JP6470985B2 - マイクロヒータ及びセンサ - Google Patents

Description

本発明は、ダイヤフラム構造部を有する半導体基板に搭載したマイクロヒータ及びこのマイクロヒータを採用してなるセンサに関する。

近年、環境・自然保護などの社会的要求から、高効率で、クリーンなエネルギー源として燃料電池の研究が活発に行われている。その中で、低温作動、高出力密度等の利点により、家庭用、車載用などのエネルギー源として固体高分子型燃料電池（ＰＥＦＣ）や水素内燃機関が期待されている。これらのシステムでは、例えば、可燃性ガスである水素を燃料としているため、ガス漏れの検知が重要な課題の一つとして挙げられている。

この種の被検出雰囲気中に存在する可燃性ガスのガス濃度を検出するガス検出装置として、被検出雰囲気内にガス検出素子を配置し、このガス検出素子に、自身の温度変化（発熱）により抵抗値が変化する発熱抵抗体素子を備えた熱伝導式のガスセンサが知られている（例えば、特許文献１参照）。
このガスセンサは、半導体基板に設けた空洞部を閉じてダイヤフラムを形成する絶縁層を設け、この絶縁層に発熱抵抗体素子を配置したマイクロヒータ（ガス検出素子）から構成されている。そして、発熱抵抗体素子に通電されて発熱抵抗体素子が発熱した際に可燃性ガスへの熱伝導（気体熱伝導）が生じる。そのため、ガスセンサの温度を一定の温度に制御する場合、熱伝導によって発熱抵抗体素子の温度が変化するとともに抵抗値が変化するため、その変化量に基づき、被検出ガスを検出することができる。
そして、上記ガス検出素子はＭＥＭＳの技術を用いて作製されており、基板上にダイヤフラムを形成する絶縁層を設け、この絶縁層に発熱抵抗体素子を配置させる構成を採っている。これにより、発熱抵抗体素子から基板への熱逃げがダイヤフラム部分で少なくなるので、発熱抵抗体素子の熱が被検出ガスへ伝わり易くなる。

ところで、特許文献１記載のガスセンサ（マイクロヒータ）においては、メンブレン構造の保持部材（上記絶縁層に相当）に多数の円形の貫通孔を設けている。図１３は、ガスセンサ１０００の保持部材（絶縁層）１００２のうち、発熱抵抗素子１００４を避けた部位に円形の貫通孔１００２ｈを複数設けた例を示す。これにより、貫通孔１００２ｈを通ってガスが保持部材１００２の上面側と裏面側とに流通することができるため、センサ領域に到来したガスが留まることがなくなり、ガスにより保持部材１００２に不測の応力が印加されることがなくなるとされている。又、特許文献１には、上記貫通孔１００２ｈとして多角形を用いてもよいことが記載されている。

特開２０１０−２３０３８５号公報（図６、段落００２６、０１３８）

ところで、発熱抵抗素子１００４が発熱すると、ダイヤフラムを構成する保持部材１００２は面方向の外側（図１３の矢印Ｅ方向）に向かって熱膨張するが、熱膨張した保持部材１００２が変形する空間（余地）が無いと、保持部材１００２自身に応力が発生し、発熱抵抗素子１００４にも応力が加わって保持部材１００２や発熱抵抗素子１００４が破損したり断線するおそれがある。
この場合、図１３の拡大図１４に示すように、隣接する２個の貫通孔１００２ｈで挟まれる部位に架橋部１００２ｂが形成される。この架橋部１００２ｂは、貫通孔１００２ｈを設けない場合の保持部材１００２に比べて狭幅となっているため、変形し易くなっている。このため、保持部材１００２が熱膨張しても、架橋部１００２ｂが面方向の各方向に収縮変形して保持部材１００２の熱膨張を吸収し、応力の発生を抑制することができる。
しかしながら、特許文献１記載の技術の場合、貫通孔１００２が円孔であるため、架橋部１００２ｂの幅Ｗ１〜Ｗ３が架橋部１００２ｂの位置によって変わる。そして、架橋部１００２ｂの変形は最も狭幅で変形し易い幅Ｗ１の部分に集中して生じ、広幅Ｗ２の部分での変形は少ない。このため、架橋部１００２ｂ全体としての変形量が小さくなり、熱膨張の吸収効果も小さくなるという問題がある。又、広幅Ｗ２の部分では発熱抵抗素子１００４の熱を保持部材１００２の外側に伝え易く、発熱抵抗素子１００４の熱逃げが大きくなって消費電力が大きくなるという問題がある。

一方、図１５に示すように、保持部材１１０２に矩形（正方形）の貫通孔１１０２ｈを設けた場合には、各架橋部１１０２ｂ１〜１１０２ｂ３の幅Ｗ１が位置によらずに一定となる。しかしながら、この場合、隣接する各架橋部１１０２ｂ１〜１１０２ｂ３が一直線（図１５の矢印Ｅ１）上に並ぶため、この直線に沿う方向（図１５の左右方向）で各架橋部１１０２ｂ１〜１１０２ｂ３が繋がって１つの広幅の部材として機能し、変形し難くなる。その結果、変形は、架橋部の間に貫通孔１１０２ｈが介在し、架橋部同士が繋がっていない方向（図１５の矢印Ｅ２）に集中して生じ、やはり架橋部全体としての変形量が小さくなり、熱膨張の吸収効果も小さくなる。さらに、各架橋部１１０２ｂ１〜１１０２ｂ３が繋がっている矢印Ｅ１の方向では、発熱抵抗素子１００４の熱を保持部材１１０２の外側に伝え易く、発熱抵抗素子１００４の熱逃げがさらに大きくなって消費電力が大きくなる。

そこで、本発明は、ダイヤフラム構造部を形成する絶縁層に生じた熱膨張を緩和し、絶縁層や発熱抵抗素子へ加わる応力を確実に抑制すると共に、発熱抵抗素子からの熱逃げを抑制して消費電力を低減したマイクロヒータ及びこのマイクロヒータを採用してなるセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するため、本発明のマイクロヒータは、表面と底面との間を貫通する空洞部を形成してなる半導体基板と、前記空洞部の表面側を閉じるように前記半導体基板の前記表面上に設けられる絶縁層と、前記絶縁層のうち前記空洞部に対する対応部位に埋設される、発熱抵抗素子と、を備えてなるマイクロヒータにおいて、前記マイクロヒータを前記空洞部の貫通方向に沿って見たとき、前記対応部位のうち前記発熱抵抗素子と重ならない領域に、多角形からなる複数の貫通孔がハニカム状に形成され、隣接する前記貫通孔で挟まれる架橋部の長さの合計に対して５０％以上の部位で、該架橋部の幅が一定であり、かつ隣接する前記架橋部同士が一直線上に並ばない

このマイクロヒータによれば、貫通孔が空洞部に連通してガスを流通させるので、発熱抵抗素子と被検出ガスとの接触面積が増え、貫通孔に隣接する発熱抵抗素子では熱がさらに被検出ガスへ伝わり易くなる。このため、発熱抵抗素子から被検出ガスへの熱伝達率が高くなり、被検出ガスの検出精度を向上させることができる。
さらに、架橋部の幅が、架橋部の長さの合計に対して５０％以上の部位で一定であるため、架橋部がほぼ均等に変形する。その結果、発熱抵抗素子が発熱し、ダイヤフラムを構成する絶縁層が面方向の外側に向かって熱膨張したとき、各架橋部がいずれも面方向の各方向に収縮変形するので、架橋部全体としての変形量が大きくなって熱膨張の吸収効果が大きくなり、絶縁層や発熱抵抗素子へ加わる応力を確実に抑制することができる。
又、発熱抵抗素子の熱が広幅の一部の架橋部から集中して絶縁層の外部に伝わることが抑制され、発熱抵抗素子の熱は架橋部から均等にかつ広範に伝わり、各発熱抵抗素子の熱の伝達経路は複数の架橋部を介した長い距離となる。このため、発熱抵抗素子の熱が外部に逃げ難くなり、消費電力を低減することができる。
又、隣接する各架橋部が一直線上に並ばないため、この直線に沿う方向で各架橋部が繋がって１つの広幅の部材となって変形し難くなることが回避される。その結果、各架橋部がいずれも面方向の各方向に収縮変形するので、架橋部全体としての変形量が大きくなって熱膨張の吸収効果が大きくなる。
さらに、各架橋部が一直線上に繋がった場合には、この直線が絶縁層の外部への最短の熱の伝達経路となり、発熱抵抗素子の熱が外部に逃げ易くなる。これに対し、各架橋部が一直線上に並ばないため、発熱抵抗素子の熱の伝達経路は複数の架橋部を介した長い距離となる。このため、発熱抵抗素子の熱が外部に逃げ難くなり、消費電力を低減することができる。
なお、「ハニカム状」とは、多数の貫通孔がごばん目状に形成されている形状をいう。

本発明のマイクロヒータにおいて、前記貫通孔は４個以上形成され、１個の前記貫通孔を起点とし、異なる２つの方向にそれぞれ隣接する２個の前記貫通孔の重心を結んで構成される２辺について、当該２辺を対辺とする四角形の内側領域の面積をＳ１とし、前記内側領域に含まれる４個の前記貫通孔の合計開口面積をＳ２としたとき、開口率（Ｓ２／Ｓ１）が６９％以上であるとよい。
架橋部の幅が５０％以上の部位で一定であっても、この幅自体が太過ぎると、架橋部での変形が困難になる場合がある。そして、貫通孔の径に対し、幅を相対的に小さくするほど、架橋部が変形し易くなる。そこで、貫通孔の径（貫通孔の個数に応じた全貫通孔の径の合計）に対し、架橋部の幅の相対的な幅寸法を開口率（Ｓ２／Ｓ１）で規定し、この開口率を６９％以上とすることで、架橋部の幅を相対的に小さくすることができ、架橋部がより変形し易くなる。又、マイクロヒータを長期使用すると、架橋部に有機シリコン等の不純物が堆積し、発熱抵抗素子からの熱逃げが大きくなる傾向にある。そこで、開口率を６９％以上とすると、絶縁層において相対的に架橋部の面積割合が小さくなるので、発熱抵抗素子からの熱逃げをさらに抑制して消費電力をより一層低減することができる。

本発明のマイクロヒータにおいて、前記多角形は正六角形、又は複数の正六角形を組み合わせた形状をなしてもよい。
このマイクロヒータによれば、架橋部の幅が５０％以上の部位で一定で、かつ隣接する架橋部同士が一直線上に並ばないマイクロヒータを容易に製造することができる。

本発明のセンサは、前記マイクロヒータを備える。

この発明によれば、マイクロヒータのダイヤフラム構造部を形成する絶縁層に生じた熱膨張を緩和し、絶縁層や発熱抵抗素子へ加わる応力を確実に抑制すると共に、発熱抵抗素子からの熱逃げを抑制して消費電力を低減することができる。

本発明の実施形態に係るマイクロヒータの構成を示す平面図である。 図１におけるＡ−Ａ線及びＢ−Ｂ線に沿ったマイクロヒータの断面図である。 絶縁層に形成された貫通孔及び架橋部を示す平面図である。 開口率を規定する方法を示す平面図である。 マイクロヒータの製造工程を表す図である。 図５に続く図である。 図６に続く図である。 図７に続く図である。 マイクロヒータが適用されたガスセンサの全体構成図である。 貫通孔の変形例を示す平面図である。 貫通孔の別の変形例を示す平面図である。 貫通孔のさらに別の変形例を示す平面図である。 メンブレン構造に円形の貫通孔を設けた従来のマイクロヒータの構成を示す平面図である。 図１３の貫通孔近傍に生じる応力を示す平面図である。 メンブレン構造に正方形の貫通孔を設けた従来のマイクロヒータの構成を示す平面図である。

以下に、本発明の実施形態を図面と共に説明する。
図１はマイクロヒータ５００の平面図を示し、図２は図１のＡ−Ａ線切断部およびＢ−Ｂ線切断部におけるそれぞれの端面図を示す。尚、図１において、紙面の左右方向をその平面図の左右方向とする。また、図２において、紙面の上下方向をその断面図の上下方向とする。
なお、マイクロヒータ５００は、水素ガス濃度を検出する（ガス）センサのガス検出素子を構成している。

図１に示すように、マイクロヒータ５００は、平板形状（平面視四角形状）をなし、その表面の四隅にそれぞれ電極４３０，４４０、８８、８９が形成され、他方の面（裏面）の中心付近に、詳しくは後述する平面視矩形のダイヤフラム構成部が形成されている。
又、図２に示すように、マイクロヒータ５００は、シリコン基板からなる半導体基板１００と、この半導体基板１００の表面（図２の上面）１１０に沿い形成される絶縁層２００と、半導体基板１００の裏面（図２の下面）１２０に形成される裏側絶縁膜３００とを備えている。
そして、絶縁層２００の裏面側において、半導体基板１００の板厚方向に断面八の字状に（ピラミッド形状（四角錐形状）に）半導体基板１００の一部を除去することで、図２に示すように空洞部１３０が貫通形成されている。そして、絶縁層２００のうち、半導体基板１００の空洞部１３０に対する対応部位は、この対応部位に埋設されている発熱抵抗素子４００をも含めて、ダイヤフラム構造部を構成している。

又、絶縁層２００のうち空洞部１３０に対応する領域（薄膜部）、より具体的には下側薄膜２１０と上側薄膜２２０との間、即ち両圧縮応力膜２１２、２２１の間には、渦巻き状にパターン形成された発熱抵抗素子４００が埋設されている。
発熱抵抗素子４００は、被検出ガスの温度（詳細には、可燃性ガスへの熱伝導）により自身の温度変化により抵抗値が変化する抵抗体である。発熱抵抗素子４００は、温度抵抗係数が大きい導電性材料で構成され、本実施形態では白金（Ｐｔ）で形成されている。可燃性ガスとしての水素ガスを検出する場合、水素ガスへの熱伝導によって発熱抵抗素子４００から奪われる熱量の大きさは、水素ガス濃度に応じた大きさとなる。このことから、発熱抵抗素子４００における電気抵抗値の変化に基づいて、水素ガス濃度を検出することが可能となる。
そして、ダイヤフラム構造部内に発熱抵抗素子４００を設けることにより、発熱抵抗素子４００が周囲から断熱されるため、短時間にて昇温又は降温する。このため、マイクロヒータ５００の熱容量を小さくすることができる。
なお、発熱抵抗素子４００の抵抗値変化は被検出ガスの温度による影響を受けるため、後述する測温抵抗体８０の電気抵抗値に基づき検出される温度を用いて、発熱抵抗素子４００の電気抵抗値変化に基づき検出した被検出ガスの濃度を補正することにより、被検出ガス濃度の検出精度を向上させることができる。

絶縁層２００は、下側薄膜２１０及び上側薄膜２２０を備えている。
下側薄膜２１０は、引張応力膜２１１及び圧縮応力膜２１２を有している。窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなる引張応力膜２１１は、半導体基板１００の表面１１０に積層され、酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）からなる圧縮応力膜２１２は、引張応力膜２１１の表面に積層されている。
また、上側薄膜２２０は、圧縮応力膜２２１及び引張応力膜２２２を有している。酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）からなる圧縮応力膜２２１は、圧縮応力膜２１２の表面に積層され、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなる引張応力膜２２２は、圧縮応力膜２２１の表面に積層されている。

窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）からなる裏側絶縁膜３００は、半導体基板１００の裏面１２０に沿って形成されている。また、裏側絶縁膜３００のうち、空洞部１３０に対する対応部位が除去されて空洞部１３０の開口部を形成している。
これにより、絶縁層２００の引張応力膜２１１の裏面のうち、空洞部１３０に対応する部位が、空洞部１３０の開口部を通して外方に露出している。
なお、半導体基板１００のうち空洞部１３０以外の部位を、以下、基板部１４０という。
また、最表層をなす引張応力膜２２２は、発熱抵抗素子４００、測温抵抗体８０、配線膜１６の汚染や損傷を防止すべくそれらを覆うように設けられている。
又、マイクロヒータ５００は、縦横ともに数ｍｍ（例えば３ｍｍ×３ｍｍ）程度の大きさであり、例えば、シリコン半導体基板を用いたマイクロマシニング技術（マイクロマシニング加工）により製造される。

図１に戻り、発熱抵抗素子４００の左右の端は、発熱抵抗素子４００が形成された平面と同じ平面にそれぞれ埋設された配線をなす左側配線膜４１０及び右側配線膜４２０（図２）を介して、左側電極４３０及び右側電極４４０にそれぞれ接続されている。なお、左側電極４３０がグランド電極となっている。両電極４３０，４４０は、発熱抵抗素子４００に接続される配線の引き出し部位であり、コンタクトホール２２３、２２４（図２）を介して露出し、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）で形成されている。
左側配線膜４１０は、下側薄膜２１０と上側薄膜２２０との間、即ち両圧縮応力膜２１２、２２１の間で、半導体基板１００の基板部１４０に対応する位置の圧縮応力膜２１２の表面に薄膜状に形成されている。一方、右側配線膜４２０は、両圧縮応力膜２１２、２２１の間で、半導体基板１００の基板部１４０に対応する位置の圧縮応力膜２１２の表面に薄膜状に形成されている。
さらに、上側薄膜２２０に形成したコンタクトホール２２３を通して左側配線膜４１０上に、左側電極４３０が形成されている。同様に、上側薄膜２２０に形成したコンタクトホール２２４を通して右側配線膜４２０上に、右側電極４４０が形成されている。

測温抵抗体８０は、マイクロヒータ５００の配置された空間内に存在するガス（被検出ガス等）の温度を検出するためのものであり、図１に示すようにマイクロヒータ５００の上辺（一辺）に沿って、圧縮応力膜２２１及び引張応力膜２２２の間に埋設されている。測温抵抗体８０は、電気抵抗値が温度に比例して変化（本実施形態では、温度の上昇に伴って抵抗値が増大）する導電性材料で構成され、本実施形態では白金（Ｐｔ）で形成されている。
測温抵抗体８０は、測温抵抗体８０が形成された平面と同じ平面に埋設された配線膜（図示せず）を介して電極８８及びグランド電極８９に接続されている。電極８８及びグランド電極８９は、コンタクトホール（図示せず）を介して露出し、例えば、アルミニウム（Ａｌ）又は金（Ａｕ）で形成されている。

さらに、絶縁層２００のうち発熱抵抗素子４００の形成部位を避けた領域に、同一の多角形（本実施形態では正六角形）からなる複数の貫通孔２００ｈが形成されている。
貫通孔２００ｈは、空洞部１３０に連通してガスを流通させるので、発熱抵抗素子４００と被検出ガスとの接触面積が増え、貫通孔２００ｈに隣接する発熱抵抗素子４００では熱がさらに被検出ガスへ伝わり易くなる。このため、発熱抵抗素子４００から被検出ガスへの熱伝達率が高くなり、被検出ガスの検出精度を向上させることができる。なお、多角形の角部（頂点）は、必ずしも鋭角になっている必要はなく、丸みを帯びた形状であってもよい。

又、図３に示すように、各貫通孔２００ｈ１〜２００ｈ３は、自身の辺と、隣接する貫通孔の辺とが平行になるようにして配置されている。従って、隣接する貫通孔で挟まれる絶縁層２００で形成される架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３の幅Ｗ１は、どの位置でも一定になっている。具体的には、隣接する貫通孔２００ｈ１、２００ｈ２で挟まれる絶縁層２００が架橋部２００ｂ１を形成し、隣接する貫通孔２００ｈ１、２００ｈ３で挟まれる絶縁層２００が架橋部２００ｂ２を形成し、隣接する貫通孔２００ｈ２、２００ｈ２で挟まれる絶縁層２００が架橋部２００ｂ３を形成する。
そして、これら隣接する架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３は、一辺の長さがＷ１の正三角形からなる接続部２００ｃの各辺で接続され、各架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３が接続部２００ｃを中心に互いに１２０度の角度で放射状に延びており、各架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３同士は一直線上に並ばない。ここで、一直線上に並ばないとは、隣接する架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３同士の間には必ず変曲点を有することを意味する。

このように、架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３の幅Ｗ１がどの位置でも一定であるため、架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３がほぼ均等に変形する。その結果、発熱抵抗素子４００が発熱し、ダイヤフラムを構成する絶縁層２００が面方向の外側（図２、３図の矢印Ｅ方向）に向かって熱膨張したとき、各架橋部がいずれも面方向の各方向に収縮変形するので、架橋部全体としての変形量が大きくなって熱膨張の吸収効果が大きくなり、絶縁層２００や発熱抵抗素子４００へ加わる応力を確実に抑制することができる。このように、絶縁層２００や発熱抵抗素子４００へ加わる応力を確実に抑制することができるため、マイクロヒータの耐熱性や、耐久性が向上する。
なお、架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３の幅Ｗ１は、架橋部の長さの合計に対して５０％以上の部位で一定であればよい。架橋部の長さの合計に対して５０％以上の部位が一定であれば、この一定部位で十分に応力を抑制できる。但し、上述のように架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３の幅Ｗ１がどの位置でも（つまり、架橋部の長さの合計に対して１００％で）一定であることが好ましい。又、一定部位の幅Ｗ１は、架橋部のその他の部位の幅よりも狭いと、当該一定部位で変形し易いので好ましい。
又、発熱抵抗素子４００の熱が広幅の一部の架橋部から集中して絶縁層２００の外部に伝わることが抑制され、発熱抵抗素子４００の熱は架橋部から均等にかつ広範に伝わり、各発熱抵抗素子４００の熱の伝達経路（図３の矢印Ｈ１，Ｈ２）は複数の架橋部を介した長い距離となる。このため、発熱抵抗素子４００の熱が外部に逃げ難くなり、消費電力を低減することができる。

又、隣接する各架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３が一直線（図３の矢印Ｅ）上に並ばないため、この直線に沿う方向で各架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３が繋がって１つの広幅の部材となって変形し難くなることが回避される。その結果、各架橋部がいずれも面方向の各方向に収縮変形するので、架橋部全体としての変形量が大きくなって熱膨張の吸収効果が大きくなる。
さらに、各架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３が一直線上に繋がった場合には、この直線が絶縁層２００の外部への最短の熱の伝達経路となり、発熱抵抗素子４００の熱が外部に逃げ易くなる。これに対し、本実施形態では、各架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３が一直線上に並ばないため、発熱抵抗素子４００の熱の伝達経路（図３の矢印Ｈ１，Ｈ２）は複数の架橋部を介した長い距離となる。このため、発熱抵抗素子４００の熱が外部に逃げ難くなり、消費電力を低減することができる。

なお、接続部２００ｃは一辺の長さがＷ１の正三角形からなるが、各貫通孔２００ｈ１〜２００ｈ３の辺（具体的には各貫通孔２００ｈ１〜２００ｈ３の頂点）と接続部２００ｃとの距離はＷ１以下（Ｗ１より短い）である。このため、接続部２００ｃが各架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３よりも太幅となって変形し難くなることが無く、接続部２００ｃは各架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３の変形を妨げない。

ところで、架橋部２００ｂ１〜２００ｂ３の幅Ｗ１が５０％以上の部位で一定であっても、幅Ｗ１自体が太過ぎると、架橋部での変形が困難になる場合がある。つまり、貫通孔２００ｈ１〜２００ｈ３の径に対し、幅Ｗ１を相対的に小さくするほど、架橋部が変形し易くなる。そこで、本発明の好ましい実施形態として、幅Ｗ１の相対的な幅寸法を、以下の開口率（Ｓ２／Ｓ１）で規定することとした。
具体的には、図４に示すように１個の貫通孔２００ｈ１を起点とし、１つの方向（図４の上下方向）Ｄ１に隣接する貫通孔２００ｈ２を合わせ、２個の貫通孔２００ｈ１、２００ｈ２の各重心Ｇ１，Ｇ２を結んで辺Ｌ１を構成する。同様に、貫通孔２００ｈ１を起点とし、方向Ｄ１と異なる方向（図４の斜め右下がり方向）Ｄ２に隣接する貫通孔２００ｈ３を合わせ、２個の貫通孔２００ｈ１、２００ｈ３の各重心Ｇ１，Ｇ３を結んで辺Ｌ２を構成する。
そして、２辺Ｌ１、Ｌ２を対辺とする四角形の内側領域Ｒの面積をＳ１とし、内側領域Ｒに含まれる４個の貫通孔２００ｈ１〜２００ｈ４の合計開口面積をＳ２としたとき、開口率を（Ｓ２／Ｓ１）で規定する。

この開口率（Ｓ２／Ｓ１）が６９％以上であると、貫通孔の径（貫通孔の個数に応じた全貫通孔の径の合計）に対し、幅Ｗ１を相対的に小さくすることができ、隣接する貫通孔で挟まれる架橋部がより変形し易くなる。又、マイクロヒータを長期使用すると、架橋部に有機シリコン等の不純物が堆積し、発熱抵抗素子４００からの熱逃げが大きくなる傾向にある。そこで、開口率を６９％以上とすると、絶縁層２００において相対的に架橋部の面積割合が小さくなるので、発熱抵抗素子４００からの熱逃げをさらに抑制して消費電力をより一層低減することができる。
なお、開口率の上限は特に限定されないが、貫通孔や架橋部の寸法精度や製造上の問題等から、上限は９１％程度である。

次に、図５〜図８を参照し、マイクロヒータ５００の製造工程について説明する。なお、図５〜図８では、各工程について、図１におけるマイクロヒータのＡ−Ａ線切断部およびＢ−Ｂ線切断部におけるそれぞれの端面状態を表している。なお、マイクロヒータ５００は、マイクロマシン技術を利用して製造される。
（１）引張応力膜２１１及び裏側絶縁膜３００の成膜工程
まず、図５に示すように、洗浄したシリコン基板を半導体基板１００として準備し、この半導体基板１００の表面に、窒化シリコンからなる引張応力膜２１１を低圧ＣＶＤ法（ＬＰ−ＣＶＤ法）により、所定膜厚（例えば、０．２μｍ）で成膜する。なお、引張応力膜２１１の成膜の際に、絶縁膜３００も半導体基板１００の裏面１２０に薄膜状に成膜する。
（２）圧縮応力膜２１２成膜工程
次に、図５に示すように、引張応力膜２１１の表面に、酸化シリコンからなる圧縮応力膜２１２をプラズマＣＶＤ法により、所定膜厚（例えば、０．１μｍ）で成膜する。

（３）発熱抵抗素子４００及び左右両側配線膜４１０、４２０の成膜工程
次に、図６に示すように、圧縮応力膜２１２の表面に、白金（Ｐｔ）のスパッタリングにより薄膜状の白金膜を成膜した後、この白金膜にパターニング処理を施して、発熱抵抗素子４００及び左右両側配線膜４１０、４２０を圧縮応力膜２１２の表面に一体に形成する。

（４）圧縮応力膜２２１成膜工程
次に、図７に示すように、発熱抵抗素子４００及び左右両側配線膜４１０、４２０を覆うようにして、圧縮応力膜２１２の表面に、酸化シリコンからなる圧縮応力膜２２１をプラズマＣＶＤ法により、所定膜厚（例えば、０．１μｍ）で成膜する。
（５）引張応力膜２２２の成膜工程
さらに、圧縮応力膜２２１の表面に、窒化シリコンからなる引張応力膜２２２を低圧ＣＶＤ法により、所定膜厚（例えば、０．２μｍ）で成膜する。これにより、圧縮応力膜２２１及び引張応力膜２２２からなる上側薄膜２２０が、発熱抵抗素子４００、換言すれば両圧縮応力膜２１２、２２１の間を基準に、引張応力膜２１１及び圧縮応力膜２１２からなる下側薄膜２１０に対し対称的に形成される。
なお、引張応力膜２２２の成膜の際に、絶縁膜３００も半導体基板１００の裏面１２０に薄膜状に成膜する。

（６）電極及び貫通孔の形成工程
次に、図８に示すように、引張応力膜２２２を成膜した後の上側薄膜２２０のうち、左右両側配線膜４１０、４２０に対する各対応部位に、各コンタクトホール２２３、２２４をエッチング形成する。これに伴い、左右両側配線膜４１０、４２０は、その各表面にて、各対応コンタクトホール２２３、２２４を通して外部に露呈する。
次いで、各コンタクトホール２２３、２２４の内部を含む引張応力膜２２２の表面に、スパッタリングにより、金（Ａｕ）等からなるコンタクト金属膜を成膜する。さらに、当該コンタクト金属膜にパターニング処理及びエッチング処理を施し、各コンタクトホール２２３、２２４に左右両側電極４３０、４４０を形成する。
さらに、絶縁層２００のうち発熱抵抗素子４００の形成部位を避けた領域に、貫通孔２００ｈをパターニング処理及びドライエッチング処理により形成する。
なお、貫通孔２００ｈは、絶縁層２００を構成する上側薄膜２２０及び下側薄膜２１０を貫通するが、半導体基板１００を貫通せずにその表面１１０で終端している。

（７）空洞部形成工程
次に、電極及び貫通孔の形成後、裏側絶縁膜３００に対し、空洞部１３０を形成するに要するパターニング処理及びエッチング処理を施す。ここで、空洞部１３０を形成するエッチング部位１３０Ｅは、発熱抵抗素子４００及び貫通孔２００ｈの形成部位より面方向の外側とする。
ついで、異方性エッチング液（例えば、ＴＭＡＨ）を用いて、半導体基板１００にエッチング処理を施す。これにより、半導体基板１００に貫通孔２００ｈと連通する空洞部１３０を形成し（図２参照）、マイクロヒータ５００の製造が終了する。

次に、図９を参照し、本発明の実施形態に係るマイクロヒータ５００が適用されたガスセンサ１について説明する。図９は、ガスセンサ１の全体構成図である。マイクロヒータ５００は、水素ガス濃度を検出する熱伝導式のガス検出素子を構成している。また、ガスセンサ１は、熱伝導式のガス検出素子を用いて、可燃性ガスの濃度を検出するものであり、例えば、燃料電池自動車の客室内に設置され、水素の漏れを検出する目的等に用いられる。
なお、図１において、ガス検出素子をなすマイクロヒータ５００のうち、測温抵抗体８０のみが図示されている。

図９に示すように、ガスセンサ１は、ガス検出素子と、ガス検出素子を駆動制御する制御回路９０とを備えている。又、制御回路９０は、ガス検出回路９１、及び温度測定回路９３を備えている。なお、制御回路９０（但し、発熱抵抗素子４００および測温抵抗体８０を除く），マイコン９４は単一の回路基板上に構成され、この回路基板とは別体にガス検出素子は構成されている。
ガス検出回路９１は、ガス検出素子に備えられた発熱抵抗素子４００と、固定抵抗９５，９６，９７とによって構成されるホイートストーンブリッジ９１１、及び、ホイートストーンブリッジ９１１から得られる電位差を増幅するオペアンプ９１２を備えている。
発熱抵抗素子４００として、自身の温度の上昇に伴い抵抗値が上昇する抵抗体を用いた場合、このオペアンプ９１２は、発熱抵抗素子４００の温度が所定の温度に保たれるように、発熱抵抗素子４００の温度が上昇した場合には出力する電圧を低くし、発熱抵抗素子４００の温度が下降した場合には出力する電圧を高くするように作動する。

そして、このオペアンプ９１２の出力は、ホイートストーンブリッジ９１１に接続されているので、発熱抵抗素子４００の温度が所定の温度より上昇すると、発熱抵抗素子４００の温度を下げるためにオペアンプ９１２から出力される電圧は低くなり、ホイートストーンブリッジ９１１に印加される電圧が低下する。このときの、ホイートストーンブリッジ９１１の端部を構成する右側電極４４０（図１参照）の電圧はガス検出回路９１の出力としてマイコン９４により検出され、マイコン９４により検出された出力値は、被検出ガスに含まれ可燃性ガスを検出するための演算処理に供される。
温度測定回路９３は、ガス検出素子に備えられた測温抵抗体８０と、固定抵抗１０１，１０２，１０３によって構成されるホイートストーンブリッジ９３１と、ホイートストーンブリッジ９３１から得られる電位差を増幅するオペアンプ９３３とを備えている。このオペアンプ９３３の出力はマイコン９４により検出され、マイコン９４により検出された出力値は、被検出ガスの温度を測定するのに用いられ、さらに、被検出ガスに含まれ可燃性ガスを検出するための演算処理に供される。

以上のような構成を有する制御回路９０の出力値に基づき、マイコン９４により実行される可燃性ガスの濃度を演算する処理は、次のようなものである。まず、マイコン９４が備えるＣＰＵ（図示せず）は、同じくマイコン９４が備える記憶装置（図示せず）に記憶されたプログラムに基づき、ガス検出回路９１の出力値から、可燃性ガス濃度にほぼ比例した第１の出力値を出力する。この第１の出力値は、ガスセンサ１の検出空間の雰囲気温度変化による出力変化を含んでいるので、続いて、温度測定回路９３からの出力に基づき第１の出力値を補正した第２の出力値を出力する。さらに、マイコン９４は、そのマイコン９４の記憶装置（図示せず）に記憶された第２の出力値と可燃性ガスの濃度との関係に基づき、被検出ガス中に含まれる可燃性ガスの濃度を出力する。このように、第１の出力値を温度測定回路９３の出力に基づき補正しているので、精度よく可燃性ガスを検出できる。尚、可燃性ガスの濃度を演算する処理は、上記のものに限られず、公知の手段を適宜用いれば良い。

本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の思想と範囲に含まれる様々な変形及び均等物に及ぶことはいうまでもない。
例えば、図１０に示すように、貫通孔として、３つの正六角形を組み合わせた形状の多角形を用いてもよい。図１０の例では、絶縁層２５０に、各貫通孔２５０ｈ１〜２５０ｈ３が自身の辺と、隣接する貫通孔の辺とが平行になるようにして配置されている。そして、隣接する貫通孔２５０ｈ１、２５０ｈ２で挟まれる絶縁層２５０が架橋部２５０ｂ１を形成し、隣接する貫通孔２５０ｈ１、２５０ｈ３で挟まれる絶縁層２５０が架橋部２５０ｂ２を形成し、隣接する貫通孔２５０ｈ２、２５０ｈ３で挟まれる絶縁層２５０が架橋部２５０ｂ３を形成している。そして、架橋部２５０ｂ１〜２５０ｂ３の幅Ｗ１がどの位置でも一定になっている。
また、これら隣接する架橋部２５０ｂ１〜２５０ｂ３は、正三角形からなる接続部２５０ｃの各辺で接続され、各架橋部２５０ｂ１〜２５０ｂ３が接続部２５０ｃを中心に互いに１２０度の角度で放射状に延びており、各架橋部２５０ｂ１〜２５０ｂ３同士は一直線上に並ばない。
このように、図１０の例でも、架橋部２５０ｂ１〜２５０ｂ３の幅Ｗ１がどの位置でも一定であり、かつ、隣接する各架橋部２５０ｂ１〜２５０ｂ３が一直線上に並ばない。

なお、接続部２５０ｃは一辺の長さがＷ１より長い正三角形からなるが、各貫通孔２５０ｈ１〜２５０ｈ３の辺（各貫通孔２５０ｈ１〜２５０ｈ３の頂点を含む）と接続部２５０ｃとの距離はＷ１である。このため、接続部２５０ｃが各架橋部２５０ｂ１〜２５０ｂ３よりも太幅となって変形し難くなることが無く、接続部２５０ｃは各架橋部２５０ｂ１〜２５０ｂ３の変形を妨げない。
又、図１０の例では、架橋部２５０ｂ２が対称線２５０ｂｘで対称となるようにくの字状に折れ曲がっており、対称線２５０ｂｘの長さは幅Ｗ１より広い（他の架橋部も同様）。しかしながら、対称線２５０ｂｘは線であって面を構成しないので、対称線２５０ｂｘが架橋部２５０ｂ２の変形を妨げることは無い。

又、図１１に示すように、貫通孔として、７つの正六角形を組み合わせた形状の多角形を用いてもよい。図１１の例では、絶縁層２６０に、各貫通孔２６０ｈ１〜２６０ｈ３が自身の辺と、隣接する貫通孔の辺とが平行になるようにして配置されている。そして、隣接する貫通孔２６０ｈ１、２６０ｈ２で挟まれる絶縁層２６０が架橋部２６０ｂ１を形成し、隣接する貫通孔２６０ｈ１、２６０ｈ３で挟まれる絶縁層２６０が架橋部２６０ｂ２を形成し、隣接する貫通孔２６０ｈ２、２６０ｈ３で挟まれる絶縁層２６０が架橋部２６０ｂ３を形成している。そして、架橋部２６０ｂ１〜２６０ｂ３の幅がどの位置でも一定になっている。
また、これら隣接する架橋部２６０ｂ１〜２６０ｂ３は、正三角形からなる接続部２６０ｃの各辺で接続され、各架橋部２６０ｂ１〜２６０ｂ３が接続部２６０ｃを中心に互いに１２０度の角度で放射状に延びており、各架橋部２６０ｂ１〜２６０ｂ３同士は一直線上に並ばない。
このように、図１１の例でも、架橋部２６０ｂ１〜２６０ｂ３の幅がどの位置でも一定であり、かつ、隣接する各架橋部２６０ｂ１〜２６０ｂ３が一直線上に並ばない。

なお、接続部２６０ｃは一辺の長さが架橋部の幅より長い正三角形からなるが、各架橋部２６０ｂ１〜２６０ｂ３の変形を妨げないのは、接続部２５０ｃの場合と同様である。
又、図１１の例では、架橋部２６０ｂ２が２つの対称線２６０ｂｘでそれぞれ対称となるように２か所で折れ曲がっており、対称線２６０ｂｘの長さは架橋部の幅より広い（他の架橋部も同様）。しかしながら、対称線２６０ｂｘが架橋部２６０ｂ２の変形を妨げることは無いのは、対称線２５０ｂｘの場合と同様である。

又、図１２に示すように、貫通孔として、４つの正六角形を組み合わせた形状の多角形を用いてもよい。図１２の例では、絶縁層２７０に、各貫通孔２７０ｈ１〜２７０ｈ３が自身の辺と、隣接する貫通孔の辺とが平行になるようにして配置されている。そして、隣接する貫通孔２７０ｈ１、２７０ｈ２で挟まれる絶縁層２７０が架橋部２７０ｂ１を形成し、隣接する貫通孔２７０ｈ１、２７０ｈ３で挟まれる絶縁層２７０が架橋部２７０ｂ２を形成し、隣接する貫通孔２７０ｈ２、２７０ｈ３で挟まれる絶縁層２７０が架橋部２７０ｂ３を形成している。そして、架橋部２７０ｂ１〜２７０ｂ３の幅がどの位置でも一定になっている。
また、これら隣接する架橋部２７０ｂ１〜２７０ｂ３は、正三角形からなる接続部２７０ｃの各辺で接続され、各架橋部２７０ｂ１〜２７０ｂ３が接続部２７０ｃを中心に互いに１２０度の角度で放射状に延びており、各架橋部２７０ｂ１〜２７０ｂ３同士は一直線上に並ばない。
このように、図１２の例でも、架橋部２７０ｂ１〜２７０ｂ３の幅がどの位置でも一定であり、かつ、隣接する各架橋部２７０ｂ１〜２７０ｂ３が一直線上に並ばない。

なお、接続部２７０ｃは一辺の長さが架橋部の幅より長い正三角形からなるが、各架橋部２７０ｂ１〜２７０ｂ３の変形を妨げないのは、接続部２５０ｃの場合と同様である。
又、図１２の例では、架橋部２７０ｂ２が２つの対称線２７０ｂｘでそれぞれ対称となるように２か所で折れ曲がっており、対称線２７０ｂｘの長さは架橋部の幅より広い（架橋部２７０ｂ１も同様）。しかしながら、対称線２７０ｂｘが架橋部２７０ｂ２の変形を妨げることは無いのは、対称線２５０ｂｘの場合と同様である。
なお、図１２の例では、架橋部２７０ｂ３は水平方向（図１２の左右方向）にまっすぐ延び、架橋部２７０ｂ１、２７０ｂ２とは形状が異なっている。

さらに、貫通孔を構成する多角形の頂点（隣接する２辺の交点）に丸みを付けると、頂点が尖っている場合に比べ、頂点への応力集中が少なくなるので、架橋部が変形する際に頂点で破断する等の不具合を抑制することができる。
又、図１の例では、発熱抵抗素子４００の隣接する発熱パターンの隙間４００Ｇには貫通孔２００ｈを設けなかったが、隙間４００Ｇの幅より貫通孔２００ｈの径が小さい場合には、隙間４００Ｇにも貫通孔２００ｈを設けてもよい。
又、図８のコンタクトホールの形成と、貫通孔の形成を同時に行っても良い。
又、上記実施形態では、水素ガスを検出する場合について説明したが、本発明のガスセンサは他の種類の可燃性ガスも検出可能である。

１ ガスセンサ（センサ）
１００ 半導体基板
１３０ 空洞部
２００、２５０、２６０、２７０ 絶縁層
２００ｂ１〜２００ｂ３、２５０ｂ１〜２５０ｂ３、２６０ｂ１〜２６０ｂ３、２７０ｂ１〜２７０ｂ３ 架橋部
２００ｈ、２００ｈ１〜２００ｈ４、２５０ｈ１〜２５０ｈ３、２６０ｈ１〜２６０ｈ３、２７０ｈ１〜２７０ｈ３ 貫通孔
４００ 発熱抵抗素子
５００ マイクロヒータ
Ｗ１ 架橋部の幅
Ｄ１，Ｄ２ 貫通孔の異なる２つの方向
Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３ 貫通孔の重心
Ｌ１、Ｌ２ 貫通孔の重心を結んで構成される２辺
Ｒ ２辺を対辺とする四角形の内側領域

Claims (4)

1. 表面と底面との間を貫通する空洞部を形成してなる半導体基板と、
   前記空洞部の表面側を閉じるように前記半導体基板の前記表面上に設けられる絶縁層と、
   前記絶縁層のうち前記空洞部に対する対応部位に埋設される、発熱抵抗素子と、を備えてなるマイクロヒータにおいて、
   前記マイクロヒータを前記空洞部の貫通方向に沿って見たとき、
   前記対応部位のうち前記発熱抵抗素子と重ならない領域に、多角形からなる複数の貫通孔がハニカム状に形成され、
   隣接する前記貫通孔で挟まれる架橋部の長さの合計に対して５０％以上の部位で、該架橋部の幅が一定であり、かつ隣接する前記架橋部同士が一直線上に並ばないマイクロヒータ。
2. 前記貫通孔は４個以上形成され、１個の前記貫通孔を起点とし、異なる２つの方向にそれぞれ隣接する２個の前記貫通孔の重心を結んで構成される２辺について、
   当該２辺を対辺とする四角形の内側領域の面積をＳ１とし、前記内側領域に含まれる４個の前記貫通孔の合計開口面積をＳ２としたとき、開口率（Ｓ２／Ｓ１）が６９％以上である請求項１に記載のマイクロヒータ。
3. 前記多角形は正六角形、又は複数の正六角形を組み合わせた形状をなす請求項１又は２に記載のマイクロヒータ。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロヒータを備えるセンサ。

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