JP2022530944A - 熱線型ガスセンサーチップ、センサー及びセンサーの製造方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱線型ガスセンサーチップを提供する。熱線型ガスセンサーチップは、第１表面と、前記第１表面とは反対側を向いた第２表面とを備え、かつ前記第１表面及び前記第２表面を貫通する空気断熱用キャビティを含む中央加熱領域と、外周支持領域とを備えたシリコン基板と、第１表面に設けられた加熱抵抗膜と、前記第１表面に設けられ、前記加熱抵抗膜の一部を覆う加熱電極と、前記加熱抵抗膜の上方に設けられ、前記中央加熱領域に位置し、ガス感受性層又は環境補償層である機能層とを備える。【選択図】図1

Description

本発明は、電子デバイス製造の技術分野に関し、特に、熱線型ガスセンサーチップ、センサー及びその製造方法に関する。

従来のガスセンサーの種類が様々あり、応用範囲も幅広く、うち、熱線型ガスセンサーは、検知素子と補償素子で構成され、半導体金属酸化物を敏感な材料とし、在来の半導体金属酸化物の高感度という利点を留保し、同時に補償素子で環境の温度・湿度の変化を補償することで、ガスセンサーにより良好な環境の温度・湿度の安定性を持たせる。

熱線型半導体式ガスセンサーが現在基本的に手作業で製造され、主な工程は、白金線を特定の長さのマイクロコイル状に手で巻いてからガス感受性材料及び非ガス感受性材料を各々手作業で白金線コイルに塗布し、乾燥や焼結を経た後、ガス感受性検知素子及び非ガス感受性の活性補償素子を得、２つの素子で熱線型半導体ガスセンサーを構成する。白金線コイルは、このタイプのセンサーにおいて加熱コイル及び信号検出電極の両方として使用され、これが熱線型名称の由来でもある。ただし、熱線型半導体ガスセンサーは、基本的に手作業で製造され、自動化の度合いも高くないため、製品の歩留まりが低く、一貫性も悪く、かつセンサーの消費電力が大きいため、これらがこのタイプのセンサーの発展及び普及を制限してきた。

本発明の目的は、熱線型ガスセンサーチップ、センサー及びその製造方法を提供することである。

本発明の上記目的を達成するため、本発明の一実施形態は、熱線型ガスセンサーチップを提供する。熱線型ガスセンサーチップは、第１表面と、前記第１表面とは反対側を向いた第２表面とを備え、かつ前記第１表面及び前記第２表面を貫通する空気断熱用キャビティを含む中央加熱領域と、外周支持領域とを備えたシリコン基板と、前記第１表面に設けられた加熱抵抗膜と、前記第１表面に設けられ、前記加熱抵抗膜の一部を覆う加熱電極と、前記加熱抵抗膜の上方に設けられ、前記中央加熱領域に位置し、ガス感受性層又は環境補償層である機能層とを備える。

本発明のさらに改善された形態として、前記機能層は、ガス感受性層であり、前記ガス感受性層が前記加熱抵抗膜の表面に設けたガス感受性ペーストの焼結により形成される。

本発明のさらに改善された形態として、前記ガス感受性ペーストの材料は、二酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム又は酸化タングステンのうちの１種或いは複数種、及び貴金属触媒と触媒助剤を含む。

本発明のさらに改善された形態として、前記機能層は、環境補償層であり、前記環境補償層が前記加熱抵抗膜の表面に設けた環境補償ペーストの焼結により形成される。

本発明のさらに改善された形態として、前記環境補償ペーストの材料は、二酸化スズ、二酸化トリウム、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化ランタン、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、二酸化ハフニウム、酸化銅、酸化亜鉛、酸化タングステンのうちの１種或いは複数種を含む。

本発明のさらに改善された形態として、前記環境補償層の抵抗値は、１０ＭΩ以上である。

本発明のさらに改善された形態として、前記機能層の厚さは、０．００１μｍ～２０μｍの範囲である。

本発明のさらに改善された形態として、前記加熱抵抗膜の抵抗値は、１０Ω～５００Ωの範囲である。

本発明のさらに改善された形態として、前記加熱電極は、前記第１表面に設けた所定の金属導電性ペーストの焼結により形成される。

本発明のさらに改善された形態として、前記加熱抵抗膜は、少なくとも１つの第１支持部を備え、前記加熱電極が前記第１支持部を覆う少なくとも１つの第２支持部を備え、前記第１支持部と前記第２支持部の形状が同じであり、前記第１支持部は前記加熱抵抗膜の前記中央加熱領域にある部分から前記外周支持領域へ延びて形成され、前記第２支持部は前記加熱電極の前記外周支持領域にある部分から前記中央加熱領域へ延びて形成されている。

本発明のさらに改善された形態として、前記第２支持部の幅は、前記第１支持部の幅より小さいか又は等しい。

本発明の別の態様は、熱線型ガスセンサーを提供する。熱線型ガスセンサーは、パッケージ筐体と、前記パッケージ筐体内に設けられた少なくとも２つの上記いずれかの態様に記載の熱線型ガスセンサーチップとを備え、前記パッケージ筐体は基台と、基台の上に設けられた開口部と、前記基台内に設けられた電気接続部材とを備え、各前記熱線型ガスセンサーチップは前記電気接続部材を介して前記基台と電気的に接続する。

本発明のさらに改善された形態として、前記熱線型ガスセンサーは、各々検知素子チップ及び補償素子チップである２つの熱線型ガスセンサーチップを備え、前記検知素子チップの機能層がガス感受性層で、前記補償素子チップの機能層が環境補償層である。

本発明のさらに改善された形態として、前記熱線型ガスセンサーは、前記開口部を覆う防爆・防塵通気膜をさらに備え、前記防爆・防塵通気膜には防水通気膜がさらに設けられる。

本発明の別の態様は、熱線型ガスセンサーの製造方法を提供する。前記方法は、導電性金属酸化物粉末及び有機担体をセラミックペーストに調製し、シリコン基板に印刷又は塗布することで、加熱抵抗膜を形成する工程と、加熱電極ペーストをシリコン基板に各々印刷又は塗布することで、加熱電極を形成する工程と、エッチング技術によってシリコン基板に空気断熱用キャビティを形成することで、マイクロホットプレートを得る工程と、上記の工程を繰り返して別のマイクロホットプレートを作製する工程と、ガス感受性ペーストを一方の前記マイクロホットプレートに印刷又は塗布することで、ガス感受性層を形成する工程と、環境補償ペーストを他方の前記マイクロホットプレートに印刷又は塗布することで、環境補償層を形成する工程と、２つのマイクロホットプレートを各々乾燥・焼結させると共に切断することで、検知素子チップ及び補償素子チップを得る工程と、検知素子チップ及び補償素子チップをパイプシェル内に封止し、パイプシェルの開口部に防爆・防塵通気膜及び防水通気膜を貼り付ける工程とを含む。

従来技術と比較して、本発明に開示される熱線型ガスセンサーチップ、センサー及びセンサー製造方法は、シリコン基板に加熱電極，加熱抵抗膜及び機能層を設け、機能層をガス感受性層又は環境補償層として設けることにより、異なる機能層を備えた２つの熱線型センサーチップを製造でき、２つのチップを封止することから熱線型ガスセンサーチップ及びセンサーを工業的に製造でき、かつ製造された熱線型ガスセンサーは、検知素子としてガス感受性層を有するチップを用い、補償素子として環境補償層を有するチップを用い、環境の温度・湿度の変化でもたらされる影響を相殺することができ、センサーの信号値をより安定させる。

本発明の一実施形態に係る熱線型ガスセンサーチップの概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る検知素子チップの概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る補償素子チップの概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る熱線型ガスセンサーチップの概略構成を示す上面図である。 本発明の一実施形態に係る検知素子チップの概略構成を示す上面図である。 本発明の一実施形態に係る補償素子チップの概略構成を示す上面図である。 本発明の一実施形態に係る熱線型ガスセンサーの概略構成を示す断面図である。 本発明の別の実施例に係る熱線型ガスセンサーの概略構成を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る熱線型ガスセンサーの製造方法のフローチャートである。 本発明の一実施形態に係る熱線型ガスセンサーのメタンに対する応答曲線図である。

以下に、図面に示す具体的実施形態を参照しつつ本発明を詳細に説明する。しかしながら、これらの実施形態は、本発明を限定するものではなく、当業者がこれらの実施形態に基づいて行う構造、方法、又は機能上の変更は、本発明の保護範囲に含まれる。

本明細書において、「の上に」、「の上方に」、「の下に」、「の下方に」などの空間に関連する用語が、図面に示す１つの要素又は特徴部分と１つ又は複数の他の要素又は特徴部分との関係についての説明を容易にするために用いられる。空間に関連する用語は、図面に描かれている方位に加えて、使用時又は操作時における装置の別の方位も含むものである。

図１～図４を参照すると、本発明の一実施形態は、シリコン基板１１と、加熱電極１２と、加熱抵抗膜１４と、機能層１５とを備えた熱線型ガスセンサーチップを開示する。前記シリコン基板１１は、第１表面１１１と、第１表面１１１とは反対側を向いた第２表面１１２とを備える。前記シリコン基板１１は、前記第１表面１１１及び前記第２表面１１２を貫通する空気断熱用キャビティ１３を含む中央加熱領域Ａと、外周支持領域Ｂとを備える。加熱抵抗膜１４は、第１表面１１１に設けられ、前記加熱電極１２は前記第１表面に設けられ、前記加熱抵抗膜の一部を覆う。機能層１５は、前記加熱抵抗膜１４の上方に設けられ、前記中央加熱領域Ａに位置し、ガス感受性層又は環境補償層である。

本発明に開示される熱線型ガスセンサーチップ、センサー及びセンサー製造方法は、シリコン基板に加熱電極，加熱抵抗膜及び機能層を設け、機能層をガス感受性層又は環境補償層として設けることにより、異なる機能層を備えた２つの熱線型センサーチップを製造でき、２つのチップを封止することから熱線型ガスセンサーチップ及びセンサーを工業的に製造でき、かつ製造された熱線型ガスセンサーは、検知素子としてガス感受性層を有するチップを用い、補償素子として環境補償層を有するチップを用い、環境の温度・湿度の変化でもたらされる影響を相殺することができ、センサーの信号値をより安定させる。

好ましくは、シリコン基板１１は、両面酸化、片面酸化或いは非酸化のシリコンウェーハ又は多結晶シリコンウェーハから選択され、シリコンウェーハの結晶面方位が（１００）或いは（１１１）で、シリコン基板１１の厚さが端点の値を含めて１００μｍ～７００μｍの範囲である。

さらに、前記加熱抵抗膜１４は、少なくとも１つの第１支持部１４１を備え、前記加熱電極１２が前記第１支持部１４１を覆う少なくとも１つの第２支持部１２１を備え、前記第１支持部１４１と前記第２支持部１２１の形状が同じであり、前記第１支持部１４１は前記加熱抵抗膜１４の前記中央加熱領域Ａにある部分から前記外周支持領域Ｂへ延びて形成され、前記第２支持部１２１は前記加熱電極１２の前記外周支持領域Ｂにある部分から前記中央加熱領域Ａへ延びて形成されている。

さらに、前記第２支持部１２１の幅は、前記第１支持部１４１の幅より小さいか又は等しい。具体的には、本発明実施形態において、前記第２支持部１２１の形状及びサイズは、第１支持部１４１の形状及びサイズと全く同じである。

具体的に機能層１５は、前記加熱抵抗膜１４の表面を覆う。加熱電極１２の第２支持部１２１は、加熱抵抗膜１４の第１支持部１４１を覆うことで加熱抵抗膜１４とシリコン基板１１とを接続する。加熱抵抗膜１４は、導電しながら機能層１５への支持も提供する。空気断熱用キャビティ１３は、シリコン基板１１を貫通し、加熱電極１２と、加熱抵抗膜１４と、機能層１５と、第１支持部１４１と、第２支持部１２１とによって取り囲まれている。

具体的に前記機能層１５の厚さは、端点の値を含めて０．００１μｍ～２０μｍの範囲であり得る。

さらに、図２ａに示すように、前記機能層１５は、ガス感受性層１５１である。前記ガス感受性層１５１は、前記加熱抵抗膜１４の表面に設けたガス感受性ペーストの焼結により形成される。ガス感受性ペーストは、対象ガスに対して感受性を有する材料で製造される。具体的に前記ガス感受性ペーストの材料としては、二酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム又は酸化タングステンのうちの１種或いは複数種、及び貴金属触媒と触媒助剤が挙げられる。

具体的に貴金属触媒としては、銀、金、白金、パラジウム、ルテニウム、イリジウム、ロジウム、ユーロピウム等が挙げられるが、これらに限定されない触媒反応の主な酸化金属である。触媒助剤としては、希土類酸化物及び触媒活性を改善させることができる二酸化トリウム（ＴｈＯ₂）、二酸化チタン（ＴｉＯ₂）、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、酸化セリウム（ＣｅＯ₂）、酸化アンチモン（Ｓｂ₂Ｏ₃）、酸化ランタン（Ｌａ₂Ｏ₃）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化バリウム（ＢａＯ）、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、二酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）、酸化銅（ＣｕＯ）等が挙げられるが、これらに限定されないその他の金属酸化物であってもよい。触媒助剤のドープ率を調整することにより、特定の動作温度でのガス感受性層１５１の抵抗値を５ＫΩ～５００ＫΩの範囲のある特定の抵抗値にさせる。

さらに、図２ｂに示すように、前記機能層１５は、環境補償層１５２であり、前記環境補償層１５２が前記加熱抵抗膜１４の表面に設けた環境補償ペーストの焼結により形成されている。環境補償ペーストは、対象ガスに対して感受性を有しない材料で製造される。具体的に前記環境補償ペーストの材料としては、二酸化スズ、二酸化トリウム、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化ランタン、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、二酸化ハフニウム、酸化銅、酸化亜鉛、酸化タングステンのうちの１種或いは複数種が挙げられる。

本発明の実施形態において、前記環境補償層１５２の抵抗値は、１０ＭΩ以上である。

さらに、前記加熱抵抗膜１４の調製材料は、酸化スズアンチモン、インジウムスズ酸化物、フッ素ドープ二酸化スズ、フッ素リン共ドープ二酸化スズ、アルミニウムドープ酸化亜鉛、二酸化ルテニウム、二酸化ルテニウム／銀複合材料、二酸化ルテニウム／銀パラジウム複合材料のいずれか１種である。好ましくは、前記加熱抵抗膜１４の形状は、長方形、正方形或いは円形のうちの１種或いは複数種の組み合わせである。好ましくは、前記加熱抵抗膜１４の抵抗値は、端点の値を含めて１０Ω～５００Ωの範囲であり得る。前記加熱抵抗膜１４の厚さは、端点の値を含めて１μｍ～５０μｍの範囲であり得る。

具体的に加熱抵抗膜１４は、導電性金属酸化物ペーストをスクリーン印刷して高温焼結することにより作製され、加熱電極が電極ペーストをスクリーン印刷して高温焼結することにより作製される。好ましくは、前記加熱電極１２は、前記第１表面に設けられた所定の金属導電性ペーストの焼結により形成される。この時、加熱電極１２は、一定の面積を有する導電性パッドであり、外部回路が加圧溶接、ボールボンディング、スポット溶接等の溶接方法で加熱電極１２と電気的に接続することができ、加熱電極１２が主にマイクロホットプレートに外部から印加される電気信号を提供する。加熱抵抗膜１４は、導電性金属酸化物ペーストで製造され、比率を調整することにより、加熱抵抗膜１４に特定の抵抗を持たせることができ、加熱抵抗膜１４がガスセンサーの主要発熱素子であり、外部電流が加熱電極１２を介して加熱抵抗膜１４に伝送された時、加熱抵抗膜１４にジュール熱が生じることで、熱線型ガスセンサーに熱源を提供する。

熱線型ガスセンサーの熱容量を小さくし、熱応答速度を速くするため、加熱抵抗膜１４をサスペンション膜として配置し、第１支持部１４１を介して加熱電極１２の第２支持部１２１に接続し、第１支持部１４１及び第２支持部１２１は加熱抵抗膜１４の支持及び固定の役割を果たし、加熱抵抗膜１４と電気的な接続を形成する。エッチング技術を介して、シリコン基板１１上の中央加熱領域のシリコンをエッチング除去して、空気断熱用キャビティ１３を形成し、空気は低い熱伝導率を有するため、非常に良好な断熱性を有する。シリコンディープエッチング技術を用いて空気断熱用キャビティ１３を形成することで、物理的方法又は化学的方法で前記中央加熱領域Ａに対応するシリコン基板１１をエッチングして、前記空気断熱用キャビティを形成することができる。加熱抵抗膜１４の形状は、加熱層の要件に応じて適切に調整されるものとするが、どのような形状であっても、加熱電極１２と加熱抵抗膜１４が電気的に接続され、加熱抵抗膜１４がニーズに応じて特定の形状に配置され、加熱された後、ガスセンサーの動作のため特定の温度を提供する。

好ましくは、前記加熱電極１２の厚さは、端点の値を含めて１μｍ～５０μｍの範囲であり、前記加熱電極１２がＰｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｗ、Ａｇ／Ｐｄ、Ｐｔ／Ａｕのいずれか１種から選択される。

図５に示すように、本発明の一実施形態においてパッケージ筐体２００と、前記パッケージ筐体２００内に設けられた上述に記載の少なくとも２つの熱線型ガスセンサーチップとを備えた熱線型ガスセンサー２０をさらに開示する。前記パッケージ筐体２００は基台２０３と、基台２０３の上に設けられた開口部２０４と、前記開口部２０４を覆う防爆・防塵通気膜２０１と、前記基台２０３内に設けられた電気接続部材２７とを備え、各前記熱線型ガスセンサーチップは前記電気接続部材２７を介して前記基台２０３と電気的に接続されている。

さらに、前記熱線型ガスセンサー２０は、各々検知素子チップ２１０及び補償素子チップ２２０である２つの熱線型ガスセンサーチップを備え、前記検知素子チップ２１０の機能層がガス感受性層２１１で、前記補償素子チップ２２０の機能層が環境補償層２２１である。

パッケージ筐体２００は、チップの配置、固定、保護及び熱伝導性向上の役割を果たすだけではなく、チップの内部世界と外部回路との間の架け橋でもある。検知素子チップ２１０及び補償素子チップ２２０上の加熱電極は、各々導線２７によってパッケージ筐体２００のリード２８に接続し、これらリード２８もプリント回路基板上の導線を介してその他のデバイスと接続している。好ましくは、パッケージ筐体２００は、セラミックパッケージパイプシェル、プラスチックパッケージパイプシェル、ＰＣＢパッケージパイプシェルのいずれか１種であり得る。パッケージ筐体２００上に設けられた防爆・防塵通気膜２０１は、外気がスムーズに熱線型ガスセンサー２０に流入することを容易にする。具体的に防爆・防塵通気膜２０１は、多孔質ステンレス鋼粉末の焼結体又は多孔質金属片で構成され、防塵・防爆及び通気の機能を備える。好ましくは、前記防爆・防塵通気膜２０１上に防水通気膜２０２がさらに設けられている。防水通気膜は、センサーの精度に影響を与えないように、水蒸気が熱線型ガスセンサーに入り込むのを防止することができる。

図６に示すように、本発明の別の実施例に係る熱線型ガスセンサーの概略構成図である。本実施形態において、熱線型ガスセンサー３０は、同様にパッケージハウジング３００と、検知素子チップ３６と、補償素子チップ３７とを備える。検知素子チップ３６は、シリコン基板３１ａと、加熱電極３２ａと、加熱抵抗膜３４とを備え、補償素子チップはシリコン基板３１ｂと、加熱電極３２ｂと、加熱抵抗膜３５とを備える。本実施例において、機能層の厚さは、加熱抵抗膜３４（又は加熱抵抗膜３５）の厚さよりはるかに薄いので、加熱抵抗膜３４（又は加熱抵抗膜３５）が単一の加熱膜という構造に近似するが、機能においてやはり異なる。具体的に加熱抵抗膜３４は、加熱及びガス検知の機能を同時に担い、周囲に対象ガスがあると、加熱抵抗膜３４の抵抗値に変化が生じることから加熱抵抗膜３４と加熱電極３２ａが検知素子を構成する。なお、加熱抵抗膜３５は、加熱及び環境補償の機能を同時に担い、周囲に対象ガスがあると、加熱抵抗膜３５の抵抗値に変化が生じないことから加熱抵抗膜３５と加熱電極３２ｂが補償素子を構成する。

図１～図６を合わせて参照すると、本発明の実施形態において、熱線型ガスセンサーの検知原理は、以下に説明する通りである。検知素子チップ及び補償素子チップの加熱抵抗膜の抵抗をＲ₀に設定し、検知素子チップのガス感受性層の抵抗をＲ₁に設定し、補償素子チップの環境補償層の抵抗をＲ₂に設定する。直並列接続回路の原理によれば、２つの加熱抵抗膜及び２つの機能膜は、均しく並列接続であるため、検知素子チップ内の加熱抵抗膜及びガス感受性層の総抵抗が式（１）で表され、補償素子チップ内の加熱抵抗膜と環境補償層の総抵抗が式（２）で表される。環境補償層の抵抗Ｒ₂の抵抗値が１０ＭΩより大きく、電気抵抗値が非常に大きく、かつ環境内に対象ガスが存在する時、環境補償層の抵抗Ｒ₂は変化しないため、補償素子チップ内の抵抗Ｒ_C≒Ｒ₀である。検知素子チップの抵抗Ｒ_Dは、加熱抵抗Ｒ₀とガス感受性機能層の抵抗Ｒ₁を並列に接続することで得られ、周囲環境に対象ガスが存在する時、ガス感受性層の抵抗Ｒ₁が変化し、検知素子チップ内の抵抗Ｒ_Dを変化させる。検知素子チップと補償素子チップをホイートストンブリッジに直列に接続することで、対象ガスの濃度を検出でき、かつ環境温湿度が変化すると、補償素子チップと検知素子チップの抵抗が同期して変化することで、ホイートストンブリッジの出力信号は安定したままである。本発明の実施形態の前記熱線型ガスセンサーは、検知素子チップ及び補償素子チップを用いて環境の温度・湿度の影響を相殺し、同時にガス感受性層と加熱抵抗層の並列接続関係を利用して対象ガスの濃度検出目的を達成する、新型の熱線型ガスセンサーである。

本発明の実施形態の技術的手段において、所定の金属酸化物加熱抵抗ペーストを用い厚膜印刷技術を介してシリコン基板の表面に成膜した後、所定温度の高温焼結によって所定目標特性の加熱抵抗膜を形成でき、同様に厚膜印刷技術を介して所定の加熱電極を形成し、第１支持部及び第２支持部を形成することによって加熱抵抗膜をサスペンション膜とすることができる。加熱電極と加熱抵抗のサスペンション膜は、高温焼結によって作製され、かつ厚膜技術を用いることで、良好な安定性及び信頼性を持ち、優れた断熱特性及びより良い機械的特性も備える。加熱抵抗膜は、センサーの加熱機能を担うだけでなく、機能層の支持層も担い、機能層に支持作用を提供する。この分野の従来技術と比較すると、本発明の実施形態に係る熱線型ガスセンサーは、加熱抵抗膜を支持する余計な断熱層又は支持層を有さず、構造及び製造工程を簡略化する。加熱抵抗膜は、低コストの厚膜印刷工程で形成され、連続自動化の量産が実現でき、かつ高価な物理蒸着又は化学蒸着装置を必要としないため、製品のコスト削減に有利になる。

図７に示すように、本発明は、熱線型ガスセンサーの製造方法も開示する。前記方法は、以下の工程を含む。

Ｓ１：導電性金属酸化物粉末及び有機担体をセラミックペーストに調製し、シリコン基板１１に印刷又は塗布することで、加熱抵抗膜１４を形成する。

まず、シリコン基板１１は、結晶面方位（１００）の両面酸化単結晶シリコン基板である。シリコン基板１１は、アセトンで１０分間超音波洗浄し、次にイソプロパノールで５分間超音波洗浄し、さらに脱イオン水で洗浄し、窒素でブロードライする必要がある。次に、適切な仕様の導電性金属酸化物粉末を選択し、有機担体を添加してセラミックペーストとして調製し、印刷又は塗布でシリコン基板１１上に作製し、一定の温度で乾燥や焼結させることで、加熱抵抗膜１４を形成させる。具体的には、スクリーン印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、活版印刷、流延、ブレードコーティング、スプレーコーティング等の成膜方法のいずれか１種により、特定のパターンを有する加熱抵抗膜を形成できる。

Ｓ２：加熱電極ペーストをシリコン基板１１に各々印刷又は塗布することで、加熱電極１２を形成する。

加熱電極ペーストは、印刷又は塗布の方法でシリコン基板１１に作製され、乾燥や焼結させることで、加熱電極１２を得る。具体的には、スクリーン印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、活版印刷、流延、ブレードコーティング、スプレーコーティング等の成膜方法のいずれか１種により、特定のパターンを有する加熱電極を形成できる。

Ｓ３：エッチング技術によってシリコン基板に空気断熱用キャビティを形成することで、マイクロホットプレートを得る。

基板の前面と背面にフォトレジストをスピンコーティングし、ホットステージで乾燥させ、基板背面のフォトレジストをパターン露光及びパターン現像し、反応性イオンエッチング技術により背面の二酸化ケイ素を除去し、そしてシリコンディープエッチング技術により、フォトレジストの保護されていないシリコンをエッチング除去して、空気断熱用キャビティ１３を形成し、ガスセンサーのマイクロホットプレートを得る。

Ｓ４：上記工程Ｓ１～Ｓ３を繰り返して別のマイクロホットプレートを作製する。

各々２つの異なる機能層を載置するため、２つのマイクロホットプレートを作製する。

Ｓ５：ガス感受性ペーストを一方の前記マイクロホットプレートに印刷又は塗布することで、ガス感受性層を形成する。

ガス感受性ペーストを調製し、印刷又は塗布の方法で上記マイクロホットプレートに作製して、ガス感受性層を形成する。スクリーン印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、活版印刷、流延、ブレードコーティング、スプレーコーティング等の成膜方法のいずれか１種により、ガス感受性層を形成できる。

Ｓ６：環境補償ペーストを他方の前記マイクロホットプレートに印刷又は塗布することで、環境補償層を形成する。

環境補償ペーストを調製し、印刷又は塗布の方法で他方の上記マイクロホットプレートに作製して、環境補償層を形成する。スクリーン印刷、オフセット印刷、グラビア印刷、活版印刷、流延、ブレードコーティング、スプレーコーティング等の成膜方法のいずれか１種により、環境補償層を形成できる。

Ｓ７：２つのマイクロホットプレートを各々乾燥・焼結させると共に切断することで、検知素子チップ及び補償素子チップを得る。

本発明の実施形態に記載の製造方法において、大型ウェーハから複数の熱線型ガスセンサーチップを同時に製造でき、その後切断工程を介して、複数個の単一の検知素子チップ及び補償素子チップに分割することができ、切断後、各チップがシリコン基板１１、加熱電極１２、加熱抵抗膜１４及び機能層１５を有する。

Ｓ８：検知素子チップ及び補償素子チップをパイプシェル内に封止し、パイプシェルの開口部に防爆・防塵通気膜及び防水通気膜を貼り付ける。

具体的に上記の乾燥温度は、４０～２００℃の範囲のある温度であり、焼結温度が４００～１２００℃の範囲のある温度である。

本発明をよりよく説明するため、以下にいくつかの熱線型ガスセンサーの製造方法の具体的実施例を提供する。

（実施例１）
両面鏡面研磨と両面酸化を行った結晶面方位（１００）の４インチの単結晶シリコンウェーハを用意し、次にアセトンで１５分間超音波洗浄してからイソプロパノールで５分間超音波洗浄し、さらに脱イオン水で５分間洗浄し、窒素でブロードライした。適切な仕様の導電性金属酸化物粉末を選択し、有機担体を添加して、加熱抵抗膜ペーストとして調製し、スクリーン印刷方法で長さと幅が３００μｍ×３００μｍの正方形の加熱抵抗膜をウェーハ上に印刷し、１２０℃にて１０分間乾燥させた。その後導電ペーストをウェーハに印刷し、１２０℃にて１０分間乾燥させ、乾燥したウェーハをマッフル炉に入れ、１０００℃で３０分間焼結し、厚さ１０μｍの加熱抵抗膜及び加熱電極を得、かつ加熱抵抗膜の電気抵抗値が１００Ωであった。基板の前面と背面にポジ型フォトレジストをスピンコーティングして、１００℃にて５分間乾燥して固化させ、背面のフォトレジストをパターン露光及びパターン現像して、厚さ１０μｍ、長さと幅が５００μｍ×５００μｍのフォトレジストの未保護領域を得、反応性イオンエッチング技術により、未保護領域の二酸化ケイ素を除去してからシリコンディープエッチング技術により、フォトレジストの保護されていないシリコンをエッチング除去して、空気断熱用キャビティを形成し、第１支持部付きの加熱抵抗サスペンション膜を得た。機能層ペーストを調製し、各々スクリーン印刷工程を用いて機能層を加熱抵抗膜に作製し、１５０℃で１０分間乾燥させ、８００℃にて６０分間焼結し、厚さ１０μｍのガス感受性層及び環境補償層を得、その後レーザー切断技術により、長さと幅が１．０ｍｍ×１．０ｍｍの検知素子チップ及び補償素子チップを得た。検知素子チップ及び補償素子チップをセラミックパイプシェル内に封止し、セラミックパイプシェルに防爆・防塵通気膜及び防水通気膜を貼り付け、熱線型ガスセンサーを得た。得られた熱線型ガスセンサーのメタンに対する応答曲線は、図８に示される。

（実施例２）
両面鏡面研磨と片面酸化を行った結晶面方位（１００）の６インチの単結晶シリコンウェーハを用意し、次にアセトンで１０分間超音波洗浄してからイソプロパノールで１０分間超音波洗浄し、さらに脱イオン水で５分間洗浄し、窒素でブロードライした。適切な仕様の導電性金属酸化物粉末を選択し、有機担体を添加して、加熱抵抗膜ペーストとして調製し、スクリーン印刷方法で長さと幅が３００μｍ×４００μｍの長方形の加熱抵抗膜をウェーハの片面酸化層に印刷し、１００℃にて１０分間乾燥させた。その後導電ペーストをウェーハに印刷し、１００℃にて１０分間乾燥させ、乾燥したウェーハをマッフル炉に入れ、１２００℃で２０分間焼結し、厚さ２０μｍの加熱抵抗膜及び加熱電極を得、かつ加熱抵抗膜の電気抵抗値が８０Ωであった。基板の前面と背面にポジ型フォトレジストをスピンコーティングして、１１０℃にて５分間乾燥して固化させ、背面のフォトレジストをパターン露光及びパターン現像して、厚さ８μｍ、長さと幅が５００μｍ×５００μｍのフォトレジストの未保護領域を得、反応性イオンエッチング技術により、未保護領域の二酸化ケイ素を除去してからシリコンディープエッチング技術により、フォトレジストの保護されていないシリコンをエッチング除去して、空気断熱用キャビティを形成し、第１支持部付きの加熱抵抗膜を得、これはサスペンション膜の構造であった。機能層ペーストを調製し、各々スクリーン印刷工程を用いて機能層を加熱抵抗膜に作製し、１２０℃で１０分間乾燥させ、９００℃にて４０分間焼結し、厚さ５μｍのガス感受性層及び環境補償層を得、その後レーザー切断技術により、長さと幅が１．０ｍｍ×１．０ｍｍの検知素子チップ及び補償素子チップを得た。検知素子チップ及び補償素子チップをセラミックパイプシェル内に封止し、セラミックパイプシェルに防爆・防塵通気膜及び防水通気膜を貼り付け、熱線型ガスセンサーを得た。

（実施例３）
両面鏡面研磨と両面酸化を行った結晶面方位（１００）の２インチの単結晶シリコンウェーハを用意し、次にアセトンで１０分間超音波洗浄してからイソプロパノールで１０分間超音波洗浄し、さらに脱イオン水で５分間洗浄し、窒素でブロードライした。適切な仕様の導電性金属酸化物粉末を選択し、有機担体を添加して、加熱抵抗膜ペーストとして調製し、ブレードコーティング方法で長さと幅が４００μｍ×４００μｍの正方形の加熱抵抗膜をウェーハ上に印刷し、１５０℃にて１０分間乾燥させた。その後導電ペーストをウェーハに印刷し、１５０℃にて１０分間乾燥させ、乾燥したウェーハをマッフル炉に入れ、１１００℃で３０分間焼結し、厚さ１５μｍの加熱抵抗膜及び加熱電極を得、かつ加熱抵抗膜の電気抵抗値が６０Ωであった。基板の前面と背面にポジ型フォトレジストをスピンコーティングして、１００℃にて５分間乾燥して固化させ、背面のフォトレジストをパターン露光及びパターン現像して、厚さ７μｍ、長さと幅が６００μｍ×６００μｍのフォトレジストの未保護領域を得、反応性イオンエッチング技術により、未保護領域の二酸化ケイ素を除去してからシリコンディープエッチング技術により、フォトレジストの保護されていないシリコンをエッチング除去して、空気断熱用キャビティを形成し、第１支持部付きの加熱抵抗膜を得、これはサスペンション膜の構造であった。機能層ペーストを調製し、各々ディップコーティング工程を用いて機能層を加熱抵抗膜に作製し、１５０℃で１０分間乾燥させ、１０００℃にて６０分間焼結し、厚さ０．０５μｍのガス感受性層及び環境補償層を得、その後レーザー切断技術により、長さと幅が１．０ｍｍ×１．０ｍｍの検知素子チップ及び補償素子チップを得た。検知素子チップ及び補償素子チップをセラミックパイプシェル内に封止し、セラミックパイプシェルに防爆・防塵通気膜及び防水通気膜を貼り付け、熱線型ガスセンサーを得た。

（実施例４）
両面鏡面研磨と両面酸化を行った結晶面方位（１００）の８インチの単結晶シリコンウェーハを用意し、次にアセトンで１０分間超音波洗浄してからイソプロパノールで５分間超音波洗浄し、さらに脱イオン水で５分間洗浄し、窒素でブロードライした。適切な仕様の導電性金属酸化物粉末を選択し、有機担体を添加して、加熱抵抗膜ペーストとして調製し、グラビア印刷方法で直径が５００μｍの円形の加熱抵抗膜をウェーハ上に印刷し、１２０℃にて１０分間乾燥させた。その後導電ペーストをウェーハに印刷し、１２０℃にて１０分間乾燥させ、乾燥したウェーハをマッフル炉に入れ、９００℃で３０分間焼結し、厚さ２５μｍの加熱抵抗膜及び加熱電極を得、かつ加熱抵抗膜の電気抵抗値が４０Ωであった。基板の前面と背面にポジ型フォトレジストをスピンコーティングして、１００℃にて５分間乾燥して固化させ、背面のフォトレジストをパターン露光及びパターン現像して、厚さ１０μｍ、長さと幅が７００μｍ×７００μｍのフォトレジストの未保護領域を得、反応性イオンエッチング技術により、未保護領域の二酸化ケイ素を除去してからシリコンディープエッチング技術により、フォトレジストの保護されていないシリコンをエッチング除去して、空気断熱用キャビティを形成し、第１支持部付きの加熱抵抗膜を得、これはサスペンション膜の構造であった。機能層ペーストを調製し、各々スプレーコーティング工程を用いて機能層を加熱抵抗膜に作製し、１５０℃で１０分間乾燥させ、１１００℃にて６０分間焼結し、厚さ１μｍのガス感受性層及び環境補償層を得、その後レーザー切断技術により、長さと幅が１．２ｍｍ×１．２ｍｍの検知素子チップ及び補償素子チップを得た。検知素子チップ及び補償素子チップをセラミックパイプシェル内に封止し、セラミックパイプシェルに防爆・防塵通気膜及び防水通気膜を貼り付け、熱線型ガスセンサーを得た。

本明細書は、実施形態に基づいて記述したが、各実施形態が１つの独立した技術的解決策のみを含むことはない。明細書のこのような記述方式は、本発明の技術内容を明らかにするものであって、当業者が明細書を一体として見なし、実施例内の技術的解決策も適切な組み合わせを経て当業者が理解できるその他の実施形態を形成できる。

以上に記載されている一連の詳細な説明は、本発明の実現可能な実施形態ついての具体的説明のみであり、本発明の保護範囲を限定することを意図するものではない。本発明の技術的精神から逸脱することなく行われる均等な実施形態又は変更は、本発明の保護範囲に含まれるものとする。

Claims (15)

1. 熱線型ガスセンサーチップであって、第１表面と、前記第１表面とは反対側を向いた第２表面とを備え、かつ前記第１表面及び前記第２表面を貫通する空気断熱用キャビティを含む中央加熱領域と、外周支持領域とを備えたシリコン基板と、前記第１表面に設けられた加熱抵抗膜と、前記第１表面に設けられ、前記加熱抵抗膜の一部を覆う加熱電極と、前記加熱抵抗膜の上方に設けられ、前記中央加熱領域に位置し、ガス感受性層又は環境補償層である機能層とを備えることを特徴とする、熱線型ガスセンサーチップ。
2. 前記機能層は、ガス感受性層であり、前記ガス感受性層が前記加熱抵抗膜の表面に設けたガス感受性ペーストの焼結により形成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱線型ガスセンサーチップ。
3. 前記ガス感受性ペーストの材料は、二酸化スズ、酸化亜鉛、酸化インジウム又は酸化タングステンのうちの１種或いは複数種、及び貴金属触媒と触媒助剤を含むことを特徴とする、請求項２に記載の熱線型ガスセンサーチップ。
4. 前記機能層は、環境補償層であり、前記環境補償層が前記加熱抵抗膜の表面に設けた環境補償ペーストの焼結により形成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱線型ガスセンサーチップ。
5. 前記環境補償ペーストの材料は、二酸化スズ、二酸化トリウム、二酸化チタン、二酸化ジルコニウム、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化ランタン、酸化カルシウム、酸化バリウム、酸化アルミニウム、二酸化ケイ素、酸化マグネシウム、二酸化ハフニウム、酸化銅、酸化亜鉛、酸化タングステンのうちの１種或いは複数種を含むことを特徴とする、請求項４に記載の熱線型ガスセンサーチップ。
6. 前記環境補償層の抵抗値は、１０ＭΩ以上であることを特徴とする、請求項１に記載の熱線型ガスセンサーチップ。
7. 前記機能層の厚さは、０．００１μｍ～２０μｍの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の熱線型ガスセンサーチップ。
8. 前記加熱抵抗膜の抵抗値は、１０Ω～５００Ωの範囲であることを特徴とする、請求項１に記載の熱線型ガスセンサーチップ。
9. 前記加熱電極は、前記第１表面に設けた所定の金属導電性ペーストの焼結により形成されることを特徴とする、請求項１に記載の熱線型ガスセンサーチップ。
10. 前記加熱抵抗膜は、少なくとも１つの第１支持部を備え、前記加熱電極が前記第１支持部を覆う少なくとも１つの第２支持部を備え、前記第１支持部と前記第２支持部の形状が同じであり、前記第１支持部は前記加熱抵抗膜の前記中央加熱領域にある部分から前記外周支持領域へ延びて形成され、前記第２支持部は前記加熱電極の前記外周支持領域にある部分から前記中央加熱領域へ延びて形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の熱線型ガスセンサーチップ。
11. 前記第２支持部の幅は、前記第１支持部の幅より小さいか又は等しいことを特徴とする、請求項１０に記載の熱線型ガスセンサーチップ。
12. 熱線型ガスセンサーであって、パッケージ筐体と、前記パッケージ筐体内に設けられた少なくとも２つの請求項１に記載の熱線型ガスセンサーチップとを備え、前記パッケージ筐体は基台と、基台の上に設けられた開口部と、前記基台内に設けられた電気接続部材とを備え、各前記熱線型ガスセンサーチップは前記電気接続部材を介して前記基台と電気的に接続することを特徴とする、熱線型ガスセンサー。
13. 各々検知素子チップ及び補償素子チップである２つの熱線型ガスセンサーチップを備え、前記検知素子チップの機能層がガス感受性層で、前記補償素子チップの機能層が環境補償層であることを特徴とする、請求項１２に記載の熱線型ガスセンサー。
14. 前記熱線型ガスセンサーは、前記開口部を覆う防爆・防塵通気膜をさらに備え、前記防爆・防塵通気膜には防水通気膜がさらに設けられることを特徴とする、請求項１２に記載の熱線型ガスセンサー。
15. 導電性金属酸化物粉末及び有機担体をセラミックペーストに調製し、シリコン基板に印刷又は塗布することで、加熱抵抗膜を形成する工程と、
    加熱電極ペーストをシリコン基板に各々印刷又は塗布することで、加熱電極を形成する工程と、
    エッチング技術によってシリコン基板に空気断熱用キャビティを形成することで、マイクロホットプレートを得る工程と、
    上記の工程を繰り返して別のマイクロホットプレートを作製する工程と、
    ガス感受性ペーストを一方の前記マイクロホットプレートに印刷又は塗布することで、ガス感受性層を形成する工程と、
    環境補償ペーストを他方の前記マイクロホットプレートに印刷又は塗布することで、環境補償層を形成する工程と、
    ２つのマイクロホットプレートを各々乾燥・焼結させると共にカットすることで、検知素子チップ及び補償素子チップを得る工程と、
    検知素子チップ及び補償素子チップをパイプシェル内に封止し、パイプシェルの開口部に防爆・防塵通気膜及び防水通気膜を貼り付ける工程と、
    を含むことを特徴とする、熱線型ガスセンサーの製造方法。

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