JP2005337852A - Substrate for gas sensor - Google Patents
Substrate for gas sensor Download PDFInfo
- Publication number
- JP2005337852A JP2005337852A JP2004156186A JP2004156186A JP2005337852A JP 2005337852 A JP2005337852 A JP 2005337852A JP 2004156186 A JP2004156186 A JP 2004156186A JP 2004156186 A JP2004156186 A JP 2004156186A JP 2005337852 A JP2005337852 A JP 2005337852A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- gas
- gas sensor
- insulating substrate
- layer
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Abstract
Description
本発明は、気体中に含まれる成分の濃度測定に用いられるガスセンサ用基板に関し、特に特定成分を含有するガス成分の濃度測定に用いられる小型で優れた応答性と高信頼性を有し、低消費電力で駆動するガスセンサ用基板に関する。 The present invention relates to a gas sensor substrate used for measuring the concentration of a component contained in a gas, and particularly has a small size and excellent responsiveness and high reliability used for measuring the concentration of a gas component containing a specific component. The present invention relates to a gas sensor substrate driven by power consumption.
気体中に含まれる特定成分の濃度を検知するガスセンサが多くの分野で用いられている。例えば、近年、地球規模での環境問題が議論される中、環境中に排気される二酸化炭素等の環境有害物質が少なく、高効率な動力源としての燃料電池の研究開発が盛んに行なわれている。燃料電池の場合、燃料となるメタノール等を改質して得られる水素を使用することが有望視されており、燃料電池の発電効率を向上させるために、改質されたガス中の水素濃度等を直接検知できるガスセンサへの要求が益々強くなってきている。また、車載用途の燃料電池の排気ガスに対しては、排気ガス中に含まれる有害物質が地球環境に及ぼす悪影響を軽減する目的で、排気ガス中に含まれる水素濃度をより高感度で測定できる小型で信頼性の優れたガスセンサへの期待が高まっている。以下、水素を含有するガスの水素濃度の検知を目的とするガスセンサ用基板を例にして説明する。 Gas sensors that detect the concentration of a specific component contained in a gas are used in many fields. For example, in recent years, environmental issues on a global scale are being discussed, and research and development of fuel cells as a highly efficient power source are actively conducted because there are few environmental harmful substances such as carbon dioxide exhausted into the environment. Yes. In the case of a fuel cell, it is considered promising to use hydrogen obtained by reforming methanol or the like as a fuel. In order to improve the power generation efficiency of the fuel cell, the hydrogen concentration in the reformed gas, etc. There is an increasing demand for gas sensors that can directly detect gas. In addition, for the exhaust gas of fuel cells for in-vehicle use, the concentration of hydrogen contained in the exhaust gas can be measured with higher sensitivity in order to reduce the adverse effects of harmful substances contained in the exhaust gas on the global environment. Expectations for small and highly reliable gas sensors are increasing. Hereinafter, a gas sensor substrate for the purpose of detecting the hydrogen concentration of a gas containing hydrogen will be described as an example.
従来の水素検知用のガスセンサは、アルミナセラミックス等から成る基板や石英等から成るガラス基板上に、ガス検知素子として酸化インジウム等の金属半導体素子を真空蒸着法やスパッタリング法により形成した後、次に前記ガス検知素子上に、くし型のPt電極またはAu電極を真空蒸着法やスパッタリング法等により形成し、さらに前記ガス検知素子に還元性の水素ガスに対する活性を保持させ続けるために、前記アルミナセラミックス基板や石英等から成るガラス基板の裏面にヒータ等の発熱体が設けられて、前記ガス検知素子がガス濃度の検知可能な一定の動作温度に制御される構造のものが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 A conventional hydrogen detection gas sensor is formed by forming a metal semiconductor element such as indium oxide as a gas detection element on a substrate made of alumina ceramic or a glass substrate made of quartz or the like by a vacuum deposition method or a sputtering method. A comb-shaped Pt electrode or Au electrode is formed on the gas sensing element by a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like, and the alumina ceramics is used to keep the gas sensing element active against reducing hydrogen gas. There has been proposed a structure in which a heating element such as a heater is provided on the back surface of a glass substrate made of a substrate, quartz or the like, and the gas detection element is controlled to a constant operating temperature at which the gas concentration can be detected (for example, , See Patent Document 1).
従来のガスセンサ用基板の例を図2に示す。図2(a)は従来のガスセンサ用基板の断面図であり、従来のガスセンサ用基板の平面図を示す図2(b)のA-A’線における断面図である。 An example of a conventional gas sensor substrate is shown in FIG. FIG. 2A is a cross-sectional view of a conventional gas sensor substrate, and is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. 2B showing a plan view of the conventional gas sensor substrate.
図2(a),(b)に示すように、アルミナセラミックスまたはガラスから成る絶縁基板21の一方主面に真空蒸着法によりインジウム(In)薄膜を形成した後、空気中で熱処理を施すことによって所望の酸化インジウム(In2O3)薄膜からなるガス検知素子29が形成される。次に、このガス検知素子29上に白金(Pt)から成るくし型電極30を真空蒸着法により形成する。くし型電極30上には、ガス検知素子29に電圧を供給するために、多くの場合、くし型電極30と同じ白金(Pt)で作製されたリード線(図示せず)がボンディングされる。
As shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b), an indium (In) thin film is formed on one main surface of an
なお、くし型電極30は、ガス検知素子29と絶縁基板21との間に設けても良く、この場合は、くし型電極30にリード線をボンディングするために、くし型電極30の一部が露出するようにガス検知素子29が形成される。
The
その後、絶縁基板21の他方主面に、ガス検知素子29の温度制御のための発熱体(ヒータ)31を圧接または接合してガスセンサ用基板が作製されている。
しかしながら、特許文献1に提案されたガスセンサ用基板の構造では、例えば、Ptから成るくし型電極30やリード線は、酸化インジウム等の金属半導体素子から成るガス検知素子29が形成された絶縁基板21の一方主面側に形成されているため、常に高温で高濃度の水素を含有するガスに暴露されることになる。そして、Ptは水素に接触すると脆化する、いわゆる水素脆性を持っているので、くし型電極30やリード線が長期にわたって過酷な高温で高濃度な水素を含有するガスに暴露される環境下において使用されると、くし型電極30やリード線が水素によって脆化してガスセンサ用基板の性能が劣化し、最悪の場合はガス検知素子29に電圧を供給することができなくなるという問題点があった。
However, in the structure of the gas sensor substrate proposed in Patent Document 1, for example, the comb-
また、くし型電極30が真空蒸着法、スパッタリング法等によりアルミナセラミックスや石英等のガラスから成る絶縁基板21の一方主面に、Ptや金(Au)の単一金属層で形成されている場合は、これらPtやAuの単一金属層とアルミナセラミックスや石英等のガラスから成る絶縁基板21との接合強度が一般的に弱いため、例えば温度サイクル等の信頼性試験を経た後では、このくし型電極30と、絶縁基板21との密着強度が、両者の熱膨張係数の差によって発生する内部応力により劣化し、剥離が生じ易いという問題点があった。
Further, when the comb-
また、石英等のガラスから成る絶縁基板21を用いた場合は、その熱伝導率が2W/m・K以下であることから、絶縁基板21の他方主面に設けられたヒータ等の発熱体31からの熱が、絶縁基板21の一方主面に形成されたガス検知素子29へ速やかに伝導されず、ガス検知素子29が活性化される所望の一定動作温度に達するのに時間を要していた。その結果、ガスセンサとしての即応答性に劣るという問題点もあった。特にヒータ等の発熱体31が、絶縁基板21に対して不均一で部分的な間隙が生じるような圧接または接合によって一体化が成された場合には、ガス検知素子29への熱伝導は著しく阻害され、ガスセンサの感度に大きな支障をもたらすとともに、高温部分と低温部分で絶縁基板21の膨張性に違いが生じてしまい絶縁基板21が割れるという問題点もあった。
Further, when the
さらに、上述のガスセンサ用基板では、ヒータ等の発熱体31を絶縁基板21に圧接または接合する構造となっているため、さらなる小型化、低背化に対して一定の限界があるという問題点も有していた。
Furthermore, since the gas sensor substrate described above has a structure in which the
本発明は、上記問題点に鑑みて完成されたものであり、その目的は、特定の成分を含有するガスの成分濃度の測定に用いられ、小型で優れた応答性と高信頼性を有するとともに、低消費電力で駆動できるガスセンサ用基板を提供することにある。 The present invention has been completed in view of the above problems, and its purpose is used for measuring the component concentration of a gas containing a specific component, and has a small size and excellent responsiveness and high reliability. Another object of the present invention is to provide a gas sensor substrate that can be driven with low power consumption.
本発明のガスセンサ用基板は、絶縁基板の一方主面にガス検知素子が搭載される電極パターンが形成されているガスセンサ用基板において、前記絶縁基板の他方主面の前記電極パターンに対向する部位に、貫通導体を介して前記電極パターンに電気的に接続された電極パッドが形成されているとともに、ヒータ用パターンおよびその両端部に形成されたヒータ用電極パッドが形成されていることを特徴とするものである。 The gas sensor substrate of the present invention is a gas sensor substrate in which an electrode pattern on which a gas detection element is mounted is formed on one main surface of an insulating substrate, and the gas sensor substrate has a portion facing the electrode pattern on the other main surface of the insulating substrate. An electrode pad electrically connected to the electrode pattern via a through conductor is formed, and a heater pattern and heater electrode pads formed at both ends thereof are formed. Is.
本発明のガスセンサ用基板は、好ましくは、前記絶縁基板は、その内部で一方主面の前記ガス検知素子が搭載される部位に対向する部位に金属層が形成されており、この金属層は、一端が前記絶縁基板の他方主面に導出された他の貫通導体の他端に接続されていることを特徴とするものである。 In the gas sensor substrate of the present invention, preferably, the insulating substrate has a metal layer formed in a portion thereof facing a portion where the gas detection element on one main surface is mounted. One end is connected to the other end of another through conductor led to the other main surface of the insulating substrate.
本発明のガスセンサ用基板は、好ましくは、前記電極パターン、電極パッドおよびヒータ用電極パッドは、それぞれ密着金属層、Pt層およびAu層が順次積層されて成り、前記ヒータ用パターンは、密着金属層およびPt層が順次積層されて成ることを特徴とするものである。 In the gas sensor substrate of the present invention, preferably, the electrode pattern, the electrode pad, and the heater electrode pad are formed by sequentially laminating an adhesion metal layer, a Pt layer, and an Au layer, respectively, and the heater pattern is an adhesion metal layer. And a Pt layer are sequentially laminated.
本発明のガスセンサ用基板によれば、電極パッドが、絶縁基板の他方主面の電極パターンに対向する部位に、貫通導体を介して電極パターンに電気的に接続されて形成されていることから、この電極パッドが高温で高濃度の水素を含有するガス等に直接接触することがなく、信頼性に優れた電極パッドとすることができる。また、電極パッドに電圧を供給するリード線も高温で高濃度の水素を含有するガス等に接触することがないので、リード線や電極パッドの材質が限定されることがなく、耐久信頼性に優れたものとすることができる。 According to the gas sensor substrate of the present invention, the electrode pad is formed in a portion facing the electrode pattern on the other main surface of the insulating substrate and electrically connected to the electrode pattern through the through conductor. This electrode pad is not in direct contact with a gas containing hydrogen at a high concentration at a high temperature, so that an electrode pad having excellent reliability can be obtained. In addition, since the lead wire for supplying voltage to the electrode pad does not come into contact with a gas containing a high concentration of hydrogen at a high temperature, the material of the lead wire and the electrode pad is not limited, and the durability is reliable. It can be excellent.
また、電極パッドおよびヒータ用電極パッドが同一の他方主面に形成されているため、それぞれのパッドに電圧および電力を供給するリード線をボンディング等により接続する作業を効率的に実施できる利点もある。さらに、ヒータ用パターンが絶縁基板に組み込まれているので、発熱体を絶縁基板に圧接または接合する必要がなくなるため、圧接または接合時に不均一で部分的な間隙が生じることがなく、絶縁基板への熱伝導が阻害されることがないとともに、さらなる小型化、低背化が可能なガスセンサ用基板を得ることができる。 Further, since the electrode pad and the heater electrode pad are formed on the same other main surface, there is an advantage that the work of connecting the lead wires for supplying voltage and power to each pad by bonding or the like can be efficiently performed. . Furthermore, since the heater pattern is incorporated in the insulating substrate, there is no need to press or bond the heating element to the insulating substrate. As a result, a gas sensor substrate that can be further reduced in size and height can be obtained.
また、本発明のガスセンサ用基板によれば、好ましくは、ヒータ用パターンは、他の貫通導体を介して、絶縁基板の内部に設けられた金属層に接続されていることにより、ヒータ用パターンから発生した熱の大部分が、他の貫通導体を通して速やかに金属層に伝導され、ガス検知素子へ伝わる。その結果、ガス検知素子の応答性に優れるとともに熱が効率的に伝熱されるので、ヒータ用パターンの消費電力を少なくすることができる。また、この際、金属層は一定の熱容量を保有した、言わば安定した蓄熱器としても機能するので、ガス検知素子を所望の一定動作温度に保持しやすくできる。従って、応答性に優れるとともに、少ない電力消費で駆動可能なガスセンサ用基板とすることができる。 Further, according to the gas sensor substrate of the present invention, preferably, the heater pattern is connected to a metal layer provided inside the insulating substrate via another through conductor, so that the heater pattern is separated from the heater pattern. Most of the generated heat is quickly conducted to the metal layer through other through conductors and is transmitted to the gas detection element. As a result, the gas sensing element has excellent responsiveness and heat is efficiently transferred, so that the power consumption of the heater pattern can be reduced. At this time, the metal layer also functions as a stable heat accumulator having a constant heat capacity, so that the gas detection element can be easily maintained at a desired constant operating temperature. Therefore, it is possible to provide a gas sensor substrate that has excellent responsiveness and can be driven with low power consumption.
また、本発明のガスセンサ用基板によれば、好ましくは、絶縁基板の一方主面にガス検知素子を搭載する電極パターンは、密着金属層、Pt層およびAu層が順次積層して形成されていることから、電極パターンが高温で高濃度の水素を含有するガスに暴露されたとしても、最上層のAu層によって下層のPt層が保護されて、Pt層の水素脆化を大幅に軽減することができると同時に、電極パターンを密着金属層により絶縁基板に強固に接合することができ、密着強度と信頼性に優れた電極パターンを形成することができる。 According to the gas sensor substrate of the present invention, preferably, the electrode pattern on which the gas detection element is mounted on one main surface of the insulating substrate is formed by sequentially laminating an adhesion metal layer, a Pt layer, and an Au layer. Therefore, even if the electrode pattern is exposed to a gas containing high concentration of hydrogen at a high temperature, the lower Pt layer is protected by the uppermost Au layer, and hydrogen embrittlement of the Pt layer is greatly reduced. At the same time, the electrode pattern can be firmly bonded to the insulating substrate by the adhesion metal layer, and an electrode pattern having excellent adhesion strength and reliability can be formed.
さらに、本発明のガスセンサ用基板によれば、好ましくは、絶縁基板上の他方主面に、電極パッドおよびヒータ用電極パッドは、密着金属層、Pt層およびAu層が順次積層されて成り、ヒータ用パターンは、密着金属層、Pt層が順次積層されて成ることから、電極パッド、ヒータ用電極パッドおよびヒータ用パターンを密着金属層により絶縁基板に強固に接合することができ、密着強度と信頼性に優れた電極パッド、ヒータ用電極パッドおよびヒータ用パターンを形成することができる。 Further, according to the gas sensor substrate of the present invention, preferably, the electrode pad and the heater electrode pad are formed by sequentially laminating an adhesion metal layer, a Pt layer, and an Au layer on the other main surface on the insulating substrate. Since the adhesion pattern is formed by sequentially laminating the adhesion metal layer and the Pt layer, the electrode pad, the heater electrode pad, and the heater pattern can be firmly bonded to the insulating substrate by the adhesion metal layer, and adhesion strength and reliability can be obtained. It is possible to form an electrode pad, a heater electrode pad, and a heater pattern that are excellent in performance.
本発明のガスセンサ用基板について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明のガスセンサ用基板の実施の形態の一例を示し、(a)はガスセンサ用基板の断面図であり、ガスセンサ用基板の上面図を示す(b)のA-A’線における断面図、(b)はガスセンサ用基板の上面図、(c)はガスセンサ用基板の下面図である。
The gas sensor substrate of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 shows an example of an embodiment of a gas sensor substrate according to the present invention. (A) is a cross-sectional view of the gas sensor substrate, and a cross-sectional view taken along line AA ′ of (b) showing a top view of the gas sensor substrate. (B) is a top view of the gas sensor substrate, and (c) is a bottom view of the gas sensor substrate.
図1において、1は絶縁基板、2は貫通導体、3はガス検知素子9を搭載する電極パターン、3a,4a,5a,6aは密着金属層、3b,4b,5b,6bはPt層、3c,4c,5cはAu層、4は貫通導体2を介して電極パターン3に電気的に接続された電極パッド、5はヒータ用パターン6の両端部に形成されたヒータ用電極パッド、6はヒータ用パターン、7は一端が絶縁基板1の他方主面に導出された他の貫通導体、8は絶縁基板1の内部に設けられ、他の貫通導体7の他端に接続されている金属層、9はガス検知である。
In FIG. 1, 1 is an insulating substrate, 2 is a through conductor, 3 is an electrode pattern on which the gas detection element 9 is mounted, 3a, 4a, 5a and 6a are adhesive metal layers, 3b, 4b, 5b and 6b are Pt layers,
絶縁基板1は、例えば、アルミナセラミックス,ムライト(3Al2O3・2SiO2)セラミックス,窒化アルミニウム(AlN)セラミックス,炭化ケイ素(SiC)セラミックス,窒化ケイ素(Si3N4)セラミックス等のセラミックスや硼珪酸ガラス,石英等の無機材料から成る。
Insulating substrate 1, for example, alumina ceramics, mullite (3Al 2 O 3 · 2SiO 2 ) ceramics, aluminum nitride (AlN) ceramics, silicon carbide (SiC) ceramics,
そして、絶縁基板1がアルミナセラミックスから成る場合であれば、例えば、酸化アルミニウムの原料粉末に適当な有機バインダ,溶剤,可塑剤,分散剤等を添加混合して泥漿物を作り、この泥漿物を従来周知のドクターブレード法やカレンダーロール法等のシート成形法を採用しシート状に成形してセラミックグリーンシート(セラミック生シート)を得、しかる後、それらセラミックグリーンシートを所定の形状に打ち抜くとともに電気的な接続をとるための貫通導体2、熱を速やかに伝導させるための他の貫通導体7、その熱を蓄熱するための金属層8を、モリブデン(Mo)またはタングステン(W)等の高融点金属を主成分とするペーストを用いて印刷手法により形成するとともに、必要に応じてこれらを複数枚積層し、約1600℃の高温で焼成することによって製作される。
If the insulating substrate 1 is made of alumina ceramics, for example, an appropriate organic binder, solvent, plasticizer, dispersant, etc. are added to and mixed with the raw material powder of aluminum oxide to make a mud, Conventionally known sheet forming methods such as a doctor blade method and a calender roll method are used to form a sheet to obtain a ceramic green sheet (ceramic green sheet). Thereafter, the ceramic green sheet is punched into a predetermined shape and is electrically A through-
他の貫通導体7の絶縁基板1内の配置は、後述するヒータ用パターン6の近辺に、ヒータ用パターン6と電気的に接続されないようにできるだけ多くの複数の他の貫通導体7を設けることが好ましい。また、他の貫通導体7は熱伝導を良好にするためにそれぞれを太く、間隔を蜜にして形成するのが好ましく、例えば、直径0.2mm、間隔0.635mmで千鳥状等、最密になるように配列すると、熱伝導および絶縁基板1の強度上の観点から好適なものとなる。また、ガス検知素子9が搭載される面内の温度分布を調整するために、部分的に他の貫通導体7の間隔を蜜にしたり、他の貫通導体7の太さを変化させたりすることもできる。
The other through
なお、他の貫通導体7がφ0.2mmを超える場合は、アルミナセラミックスと他の貫通導体7の主成分であるMoまたはW等の高融点金属との熱膨張差によって応力が生じ、クラックが発生し易くなる。また、他の貫通導体7の配列間隔が0.635mm未満の場合は、同様にアルミナセラミックスと他の貫通導体7の主成分である高融点金属との熱膨張差によって応力が生じ、他の貫通導体7の間の絶縁基板1にクラックが発生し易くなる。
If the other through
一方、貫通導体2は、絶縁基板1の一方主面に形成された電極パターン3と他方主面に形成された電極パッド4とを電気的に接続する機能を有する。従って、貫通導体2はガス検知素子9に供給する電流を流すために十分な太さであればよく、他の貫通導体7より細くしてもよい。また、必要に応じて複数の貫通導体2とし、これら複数の貫通導体2にガス検知素子9に供給する電流を分流させると、それぞれの貫通導体2をさらに細く形成することができ、絶縁基板1と貫通導体2の主成分である高融点金属との熱膨張差にともなうクラックの発生を抑制しやすくすることができる。
On the other hand, the through
金属層8は、そこに蓄熱された熱をより効率的、安定的に絶縁基板1のガス検知素子9が搭載される一方主面に伝達するために、絶縁基板1の内部で、一方主面の表面から50〜100μmの位置のガス検知素子9が搭載される部位に対向する部位に形成されるのが好適である。表面からの位置が50μm未満になると、蓄熱された熱によって、アルミナセラミックスと金属層8の主成分である高融点金属との熱膨張差によって、絶縁基板1の表面にマイクロクラックが発生し易くなる。一方、表面から100μmを超える位置に形成された場合は、絶縁基板1のガス検知素子9が搭載される一方主面に伝達される熱伝達の効率が低下し易くなる。
In order to transmit the heat stored in the
また、金属層8の平面視における寸法は、絶縁基板1上に搭載されるガス検知素子9と同等程度以上の大きさとすれば充分であり、ガス検知素子9が搭載される面内において均等に熱を配分して伝えることができる。金属層8の厚さは、蓄熱や熱を均等に配分して伝える機能を発揮させる観点より厚くするのがよい。
Further, it is sufficient that the size of the
金属層8は、複数の金属層8に分割して形成してもよい。例えば、図1の金属層8を上下に2分割し、絶縁基板1の内部で一方主面のガス検知素子9が搭載される部位に対向する部位に複数(例えば2枚)の金属層8を間にアルミナセラミックスの層を介して上下に対向させて積層し、複数の金属層8の間および金属層8と絶縁基板1の他方主面との間に他の貫通導体7を形成するようにしてもよい。複数の金属層8とすることにより、金属層8全体の体積を大きくし、蓄熱効果を大きくすることができる。
The
また、金属層8は、1枚のシート状ではなく、平面視において縦方向、横方向、斜め方向または縦横斜め方向等に金属線を配列させた網状の金属層8としてもよい。網状の金属層8とすることにより、金属線と金属線との間にアルミナセラミックスを充填し、金属層8の上下のアルミナセラミック層をつなぐことができるので、1枚のシート状としたときに金属層8の上下にデラミネーションが生じる場合があるのを抑制することができる。また、金属線の太さや方向を適切なものとすることにより、金属線が伝熱する熱量を調整して、一方主面のガス検知素子9が搭載される面内において均一な温度分布を実現する設計をしやすくできる。
Further, the
次に、くし型の電極パターン3は、例えば絶縁基板1の一方主面の電極パターン3を形成しない部位にフォトレジストをフォトリソグラフィ法等により形成し、このフォトレジストをマスクにして、密着金属層3a、白金(Pt)層3b、金(Au)層3cを順次真空蒸着法やスパッタ法を用いて所望の厚みに形成する。密着金属層3aの材料としては、クロム(Cr)、チタン(Ti)、モリブデン(Mo)等を用いるのが良い。その後フォトレジストを剥離して所望の電極パターン3を得ることができる。
Next, the comb-shaped
なお、密着金属層3aは、その厚みを0.01〜0.5μmの範囲とすることが好ましく、厚みが0.01μm未満となると、絶縁基板1との密着強度が低下する傾向があり、0.5μmを超えると密着金属層3aの膜応力が大きなものとなり、絶縁基板1から剥離し易くなる傾向がある。
The
また、Pt層3bは、その厚みを0.5〜2μmの範囲とすることが好ましく、厚みが0.5μm未満となると、後工程で酸化インジウム等から成るガス検知素子9を700〜750℃の酸化雰囲気中で焼きつける際、最上層のAu層3cが最下層の密着金属層3aへ拡散するのを防止できず、その結果、絶縁基板1と密着金属層3aとが強固に密着することが困難となる傾向があり、2μmを超えると、Pt層3b自身の膜応力が大きなものとなり、密着金属層3aから剥離し易く成る傾向がある。また、Ptは貴金属であるため、可能な限り薄くした方がコスト的に有利である。
The
また、Au層3cは、その厚みを2〜5μmの範囲とすることが好ましく、2μm未満では、後工程で酸化インジウム等から成るガス検知素子9を700〜750℃の酸化雰囲気中で焼きつける際、Au層3cのAuが下層のPt層3bへ熱拡散してさらに薄くなってしまうが、この状態で電極パターン3が高温で高濃度の水素を含有するガスに暴露された場合には、最上層のAu層3cが下層のPt層3bを充分に保護できず、その結果、Pt層3bが水素による脆化現象を起こして剥離が生じ易くなる傾向がある。一方、Au層3cの厚みが5μmを超えると、Au層3cの膜応力が大きなものとなりPt層3bから剥離し易く成る傾向がある。
The thickness of the
電極パッド4およびヒータ用電極パッド5は、絶縁基板1の他方主面の電極パターン3に対向する部位に、例えば電極パッド4およびヒータ用電極パッド5を形成しない部位にフォトレジストをフォトリソグラフィ法等により形成し、このフォトレジストをマスクにして、密着金属層4a,5a、Pt層4b,5b、Au層4c,5cを順次真空蒸着法やスパッタ法を用いて所望の厚みに積層する。密着金属層4a,5aの材料としては、Cr、Ti、Mo等を用いるのが良い。その後フォトレジストを剥離して所望の電極パッド4およびヒータ用電極パッド5を得ることができる。
The electrode pad 4 and the heater electrode pad 5 are formed by applying a photoresist to a part facing the
なお、密着金属層4a,5aは、その厚みを0.01〜0.5μmの範囲とすることが好ましく、厚みが0.01μm未満となると、絶縁基板1との密着強度が低下する傾向があり、0.5μmを超えると密着金属層4a,5aの膜応力が大きなものとなり絶縁基板1から剥離し易くなる傾向がある。
The
また、Pt層4b,5bは、その厚みを0.5〜2μmの範囲とすることが好ましく、厚みが0.5μm未満となると、後工程で酸化インジウム等から成るガス検知素子9のインジウムを700〜750℃の酸化雰囲気中で焼きつけて酸化インジウムを形成する際、最上層のAu層4c,5cが最下層の密着金属層4a,5aへ拡散するのを防止できず、その結果、絶縁基板1と密着金属層4a,5aとが強固に密着することが困難となる傾向があり、2μmを超えると、Pt層4b,5b自身の膜応力が大きなものとなり、密着金属層4a、5aから剥離し易く成る傾向がある。また、Ptは貴金属であるため、可能な限り薄くした方がコスト的に有利である。
The Pt layers 4b and 5b preferably have a thickness in the range of 0.5 to 2 [mu] m. When the thickness is less than 0.5 [mu] m, the indium of the gas detection element 9 made of indium oxide or the like is heated to 700 to 750 [deg.] C. When indium oxide is formed by baking in an oxidizing atmosphere, the uppermost Au layers 4c and 5c cannot be prevented from diffusing into the lowermost
また、Au層4c,5cは、電極パッド4およびヒータ用電極パッド5へそれぞれ電圧と電力を外部から供給する接続端子の主要部としての機能を有し、その厚みは、2〜5μmの範囲とすることが好ましい。2μm未満では、後工程で酸化インジウム等から成るガス検知素子9のインジウムを700〜750℃の酸化雰囲気中で焼きつけて酸化インジウムを形成する際、Au層4c,5cのAuが下層のPt層4b,5bへ熱拡散してさらに薄くなってしまうが、この状態で電極パッド4およびヒータ用電極パッド5へそれぞれ電圧と電力を供給する例えばAu線から成るリード線をボンディングによって接続した場合、その接続部において、強固なAu−Au間の接合構造が得られず、接続信頼性が低下する傾向がある。一方、Au層4c,5cの厚みが5μmを超えると、Au層4c,5cの膜応力が大きなものとなりPt層4b,5bから剥離し易く成る傾向がある。 The Au layers 4c and 5c have a function as a main part of a connection terminal for supplying voltage and power from the outside to the electrode pad 4 and the heater electrode pad 5, respectively, and the thickness thereof is in the range of 2 to 5 μm. It is preferable to do. If the thickness is less than 2 μm, indium oxide in the gas detection element 9 made of indium oxide or the like is baked in an oxidizing atmosphere at 700 to 750 ° C. in the subsequent process to form indium oxide. , 5b is further diffused by heat diffusion. In this state, when lead wires made of, for example, Au wires for supplying voltage and power to the electrode pad 4 and the heater electrode pad 5 are connected by bonding, the connection In this case, a strong Au—Au bonding structure cannot be obtained, and the connection reliability tends to decrease. On the other hand, if the thickness of the Au layers 4c and 5c exceeds 5 μm, the film stress of the Au layers 4c and 5c becomes large and tends to be easily peeled off from the Pt layers 4b and 5b.
Pt層4b,5bをより厚く積層して導電層の機能を果たさせるのに比して、その上にAu層4c,5cを積層して導電層の機能を果たさせると、電極パッド4およびヒータ用電極パッド5にAuから成るリード線をボンディング等により接続することができ、より広範に用いられているAuによる接続方法を採用することができるので、Ptから成るリード線を接続する方法より有利である。 When the Au layers 4c and 5c are stacked on the Pt layers 4b and 5b to perform the function of the conductive layer, the electrode pads 4b and 5b are stacked. In addition, a lead wire made of Au can be connected to the heater electrode pad 5 by bonding or the like, and a connection method using Au that is widely used can be adopted. More advantageous.
次に、ヒータ用パターン6は、ヒータ用パターン6を形成しない部位にフォトレジストをフォトリソグラフィ法等により形成し、このフォトレジストをマスクにして、密着金属層6a、Pt層6bを真空蒸着法やスパッタ法を用いて所望の厚みに順次積層すればよい。または、電極パッド4およびヒータ用電極パッド5に密着金属層4a,5a、Pt層4b,5b、Au層4c,5cを順次積層して形成する際に、同時にヒータ用パターン6となる部位にも同じ金属を積層して形成し、最後にヒータ用パターン6を形成しない部位をマスキングした後に最上層のAu層をシアン化カリウム等のエッチング液で除去し、その後フォトレジストを剥離して所望のヒータ用パターン6としてもよい。
Next, the heater pattern 6 is formed by forming a photoresist on a portion where the heater pattern 6 is not formed by a photolithography method or the like, and using the photoresist as a mask, the
ヒータ用パターン6の密着金属層6aは、Cr、Ti、Mo等から成り、ヒータ用パターン6を絶縁基板1に強固に密着させて接合させる機能を有する。ヒータ用パターン6の密着金属層6aは、その厚みを0.01〜0.5μmの範囲とすることが好ましく、厚みが0.01μm未満となると、絶縁基板1との密着強度が低下する傾向があり、0.5μmを超えると密着金属層6aの膜応力が大きなものとなり絶縁基板1から剥離し易くなる傾向がある。
The
また、ヒータ用パターン6のPt層6bは、発熱体としての機能を有し、その厚みを0.5〜2μmの範囲とすることが好ましく、厚みが0.5μm未満とすると、Pt層6b自身の耐電力が低下し、例えば400℃程度で発熱させて長時間高温動作を行なわせた場合、所望の発熱体としての機能を発現しづらくなる傾向があり、2μmを超えると、Pt層6b自身の膜応力が大きなものとなり、密着金属層6aから剥離し易くなる傾向がある。また、Ptは貴金属であるため、可能な限り薄くした方がコスト的に有利である。
Further, the
Pt層6bの厚みは、電極パッド4のPt層4bおよびヒータ用電極パッド5のPt層5bと同じ厚みとすると、これらPt層4b,5b,6bを同時に積層できるので工程数を削減できて好ましい。
The thickness of the
そして、本発明のガスセンサ用基板の2極の電極パターン3の間を接続するように所望のガス成分を検知する機能を有するガス検知素子を形成すれば、ガスセンサとして動作するものとなる。例えば、水素成分を検知する場合であれば、電極パターン3の間を連絡するようにインジウム(In)の薄膜を真空蒸着等により形成した後、これを空気中で熱処理することによって酸化インジウム(In2O3)薄膜を形成すれば、水素成分を検知するガスセンサ用基板とすることができる。
If a gas detection element having a function of detecting a desired gas component is formed so as to connect between the two
かくして本発明のガスセンサ用基板によれば、電極パッド4が、絶縁基板1の他方主面の電極パターン3に対向する部位に、貫通導体2を介して電極パターン3に電気的に接続されていることから、この電極パッド4が高温で高濃度の水素を含有するガス等に曝されることがないと同時に、密着金属層4aを介して電極パッド4を形成したときには、密着金属層4aが絶縁基板1と強固に接合する機能を有しているため、密着強度と信頼性に優れた電極パッド4を形成することができる。また、電極パッド4に電圧を供給するリード線も高温で高濃度の水素を含有するガス等に接触することがないので、リード線や電極パッド4の材質が限定されることがなく、耐久信頼性に優れたものとすることができる。
Thus, according to the gas sensor substrate of the present invention, the electrode pad 4 is electrically connected to the
また、絶縁基板1の一方主面に、ガス検知素子9を搭載する電極パターン3は、好ましくは、密着金属層3a、Pt層3bおよびAu層3cが順次積層されて形成されていることから、電極パターン3が高温で高濃度の水素を含有するガスに暴露されたとしても、最上層のAu層3cによって下層のPt層3bが保護されて、Pt層3bの水素脆化を大幅に軽減することができると同時に、電極パターン3を密着金属層3aにより絶縁基板1に強固に接合することができ、密着強度と信頼性に優れた電極パターン3を形成することができる。
Further, the
さらに、本発明のガスセンサ用基板によれば、好ましくは、絶縁基板1は、その内部で一方主面のガス検知素子9が搭載される部位に対向する部位に金属層8が形成されており、金属層8は、一端が絶縁基板1の他方主面に導出された他の貫通導体7の他端に接続されているため、このヒータ用パターン6から発生した熱が、他の貫通導体7および金属層8を介して効率的に速やかにガス検知素子9に伝達されるので、ガス検知の応答性に優れ、ヒータ用パターン6の消費電力が少なく効率的なガスセンサ用基板とすることができる。
Further, according to the gas sensor substrate of the present invention, preferably, the insulating substrate 1 has the
また、密着金属層5a、6aが絶縁基板1と強固に接合する機能を有しているため、密着強度と信頼性に優れたヒータ用電極パッド5およびヒータ用パターン6を形成することができるのと同時に、発熱体を絶縁基板1に圧接または接合する必要がなくなるため、さらなる小型化、低背化が可能なガスセンサを得ることができる。
Further, since the
なお、本発明のガスセンサ用基板は、上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変更を行なうことは何等差し支えない。例えば、上述の例においてはヒータ用パターン6の形状をクランク状に4回屈曲したパターンとしたが、絶縁基板1が均一に加熱される観点から、熱シミュレーション等を用いて、ヒータ用パターン6のパターン幅、形状等を任意に設計してもよい。また、水素を検知するガスセンサ用基板を例にして説明したが、本発明のガスセンサ用基板の構成を水素以外の成分を検知するガスセンサ用基板にも適用できることは言うまでもない。例えば、酸化インジウムの他に酸化錫等から成る適当なガス検知素子を用いることにより、LPガス,都市ガス,一酸化炭素,湿度等を検知するガスセンサ用基板とすることができる。 The gas sensor substrate of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. For example, in the above-described example, the shape of the heater pattern 6 is a pattern bent four times in a crank shape. However, from the viewpoint of heating the insulating substrate 1 uniformly, the heater pattern 6 is The pattern width, shape, etc. may be arbitrarily designed. In addition, the gas sensor substrate for detecting hydrogen has been described as an example, but it goes without saying that the configuration of the gas sensor substrate of the present invention can be applied to a gas sensor substrate for detecting components other than hydrogen. For example, by using an appropriate gas detection element made of tin oxide or the like in addition to indium oxide, a gas sensor substrate for detecting LP gas, city gas, carbon monoxide, humidity, and the like can be obtained.
1・・・・・・・・・・・・・絶縁基板
2・・・・・・・・・・・・・貫通導体
3・・・・・・・・・・・・・電極パターン
3a、4a、5a、6a・・・密着金属層
3b、4b、5b、6b・・・Pt層
3c、4c、5c・・・・・・Au層
4・・・・・・・・・・・・・電極パッド
5・・・・・・・・・・・・・ヒータ用電極パッド
6・・・・・・・・・・・・・ヒータ用パターン
7・・・・・・・・・・・・・他の貫通導体
8・・・・・・・・・・・・・金属層
9・・・・・・・・・・・・・ガス検知素子
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (3)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004156186A JP2005337852A (en) | 2004-05-26 | 2004-05-26 | Substrate for gas sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2004156186A JP2005337852A (en) | 2004-05-26 | 2004-05-26 | Substrate for gas sensor |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2005337852A true JP2005337852A (en) | 2005-12-08 |
Family
ID=35491596
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2004156186A Pending JP2005337852A (en) | 2004-05-26 | 2004-05-26 | Substrate for gas sensor |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2005337852A (en) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008107091A (en) * | 2006-10-23 | 2008-05-08 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Gas concentration measuring device |
JP2008241603A (en) * | 2007-03-28 | 2008-10-09 | Denso Corp | Humidity sensor device |
JP2014092524A (en) * | 2012-11-06 | 2014-05-19 | Fis Inc | Semiconductor gas sensor element |
-
2004
- 2004-05-26 JP JP2004156186A patent/JP2005337852A/en active Pending
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008107091A (en) * | 2006-10-23 | 2008-05-08 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Gas concentration measuring device |
JP4520447B2 (en) * | 2006-10-23 | 2010-08-04 | 日本電信電話株式会社 | Gas concentration measuring instrument |
JP2008241603A (en) * | 2007-03-28 | 2008-10-09 | Denso Corp | Humidity sensor device |
JP2014092524A (en) * | 2012-11-06 | 2014-05-19 | Fis Inc | Semiconductor gas sensor element |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JPS6036949A (en) | Oxygen sensor element | |
US4703555A (en) | Method of making a catalytic-burning sensor | |
JP2018063241A (en) | Gas sensor | |
CN110988084A (en) | Durable sheet type oxygen sensor | |
CN110658238A (en) | Catalytic combustion gas sensor based on ceramic-based micro-hotplate and preparation method thereof | |
JP2020020739A (en) | Sensor element | |
JP2006337384A (en) | Oxygen sensor | |
JP2005337852A (en) | Substrate for gas sensor | |
JP2006210122A (en) | Ceramic heater element and detection element using it | |
KR102219542B1 (en) | Contact combustion type gas sensor and method for manufacturing the same | |
JPWO2019003612A1 (en) | Sensor board and sensor device | |
JP4166403B2 (en) | Gas sensor element and gas sensor including the same | |
JP4849620B2 (en) | Thin film gas sensor and manufacturing method thereof | |
JP3724443B2 (en) | Thin film gas sensor | |
JP2011196896A (en) | Contact combustion type gas sensor | |
JP2001319758A (en) | Hot plate unit | |
JP2004117099A (en) | Oxygen sensor element | |
JP2008298617A (en) | Contact combustion type gas sensor and manufacturing method of contact combustion type gas sensor | |
JP3873753B2 (en) | Gas sensor | |
JP3898594B2 (en) | Oxygen sensor element | |
JP3813420B2 (en) | Wafer prober equipment | |
KR101748799B1 (en) | Oxygen sensor and method of manufacturing the same | |
JP2005003472A (en) | Method of manufacturing thin film gas sensor | |
JP6834358B2 (en) | Gas sensor | |
JP3846313B2 (en) | Gas sensor |