JP2003329642A - Gas sensor and manufacturing method thereof - Google Patents

Gas sensor and manufacturing method thereof

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JP2003329642A
JP2003329642A JP2002134192A JP2002134192A JP2003329642A JP 2003329642 A JP2003329642 A JP 2003329642A JP 2002134192 A JP2002134192 A JP 2002134192A JP 2002134192 A JP2002134192 A JP 2002134192A JP 2003329642 A JP2003329642 A JP 2003329642A
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JP
Japan
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silicon substrate
heater
solid electrolyte
gas sensor
silicon
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Pending
Application number
JP2002134192A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Takahiro Umeda
孝裕 梅田
Masao Maki
正雄 牧
Katsuhiko Uno
克彦 宇野
Takashi Niwa
孝 丹羽
Kunihiro Tsuruta
邦弘 鶴田
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Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Publication of JP2003329642A publication Critical patent/JP2003329642A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a low-power-consumption gas sensor in which a gas detection part can be effectively heated by curbing heat radiation from a substrate, and which is low in power consumption so as to be able to use batteries as a power source. <P>SOLUTION: The gas sensor is provided with a silicon substrate 1 which is a n-type single crystal having a (1 0 0) plane, a heater 2 formed on the silicon substrate 1, a diaphragm 7 formed by removing the silicon substrate under the heater 2 using anisotropic etching, an insulating film 1a formed on the heater 2, a solid electrolyte 3 formed on the insulating film 1a, and a pair of electrodes 4 and 5 formed on the solid electrolyte 3. Since heat radiation from the substrate is curbed, a gas detection part is effectively heated, and the sensor requires less electricity. Therefore, the sensor can utilize batteries as a power source. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、大気中あるいは燃
焼機器や内燃機関の排ガス中に含まれる可燃性ガス、特
に人体に有害な物質である一酸化炭素を検出するガスセ
ンサに関するものである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas sensor for detecting combustible gas contained in the atmosphere or exhaust gas of a combustion device or an internal combustion engine, particularly carbon monoxide which is a harmful substance to the human body.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、この種のガスセンサとしては、例
えば、特開平10−31003号公報に記載されている
ようなものがあった。図10は、前記公報に記載された
従来のガスセンサを示すものである。
2. Description of the Related Art Conventionally, as this type of gas sensor, for example, there has been one described in JP-A-10-31003. FIG. 10 shows the conventional gas sensor described in the above publication.

【0003】図10において、1は電気的に絶縁性を有
するアルミナなどから成る絶縁基板、2はその表面に形
成した白金などから成るヒーター、3は酸素イオン導電
性を有する平板状のイットリア安定化ジルコニアなどか
ら成る固体電解質、4および5は白金などから成る一対
の電極、6は多孔質な酸化触媒である。
In FIG. 10, 1 is an insulating substrate made of electrically insulating alumina or the like, 2 is a heater made of platinum or the like formed on the surface thereof, and 3 is a flat plate yttria-stabilizing material having oxygen ion conductivity. Solid electrolytes such as zirconia, 4 and 5 are a pair of electrodes such as platinum, and 6 is a porous oxidation catalyst.

【0004】上記構成のガスセンサからのセンサ出力を
取り出すために、一対の電極4および5間に電位差検出
手段を接続し、被検出ガスの濃度に応じた一対の電極4
および5間に生じる電位差を検出していた。
In order to extract the sensor output from the gas sensor having the above structure, a potential difference detecting means is connected between the pair of electrodes 4 and 5 and the pair of electrodes 4 corresponding to the concentration of the gas to be detected.
The potential difference generated between and was detected.

【0005】次に、従来の構成のガスセンサの原理を簡
単に説明する。
Next, the principle of the conventional gas sensor will be briefly described.

【0006】まず、従来の構成のガスセンサを一酸化炭
素などの可燃性ガスを含まない被検出ガス中に保持し、
ヒーター2により固体電解質3を所定の動作温度まで加
熱したとき、一対の電極4および5に到達する酸素の量
はそれぞれ等しいので、一対の電極4−5間に電位差は
発生しない。このとき一対の電極4および5上ではそれ
ぞれ式(1)で示した電極反応が生じ、平衡を保ってい
る。
First, the conventional gas sensor is held in a gas to be detected which does not contain combustible gas such as carbon monoxide,
When the solid electrolyte 3 is heated to a predetermined operating temperature by the heater 2, the amounts of oxygen reaching the pair of electrodes 4 and 5 are equal, so that no potential difference is generated between the pair of electrodes 4-5. At this time, the electrode reactions represented by the formula (1) occur on the pair of electrodes 4 and 5, respectively, and the equilibrium is maintained.

【0007】Oad+2e−←→O2−・・・(1) ここでOadは一対の電極4および5の表面に吸着した
酸素原子を示す。
Oad + 2e- ← → O2 -... (1) Here, Oad represents an oxygen atom adsorbed on the surfaces of the pair of electrodes 4 and 5.

【0008】次に、被検出ガス中に可燃性ガスである一
酸化炭素を導入すると、多孔質な酸化触媒6の形成され
ていない電極5上では式(1)で示した電極反応に加
え、式(2)で示した電極反応が生じる。
Next, when carbon monoxide, which is a flammable gas, is introduced into the gas to be detected, on the electrode 5 on which the porous oxidation catalyst 6 is not formed, in addition to the electrode reaction represented by the formula (1), The electrode reaction represented by the formula (2) occurs.

【0009】CO+Oad→CO2・・・(2) 一方、多孔質な酸化触媒6の形成された電極4上では、
酸化触媒6で一酸化炭素が二酸化炭素に酸化され、一酸
化炭素が電極4の表面まで到達することができず、式
(1)で示した電極反応のみが生じる。
CO + Oad → CO2 (2) On the other hand, on the electrode 4 on which the porous oxidation catalyst 6 is formed,
Carbon monoxide is oxidized to carbon dioxide by the oxidation catalyst 6, carbon monoxide cannot reach the surface of the electrode 4, and only the electrode reaction represented by the formula (1) occurs.

【0010】したがって一対の電極4および5の間で吸
着する酸素量のバランスが崩れ、酸素濃度に濃淡差が生
じ、酸素濃度の高い電極4から酸素濃度の低い電極5へ
吸着酸素が酸素イオンとなり酸素イオン導電体である固
体電解質3中を移動し、一対の電極4−5間に電位差が
発生する。この電位差と一酸化炭素の濃度の関係はネル
ンストの式に従い、濃度が増加すれば電位差も増加する
ので、電位差検出手段でこの電位差を検出することによ
り、一酸化炭素などの可燃性ガスの濃度を求めていた。
Therefore, the balance of the amount of oxygen adsorbed between the pair of electrodes 4 and 5 is lost, and a difference in density occurs in the oxygen concentration, and the adsorbed oxygen becomes oxygen ions from the electrode 4 having a high oxygen concentration to the electrode 5 having a low oxygen concentration. It moves in the solid electrolyte 3 which is an oxygen ion conductor, and a potential difference is generated between the pair of electrodes 4-5. The relationship between this potential difference and the concentration of carbon monoxide follows the Nernst equation, and as the concentration increases, the potential difference also increases, so by detecting this potential difference with the potential difference detection means, the concentration of flammable gas such as carbon monoxide I was asking.

【0011】[0011]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記従
来の構成では、絶縁基板1の熱伝導率がアルミナの場
合、約20W/m・Kと大きいので、絶縁基板1からの
放熱が大きくなり、効率よく固体電解質3を加熱するこ
とができず、消費電力が大きくなるという課題を有して
いた。
However, in the above-mentioned conventional structure, when the thermal conductivity of the insulating substrate 1 is alumina, it is as large as about 20 W / m · K, so that the heat radiation from the insulating substrate 1 becomes large and the efficiency is high. There was a problem that the solid electrolyte 3 could not be heated well and the power consumption increased.

【0012】本発明は、前記従来の課題を解決するもの
で、基板からの放熱を抑制し、固体電解質を効率よく加
熱することができ、低消費電力で電池などの電源を用い
ることができ、検出性能の安定したガスセンサを提供す
ることを目的とする。
The present invention solves the above-mentioned problems of the prior art by suppressing heat dissipation from the substrate, efficiently heating the solid electrolyte, and using a power source such as a battery with low power consumption. An object is to provide a gas sensor with stable detection performance.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】前記従来の課題を解決す
るために、本発明のガスセンサは、n型の(1 00)
面の単結晶のシリコン基板と、前記シリコン基板上に形
成したヒーターと、前記ヒーターの下の前記シリコン基
板を前記シリコン基板の裏面から異方性エッチングによ
り除去して形成したダイヤフラムと、前記ヒーターの上
に形成した酸化珪素から成る絶縁膜と、前記絶縁膜の上
に形成した固体電解質と、前記固体電解質の上に形成し
た一対の電極を備えたものであり、基板からの放熱を抑
制し、固体電解質を効率よく加熱するので、低消費電力
となり、電池などの電源を用いることができる。
In order to solve the above-mentioned conventional problems, the gas sensor of the present invention is an n-type (100)
A single crystal silicon substrate of a surface, a heater formed on the silicon substrate, a diaphragm formed by removing the silicon substrate under the heater from the back surface of the silicon substrate by anisotropic etching, and a heater An insulating film made of silicon oxide formed above, a solid electrolyte formed on the insulating film, and a pair of electrodes formed on the solid electrolyte, to suppress heat dissipation from the substrate, Since the solid electrolyte is efficiently heated, the power consumption becomes low and a power source such as a battery can be used.

【0014】[0014]

【発明の実施の形態】請求項1に記載の発明は、n型の
(1 0 0)面の単結晶のシリコン基板と、シリコン
基板上に形成したヒーターと、ヒーターの下のシリコン
基板をシリコン基板の裏面から異方性エッチングにより
除去して形成したダイヤフラムと、ヒーターの上に形成
した酸化珪素から成る絶縁膜と、絶縁膜の上に形成した
固体電解質と、固体電解質の上に形成した一対の電極を
備えたものであり、基板からの放熱を抑制し、固体電解
質を効率よく加熱するので、低消費電力となり、電池な
どの電源を用いることができる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The invention according to claim 1 is one in which an n-type (100) -plane single crystal silicon substrate, a heater formed on the silicon substrate, and a silicon substrate below the heater are made of silicon. A diaphragm formed by anisotropic etching from the back surface of the substrate, an insulating film made of silicon oxide formed on the heater, a solid electrolyte formed on the insulating film, and a pair formed on the solid electrolyte. Since it is provided with the electrode of (1), heat dissipation from the substrate is suppressed, and the solid electrolyte is efficiently heated, the power consumption is low and a power source such as a battery can be used.

【0015】請求項2に記載の発明は、特に請求項1に
記載のヒーターが、シリコン基板にIII族の元素を添加
して得たp型シリコンであり、従来のように白金のよう
な高価な材質を用いることなく、基板と同一の素材で形
成するので、経済的であるばかりでなく、熱膨張率が等
しいため、剥離や浮きといった物理的破壊が発生せず、
ヒーターとしての耐久性が向上する。
According to a second aspect of the present invention, in particular, the heater according to the first aspect is p-type silicon obtained by adding a Group III element to a silicon substrate, which is expensive like platinum as in the prior art. Since it is formed of the same material as the substrate without using a different material, it is not only economical, but because the thermal expansion coefficient is the same, physical damage such as peeling or floating does not occur,
The durability as a heater is improved.

【0016】また、価電子制御のされていないシリコン
は熱エネルギーによってわずかな電気伝導性を示すが、
価電子制御を行ったシリコン半導体を用いるので、p型
からn型へは電流を流すがその逆には電流を流さないと
いう整流作用により、p型シリコンであるヒーターは基
材のn型シリコン基板と十分に絶縁されており、基材と
ヒーターの間に絶縁物を形成する必要がない。
Silicon, which is not valence-controlled, exhibits a slight electric conductivity due to thermal energy.
Since a valence-controlled silicon semiconductor is used, a heater that is p-type silicon is a base material of an n-type silicon substrate due to the rectifying action of passing a current from p-type to n-type but not the other way. Is sufficiently insulated, and it is not necessary to form an insulator between the substrate and the heater.

【0017】また、異方性エッチング液を用いた異方性
エッチングにおいて、n型シリコンはよくエッチングさ
れるが、p型シリコンはほとんどエッチングされないの
で、ヒーター部分のみを異方性エッチングすることが可
能であり、熱伝導のよいn型シリコンを除去することに
より、基板の熱容量を大きく減少させることができ、低
消費電力となり、電池などの電源を用いることができ
る。
In the anisotropic etching using the anisotropic etching solution, the n-type silicon is well etched, but the p-type silicon is hardly etched. Therefore, only the heater portion can be anisotropically etched. Therefore, by removing the n-type silicon having good thermal conductivity, the heat capacity of the substrate can be greatly reduced, the power consumption becomes low, and a power source such as a battery can be used.

【0018】請求項3に記載の発明は、n型の(1 0
0)面の単結晶のシリコン基板を熱酸化させ、酸化珪
素から成る酸化膜を形成し、イオン注入する部分の酸化
膜をフォトリソグラフィにより除去し、III族の元素を
イオン注入してヒーターを形成した後、酸素中で熱酸化
させ、酸化珪素からなる絶縁膜を形成し、絶縁膜にヒー
ター電極用のコンタクトホールをフォトリソグラフィに
より形成し、コンタクトホールの上にヒーター電極を形
成し、シリコン基板の裏面の異方性エッチングする部分
の酸化膜をフォトリソグラフィにより除去し、シリコン
基板を裏面から異方性エッチングしてダイヤフラムを形
成し、絶縁膜の上に固体電解質を形成し、固体電解質の
上に一対の電極を形成するものであり、基板からの放熱
を抑制し、固体電解質を効率よく加熱するので、低消費
電力となり、電池などの電源を用いることができる。
The invention described in claim 3 is an n-type (10
The (0) plane single crystal silicon substrate is thermally oxidized to form an oxide film made of silicon oxide, the oxide film in the portion to be ion-implanted is removed by photolithography, and a group III element is ion-implanted to form a heater. After that, thermal oxidation is performed in oxygen to form an insulating film made of silicon oxide, a contact hole for a heater electrode is formed in the insulating film by photolithography, and a heater electrode is formed on the contact hole. The oxide film on the back surface that is to be anisotropically etched is removed by photolithography, the silicon substrate is anisotropically etched from the back surface to form a diaphragm, a solid electrolyte is formed on the insulating film, and a solid electrolyte is formed on the solid electrolyte. It forms a pair of electrodes, suppresses heat radiation from the substrate, and efficiently heats the solid electrolyte, resulting in low power consumption, battery, etc. Power can be used.

【0019】請求項4に記載の発明は、特に請求項3に
記載のシリコン基板の裏面の異方性エッチングしない部
分だけでなく、シリコン基板のおもて面にもレジスト膜
を形成し、おもて面を保護することにより、シリコン基
板のおもて面からの異方性エッチングを防ぐことがで
き、生産性が良好となる。
According to a fourth aspect of the present invention, a resist film is formed not only on the back surface of the silicon substrate according to the third aspect, which is not subjected to anisotropic etching, but also on the front surface of the silicon substrate. By protecting the front surface, anisotropic etching from the front surface of the silicon substrate can be prevented, and the productivity becomes good.

【0020】請求項5に記載の発明は、特に請求項3に
記載の固体電解質を、メタルマスクを用いてスパッタリ
ングにより形成することにより、異方性エッチングによ
り形成したダイヤフラム上のp型シリコンから成るヒー
ターに、負荷や衝撃を与えることなく、固体電解質を形
成できるので、歩留まりが向上し、生産性が良好とな
る。
According to a fifth aspect of the present invention, in particular, the solid electrolyte according to the third aspect is formed by sputtering using a metal mask to form anisotropically etched p-type silicon on the diaphragm. Since the solid electrolyte can be formed without applying load or impact to the heater, the yield is improved and the productivity is improved.

【0021】請求項6に記載の発明は、特に請求項3に
記載の固体電解質を、10〜50%の酸素中でスパッタ
リングすることにより、固体電解質の原料を含むスパッ
タリングのターゲットが還元により黒化するといったこ
とがなく、安定した組成の固体電解質の膜を形成するこ
とができ、センサ出力の安定したガスセンサを得ること
ができる。
According to a sixth aspect of the present invention, in particular, the solid electrolyte according to the third aspect is sputtered in oxygen of 10 to 50% so that the sputtering target containing the raw material of the solid electrolyte is blackened by reduction. It is possible to form a solid electrolyte membrane having a stable composition, and to obtain a gas sensor with stable sensor output.

【0022】請求項7に記載の発明は、特に請求項3に
記載の固体電解質を、500〜900℃の基板温度でス
パッタリングすることにより、シリコン基板上に形成さ
れる固体電解質膜の結晶が成長し、良好な酸素イオン導
電性を示す結晶構造となり、高出力なガスセンサを得る
ことができる。
According to the invention described in claim 7, in particular, the crystal of the solid electrolyte membrane formed on the silicon substrate grows by sputtering the solid electrolyte described in claim 3 at a substrate temperature of 500 to 900 ° C. However, the crystal structure has a good oxygen ion conductivity, and a high-output gas sensor can be obtained.

【0023】請求項8に記載の発明は、特に請求項3に
記載の固体電解質の上に白金を用いて一対の電極を形成
した後、一対の電極のうち一方の電極の上に多孔性の酸
化触媒を形成することにより、酸化触媒で一酸化炭素が
二酸化炭素に酸化され、一酸化炭素が酸化触媒の形成さ
れた白金からなる電極の表面まで到達することができな
いので、一対の電極間で酸素濃度に濃淡差が生じ、電位
差が発生し、この電位差を検出することにより、一酸化
炭素などの可燃性ガスの濃度を求めることができる。
In the invention described in claim 8, a pair of electrodes is formed on the solid electrolyte according to claim 3 by using platinum, and then a porous electrode is formed on one of the pair of electrodes. By forming an oxidation catalyst, carbon monoxide is oxidized to carbon dioxide by the oxidation catalyst, and carbon monoxide cannot reach the surface of the electrode made of platinum on which the oxidation catalyst is formed. A density difference occurs in the oxygen concentration, and a potential difference occurs, and by detecting this potential difference, the concentration of flammable gas such as carbon monoxide can be obtained.

【0024】請求項9に記載の発明は、特に請求項3に
記載のシリコン基板に異方性エッチングによりブレーク
溝を形成することにより、ダイシング装置などを用いず
に、異方性エッチングにより形成した空洞の上のp型シ
リコンから成るブリッジ状のヒーターに、負荷や衝撃を
与えることなく、シリコン基板を分割することができる
ので、歩留まりが向上し、生産性が良好となる。
The invention according to claim 9 is formed by anisotropic etching without using a dicing device by forming a break groove by anisotropic etching on the silicon substrate according to claim 3 in particular. Since the silicon substrate can be divided into the bridge-shaped heater made of p-type silicon on the cavity without applying a load or shock, the yield is improved and the productivity is improved.

【0025】[0025]

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
しながら説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0026】図1は、本発明の実施例におけるガスセン
サの断面構成図を示すものである。
FIG. 1 is a sectional view showing the configuration of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

【0027】図1において、1はn型で(1 0 0)
面の単結晶のシリコン基板である。このシリコン基板1
を構成するシリコン原子は共有結合しており、電子はシ
リコン原子に強く束縛されているが、熱エネルギーによ
って、わずかな数の電子が原子の束縛を離れて動き回っ
ており、室温において、わずかに電気伝導性を示す。n
型シリコンは、シリコン中にV族の元素であるリンや砒
素、アンチモンなどの原子をイオン注入などにより添加
したものであり、V族の原子は結合の手を五本持つた
め、結合の手が一本余り、原子に束縛されない電子が生
じ、n型シリコンは電子による電気伝導性を示す。
In FIG. 1, 1 is an n-type (1 0 0)
The surface is a single crystal silicon substrate. This silicon substrate 1
The silicon atoms that make up the are covalently bonded, and the electrons are strongly bound to the silicon atoms, but due to thermal energy, a small number of electrons move around the binding of the atoms, and at room temperature, there is a slight electric charge. Shows conductivity. n
Type silicon is obtained by adding atoms such as phosphorus, arsenic, and antimony, which are group V elements, into silicon by ion implantation, and the group V atoms have five bonding hands. More than one electron is generated that is not bound to the atom, and n-type silicon exhibits electrical conductivity due to the electron.

【0028】そして、シリコン基板1の表面には非晶質
の酸化珪素から成る絶縁膜1aおよび酸化膜1bがそれ
ぞれ形成されており、その表面の一部にp型シリコンか
ら成るヒーター2が形成されている。p型シリコンは、
シリコン中にIII族の元素であるボロン(ホウ素)やイ
ンジウムなどの原子をイオン注入などにより添加したも
のであり、III族の原子は結合の手を三本しか持たない
ため、結合の手が一本足りず、電子の抜けた孔(正孔、
ホール)が生じ、この正孔に隣接する電子が入ることに
より電子が移動できるので、電気導電性を示す。また、
n型シリコンの上に形成したp型シリコンの間には、p
型からn型へは電流を流すが、その逆には電流を流さな
いという整流作用があり、p型シリコンから成るヒータ
ー2はn型シリコンから成るシリコン基板1と十分に絶
縁されている。
An insulating film 1a and an oxide film 1b made of amorphous silicon oxide are formed on the surface of the silicon substrate 1, and a heater 2 made of p-type silicon is formed on a part of the surface. ing. p-type silicon is
Atoms such as boron (boron) and indium, which are Group III elements, are added to silicon by ion implantation, etc. Since Group III atoms have only three bond hands, they have only one bond. Not enough holes, holes (electrons)
(Hole) is generated, and an electron adjoining this hole can move to move the electron, thus exhibiting electric conductivity. Also,
Between the p-type silicon formed on the n-type silicon, p
The heater 2 made of p-type silicon is sufficiently insulated from the silicon substrate 1 made of n-type silicon, because it has a rectifying function of passing a current from the mold to the n-type, but vice versa.

【0029】さらに、ヒーター2の上にはシリコン基板
を熱処理して得られる電気的絶縁性を有する酸化珪素か
ら成る絶縁膜1aが形成されている。そして、絶縁膜1
aの上にイットリア安定化ジルコニアから成る固体電解
質3が形成されている。
Further, an insulating film 1a made of electrically insulating silicon oxide is formed on the heater 2 by heat-treating the silicon substrate. And the insulating film 1
A solid electrolyte 3 made of yttria-stabilized zirconia is formed on a.

【0030】そして、固体電解質3の上には、一対の電
極として白金からなる電極4および5が形成されてい
る。そして、一方の電極4の上に多孔質な酸化触媒6が
形成されている。この構成によれば、酸化触媒6で一酸
化炭素が二酸化炭素に酸化され、一酸化炭素が酸化触媒
6の形成された白金からなる電極4の表面まで到達する
ことができないので、一対の電極4および5間で酸素濃
度に濃淡差が生じ、電位差が発生し、この電位差を検出
することにより、一酸化炭素などの可燃性ガスの濃度を
求めることができる。
Then, electrodes 4 and 5 made of platinum are formed on the solid electrolyte 3 as a pair of electrodes. A porous oxidation catalyst 6 is formed on the one electrode 4. According to this configuration, carbon monoxide is oxidized to carbon dioxide by the oxidation catalyst 6, and carbon monoxide cannot reach the surface of the electrode 4 made of platinum on which the oxidation catalyst 6 is formed. A density difference occurs between the oxygen concentration and the oxygen concentration, and a potential difference occurs, and by detecting this potential difference, the concentration of flammable gas such as carbon monoxide can be obtained.

【0031】また、ヒーター2の下のシリコン基板1は
異方性エッチングによりダイヤフラム7が形成されてお
り、熱伝導率のよいシリコンを除去しているので、熱容
量と熱拡散を大きく減少させることができる。(1 0
0)面における異方性エッチングは、パターンに外接
する<1 1 0>方向で(1 1 0)面に対して角
度が55度に位置する(1 1 1)面に沿って、逆ピ
ラミッド状の溝あるいは貫通孔を形成することができ、
酸化珪素からなる絶縁膜1aはエッチングされないた
め、絶縁膜1aおよびヒーター2からなるダイヤフラム
7が形成される。
Further, since the diaphragm 7 is formed on the silicon substrate 1 under the heater 2 by anisotropic etching to remove the silicon having good thermal conductivity, the heat capacity and the thermal diffusion can be greatly reduced. it can. (10
Anisotropic etching in the (0) plane is performed in an inverted pyramid shape along the (1 1 1) plane whose angle is 55 degrees with respect to the (1 1 0) plane in the <1 1 0> direction circumscribing the pattern. Grooves or through holes can be formed,
Since the insulating film 1a made of silicon oxide is not etched, the diaphragm 7 made of the insulating film 1a and the heater 2 is formed.

【0032】次に、本発明の実施例におけるガスセンサ
の製造方法について説明する。
Next, a method of manufacturing the gas sensor according to the embodiment of the present invention will be described.

【0033】図2〜7は、本発明の実施例におけるガス
センサの製造方法を示すものである。本発明では、シリ
コンのバルクマイクロマシニング技術を用いて、クリー
ンルームでダイヤフラム型ののマイクロヒーター2の作
製を行い、前記マイクロヒーター2の上に固体電解質式
のガス検知部を形成した。本発明の構成によれば、基板
1からの放熱を抑制し、固体電解質3を効率よく加熱す
るので、低消費電力となり、電池などの電源を用いるこ
とができる。まず、図2(1)において、1はn型で
(1 0 0)面の板厚約500μmの単結晶のシリコ
ン基板である。
2 to 7 show a method of manufacturing a gas sensor according to an embodiment of the present invention. In the present invention, the diaphragm type micro-heater 2 is manufactured in a clean room by using the silicon bulk micro-machining technique, and the solid electrolyte type gas detection part is formed on the micro-heater 2. According to the configuration of the present invention, heat dissipation from the substrate 1 is suppressed and the solid electrolyte 3 is efficiently heated, resulting in low power consumption and a power source such as a battery can be used. First, in FIG. 2 (1), reference numeral 1 denotes an n-type single crystal silicon substrate having a plate thickness of (500) plane of about 500 μm.

【0034】次に、図2(2)に示したように、シリコ
ン基板1を石英管中で水蒸気を用いて熱酸化させ、膜厚
約8,000Åの酸化珪素から成る酸化膜1bを形成し
た。成膜速度の速い水蒸気中で酸化膜1bを形成するの
で、大気中あるいは酸素中よりも早く形成することがで
き、生産性が向上する。
Next, as shown in FIG. 2 (2), the silicon substrate 1 was thermally oxidized in a quartz tube using steam to form an oxide film 1b made of silicon oxide and having a thickness of about 8,000 Å. . Since the oxide film 1b is formed in water vapor having a high film formation rate, it can be formed earlier than in the atmosphere or in oxygen, and the productivity is improved.

【0035】そして、硫酸と過酸化水素水の混合溶液を
用い、50〜70℃で洗浄し、水洗後、乾燥し、表面に
存在する汚れや不純物を完全に除去した。表面に存在す
る汚れや不純物を完全に除去するので、成膜状態が良好
となり、歩留まりを向上させることができる。
Then, a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide was used for washing at 50 to 70 ° C., washing with water and drying to completely remove stains and impurities existing on the surface. Since the dirt and impurities existing on the surface are completely removed, the state of film formation becomes good and the yield can be improved.

【0036】次に、パターンを形成する前に、シリコン
基板1の関係のない任意の端部にピンセットのような先
端の鋭いもので酸化膜1bに小さいヒゲ状の傷をつけ、
異方性エッチング液に浸漬して異方性エッチングを行っ
た。傷の下に存在するn型シリコンは傷に外接する<1
1 0>方向で逆ピラミッド状に異方性エッチングさ
れ、空洞が形成されるので、ヒーター2となる部分をシ
リコン基板1の<11 0>方向に対して正確に配置す
ることができ、歩留まりが向上し、生産性が良好とな
る。
Next, before forming a pattern, a small mustache-like scratch is made on the oxide film 1b with a sharp tip such as tweezers on an arbitrary irrelevant end of the silicon substrate 1,
Anisotropic etching was performed by immersing in an anisotropic etching solution. The n-type silicon existing under the scratch circumscribes the scratch <1
Since a cavity is formed by anisotropically etching in a reverse pyramid shape in the 10> direction, the portion to be the heater 2 can be accurately arranged in the <110> direction of the silicon substrate 1 and the yield can be improved. It improves and productivity becomes good.

【0037】なお、あらかじめ<1 1 0>方向のオ
リエンテーション・フラットを有するシリコンウェハー
を用いた場合はこの工程を省略することができる。
If a silicon wafer having an orientation flat in the <1 1 0> direction is used in advance, this step can be omitted.

【0038】次に、図2(1)に示したように、シリコ
ン基板1をスピナーにセットし、プライマーを数滴たら
し、スピンコートした。プライマーは、酸化膜1bの表
面に付着した水分などを除去し、レジスト膜8と基板1
の密着性を高めることができる。そして、ポジ型のレジ
スト液を数滴たらし、スピンコートした後、90℃で5
分間プリベークを行い、レジスト液中の溶剤を乾燥し、
膜厚約0.5μmのレジスト膜8を形成した。
Next, as shown in FIG. 2A, the silicon substrate 1 was set on a spinner, a few drops of the primer were dropped, and spin coating was performed. The primer removes water and the like attached to the surface of the oxide film 1b, and the resist film 8 and the substrate 1 are removed.
The adhesion of can be improved. Then, a few drops of positive type resist solution were dropped, spin coated, and then 5 ° C. at 5 ° C.
Pre-bake for minutes, dry the solvent in the resist solution,
A resist film 8 having a film thickness of about 0.5 μm was formed.

【0039】次に、図2(2)に示したように、シリコ
ン基板1をマスクアライナ(露光装置)にセットし、フ
ォトマスク9とシリコン基板1を密着させ、超高圧水銀
灯の光を照射した。
Next, as shown in FIG. 2 (2), the silicon substrate 1 is set on a mask aligner (exposure device), the photomask 9 and the silicon substrate 1 are brought into close contact with each other, and the light of an ultrahigh pressure mercury lamp is irradiated. .

【0040】その後、図2(3)に示したように、シリ
コン基板1を現像液に浸漬し、1〜3分現像し、純水で
十分に洗浄を行い、レジスト膜8の密着性と耐薬品性を
向上させるため、120℃で10分間ポストベークを行
った。さらに、シリコン基板1のおもて面のイオン注入
しない部分だけでなく、シリコン基板1の裏面の酸化膜
1bにもレジスト液を塗布し、酸化膜1bがエッチング
されないようにレジスト膜8を形成して、保護した。裏
面の酸化膜1bを保護することにより、シリコン基板1
の裏面からの異方性エッチングを防ぐことができ、生産
性が良好となる。
After that, as shown in FIG. 2C, the silicon substrate 1 is immersed in a developing solution, developed for 1 to 3 minutes, and thoroughly washed with pure water to ensure adhesion and resistance of the resist film 8. Post-baking was performed at 120 ° C. for 10 minutes in order to improve chemical properties. Further, the resist solution is applied not only on the front surface of the silicon substrate 1 which is not subjected to ion implantation but also on the oxide film 1b on the back surface of the silicon substrate 1 to form a resist film 8 so that the oxide film 1b is not etched. Protected. The silicon substrate 1 is protected by protecting the oxide film 1b on the back surface.
It is possible to prevent anisotropic etching from the back surface of the and the productivity is improved.

【0041】次に、図2(4)に示したように、シリコ
ン基板1をテフロン(登録商標)ビーカーの弗化水素酸
と弗化アンモニウム水溶液の混合液(1:6)に浸漬し
て、ヒーターとなるイオン注入する部分の酸化珪素から
成る酸化膜1bをエッチングした。
Next, as shown in FIG. 2 (4), the silicon substrate 1 is immersed in a mixed solution (1: 6) of hydrofluoric acid and an aqueous solution of ammonium fluoride in a Teflon (registered trademark) beaker, The oxide film 1b made of silicon oxide was etched at the portion of the heater that was used for ion implantation.

【0042】そして、図2(5)に示したように、アセ
トンでレジスト膜8を剥離した後、2−プロパノールで
洗浄し、さらに純水で洗浄し、エアーガンで乾燥した。
剥離剤は硫酸過水などでもよい。また、レジスト膜8が
固化して除去しにくい場合などは、酸素プラズマによる
アッシングにより除去することができる。
Then, as shown in FIG. 2 (5), the resist film 8 was peeled off with acetone, washed with 2-propanol, further washed with pure water, and dried with an air gun.
The release agent may be sulfuric acid / hydrogen peroxide or the like. Further, when the resist film 8 is solidified and difficult to remove, it can be removed by ashing with oxygen plasma.

【0043】次に、図3(6)に示したように、イオン
注入装置を用いて、酸化膜1bを除去した部分にIII族
の元素であるボロン(ホウ素)を50keVの加速電圧
で5×1016/cm2注入し、p型シリコンから成るヒ
ーター2を形成した。
Next, as shown in FIG. 3 (6), boron (boron), which is a group III element, is applied to the portion where the oxide film 1b is removed at an acceleration voltage of 50 keV at 5 × using an ion implantation apparatus. 10 16 / cm 2 was injected to form the heater 2 made of p-type silicon.

【0044】さらに、図3(7)に示したように、ボロ
ンをイオン注入した後、1,000℃〜1,200℃の
窒素中で1〜2時間熱処理して、イオン注入により損な
われたシリコンの結晶性を回復させ、同時にボロン原子
をn型シリコン中に拡散させ、p型シリコンの安定した
構造のヒーター2を形成した。熱処理することにより、
p型シリコンから成るヒーター2の膜厚は厚くなる。
Further, as shown in FIG. 3 (7), after ion implantation of boron, heat treatment was performed in nitrogen at 1,000 ° C. to 1,200 ° C. for 1 to 2 hours to damage by ion implantation. The crystallinity of silicon was recovered, and at the same time boron atoms were diffused into n-type silicon to form a heater 2 having a stable structure of p-type silicon. By heat treatment,
The heater 2 made of p-type silicon becomes thicker.

【0045】さらに続けて、図3(8)に示したよう
に、1,000℃〜1,200℃の酸素中で30分〜1
時間熱処理して、シリコン基板1表面に約1,500Å
の絶縁膜1aを形成した。この絶縁膜1aは、ヒーター
2とその上に形成する固体電解質を絶縁し、蒸着などに
より新たに絶縁膜を成膜させる必要がないので、経済的
である。
Continuing, as shown in FIG. 3 (8), 30 minutes to 1 hour in oxygen at 1,000 ° C. to 1,200 ° C.
Heat treated for about 1,500Å on the surface of silicon substrate 1
The insulating film 1a was formed. This insulating film 1a is economical because it insulates the heater 2 and the solid electrolyte formed thereon and it is not necessary to newly form an insulating film by vapor deposition or the like.

【0046】次に、図3(9)に示したように、熱酸化
により形成された絶縁膜1aにヒーター電極用のコンタ
クトホールを形成するために、再度、シリコン基板1を
スピナーにセットし、プライマーを数滴たらし、スピン
コートした。そして、ポジ型のレジスト液を数滴たら
し、スピンコートした後、90℃で5分間プリベークを
行い、膜厚約0.5μmのレジスト膜10を形成した。
Next, as shown in FIG. 3 (9), the silicon substrate 1 is set again on the spinner in order to form a contact hole for a heater electrode in the insulating film 1a formed by thermal oxidation. A few drops of primer were applied and spin coated. Then, several drops of a positive resist solution were dropped, spin-coated, and prebaked at 90 ° C. for 5 minutes to form a resist film 10 having a film thickness of about 0.5 μm.

【0047】次に、図3(10)に示したように、シリ
コン基板1をマスクアライナにセットし、フォトマスク
11上のパターンとシリコン基板1のパターンを顕微鏡
を用いて合わせ、フォトマスク11と基板1を密着さ
せ、超高圧水銀灯の光を照射した。
Next, as shown in FIG. 3 (10), the silicon substrate 1 is set on a mask aligner, and the pattern on the photomask 11 and the pattern on the silicon substrate 1 are aligned with each other by using a microscope to form the photomask 11 and The substrate 1 was brought into close contact with the substrate and irradiated with light from an ultra-high pressure mercury lamp.

【0048】その後、図4(11)に示したように、シ
リコン基板1を現像液に浸漬し、1〜3分現像し、純水
で十分に洗浄を行い、120℃で10分間ポストベーク
を行った。さらに、シリコン基板1の裏面の酸化膜1b
にもレジスト液を塗布し、酸化膜1bがエッチングされ
ないよう、レジスト膜10を形成し、保護した。酸化膜
1bを保護することにより、シリコン基板1の裏面のエ
ッチングを防ぐことができ、生産性が良好となる。
Then, as shown in FIG. 4 (11), the silicon substrate 1 is immersed in a developing solution, developed for 1 to 3 minutes, thoroughly washed with pure water, and post-baked at 120 ° C. for 10 minutes. went. Further, the oxide film 1b on the back surface of the silicon substrate 1
Also, a resist solution was applied to form a resist film 10 and protect the oxide film 1b from being etched. By protecting the oxide film 1b, the back surface of the silicon substrate 1 can be prevented from being etched, and the productivity is improved.

【0049】次に、図4(12)に示したように、シリ
コン基板1を弗化水素酸と弗化アンモニウム水溶液の混
合液に浸漬して、コンタクトホール1cとなる部分の酸
化珪素から成る絶縁膜1aをエッチングした。
Next, as shown in FIG. 4 (12), the silicon substrate 1 is dipped in a mixed solution of hydrofluoric acid and an aqueous solution of ammonium fluoride to insulate the portion of the contact hole 1c made of silicon oxide. The film 1a was etched.

【0050】そして、図4(13)に示したように、硫
酸過水やアセトンでレジスト膜10を剥離した後、2−
プロパノールで洗浄し、さらに純水で洗浄し、エアーガ
ンで乾燥した。
Then, as shown in FIG. 4 (13), after removing the resist film 10 with sulfuric acid / hydrogen peroxide or acetone, 2-
It was washed with propanol, further washed with pure water, and dried with an air gun.

【0051】次に、図4(14)および(15)に示し
たように、ヒーター2用の電極として真空蒸着によりク
ロム12と金13の多層膜を連続して形成した。クロム
は真空中で加熱すると溶融せずに昇華するので、タング
ステンのバスケットを用い、200〜300Å形成し
た。一方、金にはタングステンのボートを用い、2,0
00〜3,000Å形成した。後の工程で用いる異方性
エッチング液は強アルカリであるので、ヒーター2用の
電極に異方性エッチングに耐え得る金を用いた。また、
金13はシリコン基板1との密着性が非常に弱いので、
密着性のよいクロム12を下地として用いた。また、ク
ロム12の成膜後、一旦大気にさらすと、クロム12が
酸化したり、表面に水蒸気が吸着したりして、密着性が
悪くなり、金13とクロム12の間で剥離することがあ
るので、クロム12と金13は真空を破ることなく連続
して成膜しなければならない。
Next, as shown in FIGS. 4 (14) and (15), a multilayer film of chromium 12 and gold 13 was continuously formed as an electrode for the heater 2 by vacuum evaporation. When chromium is heated in a vacuum, it does not melt and sublimes, so a tungsten basket was used to form 200 to 300 Å. On the other hand, a tungsten boat is used for gold,
00-3,000 Å formed. Since the anisotropic etching liquid used in the subsequent step is a strong alkali, gold which can withstand anisotropic etching was used for the electrode for the heater 2. Also,
Gold 13 has very weak adhesion to the silicon substrate 1, so
Chromium 12 having good adhesion was used as a base. Further, once the chrome 12 is formed, if it is exposed to the atmosphere, the chrome 12 may be oxidized or water vapor may be adsorbed on the surface, resulting in poor adhesion and peeling between the gold 13 and the chrome 12. Therefore, the chromium 12 and the gold 13 must be continuously formed without breaking the vacuum.

【0052】そして、クロム12と金13の多層膜の緻
密性や密着性を向上するために、窒素中で300℃、3
0分間熱処理を行った。
Then, in order to improve the denseness and the adhesion of the multilayer film of chromium 12 and gold 13, the temperature is kept at 300 ° C. in nitrogen for 3
Heat treatment was performed for 0 minutes.

【0053】次に、図5(16)に示したように、クロ
ム12と金13の多層膜をエッチングするため、シリコ
ン基板1をスピナーにセットし、プライマーを数滴たら
し、スピンコートした。そして、ポジ型のレジスト液を
数滴たらし、スピンコートした後、90℃で5分間プリ
ベークを行い、膜厚約0.5μmのレジスト膜14を形
成した。
Next, as shown in FIG. 5 (16), in order to etch the multilayer film of chromium 12 and gold 13, the silicon substrate 1 was set on a spinner, a few drops of primer were dropped, and spin coating was performed. Then, a few drops of a positive resist solution were dropped, spin-coated and then prebaked at 90 ° C. for 5 minutes to form a resist film 14 having a film thickness of about 0.5 μm.

【0054】次に、図5(17)に示したように、シリ
コン基板1をマスクアライナにセットし、フォトマスク
15上のパターンとシリコン基板1のパターンを顕微鏡
を用いて合わせ、フォトマスク15とシリコン基板1を
密着させ、超高圧水銀灯の光を照射した。
Next, as shown in FIG. 5 (17), the silicon substrate 1 is set on a mask aligner, and the pattern on the photomask 15 and the pattern on the silicon substrate 1 are aligned with each other by using a microscope to form the photomask 15 The silicon substrate 1 was brought into close contact and irradiated with light from an ultra-high pressure mercury lamp.

【0055】その後、図5(18)に示したように、シ
リコン基板1を現像液に浸漬し、1〜3分現像し、純水
で十分に洗浄を行い、レジスト膜14の密着性と耐薬品
性を向上させるため、120℃で10分間ポストベーク
を行った。
After that, as shown in FIG. 5 (18), the silicon substrate 1 is dipped in a developing solution, developed for 1 to 3 minutes, and thoroughly washed with pure water to ensure the adhesion and resistance of the resist film 14. Post-baking was performed at 120 ° C. for 10 minutes in order to improve chemical properties.

【0056】次に、図5(19)に示したように、ヨウ
素100gと、ヨウ化カリウム100gと、純水400
ccの混合水溶液を用いて、オーバーエッチングになら
ないよう注意しながら金13をエッチングし、ヒーター
2用の金電極13aを形成した。
Next, as shown in FIG. 5 (19), 100 g of iodine, 100 g of potassium iodide, and 400 of pure water.
Gold 13 was etched using a mixed aqueous solution of cc while being careful not to cause over-etching, and gold electrode 13a for heater 2 was formed.

【0057】さらに、図5(20)に示したように、硝
酸二セリウムアンモニウム水溶液を用いて、同様にクロ
ム12をエッチングし、ヒーター2用のクロム電極12
aを形成した。
Further, as shown in FIG. 5 (20), the chromium 12 was similarly etched using an aqueous solution of dicerium ammonium nitrate, and the chromium electrode 12 for the heater 2 was used.
a was formed.

【0058】そして、図6(21)に示したように、硫
酸過水やアセトンでレジスト膜14を剥離した後、2−
プロパノールで洗浄し、さらに純水で洗浄し、エアーガ
ンで乾燥した。
Then, as shown in FIG. 6 (21), after removing the resist film 14 with sulfuric acid / hydrogen peroxide or acetone, 2-
It was washed with propanol, further washed with pure water, and dried with an air gun.

【0059】次に、図6(22)に示したように、異方
性エッチングする裏面の開口のパターンを形成するた
め、シリコン基板1の裏面を上にしてスピナーにセット
し、プライマーを数滴たらし、スピンコートした。そし
て、ポジ型のレジスト液を数滴たらし、スピンコートし
た後、90℃で5分間プリベークを行い、膜厚約0.5
μmのレジスト膜16を形成した。
Next, as shown in FIG. 6 (22), in order to form a pattern of the opening on the back surface for anisotropic etching, the back surface of the silicon substrate 1 was set on a spinner and a few drops of a primer were set. Spinned and spin-coated. Then, a few drops of positive type resist solution are dropped, spin-coated, and then prebaked at 90 ° C. for 5 minutes to give a film thickness of about 0.5.
A μm resist film 16 was formed.

【0060】次に、図6(23)に示したように、シリ
コン基板1をマスクアライナにセットし、フォトマスク
17上のパターンとシリコン基板1のパターンを顕微鏡
を用いて合わせ、フォトマスク17とシリコン基板1を
密着させ、超高圧水銀灯の光を照射した。
Next, as shown in FIG. 6 (23), the silicon substrate 1 is set on a mask aligner, and the pattern on the photomask 17 and the pattern on the silicon substrate 1 are aligned with each other by using a microscope. The silicon substrate 1 was brought into close contact and irradiated with light from an ultra-high pressure mercury lamp.

【0061】その後、図6(24)に示したように、シ
リコン基板1を現像液に浸漬し、1〜3分現像し、純水
で十分に洗浄を行い、レジスト膜16の密着性と耐薬品
性を向上させるため、120℃で10分間ポストベーク
を行った。さらに、シリコン基板1の表面にもレジスト
液を塗布し、酸化膜1bがエッチングされないようにレ
ジスト膜16を形成して、保護した。表面を保護するこ
とにより、シリコン基板1のおもて面からの異方性エッ
チングを防ぐことができ、生産性が良好となる。
After that, as shown in FIG. 6 (24), the silicon substrate 1 is immersed in a developing solution, developed for 1 to 3 minutes, and thoroughly washed with pure water to ensure the adhesion and resistance of the resist film 16. Post-baking was performed at 120 ° C. for 10 minutes in order to improve chemical properties. Further, a resist solution was applied to the surface of the silicon substrate 1 to form a resist film 16 so as to prevent the oxide film 1b from being etched and protected. By protecting the surface, anisotropic etching from the front surface of the silicon substrate 1 can be prevented and the productivity becomes good.

【0062】次に、図6(25)に示したように、シリ
コン基板1を弗化水素酸と弗化アンモニウム水溶液の混
合液に浸漬して、開口部1dとなる部分の酸化膜1bを
エッチングにより除去した。
Next, as shown in FIG. 6 (25), the silicon substrate 1 is dipped in a mixed solution of hydrofluoric acid and an aqueous solution of ammonium fluoride to etch the oxide film 1 b at the portion to be the opening 1 d. Removed by.

【0063】次に、図7(26)に示したように、エチ
レンジアミン75ccと、ピロカテコール12gと、純
水24ccの混合水溶液を用いて、ホットプレートで1
16℃に加熱しながらドラフト内で2時間異方性エッチ
ングを行った。混合水溶液の沸点は約116℃であり、
105〜125℃で加熱する必要がある。この異方性エ
ッチング液を用いることにより、特性のばらつき要因と
考えられるアルカリ金属の水酸化物水溶液を用いないの
で、歩留まりが向上し、生産性が良好となる。また、ヒ
ーター2であるp型シリコンは基板1のn型シリコンに
比べてほとんど異方性エッチングされないので、ダイヤ
フラム型のマイクロヒーター2を形成することができ、
熱伝導のよいn型シリコンを除去することにより、シリ
コン基板1の熱容量を大きく減少させることができ、低
消費電力となり、電池などの電源を用いることができ
る。
Next, as shown in FIG. 7 (26), a hot plate was used to prepare 1 by using a mixed aqueous solution of 75 cc of ethylenediamine, 12 g of pyrocatechol and 24 cc of pure water.
Anisotropic etching was performed in a draft for 2 hours while heating at 16 ° C. The boiling point of the mixed aqueous solution is about 116 ° C.,
It is necessary to heat at 105 to 125 ° C. By using this anisotropic etching solution, an aqueous solution of an alkali metal hydroxide, which is considered to be a factor of variation in characteristics, is not used, so that the yield is improved and the productivity is improved. Further, since the p-type silicon that is the heater 2 is hardly anisotropically etched as compared with the n-type silicon of the substrate 1, the diaphragm-type micro-heater 2 can be formed.
By removing the n-type silicon having good thermal conductivity, the heat capacity of the silicon substrate 1 can be greatly reduced, the power consumption becomes low, and a power source such as a battery can be used.

【0064】また、開口部1dの酸化膜1bを除去した
後、時間が経過してから異方性エッチングを行うと、シ
リコン基板1の表面に自然酸化膜ができて異方性エッチ
ングができなくなるので、開口部1fの酸化膜1bを除
去したら直ちに異方性エッチングを行わなければならな
い。異方性エッチングと同時に形成していたレジスト膜
16は剥離される。異方性エッチングをしたら直ちに、
純水で洗浄し、さらに2−プロパノールで洗浄し、乾燥
した。エアーガンなどで水分を飛ばすと、ダイヤフラム
7などが壊れることがあるので、オーブンで乾燥した。
また、水の表面張力によるダイヤフラム7の破壊を避け
るため、水洗後、2−プロパノールで置換し、乾燥し
た。
If anisotropic etching is performed after a lapse of time after removing the oxide film 1b in the opening 1d, a natural oxide film is formed on the surface of the silicon substrate 1 and anisotropic etching cannot be performed. Therefore, anisotropic etching must be performed immediately after removing the oxide film 1b in the opening 1f. The resist film 16 formed simultaneously with the anisotropic etching is peeled off. Immediately after anisotropic etching,
It was washed with pure water, further washed with 2-propanol, and dried. Since the diaphragm 7 etc. may be broken when the water is blown off with an air gun etc., it was dried in an oven.
Further, in order to avoid the destruction of the diaphragm 7 due to the surface tension of water, it was washed with water, replaced with 2-propanol, and dried.

【0065】また、異方性エッチング液にエチレンジア
ミンとピロカテコールの混合水溶液でなく、水酸化テト
ラメチルアンモニウムの15%〜25%水溶液を用い、
70℃〜90℃で異方性エッチングを行った場合、発ガ
ン性物質を用いずに、異方性エッチングすることがで
き、安全性が向上する。
Further, a 15% to 25% aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide is used as the anisotropic etching solution instead of a mixed solution of ethylenediamine and pyrocatechol.
When anisotropic etching is performed at 70 ° C. to 90 ° C., anisotropic etching can be performed without using a carcinogenic substance, and safety is improved.

【0066】このようにして、シリコン基板1のヒータ
ー2の下に異方性エッチングによりダイヤフラム7を形
成し、熱伝導率のよいシリコンを除去し、ダイヤフラム
型構造のヒーター2を形成することにより、熱容量と熱
拡散を大きく減少させることができる。そして、p型シ
リコンから成るヒーター2はn型シリコンから成るシリ
コン基板1とpn接合を形成しているので、ヒーター部
のみに電流を流すことが可能であり、低消費電力で高速
応答性に優れたマイクロヒーター2が得られる。
In this way, the diaphragm 7 is formed under the heater 2 of the silicon substrate 1 by anisotropic etching, silicon having good thermal conductivity is removed, and the heater 2 having the diaphragm type structure is formed. The heat capacity and heat diffusion can be greatly reduced. Further, since the heater 2 made of p-type silicon forms a pn junction with the silicon substrate 1 made of n-type silicon, it is possible to pass a current only to the heater portion, which consumes less power and is excellent in high-speed response. The micro heater 2 is obtained.

【0067】次に、図7(27)に示したように、絶縁
膜1aの上に固体電解質3を形成するため、メタルマス
クを用いて、スパッタリングによりイットリア安定化ジ
ルコニアを約2μm形成した。メタルマスクを用いてス
パッタリングにより形成することにより、異方性エッチ
ングにより形成したダイヤフラム7の上のp型シリコン
から成るヒーター2に、負荷や衝撃を与えることなく、
固体電解質3を形成できるので、歩留まりが向上し、生
産性が良好となる。
Next, as shown in FIG. 7 (27), in order to form the solid electrolyte 3 on the insulating film 1a, yttria-stabilized zirconia was formed to a thickness of about 2 μm by sputtering using a metal mask. By forming by sputtering using a metal mask, without applying load or impact to the heater 2 made of p-type silicon on the diaphragm 7 formed by anisotropic etching,
Since the solid electrolyte 3 can be formed, the yield is improved and the productivity is improved.

【0068】また、スパッタリングは10〜50%の酸
素中で行い、スパッタリング時のシリコン基板1の基板
温度を500〜900℃で行った。スパッタリング時
に、酸素を入れることにより、スパッタリングのターゲ
ットが黒化することなく、組成の安定した固体電解質3
の薄膜を形成することができる。また、基板温度を上げ
ることにより、固体電解質1の結晶性が向上し、酸素イ
オン導電率を増加させることができる。
The sputtering was carried out in oxygen of 10 to 50%, and the silicon substrate 1 was sputtered at a substrate temperature of 500 to 900.degree. By adding oxygen at the time of sputtering, the solid electrolyte 3 having a stable composition without blackening the sputtering target 3
Can be formed into a thin film. Further, by raising the substrate temperature, the crystallinity of the solid electrolyte 1 is improved and the oxygen ion conductivity can be increased.

【0069】次に、図7(28)および(29)に示し
たように、固体電解質3の上に白金からなる一対の電極
4および5をメタルマスクを用いてスパッタリングによ
り形成し、さらに、一方の電極4の上に多孔質な酸化触
媒6をメタルマスクを用いてスパッタリングにより形成
した。メタルマスクを用いてスパッタリングにより形成
することにより、異方性エッチングにより形成したダイ
ヤフラム7の上のp型シリコンからなるヒーター2に、
負荷や衝撃を与えることなく、電極4および5および酸
化触媒6を形成できるので、歩留りが向上し、生産性が
良好となる。
Next, as shown in FIGS. 7 (28) and (29), a pair of electrodes 4 and 5 made of platinum are formed on the solid electrolyte 3 by sputtering using a metal mask. A porous oxidation catalyst 6 was formed on the electrode 4 by sputtering using a metal mask. By forming by sputtering using a metal mask, the heater 2 made of p-type silicon on the diaphragm 7 formed by anisotropic etching,
Since the electrodes 4 and 5 and the oxidation catalyst 6 can be formed without applying load or impact, the yield is improved and the productivity is improved.

【0070】また、図8に示したように、シリコン基板
を異方性エッチングすると同時に、異方性エッチングに
よりブレーク溝18を形成した場合、ダイシング装置な
どを用いずに、異方性エッチングにより形成したダイヤ
フラム7の上のp型シリコンから成るヒーター2に、負
荷や衝撃を与えることなく、シリコン基板1を分割する
ことができるので、歩留まりが向上し、生産性が良好と
なる。
Further, as shown in FIG. 8, when the silicon substrate is anisotropically etched and the break groove 18 is formed by anisotropic etching at the same time, it is formed by anisotropic etching without using a dicing device or the like. Since the silicon substrate 1 can be divided without applying load or impact to the heater 2 made of p-type silicon on the diaphragm 7, the yield is improved and the productivity is improved.

【0071】上記のようにして得られたガスセンサの特
性を調べるため、シリコン基板1を分割して、各電極
4、5および13aにリード線をボンディングし、ヒー
ター用電極13a間に電池などの直流電源を接続し、ヒ
ーター2に直流電圧をパルス的に印加して、固体電解質
3の動作温度が約450℃になるように保持した。さら
に、各種濃度の一酸化炭素(CO)を毎分5リットルで
供給したときのガスセンサのセンサ出力を一対の電極4
−5間に接続した電位差検出手段を用いて測定した。測
定結果を図9に示す。図9より、センサ出力とCO濃度
の関係はネルンストの式に従い、濃度の増加にともない
出力も増加していることが判り、本発明の実施例のガス
センサを用いれば一酸化炭素の正確な濃度を求めること
ができる。
In order to examine the characteristics of the gas sensor obtained as described above, the silicon substrate 1 is divided and lead wires are bonded to the electrodes 4, 5 and 13a, and a direct current such as a battery is placed between the heater electrodes 13a. A power source was connected, and a DC voltage was applied in a pulsed manner to the heater 2 to maintain the operating temperature of the solid electrolyte 3 at about 450 ° C. Further, the sensor output of the gas sensor when various concentrations of carbon monoxide (CO) were supplied at 5 liters per minute was measured by the pair of electrodes 4.
It was measured using a potential difference detection means connected between -5. The measurement result is shown in FIG. It can be seen from FIG. 9 that the relationship between the sensor output and the CO concentration follows the Nernst equation, and the output also increases as the concentration increases, and if the gas sensor of the embodiment of the present invention is used, the accurate concentration of carbon monoxide You can ask.

【0072】[0072]

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、n型の
(1 0 0)面の単結晶のシリコン基板と、シリコン
基板上に形成したヒーターと、ヒーターの下のシリコン
基板を異方性エッチングにより除去して形成したダイヤ
フラムと、ヒーターの上に形成した絶縁膜と、絶縁膜の
上に形成した固体電解質と、固体電解質の上に形成した
一対の電極を備えたものであり、基板からの放熱を抑制
し、ガス検知部を効率よく加熱するので、低消費電力と
なり、電池などの電源を用いることができる。
As described above, according to the present invention, the n-type (100) plane single crystal silicon substrate, the heater formed on the silicon substrate, and the silicon substrate below the heater are different. A diaphragm formed by removing by means of isotropic etching, an insulating film formed on the heater, a solid electrolyte formed on the insulating film, and a pair of electrodes formed on the solid electrolyte, Since the heat radiation from the substrate is suppressed and the gas detection unit is efficiently heated, the power consumption is low and a power source such as a battery can be used.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の実施例におけるガスセンサの断面構成
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of a gas sensor according to an embodiment of the present invention.

【図2】同ガスセンサの製造方法を示す上部構成図とA
−A断面図
FIG. 2 is an upper configuration diagram showing a method of manufacturing the gas sensor and FIG.
-A sectional view

【図3】同ガスセンサの製造方法を示す上部構成図とA
−A断面図
FIG. 3 is an upper configuration diagram showing a method of manufacturing the gas sensor and FIG.
-A sectional view

【図4】同ガスセンサの製造方法を示す上部構成図とA
−A断面図
FIG. 4 is an upper configuration diagram showing a method of manufacturing the gas sensor and FIG.
-A sectional view

【図5】同ガスセンサの製造方法を示す上部構成図とA
−A断面図
FIG. 5 is an upper configuration diagram and A showing a method for manufacturing the gas sensor.
-A sectional view

【図6】同ガスセンサの製造方法を示す上部構成図とA
−A断面図
FIG. 6 is an upper configuration diagram showing a method of manufacturing the gas sensor and FIG.
-A sectional view

【図7】同ガスセンサの製造方法を示す上部構成図とA
−A断面図
FIG. 7 is an upper configuration diagram showing a method of manufacturing the gas sensor and FIG.
-A sectional view

【図8】同ガスセンサのブレーク溝を示す上面構成図FIG. 8 is a top view showing a break groove of the gas sensor.

【図9】同ガスセンサの一酸化炭素濃度とセンサ出力の
関係を表す特性図
FIG. 9 is a characteristic diagram showing the relationship between the carbon monoxide concentration and the sensor output of the gas sensor.

【図10】従来のガスセンサの組立構成図FIG. 10 is an assembly configuration diagram of a conventional gas sensor.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 シリコン基板 1a 絶縁膜 1b 酸化膜 1c コンタクトホール 2 ヒーター 3 固体電解質 4、5 電極 6 酸化触媒 7 ダイヤフラム 8 レジスト膜 1 Silicon substrate 1a insulating film 1b oxide film 1c contact hole 2 heater 3 Solid electrolyte 4, 5 electrodes 6 Oxidation catalyst 7 diaphragm 8 Resist film

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宇野 克彦 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 丹羽 孝 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 鶴田 邦弘 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 Fターム(参考) 2G004 BB04 BD02 BE12 BE22 BF07 BJ02 BJ10 BM07    ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continued front page    (72) Inventor Katsuhiko Uno             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Takashi Niwa             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. (72) Inventor Kunihiro Tsuruta             1006 Kadoma, Kadoma-shi, Osaka Matsushita Electric             Sangyo Co., Ltd. F term (reference) 2G004 BB04 BD02 BE12 BE22 BF07                       BJ02 BJ10 BM07

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 n型の(1 0 0)面の単結晶のシリ
コン基板と、前記シリコン基板上に形成したヒーター
と、前記ヒーターの下の前記シリコン基板を前記シリコ
ン基板の裏面から異方性エッチングにより除去して形成
したダイヤフラムと、前記ヒーターの上に形成した酸化
珪素から成る絶縁膜と、前記絶縁膜の上に形成した固体
電解質と、前記固体電解質の上に形成した一対の電極を
備えてなるガスセンサ。
1. Anisotropy of an n-type (100) plane single crystal silicon substrate, a heater formed on the silicon substrate, and the silicon substrate under the heater from the back surface of the silicon substrate. A diaphragm formed by etching, an insulating film made of silicon oxide formed on the heater, a solid electrolyte formed on the insulating film, and a pair of electrodes formed on the solid electrolyte. Gas sensor.
【請求項2】 ヒーターは、シリコン基板にIII族の元
素を添加して得たp型シリコンである請求項1に記載の
ガスセンサ。
2. The gas sensor according to claim 1, wherein the heater is p-type silicon obtained by adding a Group III element to a silicon substrate.
【請求項3】 n型の(1 0 0)面の単結晶のシリ
コン基板を熱酸化させ、酸化珪素から成る酸化膜を形成
し、イオン注入する部分の前記酸化膜をフォトリソグラ
フィにより除去し、III族の元素をイオン注入してヒー
ターを形成した後、酸素中で熱酸化させ、酸化珪素から
なる絶縁膜を形成し、前記絶縁膜にヒーター電極用のコ
ンタクトホールをフォトリソグラフィにより形成し、前
記コンタクトホールの上にヒーター電極を形成し、前記
シリコン基板の裏面の異方性エッチングする部分の前記
酸化膜をフォトリソグラフィにより除去し、前記シリコ
ン基板を裏面から異方性エッチングしてダイヤフラムを
形成し、前記絶縁膜の上に固体電解質を形成し、前記固
体電解質の上に一対の電極を形成するガスセンサの製造
方法。
3. An n-type (100) plane single crystal silicon substrate is thermally oxidized to form an oxide film made of silicon oxide, and the oxide film in a portion to be ion-implanted is removed by photolithography. After forming a heater by ion-implanting a group III element, it is thermally oxidized in oxygen to form an insulating film made of silicon oxide, and a contact hole for a heater electrode is formed in the insulating film by photolithography, A heater electrode is formed on the contact hole, the oxide film in the anisotropically etched portion of the back surface of the silicon substrate is removed by photolithography, and the silicon substrate is anisotropically etched from the back surface to form a diaphragm. A method for manufacturing a gas sensor, comprising forming a solid electrolyte on the insulating film and forming a pair of electrodes on the solid electrolyte.
【請求項4】 シリコン基板の裏面の異方性エッチング
しない部分だけでなく、前記シリコン基板のおもて面に
もレジスト膜を形成し、前記おもて面を保護する請求項
3に記載のガスセンサの製造方法。
4. The method according to claim 3, wherein a resist film is formed not only on the back surface of the silicon substrate that is not subjected to anisotropic etching but also on the front surface of the silicon substrate to protect the front surface. Gas sensor manufacturing method.
【請求項5】 固体電解質を、メタルマスクを用いてス
パッタリングにより形成する請求項3に記載のガスセン
サの製造方法。
5. The method for manufacturing a gas sensor according to claim 3, wherein the solid electrolyte is formed by sputtering using a metal mask.
【請求項6】 固体電解質を、10〜50%の酸素中で
スパッタリングする請求項3に記載のガスセンサの製造
方法。
6. The method for manufacturing a gas sensor according to claim 3, wherein the solid electrolyte is sputtered in 10 to 50% oxygen.
【請求項7】 固体電解質を、500〜900℃の基板
温度でスパッタリングする請求項3に記載のガスセンサ
の製造方法。
7. The method for producing a gas sensor according to claim 3, wherein the solid electrolyte is sputtered at a substrate temperature of 500 to 900 ° C.
【請求項8】 固体電解質の上に白金を用いて一対の電
極を形成した後、前記一対の電極のうち一方の電極の上
に多孔性の酸化触媒を形成する請求項3に記載のガスセ
ンサの製造方法。
8. The gas sensor according to claim 3, wherein after forming a pair of electrodes using platinum on the solid electrolyte, a porous oxidation catalyst is formed on one electrode of the pair of electrodes. Production method.
【請求項9】 シリコン基板に異方性エッチングにより
ブレーク溝を形成する請求項3に記載のガスセンサの製
造方法。
9. The method of manufacturing a gas sensor according to claim 3, wherein the break groove is formed in the silicon substrate by anisotropic etching.
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