JP5459925B2 - MEMS structure for gas sensor - Google Patents
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Description
発明はマイクロマシーニング技術を利用したガスセンサの構造に関するものである。詳しくは,マイクロマシーニング技術を利用してブリッジ構造を形成し,そのブリッジ構造上に電極とヒーター及びガス感応層を設けたガスセンサのMEMS構造体に関すものである。 The present invention relates to the structure of a gas sensor using micromachining technology. More specifically, the present invention relates to a MEMS structure of a gas sensor in which a bridge structure is formed using micromachining technology and an electrode, a heater, and a gas sensitive layer are provided on the bridge structure.
一般にセラミックガスセンサは,目的のガスを検出し濃度表示出力,警報出力あるいは制御信号を出力する機器に使用されている。ガスセンサが特定のガスに曝される時,ガス感応物質であるセラミックの電気伝導度の変化あるいは起電力の発生が生じ,その値から目的ガスの存在及びガス濃度を検出することができる。この種のガスセンサは,他のセンサに比べて消費電力が非常に大きい。従って,セラミックガスセンサの応用範囲を拡大するためには,小さいエネルギーでセンサ温度を維持できる低電力型のセラミックガスセンサを提供することは非常に意義がある。 In general, a ceramic gas sensor is used in a device that detects a target gas and outputs a concentration display output, an alarm output, or a control signal. When the gas sensor is exposed to a specific gas, a change in electrical conductivity or generation of an electromotive force occurs in the ceramic, which is a gas sensitive substance, and the presence and gas concentration of the target gas can be detected from the value. This type of gas sensor consumes much more power than other sensors. Therefore, in order to expand the application range of the ceramic gas sensor, it is very significant to provide a low power ceramic gas sensor that can maintain the sensor temperature with a small energy.
従来のガスセンサは,絶縁セラミック基板の片面あるいは両面を利用して,電極とヒーターを形成し電極面にはガス感応物質を印刷又は塗布したセンサ素子をリード線により宙づりにした構造であった。この構造では,十分な低消費電力化を実現するのは困難であった。 A conventional gas sensor has a structure in which an electrode and a heater are formed using one or both surfaces of an insulating ceramic substrate, and a sensor element on which a gas-sensitive material is printed or applied is suspended by a lead wire. With this structure, it has been difficult to achieve sufficiently low power consumption.
一方,最近従来のセラミックセンサの小型化が進み印刷タイプや薄膜タイプも出現していると同時に,極細の貴金属線コイルにガス感応セラミック粉体を塗布した極低電力型も出現してきた。しかし,従来のセラミック粉体を立体的なコイルに塗りつけたセンサは粉体と電極兼用のコイルとの剥離が発生するなど欠点も見られる。また,依然として宙づり構造であるので振動や衝撃に弱い。 On the other hand, the conventional ceramic sensor has recently been miniaturized, and the print type and thin film type have also appeared. At the same time, an ultra-low power type in which gas-sensitive ceramic powder is applied to an extremely fine noble metal wire coil has also appeared. However, the conventional sensor in which ceramic powder is applied to a three-dimensional coil has drawbacks such as peeling between the powder and the electrode coil. In addition, since it is still suspended, it is vulnerable to vibration and impact.
その他の開発動向として,シリコンのマイクロマシーニング技術を利用してダイアフラムを形成し,その上にマイクロヒーターを,更にその上に絶縁層を介して検出用電極を設け,さらにガス感応層を設けたMEMS構造を有するガスセンサも出現している。MEMS型の構造を有するガスセンサは,大量生産に向きコスト的にも低価格を実現できる可能性がある。しかし,機械的な特性,耐熱衝撃性,耐久性などの特性でまだ実用化の段階に達していない。例えば,昨今自動車の空質の制御用にガスセンサが使用されるようになったが,未だに従来型のセラミックガスセンサが使用されているのはMEMS型ガスセンサの信頼性が自動車の信頼性のレベルに達していないからである。 As another development trend, a diaphragm was formed using silicon micromachining technology, a microheater was provided on it, a detection electrode was further provided on the insulating layer, and a gas sensitive layer was further provided. Gas sensors having a MEMS structure have also appeared. A gas sensor having a MEMS type structure is suitable for mass production and can be realized at a low cost. However, it has not yet reached the stage of practical use because of its mechanical characteristics, thermal shock resistance, and durability. For example, gas sensors have recently been used to control the air quality of automobiles, but conventional ceramic gas sensors are still used because the reliability of MEMS gas sensors has reached the level of reliability of automobiles. Because it is not.
このような車載を目的とする用途の様に機械的な特性,耐熱衝撃性,耐久性などの特性が必要とされる場合,既存のMEMS型ガスセンサ構造の上述の状況を鑑み,先願特許 特願2005−325455は,発明された。その結果,車載用に耐えうるMEMS構造となっている。しかし,4本のブリッジが各対角線上に位置しているため,ブリッジ方向に発生する膨張収縮による応力を緩和する構造となっていない。
図1に先願特許 特願2005−325455の構成を示す。ただし,ここで示したのは4本のブリッジ3とそれらによって支えられるステージ2とシリコンフレーム1による構成のみとし,ヒーターや電極等を割愛して示した。ヒーターと電極はステージ2上に形成され,ブリッジ3上の配線パターンを通してガスセンサの信号とヒーター電力が供給される。
FIG. 1 shows the configuration of Japanese Patent Application No. 2005-325455. However, only the configuration of the four
ブリッジ3を通してヒータ電力がステージ2に供給され加熱されると,ステージ2およびブリッジ3が膨張し,電力供給を停止し常温に戻すと収縮し元に戻る。図1において,ブリッジはB1とB3及びB2とB4がそれぞれ一直線上に位置されている。その為,前述のようにステージ2に電力供給がなされ加熱されると,相対するブリッジB1とB3あるいはB2とB4がステージ2を挟んで押し合い,結果として常温を維持しているシリコンフレーム1を押しつけようとする力が働く。ここで発生する応力はブリッジ3とシリコンフレーム1の境界付近に集中する。その為加熱・冷却を何度も繰り返すと,繰り返される応力発生及び緩和によりブリッジ3およびステージ2の部分に疲労が発生して破損する可能性がある。この応力発生と緩和による疲労を可能な限り緩和することが課題である。
When the heater power is supplied to the
課題を解決するために,図2に示すようにブリッジ3を相対するブリッジに対し,一直線上に配置することを避け,平行関係に位置するように設けることである。
In order to solve the problem, as shown in FIG. 2, the
本発明における構成は,この境界に応力が集中することを避ける為,ブリッジ3と対向するブリッジ3をステージ2の幅にほぼ相当する間隔を持たせ,平行な位置関係に配置することによって,加熱時に相対するブリッジ3は互いに膨張するが,膨張することでステージ2を回転させるような力に変換され,上述の応力は緩和される。
In the configuration of the present invention, in order to avoid the concentration of stress on this boundary, the
図2に示すように相対するブリッジ3をステージ2の幅に相当する間隔で平行に位置するように設けることで,加熱時の膨張における応力をステージ2を回転させる力に変え,シリコンフレーム1とブリッジ3の境界に集中していた応力を緩和させることができる。
As shown in FIG. 2, the
図1は,先願特許 特願2005−325455の構成を示し,図2は本発明の構成を示す。ブリッジ3の4本にそれぞれB1,B2,B3,B4と識別記号を付けて表記する。図1では,B1とB3あるいはB2とB4は相対するブリッジで有り一直線上に位置している。図2ではB1の一直線上にB3は存在せず,図1でB3のあった位置よりステージ2の幅分だけ移動した位置に設けた。B2とB4の位置関係も同様である。
FIG. 1 shows the configuration of Japanese Patent Application No. 2005-325455, and FIG. 2 shows the configuration of the present invention. The four
図2bのように4本のブリッジ3の位置関係はシリコンフレーム1およびステージ2の形状が四角から丸となっても同様である。その他設計により,ブリッジ3,ステージ2及びシリコンフレーム1の形状に細かな変更を加えたとしても,このように一直線上に配置していたブリッジの位置を変更して応力を回転方向の力に変換することにより,上述の問題点である応力を緩和することがかのである。
As shown in FIG. 2b, the positional relationship of the four
先行特許 特願2005−325455では考慮されていなかったブリッジ方向の応力緩和を実現でき,車載用ガスセンサとしてのMEMSガスセンサの信頼性を更に向上することができる。 Prior art patents Japanese Patent Application No. 2005-325455 can realize stress relaxation in the bridge direction, which can be further improved in reliability of the MEMS gas sensor as an in-vehicle gas sensor.
1…シリコンフレーム
2…ステージ
3…ブリッジ
B1…ブリッジ(B3と対向する,もしくは平行関係にある)
B2…ブリッジ(B4と対向する,もしくは平行関係にある)
B3…ブリッジ(B1と対向する,もしくは平行関係にある)
B4…ブリッジ(B2と対向する,もしくは平行関係にある)
DESCRIPTION OF
B2 ... Bridge (opposite or parallel to B4)
B3 ... Bridge (opposite or parallel to B1)
B4 ... Bridge (opposite or parallel to B2)
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