JP3265326B2 - Gas sensor - Google Patents

Gas sensor

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JP3265326B2
JP3265326B2 JP16039993A JP16039993A JP3265326B2 JP 3265326 B2 JP3265326 B2 JP 3265326B2 JP 16039993 A JP16039993 A JP 16039993A JP 16039993 A JP16039993 A JP 16039993A JP 3265326 B2 JP3265326 B2 JP 3265326B2
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光彦 松井
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Figaro Engineering Inc
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の利用分野】この発明は、薄膜や厚膜等の省電力
型ガスセンサに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a power-saving gas sensor such as a thin film and a thick film.

【0002】[0002]

【従来技術】ガスセンサの消費電力の減少は、この分野
での基本的な課題の一つである。この点について、特公
平4−1301号公報は、厚さ1μm程度のSiO2フ
ィルムを空洞上にブリッジとして形成し、SiO2フィ
ルムをガスセンサのサブストレートとすることを提案し
ている。そしてSiO2フィルムの上にPtヒータ膜を
設け、これをSiO2フィルムで絶縁して、絶縁膜上に
一対の電極とSnO2薄膜とを設ける。またこの公報
は、ヒータ膜にパルス的に電力を供給し、ガスセンサを
パルス加熱することを提案している。
2. Description of the Related Art Reducing the power consumption of gas sensors is one of the fundamental issues in this field. In this regard, Japanese Patent Publication No. 4-1301 proposes that a SiO2 film having a thickness of about 1 μm is formed as a bridge on a cavity, and the SiO2 film is used as a substrate of a gas sensor. Then, a Pt heater film is provided on the SiO2 film, which is insulated by the SiO2 film, and a pair of electrodes and a SnO2 thin film are provided on the insulating film. Further, this publication proposes supplying electric power in a pulsed manner to the heater film to pulse-heat the gas sensor.

【0003】このようなガスセンサは、特開昭56−1
8750号公報による基本的提案から12年以上の期間
が経過しているにもかかわらず、実用化されていない。
その原因は、SiO2フィルムがパルス加熱のつど熱変
形し、これに伴ってヒータ膜や電極膜あるいは金属酸化
物半導体膜が剥離する、もしくは亀裂が生じることにあ
ると推定される。そこでSiO2サブストレートを用い
ること以外の手法で、即ちシリコンのアンダーカットエ
ッチングに依存しない手法で、省電力型ガスセンサを開
発する必要がある。
[0003] Such a gas sensor is disclosed in
Although more than 12 years have passed since the basic proposal of 8750, it has not been put to practical use.
It is presumed that the cause is that the SiO2 film is thermally deformed each time pulse heating is performed, and the heater film, the electrode film, or the metal oxide semiconductor film is peeled off or cracked with this. Therefore, it is necessary to develop a power-saving gas sensor by a method other than using a SiO2 substrate, that is, a method that does not depend on undercut etching of silicon.

【0004】[0004]

【発明の課題】この発明の課題は、(1) 基板の熱変形
による劣化がなく、(2) パルス加熱駆動に適した、(3)
省電力型ガスセンサを提供することにある。
The objects of the present invention are (1) no deterioration due to thermal deformation of the substrate, (2) suitable for pulse heating drive, (3)
An object of the present invention is to provide a power-saving gas sensor.

【0005】[0005]

【発明の構成】この発明のガスセンサは、絶縁基板上に
ヒータ膜と金属酸化物半導体膜とを設けたガスセンサに
おいて、前記基板には、厚さが50〜300μmで、材
質がSiO2,ZrO2,MgO・SiO2,2MgO・
SiO2,TiO2からなる群の少なくとも一員の物質を
用い、かつ基板上にヒータ膜を設けて、該ヒータ膜上に
金属酸化物半導体膜を積層し、さらに該ヒータ膜をパル
ス的に発熱させて金属酸化物半導体膜をパルス加熱する
ように構成すると共に、基板には電極パッドを設けて電
極パッドにリード線を接続し、このリード線で基板を中
空に保持したことを特徴とする。好ましくは、基板の厚
さを50〜200μmとし、基板の材質をSiO2また
はZrO2とする。リード線には例えばAu線を用い、
例えば線径(直径)が10〜30μm,より好ましくは
15〜20μmのものを用いる。ヒータ膜や用いる電極
膜は薄膜が好ましく、電極パッドも薄膜のパッドが好ま
しい。金属酸化物半導体膜は薄膜あるいは厚膜のいずれ
でも良い。
The gas sensor according to the present invention is a gas sensor having a heater film and a metal oxide semiconductor film provided on an insulating substrate, wherein the substrate has a thickness of 50 to 300 μm and is made of SiO2, ZrO2, MgO.・ SiO2、2MgO ・
A heater film is provided on a substrate using at least one member of the group consisting of SiO2 and TiO2, a metal oxide semiconductor film is stacked on the heater film, and the heater film is pulsed to generate a metal. The oxide semiconductor film is configured to be pulse-heated, an electrode pad is provided on the substrate, a lead wire is connected to the electrode pad, and the substrate is held hollow by the lead wire. Preferably, the thickness of the substrate is 50 to 200 μm, and the material of the substrate is SiO 2 or ZrO 2. For example, an Au wire is used for the lead wire,
For example, a wire having a wire diameter (diameter) of 10 to 30 μm, more preferably 15 to 20 μm is used. The heater film and the electrode film to be used are preferably thin films, and the electrode pads are also preferably thin film pads. The metal oxide semiconductor film may be either a thin film or a thick film.

【0006】[0006]

【発明の作用】ガスセンサをパルス加熱(パルス駆動)
する場合、消費電力は基板への放熱で定まる。そして基
板への放熱量を定めるものは、基板の熱伝導度と厚さの
2つである。例えば厚さ100μmで1mm×1mmの
基板に薄膜ヒータを形成し、ヒータ膜上に絶縁膜と一対
の電極とSnO2薄膜とを形成する。そしてヒータ膜に
1パルス4mJでパルス幅が8msecの加熱パルスを
加えて、金属酸化物半導体膜の最高加熱温度を測定し
た。最高加熱温度は、結晶質のSiO2基板で約470
℃、ZrO2基板で約450℃となった。これに対して
熱伝導率が高いAl2O3基板では、最高温度は約280
℃となった。280℃の最高加熱温度では、ガスセンサ
は動作しない。これに対して450℃の最高加熱温度で
は、COや水素,アルコールあるいはH2Sやアンモニ
ア、もしくはイソブタンを検出できる。
The gas sensor is pulse-heated (pulse drive).
In this case, power consumption is determined by heat radiation to the substrate. The heat radiation to the substrate is determined by the thermal conductivity and the thickness of the substrate. For example, a thin film heater is formed on a 1 mm × 1 mm substrate having a thickness of 100 μm, and an insulating film, a pair of electrodes, and a SnO 2 thin film are formed on the heater film. A heating pulse having a pulse width of 4 mJ and a pulse width of 8 msec was applied to the heater film, and the maximum heating temperature of the metal oxide semiconductor film was measured. The maximum heating temperature is about 470 for a crystalline SiO2 substrate.
° C, about 450 ° C for the ZrO2 substrate. In contrast, the maximum temperature of an Al2O3 substrate having a high thermal conductivity is about 280.
° C. At a maximum heating temperature of 280 ° C., the gas sensor does not operate. On the other hand, at the maximum heating temperature of 450 ° C., CO, hydrogen, alcohol, H 2 S, ammonia, or isobutane can be detected.

【0007】SiO2やZrO2で450℃程度の加熱温
度が得られ、Al2O3では280℃程度の加熱温度しか
得られないのは、熱伝導率の差に起因する。例えば室温
での熱伝導率は、SiO2が0.017J/sec・cm
・deg,ZrO2が0.05J/sec・cm・deg
であるのに対して、Al2O3では0.3J/sec・c
m・degである。
The reason that a heating temperature of about 450 ° C. is obtained with SiO 2 or ZrO 2 and a heating temperature of about 280 ° C. is obtained with Al 2 O 3 is due to a difference in thermal conductivity. For example, the thermal conductivity at room temperature is 0.017 J / sec · cm for SiO 2.
・ Deg and ZrO2 are 0.05J / sec ・ cm ・ deg
On the other hand, for Al2O3, 0.3 J / sec.c
m · deg.

【0008】基板の厚さは、パルス駆動の場合、センサ
の消費電力に決定的な役割を果たす。センサを連続加熱
すると基板の温度は定常値に達し、基板での熱吸収では
なく、基板からの放熱が問題となる。このため基板の厚
さが変わっても、基板端面からの放熱面積が変わるだけ
で、消費電力への影響は小さくなる。そして従来技術で
は厚さ1mm程度の厚い基板が用いられる。しかしなが
らパルス加熱の場合、パルス加熱とパルス加熱との間で
は基板温度は室温程度まで低下する。このためパルス加
熱時の基板の吸熱が問題となる。そして実験によると、
消費電力は基板の厚さの−1乗あるいは−0.5乗に比
例した。消費電力が基板の厚さの−1乗に比例するのは
基板内での温度分布が直線的である場合で、これはパル
ス加熱時間が長い場合に対応する。また基板の厚さの−
0.5乗に比例するのは温度分布がガウス分布に近い場
合で、これはパルス幅が短い場合に対応する。いずれに
しても基板の厚さを減少させることにより、消費電力は
著しく減少する。
[0008] The thickness of the substrate plays a decisive role in the power consumption of the sensor in the case of pulse driving. When the sensor is continuously heated, the temperature of the substrate reaches a steady value, and the problem is not heat absorption by the substrate but heat radiation from the substrate. Therefore, even if the thickness of the substrate changes, only the heat radiation area from the end face of the substrate changes, and the influence on the power consumption is reduced. In the prior art, a thick substrate having a thickness of about 1 mm is used. However, in the case of pulse heating, the substrate temperature drops to about room temperature between pulse heating. For this reason, heat absorption of the substrate during pulse heating becomes a problem. And according to experiments,
The power consumption was proportional to the -1 power or -0.5 power of the substrate thickness. The power consumption is proportional to the negative power of the thickness of the substrate when the temperature distribution in the substrate is linear, which corresponds to the case where the pulse heating time is long. Also, the thickness of the substrate
It is proportional to 0.5 power when the temperature distribution is close to a Gaussian distribution, which corresponds to the case where the pulse width is short. In any case, reducing the thickness of the substrate significantly reduces power consumption.

【0009】発明者は、実用上可能な基板の厚さの下限
を検討した。そして一般に50μm未満の厚さでは薄板
基板が得られないことを確認した。このため基板の厚さ
は50μm以上とする。一方消費電力は基板の厚さと共
に増加するので、基板の厚さの上限を300μmとし、
好ましくは200μmとする。
The inventor has studied the lower limit of the thickness of the substrate which can be practically used. In addition, it was confirmed that a thin substrate could not generally be obtained with a thickness of less than 50 μm. Therefore, the thickness of the substrate is set to 50 μm or more. On the other hand, since power consumption increases with the thickness of the substrate, the upper limit of the thickness of the substrate is set to 300 μm,
Preferably, it is 200 μm.

【0010】用いる基板の種類は、SiO2,ZrO2,
MgO・SiO2,2MgO・SiO2,あるいはTiO
2であり、これらはいずれも熱伝導率が低く、しかも薄
板に加工することが可能な材料である。これらの内で最
も好ましい基板材料は、熱伝導率が低いSiO2であ
り、結晶質のSiO2でもガラス質のSiO2でも良い。
次に好ましい材料は、熱伝導率がやや大きいが、強度と
加工性とに優れたZrO2である。これに対してMgO
・SiO2や2MgO・SiO2は、熱伝導率は小さい
が、加工性が低く、塩基性のMg元素を含み金属酸化物
半導体膜と固相反応をする可能性がある点で劣ってい
る。またTiO2は加工性と安定性とに優れているが、
使用可能な基板の中では熱伝導率が大きい。
The types of substrates used are SiO2, ZrO2,
MgO.SiO2, 2MgO.SiO2, or TiO
These are materials that have low thermal conductivity and can be processed into thin plates. Among these, the most preferred substrate material is SiO2 having a low thermal conductivity, and may be crystalline SiO2 or glassy SiO2.
The next preferred material is ZrO2, which has a slightly higher thermal conductivity but is excellent in strength and workability. On the other hand, MgO
SiO2 and 2MgO.SiO2 are inferior in that they have low thermal conductivity, but have low workability, and contain a basic Mg element and may undergo a solid-phase reaction with the metal oxide semiconductor film. TiO2 is excellent in workability and stability,
Among the usable substrates, the thermal conductivity is large.

【0011】前記の例では、1mm2の基板を用いて、
4mWの消費電力でガスセンサを駆動できることを示し
た。即ち4mJの加熱パルスを毎秒1回加えれば、消費
電力は4mJとなる。ヒータ膜をさらに微細化すると、
1mWあるいはそれ以下の消費電力となる。これは、前
記の特公平4−1301号公報でのガスセンサとほぼ同
じ消費電力である。即ちこの発明では、空洞部上に形成
した厚さ1μm程度のSiO2フィルム上にガスセンサ
を形成しないでも、これに匹敵する消費電力のセンサが
得られる。
In the above example, using a 1 mm 2 substrate,
It was shown that the gas sensor can be driven with power consumption of 4 mW. That is, if a heating pulse of 4 mJ is applied once per second, the power consumption becomes 4 mJ. When the heater film is further miniaturized,
The power consumption is 1 mW or less. This is approximately the same power consumption as the gas sensor disclosed in Japanese Patent Publication No. 4-1301. That is, according to the present invention, even if a gas sensor is not formed on a SiO2 film having a thickness of about 1 .mu.m formed on a cavity, a sensor having power consumption comparable to this can be obtained.

【0012】[0012]

【実施例】図1,図2に、実施例を示す。図において,
2はシリカ(SiO2),ジルコニア(ZrO2),チタ
ニア(TiO2),ステアタイト(MgO・SiO2),
フォルステライト(2MgO・SiO2)のいずれかか
らなる基板で、その厚さDは50μm以上300μm以
下とし、好ましくは50μm以上200μm以下とす
る。基板2の幅や長さLは好ましくは200〜800μ
mとし、より好ましくは300〜600μmとする。こ
の発明では基板2をリード線により保持するので、ワイ
ヤボンディングパッドに50μm程度が必要になる。そ
こで一対のボンディングパッドの幅が100μm程度と
なる。そして100μm幅の部分にヒータ膜を形成する
と、基板2の幅や長さLが200μmとなる。一方消費
電力は基板2の面積に比例して増加するので、幅や長さ
Lの上限は800μmとし、より好ましくは600μm
とする。100μm角の領域にヒータ膜等を設けると、
くしの歯状電極を用いた場合の最小線幅や最小ギャップ
幅が10μm程度となるので、これを避けるためにヒー
タ膜の幅や長さを200μm以上とすると、幅や長さL
は300μm以上となる。実施例では、基板2の厚さD
を100μmとし、幅や長さLをそれぞれ500μmと
した。
1 and 2 show an embodiment. In the figure,
2 is silica (SiO2), zirconia (ZrO2), titania (TiO2), steatite (MgO.SiO2),
A substrate made of any one of forsterite (2MgO.SiO2) and having a thickness D of 50 μm or more and 300 μm or less, preferably 50 μm or more and 200 μm or less. The width and length L of the substrate 2 are preferably 200 to 800 μm.
m, more preferably 300 to 600 μm. In the present invention, since the substrate 2 is held by the lead wire, the wire bonding pad needs to be about 50 μm. Therefore, the width of the pair of bonding pads is about 100 μm. When a heater film is formed in a portion having a width of 100 μm, the width and length L of the substrate 2 become 200 μm. On the other hand, since the power consumption increases in proportion to the area of the substrate 2, the upper limit of the width or length L is set to 800 μm, more preferably 600 μm.
And When a heater film or the like is provided in an area of 100 μm square,
Since the minimum line width and the minimum gap width when using the comb-shaped electrode are about 10 μm, if the width and the length of the heater film are set to 200 μm or more to avoid this, the width and the length L
Is 300 μm or more. In the embodiment, the thickness D of the substrate 2
Was set to 100 μm, and the width and length L were each set to 500 μm.

【0013】4はRuO2からなるヒータ膜で、これ以
外にPtヒータ膜やIrO2ヒータ膜等を用いても良
い。6は絶縁膜で、例えばSiO2膜やSiO膜を用
い、RuO2ヒータ膜4を雰囲気から遮断して安定性を
高め、ヒータ膜4上の金属酸化物半導体膜をヒータ膜4
から分離するために用いる。8,8は一対のくしの歯状
電極で、単なる平行電極でも良いが、低抵抗のガスセン
サを得るためくしの歯状電極とした。10はSnO2膜
等の金属酸化物半導体で、厚さ1μm以下の薄膜、ある
いは厚さ1〜30μm程度の薄膜として用いる。12は
ワイヤボンディングパッド,14はリード線で、ここで
は線径10〜30μmのAu線を用い、好ましくは線径
15〜20μmのAu線とする。リード線14の線径が
小さいほど熱損失が少なく、同時にボンディングが難し
くなる。そこで線引き加工の限界から線径の下限を10
μmとし、ボンディング性能から下限を15μmとし
た。ボンディングパッド12は、実際には電極8の一部
である。またリード線12は図示しないステム等に溶接
し、基板2を中空に保持する。なお基板2とヒータ膜4
との間に、断熱ガラス膜(膜厚例えば10〜20μm)
を設けても良い。
Reference numeral 4 denotes a heater film made of RuO 2, and alternatively, a Pt heater film, an IrO 2 heater film, or the like may be used. Numeral 6 denotes an insulating film, for example, using a SiO2 film or a SiO2 film, shielding the RuO2 heater film 4 from the atmosphere to enhance the stability, and forming a metal oxide semiconductor film on the heater film 4 into the heater film 4.
Used to separate from Reference numerals 8 and 8 denote a pair of comb-shaped electrodes, which may be simple parallel electrodes, but are comb-shaped electrodes to obtain a low-resistance gas sensor. Reference numeral 10 denotes a metal oxide semiconductor such as a SnO2 film, which is used as a thin film having a thickness of 1 μm or less or a thin film having a thickness of about 1 to 30 μm. Reference numeral 12 denotes a wire bonding pad, and reference numeral 14 denotes a lead wire. Here, an Au wire having a wire diameter of 10 to 30 μm is used, preferably an Au wire having a wire diameter of 15 to 20 μm. The smaller the diameter of the lead wire 14, the smaller the heat loss, and at the same time, the more difficult the bonding becomes. Therefore, the lower limit of the wire diameter is set to 10 from the limit of wire drawing.
μm, and the lower limit was set to 15 μm from the bonding performance. The bonding pad 12 is actually a part of the electrode 8. The lead wire 12 is welded to a stem (not shown) or the like to hold the substrate 2 hollow. The substrate 2 and the heater film 4
Insulation glass film (film thickness, for example, 10 to 20 μm)
May be provided.

【0014】図2に、金属酸化物半導体膜10や絶縁膜
6を除いた、基板2の配置を示す。ヒータ膜4上に絶縁
膜6を配置し、この上部に一対のくしの歯状電極8,8
を設けて、金属酸化物半導体膜10の抵抗値を検出す
る。ヒータ膜4にも電極8と同じ材質の電極を接続し、
図の左側のパッド12を共通パッドとする。
FIG. 2 shows an arrangement of the substrate 2 excluding the metal oxide semiconductor film 10 and the insulating film 6. An insulating film 6 is arranged on the heater film 4, and a pair of comb-shaped electrodes 8, 8
Is provided, and the resistance value of the metal oxide semiconductor film 10 is detected. An electrode of the same material as the electrode 8 is also connected to the heater film 4,
The pad 12 on the left side of the figure is a common pad.

【0015】基板2の材質と消費電力との関係を調べる
ため、以下の試験を行った。基板2として、幅と長さL
が各500μmで厚さが100μmの、結晶質SiO
2,SiO2ガラス,ZrO2,2MgO・SiO2,Mg
O・SiO2,TiO2,Al2O3を用いた。基板2上
に、厚さ0.2μmのRuO2からなるヒータ膜4をスパ
ッタリングにより形成し、この上部に厚さ0.3μmの
SiO2絶縁膜6をスパッタリングで形成した。ヒータ
膜4の面積は300μm×300μmである。絶縁膜6
上に、Auのくしの歯状電極8,8をスパッタリングで
形成し、最小線幅と最小線間隔とをそれぞれ20μmと
した。次に厚さ0.3μmのSnO2膜10をスパッタリ
ングにより形成した。電極8,8等の引出し部をワイヤ
ボンディングパッド12とし、線径18μmのAu線を
ワイヤボンディングした。
The following test was conducted to examine the relationship between the material of the substrate 2 and power consumption. Width and length L as substrate 2
Is a crystalline SiO 2 having a thickness of 500 μm and a thickness of 100 μm.
2, SiO2 glass, ZrO2, 2MgO.SiO2, Mg
O.SiO2, TiO2 and Al2O3 were used. A heater film 4 made of RuO2 having a thickness of 0.2 .mu.m was formed on the substrate 2 by sputtering, and a SiO2 insulating film 6 having a thickness of 0.3 .mu.m was formed thereon by sputtering. The area of the heater film 4 is 300 μm × 300 μm. Insulating film 6
On the upper side, the tooth-shaped electrodes 8 and 8 of Au were formed by sputtering, and the minimum line width and the minimum line interval were each set to 20 μm. Next, a SnO2 film 10 having a thickness of 0.3 μm was formed by sputtering. The lead portions of the electrodes 8, 8 were used as wire bonding pads 12, and an Au wire having a wire diameter of 18 μm was wire-bonded.

【0016】300μm角のヒータ膜4では放射温度計
による温度測定ができないので、基板2を1mm角,厚
さを100μmとして、面積のみを4倍に相似変形した
センサを調製した。このセンサに、電力が4mJでパル
ス幅が8msecの加熱パルスを毎秒1回加え、放射温
度計で金属酸化物半導体膜10の最高温度を測定した。
最高加熱温度を表1に示す。
Since the temperature of the heater film 4 of 300 μm square cannot be measured by a radiation thermometer, a sensor having a substrate 2 of 1 mm square, a thickness of 100 μm and a similar area only quadrupled was prepared. A heating pulse having a power of 4 mJ and a pulse width of 8 msec was applied once per second to this sensor, and the maximum temperature of the metal oxide semiconductor film 10 was measured with a radiation thermometer.
Table 1 shows the maximum heating temperature.

【0017】[0017]

【表1】 最高加熱温度 基板2 最高加熱温度(℃) 熱伝導率(25℃) (J/sec・cm・deg) 結晶質SiO2 471 0.017 SiO2ガラス 522 0.012 ZrO2 452 0.05 2MgO・SiO2 463 0.03 MgO・SiO2 458 0.025 TiO2 418 0.07 Al2O3* 277 0.3 * 基板2は1mm×1mm角,厚さDは100μm,
ヒータ膜4は600μm×600μm,Al2O3は比較
例。
Table 1 Maximum heating temperature Substrate 2 Maximum heating temperature (° C.) Thermal conductivity (25 ° C.) (J / sec · cm · deg) Crystalline SiO 2 471 0.017 SiO 2 glass 522 0.012 ZrO 2 452 0.05 2 MgO · SiO2 463 0.03 MgO · SiO2 458 0.025 TiO2 418 0.07 Al2O3 * 277 0.3 * The substrate 2 is 1 mm x 1 mm square, the thickness D is 100 µm,
The heater film 4 is 600 μm × 600 μm, and Al 2 O 3 is a comparative example.

【0018】表1から明らかなように、Al2O3基板で
は最高温度が280℃程度に過ぎず、実施例では熱伝導
率が大きいTiO2でも420℃程度の最高温度が得ら
れ、ZrO2やSiO2,2MgO・SiO2,MgO・
SiO2では450℃以上の加熱温度が得られる。次に
基板の種類について検討すると、ZrO2では加工性が
高く、基板2を1辺200μm角にスクライブしても問
題が生じなかった。また結晶質SiO2やSiO2ガラス
では、基板2を1辺300μm角にスクライブしても問
題が生じなかった。これに対して2MgO・SiO2や
MgO・SiO2は加工性が劣り、基板2を1辺300
μm角にスクライブすると、数%程度の頻度で割れや欠
けが発生した。一方TiO2基板では、最高加熱温度が
420℃と他のものよりも30℃以上低かった。これら
のことから最も好ましい基板2の材質は、結晶質SiO
2あるいはSiO2ガラスで、次にZrO2である。
As is clear from Table 1, the maximum temperature of the Al2O3 substrate is only about 280.degree. C., and the maximum temperature of about 420.degree. C. can be obtained even with TiO2 having a large thermal conductivity in the embodiment, and ZrO2, SiO2, SiO2, MgO
With SiO2, a heating temperature of 450 ° C. or higher can be obtained. Next, when examining the type of the substrate, ZrO2 has high workability, and no problem occurs even if the substrate 2 is scribed at a side of 200 μm square. In the case of crystalline SiO2 or SiO2 glass, no problem occurred even if the substrate 2 was scribed at a side of 300 μm square. On the other hand, 2MgO.SiO2 or MgO.SiO2 has poor workability,
When scribed to a μm square, cracks and chips occurred at a frequency of about several percent. On the other hand, the maximum heating temperature of the TiO 2 substrate was 420 ° C., which was 30 ° C. or more lower than the others. From these, the most preferable material of the substrate 2 is crystalline SiO 2
2 or SiO2 glass, then ZrO2.

【0019】基板2の厚さを150μm,100μm,
60μmの3種類とした他は、先の試験例と全く同様に
して最高加熱温度を測定した。結果を表2に示す。
The thickness of the substrate 2 is set to 150 μm, 100 μm,
The maximum heating temperature was measured in exactly the same manner as in the previous test example, except that the three types were 60 μm. Table 2 shows the results.

【0020】[0020]

【表2】 基板の厚さ 基板 150μm 100μm 60μm 結晶質SiO2 396 471 531 ZrO2 412 452 503 Al2O3 203 277 …* * 60μm厚のAl2O3基板はカット不能であった。[Table 2] Substrate thickness Substrate 150 μm 100 μm 60 μm crystalline SiO 2 396 471 531 ZrO 2 412 452 503 Al 2 O 3 203 277... * The 60 μm thick Al 2 O 3 substrate could not be cut.

【0021】表2から明らかなように、最高温度は基板
2の厚さを小さくするほど高くなる。熱伝導に関する数
値計算からは、基板2内での温度分布が直線状の場合基
板2の熱吸収は基板の厚さに比例し、基板2内での温度
分布がガウス型の場合熱吸収は厚さのルートに比例し
た。表2の結果がこれに一致しないのは、リード線14
からの熱伝導や基板2の表裏からの放射があるためと考
えられる。加工可能な基板2の厚さは、50μm程度
で、このことから基板2の厚さDの下限を50μmとし
た。また基板2の厚さDと共に消費電力が増加するの
で、厚さDの上限を300μmとし、好ましくは200
μmとした。
As is apparent from Table 2, the maximum temperature increases as the thickness of the substrate 2 decreases. From the numerical calculation relating to heat conduction, the heat absorption of the substrate 2 is proportional to the thickness of the substrate when the temperature distribution in the substrate 2 is linear, and the heat absorption is thick when the temperature distribution in the substrate 2 is Gaussian. It was proportional to the route. The results in Table 2 do not agree with this
It is considered that there is heat conduction from the substrate and radiation from the front and back of the substrate 2. The thickness of the substrate 2 that can be processed is about 50 μm, so the lower limit of the thickness D of the substrate 2 was set to 50 μm. Further, since the power consumption increases with the thickness D of the substrate 2, the upper limit of the thickness D is set to 300 μm, preferably 200 μm.
μm.

【0022】基板2の厚さDを100μmとし、幅や長
さLを各500μmとしたガスセンサを製造し、パルス
幅8msecで電力が1mJの加熱パルスを毎秒1回加
え、ガス感度を測定した。測定ガスは高温での検出が必
要なガスとしてイソブタン1000ppmを用い、低温
での検出が可能なガスとしてH2S3ppmを用いた。
イソブタン1000ppmの場合、パルス加熱の開始か
ら8msecの時点での抵抗値を検出し、H2Sの場合
6msecの時点での抵抗値を測定した。空気中の抵抗
値とガス中の抵抗値との比を感度として、結果を表3に
示す。
A gas sensor having a thickness D of the substrate 2 of 100 μm and a width and length L of 500 μm was manufactured, and a heating pulse having a pulse width of 8 msec and a power of 1 mJ was applied once per second to measure gas sensitivity. As a measurement gas, 1000 ppm of isobutane was used as a gas requiring detection at a high temperature, and 3 ppm of H2S was used as a gas capable of detection at a low temperature.
In the case of isobutane 1000 ppm, the resistance at 8 msec from the start of pulse heating was detected, and in the case of H2S, the resistance at 6 msec was measured. The results are shown in Table 3 using the ratio of the resistance value in air to the resistance value in gas as sensitivity.

【0023】[0023]

【表3】 ガス感度 基板 イソブタン1000ppm H2S3ppm 結晶質SiO2 3.2 8.4 SiO2ガラス 3.5 9.0 ZrO2 3.1 7.6 Al2O3* 感度無し 3.0 * Al2O3は比較例.Table 3 Gas Sensitivity Substrate Isobutane 1000 ppm H2S 3 ppm Crystalline SiO2 3.2 8.4 SiO2 glass 3.5 9.0 ZrO2 3.1 7.6 Al2O3 * No sensitivity 3.0 * Al2O3 is a comparative example.

【0024】表3から明らかなように、結晶質SiO2
やSiO2ガラスあるいはZrO2を基板2の材料とすれ
ば、1mWの消費電力でもガスを検出することができ
る。SiO2やZrO2等の基板を用いた場合、空洞部上
に設けた厚さ1μm程度のSiO2フィルムを用いた場
合とほぼ同じ消費電力で、センサを駆動できる。これは
SiO2フィルムを基板とした場合、SiO2自体の熱伝
導率や熱容量が小さいにせよ、フィルムの根元側から基
板へと熱が流れるためであると考えられる。そして実施
例のガスセンサは、ヒータ膜4をさらに微細化すること
が可能で、消費電力をさらに小さくすることもできる。
なお実施例では、パルス加熱を行うことを示したが、セ
ンサの使用方法は任意で、連続加熱でも良い。
As is evident from Table 3, crystalline SiO 2
If SiO2 glass or ZrO2 is used as the material of the substrate 2, gas can be detected even with a power consumption of 1 mW. When a substrate such as SiO2 or ZrO2 is used, the sensor can be driven with substantially the same power consumption as when a SiO2 film having a thickness of about 1 μm provided on the cavity is used. This is considered to be because when the SiO2 film is used as the substrate, heat flows from the base side of the film to the substrate even though the thermal conductivity and heat capacity of the SiO2 itself are small. In the gas sensor of the embodiment, the heater film 4 can be further miniaturized, and the power consumption can be further reduced.
In the embodiment, pulse heating is shown, but the sensor may be used in any manner, and continuous heating may be used.

【0025】[0025]

【発明の効果】この発明では、シリコン基板のアンダー
カットエッチングを用いずに、省電力型のガスセンサを
得ることができる。このため基板の熱変形の問題がな
く、ガスセンサはパルス駆動に適しており、消費電力は
1mW程度と小さい。
According to the present invention, a power-saving gas sensor can be obtained without using undercut etching of a silicon substrate. Therefore, there is no problem of thermal deformation of the substrate, the gas sensor is suitable for pulse driving, and the power consumption is as small as about 1 mW.

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

【図1】 実施例のガスセンサの基板を示す断面図FIG. 1 is a cross-sectional view showing a substrate of a gas sensor according to an embodiment.

【図2】 実施例のガスセンサの電極配置を示す平面
FIG. 2 is a plan view showing an electrode arrangement of the gas sensor according to the embodiment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

2 基板 4 RuO2ヒータ膜 6 SiO2絶縁膜 8 Au電極 10 金属酸化物半導体膜 12 バンプ 14 リード線 2 Substrate 4 RuO2 heater film 6 SiO2 insulating film 8 Au electrode 10 Metal oxide semiconductor film 12 Bump 14 Lead wire

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平4−80647(JP,A) 特開 平2−82150(JP,A) 特開 平5−126788(JP,A) 特開 平3−123845(JP,A) 特開 平4−127047(JP,A) 特開 平3−233350(JP,A) 特開 平4−361148(JP,A) 特開 平1−316652(JP,A) 特開 昭54−121794(JP,A) 実開 昭55−119962(JP,U) 実開 昭63−18856(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/12 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of front page (56) References JP-A-4-80647 (JP, A) JP-A-2-82150 (JP, A) JP-A-5-126788 (JP, A) JP-A-3- 123845 (JP, A) JP-A-4-127047 (JP, A) JP-A-3-233350 (JP, A) JP-A 4-361148 (JP, A) JP-A-1-316652 (JP, A) JP-A-54-121794 (JP, A) JP-A-59-19622 (JP, U) JP-A-63-18856 (JP, U) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) G01N 27/12

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 絶縁基板上にヒータ膜と金属酸化物半導
体膜とを設けたガスセンサにおいて、 前記基板には、厚さが50〜300μmで、材質がSi
O2,ZrO2,MgO・SiO2,2MgO・SiO2,
TiO2からなる群の少なくとも一員の物質を用い、か
つ基板上にヒータ膜を設けて、該ヒータ膜上に金属酸化
物半導体膜を積層し、さらに該ヒータ膜をパルス的に発
熱させて金属酸化物半導体膜をパルス加熱するように構
成すると共に、 基板には電極パッドを設けて電極パッドにリード線を接
続し、このリード線で基板を中空に保持したことを特徴
とする、ガスセンサ。
1. A gas sensor in which a heater film and a metal oxide semiconductor film are provided on an insulating substrate, wherein the substrate has a thickness of 50 to 300 μm and a material of Si.
O2, ZrO2, MgO.SiO2, 2MgO.SiO2,
A heater film is provided on a substrate using at least one member of the group consisting of TiO2, a metal oxide semiconductor film is stacked on the heater film, and the heater film is heated in a pulsed manner to generate a metal oxide. A gas sensor, wherein a pulse is applied to a semiconductor film, an electrode pad is provided on a substrate, a lead wire is connected to the electrode pad, and the substrate is held hollow by the lead wire.
【請求項2】 基板の厚さを50〜200μmとし、基
板の材質を、SiO2及びZrO2からなる群の少なくと
も一員の物質としたことを特徴とする、請求項1のガス
センサ。
2. The gas sensor according to claim 1, wherein the thickness of the substrate is 50 to 200 μm, and the material of the substrate is at least one member of a group consisting of SiO 2 and ZrO 2.
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