JP4298637B2

JP4298637B2 - 気体センサとこれを用いた気体センシング装置

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Publication number: JP4298637B2
Application number: JP2004347707A
Authority: JP
Inventors: 光照木村; 平雄太田
Original assignee: Mems Core Co Ltd
Current assignee: Mems Core Co Ltd
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2009-07-22
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: JP2006153769A

Description

本発明は、周囲気体の流れを遮断したチャンバ内に設置し、基板から熱分離した薄膜に、形成したヒータと温度センサとを個別に備え、温度計測、温度制御を高感度かつ高精度で実現する気体センサと、これを用いて、チャンバ内の真空度や気体の成分の分析が出来るようにした気体センシング装置に関するものである。

気体センサを熱伝導型の真空センサとして使用する従来の真空センサには、ピラニー真空計と熱電対真空計がある。ピラニー真空計では、ヒータである金属細線（以下細線ヒータ）に電流を流すと発熱し、その熱は気体分子の熱伝導や細線ヒータを伝わる固体伝導、輻射によって放熱され、気体分子が奪う熱量が圧力に依存することを利用している。この気体センサは、金属円筒の内部に金属細線ヒータを張り、細線ヒータの温度を一定に保つために、細線ヒータに流す電流を制御する。気体分子が奪う熱量で細線ヒータに流れる電流が変化し、この変化量を利用して圧力を表示する。

また、熱電対真空計においては、細線ヒータと熱電対が熱的に分離した気体センサと、細線ヒータと熱電対が密着した気体センサがある。細線ヒータと熱電対が熱的に分離した気体センサは、周囲気体分子の熱伝導を利用し、細線ヒータに一定の電流を流し、熱的に分離した細線ヒータと熱電対間の熱伝導が圧力に対して依存することを利用した気体センサである。この細線ヒータと熱電対が熱的に分離した気体センサの装置は、熱電対の起電力を利用して圧力を表示した装置である。

一方、細線ヒータと熱電対が密着した気体センサは、細線ヒータから気体分子が奪う熱量を利用し、熱電対が密着した細線ヒータに一定の電流を流し、圧力に対して熱電対の起電力が依存することを利用した気体センサであり、熱電対の起電力を利用して圧力を表示した装置である。

ピラニー真空装置においては、金属の抵抗値が温度に対してほぼ比例して増加することを利用するので、抵抗値の変化を検出する回路は、交流ブリッジ回路或は、直流ブリッジ回路が用いられ、細線ヒータの所要の温度を一定に保つために、負帰還回路で、細線ヒータに流す電流を制御して、抵抗値が一定値になるように制御している。ブリッジ回路の出力を圧力に換算し表示している。
熱電対真空装置においては、細線ヒータと熱電対が熱的に分離した真空センサと、細線ヒータと熱電対が密着した真空センサがあるが、両真空センサ共に、細線ヒータに定電流回路で所要の一定電流を流し、気体分子が奪う熱量が圧力に対して依存した温度変化を熱電対で検知し、その起電力を電圧変換し、圧力に換算し表示している。

しかしながら、金属円筒の内部に細線ヒータを張った真空センサは、細線ヒータである金属の小さな抵抗温度係数を利用するので、温度変化に対する出力変化が小さく、感度が小さい。また、細線ヒータと熱電対が一定の距離をおいて配置した真空センサは、細線ヒータと熱電対を均一に接近させているので熱輻射も寄与し、精度が劣り、気体の熱伝導を主に利用したいが、細線ヒータの表面積は小さいので、温度変化が小さく感度が劣る。細線ヒータと熱電対が接着した真空センサは、細線ヒータの接触している表面積が小さく、細線ヒータの一部に熱電対を接着し、固体熱伝導をも利用するので細線ヒータ全体の温度変化の一点を熱電対で検出するので感度が劣る。細線ヒータの部材には主に、白金あるいはタングステンの細線ヒータが用いられ、所要の抵抗値を得るのに細線ヒータを直線、あるいは蛇行させて配置し、所要の温度を得ているので形状が大きくなるという問題があった。

上記の問題を解決するために本発明の請求項1に係わる気体センサのセンサチップを図１に示した。基板1から熱分離した２個の薄膜(４ａ，４ｂ)を空隙３００を介して対向させる構造とした。薄膜４ａにはヒータ６とこのヒータの近傍に温度センサＴＳａを個別に設けている。薄膜４ａと対向している薄膜４ｂには測定用の温度センサＴＳｂが設置してある。薄膜４ａ上のヒータ６によって上げられた温度を温度センサＴＳａで測定し、一定の温度に制御する。この熱が空隙３００を介して熱伝導により薄膜４ｂに伝えられ、この温度を温度センサＴＳｂで測定して、空隙を満たしている気体の種類や密度の情報を得る構造とした。周囲気体の流れを遮断したチャンバ内に設置して、基板から熱分離した薄膜にヒータと薄膜状の温度センサを、個別に形成した。

また、請求項２に係わるセンシングデバイスとしては、熱伝導型の温度センサであり、前記の薄膜４ａ，薄膜４ｂとこれらの間の空隙３００との関係では、薄膜４ａのヒータ６は所要の温度に設定し、温度センサＴＳａでヒータ６の温度を測定と同時に、負帰還の回路により、所要の温度で一定に制御する。この熱が空隙３００の幅を薄膜４aと薄膜４ｂの幅のいずれよりも小さくすることにより、熱が空隙３００を介しての熱伝達がよくなり、薄膜４ｂに伝えられる。この温度を温度センサＴＳｂで測定して、空隙を満たしている気体の種類や密度の情報を得る構造とした。消費電力が小さく高速応答、小型でより高感度の真空センサを可能にした。そして、これを用いた気体センシング装置を提供することができるようにした。

また、請求項３に係わるセンシングデバイスとしては、請求項１と請求項２の気体センサのおいて、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力を利用して、前記チャンバ内の周囲気体の気圧もしくはその成分を計測できるようにした気体センサおいて、周囲気体温度の変化により、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂの温度出力に影響を与える。これを小さくするために周囲気体温度Ｔｃを検出する温度センサＴＳｃを、基板１に設けた。これにより、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂの温度出力に補正を行うことで影響を小さくした。これにより、消費電力が小さく高速応答、小型でより高感度と高精度の真空センサを可能にした。また、これを用いた気体センシング装置を提供することができるようにした。

また、請求項４に係わるセンシングデバイスとしては、請求項１から請求項３の気体センサのおいて、温度センサＴＳａおよび温度センサＴＳｂ、温度センサＴＳｃをバイポーラトランジスタもしくは半導体ダイオードとし、半導体ダイオードの主に順方向特性を一定電圧駆動を行い、温度に対する電流変化を電圧変換後、温度に換算する。半導体ダイオードを一定電圧駆動するので電流変化が温度変化に対して大きい変化する。バイポーラトランジスタはベース、エミッタのダイオード特性を使用することにより、半導体ダイオードと同等の特性を得ることができる。これにより、消費電力が小さく高速応答、小型でより高感度と高精度の真空センサを可能にした。また、これを用いた気体センシング装置を提供することができるようにした。

また、請求項５に係わる気体センシング装置としては、請求項1から請求項4のいずれかに記載の気体センサを使用して、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂ、温度センサＴＳｃの温度を信号増幅回路、駆動電源回路で制御出力し、この温度信号を、演算回路、メモリ回路、表示部で信号処理を行い、前記チャンバ内の周囲気体の気圧もしくはその成分を計測できるようにした。これにより、高速応答で、小型でより高感度と高精度の気体センシング装置を提供することができるようにした。

本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。それぞれの基板から熱分離された薄膜4ａと薄膜4ｂが、互いに空隙と周囲気体を介して、面として熱伝達を行うために、感度が上がるようにできる。さらに、小型で固体熱伝導や輻射による放熱量が少なくできるので、消費電力が小さく高速応答、小型で高感度の真空センサを可能にした。ヒータと温度センサを個別に形成することによりそれぞれの最良なものを使うことが可能であり、また、互いの影響がないように性能を上げて測定できる。
基板から熱分離した薄膜４ａと薄膜４ｂ、空隙３００に薄膜のヒータ６と温度センサが集中して集積化されているので、薄膜のヒータ６の熱容量が小さくてすみ、低消費電力で、小型の気体センサを用いた計測装置が形成できる。また、薄膜を４ａと薄膜４ｂに分割したので、ヒータからの熱が、周囲気体を通じてのみ熱伝達されるから高感度の真空センサ等の熱型の気体センサが提供できる。周囲気体の温度を検出する温度センサを設けているので周囲温度の影響を補正でき、より精度の高い計測装置を提供できる。

上記の目的を達成する為に本発明の請求項１に係わる気体センサは、周囲気体の流れを遮断したチャンバ内に設置した基板１と、この基板１から熱分離した２個の薄膜４ａ、薄膜４ｂを空隙３００を介して配置し、一方の薄膜４ａには、少なくとも１個のヒータ６とこのヒータ６の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａとを個別に設けてあり、他方の薄膜４ｂには、温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、薄膜４ｂに接する周囲気体の熱伝導により、場所Bの温度が上昇するように構成し、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力を利用して、前記チャンバ内の周囲気体の気圧もしくはその成分を計測するようにしたものと、周囲気体の流れを遮断した円筒または、多角形筒の中に気体センサを配置し周囲気体の気圧もしくはその成分を周囲気体の流れに影響されないで計測するようにしたものもある。また、周囲気体の流れを遮断した円筒または、多角形筒に気体センサ検知面上に周囲気体雰囲気と同じになるように小さな穴をあけ、高感度で計測するようにしたものもある。

本発明の請求項２に係わる気体センサは、請求項１において薄膜４aの場所Ａの温度センサＴＳａから、距離を隔てた空隙３００の幅を、薄膜４aと薄膜４ｂの幅のいずれよりも小さくなるようにしたものであり、薄膜４ａと薄膜４ｂが近接するから被測定周囲気体を通して薄膜４ａから薄膜４ｂに熱伝達しやすいので高感度である。

本発明の請求項３に係わる気体センサは請求項１と請求項２において周囲気体の温度Ｔｃを検出する温度センサＴＳｃを、基板１に設けた場合で、計測により周囲気体の温度Ｔｃよりも所定の温度を数十度温度が高くなるようにヒータを制御するとよい。

本発明の請求項４に係わる気体センサは、請求項１から請求項３の気体センサの構造において、そこに用いる温度センサとして高感度、高精度であり、かつ単純で集積可能な温度センサとして、バイポーラトランジスタもしくは半導体ダイオードとした場合である。

本発明の請求項５に係わる気体センシング装置は、請求項1から請求項５のいずれかに記載の気体センサと、該気体センサの温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力を利用し、信号増幅回路、演算回路、メモリ回路、駆動電源回路、表示部を必要に応じて設け、前記チャンバ内の周囲気体の気圧もしくはその成分を計測できるようにした気体センシング装置である。

発明の実施の形態

以下、本発明の気体センサとこれを用いた気体センシング装置の実施例について図面を参照して詳しく説明する。
図１の（ａ）は気体センサの気体センシング部であるセンサチップの平面概略図で、図１の（ｂ）は図１の（ａ）におけるＸ−Ｘ‘から見た断面形状図で、図２は気体センサを含めた気体センシング装置の系統図を示す。

図１の（ａ）は気体センサの気体センシング部であるセンサチップの平面概略図で、図１の（ｂ）は図１の（ａ）におけるＸ−Ｘ‘から見た断面形状図で、図２は気体センサを含めた気体センシング装置の系統図を示す。
このセンサチップはシリコンSOI基板である基板１を用いた場合の実施例で下地基板２には空洞３が形成されてあり、空洞３の上部には、基板１から熱分離するのに、溝４０を設け、このためために残された薄膜４ａ、薄膜４ｂは、４箇所にある梁５ａで支えられた薄膜４ａと、空隙３００を介して３箇所にある梁５ｂで支えられた薄膜４ｂで形成されてあり、この薄膜４ａ、薄膜４ｂとこれらの梁５ａ、梁５ｂはSOI基板のBOX層１０と単結晶シリコン薄膜２０とを主構成材料としている。このため薄膜４ａ、薄膜４ｂは、宙に浮いた構造で、基板から熱分離された構造になっている。

また、単結晶シリコン薄膜２０はp型層２１０の場合であり、ここにn型の不純物拡散により形成したn型層２２０を薄膜のヒータ６として利用できるようにしている。このn型層２２０の薄膜のヒータ６は、周囲のp型層２１０に対して異なる導電型なので、これらの間にpn接合が形成されており、このヒータ６を周囲のp型層２１０から電気的に絶縁分離されている構造である。従って、ヒータ電極１４０に電流を流した時、ヒータ６だけに電流が流れるようにすることができ、ヒータ６だけをジュール加熱できる。

また、薄膜のヒータ６と同時にn型層２２０が、薄膜４ａ、薄膜４ｂに形成さたpn接合ダイオードが存在し、場所Aにあるヒータ６の温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａとし、場所Bの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとして用いている。また、周囲気体の温度Ｔｃを検出する温度センサＴＳｃも薄膜のヒータ６と同時に形成されたn型層２２０領域が存在し、pn接合ダイオードが形成されている。

また、配線１５０やpｎ接合ダイオードのｐ型電極１２０とpｎ接合ダイオードのｎ型電極１３０に電流を印加するので、配線１５０やpｎ接合ダイオードのｐ型電極１２０とpｎ接合ダイオードのｎ型電極１３０と単結晶シリコン薄膜２０の間にシリコン酸化膜５１を形成して絶縁している。

上述では、pn接合ダイオード７ａを温度センサＴＳａ、pn接合ダイオード７ｂを温度センサＴＳｂ、pn接合ダイオード７ｃを温度センサＴＳcとして、pn接合ダイオードを用いた場合であるが、これをバイポーラトランジスタのベースとエミッタのpn接合を用いてもよい。また、温度係数を持つ素子を用いてもよい。

図１のａ、図１のｂに示すセンサチップは、単結晶シリコンの公知の半導体微細加工技術、異法性エッチング技術を用いて形成でき、不純物拡散工程、熱酸化工程などを用いことで、配線１５０やpｎ接合ダイオードのｐ型電極１２０、pｎ接合ダイオードのｎ型電極１３０の形成なども既成技術で容易に形成できる。また、電極などの金属化は基板１にある空洞３の形成時に用いる異方性エッチングであるアルカリエッチング溶液に対して耐性のある金属を用いるのがよい。しかし、アルミニウムなどの耐性の無い金属を使用するときは、アルミニウムとシリコンの合金として、耐性を持たせるか、または、その上に保護膜を形成しておいてから異法性エッチングを行う必要がある。ここでは、シリコン酸化膜５２を用いている。

次にヒータ６で熱せられた薄膜４ａと、場所Aのpn接合ダイオード７ａからなる温度センサＴＳａの温度Ｔａと、場所Aから離れ、空隙３００を介して、薄膜４ｂの場所Bが、空隙３００の熱伝導により熱せられた薄膜４ｂの場所Bのpn接合ダイオード７ｂからなる温度センサＴＳｂの温度Ｔｂによる周囲気体の気圧計測、及び装置について説明する。

基板１であるシリコンSOI基板のSOI薄膜部分の薄膜４ａ、４ｂ（単結晶シリコン薄膜２０を含む）の厚みを６μｍ、溝４０で囲まれた薄膜の大きさは（薄膜４ａ、４ｂ合わせた）４００μｍ×１５００μｍ、BOX層１０の厚みを１μｍとし、n型層２２０の形成のためn型の不純物拡散をした場合、不純物拡散温度やその時間にも依るが、薄膜のヒータ６の抵抗値はほぼ６０Ωであった。ヒータ電極１４０に直流電流を数十ｍＡ流した時２００℃以上に温度上昇した。ヒータ６は基板１から熱分離した薄膜４ａの場所Aの近傍にヒータ６と温度センサＴＳａとを個別に設けて配置されており、場所Aの周囲気体への熱伝導による放熱も合わせて、温度センサＴＳａ（pn接合ダイオード７ａ）で検出した温度Ｔａと、場所Aから離れ、空隙３００を介しての熱伝導と周囲気体の熱伝導により熱せられた薄膜４ｂの場所Bの温度センサＴＳｂ（pn接合ダイオード７ｂ）で検出した温度Ｔｂの温度とは、熱伝導による放熱と空隙３００を介しての熱伝導で温度勾配ができ、必ず、温度Ｔａより温度Ｔｂが低くなる。

本実施例を図２の系統図を含めた実施例は、温度Ｔａを計測する「温度センサＴＳａ」に「信号増幅回路」から、温度センサＴＳａを動作させるために所要のバイアス電圧を供給し、「信号増幅回路」で所定の温度に相当する電圧に変換し、場所A点の温度Ｔａを所定の温度になるように「信号増幅回路」から「ヒータ６」へ電力供給し、所定の温度を維持するようにする。

場所Bの温度Ｔｂを計測する「温度センサＴＳｂ」に「信号増幅回路」から温度センサＴＳｂを動作させるための所要のバイアス電圧を供給し、周囲気体の気圧が大気圧から、周囲気体の気圧が低くなると、場所A点の温度Ｔａ及び場所Bの温度Ｔｂにおける周囲気体の熱伝導率が低下して放熱が悪くなり、場所A及び場所Bの冷却効果が低下するので、場所Aの温度Ｔａを所定の温度に維持させるためには、「ヒータ６」の供給電力を下げなければならない。場所A点の温度Ｔａは所定温度に維持しているので、ヒータ６から主に薄膜４ａと空隙３００の熱伝導により、薄膜４ｂの場所Bが熱せらるが、周囲気体の熱伝導率が大きいほど、ヒータ６の場所A点の温度Ｔａと場所Bの温度Ｔｂとの温度差大きくなる。

これらの温度差の検出を「信号増幅回路」で行い、この温度差情報と、周囲気体の温度Ｔｃの情報（温度Ｔｃを計測する系統は、温度Ｔａ及び温度Ｔｂと同様である）を利用して、温度差に相当する電圧を真空度に換算した真空度計として、また温度Ｔｃの情報をチャンバ内の温度情報として、「演算回路」、「メモリ回路」で信号処理を行い「表示回路」で表示させることができる。

また、ヒータ６に短形波で電圧を印加されるように、温度設定を短形波で設定し、少消費電力の真空計にすることもできる。「信号増幅回路」の出力電圧を、「演算回路」でデジタル化し、「メモリ回路」で所要のデータを記憶しておき、所要の信号処理などを行い「表示回路」表示することができる。「駆動電源回路」は各回路に動作に必要な電力を供給する回路である。

また、単結晶シリコン薄膜２０はp型層２１０の場合であり、ここにn型の不純物拡散により形成したn型層２２０を薄膜のヒータ６として利用できるようにしている。このn型層２２０の薄膜のヒータ６は、周囲のp型層２１０に対して異なる導電型なので、これらの間にpn接合が形成されており、このヒータ６を周囲のp型層２１０から電気的に絶縁分離されている構造である。従って、ヒータ電極１４０に電流を流した時、ヒータ６だけに電流が流れるようにすことができ、ヒータ６だけをジュール加熱できる。

基板１をシリコン半導体基板に形成できるので、気体センシングシステムに必要な回路、及び計測装置の一部として必要な回路を集積化できるので、きわめて小型で電力消費が微小で、信頼性の高い計測装置が提供できる。

(ａ)本発明の気体センサの一実施例を示す概略図である。 (ｂ)図１(ａ)のＸ−Ｘ‘での断面図である。本発明の気体センシング装置の一実施例を示す系統図である。

符号の説明

１基板
２下地基板
３空洞
４a、４ｂ薄膜
５a、５b 梁
６ヒータ
７a、７b、７c pn接合ダイオード（温度センサ）
１０ BOX層
２０単結晶シリコン薄膜
４０溝
５１、５２シリコン酸化膜
１２０ pn接合ダイオードのp型電極
１３０ pn接合ダイオードのn型電極
１４０ヒータ電極
１５０配線
２１０ p型層
２２０ n型層
３００空隙

Claims

周囲気体の流れを遮断したチャンバ内に設置した基板（１）と、該基板（１）から熱分離した２個の薄膜（４ａ、４ｂ）を互いに独立するような空隙（３００）を介して配置し、一方の薄膜（４ａ）には、少なくとも１個のヒータ（６）と該ヒータ（６）の場所Aの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａとを個別に設けてあり、他方の薄膜（４ｂ）には、温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、薄膜（４ｂ）に接する周囲気体の熱伝導のみにより、場所Bの温度が上昇するように構成し、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力を利用して、前記チャンバ内の周囲気体の気圧もしくはその成分を計測できるようにしたことを特徴とする気体センサ。
空隙（３００）の幅を薄膜（４a）と薄膜（４ｂ）の幅のいずれよりも小さくなるようにした請求項１記載の気体センサ。
周囲気体の温度Ｔｃを検出する温度センサＴＳｃを、基板（１）に設けた請求項１と請求項２のいずれかに記載の気体センサ。
温度センサＴＳａおよび温度センサＴＳｂ、温度センサＴＳｃをバイポーラトランジスタもしくは半導体ダイオードとした請求項１から請求項３のいずれかに記載の気体センサ。
請求項1から請求項4のいずれかに記載の気体センサと、該気体センサの温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力を利用し、信号増幅回路、演算回路、メモリ回路、駆動電源回路、表示部を必要に応じて設け、前記チャンバ内の周囲気体の気圧もしくはその成分を計測できるようにしたことを特徴とする気体センシング装置。