雰囲気センサ
【課題】温度分布を均一化して、高温で且つ長時間駆動可能なヒータを有する雰囲気センサを提供する。
【解決手段】基板１２上に所定の厚さで形成されたダイアフラム２０、このダイアフラム上に形成されたヒータ１８を有しこのヒータが発生する熱が測定される雰囲気によって奪われるもしくは与えられることで生ずるヒータの抵抗値に基づき雰囲気を測定する雰囲気センサであって、ダイアフラム２０に形成されたヒータ１８が互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターン部１８Ａからなり、配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１よりも小さくした。
【解決手段】基板１２上に所定の厚さで形成されたダイアフラム２０、このダイアフラム上に形成されたヒータ１８を有しこのヒータが発生する熱が測定される雰囲気によって奪われるもしくは与えられることで生ずるヒータの抵抗値に基づき雰囲気を測定する雰囲気センサであって、ダイアフラム２０に形成されたヒータ１８が互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターン部１８Ａからなり、配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１よりも小さくした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等の雰囲気センサに関し、特に、より高温で且つ長時間駆動可能な薄膜型マイクロヒータ（発熱抵抗体）を作製することができる雰囲気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等の雰囲気センサとしては、例えば、特許文献１に記載された雰囲気センサの構造が知られている。
【０００３】
この雰囲気センサの構造を図１４に示す。この雰囲気センサは、凹部１１１を有するセンサ基板１１０と、該センサ基板１１０上に配設された固定部１１２ａと該固定部１１２ａに続く支持架橋部１１２ｂと該支持架橋部１１２ｂを介して凹部１１１の上に橋架された橋架部１１２ｃとからなる薄膜絶縁体１１２と、該薄膜絶縁体１１２の上に配設された発熱抵抗体１１３とからなり、薄膜抵抗体１１３が発生する熱が測定される雰囲気によって奪われることによって生ずる発熱抵抗体１１３の抵抗値から該雰囲気を測定する。
【０００４】
この雰囲気センサにおいては、薄膜絶縁体１１３の固定部１１２ａと支持架橋部１１２ｂとの間の支持架橋端部Ａにおける平面形状が鈍角に形成されているため、支持架橋端部Ａの部分からのひび割れ等を防止することができる。
【０００５】
また、薄膜絶縁体１１３の橋架部１１２ｃの形状は、正方形であり、この正方形の対向する２辺Ｄ１，Ｄ２間に平行に発熱抵抗体１１３をジグザグ状に配置しているため、端部Ｂでの機械的強度の増大を図ることができる。
【０００６】
さらに、前述した雰囲気センサに有する発熱抵抗体１１３にあっては、発熱抵抗体１１３の中央部の温度が周辺部よりも高くなり、発熱抵抗体１１３の中央部が焼損しやすい。
【０００７】
例えば、図１５に示すような、雰囲気センサに用いられるジグザグ状の薄膜型で且つ角形形状のマイクロヒータ（発熱抵抗体）２０１にあっては、ヒータ２０１の両端にＤＣ電源電圧を印加してヒータ２０１を加熱することにより、駆動温度を高くすると、ヒータ２０１の中央部付近である溶断部２０２が溶断してしまう。
【０００８】
また、図１６に示すような、雰囲気センサに用いられるジグザグ状の薄膜型で且つＵ字状のヒータ３０１にあっては、ヒータ３０１の両端に電圧を印加して駆動温度を高くすると、ヒータ３０１の中央付近である溶断部３０２の部分Ａまたは部分Ｂが溶断してしまう。
【０００９】
そこで、橋架部１１２ｃの中央部における発熱抵抗体１１３の間隔ｄ２を周辺部の間隔ｄ１に比較して大きくしている。これによって、温度分布が均一化し、中央部が焼損するおそれもなく、熱共振を起こす心配もなくなる。また、発熱抵抗体１１３の中央部付近に穴１１４を設けて、中央部の熱を発散させることにより、中央部の温度上昇を抑制し、焼損を防止している。
【特許文献１】特開平６−１１８０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図１４乃至図１６に示した従来の雰囲気センサにあっては、中央部の焼損を防止できるものの、ヒータの耐久温度や耐久時間が十分でなかった。例えば、ガスセンサの場合、ヒータの温度を約４００℃以上にしなければ、メタンガスを検知できない。このため、より安定してメタンガスを検知するためには、ヒータの温度を４５０℃以上で長時間駆動できる必要があった。そこで、より高温で駆動でき、しかも長時間駆動できるヒータが要望されていた。
【００１１】
また、前述したヒータにおいて、中央部分に穴１１４を設ける場合には、穴１１４を作製しなければならず、ヒータの構造がさらに複雑になるという問題点があった。
【００１２】
本発明は、温度分布を均一にすることによって、より高温で且つ長時間駆動可能なヒータを有する雰囲気センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成とした。請求項１の発明は、基板上に所定の厚さで形成されたダイアフラム、このダイアフラム上に形成されたヒータを有しこのヒータが発生する熱が測定される雰囲気によって奪われるもしくは与えられることで生ずるヒータの抵抗値に基づき雰囲気を測定する雰囲気センサであって、前記ダイアフラムに形成された前記ヒータが互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターン部からなり、配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔を各パターンの線幅よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１記載の雰囲気センサにおいて、配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔を各パターンの線幅に対して略１／３以下にしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２記載の雰囲気センサにおいて、前記ダイアフラムに接触した状態でこのダイアフラム上に形成された誘電体膜を有し、前記ヒータが前記誘電体膜に接触した状態でこの誘電体膜上に形成され、前記誘電体膜は、酸化物と、この酸化物に接触した状態でこの酸化物上に形成された窒化膜と、この窒化膜に接触した状態でこの窒化膜上に形成された酸化ハフニウムとを有し、前記ヒータが前記酸化ハフニウムに接触した状態でこの酸化ハフニウム上に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、ダイアフラムに形成されたヒータが互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターン部からなり、配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔を各パターンの線幅よりも小さくしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、前記配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔を各パターンの線幅に対して略１／３以下にしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、請求項１又は請求項２記載の効果に加え、ダイアフラムに接触した状態でこのダイアフラム上に形成された誘電体膜を有し、ヒータが誘電体膜に接触した状態でこの誘電体膜上に形成されているので、ヒータが生成する発熱量が基板中に熱拡散する現象を回避することができる。また、誘電体膜は、酸化物と、この酸化物に接触した状態でこの酸化物上に形成された窒化膜と、この窒化膜に接触した状態でこの窒化膜上に形成された酸化ハフニウムとを有し、前記ヒータが前記酸化ハフニウムに接触した状態でこの酸化ハフニウム上に形成されているので、ヒータが生成する発熱量が基板中に熱拡散する現象を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の雰囲気センサのいくつかの実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
まず、図１５及び図１６に示すようなヒータに直流電圧（ＤＣ電圧）を印加して駆動温度を高くすると、ヒータの中央付近が溶断する。このため、本出願人は、ヒータの温度分布シミュレーションや赤外線放射温度計による温度測定により、ヒータの中央部の温度が最も高く、その部分が溶断することを確認した。
【００２１】
そこで、本出願人は、ヒータの中央部が溶断することなく、ヒータの温度分布を均一になるように設計することにより、より高温で且つ長時間駆動できるようなヒータを作製した。以下、雰囲気センサのヒータ構造についていくつかの例を上げて説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図及び雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。図２は第１の実施の形態のヒータの耐久試験を行うヒータ性能評価装置の回路構成図である。
【００２３】
この雰囲気センサ１０は、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等であり、例えば、図１（ａ）に示すように、シリコン単結晶からなる基板１２、この基板１２の表面に接触して形成された酸化膜１４、この酸化膜１４上で酸化膜１４に接触して形成された窒化膜１６、この窒化膜１６上で窒化膜１６に接触して形成された酸化ハフニウム１７、この酸化ハフニウム１７上で酸化ハフニウム１７に接触して形成され且つ白金からなるヒータ１８、基板１２の裏面に異方性エッチングにより形成されたダイアフラム２０を備えて構成される。また、ヒータ１８は、ダイアフラム２０上に形成されている。
【００２４】
酸化膜１４、窒化膜１６及び酸化ハフニウム１７のそれぞれは、誘電体膜を構成する。酸化膜１４は、基板１２の表面を熱酸化処理することにより得られたシリコン酸化膜であり、厚みが例えば約６０００Åである。窒化膜１６は、厚みが例えば約２５００Åであり、シリコン窒化膜である。酸化ハフニウム１７は、厚みが例えば約５００Åである。
【００２５】
なお、窒化膜１６及び酸化ハフニウム１７に代えて、五酸化タンタル、酸化チタン、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ジルコニウム等を用いることもできる。
【００２６】
ヒータ１８は、厚さが例えば約５０００Åである。このヒータ１８は、白金の他に、抵抗温度係数が大きく、高温まで熱的に安定な金属または化合物であれば良く、例えば、ニッケル、ロジウム、モリブデン、白金ロジウム、ルテニウムの酸化物、ハフニウムの酸化物等を用いることもできる。
【００２７】
ダイアフラム２０は、シリコン単結晶からなり、図１（ｂ）に示すように、縦サイズがａ１で且つ横サイズがａ２であって正方形をなし、このダイアフラム２０上にヒータ１８が形成されてなる。ヒータ１８は、図１（ｂ）に示すように、縦サイズがｃ１で且つ横サイズがｃ２であって、互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターン部１８Ａからなる。
【００２８】
一方のパターン部１８Ａの一端部には白金からなる電極２２ａが接続されており、他方のパターン部１８Ａの一端部には白金からなる電極２２ｂが接続されている。この電極２２ａ，２２ｂには図２に示す電源１からのＤＣ電圧が印加されるようになっていて、このＤＣ電圧駆動によりヒータ１８が発熱するようになっている。
【００２９】
また、配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔（以下、線間隔と称する。）ｄは、端部に配置されたパターン部から中央部に配置されたパターン部に向かうに従って広くなっている。さらに、この線間隔ｄにヒータの温度分布を均一化するための均熱体２５ａ、２５ｂが形成されてなる。この均熱体２５ａ、２５ｂは、例えば、白金等からなる。
【００３０】
なお、各パターン間の線間隔をｄとする。各パターン部と該パターン部に隣接するパターン部とを連結するための連結パターン部としてのターン部１９の線幅をｂ２とする。
【００３１】
このように構成された第１の実施の形態の雰囲気センサのヒータによれば、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部の線間隔ｄにヒータの温度分布を均一化するための均熱体２５ａ，２５ｂが形成されてなるため、ヒータの均熱性が高まり、ヒータの温度分布が均一化されて、ヒータの中央部付近のみが高温となることなく、中央部付近が溶断せず、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００３２】
また、本出願人は、図２に示すヒータ性能評価装置を用いて、ヒータ１８の耐久試験を行った。このヒータ性能評価装置は、電源１、この電源１からのＤＣ電圧をヒータ１８に印加してヒータ１８に定電流を流してＤＣ連続駆動するヒータ駆動回路３、ヒータ１８の両端電圧を測定する電圧計５を有して構成される。ヒータ１８の駆動温度は、ヒータ１８に流す電流を調整することで任意に設定している。
【００３３】
このようなヒータ性能評価装置によれば、ヒータ駆動回路３が、電源１からのＤＣ電圧をヒータ１８に印加してヒータ１８に定電流を流してＤＣ連続駆動し、電圧計５がヒータ１８の抵抗値の変化を電圧でモニタし、その電圧値によりヒータ１８の溶断を判断する。そして、１４日間、ヒータ１８が溶断せずにヒータ１８を駆動した温度の最高温度をヒータ１８の耐久温度とする。
【００３４】
なお、ヒータ１８は、実際には３０秒毎に１回だけ１００ｍｓオンするパルス駆動で使用するため、例えば、１０年間、ヒータ１８をパルス駆動する場合、その積算オン時間は、ＤＣ連続駆動では、１２．５日に相当する。このため、ヒータ１８の耐久試験期間を１４日とした。ヒータの耐久試験結果を表１に示す。
【表１】
【００３５】
この表１のように、線間隔ｄに均熱体を設けたヒータＡ、このヒータＡから均熱体を取り除いた図３（ａ）に示すようなヒータＢ、線間隔ｄが各パターンについて同じとした図３（ｂ）に示すようなヒータＣについて耐久試験を行った。ヒータＡ及びヒータＢの線間隔ｄは、‘５’，‘１０’，‘２０’，‘３０’であり、ヒータＣの線間隔ｄは、‘１０’である。
【００３６】
ヒータＡの耐久温度は、５７５℃であり、ヒータＢの耐久温度は、５５０℃であり、ヒータＣの耐久温度は、５２５℃である。ヒータの線間隔ｄに均熱体を設けると、耐久温度が高いことが確認された。このため、より高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを作製することができた。
【００３７】
また、第１の実施の形態の雰囲気センサでは、酸化膜１４、窒化膜１６、及び酸化ハフニウム１７を設けたので、ヒータ１８が生成する発熱量が基板１２中に熱拡散する現象を回避することができる。
【００３８】
また、ヒータ１８が白金を用いて形成されているので、化学的に安定な白金をヒータに用いることにより、長期的に高い安定性、再現性及び信頼性を有する雰囲気センサを実現することができる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
図４は第２の実施の形態の雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。図４に示すヒータでは、配設された複数のパターン部の各パターン部１８Ａの線幅ｂ１，ｂ２を予め定められた標準的な線幅よりも太くしたことを特徴とする。ここで、予め定められた標準的な線幅とは、従来のヒータにおけるパターン部の線幅である。
【００４０】
なお、第２の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００４１】
このようなヒータによれば、配設された複数のパターン部の各パターン部１８Ａの線幅ｂ１，ｂ２を予め定められた標準的な線幅よりも太くしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化される。また、線幅ｂ１，ｂ２が太いため、中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００４２】
また、本出願人は、図２に示すヒータ性能評価装置を用いて、ヒータの耐久試験を行った。ヒータの耐久試験結果を表２に示す。
【表２】
【００４３】
この表２のように、ヒータの線幅ｂ１，ｂ２の太さを変えたヒータＡ、ヒータＢ、ヒータＣについて耐久試験を行った。ヒータＣが従来のヒータに対応し、そのヒータＣの線幅は、‘１０’である。ヒータＢの線幅は、‘３０’であり、ヒータＡの線幅は、‘４０’である。
【００４４】
ヒータＡの耐久温度は、５７５℃であり、ヒータＢの耐久温度は、５２５℃であり、ヒータＣの耐久温度は、４７５℃であり、ヒータの線幅ｂ１，ｂ２が太い方が、耐久温度が高いことが確認された。このため、より高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを作製することができた。
【００４５】
（第３の実施の形態）
図５は第３の実施の形態の雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。第３の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００４６】
図５において、ヒータが互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターン部１８Ａからなり、配設された複数のパターン部の各パターン部の線間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して略数分の１以下にしたことを特徴とする。すなわち、線間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して十分に狭くしたことを特徴とする。
【００４７】
このようなヒータによれば、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部の間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して略数分の１以下にしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００４８】
また、本出願人は、図２に示すヒータ性能評価装置を用いて、ヒータの耐久試験を行った。ヒータの耐久試験結果を表３に示す。
【表３】
【００４９】
この表３のように、ヒータの線線幅ｄを変えたヒータＡ、ヒータＢ、ヒータＣについて耐久試験を行った。ヒータＡ〜Ｃの線幅ｂ１，ｂ２は、‘３０’であり、ヒータＡの線間隔ｄは、‘５’であり、ヒータＢの線間隔は、‘１０’であり、ヒータＣの線間隔は、‘２０’である。
【００５０】
ヒータＡの耐久温度は、５７５℃であり、ヒータＢの耐久温度は、５２５℃であり、ヒータＣの耐久温度は、４７５℃であり、ヒータの線間隔ｄが小さい方が、耐久温度が高いことが確認された。このため、より高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを作製することができた。
【００５１】
（第１の実施の形態の第１の変形例）
図６は第１の実施の形態のヒータの第１の変形例を示す図である。第１の実施の形態のヒータの第１の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００５２】
図６に示すヒータでは、図１に示す第１の実施の形態のヒータに対して、さらに、ヒータの各パターン部１８Ａの線幅ｂ１，ｂ２をさらに太くしたことを特徴とする。
【００５３】
このように、各パターン部１８Ａの線幅をさらに太くしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化される。また、線幅が太いため、中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００５４】
従って、第１の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００５５】
（第２の実施の形態の第１の変形例）
図７は第２の実施の形態のヒータの第１の変形例を示す図である。第２の実施の形態のヒータの第１の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００５６】
図７に示すヒータでは、図４に示す第２の実施の形態のヒータに対して、さらに、配設された複数のパターン部の各パターン部の線間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して十分に狭くしたことを特徴とする。
【００５７】
このようなヒータによれば、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部の間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して十分に狭くしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００５８】
従って、第２の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００５９】
（第１の実施の形態の第２の変形例）
図８は第１の実施の形態のヒータの第２の変形例を示す図である。第１の実施の形態のヒータの第２の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００６０】
図８に示すヒータでは、図１に示す第１の実施の形態のヒータに対して、さらに、配設された複数のパターン部の各パターン部の線間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して十分に狭くしたことを特徴とする。
【００６１】
このようなヒータによれば、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部の間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して十分に狭くしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００６２】
従って、第１の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００６３】
（第１の実施の形態の第３の変形例）
図９は第１の実施の形態のヒータの第３の変形例を示す図である。第１の実施の形態のヒータの第３の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００６４】
図９に示すヒータ１８は、図１に示す第１の実施の形態のヒータに対して、さらに、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部と該パターン部に隣接するパターン部とを連結するための連結パターン部としてのターン部１９Ａ〜１９Ｄの線幅ｂ２が、複数のパターン部１８Ａの内の端部に配置されたパターン部から中央部に配置されたパターン部に向かうに従って太くなっていることを特徴とする。
【００６５】
このようなヒータによれば、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部と該パターン部に隣接するパターン部とを連結するための連結パターン部としてのターン部１９Ａ〜１９Ｄの線幅ｂ２が、複数のパターン部１８Ａの内の端部に配置されたパターン部から中央部に配置されたパターン部に向かうに従って太くなっているので、中央部付近の連結パターン部の発熱量が小さくなる。このため、ヒータ中央部付近のみが高温とならず、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００６６】
従って、第１の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００６７】
（第１の実施の形態の第４の変形例）
図１０は第１の実施の形態のヒータの第４の変形例を示す図である。第１の実施の形態のヒータの第４の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００６８】
図１０に示すヒータ１８は、図１に示す第１の実施の形態のヒータに対して、さらに、配設された複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの長手方向の線幅ｂ１が、複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの内の端部に配置されたパターン部１８Ａから中央部に配置されたパターン部１８Ｅに向かうに従って太くなっている。
【００６９】
このように、配設された複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの長手方向の線幅ｂ１が、複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの内の端部に配置されたパターン部１８Ａから中央部に配置されたパターン部１８Ｅに向かうに従って太くなっている。すなわち、温度が高い中央部付近のパターン部の線幅を太くすることにより、その部分が溶断しにくくなり、さらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。従って、第１の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００７０】
（第３の実施の形態の第１の変形例）
図１１は第３の実施の形態のヒータの第１の変形例を示す図である。第３の実施の形態のヒータの第１の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００７１】
図１１に示すヒータ１８は、図５に示す第３の実施の形態のヒータに対して、さらに、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部と該パターン部に隣接するパターン部とを連結するための連結パターン部としてのターン部１９Ａ〜１９Ｄの線幅ｂ２が、複数のパターン部１８Ａの内の端部に配置されたパターン部から中央部に配置されたパターン部に向かうに従って太くなっていることを特徴とする。
【００７２】
このようなヒータによれば、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部と該パターン部に隣接するパターン部とを連結するための連結パターン部としてのターン部１９Ａ〜１９Ｄの線幅ｂ２が、複数のパターン部１８Ａの内の端部に配置されたパターン部から中央部に配置されたパターン部に向かうに従って太くなっているので、中央部付近の連結パターン部の発熱量が小さくなる。このため、ヒータ中央部付近のみが高温とならず、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００７３】
従って、第３の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００７４】
（第３の実施の形態の第２の変形例）
図１２は第３の実施の形態のヒータの第２の変形例を示す図である。第３の実施の形態のヒータの第２の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００７５】
図１２に示すヒータ１８は、図５に示す第３の実施の形態のヒータに対して、さらに、配設された複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの長手方向の線幅ｂ１が、複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの内の端部に配置されたパターン部１８Ａから中央部に配置されたパターン部１８Ｅに向かうに従って太くなっている。
【００７６】
このように、配設された複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの長手方向の線幅ｂ１が、複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの内の端部に配置されたパターン部１８Ａから中央部に配置されたパターン部１８Ｅに向かうに従って太くなっている。すなわち、温度が高い中央部付近のパターン部の線幅を太くすることにより、その部分が溶断しにくくなり、さらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。従って、第３の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００７７】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態の雰囲気センサを説明する。図１３は第４の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図及び雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。
【００７８】
この雰囲気センサは、図１に示す雰囲気センサの構成に加え、ヒータ１８に接触した状態でこのヒータ１８上に形成され且つヒータ１８の発熱量に応じて発熱して可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層としてのガス感応膜５１を設けたことを特徴とする。
【００７９】
この雰囲気センサは、例えば、接触燃焼式ガスセンサ等であり、可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することによって可燃性ガスを検量するもので、前記ヒータ１８が可燃性ガスの燃焼を促すように機能する。ガス感応膜５１としては、パラジウム等の白金族触媒を担持したアルミナ等の担体を用いることができる。
【００８０】
このような雰囲気センサによれば、可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層としてのガス感応膜５１を設けたので、十分なガス検知感度を実現でき、さらに、長期的に高い安定性、再現性及び信頼性を有する接触燃焼式ガスセンサ等のガスセンサを実現することができる。
【００８１】
また、ガス感応膜５１をヒータ１８上に形成した雰囲気センサは、ガス感応膜５１をヒータ１８上に形成しない雰囲気センサよりもヒータ１８の耐久温度が例えば約５０℃程度低下するが、前述のヒータ構造により、ヒータ１８の温度分布を均一化することで、ヒータ１８の耐久温度を上げることができ、燃焼温度の高い各種のガスを識別することができる。
【００８２】
また、第４の実施の形態の雰囲気センサは、図１に示す雰囲気センサのヒータ１８上にガス感応膜５１を形成したが、例えば、このガス感応膜５１を、第２及び第３の実施の形態のヒータ、第１の実施の形態の第１乃至第４の変形例のヒータ、第２の実施の形態の第１の変形例のヒータ、第３の実施の形態の第１及び第２の変形例のヒータのいずれかのヒータ上に形成しても良い。
【００８３】
なお、本発明は前述した実施の形態の雰囲気センサに限定されるものではない。前述の説明では、第１乃至第３の実施の形態のヒータの例、第１の実施の形態のヒータの第１乃至第４の変形例、第２の実施の形態のヒータの第１の変形例、第３の実施の形態のヒータの第１及び第２の変形例を示したが、これらの１０通りの例の内の、少なくとも２つの例を組み合わせたものであっても良い。このようにすれば、ヒータ１８の耐久温度はさらに高くなり、より高温で且つ長時間駆動可能で、より安定性の高いヒータを提供することができる。このほか、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、種々変形して実施可能であるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図及び雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。
【図２】第１の実施の形態のヒータの耐久試験を行うヒータ性能評価装置の回路構成図である。
【図３】第１の実施の形態の均熱体を有するヒータから均熱体を取り除いたヒータ及び各パターンの線間隔が同一サイズを持つヒータを示す図である。
【図４】第２の実施の形態の雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。
【図５】第３の実施の形態の雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。
【図６】第１の実施の形態のヒータの第１の変形例を示す図である。
【図７】第２の実施の形態のヒータの第１の変形例を示す図である。
【図８】第１の実施の形態のヒータの第２の変形例を示す図である。
【図９】第１の実施の形態のヒータの第３の変形例を示す図である。
【図１０】第１の実施の形態のヒータの第４の変形例を示す図である。
【図１１】第３の実施の形態のヒータの第１の変形例を示す図である。
【図１２】第３の実施の形態のヒータの第２の変形例を示す図である。
【図１３】第４の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図及び雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。
【図１４】従来の雰囲気センサの構造を示す図である。
【図１５】従来の雰囲気センサの角型状のヒータの溶断を示す図である。
【図１６】従来の雰囲気センサの丸型状のヒータの溶断を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１ 電源
３ ヒータ駆動回路
５ 電圧計
１０ 雰囲気センサ
１２ 基板
１４ 酸化膜
１６ 窒化膜
１７ 酸化ハフニウム
１８ ヒータ
１８Ａ〜１８Ｅ パターン部
１９ ターン部
２０ ダイアフラム
２２ａ，２２ｂ 電極
２５ａ，２５ｂ 均熱体
５１ ガス感応膜
【技術分野】
【０００１】
本発明は、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等の雰囲気センサに関し、特に、より高温で且つ長時間駆動可能な薄膜型マイクロヒータ（発熱抵抗体）を作製することができる雰囲気センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等の雰囲気センサとしては、例えば、特許文献１に記載された雰囲気センサの構造が知られている。
【０００３】
この雰囲気センサの構造を図１４に示す。この雰囲気センサは、凹部１１１を有するセンサ基板１１０と、該センサ基板１１０上に配設された固定部１１２ａと該固定部１１２ａに続く支持架橋部１１２ｂと該支持架橋部１１２ｂを介して凹部１１１の上に橋架された橋架部１１２ｃとからなる薄膜絶縁体１１２と、該薄膜絶縁体１１２の上に配設された発熱抵抗体１１３とからなり、薄膜抵抗体１１３が発生する熱が測定される雰囲気によって奪われることによって生ずる発熱抵抗体１１３の抵抗値から該雰囲気を測定する。
【０００４】
この雰囲気センサにおいては、薄膜絶縁体１１３の固定部１１２ａと支持架橋部１１２ｂとの間の支持架橋端部Ａにおける平面形状が鈍角に形成されているため、支持架橋端部Ａの部分からのひび割れ等を防止することができる。
【０００５】
また、薄膜絶縁体１１３の橋架部１１２ｃの形状は、正方形であり、この正方形の対向する２辺Ｄ１，Ｄ２間に平行に発熱抵抗体１１３をジグザグ状に配置しているため、端部Ｂでの機械的強度の増大を図ることができる。
【０００６】
さらに、前述した雰囲気センサに有する発熱抵抗体１１３にあっては、発熱抵抗体１１３の中央部の温度が周辺部よりも高くなり、発熱抵抗体１１３の中央部が焼損しやすい。
【０００７】
例えば、図１５に示すような、雰囲気センサに用いられるジグザグ状の薄膜型で且つ角形形状のマイクロヒータ（発熱抵抗体）２０１にあっては、ヒータ２０１の両端にＤＣ電源電圧を印加してヒータ２０１を加熱することにより、駆動温度を高くすると、ヒータ２０１の中央部付近である溶断部２０２が溶断してしまう。
【０００８】
また、図１６に示すような、雰囲気センサに用いられるジグザグ状の薄膜型で且つＵ字状のヒータ３０１にあっては、ヒータ３０１の両端に電圧を印加して駆動温度を高くすると、ヒータ３０１の中央付近である溶断部３０２の部分Ａまたは部分Ｂが溶断してしまう。
【０００９】
そこで、橋架部１１２ｃの中央部における発熱抵抗体１１３の間隔ｄ２を周辺部の間隔ｄ１に比較して大きくしている。これによって、温度分布が均一化し、中央部が焼損するおそれもなく、熱共振を起こす心配もなくなる。また、発熱抵抗体１１３の中央部付近に穴１１４を設けて、中央部の熱を発散させることにより、中央部の温度上昇を抑制し、焼損を防止している。
【特許文献１】特開平６−１１８０４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、図１４乃至図１６に示した従来の雰囲気センサにあっては、中央部の焼損を防止できるものの、ヒータの耐久温度や耐久時間が十分でなかった。例えば、ガスセンサの場合、ヒータの温度を約４００℃以上にしなければ、メタンガスを検知できない。このため、より安定してメタンガスを検知するためには、ヒータの温度を４５０℃以上で長時間駆動できる必要があった。そこで、より高温で駆動でき、しかも長時間駆動できるヒータが要望されていた。
【００１１】
また、前述したヒータにおいて、中央部分に穴１１４を設ける場合には、穴１１４を作製しなければならず、ヒータの構造がさらに複雑になるという問題点があった。
【００１２】
本発明は、温度分布を均一にすることによって、より高温で且つ長時間駆動可能なヒータを有する雰囲気センサを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成とした。請求項１の発明は、基板上に所定の厚さで形成されたダイアフラム、このダイアフラム上に形成されたヒータを有しこのヒータが発生する熱が測定される雰囲気によって奪われるもしくは与えられることで生ずるヒータの抵抗値に基づき雰囲気を測定する雰囲気センサであって、前記ダイアフラムに形成された前記ヒータが互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターン部からなり、配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔を各パターンの線幅よりも小さくしたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明は、請求項１記載の雰囲気センサにおいて、配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔を各パターンの線幅に対して略１／３以下にしたことを特徴とする。
【００１５】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２記載の雰囲気センサにおいて、前記ダイアフラムに接触した状態でこのダイアフラム上に形成された誘電体膜を有し、前記ヒータが前記誘電体膜に接触した状態でこの誘電体膜上に形成され、前記誘電体膜は、酸化物と、この酸化物に接触した状態でこの酸化物上に形成された窒化膜と、この窒化膜に接触した状態でこの窒化膜上に形成された酸化ハフニウムとを有し、前記ヒータが前記酸化ハフニウムに接触した状態でこの酸化ハフニウム上に形成されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１の発明によれば、ダイアフラムに形成されたヒータが互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターン部からなり、配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔を各パターンの線幅よりも小さくしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００１７】
請求項２の発明によれば、前記配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔を各パターンの線幅に対して略１／３以下にしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００１８】
請求項３の発明によれば、請求項１又は請求項２記載の効果に加え、ダイアフラムに接触した状態でこのダイアフラム上に形成された誘電体膜を有し、ヒータが誘電体膜に接触した状態でこの誘電体膜上に形成されているので、ヒータが生成する発熱量が基板中に熱拡散する現象を回避することができる。また、誘電体膜は、酸化物と、この酸化物に接触した状態でこの酸化物上に形成された窒化膜と、この窒化膜に接触した状態でこの窒化膜上に形成された酸化ハフニウムとを有し、前記ヒータが前記酸化ハフニウムに接触した状態でこの酸化ハフニウム上に形成されているので、ヒータが生成する発熱量が基板中に熱拡散する現象を回避することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の雰囲気センサのいくつかの実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００２０】
まず、図１５及び図１６に示すようなヒータに直流電圧（ＤＣ電圧）を印加して駆動温度を高くすると、ヒータの中央付近が溶断する。このため、本出願人は、ヒータの温度分布シミュレーションや赤外線放射温度計による温度測定により、ヒータの中央部の温度が最も高く、その部分が溶断することを確認した。
【００２１】
そこで、本出願人は、ヒータの中央部が溶断することなく、ヒータの温度分布を均一になるように設計することにより、より高温で且つ長時間駆動できるようなヒータを作製した。以下、雰囲気センサのヒータ構造についていくつかの例を上げて説明する。
【００２２】
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図及び雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。図２は第１の実施の形態のヒータの耐久試験を行うヒータ性能評価装置の回路構成図である。
【００２３】
この雰囲気センサ１０は、温度センサ、湿度センサ、ガスセンサ、フローセンサ等であり、例えば、図１（ａ）に示すように、シリコン単結晶からなる基板１２、この基板１２の表面に接触して形成された酸化膜１４、この酸化膜１４上で酸化膜１４に接触して形成された窒化膜１６、この窒化膜１６上で窒化膜１６に接触して形成された酸化ハフニウム１７、この酸化ハフニウム１７上で酸化ハフニウム１７に接触して形成され且つ白金からなるヒータ１８、基板１２の裏面に異方性エッチングにより形成されたダイアフラム２０を備えて構成される。また、ヒータ１８は、ダイアフラム２０上に形成されている。
【００２４】
酸化膜１４、窒化膜１６及び酸化ハフニウム１７のそれぞれは、誘電体膜を構成する。酸化膜１４は、基板１２の表面を熱酸化処理することにより得られたシリコン酸化膜であり、厚みが例えば約６０００Åである。窒化膜１６は、厚みが例えば約２５００Åであり、シリコン窒化膜である。酸化ハフニウム１７は、厚みが例えば約５００Åである。
【００２５】
なお、窒化膜１６及び酸化ハフニウム１７に代えて、五酸化タンタル、酸化チタン、酸化アルミニウム（アルミナ）、酸化ジルコニウム等を用いることもできる。
【００２６】
ヒータ１８は、厚さが例えば約５０００Åである。このヒータ１８は、白金の他に、抵抗温度係数が大きく、高温まで熱的に安定な金属または化合物であれば良く、例えば、ニッケル、ロジウム、モリブデン、白金ロジウム、ルテニウムの酸化物、ハフニウムの酸化物等を用いることもできる。
【００２７】
ダイアフラム２０は、シリコン単結晶からなり、図１（ｂ）に示すように、縦サイズがａ１で且つ横サイズがａ２であって正方形をなし、このダイアフラム２０上にヒータ１８が形成されてなる。ヒータ１８は、図１（ｂ）に示すように、縦サイズがｃ１で且つ横サイズがｃ２であって、互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターン部１８Ａからなる。
【００２８】
一方のパターン部１８Ａの一端部には白金からなる電極２２ａが接続されており、他方のパターン部１８Ａの一端部には白金からなる電極２２ｂが接続されている。この電極２２ａ，２２ｂには図２に示す電源１からのＤＣ電圧が印加されるようになっていて、このＤＣ電圧駆動によりヒータ１８が発熱するようになっている。
【００２９】
また、配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔（以下、線間隔と称する。）ｄは、端部に配置されたパターン部から中央部に配置されたパターン部に向かうに従って広くなっている。さらに、この線間隔ｄにヒータの温度分布を均一化するための均熱体２５ａ、２５ｂが形成されてなる。この均熱体２５ａ、２５ｂは、例えば、白金等からなる。
【００３０】
なお、各パターン間の線間隔をｄとする。各パターン部と該パターン部に隣接するパターン部とを連結するための連結パターン部としてのターン部１９の線幅をｂ２とする。
【００３１】
このように構成された第１の実施の形態の雰囲気センサのヒータによれば、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部の線間隔ｄにヒータの温度分布を均一化するための均熱体２５ａ，２５ｂが形成されてなるため、ヒータの均熱性が高まり、ヒータの温度分布が均一化されて、ヒータの中央部付近のみが高温となることなく、中央部付近が溶断せず、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００３２】
また、本出願人は、図２に示すヒータ性能評価装置を用いて、ヒータ１８の耐久試験を行った。このヒータ性能評価装置は、電源１、この電源１からのＤＣ電圧をヒータ１８に印加してヒータ１８に定電流を流してＤＣ連続駆動するヒータ駆動回路３、ヒータ１８の両端電圧を測定する電圧計５を有して構成される。ヒータ１８の駆動温度は、ヒータ１８に流す電流を調整することで任意に設定している。
【００３３】
このようなヒータ性能評価装置によれば、ヒータ駆動回路３が、電源１からのＤＣ電圧をヒータ１８に印加してヒータ１８に定電流を流してＤＣ連続駆動し、電圧計５がヒータ１８の抵抗値の変化を電圧でモニタし、その電圧値によりヒータ１８の溶断を判断する。そして、１４日間、ヒータ１８が溶断せずにヒータ１８を駆動した温度の最高温度をヒータ１８の耐久温度とする。
【００３４】
なお、ヒータ１８は、実際には３０秒毎に１回だけ１００ｍｓオンするパルス駆動で使用するため、例えば、１０年間、ヒータ１８をパルス駆動する場合、その積算オン時間は、ＤＣ連続駆動では、１２．５日に相当する。このため、ヒータ１８の耐久試験期間を１４日とした。ヒータの耐久試験結果を表１に示す。
【表１】
【００３５】
この表１のように、線間隔ｄに均熱体を設けたヒータＡ、このヒータＡから均熱体を取り除いた図３（ａ）に示すようなヒータＢ、線間隔ｄが各パターンについて同じとした図３（ｂ）に示すようなヒータＣについて耐久試験を行った。ヒータＡ及びヒータＢの線間隔ｄは、‘５’，‘１０’，‘２０’，‘３０’であり、ヒータＣの線間隔ｄは、‘１０’である。
【００３６】
ヒータＡの耐久温度は、５７５℃であり、ヒータＢの耐久温度は、５５０℃であり、ヒータＣの耐久温度は、５２５℃である。ヒータの線間隔ｄに均熱体を設けると、耐久温度が高いことが確認された。このため、より高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを作製することができた。
【００３７】
また、第１の実施の形態の雰囲気センサでは、酸化膜１４、窒化膜１６、及び酸化ハフニウム１７を設けたので、ヒータ１８が生成する発熱量が基板１２中に熱拡散する現象を回避することができる。
【００３８】
また、ヒータ１８が白金を用いて形成されているので、化学的に安定な白金をヒータに用いることにより、長期的に高い安定性、再現性及び信頼性を有する雰囲気センサを実現することができる。
【００３９】
（第２の実施の形態）
図４は第２の実施の形態の雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。図４に示すヒータでは、配設された複数のパターン部の各パターン部１８Ａの線幅ｂ１，ｂ２を予め定められた標準的な線幅よりも太くしたことを特徴とする。ここで、予め定められた標準的な線幅とは、従来のヒータにおけるパターン部の線幅である。
【００４０】
なお、第２の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００４１】
このようなヒータによれば、配設された複数のパターン部の各パターン部１８Ａの線幅ｂ１，ｂ２を予め定められた標準的な線幅よりも太くしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化される。また、線幅ｂ１，ｂ２が太いため、中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００４２】
また、本出願人は、図２に示すヒータ性能評価装置を用いて、ヒータの耐久試験を行った。ヒータの耐久試験結果を表２に示す。
【表２】
【００４３】
この表２のように、ヒータの線幅ｂ１，ｂ２の太さを変えたヒータＡ、ヒータＢ、ヒータＣについて耐久試験を行った。ヒータＣが従来のヒータに対応し、そのヒータＣの線幅は、‘１０’である。ヒータＢの線幅は、‘３０’であり、ヒータＡの線幅は、‘４０’である。
【００４４】
ヒータＡの耐久温度は、５７５℃であり、ヒータＢの耐久温度は、５２５℃であり、ヒータＣの耐久温度は、４７５℃であり、ヒータの線幅ｂ１，ｂ２が太い方が、耐久温度が高いことが確認された。このため、より高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを作製することができた。
【００４５】
（第３の実施の形態）
図５は第３の実施の形態の雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。第３の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００４６】
図５において、ヒータが互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターン部１８Ａからなり、配設された複数のパターン部の各パターン部の線間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して略数分の１以下にしたことを特徴とする。すなわち、線間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して十分に狭くしたことを特徴とする。
【００４７】
このようなヒータによれば、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部の間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して略数分の１以下にしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００４８】
また、本出願人は、図２に示すヒータ性能評価装置を用いて、ヒータの耐久試験を行った。ヒータの耐久試験結果を表３に示す。
【表３】
【００４９】
この表３のように、ヒータの線線幅ｄを変えたヒータＡ、ヒータＢ、ヒータＣについて耐久試験を行った。ヒータＡ〜Ｃの線幅ｂ１，ｂ２は、‘３０’であり、ヒータＡの線間隔ｄは、‘５’であり、ヒータＢの線間隔は、‘１０’であり、ヒータＣの線間隔は、‘２０’である。
【００５０】
ヒータＡの耐久温度は、５７５℃であり、ヒータＢの耐久温度は、５２５℃であり、ヒータＣの耐久温度は、４７５℃であり、ヒータの線間隔ｄが小さい方が、耐久温度が高いことが確認された。このため、より高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを作製することができた。
【００５１】
（第１の実施の形態の第１の変形例）
図６は第１の実施の形態のヒータの第１の変形例を示す図である。第１の実施の形態のヒータの第１の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００５２】
図６に示すヒータでは、図１に示す第１の実施の形態のヒータに対して、さらに、ヒータの各パターン部１８Ａの線幅ｂ１，ｂ２をさらに太くしたことを特徴とする。
【００５３】
このように、各パターン部１８Ａの線幅をさらに太くしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化される。また、線幅が太いため、中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００５４】
従って、第１の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００５５】
（第２の実施の形態の第１の変形例）
図７は第２の実施の形態のヒータの第１の変形例を示す図である。第２の実施の形態のヒータの第１の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００５６】
図７に示すヒータでは、図４に示す第２の実施の形態のヒータに対して、さらに、配設された複数のパターン部の各パターン部の線間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して十分に狭くしたことを特徴とする。
【００５７】
このようなヒータによれば、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部の間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して十分に狭くしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００５８】
従って、第２の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００５９】
（第１の実施の形態の第２の変形例）
図８は第１の実施の形態のヒータの第２の変形例を示す図である。第１の実施の形態のヒータの第２の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００６０】
図８に示すヒータでは、図１に示す第１の実施の形態のヒータに対して、さらに、配設された複数のパターン部の各パターン部の線間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して十分に狭くしたことを特徴とする。
【００６１】
このようなヒータによれば、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部の間隔ｄを各パターンの線幅ｂ１に対して十分に狭くしたので、ヒータの均熱性が向上し、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００６２】
従って、第１の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００６３】
（第１の実施の形態の第３の変形例）
図９は第１の実施の形態のヒータの第３の変形例を示す図である。第１の実施の形態のヒータの第３の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００６４】
図９に示すヒータ１８は、図１に示す第１の実施の形態のヒータに対して、さらに、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部と該パターン部に隣接するパターン部とを連結するための連結パターン部としてのターン部１９Ａ〜１９Ｄの線幅ｂ２が、複数のパターン部１８Ａの内の端部に配置されたパターン部から中央部に配置されたパターン部に向かうに従って太くなっていることを特徴とする。
【００６５】
このようなヒータによれば、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部と該パターン部に隣接するパターン部とを連結するための連結パターン部としてのターン部１９Ａ〜１９Ｄの線幅ｂ２が、複数のパターン部１８Ａの内の端部に配置されたパターン部から中央部に配置されたパターン部に向かうに従って太くなっているので、中央部付近の連結パターン部の発熱量が小さくなる。このため、ヒータ中央部付近のみが高温とならず、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００６６】
従って、第１の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００６７】
（第１の実施の形態の第４の変形例）
図１０は第１の実施の形態のヒータの第４の変形例を示す図である。第１の実施の形態のヒータの第４の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００６８】
図１０に示すヒータ１８は、図１に示す第１の実施の形態のヒータに対して、さらに、配設された複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの長手方向の線幅ｂ１が、複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの内の端部に配置されたパターン部１８Ａから中央部に配置されたパターン部１８Ｅに向かうに従って太くなっている。
【００６９】
このように、配設された複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの長手方向の線幅ｂ１が、複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの内の端部に配置されたパターン部１８Ａから中央部に配置されたパターン部１８Ｅに向かうに従って太くなっている。すなわち、温度が高い中央部付近のパターン部の線幅を太くすることにより、その部分が溶断しにくくなり、さらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。従って、第１の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００７０】
（第３の実施の形態の第１の変形例）
図１１は第３の実施の形態のヒータの第１の変形例を示す図である。第３の実施の形態のヒータの第１の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００７１】
図１１に示すヒータ１８は、図５に示す第３の実施の形態のヒータに対して、さらに、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部と該パターン部に隣接するパターン部とを連結するための連結パターン部としてのターン部１９Ａ〜１９Ｄの線幅ｂ２が、複数のパターン部１８Ａの内の端部に配置されたパターン部から中央部に配置されたパターン部に向かうに従って太くなっていることを特徴とする。
【００７２】
このようなヒータによれば、配設された複数のパターン部１８Ａの各パターン部と該パターン部に隣接するパターン部とを連結するための連結パターン部としてのターン部１９Ａ〜１９Ｄの線幅ｂ２が、複数のパターン部１８Ａの内の端部に配置されたパターン部から中央部に配置されたパターン部に向かうに従って太くなっているので、中央部付近の連結パターン部の発熱量が小さくなる。このため、ヒータ中央部付近のみが高温とならず、ヒータの温度分布が均一化されて中央部付近が溶断しにくくなり、ヒータの耐久温度を高くすることができる。
【００７３】
従って、第３の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００７４】
（第３の実施の形態の第２の変形例）
図１２は第３の実施の形態のヒータの第２の変形例を示す図である。第３の実施の形態のヒータの第２の変形例の雰囲気センサの全体構成図は、図１（ａ）に示す第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図と同一構成であるので、ここでは、その詳細は省略する。
【００７５】
図１２に示すヒータ１８は、図５に示す第３の実施の形態のヒータに対して、さらに、配設された複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの長手方向の線幅ｂ１が、複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの内の端部に配置されたパターン部１８Ａから中央部に配置されたパターン部１８Ｅに向かうに従って太くなっている。
【００７６】
このように、配設された複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの長手方向の線幅ｂ１が、複数のパターン部１８Ａ〜１８Ｅの内の端部に配置されたパターン部１８Ａから中央部に配置されたパターン部１８Ｅに向かうに従って太くなっている。すなわち、温度が高い中央部付近のパターン部の線幅を太くすることにより、その部分が溶断しにくくなり、さらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。従って、第３の実施の形態のヒータの耐久温度よりもさらに、ヒータの耐久温度を高くすることができる。その結果、さらに高温で駆動でき、しかもより長時間駆動できるヒータを提供することができる。
【００７７】
（第４の実施の形態）
次に、本発明の第４の実施の形態の雰囲気センサを説明する。図１３は第４の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図及び雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。
【００７８】
この雰囲気センサは、図１に示す雰囲気センサの構成に加え、ヒータ１８に接触した状態でこのヒータ１８上に形成され且つヒータ１８の発熱量に応じて発熱して可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層としてのガス感応膜５１を設けたことを特徴とする。
【００７９】
この雰囲気センサは、例えば、接触燃焼式ガスセンサ等であり、可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することによって可燃性ガスを検量するもので、前記ヒータ１８が可燃性ガスの燃焼を促すように機能する。ガス感応膜５１としては、パラジウム等の白金族触媒を担持したアルミナ等の担体を用いることができる。
【００８０】
このような雰囲気センサによれば、可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層としてのガス感応膜５１を設けたので、十分なガス検知感度を実現でき、さらに、長期的に高い安定性、再現性及び信頼性を有する接触燃焼式ガスセンサ等のガスセンサを実現することができる。
【００８１】
また、ガス感応膜５１をヒータ１８上に形成した雰囲気センサは、ガス感応膜５１をヒータ１８上に形成しない雰囲気センサよりもヒータ１８の耐久温度が例えば約５０℃程度低下するが、前述のヒータ構造により、ヒータ１８の温度分布を均一化することで、ヒータ１８の耐久温度を上げることができ、燃焼温度の高い各種のガスを識別することができる。
【００８２】
また、第４の実施の形態の雰囲気センサは、図１に示す雰囲気センサのヒータ１８上にガス感応膜５１を形成したが、例えば、このガス感応膜５１を、第２及び第３の実施の形態のヒータ、第１の実施の形態の第１乃至第４の変形例のヒータ、第２の実施の形態の第１の変形例のヒータ、第３の実施の形態の第１及び第２の変形例のヒータのいずれかのヒータ上に形成しても良い。
【００８３】
なお、本発明は前述した実施の形態の雰囲気センサに限定されるものではない。前述の説明では、第１乃至第３の実施の形態のヒータの例、第１の実施の形態のヒータの第１乃至第４の変形例、第２の実施の形態のヒータの第１の変形例、第３の実施の形態のヒータの第１及び第２の変形例を示したが、これらの１０通りの例の内の、少なくとも２つの例を組み合わせたものであっても良い。このようにすれば、ヒータ１８の耐久温度はさらに高くなり、より高温で且つ長時間駆動可能で、より安定性の高いヒータを提供することができる。このほか、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、種々変形して実施可能であるのは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００８４】
【図１】第１の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図及び雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。
【図２】第１の実施の形態のヒータの耐久試験を行うヒータ性能評価装置の回路構成図である。
【図３】第１の実施の形態の均熱体を有するヒータから均熱体を取り除いたヒータ及び各パターンの線間隔が同一サイズを持つヒータを示す図である。
【図４】第２の実施の形態の雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。
【図５】第３の実施の形態の雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。
【図６】第１の実施の形態のヒータの第１の変形例を示す図である。
【図７】第２の実施の形態のヒータの第１の変形例を示す図である。
【図８】第１の実施の形態のヒータの第２の変形例を示す図である。
【図９】第１の実施の形態のヒータの第３の変形例を示す図である。
【図１０】第１の実施の形態のヒータの第４の変形例を示す図である。
【図１１】第３の実施の形態のヒータの第１の変形例を示す図である。
【図１２】第３の実施の形態のヒータの第２の変形例を示す図である。
【図１３】第４の実施の形態の雰囲気センサの全体構成図及び雰囲気センサに設けられたヒータの構造図である。
【図１４】従来の雰囲気センサの構造を示す図である。
【図１５】従来の雰囲気センサの角型状のヒータの溶断を示す図である。
【図１６】従来の雰囲気センサの丸型状のヒータの溶断を示す図である。
【符号の説明】
【００８５】
１ 電源
３ ヒータ駆動回路
５ 電圧計
１０ 雰囲気センサ
１２ 基板
１４ 酸化膜
１６ 窒化膜
１７ 酸化ハフニウム
１８ ヒータ
１８Ａ〜１８Ｅ パターン部
１９ ターン部
２０ ダイアフラム
２２ａ，２２ｂ 電極
２５ａ，２５ｂ 均熱体
５１ ガス感応膜
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に所定の厚さで形成されたダイアフラム、このダイアフラム上に形成されたヒータを有しこのヒータが発生する熱が測定される雰囲気によって奪われるもしくは与えられることで生ずるヒータの抵抗値に基づき雰囲気を測定する雰囲気センサであって、
前記ダイアフラムに形成された前記ヒータが互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターン部からなり、配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔を各パターンの線幅よりも小さくしたことを特徴とする雰囲気センサ。
【請求項２】
前記配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔を各パターンの線幅に対して略１／３以下にしたことを特徴とする請求項１記載の雰囲気センサ。
【請求項３】
前記ダイアフラムに接触した状態でこのダイアフラム上に形成された誘電体膜を有し、前記ヒータが前記誘電体膜に接触した状態でこの誘電体膜上に形成され、前記誘電体膜は、酸化物と、この酸化物に接触した状態でこの酸化物上に形成された窒化膜と、この窒化膜に接触した状態でこの窒化膜上に形成された酸化ハフニウムとを有し、前記ヒータが前記酸化ハフニウムに接触した状態でこの酸化ハフニウム上に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の雰囲気センサ。
【請求項１】
基板上に所定の厚さで形成されたダイアフラム、このダイアフラム上に形成されたヒータを有しこのヒータが発生する熱が測定される雰囲気によって奪われるもしくは与えられることで生ずるヒータの抵抗値に基づき雰囲気を測定する雰囲気センサであって、
前記ダイアフラムに形成された前記ヒータが互いに略平行且つジグザグ状に配設された複数のパターン部からなり、配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔を各パターンの線幅よりも小さくしたことを特徴とする雰囲気センサ。
【請求項２】
前記配設された複数のパターン部の各パターン部の間隔を各パターンの線幅に対して略１／３以下にしたことを特徴とする請求項１記載の雰囲気センサ。
【請求項３】
前記ダイアフラムに接触した状態でこのダイアフラム上に形成された誘電体膜を有し、前記ヒータが前記誘電体膜に接触した状態でこの誘電体膜上に形成され、前記誘電体膜は、酸化物と、この酸化物に接触した状態でこの酸化物上に形成された窒化膜と、この窒化膜に接触した状態でこの窒化膜上に形成された酸化ハフニウムとを有し、前記ヒータが前記酸化ハフニウムに接触した状態でこの酸化ハフニウム上に形成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の雰囲気センサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００６−１７７９７２（Ｐ２００６−１７７９７２Ａ）
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２８８８５（Ｐ２００６−２８８８５）
【出願日】平成１８年２月６日（２００６．２．６）
【分割の表示】特願平１１−２６９４７３の分割
【原出願日】平成１１年９月２２日（１９９９．９．２２）
【出願人】（０００００６８９５）矢崎総業株式会社 (7,019)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月６日（２００６．２．６）
【分割の表示】特願平１１−２６９４７３の分割
【原出願日】平成１１年９月２２日（１９９９．９．２２）
【出願人】（０００００６８９５）矢崎総業株式会社 (7,019)
【Ｆターム（参考）】
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