응막(191)과 참조막(192)을 형성함으로써, 가스센서(100)가 얻어진다.
또, 가스 반응막(191)에 사용하는 연소 촉매로서 Pt 미립자 대신에 팔라듐(Pd) 미립자를 사용하는 것도 가능하다. 또한 참조막(192)의 비열을 가스 반응막(191)에 가깝게 하기 위해서 참조막(192)을 형성하기 위한 페이스트에 산화동(CuO) 등의 금속산화물을 섞어도 좋다. 또한, 참조막(192)에 포함되는 담체에 특정 가스에 대해서 선택적으로 촉매로서 작용하는 연소 촉매(예를 들면 Au의 초미립자)를 담지하는 것으로 해도 좋다. 이 경우에 있어서도, 해당 특정 가스 이외의 가연성 가스에 관해서는 참조막(192)의 담체에는 연소 촉매가 담지되어 있지 않다라고 할 수 있다.
도 6a 및 도 6b에서 알 수 있는 바와 같이, 제1실시형태의 가스센서(100)에 있어서는 온접점을 형성하는 온접점 접속선(171)과, 균열막(177)과, 가스 반응막(191) 및 참조막(192)과, 히터(132)가 모두 멤브레인(121) 상에 형성되어 있다. 한편, 냉접점을 형성하는 냉접점 접속선(172)은 기판(110)이 잔존하고 있는 영역(기판영역)에 형성되어 있다. 또한 가스센서(100)에서는 균열부인 온접점 접속선(171)과 균열막(177)이 히터(132)와, 가스 반응막(191) 및 참조막(192) 사이에 배치되어 있다. 그리고, 가스 반응막(191) 및 참조막(192)은 각각이 균열부의 내측에 수용되도록 균열부보다 작게 형성되어 있다.
또한 온접점 접속선(171)에 의해 형성되는 온접점은 가스 반응막(191)이나 참조막(192)의 아래에 형성되어 있고, 냉접점 접속선(172)에 의해 형성되는 냉접점은 공동부(119)가 형성되어 있지 않은 기판영역 상에 형성되어 있다. 단, 온접점은 반드시 가스 반응막(191)이나 참조막(192)의 아래에 형성될 필요는 없다. 일반적으로, 온접점은 가스 반응막(191)이나 참조막(192)의 근방에 형성되어 있으면 좋다. 이렇게 해도 가스 반응막(191)이나 참조막(192)의 온도를 측정할 수 있다.
A3.가스센서의 동작:
도 6a 및 도 6b에 나타내듯이, 온접점 접속선(171)은 가스 반응막(191)과 참조막(192)의 각각의 아래에 형성되어 있기 때문에, 온접점 접속선(171)의 온도는 가스 반응막(191)이나 참조막(192)의 온도와 대략 동일하게 된다. 한편, 도 1a 및 도 1b에 나타내듯이, 기판(110)은 다이본드재(15)에 의해 패키지(19)의 케이스(11)에 접착되어 있으므로, 기판영역에 배치된 냉접점 접속선(172)의 온도는 패키지(19)의 온도나 환경온도와 대략 동일하게 된다. 그 때문에 신호 출력 패드(P11,P13)에는 각각 환경온도를 기준으로 한 가스 반응막(191) 및 참조막(192)의 온도에 대응한 전압이 출력된다. 그리고, 2개의 신호 출력 패드(P11,P13)의 출력 전압의 차를 취함으로써, 환경온도 등의 외적 요인을 보상하고, 가스 반응막(191)과 참조막(192)의 온도차를 측정할 수 있다.
가스센서(100)를 동작시킬 때에는 그라운드 패드(P15)와 히터 통전 패드(P12,P14) 사이에 전압을 인가하고, 히터(132)를 발열시켜 가스 반응막(191)과 참조막(192)의 온도를 상승시킨다. 가스 반응막(191)에 있어서는 온도가 상승함으로써 연소 촉매가 활성화된다. 이에 따라 분위기중에 가연성 가스가 존재할 경우에는 가연성 가스가 촉매연소해서 발열하고, 가연성 가스의 농도에 따라 온도가 상승한다. 한편, 참조막(192)은 분위기중에 가연성 가스가 존재할 경우에 있어서도 발열하지 않는다. 그 때문에 가스 반응막(191)과 참조막(192)에는 가연성 가스의 농도에 따른 온도차가 생긴다. 이 가스 반응막(191)과 참조막(192)의 온도차를 전술한 바와 같이 측정함으로써, 분위기중의 가연성 가스의 농도를 측정할 수 있다.
히터(132)에서 발생시킨 열로 가스 반응막(191)과 참조막(192)의 온도를 상승시킬 때 히터(132)에서 발생한 열이 가스 반응막(191)이나 참조막(192)에 균일하게 전달되지 않으면, 가스 반응막(191)이나 참조막(192)에 온도 불균일이 생긴다. 또한 가스 반응막(191)에 있어서, 촉매입자의 분포나 막두께가 불균일해지면 가연성 가스의 연소에 의한 발열량이 불균일해지고, 가스 반응막(191)에 온도 불균일이 생긴다.
가스 반응막(191)이나 참조막(192)에 온도 불균일이 생기면 멤브레인(121)에 있어서의 온도분포의 대칭성이 무너지고, 참조막(192)을 갖는 보상부를 사용한 외적 요인의 보상을 충분히 높은 정밀도로 행할 수 없게 된다. 그 때문에 가연성 가스가 없는 경우의 2개의 신호 출력 패드(P11,P13)의 전압의 차(오프셋)가 증대하거나, 환경온도나 가스 유량 등에 의한 오프셋의 변화(드리프트)가 증대할 가능성이 있다. 그리고, 오프셋이나 드리프트가 증대하면 저농도의 가스 검출이 곤란해지고, 또한 가스 농도의 측정 재현성이 저하될 우려가 있다.
또한, 가스 반응막(191)에 온도 불균일이 생기면 가스 반응막(191)이 갖는 연소 촉매의 활성이 가스 반응막(191)내에서 변화되므로 가연성 가스의 검출 감도에 영향을 준다. 구체적으로는 연소 촉매의 활성은 온도의 저하에 따라 급격하게 저하되므로, 온도가 낮은 영역이 발생함으로써, 가스 반응막(191) 전체에서의 가연성 가스의 촉매 연소량이 저하되고, 가스의 검출 감도가 저하된다. 또한 특정 가스에 대해서 선택적으로 촉매로서 작용하는 연소 촉매를 사용했을 경우이어도 온도가 높은 영역에 있어서 촉매의 온도가 과도하게 상승하면 해당 특정 가스 이외의 가연성 가스에 대해서도 연소 촉매로서 작용해서 검출 가스의 선택성이 저하된다.
제1실시형태의 가스센서(100)에서는 히터(132)와, 가스 반응막(191) 및 참조막(192) 사이에 열전도도가 높은 균열부(즉, 균열막(177) 및 온접점 접속선(171))를 배치하고 있다. 그 때문에 히터(132)에서 생긴 열은 균열부에 있어서 균열부 전체에 분산된 후, 가스 반응막(191) 및 참조막(192)에 각각 균일하게 전달되므로, 가스 반응막(191) 및 참조막(192)에 있어서의 온도 불균일의 발생이 억제된다. 또한 가스 반응막(191)에서의 촉매연소에서 발생한 열도 균열부에 있어서 분산된다. 그 때문에 가스 반응막(191)에 있어서 가연성 가스의 연소에 의한 발열량이 불균일해지는 경우에 있어서도 가스 반응막(191)에 온도 불균일이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
이렇게, 제1실시형태의 가스센서(100)에 의하면, 가스 반응막(191) 및 참조막(192)에 있어서의 온도 불균일의 발생에 의한 오프셋의 증대나 드리프트의 증대가 억제되므로, 보다 높은 감도로 가연성 가스를 검출하는 것이 가능하게 됨과 아울러 가스 농도의 측정 재현성을 높게 할 수 있다. 또한 가스 반응막(191)에 있어서의 온도 불균일의 발생이 억제됨으로써, 가연성 가스의 검출 감도의 저하나, 선택성의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 제1실시형태에서는 균열부를 금속에 의해 형성하고 있기 때문에, 금속(도전체)에 의해 형성되는 가스센서(100)의 각 부의 배선과 동시에 형성할 수 있다. 그 때문에 균열부를 형성하기 위한 공정을 별개로 설치할 필요가 없어지므로, 균열부를 갖는 가스센서(100)의 제조공정을 보다 간단하게 할 수 있다. 또한 일반적으로, 금속으로 이루어지는 도전막(170)은 멤브레인(121)보다 높은 인성을 갖고 있으므로, 균열부를 형성함으로써, 제조공정이나 완성 후의 가스센서(100)의 파손이 억제된다.
또한, 온접점을 형성하는 온접점 접속선(171)과, 균열부(즉 온접점 접속선(171)과 균열막(177))의 외형의 대부분을 결정하고 있는 균열막(177)은 포토리소그래피 등의 반도체 제조공정에서 이용되는 패터닝 기술에 의해 형성되므로, 균열부에 대한 온접점의 위치의 정밀도를 높게 할 수 있다. 그리고, 가스 반응막(191)에서 발생한 열은 균열부에서 분산된 후, 온접점에 전달되므로, 가스 반응막(191)의 형성 위치에 불균일이 있는 경우에 있어서도 복수의 온접점의 각각에 전달되는 열의 불균일이 억제된다. 그 때문에 오프셋, 드리프트 또는 감도 등의 가스센서(100)의 특성이 개체마다 불균일해지는 것을 억제할 수 있다.
또한 제1실시형태의 가스센서(100)에서는 전술한 바와 같이, 온접점을 형성하는 온접점 접속선(171)과, 균열막(177)과, 가스 반응막(191) 및 참조막(192)과, 히터(132)가 모두 멤브레인(121) 상에 형성되어 있다. 이 멤브레인(121)은 일반적으로 얇게 (약 1∼5㎛) 형성되므로, 멤브레인(121) 자체의 열용량은 작다. 또한 멤브레인(121)의 하면에는 열을 전달하지 않는 공동부(119)가 형성되어 있다. 이렇게, 가스 반응막(191)을 공동부(191) 상에 형성된 열용량이 작은 멤브레인(121)의 상부에 형성함으로써, 가스 반응막(191)에 있어서의 가연성 가스의 촉매연소에서 발생하는 열량이 적은 경우에 있어서도 가스 반응막(191)의 온도를 충분히 상승시킬 수 있다. 그 때문에 가스센서(100)에 있어서의 가연성 가스의 검출 감도를 보다 높게 할 수 있다. 또, 멤브레인(121)의 하면에 형성된 공동부(119)는 열을 전달하지 않으므로, 단열부라고도 할 수 있다.
B.제2실시형태:
도 7a 및 도 7b, 도 8a 및 도 8b, 도 9a 및 도 9b, 및 도 10a 및 도 10b는 제2실시형태에 있어서의 가스센서(200)의 제조공정의 각 단계를 나타내는 설명도이다. 도 7a, 도 8a, 도 9a, 도 10a는 각 단계에 있어서 얻어지는 중간품(200a,200b,200c) 및 가스센서(200)를 상면으로부터 본 모양을 나타내고 있다. 또한 도 7b, 도 8b, 도 9b, 도 10b는 중간품(200a,200b,200c) 및 가스센서(200)의 절단선(A)에 있어서의 단면을 나타내고 있다. 제2실시형태의 가스센서(200)는 제1실시형태에 있어서 n형 반도체막(130)으로서 형성되어 있던 히터(132)를 도전막(270)으로서 형성하고 있는 점과, 도전막(270)으로서 형성되는 균열막(MS1∼MS3)에 추가해서 n형 반도체막(230)으로서 형성되는 균열막(235)을 사용하고 있는 점과, 이들의 변경에 맞춰서 각 부의 형상을 변경하고 있는 점에서 제1실시형태와 다르다. 다른 점은 제1실시형태와 같다.
제1실시형태와 마찬가지로, 가스센서(200)의 제조공정에서는 우선, 도 7a 및 도 7b에 나타내듯이, 절연막(220)과 마스크막(202a)을 성막한 기판(210a)을 준비하고, 그 절연막(220) 상에 n형 열전소자(231)와 균열막(235)을 갖는 n형 반도체막(230)을 형성한다. 이어서, 도 8a 및 도 8b에 나타내듯이, n형 반도체막(230)을 형성한 중간품(200a) 상에 층간 절연막(240b)과, p형 열전소자(251)가 되는 p형 반도체막(250)을 형성한다. 이어서, 도 9a 및 도 9b에 나타내듯이, 층간 절연막(240b)과, p형 반도체막(250)을 형성한 중간품(200b) 상에 성막된 층간 절연막에 컨택트홀(H21∼H24)을 형성한 후, 도전막(270)을 형성한다. 이에 따라 제1실시형태와 마찬가지로, 온접점 접속선(271), 냉접점 접속선(272), 신호 출력 전극(273), 서모파일 접속선(274), 히터 통전 전극(275) 및 그라운드 배선(276)이 형성됨과 아울러 히터(278)와, 히터(278)를 그라운드 배선(276)에 접속하는 히터 배선(279)과, 균열막(MS1∼MS3)이 형성된다. 또, 균열막(MS1∼MS3)의 형상은 여러가지로 변경가능하며, 예를 들면 온접점 접속선(271)을 둘러싸도록 온접점 접속선(271)의 외측에 있어서 2개의 균열막(MS1,MS3)이 연속하도록 형성해도 좋고, 또한 제1실시형태의 균열막(177)과 마찬가지로 좁은 간극을 두고 온접점 접속선(271)을 둘러싸도록 해도 좋다. 또한, 히터(278)의 선간에 균열막을 형성하는 것도 가능하다.
도 9a 및 도 9b에 나타내듯이, 도전막(270)을 형성한 후, 도 10a 및 도 10b에 나타내듯이, 중간품(200c) 상에 개구부(281∼283)가 형성된 보호막(280)을 형성한다. 이에 따라 가스센서(200)의 상면에는 신호 출력 전극(273)이 노출된 신호 출력 패드(P21,P23)와, 히터 통전 전극(275)이 노출된 히터 통전 패드(P22,P24)와, 그라운드 배선(276)이 노출된 그라운드 패드(P25)가 형성된다. 그리고, 개구부(209)가 형성된 마스크막(202)을 마스크로 한 에칭에 의해 기판(210)에 형성되는 공동부(219)를 형성함으로써 절연막(220)이 이면측에 있어서 노출된 멤브레인(221)을 형성한다. 이어서, 보호막(280) 상에 가스 반응막(291) 및 참조막(292)을 형성함으로써, 제2실시형태의 가스센서(200)가 얻어진다.
도 10a 및 도 10b에서 알 수 있는 바와 같이, 제2실시형태의 가스센서(200)에 있어서도 제1실시형태의 가스센서(100)와 마찬가지로, 온접점을 형성하는 온접점 접속선(271)과, 균열막(235,MS1∼MS3), 가스 반응막(291) 및 참조막(292)과, 히터(278)가 모두 멤브레인(221) 상에 위치하도록 형성되어 있다. 또한 냉접점을 형성하는 냉접점 접속선(272)은 기판(210)이 잔존하고 있는 기판영역에 위치하도록 형성되어 있다.
한편, 제2실시형태의 가스센서(200)에 있어서는 제1균열부인 n형 반도체막(230)으로서 형성된 균열막(235)과, 제2균열부인 도전막(270)으로서 형성된 균열막(MS1∼MS3) 및 온접점 접속선(271)을 갖고 있다. 그리고, 히터(278)는 균열막(MS1∼MS3) 및 온접점 접속선(271)과 마찬가지로 도전막(270)으로서 형성되어 있다. 그 때문에 히터(278)는 각 기능막의 적층방향에 있어서 제1균열부가 형성되어 있는 영역과, 제2균열부가 형성되어 있는 영역 사이에 위치하므로, 제1과 제2균열부 사이에 형성되어 있다고 할 수 있다.
이렇게, 제2실시형태의 가스센서(200)에 있어서도 균열부를 형성함으로써, 가스 반응막(291) 및 참조막(292)에 있어서 온도 불균일이 발생하는 것을 억제할 수 있다. 그 때문에 오프셋의 증대나 드리프트의 증대가 억제되므로, 보다 높은 감도로 가연성 가스를 검출하는 것이 가능하게 됨과 아울러, 가스 농도의 측정 재현성을 높게 할 수 있다. 또한 가스 반응막(291)에 있어서의 온도 불균일의 발생이 억제됨으로써, 가연성 가스의 검출 감도의 저하나, 선택성의 저하를 억제할 수 있다.
또한 제2실시형태에서는 제1균열부를 n형 반도체에 의해 형성하고, 제2균열부를 금속에 의해 형성하고 있다. 그 때문에 제1균열부는 n형 열전소자(231)와 동시에 형성할 수 있고, 제2균열부는 가스센서(200)의 각 부의 배선과 동시에 형성할 수 있다. 그 때문에 제1과 제2균열부를 형성하기 위한 공정을 별개로 설치할 필요가 없어지므로, 이들 2개의 균열부를 갖는 가스센서(200)의 제조공정을 보다 간단하게 할 수 있다. 또, 제1균열부는 p형 반도체에 의해 형성해도 좋다. 이 경우에 있어서도 제1균열부는 p형 열전소자(251)와 동시에 형성할 수 있으므로, 가스센서(200)의 제조공정을 보다 간단하게 할 수 있다. 또한 일반적으로 반도체로 이루어지는 n형 반도체막(230)과, 금속으로 이루어지는 도전막(270)의 어느 것이나 멤브레인(221)보다 높은 인성을 갖고 있으므로, 이들 2개의 균열부를 형성함으로써, 제조공정이나 완성후의 가스센서(200)의 파손이 억제된다.
또한, 온접점을 형성하는 온접점 접속선(271)과, 제1및 제2균열부는 포토리소그래피 등의 반도체 제조공정에서 이용되는 패터닝 기술에 의해 형성되므로, 이들 2개의 균열부에 대한 온접점의 위치의 정밀도를 높게 할 수 있다. 그 때문에 가스 반응막(291)의 형성 위치에 불균일이 있는 경우에 있어서도 복수의 온접점의 각각에 전달되는 열의 불균일이 억제되고, 오프셋, 드리프트 또는 감도 등의 가스센서(200)의 특성이 개체마다 불균일해지는 것을 억제할 수 있다.
한편, 제2실시형태의 가스센서(200)에서는 제1과 제2균열부를 형성하고, 이들 2개의 균열부 사이에 히터(278)를 설치하고 있다. 그 때문에 히터(278)에서 발생한 열은 단일의 균열부를 설치한 제1실시형태의 가스센서(100)보다 균일하게 분산되므로 가스 반응막(291) 및 참조막(292)에 있어서의 온도 불균일의 발생을 보다 효과적으로 억제할 수 있다.
C.변형예:
본 발명은 상기 각 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에 있어서 여러가지 실시형태에 있어서 실시하는 것이 가능하며, 예를 들면 다음과 같은 변형도 가능하다.
C1.변형예 1:
상기 각 실시형태에서는 제조공정수를 저감하기 위해서 균열부를 도전막(170,270)이나 n형 반도체막(230)으로서 형성함으로써, 균열부를 가스 반응막(191,291)이나 참조막(192,292)의 온도를 측정하는 회로의 구성요소와 동시에 형성하고 있다. 그러나, 균열부를 이들 구성요소와 별개로 형성하는 것으로 해도 좋다. 구체적으로는 예를 들면 균열부로서 금속막을 보호막 상에 형성하고, 해당 금속막 상에 가스 반응막이나 참조막을 형성하는 것으로 해도 좋다. 단, 이 경우에 있어서도 가스센서의 특성이 개체마다 불균일해지는 것을 억제하기 위해서 포토리소그래피 등의 반도체 제조공정에서 이용되는 패터닝 기술에 의해 균열부를 형성하는 것이 바람직하다.
C2.변형예 2:
제1실시형태에서는 균열부를 히터(132)와, 가스 반응막(191) 및 참조막(192) 사이에 형성하고 있다. 또한 제2실시형태에서는 제1균열부를 멤브레인(221) 상에 형성하고, 제2균열부를 히터(278)가 제1과 제2균열부 사이에 위치하도록 형성하고 있다. 그러나, 균열부를 형성하는 위치는 반드시 이것에 한정되지 않는다. 일반적으로는 적어도 1개의 균열부를 멤브레인과, 가스 반응막 및 참조막 사이에 형성하면 좋다. 이렇게 해도 형성된 균열부에 의해 가스 반응막 및 참조막에 온도 불균일이 발생하는 것을 억제할 수 있다.
C3.변형예 3:
상기 각 실시형태에서는 균열부를 멤브레인(121,221) 상의 가스 반응막(191,291)이나 참조막(192,292)의 근방에만 형성하고 있지만, 균열부를 형성하는 영역은 가스 반응막(191,291)이나 참조막(192,292)의 근방에 한정되지 않는다. 일반적으로, 균열부는 가스 반응막(191,291)을 갖는 가스 검출부와, 참조막(192,292)을 갖는 보상부의 각각에 있어서의 멤브레인(121,221) 상이면, 임의의 범위에 형성할 수 있다.
또한 냉접점 접속선(172,272)의 상, 하 및 근방(도 5a 및 도 5b 참조) 중 적어도 하나의 위치에 냉접점용의 균열부를 형성하는 것으로 해도 좋다. 냉접점용 균열부를 설치하면 냉접점간의 온도 불균일이 저감되므로, 가스센서의 특성의 개체마다의 불균일을 억제할 수 있다. 이 경우, 절연막(120,220)이나 보호막(180,280)에 개구부를 형성하고, 냉접점용 균열부를 기판(110,210)에 접속하는 것으로 해도 좋다. 냉접점용 균열부를 기판(110,210)에 접속하면 냉접점간의 온도 불균일을 더욱 저감하는 것이 가능해진다.
C4.변형예 4:
상기 각 실시형태에서는 열전대를 직렬접속한 서모파일의 온접점에 의해 가스 반응막(191,291)과 참조막(192,292)의 온도를 측정하고 있지만, 가스 반응막(191,291)과 참조막(192,292)의 온도는 단일의 열전대의 온접점, 측온 저항체 또는 서미스트 등의 다른 측온소자를 이용하여 측정하는 것도 가능하다. 단, 온도를 나타내는 충분히 높은 전압신호가 직접 출력되고, 가연성 가스의 검출 감도를 보다 높게 하는 것이 용이해지는 점에서 서모파일의 온접점에 의해 가스 반응막(191,291)과 참조막(192,292)의 온도를 측정하는 것이 바람직하다.
C5.변형예 5:
상기 각 실시형태에서는 보상부에 연소 촉매를 담지하고 있지 않은 담체를 포함하는 참조막(192,292)을 형성하고 있지만, 제조공정을 간략화하기 위해서 참조막(192,292)의 형성을 생략하는 것도 가능하다. 이 경우, 보상부의 측온소자인 냉접점(CJ)은 온도가 가스 반응막(191)에 가까워지는 히터(172)의 온도를 측정하도록 히터(172)의 근방에 형성되어 있으면 좋다. 또, 이 때, 보상부의 히터(172)는 보상부의 측온소자(냉접점(CJ))의 근방을 포함하는 영역에 형성되어 있다고 할 수 있다. 단, 참조막(192) 및 가스 반응막(191)의 각각이 형성하고 있는 영역의 열용량을 보다 가깝게 하고, 기류 등의 영향에 의한 가연성 가스의 검출 정밀도의 저하를 억제할 수 있는 점에서 참조막(192)을 형성하는 것이 바람직하다.
C6.변형예 6:
상기 각 실시형태에서는 가스센서(100,200) 상에 가스 반응막(191,291)을 갖는 가스 검출부와, 참조막(192,292)를 갖는 보상부를 설치하고 있지만, 보상부를 생략하는 것도 가능하다. 이 경우에 있어서도 가스 반응막에 있어서의 온도 불균일의 발생이 억제되므로, 가연성 가스의 검출 감도의 저하나, 선택성의 저하를 억제할 수 있다. 또한 제1및 제2실시형태와 마찬가지로, 제조공정이나 완성후의 가스센서의 파손이 억제됨과 아울러 오프셋, 드리프트 또는 감도 등의 가스센서의 특성의 개체마다의 불균일을 억제할 수 있다.
C7.변형예 7:
상기 각 실시형태에서는 단열부로서 기판(110,210) 자체에 형성된 공동부(119,219), 또는 기판 상에 형성된 공동부를 사용하고 있지만, 단열부는 반드시 공동일 필요는 없다. 단열부는 예를 들면 기판 자체에 형성된 공동부에 다공질재나 수지 등의 단열재를 메워넣음으로써 형성할 수 있다. 다공질재로서 SiO2를 사용하는 경우에는 주지의 저비유전률(Low-k) 절연막이나 실리카에어로겔의 형성 기술에 의해 공동부에 다공질 SiO2를 메워넣을 수 있다. 다공질재로서 수지를 사용할 경우에는 해당 수지의 모노머나 프리폴리머를 공동부에 충전하고, 그 후에 열이나 자외선에 의해 모노머나 프리폴리머를 중합시키면 좋다. 또한 단열부로서 기판 상에 다공질재나 수지 등의 단열막을 형성하는 것으로 해도 좋다. 이 경우, 상기한 기판 상에 공동부를 형성하는 공정과 마찬가지로 기판 또는 절연막(120,220) 상에 다공질재나 수지 등의 단열막을 형성하고, 형성한 단열막을 잔존시킴으로써 단열부를 형성할 수 있다. 또한 기판 상에 단열막을 형성하기 위한 폴리실리콘막을 형성하고, 해당 폴리실리콘막을 양극산화에 의해 다공질화해도 좋다. 또한, 단열부로서 기판 자체에 다공질부를 형성하는 것으로 해도 좋다. 다공질부는 예를 들면 기판으로서 Si기판을 사용하고 있는 경우에는 기판 자체에 공동부를 형성하는 공정과 마찬가지로 기판의 하면측 또는 기판의 상면측으로부터 공동부에 상당하는 영역을 양극산화에 의해 다공질화함으로써 형성할 수 있다. 또, 공동이 아닌 단열부를 사용할 경우에 있어서 단열부의 재료가 도전성을 갖는 경우에는 단열부와, 반도체막 또는 도전막 사이에는 절연막이 추가된다. 이렇게, 공동이 아닌 단열부를 사용함으로써, 단열부 상에 형성된 기능막의 파손이 억제된다.

Claims (6)

  1. 가연성 가스를 검출하는 접촉 연소식 가스센서로서,
    단열부와,
    상기 단열부 상에 형성된 히터와,
    상기 단열부 상에 있어서 상기 히터 상에 형성되고, 상기 가연성 가스의 연소 촉매를 담지한 담체를 포함하는 가스 반응막과,
    상기 단열부 상에 있어서 상기 가스 반응막의 근방에 형성된 측온소자와,
    상기 단열부 상에 형성되고, 상기 단열부와 상기 가스 반응막 사이에 배치된 균열부를 구비하고,
    상기 균열부는 상기 균열부에 전달된 열을 상기 균열부 전체에 분산시키도록 구성되고,
    상기 균열부는, 상기 가스 반응막의 하부에 형성된 상기 측온 소자의 적어도 일부와, 이 적어도 일부와 인접하도록, 또한 평면도에서 볼 때, 상기 가스 반응막의 둘레가장자리의 적어도 일부를 둘러싸도록 배치되는 균열막을 포함하고,
    상기 측온 소자는 직렬 접속된 복수의 열전대에 의해 구성되는 것을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스센서.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 단열부는 기판 자체에 형성된 제1공동부와, 기판 상에 형성된 제2공동부와, 상기 제1공동부에 메워넣어진 다공질재 또는 수지와, 기판 상에 형성된 다공질막 또는 수지막과, 기판 자체에 형성된 다공질부 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 균열부는 별개로 형성된 제1균열부와 제2균열부를 갖고,
    상기 히터는 상기 제1균열부와 상기 제2균열부 사이에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스센서.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 측온소자는 서로 다른 재료로 형성된 제1열전소자와 제2열전소자를 포함하는 열전대의 온접점이며,
    상기 균열부는 상기 제1열전소자와 동일한 재료으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스센서.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 균열부는 금속으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스센서.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 히터와 상기 가스 반응막과 상기 측온소자와 상기 균열부를 갖는 가스 검출부와는 별개로 설치된 보상부를 구비하고,
    상기 보상부는 상기 단열부 상에 형성된 보상부 히터와, 상기 단열부 상에 있어서 상기 보상부 히터 상에 형성되고 상기 가연성 가스의 연소 촉매를 담지하고 있지 않은 담체를 포함하는 참조막과, 상기 단열부 상에 있어서 상기 참조막의 근방에 형성된 보상부 측온소자와, 상기 단열부 상에 형성되고 상기 단열부와 상기 참조막 사이에 배치된 보상부 균열부를 갖고,
    상기 보상부 균열부는 상기 보상부 균열부에 전달된 열을 상기 보상부 균열부 전체에 분산시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 접촉 연소식 가스센서.
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