JP2005037236A - Thin film gas sensor and manufacturing method therefor - Google Patents

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Kenji Kunihara
健二 国原
Takuya Suzuki
卓弥 鈴木
Takeshi Matsubara
健 松原
Mitsuo Kobayashi
光男 小林
Satoru Yamashita
悟 山下
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a CO-detecting thin film gas sensor having a large change rate (gradient) of sensor resistance to gas concentration, and having excellent output linearity in at least a CO detection concentration range (30 to 500 ppm CO/air). <P>SOLUTION: In this thin film gas sensor, a thin-film heater H is formed on a thin film-like support film having the periphery or both end parts supported by a Si substrate, the thin-film heater is coated with an electrical insulation film LI, gas-detecting electrodes E are formed thereon, a gas sensing film of a thin film mainly consisting of SnO2 is formed over the electrodes, and a selective combustion layer of porous alumina carrying a catalyst is formed such that the gas sensing film is completely coated. In the thin film gas sensor, a large number of step-like recessed and projecting parts (projecting part columnar crystals Sc and recessed parts Shg) are formed on the surface of a portion between the electrodes of the gas sensing film. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、電池駆動に適した低消費電力の薄膜ガスセンサに関する。     The present invention relates to a low power consumption thin film gas sensor suitable for battery driving.

一般的にガスセンサは、ガス漏れ警報器などに用いられ、ある特定ガス、例えば、CO、CH4、C3H8、C2H5OH等に選択的に感応するデバイスであり、その性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、低消費電力が必要不可欠である。   Generally, a gas sensor is a device that is used for a gas leak alarm, etc., and is a device that selectively reacts to a specific gas, for example, CO, CH4, C3H8, C2H5OH, etc. High responsiveness, high reliability, and low power consumption are indispensable.

ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的としたものと、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的としたもの、または両方の機能を合わせ持ったものなどがあるが、いずれもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。そういった事から普及率の向上をはかるべく、設置性の改善、具体的には、電池駆動としコードレス化する事が望まれている。   By the way, gas leak alarms that are widely used for household use include those for the purpose of detecting flammable gases for city gas and propane gas, and those for the purpose of detecting incomplete combustion gases in combustion equipment, or There are things that have both functions, but the penetration rate is not so high due to cost and installation problems. For this reason, in order to improve the diffusion rate, it is desired to improve the installation property, specifically, to be battery-driven and cordless.

電池駆動を実現するためには低消費電力化が最も重要であるが、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでは、100℃〜500℃の高温に加熱した状態でガス検知する必要がある。これから、SnO2などの粉体を焼結した従来のガスセンサでは、スクリーン印刷等の方法を用いても厚みを薄くするには限界があり、電池駆動に用いるには熱容量が大き過ぎた。そこで、微細加工プロセスによりダイアフラム構造などの低熱容量構造とした薄膜ガスセンサの開発が進められている。   Low power consumption is the most important for realizing battery driving. However, in a catalytic combustion type or semiconductor type gas sensor, it is necessary to detect gas in a state heated to a high temperature of 100 ° C. to 500 ° C. From this point, in the conventional gas sensor in which powder such as SnO2 is sintered, there is a limit in reducing the thickness even if a method such as screen printing is used, and the heat capacity is too large to be used for battery driving. Therefore, development of a thin film gas sensor having a low heat capacity structure such as a diaphragm structure by a microfabrication process is underway.

例えば、特許文献1には、上記低熱容量構造とした薄膜ガスセンサの具体的な素子構造が提案されている。   For example, Patent Document 1 proposes a specific element structure of a thin film gas sensor having the low heat capacity structure.

図13はダイアフラム構造の薄膜ガスセンサの一例の模式断面図である。   FIG. 13 is a schematic cross-sectional view of an example of a thin film gas sensor having a diaphragm structure.

外周または両端部がSi基板Bにより支持された薄膜状の支持膜L1、L2、L3上に、薄膜のヒーターHが形成され、この薄膜のヒーターHは電気絶縁膜LIで被覆され、その上にガス感知膜用の電極Eが形成され、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜Sが形成され、そのガス感知膜を完全に被覆するように触媒を担持する多孔質アルミナからなる選択燃焼層Cが形成されている。通常、最終工程でSi基板の裏面からのエッチングによりガス感知膜等のセンサ領域よりやや大きい径のSiを完全に除去しダイアフラム構造としている。   A thin film heater H is formed on the thin support films L1, L2, and L3 whose outer periphery or both ends are supported by the Si substrate B. The thin film heater H is covered with the electrical insulating film LI, and is formed thereon. A gas sensing film electrode E is formed, and a gas sensing film S composed of a thin film mainly composed of SnO2 is formed between the electrodes, and the catalyst is supported so as to completely cover the gas sensing film. A selective combustion layer C made of alumina is formed. Usually, in the final process, Si having a diameter slightly larger than that of the sensor region such as a gas sensing film is completely removed by etching from the back surface of the Si substrate to form a diaphragm structure.

ダイアフラム構造などの超低熱容量構造とした低消費電力の薄膜ガスセンサを適用したガス漏れ警報器においても、電池の交換無しで5年以上の寿命を持たせるためには、薄膜ガスセンサにおいてもパルス駆動が必須となる。通常、ガス漏れ警報器は30〜150秒の一定周期に一回の検知が必要であり、この周期に合わせ薄膜ガスセンサを室温から100℃〜500℃の高温に加熱する。前記の電池の交換無しで5年以上の寿命要請に答えるため、この加熱時間は数100ms以下が目標となっている。   Even in a gas leak alarm using a low power consumption thin film gas sensor with an ultra-low heat capacity structure such as a diaphragm structure, in order to have a life of 5 years or more without replacing the battery, pulse driving is also used in the thin film gas sensor. Required. Normally, the gas leak alarm needs to be detected once in a fixed period of 30 to 150 seconds, and the thin film gas sensor is heated from room temperature to a high temperature of 100 to 500 ° C. in accordance with this period. In order to respond to the life requirement of 5 years or more without replacing the battery, the heating time is targeted to be several hundred ms or less.

パルス駆動の薄膜ガスセンサにおいても、低消費電力化のためには、検出温度の低温化、検出時間の短縮、検出サイクルの長期化(通電しない時間(以下、Off時間と言う)を長くする)が重要である。薄膜ガスセンサにおける検出温度はガス種に対する検出感度などからCOセンサでは〜100℃、CH4センサでは〜450℃、検出時間はセンサの応答性から〜500msec、検出サイクルはCH4センサでは30秒、COセンサでは150秒とされる。   Even in pulse-driven thin-film gas sensors, lowering the detection temperature, shortening the detection time, and prolonging the detection cycle (lengthening the time during which no current is supplied (hereinafter referred to as off time)) are required to reduce power consumption. is important. The detection temperature of the thin film gas sensor is ~ 100 ° C for the CO sensor due to detection sensitivity to the gas species, ~ 450 ° C for the CH4 sensor, the detection time is ~ 500msec due to the response of the sensor, the detection cycle is 30 seconds for the CH4 sensor, and the CO sensor 150 seconds.

また、Off時間中にセンサ表面に付着する水分その他の吸着物を脱離させSnO2表面をクリーニングすることが、電池駆動(パルス駆動)の薄膜ガスセンサの経時安定性を向上する上で重要であり、検出前に一旦センサ温度を400℃〜500℃に加熱(時間〜100msec)し、その直後に、それぞれのガスの検出温度でガス検知を行っている。   In addition, it is important to remove the moisture and other adsorbate adhering to the sensor surface during the Off time and clean the SnO2 surface in order to improve the stability over time of the battery-driven (pulse-driven) thin film gas sensor, Before detection, the sensor temperature is once heated to 400 ° C. to 500 ° C. (time to 100 msec), and immediately after that, gas detection is performed at the detection temperature of each gas.

SnO2センサのガス検知原理は、SnO2表面に化学吸着した吸着酸素(O2-)とCH4、H2、COなどの可燃ガスが反応(酸化)し、吸着酸素(O2-)にトラップされていた電子が自由電子としてSnO2結晶中に注入され抵抗値が変化(低下)することを利用したものである。   The gas detection principle of the SnO2 sensor is that the adsorbed oxygen (O2-) chemically adsorbed on the SnO2 surface reacts with the combustible gas such as CH4, H2, and CO (oxidation), and the electrons trapped in the adsorbed oxygen (O2-) This utilizes the fact that the resistance value changes (decreases) when injected into the SnO2 crystal as free electrons.

下に、各検知ガスとの反応式を示す。   The reaction formula with each detection gas is shown below.

CH4+4 O2-(ad) →CO2+2H2O+8e -------(1)
2H2+O2-(ad)→H2O+2e -------(2)
CO+O2-(ad)→CO2+2e -------(3)
薄膜ガスセンサのガス感知膜のSnO2は、幾何学的サイズが小さい程熱容量が低くなるため、低消費電力化に有利ではあるが、長期安定性、微細加工精度、薄膜成膜方法/時間などの制約により現実的サイズとしては〜数100μm平方で、厚みは1μm程度となる。
CH4 + 4 O2- (ad) → CO2 + 2H2O + 8e ------- (1)
2H2 + O2- (ad) → H2O + 2e ------- (2)
CO + O2- (ad) → CO2 + 2e ------- (3)
The gas sensing film SnO2 of the thin film gas sensor has a smaller heat capacity because it has a lower heat capacity, which is advantageous for lower power consumption, but there are limitations such as long-term stability, microfabrication accuracy, and thin film deposition method / time. Therefore, the practical size is about several hundred μm square and the thickness is about 1 μm.

また薄膜ガスセンサのSnO2膜としては、例えば特許文献2に開示されているように、スパッタにより成膜されたSnO2がセンサ特性、量産性の点で最も優れている。図14はスパッタにより成膜されたSnO2層の断面TEM写真である。図14から、基板に対して垂直に、柱状に成長したSnO2結晶が密に成長していることが判る。   As the SnO2 film of the thin film gas sensor, for example, as disclosed in Patent Document 2, SnO2 formed by sputtering is the most excellent in terms of sensor characteristics and mass productivity. FIG. 14 is a cross-sectional TEM photograph of the SnO2 layer formed by sputtering. From FIG. 14, it can be seen that SnO2 crystals grown in a columnar shape are densely grown perpendicular to the substrate.

図15はSnO2薄膜の表面のSEM像写真であり、図16はSnO2薄膜の最表面部の拡大した断面TEM像写真である。柱状SnO2間の隙間はSnO2薄膜の表面近傍で〜0.01μmと狭く、SnO2薄膜の内部に行くに従いその隙間は更に狭くなり、柱状SnO2結晶が密になる傾向がある。その隙間をガスが拡散しSnO2薄膜の内部に浸透していくため隙間は大きい方がガスの拡散に対しては好ましい。X線回折による結晶子径の評価から、上記柱状SnO2結晶が〜0.01μm径の結晶子の集合体からなる多結晶であることが判明しており、柱状SnO2結晶の断面TEM写真では見えてはいないが各結晶子間に更に微細な細孔が存在している。スパッタ成膜された柱状SnO2結晶はこのような微細構造を有する多孔質体であり、活性な表面が多く存在するセンサに適した膜質を有している。従って特許文献2でも述べられているように、CH4などの可燃性ガスに対する高い感度を有する。
特開2000−298108号公報(第4−7頁、第3図) 特公平06−43978号公報(第3−5頁、第1図)
FIG. 15 is a SEM image photograph of the surface of the SnO2 thin film, and FIG. 16 is an enlarged cross-sectional TEM image photograph of the outermost surface portion of the SnO2 thin film. The gap between the columnar SnO2 is as narrow as about 0.01 μm near the surface of the SnO2 thin film, and the gap is further narrowed toward the inside of the SnO2 thin film, and the columnar SnO2 crystal tends to become dense. Since the gas diffuses through the gap and penetrates into the SnO2 thin film, a larger gap is preferable for gas diffusion. From the evaluation of the crystallite diameter by X-ray diffraction, it is found that the columnar SnO2 crystal is a polycrystal composed of an aggregate of crystallites having a diameter of ~ 0.01 μm, and it can be seen in the cross-sectional TEM photograph of the columnar SnO2 crystal. However, there are finer pores between the crystallites. The sputtered columnar SnO2 crystal is a porous body having such a fine structure, and has a film quality suitable for a sensor having many active surfaces. Therefore, as described in Patent Document 2, it has high sensitivity to combustible gases such as CH4.
JP 2000-298108 A (page 4-7, FIG. 3) Japanese Examined Patent Publication No. 06-43978 (page 3-5, Fig. 1)

CH4センサのようなガスセンサでは警報機の警報設定上、ガスの検知濃度範囲(CH4センサでは1000ppmCH4〜4000ppm
CH4/air)内で、ガス濃度に対しセンサ抵抗がリニアーに変化し、しかもその変化率(勾配)が高い方が、センサ抵抗の経時変化に対してもマージンが取れるため好ましい。
In the case of a gas sensor such as a CH4 sensor, the alarm concentration of the alarm device is set so that the detected gas concentration range (1000 ppm for CH4 sensors is CH4 to 4000 ppm).
Within CH4 / air), it is preferable that the sensor resistance changes linearly with respect to the gas concentration and that the rate of change (gradient) is high because a margin can be secured against changes with time in the sensor resistance.

上記観点から見ても、特許文献2で開示されたCH4センサでは何ら問題なく使用できる。CH4センサのような検知温度が350℃〜500℃と高温のセンサでは、スパッタ成膜したSnO2薄膜で、何ら問題なく使用できるが、200℃以下の低温でガス検知を行うCOセンサでは、事態が異なってくる。   From the above viewpoint, the CH4 sensor disclosed in Patent Document 2 can be used without any problem. For sensors with a high detection temperature of 350 ° C to 500 ° C, such as the CH4 sensor, a sputter-deposited SnO2 thin film can be used without any problem, but with CO sensors that detect gas at a low temperature of 200 ° C or less, there is a problem. Come different.

上記センサをCO用センサに変形しCOの検出温度である100℃で動作させた場合、以下の問題が発生する。   When the above sensor is transformed into a CO sensor and operated at 100 ° C., which is the detection temperature of CO, the following problems occur.

CO検知濃度範囲は30ppm〜500ppm CO/airであるが、
COガス濃度に対するセンサ抵抗の変化率(センサ抵抗の濃度勾配)が低下する。
The CO detection concentration range is 30ppm to 500ppm CO / air,
The rate of change of sensor resistance with respect to CO gas concentration (concentration gradient of sensor resistance) decreases.

COガス濃度に対するセンサ抵抗のリニアリティがCO高濃度側で低下し、センサ抵抗が飽和する。   The linearity of the sensor resistance with respect to the CO gas concentration decreases on the high CO concentration side, and the sensor resistance is saturated.

これらの原因は明確ではないガスパッタ成膜したSnO2薄膜の細孔径が小さいことと関連があると推定される。   These causes are presumed to be related to the small pore size of the SnO2 thin film formed by gas sputtering.

SnO2薄膜の細孔径とセンサ感度に関しては、非特許文献1に詳しく述べられているが、〜0.01μm以下の細孔が多いスパッタ成膜したSnO2薄膜ではSnO2薄膜の結晶内部へのCO、H2、CH4などの可燃性ガスの拡散は、細孔径が微少であるため、通常の分子拡散とは異なり、細孔管壁と相互作用しながら拡散していくKnudsen拡散、表面拡散などが支配的である。   The pore diameter and sensor sensitivity of the SnO2 thin film are described in detail in Non-Patent Document 1, but in the case of a SnO2 thin film formed by sputtering with many pores of ~ 0.01 μm or less, CO, H2, The diffusion of flammable gases such as CH4 is dominated by Knudsen diffusion, surface diffusion, etc., which diffuses while interacting with the pore tube wall, unlike ordinary molecular diffusion because the pore diameter is very small. .

Knudsen拡散係数Dk=4r/3(2RT/πM)1/2(R:ガスコンスタント、r:細孔径、T:温度、M:分子量)からわかるように、低温ではDkが小さくなりSnO2薄膜内部へのCO、H2、CH4などの可燃性ガスの拡散が抑制される。特に分子量の大きいCOでは顕著になる。それぞれのガス種の反応速度により差異はあるものの、高温動作のCH4センサに比較すると、前記(1)〜(3)式の反応は、よりSnO2薄膜の最表面近傍で起こる。すなわち、気相に検知ガスが多量存在するにもかかわらずSnO2薄膜内部では、前記(1)〜(3)式の反応がほとんど起こっていないことになる。すなわち、SnO2薄膜の最表面近傍では検知ガスの存在で抵抗値が低下するものの、SnO2薄膜内部の抵抗値はほとんど変化しない。センサの抵抗値はその構成上、最表面近傍SnO2薄膜の抵抗値とSnO2薄膜内部の抵抗値の並列合成抵抗であるため、ガス濃度に対するセンサ抵抗の変化率(勾配)が低くなり、極端になると変化率が飽和する、すなわち非直線性である。
図17は従来のSnO2薄膜の模式拡大断面図である。従来のSnO2薄膜はφ0.05μmの柱状に成長したSnO2結晶Scが0.01μm間隔で密に詰まった構造になっており、細孔径の大きな(>0.05μm)ガス拡散孔がほとんど存在しないため、気相のCO、H2、CH4などの検知ガスは0.01μmの細孔Shf内をKnudsen拡散/表面拡散で拡散しSnO2薄膜の内部に浸透する。柱状に成長したSnO2結晶Sc同士は独立しているわけではなく、柱状結晶Scの途中で互いに部分的に連結している。図示されてはいないがφ0.05μmの柱状のSnO2結晶はφ0.01μmの微結晶の集合体であり、やはり図示されてはいないが、微結晶間には更に微少な細孔が存在しており、検知ガスは柱状SnO2結晶内部に表面拡散/Knudsen拡散により浸透する。このような密な柱状構造のSnO2結晶においては、Knudsen拡散および表面拡散係数がCOセンサの駆動温度のような低温では低くなるため、滞留時間が長くなり実際にはSnO2の最表面の近傍でしか酸化反応(センシング)は起こらない。
As can be seen from the Knudsen diffusion coefficient Dk = 4r / 3 (2RT / πM) 1/2 (R: gas constant, r: pore diameter, T: temperature, M: molecular weight), Dk becomes smaller at low temperatures and enters the SnO2 thin film. The diffusion of combustible gases such as CO, H2, and CH4 is suppressed. This is particularly noticeable with high molecular weight CO. Although there is a difference depending on the reaction rate of each gas type, the reactions of the above formulas (1) to (3) occur near the outermost surface of the SnO2 thin film as compared with the CH4 sensor operating at a high temperature. That is, despite the presence of a large amount of detection gas in the gas phase, the reactions of the above formulas (1) to (3) hardly occur inside the SnO2 thin film. That is, although the resistance value decreases in the vicinity of the outermost surface of the SnO2 thin film due to the presence of the detection gas, the resistance value inside the SnO2 thin film hardly changes. The sensor resistance value is a parallel combined resistance of the SnO2 thin film resistance value near the outermost surface and the resistance value inside the SnO2 thin film due to its configuration, so the rate of change (gradient) of the sensor resistance with respect to the gas concentration decreases and becomes extreme. The rate of change is saturated, i.e. non-linear.
FIG. 17 is a schematic enlarged cross-sectional view of a conventional SnO2 thin film. The conventional SnO2 thin film has a structure in which SnO2 crystals Sc grown in a columnar shape of φ0.05μm are closely packed at intervals of 0.01μm, and there are almost no gas diffusion holes with large pore diameter (> 0.05μm). Detecting gases such as CO, H2, and CH4 in the phase diffuse through the 0.01 μm pore Shf by Knudsen diffusion / surface diffusion and penetrate into the SnO2 thin film. The SnO2 crystals Sc grown in a columnar shape are not independent from each other, but are partially connected to each other in the middle of the columnar crystal Sc. Although not shown, φ0.05 μm columnar SnO2 crystals are aggregates of microcrystals of φ0.01 μm, and although not shown in the figure, there are still more fine pores between the microcrystals. The detection gas penetrates into the columnar SnO2 crystal by surface diffusion / Knudsen diffusion. In such a dense columnar SnO2 crystal, the Knudsen diffusion and surface diffusion coefficients are low at low temperatures such as the CO sensor drive temperature, so the residence time becomes long and actually only near the outermost surface of SnO2. Oxidation reaction (sensing) does not occur.

上記問題を解決することが本発明の目的であり、ガス濃度に対するセンサ抵抗の変化率(勾配)が大きく、すくなくともCO検知濃度範囲(30ppmCO〜500ppm
CO/air)で出力の直線性の良いCOセンサを提供することにある。
“Diffusion equation-based analysis of thin film semiconductor gas sensor-sensitivity dependence on film thickness and operating temperature” Go Sakai, Naoki Matsunaga, Kengo Shimanoe and Noboru Yamazoe TRANSDUCERS’’01 EUROSENSORS(The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators, Munich, Germany, June10-14, 2001)
It is an object of the present invention to solve the above problem, and the rate of change (gradient) of sensor resistance with respect to gas concentration is large, and at least the CO detection concentration range (30 ppm CO to 500 ppm)
CO / air) is to provide a CO sensor with good output linearity.
“Diffusion equation-based analysis of thin film semiconductor gas sensor-sensitivity dependence on film thickness and operating temperature” Go Sakai, Naoki Matsunaga, Kengo Shimanoe and Noboru Yamazoe TRANSDUCERS''01 EUROSENSORS (The 11th International Conference on Solid-State Sensors and Actuators , Munich, Germany, June10-14, 2001)

本発明の目的を達成するため、少なくとも、外周または両端部がSi基板により支持された薄膜状の支持膜上に、薄膜のヒーターが形成され、この薄膜のヒーターは電気絶縁膜で被覆され、その上にガス感知膜用の電極が形成され、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜が形成され、そのガス感知膜を完全に被覆するように触媒を担持する多孔質アルミナからなる選択燃焼層が形成されてなる薄膜ガスセンサにおいて、前記ガス感知膜の前記電極間の部分の表面には多数のステップ状の凹凸が形成されていることとする。   In order to achieve the object of the present invention, a thin film heater is formed on a thin film-like support film supported at least at the outer periphery or both ends by a Si substrate, and the thin film heater is covered with an electrical insulating film, An electrode for the gas sensing film is formed on the electrode, and a gas sensing film composed of a thin film mainly composed of SnO2 is formed between the electrodes, and a porous material that supports the catalyst so as to completely cover the gas sensing film. In the thin film gas sensor in which the selective combustion layer made of alumina is formed, a large number of stepped irregularities are formed on the surface of the portion of the gas sensing film between the electrodes.

前記ガス感知膜の凹部の膜厚は凸部の膜厚の90%以下であると良い。   The thickness of the concave portion of the gas sensing film is preferably 90% or less of the thickness of the convex portion.

前記ガス感知膜の平面図において、凹部の面積は前記ガス感知膜の前記電極間の部分の面積の20%〜80%であると良い。   In the plan view of the gas sensing film, the area of the recess may be 20% to 80% of the area of the portion of the gas sensing film between the electrodes.

少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを上記の薄膜ガスセンサの製造方法において、前記感知膜工程はSnO2成膜をリフトオフで行いかつSnO2成膜前に、SnO2成膜部にリフトオフ時に除去される部分を島状に点在させ、SnO2成膜後にリフトオフにより島状に点在したリフトオフ物質を除去することにより、膜厚においてステップ状の凸凹を有するガス感知膜を形成することを含むこととする。   At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the above thin film gas sensor manufacturing method, the sensing film process is performed in order to perform the sensing film process for forming the sensing film, and the sensing film process performs the SnO2 film formation by lift-off and before the SnO2 film formation, at the time of lift-off to the SnO2 film formation part. Including forming a gas sensing film having step-like irregularities in film thickness by interspersing the parts to be removed in an island shape and removing the lift-off material scattered in the island shape by lift-off after SnO2 film formation I will do it.

少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む上記の薄膜ガスセンサの製造方法において、感知膜工程には、SnO2成膜をリフトオフで行いかつSnO2成膜前に、SnO2成膜部にリフトオフで除去される部分を島状に点在させ、SnO2成膜後にリフトオフにより島状に点在したリフトオフ物質を除去後、SnO2成膜部上及び上記SnO2が成膜していない島状部の上全体を被覆するようにSnO2を再成膜することが含まれていることとする。   At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the above thin film gas sensor manufacturing method including a sensing film process for forming a sensing film in order, the sensing film process includes performing SnO2 film formation by lift-off and before SnO2 film formation in the SnO2 film formation unit. After removing the lift-off material scattered in the island shape by lift-off after the SnO2 film formation, the portions removed by the lift-off are scattered in the island shape, and then on the SnO2 film formation part and the island-shaped part where the SnO2 is not formed. It is assumed that re-deposition of SnO2 to cover the entire top is included.

少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む上記の薄膜ガスセンサの製造方法において、感知膜工程には、SnO2成膜をリフトオフで行いかつSnO2成膜前に、SnO2成膜部にリフトオフで除去される部分が互いに連続した連続体になるように形成し、SnO2成膜後にリフトオフにより上記連続体のリフトオフ物質を除去後、島状に点在したSnO2成膜部上および上記SnO2が成膜していない上記連続体の上全体を被覆するようにSnO2を再成膜することが含まれていることとする。   At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the above thin film gas sensor manufacturing method including a sensing film process for forming a sensing film in order, the sensing film process includes performing SnO2 film formation by lift-off and before SnO2 film formation in the SnO2 film formation unit. The parts removed by lift-off are formed so as to be continuous with each other, and after removing the lift-off material of the continuum by lift-off after SnO 2 film formation, the SnO 2 on the SnO 2 film-forming portions scattered in islands and the SnO 2 It is assumed that SnO2 is formed again so as to cover the entire upper surface of the continuum which has not been formed.

少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む上記の薄膜ガスセンサの製造方法において、感知膜工程には、平坦なSnO2薄膜を形成後、微細加工で島状の開口部を有するエッチングマスクを形成後、エッチングにより島状の凹部を形成することが含まれていることとする。   At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the above-described thin film gas sensor manufacturing method, which includes sequentially performing a sensing film process for forming a sensing film, the sensing film process includes etching after forming a flat SnO2 thin film and then finely processing island-shaped openings. It is assumed that an island-shaped recess is formed by etching after the mask is formed.

少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む上記の薄膜ガスセンサの製造方法において、感知膜工程には、平坦なSnO2薄膜を形成後、微細加工で島状の開口部を有するエッチングマスクを形成後、エッチングにより島状の凹部を形成した後、島状の凹部を含むその上全体を被覆するようにSnO2を再成膜することが含まれていることとする。   At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the above-described thin film gas sensor manufacturing method, which includes sequentially performing a sensing film process for forming a sensing film, the sensing film process includes etching after forming a flat SnO2 thin film and then finely processing island-shaped openings. It is assumed that after the mask is formed, an island-shaped recess is formed by etching, and then SnO2 is formed again so as to cover the entire surface including the island-shaped recess.

少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む上記の薄膜ガスセンサの製造方法において、感知膜工程には、平坦なSnO2薄膜を形成後、微細加工で互いに連続した連続体開口部を有するエッチングマスクを形成後、エッチングにより凹部を形成した後、凹部を含むその上全体を被覆するようにSnO2を再成膜することが含まれていることとする。   At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the above thin film gas sensor manufacturing method including a sensing film process for forming a sensing film in order, a continuous SnO2 thin film is formed in the sensing film process and then continuous openings are formed by microfabrication. It is assumed that, after forming the etching mask having, the recess is formed by etching, and then SnO2 is formed again so as to cover the entire surface including the recess.

少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む上記の薄膜ガスセンサの製造方法において、前記絶縁膜工程の後前記電気絶縁膜に凸凹を形成する絶縁膜処理工程を行い、その後前記感知膜工程を行うこととする。   At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the method of manufacturing a thin film gas sensor, including a sensing film process for forming a sensing film in order, an insulating film treatment process for forming irregularities in the electrical insulating film is performed after the insulating film process, and then the sensing A film process is performed.

上記の薄膜ガスセンサの製造方法において、前記絶縁膜処理工程はフォトプロセスによる凸凹のパターン形成であり、続いて前記電極工程および前記感知膜工程を行うと良い。   In the above-described method for manufacturing a thin film gas sensor, the insulating film processing step is preferably a concavo-convex pattern formation by a photo process, followed by the electrode step and the sensing film step.

上記の薄膜ガスセンサの製造方法において、前記絶縁膜処理工程はフォトプロセスによる凸凹のパターン形成であり、前記電極工程と前記感知膜工程との間に行うと良い。   In the above-described method for manufacturing a thin film gas sensor, the insulating film treatment process is a pattern formation by a photo process, and is preferably performed between the electrode process and the sensing film process.

上記の薄膜ガスセンサの製造方法において、前記絶縁膜処理工程はサンドブラスト処理であり、続いて前記電極工程および前記感知膜工程を行うと良い。   In the above-described method for manufacturing a thin film gas sensor, the insulating film processing step may be a sand blasting process, followed by the electrode step and the sensing film step.

上記の薄膜ガスセンサの製造方法において、前記絶縁膜処理工程はサンドブラスト処理であり、前記電極工程と前記感知膜工程との間に行うと良い。   In the above-described method for manufacturing a thin film gas sensor, the insulating film processing step is a sand blasting process, and is preferably performed between the electrode step and the sensing film step.

本発明によれば、外周または両端部がSi基板により支持された薄膜状の支持膜上に、薄膜のヒーターが形成され、この薄膜のヒーターは電気絶縁膜で被覆され、その上にガス感知膜用の電極が形成され、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜が形成され、そのガス感知膜を完全に被覆するように触媒を担持する多孔質アルミナからなる選択燃焼層が形成されてなる薄膜ガスセンサにおいて、ガス感知膜の電極間の部分の表面には多数のステップ状の凹凸が形成されているようにしたため、ガス感知膜であるSnO2薄膜にガスの拡散が容易なガス拡散孔を高密度に作りつけることになり、SnO2薄膜の内部へも十分早くCOガスが浸透し、COガスがSnO2薄膜全体と反応し、SnO2感知膜全体の抵抗が一様に低下するため、CO濃度に対しての抵抗変化が大きく(勾配が大きく)なり、しかも高濃度でのセンサ抵抗の飽和も起きない、濃度範囲の広い薄膜ガスセンサが得られる。   According to the present invention, a thin film heater is formed on a thin support film whose outer periphery or both ends are supported by a Si substrate, the thin film heater is covered with an electrical insulating film, and a gas sensing film is formed thereon. Is formed, and a gas sensing film composed of a thin film mainly composed of SnO2 is formed between the electrodes, and selective combustion composed of porous alumina carrying a catalyst so as to completely cover the gas sensing film In a thin film gas sensor with a layer formed, a large number of stepped irregularities are formed on the surface of the part between the electrodes of the gas sensing film, which facilitates gas diffusion into the SnO2 thin film that is the gas sensing film. CO gas penetrates into the inside of the SnO2 thin film quickly enough, the CO gas reacts with the entire SnO2 thin film, and the resistance of the entire SnO2 sensing film decreases uniformly. CO concentration As a result, a thin film gas sensor with a wide concentration range can be obtained in which the resistance change with respect to is large (the gradient is large) and the sensor resistance is not saturated at a high concentration.

また、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む薄膜ガスセンサの製造方法において、感知膜工程にパターニングによる凹凸の形成や、絶縁膜工程後にサンドブラスト処理を行た後に感知膜工程を行うなど、従来製造方法に対して比較的簡便な工程の付加のみで、上記の薄膜ガスセンサが得られるようになる。   In addition, an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In a method of manufacturing a thin film gas sensor including a sensing film process for forming a sensing film in order, formation of irregularities by patterning in the sensing film process, and a sensing film process is performed after sandblasting is performed after the insulating film process, etc. The above thin film gas sensor can be obtained only by adding a relatively simple process to the conventional manufacturing method.

上記技術課題は、SnO2薄膜に微少凸凹をつけ、SnO2薄膜内に分子拡散可能なガス導入口を高密度に作りつけることで解決することができる。   The above technical problem can be solved by forming minute unevenness in the SnO2 thin film and creating a gas inlet capable of molecular diffusion in the SnO2 thin film with high density.

図1は本発明に係る薄膜ガスセンサのSnO2薄膜の模式拡大断面図である。本発明に係るSnO2薄膜では、気相のCO、H2、CH4などの検知ガスが容易に分子拡散できる〜0.05μm以上の比較的大きな細孔ShgをパターニンブによってSnO2薄膜の断面方向に作りつけ、その細孔Shgがガス導入孔となり検知ガスがSnO2薄膜の内部に浸透しやすくすることにより技術課題の解決を達成するものである。分子拡散係数は大きいため、検知ガスはガス導入孔により瞬時にSnO2薄膜の内部に浸透する。ガス導入孔を使って拡散した検知ガスは、さらに柱状SnO2結晶の内部へ、柱状結晶の横方向からKnudsen拡散、表面拡散で拡散しSnO2薄膜の内部に浸透していく。   FIG. 1 is a schematic enlarged sectional view of a SnO2 thin film of a thin film gas sensor according to the present invention. In the SnO2 thin film according to the present invention, detection gas such as gas phase CO, H2, CH4 can easily diffuse molecules, and relatively large pores Shg of 0.05 μm or more are formed in the cross-sectional direction of the SnO2 thin film by patterning. The solution of the technical problem is achieved by making the pore Shg the gas introduction hole and allowing the detection gas to easily penetrate into the SnO2 thin film. Since the molecular diffusion coefficient is large, the detection gas penetrates into the SnO2 thin film instantaneously through the gas introduction hole. The detection gas diffused through the gas introduction holes diffuses further into the columnar SnO2 crystal by Knudsen diffusion and surface diffusion from the lateral direction of the columnar crystal and penetrates into the SnO2 thin film.

このガス導入孔Shgは、分子拡散が可能な限りできるだけ小さい径で、その密度が高い程良好な特性のセンサが得られる。   The gas introduction hole Shg has a diameter as small as possible for molecular diffusion, and a sensor with better characteristics can be obtained as the density is higher.

このように、SnO2薄膜に微少凸凹をつけ、SnO2薄膜内に分子拡散可能なガス導入口を高密度に作りつけることで、従来のものと比較して実質的な最表面部の面積を飛躍的に増加した構造となっており、COモードでもSnO2薄膜の断面のほとんど全ての部分の抵抗がガス濃度に応じて変化するため、ガス濃度に対するセンサ抵抗の変化率(勾配)が大きく、CO検知濃度範囲(30ppmCO〜500ppm
CO/air)で出力の直線性の良いCO検知用の薄膜ガスセンサを提供することができる。
In this way, by adding minute irregularities to the SnO2 thin film and creating a high-density gas inlet capable of molecular diffusion in the SnO2 thin film, the surface area of the actual outermost surface is dramatically increased compared to the conventional one. In the CO mode, the resistance of almost all sections of the SnO2 thin film changes according to the gas concentration, so the rate of change (gradient) in sensor resistance with respect to the gas concentration is large, and the CO detection concentration Range (30ppmCO ~ 500ppm
CO / air) can provide a thin film gas sensor for CO detection with good output linearity.

パターニングによって凸凹を付与する場合は、そのため凸凹の間隔は最小でも0.5〜1μmとなる。従って図1における凸部の幅(W2)は必然的に0.5〜1μmとなる。前述したように柱状SnO2結晶の径は〜0.05μmのため、凸部断面で考えると10〜20本の柱状SnO2結晶の集合体になる(図1では分かりやすくするため2本になっているが)。柱状SnO2結晶間の隙間は0.01μm以下であり、検知ガスがKnudsen拡散、表面拡散で内部(横方向)へ浸透していくが、柱状SnO2結晶の集合体中心部では、SnO2結晶へ到達する前にほとんどの検知ガスが反応してしまう。しかし、SnO2ガス感知膜を成膜する下地のSiO2絶縁膜表面をサンドブラストで荒らし、SiO2絶縁膜表面に高密度で微細な凸凹をつけた後、SnO2ガス感知膜を成膜することによりさらに良い効果が得られる。微細な凸凹のピッチは柱状SnO2結晶の径(〜0.05μm)と同程度であれば良い。図2は本発明に係る、平滑なSiO2にサンドブラスト処理を行ったSiO2の表面状態を示し、(a)は全体像(溝部及び平滑部/サンドブラスト処理無し部)を示すSEM写真、(b)は溝部凸凹の拡大SEM写真、(c)は凸凹の高低差のヒストグラムである。サンドブラスト処理は本発明と同一の条件で行っている。図2から微細な凸凹が無数に形成されており、凸凹の高低差の平均値が〜0.45μmであることが判る。   When unevenness is imparted by patterning, therefore, the unevenness interval is at least 0.5 to 1 μm. Accordingly, the width (W2) of the convex portion in FIG. 1 is necessarily 0.5 to 1 μm. As described above, since the diameter of the columnar SnO2 crystal is ~ 0.05 μm, it is an aggregate of 10 to 20 columnar SnO2 crystals in terms of the cross section of the convex portion (although it is two in FIG. 1 for easy understanding). ). The gap between the columnar SnO2 crystals is 0.01 μm or less, and the detection gas penetrates into the inside (lateral direction) by Knudsen diffusion and surface diffusion, but before reaching the SnO2 crystal at the center of the aggregate of columnar SnO2 crystals Most of the detected gas reacts with the gas. However, the surface of the underlying SiO2 insulating film on which the SnO2 gas sensing film is deposited is roughened by sandblasting, and after the high density and fine irregularities are formed on the SiO2 insulating film surface, the SnO2 gas sensing film is further improved. Is obtained. The pitch of fine irregularities may be about the same as the diameter of the columnar SnO2 crystal (˜0.05 μm). FIG. 2 shows the surface state of SiO2 obtained by subjecting smooth SiO2 to sand blasting according to the present invention, (a) is an SEM photograph showing the whole image (groove part and smooth part / sandblasted part), (b) is An enlarged SEM photograph of the unevenness of the groove, (c) is a histogram of unevenness of the unevenness. Sandblasting is performed under the same conditions as in the present invention. It can be seen from FIG. 2 that innumerable fine irregularities are formed and the average height difference of the irregularities is ˜0.45 μm.

このような面上にSnO2ガス感知膜を成膜することにより、微細なガス導入孔ができる様子を説明する。   A description will be given of how a fine gas introduction hole is formed by forming a SnO2 gas sensing film on such a surface.

図3は本発明に係るサンドブラスト処理後のSiO2絶縁膜表面へのSnO2結晶の成長状態を示す模式断面図であり、(a)はサンドブラスト処理後のSiO2絶縁膜、(b)はSnO2成膜初期、(c)はSnO2成膜中期、(d)SnO2成膜後期である。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the growth state of SnO2 crystal on the surface of the SiO2 insulating film after sandblasting according to the present invention, (a) is the SiO2 insulating film after sandblasting, and (b) is the initial SnO2 film forming. , (C) is the middle stage of SnO2 film formation, and (d) the late stage of SnO2 film formation.

サンドブラスト処理後のSiO2絶縁膜表面の凸凹状態(a)では、高低差〜0.5μmの凸凹が密に形成されている。その上にSnO2ガス感知膜を成膜した成膜初期のSnO2結晶は凸凹のSiO2絶縁膜表面に均一に島(符号Si)状に成膜している(b)。島状のSnO2結晶同士は互いに連結し、柱状結晶の成長が始まっている。注目すべきは凸部から成長した柱状結晶(符号Sa)が凹部から成長した柱状結晶(符号Sb)より大きく成長している点にある(c)。スパッタされたSnO2粒子が基板へ到達する確率は、成長初期は基板面内でほぼ同一ではあるが、柱状結晶が成長するにつれて凸部から成長した柱状結晶の遮蔽効果で、徐々に凹部から成長した柱状結晶へのSnO2の到達(供給)確率が低下する。このような現象により成膜中期では凸部から成長した柱状結晶が凹部から成長した柱状結晶より大きく成長する。成膜が進むと遮蔽効果は更に顕著になり凹部から成長した柱状結晶はほとんど成長が停止し(d)のような断面形状になる。各柱状結晶間には分子拡散可能なガス導入孔が高密度で作り付けられる。図3では2次元平面で描いているため各柱状結晶は根元でしか互いに結合していないかのように見えるが、3次元では各柱状結晶は成長途中で互いに一部が連結しあっており、ネットワークを形成している。参考のため、従来のSnO2ガス感知膜の柱状結晶の断面構造は図6に示されているが柱状結晶は密に詰まっておりその隙間は狭い。   In the uneven state (a) on the surface of the SiO2 insulating film after the sandblasting, unevenness with a height difference of ~ 0.5 μm is densely formed. An SnO2 gas sensing film formed thereon is deposited on the surface of the uneven SiO2 insulating film uniformly in the form of islands (reference Si) (b). The island-like SnO2 crystals are connected to each other, and the growth of columnar crystals has begun. It should be noted that the columnar crystal (reference symbol Sa) grown from the convex portion is larger than the columnar crystal (reference symbol Sb) grown from the concave portion (c). The probability that the sputtered SnO2 particles reach the substrate is almost the same in the initial stage of the growth, but gradually grows from the concave part due to the shielding effect of the columnar crystal that grows from the convex part as the columnar crystal grows. The probability of reaching (supplying) SnO2 to the columnar crystals decreases. Due to such a phenomenon, the columnar crystal grown from the convex portion grows larger than the columnar crystal grown from the concave portion in the middle of the film formation. As the film formation progresses, the shielding effect becomes more prominent, and the columnar crystal grown from the recess almost stops growing and has a cross-sectional shape as shown in (d). Gas introducing holes capable of molecular diffusion are formed at high density between the columnar crystals. In FIG. 3, since it is drawn in a two-dimensional plane, each columnar crystal appears to be coupled to each other only at the root, but in three dimensions, each columnar crystal is partially connected to each other during the growth, A network is formed. For reference, the cross-sectional structure of the columnar crystal of the conventional SnO2 gas sensing film is shown in FIG. 6, but the columnar crystal is closely packed and the gap is narrow.

以下、実施例を挙げて、本発明に係る薄膜ガスセンサとその製造方法について詳細に説明する。
実施例1
本発明に係る薄膜ガスセンサの断面図は図 に同じである。
Hereinafter, the thin film gas sensor and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described in detail with reference to examples.
Example 1
The sectional view of the thin film gas sensor according to the present invention is the same as the figure.

両面に厚さ0.3μmの熱酸化膜LIを形成されたSi基板Bの表面に、ダイアフラム構造の支持層となるSiN膜L2とSiO2膜L3を順次プラズマCVDにより、それぞれ厚さ0.15μmおよび1μm形成する。この上に第1の接合層としてTaを0.05μm形成後、連続して、ヒーターH用の金属層としてPtW(Pt+4Wt%
W)膜を0.5μm形成し、更に連続して第2の接合層としてTaを0.05μm形成する(接合層は図示してない)。成膜はRFマグネトロンスパタリング装置を用い、通常のスパタリングによって行う。成膜温度100℃、成膜時の投入パワー100W、成膜圧力1Paである。
The SiN film L2 and SiO2 film L3, which are the support layers of the diaphragm structure, are sequentially formed by plasma CVD on the surface of the Si substrate B with the 0.3 μm thick thermal oxide film LI formed on both sides, respectively. To do. On top of this, 0.05 μm of Ta was formed as the first bonding layer, and then PtW (Pt + 4 Wt%) was continuously formed as the metal layer for the heater H.
W) A 0.5 μm film is formed, and 0.05 μm of Ta is continuously formed as a second bonding layer (the bonding layer is not shown). Film formation is performed by normal sputtering using an RF magnetron sputtering apparatus. The film formation temperature is 100 ° C., the input power during film formation is 100 W, and the film formation pressure is 1 Pa.

その後、微細加工によりヒーターパターンを形成する。ウエットエッチングのエッチャントとして、Taには水酸化ナトリウムと過酸化水素混合液、Ptには王水をそれぞれ90℃に加熱して用いた。さらにSiO2絶縁膜LIをスパッタにより2.0μm形成した後、微細加工により図示されていないがヒーターの電極パッド部分をHFにてエッチングし窓明け後、導通の確保とワイヤボンディング性を向上するため、第2の接合層Taは水酸化ナトリウムと過酸化水素混合液で除去する。次に、下地のSiO2との密着性向上のための中間層Taを0.05μm形成後、連続して感知膜電極E用のPt膜を0.2μm成膜する。成膜はRFマグネトロンスパタリング装置を用い、通常のスパタリングによって行う。成膜温度100℃、成膜パワー100W、成膜圧力1Paである。その後、ヒーター層と同様にウエットエッチにより一対の感知膜SnO2の抵抗測定用感知膜電極Eをパターニングする。   Thereafter, a heater pattern is formed by fine processing. As an etchant for wet etching, a mixed solution of sodium hydroxide and hydrogen peroxide was used for Ta and aqua regia was heated to 90 ° C. for Pt. Further, after forming the SiO2 insulating film LI by sputtering to 2.0 μm, the electrode pad portion of the heater is etched with HF and the window is opened after fine processing, although not shown by microfabrication. The second bonding layer Ta is removed with a mixed solution of sodium hydroxide and hydrogen peroxide. Next, an intermediate layer Ta for improving adhesion with the underlying SiO2 is formed to 0.05 μm, and then a Pt film for the sensing film electrode E is continuously formed to 0.2 μm. Film formation is performed by normal sputtering using an RF magnetron sputtering apparatus. The film forming temperature is 100 ° C., the film forming power is 100 W, and the film forming pressure is 1 Pa. Thereafter, the resistance measurement sensing film electrode E of the pair of sensing films SnO2 is patterned by wet etching in the same manner as the heater layer.

次に、上記のパターニングが施されたウェハーをスパッタチャンバーにセットし、本発明に関わるガス感知膜SであるSnO2薄膜を成膜する。   Next, the wafer subjected to the above patterning is set in a sputtering chamber, and a SnO2 thin film that is the gas sensing film S related to the present invention is formed.

断面方向で微少凸凹を有するSnO2薄膜を以下の手順でスパッタ成膜して形成する。   A SnO2 thin film having minute irregularities in the cross-sectional direction is formed by sputtering film formation according to the following procedure.

感知膜Sのサイズは100μm平方である。またSnO2層の成膜条件は成膜パワー50W、成膜圧力1Pa、成膜雰囲気Ar+O2中、成膜温度100℃であり、上記条件でSnO2の成膜速度は5nm/min、となる。   The size of the sensing film S is 100 μm square. The deposition conditions for the SnO2 layer are a deposition power of 50 W, a deposition pressure of 1 Pa, a deposition atmosphere Ar + O2, a deposition temperature of 100 ° C., and under these conditions, the deposition rate of SnO2 is 5 nm / min.

SnO2薄膜は成膜前に微細加工により、SnO2感知膜Sを成膜する部分のみを開口し、それ以外をレジストで被覆したパターンを形成したのち、所定厚みのSnO2薄膜をスパッタで成膜後、レジストを除去と同時に不要部分(レジスト上)に付着したSnO2を除去するレジストリフトオフにより行う。   After the SnO2 thin film is finely processed before film formation, only the portion where the SnO2 sensing film S is formed is opened, and the other is coated with a resist, and then a SnO2 thin film with a predetermined thickness is formed by sputtering. At the same time as removing the resist, this is performed by a registry shift-off that removes SnO2 adhering to unnecessary portions (on the resist).

図4は本発明に係るガス感知膜部のレジストのパターンを模式的に示し、(a)は平面図、(b)は(a)におけるAB断面図である。レジストRは正方形であり正方格子点に配置され、レジストのない部分は格子状である。ガス感知膜領域の左右両端部の下地には一対の10μm幅のPtからなるセンサ抵抗検知用の電極Eが形成されている。格子の線幅は1μmであり、レジストRは正方形で一辺は同様に1μmである。レジストの厚さは1.5μmで、LENOS(Latitude
Enhancement
Novel Single Layer Lithography)法に従ってリフトオフに適したダレの少ない断面形状の条件のものを用いた。
4A and 4B schematically show a resist pattern of the gas sensing film portion according to the present invention, wherein FIG. 4A is a plan view and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AB in FIG. The resist R has a square shape and is arranged at square lattice points, and the portion without the resist has a lattice shape. A sensor resistance detection electrode E made of a pair of Pt having a width of 10 μm is formed on the base of the left and right ends of the gas sensing film region. The line width of the lattice is 1 μm, the resist R is square, and one side is similarly 1 μm. The resist thickness is 1.5μm, and LENOS (Latitude
Enhancement
In accordance with the Novel Single Layer Lithography) method, a cross-sectional condition with little sagging suitable for lift-off was used.

上記レジスト厚みに対して0.5μm厚みのSnO2を成膜する、レジスト上にもSnO2は成膜されるが、レジストをリフトオフすることにより、レジストとともに除去され、図4(a)に示したレジストのなかった格子部分にSnO2薄膜が形成される。   SnO2 having a thickness of 0.5 μm with respect to the resist thickness is formed. SnO2 is also formed on the resist, but it is removed together with the resist by lifting off the resist, and the resist shown in FIG. An SnO2 thin film is formed in the lattice portion that was not present.

図5は本発明に係るガス感知膜の模式断面図である。リフトオフ後のSnO2薄膜は格子状であるのでセンサ電極Eとの電気的導通は保たれている。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a gas sensing film according to the present invention. Since the SnO 2 thin film after the lift-off is in a lattice shape, electrical continuity with the sensor electrode E is maintained.

ここで本実施例のガス感知膜のパターンは格子状であるが、1対のセンサ電極と電気的に導通がとれる構成であり、かつSnO2の成膜断面に凸凹を生ずるパターンあれば良いことは勿論である。また本実施例では格子幅と格子間隔を一致させたが、異なっていても良いことは勿論でありまた格子間隔が短くても、長くても良い事は勿論である。格子間隔/格子幅は微細なほど良いが、格子間隔はKnudsen拡散になる領域(0.05μm以下)が最小間隔である。   Here, the pattern of the gas sensing film of the present embodiment is a lattice shape, but it is only necessary to have a pattern that is electrically conductive with a pair of sensor electrodes, and has a pattern that causes unevenness in the SnO2 film formation cross section. Of course. In this embodiment, the lattice width and the lattice interval are made to coincide with each other. However, the lattice interval may be different, and the lattice interval may be short or long. The finer the lattice spacing / lattice width is, the better, but the minimum spacing is the region where the Knudsen diffusion takes place (0.05 μm or less).

次にアルミナ粒子にPt及びPd触媒を担持させた粉末をバインダとともにペーストとし、スクリーン印刷により感知膜の表面に塗布、焼成させ約30μm厚の選択燃焼層(触媒フィルター)素子Cを形成する。選択燃焼層Cにより、ガスセンサの感度、ガス種選択性、信頼性が向上する。   Next, a powder in which Pt and Pd catalysts are supported on alumina particles is used as a paste together with a binder, and is applied to the surface of the sensing film by screen printing and fired to form a selective combustion layer (catalyst filter) element C having a thickness of about 30 μm. The selective combustion layer C improves the sensitivity, gas type selectivity, and reliability of the gas sensor.

最後にSi基板の裏面からドライエッチによりSiを400μm径の大きさにて完全に除去しダイアフラム構造とする。   Finally, Si is completely removed from the back surface of the Si substrate by dry etching to a size of 400 μm to form a diaphragm structure.

比較のために、SnO2薄膜が凸凹パターンの無い100μm平方で0.5μm厚みのSnO2薄膜を成膜した従来構造の薄膜ガスセンサも試作(素子名X)した。本実施例の薄膜ガスセンサ(素子名A)と異なるのはSnO2の成膜パターンのみである。   For comparison, we also prototyped a thin-film gas sensor with a conventional structure (device name X) in which a SnO2 thin film with a thickness of 100 μm and a thickness of 0.5 μm was formed. The only difference from the thin film gas sensor (element name A) of this example is the SnO2 film formation pattern.

ここで、ヒーター層(Ta/PtW/Ta)と感知膜電極(Ta/
Pt)のパターニングの際には、きのこのかさ状に形成された2種のメタル層をマスクとした一種のリフトオフ法に従っても良い(当社整理番号 98P00568参照。)。
実施例2
実施例1と異なる点はSnO2形成工程のみであり、その前後の工程は実施例1と全く同様である。実施例1ではSnO2格子間は空隙となるため、センサ抵抗が若干高抵抗化する。センサ抵抗値を低くするためには本実施例2が好ましい。
Here, the heater layer (Ta / PtW / Ta) and the sensing membrane electrode (Ta / P
When patterning Pt), it may be possible to follow a kind of lift-off method using two kinds of metal layers formed in the shape of a mushroom as a mask (see our company reference number 98P00568).
Example 2
The difference from the first embodiment is only the SnO2 formation step, and the steps before and after that are exactly the same as the first embodiment. In Example 1, since the space between the SnO2 lattices is a gap, the sensor resistance is slightly increased. In order to reduce the sensor resistance value, the second embodiment is preferable.

図6は本発明に係る他の薄膜ガスセンサのガス感知膜の模式断面図である。   FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a gas sensing film of another thin film gas sensor according to the present invention.

実施例1と同じレジストパターンを形成後、第1のSnO2(符号S1)を厚さ0.4μm成膜する。   After forming the same resist pattern as in Example 1, a first SnO2 (reference S1) is formed to a thickness of 0.4 μm.

レジストリフトオフ後、更に100μm平方のガス感知部に重ね合わせて、もう一度格子パターン無しの開口部100μm平方のレジストパターニングを行い、スパッタにより第2のSnO2(符号S2)を厚さ0.1μm成膜する。第2の成膜したSnO2は下地の格子状の第1のSnO2の表面に積層し、格子部のSnO2は0.6μmの厚みになる。また格子間のSnO2のなかった部分には0.1μm厚の第2のSnO2が成膜され全体としては図6のような断面構造になる。基板に対してほぼ垂直に形成されている格子状SnO2の側面には薄くSnO2が付着し、格子間隔がやや狭くなるが、図6には示してない。再成膜により凸凹はあるがセンサ検知部の100μm平方の全面をSnO2が被覆するため導電路が増加し実施例1に比べセンサ抵抗値は低下する。第2の成膜の膜厚が厚いほど凸凹の膜厚比は小さくなり抵抗値は低下するものの、凹部は浅くなり、抵抗値のCO濃度勾配特性上は好ましくは無い。実施例2の方法では、最初の成膜時のパターンに制約はなくなる。すなわち最初の成膜時にSnO2が島状の成膜パターンであっても再成膜で電気的に導通するため、実施例1の逆パターン(格子間の平方の部分にSnO2を島状に成膜)であっても問題は無い。   After the registry shift-off, the resist pattern is further formed on the 100 μm square opening without any lattice pattern by superimposing it on the 100 μm square gas sensing portion, and a second SnO 2 (reference S2) is formed to a thickness of 0.1 μm by sputtering. The second deposited SnO2 is laminated on the surface of the first lattice-like SnO2 of the base, and the SnO2 of the lattice portion has a thickness of 0.6 μm. Further, a second SnO2 film having a thickness of 0.1 μm is formed on the portion where there is no SnO2 between the lattices, and the cross-sectional structure as a whole is as shown in FIG. Although SnO2 is thinly attached to the side surface of the lattice-like SnO2 formed substantially perpendicular to the substrate, the lattice spacing becomes slightly narrow, but this is not shown in FIG. Although SnO2 coats the entire surface of the sensor detection portion of 100 μm square due to the re-deposition, the conductive path increases and the sensor resistance value decreases compared to the first embodiment. The thicker the second film, the smaller the film thickness ratio of the unevenness and the lower the resistance value, but the shallower the recessed part, the less preferable the CO concentration gradient characteristic of the resistance value. In the method of Example 2, there is no restriction on the pattern during the initial film formation. That is, even if SnO2 is an island-shaped film formation pattern at the time of the first film formation, it is electrically connected by re-filming. Therefore, the reverse pattern of Example 1 (SnO2 is formed in an island shape in the square part between the lattices) ) Is no problem.

このようなガス感知膜を有する素子を素子Bとして、後工程を実施例1と同一の工程で試作した。   An element having such a gas sensing film was designated as element B, and the subsequent process was prototyped in the same process as in Example 1.

ここでは1回の再成膜の例を示したが、同様の繰り返しを複数回行っても良いことは勿論である。
実施例3
実施例1、2と異なる点はSnO2形成工程のみであり、その前後の工程は実施例1、2と全く同様である。実施例1、2ではSnO2が凸凹形状に成膜されるのに対し、本発明の実施例3では凸凹形状の無い平坦な従来法でのSnO2を成膜後、SnO2表面に微細加工でレジストをパターニングし、エッチングによりSnO2に凸凹形状をつけようとするものである。SnO2の凹形状を形成しようとする部分のパターンは当然開口されており、開口部よりSnO2をエッチングする。
図7は本発明に係る別の薄膜ガスセンサのガス感知膜部のレジストパターンを模式的に示し、(a)は平面図であり、(b)はパラグラフAB断面図である。はパターニング後の断面図である。レジスト部は符号Rで示した。SnO2がパターンの無い100μm平方で0.5μm厚みのSnO2(符号S3)を成膜した従来構造のガス感知膜を形成後、微細加工により図7のようなパターンのレジストをパターニングする。レジストの線幅は1μmであり線間隔は同様に1μmである。レジストは1.5μm厚みで、PEB法に従いリフトオフに適したダレの少ない断面形状の得られる条件のものを用いた。上記レジストをマスクに逆スパッタでレジスト開口部からSnO2を0.5μmエッチングする。
Although an example of one re-deposition is shown here, it goes without saying that the same repetition may be performed a plurality of times.
Example 3
The difference from the first and second embodiments is only the SnO2 formation step, and the steps before and after that are exactly the same as those of the first and second embodiments. In Examples 1 and 2, SnO2 is formed in a concavo-convex shape, whereas in Example 3 of the present invention, after SnO2 is formed by a flat conventional method having no concavo-convex shape, a resist is finely processed on the SnO2 surface. Patterning and etching are intended to give an uneven shape to SnO2. The pattern of the portion where the concave shape of SnO2 is to be formed is naturally open, and SnO2 is etched from the opening.
FIG. 7 schematically shows a resist pattern of a gas sensing film portion of another thin film gas sensor according to the present invention, where (a) is a plan view and (b) is a paragraph AB sectional view. FIG. 4 is a cross-sectional view after patterning. The resist portion is indicated by R. After forming a gas sensing film having a conventional structure in which SnO2 has a pattern of SnO2 having a thickness of 100 μm and a thickness of 0.5 μm (reference S3), a resist having a pattern as shown in FIG. 7 is patterned by fine processing. The line width of the resist is 1 μm, and the line interval is also 1 μm. A resist having a thickness of 1.5 μm and having a condition of obtaining a cross-sectional shape with little sagging suitable for lift-off according to the PEB method was used. Using the resist as a mask, SnO2 is etched by 0.5 μm from the resist opening by reverse sputtering.

図8は本発明に係る別の薄膜ガスセンサのガス感知膜の模式断面図である。その後レジストを除去し図8のような断面構造になる。ガス導入孔Shgが形成されている
このようにして試作した素子を素子Cとする。
FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of a gas sensing film of another thin film gas sensor according to the present invention. Thereafter, the resist is removed to obtain a cross-sectional structure as shown in FIG. An element C in which the gas introduction hole Shg is formed in this way is referred to as element C.

本実施例では逆スパッタ(物理的エッチング)でのエッチング例を示したが、化学的エッチングでもかまわないことは勿論である。
実施例4
実施例1、2、3と異なる点は、SnO2形成前にあらかじめ下地であるSiO2層に凸凹を形成する点にある。その凸凹面上に、従来と同じ方法でSnO2薄膜を成膜することにより、自動的にSnO2薄膜が凸凹形状に成膜される。その前後の工程は実施例1、2、3と全く同様である。実施例4の特徴は、SnO2の成膜下地に凸凹を形成しておく点にある。
In this embodiment, an example of etching by reverse sputtering (physical etching) is shown, but it is needless to say that chemical etching may be used.
Example 4
The difference from the first, second, and third embodiments is that unevenness is formed in advance on the SiO2 layer, which is the base, before SnO2 is formed. By depositing the SnO2 thin film on the uneven surface by the same method as the conventional method, the SnO2 thin film is automatically formed in the uneven shape. The steps before and after that are exactly the same as those in Examples 1, 2, and 3. The feature of Example 4 is that unevenness is formed on the SnO2 film formation base.

図9は本発明に係る別の薄膜ガスセンサのガス感知膜部のSiO2層の断面図である。図10は本発明に係る別の薄膜ガスセンサのガス感知膜部の断面図である。   FIG. 9 is a cross-sectional view of the SiO2 layer of the gas sensing film portion of another thin film gas sensor according to the present invention. FIG. 10 is a sectional view of a gas sensing film portion of another thin film gas sensor according to the present invention.

センサ電極Eを形成後、SnO2薄膜成膜前のSiO2層パラグラフLI上に微細加工により実施例3(図7)と同じパターンのレジストをパターニングする。バッファードHF溶液に浸漬しレジスト開口部のSiO2を約0.4μmエッチングしSiO2表面に図9(レジスト除去後)のような凸凹形状を形成する。レジスト除去後、平坦な従来法でのSnO2薄膜S4(図10)を成膜すると、SnO2は下地の凸凹形状に沿って成膜されるため、自動的に凸凹形状を有するSnO2薄膜S4が形成される。実施例4ではウェットエッチングでSiO2を加工したが、フッ素系ガスを用いたドライエッチングでも同様の結果が得られる。このようにして試作した素子を素子Dとする。   After forming the sensor electrode E, a resist having the same pattern as that of the third embodiment (FIG. 7) is patterned on the SiO2 layer paragraph LI before forming the SnO2 thin film by fine processing. It is immersed in a buffered HF solution, and SiO2 in the resist opening is etched by about 0.4 μm to form an uneven shape as shown in FIG. 9 (after removing the resist) on the SiO2 surface. After removing the resist, when a flat conventional SnO2 thin film S4 (FIG. 10) is formed, SnO2 is formed along the underlying uneven shape, so that the SnO2 thin film S4 having the uneven shape is automatically formed. The In Example 4, SiO2 was processed by wet etching, but similar results can be obtained by dry etching using a fluorine-based gas. An element manufactured in this way is referred to as an element D.

つづいて、上記方法により作製されたパルス駆動の薄膜ガスセンサ素子A、B、C、D、Xの抵抗値のCO濃度依存を調べた。測定条件は20℃、相対湿度65%でCO濃度は0、30、100、300、500、1000ppmCO/空気である。   Subsequently, the dependence of the resistance values of the pulse-driven thin film gas sensor elements A, B, C, D, and X produced by the above method on the CO concentration was examined. The measurement conditions are 20 ° C., relative humidity 65%, and the CO concentration is 0, 30, 100, 300, 500, 1000 ppm CO / air.

またパルス駆動条件および測定条件は以下のとおりである。   The pulse driving conditions and measurement conditions are as follows.

検出サイクル:150秒
クリーニング温度×時間=450℃×200msec
CO検出温度×検出タイミング=100℃×100℃に加熱後500msec後
表1に測定結果を示す。
Detection cycle: 150 seconds Cleaning temperature x time = 450 ° C x 200 msec
CO detection temperature × detection timing = 100 ° C. × 100 ° C. After 500 msec after heating Table 1 shows the measurement results.

図11は本発明の素子A〜Dおよび従来素子Xの抵抗値のCO濃度依存性を示すグラフである。 FIG. 11 is a graph showing the CO concentration dependence of the resistance values of the elements A to D of the present invention and the conventional element X.

図11からCO濃度30〜1000ppmの範囲で、CO濃度の変化に対するセンサ抵抗値の変化率(曲線の傾き)は本発明の素子A、B、C、Dはほとんど一致し一定の値ではあることが分かる。これに対して一方、従来素子Xでは変化率が小さく、しかもCO濃度300〜1000ppm範囲で飽和傾向にあることが分かる。   From FIG. 11, the change rate of the sensor resistance value (the slope of the curve) with respect to the change in the CO concentration within the range of 30 to 1000 ppm of CO is almost the same as the elements A, B, C, and D of the present invention. I understand. On the other hand, it can be seen that the change rate of the conventional element X is small and that the CO concentration is in the range of 300 to 1000 ppm.

従来構造の素子においては、スパッタ成膜したSnO2薄膜には細孔径の大きな(>0.05μm)ガス拡散孔がほとんど存在しないため、COガスのSnO2薄膜の内部への浸透はKnudsen拡散、表面拡散が主となる。Knudsen拡散、表面拡散はスピードが遅い上、SnO2との相互作用(衝突、マイグレーションなど)が飛躍的に大きくなるため、SnO2薄膜の内部へガス拡散する前にCOガスの接触酸化が起こる。すなわち、SnO2感知膜の最表面近傍でCOガスが燃え尽き、抵抗低下は最表面近傍でしか起こっていない。センサ抵抗はガス感知膜全体の合成抵抗であるため、CO濃度に対しての抵抗変化が小さく(勾配が小さく)なると考えられる。高濃度でのセンサ抵抗の飽和現象も上記問題が原因と推定される。   In the element of the conventional structure, the sputtered SnO2 thin film has almost no large (> 0.05 μm) gas diffusion holes, so the penetration of CO gas into the SnO2 thin film is caused by Knudsen diffusion and surface diffusion. Become the Lord. Knudsen diffusion and surface diffusion are slow and the interaction with SnO2 (collision, migration, etc.) increases dramatically, so that the catalytic oxidation of CO gas occurs before the gas diffuses into the SnO2 thin film. That is, the CO gas burns out near the outermost surface of the SnO2 sensing film, and the resistance decrease occurs only near the outermost surface. Since the sensor resistance is a combined resistance of the entire gas sensing film, it is considered that the resistance change with respect to the CO concentration is small (gradient is small). The above problem is also presumed to be caused by the saturation phenomenon of sensor resistance at a high concentration.

これに対して本発明の素子では、ガス感知膜であるSnO2薄膜にガス拡散が容易なガス拡散孔を高密度に作りつけたため、SnO2薄膜の内部へも十分早くCOガスが浸透し、COガスがSnO2薄膜全体と反応し、SnO2感知膜全体の抵抗が一様に低下するため、CO濃度に対しての抵抗変化が大きく(勾配が大きく)なり、しかも高濃度でのセンサ抵抗の飽和も起きないものである。
実施例5
本発明に係る別の薄膜ガスセンサの断面図は図13に概略は同じであり、同じ符号を用いるが、SiO2絶縁膜の表面処理工程が付加されている。
In contrast, in the element of the present invention, gas diffusion holes that allow easy gas diffusion are formed in the SnO2 thin film, which is a gas sensing film, at a high density, so that the CO gas penetrates into the SnO2 thin film sufficiently quickly, and the CO gas Reacts with the entire SnO2 thin film, and the resistance of the entire SnO2 sensing film decreases uniformly, so the resistance change with respect to the CO concentration becomes large (the gradient is large), and saturation of the sensor resistance at high concentration also occurs. There is nothing.
Example 5
The cross-sectional view of another thin film gas sensor according to the present invention is the same as that shown in FIG. 13, and the same reference numerals are used, but a surface treatment process for the SiO2 insulating film is added.

以下その製造工程に沿って詳しく説明する。   Hereinafter, it explains in detail along the manufacturing process.

両面に熱酸化膜LIを0.3μm形成したSi基板Bの表面に、ダイアフラム構造の支持層となるSiN膜L2とSiO2膜L3を順次プラズマCVDにより、それぞれ0.15μmと1μm形成する。この上に第1の接合層としてTaを0.05μm形成後、連続して、ヒーター層としてPtW(Pt+4
m%W)膜を0.5μm形成し、更に連続して第2の接合層としてTaを0.05μm形成する。成膜はRFマグネトロンスパタリング装置を用い、通常のスパタリングによって行う。成膜温度100℃、成膜パワー100W、成膜圧力1Paである。
A SiN film L2 and a SiO2 film L3, which serve as a support layer of the diaphragm structure, are sequentially formed by plasma CVD on the surface of the Si substrate B on which both sides of the thermal oxide film LI are formed to 0.3 .mu.m, by plasma CVD. On top of this, 0.05 μm of Ta was formed as the first bonding layer, and then continuously, PtW (Pt + 4
m% W) film is formed to a thickness of 0.5 μm, and then Ta is continuously formed to a thickness of 0.05 μm as the second bonding layer. Film formation is performed by normal sputtering using an RF magnetron sputtering apparatus. The film forming temperature is 100 ° C., the film forming power is 100 W, and the film forming pressure is 1 Pa.

その後、微細加工によりヒーターHのパターンを形成する。ウエットエッチングのエッチャントとして、Taには水酸化ナトリウムと過酸化水素混合液、Ptには王水をそれぞれ90℃に加熱して用いた。さらにSiO2絶縁膜LIをスパッタにより3.0μm形成した後、微細加工により図示されていないがヒーターの電極パッド部分をHFにてエッチングし窓明け後、導通の確保とワイヤボンディング性を向上するため、第2の接合層Taは水酸化ナトリウムと過酸化水素混合液で除去する。   Thereafter, a pattern of the heater H is formed by fine processing. As an etchant for wet etching, a mixed solution of sodium hydroxide and hydrogen peroxide was used for Ta and aqua regia was heated to 90 ° C. for Pt. Further, after forming the SiO2 insulating film LI by sputtering to 3.0 μm, the electrode pad portion of the heater is etched with HF and the window is opened after fine processing, although not shown by fine processing. The second bonding layer Ta is removed with a mixed solution of sodium hydroxide and hydrogen peroxide.

その後、本発明に係るサンドブラスト処理を行い、SiO2絶縁膜LI表面への微細で高密度な凸凹を形成する工程を行う。前記加工を施したウェハーの表面に、ドライフィルム(例えば東京応化製ORDYL-BF-405)をラミネートし、微細加工によりSnO2ガス感知膜Sを成膜する部分を開口し、それ以外の部分を被覆したパターンを形成する。研磨材としては炭化ケイ素#800(平均粒径
20
μm)を用い、噴射スポット径φ10mmを用いた。サンドブラスト条件は研磨剤供給量140g/minで噴射圧力0.15MPa(空気)、移動速度200mm/秒でφ4インチのウェハーの全面にサンドブラスト処理を行った。
Thereafter, a sandblasting process according to the present invention is performed to form a fine and high-density unevenness on the surface of the SiO2 insulating film LI. A dry film (for example, ORDYL-BF-405 manufactured by Tokyo Ohka) is laminated on the surface of the processed wafer, and the part where the SnO2 gas sensing film S is formed by fine processing is opened, and the other parts are covered. Pattern is formed. As an abrasive, silicon carbide # 800 (average particle size
20
μm) and an injection spot diameter of φ10 mm was used. Sandblasting conditions were as follows: sandblasting was performed on the entire surface of a φ4 inch wafer at an abrasive supply rate of 140 g / min, an injection pressure of 0.15 MPa (air), and a moving speed of 200 mm / sec.

その後、サンドブラスト処理を行ったSiO2絶縁膜表面をHFの10%水溶液に20秒間浸漬しSiO2の最表面のサンドブラスト処理により生じた歪層を除去する。この時点でSiO2表面に凸凹が形成される。次にドライフィルムを除去する。   Thereafter, the surface of the SiO2 insulating film that has been subjected to the sandblasting treatment is immersed in a 10% aqueous solution of HF for 20 seconds to remove the strain layer generated by the sandblasting treatment on the outermost surface of SiO2. At this point, irregularities are formed on the surface of SiO2. Next, the dry film is removed.

次に、下地のSiO2との密着性向上のための中間層Taを0.05μm形成後、連続してPt感知膜電極を厚さ0.2μm成膜する。成膜はRFマグネトロンスパタリング装置を用い、通常のスパタリングによって行う。成膜温度100℃、成膜パワー100W、成膜圧力1Paである。その後、ヒーター層と同様にウエットエッチにより一対の感知膜SnO2の抵抗測定用感知膜電極Eをパターニングする。   Next, after forming 0.05 μm of an intermediate layer Ta for improving adhesion to the underlying SiO 2, a Pt sensing film electrode is continuously formed to a thickness of 0.2 μm. Film formation is performed by normal sputtering using an RF magnetron sputtering apparatus. The film forming temperature is 100 ° C., the film forming power is 100 W, and the film forming pressure is 1 Pa. Thereafter, the resistance measurement sensing film electrode E of the pair of sensing films SnO2 is patterned by wet etching in the same manner as the heater layer.

なお感知膜電極形成後、感知膜電極部をレジストで被覆し、同様の条件で下地のSiO2をサンドブラスト処理を行っても良い。   Note that after the sensing film electrode is formed, the sensing film electrode portion may be covered with a resist, and the underlying SiO2 may be sandblasted under the same conditions.

次に、上記のパターニングが施されたウェハーをスパッタチャンバーにセットし、ガス感知膜であるSnO2薄膜を成膜する。   Next, the wafer subjected to the above patterning is set in a sputtering chamber, and a SnO2 thin film as a gas sensing film is formed.

感知膜のサイズは100μm平方である。またSnO2層の成膜条件は成膜パワー50W、成膜圧力1Pa、成膜雰囲気Ar+O2中、成膜温度100℃であり、上記条件でSnO2の成膜速度は5nm/min、となる。   The size of the sensing film is 100 μm square. The deposition conditions for the SnO2 layer are a deposition power of 50 W, a deposition pressure of 1 Pa, a deposition atmosphere Ar + O2, a deposition temperature of 100 ° C., and under these conditions, the deposition rate of SnO2 is 5 nm / min.

試作した本発明素子を素子Eとする。   The prototype of the present invention element is designated as element E.

比較のために、サンドブラスト処理をしない従来構造の素子も試作(素子X)した。本発明の素子(素子E)と異なるのはSnO2の成膜パターンのみである。   For comparison, an element having a conventional structure not subjected to sandblasting was also prototyped (element X). The only difference from the element of the present invention (element E) is the SnO2 film formation pattern.

次にアルミナ粒子にPt及びPd触媒を担持させた粉末をバインダとともにペーストとし、スクリーン印刷により感知膜の表面に塗布、焼成させ約30μm厚の選択燃焼層(触媒フィルター)Cを形成する。選択燃焼層Cにより、ガスセンサの感度、ガス種選択性、信頼性が向上する。最後に基板の裏面からドライエッチによりSiを400μm径の大きさにて完全に除去しダイアフラム構造とする。   Next, a powder in which Pt and Pd catalyst are supported on alumina particles is used as a paste together with a binder, and is applied to the surface of the sensing film by screen printing and fired to form a selective combustion layer (catalyst filter) C having a thickness of about 30 μm. The selective combustion layer C improves the sensitivity, gas type selectivity, and reliability of the gas sensor. Finally, Si is completely removed from the back surface of the substrate by dry etching to a diameter of 400 μm to form a diaphragm structure.

つづいて、上記方法により作製されたパルス駆動の薄膜ガスセンサ素子A、Bの抵抗値のCO濃度依存を調べた。測定条件は20℃、相対湿度65%でCO濃度は0、30、100、300、500、1000ppmCO/空気である。   Subsequently, the CO concentration dependence of the resistance values of the pulse-driven thin film gas sensor elements A and B produced by the above method was examined. The measurement conditions are 20 ° C., relative humidity 65%, and the CO concentration is 0, 30, 100, 300, 500, 1000 ppm CO / air.

またパルス駆動条件および測定条件は以下のとおりである。   The pulse driving conditions and measurement conditions are as follows.

検出サイクル=150秒
クリーニング温度×時間=450℃×200 msec
CO検出温度×検出タイミング=100℃×100℃に加熱後500 msec後
表2に測定結果を示す。抵抗値の単位はKΩである。
Detection cycle = 150 seconds Cleaning temperature x time = 450 ° C x 200 msec
CO detection temperature × detection timing = 100 ° C. × 100 ° C. After heating for 500 msec Table 2 shows the measurement results. The unit of resistance value is KΩ.

図12は本発明に係る素子Eと従来素子Xの抵抗値のCO濃度依存性を示すグラフである。 FIG. 12 is a graph showing the CO concentration dependence of the resistance values of the element E according to the present invention and the conventional element X.

図12からCO濃度30〜1000ppmの範囲で、CO濃度の変化に対するセンサ抵抗値の変化率(曲線の傾き)は本発明の素子Eでは一定の値であることが分かる。一方これに対して、従来素子Xでは変化率が小さく、しかもCO濃度300〜1000ppm範囲で飽和傾向にあることが分かる。   From FIG. 12, it can be seen that the change rate of the sensor resistance value (the slope of the curve) with respect to the change of the CO concentration is a constant value in the element E of the present invention in the range of the CO concentration of 30 to 1000 ppm. On the other hand, it can be seen that the change rate of the conventional element X is small and that the CO concentration is in the range of 300 to 1000 ppm.

本発明に係る薄膜ガスセンサのSnO2薄膜の模式拡大断面図である。It is a model expanded sectional view of the SnO2 thin film of the thin film gas sensor which concerns on this invention. 本発明に係る、平滑なSiO2にサンドブラスト処理を行ったSiO2の表面状態を示し、(a)は全体像(溝部及び平滑部/サンドブラスト処理無し部)を示すSEM写真、(b)は溝部凸凹の拡大SEM写真、(c)は凸凹の高低差のヒストグラムである。According to the present invention, the surface state of SiO2 obtained by subjecting smooth SiO2 to sand blasting is shown, (a) is an SEM photograph showing the whole image (groove part and smooth part / no sandblasting part), and (b) is an uneven groove part. An enlarged SEM photograph, (c) is a histogram of unevenness of the unevenness. 本発明に係るサンドブラスト処理後のSiO2絶縁膜表面へのSnO2結晶の成長状態を示す模式断面図であり、(a)はサンドブラスト処理後のSiO2絶縁膜、(b)はSnO2成膜初期、(c)はSnO2成膜中期、(d)SnO2成膜後期である。It is a schematic cross section showing the growth state of SnO2 crystal on the SiO2 insulating film surface after sandblasting according to the present invention, (a) is the SiO2 insulating film after sandblasting, (b) is the initial stage of SnO2 film formation, (c ) Is the middle stage of SnO2 film formation, and (d) the late stage of SnO2 film formation. 本発明に係るガス感知膜部のレジストのパターンを模式的に示し、(a)は平面図、(b)は(a)におけるAB断面図である。The pattern of the resist of the gas sensing film part which concerns on this invention is shown typically, (a) is a top view, (b) is AB sectional drawing in (a). 本発明に係るガス感知膜の模式断面図である。1 is a schematic cross-sectional view of a gas sensing film according to the present invention. 本発明に係る他の薄膜ガスセンサのガス感知膜の模式断面図である。It is a schematic cross section of the gas sensing film | membrane of the other thin film gas sensor which concerns on this invention. 本発明に係る別の薄膜ガスセンサのガス感知膜部のレジストパターンを模式的に示し、(a)は平面図であり、(b)はAB断面図である。The resist pattern of the gas sensing film part of another thin film gas sensor which concerns on this invention is shown typically, (a) is a top view, (b) is AB sectional drawing. 本発明に係る別の薄膜ガスセンサのガス感知膜の模式断面図である。It is a schematic cross section of the gas sensing film of another thin film gas sensor concerning the present invention. 本発明に係る別の薄膜ガスセンサのガス感知膜部のSiO2層の断面図である。It is sectional drawing of the SiO2 layer of the gas sensing film | membrane part of another thin film gas sensor which concerns on this invention. 本発明に係る別の薄膜ガスセンサのガス感知膜部の断面図である。It is sectional drawing of the gas sensing film | membrane part of another thin film gas sensor which concerns on this invention. 本発明の素子A〜Dおよび従来素子Xの抵抗値のCO濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows CO density | concentration dependence of the resistance value of the elements AD of this invention, and the conventional element X. FIG. 本発明に係る素子Eと従来素子Xの抵抗値のCO濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the CO density | concentration dependence of the resistance value of the element E which concerns on this invention, and the conventional element X. FIG. ダイアフラム構造の薄膜ガスセンサの一例の模式断面図である。It is a schematic cross section of an example of the thin film gas sensor of a diaphragm structure. スパッタにより成膜されたSnO2層の断面TEM写真である。2 is a cross-sectional TEM photograph of a SnO2 layer formed by sputtering. SnO2薄膜の表面のSEM像写真である。It is a SEM image photograph of the surface of a SnO2 thin film. SnO2薄膜の最表面部の拡大した断面TEM像写真である。3 is an enlarged cross-sectional TEM image photograph of the outermost surface portion of the SnO2 thin film. 従来のSnO2薄膜の模式拡大断面図である。It is a model expanded sectional view of the conventional SnO2 thin film.

符号の説明Explanation of symbols

B Si基板
L1 熱酸化膜
L2 窒化膜
L3 二酸化ケイ素膜
LI 絶縁膜
H ヒーター
E 電極
S SnO2膜
C 選択燃焼層
S1 SnO2膜
S2 SnO2膜
S3 SnO2膜
S4 SnO2膜
Sa SnO2膜
Sb SnO2膜
Sc 柱状SnO2膜
Shf 微細孔
Shg ガス導入孔
SR レジスト
B Si substrate
L1 thermal oxide film
L2 nitride film
L3 silicon dioxide film
LI insulation film
H heater
E electrode
S SnO2 film
C selective combustion layer
S1 SnO2 film
S2 SnO2 film
S3 SnO2 film
S4 SnO2 film
Sa SnO2 film
Sb SnO2 film
Sc Columnar SnO2 film
Shf micropore
Shg gas introduction hole SR resist

Claims (14)

少なくとも、外周または両端部がSi基板により支持された薄膜状の支持膜上に、薄膜のヒーターが形成され、この薄膜のヒーターは電気絶縁膜で被覆され、その上にガス感知膜用の電極が形成され、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜が形成され、そのガス感知膜を完全に被覆するように触媒を担持する多孔質アルミナからなる選択燃焼層が形成されてなる薄膜ガスセンサにおいて、前記ガス感知膜の前記電極間の部分の表面には多数のステップ状の凹凸が形成されていることを特徴とする薄膜ガスセンサ。 A thin film heater is formed on a thin film-like support film supported at least at the outer periphery or both ends by a Si substrate. The thin film heater is covered with an electrical insulating film, and an electrode for a gas sensing film is formed thereon. In addition, a gas sensing film composed of a thin film mainly composed of SnO2 is formed between the electrodes, and a selective combustion layer composed of porous alumina supporting a catalyst is formed so as to completely cover the gas sensing film. In the thin film gas sensor, a plurality of stepped irregularities are formed on the surface of the portion between the electrodes of the gas sensing film. 前記ガス感知膜の凹部の膜厚は凸部の膜厚の90%以下であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜ガスセンサ。 2. The thin film gas sensor according to claim 1, wherein the thickness of the concave portion of the gas sensing film is 90% or less of the thickness of the convex portion. 前記ガス感知膜の平面図において、凹部の面積は前記ガス感知膜の前記電極間の部分の面積の20%〜80%であることを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜ガスセンサおよびその製造方法。 3. The thin film gas sensor according to claim 1, wherein the area of the recess is 20% to 80% of the area of the portion of the gas sensing film between the electrodes in the plan view of the gas sensing film. Production method. 少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む薄膜ガスセンサの製造方法において、前記感知膜工程にはSnO2成膜をリフトオフで行いかつSnO2成膜前に、SnO2成膜部にリフトオフ時に除去される部分を島状に点在させ、SnO2成膜後にリフトオフにより島状に点在したリフトオフ物質を除去することにより、膜厚においてステップ状の凸凹を有するガス感知膜を形成することを含むことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の薄膜ガスセンサの製造方法。 At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the method of manufacturing a thin film gas sensor including a sensing film process for forming a sensing film in order, SnO2 film formation is performed in the sensing film process by lift-off, and before SnO2 film formation, at the time of lift-off to the SnO2 film formation unit Including forming a gas sensing film having step-like irregularities in film thickness by interspersing the parts to be removed in an island shape and removing the lift-off material scattered in the island shape by lift-off after SnO2 film formation The method for manufacturing a thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 3. 少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む薄膜ガスセンサの製造方法において、前記感知膜工程には、SnO2成膜をリフトオフで行いかつSnO2成膜前に、SnO2成膜部にリフトオフで除去される部分を島状に点在させ、SnO2成膜後にリフトオフにより島状に点在したリフトオフ物質を除去後、SnO2成膜部上及び上記SnO2が成膜していない島状部の上全体を被覆するようにSnO2を再成膜することが含まれていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の薄膜ガスセンサの製造方法。 At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the method of manufacturing a thin film gas sensor, which includes sequentially performing a sensing film process for forming a sensing film, the sensing film process includes performing a lift-off of SnO2 film formation and lifting off to the SnO2 film forming unit before SnO2 film formation. After removing the lift-off material scattered in the island shape by lift-off after SnO2 film formation, the parts removed in step 1 are scattered on the island shape, and then on the SnO2 film formation part and on the island-like part where the SnO2 is not formed. 4. The method of manufacturing a thin film gas sensor according to claim 1, further comprising re-depositing SnO2 so as to cover the whole. 少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む薄膜ガスセンサの製造方法において、感知膜工程には、SnO2成膜をリフトオフで行いかつSnO2成膜前に、SnO2成膜部にリフトオフで除去される部分が互いに連続した連続体になるように形成し、SnO2成膜後にリフトオフにより上記連続体のリフトオフ物質を除去後、島状に点在したSnO2成膜部上および上記SnO2が成膜していない上記連続体の上全体を被覆するようにSnO2を再成膜することが含まれていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の薄膜ガスセンサの製造方法。 At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the method of manufacturing a thin film gas sensor including a sensing film process for forming a sensing film in order, SnO2 film formation is performed in a lift-off process before the SnO2 film formation process. After the SnO2 film is formed, the lift-off material is removed by lift-off after the SnO2 film is formed, and the SnO2 film is deposited on the SnO2 film-forming parts scattered in islands. 4. The method of manufacturing a thin film gas sensor according to claim 1, further comprising re-depositing SnO2 so as to cover the entire upper surface of the continuous body. 少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む薄膜ガスセンサの製造方法において、感知膜工程には、平坦なSnO2薄膜を形成後、微細加工で島状の開口部を有するエッチングマスクを形成後、エッチングにより島状の凹部を形成することが含まれていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の薄膜ガスセンサの製造方法。 At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the method of manufacturing a thin film gas sensor, which includes sequentially performing a sensing film process for forming a sensing film, the sensing film process includes forming an etching mask having island-shaped openings by microfabrication after forming a flat SnO2 thin film. 4. The method of manufacturing a thin film gas sensor according to claim 1, further comprising forming an island-shaped recess by etching after the formation. 少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む薄膜ガスセンサの製造方法において、感知膜工程には、平坦なSnO2薄膜を形成後、微細加工で島状の開口部を有するエッチングマスクを形成後、エッチングにより島状の凹部を形成した後、島状の凹部を含むその上全体を被覆するようにSnO2を再成膜することが含まれていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の薄膜ガスセンサの製造方法。 At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the method of manufacturing a thin film gas sensor, which includes sequentially performing a sensing film process for forming a sensing film, the sensing film process includes forming an etching mask having island-shaped openings by microfabrication after forming a flat SnO2 thin film. 4. An island-shaped recess is formed by etching after the formation, and then SnO2 is formed again so as to cover the entire surface including the island-shaped recess. The manufacturing method of the thin film gas sensor in any one of. 少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む薄膜ガスセンサの製造方法において、感知膜工程には、平坦なSnO2薄膜を形成後、微細加工で互いに連続した連続体開口部を有するエッチングマスクを形成後、エッチングにより凹部を形成した後、凹部を含むその上全体を被覆するようにSnO2を再成膜することが含まれていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の薄膜ガスセンサの製造方法。 At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the method of manufacturing a thin film gas sensor, which includes sequentially performing a sensing film process for forming a sensing film, the sensing film process includes forming a flat SnO2 thin film and then performing etching with continuous openings that are continuous with each other by microfabrication. 4. The method according to claim 1, further comprising: forming a mask, forming a recess by etching, and then re-depositing SnO2 so as to cover the entire surface including the recess. The manufacturing method of the thin film gas sensor of description. 少なくとも、薄膜のヒーターを被覆する電気絶縁膜を形成する絶縁膜工程と、その上にガス感知膜用の電極を形成する電極工程と、さらにこの電極間にわたってSnO2を主成分とする薄膜からなるガス感知膜を形成する感知膜工程とが順に行われることを含む薄膜ガスセンサの製造方法において、前記絶縁膜工程の後前記電気絶縁膜に凸凹を形成する絶縁膜処理工程を行い、その後前記感知膜工程を行うことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の薄膜ガスセンサの製造方法。 At least an insulating film process for forming an electrical insulating film covering a thin film heater, an electrode process for forming an electrode for a gas sensing film thereon, and a gas comprising a thin film mainly composed of SnO2 between the electrodes In the method of manufacturing a thin film gas sensor, including a sensing film process for forming a sensing film in order, an insulating film treatment process for forming irregularities on the electrical insulating film is performed after the insulating film process, and then the sensing film process The method of manufacturing a thin film gas sensor according to claim 1, wherein: 前記絶縁膜処理工程はフォトプロセスによる凸凹のパターン形成であり、続いて前記電極工程および前記感知膜工程を行うことを特徴とする請求項10に記載の薄膜ガスセンサの製造方法。 11. The method of manufacturing a thin film gas sensor according to claim 10, wherein the insulating film processing step is pattern formation by a photo process, and subsequently the electrode step and the sensing film step are performed. 前記絶縁膜処理工程はフォトプロセスによる凸凹のパターン形成であり、前記電極工程と前記感知膜工程との間に行うことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の薄膜ガスセンサの製造方法。 4. The method of manufacturing a thin film gas sensor according to claim 1, wherein the insulating film processing step is a pattern formation of unevenness by a photo process, and is performed between the electrode step and the sensing film step. . 前記絶縁膜処理工程はサンドブラスト処理であり、続いて前記電極工程および前記感知膜工程を行うことを特徴とする請求項10に記載の薄膜ガスセンサの製造方法。 11. The method of manufacturing a thin film gas sensor according to claim 10, wherein the insulating film processing step is a sand blasting process, and subsequently the electrode step and the sensing film step are performed. 前記絶縁膜処理工程はサンドブラスト処理であり、前記電極工程と前記感知膜工程との間に行うことを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の薄膜ガスセンサの製造方法。 4. The method of manufacturing a thin film gas sensor according to claim 1, wherein the insulating film treatment step is a sandblast treatment, and is performed between the electrode step and the sensing film step.
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CN111272714A (en) * 2020-03-03 2020-06-12 电子科技大学中山学院 Metal oxide gas sensor based on optical resonant cavity principle

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