JP2002014076A - 固体電解質型マイクロガスセンサおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 加熱部を小型化することにより、消費電力を
抑制するとともに、厚膜法を用いて形成した固体電解質
を用いた一酸化炭素ガスセンサを提供する。 【解決手段】 半導体あるいは絶縁性材料からなる基板
１０と、基板１０の表面に設けた構造材２０と、構造材
２０の表面に設けたヒータ部材３０と、ヒータ部材３０
および構造材２０の表面を覆って設けた層間絶縁膜４０
と、可燃性ガス酸化触媒層５０およびガスを拡散できる
可燃性ガス酸化触媒層５０の表面に設けた第１の電極６
０および第１の電極６０を覆って設けた酸素イオン導電
性の固体電解質層７０ならびに固体電解質層７０の表面
に設けた測定ガスに曝される第２の電極８０からなる一
酸化炭素ガス検出素子をヒータ部材３０の上部に位置す
るように層間絶縁膜４０の表面に設けた固体電解質型マ
イクロガスセンサにおいて、ヒータ部材３０の下方に基
板１０の裏面から構造材２０に達する空洞部１５を設け
た。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えばガス器具や
警報器などのＡＣ電源を持たない器具などに使用する固
体電解質型マイクロガスセンサおよびその製造方法に関
する。

【０００２】

【従来の技術】従来、燃焼機器の不完全燃焼をもっとも
確実に検知する手段として、不完全燃焼時に発生する一
酸化炭素ＣＯガスや水素Ｈ₂ガスをガスセンサにより検
知することが行われている。このような不完全燃焼ガス
を検出する手段として、本願出願人等は、例えば、特開
平７‐３０６１７５号公報、特開平７‐３０６１７６号
公報、特開平１０‐２８８５９６号公報などに、固体電
解質を用いた排ガス用の不完全燃焼検知センサを提案し
ている。

【０００３】このような、従来のガスセンサの検知原理
およびガスセンサの構造を図５および図６を用いて説明
する。図５は平板型ＣＯセンサの動作原理を説明する図
であり、図５（Ａ）は平板型ＣＯセンサの構造を模式的
に示す縦断面図であり、図５（Ｂ）は露出電極での反応
を説明する部分拡大図であり、図５（Ｃ）は可燃性ガス
酸化触媒で被われた電極６０での反応を説明する部分拡
大図である。

【０００４】図５（Ａ）に示すように、平板型ＣＯガス
センサ１は、絶縁基板１０の表面に酸化アルミニウム
（アルミナ）Ａｌ_２Ｏ_３からなる絶縁膜２０を形成し、
さらにその表面に酸化イットリウム（イットリア）Ｙ_２
０_３で安定化した酸化ジルコニウム（ジルコニア）Ｚｒ
Ｏ_２であるイットリア安定化ジルコニアＹＳＺの薄板を
固体電解質７０として設け、この固体電解質７０の表面
に、白金Ｐｔからなる一対の電極６０，８０を設けて構
成される。一方の電極８０は、表面が検出対象となるガ
スに露出しており、他方の電極６０の上面を白金Ｐｔと
酸化アルミニウムＡｌ_２Ｏ_３からなる可燃性ガスを酸化
する多孔性の可燃性ガス酸化触媒層５０で覆っている。

【０００５】電極６０は、電極６０上に形成した白金リ
ード線を介してセンサ出力取出端子部に接続されてい
る。電極８０は、電極８０上に形成した白金リード線を
介してセンサ出力取出端子部に接続されている。

【０００６】絶縁基板１０と絶縁膜２０の間には、図示
を省略したセンサ加熱用の白金からなるヒータ部が設け
られている。

【０００７】電極６０においては、ＣＯガスは可燃性ガ
ス酸化触媒層５０を拡散して電極６０に到達するまでに
その大部分が酸素と反応して酸化され炭酸ガスＣＯ_２と
される。酸素ガスＯ_２は、電極６０を構成するＰｔ粒子
６５に吸着され、気相と電極と固体電解質７０で形成さ
れる三相界面で電子を受け取ってイオン化される。酸素
イオンは、固体電解質７０中を電極８０に向かって移動
する。

【０００８】一方、電極８０において、Ｏ_２は、電極８
０を構成するＰｔ粒子８５に吸着され、気相と電極と固
体電解質７０で形成される三相界面で電子を受け取って
イオン化される。酸素イオンは、固体電解質７０中に移
行する。さらに電極８０において、ＣＯは、電極８０を
構成するＰｔ粒子８５に吸着され、気相と電極と固体電
解質７０で形成される三相界面で固体電解質７０中の酸
素イオンと結合して酸化され、気相のＣＯ_２と電子を生
じる。

【０００９】このようにして、電極６０と電極８０との
間に起電力を生じて、ＣＯの濃度を検出することができ
る。

【００１０】この原理を応用して、二つの電極６０、８
０と固体電解質を積層した形式のＣＯガスセンサが提案
されている。このガスセンサの形状を図６を用いて説明
する。図６は積層形式のＣＯガスセンサの積層構造を分
解して示した分解斜視図である。

【００１１】すなわち、この発明にかかる固体電解質積
層型ＣＯセンサは、絶縁基板１０と、ヒータ部材３０
と、層間絶縁膜４０と、可燃性ガス酸化触媒層５０と、
第１の電極６０（アノード）と、固体電解質層７０と、
第２の電極８０（カソード）をこの順番に積層して構成
した。

【００１２】ヒータ部材３０は、３ｍｍ×４ｍｍ×厚み
０．３ｍｍの絶縁基板１０の表面にＰｔからなる発熱体
をリボン型に形成して構成される。ヒータ部材３０の表
面上に３０μｍの厚さの層間絶縁膜４０を形成する。層
間絶縁膜４０には、ヒータ部材３０の端子部３１が露出
する切欠き４１が設けられている。

【００１３】層間絶縁膜４０の上に形成する可燃性ガス
酸化触媒層５０は、９５ｗｔ％のアルミナに５ｗｔ％の
Ｐｔを担持した触媒を３ｍｍ角厚み３０μｍに多孔質に
なるように印刷して形成する。

【００１４】第１の電極（アノード）６０は、可燃性触
媒層５０上にＰｔとＹＳＺのサーメットを１．０ｍｍ角
×膜厚１０μｍになるように印刷により形成して構成す
る。第１の電極（アノード）６０は、三相界面が形成さ
れる電極反応部６１と電極引出部６２および電極パッド
６３が形成される。

【００１５】触媒層５０平面上の中央部分に触媒層５０
より面積の小さな第１の電極（アノード）６０を形成
し、その後第１の電極（アノード）６０の周辺にさらに
触媒層５０を形成することによって、第１の電極（アノ
ード）６０の周囲を多孔質の触媒層５０で覆うことがで
きる。

【００１６】層間絶縁膜４０の上に酸化触媒層５０と第
１の電極（アノード）６０を積層形成した後、この積層
体を１３００℃で１０分間焼成して一体に構成する。

【００１７】固体電解質７０は、第１の電極（アノー
ド）６０と酸化触媒層５０の上に、ＹＳＺペーストをス
クリーン印刷して１．４ｍｍ角×厚み１０μｍで電極を
完全に被覆するように形成し、１００℃で３０分間乾燥
して形成する。

【００１８】ＹＳＺペーストは、８ｗｔ％のイットリア
と９２ｗｔ％のジルコニアからなるＹＳＺ粉末１００重
量部と、結合剤としてのポリビニルブチラール９重量部
と、溶剤としての合計８０重量部のα−テルピオネール
とフタル酸ジブチルと、常用の界面活性剤３．５重量部
を加えて調整する。

【００１９】第２の電極（カソード）８０は、ＰｔとＹ
ＳＺの混合体のペーストを１．０ｍｍ角×膜厚１０μｍ
になるようにスクリーン印刷により固体電解質７０上に
形成して構成する。第２の電極（カソード）８０は、三
相界面が形成される電極反応部８１と電極引出部８２お
よび電極パッド８３が形成される。

【００２０】第１の電極（アノード）６０と第２の電極
（カソード）８０とは、固体電解質７０を挾んで対向す
るように配置する。

【００２１】固体電解質７０と第２の電極（カソード）
８０を積層した後、全体を１３７５℃で１０分間焼成し
て、ヒータ部材３０を設けた絶縁基板１０と多孔質の酸
化触媒層５０とサーメットからなる第１の電極（アノー
ド）６０と固体電解質７０とサーメットからなる第２の
電極（カソード）８０が一体に形成された固体電解質積
層型ＣＯセンサを完成する。

【００２２】このセンサは、図７の特性図に示すよう
に、ＣＯ濃度５０ｐｐｍから５００ｐｐｍ程度を精度よ
く検出できる。しかしながら、このセンサを警報機へ適
用することを考えた場合、電池駆動というニーズへの対
応を考えなければならない。都市ガス警報機は、現在５
年間の耐久性を補償する必要があり、電池駆動を考える
と駆動部の消費電力は、連続通電時に０．２ｍＷ程度に
抑える必要がある。従来のセンサは、加熱部が２ｍｍ角
と大きいために、消費電力は連続通電時に０．８Ｗ台と
なり、電池駆動するには不向きである。

【００２３】また、ヒータ部を含めた全作製工程にスク
リーン印刷による厚膜プロセスを用いているため、全体
のバラツキが大となり、量産化が難しい。

【００２４】さらに、出力取出用パッドおよびヒータ電
圧印加用パッドをヒータ加熱領域内に設けていることか
ら、耐熱衝撃性を向上させなければならず、ペーストポ
ッティング＋高温焼成という組み合せによりリード線を
取りつけていた。

【００２５】既存の酸素センサとして、一般的なシリコ
ンプロセスを用いてヒータ部と素子部を作製した数十μ
ｍ角の酸素センサがある。また、ヒータ部をシリコンプ
ロセスを用いて形成し、素子部をスクリーン印刷法を用
いて形成することが提案されている。しかし、この手法
は、素子部の形成に１３５０℃での焼成を要するので、
基板としてシリコンウエハーを用いることができない。

【００２６】また、Ａｌ_２Ｏ_３基板(グリーンシート)に
フォトリソグラフィーを用いてＰｔ‐Ａｌ_２Ｏ_３系ヒー
タおよびＡｌ_２Ｏ_３絶縁膜を一体形成する技術がある。
その後、素子はスクリーン印刷法によって製作してい
る。

【００２７】

【発明が解決しようとする課題】上記一酸化炭素センサ
が有する問題に鑑み、本発明は、ガスセンサの加熱部を
小型化することにより、消費電力を抑制することを目的
とする。

【００２８】本発明は、厚膜法を用いて形成した固体電
解質を用いた一酸化炭素ガスセンサを、提供することを
目的とする。

【００２９】本発明は、センサ出力用パッドとヒータ電
圧印加用パッドにワイヤボンディングできる一酸化炭素
ガスセンサを提供することを目的とする。

【００３０】素子部の燒結温度を１０００℃程度の低温
にするとともに、ヒータ部と素子部の密着性を向上した
一酸化炭素ガスセンサを提供することを目的とする。

【００３１】Ａｌ_２Ｏ_３基板上にヒータを形成して、高
温プロセスを用いた一酸化炭素ガスセンサを提供する。

【００３２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明は、半導体あるいは絶縁性材料からなる基板
と、該基板の表面に設けた構造材と、該構造材の表面に
設けたヒータ部材と、該ヒータ部材および前記構造材の
表面を覆って設けた層間絶縁膜とを有し、ガスを拡散で
きる可燃性ガス酸化触媒層に覆われた第１の電極および
測定ガスに曝される第２の電極ならびに前記第１の電極
と第２の電極に接する酸素イオン導電性の固体電解質層
とからなる一酸化炭素ガス検出素子を前記ヒータ部材の
上部に位置するように該層間絶縁膜の表面に設けた固体
電解質型マイクロガスセンサにおいて、前記ヒータ部材
の下方に前記基板の裏面から前記構造材に達する空洞部
を設けた。

【００３３】さらに、本発明は、前記固体電解質型マイ
クロガスセンサにおいて、前記一酸化炭素ガス検出素子
を、前記ヒータ部材の上部に位置するように前記層間絶
縁膜の表面に設けたガスを拡散できる可燃性ガス酸化触
媒層と、該可燃性ガス酸化触媒層の表面に設けた第１の
電極と、該第１の電極を覆って設けた酸素イオン導電性
の固体電解質層と、該固体電解質層の表面に設けた測定
ガスに曝される第２の電極とからなる一酸化炭素ガス検
出素子とした。

【００３４】本発明は、上記固体電解質型マイクロガス
センサにおいて、前記一酸化炭素ガス検出素子を、前記
ヒータ部材の上部に位置するように該層間絶縁膜の表面
に設けた酸素イオン導電性の固体電解質層と、該固体電
解質層の表面に並べて設けた第１の電極および測定ガス
に曝される第２の電極と、該第１の電極を覆って設けた
ガスを拡散できる可燃性ガス酸化触媒層とからなる一酸
化炭素ガス検出素子とした。

【００３５】本発明は、上記固体電解質型マイクロガス
センサにおいて、前記基板および構造材を、ケイ素およ
び該ケイ素の表面を酸化した二酸化ケイ素、または、焼
成したアルミナ（酸化アルミニウム）グリーンシートで
形成した。

【００３６】本発明は、上記固体電解質型マイクロガス
センサにおいて、前記ヒータ部材を、ポリシリコンまた
は白金（Ｐｔ）で形成した。

【００３７】本発明は、上記固体電解質型マイクロガス
センサにおいて、前記層間絶縁膜を、酸化アルミニウム
（Ａｌ_２Ｏ_３），二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２），窒化ケイ
素（Ｓｉ_３Ｎ_４），燐−シリカガラス（ＰＳＧ）、ある
いはホウ素−燐−シリカガラス（ＢＰＳＧ）のいずれか
で形成した。

【００３８】本発明は、上記固体電解質型マイクロガス
センサにおいて、前記一酸化炭素ガス検出素子を、白金
（Ｐｔ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の混
合体で形成された第１電極および第２のある電極と、イ
ットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で形成された酸素
イオン伝導性の固体電解質と、白金（Ｐｔ）と酸化アル
ミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の混合体で形成された可燃性ガ
ス酸化触媒により構成した。

【００３９】本発明は、上記固体電解質型マイクロガス
センサにおいて、前記一酸化炭素ガス検出素子を、スク
リーン印刷法により形成した。

【００４０】また、本発明は、固体電解質型マイクロガ
スセンサの製造方法において、半導体あるいは絶縁性材
料からなる基板の両面に構造材を形成する第１の工程
と、前記構造材の一方の表面にヒータ部材を形成する第
２の工程と、前記構造材および前記ヒータ部材の表面に
層間絶縁膜を形成する第３の工程と、前記層間絶縁膜の
表面に一酸化炭素ガス検出素子を形成する第４の工程
と、前記層間絶縁膜の表面にヒータ電圧印加用およびセ
ンサ出力取出用パッドを形成する第５の工程と、前記基
板の裏面側をエッチング除去し空洞部を形成する第６の
工程とを備えた。

【００４１】本発明は、上記固体電解質型マイクロガス
センサの製造方法において、一酸化炭素ガス検出素子を
形成する第４の工程を、前記層間絶縁膜上に可燃性ガス
酸化触媒膜を形成する工程と、該可燃性ガス酸化触媒膜
の上に第１の電極膜を形成する工程と、第１の電極膜を
覆う固体電解質膜を形成する工程と、該固体電解質膜の
上に第２の電極膜を積層する工程とからなる工程とし
た。

【００４２】本発明は、上記固体電解質型マイクロガス
センサの製造方法において、一酸化炭素ガス検出素子を
形成する第４の工程を、前記層間絶縁膜上に固体電解質
膜を形成する工程と、固体電解質膜の上に第１の電極膜
および第２の電極膜形成する工程と、第１の電極膜の上
に可燃性ガス酸化触媒膜を積層する工程からなる工程と
した。

【００４３】本発明は、上記固体電解質型マイクロガス
センサの製造方法において、前記ヒータ部材を形成する
材料を、ポリシリコンまたは白金（Ｐｔ）とした。

【００４４】本発明は、上記固体電解質型マイクロガス
センサの製造方法において、前記層間絶縁膜を、酸化ア
ルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３），二酸化ケイ素（Ｓｉ
Ｏ_２），窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４），燐−シリカガラス
（ＰＳＧ）、あるいはホウ素−燐−シリカガラス（ＢＰ
ＳＧ）とした。

【００４５】本発明は、上記固体電解質型マイクロガス
センサの製造方法において、前記一酸化炭素ガス検出素
子を、白金（Ｐｔ）とイットリア安定化ジルコニア（Ｙ
ＳＺ）の混合体で形成された第１電極および第２の電極
と、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で形成され
た酸素イオン伝導性の固体電解質と、白金（Ｐｔ）と酸
化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の混合体で形成された可
燃性ガス酸化触媒により構成した。

【００４６】本発明は、上記固体電解質型マイクロガス
センサの製造方法において、前記一酸化炭素ガス検出素
子を、スクリーン印刷法により形成した。

【００４７】また、本発明は、アルミナグリーンシート
上にフォトリソグラフィーによりＰｔヒータを形成し、
その上に絶縁アルミナ膜を印刷したものを一体焼成する
ことにより、マイクロガスセンサ付きアルミナ基板を構
成した。

【００４８】

【発明の実施の形態】図１および図２を用いて本発明の
第１の実施の形態にかかる固体電解質型マイクロガスセ
ンサの構造を説明する。図１は固体電解質型マイクロガ
スセンサの構造を模式的に示す縦断面図であり、図２は
図１に示した固体電解質型マイクロガスセンサの構造を
模式的に示す上面透視図である。

【００４９】第１の実施の形態にかかる固体電解質型マ
イクロガスセンサ１は、半導体または絶縁性材料からな
る絶縁基板１０と、該絶縁基板の表面に形成した第１の
構造材２０と、前記絶縁基板の裏面に形成した第２の構
造材２１と、前記第１の構造材２０の表面に形成したヒ
ータ部材３０と、前記第１の構造材２０とヒータ部材３
０の表面に形成した層間絶縁膜４０と、ヒータ部材３０
の上部を覆うように該層間絶縁膜４０の表面に形成した
可燃性ガス酸化触媒膜５０と、前記ヒータ部材３０の上
部に位置するように該可燃性ガス酸化触媒膜５０の表面
に配置した第１の電極６０と、該第１の電極６０を覆っ
て形成した固体電解質膜７０と、該固体電解質膜７０上
面に前記第１の電極６０と対向させて形成した第２の電
極８０とから構成される。

【００５０】絶縁基板１０には、固体電解質型マイクロ
ガスセンサが配置された位置に、第２の構造材２１側か
ら第１の構造部材２０に達する空洞部１５が設けられて
いる。

【００５１】基板１０は、例えば２８０μｍの厚みを有
しており、シリコンＳｉなどの半導体あるいは電気絶縁
材料から構成される。

【００５２】第１の構造材２０および第２の構造材２１
は、例えば１μｍの厚みに形成され、絶縁基板１０の表
裏両面にＣＶＤ法によって酸化ケイ素ＳｉＯ_２を成長さ
せて得ることができる。第１の構造材２０および第２の
構造材２１は、上記のほか、ＣＶＤ法によって得た窒化
ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４、ＳｉＮ_Ｘ，ＳｉＮ_ＸＯ_Ｙ）などで
構成することができる。

【００５３】ヒータ部材３０は、例えばポリシリコンを
用いて構成される。第１の構造材２０の表面に０．５μ
ｍの厚さに成膜したポリシリコンに、ホウ素イオンＢ^＋
をイオン注入法によって打ち込み（２×１０^１６／ｃｍ
^２）、１０００℃で３０分間Ｎ_２中でアニールした後、
フォトリソグラフによってエッチングしてヒータパター
ンを形成した。ヒータ部材３０を形成する材料として、
ポリシリコンのほかに、白金Ｐｔ、タングステンＷ、酸
化タンタルＴａＯ、酸化ルテニウムＲｕＯ_２、パラジウ
ムＰｄなどの導電性を有する材料を用いることができ
る。

【００５４】層間絶縁膜４０は、０．５〜１０μｍの厚
みを有し、例えば酸化アルミニウム（アルミナ）Ａｌ_２
Ｏ_３を用いて形成される。層間絶縁膜４０は、この上に
形成される可燃性ガス酸化触媒膜５０と第１の構造材２
０が剥がれないようにするため、可燃性ガス酸化触媒膜
５０の熱膨張率と第１の構造材２０の熱膨張率の間の熱
膨張率を有することが望ましく、上記Ａｌ_２Ｏ_３のほか
に、シリカガラスである燐−シリカガラス（ＰＳＧ）、
ホウ素−燐−シリカガラス（ＢＰＳＧ）などの低融点ガ
ラスを用いることができる。

【００５５】可燃性ガス酸化触媒膜５０は、一酸化炭素
ＣＯガス、水素Ｈ_２、炭化水素ＣＨ _４などを酸化する作
用を有し、例えば３０μｍの厚みを有し、ＰｔやＰｄな
どの白金族金属、金ＡｕまたはバナジウムＶもしくはク
ロムＣｒなどの主遷移金属の酸化物、あるいはこれらの
２種以上の組み合せを、ＳｉＯ_２、α−Ａｌ_２Ｏ_３、β
−Ａｌ_２Ｏ_３などの担体に担持させた可燃性ガスを酸化
する触媒作用とガス拡散作用を有する多孔体で構成され
る。

【００５６】第１の電極６０および第２の電極８０は、
例えば５μｍの厚みを有し、それぞれ触媒金属とセラミ
ックを混合し加圧成形し燒結した複合体であるサーメッ
トから構成される。サーメットは、Ｐｔと二酸化ジルコ
ニウムＺｒＯ_２またはＰｔとイットリアＹ_２Ｏ_３で安定
化されたＺｒＯ_２（ＹＳＺ）を用いて構成される。サー
メットを構成する材料として、上記の他に、Ｐｔなどの
貴金属、または、ＰｔとＺｒＯ_２，二酸化トリウムＴｈ
Ｏ_２，酸化セリウム（ＣｅＯ_２，Ｃｅ_２Ｏ_３），三酸化
二ビスマスＢｉ_２Ｏ_３などとの混合物、あるいは、これ
らの１種に希土類酸化物もしくはアルカリ土類金属酸化
物を添加してなる酸化物の１種と白金族との混合物を用
いて構成することができる。

【００５７】固体電解質膜７０は、酸素イオン伝導性の
固体電解質であり、例えば１０〜３０μｍの厚みに形成
される。固体電解質膜７０は、Ｙ_２Ｏ_３で安定化したＺ
ｒＯ _２、酸化マグネシウムＭｇＯまたは酸化カルシウム
ＣａＯを添加したＺｒＯ_２，希土類酸化物を添加したＣ
ｅＯ_２、酸化ストロンチウムＳｒＯを添加したＢｉ_２Ｏ
_３等を用いることができる。

【００５８】図３を用いて、上記固体電解質型マイクロ
ガスセンサの製造方法を説明する。

【００５９】厚さ２８０μｍのシリコン基板１０の表裏
の表面にＣＶＤ法を用いてＳｉＯ_２の膜を厚さ２μｍに
成膜し、第１の構造材２０と第２の構造材２１とする
（図３（Ａ））。

【００６０】次いで，第１の構造材２０の表面にポリシ
リコン膜を厚さ０．５μｍの厚さに成膜し、不純物をド
ーピングした後、フォトリソ技術を用いてヒータパター
ンに形成しヒータ部材３０を形成する（図３（Ｂ））。

【００６１】ヒータ部材３０および第１の構造部材２０
の表面全面を覆うようにヒータ部材３０と第１の電極６
０を電気的に絶縁するＢＰＳＧなどからなる層間絶縁膜
４０を形成する（図３（Ｃ））。

【００６２】層間絶縁膜４０の表面にガス拡散性の可燃
性ガス酸化触媒膜５０をスクリーン印刷法によって形成
する（図３（Ｄ））。

【００６３】さらに、この可燃性ガス酸化触媒膜５０の
表面に第１の電極となるサーメットの膜をスクリーン印
刷法によって形成した後９００℃で仮焼成して可燃性ガ
ス触媒膜５０と第１の電極６０を形成する。その後第１
の電極６０の表面に酸素イオン伝導性固体電解質膜７０
を形成し、第１の電極６０の周辺が外に接することがな
いようにフォトリソ技術を用いて固体電解質膜７０を形
成する（図３（Ｅ））。

【００６４】固体電解質膜７０表面に第２の電極となる
サーメットの膜を形成しフォトリソ技術を用いて、第２
の電極７０を形成する（図３（Ｆ））。

【００６５】次いで、層間絶縁膜３０の上にヒータ電圧
印加用およびセンサ出力取出用金パッドをスパッタリン
グなどで形成して電極パッド９０を形成する（図３
（Ｇ））。

【００６６】最後に絶縁基板１０の裏面を異方性エッチ
ングにより除去して、空洞部１５を形成して図１に示す
固体電解質型マイクロガスセンサ１を形成する。

【００６７】この例では、ヒータ部材３０は５０μｍ×
５０μｍの大きさであり、第一の電極６０および第２の
電極８０は４０μｍ×４０μｍの大きさであった。空洞
部１５の底部は２００μｍ×２００μｍの大きさであ
り、開口部は５００μｍ×５００μｍの大きさであっ
た。さらに、固体電解質型マイクロガスセンサの大きさ
は３ｍｍ×３ｍｍの大きさであった。

【００６８】この固体電解質型ガスセンサの一酸化炭素
ガス濃度とセンサ出力の関係は、実用に十分耐え得る特
性であった。

【００６９】図４を用いて、本発明の第２の実施の形態
にかかる固体電解質型マイクロガスセンサの構造を説明
する。この実施の形態にかかる固体電解質型マイクロガ
スセンサは、図１に示した固体電解質型マイクロガスセ
ンサと比較して、第１の電極と第２の電極を固体電解質
を介して積層する形態ではなく、固体電解質の同一平面
上に並べる形態とした点に特徴を有している。

【００７０】この実施の形態にかかる固体電解質型マイ
クロガスセンサ１は、絶縁基板１０と、該絶縁基板の表
面に形成した第１の構造材２０と、前記絶縁基板の裏面
に形成した第２の構造材２１と、前記第１の構造材２０
の表面に形成したヒータ部材３０と、前記第１の構造材
２０とヒータ部材３０の表面に形成した層間絶縁膜４０
と、層間絶縁膜４０の表面に設けた固体電解質膜７０
と、固体電解質の表面に並べて設けられた第１の電極６
０および第２の電極８０と、第１の電極６０の上部を覆
うように個体電解質７０と第１の電極６０の表面に形成
した可燃性ガス酸化触媒膜５０とから構成される。

【００７１】第２の実施の形態にかかる固体電解質型マ
イクロガスセンサ１は、以下のようにして製造する。ま
ず、シリコンからなる絶縁基板１０の両面に構造材２
０，２１としてＳｉＯ_２を成膜する。次に、ヒータ用ポ
リシリコン膜を成膜し、このポリシリコン膜に不純物を
ドーピングした後、ヒータパターン３０に加工する。そ
の後、ガスセンサ電極とヒータとの電気絶縁用のＢＰＳ
Ｇ等の層間絶縁膜４０を成膜する。ここまでの工程は図
３に示した第１の実施の形態にかかるマイクロガスセン
サの製造方法と同様である。この絶縁膜上にスクリーン
印刷法によって固体電解質膜７０を形成し、さらにその
上面に一対の電極６０，８０を形成し、１０００℃で仮
焼成する。引き続き、電極の一方を可燃性ガス酸化触媒
５０で被覆し９００℃で焼成する。この後ヒータ電圧印
加用およびセンサ出力取出用金パッドをスパッタリング
などで形成し、最後に基板裏面を異方性エッチングによ
り除去して空洞部１５を形成する。

【００７２】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来の
固体電解質型ガスセンサに比較してガス検出感度を低下
させることなく、固体電解質型マイクロガスセンサのヒ
ータ加熱部を５０μｍ角程度大きさとすることができ、
加熱部の面積だけでも従来の固体電解質型ガスセンサの
２ｍｍ角の大きさに較べ１／１６００と極めて小さくす
ることができる。このように加熱部の面積を小さくする
ことによって、消費電力を０．８Ｗから大幅に抑制する
ことができるので、固体電解質型マイクロガスセンサを
電池駆動によっても極めて長時間動作させることができ
る。

【００７３】さらに、本発明では、固体電解質型マイク
ロガスセンサをシリコンプロセスを用いて製造するの
で、製品のバラツキの低減を達成でき、量産化に適した
固体電解質およびその製造方法とすることができる。さ
らに、ヒータによる加熱部分をセンサ素子部分のみとす
ることができ、パッド部と加熱部の距離を十分とること
ができるので、一般的なワイヤボンディング法を用いる
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１の実施の形態にかかる固体電解
質型マイクロガスセンサの構造を概念的に説明する縦断
面図。

【図２】 図１に示した固体電解質型マイクロガスセン
サの構造を概念的に説明する平面透視図。

【図３】 図１に示した固体電解質型マイクロガスセン
サの製造方法を説明する図。

【図４】 本発明の第２の実施の形態にかかる固体電解
質型マイクロガスセンサの構造を概念的に説明する縦断
面図。

【図５】 固体電解質型ガスセンサの動作原理を説明す
る図。

【図６】 従来の固体電解質型ガスセンサの構造を説明
する分解斜視図。

【図７】 図６に示した従来の固体電解質型ガスセンサ
の出力特性図。

【符号の説明】

１：固体電解質型マイクロガスセンサ １０：絶縁基板 ２０：第１の構造体 ２１：第２の構造体 ３０：ヒータ部材 ４０：層間絶縁膜 ５０：可燃性ガス酸化触媒膜 ６０：第１の電極 ７０：酸素イオン導電性の固体電解質 ８０：第２の電極 ９０：電極パッド

フロントページの続き (72)発明者 井出 卓広 東京都港区海岸一丁目５番20号 東京瓦斯 株式会社内 (72)発明者 反田 亮史 東京都港区海岸一丁目５番20号 東京瓦斯 株式会社内 (72)発明者 望月 計 静岡県天竜市二俣町南鹿島23番地 矢崎計 器株式会社内 (72)発明者 高島 裕正 静岡県天竜市二俣町南鹿島23番地 矢崎計 器株式会社内 Ｆターム(参考） 2G004 BB04 BC03 BD04 BE04 BE22 BE25 BE26 BF07 BF08 BH15 BJ03 BL08 BM04

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 半導体あるいは絶縁性材料からなる基板
   と、該基板の表面に設けた構造材と、該構造材の表面に
   設けたヒータ部材と、該ヒータ部材および前記構造材の
   表面を覆って設けた層間絶縁膜とを有し、ガスを拡散で
   きる可燃性ガス酸化触媒層に覆われた第１の電極および
   測定ガスに曝される第２の電極ならびに前記第１の電極
   と第２の電極に接する酸素イオン導電性の固体電解質層
   とからなる一酸化炭素ガス検出素子を前記ヒータ部材の
   上部に位置するように該層間絶縁膜の表面に設けた固体
   電解質型マイクロガスセンサにおいて、前記ヒータ部材
   の下方に前記基板の裏面から前記構造材に達する空洞部
   を設けた固体電解質型マイクロガスセンサ。
2. 【請求項２】 前記一酸化炭素ガス検出素子が、前記ヒ
   ータ部材の上部に位置するように前記層間絶縁膜の表面
   に設けたガスを拡散できる可燃性ガス酸化触媒層と、該
   可燃性ガス酸化触媒層の表面に設けた第１の電極と、該
   第１の電極を覆って設けた酸素イオン導電性の固体電解
   質層と、該固体電解質層の表面に設けた測定ガスに曝さ
   れる第２の電極とからなる一酸化炭素ガス検出素子であ
   る請求項１に記載の固体電解質型マイクロガスセンサ。
3. 【請求項３】 前記一酸化炭素ガス検出素子が、前記ヒ
   ータ部材の上部に位置するように該層間絶縁膜の表面に
   設けた酸素イオン導電性の固体電解質層と、該固体電解
   質層の表面に並べて設けた第１の電極および測定ガスに
   曝される第２の電極と、該第１の電極を覆って設けたガ
   スを拡散できる可燃性ガス酸化触媒層とからなる一酸化
   炭素ガス検出素子である請求項１に記載の固体電解質型
   マイクロガスセンサ。
4. 【請求項４】 前記基板および構造材が、ケイ素および
   該ケイ素の表面を酸化した二酸化ケイ素、または、焼成
   したアルミナ（酸化アルミニウム）グリーンシートで形
   成された請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載
   の固体電解質型マイクロガスセンサ。
5. 【請求項５】 前記ヒータ部材が、ポリシリコンまたは
   白金（Ｐｔ）で形成された請求項１ないし請求項４のい
   ずれか１項に記載の固体電解質型マイクロガスセンサ。
6. 【請求項６】 前記層間絶縁膜が、酸化アルミニウム
   （Ａｌ_２Ｏ_３），二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２），窒化ケイ
   素（Ｓｉ_３Ｎ_４），燐−シリカガラス（ＰＳＧ）、ある
   いはホウ素−燐−シリカガラス（ＢＰＳＧ）のいずれか
   で形成された請求項１ないし請求項５のいずれか１項に
   記載の固体電解質型マイクロガスセンサの製造方法。
7. 【請求項７】 前記一酸化炭素ガス検出素子が、白金
   （Ｐｔ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の混
   合体で形成された第１電極および第２のある電極と、イ
   ットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で形成された酸素
   イオン伝導性の固体電解質と、白金（Ｐｔ）と酸化アル
   ミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の混合体で形成された可燃性ガ
   ス酸化触媒により構成される請求項１ないし請求項６の
   いずれか１項に記載の固体電解質型マイクロガスセン
   サ。
8. 【請求項８】 前記一酸化炭素ガス検出素子が、スクリ
   ーン印刷法により形成される請求項１ないし請求項７の
   いずれか１項に記載の固体電解質型マイクロガスセン
   サ。
9. 【請求項９】 半導体あるいは絶縁性材料からなる基板
   の両面に構造材を形成する第１の工程と、前記構造材の
   一方の表面にヒータ部材を形成する第２の工程と、前記
   構造材および前記ヒータ部材の表面に層間絶縁膜を形成
   する第３の工程と、前記層間絶縁膜の表面に一酸化炭素
   ガス検出素子を形成する第４の工程と、前記層間絶縁膜
   の表面にヒータ電圧印加用およびセンサ出力取出用パッ
   ドを形成する第５の工程と、前記基板の裏面側をエッチ
   ング除去し空洞部を形成する第６の工程とからなる固体
   電解質型マイクロガスセンサの製造方法。
10. 【請求項１０】 一酸化炭素ガス検出素子を形成する第
    ４の工程が、前記層間絶縁膜上に可燃性ガス酸化触媒膜
    を形成する工程と、該可燃性ガス酸化触媒膜の上に第１
    の電極膜を形成する工程と、第１の電極膜を覆う固体電
    解質膜を形成する工程と、該固体電解質膜の上に第２の
    電極膜を積層する工程からなる請求項９に記載の固体電
    解質型マイクロガスセンサの製造方法。
11. 【請求項１１】 一酸化炭素ガス検出素子を形成する第
    ４の工程が、前記層間絶縁膜上に固体電解質膜を形成す
    る工程と、固体電解質膜の上に第１の電極膜および第２
    の電極膜形成する工程と、第１の電極膜の上に可燃性ガ
    ス酸化触媒膜を積層する工程からなる請求項９に記載の
    固体電解質型マイクロガスセンサの製造方法。
12. 【請求項１２】 前記ヒータ部材を形成する材料が、ポ
    リシリコンまたは白金（Ｐｔ）である請求項９ないし請
    求項１１のいずれか１項に記載の固体電解質型マイクロ
    ガスセンサの製造方法。
13. 【請求項１３】 前記層間絶縁膜が、酸化アルミニウム
    （Ａｌ_２Ｏ_３），二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２），窒化ケイ
    素（Ｓｉ_３Ｎ_４），燐−シリカガラス（ＰＳＧ）、ある
    いはホウ素−燐−シリカガラス（ＢＰＳＧ）である請求
    項９ないし請求項１２のいずれか１項に記載の固体電解
    質型マイクロガスセンサの製造方法。
14. 【請求項１４】 前記一酸化炭素ガス検出素子が、白金
    （Ｐｔ）とイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）の混
    合体で形成された第１電極および第２のある電極と、イ
    ットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）で形成された酸素
    イオン伝導性の固体電解質と、白金（Ｐｔ）と酸化アル
    ミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の混合体で形成された可燃性ガ
    ス酸化触媒により構成される請求項９ないし請求項１３
    のいずれか１項に記載の固体電解質型マイクロガスセン
    サの製造方法。
15. 【請求項１５】 前記一酸化炭素ガス検出素子を、スク
    リーン印刷法により形成する請求項９ないし請求項１４
    のいずれか１項に記載の固体電解質型マイクロガスセン
    サの製造方法。
16. 【請求項１６】 アルミナグリーンシート上にフォトリ
    ソグラフィーによりＰｔヒータを形成し、その上に絶縁
    アルミナ膜を印刷したものを一体焼成することにより得
    た、マイクロガスセンサ付きアルミナ基板。