JP6730280B2 - Limiting current type gas sensor - Google Patents

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    • G01N27/41Oxygen pumping cells

Description

本実施の形態は、限界電流式ガスセンサに関する。 The present embodiment relates to a limiting current type gas sensor.

従来、被測定ガス内における水蒸気の濃度を検出する湿度センサとして、抵抗変化型、容量変化型、ジルコニア(ZrO2 )固体電解質型などが知られている。Conventionally, resistance change type, capacitance change type, zirconia (ZrO 2 ) solid electrolyte type, and the like are known as humidity sensors that detect the concentration of water vapor in the gas to be measured.

高分子膜を用いる抵抗変化型は安価であり、デバイス化が容易であるという長所がある。その一方で、低湿度領域での測定精度が低く、温度依存性が大きい。また、結露による溶出が素子劣化・破壊の原因になるという短所がある。 The resistance variable type using a polymer film has an advantage that it is inexpensive and can be easily made into a device. On the other hand, the measurement accuracy in the low humidity region is low and the temperature dependence is large. Further, there is a disadvantage that elution due to dew condensation causes element deterioration and destruction.

容量変化型はリニアリティが良く、相対湿度全領域で測定可能であり、温度依存性が小さいという長所がある。その一方で、純水以外の水(水道水など)や、有機溶媒などの影響が大きいという短所がある。また、湿度0%RHにおける容量が数百pFあるのに対し、1%RH変化したときの容量変化が1pF以下であり、正確な湿度測定には定期的な校正が必要となる。一般的な事務環境で湿度測定の精度を求めない場合には有効なデバイスであるが、高精度の湿度測定や結露、ガス曝露の可能性のある雰囲気(気象観測用途や風呂場)、100℃以上の高温になる雰囲気での使用は想定外である。耐久性を高くするには新規に高分子材料の開発が必要である。今後の研究開発が期待される一方、新規材料開発には時間・コストを要する。 The capacitance change type has the advantages of good linearity, measurable in the whole range of relative humidity, and low temperature dependence. On the other hand, there is a disadvantage that water other than pure water (tap water, etc.) and organic solvents have a great influence. Further, while the capacitance at a humidity of 0% RH is several hundred pF, the capacitance change at a change of 1% RH is 1 pF or less, and periodic calibration is required for accurate humidity measurement. It is an effective device when you do not require the accuracy of humidity measurement in a general office environment, but it is an atmosphere with high accuracy humidity measurement, condensation, and gas exposure (weather observation applications and bathrooms), 100°C. Use in the above-mentioned high temperature atmosphere is unexpected. To improve durability, it is necessary to develop a new polymer material. While future R&D is expected, new material development requires time and cost.

高温での湿度測定のために、ジルコニア固体電解質を用いた湿度センサが販売されている。ジルコニア固体電解質を用いた酸素センサは、自動車の燃焼効率向上やNOx の低減のために使用されており、材料としての耐久性には実績がある。ただ、ジルコニアを数百℃に上げて使用するため、消費電力が100Wと高く、さらに高温物体の取り扱いが難しいことから、市場は一部の産業用途に限られている。Humidity sensors using zirconia solid electrolytes are commercially available for measuring humidity at high temperatures. Oxygen sensors using a zirconia solid electrolyte are used for improving the combustion efficiency of automobiles and reducing NO x , and have a proven track record in durability as materials. However, since zirconia is used after being raised to several hundred degrees Celsius, the power consumption is as high as 100 W, and handling of high-temperature objects is difficult, so the market is limited to some industrial applications.

そこで、近年ではジルコニア薄膜限界電流型が注目されている。この種の限界電流式酸素センサは、高信頼性でリニアリティが良いという長所がある。 Therefore, in recent years, the zirconia thin film limiting current type has attracted attention. This type of limiting current type oxygen sensor has the advantages of high reliability and good linearity.

米国特許第4487680号明細書U.S. Pat. No. 4,487,680 特開平5−312772号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 5-312772 特開2009−75011号公報JP, 2009-75011, A 特開2006−317429号公報JP 2006-17429 A 特開2014−196995号公報JP, 2014-196995, A

高橋英昭、佐治啓市、近藤春義、「薄膜限界電流式酸素センサ」豊田中央研究所R&D レビュー Vol.27 No.2(1992.6)Hideaki Takahashi, Keiichi Saji, Haruyoshi Kondo, "Thin film limiting current type oxygen sensor" Toyota Central Research Laboratory R&D Review Vol. 27 No. 2 (1992.6) M.Asheghi and K.E.Goodson, “THERMAL CONDUCTIVITY MODEL FOR NEARLY PURE AND DOPED THIN SILICON LAYERS AT HIGH TEMPERATURES”, Proceedings of IMECE'03, 2003 ASME International Mechanical Engineering Congress Washington,D.C., November 15-21,2003M. Asheghi and K.E.Goodson, “THERMAL CONDUCTIVITY MODEL FOR NEARLY PURE AND DOPED THIN SILICON LAYERS AT HIGH TEMPERATURES”, Proceedings of IMECE'03, 2003 ASME International Mechanical Engineering Congress Washington,D.C., November 15-21, 2003

しかしながら、ジルコニア薄膜限界電流型を含む限界電流式ガスセンサにおいては、センサ特性の改善と安定化とが求められている。また、ジルコニア薄膜限界電流型を含む限界電流式ガスセンサにおいては、応答速度のより一層の改善が求められている。 However, in the limiting current type gas sensor including the limiting current type of zirconia thin film, improvement and stabilization of sensor characteristics are required. Further, in the limiting current type gas sensor including the limiting current type of zirconia thin film, further improvement in response speed is required.

本実施の形態は、センサ特性を改善できると共に、センサ特性をより安定化できる限界電流式ガスセンサを提供する。 The present embodiment provides a limiting current type gas sensor capable of improving the sensor characteristics and further stabilizing the sensor characteristics.

また、本実施の形態は、応答速度を改善できる限界電流式ガスセンサを提供する。 Further, the present embodiment provides a limiting current type gas sensor capable of improving the response speed.

本実施の形態の一態様によれば、基板と、前記基板上に第1絶縁層を介して配置されたヒータと、前記ヒータ上に第2絶縁層を介して配置され、被測定ガスを取り込むガス導入路と、前記ガス導入路上に配置された下部電極と、前記下部電極上に配置された固体電解質層と、前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置された上部電極と、前記基板に、前記ヒータよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部とを備え、前記ガス導入路は、多孔質膜によって構成される限界電流式ガスセンサが提供される。あるいは、前記ガス導入路は、中空構造のマイクロ流路を備えたガス拡散路である限界電流式ガスセンサが提供される。あるいは、前記下部電極は、ポーラスPt/Ti膜によって構成される限界電流式ガスセンサが提供される。 According to one aspect of the present embodiment, the substrate, the heater disposed on the substrate via the first insulating layer, and the heater disposed on the heater via the second insulating layer, take in the gas to be measured. A gas introduction path, a lower electrode arranged on the gas introduction path, a solid electrolyte layer arranged on the lower electrode, and an upper electrode arranged on a surface of the solid electrolyte layer facing the lower electrode. If, on the substrate, and a said cavity portion which is substantially larger than the heater, the gas introduction path, the limiting current type gas sensor that consists of a porous membrane is provided. Alternatively, a limiting current type gas sensor is provided in which the gas introduction path is a gas diffusion path having a hollow microchannel. Alternatively, the lower electrode is provided with a limiting current type gas sensor configured by a porous Pt/Ti film.

本実施の形態の他の態様によれば、基板と、前記基板上に第1絶縁層を介して配置されたヒータと、前記ヒータ上に第2絶縁層を介して配置されたガス取込部と、前記ガス取込部上に配置された下部電極と、前記下部電極上に配置された固体電解質層と、前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置された上部電極と、前記基板に、前記ヒータよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部とを備え、前記ガス取込部は、被測定ガスを取り込むガス導入路と、前記ガス導入路上に配置された柱状部とから構成され、前記柱状部は、面直方向のガス絞り構造を備えた柱状膜により構成される限界電流式ガスセンサが提供される。あるいは、前記柱状部は、面内方向のガス拡散構造を備えた多孔質膜により構成される限界電流式ガスセンサが提供される。あるいは、前記ガス導入路は、多孔質膜または中空構造のマイクロ流路を備えたガス拡散路である限界電流式ガスセンサが提供される。あるいは、前記下部電極はポーラス電極であって、前記ポーラス電極は、ポーラス酸化膜とPt/Ti膜との積層膜またはポーラスPt/Ti膜によって構成される限界電流式ガスセンサが提供される。あるいは、前記下部電極は柱状電極であって、前記柱状電極は、柱状酸化膜とPt/Ti膜との積層膜または柱状Pt/Ti膜によって構成される限界電流式ガスセンサが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, a substrate, a heater arranged on the substrate via a first insulating layer, and a gas intake unit arranged on the heater via a second insulating layer. A lower electrode arranged on the gas intake part, a solid electrolyte layer arranged on the lower electrode, and an upper electrode arranged on a surface of the solid electrolyte layer facing the lower electrode. The substrate includes a cavity formed substantially larger than the heater, the gas intake portion includes a gas introduction path for introducing a measurement gas, and a columnar portion disposed on the gas introduction path. consists, the columnar portion, a limiting current type gas sensor that consists by columnar membranes with the orthogonal direction of the gas diaphragm structure is provided. Alternatively, the limiting current type gas sensor is provided in which the columnar portion is composed of a porous film having a gas diffusion structure in the in-plane direction. Alternatively, there is provided a limiting current type gas sensor in which the gas introduction path is a gas diffusion path provided with a microchannel having a porous membrane or a hollow structure. Alternatively, there is provided a limiting current type gas sensor in which the lower electrode is a porous electrode, and the porous electrode is a laminated film of a porous oxide film and a Pt/Ti film or a porous Pt/Ti film. Alternatively, there is provided a limiting current type gas sensor in which the lower electrode is a columnar electrode, and the columnar electrode is a laminated film of a columnar oxide film and a Pt/Ti film or a columnar Pt/Ti film.

本実施の形態の一態様によれば、基板と、前記基板上に多孔質材料を用いて形成された多孔質電極と、前記多孔質電極の上面部に、固体電解質材料を用いて形成された固体電解質層と、前記固体電解質層と前記多孔質電極との間の界面に形成された、前記多孔質材料の粒子および前記固体電解質材料の粒子が混在する粒子混合層と、前記固体電解質層の、少なくとも前記粒子混合層に対向する面に配置された緻密電極とを備えた限界電流式ガスセンサが提供される。 According to one aspect of this embodiment, a substrate, a porous electrode formed using a porous material on the substrate, and a solid electrolyte material formed on an upper surface portion of the porous electrode. Solid electrolyte layer, a particle mixed layer formed at the interface between the solid electrolyte layer and the porous electrode, particles of the porous material and particles of the solid electrolyte material are mixed, and the solid electrolyte layer There is provided a limiting current type gas sensor including at least a dense electrode arranged on a surface facing the particle mixing layer.

本実施の形態の一態様によれば、基板と、前記基板上のセンサ部分の領域に絶縁層を介して配置された多孔質電極と、前記多孔質電極の上面部に配置された固体電解質層と、前記固体電解質層上の、前記多孔質電極に対向する面に配置された上部電極と、所定のアスペクト比を有し、被測定ガスを前記センサ部分に向けて導入するガス拡散路とを備えた限界電流式ガスセンサが提供される。 According to one aspect of the present embodiment, the substrate, the porous electrode arranged in the region of the sensor portion on the substrate via the insulating layer, and the solid electrolyte layer arranged on the upper surface of the porous electrode. And an upper electrode disposed on the surface of the solid electrolyte layer facing the porous electrode, and a gas diffusion path having a predetermined aspect ratio and introducing a gas to be measured toward the sensor portion. A limiting current type gas sensor is provided.

本実施の形態の他の態様によれば、基板上に第1絶縁層を介してヒータを形成する工程と、前記ヒータ上に第2絶縁層を介して配置され、被測定ガスを取り込むガス取込口を備えたガス導入路を形成する工程と、前記ガス導入路上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に固体電解質層を形成する工程と、前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に上部電極を形成する工程と、前記基板に、前記ヒータよりも実質的に大きなキャビティ部を形成する工程とを有する限界電流式ガスセンサの製造方法が提供される。 According to another aspect of the present embodiment, a step of forming a heater on a substrate with a first insulating layer interposed therebetween, and a gas collecting step for arranging a heater on the heater with a second insulating layer interposed therebetween to take in a gas to be measured. A step of forming a gas introduction path having an inlet, a step of forming a lower electrode on the gas introduction path, a step of forming a solid electrolyte layer on the lower electrode, and the lower part on the solid electrolyte layer. A method of manufacturing a limiting current type gas sensor is provided, which includes a step of forming an upper electrode on a surface facing an electrode, and a step of forming a cavity portion substantially larger than the heater on the substrate.

本実施の形態の他の態様によれば、基板上に第1絶縁層を介してヒータを形成する工程と、前記ヒータ上に第2絶縁層を介して下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に固体電解質層を形成する工程と、前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に上部電極を形成する工程と、前記ヒータ上に前記第2絶縁層を介して配置され、被測定ガスを導入するガス導入路を形成する工程と、前記基板に、前記ヒータよりも実質的に大きなキャビティ部を形成する工程とを有する限界電流式ガスセンサの製造方法が提供される。 According to another aspect of the present embodiment, a step of forming a heater on a substrate via a first insulating layer, a step of forming a lower electrode on the heater via a second insulating layer, and a step of forming the lower electrode A step of forming a solid electrolyte layer on the electrode, a step of forming an upper electrode on the surface of the solid electrolyte layer, the surface facing the lower electrode, and the heater is disposed on the heater via the second insulating layer, A method of manufacturing a limiting current type gas sensor is provided, which includes a step of forming a gas introduction path for introducing a gas to be measured and a step of forming a cavity portion substantially larger than the heater in the substrate.

本実施の形態の他の態様によれば、基板上に多孔質材料を用いて多孔質電極を形成する工程と、前記多孔質電極上の少なくとも一部に、前記多孔質材料の粒子および固体電解質材料の粒子が混在する粒子混合層を形成する工程と、少なくとも前記粒子混合層を覆うように、前記多孔質電極上に前記固体電解質材料を用いて固体電解質層を形成する工程と、前記固体電解質層の上面部を含んで、少なくとも前記粒子混合層に対向する面に緻密電極を形成する工程とを有する限界電流式ガスセンサの製造方法が提供される。 According to another aspect of the present embodiment, a step of forming a porous electrode using a porous material on a substrate, and particles of the porous material and a solid electrolyte on at least a part of the porous electrode. A step of forming a particle mixed layer in which particles of the material are mixed, a step of forming a solid electrolyte layer using the solid electrolyte material on the porous electrode so as to cover at least the particle mixed layer, and the solid electrolyte And a step of forming a dense electrode on at least a surface facing the particle mixing layer, including a top surface portion of the layer.

本実施の形態の他の態様によれば、基板上のセンサ部分の領域に絶縁層を介して多孔質電極を形成する工程と、前記多孔質電極の上面部に固体電解質層を形成する工程と、前記固体電解質層上の、前記多孔質電極に対向する面に上部電極を形成する工程と、前記絶縁層の上層部に、所定のアスペクト比を有し、被測定ガスを前記センサ部分に向けて導入するガス拡散路を形成する工程とを有する限界電流式ガスセンサの製造方法が提供される。 According to another aspect of the present embodiment, a step of forming a porous electrode in the area of the sensor portion on the substrate via an insulating layer, and a step of forming a solid electrolyte layer on the upper surface of the porous electrode. A step of forming an upper electrode on a surface of the solid electrolyte layer facing the porous electrode, and an upper layer portion of the insulating layer having a predetermined aspect ratio and directing a gas to be measured toward the sensor portion. And a process of forming a gas diffusion path to be introduced as a limiting current type gas sensor.

本実施の形態の他の態様によれば、基板上のセンサ部分の領域に絶縁層を介して多孔質電極を形成する工程と、前記多孔質電極の上面部に固体電解質層を形成する工程と、前記固体電解質層上の、前記多孔質電極に対向する面に上部電極を形成する工程と、所定のアスペクト比を有し、被測定ガスを前記センサ部分に向けて導入するガス拡散路を備えて、前記センサ部分の領域を囲む蓋体を形成すると共に、前記蓋体を前記基板上に取り付ける工程とを有する限界電流式ガスセンサの製造方法が提供される。 According to another aspect of the present embodiment, a step of forming a porous electrode in the area of the sensor portion on the substrate via an insulating layer, and a step of forming a solid electrolyte layer on the upper surface of the porous electrode. A step of forming an upper electrode on a surface of the solid electrolyte layer facing the porous electrode, and a gas diffusion path having a predetermined aspect ratio and introducing a gas to be measured toward the sensor portion. And forming a lid surrounding the region of the sensor portion and mounting the lid on the substrate, a method for manufacturing a limiting current type gas sensor is provided.

本実施の形態の他の態様によれば、上記したいずれかの限界電流式ガスセンサを備えるセンサネットワークシステムが提供される。 According to another aspect of the present embodiment, there is provided a sensor network system including any of the limiting current type gas sensors described above.

本実施の形態によれば、センサ特性を改善できると共に、センサ特性をより安定化できる限界電流式ガスセンサを提供することができる。 According to the present embodiment, it is possible to provide a limiting current type gas sensor that can improve the sensor characteristics and further stabilize the sensor characteristics.

また、本実施の形態によれば、応答速度を改善できる限界電流式ガスセンサを提供することができる。 Further, according to the present embodiment, it is possible to provide a limiting current type gas sensor capable of improving the response speed.

(a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図1(a)のIA−IA線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) The typical plane pattern block diagram of the limiting current type gas sensor which concerns on 1st Embodiment, (b) The schematic cross-section figure of the limiting current type gas sensor which follows the IA-IA line of FIG. 1(a). 第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサに適用されるポーラス電極の形成方法の一例を示す図であって、(a)ポーラス形成膜の成膜工程を示す模式的断面構造図、(b)ポーラス形成膜のエッチング処理工程を示す模式的断面構造図、(c)Pt/Ti積層膜の形成工程を示す模式的断面構造図。It is a figure which shows an example of the formation method of the porous electrode applied to the limiting current type gas sensor which concerns on 1st Embodiment, Comprising: (a) The typical cross-section figure which shows the film-forming process of a porous formation film, (b). ) A schematic cross-sectional structure diagram showing the etching process of the porous film, and (c) a schematic cross-sectional structure diagram showing the formation process of the Pt/Ti laminated film. 第1の実施の形態に係るポーラス酸化膜を適用した限界電流式ガスセンサの温度特性について模式的に示す図。The figure which shows typically the temperature characteristic of the limiting current type gas sensor which applied the porous oxide film which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施の形態に係るポーラス酸化膜を適用した限界電流式ガスセンサの温度特性について概略的に示す図。The figure which shows roughly about the temperature characteristic of the limiting current type gas sensor which applied the porous oxide film which concerns on 1st Embodiment. (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造に適用されるウェーハの模式的平面図、(b)図5(a)のIA0−IA0線に沿うウェーハの模式的断面構造図。(A) A schematic plan view of the wafer applied to manufacture of the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, (b) A schematic cross-sectional structural view of the wafer along the line IA0-IA0 of FIG. 5(a). .. (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図6(a)のIA1−IA1線に沿う模式的断面構造図。FIG. 6A is a schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, and FIG. 6B is a schematic sectional structural view taken along the line IA1-IA1 of FIG. (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図7(a)のIA2−IA2線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step of a method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, (b) a schematic cross-sectional structural view taken along the line IA2-IA2 of FIG. 7(a). (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図8(a)のIA3−IA3線に沿う模式的断面構造図。FIG. 8A is a schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, and FIG. 8B is a schematic sectional structural view taken along the line IA3-IA3 of FIG. (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図9(a)のIA4−IA4線に沿う模式的断面構造図。FIG. 9A is a schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, and FIG. 9B is a schematic sectional structural view taken along the line IA4-IA4 of FIG. 9A. (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図10(a)のIA5−IA5線に沿う模式的断面構造図。FIG. 10A is a schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, and FIG. 10B is a schematic sectional structural view taken along the line IA5-IA5 of FIG. (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図11(a)のIA6−IA6線に沿う模式的断面構造図。FIG. 11A is a schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, and FIG. 11B is a schematic sectional structural view taken along the line IA6-IA6 of FIG. (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図12(a)のIA7−IA7線に沿う模式的断面構造図。FIG. 12A is a schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, and FIG. 12B is a schematic sectional structural view taken along the line IA7-IA7 of FIG. (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図13(a)のIA8−IA8線に沿う模式的断面構造図。13A is a schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, and FIG. 13B is a schematic sectional structural view taken along the line IA8-IA8 of FIG. (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図14(a)のIA9−IA9線に沿う模式的断面構造図。(A) The typical top view which shows 1 process of the manufacturing method of the limiting current type gas sensor which concerns on 1st Embodiment, (b) The typical cross-section figure which follows the IA9-IA9 line of FIG. 14 (a). (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図15(a)のIA10−IA10線に沿う模式的断面構造図。15A is a schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, and FIG. 15B is a schematic sectional structural view taken along the line IA10-IA10 of FIG. (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図16(a)のIA11−IA11線に沿う模式的断面構造図。16A is a schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, and FIG. 16B is a schematic sectional structural view taken along the line IA11-IA11 of FIG. (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図17(a)のIA12−IA12線に沿う模式的断面構造図。17A is a schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, and FIG. 17B is a schematic sectional structural view taken along the line IA12-IA12 of FIG. (a)第1の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図18(a)のIB−IB線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a first modification of the first embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line IB-IB in FIG. 18( a ). Sectional structure diagram. (a)第1の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図19(a)のIC−IC線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a second modification of the first embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the IC-IC line in FIG. 19( a ). Sectional structure diagram. 図19に示した低濃度ドープポリシリコン層の形成方法の一例を示す図であって、(a)ポリシリコン層の形成工程を示す模式的断面構造図、(b)不純物の注入工程を示す模式的断面構造図、(c)パターニング工程を示す模式的断面構造図。FIG. 20A is a diagram showing an example of a method for forming the low-concentration doped polysilicon layer shown in FIG. 19, and is a schematic cross-sectional structure diagram showing a forming step of the polysilicon layer, and a schematic showing an impurity implanting step. Cross-sectional structure diagram, (c) a schematic cross-sectional structure diagram showing the patterning step. 図19に示した低濃度ドープポリシリコン層の構成例を示す図であって、(a)第1の模式的断面構造図、(b)第2の模式的断面構造図、(c)第3の模式的断面構造図、(d)第4の模式的断面構造図、(e)第5の模式的断面構造図。It is a figure which shows the structural example of the low concentration doped polysilicon layer shown in FIG. 19, (a) 1st schematic cross-section structural drawing, (b) 2nd schematic cross-sectional structural drawing, (c) 3rd FIG. 6D is a schematic cross-sectional structure diagram, FIG. 4D is a fourth schematic cross-sectional structure diagram, and FIG. 図19に示した低濃度ドープポリシリコン層の構成例を示す図であって、(a)第6の模式的断面構造図、(b)第7の模式的断面構造図、(c)第8の模式的断面構造図、(d)第9の模式的断面構造図、(e)第10の模式的断面構造図。It is a figure which shows the structural example of the low concentration doped polysilicon layer shown in FIG. 19, (a) 6th schematic sectional structural drawing, (b) 7th schematic sectional structural drawing, (c) 8th. FIG. 9 is a schematic cross-sectional structure diagram of FIG. 9, (d) a ninth schematic cross-sectional structure diagram, and (e) a tenth schematic cross-sectional structure diagram. (a)第1の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図23(a)のID−ID線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a third modification of the first embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the ID-ID line in FIG. 23( a ). Sectional structure diagram. (a)第1の実施の形態の第4変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図24(a)のIE−IE線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a fourth modification of the first embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line IE-IE in FIG. 24( a ). Sectional structure diagram. 面内の温度分布について、(a)図24に示した限界電流式ガスセンサを用いてシミュレーションを行った際の結果を示す模式的鳥瞰構成図、(b)比較例に係る限界電流式ガスセンサを用いてシミュレーションを行った際の結果を示す模式的鳥瞰構成図。Regarding the in-plane temperature distribution, (a) a schematic bird's-eye view configuration diagram showing a result when a simulation is performed using the limiting current type gas sensor shown in FIG. 24, (b) using a limiting current type gas sensor according to a comparative example. FIG. 3 is a schematic bird's-eye view configuration diagram showing a result when a simulation is performed. 低濃度ドープポリシリコン層におけるB、As、Pそれぞれの不純物濃度と熱伝導率との関係の概略特性図。FIG. 6 is a schematic characteristic diagram showing the relationship between the impurity concentrations of B, As, and P and the thermal conductivity in the lightly doped polysilicon layer. 面内の温度分布について、図24に示した限界電流式ガスセンサを用いてシミュレーションを行った際の結果と、比較例に係る限界電流式ガスセンサを用いてシミュレーションを行った際の結果とを対比して示す概略特性図。Concerning the in-plane temperature distribution, the results of a simulation using the limiting current type gas sensor shown in FIG. 24 are compared with the results of a simulation using the limiting current type gas sensor according to the comparative example. FIG. 図24に示した限界電流式ガスセンサの、低濃度ドープポリシリコン層の厚さと面内の温度分布との関係を示す概略特性図。FIG. 25 is a schematic characteristic diagram showing the relationship between the thickness of the lightly doped polysilicon layer and the in-plane temperature distribution of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 24. (a)第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分を示す模式的断面構造図、(b)第2の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分を示す模式的断面構造図、(c)第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分を示す模式的断面構造図、(d)第4の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分を示す模式的断面構造図、(e)第5の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分を示す模式的断面構造図、(f)第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分を示す模式的断面構造図。(A) A schematic cross-sectional structure diagram showing a sensor portion of the limiting-current type gas sensor according to the first embodiment, and (b) a schematic cross-sectional structure showing a sensor portion of the limiting-current type gas sensor according to the second embodiment. FIG. 6C is a schematic cross-sectional structure diagram showing the sensor portion of the limiting current type gas sensor according to the third embodiment, and FIG. 6D is a schematic sectional view showing the sensor portion of the limiting current type gas sensor according to the fourth embodiment. Sectional structural drawing, (e) Schematic sectional structural view showing the sensor part of the limiting current type gas sensor according to the fifth embodiment, (f) showing the sensor part of the limiting current type gas sensor according to the sixth embodiment. FIG. (a)第2の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図30(a)のIIA−IIA線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) The typical plane pattern block diagram of the limiting current type gas sensor which concerns on 2nd Embodiment, (b) The schematic cross-section figure of the limiting current type gas sensor which follows the IIA-IIA line of FIG. 30(a). (a)第2の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図31(a)のIIB−IIB線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a first modified example of the second embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line IIB-IIB in FIG. 31( a ). Sectional structure diagram. (a)第2の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図32(a)のIIC−IIC線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a second modification of the second embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line IIC-IIC in FIG. 32( a ). Sectional structure diagram. (a)第2の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図33(a)のIID−IID線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a third modification of the second embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the IID-IID line in FIG. 33( a ). Sectional structure diagram. (a)第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図34(a)のIIIA−IIIA線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。34A is a schematic plan pattern configuration diagram of the limiting current type gas sensor according to the third embodiment, and FIG. 34B is a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor along the line IIIA-IIIA in FIG. (a)第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図35(a)のIIIA1−IIIA1線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step of a method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the third embodiment, (b) a schematic cross-sectional structural view taken along the line IIIA1-IIIA1 of FIG. 35(a). (a)第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図36(a)のIIIA2−IIIA2線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the third embodiment, (b) a schematic cross-sectional structural view taken along the line IIIA2-IIIA2 of FIG. 36(a). (a)第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図37(a)のIIIA3−IIIA3線に沿う模式的断面構造図。(A) The schematic plan view which shows 1 process of the manufacturing method of the limiting current type gas sensor which concerns on 3rd Embodiment, (b) The schematic cross-section figure which follows the IIIA3-IIIA3 line of FIG. 37 (a). (a)第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図38(a)のIIIA4−IIIA4線に沿う模式的断面構造図。38A is a schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the third embodiment, and FIG. 38B is a schematic sectional structural view taken along line IIIA4-IIIA4 of FIG. 38A. (a)第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図39(a)のIIIA5−IIIA5線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the third embodiment, (b) a schematic cross-sectional structural view taken along the line IIIA5-IIIA5 of FIG. 39(a). (a)第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図40(a)のIIIA6−IIIA6線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the third embodiment, (b) a schematic cross-sectional structural view taken along the line IIIA6-IIIA6 of FIG. 40(a). (a)第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図41(a)のIIIA7−IIIA7線に沿う模式的断面構造図。41A is a schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the third embodiment, and FIG. 41B is a schematic sectional structural view taken along the line IIIA7-IIIA7 in FIG. 41A. (a)第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図42(a)のIIIA8−IIIA8線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the third embodiment, (b) A schematic cross-sectional structural view taken along the line IIIA8-IIIA8 of FIG. 42(a). (a)第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、(b)図43(a)のIIIA9−IIIA9線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step of a method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the third embodiment, (b) a schematic cross-sectional structural view taken along the line IIIA9-IIIA9 of FIG. 43(a). (a)第3の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図44(a)のIIIB−IIIB線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a first modified example of the third embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line IIIB-IIIB in FIG. 44( a ). Sectional structure diagram. (a)第3の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図45(a)のIIIC−IIIC線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a second modification of the third embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line IIIC-IIIC in FIG. 45(a). Sectional structure diagram. (a)第3の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図46(a)のIIID−IIID線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a third modification of the third embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line IIID-IIID in FIG. 46(a). Sectional structure diagram. (a)第3の実施の形態の第4変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図47(a)のIIIE−IIIE線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a fourth modification of the third embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line IIIE-IIIE in FIG. 47(a). Sectional structure diagram. (a)第3の実施の形態の第5変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図48(a)のIIIF−IIIF線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a fifth modified example of the third embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line IIIF-IIIF in FIG. 48( a ). Sectional structure diagram. (a)第4の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図49(a)のIVA−IVA線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) The schematic plane pattern block diagram of the limiting current type gas sensor which concerns on 4th Embodiment, (b) The schematic cross-section figure of the limiting current type gas sensor which follows the IVA-IVA line of FIG. 49(a). (a)第4の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図50(a)のIVB−IVB線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a first modification of the fourth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line IVB-IVB in FIG. 50( a ). Sectional structure diagram. (a)第4の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図51(a)のIVC−IVC線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a second modification of the fourth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line IVC-IVC in FIG. 51( a ). Sectional structure diagram. (a)第4の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図52(a)のIVD−IVD線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a third modification of the fourth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line IVD-IVD in FIG. 52( a ). Sectional structure diagram. (a)第4の実施の形態の第4変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図53(a)のIVE−IVE線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a fourth modification of the fourth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the IVE-IVE line in FIG. 53( a ). Sectional structure diagram. (a)第4の実施の形態の第5変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図54(a)のIVF−IVF線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a fifth modification of the fourth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the IVF-IVF line in FIG. 54(a). Sectional structure diagram. (a)第4の実施の形態の第6変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図55(a)のIVG−IVG線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a sixth modified example of the fourth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the IVG-IVG line in FIG. 55(a). Sectional structure diagram. (a)第4の実施の形態の第7変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図56(a)のIVH−IVH線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a seventh modified example of the fourth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the IVH-IVH line of FIG. 56( a ). Sectional structure diagram. (a)第5の実施の形態の第1実施例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図57(a)のVA1−VA1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a first example of the fifth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line VA1-VA1 of FIG. 57(a) Sectional structure diagram. (a)図57に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図58(a)のVA2−VA2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 57, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along the line VA2-VA2 of FIG. 58(a) .. (a)第5の実施の形態の第1実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図59(a)のVB1−VB1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a first modification of the first example of the fifth embodiment, (b) a limiting current type along the line VB1-VB1 in FIG. 59(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図59に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図60(a)のVB2−VB2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 59, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor along the line VB2-VB2 of FIG. 60(a) .. (a)第5の実施の形態の第1実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図61(a)のVC1−VC1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 2 of the first example of the fifth embodiment, (b) a limiting current type along the line VC1-VC1 of FIG. 61(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図61に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図62(a)のVC2−VC2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 61, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor along the line VC2-VC2 of FIG. 62(a) .. (a)第5の実施の形態の第1実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図63(a)のVD1−VD1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 3 of the first example of the fifth embodiment, (b) a limiting current type along the line VD1-VD1 in FIG. 63(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図63に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図64(a)のVD2−VD2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 63, (b) A schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along line VD2-VD2 of FIG. 64(a) .. (a)第5の実施の形態の第2実施例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図65(a)のVE1−VE1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a second example of the fifth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line VE1-VE1 of FIG. Sectional structure diagram. (a)図65に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図66(a)のVE2−VE2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 65, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along the line VE2-VE2 of FIG. 66(a) .. (a)第5の実施の形態の第2実施例の変形例1に係る限界電流式ガスンサの模式的平面パターン構成図、(b)図67(a)のVF1−VF1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a modification 1 of the second example of the fifth embodiment, (b) a limiting current type along the line VF1-VF1 of FIG. 67(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図67に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図68(a)のVF2−VF2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 67, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along the line VF2-VF2 of FIG. 68(a) .. (a)第5の実施の形態の第2実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図69(a)のVG1−VG1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 2 of the second example of the fifth embodiment, (b) a limiting current type along the line VG1-VG1 in FIG. 69(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図69に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図70(a)のVG2−VG2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 69, (b) a schematic sectional structure diagram of the limiting current type gas sensor along the line VG2-VG2 in FIG. 70(a) .. (a)第5の実施の形態の第2実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図71(a)のVH1−VH1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 3 of the second example of the fifth embodiment, (b) a limiting current type along the line VH1-VH1 of FIG. 71(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図71に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図72(a)のVH2−VH2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 71, (b) A schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor along the line VH2-VH2 in FIG. 72(a) .. (a)第5の実施の形態の第3実施例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図73(a)のVJ1−VJ1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a third example of the fifth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line VJ1-VJ1 in FIG. 73(a) Sectional structure diagram. (a)図73に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図74(a)のVJ2−VJ2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 73, (b) A schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along the line VJ2-VJ2 of FIG. 74(a) .. (a)第5の実施の形態の第3実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図75(a)のVK1−VK1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram of a limiting-current type gas sensor according to Modification 1 of the third example of the fifth embodiment, (b) a limiting-current type along the line VK1-VK1 of FIG. 75(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図75に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図76(a)のVK2−VK2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 75, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor along the line VK2-VK2 of FIG. 76(a) .. (a)第5の実施の形態の第3実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図77(a)のVL1−VL1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram of a limiting-current type gas sensor according to Modification 2 of the third example of the fifth embodiment, (b) a limiting-current type along the line VL1-VL1 in FIG. 77(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図77に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図78(a)のVL2−VL2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 77, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along the line VL2-VL2 of FIG. 78(a) .. (a)第5の実施の形態の第3実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図79(a)のVM1−VM1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 3 of the third example of the fifth embodiment, (b) a limiting current type along the VM1-VM1 line of FIG. 79(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図79に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図80(a)のVM2−VM2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 79, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor along the VM2-VM2 line of FIG. 80(a) .. (a)第6の実施の形態の第1実施例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図81(a)のVIA1−VIA1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of the limiting current type gas sensor according to the first example of the sixth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the VIA1-VIA1 line in FIG. 81(a) Sectional structure diagram. (a)図81に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図82(a)のVIA2−VIA2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 81, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along the line VIA2-VIA2 of FIG. 82(a) .. (a)第6の実施の形態の第1実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図83(a)のVIB1−VIB1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 1 of the first example of the sixth embodiment, (b) a limiting current type along line VIB1-VIB1 of FIG. 83(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図83に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図84(a)のVIB2−VIB2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 83, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along line VIB2-VIB2 of FIG. 84(a) .. (a)第6の実施の形態の第1実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図85(a)のVIC1−VIC1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 2 of the first example of the sixth embodiment, (b) a limiting current type along the line VIC1-VIC1 of FIG. 85(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図85に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図86(a)のVIC2−VIC2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 85, (b) A schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along line VIC2-VIC2 of FIG. 86(a) .. (a)第6の実施の形態の第1実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図87(a)のVID1−VID1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 3 of the first example of the sixth embodiment, (b) a limiting current type along the line VID1-VID1 in FIG. 87(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図87に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図88(a)のVID2−VID2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 87, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor along the line VID2-VID2 of FIG. 88(a) .. (a)第6の実施の形態の第2実施例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図89(a)のVIE1−VIE1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a second example of the sixth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the VIE1-VIE1 line in FIG. 89(a) Sectional structure diagram. (a)図89に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図90(a)のVIE2−VIE2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 89, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along line VIE2-VIE2 of FIG. 90(a) .. (a)第6の実施の形態の第2実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図91(a)のVIF1−VIF1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a modification 1 of the second example of the sixth embodiment, (b) a limiting current type along the line VIF1-VIF1 in FIG. 91(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図91に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図92(a)のVIF2−VIF2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 91, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along the line VIF2-VIF2 of FIG. 92(a) .. (a)第6の実施の形態の第2実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図93(a)のVIG1−VIG1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 2 of the second example of the sixth embodiment, (b) a limiting current type along the line VIG1-VIG1 in FIG. 93(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図93に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図94(a)のVIG2−VIG2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 93, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along the line VIG2-VIG2 of FIG. 94(a) .. (a)第6の実施の形態の第2実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図95(a)のVIH1−VIH1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 3 of the second example of the sixth embodiment, (b) a limiting current type along the line VIH1-VIH1 of FIG. 95(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図95に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図96(a)のVIH2−VIH2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 95, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along line VIH2-VIH2 of FIG. 96(a) .. (a)第6の実施の形態の第3実施例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図97(a)のVIJ1−VIJ1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a third example of the sixth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line VIJ1-VIJ1 in FIG. 97(a) Sectional structure diagram. (a)図97に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図98(a)のVIJ2−VIJ2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 97, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along line VIJ2-VIJ2 of FIG. 98(a) .. (a)第6の実施の形態の第3実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図99(a)のVIK1−VIK1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 1 of the third example of the sixth embodiment, (b) a limiting current type along the line VIK1-VIK1 of FIG. 99(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図99に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図100(a)のVIK2−VIK2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 99, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along line VIK2-VIK2 of FIG. 100(a) .. (a)第6の実施の形態の第3実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図101(a)のVIL1−VIL1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 2 of the third example of the sixth embodiment, (b) a limiting current type along the line VIL1-VIL1 of FIG. 101(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図101に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図102(a)のVIL2−VIL2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 101, (b) A schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor taken along the line VIL2-VIL2 of FIG. 102(a) .. (a)第6の実施の形態の第3実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図103(a)のVIM1−VIM1線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to Modification 3 of the third example of the sixth embodiment, (b) a limiting current type along the line VIM1-VIM1 of FIG. 103(a). The schematic cross-section figure of a gas sensor. (a)図103に示した限界電流式ガスセンサの他の構成を示す模式的平面パターン構成図、(b)図104(a)のVIM2−VIM2線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plane pattern configuration diagram showing another configuration of the limiting current type gas sensor shown in FIG. 103, (b) a schematic cross-sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor along the line VIM2-VIM2 of FIG. 104(a) .. 本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを用いてガス濃度を検出する動作を示すフローチャート図。The flowchart figure which shows the operation|movement which detects gas concentration using the limiting current type gas sensor which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、ガス濃度検出動作におけるYSZ温度と時間との関係を示す模式図。The schematic diagram which shows the relationship between YSZ temperature and time in gas concentration detection operation|movement in the limiting current type gas sensor which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの動作原理を説明する模式的断面構造図。FIG. 3 is a schematic cross-sectional structure diagram illustrating the operating principle of the limiting current type gas sensor according to the present embodiment. 本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、酸素イオン(O2-)のホッピング伝導を説明するエネルギーダイアグラム。3 is an energy diagram illustrating hopping conduction of oxygen ions (O 2− ) in the limiting current type gas sensor according to the present embodiment. 本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、電流―電圧特性の模式的説明図。FIG. 3 is a schematic explanatory diagram of current-voltage characteristics in the limiting current type gas sensor according to the present embodiment. 本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、イオン伝導を説明する模式的断面図。In the limiting current type gas sensor according to the present embodiment, a schematic cross-sectional view for explaining ionic conduction. 本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを収容するパッケージの蓋を示す模式的鳥瞰構成(斜視)図。The typical bird's-eye view composition (perspective view) showing the lid of the package which stores the limiting current type gas sensor concerning this embodiment. 本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを収容するパッケージの本体を示す模式的鳥瞰構成(斜視)図。The typical bird's-eye view composition (perspective view) showing the body of the package which stores the limiting current type gas sensor concerning this embodiment. 本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを示す模式的ブロック構成図。The schematic block block diagram which shows the limiting current type gas sensor which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを搭載するセンサパッケージの模式的ブロック構成図。The typical block block diagram of the sensor package which mounts the limiting current type gas sensor which concerns on this Embodiment. 本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを適用したセンサネットワークの模式的ブロック構成図。The typical block block diagram of the sensor network to which the limiting current type gas sensor which concerns on this Embodiment is applied. (a)第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図116(a)のIA−IA線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。116A is a schematic plan pattern configuration diagram of the limiting current type gas sensor according to the seventh embodiment, and FIG. 116B is a schematic sectional structural diagram of the limiting current type gas sensor along the line IA-IA in FIG. 116A. 第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの要部を示す模式的断面構造図。The typical cross section structure figure showing the important section of the limiting current type gas sensor concerning a 7th embodiment. 第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおける、(a)Pt+YSZ粒子混合層の基本構造を説明するために示す模式的断面構造図、(b)Pt+YSZ粒子混合層の基本構造を説明するために示す別の模式的断面構造図、(c)Pt+YSZ粒子混合層の基本構造を説明するために示すさらに別の模式的断面構造図。In the limiting current type gas sensor according to the seventh embodiment, (a) a schematic cross-sectional structure diagram for explaining the basic structure of the Pt+YSZ particle mixed layer, (b) for explaining the basic structure of the Pt+YSZ particle mixed layer. 3C is another schematic cross-sectional structure diagram, and (c) is another schematic cross-sectional structure diagram shown for explaining the basic structure of the Pt+YSZ particle mixed layer. 第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおける、Pt+YSZ粒子混合層の基本特性を説明するためのものであって、(a)Pt+YSZ粒子混合層が存在する場合を例に示す模式図、(b)比較のために、Pt+YSZ粒子混合層が存在しない場合を例に示す模式図。In order to explain the basic characteristics of the Pt+YSZ particle mixed layer in the limiting current type gas sensor according to the seventh embodiment, (a) a schematic view showing an example in which a Pt+YSZ particle mixed layer is present, b) A schematic view showing, as an example, a case where a Pt+YSZ particle mixed layer does not exist for comparison. 第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおける、Pt+YSZ粒子混合層の基本特性を説明するために、Pt+YSZ粒子混合層が存在する場合と存在しない場合とを対比して示す模式図。FIG. 13 is a schematic diagram showing the case where a Pt+YSZ particle mixed layer is present and the case where no Pt+YSZ particle mixed layer is present in order to explain the basic characteristics of the Pt+YSZ particle mixed layer in the limiting current type gas sensor according to the seventh embodiment. (a)第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その1)を示す模式的平面図、(b)図121(a)のIB−IB線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (1) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the seventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IB-IB in FIG. 121(a) Structural drawing. (a)第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その2)を示す模式的平面図、(b)図122(a)のIC−IC線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 2) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the seventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IC-IC of FIG. 122(a) Structural drawing. (a)第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その3)を示す模式的平面図、(b)図123(a)のID−ID線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 3) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the seventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line ID-ID of FIG. 123(a) Structural drawing. (a)第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その4)を示す模式的平面図、(b)図124(a)のIE−IE線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (4) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the seventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IE-IE of FIG. 124(a). Structural drawing. (a)第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その5)を示す模式的平面図、(b)図125(a)のIF−IF線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 5) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the seventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IF-IF of FIG. 125(a). Structural drawing. (a)第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その6)を示す模式的平面図、(b)図126(a)のIG−IG線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing a step (No. 6) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the seventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IG-IG of FIG. 126(a) Structural drawing. (a)第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その7)を示す模式的平面図、(b)図127(a)のIH−IH線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 7) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the seventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IH-IH of FIG. 127(a). Structural drawing. (a)第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その8)を示す模式的平面図、(b)図128(a)のIJ−IJ線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (8) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the seventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IJ-IJ of FIG. 128(a) Structural drawing. 第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram of the limiting current type gas sensor which concerns on 8th Embodiment. 第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分の拡大された模式的平面パターン構成図。The schematic plane pattern block diagram which expanded the sensor part of the limiting current type gas sensor which concerns on 8th Embodiment. 図130のIIA−IIA線に沿う模式的断面構造図。FIG. 130 is a schematic cross-sectional structure diagram taken along the line IIA-IIA in FIG. 130. (a)第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その1)を示す模式的平面図、(b)図132(a)のIIB−IIB線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (1) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eighth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIB-IIB of FIG. 132(a) Structural drawing. (a)第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その2)を示す模式的平面図、(b)図133(a)のIIC−IIC線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (2) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eighth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIC-IIC of FIG. 133(a). Structural drawing. (a)第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その3)を示す模式的平面図、(b)図134(a)のIID−IID線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (3) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eighth embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IID-IID of FIG. 134(a) Structural drawing. (a)第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その4)を示す模式的平面図、(b)図135(a)のIIE−IIE線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 4) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eighth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIE-IIE of FIG. 135(a) Structural drawing. (a)第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その5)を示す模式的平面図、(b)図136(a)のIIF−IIF線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 5) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eighth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIF-IIF of FIG. 136(a) Structural drawing. (a)第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その6)を示す模式的平面図、(b)図137(a)のIIG−IIG線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (6) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eighth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIG-IIG of FIG. 137(a). Structural drawing. (a)第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その7)を示す模式的平面図、(b)図138(a)のIIH−IIH線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (7) of the method of manufacturing a limiting current type gas sensor according to the eighth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIH-IIH of FIG. 138(a). Structural drawing. 第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その8)を示すもので、図138(a)のIIH−IIH線に沿う模式的断面構造図。138 shows one step (No. 8) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eighth embodiment, and is a schematic cross-sectional structure view taken along the line IIH-IIH in FIG. 138(a). 第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図。The typical plane pattern block diagram of the limiting current type gas sensor which concerns on 9th Embodiment. 第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その1)を示す模式的平面図。The schematic plan view which shows 1 process (the 1) of the manufacturing method of the limiting current type gas sensor which concerns on 9th Embodiment. 第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その2)を示す模式的平面図。The schematic plan view which shows 1 process (the 2) of the manufacturing method of the limiting current type gas sensor which concerns on 9th Embodiment. 第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その3)を示す模式的平面図。The schematic plan view which shows 1 process (3) of the manufacturing method of the limiting current type gas sensor which concerns on 9th Embodiment. 第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その4)を示す模式的平面図。The schematic plan view which shows 1 process (the 4) of the manufacturing method of the limiting current type gas sensor which concerns on 9th Embodiment. 第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その5)を示す模式的平面図。The schematic plan view which shows 1 process (the 5) of the manufacturing method of the limiting current type gas sensor which concerns on 9th Embodiment. 第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その6)を示す模式的平面図。The schematic plan view which shows 1 process (the 6) of the manufacturing method of the limiting current type gas sensor which concerns on 9th Embodiment. (a)本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(梁構造形成工程)を示す模式的断面構造図、(b)本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(別の梁構造形成工程)を示す模式的断面構造図。(A) A schematic cross-sectional structure diagram showing one step (beam structure forming step) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the present embodiment, (b) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the present embodiment The schematic cross-section figure which shows 1 process (another beam structure formation process). (a)本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの梁構造のレイアウト図(上面図)、(b)図148(a)のIIIA−IIIA線に沿う模式的断面構造図。(A) Layout diagram (top view) of the beam structure of the limiting current type gas sensor according to the present embodiment, (b) A schematic cross-sectional structure diagram taken along the line IIIA-IIIA in FIG. 148(a). (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図149(a)のIA−IA線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) The typical plane pattern block diagram of the limiting current type gas sensor which concerns on 10th Embodiment, (b) The schematic cross-section figure of the limiting current type gas sensor which follows the IA-IA line of FIG. 149 (a). (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その1)を示す模式的平面図、(b)図150(a)のIB−IB線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (1) of the method of manufacturing a limiting current type gas sensor according to the tenth embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IB-IB of FIG. 150(a) Structural drawing. (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その2)を示す模式的平面図、(b)図151(a)のIC−IC線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 2) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the tenth embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IC-IC in FIG. 151(a) Structural drawing. (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その3)を示す模式的平面図、(b)図152(a)のID−ID線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 3) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the tenth embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line ID-ID of FIG. 152(a) Structural drawing. (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その4)を示す模式的平面図、(b)図153(a)のIE−IE線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 4) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the tenth embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IE-IE of FIG. 153(a). Structural drawing. (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その5)を示す模式的平面図、(b)図154(a)のIF−IF線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (5) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the tenth embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IF-IF of FIG. 154(a) Structural drawing. (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その6)を示す模式的平面図、(b)図155(a)のIG−IG線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (6) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the tenth embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IG-IG of FIG. 155(a) Structural drawing. (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その7)を示す模式的平面図、(b)図156(a)のIH−IH線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (7) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the tenth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IH-IH of FIG. 156(a) Structural drawing. (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その8)を示す模式的平面図、(b)図157(a)のIJ−IJ線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (8) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the tenth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IJ-IJ of FIG. 157(a) Structural drawing. (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その9)を示す模式的平面図、(b)図158(a)のIK−IK線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (9) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the tenth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IK-IK of FIG. 158(a) Structural drawing. (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その10)を示す模式的平面図、(b)図159(a)のIL−IL線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (10) of the method of manufacturing a limiting current type gas sensor according to the tenth embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IL-IL of FIG. 159(a) Structural drawing. (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その11)を示す模式的平面図、(b)図160(a)のIM−IM線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (11) of the method of manufacturing a limiting current type gas sensor according to the tenth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IM-IM of FIG. 160(a) Structural drawing. (a)第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その12)を示す模式的平面図、(b)図161(a)のIN−IN線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (12) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the tenth embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IN-IN of FIG. 161(a) Structural drawing. (a)第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図162(a)のIIA−IIA線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) The typical plane pattern block diagram of the limiting current type gas sensor which concerns on 11th Embodiment, (b) The typical cross-section structural drawing of the limiting current type gas sensor which follows the IIA-IIA line of FIG. 162 (a). (a)第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その1)を示す模式的平面図、(b)図163(a)のIIB−IIB線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (1) of the method of manufacturing a limiting current type gas sensor according to the eleventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIB-IIB of FIG. 163(a). Structural drawing. (a)第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その2)を示す模式的平面図、(b)図164(a)のIIC−IIC線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 2) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eleventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIC-IIC of FIG. 164(a). Structural drawing. (a)第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その3)を示す模式的平面図、(b)図165(a)のIID−IID線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 3) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eleventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IID-IID of FIG. 165(a) Structural drawing. (a)第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その4)を示す模式的平面図、(b)図166(a)のIIE−IIE線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 4) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eleventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIE-IIE of FIG. 166(a). Structural drawing. (a)第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その5)を示す模式的平面図、(b)図167(a)のIIF−IIF線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 5) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eleventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IIF-IIF of FIG. 167(a). Structural drawing. (a)第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その6)を示す模式的平面図、(b)図168(a)のIIG−IIG線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing a step (6) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eleventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIG-IIG of FIG. 168(a). Structural drawing. (a)第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その7)を示す模式的平面図、(b)図169(a)のIIH−IIH線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (7) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eleventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIH-IIH of FIG. 169(a). Structural drawing. (a)第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その8)を示す模式的平面図、(b)図170(a)のIIJ−IIJ線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (8) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eleventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIJ-IIJ of FIG. 170(a) Structural drawing. (a)第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その9)を示す模式的平面図、(b)図171(a)のIIK−IIK線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (9) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eleventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIK-IIK of FIG. 171(a) Structural drawing. (a)第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その10)を示す模式的平面図、(b)図172(a)のIIL−IIL線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (10) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eleventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along the line IIL-IIL of FIG. 172(a). Structural drawing. (a)第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その11)を示す模式的平面図、(b)図173(a)のIIM−IIM線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (11) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the eleventh embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIM-IIM of FIG. 173(a). Structural drawing. (a)第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図174(a)のIIIA−IIIA線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) The typical plane pattern block diagram of the limiting current type gas sensor which concerns on 12th Embodiment, (b) The typical cross-section structural drawing of the limiting current type gas sensor which follows the IIIA-IIIA line of FIG. 174 (a). (a)第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その1)を示す模式的平面図、(b)図175(a)のIIIB−IIIB線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 1) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the twelfth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIIB-IIIB of FIG. 175(a) Structural drawing. (a)第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その2)を示す模式的平面図、(b)図176(a)のIIIC−IIIC線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 2) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the twelfth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIIC-IIIC of FIG. 176(a) Structural drawing. (a)第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その3)を示す模式的平面図、(b)図177(a)のIIID−IIID線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 3) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the twelfth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIID-IIID of FIG. 177(a). Structural drawing. (a)第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その4)を示す模式的平面図、(b)図178(a)のIIIE−IIIE線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 4) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the twelfth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIIE-IIIE in FIG. 178(a) Structural drawing. (a)第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その5)を示す模式的平面図、(b)図179(a)のIIIF−IIIF線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (5) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the twelfth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIIF-IIIF in FIG. 179(a) Structural drawing. (a)第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その6)を示す模式的平面図、(b)図180(a)のIIIG−IIIG線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (6) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the twelfth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIIG-IIIG in FIG. 180(a) Structural drawing. (a)第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その7)を示す模式的平面図、(b)図181(a)のIIIH−IIIH線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (7) of the method of manufacturing a limiting current type gas sensor according to the twelfth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIIH-IIIH of FIG. 181(a) Structural drawing. (a)第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その8)を示す模式的平面図、(b)図182(a)のIIIJ−IIIJ線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (8) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the twelfth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIIJ-IIIJ of FIG. 182(a) Structural drawing. (a)第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その9)を示す模式的平面図、(b)図183(a)のIIIK−IIIK線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (9) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the twelfth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIIK-IIIK of FIG. 183(a) Structural drawing. (a)第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その10)を示す模式的平面図、(b)図184(a)のIIIL−IIIL線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (10) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor according to the twelfth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIIL-IIIL of FIG. 184(a) Structural drawing. (a)第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程(その11)を示す模式的平面図、(b)図185(a)のIIIM−IIIM線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (11) of the method of manufacturing a limiting current type gas sensor according to the twelfth embodiment, (b) a schematic cross section taken along line IIIM-IIIM of FIG. 185(a) Structural drawing. (a)第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図186(a)のIVA−IVA線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a first modified example of the twelfth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the IVA-IVA line in FIG. 186(a). Sectional structure diagram. (a)第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサにおける蓋体の製造方法の一工程(その1)を示す模式的平面図、(b)図187(a)のIVB−IVB線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (1) of the method of manufacturing the lid in the limiting current type gas sensor according to the first modification of the twelfth embodiment, (b) the IVB of FIG. 187(a). -A schematic cross-sectional structural view taken along the line IVB. (a)第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサにおける蓋体の製造方法の一工程(その2)を示す模式的平面図、(b)図188(a)のIVC−IVC線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (No. 2) of the method of manufacturing the lid in the limiting current type gas sensor according to the first modification of the twelfth embodiment, (b) the IVC of FIG. 188(a). -A schematic cross-sectional structural view taken along the line IVC. (a)第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサにおける蓋体の製造方法の一工程(その3)を示す模式的平面図、(b)図189(a)のIVD−IVD線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (3) of the method of manufacturing the lid in the limiting current type gas sensor according to the first modification of the twelfth embodiment, (b) the IVD of FIG. 189(a). -A schematic cross-sectional structural view taken along the line IVD. (a)第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサにおける蓋体の製造方法の一工程(その4)を示す模式的平面図、(b)図190(a)のIVE−IVE線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (part 4) of the method of manufacturing the lid body in the limiting current type gas sensor according to the first modification of the twelfth embodiment, (b) the IVE of FIG. 190(a). -A schematic cross-sectional structure diagram along the IVE line. (a)第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサにおける蓋体の製造方法の一工程(その5)を示す模式的平面図、(b)図191(a)のIVF−IVF線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing a step (5) of the method of manufacturing the lid body in the limiting current type gas sensor according to the first modification of the twelfth embodiment, (b) the IVF of FIG. 191(a). -A schematic cross-sectional structural view taken along the line IVF. (a)第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサにおける蓋体の製造方法の一工程(その6)を示す模式的平面図、(b)図192(a)のIVG−IVG線に沿う模式的断面構造図。(A) A schematic plan view showing one step (6) of the method of manufacturing the lid in the limiting current type gas sensor according to the first modified example of the twelfth embodiment, (b) the IVG of FIG. 192(a). -A schematic cross-sectional structural view taken along the line IVG. (a)第12の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図193(a)のVA−VA線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a second modification of the twelfth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the line VA-VA in FIG. 193(a). Sectional structure diagram. (a)第12の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図、(b)図194(a)のVIA−VIA線に沿う限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。(A) A schematic plan pattern configuration diagram of a limiting current type gas sensor according to a third modified example of the twelfth embodiment, (b) a schematic diagram of the limiting current type gas sensor along the VIA-VIA line in FIG. 194(a). Sectional structure diagram.

次に、図面を参照して、実施の形態について説明する。なお、図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。 Next, embodiments will be described with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or similar parts are designated by the same or similar reference numerals. However, it should be noted that the drawings are schematic and the relationship between the thickness and the plane dimension, the ratio of the thickness of each layer, and the like are different from the actual ones. Therefore, the specific thickness and dimensions should be determined in consideration of the following description. Further, it is needless to say that the drawings include portions in which dimensional relationships and ratios are different from each other.

また、以下に示す実施の形態は、技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。各実施の形態は、特許請求の範囲内において、種々の変更を加えることができる。 Further, the embodiments described below exemplify devices and methods for embodying the technical idea, and do not specify the material, shape, structure, arrangement, etc. of component parts to the following. .. Various modifications can be added to the respective embodiments within the scope of the claims.

なお、以下にする第1〜第12の実施の形態の説明のうち、第1〜第6の実施の形態の説明においては、便宜上、各図面の下部電極28D側から上部電極28U側に至る方向を上方(上方向)、その逆を下方(下方向)と定義する。同様に、第7〜第12の実施の形態の説明においては、便宜上、各図面の多孔質電極5D側から緻密電極5U側に至る方向を上方、その逆を下方と定義する。 In the following description of the first to twelfth embodiments, in the description of the first to sixth embodiments, the direction from the lower electrode 28D side to the upper electrode 28U side in each drawing is shown for convenience. Is defined as upward (upward), and vice versa is defined as downward (downward). Similarly, in the description of the seventh to twelfth embodiments, for convenience, the direction from the porous electrode 5D side to the dense electrode 5U side in each drawing is defined as the upper side and the opposite direction is defined as the lower side.

また、面直方向とは、限界電流式ガスセンサの平面パターンに対して、平面視において実質的に鉛直方向をいう。また、面内方向とは、限界電流式ガスセンサの平面パターンに対して、実質的に同一の平面方向をいう。 Further, the vertical direction means a substantially vertical direction in a plan view with respect to the plane pattern of the limiting current type gas sensor. Further, the in-plane direction means substantially the same plane direction as the plane pattern of the limiting current type gas sensor.

(第1〜第6の実施の形態)
本実施の形態は、限界電流式ガスセンサのセンサ部分SPの構造に応じて、例えば、第1〜第6の実施の形態に大別される。
(First to sixth embodiments)
This embodiment is roughly classified into, for example, first to sixth embodiments according to the structure of the sensor portion SP of the limiting current gas sensor.

第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分SPは、図29(a)に模式的に示すように、被測定ガスGSを取込むガス導入路となるポーラス酸化膜(多孔質膜)51と、ポーラス酸化膜51上に配置された下部電極28Dと、ポーラス酸化膜51および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 The sensor portion SP of the limiting current type gas sensor according to the first embodiment is, as schematically shown in FIG. 29A, a porous oxide film (a porous film) serving as a gas introduction path for taking in the gas to be measured GS. ) 51, a lower electrode 28D disposed on the porous oxide film 51, a solid electrolyte layer 30 disposed so as to cover the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D, and a solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D. And an upper electrode 28U disposed in the.

第2の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分SPは、図29(b)に模式的に示すように、被測定ガスGSを取込むガス導入路となるポーラスPt膜(多孔質膜)61と、ポーラスPt膜61上に配置された下部電極28Dと、ポーラスPt膜61および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 As schematically shown in FIG. 29B, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor according to the second embodiment has a porous Pt film (porous film) serving as a gas introduction path for taking in the gas GS to be measured. ) 61, the lower electrode 28D arranged on the porous Pt film 61, the solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the porous Pt film 61 and the lower electrode 28D, and the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D. And an upper electrode 28U disposed in the.

第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分SPは、図29(c)に模式的に示すように、被測定ガスGSを取込むガス導入路となるガス拡散路MP上に配置された下部電極28Dと、下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 The sensor portion SP of the limiting current type gas sensor according to the third embodiment is arranged on a gas diffusion path MP which is a gas introduction path for taking in the measured gas GS, as schematically shown in FIG. 29(c). Lower electrode 28D, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover lower electrode 28D, and an upper electrode 28U arranged on solid electrolyte layer 30 facing lower electrode 28D.

第4の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分SPは、図29(d)に模式的に示すように、被測定ガスGSを取込むガス導入路となるガス拡散路MP上に配置されたポーラス酸化膜(多孔質膜)71と、ポーラス酸化膜71上に配置された下部電極28Dと、ポーラス酸化膜71および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 The sensor portion SP of the limiting current type gas sensor according to the fourth embodiment is arranged on a gas diffusion path MP which is a gas introduction path for taking in the gas GS to be measured, as schematically shown in FIG. 29(d). Porous oxide film (porous film) 71, a lower electrode 28D arranged on the porous oxide film 71, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the porous oxide film 71 and the lower electrode 28D, and a lower electrode 28D, and the upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing 28D.

第5の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分SPは、図29(e)に模式的に示すように、被測定ガスGSを取込むガス導入路(図示省略)とガス導入路上に配置された柱状膜(柱状部)とからなるガス取込部303と、ガス取込部303上に配置された下部電極28Dと、ガス取込部303および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 The sensor portion SP of the limiting current type gas sensor according to the fifth embodiment has a gas introduction path (not shown) for taking in the gas GS to be measured and a gas introduction path, as schematically shown in FIG. 29(e). The gas intake part 303 including the columnar film (columnar part) arranged, the lower electrode 28D arranged on the gas intake part 303, and the gas intake part 303 and the lower electrode 28D were arranged so as to be covered. The solid electrolyte layer 30 and the upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D are provided.

第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分SPは、図29(f)に模式的に示すように、被測定ガスGSを取込むガス導入路(図示省略)とガス導入路上に配置された多孔質膜(柱状部)とからなるガス取込部305と、ガス取込部305上に配置された下部電極28Dと、ガス取込部305および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 The sensor portion SP of the limiting current type gas sensor according to the sixth embodiment is, as schematically shown in FIG. 29(f), on a gas introduction path (not shown) for taking in the measured gas GS and on the gas introduction path. A gas intake part 305 composed of an arranged porous film (columnar part), a lower electrode 28D arranged on the gas intake part 305, and a gas intake part 305 and a lower electrode 28D are arranged so as to be covered. The solid electrolyte layer 30 and the upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D.

以下に、各実施の形態に係る限界電流式ガスセンサへの適用例について、より具体的に説明する。 Hereinafter, an application example to the limiting current type gas sensor according to each embodiment will be described more specifically.

(第1の実施の形態)
(概略構成)
第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの模式的平面パターン構成は、図1(a)に示すように表され、図1(a)のIA−IA線に沿うガスセンサ1Aの模式的断面構造は、図1(b)に示すように表される。
(First embodiment)
(Schematic configuration)
The schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment is represented as shown in FIG. 1A, and the schematic diagram of the gas sensor 1A along the line IA-IA in FIG. The cross-sectional structure is represented as shown in FIG.

まず、構成の概略について説明すると、第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図1(a)および図1(b)に示すように、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)梁構造を備える基板(例えば、Si)12上に設けられた、マイクロヒータMH、センサ部分SP、ヒータ接続部21・22、端子電極接続部23・24、および開口部45などを備える。 First, the outline of the configuration will be described. A limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment has a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) beam structure as shown in FIGS. 1(a) and 1(b). The micro heater MH, the sensor portion SP, the heater connecting portions 21 and 22, the terminal electrode connecting portions 23 and 24, the opening portion 45, and the like, which are provided on the provided substrate (for example, Si) 12, are provided.

センサ部分SPは、活性領域(後述する)に対応する基板12上に、SiN膜201を介して配置されたポーラス酸化膜(多孔質膜)51と、ポーラス酸化膜51上に配置された下部電極28Dと、ポーラス酸化膜51および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極(例えば、Pt膜)28Uとを備える。ポーラス酸化膜51は、ガス導入路として機能するものであって、ガス取込口51Gを有する。 The sensor portion SP includes a porous oxide film (porous film) 51 arranged via a SiN film 201 on a substrate 12 corresponding to an active region (described later), and a lower electrode arranged on the porous oxide film 51. 28D, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D, and an upper electrode (for example, a Pt film) 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D. Prepare The porous oxide film 51 functions as a gas introduction path and has a gas intake port 51G.

下部電極28Dは、Pt膜とTi膜との積層膜であるPt/Ti電極によって、例えば、約100nmの厚さで形成することができる。Ti膜は、ポーラス酸化膜51との接合を密にし、より強固にするために用いられる。 The lower electrode 28D can be formed by a Pt/Ti electrode, which is a laminated film of a Pt film and a Ti film, with a thickness of, for example, about 100 nm. The Ti film is used to make the bond with the porous oxide film 51 dense and to strengthen it.

固体電解質層30は、約1μmの厚さのYSZ膜で形成することができる。薄いと、上下の電極28U・28D間が導通してしまうためである。例えば、固体電解質層30は、下部電極28Dの周囲を覆うようにして配置され、上下の電極28U・28D間の導通が防がれる。 The solid electrolyte layer 30 can be formed of a YSZ film having a thickness of about 1 μm. This is because if it is thin, the upper and lower electrodes 28U and 28D are electrically connected. For example, the solid electrolyte layer 30 is arranged so as to cover the periphery of the lower electrode 28D and prevents conduction between the upper and lower electrodes 28U and 28D.

なお、平面視において、基板12の活性領域が方形状を有していることから、センサ部分SPのポーラス酸化膜51、下部電極28D、固体電解質層30、および上部電極28Uは、いずれも方形状を有していても良いし、それ以外の形状であっても良い。また、センサ部分SPを構成するポーラス酸化膜51、下部電極28D、固体電解質層30、および上部電極28Uは、偏心がない状態でセンサ表面の中心に配置するのが望ましいが、マイクロヒータMH上であれば、偏心した状態で配置されていても良い。 In plan view, since the active region of the substrate 12 has a rectangular shape, the porous oxide film 51, the lower electrode 28D, the solid electrolyte layer 30, and the upper electrode 28U of the sensor portion SP are all rectangular. May be included, or other shapes may be used. Further, it is desirable that the porous oxide film 51, the lower electrode 28D, the solid electrolyte layer 30, and the upper electrode 28U that form the sensor portion SP are arranged at the center of the sensor surface without eccentricity, but on the microheater MH. If so, they may be arranged in an eccentric state.

平面視において、ヒータ接続部21・22は、センサ部分SPを中心とした図示左右方向(図1(b)の断面に沿う面内方向)に対向するようにして配置されている。ヒータ接続部21は、接続用パット211、配線部212、および端子部213を有し、ヒータ接続部22は、接続用パット221、配線部222、および端子部223を有する。端子電極接続部23・24は、センサ部分SPを中心とし、ヒータ接続部21・22と直交する、図示上下方向に対向するようにして配置されている。端子電極接続部23は、接続用パット(検出端子)231および配線部232を有し、端子電極接続部24は、接続用パット(検出端子)241および配線部242を有する。 In a plan view, the heater connection portions 21 and 22 are arranged so as to face each other in the lateral direction in the drawing (in-plane direction along the cross section of FIG. 1B) with the sensor portion SP as the center. The heater connecting portion 21 has a connecting pad 211, a wiring portion 212, and a terminal portion 213, and the heater connecting portion 22 has a connecting pad 221, a wiring portion 222, and a terminal portion 223. The terminal electrode connecting portions 23 and 24 are arranged so as to be orthogonal to the heater connecting portions 21 and 22 with the sensor portion SP as a center and to face each other in the vertical direction in the drawing. The terminal electrode connection part 23 has a connection pad (detection terminal) 231 and a wiring part 232, and the terminal electrode connection part 24 has a connection pad (detection terminal) 241 and a wiring part 242.

ヒータ接続部21・22および端子電極接続部23・24は、SiN膜201上に設けられ、例えば、20nm厚のTi膜と100nm厚のPt膜との積層膜(Pt/Ti積層膜)によって形成することができる。 The heater connecting portions 21 and 22 and the terminal electrode connecting portions 23 and 24 are provided on the SiN film 201, and are formed by, for example, a laminated film (Pt/Ti laminated film) of a Ti film having a thickness of 20 nm and a Pt film having a thickness of 100 nm. can do.

ヒータ接続部21・22の端子部213・223は、マイクロヒータMHと接続され、端子電極接続部23の配線部232は、センサ部分SPの方向に延出されて下部電極28Dの延出端28D1と接続され、端子電極接続部24の配線部242は、センサ部分SPの方向に延出されて上部電極28Uの延出端28U1と接続される。 The terminal portions 213 and 223 of the heater connection portions 21 and 22 are connected to the micro-heater MH, and the wiring portion 232 of the terminal electrode connection portion 23 extends in the direction of the sensor portion SP to extend the extension end 28D1 of the lower electrode 28D. The wiring portion 242 of the terminal electrode connecting portion 24 is connected to the extending end 28U1 of the upper electrode 28U by extending in the direction of the sensor portion SP.

ここで、端子電極接続部23・24の接続用パット231・241には、被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路が接続される。詳細については後述するが、図106に示すように、固体電解質層106の上部電極105Uと多孔質電極(ポーラス電極)105Dとに検出用の電圧Vを供給することにより、検出回路107は、限界電流に基づいて酸素濃度を検出することができる。また、検出回路107は、限界電流に基づいて水蒸気濃度を検出することができる。 Here, the connection pads 231 and 241 of the terminal electrode connection portions 23 and 24 are connected to a detection circuit that detects a predetermined gas concentration in the measured gas by a limiting current method. As will be described later in detail, as shown in FIG. 106, the detection circuit 107 is limited by supplying the detection voltage V to the upper electrode 105U and the porous electrode (porous electrode) 105D of the solid electrolyte layer 106. The oxygen concentration can be detected based on the electric current. Further, the detection circuit 107 can detect the water vapor concentration based on the limiting current.

ヒータ接続部21・22の端子部213・223は、平面視において、センサ部分SPの外周部を取り囲むように配置されたSiN膜26によって覆われている。SiN膜26と端子部213・223との間には、SiO2 膜25が埋め込まれている。The terminal portions 213 and 223 of the heater connection portions 21 and 22 are covered with the SiN film 26 arranged so as to surround the outer peripheral portion of the sensor portion SP in a plan view. The SiO 2 film 25 is embedded between the SiN film 26 and the terminal portions 213 and 223.

開口部45は、平面視において、SiN膜26の外側で、かつヒータ接続部21・22および端子電極接続部23・24を除く、基板12の各隅部に対応する活性領域と非活性領域(後述する)との境界部分にそれぞれL字型に配置される。開口部45は、舟型構造のキャビティ部(Cavity:空洞)Cを形成する際に開口されるものであって、L字型以外の形状、例えばストレート状(I字型)などであっても良い。 The opening 45 is outside the SiN film 26 in plan view, and the active region and the non-active region (corresponding to each corner of the substrate 12 excluding the heater connecting portions 21 and 22 and the terminal electrode connecting portions 23 and 24 ( Each of them is arranged in an L-shape at the boundary with (described later). The opening 45 is opened at the time of forming the cavity C of the boat-shaped structure, and may have a shape other than the L-shape, such as a straight shape (I-shape). good.

マイクロヒータMHは、絶縁層18を構成する第1・第2絶縁層(例えば、SiO2 膜)181・182間に設けられる。マイクロヒータMHは、例えば、0.2μmの厚さのポリシリコン層(ポリシリコンヒータ)であって、イオン注入法によってp型不純物であるB(ボロン)が高濃度(例えば、4×1019cm-3)に注入されて、抵抗値が300Ω程度とされる。マイクロヒータMHの熱伝導率は、例えば、80W/mK程度が望ましい。The microheater MH is provided between the first and second insulating layers (eg, SiO 2 film) 181 and 182 that form the insulating layer 18. The microheater MH is, for example, a polysilicon layer (polysilicon heater) having a thickness of 0.2 μm, and has a high concentration of B (boron) that is a p-type impurity (for example, 4×10 19 cm 2) by an ion implantation method. -3 ) to have a resistance value of about 300Ω. The thermal conductivity of the micro heater MH is desirably about 80 W/mK, for example.

第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいて、マイクロヒータMHは、例えば、固体電解質層30の下方に方形状を有して配置されると共に、固体電解質層30よりも大面積を有して形成されるのが望ましい。 In the limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment, the microheater MH is arranged, for example, in a rectangular shape below the solid electrolyte layer 30, and has a larger area than the solid electrolyte layer 30. It is desirable to be formed.

ここで、マイクロヒータMHは、固体電解質層30を加熱するためのもので、例えば、第2絶縁層201および第2絶縁膜182に開口された開口部37内に形成される端子部213・223から、配線部212・222を介して、接続用パット211・221に印加される所定電圧が供給される。 Here, the micro-heater MH is for heating the solid electrolyte layer 30, and, for example, the terminal portions 213 and 223 formed in the openings 37 opened in the second insulating layer 201 and the second insulating film 182. From the above, a predetermined voltage applied to the connecting pads 211 and 221 is supplied via the wiring portions 212 and 222.

なお、マイクロヒータMHは、基板12上の第1・第2絶縁層181・182間に配置される場合に限らず、基板12の下部に配置されていても良いし、基板12の内部に埋め込まれていても良い。もしくは、基板12の表面に、ポリシリコンで形成されたマイクロヒータMHを含む、SiO2 膜/SiN膜の積層膜(図示省略)が形成された構成としても良い。The microheater MH is not limited to being arranged between the first and second insulating layers 181 and 182 on the substrate 12, but may be arranged below the substrate 12 or embedded inside the substrate 12. It may be. Alternatively, a structure in which a laminated film (not shown) of a SiO 2 film/SiN film including a micro heater MH made of polysilicon may be formed on the surface of the substrate 12.

また、マイクロヒータMHは、印刷により形成されたPtヒータなどによっても形成可能である。 The micro heater MH can also be formed by a Pt heater or the like formed by printing.

ガスセンサ1Aのサイズ(スケール)にもよるが、マイクロヒータMHに限らず、センサ部分SPよりも大面積を有していればナノサイズのヒータの適用も可能である。 Although it depends on the size (scale) of the gas sensor 1A, not only the micro heater MH but also a nano size heater can be applied as long as it has a larger area than the sensor portion SP.

センサ部分SPを上方とした図1(b)の断面構造において、マイクロヒータMHの下方の基板12には、開口部45につながる舟型構造のキャビティ部Cが形成されている。キャビティCとキャビティCに対応する第1絶縁層181との界面には、SiON膜からなる絶縁層16が設けられ、基板12と基板12の非活性領域に対応する第1絶縁層181との界面には、絶縁層16およびSiO2 膜からなる絶縁層14が設けられる。In the cross-sectional structure of FIG. 1B with the sensor portion SP facing upward, a boat-shaped cavity C connected to the opening 45 is formed in the substrate 12 below the microheater MH. An insulating layer 16 made of a SiON film is provided at an interface between the cavity C and the first insulating layer 181 corresponding to the cavity C, and an interface between the substrate 12 and the first insulating layer 181 corresponding to an inactive region of the substrate 12 is provided. An insulating layer 16 and an insulating layer 14 made of a SiO 2 film are provided on the substrate.

MEMS梁構造の基板12は、例えば、10μm程度の厚さを有し、キャビティ部CがマイクロヒータMHよりも実質的に大きくなるように形成されて、メンブレンからの熱の逃げを防ぐようになっている。キャビティ部Cの平面形状は特に限定されないが、センサ部分SPやマイクロヒータMHなどと同様に、方形状に形成するのが望ましい。 The substrate 12 having the MEMS beam structure has a thickness of, for example, about 10 μm and is formed such that the cavity C is substantially larger than the micro heater MH to prevent heat from escaping from the membrane. ing. The planar shape of the cavity C is not particularly limited, but it is desirable to form a rectangular shape like the sensor portion SP and the micro heater MH.

なお、MEMS梁構造としては、平面視において、基板12がセンサ部分SPを取り囲むように配置された開放型構造(図18参照)を有して形成されても良い。また、キャビティ部Cは、基板12を貼り合わせることによって形成される構造とすることもできる。よって、基板12としては、Siに限らず、エポキシ樹脂やセラミックスなどを用いることも可能である。 Note that the MEMS beam structure may be formed to have an open type structure (see FIG. 18) in which the substrate 12 is arranged so as to surround the sensor portion SP in plan view. Further, the cavity portion C may have a structure formed by bonding the substrates 12 together. Therefore, the substrate 12 is not limited to Si, but epoxy resin, ceramics, or the like can be used.

すなわち、第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、基板12と、基板12上に第1絶縁層181を介して配置されたヒータMHと、ヒータMH上に第2絶縁層182を介して配置され、被測定ガスを取り込むガス導入路51と、ガス導入路51上に配置された下部電極28Dと、下部電極28D上に配置された固体電解質層30と、固体電解質層30上の、下部電極28Dに対向する面に配置された上部電極28Uと、基板12に、ヒータMHよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部Cとを備える。 That is, the limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment includes the substrate 12, the heater MH arranged on the substrate 12 via the first insulating layer 181, and the second insulating layer 182 on the heater MH. A gas introduction path 51 that is arranged via the gas introduction path 51 to take in the gas to be measured, a lower electrode 28D arranged on the gas introduction path 51, a solid electrolyte layer 30 arranged on the lower electrode 28D, and a solid electrolyte layer 30 on the solid electrolyte layer 30. The upper electrode 28U is disposed on the surface facing the lower electrode 28D, and the cavity 12 is formed on the substrate 12 so as to be substantially larger than the heater MH.

要するに、第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図1(a)および図1(b)に示すように、キャビティ部Cが舟型構造を有するMEMS梁構造の基板12を有し、マイクロヒータMHの加熱に伴って、ポーラス酸化膜51のガス取込口51Gを介して、被測定ガス(例えば、O2 ガス)をセンサ部分SPの固体電解質層30内へと導入するように構成されている。すなわち、被測定ガスは、ガス取込口51Gよりポーラス酸化膜51中に取り込まれ、下部電極28Dを介して固体電解質層30内へと導入された後、加熱により固体電解質層30内に拡散される。被測定ガスの固体電解質層30内への導入は、吸引動作を伴うものであっても良い。In short, the limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment has a substrate 12 having a MEMS beam structure in which the cavity C has a boat-shaped structure, as shown in FIGS. 1(a) and 1(b). Then, along with the heating of the micro heater MH, the gas to be measured (for example, O 2 gas) is introduced into the solid electrolyte layer 30 of the sensor portion SP via the gas intake port 51G of the porous oxide film 51. Is configured. That is, the gas to be measured is taken into the porous oxide film 51 from the gas intake port 51G, introduced into the solid electrolyte layer 30 through the lower electrode 28D, and then diffused into the solid electrolyte layer 30 by heating. It The introduction of the gas to be measured into the solid electrolyte layer 30 may be accompanied by a suction operation.

このように、第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、マイクロヒータMHの加熱を伴うものの、MEMS構造を有する梁構造(舟型構造)を基本構造とすることによって、センサ部分SPの熱容量を低減化し、センサ感度の向上を図っている。 As described above, the limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment is accompanied by the heating of the micro-heater MH, but by using the beam structure (boat structure) having the MEMS structure as a basic structure, the sensor portion SP The heat capacity of the sensor is reduced to improve the sensor sensitivity.

なお、ガス取込口51Gは、平面視において、端子電極接続部23に沿う方向に延出するように、ポーラス酸化膜51と同一材料により一体的に形成可能であり、その体積や厚さ、または幅などを調整することにより、被測定ガスの取込量を変化させることが可能である。ガス取込口51Gは、ポーラス酸化膜51とは別体として形成することも可能であり、また平面視において、端子電極接続部23に沿う方向以外の、例えば端子電極接続部23に沿う方向またはヒータ接続部21・22に沿う方向に延出するように配置しても良い。 The gas inlet 51G can be integrally formed of the same material as the porous oxide film 51 so as to extend in the direction along the terminal electrode connecting portion 23 in a plan view, and its volume and thickness, Alternatively, it is possible to change the intake amount of the gas to be measured by adjusting the width and the like. The gas intake port 51G can be formed separately from the porous oxide film 51, and in a plan view, other than the direction along the terminal electrode connecting portion 23, for example, the direction along the terminal electrode connecting portion 23 or You may arrange|position so that it may extend in the direction which follows the heater connection parts 21*22.

また、図1(a)に示した限界電流式ガスセンサ1Aにおいて、ヒータ接続部21・22は水平方向に配置され、これと直交するように、端子電極接続部23は垂直方向の下端側に、端子電極接続部24は垂直方向の上端側に、それぞれ配置されているが、端子電極接続部23・24の位置を入れ替えたり、ヒータ接続部21・22の位置を入れ替えたりもできる。 Further, in the limiting current type gas sensor 1A shown in FIG. 1A, the heater connecting portions 21 and 22 are arranged in the horizontal direction, and the terminal electrode connecting portion 23 is arranged at the lower end side in the vertical direction so as to be orthogonal to this. Although the terminal electrode connecting portions 24 are respectively arranged on the upper end side in the vertical direction, the positions of the terminal electrode connecting portions 23 and 24 can be exchanged, and the positions of the heater connecting portions 21 and 22 can be exchanged.

次に、ポーラス電極の形成方法の一例について説明する。 Next, an example of a method of forming a porous electrode will be described.

ポーラス電極の形成方法は、図2(a)〜図2(c)に示すように表される。ポーラス電極とは、例えば、ナノサイズの多孔質膜であるポーラス酸化膜51と、そのポーラス酸化膜51上に形成されたPt/Ti積層膜(Pt/Ti電極)からなる下部電極28Dとで構成される。 The method of forming the porous electrode is expressed as shown in FIGS. 2(a) to 2(c). The porous electrode is composed of, for example, a porous oxide film 51 which is a nano-sized porous film, and a lower electrode 28D which is a Pt/Ti laminated film (Pt/Ti electrode) formed on the porous oxide film 51. To be done.

ポーラス電極の形成は、まず、図2(a)に示すように、例えば、スパッタ法によって基板120上に70vol %〜50vol %のYSZ粒子511と30vol %〜50vol %のSiO2 512とを含むYSZ−SiO2 膜(ポーラス形成膜)510を形成する。To form the porous electrode, as shown in FIG. 2A, for example, a YSZ containing 70 vol% to 50 vol% YSZ particles 511 and 30 vol% to 50 vol% SiO 2 512 is formed on the substrate 120 by a sputtering method. A SiO 2 film (porous film) 510 is formed.

次いで、図2(b)に示すように、例えば、フッ酸(HF)エッチング処理によりYSZ−SiO2 膜510中のSiO2 512だけを除去し、YSZ粒子511のみが残留するポーラス酸化膜51を形成する。Next, as shown in FIG. 2B, for example, by hydrofluoric acid (HF) etching treatment, only the SiO 2 512 in the YSZ-SiO 2 film 510 is removed, and the porous oxide film 51 in which only the YSZ particles 511 remain is removed. Form.

この後、図2(c)に示すように、ポーラス酸化膜51におけるYSZ粒子511上に、例えば、スパッタ法によってPt/Ti積層膜を形成して、ポーラス酸化膜51と下部電極28Dとから構成されるポ−ラス電極を形成する。 After that, as shown in FIG. 2C, a Pt/Ti laminated film is formed on the YSZ particles 511 in the porous oxide film 51 by, for example, a sputtering method to include the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D. Forming a porous electrode.

ポーラス酸化膜51は、酸化物であるYSZ−SiO2 膜510のスパッタリングによる成膜とエッチング処理とにより、簡単に形成可能である。特に、高い熱安定性を有し、10nm径程度の孔の形成も可能であり、ガス絞り性能に優れる。The porous oxide film 51 can be easily formed by sputtering the YSZ-SiO 2 film 510 that is an oxide and performing an etching process. In particular, it has high thermal stability, can form holes with a diameter of about 10 nm, and is excellent in gas throttle performance.

なお、ポーラス酸化膜51を形成する工程としては、上記の一例に限らず、例えば、Al2 3 またはSiO2 またはYSZを含み、スピンコート法によってゾル・コーティングされたポーラス形成膜を焼成処理することによっても形成できる。Note that the step of forming the porous oxide film 51 is not limited to the above example, and for example, a sol-coated porous formation film containing Al 2 O 3 or SiO 2 or YSZ and spin-coated is baked. It can also be formed by

また、ポーラス酸化膜51は、例えば、70vol %のAl2 3 と30vol %のSiO2 とを含むポーラス形成膜(Al2 3 −SiO2 膜)または70vol %のYSZと30vol %のAl2 3 とを含むポーラス形成膜(YSZ−Al2 3 膜)をHFエッチング処理することによっても、同様に形成できる。The porous oxide film 51 is, for example, a porous film (Al 2 O 3 —SiO 2 film) containing 70 vol% Al 2 O 3 and 30 vol% SiO 2 , or 70 vol% YSZ and 30 vol% Al 2. O 3 and also by the porous formed film (YSZ-Al 2 O 3 film) to HF etching process comprising, it can be formed similarly.

なお、ポ−ラス電極としては、ポーラスPt膜やポーラスPt/Ti膜からなるものであっても良い。 The porous electrode may be a porous Pt film or a porous Pt/Ti film.

ここで、ポーラス膜の温度特性について説明する。 Here, the temperature characteristics of the porous film will be described.

ナノサイズポーラス膜の場合、電流値は、温度Tの−a乗に比例する(電流値∝T-a)。a値は、ポーラス膜構造により調整可能である。つまり、ポーラス膜の孔が小さいと、a値は大きくなる。In the case of a nano-sized porous film, the current value is proportional to the temperature T to the -a power (current value ∝T -a ). The a value can be adjusted by the porous film structure. That is, the smaller the pores of the porous film, the larger the value a.

ポーラス酸化膜51は、このような温度特性を有するポーラス膜によって形成されるため、温度依存性を有し、高温になるにつれ、電流値が低下する。すなわち、ポーラス酸化膜51は、図3に示すように、高温になるにつれ、孔の中央部の間隔Lnm(例えば、100nm)はほとんど変わらないものの、両端部の間隔がHWからHSへと変化する。両端部の間隔が狭くなる(HW>HS)と、そこを通過するガスの流量が制限されて減少し、その結果として電流値が低下する(電流値∝ガス流量)。 Since the porous oxide film 51 is formed of a porous film having such temperature characteristics, it has temperature dependency and the current value decreases as the temperature rises. That is, as shown in FIG. 3, in the porous oxide film 51, as the temperature increases, the distance Lnm (for example, 100 nm) between the central portions of the holes hardly changes, but the distance between both ends changes from HW to HS. .. When the distance between both ends becomes narrow (HW>HS), the flow rate of the gas passing therethrough is limited and decreases, and as a result, the current value decreases (current value ∝gas flow rate).

ポーラス酸化膜51における温度Tと飽和電流Isat との関係は、図4に示すように表される。温度Tが、T1℃(例えば、400℃)の場合と、T2℃(例えば、450℃)の場合と、T3℃(例えば、500℃)の場合と、T4℃(例えば、700℃)の場合とを比べると、温度Tが高くなるほど、飽和電流Isat は小さくなる。 The relationship between the temperature T and the saturation current Isat in the porous oxide film 51 is expressed as shown in FIG. When the temperature T is T1° C. (for example, 400° C.), T2° C. (for example, 450° C.), T3° C. (for example, 500° C.), and T4° C. (for example, 700° C.) Comparing with, the saturation current Isat decreases as the temperature T increases.

これに対し、マイクロ流路をガス導入路とした場合、クヌーセン(Knudsen)拡散では、電流値が温度Tの約0.5乗に比例し(電流値∝T0.5)、通常拡散では、電流値が温度Tの約0.75乗に比例する(電流値∝T0.75)。すなわち、マイクロ流路の場合は、高温になるにつれ、通過するガスの流量が増加し、それに伴って電流値が上昇する。On the other hand, when the micro flow path is used as a gas introduction path, in Knudsen diffusion, the current value is proportional to the temperature T to the power of 0.5 (current value ∝ T 0.5 ), and in normal diffusion, the current value is Is proportional to the temperature T to the power of 0.75 (current value ∝T 0.75 ). That is, in the case of the micro flow path, the flow rate of the passing gas increases as the temperature becomes higher, and the current value accordingly increases.

そこで、ポーラス酸化膜51を採用する第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいては、キャビティ部Cによって熱容量の低減化を図ることで、センサ特性の改善が可能となる。 Therefore, in the limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment which employs the porous oxide film 51, the sensor characteristics can be improved by reducing the heat capacity by the cavity portion C.

(製造方法)
次に、図1(a)および図1(b)に示した第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法について説明する。
(Production method)
Next, a method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment shown in FIGS. 1A and 1B will be described.

製造方法の説明に先立って、まずは、第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造に適用されるウェーハ100について簡単に説明する。 Prior to the description of the manufacturing method, first, a wafer 100 applied to manufacture the limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment will be briefly described.

第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造に適用されるウェーハ100の模式的平面構成は、図5(a)に示すように表され、図5(a)のIA0−IA0線に沿うウェーハ100模式的断面構造は、図5(b)に示すように表される。 A schematic plane configuration of the wafer 100 applied to manufacture the limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment is represented as shown in FIG. 5A, and the IA0-IA0 line of FIG. A schematic cross-sectional structure of the wafer 100 along is shown in FIG. 5B.

ウェーハ100は、図5(a)および図5(b)に示すように、素子分離領域102によって複数の素子領域104が画定されると共に、ガスセンサ1Aの製造工程の終盤において、素子分離領域102に沿ってダイシングされる。これにより、ウェーハ100は、ガスセンサ1Aごとに分割される。 As shown in FIGS. 5A and 5B, the wafer 100 has a plurality of element regions 104 defined by the element isolation regions 102, and the element isolation regions 102 are formed at the end of the manufacturing process of the gas sensor 1A. It is diced along. As a result, the wafer 100 is divided for each gas sensor 1A.

なお、図5(b)において、WC1は、キャビティ部Cの形成領域CAの断面方向の幅を示し、WS1は、センサ部分SPの形成領域SAの断面方向の幅を示し、AA1は、活性領域AAの断面方向の幅を示し、CA1は、素子領域104の断面方向の幅を示す。素子領域104中より活性領域AAを除外した部位が、非活性領域となる。 In FIG. 5B, WC1 indicates the width in the cross-sectional direction of the formation area CA of the cavity portion C, WS1 indicates the width in the cross-sectional direction of the formation area SA of the sensor portion SP, and AA1 indicates the active area. A cross-sectional width of AA is shown, and CA1 is a cross-sectional width of the element region 104. A portion of the element region 104 excluding the active region AA becomes a non-active region.

また、製造方法の説明において、Siは、半導体材料であるシリコン、Ptは、多孔質材料としての白金(Platinum)であり、Tiは、電極材料としてのチタン(Titanium)であり、YSZは、固体電解質材料としてのイットリウム安定化ジルコニア(Yttria-Stabilized Zirconia)である。 In the description of the manufacturing method, Si is silicon as a semiconductor material, Pt is platinum as a porous material, Ti is titanium as an electrode material, and YSZ is solid. Yttria-Stabilized Zirconia as an electrolyte material.

ここで、第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、基板12上に第1絶縁層181を介してヒータMHを形成する工程と、ヒータMH上に第2絶縁層182を介して配置され、被測定ガスを取り込むガス取込口51Gを備えたガス導入路51を形成する工程と、ガス導入路51上に下部電極28Dを形成する工程と、下部電極28D上に固体電解質層30を形成する工程と、固体電解質層30上の、下部電極28Dに対向する面に上部電極28Uを形成する工程と、基板12に、ヒータMHよりも実質的に大きなキャビティ部Cを形成する工程とを有する。 Here, in the method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment, the step of forming the heater MH on the substrate 12 via the first insulating layer 181 and the second insulating layer 182 on the heater MH. Forming a gas introduction path 51 having a gas intake port 51G for taking in the gas to be measured, a step of forming a lower electrode 28D on the gas introduction path 51, and a solid state on the lower electrode 28D. The step of forming the electrolyte layer 30, the step of forming the upper electrode 28U on the surface of the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D, and the formation of the cavity portion C substantially larger than the heater MH on the substrate 12. And a step of performing.

すなわち、図1(a)および図1(b)に示した第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、図6〜図17に示される。 That is, a method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment shown in FIGS. 1A and 1B is shown in FIGS.

なお、本来は、ウェーハ100上に複数のガスセンサが一括して製造されるものであるが、説明の便宜上、ここでは基板12上に限界電流式ガスセンサ1Aを形成する場合について説明する。 Originally, a plurality of gas sensors are manufactured collectively on the wafer 100, but for convenience of description, here, a case where the limiting current type gas sensor 1A is formed on the substrate 12 will be described.

(a)まず、図6(a)および図6(b)に示すように、例えば、10μm厚のSi製のウェーハ100の表面の、ダイシングラインに沿って格子状に形成された素子分離領域102の絶縁膜を除去し、基板12上に、活性領域AAに対応する面12aと、それ以外の非活性領域に対応する面12bとを形成する。素子分離領域102の絶縁膜の除去は、例えばLOCOS(Local Oxidation of Silicon)技術による選択エッチングにより行われる。素子分離領域102の形状から、基板12の上面は、活性領域AAに対応する面12aと非活性領域に対応する面12bとの間の周辺部分に傾斜面12cが設けられた形状となる。 (A) First, as shown in FIGS. 6A and 6B, for example, the element isolation regions 102 formed in a lattice shape along the dicing line on the surface of the Si wafer 100 having a thickness of 10 μm. The insulating film is removed to form a surface 12a corresponding to the active area AA and a surface 12b corresponding to the other non-active area on the substrate 12. The insulating film in the element isolation region 102 is removed by, for example, selective etching using a LOCOS (Local Oxidation of Silicon) technique. Due to the shape of the element isolation region 102, the upper surface of the substrate 12 has a shape in which the inclined surface 12c is provided in the peripheral portion between the surface 12a corresponding to the active area AA and the surface 12b corresponding to the inactive area.

(b)次いで、図7(a)および図7(b)に示すように、基板12の上面にCVD(Chemical Vapor Deposition)法などにより約0.5μm厚のSiO2 膜を形成した後、傾斜面12cおよび活性領域AAに対応する面12a上のSiO2 膜を選択的にエッチングして除去することにより、非活性領域に対応する面12bに対してのみ、SiO2 膜からなる絶縁層14を形成する。(B) Next, as shown in FIGS. 7(a) and 7(b), after forming a SiO 2 film of about 0.5 μm thickness on the upper surface of the substrate 12 by a CVD (Chemical Vapor Deposition) method or the like, By selectively etching and removing the SiO 2 film on the surface 12c and the surface 12a corresponding to the active area AA, the insulating layer 14 made of the SiO 2 film is formed only on the surface 12b corresponding to the non-active area. Form.

続いて、基板12の上面にプラズマCVD(P−CVD)法などにより、約0.5μm厚のSiON膜からなる絶縁層16を一様に形成する。 Then, the insulating layer 16 made of a SiON film having a thickness of about 0.5 μm is uniformly formed on the upper surface of the substrate 12 by a plasma CVD (P-CVD) method or the like.

なお、絶縁層14は、素子分離領域102の絶縁膜の一部を残存させることによって形成することとしても良い。 The insulating layer 14 may be formed by leaving a part of the insulating film in the element isolation region 102.

(c)次いで、図8(a)および図8(b)に示すように、CVD法などにより絶縁層16上に0.5μm程度の厚さのSiO2 膜からなる第1絶縁層181を形成した後、さらにその上面に、減圧CVD法などにより0.2μm程度の厚さのポリシリコン層を形成すると共に、そのポリシリコン層をエッチングなどによりパターニングして、テーパ部分Htを有するマイクロヒータMHを形成する。(C) Next, as shown in FIGS. 8A and 8B, a first insulating layer 181 made of a SiO 2 film having a thickness of about 0.5 μm is formed on the insulating layer 16 by a CVD method or the like. After that, a polysilicon layer having a thickness of about 0.2 μm is further formed on the upper surface by a low pressure CVD method or the like, and the polysilicon layer is patterned by etching or the like to form a micro heater MH having a tapered portion Ht. Form.

マイクロヒータMHは、活性領域AAに対応する面12a上に、例えば、300μm角程度の大きさで形成される。また、マイクロヒータMHは、イオン注入(I/I)法によりBが高濃度にインプラされて抵抗値が300Ωとされる。 The micro-heater MH is formed on the surface 12a corresponding to the active area AA, for example, in a size of about 300 μm square. Further, the microheater MH has a resistance value of 300Ω because B is implanted at a high concentration by an ion implantation (I/I) method.

(d)次いで、図9(a)および図9(b)に示すように、P−CVD法などにより全面に約0.5μm厚のSiON膜(第2絶縁層)182を形成する。 (D) Next, as shown in FIGS. 9A and 9B, a SiON film (second insulating layer) 182 having a thickness of about 0.5 μm is formed on the entire surface by P-CVD or the like.

(e)次いで、図10(a)および図10(b)に示すように、P−CVD法などにより全面に約0.5μm厚のSiN膜201を形成した後、さらに、SiN膜201および第2絶縁層182を選択的にエッチングして、例えば活性領域AAに対応する面12aの端部付近において、マイクロヒータMHにつながる、ヒータ接続部21・22の端子部213・223を形成するための開口部37を開口する。 (E) Next, as shown in FIGS. 10A and 10B, after forming a SiN film 201 having a thickness of about 0.5 μm on the entire surface by a P-CVD method or the like, the SiN film 201 and the For selectively etching the second insulating layer 182 to form the terminal portions 213 and 223 of the heater connection portions 21 and 22 connected to the micro heater MH, for example, near the end portion of the surface 12a corresponding to the active area AA. The opening 37 is opened.

(f)次いで、図11(a)および図11(b)に示すように、Pt/Ti積層膜を約0.5μmの厚さとなるようにスパッタ法などによりデポすると共に、そのPt/Ti積層膜をエッチングによりパターニングして、ヒータ接続部21・22の接続用パット211・221、配線部212・222、および端子部213・223を形成する。 (F) Next, as shown in FIGS. 11A and 11B, the Pt/Ti laminated film is deposited by sputtering or the like so as to have a thickness of about 0.5 μm, and the Pt/Ti laminated film is deposited. The film is patterned by etching to form the connecting pads 211 and 221, the heater connecting portions 21 and 22, the wiring portions 212 and 222, and the terminal portions 213 and 223.

同時に、Pt/Ti積層膜をエッチングによりパターニングして、ヒータ接続部21・22と直交する方向に、端子電極接続部23・24の接続用パット231・241および配線部232・241を形成する。 At the same time, the Pt/Ti laminated film is patterned by etching to form the connecting pads 231 and 241 and the wiring portions 232 and 241 of the terminal electrode connecting portions 23 and 24 in the direction orthogonal to the heater connecting portions 21 and 22.

(g)次いで、図12(a)および図12(b)に示すように、CVD法などにより、開口部37内を埋め込むようにSiO2 膜25を形成すると共に、SiN膜26を形成した後、例えば、SiO2 膜25とSiN膜26とを選択的にエッチングし、センサ部分SPの周囲を囲むようにパターニングする。(G) Next, as shown in FIGS. 12A and 12B, after the SiO 2 film 25 and the SiN film 26 are formed by the CVD method or the like so as to fill the inside of the opening 37. For example, the SiO 2 film 25 and the SiN film 26 are selectively etched and patterned so as to surround the sensor portion SP.

(h)次いで、図13(a)および図13(b)に示すように、スパッタリングおよびエッチングにより、ポーラス酸化膜51と、被測定ガスを取り込むためのガス取込口51Gとを形成する。 (H) Next, as shown in FIGS. 13A and 13B, a porous oxide film 51 and a gas inlet 51G for taking in the gas to be measured are formed by sputtering and etching.

(i)次いで、図14(a)および図14(b)に示すように、スパッタ法などによりポーラス酸化膜51上に100nm厚程度のPt/Ti積層膜からなる下部電極28Dを形成すると共に、下部電極28Dの延出端28D1を端子電極接続部23の配線部232と接続させる。 (I) Next, as shown in FIGS. 14A and 14B, a lower electrode 28D made of a Pt/Ti laminated film having a thickness of about 100 nm is formed on the porous oxide film 51 by a sputtering method or the like, and The extension end 28D1 of the lower electrode 28D is connected to the wiring portion 232 of the terminal electrode connecting portion 23.

(j)次いで、図15(a)および図15(b)に示すように、ポーラス酸化膜51および下部電極28D上を被覆するように、スパッタ法によりYSZ膜からなる固体電解質層30を約1μmの厚さで形成する。固体電解質層30は、下部電極28Dの延出端28aを除き、ポーラス酸化膜51および下部電極28Dの周囲を全体的に被覆する。 (J) Then, as shown in FIGS. 15(a) and 15(b), a solid electrolyte layer 30 made of a YSZ film is sputtered to a thickness of about 1 μm so as to cover the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D. Formed with a thickness of. The solid electrolyte layer 30 entirely covers the periphery of the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D except for the extending end 28a of the lower electrode 28D.

(k)次いで、図16(a)および図16(b)に示すように、上部電極28Uとして、スパッタ法により固体電解質層30上の下部電極28Dに対向する面に100nm厚程度のPt膜を形成し、かつ上部電極28Uの延出端28U1を端子電極接続部24の配線部232と接続させる。 (K) Next, as shown in FIGS. 16A and 16B, as the upper electrode 28U, a Pt film having a thickness of about 100 nm is formed on the surface of the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D by the sputtering method. The extending end 28U1 of the upper electrode 28U is connected to the wiring portion 232 of the terminal electrode connecting portion 24.

(l)次いで、図17(a)および図17(b)に示すように、MEMS梁構造として、舟型構造のキャビティ部Cを形成するための開口部431を有する保護用SiO2 膜(エッチングマスク)43を全面に形成する(デポ+パターニング)。そして、その保護用SiO2 膜43をマスクに、活性領域AAに対応する面12aの基板12を選択的に深掘りエッチングして、開口部45につながるMEMS梁構造の基板12として、400μm角程度の舟型構造のキャビティ部Cを形成する。(L) Next, as shown in FIGS. 17A and 17B, as a MEMS beam structure, a protective SiO 2 film having an opening 431 for forming the cavity C of the boat-shaped structure (etching) is formed. A mask 43 is formed on the entire surface (deposition+patterning). Then, using the protective SiO 2 film 43 as a mask, the substrate 12 of the surface 12a corresponding to the active area AA is selectively deep-etched to form a substrate 12 of the MEMS beam structure connected to the opening 45, which is about 400 μm square. The cavity C having the boat-shaped structure is formed.

最後に、保護用SiO2 膜43をエッチングによって除去することにより、図1(a)および図1(b)に示した構成を有する、第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aが得られる。Finally, by removing the protective SiO 2 film 43 by etching, the limiting current type gas sensor 1A according to the first embodiment having the configuration shown in FIGS. 1A and 1B is obtained. To be

以上のように、上述した限界電流式ガスセンサ1Aにおいては、キャビティ部CがマイクロヒータMHよりも実質的に大きくなるように形成することによって、熱容量の低減化と共に、マイクロヒータMHによる加熱がセンサ周辺にまで無駄に拡がるのを簡単に抑制できる。 As described above, in the above-described limiting current type gas sensor 1A, the cavity portion C is formed so as to be substantially larger than the micro-heater MH, so that the heat capacity is reduced and the heating by the micro-heater MH is performed around the sensor. It is possible to easily suppress the unnecessary expansion.

特に、ポーラス酸化膜51は高い熱安定性を有するため、ガス絞り性能が高い。しかも、ガス取込口51Gのサイズを調整することのみで被測定ガスの取込量を簡単に制御でき、センサ特性にも優れた限界電流式ガスセンサ1Aとすることができる。 In particular, since the porous oxide film 51 has high thermal stability, it has high gas throttling performance. Moreover, the amount of gas to be measured can be easily controlled only by adjusting the size of the gas intake port 51G, and the limiting current type gas sensor 1A having excellent sensor characteristics can be obtained.

また、ポーラス酸化膜51を採用したことにより、ガス拡散路MPが不要となるため、製造が容易であり、高圧スパッタ装置のような特別な設備なども必要としないことから、より安価に製造できる。 Further, since the porous oxide film 51 is adopted, the gas diffusion path MP is not required, so that the manufacturing is easy and no special equipment such as a high pressure sputtering apparatus is required, so that the manufacturing cost can be reduced. ..

したがって、第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサによれば、センサ特性の改善が容易に可能であり、しかも、製造が容易で、より安価に製造できる。 Therefore, according to the limiting current type gas sensor according to the first embodiment, the sensor characteristics can be easily improved, and the manufacturing is easy and the manufacturing cost can be reduced.

(第1の実施の形態の第1変形例)
第1の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ1Bの模式的平面パターン構成は、図18(a)に示すように表され、図18(a)のIB−IB線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ1Bの模式的断面構造は、図18(b)に示すように表される。
(First Modification of First Embodiment)
The schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 1B according to the first modified example of the first embodiment is represented as shown in FIG. 18(a), and is along the line IB-IB in FIG. 18(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 1B formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 18(b).

すなわち、第1の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ1Bは、MEMS梁構造として、平面視において、基板12がセンサ部分SPを取り囲むように配置された開放型構造のキャビティ部Cを有して形成されても良い。開放型構造のキャビティ部Cは、例えば、舟型構造のキャビティ部Cを形成した後に、基板12を裏面側より深掘りエッチングすることによって簡単に形成できる。 That is, the limiting current type gas sensor 1B according to the first modified example of the first embodiment has a cavity portion having an open structure in which the substrate 12 is arranged so as to surround the sensor portion SP in a plan view as a MEMS beam structure. It may be formed to have C. The cavity C of the open type structure can be easily formed by, for example, forming the cavity C of the boat type structure and then deeply etching the substrate 12 from the back surface side.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A, and thus the duplicate description will be omitted.

このような構成によっても、上述した限界電流式ガスセンサ1Aと同様に、センサ特性に優れた限界電流式ガスセンサ1Bとすることができる。 With such a configuration, the limiting-current type gas sensor 1B having excellent sensor characteristics can be obtained as in the limiting-current type gas sensor 1A described above.

(第1の実施の形態の第2変形例)
第1の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ1Cの模式的平面パターン構成は、図19(a)に示すように表され、図19(a)のIC−IC線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ1Cの模式的断面構造は、図19(b)に示すように表される。
(Second Modification of First Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 1C according to the second modified example of the first embodiment is represented as shown in FIG. 19(a), and is along the IC-IC line in FIG. 19(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 1C formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 19(b).

すなわち、第1の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ1Cは、面内のメンブレン内部における熱伝導率を高めて、温度の均一化を図るようにしたものである。 That is, the limiting current type gas sensor 1C according to the second modified example of the first embodiment is configured to increase the thermal conductivity inside the in-plane membrane so as to make the temperature uniform.

より具体的には、例えば、図1(a)および図1(b)に示した舟型構造のキャビティ部Cを備えた限界電流式ガスセンサ1Aにおいて、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高いノンドープまたは低濃度ドープポリシリコン層(例えば、140W/mK)300を挿入するようにしたのが、第1の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ1Cである。 More specifically, for example, in the limiting current type gas sensor 1A including the cavity portion C having the boat structure shown in FIGS. 1A and 1B, the thermal conductivity is high below the micro heater MH. An undoped or low-doped polysilicon layer (for example, 140 W/mK) 300 is inserted in the limiting current type gas sensor 1C according to the second modification of the first embodiment.

第1の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ1Cにおいて、低濃度ドープポリシリコン層300は、ポリシリコン層にBやAs(ヒ素)またはP(リン)などの不純物イオンを低濃度(例えば、1018/cm3 以下)にドープ、またはアンドープすることによって形成される。In the limiting current type gas sensor 1C according to the second modified example of the first embodiment, the low-concentration doped polysilicon layer 300 has a low impurity ion such as B, As (arsenic) or P (phosphorus) in the polysilicon layer. It is formed by doping or undoping to a concentration (for example, 10 18 /cm 3 or less).

ここで、図20(a)〜図20(c)を参照して、低濃度ドープポリシリコン層300の形成方法の一例について説明する。例示する低濃度ドープポリシリコン層300の形成は、例えば、図8(a)および図8(b)に示した工程にほぼ準じたものとなる。 Here, an example of a method of forming the lightly doped polysilicon layer 300 will be described with reference to FIGS. The formation of the low-concentration doped polysilicon layer 300 illustrated is, for example, substantially in accordance with the steps shown in FIGS. 8A and 8B.

まず、図20(a)に示すように、第1絶縁層181の上面に、例えば、減圧CVD法などにより0.6μm厚程度のポリシリコン層301を形成する。 First, as shown in FIG. 20A, a polysilicon layer 301 having a thickness of about 0.6 μm is formed on the upper surface of the first insulating layer 181, for example, by the low pressure CVD method.

次いで、図20(b)に示すように、Bをインプラする際の加速エネルギーとドーズ量とを制御して、例えば、ポリシリコン層301の下層側に0.4μm厚の低濃度層LCが、上層側に0.2μm厚の高濃度層HCが、それぞれ形成されるようにする。 Next, as shown in FIG. 20B, by controlling the acceleration energy and the dose amount when implanting B, for example, a low concentration layer LC having a thickness of 0.4 μm is formed on the lower side of the polysilicon layer 301. A high concentration layer HC having a thickness of 0.2 μm is formed on the upper layer side.

この後、図20(c)に示すように、ポリシリコン層301をエッチングなどによりパターニングして、加熱エリアL1を有する高濃度層HCからなるマイクロヒータMHと、加熱エリアL1と同サイズの低濃度層LCからなる低濃度ドープポリシリコン層300とを形成する。エッチングの条件を変えることによって、マイクロヒータMHの外周部のみをテーパ形状に形成することも可能である。 Then, as shown in FIG. 20C, the polysilicon layer 301 is patterned by etching or the like to form a micro heater MH made of a high concentration layer HC having a heating area L1 and a low concentration of the same size as the heating area L1. A lightly doped polysilicon layer 300 of layer LC is formed. By changing the etching conditions, it is possible to form only the outer peripheral portion of the microheater MH into a tapered shape.

なお、低濃度ドープポリシリコン層300としては、図21(a)〜図21(e)および図22(a)〜図22(e)に示すように、様々なサイズや形状により形成することができる。 The lightly doped polysilicon layer 300 may be formed in various sizes and shapes as shown in FIGS. 21(a) to 21(e) and 22(a) to 22(e). it can.

例えば、低濃度ドープポリシリコン層300は、図21(a)に示すように、マイクロヒータMHと同サイズとし、かつ、その外周部をテーパ形状に形成しても良いし、図21(b)に示すように、それぞれの外周部を垂直形状に形成しても良い。 For example, as shown in FIG. 21A, the lightly doped polysilicon layer 300 may have the same size as the micro-heater MH, and the outer peripheral portion thereof may be formed in a tapered shape, or FIG. As shown in, each outer peripheral portion may be formed in a vertical shape.

また、低濃度ドープポリシリコン層300は、図21(c)に示すように、マイクロヒータMHよりも大きく形成しても良いし、図21(d)に示すように、マイクロヒータMHよりも小さく形成しても良い。 The lightly doped polysilicon layer 300 may be formed larger than the micro heater MH as shown in FIG. 21C, or smaller than the micro heater MH as shown in FIG. 21D. You may form.

また、低濃度ドープポリシリコン層300は、図21(e)に示すように、それぞれの上面が同一面となるようにマイクロヒータMHを表面に埋め込むような形状に形成しても良いし、図22(a)に示すように、マイクロヒータMHを内部に収納するように形成しても良い。 Further, the low-concentration doped polysilicon layer 300 may be formed in such a shape that the micro-heater MH is embedded in the surface so that the respective upper surfaces are flush with each other, as shown in FIG. As shown in 22(a), the micro heater MH may be formed so as to be housed inside.

また、低濃度ドープポリシリコン層300は、図22(b)に示すように、内部に収納するマイクロヒータMHの一部が露出するように形成しても良いし、図22(c)に示すように、内部に収納するマイクロヒータMHの全体が露出するように形成しても良い。 The lightly doped polysilicon layer 300 may be formed so that a part of the microheater MH housed inside is exposed as shown in FIG. 22B, or as shown in FIG. 22C. As described above, the entire micro-heater MH housed inside may be exposed.

また、低濃度ドープポリシリコン層300は、図22(d)に示すように、マイクロヒータMHの上下面に積層するように形成しても良いし、図22(e)に示すように、マイクロヒータMHの下半分を埋め込むように形成しても良い。 Further, the low-concentration doped polysilicon layer 300 may be formed so as to be stacked on the upper and lower surfaces of the micro heater MH as shown in FIG. 22(d), or as shown in FIG. 22(e). It may be formed so as to embed the lower half of the heater MH.

なお、低濃度ドープポリシリコン層300は、例えば0.6μm程度の厚さで形成することにより、熱伝導率を、低濃度ドープポリシリコン層300を設けない場合の6.25倍とすることができる。 The low-concentration doped polysilicon layer 300 is formed to have a thickness of, for example, about 0.6 μm so that the thermal conductivity thereof is 6.25 times that in the case where the low-concentration doped polysilicon layer 300 is not provided. it can.

このような構成によれば、低濃度ドープポリシリコン層300は高抵抗なので、マイクロヒータMHのヒータ特性に影響を及ぼすことなく、より温度特性が良好で、センサ特性に優れた限界電流式ガスセンサ1Cとすることができる。 With such a configuration, since the low-concentration doped polysilicon layer 300 has a high resistance, the limiting current type gas sensor 1C having a better temperature characteristic and an excellent sensor characteristic without affecting the heater characteristic of the micro-heater MH. Can be

(第1の実施の形態の第3変形例)
第1の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ1Dの模式的平面パターン構成は、図23(a)に示すように表され、図23(a)のID−ID線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ1Dの模式的断面構造は、図23(b)に示すように表される。
(Third Modification of First Embodiment)
The schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 1D according to the third modified example of the first embodiment is represented as shown in FIG. 23(a), and is along the ID-ID line of FIG. 23(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 1D formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 23(b).

すなわち、図18(a)および図18(b)に示した開放型構造のキャビティ部Cを備えた限界電流式ガスセンサ1Bの構造において、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層300を挿入するようにしたのが、第1の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ1Dである。 That is, in the structure of the limiting current type gas sensor 1B including the cavity C of the open type structure shown in FIGS. 18A and 18B, a low concentration doped poly having a high thermal conductivity is provided below the micro heater MH. The silicon layer 300 is inserted in the limiting current type gas sensor 1D according to the third modification of the first embodiment.

このような構成によっても、面内のメンブレン内部における熱伝導率を高めて、温度の均一化を図ることが可能となり、より温度特性が良好で、センサ特性に優れた限界電流式ガスセンサ1Dとすることができる。 Also with such a configuration, it is possible to increase the thermal conductivity inside the in-plane membrane and to make the temperature uniform, so that the limiting current type gas sensor 1D has better temperature characteristics and excellent sensor characteristics. be able to.

(第1の実施の形態の第4変形例)
第1の実施の形態の第4変形例に係る限界電流式ガスセンサ1Eの模式的平面パターン構成は、図24(a)に示すように表され、図24(a)のIE−IE線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ1Eの模式的断面構造は、図24(b)に示すように表される。
(Fourth Modification of First Embodiment)
The schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 1E according to the fourth modified example of the first embodiment is represented as shown in FIG. 24(a), and is along the line IE-IE in FIG. 24(a). The schematic cross-sectional structure of the gas sensor 1E formed in the MEMS beam structure is shown in FIG.

第1の実施の形態の第4変形例に係る限界電流式ガスセンサ1Eは、図24(a)および図24(b)に示すように、平面視において、基板12の各隅部に対応して配置される開口部45がI字型を有している。開口部45は、それぞれの長手方向が基板12の各辺に沿うように配置されると共に、それぞれの短手方向が基板12の各辺に接する二辺のうちの一方の辺に沿うように配置される。そして、ガスセンサ1Eは、基板12上の、開口部45によって規定される枠部分121と、この枠部分121に対して、開口部45間のアーム部分31によって支持された中央部分33に、ポーラス酸化膜51と下部電極28Dと固体電解質層30と上部電極28Uとからなるセンサ部分SPやSiN膜26などが配置される。 The limiting current type gas sensor 1E according to the fourth modified example of the first embodiment corresponds to each corner of the substrate 12 in plan view, as shown in FIGS. 24(a) and 24(b). The opening 45 to be arranged has an I shape. The openings 45 are arranged so that their respective longitudinal directions are along the respective sides of the substrate 12, and their respective lateral directions are also arranged along one of the two sides in contact with the respective sides of the substrate 12. To be done. Then, the gas sensor 1E has porous oxidation on the frame portion 121 defined by the opening 45 on the substrate 12, and the central portion 33 supported by the arm portion 31 between the openings 45 with respect to the frame portion 121. The sensor portion SP including the film 51, the lower electrode 28D, the solid electrolyte layer 30, and the upper electrode 28U, the SiN film 26, and the like are arranged.

また、ガスセンサ1Eは、面内のメンブレン内部に、マイクロヒータMHと低濃度ドープポリシリコン層300とが設けられる。さらに、MEMS梁構造の基板12は、面内のメンブレンに対応してキャビティ部Cが形成された開放型構造となっている。 Further, in the gas sensor 1E, the micro heater MH and the lightly doped polysilicon layer 300 are provided inside the in-plane membrane. Further, the substrate 12 having the MEMS beam structure has an open structure in which the cavity portion C is formed corresponding to the in-plane membrane.

中央部分33およびアーム部分31は、平面視において、開口部45の長手方向にそれぞれ沿って設けられ、中央部分33の各辺の片側端部がアーム部分31によって支持されている。そのため、アーム部分31の枠部分121との接続部および中央部分33との接続部において、応力による変形に対し、より強固に接続可能である。 The central portion 33 and the arm portion 31 are respectively provided along the longitudinal direction of the opening 45 in a plan view, and one end of each side of the central portion 33 is supported by the arm portion 31. Therefore, the connection portion of the arm portion 31 with the frame portion 121 and the connection portion with the central portion 33 can be connected more firmly against deformation due to stress.

ここで、0.2μm厚の高濃度層HCからなるマイクロヒータ(4×1019cm-3)MHと0.4μm厚の低濃度層LCからなる低濃度ドープポリシリコン層(1×1018cm-3以下)300とを備えた限界電流式ガスセンサ1Eの温度均一性について、シミュレーションを行った際の結果について説明する。Here, a micro-heater (4×10 19 cm −3 ) MH composed of a high-concentration layer HC having a thickness of 0.2 μm and a low-concentration doped polysilicon layer (1×10 18 cm composed of a low-concentration layer LC having a thickness of 0.4 μm). -3 or less) 300 and the temperature uniformity of the limiting current type gas sensor 1E will be described with respect to the result of simulation.

限界電流式ガスセンサ1Eのシミュレーション結果は、図25(a)に示すように表され、対比のために示す、0.2μm厚の高濃度層HCからなるマイクロヒータMHだけを備えた比較例の限界電流式ガスセンサ1Fのシミュレーション結果は、図25(b)に示すように表される。ただし、シミュレーションには、実際のガスセンサ1E・1Fをより簡略化したものを用いた。 The simulation result of the limiting current type gas sensor 1E is shown as shown in FIG. 25(a), and for comparison, the limit of the comparative example including only the micro heater MH made of the high concentration layer HC of 0.2 μm thickness. The simulation result of the current type gas sensor 1F is expressed as shown in FIG. However, the simplification of the actual gas sensors 1E and 1F was used for the simulation.

図25(a)および図25(b)からも明らかなように、低濃度ドープポリシリコン層300を備えたことによって、限界電流式ガスセンサ1Eは、限界電流式ガスセンサ1Fよりも面内の温度均一性を改善できた。 As is clear from FIGS. 25A and 25B, the provision of the low-concentration doped polysilicon layer 300 allows the limiting current type gas sensor 1E to have a more uniform temperature distribution in the surface than the limiting current type gas sensor 1F. I was able to improve my sex.

図26は、低濃度ドープポリシリコン層300におけるB、As、Pそれぞれの不純物濃度と熱伝導率との関係を示すものである。 FIG. 26 shows the relationship between the impurity concentrations of B, As, and P in the lightly doped polysilicon layer 300 and the thermal conductivity.

図26に示すように、いずれの不純物の場合にも、例えば、ドープ濃度を1018/cm3 以下に抑える(または、アンドープする)ことによって、熱伝導率が140W/mK程度の低濃度ドープポリシリコン層300を形成できる。As shown in FIG. 26, in the case of any impurity, for example, by suppressing (or undoping) the doping concentration to 10 18 /cm 3 or less, a low-concentration doped poly with a thermal conductivity of about 140 W/mK is used. The silicon layer 300 can be formed.

図27は、限界電流式ガスセンサ1Eの面内における温度分布と、限界電流式ガスセンサ1Fの面内における温度分布とを対比して示すものである。 FIG. 27 shows the temperature distribution in the plane of the limiting current type gas sensor 1E and the temperature distribution in the plane of the limiting current type gas sensor 1F for comparison.

図28は、低濃度ドープポリシリコン層300の形成に用いられる低濃度層LCの厚さと面内の温度分布との関係を示すものである。 FIG. 28 shows the relationship between the thickness of the low-concentration layer LC used for forming the low-concentration doped polysilicon layer 300 and the in-plane temperature distribution.

図27および図28から明らかなように、限界電流式ガスセンサ1Fに設けられる低濃度ドープポリシリコン層300の厚さを例えば、約0.4μmとした場合に、面内の温度分布を約7%、限界電流式ガスセンサ1Fよりも改善できることが分かった。 As apparent from FIGS. 27 and 28, when the thickness of the low-concentration doped polysilicon layer 300 provided in the limiting current type gas sensor 1F is set to, for example, about 0.4 μm, the in-plane temperature distribution is set to about 7%. It has been found that it can be improved over the limiting current type gas sensor 1F.

(第2の実施の形態)
(概略構成)
第2の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ2Aの模式的平面パターン構成は、図30(a)に示すように表され、図30(a)のIIA−IIA線に沿う、MEMS梁構造を備えるガスセンサ2Aの模式的断面構造は、図30(b)に示すように表される。なお、第2の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ2Aは、上述した限界電流式ガスセンサ1Aのポーラス酸化膜51をポーラスPt膜(多孔質膜)61に変更するようにしたものであって、それ以外の構成は基本的に同一なので重複する説明はできるだけ省略し、特徴的な部分の構成についてより詳しく説明する。
(Second embodiment)
(Schematic configuration)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 2A according to the second embodiment is represented as shown in FIG. 30(a), and has a MEMS beam structure along the line IIA-IIA in FIG. 30(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 2A provided is shown in FIG. 30(b). The limiting current type gas sensor 2A according to the second embodiment is configured such that the porous oxide film 51 of the limiting current type gas sensor 1A described above is changed to a porous Pt film (porous film) 61. Since the other configurations are basically the same, redundant description will be omitted as much as possible, and the configuration of a characteristic part will be described in more detail.

すなわち、第2の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ2Aは、図30(a)および図30(b)に示すように、キャビティ部Cが船型構造を有するMEMS梁構造の基板(例えば、Si)12と、基板12上の活性領域AA内に配置されたガス導入路としてのポーラスPt膜61と、ポーラスPt膜61上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、ポーラスPt膜61および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層(YSZ膜)30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極(例えば、Pt膜)28Uとを備える。 That is, as shown in FIGS. 30(a) and 30(b), the limiting current type gas sensor 2A according to the second embodiment has a MEMS beam structure substrate (for example, Si having a cavity C having a ship structure). ) 12, a porous Pt film 61 as a gas introduction path arranged in the active region AA on the substrate 12, a lower electrode (Pt/Ti laminated film) 28D arranged on the porous Pt film 61, and a porous Pt. A solid electrolyte layer (YSZ film) 30 arranged so as to cover the membrane 61 and the lower electrode 28D, and an upper electrode (for example, Pt film) 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D. ..

また、この限界電流式ガスセンサ2Aは、図30(a)および図30(b)に示すように、方形状の基板12上に第1・第2絶縁層(例えば、SiO2 膜)181・182からなる絶縁層18を有し、マイクロヒータMHの加熱に伴って、SiN膜201上に配置されたポーラスPt膜61のガス取込口61Gを介して、被測定ガス(例えば、O2 ガス)をセンサ部分SPの固体電解質層30内へと導入するように構成されている。すなわち、被測定ガスは、ポーラス酸化膜51に代わる、ガス取込口61GよりポーラスPt膜61中に取り込まれ、下部電極28Dを介して固体電解質層30内へと導入された後、加熱により固体電解質層30内に拡散される。被測定ガスの固体電解質層30内への導入は、吸引動作を伴うものであっても良い。In addition, as shown in FIGS. 30A and 30B, the limiting current type gas sensor 2A includes first and second insulating layers (eg, SiO 2 films) 181, 182 on a rectangular substrate 12. The insulating layer 18 made of, and accompanying the heating of the micro heater MH, the gas to be measured (for example, O 2 gas) is passed through the gas inlet 61G of the porous Pt film 61 arranged on the SiN film 201. Is introduced into the solid electrolyte layer 30 of the sensor portion SP. That is, the gas to be measured is taken into the porous Pt film 61 through the gas intake port 61G, which replaces the porous oxide film 51, is introduced into the solid electrolyte layer 30 through the lower electrode 28D, and is then solidified by heating. It is diffused in the electrolyte layer 30. The introduction of the gas to be measured into the solid electrolyte layer 30 may be accompanied by a suction operation.

なお、ガス取込口61Gは、平面視において、端子電極接続部23に沿う方向に延出するように、ポーラスPt膜61と同一材料により一体的に形成可能であり、その体積や厚さ、または幅などを調整することにより、被測定ガスの取込量を変化させることが可能である。ガス取込口61Gは、ポーラスPt膜61とは別体として形成することも可能であり、また平面視において、端子電極接続部23に沿う方向以外の、例えば端子電極接続部23に沿う方向またはヒータ接続部21・22に沿う方向に延出するように配置しても良い。 The gas inlet 61G can be integrally formed of the same material as the porous Pt film 61 so as to extend in the direction along the terminal electrode connecting portion 23 in a plan view, and its volume and thickness, Alternatively, it is possible to change the intake amount of the gas to be measured by adjusting the width and the like. The gas inlet 61G can be formed separately from the porous Pt film 61, and in plan view, other than the direction along the terminal electrode connecting portion 23, for example, the direction along the terminal electrode connecting portion 23 or You may arrange|position so that it may extend in the direction which follows the heater connection parts 21*22.

また、平面視において、センサ部分SPのポーラスPt膜61、下部電極28D、固体電解質層30、および上部電極28Uは、偏心がない状態でセンサ表面の中心に配置するのが望ましいが、マイクロヒータMH上であれば、偏心した状態で配置されていても良い。 In plan view, the porous Pt film 61, the lower electrode 28D, the solid electrolyte layer 30, and the upper electrode 28U of the sensor portion SP are preferably arranged at the center of the sensor surface without any eccentricity. If it is above, it may be arranged in an eccentric state.

なお、ポーラスPt膜61は、上述した限界電流式ガスセンサ1Aを製造する際のポーラス酸化膜51の形成工程に代えて、スパッタリングおよびエッチングにより形成すれば良い。 The porous Pt film 61 may be formed by sputtering and etching instead of the process of forming the porous oxide film 51 when manufacturing the limiting current type gas sensor 1A described above.

以上のように、ポーラスPt膜61を適用した限界電流式ガスセンサ2Aの場合においても、上述した限界電流式ガスセンサ1Aの場合と同様に、キャビティ部CがマイクロヒータMHよりも実質的に大きくなるように形成することによって、熱容量の低減化と共に、マイクロヒータMHによる加熱がセンサ周辺にまで無駄に拡がるのを簡単に抑制できる。 As described above, also in the case of the limiting current type gas sensor 2A to which the porous Pt film 61 is applied, as in the case of the limiting current type gas sensor 1A described above, the cavity portion C is substantially larger than the micro heater MH. By forming it in the above manner, it is possible to reduce the heat capacity and to easily prevent the heating by the micro heater MH from being unnecessarily spread to the periphery of the sensor.

特に、ポーラスPt膜61は高い熱安定性を有するため、ガス絞り性能が高い。しかも、ガス取込口61Gのサイズを調整することのみで被測定ガスの取込量を簡単に制御でき、センサ特性にも優れた限界電流式ガスセンサ2Aとすることができる。 In particular, since the porous Pt film 61 has high thermal stability, it has high gas squeezing performance. In addition, the amount of gas to be measured can be easily controlled only by adjusting the size of the gas inlet 61G, and the limiting current type gas sensor 2A having excellent sensor characteristics can be obtained.

また、ポーラスPt膜61を採用したことにより、ガス拡散路MPが不要となるため、製造が容易である。 Further, since the porous Pt film 61 is adopted, the gas diffusion path MP is not required, so that the manufacturing is easy.

特に、この限界電流式ガスセンサ2Aは、ポーラスPt膜61を下部電極28Dとしても利用できるため、Pt/Ti積層膜を省略することも可能である。 Particularly, in the limiting current type gas sensor 2A, since the porous Pt film 61 can also be used as the lower electrode 28D, the Pt/Ti laminated film can be omitted.

したがって、第2の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサによれば、センサ特性の改善が容易に可能であり、しかも、容易に製造できる。 Therefore, according to the limiting current type gas sensor according to the second embodiment, the sensor characteristics can be easily improved, and furthermore, the gas sensor can be easily manufactured.

(第2の実施の形態の第1変形例)
第2の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ2Bの模式的平面パターン構成は、図31(a)に示すように表され、図31(a)のIIB−IIB線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ2Bの模式的断面構造は、図31(b)に示すように表される。
(First Modification of Second Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 2B according to the first modified example of the second embodiment is expressed as shown in FIG. 31(a), and is along the line IIB-IIB in FIG. 31(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 2B formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 31(b).

すなわち、第2の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ2Bは、MEMS梁構造として、平面視において、基板12がセンサ部分SPを取り囲むように配置された開放型構造のキャビティ部Cを有して形成されても良い。開放型構造のキャビティ部Cは、例えば、舟型構造のキャビティ部Cを形成した後に、基板12を裏面側より深掘りエッチングすることによって簡単に形成できる。 That is, the limiting current type gas sensor 2B according to the first modified example of the second embodiment has a cavity portion having an open structure in which the substrate 12 is arranged so as to surround the sensor portion SP in plan view as a MEMS beam structure. It may be formed to have C. The cavity C of the open type structure can be easily formed by, for example, forming the cavity C of the boat type structure and then deeply etching the substrate 12 from the back surface side.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ2Aと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 2A, and thus the duplicate description will be omitted.

このような構成によっても、上述した限界電流式ガスセンサ2Aと同様に、センサ特性の改善が容易に可能な限界電流式ガスセンサ2Bとすることができる。 Even with such a configuration, the limiting current type gas sensor 2B capable of easily improving the sensor characteristics can be obtained as in the limiting current type gas sensor 2A described above.

(第2の実施の形態の第2変形例)
第2の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ2Cの模式的平面パターン構成は、図32(a)に示すように表され、図32(a)のIIC−IIC線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ2Cの模式的断面構造は、図32(b)に示すように表される。
(Second Modification of Second Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 2C according to the second modified example of the second embodiment is represented as shown in FIG. 32(a), and is along the line IIC-IIC in FIG. 32(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 2C formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 32(b).

すなわち、第2の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ2Cは、面内のメンブレン内部における熱伝導率を高めて、温度の均一化を図るようにしたものである。 That is, the limiting current type gas sensor 2C according to the second modified example of the second embodiment is configured to increase the thermal conductivity inside the in-plane membrane so as to make the temperature uniform.

より具体的には、例えば、図30(a)および図30(b)に示した舟型構造のキャビティ部Cを備えた限界電流式ガスセンサ2Aにおいて、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層(例えば、約140W/mK)300を挿入するようにしたのが、第2の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ2Cである。 More specifically, for example, in the limiting-current type gas sensor 2A including the cavity C having the boat-shaped structure shown in FIGS. 30A and 30B, the thermal conductivity is high below the micro heater MH. The low-concentration doped polysilicon layer (for example, about 140 W/mK) 300 is inserted in the limiting current type gas sensor 2C according to the second modification of the second embodiment.

このような構成によれば、より温度特性が良好で、センサ特性に優れた限界電流式ガスセンサ2Cとすることができる。 According to such a configuration, it is possible to obtain the limiting current type gas sensor 2C having better temperature characteristics and excellent sensor characteristics.

(第2の実施の形態の第3変形例)
第2の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ2Dの模式的平面パターン構成は、図33(a)に示すように表され、図33(a)のIID−IID線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ2Dの模式的断面構造は、図33(b)に示すように表される。
(Third Modification of Second Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 2D according to the third modified example of the second embodiment is expressed as shown in FIG. 33(a), and is along the IID-IID line of FIG. 33(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 2D formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 33(b).

すなわち、図31(a)および図31(b)に示した開放型構造のキャビティ部Cを備えた限界電流式ガスセンサ2Bの構造において、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層300を挿入するようにしたのが、第2の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ2Dである。 That is, in the structure of the limiting current type gas sensor 2B including the cavity C of the open type structure shown in FIGS. 31A and 31B, a low concentration doped poly having a high thermal conductivity is provided below the micro heater MH. The silicon layer 300 is inserted in the limiting current type gas sensor 2D according to the third modification of the second embodiment.

このような構成によっても、より温度特性が良好で、センサ特性に優れた限界電流式ガスセンサ2Dとすることができる。 With such a configuration as well, it is possible to obtain the limiting current type gas sensor 2D having better temperature characteristics and excellent sensor characteristics.

(第3の実施の形態)
(概略構成)
第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aの模式的平面パターン構成は、図34(a)に示すように表され、図34(a)のIIIA−IIIA線に沿う、MEMS梁構造を備えるガスセンサ3Aの模式的断面構造は、図34(b)に示すように表される。なお、第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aは、ガス拡散路の構成が、上述した第1・第2の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのそれとは異なり、それ以外の構成は基本的に同一である。
(Third Embodiment)
(Schematic configuration)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment is represented as shown in FIG. 34(a), and has a MEMS beam structure along the line IIIA-IIIA in FIG. 34(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 3A provided is shown in FIG. 34(b). The limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment is different from the limiting current type gas sensor according to the above-described first and second embodiments in the configuration of the gas diffusion path, and other configurations. Are basically the same.

まず、構成の概略について説明すると、第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aは、図34(a)および図34(b)に示すように、基板(例えば、Si)12上のセンサ表面に、SiN層20を構成するSiN膜(第3・第4絶縁膜)201・202、センサ部分SP、ガス拡散路(ガス導入路)MPのガス取込口(開口部)47、SiN膜26、ヒータ接続部21・22、端子電極接続部23・24、および開口部45などが設けられる。 First, the outline of the configuration will be described. The limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment is a sensor on a substrate (for example, Si) 12 as shown in FIGS. 34(a) and 34(b). On the surface, SiN films (third/fourth insulating films) 201/202 forming the SiN layer 20, sensor portion SP, gas intake port (opening) 47 of gas diffusion path (gas introduction path) MP, SiN film 26, the heater connection portions 21 and 22, the terminal electrode connection portions 23 and 24, the opening portion 45, and the like.

センサ部分SPは、平面視において、基板12上の中央付近の活性領域内に配置されたガス拡散路MPと、ポーラス電極である下部電極(ポーラスPt/Ti膜)28Dと、下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層(YSZ膜)30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極(例えば、Pt膜)28Uとを備える。なお、基板12(活性領域)、下部電極28D、固体電解質層30、および上部電極28Uは、いずれも方形状またはそれ以外の形状であっても良い。 The sensor portion SP covers the gas diffusion path MP arranged in the active region near the center of the substrate 12, the lower electrode (porous Pt/Ti film) 28D that is a porous electrode, and the lower electrode 28D in plan view. The solid electrolyte layer (YSZ film) 30 thus arranged and the upper electrode (for example, Pt film) 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D are provided. The substrate 12 (active region), the lower electrode 28D, the solid electrolyte layer 30, and the upper electrode 28U may all have a rectangular shape or any other shape.

ガス拡散路MPは、SiN膜202を介して、下部電極28Dの下方に配置される。ガス拡散路MPのガス取込口47は、平面視において、センサ部分SPの一方向(例えば、図34(b)の断面に沿う方向の左端側)に対応する活性領域内のSiN膜26の近傍に配置される。SiN膜26は、センサ部分SPの外周部であって、センサ部分SPとの間に所定の距離を保持しつつ、センサ部分SPの周囲を四角枠状に囲むように配置される。 The gas diffusion path MP is arranged below the lower electrode 28D via the SiN film 202. The gas intake port 47 of the gas diffusion path MP is, in plan view, the SiN film 26 in the active region corresponding to one direction of the sensor portion SP (for example, the left end side in the direction along the cross section of FIG. 34B). It is placed in the vicinity. The SiN film 26 is an outer peripheral portion of the sensor portion SP, and is arranged so as to surround the sensor portion SP in a rectangular frame shape while maintaining a predetermined distance from the sensor portion SP.

SiN膜26の外側であって、基板12上の活性領域と非活性領域との間には、各隅部に対応するようにして、4つの開口部45がL字型に配置される。開口部45は、舟型構造のキャビティ部Cを形成する際に形成される。なお、開口部45は、L字型以外の形状、例えばストレート状(I字型)などであっても良い。 Outside the SiN film 26 and between the active region and the non-active region on the substrate 12, four openings 45 are arranged in an L shape so as to correspond to the respective corners. The opening 45 is formed when the cavity C having a boat-shaped structure is formed. The opening 45 may have a shape other than the L-shape, such as a straight shape (I-shape).

また、開口部45のさらに外側の基板12上の縁部(センサ表面の周端部)には、平面視において、各開口部45間に対応するように、ヒータ接続部21・22の接続用パット211・221と端子電極接続部23・24の接続用パット231・241とが配置される。接続用パット211・221は、センサ部分SPの方向に向かって引き出された配線部212・222をそれぞれ介して、SiN膜26の直下において、端子部213・223と接続される。接続用パット231は、センサ部分SPの方向に向かって引き出された配線部232を介して、センサ部分SPの下部電極28Dの延出端28D1と接続され、接続用パット241は、センサ部分SPの方向に向かって引き出された配線部242を介して、センサ部分SPの上部電極28Uの延出端28U1と接続される。 Further, at the edge portion (peripheral end portion of the sensor surface) on the substrate 12 further outside the opening portion 45, for connecting the heater connection portions 21 and 22 so as to correspond to each opening portion 45 in plan view. The pads 211 and 221 and the connecting pads 231 and 241 of the terminal electrode connecting portions 23 and 24 are arranged. The connecting pads 211 and 221 are connected to the terminal portions 213 and 223 immediately below the SiN film 26 via the wiring portions 212 and 222 that are drawn out toward the sensor portion SP, respectively. The connecting pad 231 is connected to the extending end 28D1 of the lower electrode 28D of the sensor portion SP via the wiring portion 232 extended toward the sensor portion SP, and the connecting pad 241 is connected to the sensor portion SP. It is connected to the extending end 28U1 of the upper electrode 28U of the sensor portion SP via the wiring portion 242 drawn out in the direction.

一方、センサ部分SPの下方に対応する絶縁層18を構成する第1・第2絶縁層(例えば、SiO2 膜)181・182間には、センサ部分SPよりも大面積のマイクロヒータMHが設けられると共に、さらに、その下方には、マイクロヒータMHよりも大面積を有して、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部(舟型構造)Cが形成されている。On the other hand, a micro-heater MH having a larger area than that of the sensor portion SP is provided between the first and second insulating layers (e.g., SiO 2 film) 181 and 182 forming the insulating layer 18 corresponding to the lower portion of the sensor portion SP. In addition, a cavity portion (boat-shaped structure) C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is formed below the micro heater MH so as to have a larger area.

以下に、より具体的に説明すると、第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aは、図34(a)および図34(b)に示すように、基板12上の第1・第2絶縁層181・182間に配置されたマイクロヒータMHを有し、センサ部分SPにおいて、上層の第2絶縁層182と下部電極28Dとの間に中空構造を有して形成されたガス拡散路MPを介して、被測定ガス(例えば、O2 ガス)を固体電解質層30内へと導入するように構成されている。すなわち、被測定ガスは、マイクロヒータMHの加熱に伴って、ガス取込口47よりSiN膜202の直下のガス拡散路MP内に取り込まれ、ガス流路(マイクロ流路)42を経て、ガス導入口(開口部)41の下部電極28Dから固体電解質層30内へと導入された後、固体電解質層30内に拡散される。被測定ガスの固体電解質層30内への導入は、吸引動作を伴うものであっても良い。Described more specifically below, the limiting-current type gas sensor 3A according to the third embodiment includes first and second limiting current sensors on the substrate 12, as shown in FIGS. 34(a) and 34(b). A gas diffusion path MP having a micro heater MH arranged between the insulating layers 181 and 182 and having a hollow structure between the upper second insulating layer 182 and the lower electrode 28D in the sensor portion SP. The gas to be measured (for example, O 2 gas) is introduced into the solid electrolyte layer 30 via the. That is, the gas to be measured is taken into the gas diffusion path MP immediately below the SiN film 202 from the gas intake port 47 along with the heating of the micro heater MH, passes through the gas flow path (micro flow path) 42, and passes through the gas. After being introduced into the solid electrolyte layer 30 from the lower electrode 28D of the introduction port (opening) 41, it is diffused in the solid electrolyte layer 30. The introduction of the gas to be measured into the solid electrolyte layer 30 may be accompanied by a suction operation.

なお、下部電極28D、および固体電解質層30は、ガス取込口47に対向する側(例えば、図34(b)の断面に沿う方向の右端側)が、ガス拡散路MPの側壁部の一部を覆うようにして配置されている。 The lower electrode 28D and the solid electrolyte layer 30 have one side wall portion of the gas diffusion path MP on the side facing the gas intake port 47 (for example, the right end side in the direction along the cross section of FIG. 34B). It is arranged so as to cover the part.

下部電極28Dは、ポーラスPt膜とTi膜との積層膜であるポーラスPt/Ti膜によって、例えば、約100nmの厚さで形成される。Ti膜は、ポーラスPt膜と下層のSiN膜202との接合を密にし、より強固にするために用いられる。 The lower electrode 28D is formed of a porous Pt/Ti film, which is a laminated film of a porous Pt film and a Ti film, with a thickness of, for example, about 100 nm. The Ti film is used to make the bond between the porous Pt film and the underlying SiN film 202 denser and stronger.

ここで、下部電極28Dは、ガス拡散路MPのガス導入口41となる部分より一部が流路42内に突出するようにして配置され、後述する金属粒子焼結層および金属粒子焼結層に形成された微細ガス導入路を有する(図示省略)。 Here, the lower electrode 28D is arranged such that a part of the lower electrode 28D protrudes into the flow path 42 from the portion that becomes the gas introduction port 41 of the gas diffusion path MP. It has a fine gas introduction passage formed in (not shown).

例えば、第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aにおいては、下部電極28Dそれ自体をナノ構造に形成している。すなわち、カーボンナノチューブ(CNT)を混ぜたPtを焼結し、最後にCNTを焼き飛ばして微細ガス導入路を形成した金属粒子焼結層(緻密Pt)を下部電極28Dとして適用しても良い。CNTの代わりに、カーボンナノ粒子を適用しても良い。 For example, in the limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment, the lower electrode 28D itself is formed in a nanostructure. That is, Pt mixed with carbon nanotubes (CNT) may be sintered, and finally, CNT may be burned off to form a metal particle sintered layer (dense Pt) in which a fine gas introduction path is formed as the lower electrode 28D. Carbon nanoparticles may be applied instead of CNTs.

なお、下部電極28Dにおける微細ガス導入路は、例えば、金属粒子焼結層に含有されるナノメートルスケールを有するナノワイヤ、ナノチューブ、ナノ粒子などの熱処理工程もしくは熱処理工程と組み合わせたエッチング処理工程によって形成可能である。ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノ粒子は、例えば、炭素(C)、酸化亜鉛(ZnO)などによって形成可能である。 The fine gas introduction path in the lower electrode 28D can be formed by, for example, a heat treatment process of nanowires, nanotubes, nanoparticles, etc. having a nanometer scale contained in the metal particle sintered layer, or an etching treatment process combined with the heat treatment process. Is. Nanowires, nanotubes, and nanoparticles can be formed of, for example, carbon (C), zinc oxide (ZnO), or the like.

すなわち、下部電極28Dにおける金属粒子焼結層および金属粒子焼結層に形成される微細ガス導入路については、ここでの詳細な説明は省略するが、金属粒子焼結層は、ナノワイヤを備えていても良い。ナノワイヤは、CNTもしくはZnOを備えていても良い。また、金属粒子焼結層は、カーボンナノチューブもしくはカーボンナノ粒子を備え、微細ガス導入路は、金属粒子焼結層の大気中での燃焼により、カーボンナノチューブもしくはカーボンナノ粒子が燃焼されることによって形成されていても良い。また、金属粒子焼結層は、ZnOを備え、微細ガス導入路は、金属粒子焼結層の大気中での燃焼後、ウェットエッチングによりZnOがエッチングされることによって形成されていても良い。 That is, the metal particle sintered layer in the lower electrode 28D and the fine gas introduction path formed in the metal particle sintered layer will not be described in detail here, but the metal particle sintered layer includes nanowires. May be. The nanowire may include CNT or ZnO. The metal particle sintered layer is provided with carbon nanotubes or carbon nanoparticles, and the fine gas introduction path is formed by burning the carbon nanotubes or carbon nanoparticles by burning the metal particle sintered layer in the atmosphere. It may be done. The metal particle sintered layer may be provided with ZnO, and the fine gas introduction path may be formed by etching ZnO by wet etching after burning the metal particle sintered layer in the atmosphere.

さらには、金属粒子焼結層の金属粒子は、Pt、Ag、Pd、Au、もしくはRuのいずれかを備えていても良い。また、金属粒子焼結層は、金属粒子焼結層中に閉じ込められ、大気中での燃焼により、燃焼されないナノワイヤを備えていても良い。ナノワイヤもしくはナノ粒子は、直径が約0.1μm以下を備える。また、ナノワイヤの長さは、例えば、約10μm以下である。ナノワイヤを使用するメリットは、ナノワイヤの形状(径、長さ)によりガス透過量制御が可能であり、また、ナノワイヤの割合によりガス透過量制御が可能なことである。 Furthermore, the metal particles of the metal particle sintered layer may include any one of Pt, Ag, Pd, Au, and Ru. Further, the metal particle sintered layer may include nanowires that are confined in the metal particle sintered layer and are not burned by burning in the atmosphere. The nanowires or nanoparticles have a diameter of about 0.1 μm or less. The length of the nanowire is, for example, about 10 μm or less. The advantage of using the nanowires is that the gas permeation amount can be controlled by the shape (diameter, length) of the nanowires, and the gas permeation amount can be controlled by the ratio of the nanowires.

このように、第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aは、下部電極28Dの微細ガス導入路の形状によりガス透過量を制御可能である。また、第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aは、下部電極28Dの微細ガス導入路の含有割合によりガス透過量を制御可能である。 As described above, in the limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment, the gas permeation amount can be controlled by the shape of the fine gas introduction passage of the lower electrode 28D. Further, in the limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment, the gas permeation amount can be controlled by the content ratio of the fine gas introduction passage of the lower electrode 28D.

固体電解質層30は、約1μmの厚さのYSZ膜で形成される。薄いと、上下の電極28U・28D間が導通してしまうためである。例えば、固体電解質層30は、下部電極28Dの周囲を覆うようにして配置され、上下の電極28U・28D間の導通が防がれる。 The solid electrolyte layer 30 is formed of a YSZ film having a thickness of about 1 μm. This is because if it is thin, the upper and lower electrodes 28U and 28D are electrically connected. For example, the solid electrolyte layer 30 is arranged so as to cover the periphery of the lower electrode 28D and prevents conduction between the upper and lower electrodes 28U and 28D.

ガス拡散路MPは、被測定ガスを取り込むガス取込口47からガス導入口41までのマイクロ流路42の流路長と流路断面積との比に応じて、被測定ガスの流量制御が可能である。例えば、「流路長/断面積=100μm-1(アスペクト比)」となるように、ガス拡散路MPを、幅(W)=30μm、深さ(D)=0.1μm、長さ(L)=300μmで形成することにより、アスペクト比が「3」以上となって限界電流特性が良好となる。The gas diffusion path MP controls the flow rate of the gas to be measured according to the ratio of the channel length of the micro channel 42 from the gas intake port 47 that takes in the gas to be measured to the gas inlet 41 and the channel cross-sectional area. It is possible. For example, the width (W)=30 μm, depth (D)=0.1 μm, length (L) of the gas diffusion path MP is set so that “flow path length/cross-sectional area=100 μm −1 (aspect ratio)”. )=300 μm, the aspect ratio becomes “3” or more and the limiting current characteristic becomes good.

なお、ガス拡散路MPは、センサ表面の中心に対して偏心された状態で配置されていても良く、平面視において、ガス導入口41が基板12上の中央付近に配置されるのが望ましい。これに対し、下部電極28D、固体電解質層30、および上部電極28Uは、ガス導入口41を中心にして、ガス導入口41上に積層されていれば良い。すなわち、センサ部分SPを構成するガス拡散路MP、下部電極28D、固体電解質層30、および上部電極28Uは、マイクロヒータMH上であれば、センサ表面の中心に対して、互いに異なる方向に偏心した状態で配置されていても良い。 The gas diffusion path MP may be arranged in a state of being eccentric with respect to the center of the sensor surface, and it is preferable that the gas introduction port 41 is arranged near the center of the substrate 12 in plan view. On the other hand, the lower electrode 28D, the solid electrolyte layer 30, and the upper electrode 28U may be stacked on the gas introduction port 41 with the gas introduction port 41 as the center. That is, the gas diffusion path MP, the lower electrode 28D, the solid electrolyte layer 30, and the upper electrode 28U that form the sensor portion SP are eccentric to the center of the sensor surface in different directions on the micro heater MH. It may be arranged in a state.

第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aは、ガス拡散路MPのアスペクト比に応じて被測定ガスの流量制御が可能であり、アスペクト比を大きくできることによりセンサ特性を改善できると共に、ガス拡散路MPの形成の精度を高めることによって、センサ特性をより安定化させることができる。 The limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment can control the flow rate of the gas to be measured according to the aspect ratio of the gas diffusion path MP, and can improve the sensor characteristics by increasing the aspect ratio, The sensor characteristics can be more stabilized by increasing the accuracy of forming the diffusion path MP.

MEMS梁構造の基板12は、例えば、10μm程度の厚さを有し、キャビティ部CがマイクロヒータMHよりも実質的に大きくなるように形成されて、メンブレンからの熱の逃げを防ぐようになっている。 The substrate 12 having the MEMS beam structure has a thickness of, for example, about 10 μm and is formed such that the cavity C is substantially larger than the micro heater MH to prevent heat from escaping from the membrane. ing.

MEMS梁構造としては、平面視において、基板12がセンサ部分SPを取り囲むように配置された開放型構造(図44参照)を有して形成されても良い。また、キャビティ部Cは、基板12を貼り合わせることによって形成される構造とすることもできる。 The MEMS beam structure may be formed to have an open structure (see FIG. 44) in which the substrate 12 is arranged so as to surround the sensor portion SP in plan view. Further, the cavity portion C may have a structure formed by bonding the substrates 12 together.

このように、第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aは、MEMS構造を有する梁構造(舟型構造)を基本構造とすることによって、センサ部分SPの熱容量を低減化し、センサ感度の向上を図っている。 As described above, the limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment uses the beam structure (boat type structure) having the MEMS structure as a basic structure to reduce the heat capacity of the sensor portion SP and reduce the sensor sensitivity. We are trying to improve.

要するに、第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aは、基板12と、基板12上に第1絶縁層181を介して配置されたヒータMHと、ヒータMH上に第2絶縁層182を介して配置され、被測定ガスを取り込むガス導入路MPと、ガス導入路MP上に配置された下部電極28Dと、下部電極28D上に配置された固体電解質層30と、固体電解質層30上の、下部電極28Dに対向する面に配置された上部電極28Uと、基板12に、ヒータMHよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部Cとを備える。 In short, the limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment includes the substrate 12, the heater MH arranged on the substrate 12 via the first insulating layer 181, and the second insulating layer 182 on the heater MH. A gas introduction path MP, which is disposed via the gas introduction path MP, a lower electrode 28D arranged on the gas introduction path MP, a solid electrolyte layer 30 arranged on the lower electrode 28D, and a solid electrolyte layer 30 The upper electrode 28U is disposed on the surface facing the lower electrode 28D, and the cavity 12 is formed on the substrate 12 so as to be substantially larger than the heater MH.

なお、第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aにおいて、マイクロヒータMHは、センサ部分SPである基板12上の第1・第2絶縁層181・182間に配置される場合に限らず、基板12の下部に配置されていても良いし、基板12の内部に埋め込まれていても良い。もしくは、基板12の表面に、ポリシリコンで形成されたマイクロヒータMHを含む、SiO2 膜/SiN膜の積層膜(図示せず)が形成された構成としても良い。In the limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment, the micro heater MH is not limited to being arranged between the first and second insulating layers 181 and 182 on the substrate 12 which is the sensor portion SP. It may be arranged under the substrate 12, or may be embedded inside the substrate 12. Alternatively, a laminated film (not shown) of a SiO 2 film/SiN film including a micro heater MH made of polysilicon may be formed on the surface of the substrate 12.

(製造方法)
第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aの製造方法は、基板12上に第1絶縁層181を介してヒータMHを形成する工程と、ヒータMH上に第2絶縁層182を介して下部電極28Dを形成する工程と、下部電極28D上に固体電解質層30を形成する工程と、固体電解質層30上の、下部電極28Dに対向する面に上部電極28Uを形成する工程と、ヒータMH上に第2絶縁層182を介して配置され、被測定ガスを導入するガス導入路MPを形成する工程と、基板12に、ヒータMHよりも実質的に大きなキャビティ部Cを形成する工程とを有する。
(Production method)
The method of manufacturing the limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment includes the step of forming the heater MH on the substrate 12 via the first insulating layer 181 and the second insulating layer 182 on the heater MH. A step of forming the lower electrode 28D, a step of forming the solid electrolyte layer 30 on the lower electrode 28D, a step of forming the upper electrode 28U on the surface of the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D, and a heater MH A step of forming a gas introduction path MP, which is disposed above the second insulation layer 182 and introduces a gas to be measured, and a step of forming a cavity portion C substantially larger than the heater MH in the substrate 12. Have.

図34(a)および図34(b)に示した第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aの製造方法は、図35〜図43に示すように表される。なお、図10(a)および図10(b)に示した、P−CVD法などにより約0.5μm厚のSiN膜201を形成するまでの工程は、第1の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの場合と同様なので、それ以降の工程について説明する。 A method for manufacturing the limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment shown in FIGS. 34(a) and 34(b) is represented as shown in FIGS. The steps shown in FIGS. 10A and 10B until the SiN film 201 having a thickness of about 0.5 μm is formed by the P-CVD method or the like are the limiting current according to the first embodiment. Since it is similar to the case of the gas sensor 1A, the subsequent steps will be described.

(a)図35(a)および図35(b)に示すように、例えば、第2絶縁層182上にSiN膜201を形成した後、さらに、ガス拡散路MPを形成するための流路形成層35を予め形成(デポ+パターニング)する。 (A) As shown in FIGS. 35(a) and 35(b), for example, after forming the SiN film 201 on the second insulating layer 182, further forming a flow path for forming the gas diffusion path MP. The layer 35 is formed in advance (deposition+patterning).

流路形成層35は、SiN膜201・202とはエッチングの選択比が異なる膜形成部材、例えばポリシリコン膜を用いて形成される。また、流路形成層35は、ガス拡散路MPのアスペクト比が、例えば「流路長/流路断面積=100μm-1」となるように、長さ(L)が300μm、幅(W)が30μm、厚さ(深さ(D))が0.1μmで形成される。The flow path forming layer 35 is formed using a film forming member having a different etching selection ratio from the SiN films 201 and 202, for example, a polysilicon film. The flow path forming layer 35 has a length (L) of 300 μm and a width (W) such that the aspect ratio of the gas diffusion path MP is, for example, “flow path length/flow path cross-sectional area=100 μm −1 ”. Is 30 μm and the thickness (depth (D)) is 0.1 μm.

ここで、ガス拡散路MPの所定のアスペクト比は、ガス拡散路MPの流路長を長くしたり、ガス拡散路MPの断面積(流路断面積)を小さくすることによって、容易に大きくでき、ガス拡散路MPのアスペクト比を大きくすることによって、センサ特性の改善が可能である。 Here, the predetermined aspect ratio of the gas diffusion path MP can be easily increased by increasing the flow path length of the gas diffusion path MP or decreasing the cross-sectional area (flow path cross-sectional area) of the gas diffusion path MP. The sensor characteristics can be improved by increasing the aspect ratio of the gas diffusion path MP.

(b)次いで、図36(a)および図36(b)に示すように、P−CVD法などにより全面に流路形成層35とはエッチングの選択比が異なる、約0.5μm厚のSiN膜202を形成した後、さらに、SiN膜201・202および第2絶縁層182を選択的にエッチングして、マイクロヒータMHにつながる、ヒータ接続部21・22の端子部213・223を形成するための開口部37を形成する。 (B) Next, as shown in FIGS. 36(a) and 36(b), SiN having a thickness of about 0.5 μm, which has a different etching selection ratio from the flow path forming layer 35 on the entire surface by P-CVD or the like. After forming the film 202, the SiN films 201 and 202 and the second insulating layer 182 are further selectively etched to form the terminal portions 213 and 223 of the heater connection portions 21 and 22 connected to the micro heater MH. The opening 37 is formed.

(c)次いで、図37(a)および図37(b)に示すように、Pt/Ti積層膜を約0.5μmの厚さとなるようにスパッタ法などによりデポすると共に、そのPt/Ti積層膜をエッチングによりパターニングして、ヒータ接続部21・22の接続用パット211・221、配線部212・222、および端子部213・223を形成する。 (C) Next, as shown in FIGS. 37(a) and 37(b), the Pt/Ti laminated film is deposited by sputtering or the like so as to have a thickness of about 0.5 μm, and the Pt/Ti laminated film is deposited. The film is patterned by etching to form the connecting pads 211 and 221, the heater connecting portions 21 and 22, the wiring portions 212 and 222, and the terminal portions 213 and 223.

同時に、Pt/Ti積層膜をエッチングによりパターニングして、ヒータ接続部21・22と直交する方向に、端子電極接続部23・24の接続用パット231・241および配線部232・241を形成する。 At the same time, the Pt/Ti laminated film is patterned by etching to form the connecting pads 231 and 241 and the wiring portions 232 and 241 of the terminal electrode connecting portions 23 and 24 in the direction orthogonal to the heater connecting portions 21 and 22.

こうして、ヒータ接続部21・22と端子電極接続部23・24とが、互いに直交するように配置される。 In this way, the heater connection portions 21 and 22 and the terminal electrode connection portions 23 and 24 are arranged so as to be orthogonal to each other.

(d)次いで、図38(a)および図38(b)に示すように、CVD法などにより、開口部37内を埋め込むようにSiO2 膜25を形成すると共に、SiN膜26を形成した後、例えば、SiO2 膜25とSiN膜26とを選択的にエッチングし、センサ部分SPの周囲を囲むようにパターニングする。(D) Next, as shown in FIGS. 38(a) and 38(b), after the SiO 2 film 25 and the SiN film 26 are formed by the CVD method or the like so as to fill the opening 37, For example, the SiO 2 film 25 and the SiN film 26 are selectively etched and patterned so as to surround the sensor portion SP.

また、SiO2 膜25およびSiN膜26のパターニングと同時、または前後して、流路形成層35上のSiN膜202を選択的にエッチングして除去し、流路形成層35が露出するように被測定ガスの導入口41となる開口部を形成する。Simultaneously with or before or after the patterning of the SiO 2 film 25 and the SiN film 26, the SiN film 202 on the flow path forming layer 35 is selectively etched and removed so that the flow path forming layer 35 is exposed. An opening serving as an inlet 41 for the measured gas is formed.

(e)次いで、図39(a)および図39(b)に示すように、スパッタ法などにより100nm厚程度のポーラスPt/Ti膜からなる下部電極28Dを形成すると共に、下部電極28Dの延出端28D1を端子電極接続部23の配線部232と接続させる。 (E) Next, as shown in FIGS. 39(a) and 39(b), a lower electrode 28D made of a porous Pt/Ti film having a thickness of about 100 nm is formed by a sputtering method or the like, and the lower electrode 28D is extended. The end 28D1 is connected to the wiring portion 232 of the terminal electrode connecting portion 23.

(f)次いで、図40(a)および図40(b)に示すように、下部電極28D上を被覆するように、スパッタ法によりYSZ膜からなる固体電解質層30を約1μmの厚さで形成する。固体電解質層30は、下部電極28Dの延出端28D1を除き、下部電極28Dの周囲を全体的に被覆する。 (F) Next, as shown in FIGS. 40A and 40B, a solid electrolyte layer 30 made of a YSZ film is formed with a thickness of about 1 μm by a sputtering method so as to cover the lower electrode 28D. To do. The solid electrolyte layer 30 entirely covers the periphery of the lower electrode 28D except the extending end 28D1 of the lower electrode 28D.

(g)次いで、図41(a)および図41(b)に示すように、上部電極28Uとして、スパッタ法により固体電解質層30上の下部電極28Dに対向する面に100nm厚程度のPt膜を形成し、かつ上部電極28Uの延出端28U1を端子電極接続部24の配線部242と接続させる。 (G) Next, as shown in FIGS. 41(a) and 41(b), a Pt film having a thickness of about 100 nm is formed as the upper electrode 28U on the surface facing the lower electrode 28D on the solid electrolyte layer 30 by the sputtering method. The extending end 28U1 of the upper electrode 28U is connected to the wiring portion 242 of the terminal electrode connecting portion 24.

(h)次いで、図42(a)および図42(b)に示すように、MEMS梁構造として、舟型構造のキャビティ部Cを形成するための開口部431を有する保護用SiO2 膜(エッチングマスク)43を全面に形成する(デポ+パターニング)。(H) Next, as shown in FIGS. 42A and 42B, as a MEMS beam structure, a protective SiO 2 film (etching) having an opening 431 for forming the cavity C of the boat-shaped structure is formed. A mask 43 is formed on the entire surface (deposition+patterning).

(i)次いで、図43(a)および図43(b)に示すように、保護用SiO2 膜43をマスクに、基板12を選択的に深掘りエッチングして開口部45を形成すると共に、MEMS梁構造の基板12として、舟型構造のキャビティ部Cを形成する。(I) Next, as shown in FIGS. 43A and 43B, the substrate 12 is selectively deep-etched by using the protective SiO 2 film 43 as a mask to form an opening 45, and A cavity portion C having a boat-shaped structure is formed as the substrate 12 having the MEMS beam structure.

キャビティ部Cとしては、第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aのサイズにもよるが、マイクロヒータMHよりも実質的に大きくなるように、400μm角程度が望ましい。 Although it depends on the size of the limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment, the cavity C is preferably about 400 μm square so as to be substantially larger than the micro heater MH.

また、保護用SiO2 膜43をエッチングによって除去した後、流路形成層35上のSiN膜202をさらにエッチングによって選択的に除去し、流路形成層35が露出するように被測定ガスのガス取込口47となる開口部を形成する。In addition, after removing the protective SiO 2 film 43 by etching, the SiN film 202 on the flow channel forming layer 35 is further selectively removed by etching to remove the gas of the measurement target gas so that the flow channel forming layer 35 is exposed. An opening to be the intake port 47 is formed.

(j)この後、ガス拡散路MPを形成するための、例えば、流路形成層35を構成するポリシリコン膜をウェットエッチングによって選択的に除去することにより、図34(a)および図34(b)に示した構成を有する、第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aが得られる。 (J) After that, for example, the polysilicon film forming the flow path forming layer 35 for forming the gas diffusion path MP is selectively removed by wet etching, thereby forming the gas diffusion paths MP shown in FIGS. The limiting current type gas sensor 3A according to the third embodiment having the configuration shown in b) is obtained.

なお、ガス拡散路MPを形成する工程は、キャビティ部Cを形成する工程の前に行うようにしても良いし、キャビティ部Cを形成する工程と同時に行うようにしても良い。 The step of forming the gas diffusion path MP may be performed before the step of forming the cavity portion C, or may be performed simultaneously with the step of forming the cavity portion C.

以上のように、キャビティ部CがマイクロヒータMHよりも実質的に大きくなるように形成することによって、熱容量の低減化と共に、マイクロヒータMHによる加熱がセンサ周辺にまで無駄に拡がるのを簡単に抑制できる。 As described above, by forming the cavity C so as to be substantially larger than the micro heater MH, the heat capacity is reduced and the heating by the micro heater MH is easily suppressed from being unnecessarily spread to the periphery of the sensor. it can.

また、ガス拡散路MPのアスペクト比は、ガス拡散路MPのマイクロ流路42の流路長を長くしたり、断面積を小さくすることによって、簡単に大きくできる。 Further, the aspect ratio of the gas diffusion path MP can be easily increased by increasing the flow path length of the micro flow path 42 of the gas diffusion path MP or decreasing the cross-sectional area.

特に、下部電極28Dを構成するポーラスPt/Ti膜は高い熱安定性を有するため、ガス絞り性能が高い。 In particular, since the porous Pt/Ti film forming the lower electrode 28D has high thermal stability, it has high gas throttling performance.

したがって、第3の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサによれば、センサ特性の改善が容易に可能であり、センサ特性をより安定化させることが可能となる。 Therefore, according to the limiting current type gas sensor according to the third embodiment, it is possible to easily improve the sensor characteristics and further stabilize the sensor characteristics.

(第3の実施の形態の第1変形例)
第3の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ3Bの模式的平面パターン構成は、図44(a)に示すように表され、図44(a)のIIIB−IIIB線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ3Bの模式的断面構造は、図44(b)に示すように表される。
(First Modification of Third Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 3B according to the first modified example of the third embodiment is represented as shown in FIG. 44(a), and is along the line IIIB-IIIB in FIG. 44(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 3B formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 44(b).

すなわち、第3の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ3Bは、MEMS梁構造として、平面視において、基板12がセンサ部分SPを取り囲むように配置された開放型構造のキャビティ部Cを有して形成されても良い。開放型構造のキャビティ部Cは、例えば、舟型構造のキャビティ部Cを形成した後に、基板12を裏面側より深掘りエッチングすることによって簡単に形成できる。 That is, the limiting current type gas sensor 3B according to the first modified example of the third embodiment has, as a MEMS beam structure, an open type cavity portion in which the substrate 12 is arranged so as to surround the sensor portion SP in a plan view. It may be formed to have C. The cavity C of the open type structure can be easily formed by, for example, forming the cavity C of the boat type structure and then deeply etching the substrate 12 from the back surface side.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ3Aと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 3A, and thus the duplicate description will be omitted.

このような構成によっても、上述した限界電流式ガスセンサ3Aと同様に、センサ特性の改善が容易に可能であり、センサ特性をより安定化させることが可能な限界電流式ガスセンサ3Bとすることができる。 With such a configuration, similarly to the limiting current type gas sensor 3A described above, the sensor characteristics can be easily improved, and the limiting current type gas sensor 3B can be further stabilized. ..

(第3の実施の形態の第2変形例)
第3の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ3Cの模式的平面パターン構成は、図45(a)に示すように表され、図45(a)のIIIC−IIIC線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ3Cの模式的断面構造は、図45(b)に示すように表される。
(Second Modification of Third Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 3C according to the second modified example of the third embodiment is represented as shown in FIG. 45(a), and is along the line IIIC-IIIC in FIG. 45(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 3C formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 45(b).

すなわち、第3の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ3Cは、面内のメンブレン内部における熱伝導率を高めて、温度の均一化を図るようにしたものである。 That is, the limiting current type gas sensor 3C according to the second modified example of the third embodiment is configured to increase the thermal conductivity inside the in-plane membrane so as to make the temperature uniform.

より具体的には、例えば、図34(a)および図34(b)に示した舟型構造のキャビティ部Cを備えた限界電流式ガスセンサ3Aにおいて、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層(例えば、140W/mK)300を挿入するようにしたのが、第3の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ3Cである。 More specifically, for example, in the limiting current type gas sensor 3A including the cavity C having the boat-shaped structure shown in FIGS. 34(a) and 34(b), the thermal conductivity is high below the micro heater MH. The low-concentration doped polysilicon layer (for example, 140 W/mK) 300 is inserted in the limiting current type gas sensor 3C according to the second modified example of the third embodiment.

このような構成によれば、より温度特性が良好で、センサ特性の改善が容易に可能であり、センサ特性をより安定化させることが可能な限界電流式ガスセンサ3Cとすることができる。 According to such a configuration, it is possible to obtain the limiting current type gas sensor 3C that has better temperature characteristics, can easily improve the sensor characteristics, and can further stabilize the sensor characteristics.

(第3の実施の形態の第3変形例)
第3の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ3Dの模式的平面パターン構成は、図46(a)に示すように表され、図46(a)のIIID−IIID線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ3Dの模式的断面構造は、図46(b)に示すように表される。
(Third Modification of Third Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 3D according to the third modified example of the third embodiment is represented as shown in FIG. 46(a), and is along the line IIID-IIID of FIG. 46(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 3D formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 46(b).

すなわち、図44(a)および図44(b)に示した開放型構造のキャビティ部Cを備えた限界電流式ガスセンサ3Bの構造において、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層300を挿入するようにしたのが、第3の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ3Dである。 That is, in the structure of the limiting current type gas sensor 3B including the cavity C of the open type structure shown in FIGS. The silicon layer 300 is inserted in the limiting current type gas sensor 3D according to the third modified example of the third embodiment.

このような構成によっても、より温度特性が良好で、センサ特性の改善が容易に可能であり、センサ特性をより安定化させることが可能な限界電流式ガスセンサ3Dとすることができる。 With such a configuration, it is possible to obtain the limiting current type gas sensor 3D which has better temperature characteristics, can easily improve the sensor characteristics, and can further stabilize the sensor characteristics.

(第3の実施の形態の第4変形例)
第3の実施の形態の第4変形例に係る限界電流式ガスセンサ3Eの模式的平面パターン構成は、図47(a)に示すように表され、図47(a)のIIIE−IIIE線に沿う、MEMS梁構造が舟型構造に形成されるセンサ3Eの模式的断面構造は、図47(b)に示すように表される。
(Fourth Modification of Third Embodiment)
The schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 3E according to the fourth modification of the third embodiment is represented as shown in FIG. 47(a), and is along the line IIIE-IIIE in FIG. 47(a). , A schematic cross-sectional structure of the sensor 3E in which the MEMS beam structure is formed in a boat-shaped structure is shown in FIG. 47(b).

すなわち、第3の実施の形態の第4変形例に係る限界電流式ガスセンサ3Eは、図47(a)および図47(b)に示すように、平面視において、例えばセンサ部分SPのガス拡散路MPに2つの開口部(複数のガス取込口)471・472を設けた構成となっている。 That is, in the limiting current type gas sensor 3E according to the fourth modification of the third embodiment, as shown in FIGS. 47(a) and 47(b), in a plan view, for example, the gas diffusion path of the sensor portion SP. The MP has two openings (a plurality of gas inlets) 471 and 472.

この限界電流式ガスセンサ3Eの場合、ガス拡散路MPを形成する工程において、2つの開口部471・472を用いることによって、例えば、流路形成層35を構成するポリシリコン膜を効率良くウェットエッチングすることが可能である。 In the case of the limiting current type gas sensor 3E, by using the two openings 471 and 472 in the step of forming the gas diffusion path MP, for example, the polysilicon film forming the flow path forming layer 35 is efficiently wet-etched. It is possible.

したがって、第3の実施の形態の第4変形例に係る限界電流式ガスセンサによれば、センサ特性の改善が容易に可能であり、しかも、ガス拡散路を、より容易に形成することが可能となる。 Therefore, according to the limiting current type gas sensor according to the fourth modified example of the third embodiment, it is possible to easily improve the sensor characteristics, and further, it is possible to more easily form the gas diffusion path. Become.

なお、この限界電流式ガスセンサ3Eの構造において、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層300を挿入したり、MEMS梁構造を開放型構造に形成することも容易である。 In the structure of the limiting current type gas sensor 3E, it is easy to insert the low-concentration doped polysilicon layer 300 having a high thermal conductivity below the micro heater MH or to form the MEMS beam structure in an open structure. ..

(第3の実施の形態の第5変形例)
第3の実施の形態の第5変形例に係る限界電流式ガスセンサ3Fの模式的平面パターン構成は、図48(a)に示すように表され、図48(a)のIIIF−IIIF線に沿う、MEMS梁構造が舟型構造に形成されるガスセンサ3Fの模式的断面構造は、図48(b)に示すように表される。
(Fifth Modification of Third Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 3F according to the fifth modified example of the third embodiment is represented as shown in FIG. 48(a), and is along the line IIIF-IIIF in FIG. 48(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 3F in which the MEMS beam structure is formed in a boat structure is shown in FIG. 48(b).

すなわち、第3の実施の形態の第5変形例に係る限界電流式ガスセンサ3Fは、図48(a)および図48(b)に示すように、ガス拡散路MPが備える複数の開口部471・472のいずれか(例えば、ガス取込口472)を、ガス拡散路MPの形成後に、ガラスフリットやSiN膜またはSiO2 膜などの蓋部材49によって閉塞させた構成となっている。That is, in the limiting current type gas sensor 3F according to the fifth modified example of the third embodiment, as shown in FIGS. 48(a) and 48(b), a plurality of openings 471. One of the parts 472 (for example, the gas inlet 472) is closed by a lid member 49 such as a glass frit, a SiN film, or a SiO 2 film after the gas diffusion path MP is formed.

この限界電流式ガスセンサ3Fの場合も、ガス拡散路MPを形成する工程においては、2つのガス取込口471・472を用いることにより、ガス拡散路MPを容易に形成可能となる。 Also in the case of this limiting current type gas sensor 3F, the gas diffusion path MP can be easily formed by using the two gas intake ports 471 and 472 in the step of forming the gas diffusion path MP.

しかも、ガス拡散路MPの形成後に、ガス取込口471・472のいずれかを蓋部材49によって閉塞させることにより、被測定ガスの導入量が増加し過ぎるのを抑制できる。 Moreover, by closing either of the gas intake ports 471 and 472 with the lid member 49 after the gas diffusion path MP is formed, it is possible to suppress an excessive increase in the introduction amount of the gas to be measured.

したがって、第3の実施の形態の第5変形例に係る限界電流式ガスセンサによれば、センサ特性の改善が容易に可能であり、しかも、ガス拡散路を、より容易に形成できると共に、ガス導入量の増加に伴って、ガス絞り性能が低下するといった不具合を解消できる。 Therefore, according to the limiting current type gas sensor of the fifth modified example of the third embodiment, the sensor characteristics can be easily improved, and further, the gas diffusion path can be formed more easily and the gas introduction It is possible to solve the problem that the gas throttling performance deteriorates as the amount increases.

なお、この限界電流式ガスセンサ3Fの構造において、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層300を挿入したり、MEMS梁構造を開放型構造に形成することも容易である。 In the structure of the limiting current type gas sensor 3F, it is easy to insert the low-concentration doped polysilicon layer 300 having a high thermal conductivity below the micro heater MH or to form the MEMS beam structure in an open structure. ..

(第4の実施の形態)
(概略構成)
第4の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ4Aの模式的平面パターン構成は、図49(a)に示すように表され、図49(a)のIVA−IVA線に沿う、MEMS梁構造を備えるガスセンサ4Aの模式的断面構造は、図49(b)に示すように表される。なお、第4の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ4Aは、上述した限界電流式ガスセンサ3Aの下部電極28Dの下層に、さらにポーラス酸化膜71を配置するようにしたものであって、それ以外の構成は基本的に同一なので重複する説明はできるだけ省略し、特徴的な部分の構成についてより詳しく説明する。
(Fourth Embodiment)
(Schematic configuration)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 4A according to the fourth embodiment is represented as shown in FIG. 49(a), and has a MEMS beam structure along the line IVA-IVA of FIG. 49(a). The schematic cross-sectional structure of the gas sensor 4A provided is shown in FIG. 49(b). In the limiting current type gas sensor 4A according to the fourth embodiment, a porous oxide film 71 is further arranged under the lower electrode 28D of the limiting current type gas sensor 3A described above. Since the configuration is basically the same, redundant description will be omitted as much as possible, and the configuration of a characteristic part will be described in more detail.

第4の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ4Aは、図49(a)および図49(b)に示すように、センサ部分SPとして、基板12上の活性領域内に配置されたガス導入路としてのガス拡散路MPと、ポーラス酸化膜(多孔質膜)71と、ポーラス酸化膜71上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、ポーラス酸化膜71および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層(YSZ膜)30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極(例えば、Pt膜)28Uとを備える。 The limiting current type gas sensor 4A according to the fourth embodiment, as shown in FIGS. 49(a) and 49(b), is a gas introduction path arranged in the active region on the substrate 12 as a sensor portion SP. Of the gas diffusion path MP, the porous oxide film (porous film) 71, the lower electrode (Pt/Ti laminated film) 28D arranged on the porous oxide film 71, the porous oxide film 71 and the lower electrode 28D. The solid electrolyte layer (YSZ film) 30 arranged as described above and the upper electrode (for example, Pt film) 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D are provided.

すなわち、限界電流式ガスセンサ4Aにおいて、被測定ガス(例えば、O2 ガス)は、マイクロヒータMHの加熱に伴って、中空構造を有して形成されたガス拡散路MPよりセンサ部分SPに取り込まれ、ガス導入口41のポーラス酸化膜71と下部電極28Dとを介して固体電解質層30内へと導入された後、固体電解質層30内に拡散される。被測定ガスの固体電解質層30内への導入は、吸引動作を伴うものであっても良い。That is, in the limiting current type gas sensor 4A, the gas to be measured (for example, O 2 gas) is taken into the sensor portion SP from the gas diffusion path MP having a hollow structure as the micro heater MH is heated. After being introduced into the solid electrolyte layer 30 through the porous oxide film 71 of the gas introduction port 41 and the lower electrode 28D, it is diffused into the solid electrolyte layer 30. The introduction of the gas to be measured into the solid electrolyte layer 30 may be accompanied by a suction operation.

なお、ポーラス酸化膜71の形成は、上述した限界電流式ガスセンサ3Aを製造する際の下部電極28Dの形成工程の前工程において、スパッタリングおよびエッチングにより、ポーラス酸化膜71を形成すれば良い。 The porous oxide film 71 may be formed by forming the porous oxide film 71 by sputtering and etching in a step prior to the step of forming the lower electrode 28D when manufacturing the limiting current type gas sensor 3A described above.

以上のように、ポーラス酸化膜71を追加した限界電流式ガスセンサ4Aの場合においても、上述した限界電流式ガスセンサ3Aの場合と同様に、キャビティ部CがマイクロヒータMHよりも実質的に大きくなるように形成することによって、熱容量の低減化と共に、マイクロヒータMHによる加熱がセンサ周辺にまで無駄に拡がるのを簡単に抑制できる。 As described above, also in the case of the limiting current type gas sensor 4A to which the porous oxide film 71 is added, the cavity portion C is substantially larger than the micro heater MH as in the case of the limiting current type gas sensor 3A described above. By forming it in the above manner, it is possible to reduce the heat capacity and to easily prevent the heating by the micro heater MH from unnecessarily spreading to the periphery of the sensor.

特に、ポーラス酸化膜71は高い熱安定性を有するため、ガス絞り性能が高く、センサ特性にも優れた限界電流式ガスセンサ4Aとすることができる。 In particular, since the porous oxide film 71 has high thermal stability, it is possible to obtain the limiting current type gas sensor 4A having high gas throttle performance and excellent sensor characteristics.

しかも、ガス拡散路MPのアスペクト比は、ガス拡散路MPのマイクロ流路42の流路長を長くしたり、断面積を小さくすることによって、簡単に大きくできるので、ポーラス膜がもつ温度依存性を相殺することが可能である。 Moreover, the aspect ratio of the gas diffusion path MP can be easily increased by increasing the flow path length of the micro flow path 42 of the gas diffusion path MP or by reducing the cross-sectional area. Can be offset.

したがって、第4の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサによれば、センサ特性の改善が容易に可能であり、センサ特性をより安定化させることが可能となる。 Therefore, according to the limiting current type gas sensor of the fourth embodiment, the sensor characteristics can be easily improved, and the sensor characteristics can be further stabilized.

(第4の実施の形態の第1変形例)
第4の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Bの模式的平面パターン構成は、図50(a)に示すように表され、図50(a)のIVB−IVB線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ4Bの模式的断面構造は、図50(b)に示すように表される。
(First Modification of Fourth Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 4B according to the first modified example of the fourth embodiment is represented as shown in FIG. 50(a), and is along the line IVB-IVB in FIG. 50(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 4B formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 50(b).

すなわち、第4の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Bは、MEMS梁構造として、平面視において、基板12がセンサ部分SPを取り囲むように配置された開放型構造のキャビティ部Cを有して形成されても良い。開放型構造のキャビティ部Cは、例えば、舟型構造のキャビティ部Cを形成した後に、基板12を裏面側より深掘りエッチングすることによって簡単に形成できる。 That is, the limiting current type gas sensor 4B according to the first modified example of the fourth embodiment has a cavity portion having an open structure in which the substrate 12 is arranged so as to surround the sensor portion SP in plan view as a MEMS beam structure. It may be formed to have C. The cavity C of the open type structure can be easily formed by, for example, forming the cavity C of the boat type structure and then deeply etching the substrate 12 from the back surface side.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ4Aと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 4A, and thus the duplicate description will be omitted.

このような構成によっても、上述した限界電流式ガスセンサ4Aと同様に、センサ特性の改善が容易に可能であり、センサ特性をより安定化させることが可能な限界電流式ガスセンサ4Bとすることができる。 With such a configuration, similarly to the limiting current type gas sensor 4A described above, the sensor characteristics can be easily improved, and the limiting current type gas sensor 4B can be further stabilized. ..

(第4の実施の形態の第2変形例)
第4の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Cの模式的平面パターン構成は、図51(a)に示すように表され、図51(a)のIVC−IVC線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ4Cの模式的断面構造は、図51(b)に示すように表される。
(Second Modification of Fourth Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 4C according to the second modified example of the fourth embodiment is represented as shown in FIG. 51(a), and is along the line IVC-IVC in FIG. 51(a). , A schematic sectional structure of the gas sensor 4C formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 51(b).

すなわち、第4の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Cは、面内のメンブレン内部における熱伝導率を高めて、温度の均一化を図るようにしたものである。 That is, the limiting current type gas sensor 4C according to the second modified example of the fourth embodiment is configured to increase the thermal conductivity inside the in-plane membrane so as to make the temperature uniform.

より具体的には、例えば、図49(a)および図49(b)に示した舟型構造のキャビティ部Cを備えた限界電流式ガスセンサ4Aにおいて、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層(例えば、140W/mK)300を挿入するようにしたのが、第4の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Cである。 More specifically, for example, in the limiting current type gas sensor 4A including the cavity portion C having the boat structure shown in FIGS. 49A and 49B, the thermal conductivity is high below the micro heater MH. The low-concentration polysilicon layer (for example, 140 W/mK) 300 is inserted in the limiting current type gas sensor 4C according to the second modification of the fourth embodiment.

このような構成によっても、上述した限界電流式ガスセンサ4Aと同様に、センサ特性の改善が容易に可能であり、センサ特性をより安定化させることが可能な限界電流式ガスセンサ4Cとすることができる。 With such a configuration, similarly to the limiting current type gas sensor 4A described above, it is possible to easily improve the sensor characteristics and to provide the limiting current type gas sensor 4C that can further stabilize the sensor characteristics. ..

(第4の実施の形態の第3変形例)
第4の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Dの模式的平面パターン構成は、図52(a)に示すように表され、図52(a)のIVD−IVD線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ4Dの模式的断面構造は、図52(b)に示すように表される。
(Third Modification of Fourth Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 4D according to the third modified example of the fourth embodiment is represented as shown in FIG. 52(a), and is along the line IVD-IVD in FIG. 52(a). , A schematic sectional structure of the gas sensor 4D formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 52(b).

すなわち、図50(a)および図50(b)に示した開放型構造のキャビティ部Cを備えた限界電流式ガスセンサ4Bの構造において、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層300を挿入するようにしたのが、第4の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Dである。 That is, in the structure of the limiting current type gas sensor 4B including the cavity C of the open type structure shown in FIGS. 50A and 50B, a low concentration doped poly having a high thermal conductivity is provided below the micro heater MH. The silicon layer 300 is inserted in the limiting current type gas sensor 4D according to the third modification of the fourth embodiment.

このような構成によっても、上述した限界電流式ガスセンサ4Bと同様に、センサ特性の改善が容易に可能であり、センサ特性をより安定化させることが可能な限界電流式ガスセンサ4Dとすることができる。 With such a configuration, similarly to the limiting current type gas sensor 4B described above, the sensor characteristics can be easily improved, and the limiting current type gas sensor 4D can be further stabilized. ..

(第4の実施の形態の第4変形例)
第4の実施の形態の第4変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Eの模式的平面パターン構成は、図53(a)に示すように表され、図53(a)のIVE−IVE線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ4Eの模式的断面構造は、図53(b)に示すように表される。
(Fourth Modification of Fourth Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 4E according to the fourth modified example of the fourth embodiment is represented as shown in FIG. 53(a), and is along the line IVE-IVE of FIG. 53(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 4E formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 53(b).

すなわち、第4の実施の形態の第4変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Eは、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層(例えば、140W/mK)300を挿入し、面内のメンブレン内部における熱伝導率を高めて、温度の均一化を図るようにしたものであって、低濃度ドープポリシリコン層300をマイクロヒータMHよりも大きく形成するようにした場合の例である。 That is, in the limiting current type gas sensor 4E according to the fourth modified example of the fourth embodiment, a low concentration doped polysilicon layer (for example, 140 W/mK) 300 having a high thermal conductivity is inserted below the micro heater MH. An example in which the low-concentration doped polysilicon layer 300 is formed to be larger than the micro heater MH by increasing the thermal conductivity inside the in-plane membrane so as to make the temperature uniform. Is.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ4Cと基本的に同一であり、重複する説明は省略する。 Other than that, the configuration is basically the same as that of the limiting current type gas sensor 4C, and a duplicate description will be omitted.

(第4の実施の形態の第5変形例)
第4の実施の形態の第5変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Fの模式的平面パターン構成は、図54(a)に示すように表され、図54(a)のIVF−IVF線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ4Fの模式的断面構造は、図54(b)に示すように表される。
(Fifth Modification of Fourth Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 4F according to the fifth modified example of the fourth embodiment is represented as shown in FIG. 54(a), and is along the IVF-IVF line in FIG. 54(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 4F formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 54(b).

すなわち、第4の実施の形態の第5変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Fは、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層(例えば、140W/mK)300を挿入し、面内のメンブレン内部における熱伝導率を高めて、温度の均一化を図るようにしたものであって、低濃度ドープポリシリコン層300をマイクロヒータMHよりも大きく形成するようにした場合の例である。メンブレン内部のみの熱伝導率が高まり、ビームを伝播して逃げる熱は変化しないため、全面にシリコンがある場合のような消費電力の増大は発生しない。 That is, in the limiting current type gas sensor 4F according to the fifth modified example of the fourth embodiment, a low-concentration doped polysilicon layer (for example, 140 W/mK) 300 having high thermal conductivity is inserted below the micro heater MH. An example in which the low-concentration doped polysilicon layer 300 is formed to be larger than the micro heater MH by increasing the thermal conductivity inside the in-plane membrane so as to make the temperature uniform. Is. Since the thermal conductivity only inside the membrane is increased and the heat that propagates the beam and escapes does not change, the power consumption does not increase unlike the case where silicon is on the entire surface.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ4Dと基本的に同一であり、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 4D, and duplicated description will be omitted.

(第4の実施の形態の第6変形例)
第4の実施の形態の第6変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Gの模式的平面パターン構成は、図55(a)に示すように表され、図55(a)のIVG−IVG線に沿う、MEMS梁構造が舟型構造に形成されるガスセンサ4Gの模式的断面構造は、図55(b)に示すように表される。
(Sixth Modification of Fourth Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 4G according to the sixth modified example of the fourth embodiment is represented as shown in FIG. 55(a), and is along the line IVG-IVG in FIG. 55(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 4G in which the MEMS beam structure is formed into a boat-shaped structure is shown in FIG. 55(b).

すなわち、第4の実施の形態の第6変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Gは、図55(a)および図55(b)に示すように、平面視において、例えばセンサ部分SPの左端側と右端側とに、ガス拡散路MPの開口部(ガス取込口)471・472を備えた構成となっている。 That is, as shown in FIGS. 55(a) and 55(b), the limiting current type gas sensor 4G according to the sixth modified example of the fourth embodiment has, for example, a left end side of the sensor portion SP in plan view. On the right end side, openings (gas inlets) 471 and 472 of the gas diffusion path MP are provided.

この限界電流式ガスセンサ4Gの場合、ガス拡散路MPを形成する工程において、2つの開口部471・472を用いることによって、例えば、流路形成層35を構成するポリシリコン膜を効率良くウェットエッチングすることが可能である。 In the case of this limiting current type gas sensor 4G, by using the two openings 471 and 472 in the step of forming the gas diffusion path MP, for example, the polysilicon film forming the flow path forming layer 35 is efficiently wet-etched. It is possible.

したがって、第4の実施の形態の第6変形例に係る限界電流式ガスセンサによれば、センサ特性の改善が容易に可能であり、しかも、ガス拡散路を、より容易に形成することが可能となる。 Therefore, according to the limiting current type gas sensor according to the sixth modified example of the fourth embodiment, it is possible to easily improve the sensor characteristics, and it is possible to more easily form the gas diffusion path. Become.

なお、この限界電流式ガスセンサ4Gの構造において、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層300を挿入したり、MEMS梁構造を開放型構造に形成することも容易である。 In the structure of the limiting current type gas sensor 4G, it is easy to insert the low-concentration doped polysilicon layer 300 having high thermal conductivity below the micro-heater MH or to form the MEMS beam structure in an open structure. ..

(第4の実施の形態の第7変形例)
第4の実施の形態の第7変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Hの模式的平面パターン構成は、図56(a)に示すように表され、図56(a)のIVH−IVH線に沿う、MEMS梁構造が舟型構造に形成されるガスセンサ4Hの模式的断面構造は、図56(b)に示すように表される。
(Seventh Modification of Fourth Embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 4H according to the seventh modified example of the fourth embodiment is represented as shown in FIG. 56(a), and is along the line IVH-IVH in FIG. 56(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 4H in which the MEMS beam structure is formed in a boat-shaped structure is shown in FIG. 56(b).

すなわち、第4の実施の形態の第7変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Hは、図56(a)および図56(b)に示すように、ガス拡散路MPが備える複数の開口部471・472のいずれか一方(例えば、ガス取込口472)を、ガス拡散路MPの形成後に、ガラスフリットやSiN膜またはSiO2 膜などの蓋部材49によって閉塞させた構成となっている。That is, in the limiting current type gas sensor 4H according to the seventh modified example of the fourth embodiment, as shown in FIGS. 56(a) and 56(b), a plurality of openings 471. One of the parts 472 (for example, the gas intake port 472) is closed by a lid member 49 such as a glass frit, a SiN film or a SiO 2 film after the gas diffusion path MP is formed.

この限界電流式ガスセンサ4Hの場合も、ガス拡散路MPを形成する工程においては、2つのガス取込口471・472を用いることにより、ガス拡散路MPを容易に形成可能となる。 Also in the case of this limiting current type gas sensor 4H, the gas diffusion path MP can be easily formed by using the two gas intake ports 471 and 472 in the step of forming the gas diffusion path MP.

しかも、ガス拡散路MPの形成後に、ガス取込口471・472の一方を蓋部材49によって閉塞させることにより、被測定ガスの導入量が増加し過ぎるのを抑制できる。 Moreover, by closing one of the gas intake ports 471 and 472 with the lid member 49 after the gas diffusion path MP is formed, it is possible to prevent the introduction amount of the gas to be measured from increasing excessively.

したがって、第4の実施の形態の第7変形例に係る限界電流式ガスセンサによれば、センサ特性の改善が容易に可能であり、しかも、ガス拡散路を、より容易に形成できると共に、ガス導入量の増加に伴って、ガス絞り性能が低下するといった不具合を解消できる。 Therefore, according to the limiting current type gas sensor according to the seventh modified example of the fourth embodiment, it is possible to easily improve the sensor characteristics, moreover, the gas diffusion path can be formed more easily, and the gas introduction It is possible to solve the problem that the gas throttling performance deteriorates as the amount increases.

なお、この限界電流式ガスセンサ4Hの構造において、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層300を挿入したり、MEMS梁構造を開放型構造に形成することも容易である。 In the structure of the limiting current type gas sensor 4H, it is easy to insert the low-concentration doped polysilicon layer 300 having a high thermal conductivity below the micro heater MH or to form the MEMS beam structure in an open structure. ..

(第5の実施の形態)
(概略構成)
第5の実施の形態は、図29(e)に模式的に示したように、限界電流式ガスセンサのセンサ部分SPにおいて、ガス取込部303を設けた構成とすることによって、上述したポーラス膜の温度依存性を改善するようにしたものである。
(Fifth Embodiment)
(Schematic configuration)
In the fifth embodiment, as schematically shown in FIG. 29(e), the gas intake portion 303 is provided in the sensor portion SP of the limiting current gas sensor, so that the porous film described above is provided. The temperature dependence of is improved.

要するに、第5の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサは、基板12と、基板12上に第1絶縁層181を介して配置されたヒータMHと、ヒータMH上に第2絶縁層182を介して配置されたガス取込部303と、ガス取込部303上に配置された下部電極28Dと、下部電極28D上に配置された固体電解質層30と、固体電解質層30上の、下部電極28Dに対向する面に配置された上部電極28Uと、基板12に、ヒータMHよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部Cとを備え、ガス取込部303は、被測定ガスを取り込むガス導入路と、ガス導入路上に配置され、面直方向のガス絞り構造を備えた柱状膜(柱状部)とから構成される。 In short, the limiting current type gas sensor according to the fifth embodiment includes the substrate 12, the heater MH disposed on the substrate 12 via the first insulating layer 181, and the heater MH via the second insulating layer 182. And the lower electrode 28D disposed on the gas inlet 303, the solid electrolyte layer 30 disposed on the lower electrode 28D, and the lower electrode 28D disposed on the solid electrolyte layer 30. The upper electrode 28U disposed on the surface facing the substrate and the cavity C formed on the substrate 12 to be substantially larger than the heater MH. And a columnar film (columnar portion) arranged on the gas introduction path and provided with a gas throttling structure in the perpendicular direction.

(第5の実施の形態の第1実施例)
第5の実施の形態の第1実施例として、まず、センサ部分SPのガス取込部303を、ガス導入路となるガス拡散路MP1と柱状膜53・57とで構成する場合について説明する。
(First Example of Fifth Embodiment)
As a first example of the fifth embodiment, first, a case will be described in which the gas intake part 303 of the sensor portion SP is configured by the gas diffusion path MP1 serving as a gas introduction path and the columnar films 53 and 57.

ここで、ガス拡散路MP1は、面内方向のガス絞り構造を備え、柱状膜53・57は、面直方向のガス絞り構造を備える。 Here, the gas diffusion path MP1 has an in-plane gas throttle structure, and the columnar films 53 and 57 have a perpendicular gas throttle structure.

第5の実施の形態の第1実施例に係る限界電流式ガスセンサ5A1の模式的平面パターン構成は、図57(a)に示すように表され、図57(a)のVA1−VA1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ5A1の模式的断面構造は、図57(b)に示すように表される。 The schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 5A1 according to the first example of the fifth embodiment is represented as shown in FIG. 57(a), and is along the line VA1-VA1 of FIG. 57(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 5A1 formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 57(b).

すなわち、第5の実施の形態の第1実施例に係る限界電流式ガスセンサ5A1のセンサ部分SPは、図57(a)および図57(b)に示すように、中空構造を有するガス拡散路(ガス導入路)MP1と、ガス拡散路MP1上に配置された柱状酸化膜(柱状膜)53と、柱状酸化膜53を覆うように配置されたポーラス酸化膜51と、ポーラス酸化膜51上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、ポーラス酸化膜51および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, as shown in FIGS. 57(a) and 57(b), the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 5A1 according to the first example of the fifth embodiment has a gas diffusion path (having a hollow structure ( Gas introduction path) MP1, columnar oxide film (columnar film) 53 arranged on gas diffusion path MP1, porous oxide film 51 arranged to cover columnar oxide film 53, and arranged on porous oxide film 51 The lower electrode (Pt/Ti laminated film) 28D thus formed, the solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D, and the solid electrolyte layer 30 opposed to the lower electrode 28D. And an upper electrode 28U.

第5の実施の形態の第1実施例に係る限界電流式ガスセンサ5A1の場合、ポーラス酸化膜51と下部電極28Dとによってポーラス電極が構成され、ガス拡散路MP1と柱状酸化膜53とによってガス取込部303が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 5A1 according to the first example of the fifth embodiment, the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D constitute a porous electrode, and the gas diffusion path MP1 and the columnar oxide film 53 serve as a gas collector. The inserting unit 303 is configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図57(b)に示す限界電流式ガスセンサ5A1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図58(a)および図58(b)に示す限界電流式ガスセンサ5A2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 5A1 shown in FIG. 57(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat type structure, and the limits shown in FIGS. 58(a) and 58(b) are not limited. The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 5A2 may be used.

(第5の実施の形態の第1実施例の変形例1)
第5の実施の形態の第1実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ5B1の模式的平面パターン構成は、図59(a)に示すように表され、図59(a)のVB1−VB1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ5B1の模式的断面構造は、図59(b)に示すように表される。
(Modification 1 of the first example of the fifth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 5B1 according to the first modification of the first example of the fifth embodiment is represented as shown in FIG. 59(a), and VB1- of FIG. 59(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 5B1 formed in the MEMS beam structure along the line VB1 is represented as shown in FIG. 59(b).

すなわち、第5の実施の形態の第1実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ5B1のセンサ部分SPは、図59(a)および図59(b)に示すように、中空構造を有するガス拡散路(ガス導入路)MP1と、ガス拡散路MP1上に配置された柱状酸化膜(柱状膜)53と、柱状酸化膜53を覆うように配置された下部電極(ポーラスPt/Ti膜)28DAと、下部電極28DAを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28DAに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 5B1 according to the first modification of the first example of the fifth embodiment has a hollow structure as shown in FIGS. 59(a) and 59(b). Gas diffusion path (gas introduction path) MP1, columnar oxide film (columnar film) 53 arranged on the gas diffusion path MP1, and lower electrode (porous Pt/Ti film) arranged so as to cover the columnar oxide film 53. 28DA, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the lower electrode 28DA, and an upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28DA.

第5の実施の形態の第1実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ5B1の場合、下部電極28DAによってポーラス電極が構成され、ガス拡散路MP1と柱状酸化膜53とによってガス取込部303が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 5B1 according to the modified example 1 of the first example of the fifth embodiment, the lower electrode 28DA constitutes a porous electrode, and the gas diffusion path MP1 and the columnar oxide film 53 form the gas intake portion. 303 is configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図59(b)に示す限界電流式ガスセンサ5B1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図60(a)および図60(b)に示す限界電流式ガスセンサ5B2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 5B1 shown in FIG. 59(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limits shown in FIGS. 60(a) and 60(b) are provided. The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 5B2 may be used.

(第5の実施の形態の第1実施例の変形例2)
第5の実施の形態の第1実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ5C1の模式的平面パターン構成は、図61(a)に示すように表され、図61(a)のVC1−VC1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ5C1の模式的断面構造は、図61(b)に示すように表される。
(Modification 2 of the first example of the fifth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of a limiting current type gas sensor 5C1 according to Modification 2 of the first example of the fifth embodiment is represented as shown in FIG. 61(a), and VC1- of FIG. 61(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 5C1 formed in the MEMS beam structure along the line VC1 is represented as shown in FIG. 61(b).

すなわち、第5の実施の形態の第1実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ5C1のセンサ部分SPは、図61(a)および図61(b)に示すように、中空構造を有するガス拡散路(ガス導入路)MP1と、ガス拡散路MP1上に配置された柱状Pt/Ti膜(柱状膜)57と、柱状Pt/Ti膜57を覆うように配置されたポーラス酸化膜51と、ポーラス酸化膜51上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、ポーラス酸化膜51および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 5C1 according to the modified example 2 of the first example of the fifth embodiment has a hollow structure as shown in FIGS. 61(a) and 61(b). A gas diffusion path (gas introduction path) MP1, a columnar Pt/Ti film (columnar film) 57 arranged on the gas diffusion path MP1, and a porous oxide film 51 arranged so as to cover the columnar Pt/Ti film 57. , A lower electrode (Pt/Ti laminated film) 28D arranged on the porous oxide film 51, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D, and a solid facing the lower electrode 28D. And an upper electrode 28U disposed on the electrolyte layer 30.

第5の実施の形態の第1実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ5C1の場合、ポーラス酸化膜51と下部電極28Dとによってポーラス電極が構成され、ガス拡散路MP1と柱状Pt/Ti膜57とによってガス取込部303が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 5C1 according to the modification 2 of the first example of the fifth embodiment, the porous electrode is constituted by the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D, and the gas diffusion path MP1 and the columnar Pt/Ti. The membrane 57 and the gas intake portion 303 are configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図61(b)に示す限界電流式ガスセンサ5C1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図62(a)および図62(b)に示す限界電流式ガスセンサ5C2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 5C1 shown in FIG. 61(b), the cavity C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limit shown in FIGS. 62(a) and 62(b). The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 5C2 may be used.

(第5の実施の形態の第1実施例の変形例3)
第5の実施の形態の第1実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ5D1の模式的平面パターン構成は、図63(a)に示すように表され、図63(a)のVD1−VD1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ5D1の模式的断面構造は、図63(b)に示すように表される。
(Modification 3 of the first example of the fifth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 5D1 according to the modified example 3 of the first example of the fifth embodiment is represented as shown in FIG. 63(a), and VD1- of FIG. 63(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 5D1 formed in the MEMS beam structure along the line VD1 is represented as shown in FIG. 63(b).

すなわち、第5の実施の形態の第1実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ5D1のセンサ部分SPは、図63(a)および図63(b)に示すように、中空構造を有するガス拡散路(ガス導入路)MP1と、ガス拡散路MP1上に配置された柱状Pt/Ti膜(柱状膜)57と、柱状Pt/Ti膜57を覆うように配置された下部電極(ポーラスPt/Ti膜)28DAと、下部電極28DAを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28DAに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 5D1 according to the modified example 3 of the first example of the fifth embodiment has a hollow structure as shown in FIGS. 63(a) and 63(b). Gas diffusion path (gas introduction path) MP1, columnar Pt/Ti film (columnar film) 57 arranged on the gas diffusion path MP1, and lower electrode (porous Pt) arranged so as to cover the columnar Pt/Ti film 57. /Ti film) 28DA, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the lower electrode 28DA, and an upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28DA.

第5の実施の形態の第1実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ5D1の場合、下部電極28DAによってポーラス電極が構成され、ガス拡散路MP1と柱状Pt/Ti膜57とによってガス取込部303が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 5D1 according to the modification 3 of the first example of the fifth embodiment, the lower electrode 28DA constitutes a porous electrode, and the gas diffusion path MP1 and the columnar Pt/Ti film 57 serve as a gas collector. The inserting unit 303 is configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図63(b)に示す限界電流式ガスセンサ5D1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図64(a)および図64(b)に示す限界電流式ガスセンサ5D2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 5D1 shown in FIG. 63(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limits shown in FIGS. 64(a) and 64(b) are provided. The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 5D2 may be used.

(第5の実施の形態の第2実施例)
第5の実施の形態の第2実施例として、まず、センサ部分SPのガス取込部303を、ガス導入路となるポーラス酸化膜51と柱状膜53・57とで構成する場合について説明する。
(Second Example of Fifth Embodiment)
As a second example of the fifth embodiment, first, a case will be described in which the gas intake portion 303 of the sensor portion SP is composed of the porous oxide film 51 serving as a gas introduction path and the columnar films 53 and 57.

ここで、ポーラス酸化膜51は、面内方向のガス絞り構造を備え、柱状膜53・57は、面直方向のガス絞り構造を備える。 Here, the porous oxide film 51 has an in-plane gas constriction structure, and the columnar films 53 and 57 have a perpendicular gas constriction structure.

第5の実施の形態の第2実施例に係る限界電流式ガスセンサ5E1の模式的平面パターン構成は、図65(a)に示すように表され、図65(a)のVE1−VE1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ5E1の模式的断面構造は、図65(b)に示すように表される。 A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 5E1 according to the second example of the fifth embodiment is represented as shown in FIG. 65(a), and is along the line VE1-VE1 of FIG. 65(a). , A schematic sectional structure of the gas sensor 5E1 formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 65(b).

すなわち、第5の実施の形態の第2実施例に係る限界電流式ガスセンサ5E1のセンサ部分SPは、図65(a)および図65(b)に示すように、ガス導入路となる第1のポーラス酸化膜51Aと、第1のポーラス酸化膜51A上に配置された柱状酸化膜(柱状膜)53と、柱状酸化膜53を覆うように配置された第2のポーラス酸化膜51Bと、第2のポーラス酸化膜51B上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、第2のポーラス酸化膜51Bおよび下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 5E1 according to the second example of the fifth embodiment is, as shown in FIG. 65(a) and FIG. 65(b), the first portion serving as a gas introduction path. The porous oxide film 51A, the columnar oxide film (columnar film) 53 arranged on the first porous oxide film 51A, the second porous oxide film 51B arranged so as to cover the columnar oxide film 53, and the second Of the lower electrode (Pt/Ti laminated film) 28D arranged on the porous oxide film 51B, the solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the second porous oxide film 51B and the lower electrode 28D, and the lower electrode 28D. And an upper electrode 28U disposed on the opposing solid electrolyte layer 30.

第5の実施の形態の第2実施例に係る限界電流式ガスセンサ5E1の場合、第2のポーラス酸化膜51Bと下部電極28Dとによってポーラス電極が構成され、第1のポーラス酸化膜51Aと柱状酸化膜53とによってガス取込部303が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 5E1 according to the second example of the fifth embodiment, the porous electrode is constituted by the second porous oxide film 51B and the lower electrode 28D, and the first porous oxide film 51A and the columnar oxide film 51A. The gas intake part 303 is constituted by the film 53.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図65(b)に示す限界電流式ガスセンサ5E1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図66(a)および図66(b)に示す限界電流式ガスセンサ5E2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 5E1 shown in FIG. 65(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limit shown in FIGS. 66(a) and 66(b). The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 5E2 may be used.

(第5の実施の形態の第2実施例の変形例1)
第5の実施の形態の第2実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ5F1の模式的平面パターン構成は、図67(a)に示すように表され、図67(a)のVF1−VF1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ5F1の模式的断面構造は、図67(b)に示すように表される。
(Modification 1 of the second example of the fifth embodiment)
The schematic planar pattern configuration of the limiting current type gas sensor 5F1 according to the first modification of the second example of the fifth embodiment is represented as shown in FIG. 67(a), and VF1- of FIG. 67(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 5F1 formed in the MEMS beam structure along the line VF1 is shown in FIG. 67(b).

すなわち、第5の実施の形態の第2実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ5F1のセンサ部分SPは、図67(a)および図67(b)に示すように、ガス導入路となるポーラス酸化膜51と、ポーラス酸化膜51上に配置された柱状酸化膜(柱状膜)53と、柱状酸化膜53を覆うように配置された下部電極(ポーラスPt/Ti膜)28DAと、下部電極28DAを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28DAに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 5F1 according to the modified example 1 of the second example of the fifth embodiment is provided with a gas introduction path as shown in FIGS. 67(a) and 67(b). A porous oxide film 51, a columnar oxide film (columnar film) 53 arranged on the porous oxide film 51, a lower electrode (porous Pt/Ti film) 28DA arranged so as to cover the columnar oxide film 53, and a lower part. The solid electrolyte layer 30 is arranged so as to cover the electrode 28DA, and the upper electrode 28U is arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28DA.

第5の実施の形態の第2実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ5F1の場合、下部電極28DAによってポーラス電極が構成され、ポーラス酸化膜51と柱状酸化膜53とによってガス取込部303が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 5F1 according to the first modification of the second example of the fifth embodiment, the lower electrode 28DA constitutes a porous electrode, and the porous oxide film 51 and the columnar oxide film 53 form a gas intake portion. 303 is configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図67(b)に示す限界電流式ガスセンサ5F1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図68(a)および図68(b)に示す限界電流式ガスセンサ5F2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 5F1 shown in FIG. 67(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat type structure, and the limits shown in FIGS. 68(a) and 68(b) are provided. The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 5F2 may be used.

(第5の実施の形態の第2実施例の変形例2)
第5の実施の形態の第2実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ5G1の模式的平面パターン構成は、図69(a)に示すように表され、図69(a)のVG1−VG1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ5G1の模式的断面構造は、図69(b)に示すように表される。
(Modification 2 of the second example of the fifth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 5G1 according to the second modification of the second example of the fifth embodiment is represented as shown in FIG. 69(a), and VG1- of FIG. 69(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 5G1 formed in the MEMS beam structure along the line VG1 is shown in FIG. 69(b).

すなわち、第5の実施の形態の第2実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ5G1のセンサ部分SPは、図69(a)および図69(b)に示すように、ガス導入路となる第1のポーラス酸化膜51Aと、第1のポーラス酸化膜51A上に配置された柱状Pt/Ti膜(柱状膜)57と、柱状Pt/Ti膜57を覆うように配置された第2のポーラス酸化膜51Bと、第2のポーラス酸化膜51B上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、第2のポーラス酸化膜51Bおよび下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 5G1 according to the modified example 2 of the second example of the fifth embodiment is provided with a gas introduction path as shown in FIGS. 69(a) and 69(b). Of the first porous oxide film 51A, the columnar Pt/Ti film (columnar film) 57 arranged on the first porous oxide film 51A, and the second Pt/Ti film 57 arranged so as to cover the columnar Pt/Ti film 57. Porous oxide film 51B, lower electrode (Pt/Ti laminated film) 28D arranged on second porous oxide film 51B, and solid electrolyte arranged so as to cover second porous oxide film 51B and lower electrode 28D. The layer 30 and the upper electrode 28U disposed on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D are provided.

第5の実施の形態の第2実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ5G1の場合、第2のポーラス酸化膜51Bと下部電極28Dとによってポーラス電極が構成され、第1のポーラス酸化膜51Aと柱状Pt/Ti膜57とによってガス取込部303が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 5G1 according to the modified example 2 of the second example of the fifth embodiment, the porous electrode is constituted by the second porous oxide film 51B and the lower electrode 28D, and the first porous oxide film. 51A and the columnar Pt/Ti film 57 constitute a gas intake part 303.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図69(b)に示す限界電流式ガスセンサ5G1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図70(a)および図70(b)に示す限界電流式ガスセンサ5G2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 5G1 shown in FIG. 69(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat type structure, and the limits shown in FIGS. 70(a) and 70(b) are not limited. The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 5G2 may be used.

(第5の実施の形態の第2実施例の変形例3)
第5の実施の形態の第2実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ5H1の模式的平面パターン構成は、図71(a)に示すように表され、図71(a)のVH1−VH1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ5H1の模式的断面構造は、図71(b)に示すように表される。
(Modification 3 of the second example of the fifth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 5H1 according to the modified example 3 of the second example of the fifth embodiment is represented as shown in FIG. 71(a), and VH1- of FIG. 71(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 5H1 formed in the MEMS beam structure along the line VH1 is represented as shown in FIG. 71(b).

すなわち、第5の実施の形態の第2実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ5H1のセンサ部分SPは、図71(a)および図71(b)に示すように、ガス導入路となるポーラス酸化膜51と、ポーラス酸化膜51上に配置された柱状Pt/Ti膜(柱状膜)57と、柱状Pt/Ti膜57を覆うように配置された下部電極(ポーラスPt/Ti膜)28DAと、下部電極28DAを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28DAに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 5H1 according to the modified example 3 of the second example of the fifth embodiment is provided with a gas introduction path as shown in FIGS. 71(a) and 71(b). Porous oxide film 51, a columnar Pt/Ti film (columnar film) 57 arranged on the porous oxide film 51, and a lower electrode (porous Pt/Ti film) arranged so as to cover the columnar Pt/Ti film 57. 28DA, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the lower electrode 28DA, and an upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28DA.

第5の実施の形態の第2実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ5H1の場合、下部電極28DAによってポーラス電極が構成され、ポーラス酸化膜51と柱状Pt/Ti膜57とによってガス取込部303が構成される。 In the limiting current type gas sensor 5H1 according to the modified example 3 of the second example of the fifth embodiment, the lower electrode 28DA constitutes a porous electrode, and the porous oxide film 51 and the columnar Pt/Ti film 57 serve as a gas collector. The inserting unit 303 is configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図71(b)に示す限界電流式ガスセンサ5H1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図72(a)および図72(b)に示す限界電流式ガスセンサ5H2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 5H1 shown in FIG. 71(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat type structure, and the limits shown in FIGS. 72(a) and 72(b) are not limited. The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 5H2 may be used.

(第5の実施の形態の第3実施例)
第5の実施の形態の第3実施例として、まず、センサ部分SPのガス取込部303を、ガス導入路となるポーラスPt膜61と柱状膜53・57とで構成する場合について説明する。
(Third Example of Fifth Embodiment)
As a third example of the fifth embodiment, first, a case will be described in which the gas intake portion 303 of the sensor portion SP is composed of the porous Pt film 61 serving as a gas introduction path and the columnar films 53 and 57.

ここで、ポーラスPt膜61は、面内方向のガス絞り構造を備え、柱状膜53・57は、面直方向のガス絞り構造を備える。 Here, the porous Pt film 61 has an in-plane gas constriction structure, and the columnar films 53 and 57 have a perpendicular gas constriction structure.

第5の実施の形態の第3実施例に係る限界電流式ガスセンサ5J1の模式的平面パターン構成は、図73(a)に示すように表され、図73(a)のVJ1−VJ1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ5J1の模式的断面構造は、図73(b)に示すように表される。 A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 5J1 according to the third example of the fifth embodiment is represented as shown in FIG. 73(a), and is along the line VJ1-VJ1 in FIG. 73(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 5J1 formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 73(b).

すなわち、第5の実施の形態の第3実施例に係る限界電流式ガスセンサ5J1のセンサ部分SPは、図73(a)および図73(b)に示すように、ガス導入路となるポーラスPt膜61と、ポーラスPt膜61上に配置された柱状酸化膜(柱状膜)53と、柱状酸化膜53を覆うように配置されたポーラス酸化膜51と、ポーラス酸化膜51上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、ポーラス酸化膜51および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, as shown in FIGS. 73(a) and 73(b), the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 5J1 according to the third example of the fifth embodiment has a porous Pt film as a gas introduction path. 61, a columnar oxide film (columnar film) 53 arranged on the porous Pt film 61, a porous oxide film 51 arranged so as to cover the columnar oxide film 53, and a lower electrode arranged on the porous oxide film 51. (Pt/Ti laminated film) 28D, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D, and an upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D. Equipped with.

第5の実施の形態の第3実施例に係る限界電流式ガスセンサ5J1の場合、ポーラス酸化膜51と下部電極28Dとによってポーラス電極が構成され、ポーラスPt膜61と柱状酸化膜53とによってガス取込部303が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 5J1 according to the third example of the fifth embodiment, the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D constitute a porous electrode, and the porous Pt film 61 and the columnar oxide film 53 serve as a gas collector. The inserting unit 303 is configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図73(b)に示す限界電流式ガスセンサ5J1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図74(a)および図74(b)に示す限界電流式ガスセンサ5J2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 5J1 shown in FIG. 73(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat type structure, and the limits shown in FIGS. 74(a) and 74(b) are not limited. The cavity portion C having an open structure such as the current type gas sensor 5J2 may be used.

(第5の実施の形態の第3実施例の変形例1)
第5の実施の形態の第3実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ5K1の模式的平面パターン構成は、図75(a)に示すように表され、図75(a)のVK1−VK1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ5K1の模式的断面構造は、図75(b)に示すように表される。
(Modification 1 of Example 3 of the fifth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 5K1 according to the first modification of the third example of the fifth embodiment is represented as shown in FIG. 75(a), and VK1- of FIG. 75(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 5K1 formed in the MEMS beam structure along the line VK1 is represented as shown in FIG. 75(b).

すなわち、第5の実施の形態の第3実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ5K1のセンサ部分SPは、図75(a)および図75(b)に示すように、ガス導入路となるポーラスPt膜61と、ポーラスPt膜61上に配置された柱状酸化膜(柱状膜)53と、柱状酸化膜53を覆うように配置された下部電極(ポーラスPt/Ti膜)28DAと、下部電極28DAを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28DAに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 5K1 according to the modified example 1 of the third example of the fifth embodiment is provided with a gas introduction path as shown in FIGS. 75(a) and 75(b). A porous Pt film 61, a columnar oxide film (columnar film) 53 arranged on the porous Pt film 61, a lower electrode (porous Pt/Ti film) 28DA arranged so as to cover the columnar oxide film 53, and a lower part. The solid electrolyte layer 30 is arranged so as to cover the electrode 28DA, and the upper electrode 28U is arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28DA.

第5の実施の形態の第3実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ5K1の場合、下部電極28DAによってポーラス電極が構成され、ポーラスPt膜61と柱状酸化膜53とによってガス取込部303が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 5K1 according to the first modification of the third example of the fifth embodiment, the lower electrode 28DA constitutes a porous electrode, and the porous Pt film 61 and the columnar oxide film 53 form a gas intake portion. 303 is configured.

ポーラスPt膜61は、Ptの粒径φが、下部電極28DAのPtの粒径φよりも大きくなるように調整される。 The porous Pt film 61 is adjusted so that the Pt particle diameter φ is larger than the Pt particle diameter φ of the lower electrode 28DA.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図75(b)に示す限界電流式ガスセンサ5K1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図76(a)および図76(b)に示す限界電流式ガスセンサ5K2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 5K1 shown in FIG. 75(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limits shown in FIGS. 76(a) and 76(b) are not limited thereto. The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 5K2 may be used.

(第5の実施の形態の第3実施例の変形例2)
第5の実施の形態の第3実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ5L1の模式的平面パターン構成は、図77(a)に示すように表され、図77(a)のVL1−VL1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ5L1の模式的断面構造は、図77(b)に示すように表される。
(Modification 2 of the third example of the fifth embodiment)
The schematic planar pattern configuration of the limiting current type gas sensor 5L1 according to the second modification of the third example of the fifth embodiment is represented as shown in FIG. 77(a), and VL1- of FIG. 77(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 5L1 formed in the MEMS beam structure along the line VL1 is represented as shown in FIG. 77(b).

すなわち、第5の実施の形態の第3実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ5L1のセンサ部分SPは、図77(a)および図77(b)に示すように、ガス導入路となるポーラスPt膜61と、ポーラスPt膜61上に配置された柱状Pt/Ti膜(柱状膜)57と、柱状Pt/Ti膜57を覆うように配置されたポーラス酸化膜51と、ポーラス酸化膜51上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、ポーラス酸化膜51および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 5L1 according to the modified example 2 of the third example of the fifth embodiment, as shown in FIGS. 77(a) and 77(b), has a gas introduction path. Porous Pt film 61, columnar Pt/Ti film (columnar film) 57 arranged on the porous Pt film 61, porous oxide film 51 arranged so as to cover the columnar Pt/Ti film 57, and porous oxide film 51 on the lower electrode (Pt/Ti laminated film) 28D, the solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D, and on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D. And an upper electrode 28U disposed in the.

第5の実施の形態の第3実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ5L1の場合、ポーラス酸化膜51と下部電極28Dとによってポーラス電極が構成され、ポーラスPt膜61と柱状Pt/Ti膜57とによってガス取込部303が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 5L1 according to the modified example 2 of the third example of the fifth embodiment, the porous oxide film 51 and the lower electrode 28D constitute a porous electrode, and the porous Pt film 61 and the columnar Pt/Ti. The membrane 57 and the gas intake portion 303 are configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図77(b)に示す限界電流式ガスセンサ5L1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図78(a)および図78(b)に示す限界電流式ガスセンサ5L2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 5L1 shown in FIG. 77(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat type structure, and the limit shown in FIGS. 78(a) and 78(b) is not limited. The cavity C having an open structure such as the current type gas sensor 5L2 may be used.

(第5の実施の形態の第3実施例の変形例3)
第5の実施の形態の第3実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ5M1の模式的平面パターン構成は、図79(a)に示すように表され、図79(a)のVM1−VM1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ5M1の模式的断面構造は、図79(b)に示すように表される。
(Modification 3 of the third example of the fifth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 5M1 according to Modification 3 of the third example of the fifth embodiment is represented as shown in FIG. 79(a), and VM1- of FIG. 79(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 5M1 formed in the MEMS beam structure along the VM1 line is represented as shown in FIG. 79(b).

すなわち、第5の実施の形態の第3実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ5M1のセンサ部分SPは、図79(a)および図79(b)に示すように、ガス導入路となるポーラスPt膜61と、ポーラスPt膜61上に配置された柱状Pt/Ti膜(柱状膜)57と、柱状Pt/Ti膜57を覆うように配置された下部電極(ポーラスPt/Ti膜)28DAと、下部電極28DAを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28DAに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 5M1 according to the modified example 3 of the third example of the fifth embodiment is provided with a gas introduction path as shown in FIGS. 79(a) and 79(b). Porous Pt film 61, a columnar Pt/Ti film (columnar film) 57 arranged on the porous Pt film 61, and a lower electrode (porous Pt/Ti film) arranged so as to cover the columnar Pt/Ti film 57. 28DA, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the lower electrode 28DA, and an upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28DA.

第5の実施の形態の第3実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ5M1の場合、下部電極28DAによってポーラス電極が構成され、ポーラスPt膜61と柱状Pt/Ti膜57とによってガス取込部303が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 5M1 according to the modification 3 of the third example of the fifth embodiment, the lower electrode 28DA constitutes a porous electrode, and the porous Pt film 61 and the columnar Pt/Ti film 57 serve as a gas collector. The inserting unit 303 is configured.

ポーラスPt膜61は、Ptの粒径φが、下部電極28DAのPtの粒径φよりも大きくなるように調整される。 The porous Pt film 61 is adjusted so that the Pt particle diameter φ is larger than the Pt particle diameter φ of the lower electrode 28DA.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図79(b)に示す限界電流式ガスセンサ5M1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図80(a)および図80(b)に示す限界電流式ガスセンサ5M2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 5M1 shown in FIG. 79(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limits shown in FIGS. 80(a) and 80(b) are provided. The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 5M2 may be used.

いずれの構成によっても、ポーラス膜の温度依存性の改善が容易に可能であり、センサ特性をより安定化させることが可能な限界電流式ガスセンサとすることができる。 With any of the configurations, the temperature dependence of the porous film can be easily improved, and the limiting current type gas sensor capable of further stabilizing the sensor characteristics can be obtained.

なお、いずれの構成の場合も、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層300を挿入することも可能である。 In either case, it is also possible to insert the low-concentration doped polysilicon layer 300 having high thermal conductivity below the micro heater MH.

また、ポーラスPt膜61に代えて、ポーラスPt/Ti膜を適用するようにしても良い。 Further, instead of the porous Pt film 61, a porous Pt/Ti film may be applied.

(第6の実施の形態)
(概略構成)
第6の実施の形態は、図29(f)に模式的に示したように、限界電流式ガスセンサのセンサ部分SPにおいて、ガス取込部305を設けた構成とすることによって、上述したポーラス膜の温度依存性を改善するようにしたものである。
(Sixth Embodiment)
(Schematic configuration)
In the sixth embodiment, as schematically shown in FIG. 29(f), the gas intake portion 305 is provided in the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor, so that the porous film described above is provided. The temperature dependence of is improved.

要するに、第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサは、基板12と、基板12上に第1絶縁層181を介して配置されたヒータMHと、ヒータMH上に第2絶縁層182を介して配置されたガス取込部305と、ガス取込部305上に配置された下部電極28Dと、下部電極28D上に配置された固体電解質層30と、固体電解質層30上の、下部電極28Dに対向する面に配置された上部電極28Uと、基板12に、ヒータMHよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部Cとを備え、ガス取込部305は、被測定ガスを取り込むガス導入路と、ガス導入路上に配置され、面内方向のガス拡散構造を備えた多孔質膜(柱状部)とから構成される。 In short, the limiting current type gas sensor according to the sixth embodiment includes the substrate 12, the heater MH arranged on the substrate 12 via the first insulating layer 181, and the heater MH via the second insulating layer 182. The gas intake part 305 arranged as a lower electrode, the lower electrode 28D arranged on the gas intake part 305, the solid electrolyte layer 30 arranged on the lower electrode 28D, and the lower electrode 28D on the solid electrolyte layer 30. An upper electrode 28U disposed on a surface facing the substrate, and a cavity C formed on the substrate 12 to be substantially larger than the heater MH. The gas intake portion 305 is a gas introduction path for introducing a measurement gas. And a porous membrane (columnar portion) arranged on the gas introduction path and having a gas diffusion structure in the in-plane direction.

(第6の実施の形態の第1実施例)
第6の実施の形態の第1実施例として、まず、センサ部分SPのガス取込部305を、ガス導入路となるガス拡散路MP1と多孔質膜51・61とで構成する場合について説明する。
(First Example of Sixth Embodiment)
As a first example of the sixth embodiment, first, a case will be described in which the gas intake portion 305 of the sensor portion SP is configured by the gas diffusion passage MP1 serving as a gas introduction passage and the porous membranes 51 and 61. ..

ここで、ガス拡散路MP1は、面内方向のガス絞り構造を備え、多孔質膜51・61は、面内方向のガス拡散構造を備える。 Here, the gas diffusion path MP1 has an in-plane gas throttle structure, and the porous membranes 51 and 61 have an in-plane gas diffusion structure.

第6の実施の形態の第1実施例に係る限界電流式ガスセンサ6A1の模式的平面パターン構成は、図81(a)に示すように表され、図81(a)のVIA1−VIA1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ6A1の模式的断面構造は、図81(b)に示すように表される。 A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 6A1 according to the first example of the sixth embodiment is represented as shown in FIG. 81(a), and is taken along line VIA1-VIA1 of FIG. 81(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 6A1 formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 81(b).

すなわち、第6の実施の形態の第1実施例に係る限界電流式ガスセンサ6A1のセンサ部分SPは、図81(a)および図81(b)に示すように、中空構造を有するガス拡散路(ガス導入路)MP1と、ガス拡散路MP1上に配置されたポーラス酸化膜(多孔質膜)51と、ポーラス酸化膜51を覆うように配置された柱状酸化膜53と、柱状酸化膜53上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、柱状酸化膜53および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, as shown in FIGS. 81(a) and 81(b), the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 6A1 according to the first example of the sixth embodiment has a gas diffusion path (having a hollow structure). Gas introduction path) MP1, a porous oxide film (porous film) 51 arranged on the gas diffusion path MP1, a columnar oxide film 53 arranged so as to cover the porous oxide film 51, and a columnar oxide film 53 on the columnar oxide film 53. The lower electrode (Pt/Ti laminated film) 28D arranged, the solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the columnar oxide film 53 and the lower electrode 28D, and the solid electrolyte layer 30 opposed to the lower electrode 28D. And an upper electrode 28U.

第6の実施の形態の第1実施例に係る限界電流式ガスセンサ6A1の場合、柱状酸化膜53と下部電極28Dとによって柱状電極が構成され、ガス拡散路MP1とポーラス酸化膜51とによってガス取込部305が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 6A1 according to the first example of the sixth embodiment, the columnar electrode is constituted by the columnar oxide film 53 and the lower electrode 28D, and the gas diffusion path MP1 and the porous oxide film 51 are used for gas extraction. The inserting unit 305 is configured.

ここで、柱状電極は、面直方向のガス絞り構造を備える。 Here, the columnar electrode has a gas throttle structure in the direction perpendicular to the surface.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図81(b)に示す限界電流式ガスセンサ6A1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図82(a)および図82(b)に示す限界電流式ガスセンサ6A2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 6A1 shown in FIG. 81(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat type structure, and the limit shown in FIGS. 82(a) and 82(b) is not limited. The cavity C having an open structure such as the current type gas sensor 6A2 may be used.

(第6の実施の形態の第1実施例の変形例1)
第6の実施の形態の第1実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ6B1の模式的平面パターン構成は、図83(a)に示すように表され、図83(a)のVIB1−VIB1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ6B1の模式的断面構造は、図83(b)に示すように表される。
(Modification 1 of the first example of the sixth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 6B1 according to the first modification of the first example of the sixth embodiment is represented as shown in FIG. 83(a), and VIB1- of FIG. 83(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 6B1 formed in the MEMS beam structure along the line VIB1 is represented as shown in FIG. 83(b).

すなわち、第6の実施の形態の第1実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ6B1のセンサ部分SPは、図83(a)および図83(b)に示すように、中空構造を有するガス拡散路(ガス導入路)MP1と、ガス拡散路MP1上に配置されたポーラス酸化膜(多孔質膜)51と、ポーラス酸化膜51を覆うように配置された下部電極(柱状Pt/Ti膜)28DBと、下部電極28DBを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28DBに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 6B1 according to the first modification of the first example of the sixth embodiment has a hollow structure as shown in FIGS. 83(a) and 83(b). Gas diffusion path (gas introduction path) MP1, porous oxide film (porous film) 51 arranged on gas diffusion path MP1, and lower electrode (columnar Pt/Ti film) arranged so as to cover porous oxide film 51. ) 28DB, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the lower electrode 28DB, and an upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28DB.

第6の実施の形態の第1実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ6B1の場合、下部電極28DBによって柱状電極が構成され、ガス拡散路MP1とポーラス酸化膜51とによってガス取込部305が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 6B1 according to the modified example 1 of the first example of the sixth embodiment, the lower electrode 28DB constitutes a columnar electrode, and the gas diffusion path MP1 and the porous oxide film 51 form the gas intake portion. 305 is configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description is omitted.

なお、図83(b)に示す限界電流式ガスセンサ6B1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図84(a)および図84(b)に示す限界電流式ガスセンサ6B2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 6B1 shown in FIG. 83(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat type structure, and the limit shown in FIGS. 84(a) and 84(b) is not limited. The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 6B2 may be used.

(第6の実施の形態の第1実施例の変形例2)
第6の実施の形態の第1実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ6C1の模式的平面パターン構成は、図85(a)に示すように表され、図85(a)のVIC1−VIC1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ6C1の模式的断面構造は、図85(b)に示すように表される。
(Modification 2 of the first example of the sixth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 6C1 according to the second modification of the first example of the sixth embodiment is represented as shown in FIG. 85(a), and VIC1- of FIG. 85(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 6C1 formed in the MEMS beam structure along the line VIC1 is represented as shown in FIG. 85(b).

すなわち、第6の実施の形態の第1実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ6C1のセンサ部分SPは、図85(a)および図85(b)に示すように、中空構造を有するガス拡散路(ガス導入路)MP1と、ガス拡散路MP1上に配置されたポーラスPt膜(多孔質膜)61と、ポーラスPt膜61を覆うように配置された柱状酸化膜53と、柱状酸化膜53上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、柱状酸化膜53および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 6C1 according to the modified example 2 of the first example of the sixth embodiment has a hollow structure as shown in FIGS. 85(a) and 85(b). A gas diffusion path (gas introduction path) MP1, a porous Pt film (porous film) 61 arranged on the gas diffusion path MP1, a columnar oxide film 53 arranged so as to cover the porous Pt film 61, and a columnar oxidation. A lower electrode (Pt/Ti laminated film) 28D arranged on the film 53, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the columnar oxide film 53 and the lower electrode 28D, and a solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28D. And an upper electrode 28U disposed above.

第6の実施の形態の第1実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ6C1の場合、柱状酸化膜53と下部電極28Dとによって柱状電極が構成され、ガス拡散路MP1とポーラスPt膜61とによってガス取込部305が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 6C1 according to the modified example 2 of the first example of the sixth embodiment, the columnar electrode is constituted by the columnar oxide film 53 and the lower electrode 28D, and the gas diffusion path MP1 and the porous Pt film 61. And form a gas intake unit 305.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図85(b)に示す限界電流式ガスセンサ6C1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図86(a)および図86(b)に示す限界電流式ガスセンサ6C2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 6C1 shown in FIG. 85(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limit shown in FIGS. 86(a) and 86(b). The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 6C2 may be used.

(第6の実施の形態の第1実施例の変形例3)
第6の実施の形態の第1実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ6D1の模式的平面パターン構成は、図87(a)に示すように表され、図87(a)のVID1−VID1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ6D1の模式的断面構造は、図87(b)に示すように表される。
(Modification 3 of the first example of the sixth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of a limiting current type gas sensor 6D1 according to Modification 3 of the first example of the sixth embodiment is represented as shown in FIG. 87(a), and VID1- of FIG. 87(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 6D1 formed in the MEMS beam structure along the line VID1 is represented as shown in FIG. 87(b).

すなわち、第6の実施の形態の第1実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ6D1のセンサ部分SPは、図87(a)および図87(b)に示すように、中空構造を有するガス拡散路(ガス導入路)MP1と、ガス拡散路MP1上に配置されたポーラスPt膜(多孔質膜)61と、ポーラスPt膜61を覆うように配置された下部電極(柱状Pt/Ti膜)28DBと、下部電極28DBを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28DBに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 6D1 according to the modification 3 of the first example of the sixth embodiment has a hollow structure as shown in FIGS. 87(a) and 87(b). Gas diffusion path (gas introduction path) MP1, porous Pt film (porous film) 61 arranged on the gas diffusion path MP1, and lower electrode (columnar Pt/Ti film) arranged so as to cover the porous Pt film 61. ) 28DB, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the lower electrode 28DB, and an upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28DB.

第6の実施の形態の第1実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ6D1の場合、下部電極28DBによって柱状電極が構成され、ガス拡散路MP1とポーラスPt膜61とによってガス取込部305が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 6D1 according to the modified example 3 of the first example of the sixth embodiment, the lower electrode 28DB forms a columnar electrode, and the gas diffusion path MP1 and the porous Pt film 61 form the gas intake part. 305 is configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図87(b)に示す限界電流式ガスセンサ6D1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図88(a)および図88(b)に示す限界電流式ガスセンサ6D2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 6D1 shown in FIG. 87(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limit shown in FIGS. 88(a) and 88(b). The cavity C having an open structure such as the current type gas sensor 6D2 may be used.

(第6の実施の形態の第2実施例)
第6の実施の形態の第2実施例として、まず、センサ部分SPのガス取込部305を、ガス導入路となるポーラス酸化膜51と多孔質膜51・61とで構成する場合について説明する。
(Second Example of Sixth Embodiment)
As a second example of the sixth embodiment, first, a case will be described in which the gas intake portion 305 of the sensor portion SP is composed of the porous oxide film 51 serving as a gas introduction path and the porous films 51 and 61. ..

ここで、多孔質膜51・61は、面内方向のガス絞り構造を備える。 Here, the porous films 51 and 61 are provided with an in-plane gas throttle structure.

第6の実施の形態の第2実施例に係る限界電流式ガスセンサ6E1の模式的平面パターン構成は、図89(a)に示すように表され、図89(a)のVIE1−VIE1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ6E1の模式的断面構造は、図89(b)に示すように表される。 The schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 6E1 according to the second example of the sixth embodiment is represented as shown in FIG. 89(a), and is along the VIE1-VIE1 line in FIG. 89(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 6E1 formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 89(b).

すなわち、第6の実施の形態の第2実施例に係る限界電流式ガスセンサ6E1のセンサ部分SPは、図89(a)および図89(b)に示すように、ガス導入路となる第1のポーラス酸化膜51Aと、第1のポーラス酸化膜51A上に配置された第2のポーラス酸化膜(多孔質膜)51Bと、第2のポーラス酸化膜51Bを覆うように配置された柱状酸化膜53と、柱状酸化膜53上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、柱状酸化膜53および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 6E1 according to the second example of the sixth embodiment, as shown in FIGS. 89(a) and 89(b), serves as a gas introduction path. Porous oxide film 51A, second porous oxide film (porous film) 51B arranged on first porous oxide film 51A, and columnar oxide film 53 arranged so as to cover second porous oxide film 51B. A lower electrode (Pt/Ti laminated film) 28D arranged on the columnar oxide film 53, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the columnar oxide film 53 and the lower electrode 28D, and the lower electrode 28D. And an upper electrode 28U disposed on the solid electrolyte layer 30.

第6の実施の形態の第2実施例に係る限界電流式ガスセンサ6E1の場合、柱状酸化膜53と下部電極28Dとによって柱状電極が構成され、第1のポーラス酸化膜51Aと第2のポーラス酸化膜51Bとによってガス取込部305が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 6E1 according to the second example of the sixth embodiment, the columnar electrode is constituted by the columnar oxide film 53 and the lower electrode 28D, and the first porous oxide film 51A and the second porous oxide film are formed. The gas intake part 305 is constituted by the film 51B.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図89(b)に示す限界電流式ガスセンサ6E1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図90(a)および図90(b)に示す限界電流式ガスセンサ6E2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 6E1 shown in FIG. 89(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limits shown in FIGS. 90(a) and 90(b) are not limited. The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 6E2 may be used.

(第6の実施の形態の第2実施例の変形例1)
第6の実施の形態の第2実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ6F1の模式的平面パターン構成は、図91(a)に示すように表され、図91(a)のVIF1−VIF1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ6F1の模式的断面構造は、図91(b)に示すように表される。
(Modification 1 of the second example of the sixth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 6F1 according to the modified example 1 of the second example of the sixth embodiment is represented as shown in FIG. 91(a), and VIF1- of FIG. 91(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 6F1 formed in the MEMS beam structure along the VIF1 line is shown in FIG. 91(b).

すなわち、第6の実施の形態の第2実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ6F1のセンサ部分SPは、図91(a)および図91(b)に示すように、ガス導入路となる第1のポーラス酸化膜51Aと、第1のポーラス酸化膜51A上に配置された第2のポーラス酸化膜(多孔質膜)51Bと、第2のポーラス酸化膜51Bを覆うように配置された下部電極(柱状Pt/Ti膜)28DBと、下部電極28DBを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28DBに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 6F1 according to the first modification of the second example of the sixth embodiment is provided with a gas introduction path as shown in FIGS. 91(a) and 91(b). Is formed so as to cover the first porous oxide film 51A, the second porous oxide film 51B arranged on the first porous oxide film 51A, and the second porous oxide film 51B. A lower electrode (columnar Pt/Ti film) 28DB, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the lower electrode 28DB, and an upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28DB.

第6の実施の形態の第2実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ6F1の場合、下部電極28DBによって柱状電極が構成され、第1のポーラス酸化膜51Aと第2のポーラス酸化膜51Bとによってガス取込部305が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 6F1 according to the modification 1 of the second example of the sixth embodiment, the lower electrode 28DB constitutes a columnar electrode, and the first porous oxide film 51A and the second porous oxide film 51B. And form a gas intake unit 305.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図91(b)に示す限界電流式ガスセンサ6F1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図92(a)および図92(b)に示す限界電流式ガスセンサ6F2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 As in the limiting current type gas sensor 6F1 shown in FIG. 91(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limit shown in FIG. 92(a) and FIG. 92(b). The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 6F2 may be used.

(第6の実施の形態の第2実施例の変形例2)
第6の実施の形態の第2実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ6G1の模式的平面パターン構成は、図93(a)に示すように表され、図93(a)のVIG1−VIG1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ6G1の模式的断面構造は、図93(b)に示すように表される。
(Modification 2 of the second example of the sixth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 6G1 according to the second modification of the second example of the sixth embodiment is represented as shown in FIG. 93(a), and VIG1- of FIG. 93(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 6G1 formed in the MEMS beam structure along the line VIG1 is represented as shown in FIG. 93(b).

すなわち、第6の実施の形態の第2実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ6G1のセンサ部分SPは、図93(a)および図93(b)に示すように、ガス導入路となるポーラス酸化膜51と、ポーラス酸化膜51上に配置されたポーラスPt膜(多孔質膜)61と、ポーラスPt膜61を覆うように配置された柱状酸化膜53と、柱状酸化膜53上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、柱状酸化膜53および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 6G1 according to the modified example 2 of the second example of the sixth embodiment is provided with a gas introduction path as shown in FIGS. 93(a) and 93(b). On the columnar oxide film 51, the porous Pt film (porous film) 61 arranged on the porous oxide film 51, the columnar oxide film 53 arranged so as to cover the porous Pt film 61, and the columnar oxide film 53. The lower electrode (Pt/Ti laminated film) 28D arranged, the solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the columnar oxide film 53 and the lower electrode 28D, and the solid electrolyte layer 30 opposed to the lower electrode 28D. And an upper electrode 28U.

第6の実施の形態の第2実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ6G1の場合、柱状酸化膜53と下部電極28Dとによって柱状電極が構成され、ポーラス酸化膜51とポーラスPt膜61とによってガス取込部305が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 6G1 according to the modification 2 of the second example of the sixth embodiment, the columnar electrode is constituted by the columnar oxide film 53 and the lower electrode 28D, and the porous oxide film 51 and the porous Pt film 61. And form a gas intake unit 305.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図93(b)に示す限界電流式ガスセンサ6G1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図94(a)および図94(b)に示す限界電流式ガスセンサ6G2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 6G1 shown in FIG. 93(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limit shown in FIGS. 94(a) and 94(b). The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 6G2 may be used.

(第6の実施の形態の第2実施例の変形例3)
第6の実施の形態の第2実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ6H1の模式的平面パターン構成は、図95(a)に示すように表され、図95(a)のVIH1−VIH1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ6H1の模式的断面構造は、図95(b)に示すように表される。
(Modification 3 of the second example of the sixth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 6H1 according to the modified example 3 of the second example of the sixth embodiment is represented as shown in FIG. 95(a), and VIH1- of FIG. 95(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 6H1 formed in the MEMS beam structure along the line VIH1 is represented as shown in FIG. 95(b).

すなわち、第6の実施の形態の第2実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ6H1のセンサ部分SPは、図95(a)および図95(b)に示すように、ガス導入路となるポーラス酸化膜51と、ポーラス酸化膜51上に配置されたポーラスPt膜(多孔質膜)61と、ポーラスPt膜61を覆うように配置された下部電極(柱状Pt/Ti膜)28DBと、下部電極28DBを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28DBに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 6H1 according to the modified example 3 of the second example of the sixth embodiment, as shown in FIGS. 95(a) and 95(b), is provided with a gas introduction path. A porous oxide film 51, a porous Pt film (porous film) 61 arranged on the porous oxide film 51, a lower electrode (columnar Pt/Ti film) 28DB arranged so as to cover the porous Pt film 61, The solid electrolyte layer 30 is arranged so as to cover the lower electrode 28DB, and the upper electrode 28U is arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28DB.

第6の実施の形態の第2実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ6H1の場合、下部電極28DBによって柱状電極が構成され、ポーラス酸化膜51とポーラスPt膜61とによってガス取込部305が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 6H1 according to the modified example 3 of the second example of the sixth embodiment, the columnar electrode is constituted by the lower electrode 28DB, and the gas intake portion is constituted by the porous oxide film 51 and the porous Pt film 61. 305 is configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図95(b)に示す限界電流式ガスセンサ6H1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図96(a)および図96(b)に示す限界電流式ガスセンサ6H2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 6H1 shown in FIG. 95(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limit shown in FIG. 96(a) and FIG. 96(b). The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 6H2 may be used.

(第6の実施の形態の第3実施例)
第6の実施の形態の第3実施例として、まず、センサ部分SPのガス取込部305を、ガス導入路となるポーラスPt膜61と多孔質膜51・61とで構成する場合について説明する。
(Third Example of Sixth Embodiment)
As a third example of the sixth embodiment, first, a case will be described in which the gas intake portion 305 of the sensor portion SP is composed of a porous Pt film 61 serving as a gas introduction path and porous films 51, 61. ..

ここで、多孔質膜51・61は、面内方向のガス拡散構造を備える。 Here, the porous films 51 and 61 have a gas diffusion structure in the in-plane direction.

第6の実施の形態の第3実施例に係る限界電流式ガスセンサ6J1の模式的平面パターン構成は、図97(a)に示すように表され、図97(a)のVIJ1−VIJ1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ6J1の模式的断面構造は、図97(b)に示すように表される。 A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 6J1 according to the third example of the sixth embodiment is expressed as shown in FIG. 97(a), and is along the line VIJ1-VIJ1 in FIG. 97(a). , A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 6J1 formed in the MEMS beam structure is shown in FIG. 97(b).

すなわち、第6の実施の形態の第3実施例に係る限界電流式ガスセンサ6J1のセンサ部分SPは、図97(a)および図97(b)に示すように、ガス導入路となるポーラスPt膜61と、ポーラスPt膜61上に配置されたポーラス酸化膜(多孔質膜)51と、ポーラス酸化膜51を覆うように配置された柱状酸化膜53と、柱状酸化膜53上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、柱状酸化膜53および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 6J1 according to the third example of the sixth embodiment is, as shown in FIGS. 97(a) and 97(b), a porous Pt film serving as a gas introduction path. 61, a porous oxide film (porous film) 51 arranged on the porous Pt film 61, a columnar oxide film 53 arranged so as to cover the porous oxide film 51, and a lower portion arranged on the columnar oxide film 53. Electrode (Pt/Ti laminated film) 28D, solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover columnar oxide film 53 and lower electrode 28D, and upper electrode 28U arranged on solid electrolyte layer 30 facing lower electrode 28D. With.

第6の実施の形態の第3実施例に係る限界電流式ガスセンサ6J1の場合、柱状酸化膜53と下部電極28Dとによって柱状電極が構成され、ポーラスPt膜61とポーラス酸化膜51とによってガス取込部305が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 6J1 according to the third example of the sixth embodiment, the columnar electrode is constituted by the columnar oxide film 53 and the lower electrode 28D, and the gas extraction is performed by the porous Pt film 61 and the porous oxide film 51. The inserting unit 305 is configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図97(b)に示す限界電流式ガスセンサ6J1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図98(a)および図98(b)に示す限界電流式ガスセンサ6J2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 6J1 shown in FIG. 97(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limit shown in FIGS. 98(a) and 98(b) is not limited. The cavity C having an open structure such as the current gas sensor 6J2 may be used.

(第6の実施の形態の第3実施例の変形例1)
第6の実施の形態の第3実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ6K1の模式的平面パターン構成は、図99(a)に示すように表され、図99(a)のVIK1−VIK1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ6K1の模式的断面構造は、図99(b)に示すように表される。
(Modification 1 of Example 3 of the sixth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 6K1 according to the first modification of the third example of the sixth embodiment is represented as shown in FIG. 99(a), and VIK1- of FIG. 99(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 6K1 formed in the MEMS beam structure along the line VIK1 is represented as shown in FIG. 99(b).

すなわち、第6の実施の形態の第3実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ6K1のセンサ部分SPは、図99(a)および図99(b)に示すように、ガス導入路となるポーラスPt膜61と、ポーラスPt膜61上に配置されたポーラス酸化膜(多孔質膜)51と、ポーラス酸化膜51を覆うように配置された下部電極(柱状Pt/Ti膜)28DBと、下部電極28DBを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28DBに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 6K1 according to the first modification of the third example of the sixth embodiment has a gas introduction path as shown in FIGS. 99(a) and 99(b). A porous Pt film 61, a porous oxide film (porous film) 51 arranged on the porous Pt film 61, a lower electrode (columnar Pt/Ti film) 28DB arranged so as to cover the porous oxide film 51, The solid electrolyte layer 30 is arranged so as to cover the lower electrode 28DB, and the upper electrode 28U is arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28DB.

第6の実施の形態の第3実施例の変形例1に係る限界電流式ガスセンサ6K1の場合、下部電極28DBによって柱状電極が構成され、ポーラスPt膜61とポーラス酸化膜51とによってガス取込部305が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 6K1 according to the modified example 1 of the third example of the sixth embodiment, the lower electrode 28DB constitutes a columnar electrode, and the porous Pt film 61 and the porous oxide film 51 form a gas intake portion. 305 is configured.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description is omitted.

なお、図99(b)に示す限界電流式ガスセンサ6K1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図100(a)および図100(b)に示す限界電流式ガスセンサ6K2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 6K1 shown in FIG. 99(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat type structure, and the limits shown in FIGS. 100(a) and 100(b) The cavity C having an open structure such as the current type gas sensor 6K2 may be used.

(第6の実施の形態の第3実施例の変形例2)
第6の実施の形態の第3実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ6L1の模式的平面パターン構成は、図101(a)に示すように表され、図101(a)のVIL1−VIL1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ6L1の模式的断面構造は、図101(b)に示すように表される。
(Modification 2 of the third example of the sixth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 6L1 according to the second modification of the third example of the sixth embodiment is represented as shown in FIG. 101(a), and VIL1- in FIG. 101(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 6L1 formed in the MEMS beam structure along the line VIL1 is represented as shown in FIG. 101(b).

すなわち、第6の実施の形態の第3実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ6L1のセンサ部分SPは、図101(a)および図101(b)に示すように、ガス導入路となる第1のポーラスPt膜61Aと、第1のポーラスPt膜61A上に配置された第2のポーラスPt膜(多孔質膜)61Bと、第2のポーラスPt膜61Bを覆うように配置された柱状酸化膜53と、柱状酸化膜53上に配置された下部電極(Pt/Ti積層膜)28Dと、柱状酸化膜53および下部電極28Dを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28Dに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 6L1 according to the second modification of the third example of the sixth embodiment has a gas introduction path as shown in FIGS. 101(a) and 101(b). Is formed so as to cover the first porous Pt film 61A, the second porous Pt film (porous film) 61B arranged on the first porous Pt film 61A, and the second porous Pt film 61B. The columnar oxide film 53, the lower electrode (Pt/Ti laminated film) 28D arranged on the columnar oxide film 53, the solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the columnar oxide film 53 and the lower electrode 28D, and the lower electrode. 28D, and the upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing 28D.

第6の実施の形態の第3実施例の変形例2に係る限界電流式ガスセンサ6L1の場合、柱状酸化膜53と下部電極28Dとによって柱状電極が構成され、第1のポーラスPt膜61Aと第2のポーラスPt膜61Bとによってガス取込部305が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 6L1 according to the second modification of the third example of the sixth embodiment, the columnar electrode is constituted by the columnar oxide film 53 and the lower electrode 28D, and the first porous Pt film 61A and the first porous Pt film 61A are provided. The second porous Pt film 61B constitutes the gas intake part 305.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図101(b)に示す限界電流式ガスセンサ6L1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図102(a)および図102(b)に示す限界電流式ガスセンサ6L2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 6L1 shown in FIG. 101(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat type structure, and the limits shown in FIGS. 102(a) and 102(b) The cavity C having an open structure such as the current type gas sensor 6L2 may be used.

(第6の実施の形態の第3実施例の変形例3)
第6の実施の形態の第3実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ6M1の模式的平面パターン構成は、図103(a)に示すように表され、図103(a)のVIM1−VIM1線に沿う、MEMS梁構造に形成されるガスセンサ6M1の模式的断面構造は、図103(b)に示すように表される。
(Modification 3 of Example 3 of the sixth embodiment)
A schematic plane pattern configuration of a limiting current type gas sensor 6M1 according to Modification 3 of Example 3 of the sixth embodiment is represented as shown in FIG. 103(a), and VIM1- of FIG. 103(a). A schematic cross-sectional structure of the gas sensor 6M1 formed in the MEMS beam structure along the line VIM1 is represented as shown in FIG. 103(b).

すなわち、第6の実施の形態の第3実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ6M1のセンサ部分SPは、図103(a)および図103(b)に示すように、ガス導入路となる第1のポーラスPt膜61Aと、第1のポーラスPt膜61A上に配置された第2のポーラスPt膜(多孔質膜)61Bと、第2のポーラスPt膜61Bを覆うように配置された下部電極(柱状Pt/Ti膜)28DBと、下部電極28DBを覆うように配置された固体電解質層30と、下部電極28DBに対向する固体電解質層30上に配置された上部電極28Uとを備える。 That is, the sensor portion SP of the limiting current type gas sensor 6M1 according to the modified example 3 of the third example of the sixth embodiment is provided with a gas introduction path as shown in FIGS. 103(a) and 103(b). Is formed so as to cover the first porous Pt film 61A, the second porous Pt film (porous film) 61B arranged on the first porous Pt film 61A, and the second porous Pt film 61B. A lower electrode (columnar Pt/Ti film) 28DB, a solid electrolyte layer 30 arranged so as to cover the lower electrode 28DB, and an upper electrode 28U arranged on the solid electrolyte layer 30 facing the lower electrode 28DB.

第6の実施の形態の第3実施例の変形例3に係る限界電流式ガスセンサ6M1の場合、下部電極28DBによって柱状電極が構成され、第1のポーラスPt膜61Aと第2のポーラスPt膜61Bとによってガス取込部305が構成される。 In the case of the limiting current type gas sensor 6M1 according to the modified example 3 of the third example of the sixth embodiment, the lower electrode 28DB constitutes a columnar electrode, and the first porous Pt film 61A and the second porous Pt film 61B. And form a gas intake unit 305.

それ以外の構成は、限界電流式ガスセンサ1Aなどと基本的に同一なので、重複する説明は省略する。 The other configurations are basically the same as those of the limiting current type gas sensor 1A and the like, and thus duplicated description will be omitted.

なお、図103(b)に示す限界電流式ガスセンサ6M1のように、MEMS梁構造の基板12のキャビティ部Cは舟型構造に限らず、図104(a)および図104(b)に示す限界電流式ガスセンサ6M2のような開放型構造のキャビティ部Cとしても良い。 Note that, as in the limiting current type gas sensor 6M1 shown in FIG. 103(b), the cavity portion C of the substrate 12 having the MEMS beam structure is not limited to the boat-shaped structure, and the limit shown in FIGS. 104(a) and 104(b). The cavity C having an open structure such as the current type gas sensor 6M2 may be used.

いずれの構成によっても、ポーラス膜の温度依存性の改善が容易に可能であり、センサ特性をより安定化させることが可能な限界電流式ガスセンサとすることができる。 With any of the configurations, the temperature dependence of the porous film can be easily improved, and the limiting current type gas sensor capable of further stabilizing the sensor characteristics can be obtained.

なお、いずれの構成の場合も、マイクロヒータMHの下方に熱伝導率の高い低濃度ドープポリシリコン層300を挿入することも可能である。 In either case, it is also possible to insert the low-concentration doped polysilicon layer 300 having high thermal conductivity below the micro heater MH.

また、ポーラスPt膜61・61A・61Bに代えて、ポーラスPt/Ti膜を適用するようにしても良い。 Further, instead of the porous Pt films 61, 61A, 61B, a porous Pt/Ti film may be applied.

(動作原理)
ここで、限界電流式ガスセンサの動作原理について簡単に説明する。
―ガス濃度を検出する動作―
まず、ジルコニア固体電解質を数百度に加熱し、ジルコニア固体電解質に電圧を印加すると、触媒電極でイオン化した酸素イオンが、固体電解質の一方の側から他の側へ伝導する。このとき、小孔や多孔質などを利用して電解質に吸入する酸素ガス量を制限すると、電圧を増加しても電流が一定値になる飽和現象が現れる。この電流は限界電流と呼ばれ、周囲の酸素濃度に比例する。そのため、一定の電圧を印加すれば、流れる電流値から酸素濃度を検出することができる。印加する電圧を切り替えれば、同様の原理で水蒸気の濃度を検出することも可能である。
(Operating principle)
Here, the operating principle of the limiting current type gas sensor will be briefly described.
-Operation to detect gas concentration-
First, when the zirconia solid electrolyte is heated to several hundred degrees and a voltage is applied to the zirconia solid electrolyte, oxygen ions ionized at the catalyst electrode are conducted from one side of the solid electrolyte to the other side. At this time, if the amount of oxygen gas sucked into the electrolyte is limited by utilizing small pores or porosity, a saturation phenomenon will occur in which the current becomes a constant value even if the voltage is increased. This current is called the limiting current and is proportional to the ambient oxygen concentration. Therefore, if a constant voltage is applied, the oxygen concentration can be detected from the flowing current value. It is also possible to detect the concentration of water vapor by the same principle by switching the applied voltage.

限界電流式ガスセンサによるガス濃度を検出する動作を示すフローチャートは、図105に示すように表される。また、限界電流式ガスセンサにおいて、ガス濃度検出動作におけるYSZ温度と時間との関係は、模式的に図106に示すように表され、動作原理を説明する模式的断面構造は、図107に示すように表される。 A flowchart showing the operation of detecting the gas concentration by the limiting current type gas sensor is expressed as shown in FIG. Further, in the limiting current type gas sensor, the relationship between the YSZ temperature and time in the gas concentration detecting operation is schematically shown in FIG. 106, and the schematic cross-sectional structure for explaining the operation principle is as shown in FIG. 107. Represented by

図107において、固体電解質層106を、マイクロヒータMHによって、数百℃、例えば500℃程度に加熟し、上部電極(陰極)105U・多孔質電極(陽極)105D間に電圧Vを印加して電流Iを流すと、上部電極105Uでは、O2 +4e- ⇔2O2-の電気化学反応によって固体電解質層106中へ酸素イオン(O2-)の注入が起こる。In FIG. 107, the solid electrolyte layer 106 is aged by the microheater MH to several hundred degrees Celsius, for example, about 500 degrees Celsius, and a voltage V is applied between the upper electrode (cathode) 105U and the porous electrode (anode) 105D to generate a current. When I is flown, oxygen ions (O 2− ) are injected into the solid electrolyte layer 106 at the upper electrode 105U by an electrochemical reaction of O 2 +4e ⇔2O 2− .

一方、多孔質電極105Dでは、2O2-⇔O2 +4e- の反応によって酸素ガス(O2 ガス)の放出が生じる。On the other hand, the porous electrode 105D, 2O 2- ⇔O 2 + 4e - release of the oxygen gas (O 2 gas) generated by the reaction.

固体電解質層106中において、酸素イオン(O2-)は、ホッピング伝導に基づいて伝播される。ここで、酸素イオン(O2-)のホッピング伝導を説明するエネルギーダイアグラムは、図108に示すように模式的に表される。固体電解質層106に電界Exが印加されると、その効果によって、伝導体の底は−eExだけ傾くことになる。その分だけ、酸素イオン(O2-)の伝導障壁の高さが低下するため、熱励起と共に酸素イオン(O2-)のホッピング伝導が実施される。Oxygen ions (O 2− ) are propagated in the solid electrolyte layer 106 based on hopping conduction. Here, an energy diagram for explaining hopping conduction of oxygen ions (O 2− ) is schematically represented as shown in FIG. When the electric field Ex is applied to the solid electrolyte layer 106, the effect causes the bottom of the conductor to be tilted by −eEx. Since the height of the conduction barrier of oxygen ions (O 2− ) is reduced by that amount, hopping conduction of oxygen ions (O 2− ) is performed together with thermal excitation.

固体電解質層106に吸入する酸素ガス量を制限すると、電圧を増加しても、電流が一定値になる飽和現象が現れる。限界電流式ガスセンサにおいて、電流―電圧特性における限界電流は、図109に示すように模式的に表される。すなわち、図109において、期間T2 で現れる電流が酸素ガスに対する限界電流IO を表し、期間T3 で現れる電流が水蒸気に対する限界電流IW を表す。When the amount of oxygen gas sucked into the solid electrolyte layer 106 is limited, a saturation phenomenon in which the current becomes a constant value appears even when the voltage is increased. In the limiting current type gas sensor, the limiting current in the current-voltage characteristic is schematically represented as shown in FIG. That is, in FIG. 109, the current appearing in the period T 2 represents the limiting current I O for oxygen gas, and the current appearing in the period T 3 represents the limiting current I W for water vapor.

この限界電流IO ・IW は、周囲の酸素濃度・水蒸気濃度に比例するため、限界電流IO ・IW の値と酸素濃度・水蒸気濃度の値とを予め対応付けて検出回路107に登録しておく。このようにすれば、限界電流IO ・IW の値を測定することにより、それに対応する酸素濃度・水蒸気濃度を検出することができる。Since the limiting currents I O and I W are proportional to the ambient oxygen concentration and water vapor concentration, the values of the limiting currents I O and I W and the oxygen concentration and water vapor concentration values are associated in advance and registered in the detection circuit 107. I'll do it. In this way, by measuring the values of the limiting currents I O and I W , it is possible to detect the oxygen concentration and water vapor concentration corresponding thereto.

また、上部電極105U・多孔質電極105D間に印加する電圧を切り替えれば、酸素濃度だけでなく、水蒸気濃度を検出することも可能である。 Also, by switching the voltage applied between the upper electrode 105U and the porous electrode 105D, not only the oxygen concentration but also the water vapor concentration can be detected.

限界電流式ガスセンサを用いてガス濃度を検出する動作を、図105および図106を参照して説明する。 The operation of detecting the gas concentration using the limiting current type gas sensor will be described with reference to FIGS. 105 and 106.

図106において、Tonはヒータオン期間、Toff はヒータオフ期間に相当する。ヒータオン期間Tonに投入される加熱電力は、例えば、約5mWである。In FIG. 106, T on corresponds to the heater on period and T off corresponds to the heater off period. Heating power supplied to the heater on time T on is, for example, about 5 mW.

(a)まず、マイクロヒータを用いて、室温から測定温度(例えば、500℃)までセンサを加熱する(図105:ステップS1→S2:NO→S1→・・・)。図106に示すように、例えば、時間t=0〜t=0.1秒の間にYSZ温度Tは、0℃〜約500℃まで上昇する。 (A) First, a micro heater is used to heat the sensor from room temperature to a measurement temperature (for example, 500° C.) (FIG. 105: step S1→S2: NO→S1→... ). As shown in FIG. 106, for example, the YSZ temperature T rises from 0° C. to about 500° C. during the time t=0 to t=0.1 seconds.

(b)測定温度に達したら(図105:ステップS2:YES)、安定するまで一定時間待機する(図105:ステップS3)。図106に示すように、例えば、時間t=0.1秒〜t=0.3秒の待機期間TW にYSZ温度Tは、約500℃に保持される。(B) When the measured temperature is reached (FIG. 105: step S2: YES), a certain time is waited until it stabilizes (FIG. 105: step S3). As shown in FIG. 106, for example, the YSZ temperature T is maintained at about 500° C. during the waiting period T W of time t=0.1 seconds to t=0.3 seconds.

(c)次に、上部電極105U・多孔質電極105D間に電圧を印加する(図105:ステップS4)。図106に示すように、例えば、時間t=0.3秒〜t=0.5秒の測定期間TM にYSZ温度Tは、約500℃に保持される。(C) Next, a voltage is applied between the upper electrode 105U and the porous electrode 105D (FIG. 105: step S4). As shown in FIG. 106, for example, the YSZ temperature T is maintained at about 500° C. during the measurement period T M of time t=0.3 seconds to t=0.5 seconds.

(d)次に、限界電流の値を測定し、その限界電流に対応するガス濃度を検出する(図105:ステップS5)。 (D) Next, the value of the limiting current is measured, and the gas concentration corresponding to the limiting current is detected (FIG. 105: step S5).

(e)次に、マイクロヒータをオフにして、センサを冷却する。図106に示すように、例えば、時間t=0.5秒〜にYSZ温度Tは、約500℃から室温まで冷却される。 (E) Next, the micro heater is turned off to cool the sensor. As shown in FIG. 106, for example, the YSZ temperature T is cooled from about 500° C. to room temperature from time t=0.5 seconds.

上記に説明した温度サイクルは、例えば、約1分間に1回程度のサイクルで加熱・待機・測定・冷却を繰り返しても良い。 In the temperature cycle described above, for example, heating, standby, measurement, and cooling may be repeated about once per minute.

(電気化学反応)
限界電流式ガスセンサにおいて、イオン伝導を説明する模式的断面構造は、図110に示すように表される。
(Electrochemical reaction)
In a limiting current type gas sensor, a schematic sectional structure for explaining ionic conduction is represented as shown in FIG.

図109および図110を参照して、限界電流式ガスセンサにおける電気化学反応について説明する。 An electrochemical reaction in the limiting current type gas sensor will be described with reference to FIGS. 109 and 110.

(a)固体電解質層106を、マイクロヒータによって、例えば500℃程度に加熟し、陰極105U・陽極105D間に電圧Vを印加して電流Iを流すと、図109の期間T1 において、電流Iは増加し、限界電流IO に到達する。(A) When the solid electrolyte layer 106 is aged by a micro heater to, for example, about 500° C., and a voltage V is applied between the cathode 105U and the anode 105D to flow a current I, the current I flows in a period T 1 in FIG. Increases and reaches the limiting current I O.

図109の期間T1 においては、O2 +4e- ⇔2O2-の電気化学反応によって、固体電解質層106中において、酸素イオンO2-が拡散する。この時、酸素ガスO2 のフロー量の方が酸素イオンO2-が拡散する量よりも大きい。In the period T 1 of FIG. 109, the oxygen ion O 2− diffuses in the solid electrolyte layer 106 due to the electrochemical reaction of O 2 +4e ⇔2O 2− . At this time, the flow amount of the oxygen gas O 2 is larger than the amount of diffusion of the oxygen ions O 2− .

(b)限界電流IO が保持される図109の期間T2 においては、酸素ガス分子の電気分解反応が実施され、図110に示すように、陰極105Uと固体電解質層106との界面では、O2 +4e- ⇔2O2-の電気化学反応によって固体電解質層106中へ酸素イオンO2-の注入が起こる。(B) During the period T 2 of FIG. 109 in which the limiting current I O is held, the electrolysis reaction of oxygen gas molecules is performed, and as shown in FIG. 110, at the interface between the cathode 105U and the solid electrolyte layer 106, Oxygen ions O 2 − are injected into the solid electrolyte layer 106 by the electrochemical reaction of O 2 +4e ⇔ 2O 2 .

一方、陽極105Dと固体電解質層106との界面では、2O2-⇔O2 +4e- の反応によって、酸素ガスO2 の放出が生じる。On the other hand, in the interface between the anode 105D and the solid electrolyte layer 106, 2O 2- ⇔O 2 + 4e - by the reaction, the release of oxygen gas O 2 is produced.

(c)固体電解質層106の温度Tを、例えば500℃程度に保持し、さらに電圧Vを増加すると、電流Iは増加し、図109の期間T3 において、限界電流IW に到達する。(C) When the temperature T of the solid electrolyte layer 106 is maintained at, for example, about 500° C. and the voltage V is further increased, the current I increases and reaches the limiting current I W in the period T 3 in FIG. 109.

(d)限界電流IW が保持される図109の期間T3 においては、吸着酸素ガスOadの電気分解反応と水蒸気(H2 O)の電気分解反応とが実施される。(D) During the period T 3 in FIG. 109 in which the limiting current I W is held, the electrolysis reaction of the adsorbed oxygen gas O ad and the electrolysis reaction of water vapor (H 2 O) are performed.

ここで、図110に示すように、陰極105Uと固体電解質層106との界面では、O2 +4e- ⇔2O2-の電気化学反応によって固体電解質層106中へ酸素イオンO2-の注入が起こる。また、H2 O+2e- ⇔H2 +O2-の電気化学反応によって、水素の放出が生じる。すなわち、水蒸気(H2 O)が電気分解されて、酸素イオンO2-が固体電解質層106内をホッピング伝導により移動していく。Here, as shown in FIG. 110, at the interface between the cathode 105U and the solid electrolyte layer 106, oxygen ions O 2− are injected into the solid electrolyte layer 106 due to the electrochemical reaction of O 2 +4e ⇔2O 2−. .. Further, hydrogen is released due to the electrochemical reaction of H 2 O+2e ⇔H 2 +O 2 . That is, the water vapor (H 2 O) is electrolyzed, and the oxygen ions O 2− move inside the solid electrolyte layer 106 by hopping conduction.

一方、陽極105Dと固体電解質層106との界面では、吸着酸素ガスOadの電気分解により、2O2-⇔O2 +4e- の反応によって酸素ガスO2 の放出が生じる。同様に、水蒸気(H2 O)の電気分解により、2O2-⇔O2 +4e- の反応によって酸素ガスO2 の放出が生じる。On the other hand, in the interface between the anode 105D and the solid electrolyte layer 106, the electrolysis of adsorbed oxygen gas O ad, 2O 2- ⇔O 2 + 4e - release of the oxygen gas O 2 is generated by the reaction. Similarly, due to the electrolysis of water vapor (H 2 O), oxygen gas O 2 is released by the reaction of 2O 2- ↔O 2 +4e .

(e)固体電解質層106の温度Tを、例えば500℃程度に保持し、さらに電圧Vを増加すると、電流Iは増加し、図109の期間T4 において、吸着酸素ガスOadの電気分解反応と水蒸気(H2 O)の電気分解反応とが実施される。さらに、固体電解質層106の電気分解が始まる。(E) When the temperature T of the solid electrolyte layer 106 is maintained at, for example, about 500° C. and the voltage V is further increased, the current I increases, and the electrolysis reaction of the adsorbed oxygen gas O ad during the period T 4 in FIG. And the electrolysis reaction of water vapor (H 2 O). Further, the electrolysis of the solid electrolyte layer 106 starts.

ここで、図110に示すように、陰極105Uと固体電解質層106との界面では、O2 +4e- ⇔2O2-の電気化学反応によって固体電解質層106中へ酸素イオンO2-の注入が起こる。また、H2 O+2e- ⇔H2 +O2-の電気化学反応によって水素の放出が生じる。すなわち、水蒸気(H2O)が電気分解されて、酸素イオンO2−がホッピング伝導により固体電解質層106内を移動していく。Here, as shown in FIG. 110, at the interface between the cathode 105U and the solid electrolyte layer 106, oxygen ions O 2− are injected into the solid electrolyte layer 106 due to the electrochemical reaction of O 2 +4e ⇔2O 2−. .. In addition, hydrogen is released due to the electrochemical reaction of H 2 O+2e ⇔H 2 +O 2 . That is, the water vapor (H 2 O) is electrolyzed, and the oxygen ions O 2− move within the solid electrolyte layer 106 by hopping conduction.

一方、陽極105Dと固体電解質層106との界面では、吸着酸素ガスOadの電気分解により、2O2-⇔O2 +4e- の反応によって酸素ガスO2 の放出が生じる。同様に、水蒸気(H2 O)の電気分解により、2O2-⇔O2 +4e- の反応によって酸素ガスO2 の放出が生じる。On the other hand, in the interface between the anode 105D and the solid electrolyte layer 106, the electrolysis of adsorbed oxygen gas O ad, 2O 2- ⇔O 2 + 4e - release of the oxygen gas O 2 is generated by the reaction. Similarly, due to the electrolysis of water vapor (H 2 O), oxygen gas O 2 is released by the reaction of 2O 2- ↔O 2 +4e .

さらに、固体電解質層106の電気分解によって、酸素空孔濃度は、次式OO x ⇔1/2・O2 (g)+VO ..+2e’に基づき、雰囲気酸素分圧との平衡にも依存する。この式は、電子的伝導率は固体と平衡する酸素分圧に依存し、高温では生成系のエントロピーがより大きいことから、高温では反応が右に偏るので温度にも依存することを示している。Further, by the electrolysis of the solid electrolyte layer 106, the oxygen vacancy concentration is also in equilibrium with the atmospheric oxygen partial pressure based on the following formula O O x ⇔ 1/2·O 2 (g)+V O .. +2e′. Dependent. This equation shows that the electronic conductivity depends on the oxygen partial pressure in equilibrium with the solid, and at high temperatures, the entropy of the product system is larger, so at high temperatures the reaction is biased to the right, so it also depends on temperature. ..

(パッケージ)
各実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを収容するパッケージの蓋131を示す模式的鳥瞰構成は、図111に示すように表される。図111に示すように、パッケージの蓋131には、ガスは通過可能であるが異物は通さない多数の貫通穴132が形成されている。パッケージの蓋131には、メタルメッシュ、小孔開きメタル、ポーラスセラミックなどを適用可能である。
(package)
A schematic bird's-eye view configuration showing the lid 131 of the package accommodating the limiting-current type gas sensor according to each embodiment is represented as shown in FIG. As shown in FIG. 111, the package lid 131 has a large number of through holes 132 through which gas can pass but foreign matter cannot pass. For the package lid 131, a metal mesh, a metal with small holes, a porous ceramic, or the like can be applied.

各実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを収容するパッケージの本体141を示す模式的鳥瞰構成は、図112に示すように表される。図112に示すように、パッケージの本体141には、複数の端子を備えた限界電流式ガスセンサのチップ142が収容され、複数のボンディングワイヤ143により電気的に接続されている。パッケージの本体141の上部に蓋131を被せ、半田によりプリント基板などに実装する。 A schematic bird's-eye view configuration showing the main body 141 of the package accommodating the limiting current type gas sensor according to each embodiment is represented as shown in FIG. 112. As shown in FIG. 112, a package main body 141 accommodates a chip 142 of a limiting current type gas sensor having a plurality of terminals and is electrically connected by a plurality of bonding wires 143. A lid 131 is put on the upper part of the package body 141 and mounted on a printed circuit board or the like by soldering.

(エナジーハーベスタ電源を用いたセンサノードの構成例)
各実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ(センサノード)は、図113に示すように、センサ類151と、無線モジュール152と、マイコン153と、エナジーハーベスタ電源154と、蓄電素子155とを備える。
(Example of sensor node configuration using energy harvester power supply)
As shown in FIG. 113, the limiting current type gas sensor (sensor node) according to each embodiment includes sensors 151, a wireless module 152, a microcomputer 153, an energy harvester power supply 154, and a storage element 155.

センサ類151の構成は、各実施の形態として説明した通りである。 The configuration of the sensors 151 is as described in each embodiment.

無線モジュール152は、無線信号を送受信するRF回路などを備えたモジュールである。 The wireless module 152 is a module including an RF circuit that transmits and receives wireless signals.

マイコン153は、エナジーハーベスタ電源154のマネジメント機能を備え、エナジーハーベスタ電源154からの電力をセンサ類151に投入する。このとき、マイコン153は、センサ類151における消費電力を省電力化するヒータ電力プロファイルに基づいて電力を投入しても良い。 The microcomputer 153 has a management function of the energy harvester power supply 154, and inputs the power from the energy harvester power supply 154 to the sensors 151. At this time, the microcomputer 153 may input power based on a heater power profile that saves power consumption of the sensors 151.

例えば、相対的に大きな電力である第1の電力を第1の期間T1だけ投入した後、相対的に小さな電力である第2の電力を第2の期間T2だけ投入しても良い。また、第2の期間T2にデータを読み取り、第2の期間T2が経過した後、第3の期間T3だけ電力の投入を停止しても良い。 For example, the first power, which is a relatively large power, may be input for the first period T1, and then the second power, which is a relatively small power, may be input for the second period T2. Further, the data may be read in the second period T2, and after the second period T2 has passed, the power supply may be stopped only in the third period T3.

エナジーハーベスタ電源154は、太陽光や照明光、機械の発する振動、熱などのエネルギーを採取し、電力を得る。 The energy harvester power supply 154 obtains electric power by collecting energy such as sunlight, illumination light, vibration generated by a machine, and heat.

蓄電素子155は、電力を蓄電することが可能なリチウムイオン蓄電素子などである。 Power storage element 155 is, for example, a lithium-ion power storage element capable of storing electric power.

以下、このようなセンサノードの動作について説明する。 The operation of such a sensor node will be described below.

まず、図113中の(1)に示すように、エナジーハーベスタ電源154からの電力がマイコン153に供給される。これにより、マイコン153は、図113中の(2)に示すように、エナジーハーベスタ電源154からの電圧を昇圧する。 First, as shown by (1) in FIG. 113, electric power from the energy harvester power supply 154 is supplied to the microcomputer 153. As a result, the microcomputer 153 boosts the voltage from the energy harvester power supply 154, as indicated by (2) in FIG. 113.

次に、図113中の(3)に示すように、蓄電素子155の電圧を読み取った後、図113中の(4)・(5)に示すように、蓄電素子155への電力供給や、蓄電素子155からの電力引き出しを行う。 Next, as shown in (3) of FIG. 113, after reading the voltage of the storage element 155, as shown in (4) and (5) of FIG. 113, power supply to the storage element 155, Electric power is drawn from the storage element 155.

次に、図113中の(6)に示すように、ヒータ電力プロファイルに基づいてセンサ類151に電力を投入し、図113中の(7)に示すように、センサ抵抗値およびPt抵抗値などのデータを読み取る。 Next, as shown in (6) in FIG. 113, power is supplied to the sensors 151 based on the heater power profile, and as shown in (7) in FIG. 113, the sensor resistance value, the Pt resistance value, etc. Read the data.

次に、図113中の(8)に示すように、無線モジュール152に電力を供給し、図113中の(9)に示すように、センサ抵抗値およびPt抵抗値などのデータを無線モジュール152に送る。 Next, as shown by (8) in FIG. 113, power is supplied to the wireless module 152, and as shown by (9) in FIG. 113, data such as the sensor resistance value and the Pt resistance value is transferred to the wireless module 152. Send to.

最後に、図113中の(10)に示すように、無線モジュール152によってセンサ抵抗値およびPt抵抗値などのデータが無線送信される。 Finally, as indicated by (10) in FIG. 113, the wireless module 152 wirelessly transmits data such as the sensor resistance value and the Pt resistance value.

(センサパッケージ:ブロック構成)
各実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを搭載するセンサパッケージ96の模式的ブロック構成は、図114に示すように表される。
(Sensor package: Block structure)
A schematic block configuration of the sensor package 96 including the limiting current type gas sensor according to each embodiment is represented as shown in FIG.

各実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを搭載するセンサパッケージ96は、図114に示すように、温度センサ用のサーミスタ部90と、湿度・酸素センサ用のYSZセンサ部92と、サーミスタ部90・YSZセンサ部92からのアナログ情報SA2 ・SA1 を受信し、またサーミスタ部90・YSZセンサ部92への制御信号S2・S1を供給するAD/DA変換部94と、外部からのディジタル入出力信号DI・DOとを備える。As shown in FIG. 114, the sensor package 96 equipped with the limiting current type gas sensor according to each embodiment has a thermistor section 90 for a temperature sensor, a YSZ sensor section 92 for a humidity/oxygen sensor, and a thermistor section 90. An AD/DA conversion unit 94 that receives analog information SA 2 ·SA 1 from the YSZ sensor unit 92 and also supplies control signals S2 ·S1 to the thermistor unit 90 ·YSZ sensor unit 92, and digital input/output from the outside And signals DI and DO.

サーミスタ部90は、例えば、NTCサーミスタ、PTCサーミスタ、セラミックPTC、ポリマーPTC、CTRサーミスタなどを適用可能である。 As the thermistor section 90, for example, an NTC thermistor, a PTC thermistor, a ceramic PTC, a polymer PTC, a CTR thermistor or the like can be applied.

YSZセンサ部92には、各実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを適用可能である。YSZセンサ部92においては、絶対湿度(Absolute Humidity)や相対湿度(RH:Relative Humidity)も測定可能であるが、特に相対湿度(RH)の検出では、温度が基準になるため、サーミスタ部90で検出した温度情報が必要となる。 The limiting current type gas sensor according to each embodiment can be applied to the YSZ sensor unit 92. In the YSZ sensor unit 92, absolute humidity (Absolute Humidity) and relative humidity (RH: Relative Humidity) can be measured, but since the temperature becomes a reference when detecting relative humidity (RH), the thermistor unit 90 is used. The detected temperature information is needed.

(センサネットワーク)
各実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを適用したセンサネットワークシステムの模式的ブロック構成は、図115に示すように表される。
(Sensor network)
A schematic block configuration of a sensor network system to which the limiting current gas sensor according to each embodiment is applied is represented as shown in FIG.

図115に示すように、センサネットワークとは、多数のセンサを相互に接続したネットワークである。すでに、工場、医療/ヘルスケア、交通、建設、農業、環境管理など、様々な分野でセンサネットワークを利用した新しい取り組みが始まっている。 As shown in FIG. 115, the sensor network is a network in which many sensors are connected to each other. Already, new approaches using sensor networks have started in various fields such as factories, medical/healthcare, transportation, construction, agriculture, and environmental management.

これらの分野では、高耐久性と共に、応答速度の速いセンサを使用することが望まれるため、各実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを、例えば湿度センサとして適用するのが望ましい。このような湿度センサは、ジルコニアを使用しているため、耐久性に優れている。そのため、信頼性の高いセンサネットワークを提供することが可能である。 In these fields, it is desired to use a sensor having high durability and high response speed, and therefore it is desirable to apply the limiting current type gas sensor according to each embodiment as, for example, a humidity sensor. Since such a humidity sensor uses zirconia, it has excellent durability. Therefore, it is possible to provide a highly reliable sensor network.

(第7〜第9の実施の形態)
(第7の実施の形態)
(概略構成)
第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aのセンサ部分の模式的平面パターン構成は、図116(a)に示すように表され、図116(a)のIA−IA線に沿う、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)梁構造に形成されるセンサ部分の模式的断面構造は、図116(b)に示すように表される。
(Seventh to ninth embodiments)
(Seventh embodiment)
(Schematic configuration)
A schematic plane pattern configuration of the sensor portion of the limiting current type gas sensor 1A according to the seventh embodiment is represented as shown in FIG. 116(a), and the MEMS along the line IA-IA in FIG. 116(a) is shown. (Micro Electro Mechanical Systems) The schematic cross-sectional structure of the sensor portion formed in the beam structure is shown in FIG. 116(b).

すなわち、第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図116(a)および図116(b)に示すように、MEMS梁構造の基板12と、中央部のセンサ部分にそれぞれ対応して、基板12上に配置された多孔質電極(Ti/Pt電極)5Dと、多孔質電極5D上に形成されたPt+YSZ混粒膜(粒子混合層)11と、Pt+YSZ混粒膜11を囲うように配置された固体電解質層(YSZ薄膜)4と、多孔質電極5Dに対向する固体電解質層4上に、基板12に対して実質的に縦方向に配置された緻密電極(Pt電極)5Uとを備える。 That is, the limiting current type gas sensor 1A according to the seventh embodiment, as shown in FIGS. 116(a) and 116(b), corresponds to the substrate 12 having the MEMS beam structure and the sensor portion in the central portion, respectively. So that the porous electrode (Ti/Pt electrode) 5D arranged on the substrate 12, the Pt+YSZ mixed particle film (particle mixed layer) 11 and the Pt+YSZ mixed particle film 11 formed on the porous electrode 5D are surrounded. A solid electrolyte layer (YSZ thin film) 4 disposed on the solid electrolyte layer 4 and a dense electrode (Pt electrode) 5U disposed substantially vertically to the substrate 12 on the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D. Equipped with.

なお、Ptは、多孔質材料としての白金(Platinum)であり、Tiは、電極材料としてのチタン(Titanium)であり、YSZは、固体電解質材料としてのイットリウム安定化ジルコニア(Yttria-Stabilized Zirconia)である。 In addition, Pt is platinum (Platinum) as a porous material, Ti is titanium (Titanium) as an electrode material, and YSZ is yttrium-stabilized zirconia (Yttria-Stabilized Zirconia) as a solid electrolyte material. is there.

また、この限界電流式ガスセンサ1Aは、図116(a)および図116(b)に示すように、少なくともセンサ部分の、多孔質電極5D、Pt+YSZ混粒膜11、固体電解質層4、および緻密電極5Uを覆うようにして配置された多孔質膜(多孔質層)13を備える。多孔質膜13は、例えば、5μm程度の厚さとなるように、Al2 3 -SiO2 などを用いて形成される。In addition, as shown in FIGS. 116(a) and 116(b), this limiting current type gas sensor 1A has a porous electrode 5D, a Pt+YSZ mixed particle film 11, a solid electrolyte layer 4, and a dense electrode in at least the sensor portion. A porous membrane (porous layer) 13 arranged so as to cover 5U is provided. The porous film 13 is formed of, for example, Al 2 O 3 —SiO 2 so as to have a thickness of about 5 μm.

さらに、本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図116(a)および図116(b)に示すように絶縁層3を有し、この絶縁層3にパターニングされた開口部3b・3bにおいて、多孔質電極5Dの延出端側が一方の検出端子2bに接続され、緻密電極5Uの延出端(第2の緻密電極部)側が他方の検出端子2bに接続されている。絶縁層3は、例えばSiON膜(シリコン膣化膜)が1μmの厚さで形成される。 Further, the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment has the insulating layer 3 as shown in FIGS. 116(a) and 116(b), and the openings 3b and 3b patterned in the insulating layer 3 are provided. In, the extended end side of the porous electrode 5D is connected to one detection terminal 2b, and the extended end (second dense electrode portion) side of the dense electrode 5U is connected to the other detection terminal 2b. The insulating layer 3 is, for example, a SiON film (silicon vaginated film) having a thickness of 1 μm.

検出端子2b・2bは、400nm程度の厚さのポリシリコン層であって、イオン注入によって後述するマイクロヒータ2よりも高濃度に形成される。 The detection terminals 2b and 2b are polysilicon layers having a thickness of about 400 nm and are formed by ion implantation at a higher concentration than that of the microheater 2 described later.

ここで、緻密電極5Uは、センサ部分における固体電解質層4のPt+YSZ混粒膜11に対向する面を第1の緻密電極部とし、この第1の緻密電極部の一部を部分的に含み、第1の緻密電極部の一部より延出する延出部分を第2の緻密電極部とし、第1の緻密電極部をPt(第1の電極材料)によって、第2の緻密電極部をTi(第2の電極材料)/Ptの積層膜によって形成するようにしても良い。 Here, the dense electrode 5U has a surface of the solid electrolyte layer 4 facing the Pt+YSZ mixed grain film 11 in the sensor portion as a first dense electrode portion, and partially includes a part of the first dense electrode portion, The extended portion extending from a part of the first dense electrode portion is used as a second dense electrode portion, the first dense electrode portion is made of Pt (first electrode material), and the second dense electrode portion is made of Ti. It may be formed of a laminated film of (second electrode material)/Pt.

多孔質電極5Dは、Ti/Ptの積層膜によって、例えば、厚さは約0.1μm以上で形成される。薄いと、Ptが凝集して絶縁化するためである。なお、多孔質電極5Dの形成には、孔径数μm程度のポーラスPtを用いることも可能である。 The porous electrode 5D is formed of a laminated film of Ti/Pt with a thickness of, for example, about 0.1 μm or more. This is because if it is thin, Pt aggregates and becomes insulating. In addition, it is also possible to use porous Pt having a pore diameter of about several μm to form the porous electrode 5D.

固体電解質層4は、厚さ約0.3μm以上のYSZで形成される。薄いと、上下の電極5D・5U間が導通してしまうためである。例えば、固体電解質層4は、Pt+YSZ混粒膜11の外周部と、Pt+YSZ混粒膜11が形成された側の多孔質電極5Dの端部とを覆うようにして配置され、Pt+YSZ混粒膜11を含む、上下の電極5D・5U間の導通が防がれる。 The solid electrolyte layer 4 is formed of YSZ having a thickness of about 0.3 μm or more. This is because if it is thin, the upper and lower electrodes 5D and 5U are electrically connected. For example, the solid electrolyte layer 4 is arranged so as to cover the outer peripheral portion of the Pt+YSZ mixed particle film 11 and the end portion of the porous electrode 5D on the side where the Pt+YSZ mixed particle film 11 is formed. It is possible to prevent electrical conduction between the upper and lower electrodes 5D and 5U including the above.

Pt+YSZ混粒膜11は、固体電解質層4と多孔質電極5Dとの界面に配置され、例えば、厚さは約10nm〜1000nmで形成される。Pt+YSZ混粒膜11は、Pt粒子とYSZ粒子とが互いに粒子の形状を保ったまま混在することで、例えば、固体電解質層4および多孔質電極5D間のセンサ部分でのガス濃度検出時における酸素(O)の応答速度の改善が可能である(詳細については、後述する)。 The Pt+YSZ mixed grain film 11 is arranged at the interface between the solid electrolyte layer 4 and the porous electrode 5D, and has a thickness of, for example, about 10 nm to 1000 nm. In the Pt+YSZ mixed grain film 11, Pt particles and YSZ particles are mixed while maintaining the shape of the particles, so that, for example, oxygen at the time of detecting the gas concentration at the sensor portion between the solid electrolyte layer 4 and the porous electrode 5D. It is possible to improve the response speed of (O) (details will be described later).

MEMS梁構造の基板12は、平面視において、センサ部分を取り囲むように配置されており、例えば、約2μm厚のSiON膜などで形成される。 The substrate 12 having the MEMS beam structure is arranged so as to surround the sensor portion in a plan view, and is formed of, for example, a SiON film having a thickness of about 2 μm.

ここで、緻密電極5Uは、固体電解質層4の多孔質電極5DおよびPt+YSZ混粒膜11に対向する面に接触して配置され、図示せぬ金属粒子焼結層および金属粒子焼結層に形成された微細ガス導入路(図示せず)を有する。 Here, the dense electrode 5U is disposed in contact with the surface of the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D and the Pt+YSZ mixed grain film 11, and is formed in a metal particle sintered layer and a metal particle sintered layer (not shown). And a fine gas introduction path (not shown).

例えば、本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいては、電極5D・5U自体をナノ構造に形成している。すなわち、カーボンナノチューブ(CNT)を混ぜたPtを焼結し、最後にCNTを焼き飛ばして微細ガス導入路を形成した金属粒子焼結層(緻密Pt)を緻密電極5Uとして適用しても良い。CNTの代わりに、カーボンナノ粒子を適用しても良い。 For example, in the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment, the electrodes 5D and 5U themselves are formed in a nanostructure. That is, the metal particle sintered layer (dense Pt) in which Pt mixed with carbon nanotubes (CNT) is sintered, and finally CNT is burnt off to form a fine gas introduction path may be applied as the dense electrode 5U. Carbon nanoparticles may be applied instead of CNTs.

緻密Ptで形成された緻密電極5Uの厚さは、例えば、約0.1μm以上である。薄すぎると、Ptが凝集して絶縁化するためである。 The dense electrode 5U made of dense Pt has a thickness of, for example, about 0.1 μm or more. This is because if it is too thin, Pt aggregates and insulates.

なお、緻密電極5Uにおける微細ガス導入路は、例えば、金属粒子焼結層に含有されるナノメートルスケールを有するナノワイヤ、ナノチューブ、ナノ粒子などの熱処理工程もしくは熱処理工程と組み合わせたエッチング処理工程によって形成可能である。ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノ粒子は、例えば、炭素(C)、酸化亜鉛(ZnO)などによって形成可能である。 The fine gas introduction path in the dense electrode 5U can be formed by, for example, a heat treatment process of nanowires, nanotubes, nanoparticles, etc. having a nanometer scale contained in the metal particle sintered layer, or an etching treatment process combined with the heat treatment process. Is. Nanowires, nanotubes, and nanoparticles can be formed of, for example, carbon (C), zinc oxide (ZnO), or the like.

すなわち、緻密電極5Uにおける金属粒子焼結層および金属粒子焼結層に形成される微細ガス導入路については、ここでの詳細な説明は割愛するが、金属粒子焼結層は、ナノワイヤを備えていても良い。ナノワイヤは、CNTもしくはZnOを備えていても良い。また、金属粒子焼結層は、カーボンナノチューブもしくはカーボンナノ粒子を備え、微細ガス導入路は、金属粒子焼結層の大気中での燃焼により、カーボンナノナノチューブもしくはカーボンナノ粒子が燃焼されることによって形成されていても良い。また、金属粒子焼結層は、ZnOを備え、微細ガス導入路は、金属粒子焼結層の大気中での燃焼後、ウェットエッチングによりZnOがエッチングされることによって形成されていても良い。 That is, the detailed description of the metal particle sintered layer and the fine gas introduction path formed in the metal particle sintered layer in the dense electrode 5U will be omitted here, but the metal particle sintered layer includes nanowires. May be. The nanowire may include CNT or ZnO. Further, the metal particle sintered layer is provided with carbon nanotubes or carbon nanoparticles, and the fine gas introduction path is formed by the combustion of the metal particle sintered layer in the atmosphere, whereby the carbon nanotubes or carbon nanoparticles are burned. It may be formed. The metal particle sintered layer may be provided with ZnO, and the fine gas introduction path may be formed by etching ZnO by wet etching after burning the metal particle sintered layer in the atmosphere.

さらには、金属粒子焼結層の金属粒子は、Pt、Ag、Pd、Au、もしくはRuのいずれかを備えていても良い。また、金属粒子焼結層は、金属粒子焼結層中に閉じ込められて大気中での燃焼により、燃焼されないナノワイヤを備えていても良い。ナノワイヤもしくはナノ粒子は、直径が約0.1μm以下を備える。また、ナノワイヤの長さは、例えば、約10μm以下である。ナノワイヤを使用するメリットは、ナノワイヤの形状(径、長さ)によりガス透過量制御が可能であり、また、ナノワイヤの割合によりガス透過量制御が可能なことである。 Furthermore, the metal particles of the metal particle sintered layer may include any one of Pt, Ag, Pd, Au, and Ru. Further, the metal particle sintered layer may include nanowires that are confined in the metal particle sintered layer and are not burned by burning in the atmosphere. The nanowires or nanoparticles have a diameter of about 0.1 μm or less. The length of the nanowire is, for example, about 10 μm or less. The advantage of using the nanowires is that the gas permeation amount can be controlled by the shape (diameter, length) of the nanowires, and the gas permeation amount can be controlled by the ratio of the nanowires.

このように、本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、緻密電極5Uの微細ガス導入路の形状によりガス透過量制御可能である。 As described above, the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment can control the gas permeation amount by the shape of the fine gas introduction path of the dense electrode 5U.

また、本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、緻密電極5Uの微細ガス導入路の含有割合によりガス透過量制御可能である。 Further, the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment can control the gas permeation amount by the content ratio of the fine gas introduction passage of the dense electrode 5U.

一方、本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図116(a)および図116(b)に示すように、MEMS梁構造の基板12上に配置された絶縁層(例えば、1μm厚のSiON膜)1aをさらに備え、少なくともセンサ部分の絶縁層1aと絶縁層3との間には、検出端子2b・2bと同層において、加熱用のマイクロヒータ2が埋め込まれている。マイクロヒータ2は、400nm程度の厚さのポリシリコン層(ポリシリコンヒータ)であって、イオン注入により抵抗値が300Ω程度とされる。マイクロヒータ2は、電極層2a・2aにつながるヒータ用電極部(Ti/Pt積層膜)9・9間に所定電圧が印加されることによって、固体電解質層4を加熱する。なお、マイクロヒータ2は、印刷により形成されたPtヒータなどによっても形成可能である。 On the other hand, as shown in FIGS. 116A and 116B, the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment has an insulating layer (for example, 1 μm thick) arranged on the substrate 12 having the MEMS beam structure. A SiON film) 1a is further provided, and a micro-heater 2 for heating is embedded in the same layer as the detection terminals 2b and 2b at least between the insulating layer 1a and the insulating layer 3 in the sensor portion. The microheater 2 is a polysilicon layer (polysilicon heater) having a thickness of about 400 nm, and has a resistance value of about 300Ω by ion implantation. The microheater 2 heats the solid electrolyte layer 4 by applying a predetermined voltage between the heater electrode portions (Ti/Pt laminated film) 9 9 connected to the electrode layers 2 a 2 a. The micro heater 2 can also be formed by a Pt heater or the like formed by printing.

本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、両持梁構造のMEMS素子構造を基本構造とすることによって、センサ部分の熱容量を低減化し、センサ感度の向上を図っている。 The limiting-current type gas sensor 1A according to the present embodiment has a double-supported beam-structured MEMS element structure as a basic structure to reduce the heat capacity of the sensor portion and improve the sensor sensitivity.

本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいて、マイクロヒータ2は、基板12の上部である基板12と多孔質電極5Dとの相互間に絶縁層1a・3を介して配置される場合に限らず、多孔質電極5Dの形成面側に対向する絶縁層1aの下面、または基板12の下部に配置されていても良い。また、マイクロヒータ2は、基板12の内部に埋め込まれていても良い。もしくは、基板12の表面に、ポリシリコンで形成されたマイクロヒータ2を含むシリコン酸化膜/シリコン窒化膜の積層膜103が形成された構成としても良い(例えば、図148参照)。 In the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment, the micro-heater 2 is limited to the case where the micro-heater 2 is arranged between the substrate 12 and the porous electrode 5D, which are the upper part of the substrate 12, with the insulating layers 1a and 3 interposed therebetween. Alternatively, it may be arranged on the lower surface of the insulating layer 1a facing the surface on which the porous electrode 5D is formed, or on the lower portion of the substrate 12. Further, the micro heater 2 may be embedded inside the substrate 12. Alternatively, the substrate 12 may have a structure in which a laminated film 103 of a silicon oxide film/silicon nitride film including a micro-heater 2 formed of polysilicon is formed (see, for example, FIG. 148).

本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいては、図116(a)および図116(b)に示すように、例えば、緻密電極5Uと多孔質電極5Dとに供給する検出用の電圧を検出端子2b・2b間に印加することにより、被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路107が接続される。 In the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment, as shown in FIGS. 116(a) and 116(b), for example, the detection voltage supplied to the dense electrode 5U and the porous electrode 5D is detected. By applying between the terminals 2b and 2b, the detection circuit 107 for detecting a predetermined gas concentration in the gas to be measured by the limiting current method is connected.

検出回路107は、限界電流に基づいて酸素濃度を検出することができる。また、検出回路107は、限界電流に基づいて水蒸気濃度を検出することができる。 The detection circuit 107 can detect the oxygen concentration based on the limiting current. Further, the detection circuit 107 can detect the water vapor concentration based on the limiting current.

なお、検出端子2b・2bとヒータ用電極部9・9とは、互いの延出方向がほぼ直交するように配置されている。 The detection terminals 2b and 2b and the heater electrode portions 9 and 9 are arranged such that their extending directions are substantially orthogonal to each other.

本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aによれば、多孔質電極5Dと固体電解質層4との相互間にPt+YSZ混粒膜11を配置したことにより、センサ部分でのガス濃度検出時における酸素ガス(O2 )中の酸素の応答速度の改善が可能である。According to the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment, the Pt+YSZ mixed grain film 11 is arranged between the porous electrode 5D and the solid electrolyte layer 4, so that oxygen at the time of detecting the gas concentration in the sensor portion is detected. It is possible to improve the response speed of oxygen in the gas (O 2 ).

(基本構造)
第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの要部の基本的な断面構造は、図117に示すように表される。
(Basic structure)
A basic cross-sectional structure of a main part of the limiting current type gas sensor 1A according to the seventh embodiment is represented as shown in FIG. 117.

すなわち、本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aのセンサ部分の基本構成は、図117に示すように、シリコン基板12と、シリコン基板12上にPtとTiの積層膜を用いて形成されたTi/Pt電極5Dと、Ti/Pt電極5Dの上面部に、YSZを用いて形成されたYSZ薄膜4と、YSZ薄膜4とTi/Pt電極5Dとの間の界面に配設されたPt+YSZ混粒膜(粒子混合層)11と、YSZ薄膜4の、少なくともPt+YSZ混粒膜11に対向する面に配置されたPt電極5Uとを備える。 That is, as shown in FIG. 117, the basic configuration of the sensor portion of the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment is formed using a silicon substrate 12 and a laminated film of Pt and Ti on the silicon substrate 12. A Ti/Pt electrode 5D, a YSZ thin film 4 formed by using YSZ on the upper surface of the Ti/Pt electrode 5D, and a Pt+YSZ mixed film provided at the interface between the YSZ thin film 4 and the Ti/Pt electrode 5D. A grain film (grain mixed layer) 11 and a Pt electrode 5U disposed on at least the surface of the YSZ thin film 4 facing the Pt+YSZ mixed grain film 11 are provided.

また、本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aのセンサ部分の基本構成としては、図117に示すように、Pt電極5Uの、少なくともYSZ薄膜4およびPt+YSZ混粒膜11に対向する面を覆うようにして配置されたAl2 3 -SiO2 膜13を備えるようにしても良い。Further, as a basic configuration of the sensor portion of the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment, as shown in FIG. 117, at least the surface of the Pt electrode 5U facing the YSZ thin film 4 and the Pt+YSZ mixed grain film 11 is covered. The Al 2 O 3 —SiO 2 film 13 thus arranged may be provided.

Pt+YSZ混粒膜11の基本的な模式的断面構造、および、Pt+YSZ混粒膜11の一部(図中の丸印の部分)を拡大して示す模式的断面構造は、図118(a)に示すように表される。 A basic schematic cross-sectional structure of the Pt+YSZ mixed grain film 11 and a schematic cross-sectional structure showing a part of the Pt+YSZ mixed grain film 11 (circled in the figure) in an enlarged manner are shown in FIG. Represented as shown.

Pt+YSZ混粒膜11は、図118(a)に示すように、Ptが粒子の形状を保ったまま主に存在する層(Pt領域)11aと、YSZが粒子の形状を保ったまま主に存在する層(YSZ領域)11bとが入れ子の状態で混在する領域であって、層11aと層11bとが接する境界部分においては、Pt粒子とYSZ粒子とが隣接した状態となっている。 As shown in FIG. 118(a), the Pt+YSZ mixed grain film 11 mainly exists while the Pt maintains the shape of the particles (Pt region) 11a and the YSZ mainly maintains the shape of the particles. The layer (YSZ region) 11b to be formed is mixed in a nested state, and the Pt particles and the YSZ particles are adjacent to each other at the boundary portion where the layers 11a and 11b are in contact with each other.

理想的には、図118(b)に示すように、層11aのPt粒子と層11bのYSZ粒子とが相互により多く混在し、混在する面積がより向上するように、YSZ薄膜4とTi/Pt電極5Dとが積層される。なお、層11bとしては、図118(c)に示すように、層11a側に突出した先端部分が折り返す構造や、突出した層11bの一部が枝状に分岐した構造などを有していても良い。 Ideally, as shown in FIG. 118(b), the Pt particles of the layer 11a and the YSZ particles of the layer 11b are more mixed with each other, and the mixed area is further improved, so that the YSZ thin film 4 and Ti/ The Pt electrode 5D is laminated. As shown in FIG. 118(c), the layer 11b has a structure in which a tip portion protruding toward the layer 11a is folded back, a structure in which a part of the protruding layer 11b is branched in a branch shape, or the like. Is also good.

要するに、Pt+YSZ混粒膜11は、YSZ薄膜4とTi/Pt電極5Dとの間に層11aと層11bとを積層させることによって形成されるものであって、層11aと層11bとが混在する面積をより向上させることで、より高精度なセンシングが可能となる。 In short, the Pt+YSZ mixed grain film 11 is formed by laminating the layers 11a and 11b between the YSZ thin film 4 and the Ti/Pt electrode 5D, and the layers 11a and 11b are mixed. By increasing the area, more accurate sensing becomes possible.

また、層11aおよび層11bの積層によって形成されるものに限らず、積層されたYSZ薄膜4とTi/Pt電極5Dとをアニール処理することによっても、入れ子の状態を形成可能である。 Further, the nesting state can be formed not only by stacking the layers 11a and 11b but also by annealing the stacked YSZ thin film 4 and the Ti/Pt electrode 5D.

さらに説明すると、上記のような構成を有するPt+YSZ混粒膜11の基本的な機能は、図119(a)に示すように表される。なお、図119(b)は、比較のために、Pt粒子とYSZ粒子とが隣接した状態で存在しない場合を模式的に示すものである。 To further explain, the basic function of the Pt+YSZ mixed grain film 11 having the above-described structure is expressed as shown in FIG. 119(a). For comparison, FIG. 119(b) schematically shows a case where Pt particles and YSZ particles do not exist in a state of being adjacent to each other.

図119(a)に示すように、Pt粒子とYSZ粒子とが隣接して存在する場合にPt粒子とYSZ粒子との間を移動する酸素(O)の移動距離LCは、図119(b)に示すように、Pt粒子とYSZ粒子とが隣接しない場合にPt粒子とYSZ粒子との間を移動する酸素(O)の移動距離LNよりも短くなる。 As shown in FIG. 119(a), when the Pt particle and the YSZ particle are adjacent to each other, the moving distance LC of oxygen (O) moving between the Pt particle and the YSZ particle is as shown in FIG. As shown in, when the Pt particles and the YSZ particles are not adjacent to each other, the distance is shorter than the moving distance LN of oxygen (O) moving between the Pt particles and the YSZ particles.

すなわち、Pt粒子とYSZ粒子とが隣接して存在するPt+YSZ混粒膜11の場合、YSZ粒子と接するPt粒子が増加することによって、酸素(O)の移動時間の短縮化が可能となるため、より高精度なセンシングを実現できる。 That is, in the case of the Pt+YSZ mixed grain film 11 in which the Pt particles and the YSZ particles are present adjacent to each other, the increase in the Pt particles in contact with the YSZ particles makes it possible to shorten the transfer time of oxygen (O). More accurate sensing can be realized.

図120は、第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1AにおけるPt+YSZ混粒膜11の基本特性を説明するために、マイクロヒータ2の測定温度を550℃とした場合の、時間(Time)とアノード(A)/カソード(K)間を流れる電流値(1時間後の電流値I/It=3600)との関係を対比して示すものである。FIG. 120 shows the time (Time) when the measurement temperature of the micro-heater 2 is 550° C. in order to explain the basic characteristics of the Pt+YSZ mixed grain film 11 in the limiting current type gas sensor 1A according to the seventh embodiment. And the current value (current value I/It =3600 after 1 hour) flowing between the anode (A)/cathode (K) are shown in comparison.

図120からも明らかなように、Pt+YSZ混粒膜11を設けない場合(WO11)に比較して、Pt+YSZ混粒膜11を設けた場合(W11)の方が、電流値が「1」に収束するまでの時間の短縮化が可能である。 As is clear from FIG. 120, the current value converges to “1” in the case where the Pt+YSZ mixed grain film 11 is provided (W11), as compared with the case where the Pt+YSZ mixed grain film 11 is not provided (WO11). It is possible to shorten the time until it is done.

したがって、本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aによれば、Pt+YSZ混粒膜11を設けたことによって、固体電解質層4および多孔質電極5D間のセンサ部分でのガス濃度検出時における酸素の応答速度の向上が可能であり、限界電流式ガスセンサ1Aとしての応答速度を改善できる。 Therefore, according to the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment, since the Pt+YSZ mixed grain film 11 is provided, the oxygen concentration during the gas concentration detection at the sensor portion between the solid electrolyte layer 4 and the porous electrode 5D is detected. The response speed can be improved, and the response speed of the limiting current type gas sensor 1A can be improved.

(製造方法)
第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、センサ部分に対応するシリコン基板12上にPtとTiの積層膜を用いてTi/Pt電極5Dを形成する工程と、Ti/Pt電極5D上の少なくともセンサ部分に、Ptの粒子およびYSZの粒子が混在するPt+YSZ混粒膜(粒子混合層)11を形成する工程と、少なくともPt+YSZ混粒膜11を覆うように、Ti/Pt電極5D上にYSZ薄膜4を形成する工程と、YSZ薄膜4の上面部を含んで、少なくともPt+YSZ混粒膜11に対向する面にPt電極5Uを形成する工程とを有する。
(Production method)
The method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the seventh embodiment includes a step of forming a Ti/Pt electrode 5D using a laminated film of Pt and Ti on the silicon substrate 12 corresponding to the sensor portion, and a Ti/Pt electrode 5D. A step of forming a Pt+YSZ mixed particle film (particle mixed layer) 11 in which Pt particles and YSZ particles are mixed on at least the sensor portion on the Pt electrode 5D, and Ti/Pt so as to cover at least the Pt+YSZ mixed particle film 11. The method includes a step of forming the YSZ thin film 4 on the electrode 5D, and a step of forming the Pt electrode 5U on at least the surface facing the Pt+YSZ mixed grain film 11 including the upper surface portion of the YSZ thin film 4.

より詳しくは、図116(a)および図116(b)に示した第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、図121〜図128に示すように表される。 More specifically, the method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the seventh embodiment shown in FIGS. 116(a) and 116(b) is represented as shown in FIGS.

(a)まず、図121(a)および図121(b)に示すように、約10μm厚のシリコン基板12を用意し、そのシリコン基板12の上面にプラズマCVD(P−CVD)法により約1μm厚のSiON膜1aを形成する。 (A) First, as shown in FIGS. 121(a) and 121(b), a silicon substrate 12 having a thickness of about 10 μm is prepared, and about 1 μm is formed on the upper surface of the silicon substrate 12 by a plasma CVD (P-CVD) method. A thick SiON film 1a is formed.

(b)次いで、図122(a)および図122(b)に示すように、SiON膜1a上に400nm程度の厚さのポリシリコン層を形成すると共に、そのポリシリコン層をエッチングなどによりパターニングして、検出端子2b・2bとマイクロヒータ2とマイクロヒータ2につながる電極層2a・2aとを互いに直交する方向に形成する。また、イオン注入法により、マイクロヒータ2は、電極層2a・2a間の抵抗値が300Ωとなるように設定され、検出端子2b・2bおよび電極層2a・2aは、マイクロヒータ2よりも高濃度に形成される。 (B) Next, as shown in FIGS. 122(a) and 122(b), a polysilicon layer having a thickness of about 400 nm is formed on the SiON film 1a, and the polysilicon layer is patterned by etching or the like. Then, the detection terminals 2b and 2b, the micro-heater 2 and the electrode layers 2a and 2a connected to the micro-heater 2 are formed in directions orthogonal to each other. Further, by the ion implantation method, the micro heater 2 is set so that the resistance value between the electrode layers 2a and 2a is 300Ω, and the detection terminals 2b and 2b and the electrode layers 2a and 2a have a higher concentration than the micro heater 2. Is formed.

(c)次いで、図123(a)および図123(b)に示すように、全面にP−CVD法により約1μm厚のSiON膜3を形成する。そして、そのSiON膜3をパターニングして開口部3a・3bを形成し、検出端子2b・2bおよびマイクロヒータ2につながる電極層2a・2aの一部を選択的に露出させる。 (C) Next, as shown in FIGS. 123A and 123B, a SiON film 3 having a thickness of about 1 μm is formed on the entire surface by P-CVD. Then, the SiON film 3 is patterned to form openings 3a and 3b, and a part of the electrode layers 2a and 2a connected to the detection terminals 2b and 2b and the microheater 2 are selectively exposed.

(d)次いで、図124(a)および図124(b)に示すように、スパッタ法などにより500nm厚のTi/Pt電極5Dおよびヒータ用電極部9・9を形成し、センサ部分より延びるTi/Pt電極5Dの延出端はSiON膜3の開口部3bに露出する一方の検出端子2bに、ヒータ用電極部9・9はSiON膜3の開口部3aに露出する電極層2a・2aに、それぞれ接続させる。 (D) Next, as shown in FIGS. 124(a) and 124(b), a Ti/Pt electrode 5D and a heater electrode portion 9 having a thickness of 500 nm are formed by a sputtering method or the like, and Ti extending from the sensor portion is formed. The extended end of the /Pt electrode 5D is located on one of the detection terminals 2b exposed in the opening 3b of the SiON film 3, and the heater electrode section 9 is located on the electrode layers 2a and 2a exposed in the opening 3a of the SiON film 3. , Connect each.

(e)次いで、図125(a)および図125(b)に示すように、スパッタ法により2nm厚のYSZ膜と2nm厚のPt膜の積層膜を形成した後、1000℃でアニール処理を行って、センサ部分のTi/Pt電極5D上にPt+YSZ混粒膜11を形成する。 (E) Next, as shown in FIGS. 125(a) and 125(b), a YSZ film having a thickness of 2 nm and a Pt film having a thickness of 2 nm are formed by a sputtering method and then annealed at 1000° C. Then, the Pt+YSZ mixed grain film 11 is formed on the Ti/Pt electrode 5D in the sensor portion.

なお、Pt+YSZ混粒膜11は、YSZ粒子とPt粒子の混合ペーストを用い、印刷および焼結の処理を行うことによっても形成することが可能である。 The Pt+YSZ mixed grain film 11 can also be formed by performing a printing and sintering process using a mixed paste of YSZ particles and Pt particles.

(f)次いで、図126(a)および図126(b)に示すように、リフトオフ工程によりYSZ薄膜4を0.5μmの厚さで形成し、YSZ薄膜4によってセンサ部分のTi/Pt電極5DおよびPt+YSZ混粒膜11の周囲を被覆する。 (F) Next, as shown in FIGS. 126A and 126B, the YSZ thin film 4 is formed to a thickness of 0.5 μm by the lift-off process, and the Ti/Pt electrode 5D of the sensor portion is formed by the YSZ thin film 4. And the periphery of the Pt+YSZ mixed grain film 11 is covered.

(g)次いで、図127(a)および図127(b)に示すように、緻密電極5Uとして、スパッタ法によりセンサ部分におけるYSZ薄膜4のPt+YSZ混粒膜11に対向する面(第1の緻密電極部)にPt膜5Ptを形成した後、このPt膜5Ptの一部を含んで、SiON膜3の開口部3bに露出する他方の検出端子2bに接続される延出端(第2の緻密電極部)をTi/Ptの積層膜5Tiによって形成する。緻密電極5Uは、Pt膜5PtおよびTi/Ptの積層膜5Tiの膜厚が100nm程度となるように形成される。 (G) Next, as shown in FIGS. 127(a) and 127(b), as the dense electrode 5U, the surface of the YSZ thin film 4 facing the Pt+YSZ mixed grain film 11 in the sensor portion by the sputtering method (the first fine density). After the Pt film 5Pt is formed on the electrode portion), the extended end (second dense layer) including a part of the Pt film 5Pt and connected to the other detection terminal 2b exposed in the opening 3b of the SiON film 3 is formed. The electrode portion) is formed of a Ti/Pt laminated film 5Ti. The dense electrode 5U is formed so that the film thickness of the Pt film 5Pt and the Ti/Pt laminated film 5Ti is about 100 nm.

なお、緻密電極5Uは、Ti/Ptの積層膜5Tiを形成した後に、Pt膜5Ptの形成を行うことによって形成するようにしても良い。 The dense electrode 5U may be formed by forming the Pt film 5Pt after forming the Ti/Pt laminated film 5Ti.

(h)次いで、図128(a)および図128(b)に示すように、センサ部分に対応するシリコン基板12を選択的にエッチングし、MEMS梁構造の基板12を構成するキャビティC(Cavity:空洞)を形成する。キャビティCとしては、本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aのサイズにもよるが、300μm×300μm程度が望ましい。 (H) Next, as shown in FIGS. 128(a) and 128(b), the silicon substrate 12 corresponding to the sensor portion is selectively etched to form a cavity C (Cavity: Cavity) is formed. The cavity C is preferably about 300 μm×300 μm, though it depends on the size of the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment.

(i)この後、センサ部分を覆うように、5μm程度の厚さのポーラス膜(例えば、Al2 3 -SiO2 膜)13を印刷によって形成することにより、図116(a)および図116(b)に示した構成を有する、第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aが完成する。(I) After that, a porous film (for example, an Al 2 O 3 —SiO 2 film) 13 having a thickness of about 5 μm is formed by printing so as to cover the sensor portion, and thereby, FIGS. The limiting current type gas sensor 1A according to the seventh embodiment having the configuration shown in (b) is completed.

以上のように、第7の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aによれば、Pt+YSZ混粒膜11を配置したことにより、ガス濃度検出時の応答速度を改善できる。 As described above, according to the limiting current type gas sensor 1A according to the seventh embodiment, the response speed at the time of gas concentration detection can be improved by disposing the Pt+YSZ mixed grain film 11.

(第8の実施の形態)
(概略構成)
第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの模式的平面パターン構成は、図129に示すように表され、要部の拡大された模式的平面パターン構成は、図130に示すように表され、図130のIIA−IIA線に沿う、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)梁構造に形成されるセンサ部分の模式的断面構造は、図131に示すように表される。
(Eighth Embodiment)
(Schematic configuration)
The schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment is shown in FIG. 129, and the enlarged schematic plane pattern configuration of the main part is shown in FIG. The schematic cross-sectional structure of the sensor portion formed in the MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) beam structure along the line IIA-IIA in FIG. 130 is shown in FIG. 131.

すなわち、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図129〜図131に示すように、MEMS梁構造の基板12と、基板12上に配置された多孔質電極5Dと、多孔質電極5D上に形成されたPt+YSZ混粒膜(粒子混合層)11と、Pt+YSZ混粒膜11が形成された多孔質電極5D上に配置された固体電解質層4と、多孔質電極5Dに対向する固体電解質層4上に、基板12に対して実質的に縦方向に配置され、図示せぬ金属粒子焼結層および金属粒子焼結層に形成された微細ガス導入路(図示せず)を有する緻密電極5Uとを備える。 That is, as shown in FIGS. 129 to 131, the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment includes a substrate 12 having a MEMS beam structure, a porous electrode 5D arranged on the substrate 12, and a porous electrode. The Pt+YSZ mixed particle film (particle mixed layer) 11 formed on the electrode 5D, the solid electrolyte layer 4 disposed on the porous electrode 5D on which the Pt+YSZ mixed particle film 11 is formed, and the porous electrode 5D are opposed to each other. On the solid electrolyte layer 4, a metal particle sintered layer (not shown) and a fine gas introduction path (not shown) formed in the metal particle sintered layer are arranged substantially vertically to the substrate 12. And a dense electrode 5U.

また、この限界電流式ガスセンサ1Aは、図131に示すように、多孔質電極5D上にPt+YSZ混粒膜11を介して配置された絶縁膜8を有し、この絶縁膜8にパターニングされた開口部7のPt+YSZ混粒膜11上および開口部7を取り囲む絶縁膜8上に固体電解質層4が配置されている。 Further, this limiting current type gas sensor 1A has an insulating film 8 arranged on a porous electrode 5D via a Pt+YSZ mixed grain film 11 as shown in FIG. 131, and an opening patterned in this insulating film 8 is provided. The solid electrolyte layer 4 is arranged on the Pt+YSZ mixed grain film 11 of the portion 7 and on the insulating film 8 surrounding the opening 7.

また、この限界電流式ガスセンサ1Aは、図131に示すように、基板12上に配置された絶縁層3を備え、多孔質電極5Dは絶縁層3上に配置されていても良い。 Further, the limiting current type gas sensor 1A may include the insulating layer 3 arranged on the substrate 12, and the porous electrode 5D may be arranged on the insulating layer 3, as shown in FIG. 131.

多孔質電極5Dは、多孔質材料である、孔径数μm程度のポーラスPtで形成され、例えば、厚さは約1μm以上であり、Ptが凝集して絶縁化するのを防ぐ。なお、多孔質電極5Dは、Ti/Ptの積層膜によって形成することもできる。 The porous electrode 5D is made of a porous material, that is, porous Pt having a pore diameter of about several μm, and has, for example, a thickness of about 1 μm or more, and prevents Pt from aggregating and insulating. The porous electrode 5D can also be formed by a Ti/Pt laminated film.

固体電解質層4は、固体電解質材料である、厚さ約4μm以上のYSZ(Yttria-Stabilized Zirconia)で形成される。薄いと、上下の電極5D・5U間が導通してしまうためである。 The solid electrolyte layer 4 is formed of YSZ (Yttria-Stabilized Zirconia) having a thickness of about 4 μm or more, which is a solid electrolyte material. This is because if it is thin, the upper and lower electrodes 5D and 5U are electrically connected.

MEMS梁構造の基板12は、例えば、約10μm厚のシリコン基板で形成される。 The substrate 12 having the MEMS beam structure is formed of, for example, a silicon substrate having a thickness of about 10 μm.

第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいては、電極5D・5U自体をナノ構造に形成している。すなわち、カーボンナノチューブ(CNT)を混ぜたPtを焼結し、最後にCNTを焼き飛ばして微細ガス導入路を形成した金属粒子焼結層(緻密Pt)を緻密電極5Uとして適用する。CNTの代わりに、カーボンナノ粒子を適用しても良い。 In the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment, the electrodes 5D and 5U themselves are formed in a nanostructure. That is, Pt mixed with carbon nanotubes (CNT) is sintered, and finally CNT is burnt off to apply a metal particle sintered layer (dense Pt) in which a fine gas introduction path is formed as the dense electrode 5U. Carbon nanoparticles may be applied instead of CNTs.

緻密Ptで形成された緻密電極5Uの厚さは、例えば、約1μm以上である。薄すぎると、Ptが凝集して絶縁化するためである。 The dense electrode 5U made of dense Pt has a thickness of, for example, about 1 μm or more. This is because if it is too thin, Pt aggregates and insulates.

第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいては、緻密電極5Uにより酸素ガスの取り込みを制御可能であるため、良好な限界電流特性が得られ、検出感度の向上した限界電流式ガスセンサを提供することができる。 In the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment, since the oxygen gas uptake can be controlled by the dense electrode 5U, a favorable limiting current characteristic is obtained, and a limiting current type gas sensor with improved detection sensitivity is provided. Can be provided.

ここで、緻密電極5Uとなる金属粒子焼結層は、CNTもしくはカーボンナノ粒子を備え、微細ガス導入路は、金属粒子焼結層の大気中での燃焼により、CNTもしくはカーボンナノ粒子が燃焼されることによって形成されていても良い。 Here, the metal particle sintered layer serving as the dense electrode 5U includes CNTs or carbon nanoparticles, and the fine gas introduction path burns the CNTs or carbon nanoparticles by burning the metal particle sintered layer in the atmosphere. It may be formed by

また、金属粒子焼結層は、酸化亜鉛(ZnO)を備え、微細ガス導入路は、金属粒子焼結層の大気中での燃焼後、ウェットエッチングによりZnOがエッチングされることによって形成されていても良い。 Further, the metal particle sintered layer is provided with zinc oxide (ZnO), and the fine gas introduction path is formed by etching ZnO by wet etching after burning the metal particle sintered layer in the atmosphere. Is also good.

第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、微細ガス導入路の形状によりガス透過量制御可能である。 The limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment can control the gas permeation amount by the shape of the fine gas introduction passage.

また、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、微細ガス導入路の含有割合によりガス透過量制御可能である。 Further, the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment can control the gas permeation amount based on the content ratio of the fine gas introduction passage.

金属粒子焼結層の金属粒子は、Pt、Ag、Pd、Au、もしくはRuのいずれかを備えていても良い。 The metal particles of the metal particle sintered layer may include any one of Pt, Ag, Pd, Au, and Ru.

第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図129に示すように、緻密電極5Uと多孔質電極5Dとの間に電圧を印加することにより、被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路107を備える。ここで、検出回路107は、限界電流に基づいて酸素濃度を検出することができる。また、検出回路107は、限界電流に基づいて水蒸気濃度を検出することができる。 The limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment, as shown in FIG. 129, applies a voltage between the dense electrode 5U and the porous electrode 5D to thereby obtain a predetermined gas concentration in the measured gas. A detection circuit 107 is provided to detect the voltage by the limiting current method. Here, the detection circuit 107 can detect the oxygen concentration based on the limiting current. Further, the detection circuit 107 can detect the water vapor concentration based on the limiting current.

しかも、本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aによれば、Pt+YSZ混粒膜11を設けたことによって、ガス濃度検出時における酸素の応答速度の向上が可能であり、限界電流式ガスセンサ1Aとしての応答速度を改善できる。 Moreover, according to the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment, by providing the Pt+YSZ mixed grain film 11, it is possible to improve the response speed of oxygen at the time of gas concentration detection. The response speed of can be improved.

なお、本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図129〜図131に示すように、緻密電極5U上に配置された第1応力緩和用低熱膨張膜6(5U)と、Pt+YSZ混粒膜11が形成された多孔質電極5D上に配置された第2応力緩和用低熱膨張膜6(5D)と、固体電解質層4上に配置された第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)とを備えていても良い。 Note that, as shown in FIGS. 129 to 131, the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment includes the first stress relaxation low thermal expansion film 6 (5U) disposed on the dense electrode 5U, and Pt+YSZ mixed particles. Second stress relaxation low thermal expansion film 6 (5D) arranged on the porous electrode 5D on which the membrane 11 is formed, and third stress relaxation low thermal expansion film 6 (4) arranged on the solid electrolyte layer 4. And may be provided.

また、本実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図129〜図131に示すように、平面視において、第1応力緩和用低熱膨張膜6(5U)と第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)との間に跨って、緻密電極5U上に配置された第1反り抑制用多孔質絶縁膜10(5U)と、平面視において、第2応力緩和用低熱膨張膜6(5D)と第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)との間に跨って、多孔質電極5D上にPt+YSZ混粒膜11を介して配置された第2反り抑制用多孔質絶縁膜10(5D)とを備えていても良い。 In addition, as shown in FIGS. 129 to 131, the limiting current type gas sensor 1A according to the present embodiment has the first stress relaxation low thermal expansion film 6 (5U) and the third stress relaxation low thermal expansion film in plan view. 6(4) and the first warpage suppressing porous insulating film 10 (5U) disposed on the dense electrode 5U and the second stress relaxation low thermal expansion film 6 (5D) in plan view. The second warpage suppressing porous insulating film 10 (5D) disposed on the porous electrode 5D via the Pt+YSZ mixed grain film 11 so as to extend between the third stress relaxation low thermal expansion film 6(4). And may be provided.

第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図129〜図131に示すように、両持梁構造のMEMS素子構造を基本構造として備える。詳細構造は後述するが、中央部にはセンサ部分が配置され、両持梁構造の梁部分には、センサ部分に接続された多孔質電極5Dと緻密電極5Uとが配置され、多孔質電極5D・緻密電極5U間には、検出回路107が接続されている。 As shown in FIGS. 129 to 131, the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment has, as a basic structure, a MEMS element structure having a cantilever structure. Although a detailed structure will be described later, a sensor portion is arranged in the central portion, and a porous electrode 5D and a dense electrode 5U connected to the sensor portion are arranged in the beam portion of the both-end supported beam structure, and the porous electrode 5D. A detection circuit 107 is connected between the dense electrodes 5U.

中央部のセンサ部分には、加熱用のマイクロヒータ2が埋め込まれており、両持梁構造のMEMS素子構造を基本構造とすることによって、中央部のセンサ部分の熱容量を低減化し、センサ感度の向上を図っている。 The micro-heater 2 for heating is embedded in the central sensor part, and the heat capacity of the central sensor part is reduced and the sensor sensitivity of the central part is reduced by using the double-supported beam structure MEMS element structure as a basic structure. We are trying to improve.

この第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいて、基板12は、図131に示すように、マイクロヒータ2を備える。マイクロヒータ2は、基板12の上部もしくは基板12の下部に配置されていても良い。また、マイクロヒータ2は、図131に示すように、基板12の内部に埋め込まれていても良い。マイクロヒータ2は、例えば、印刷により形成されたPtヒータ、またはポリシリコンヒータで形成可能である。また、基板12の表面には、ポリシリコンで形成されたマイクロヒータ2を含むシリコン酸化膜/シリコン窒化膜の積層膜103が形成されていても良い(例えば、図148参照)。 In the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment, the substrate 12 includes the micro heater 2 as shown in FIG. The micro-heater 2 may be arranged above the substrate 12 or below the substrate 12. Further, the micro heater 2 may be embedded inside the substrate 12, as shown in FIG. The micro heater 2 can be formed of, for example, a Pt heater formed by printing or a polysilicon heater. In addition, a laminated film 103 of a silicon oxide film/silicon nitride film including the micro-heater 2 formed of polysilicon may be formed on the surface of the substrate 12 (see, for example, FIG. 148).

多孔質電極5D・緻密電極5Uは、多孔質のPt電極で形成可能である。多孔質のPt電極は、印刷、蒸着、もしくはスパッタにより形成可能である。多孔質電極5D・緻密電極5Uの厚さは、例えば、約0.1μm〜10μm程度である。 The porous electrode 5D and the dense electrode 5U can be formed of porous Pt electrodes. The porous Pt electrode can be formed by printing, vapor deposition, or sputtering. The thickness of the porous electrode 5D and the dense electrode 5U is, for example, about 0.1 μm to 10 μm.

絶縁膜8は、Al2 3 、Al2 3 −SiO2 、YSZ−SiO2 、もしくはYSZ−Al2 3 のいずれかで形成可能である。絶縁膜8は、印刷工程、もしくはスパッタリング工程により形成可能である。絶縁膜8の厚さは、例えば、約1.0μm〜10μm程度である。Insulating film 8 is Al 2 O 3, Al 2 O 3 -SiO 2, YSZ-SiO 2, or can be formed with either YSZ-Al 2 O 3. The insulating film 8 can be formed by a printing process or a sputtering process. The thickness of the insulating film 8 is, for example, about 1.0 μm to 10 μm.

固体電解質層4は、YSZ、YSZ−SiO2 、もしくはYSZ−Al2 3 の少なくとも一つが含まれる安定化ジルコニア(YSZ)膜で形成可能である。固体電解質層4は、印刷工程もしくはスパッタリング工程により形成可能である。固体電解質層4の厚さは、例えば、約0.1μm〜10μm程度である。The solid electrolyte layer 4, YSZ, can be formed in at least one of stabilized zirconia included (YSZ) film of YSZ-SiO 2 or YSZ-Al 2 O 3,. The solid electrolyte layer 4 can be formed by a printing process or a sputtering process. The thickness of the solid electrolyte layer 4 is, for example, about 0.1 μm to 10 μm.

応力緩和用低熱膨張膜6は、検出するガス量によって、膜密度を調整可能である。この応力緩和用低熱膨張膜6は、緻密膜、多孔質膜、もしくは緻密膜と多孔質膜の複合膜のいずれかで形成可能である。 The film density of the stress relaxation low thermal expansion film 6 can be adjusted by the amount of gas to be detected. The stress relaxation low thermal expansion film 6 can be formed of either a dense film, a porous film, or a composite film of a dense film and a porous film.

また、応力緩和用低熱膨張膜6は、SiO2 、Al2 3 、YSZ、もしくはムライトの少なくとも一種類を含む材料で形成されていても良い。また、応力緩和用低熱膨張膜6は、印刷工程もしくはスパッタリング工程により形成可能である。応力緩和用低熱膨張膜6の厚さは、例えば、約1.0μm〜5.0μm程度である。Further, the stress relaxation low thermal expansion film 6 may be formed of a material containing at least one of SiO 2 , Al 2 O 3 , YSZ, and mullite. The stress relaxation low thermal expansion film 6 can be formed by a printing process or a sputtering process. The thickness of the stress relieving low thermal expansion film 6 is, for example, about 1.0 μm to 5.0 μm.

反り抑制用多孔質絶縁膜10は、SiO2 、Al2 3 、YSZ、もしくはムライトの少なくとも一種類を含む材料で形成されていても良い。また、反り抑制用多孔質絶縁膜10は、印刷工程もしくはスパッタリング工程により形成可能である。反り抑制用多孔質絶縁膜10の厚さは、例えば、約1.0μm〜5.0μm程度である。The warp suppressing porous insulating film 10 may be made of a material containing at least one of SiO 2 , Al 2 O 3 , YSZ, and mullite. The warp suppressing porous insulating film 10 can be formed by a printing process or a sputtering process. The thickness of the warp suppressing porous insulating film 10 is, for example, about 1.0 μm to 5.0 μm.

また、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいては、基板12は、MEMS梁構造を備えていても良い。基板12は、厚さ10μm以下、望ましくは2μm以下のシリコン基板で形成可能である。MEMSを応用すれば、基板12の厚さを2μm以下にすることができるため、熱容量が小さくなり、マイクロヒータ2での消費電力を低減することが可能である。 Moreover, in the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment, the substrate 12 may have a MEMS beam structure. The substrate 12 can be formed of a silicon substrate having a thickness of 10 μm or less, preferably 2 μm or less. If the MEMS is applied, the thickness of the substrate 12 can be set to 2 μm or less, so that the heat capacity becomes small and the power consumption in the microheater 2 can be reduced.

また、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図129〜図131に示すように、基板12に形成されたキャビティC(Cavity:空洞)上に両持ちの梁構造体として形成されている。梁構造体は、MEMSにより形成された厚さ10μm以下、望ましくは2μm以下の梁構造体である。 In addition, as shown in FIGS. 129 to 131, the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment is formed as a cantilevered beam structure on a cavity C (cavity) formed in the substrate 12. Has been done. The beam structure is a beam structure formed by MEMS and having a thickness of 10 μm or less, preferably 2 μm or less.

絶縁層3は、Al2 3 、Al2 3 −SiO2 、YSZ−SiO2 、もしくはYSZ−Al2 3 のいずれかが含まれる多孔質膜で形成可能である。絶縁層3は、ガス取り込み膜として機能し、印刷工程もしくはスパッタリング工程により形成可能である。ここで、絶縁層3の厚さは、例えば、約0〜10μm程度である。絶縁層3は、必ずしも備えていなくても良い。その場合には、多孔質のPt電極で形成可能な多孔質電極5Dをガス取り込み膜として利用することができる。The insulating layer 3 can be formed of a porous film containing any one of Al 2 O 3 , Al 2 O 3 —SiO 2 , YSZ-SiO 2 , and YSZ-Al 2 O 3 . The insulating layer 3 functions as a gas intake film and can be formed by a printing process or a sputtering process. Here, the thickness of the insulating layer 3 is, for example, about 0 to 10 μm. The insulating layer 3 does not necessarily have to be provided. In that case, the porous electrode 5D, which can be formed of a porous Pt electrode, can be used as the gas intake film.

このような限界電流式ガスセンサ1Aは、MEMS以外の方法により製造されても良い。この場合のシリコン基板12の厚さは、例えば600μm程度である。 Such a limiting current type gas sensor 1A may be manufactured by a method other than the MEMS. The thickness of the silicon substrate 12 in this case is, for example, about 600 μm.

(製造方法)
第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、図132〜図136に示すように、基板12上に多孔質電極(ポーラスPt)5Dを形成する工程と、多孔質電極5D上にPt粒子およびYSZ粒子が混在するPt+YSZ混粒膜(粒子混合層)11を形成する工程と、Pt+YSZ混粒膜11が形成された多孔質電極5D上に絶縁膜8を形成する工程と、絶縁膜8をパターニングして開口部7を形成する工程と、開口部7のPt+YSZ混粒膜11上および開口部7を取り囲む絶縁膜8上に固体電解質層(YSZ薄膜)4を形成する工程と、多孔質電極5Dに対向する固体電解質層4上に、基板12に対して実質的に縦方向に緻密電極(Pt電極)5Uを形成する工程とを有する。
(Production method)
As shown in FIGS. 132 to 136, the method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment includes a step of forming a porous electrode (porous Pt) 5D on the substrate 12 and a porous electrode 5D. A step of forming a Pt+YSZ mixed particle film (particle mixed layer) 11 on which Pt particles and YSZ particles are mixed, and a step of forming an insulating film 8 on the porous electrode 5D on which the Pt+YSZ mixed particle film 11 is formed, A step of patterning the insulating film 8 to form the opening 7, and a step of forming the solid electrolyte layer (YSZ thin film) 4 on the Pt+YSZ mixed grain film 11 of the opening 7 and on the insulating film 8 surrounding the opening 7. And a step of forming a dense electrode (Pt electrode) 5U substantially vertically with respect to the substrate 12 on the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D.

図示していないが、緻密電極5Uは、金属粒子焼結層および金属粒子焼結層に形成された微細ガス導入路を備える。 Although not shown, the dense electrode 5U includes a metal particle sintered layer and a fine gas introduction path formed in the metal particle sintered layer.

なお、Pt+YSZ混粒膜11は、例えば、開口部7に対応する多孔質電極5Dの少なくとも一部にのみ選択的に形成されるものであっても良い。 The Pt+YSZ mixed grain film 11 may be selectively formed, for example, only on at least a part of the porous electrode 5D corresponding to the opening 7.

また、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、図137に示すように、緻密電極5U上に第1応力緩和用低熱膨張膜6(5U)を形成し、Pt+YSZ混粒膜11が形成された多孔質電極5D上に第2応力緩和用低熱膨張膜6(5D)を形成し、固体電解質層4上に第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)を形成する工程を有する。 In addition, as shown in FIG. 137, the manufacturing method of the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment is such that the first stress relaxation low thermal expansion film 6 (5U) is formed on the dense electrode 5U, and the Pt+YSZ mixed film is formed. The second low stress thermal expansion film 6 (5D) for stress relaxation is formed on the porous electrode 5D on which the granular film 11 is formed, and the third low thermal expansion film 6 (4) for stress relaxation is formed on the solid electrolyte layer 4. Have steps.

また、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、図138に示すように、平面視において、第1応力緩和用低熱膨張膜6(5U)と第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)との間に跨って、緻密電極5U上に第1反り抑制用多孔質絶縁膜10(5U)を形成する工程と、平面視において、第2応力緩和用低熱膨張膜6(5D)と第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)との間に跨って、Pt+YSZ混粒膜11が形成された多孔質電極5D上に第2反り抑制用多孔質絶縁膜10(5D)を形成する工程とを有する。 In addition, as shown in FIG. 138, in the method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment, the first stress relaxation low thermal expansion film 6 (5U) and the third stress relaxation low heat are viewed in a plan view. The step of forming the first warp suppressing porous insulating film 10 (5U) on the dense electrode 5U across the expansion film 6(4) and the second stress relaxation low thermal expansion film 6 in plan view. The second warp suppressing porous insulating film 10 (5D) is formed on the porous electrode 5D on which the Pt+YSZ mixed grain film 11 is formed so as to extend between (5D) and the third stress relaxation low thermal expansion film 6(4). ) Is formed.

また、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、図139に示すように、基板12を図示矢印方向にエッチングして、基板12に形成されたキャビティC上に両持ちの梁構造体を形成する工程を有する。 In addition, as shown in FIG. 139, in the method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment, the substrate 12 is etched in the direction of the arrow shown in FIG. Forming the beam structure.

また、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、基板12の上部もしくは基板12の下部にマイクロヒータ2を形成する工程を有していても良い。 The method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment may include a step of forming the micro heater 2 on the upper portion of the substrate 12 or the lower portion of the substrate 12.

また、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、基板12の内部に埋め込まれたマイクロヒータ2を形成する工程を有していても良い。 Further, the method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment may include a step of forming the micro heater 2 embedded inside the substrate 12.

また、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、基板12上に絶縁層3を形成する工程を有し、絶縁層3上に多孔質電極5Dを形成しても良い。 Further, the method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment includes a step of forming the insulating layer 3 on the substrate 12, and the porous electrode 5D may be formed on the insulating layer 3. ..

また、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法において、マイクロヒータ2、絶縁層3、多孔質電極5D、緻密電極5U、絶縁膜8、固体電解質層4、応力緩和用低熱膨張膜6(6(4)・6(5U)・6(5D))、反り抑制用多孔質絶縁膜10(10(5U)・10(5D))、およびPt+YSZ混粒膜11は、印刷工程により形成可能である。 In addition, in the method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment, the microheater 2, the insulating layer 3, the porous electrode 5D, the dense electrode 5U, the insulating film 8, the solid electrolyte layer 4, and the stress relaxation low heat. The expansion film 6 (6(4).6(5U).6(5D)), the warp suppressing porous insulating film 10 (10(5U).10(5D)), and the Pt+YSZ mixed particle film 11 are formed by a printing process. Can be formed by.

次に、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法について、図132〜図139を参照して説明する。 Next, a method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment will be described with reference to FIGS. 132 to 139.

(a)まず、図132(a)および図132(b)に示すように、マイクロヒータ2を埋め込んだ基板12上に絶縁層3を形成する。ここで、絶縁層3は、多孔質膜であることから、ガスの通り道となる。なお、絶縁層3の形成を省略しても良い。 (A) First, as shown in FIGS. 132(a) and 132(b), the insulating layer 3 is formed on the substrate 12 in which the micro heater 2 is embedded. Here, since the insulating layer 3 is a porous film, it serves as a passage for gas. The formation of the insulating layer 3 may be omitted.

(b)次に、図133(a)および図133(b)に示すように、絶縁層3および基板12上に多孔質電極5Dを形成する。多孔質電極5Dは、例えば、ポーラスPt電極によって形成されるため、このポーラスPt電極中をガスが通るようにしても良い。 (B) Next, as shown in FIGS. 133A and 133B, the porous electrode 5D is formed on the insulating layer 3 and the substrate 12. Since the porous electrode 5D is formed of, for example, a porous Pt electrode, gas may pass through the porous Pt electrode.

また、多孔質電極5Dを形成した後、例えば、その上面にPt+YSZ混粒膜11を形成する。Pt+YSZ混粒膜11は、例えば、スパッタ法により2nm厚のYSZ膜と2nm厚のPt膜の積層膜を形成した後に、1000℃でアニール処理を行うか、もしくはYSZ粒子とPt粒子の混合ペーストを用い、印刷および焼結の処理を行うことによって形成することができる。 Further, after forming the porous electrode 5D, for example, the Pt+YSZ mixed grain film 11 is formed on the upper surface thereof. For the Pt+YSZ mixed grain film 11, for example, after forming a laminated film of a YSZ film having a thickness of 2 nm and a Pt film having a thickness of 2 nm by a sputtering method, annealing treatment is performed at 1000° C. It can be formed by using a printing and sintering process.

(c)次に、図134(a)および図134(b)に示すように、Pt+YSZ混粒膜11が形成された多孔質電極5D上に絶縁膜8を形成した後、絶縁膜8をパターニングして開口部7を形成する。 (C) Next, as shown in FIGS. 134(a) and 134(b), after forming the insulating film 8 on the porous electrode 5D on which the Pt+YSZ mixed grain film 11 is formed, the insulating film 8 is patterned. Then, the opening 7 is formed.

ここで、多孔質電極5Dの上面の一部分にPt+YSZ混粒膜11を形成するようにした場合、絶縁膜8を形成することによって、安定化ジルコニア(固体電解質層4)/ポーラスPt電極(多孔質電極5D)間の接触面積の安定化を図り、安定化ジルコニア(固体電解質層4)の端面とポーラスPt電極(多孔質電極5D)との接触をなくし、また、ポーラスPt電極(多孔質電極5D)とPt電極(緻密電極5U)との間の電流リーク成分を除去することができる。 Here, when the Pt+YSZ mixed particle film 11 is formed on a part of the upper surface of the porous electrode 5D, the insulating film 8 is formed to stabilize the zirconia (solid electrolyte layer 4)/porous Pt electrode (porous By stabilizing the contact area between the electrodes 5D), contact between the end surface of the stabilized zirconia (solid electrolyte layer 4) and the porous Pt electrode (porous electrode 5D) is eliminated, and the porous Pt electrode (porous electrode 5D) is formed. ) And the Pt electrode (dense electrode 5U), the current leak component can be removed.

(d)次に、図135(a)および図135(b)に示すように、開口部7のPt+YSZ混粒膜11上および開口部7を取り囲む絶縁膜8上に固体電解質層4を形成する。固体電解質層4は、例えば、ここではYSZで形成される。 (D) Next, as shown in FIGS. 135(a) and 135(b), the solid electrolyte layer 4 is formed on the Pt+YSZ mixed grain film 11 in the opening 7 and on the insulating film 8 surrounding the opening 7. .. The solid electrolyte layer 4 is formed of YSZ here, for example.

(e)次に、図136(a)および図136(b)に示すように、固体電解質層4上に、多孔質電極5Dに対向し、基板12に対して実質的に縦方向に緻密電極5Uを形成する。緻密電極5Uは、図136(a)に示すように、絶縁膜8・絶縁層3・基板12上にも延伸して形成される。緻密電極5Uは、例えば、ポーラスPt電極によって形成される。 (E) Next, as shown in FIGS. 136(a) and 136(b), the dense electrode is formed on the solid electrolyte layer 4 so as to face the porous electrode 5D and substantially vertically with respect to the substrate 12. Form 5U. As shown in FIG. 136(a), the dense electrode 5U is also formed by extending on the insulating film 8, the insulating layer 3, and the substrate 12. The dense electrode 5U is formed of, for example, a porous Pt electrode.

(f)次に、図137(a)および図137(b)に示すように、緻密電極5U上に第1応力緩和用低熱膨張膜6(5U)を形成し、Pt+YSZ混粒膜11が形成された多孔質電極5D上に第2応力緩和用低熱膨張膜6(5D)を形成し、固体電解質層4上に第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)を形成する。応力緩和用低熱膨張膜6は、検出するガス量によって、膜密度を調整可能である。 (F) Next, as shown in FIGS. 137(a) and 137(b), the first stress relaxation low thermal expansion film 6 (5U) is formed on the dense electrode 5U, and the Pt+YSZ mixed grain film 11 is formed. The second stress relaxation low thermal expansion film 6 (5D) is formed on the formed porous electrode 5D, and the third stress relaxation low thermal expansion film 6 (4) is formed on the solid electrolyte layer 4. The film density of the stress relaxation low thermal expansion film 6 can be adjusted by the amount of gas to be detected.

また、応力緩和用低熱膨張膜6は、緻密膜、多孔質膜、もしくは緻密膜と多孔質膜との複合膜のいずれかで形成可能である。また、応力緩和用低熱膨張膜6は、SiO2 、Al2 3 、YSZ、もしくはムライトの少なくとも一種類を含む材料で形成される。The stress relaxation low thermal expansion film 6 can be formed of either a dense film, a porous film, or a composite film of a dense film and a porous film. The stress relaxation low thermal expansion film 6 is formed of a material containing at least one of SiO 2 , Al 2 O 3 , YSZ, and mullite.

また、応力緩和用低熱膨張膜6は、印刷工程もしくはスパッタリング工程により形成可能である。応力緩和用低熱膨張膜6は、低熱膨張係数の絶縁膜であり、応力緩和用低熱膨張膜6を形成することによって、加熱時の応力を緩和することができる。 The stress relaxation low thermal expansion film 6 can be formed by a printing process or a sputtering process. The stress relaxation low thermal expansion film 6 is an insulating film having a low coefficient of thermal expansion, and by forming the stress relaxation low thermal expansion film 6, the stress at the time of heating can be relaxed.

(g)次に、図138(a)および図138(b)に示すように、第1応力緩和用低熱膨張膜6(5U)と第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)との間に跨って、緻密電極5U上に第1反り抑制用多孔質絶縁膜10(5U)を形成すると共に、第2応力緩和用低熱膨張膜6(5D)と第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)との間に跨って、多孔質電極5D上に第2反り抑制用多孔質絶縁膜10(5D)を形成する。反り抑制用多孔質絶縁膜10は、SiO2 、Al2 3 、YSZ、もしくはムライトの少なくとも一種類を含む材料で形成される。(G) Next, as shown in FIGS. 138(a) and 138(b), between the first stress relaxation low thermal expansion film 6 (5U) and the third stress relaxation low thermal expansion film 6(4). The first warp suppressing porous insulating film 10 (5U) is formed over the dense electrode 5U, and the second stress relaxing low thermal expansion film 6 (5D) and the third stress relaxing low thermal expansion film 6 ( 4) The second warpage suppressing porous insulating film 10 (5D) is formed on the porous electrode 5D so as to extend over the gap 4). The warp suppressing porous insulating film 10 is formed of a material containing at least one kind of SiO 2 , Al 2 O 3 , YSZ, and mullite.

また、反り抑制用多孔質絶縁膜10は、印刷工程もしくはスパッタリング工程により形成可能である。反り抑制用多孔質絶縁膜10を形成することによって、加熱時の梁構造の反りを小さくし、耐久性を向上することができる。 The warp suppressing porous insulating film 10 can be formed by a printing process or a sputtering process. By forming the warp suppressing porous insulating film 10, the warp of the beam structure during heating can be reduced and the durability can be improved.

(h)次に、図139に示すように、基板12を裏面から図示矢印方向にエッチングする。これにより、図129〜図131に示すように、基板12に形成されたキャビティC上に両持ちの梁構造体が形成される。このように、梁構造を形成することによって、センサ部分の熱容量を低減し、かつ熱伝導を低減することができる。結果として、加熱時の低消費電力化が可能である。 (H) Next, as shown in FIG. 139, the substrate 12 is etched from the back surface in the direction of the arrow shown. As a result, as shown in FIGS. 129 to 131, a beam structure having both ends is formed on the cavity C formed in the substrate 12. By forming the beam structure in this manner, the heat capacity of the sensor portion can be reduced and the heat conduction can be reduced. As a result, low power consumption during heating can be achieved.

以上のように、第8の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aによっても、第7の実施の形態と同様に、Pt+YSZ混粒膜11を配置したことにより、ガス濃度検出時の応答速度を改善できる。 As described above, also in the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth embodiment, the Pt+YSZ mixed grain film 11 is arranged similarly to the seventh embodiment, so that the response speed at the time of gas concentration detection can be improved. Can be improved.

(第9の実施の形態)
(概略構成)
第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの模式的平面パターン構成は、図140に示すように表わされる。図129に示した第8の実施の形態においては、両持梁構造の4本のアームの内、片側2本のアームの一方のアームにのみ多孔質電極5D・多孔質電極5Uを配置した例を示した。
(Ninth Embodiment)
(Schematic configuration)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 1A according to the ninth embodiment is represented as shown in FIG. In the eighth embodiment shown in FIG. 129, an example in which the porous electrode 5D and the porous electrode 5U are arranged only on one arm of the two arms on one side of the four arms of the double-supported beam structure showed that.

これに対し、第9の実施の形態においては、図140に示すように、両持梁構造の4本のアームの内、片側2本のアームの両方のアームに多孔質電極5D1 ・5D2 ・緻密電極5U1 ・5U2 を配置している。また、多孔質電極5D1 ・5D2 は、互いに電気的に接続されている。同様に、緻密電極5U1 ・5U2 も互いに電気的に接続されている。On the other hand, in the ninth embodiment, as shown in FIG. 140, the porous electrodes 5D 1 and 5D 2 are provided on both arms of two arms on one side among the four arms of the double-supported beam structure.・Dense electrodes 5U 1 and 5U 2 are arranged. Moreover, the porous electrodes 5D 1 and 5D 2 are electrically connected to each other. Similarly, the dense electrodes 5U 1 and 5U 2 are also electrically connected to each other.

第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図140に示すように、基板12と、基板12上に配置された多孔質電極5D1 ・5D2 と、少なくともセンサ部分の多孔質電極5D上に形成されたPt+YSZ混粒膜(粒子混合層)11と、Pt+YSZ混粒膜11が形成された多孔質電極5D上に配置された絶縁膜8(図示省略)と、絶縁膜8にパターニングされた開口部7(図示省略)のPt+YSZ混粒膜11上および開口部7を取り囲む絶縁膜8上に配置された固体電解質層4と、多孔質電極5D1 ・5D2 に対向する固体電解質層4上に、基板12に対して実質的に縦方向に配置され、金属粒子焼結層および金属粒子焼結層に形成された微細ガス導入路を備える緻密電極5U1 ・5U2 とを備える。As shown in FIG. 140, the limiting current type gas sensor 1A according to the ninth embodiment includes a substrate 12, porous electrodes 5D 1 and 5D 2 arranged on the substrate 12, and at least a porous electrode of a sensor portion. Pt+YSZ mixed grain film (particle mixed layer) 11 formed on 5D, insulating film 8 (not shown) arranged on porous electrode 5D on which Pt+YSZ mixed grain film 11 is formed, and patterning on insulating film 8 Solid electrolyte layer 4 arranged on the Pt+YSZ mixed grain film 11 of the formed opening 7 (not shown) and on the insulating film 8 surrounding the opening 7, and the solid electrolyte layer facing the porous electrodes 5D 1 and 5D 2. 4, and dense electrodes 5U 1 and 5U 2 arranged substantially in the vertical direction with respect to the substrate 12 and provided with a metal particle sintered layer and a fine gas introduction path formed in the metal particle sintered layer.

また、第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図140に示すように、緻密電極5U1 ・5U2 と多孔質電極5D1 ・5D2 との間に電圧を印加することにより、被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路107を備える。ここで、検出回路107は、限界電流に基づいて酸素濃度を検出することができる。また、検出回路107は、限界電流に基づいて水蒸気濃度を検出することができる。In addition, as shown in FIG. 140, the limiting current type gas sensor 1A according to the ninth embodiment is configured by applying a voltage between the dense electrodes 5U 1 and 5U 2 and the porous electrodes 5D 1 and 5D 2. A detection circuit 107 for detecting a predetermined gas concentration in the gas to be measured by a limiting current method is provided. Here, the detection circuit 107 can detect the oxygen concentration based on the limiting current. Further, the detection circuit 107 can detect the water vapor concentration based on the limiting current.

しかも、第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aによれば、Pt+YSZ混粒膜11を設けたことによって、ガス濃度検出時における酸素の応答速度の向上が可能であり、限界電流式ガスセンサ1Aとしての応答速度を改善できる。 Moreover, according to the limiting current type gas sensor 1A according to the ninth embodiment, by providing the Pt+YSZ mixed grain film 11, it is possible to improve the oxygen response speed at the time of detecting the gas concentration, and the limiting current type gas sensor 1A. The response speed as 1A can be improved.

なお、第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図140に示すように、緻密電極5U1 ・5U2 上に配置された第1応力緩和用低熱膨張膜6(5U1 )・6(5U2 )と、多孔質電極5D1 ・5D2 上に配置された第2応力緩和用低熱膨張膜6(5D1 )・6(5D2 )と、固体電解質層4上に配置された第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)とを備えていても良い。The limiting current type gas sensor 1A according to the ninth embodiment, as shown in FIG. 140, has a first stress relaxation low thermal expansion film 6 (5U 1 ), which is disposed on the dense electrodes 5U 1 and 5U 2. 6 (5U 2 ), the second low thermal expansion film for stress relaxation 6 (5D 1 ), 6 (5D 2 ) arranged on the porous electrodes 5D 1 , 5D 2 and the solid electrolyte layer 4 It may be provided with the third stress relaxation low thermal expansion film 6(4).

また、第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図140に示すように、平面視において、第1応力緩和用低熱膨張膜6(5U1 )・6(5U2 )と第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)との間に跨って、緻密電極5U1 ・5U2 上に配置された第1反り抑制用多孔質絶縁膜10(5U1 )・10(5U2 )と、平面視において、第2応力緩和用低熱膨張膜6(5D1 )・6(5D2 )と第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)との間に跨って、多孔質電極5D1 ・5D2 上に配置された第2反り抑制用多孔質絶縁膜10(5D1 )・10(5D2 )とを備えていても良い。Also, limiting current type gas sensor 1A according to the ninth embodiment, as shown in FIG. 140, in a plan view, the first stress relieving for a low thermal expansion layer 6 (5U 1) · 6 ( 5U 2) and the third The first warpage suppressing porous insulating films 10 (5U 1 ), 10 (5U 2 ) disposed on the dense electrodes 5U 1 , 5U 2 so as to straddle the stress relaxation low thermal expansion film 6 (4) and In plan view, the porous electrode 5D 1 · spans between the second stress relaxation low thermal expansion films 6 (5D 1 )· 6 (5D 2 ) and the third stress relaxation low thermal expansion film 6 (4 ). 5D for arranged second warp suppressing over 2 porous insulating film 10 (5D 1) · 10 ( 5D 2) and may include a.

また、基板12上に配置された絶縁層3を備え、絶縁層3上に多孔質電極5D1 ・5D2 を配置しても良い。Alternatively, the insulating layer 3 may be provided on the substrate 12, and the porous electrodes 5D 1 and 5D 2 may be provided on the insulating layer 3.

その他の構成は、第8の実施の形態と同様である。 The other structure is the same as that of the eighth embodiment.

(製造方法)
第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、図141〜図144に示すように、基板12上に多孔質電極5D・5D1 ・5D2 を形成する工程(図141)と、多孔質電極5D上にPt+YSZ混粒膜11を形成する工程と、Pt+YSZ混粒膜11が形成された多孔質電極5D上に絶縁膜8を形成する工程と、絶縁膜8をパターニングして開口部7を形成する工程(図142)と、開口部7のPt+YSZ混粒膜11上および開口部7を取り囲む絶縁膜8上に固体電解質層4を形成する工程(図143)と、多孔質電極5Dに対向する固体電解質層4上に、基板12に対して実質的に縦方向に、金属粒子焼結層および金属粒子焼結層に形成された微細ガス導入路を備える緻密電極5U・5U1 ・5U2 を形成する工程(図144)とを有する。
(Production method)
As shown in FIGS. 141 to 144, the manufacturing method of the limiting current type gas sensor 1A according to the ninth embodiment is a step of forming the porous electrodes 5D, 5D 1 , 5D 2 on the substrate 12 (FIG. 141). A step of forming the Pt+YSZ mixed particle film 11 on the porous electrode 5D, a step of forming the insulating film 8 on the porous electrode 5D on which the Pt+YSZ mixed particle film 11 is formed, and a step of patterning the insulating film 8. The step of forming the opening 7 (FIG. 142), the step of forming the solid electrolyte layer 4 on the Pt+YSZ mixed grain film 11 of the opening 7 and the insulating film 8 surrounding the opening 7 (FIG. 143), and the porous On the solid electrolyte layer 4 facing the electrode 5D, the dense electrodes 5U and 5U each including a metal particle sintered layer and a fine gas introduction path formed in the metal particle sintered layer in a substantially vertical direction with respect to the substrate 12. And the step of forming 1.5U 2 (FIG. 144).

また、第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、図145に示すように、緻密電極5U1 ・5U2 上に第1応力緩和用低熱膨張膜6(5U1 )・6(5U2 )を形成し、多孔質電極5D1 ・5D2 上に第2応力緩和用低熱膨張膜6(5D1 )・6(5D2 )を形成し、固体電解質層4上に第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)を形成する工程を有する。In addition, as shown in FIG. 145, the manufacturing method of the limiting current type gas sensor 1A according to the ninth embodiment is, as shown in FIG. 145, on the dense electrodes 5U 1 and 5U 2 the first stress relaxation low thermal expansion film 6 (5U 1 ). 6 (5U 2) to form a porous electrode 5D 1 · 5D on 2 second stress relieving for a low thermal expansion layer 6 (5D 1) · 6 ( 5D 2) is formed, third on the solid electrolyte layer 4 There is a step of forming a low thermal expansion film 6 (4) for stress relaxation.

また、第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、図146に示すように、平面視において、第1応力緩和用低熱膨張膜6(5U1 )・6(5U2 )と第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)との間に跨って、緻密電極5U1 ・5U2 上に第1反り抑制用多孔質絶縁膜10(10(5U1 )・10(5U2 ))を形成する工程と、平面視において、第2応力緩和用低熱膨張膜6(5D1 )・6(5D2 )と第3応力緩和用低熱膨張膜6(4)との間に跨って、多孔質電極5D1 ・5D2 上に第2反り抑制用多孔質絶縁膜10(10(5D1 )・10(5D2 ))を形成する工程とを有する。In addition, as shown in FIG. 146, the manufacturing method of the limiting current type gas sensor 1A according to the ninth embodiment, as shown in FIG. 146, shows the first stress relaxation low thermal expansion films 6 (5U 1 ) and 6 (5U 2 ). When the third stress across between the relaxation for low thermal expansion layer 6 (4), a dense electrode 5U 1 · 5U for the first warp suppressing over 2 porous insulating film 10 (10 (5U 1) · 10 (5U2) ) Is formed, and in a plan view, it extends over between the second stress relaxation low thermal expansion films 6 (5D 1 ), 6 (5D 2 ) and the third stress relaxation low thermal expansion film 6 (4), And a step of forming the second warp suppressing porous insulating film 10 (10(5D 1 )·10(5D 2 )) on the porous electrodes 5D 1 ·5D 2 .

また、第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、図140に示すように、基板12をエッチングして、基板12に形成されたキャビティC上に両持ちの梁構造体を形成する工程を有する。 In addition, as shown in FIG. 140, in the method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the ninth embodiment, as shown in FIG. 140, the substrate 12 is etched, and the beam structure having both ends is provided on the cavity C formed in the substrate 12. To form.

また、第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、図140に示すように、基板12上に絶縁層3を形成する工程を有し、絶縁層3上に多孔質電極5D・5D1 ・5D2 を形成しても良い。Further, the manufacturing method of the limiting current type gas sensor 1A according to the ninth embodiment has a step of forming the insulating layer 3 on the substrate 12 and a porous electrode on the insulating layer 3 as shown in FIG. 5D, 5D 1 and 5D 2 may be formed.

第9の実施の形態においては、図140に示すように、両持梁構造の4本のアームの内、片側2本のアームの両方のアームに多孔質電極5D1 ・5D2 ・緻密電極5U1 ・5U2 を配置している構造のみが第8の実施の形態(例えば、図129参照)と異なるため、各部の詳細な製造工程のほとんどは第8の実施の形態と同様である。In the ninth embodiment, as shown in FIG. 140, of the four arms of the double-supported beam structure, the two porous electrodes 5D 1 ·5D 2 ·dense electrode 5U are formed on both arms of two arms on one side. Since only the structure in which 1.5U 2 is arranged is different from that of the eighth embodiment (see, for example, FIG. 129), most of the detailed manufacturing process of each part is the same as that of the eighth embodiment.

以上のように、第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aによっても、第7・第8の実施の形態と同様に、Pt+YSZ混粒膜11を配置したことにより、ガス濃度検出時の応答速度を改善できる。 As described above, also in the limiting current type gas sensor 1A according to the ninth embodiment, the Pt+YSZ mixed grain film 11 is arranged as in the seventh and eighth embodiments, so that the gas concentration detection The response speed can be improved.

以下に、限界電流式ガスセンサ1Aの概略について、さらに説明する。 Hereinafter, the outline of the limiting current type gas sensor 1A will be further described.

(梁構造)
第7〜第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法の一工程(梁構造形成工程)を示す模式的断面構造は、図147(a)に示すように表わされ、第7〜第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法の一工程(別の梁構造形成工程)は、図147(b)に示すように表わされる。
(Beam structure)
A schematic cross-sectional structure showing one step (beam structure forming step) of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the seventh to ninth embodiments is represented as shown in FIG. One step of the method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the seventh to ninth embodiments (another beam structure forming step) is represented as shown in FIG. 147(b).

特に、第8・第9の実施の形態の構成において、MEMS構造を有する梁構造には、図147(a)に示すように、空洞Cを基板12の底部に開放構造に形成する開放型構造と、図147(b)に示すように、空洞Cを基板12の内部に形成する船型構造とが可能である。いずれも、例えばシリコン基板の異方性エッチングなどを適用可能である。 In particular, in the structures of the eighth and ninth embodiments, in the beam structure having the MEMS structure, as shown in FIG. 147(a), the open structure in which the cavity C is formed in the open structure at the bottom of the substrate 12. In addition, as shown in FIG. 147(b), a ship-shaped structure in which the cavity C is formed inside the substrate 12 is possible. In either case, for example, anisotropic etching of a silicon substrate or the like can be applied.

なお、図147(a)および図147(b)の各構造においては、いずれも薄層化された基板12の一部分にマイクロヒータが形成されているが、ここでの図示は省略する。また、デバイス加熱部200によって、限界電流式ガスセンサ1Aの縦型センサ構造が表わされている。 In each of the structures shown in FIGS. 147(a) and 147(b), a micro-heater is formed on a part of the thinned substrate 12, but the illustration is omitted here. Further, the device heating unit 200 represents the vertical sensor structure of the limiting current type gas sensor 1A.

すなわち、第8・第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの梁構造のレイアウト図(上面図)は、図148(a)に示すように表わされ、図148(a)のIIIA−IIIA線に沿う模式的断面構造は、図148(b)に示すように表わされる。 That is, the layout diagram (top view) of the beam structure of the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth and ninth embodiments is represented as shown in FIG. 148(a), and is indicated by IIIA in FIG. 148(a). A schematic cross-sectional structure taken along the line -IIIA is shown in FIG. 148(b).

この構造例の場合、基板12として(100)面を有するシリコン基板を使用し、異方性エッチングにより、デバイス加熱部200の底部には、底面が(100)面、側面が(111)面のキャビティCが形成されている。 In the case of this structural example, a silicon substrate having a (100) plane is used as the substrate 12, and the bottom surface of the device heating unit 200 is a (100) plane and the side surface is a (111) plane by anisotropic etching. A cavity C is formed.

この基板12の表面には、ポリシリコンで形成されたマイクロヒータを含むシリコン酸化膜/シリコン窒化膜の積層膜103が形成されている。デバイス加熱部200の面積は、例えば、約0.1mm2 である。On the surface of the substrate 12, a laminated film 103 of silicon oxide film/silicon nitride film including a micro-heater made of polysilicon is formed. The area of the device heating unit 200 is, for example, about 0.1 mm 2 .

図148(a)および図148(b)に示す構造例では、縦型センサ構造のデバイス加熱部200の底部には、マイクロヒータを含む積層膜103が形成されており、基板12は除去されている。すなわち、この構造例のように、第8・第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにあっては、薄層化された基板12を除去し、マイクロヒータを含む積層膜103のみが形成されていても良い。 In the structural example shown in FIGS. 148(a) and 148(b), the laminated film 103 including the micro-heater is formed on the bottom of the device heating unit 200 of the vertical sensor structure, and the substrate 12 is removed. There is. That is, as in this structural example, in the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth and ninth embodiments, the thinned substrate 12 is removed and only the laminated film 103 including the micro heater is formed. It may be formed.

(マイクロヒータ)
第8・第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいて、マイクロヒータ2は、以下のプロセスフローにより形成することができる。
(Micro heater)
In the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth and ninth embodiments, the micro heater 2 can be formed by the following process flow.

まず、シリコン基板12上に3μm厚のPSG(Phosphorus Silicon Glass)膜を形成し、その上にSiN膜を形成した後、SiN膜のパターニングを行う(高濃度にドープする部分はSiN膜除去)。 First, a PSG (Phosphorus Silicon Glass) film having a thickness of 3 μm is formed on the silicon substrate 12, a SiN film is formed on the PSG film, and then the SiN film is patterned (removal of the SiN film is performed at a high concentration portion).

次に、ポリシリコン層を形成し、例えば約1000℃程度の熱処理により、ポリシリコン層へP(リン)を拡散して高濃度ドープポリシリコン層にする。SiN膜がある部分は低濃度ドープポリシリコン層になる。 Next, a polysilicon layer is formed, and P (phosphorus) is diffused into the polysilicon layer by, for example, heat treatment at about 1000° C. to form a heavily doped polysilicon layer. The portion with the SiN film becomes a lightly doped polysilicon layer.

さらに、縦型センサ構造を形成し、BHF(5:1)でPSGエッチチングして梁構造を形成する。 Further, a vertical sensor structure is formed and PSG etching is performed with BHF (5:1) to form a beam structure.

以上のように、第8・第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいては、キャビティC上に梁構造のマイクロヒータ2を容易に形成することができる。 As described above, in the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth and ninth embodiments, the micro-heater 2 having the beam structure can be easily formed on the cavity C.

また、第8・第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいて、図148(a)および図148(b)の積層膜103の部分に配置されるマイクロヒータ2は、以下のプロセスフローにより形成するようにしても良い。 In the limiting current type gas sensor 1A according to the eighth and ninth embodiments, the microheater 2 arranged in the laminated film 103 portion of FIGS. 148(a) and 148(b) has the following process flow. It may be formed by.

まず、Si(100)基板12上にSiO2 /SiN/SiO2 の多層絶縁膜である積層膜103を形成し、その上にPtヒータ(マイクロヒータ2)を形成する。First, a laminated film 103, which is a multilayer insulating film of SiO 2 /SiN/SiO 2 , is formed on a Si (100) substrate 12, and a Pt heater (micro heater 2) is formed thereon.

次に、マイクロヒータ2上にデバイス加熱部200を形成する。 Next, the device heating unit 200 is formed on the micro heater 2.

さらに、TMAH溶液を用いてシリコン基板12を異方性エッチングすることにより、キャビティCを形成する。 Further, the cavity C is formed by anisotropically etching the silicon substrate 12 using a TMAH solution.

以上のように、このような工程によっても、キャビティC上に梁構造のマイクロヒータ2を容易に形成することができる。 As described above, the micro-heater 2 having the beam structure can be easily formed on the cavity C by such a process.

なお、動作原理に関して、第7〜第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、ガス濃度を検出する動作は、前述した通り、第1〜第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの場合と実質的に同様であるため、詳しい説明は省略する。 Regarding the operating principle, in the limiting current type gas sensors according to the seventh to ninth embodiments, as described above, the operation of detecting the gas concentration is the limiting current type gas sensors according to the first to sixth embodiments. Since it is substantially the same as the case, detailed description is omitted.

また、電気化学反応の説明に関しても、前述した通り、第1〜第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの場合と実質的に同様であるため、詳しい説明は省略する。 Further, the description of the electrochemical reaction is substantially the same as that of the limiting current type gas sensors according to the first to sixth embodiments, as described above, and thus detailed description thereof will be omitted.

また、パッケージに関しても、前述した通り、第1〜第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの場合と実質的に同様であるため、詳しい説明は省略する。 Further, as to the package, as described above, it is substantially the same as the case of the limiting current type gas sensor according to the first to sixth embodiments, and therefore detailed description thereof will be omitted.

また、エナジーハーベスタ電源を用いたセンサノードの構成例としては、前述した第1〜第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの場合と実質的に同様であるため、詳しい説明は省略する。 Further, the configuration example of the sensor node using the energy harvester power supply is substantially the same as that of the limiting current type gas sensor according to the above-described first to sixth embodiments, and therefore detailed description thereof will be omitted.

また、第7〜第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、センサパッケージの模式的ブロック構成は、前述した第1〜第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの場合と実質的に同様であるため、詳しい説明は省略する。 Further, in the limiting current type gas sensor according to the seventh to ninth embodiments, the schematic block configuration of the sensor package is substantially the same as that of the limiting current type gas sensor according to the above-described first to sixth embodiments. Since it is similar to the above, detailed description will be omitted.

さらに、第7〜第9の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを適用したセンサネットワークシステムの模式的ブロック構成は、前述した第1〜第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの場合と実質的に同様であるため、ここでの詳しい説明は省略する。 Furthermore, the schematic block configuration of the sensor network system to which the limiting current type gas sensor according to the seventh to ninth embodiments is applied is the same as that of the limiting current type gas sensor according to the above-described first to sixth embodiments. Since they are substantially the same, detailed description will be omitted here.

(第10〜第12の実施の形態)
(第10の実施の形態)
(概略構成)
第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの模式的平面パターン構成は、図149(a)に示すように表され、図149(a)のIA−IA線に沿う、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)梁構造に形成されるセンサ1Aの模式的断面構造は、図149(b)に示すように表される。
(10th to 12th embodiments)
(Tenth Embodiment)
(Schematic configuration)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment is represented as shown in FIG. 149(a), and is a MEMS (Micro Electro Micro Electrode) along a line IA-IA in FIG. 149(a). A schematic cross-sectional structure of the sensor 1A formed in a beam structure is shown in FIG. 149(b).

すなわち、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図149(a)および図149(b)に示すように、MEMS梁構造の基板12と、中央部のセンサ部分にそれぞれ対応して、基板12上に配置された多孔質電極(ポーラスPt電極)5Dと、多孔質電極5Dを覆うように配置された固体電解質層(YSZ膜)4と、多孔質電極5Dに対向する固体電解質層4上に、基板12に対して実質的に縦方向に配置された緻密電極(ポーラスPt電極)5Uとを備える。 That is, the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment corresponds to the substrate 12 having the MEMS beam structure and the sensor portion in the central portion, respectively, as shown in FIGS. 149(a) and 149(b). A porous electrode (porous Pt electrode) 5D arranged on the substrate 12, a solid electrolyte layer (YSZ film) 4 arranged so as to cover the porous electrode 5D, and a solid electrolyte facing the porous electrode 5D. On the layer 4, a dense electrode (porous Pt electrode) 5U arranged substantially in the vertical direction with respect to the substrate 12 is provided.

また、この限界電流式ガスセンサ1Aは、ほぼ全面に絶縁層3を有し、絶縁層3の上層部に所定のアスペクト比を有して形成されたガス拡散路15を介して、被測定ガス(例えば、O2 ガス)をセンサ部分に向けて導入するように構成されている。Further, the limiting current type gas sensor 1A has an insulating layer 3 on almost the entire surface thereof, and a gas to be measured (a gas to be measured) is provided via a gas diffusion path 15 formed in an upper layer portion of the insulating layer 3 with a predetermined aspect ratio. For example, O 2 gas) is introduced toward the sensor portion.

要するに、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、基板12と、基板12上のセンサ部分の領域に絶縁層3を介して配置された多孔質電極5Dと、多孔質電極5Dの上面部に配置された固体電解質層4と、固体電解質層4上の、多孔質電極5Dに対向する面に配置された緻密電極5Uと、所定のアスペクト比を有し、被測定ガスをセンサ部分に向けて導入するガス拡散路15とを備える。 In short, the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment includes the substrate 12, the porous electrode 5D arranged in the region of the sensor portion on the substrate 12 via the insulating layer 3, and the porous electrode 5D. The solid electrolyte layer 4 arranged on the upper surface part, the dense electrode 5U arranged on the surface of the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D, and a predetermined aspect ratio, and a gas to be measured is used as a sensor part. And a gas diffusion path 15 that is introduced toward.

ガス拡散路15は、被測定ガスを取り込むガス取込口15b、被測定ガスを導入するガス導入口15c、およびガス導入口15cとガス取込口15bとをつなぐガス流路(マイクロ流路)15aを有し、アスペクト比(マイクロ流路の流路長と流路断面積との比)に応じて、被測定ガスの流量制御が可能となっている。 The gas diffusion path 15 includes a gas intake port 15b for taking in the measurement gas, a gas introduction port 15c for introducing the measurement gas, and a gas flow path (micro flow path) connecting the gas introduction port 15c and the gas intake port 15b. 15a, the flow rate of the gas to be measured can be controlled according to the aspect ratio (ratio between the channel length of the microchannel and the channel cross-sectional area).

実際には、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいて、ガス拡散路15のアスペクト比が、例えば「流路長/断面積=100μm-1(所定のアスペクト比)」となるように、ガス流路15aが、幅(W)=30μm、深さ(D)=0.1μm、長さ(L)=300μmで形成される(アスペクト比は、3以上で限界電流特性が良好となる)。Actually, in the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment, the gas diffusion path 15 has an aspect ratio of, for example, "flow channel length/cross-sectional area=100 μm -1 (predetermined aspect ratio)". In addition, the gas flow path 15a is formed with a width (W)=30 μm, a depth (D)=0.1 μm, and a length (L)=300 μm (the aspect ratio is 3 or more, and the limiting current characteristic is good). Become).

すなわち、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、ガス流路15aのアスペクト比に応じて被測定ガスの流量制御が可能であり、アスペクト比を大きくできることによりセンサ特性を改善できると共に、ガス拡散路15の形成の精度を高めることによって、センサ特性をより安定化させることができる。 That is, in the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment, the flow rate of the gas to be measured can be controlled according to the aspect ratio of the gas passage 15a, and the sensor characteristic can be improved by increasing the aspect ratio. By increasing the accuracy of forming the gas diffusion path 15, the sensor characteristics can be further stabilized.

なお、ガス拡散路15のガス取込口15bは、絶縁層3の上層部側の非センサ部分の領域に対応して上方に開口状態で設けられ、ガス導入口15cは、絶縁層3の上層部側のセンサ部分の領域に対応して上方に開口状態で設けられ、ガス流路15aは、絶縁層3の上層部内部にほぼ水平方向に埋め込み形成される。 The gas inlet 15b of the gas diffusion path 15 is provided in an open state corresponding to the region of the non-sensor portion on the upper layer side of the insulating layer 3, and the gas inlet 15c is the upper layer of the insulating layer 3. The gas flow path 15a is provided in an open state corresponding to the area of the sensor portion on the side of the portion, and the gas flow path 15a is formed substantially horizontally in the upper layer portion of the insulating layer 3.

また、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、絶縁層3にパターニングされた開口部3a・3a内を埋め込むヒータ用電極部(Pt/Ti積層膜)9a・9aを介して、電極層2a・2aにつながるマイクロヒータ2に、固体電解質層4を加熱するための所定電圧が印加される。 In addition, the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment is configured such that the heater electrode portions (Pt/Ti laminated film) 9a and 9a embedded in the openings 3a and 3a patterned in the insulating layer 3 are provided. A predetermined voltage for heating the solid electrolyte layer 4 is applied to the micro-heater 2 connected to the electrode layers 2a and 2a.

また、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、絶縁層3における開口部3b・3bに、例えばPt/Ti積層膜が埋め込まれた一方・他方の検出端子9b・9bと、絶縁層3における開口部3c・3cに、例えばPt/Ti積層膜が埋め込まれた一方・他方の接続端子9c・9cと、をさらに備える。一方・他方の検出端子9b・9bと一方・他方の接続端子9c・9cとの間は、それぞれ、電極層2a・2aと同層の電極層2b・2bを介して接続されている。 In addition, the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment is insulated from the one and the other detection terminals 9b and 9b in which, for example, a Pt/Ti laminated film is embedded in the openings 3b and 3b in the insulating layer 3. The openings 3c and 3c in the layer 3 are further provided with one and the other connection terminals 9c and 9c in which, for example, a Pt/Ti laminated film is embedded. One and the other detection terminals 9b and 9b and the one and the other connection terminals 9c and 9c are connected via the electrode layers 2a and 2a and the same electrode layers 2b and 2b, respectively.

そして、一方・他方の検出端子9b・9bには、被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路107が接続される。また、一方の検出端子9bにつながる一方の接続端子9cには、多孔質電極5Dの延出端が、他方の検出端子9bにつながる他方の接続端子9cには、緻密電極5Uの延出端が、それぞれ接続されている。 A detection circuit 107 for detecting a predetermined gas concentration in the measured gas by a limiting current method is connected to the one and the other detection terminals 9b and 9b. Further, the extension end of the porous electrode 5D is provided at the one connection terminal 9c connected to the one detection terminal 9b, and the extension end of the dense electrode 5U is provided at the other connection terminal 9c connected to the other detection terminal 9b. , Each connected.

なお、Ptは、多孔質材料としての白金(Platinum)であり、Tiは、電極材料としてのチタン(Titanium)であり、YSZは、固体電解質材料としてのイットリウム安定化ジルコニア(Yttria-Stabilized Zirconia)である。 In addition, Pt is platinum (Platinum) as a porous material, Ti is titanium (Titanium) as an electrode material, and YSZ is yttrium-stabilized zirconia (Yttria-Stabilized Zirconia) as a solid electrolyte material. is there.

ここで、絶縁層3は、例えばSiON膜(シリコン膣化膜)が1.0μm以上の厚さで形成される。 Here, the insulating layer 3 is formed of, for example, a SiON film (silicon vaginated film) with a thickness of 1.0 μm or more.

電極層2a・2aおよび電極層2b・2bは、0.3μm程度の厚さのポリシリコン層であって、イオン注入によってマイクロヒータ2よりも高濃度に形成される。 The electrode layers 2a, 2a and the electrode layers 2b, 2b are polysilicon layers having a thickness of about 0.3 μm, and are formed in a higher concentration than the micro heater 2 by ion implantation.

ヒータ用電極部9a・9a、検出端子9b・9b、および接続端子9c・9cは、例えば、20nm厚のTi膜と100nm厚のPt膜との積層膜によって形成される。 The heater electrode portions 9a and 9a, the detection terminals 9b and 9b, and the connection terminals 9c and 9c are formed of, for example, a laminated film of a Ti film having a thickness of 20 nm and a Pt film having a thickness of 100 nm.

多孔質電極5Dは、ポーラスPt膜によって、例えば、約100nmの厚さで形成される。なお、多孔質電極5Dの形成には、孔径数μm程度のTi/Ptの積層膜を用いることも可能である。 The porous electrode 5D is formed of a porous Pt film with a thickness of, for example, about 100 nm. It is also possible to use a Ti/Pt laminated film having a pore diameter of about several μm for forming the porous electrode 5D.

固体電解質層4は、約1μmの厚さのYSZ膜で形成される。薄いと、上下の電極5D・5U間が導通してしまうためである。例えば、固体電解質層4は、多孔質電極5Dの周囲を覆うようにして配置され、上下の電極5D・5U間の導通が防がれる。 The solid electrolyte layer 4 is formed of a YSZ film having a thickness of about 1 μm. This is because if it is thin, the upper and lower electrodes 5D and 5U are electrically connected. For example, the solid electrolyte layer 4 is arranged so as to cover the periphery of the porous electrode 5D, and conduction between the upper and lower electrodes 5D and 5U is prevented.

MEMS梁構造の基板12は、平面視において、センサ部分を取り囲むように配置された開放型構造を有しており、例えば、約10μm厚のシリコン基板などで形成される。 The substrate 12 having the MEMS beam structure has an open structure that is arranged so as to surround the sensor portion in a plan view, and is formed of, for example, a silicon substrate having a thickness of about 10 μm.

ここで、多孔質電極5Dは、ガス拡散路15のガス導入口15cに対向する面に配置され、後述する金属粒子焼結層および金属粒子焼結層に形成された微細ガス導入路(図示せず)を有する。 Here, the porous electrode 5D is arranged on the surface of the gas diffusion path 15 that faces the gas introduction port 15c, and a fine gas introduction path (not shown) formed in the metal particle sintered layer and the metal particle sintered layer described later. Have).

例えば、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいては、電極5D・5U自体をナノ構造に形成している。すなわち、カーボンナノチューブ(CNT)を混ぜたPtを焼結し、最後にCNTを焼き飛ばして微細ガス導入路を形成した金属粒子焼結層(緻密Pt)を多孔質電極5Dとして適用しても良い。CNTの代わりに、カーボンナノ粒子を適用しても良い。 For example, in the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment, the electrodes 5D and 5U themselves are formed in a nanostructure. That is, Pt mixed with carbon nanotubes (CNT) may be sintered, and finally the CNT may be burnt off to form a fine gas introduction path to form a metal particle sintered layer (dense Pt) as the porous electrode 5D. .. Carbon nanoparticles may be applied instead of CNTs.

なお、多孔質電極5Dにおける微細ガス導入路は、例えば、金属粒子焼結層に含有されるナノメートルスケールを有するナノワイヤ、ナノチューブ、ナノ粒子などの熱処理工程もしくは熱処理工程と組み合わせたエッチング処理工程によって形成可能である。ナノワイヤ、ナノチューブ、ナノ粒子は、例えば、炭素(C)、酸化亜鉛(ZnO)などによって形成可能である。 The fine gas introduction path in the porous electrode 5D is formed by, for example, a heat treatment process of nanowires, nanotubes, nanoparticles, etc. having a nanometer scale contained in the metal particle sintered layer, or an etching treatment process combined with the heat treatment process. It is possible. Nanowires, nanotubes, and nanoparticles can be formed of, for example, carbon (C), zinc oxide (ZnO), or the like.

すなわち、多孔質電極5Dにおける金属粒子焼結層および金属粒子焼結層に形成される微細ガス導入路については、ここでの詳細な説明は割愛するが、金属粒子焼結層は、ナノワイヤを備えていても良い。ナノワイヤは、CNTもしくはZnOを備えていても良い。また、金属粒子焼結層は、カーボンナノチューブもしくはカーボンナノ粒子を備え、微細ガス導入路は、金属粒子焼結層の大気中での燃焼により、カーボンナノナノチューブもしくはカーボンナノ粒子が燃焼されることによって形成されていても良い。また、金属粒子焼結層は、ZnOを備え、微細ガス導入路は、金属粒子焼結層の大気中での燃焼後、ウェットエッチングによりZnOがエッチングされることによって形成されていても良い。 That is, a detailed description of the metal particle sintered layer and the fine gas introduction path formed in the metal particle sintered layer in the porous electrode 5D will be omitted here, but the metal particle sintered layer includes nanowires. It may be. The nanowire may include CNT or ZnO. Further, the metal particle sintered layer is provided with carbon nanotubes or carbon nanoparticles, and the fine gas introduction path is formed by the combustion of the metal particle sintered layer in the atmosphere, whereby the carbon nanotubes or carbon nanoparticles are burned. It may be formed. The metal particle sintered layer may be provided with ZnO, and the fine gas introduction path may be formed by etching ZnO by wet etching after burning the metal particle sintered layer in the atmosphere.

さらには、金属粒子焼結層の金属粒子は、Pt、Ag、Pd、Au、もしくはRuのいずれかを備えていても良い。また、金属粒子焼結層は、金属粒子焼結層中に閉じ込められて大気中での燃焼により、燃焼されないナノワイヤを備えていても良い。ナノワイヤもしくはナノ粒子は、直径が約0.1μm以下を備える。また、ナノワイヤの長さは、例えば、約10μm以下である。ナノワイヤを使用するメリットは、ナノワイヤの形状(径、長さ)によりガス透過量制御が可能であり、また、ナノワイヤの割合によりガス透過量制御が可能なことである。 Furthermore, the metal particles of the metal particle sintered layer may include any one of Pt, Ag, Pd, Au, and Ru. Further, the metal particle sintered layer may include nanowires that are confined in the metal particle sintered layer and are not burned by burning in the atmosphere. The nanowires or nanoparticles have a diameter of about 0.1 μm or less. The length of the nanowire is, for example, about 10 μm or less. The advantage of using the nanowires is that the gas permeation amount can be controlled by the shape (diameter, length) of the nanowires, and the gas permeation amount can be controlled by the ratio of the nanowires.

このように、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、多孔質電極5Dの微細ガス導入路の形状によりガス透過量制御可能である。また、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、多孔質電極5Dの微細ガス導入路の含有割合によりガス透過量制御可能である。 As described above, in the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment, the gas permeation amount can be controlled by the shape of the fine gas introduction passage of the porous electrode 5D. Further, the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment can control the gas permeation amount by the content ratio of the fine gas introduction passage of the porous electrode 5D.

一方、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、図149(a)および図149(b)に示すように、MEMS梁構造の基板12上に配置された絶縁層(例えば、0.5μm厚のSiON膜)1aをさらに備え、少なくともセンサ部分の絶縁層1aと絶縁層3との間には、電極層2a・2aと同層において、加熱用のマイクロヒータ2が埋め込まれている。マイクロヒータ2は、0.3μm程度の厚さのポリシリコン層(ポリシリコンヒータ)であって、イオン注入により抵抗値が300Ω程度とされる。 On the other hand, in the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment, as shown in FIGS. 149(a) and 149(b), an insulating layer (for example, 0 .5 μm thick SiON film) 1a is further provided, and a micro-heater 2 for heating is embedded in the same layer as the electrode layers 2a and 2a at least between the insulating layer 1a and the insulating layer 3 in the sensor portion. .. The microheater 2 is a polysilicon layer (polysilicon heater) having a thickness of about 0.3 μm, and has a resistance value of about 300Ω by ion implantation.

マイクロヒータ2は、ヒータ用電極部9a・9a間に所定電圧が印加されることによって、固体電解質層4を加熱する。なお、マイクロヒータ2は、印刷により形成されたPtヒータなどによっても形成可能である。 The microheater 2 heats the solid electrolyte layer 4 by applying a predetermined voltage between the heater electrode portions 9a and 9a. The micro heater 2 can also be formed by a Pt heater or the like formed by printing.

第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aは、MEMS構造を有する梁構造(開放型構造)を基本構造とすることによって、センサ部分の熱容量を低減化し、センサ感度の向上を図っている。 The limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment has a beam structure (open type structure) having a MEMS structure as a basic structure to reduce the heat capacity of the sensor portion and improve the sensor sensitivity. ..

なお、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいて、マイクロヒータ2は、センサ部分である基板12と多孔質電極5Dとの相互間に絶縁層1a・3を介して配置される場合に限らず、多孔質電極5Dの形成面側に対向する絶縁層1aの下面、または基板12の下部に配置されていても良い。また、マイクロヒータ2は、基板12の内部に埋め込まれていても良い。もしくは、基板12の表面に、ポリシリコンで形成されたマイクロヒータ2を含むシリコン酸化膜/シリコン窒化膜の積層膜(図示せず)が形成された構成としても良い。 In the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment, the microheater 2 is arranged between the substrate 12 which is a sensor portion and the porous electrode 5D with the insulating layers 1a and 3 interposed therebetween. Not limited to this, it may be disposed on the lower surface of the insulating layer 1a facing the surface on which the porous electrode 5D is formed, or on the lower portion of the substrate 12. Further, the micro heater 2 may be embedded inside the substrate 12. Alternatively, it may be configured such that a laminated film (not shown) of a silicon oxide film/silicon nitride film including the micro-heater 2 formed of polysilicon is formed on the surface of the substrate 12.

第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aにおいては、図149(a)および図149(b)に示すように、例えば、緻密電極5Uと多孔質電極5Dとに供給する検出用の電圧を検出端子9b・9b間に印加することにより、被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路107が接続される。 In the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment, as shown in FIGS. 149(a) and 149(b), for example, a detection voltage supplied to the dense electrode 5U and the porous electrode 5D. Is applied between the detection terminals 9b and 9b to connect the detection circuit 107 for detecting a predetermined gas concentration in the gas to be measured by the limiting current method.

検出回路107は、限界電流に基づいて酸素濃度を検出することができる。また、検出回路107は、限界電流に基づいて水蒸気濃度を検出することができる。 The detection circuit 107 can detect the oxygen concentration based on the limiting current. Further, the detection circuit 107 can detect the water vapor concentration based on the limiting current.

なお、ヒータ用電極部9a・9aと検出端子9b・9bとは、互いの方向がほぼ直交するように配置されている。 The heater electrode portions 9a, 9a and the detection terminals 9b, 9b are arranged so that their directions are substantially orthogonal to each other.

第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aによれば、ガス拡散路15のアスペクト比を大きくできることにより、センサ特性の改善が容易に可能である。 According to the limiting current type gas sensor 1A of the tenth embodiment, the aspect ratio of the gas diffusion path 15 can be increased, so that the sensor characteristics can be easily improved.

(製造方法)
第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、センサ部分に対応する基板12上の領域に絶縁層3を介して多孔質電極5Dを形成する工程と、多孔質電極5Dの上面部に固体電解質層4を形成する工程と、固体電解質層4上の、多孔質電極5Dに対向する面に緻密電極5Uを形成する工程と、所定のアスペクト比を有し、被測定ガスをセンサ部分に向けて導入するガス拡散路15を絶縁層3の上層部に形成する工程とを有する。
(Production method)
The method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment includes a step of forming the porous electrode 5D in a region corresponding to the sensor portion on the substrate 12 via the insulating layer 3 and a step of forming the porous electrode 5D. A step of forming the solid electrolyte layer 4 on the upper surface, a step of forming the dense electrode 5U on the surface of the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D, and a predetermined aspect ratio, And forming a gas diffusion path 15 introduced toward the sensor portion in the upper layer portion of the insulating layer 3.

より詳しくは、図149(a)および図149(b)に示した第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの製造方法は、図150〜図161に示すように表される。ここでは、ガス流路15aのアスペクト比が100(所定のアスペクト比)となるように、幅(W)=30μm、深さ(D)=0.1μm、長さ(L)=300μmのガス流路15aを形成する場合について説明する。 More specifically, a method of manufacturing the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment shown in FIGS. 149(a) and 149(b) is represented as shown in FIGS. 150 to 161. Here, a gas flow having a width (W)=30 μm, a depth (D)=0.1 μm, and a length (L)=300 μm so that the aspect ratio of the gas flow path 15a is 100 (predetermined aspect ratio). The case of forming the path 15a will be described.

(a)まず、図150(a)および図150(b)に示すように、約10μm厚のシリコン製の基板12を用意し、その基板12の上面にプラズマCVD(P−CVD)法により約0.5μm厚のSiON膜からなる絶縁層1aを形成する。 (A) First, as shown in FIGS. 150(a) and 150(b), a substrate 12 made of silicon having a thickness of about 10 μm is prepared, and an upper surface of the substrate 12 is subjected to a plasma CVD (P-CVD) method. An insulating layer 1a made of a SiON film having a thickness of 0.5 μm is formed.

(b)次いで、図151(a)および図151(b)に示すように、絶縁層1a上に0.3μm程度の厚さのポリシリコン層を形成すると共に、そのポリシリコン層をエッチングなどによりパターニングして、マイクロヒータ2およびマイクロヒータ2につながる電極層2a・2aと電極層2b・2bとを形成する。電極層2a・2aおよび電極層2b・2bは互いに直交する位置に形成される。マイクロヒータ2は、電極層2a・2a間における幅が約300μmとなるように形成される。 (B) Next, as shown in FIGS. 151(a) and 151(b), a polysilicon layer having a thickness of about 0.3 μm is formed on the insulating layer 1a, and the polysilicon layer is etched or the like. By patterning, the micro-heater 2 and the electrode layers 2a, 2a and the electrode layers 2b, 2b connected to the micro-heater 2 are formed. The electrode layers 2a, 2a and the electrode layers 2b, 2b are formed at positions orthogonal to each other. The micro heater 2 is formed so that the width between the electrode layers 2a and 2a is about 300 μm.

また、イオン注入法により、マイクロヒータ2は、電極層2a・2a間の抵抗値が300Ωとなるように濃度設定され、電極層2a・2aおよび電極層2b・2bは、マイクロヒータ2よりも高濃度に形成(インプラ)される。 The concentration of the micro heater 2 is set by the ion implantation method so that the resistance value between the electrode layers 2a and 2a is 300Ω, and the electrode layers 2a and 2a and the electrode layers 2b and 2b are higher than the micro heater 2. It is formed (implanted) to a concentration.

(c)次いで、図152(a)および図152(b)に示すように、全面にP−CVD法により約0.5μm厚のSiON膜(第1絶縁膜)3を形成する。(C) Next, as shown in FIG. 152 (a) and FIG. 152 (b), SiON film (first insulating film) of about 0.5μm thick by P-CVD method on the entire surface to form a 3 1.

(d)次いで、図153(a)および図153(b)に示すように、SiON膜3の上面のガス拡散路15を形成する部位に、ガス流路15aを形成するための流路形成膜19aを成膜(デポ+パターニング)する。(D) Next, as shown in FIG. 153 (a) and FIG. 153 (b), a portion for forming a gas diffusion path 15 in the upper surface of the SiON film 3 1, the flow path forming for forming a gas flow path 15a The film 19a is formed (deposition+patterning).

流路形成膜19aは、絶縁層3を構成するSiON膜3とはエッチングの選択比が異なる膜形成部材、例えばポリシリコン膜を用いて形成される。また、流路形成膜19aは、ガス流路15aのアスペクト比が、例えば「流路長/流路断面積=100(所定のアスペクト比)」となるように、ガス取込口15bおよびガス導入口15cを含む長さ(L)が400μm、幅(W)が30μm、厚さ(深さ(D))が0.1μmで形成される。Flow channel forming film 19a is etching selectivity is different from the film forming member is formed using, for example, a polysilicon film and the SiON film 3 1 which constitutes the insulating layer 3. Further, the flow path forming film 19a and the gas introduction port 15b and the gas introduction so that the aspect ratio of the gas flow path 15a is, for example, “flow path length/flow path cross-sectional area=100 (predetermined aspect ratio)”. The length (L) including the opening 15c is 400 μm, the width (W) is 30 μm, and the thickness (depth (D)) is 0.1 μm.

ここで、ガス拡散路15の所定のアスペクト比は、ガス流路15aの流路長を長くしたり、ガス流路15aの断面積(流路断面積)を小さくすることによって、容易に大きくでき、ガス拡散路15のアスペクト比を大きくすることによって、センサ特性の改善が可能である。 Here, the predetermined aspect ratio of the gas diffusion path 15 can be easily increased by increasing the flow path length of the gas flow path 15a or decreasing the cross-sectional area (flow path cross-sectional area) of the gas flow path 15a. The sensor characteristics can be improved by increasing the aspect ratio of the gas diffusion path 15.

(e)次いで、図154(a)および図154(b)に示すように、流路形成膜19aの一端部側に重なるように、ガス取込口15bを形成するための取込口形成膜19bを約0.5μmの厚さとなるようにデポすると共に、流路形成膜19aの他端部側に重なるように、ガス導入口15cを形成するための導入口形成膜19cを約0.5μmの厚さとなるようにデポする。取込口形成膜19bおよび導入口形成膜19cは、共に、絶縁層3を構成するSiON膜3とはエッチングの選択比が異なる膜形成部材、例えばポリシリコン膜を用いて形成される。(E) Next, as shown in FIGS. 154(a) and 154(b), an intake port forming film for forming the gas intake port 15b so as to overlap with one end side of the flow channel forming film 19a. 19b is deposited to a thickness of about 0.5 μm, and an introduction port forming film 19c for forming the gas introduction port 15c is formed to a thickness of about 0.5 μm so as to overlap the other end side of the flow path forming film 19a. Depot to the thickness of. Inlet formed film 19b and the introduction port forming layer 19c are both etching selectivity is different from the film forming member is formed using, for example, a polysilicon film and the SiON film 3 1 which constitutes the insulating layer 3.

すなわち、取込口形成膜19bおよび導入口形成膜19cを、例えば直径が50μm程度の円形状とし、流路形成膜19aの両端部にそれぞれ重なるように形成することで、長さ(L)が300μmのガス流路15aを形成することが可能である。 That is, the intake port forming film 19b and the introducing port forming film 19c are formed in a circular shape having a diameter of, for example, about 50 μm and are formed so as to overlap with both ends of the flow path forming film 19a, respectively, so that the length (L) is It is possible to form the gas flow path 15a of 300 μm.

これらガス拡散路15を形成するための、流路形成膜19a、取込口形成膜19b、および導入口形成膜19cの形成は、多孔質電極5Dを形成する前に行われる。 The formation of the flow path forming film 19a, the intake port forming film 19b, and the introduction port forming film 19c for forming these gas diffusion paths 15 is performed before forming the porous electrode 5D.

(f)次いで、図155(a)および図155(b)に示すように、取込口形成膜19bおよび導入口形成膜19cの上面と同じ高さとなるように、ポリシリコン膜とはエッチングの選択比が異なる膜形成部材、例えばSiON膜(第2絶縁膜)3により流路形成膜19a上を埋め込む。(F) Next, as shown in FIGS. 155(a) and 155(b), the polysilicon film is etched so that it has the same height as the upper surfaces of the intake port forming film 19b and the inlet port forming film 19c. film forming member selected ratios are different, for example, a SiON film (second insulating film) 3 2 by embedding the upper passage-forming layer 19a.

つまり、絶縁層3を構成するSiON膜3は、P−CVD法により約0.6μmの厚さとなるように全面的にデポされる。That, SiON film 3 2 constituting the insulating layer 3 is entirely depot so as to have a thickness of about 0.6μm by P-CVD method.

(g)次いで、図156(a)および図156(b)に示すように、絶縁層3を選択的に除去し、電極層2a・2aにつながる開口部3a・3aと、電極層2b・2bにつながる開口部3b・3bおよび開口部3c・3cと、を開口する。 (G) Next, as shown in FIGS. 156(a) and 156(b), the insulating layer 3 is selectively removed, and the openings 3a and 3a connected to the electrode layers 2a and 2a and the electrode layers 2b and 2b. The openings 3b and 3b and the openings 3c and 3c connected to the.

(h)次いで、図157(a)および図157(b)に示すように、開口部3a・3a、開口部3b・3b、および開口部3c・3cの内部を、例えばPt/Ti積層膜により埋め込み、Ti膜とPt膜との積層膜からなるヒータ用電極部9a・9a、検出端子9b・9b、および接続端子9c・9cを形成する。 (H) Next, as shown in FIGS. 157(a) and 157(b), the insides of the openings 3a and 3a, the openings 3b and 3b, and the openings 3c and 3c are formed by, for example, a Pt/Ti laminated film. Buried, heater electrode portions 9a, 9a, detection terminals 9b, 9b, and connection terminals 9c, 9c made of a laminated film of a Ti film and a Pt film are formed.

なお、ヒータ用電極部9a・9a、検出端子9b・9b、および接続端子9c・9cとしては、例えば、側壁と底部とに沿って20nm厚のTi膜を形成し、一部が絶縁層3上に突出および絶縁層3上を被覆するように、その内部に100nm厚のPt膜が埋め込まれた構成としても良い。 As the heater electrode portions 9a and 9a, the detection terminals 9b and 9b, and the connection terminals 9c and 9c, for example, a Ti film having a thickness of 20 nm is formed along the side wall and the bottom portion, and a part of the Ti film is formed on the insulating layer 3. In addition, a Pt film having a thickness of 100 nm may be embedded inside so as to cover the protrusion and the insulating layer 3.

(i)次いで、図158(a)および図158(b)に示すように、スパッタ法などにより100nm厚程度のポーラスPt膜からなる多孔質電極5Dを約200μmの幅(ガス拡散路15に沿う方向の長さ)で形成し、絶縁層3の表面に露出する導入口形成膜19cの上面を塞ぐと共に、センサ部分より延びる多孔質電極5Dの延出端を一方の接続端子9cに接続させる。 (I) Next, as shown in FIGS. 158(a) and 158(b), a porous electrode 5D made of a porous Pt film having a thickness of about 100 nm is formed with a width of about 200 μm (along the gas diffusion path 15) by a sputtering method or the like. (The length in the direction), the upper surface of the introduction port forming film 19c exposed on the surface of the insulating layer 3 is closed, and the extended end of the porous electrode 5D extending from the sensor portion is connected to one connection terminal 9c.

(j)次いで、図159(a)および図159(b)に示すように、スパッタ法によりYSZ膜からなる固体電解質層4を約1μmの厚さで形成する。固体電解質層4を、例えば250μm程度の幅(ガス拡散路15に沿う方向の長さ)で形成することによって、センサ部分の一方の接続端子9cに接続される多孔質電極5Dの延出端側を除く、多孔質電極5Dの周囲を被覆する。 (J) Next, as shown in FIGS. 159(a) and 159(b), a solid electrolyte layer 4 made of a YSZ film is formed to a thickness of about 1 μm by a sputtering method. By forming the solid electrolyte layer 4 to have a width (length in the direction along the gas diffusion path 15) of about 250 μm, for example, the extension end side of the porous electrode 5D connected to one connection terminal 9c of the sensor portion. The periphery of the porous electrode 5D except for is covered.

(k)次いで、図160(a)および図160(b)に示すように、緻密電極5Uとして、スパッタ法によりセンサ部分における固体電解質層4上の多孔質電極5Dに対向する面に100nm厚程度のポーラスPt膜を形成し、かつセンサ部分より延びるポーラスPt膜の延出端を他方の接続端子9cに接続させる。 (K) Next, as shown in FIGS. 160(a) and 160(b), as the dense electrode 5U, a thickness of about 100 nm is formed on the surface of the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D in the sensor portion by the sputtering method. The porous Pt film is formed, and the extended end of the porous Pt film extending from the sensor portion is connected to the other connection terminal 9c.

(l)次いで、図161(a)および図161(b)に示すように、センサ部分に対応する基板12を選択的に深掘りエッチングし、MEMS梁構造の基板12を、キャビティC(Cavity:空洞)を開放構造に形成した開放型構造に形成する。キャビティCとしては、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aのサイズにもよるが、ガス拡散路15に直交する方向の長さ×ガス拡散路15に沿う方向の長さとして、500μm×400μm程度が望ましい。 (L) Next, as shown in FIGS. 161(a) and 161(b), the substrate 12 corresponding to the sensor portion is selectively deep-etched to remove the substrate 12 having the MEMS beam structure from the cavity C (Cavity: (Cavity) is formed into an open structure having an open structure. As the cavity C, depending on the size of the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment, the length in the direction orthogonal to the gas diffusion path 15×the length in the direction along the gas diffusion path 15 is 500 μm. ×400 μm is preferable.

(m)この後、ガス拡散路15を形成するための、流路形成膜19a、取込口形成膜19b、および導入口形成膜19cを構成するポリシリコン膜を、例えばウェットエッチングによって選択的に除去することにより、図149(a)および図149(b)に示した構成を有する、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aが得られる。 (M) After that, the polysilicon films forming the flow channel forming film 19a, the intake port forming film 19b, and the inlet port forming film 19c for forming the gas diffusion path 15 are selectively etched by, for example, wet etching. By removing, the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment having the configuration shown in FIGS. 149(a) and 149(b) is obtained.

以上のように、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aによれば、ガス流路15aの流路長を長くしたり、ガス流路15aの断面積(流路断面積)を小さくすることによって、ガス拡散路15のアスペクト比を簡単に大きくできるようになるため、センサ特性の改善が容易に可能となる。 As described above, according to the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment, the flow path length of the gas flow path 15a is lengthened or the cross-sectional area (flow path cross-sectional area) of the gas flow path 15a is reduced. By doing so, the aspect ratio of the gas diffusion path 15 can be easily increased, so that the sensor characteristics can be easily improved.

しかも、第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aによれば、アスペクト比の大きなガス拡散路15を正確(精密)に形成できるので、センサ特性をより安定させることができる。 Moreover, according to the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment, the gas diffusion path 15 having a large aspect ratio can be formed accurately (precision), so that the sensor characteristics can be further stabilized.

なお、ガス導入口15cは、センサ部分のほぼ中心部に配置されるが、ガス取込口15bは、非センサ部分の領域ならばどこへでも自由に配置することが可能であり、所望の流路長を有するガス流路15aの形成が容易である。 Although the gas inlet port 15c is arranged substantially in the center of the sensor part, the gas inlet port 15b can be freely arranged anywhere in the non-sensor part, and the desired flow can be obtained. It is easy to form the gas flow path 15a having a path length.

(第11の実施の形態)
(概略構成)
第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ2Aの模式的平面パターン構成は、図162(a)に示すように表され、図162(a)のIIA−IIA線に沿う、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)梁構造に形成されるセンサ2Aの模式的断面構造は、図162(b)に示すように表される。
(Eleventh Embodiment)
(Schematic configuration)
A schematic planar pattern configuration of the limiting current type gas sensor 2A according to the eleventh embodiment is represented as shown in FIG. 162(a), and is a MEMS (Micro Electro Micro Electrode) along a line IIA-IIA in FIG. 162(a). A schematic cross-sectional structure of the sensor 2A formed in the mechanical system) beam structure is represented as shown in FIG. 162(b).

図162(a)および図162(b)に示すように、第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ2Aは、MEMS梁構造の基板12が、上述した第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aのそれとは異なり、それ以外の構成は同一なので重複する説明はできるだけ省略し、製造方法についてより詳しく説明する。 As shown in FIGS. 162(a) and 162(b), in the limiting current type gas sensor 2A according to the eleventh embodiment, the substrate 12 of the MEMS beam structure is the limit according to the tenth embodiment described above. Different from that of the current type gas sensor 1A, the other structure is the same, and thus the duplicated description is omitted as much as possible, and the manufacturing method will be described in more detail.

すなわち、第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ2Aは、図162(a)および図162(b)に示すように、キャビティCが船型構造を有するMEMS梁構造の基板12と、中央部のセンサ部分にそれぞれ対応して、基板12上に配置された多孔質電極(ポーラスPt電極)5Dと、多孔質電極5Dを覆うように配置された固体電解質層(YSZ膜)4と、多孔質電極5Dに対向する固体電解質層4上に、基板12に対して実質的に縦方向に配置された緻密電極(ポーラスPt電極)5Uとを備える。 That is, in the limiting current type gas sensor 2A according to the eleventh embodiment, as shown in FIGS. 162(a) and 162(b), the substrate 12 having the MEMS beam structure in which the cavity C has the boat shape, and the central portion. Corresponding to the respective sensor portions of, the porous electrode (porous Pt electrode) 5D arranged on the substrate 12, the solid electrolyte layer (YSZ film) 4 arranged so as to cover the porous electrode 5D, and the porous electrode. On the solid electrolyte layer 4 facing the electrode 5D, a dense electrode (porous Pt electrode) 5U arranged substantially in the vertical direction with respect to the substrate 12 is provided.

また、この限界電流式ガスセンサ2Aは、ほぼ全面に絶縁層3を有し、絶縁層3の上層部に所定のアスペクト比を有して形成されたガス拡散路15を介して、被測定ガス(例えば、O2 ガス)をセンサ部分に向けて導入するように構成されている。Further, the limiting current type gas sensor 2A has an insulating layer 3 on almost the entire surface thereof, and a gas to be measured (through a gas diffusion path 15 formed in the upper layer portion of the insulating layer 3 with a predetermined aspect ratio). For example, O 2 gas) is introduced toward the sensor portion.

第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ2Aによっても、ガス拡散路15のアスペクト比を大きくできることにより、センサ特性の改善が容易に可能であり、またガス拡散路15を正確に形成できるので、センサ特性をより安定させることができる。 Also with the limiting current type gas sensor 2A according to the eleventh embodiment, since the aspect ratio of the gas diffusion path 15 can be increased, the sensor characteristics can be easily improved, and the gas diffusion path 15 can be accurately formed. The sensor characteristics can be made more stable.

(製造方法)
第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ2Aの製造方法は、図163〜図173に示すように表される。
(Production method)
A method of manufacturing the limiting current type gas sensor 2A according to the eleventh embodiment is represented as shown in FIGS. 163 to 173.

(a)まず、図163(a)および図163(b)に示すように、約10μm厚のシリコン製の基板12を用意し、その上面の、船型構造のキャビティCを形成する部位に応じて、例えば基板12とはエッチングの選択比が異なるポリシリコン膜1bを0.1μm程度の厚さとなるようにデポする。 (A) First, as shown in FIGS. 163(a) and 163(b), a silicon substrate 12 having a thickness of about 10 μm is prepared, and the upper surface of the substrate 12 is formed in accordance with the region where the cavity C of the boat-shaped structure is formed. For example, the polysilicon film 1b having a different etching selection ratio from the substrate 12 is deposited so as to have a thickness of about 0.1 μm.

その後、P−CVD法により、例えばポリシリコン膜1bとはエッチングの選択比が異なるSiON膜をデポし、基板12の上面に0.5μm程度の厚さの絶縁層1aを形成する。 Then, a P-CVD method is used to deposit, for example, a SiON film having an etching selection ratio different from that of the polysilicon film 1b to form an insulating layer 1a having a thickness of about 0.5 μm on the upper surface of the substrate 12.

(b)次いで、図164(a)および図164(b)に示すように、絶縁層1a上に0.3μm程度の厚さのポリシリコン層を形成すると共に、そのポリシリコン層をエッチングなどによりパターニングして、マイクロヒータ2およびマイクロヒータ2につながる電極層2a・2aと、電極層2b・2bとを形成する。電極層2a・2aおよび電極層2b・2bは互いに直交する位置に形成される。 (B) Next, as shown in FIGS. 164(a) and 164(b), a polysilicon layer having a thickness of about 0.3 μm is formed on the insulating layer 1a, and the polysilicon layer is etched or the like. By patterning, the micro heater 2 and the electrode layers 2a and 2a connected to the micro heater 2 and the electrode layers 2b and 2b are formed. The electrode layers 2a, 2a and the electrode layers 2b, 2b are formed at positions orthogonal to each other.

また、イオン注入法により、マイクロヒータ2は、電極層2a・2a間の抵抗値が300Ωとなるように濃度設定され、電極層2a・2aおよび電極層2b・2bは、マイクロヒータ2よりも高濃度に形成(インプラ)される。 The concentration of the micro heater 2 is set by the ion implantation method so that the resistance value between the electrode layers 2a and 2a is 300Ω, and the electrode layers 2a and 2a and the electrode layers 2b and 2b are higher than the micro heater 2. It is formed (implanted) to a concentration.

(c)次いで、図165(a)および図165(b)に示すように、全面にP−CVD法により約0.5μm厚のSiON膜(第1絶縁膜)3を形成する。(C) Next, as shown in FIG. 165 (a) and FIG. 165 (b), SiON film (first insulating film) of about 0.5μm thick by P-CVD method on the entire surface to form a 3 1.

(d)次いで、図166(a)および図166(b)に示すように、SiON膜3の上面のガス拡散路15を形成する部位に、ガス流路15aを形成するための流路形成膜19aを成膜(デポ+パターニング)する。(D) Next, as shown in FIG. 166 (a) and FIG. 166 (b), a portion for forming a gas diffusion path 15 in the upper surface of the SiON film 3 1, the flow path forming for forming a gas flow path 15a The film 19a is formed (deposition+patterning).

流路形成膜19aは、SiON膜3とはエッチングの選択比が異なるポリシリコン膜などの膜形成部材を用いて形成される。また、流路形成膜19aは、例えばアスペクト比が「流路長/流路断面積=100(所定のアスペクト比)」となるように、ガス取込口15bおよびガス導入口15cを含む長さ(L)が400μm、幅(W)が30μm、厚さ(深さ(D))が0.1μmで形成される。Flow channel forming film 19a is etching selectivity is formed by using the film forming member, such as a different polysilicon film and the SiON film 3 1. The length of the flow channel forming film 19a includes the gas intake port 15b and the gas inlet port 15c so that the aspect ratio is “flow channel length/flow channel cross-sectional area=100 (predetermined aspect ratio)”. (L) is 400 μm, width (W) is 30 μm, and thickness (depth (D)) is 0.1 μm.

ここで、ガス拡散路15の所定のアスペクト比は、ガス流路15aの流路長を長くしたり、ガス流路15aの断面積(流路断面積)を小さくすることによって、容易に大きくでき、ガス拡散路15のアスペクト比を大きくすることによって、センサ特性の改善が可能である。 Here, the predetermined aspect ratio of the gas diffusion path 15 can be easily increased by increasing the flow path length of the gas flow path 15a or decreasing the cross-sectional area (flow path cross-sectional area) of the gas flow path 15a. The sensor characteristics can be improved by increasing the aspect ratio of the gas diffusion path 15.

(e)次いで、図167(a)および図167(b)に示すように、流路形成膜19aの一端部側に重なるように、例えば直径が50μm程度の円形状のガス取込口15bを形成するための取込口形成膜19bを約0.5μmの厚さとなるようにデポすると共に、流路形成膜19aの他端部側に重なるように、例えば直径が50μm程度の円形状のガス導入口15cを形成するための導入口形成膜19cを約0.5μmの厚さとなるようにデポする。取込口形成膜19bおよび導入口形成膜19cは、共に、絶縁層3を構成するSiON膜3とはエッチングの選択比が異なる膜形成部材、例えばポリシリコン膜を用いて形成される。(E) Next, as shown in FIGS. 167(a) and 167(b), a circular gas intake port 15b having a diameter of, for example, about 50 μm is formed so as to overlap with one end side of the flow path forming film 19a. The intake gas forming film 19b for forming is deposited so as to have a thickness of about 0.5 μm, and is formed into a circular gas having a diameter of, for example, about 50 μm so as to overlap with the other end side of the flow path forming film 19a. The introduction port forming film 19c for forming the introduction port 15c is deposited so as to have a thickness of about 0.5 μm. Inlet formed film 19b and the introduction port forming layer 19c are both etching selectivity is different from the film forming member is formed using, for example, a polysilicon film and the SiON film 3 1 which constitutes the insulating layer 3.

上述した第10の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1Aの場合と同様に、長さ(L)が300μmのガス流路15aを有するガス拡散路15を形成するための、流路形成膜19a、取込口形成膜19b、および導入口形成膜19cの形成は、多孔質電極5Dを形成する前に行われる。 As in the case of the limiting current type gas sensor 1A according to the tenth embodiment described above, a flow path forming film 19a for forming the gas diffusion path 15 having the gas flow path 15a having a length (L) of 300 μm. The formation of the inlet port forming film 19b and the inlet port forming film 19c is performed before forming the porous electrode 5D.

(f)次いで、図168(a)および図168(b)に示すように、取込口形成膜19bおよび導入口形成膜19cの上面と同じ高さとなるように、P−CVD法により、ポリシリコン膜とはエッチングの選択比が異なる膜形成部材、例えばSiON膜(第2絶縁膜)3を約0.6μmの厚さで全面的にデポし、流路形成膜19a上を埋め込む。(F) Next, as shown in FIGS. 168(a) and 168(b), a poly-silicon film is formed by P-CVD so as to have the same height as the upper surfaces of the inlet port forming film 19b and the inlet port forming film 19c. silicon film as an etching selection ratio is different film forming member, fully and depot, for example, a SiON film (second insulating film) 3 2 a thickness of about 0.6 .mu.m, embedding the upper flow channel forming film 19a.

(g)次いで、図169(a)および図169(b)に示すように、絶縁層3を選択的に除去し、電極層2a・2aにつながる開口部3a・3aと、電極層2b・2bにつながる開口部3b・3bおよび開口部3c・3cと、を開口する。 (G) Next, as shown in FIGS. 169(a) and 169(b), the insulating layer 3 is selectively removed, and the openings 3a and 3a connected to the electrode layers 2a and 2a and the electrode layers 2b and 2b. The openings 3b and 3b and the openings 3c and 3c connected to the.

また、絶縁層3を選択的に除去し、ポリシリコン膜1bに達する深さの開口部17を4個程度、形成する。開口部17は、後述するウェットエッチングを効率良く行うために、例えば、ポリシリコン膜1bの四隅のより近傍に形成するのが望ましい。 Further, the insulating layer 3 is selectively removed, and about four openings 17 having a depth reaching the polysilicon film 1b are formed. The openings 17 are preferably formed, for example, nearer to the four corners of the polysilicon film 1b in order to efficiently perform the wet etching described later.

(h)次いで、図170(a)および図170(b)に示すように、開口部3a・3a、開口部3b・3b、および開口部3c・3cの内部を、例えばPt/Ti積層膜により埋め込み、20nm厚のTi膜と100nm厚のPt膜との積層膜からなるヒータ用電極部9a・9a、検出端子9b・9b、および接続端子9c・9cを形成する。 (H) Next, as shown in FIGS. 170(a) and 170(b), the insides of the openings 3a and 3a, the openings 3b and 3b, and the openings 3c and 3c are formed by, for example, a Pt/Ti laminated film. The heater electrode portions 9a and 9a, the detection terminals 9b and 9b, and the connection terminals 9c and 9c, which are embedded, are formed of a laminated film of a Ti film having a thickness of 20 nm and a Pt film having a thickness of 100 nm.

(i)次いで、図171(a)および図171(b)に示すように、スパッタ法などにより100nm厚程度のポーラスPt膜からなる多孔質電極5Dを形成し、絶縁層3の表面に露出する導入口形成膜19cの上面を塞ぐと共に、センサ部分より延びる多孔質電極5Dの延出端を一方の接続端子9cに接続させる。 (I) Next, as shown in FIGS. 171(a) and 171(b), a porous electrode 5D made of a porous Pt film having a thickness of about 100 nm is formed by a sputtering method or the like and exposed on the surface of the insulating layer 3. The upper surface of the introduction port forming film 19c is closed and the extended end of the porous electrode 5D extending from the sensor portion is connected to one of the connection terminals 9c.

(j)次いで、図172(a)および図172(b)に示すように、スパッタ法によりYSZ膜からなる固体電解質層4を約1μmの厚さで形成し、センサ部分の一方の接続端子9cに接続される多孔質電極5Dの延出端側を除く、多孔質電極5Dの周囲を被覆する。 (J) Next, as shown in FIGS. 172(a) and 172(b), a solid electrolyte layer 4 made of a YSZ film is formed to a thickness of about 1 μm by a sputtering method, and one connection terminal 9c of the sensor portion is formed. The periphery of the porous electrode 5D is covered, except for the extended end side of the porous electrode 5D connected to.

(k)次いで、図173(a)および図173(b)に示すように、緻密電極5Uとして、スパッタ法によりセンサ部分における固体電解質層4上の多孔質電極5Dに対向する面に100nm厚程度のポーラスPt膜を形成し、かつセンサ部分より延びるポーラスPt膜の延出端を他方の接続端子9cに接続させる。 (K) Next, as shown in FIGS. 173(a) and 173(b), as the dense electrode 5U, a thickness of about 100 nm is formed on the surface of the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D in the sensor portion by the sputtering method. The porous Pt film is formed, and the extended end of the porous Pt film extending from the sensor portion is connected to the other connection terminal 9c.

(l)この後、例えばウェットエッチングによって、ガス拡散路15を形成するための、流路形成膜19a、取込口形成膜19b、および導入口形成膜19cを構成するポリシリコン膜を選択的に除去すると共に、開口部17を介して、ポリシリコン膜1bとその下層の基板12とを選択的に除去することにより、図162(a)および図162(b)に示した構成を有する、第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ2Aが得られる。 (L) After this, for example, by wet etching, the polysilicon films forming the flow path forming film 19a, the intake port forming film 19b, and the introducing port forming film 19c for forming the gas diffusion path 15 are selectively formed. The polysilicon film 1b and the underlying substrate 12 are selectively removed via the opening 17 to have the structure shown in FIGS. 162(a) and 162(b). The limiting current type gas sensor 2A according to the eleventh embodiment is obtained.

すなわち、第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ2Aは、絶縁層3の上層部に、所定のアスペクト比を有し、被測定ガスをセンサ部分に向けて導入するガス拡散路15を備えると共に、MEMS梁構造の基板12として、センサ部分に対応する基板12にキャビティC(Cavity:空洞)が船型に形成された船型構造を有して形成される。 That is, the limiting current type gas sensor 2A according to the eleventh embodiment includes the gas diffusion path 15 having a predetermined aspect ratio and introducing the gas to be measured toward the sensor portion in the upper layer portion of the insulating layer 3. At the same time, as the substrate 12 having the MEMS beam structure, a cavity C (cavity) is formed on the substrate 12 corresponding to the sensor portion in a boat shape.

以上のように、第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ2Aによっても、ガス流路15aの流路長を長くしたり、ガス流路15aの断面積(流路断面積)を小さくすることによって、ガス拡散路15のアスペクト比を簡単に大きくできるようになるため、センサ特性の改善が容易に可能となる。 As described above, also with the limiting current type gas sensor 2A according to the eleventh embodiment, the flow path length of the gas flow path 15a is lengthened or the cross-sectional area (flow path cross-sectional area) of the gas flow path 15a is reduced. As a result, the aspect ratio of the gas diffusion path 15 can be easily increased, so that the sensor characteristics can be easily improved.

しかも、第11の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ2Aによれば、アスペクト比の大きなガス拡散路15を正確に形成できるので、センサ特性をより安定させることができる。 Moreover, according to the limiting current type gas sensor 2A of the eleventh embodiment, the gas diffusion path 15 having a large aspect ratio can be accurately formed, so that the sensor characteristics can be further stabilized.

なお、ガス導入口15cは、センサ部分のほぼ中心部に配置されるが、ガス取込口15bは、非センサ部分の領域ならばどこへでも自由に配置することが可能であり、所望の流路長を有するガス流路15aの形成が容易である。 Although the gas inlet port 15c is arranged substantially in the center of the sensor part, the gas inlet port 15b can be freely arranged anywhere in the non-sensor part, and the desired flow can be obtained. It is easy to form the gas flow path 15a having a path length.

(第12の実施の形態)
(概略構成)
第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aの模式的平面パターン構成は、図174(a)に示すように表され、図174(a)のIIIA−IIIA線に沿う、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)梁構造に形成されるセンサ3Aの模式的断面構造は、図174(b)に示すように表される。ここでも、重複する説明はできるだけ省略し、特徴的な部分についてより詳しく説明する。
(Twelfth Embodiment)
(Schematic configuration)
A schematic planar pattern configuration of the limiting current type gas sensor 3A according to the twelfth embodiment is represented as shown in FIG. 174(a), and is a MEMS (Micro Electro Micro Electrode) along a line IIIA-IIIA in FIG. 174(a). A schematic cross-sectional structure of the sensor 3A formed in the mechanical system) beam structure is shown in FIG. 174(b). Here again, redundant description will be omitted as much as possible, and characteristic portions will be described in more detail.

すなわち、第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aは、図174(a)および図174(b)に示すように、MEMS梁構造の基板12と、中央部のセンサ部分にそれぞれ対応して、基板12上に配置された多孔質電極(ポーラスPt電極)5Dと、多孔質電極5Dを覆うように配置された固体電解質層(YSZ膜)4と、多孔質電極5Dに対向する固体電解質層4上に、基板12に対して実質的に縦方向に配置された緻密電極(ポーラスPt電極)5Uと、センサ部分の領域を囲むようにして基板12上に設けられる蓋体110とを備える。 That is, as shown in FIGS. 174(a) and 174(b), the limiting current type gas sensor 3A according to the twelfth embodiment corresponds to the substrate 12 of the MEMS beam structure and the central sensor portion, respectively. A porous electrode (porous Pt electrode) 5D arranged on the substrate 12, a solid electrolyte layer (YSZ film) 4 arranged so as to cover the porous electrode 5D, and a solid electrolyte facing the porous electrode 5D. On the layer 4, a dense electrode (porous Pt electrode) 5U arranged substantially in the vertical direction with respect to the substrate 12 and a lid 110 provided on the substrate 12 so as to surround the region of the sensor portion are provided.

また、この限界電流式ガスセンサ3Aは、蓋体110に所定のアスペクト比を有して形成されたガス拡散路115を介して、被測定ガス(例えば、O2 ガス)をセンサ部分に向けて導入するように構成されている。Further, the limiting current type gas sensor 3A introduces a gas to be measured (for example, O 2 gas) toward the sensor portion via a gas diffusion path 115 formed in the lid 110 with a predetermined aspect ratio. Is configured to.

なお、この限界電流式ガスセンサ3Aの場合、蓋体110を備えたことにより、センサ部分に導入された被測定ガスは、基板12側の絶縁層1a・3などに設けられるガス導出路40を介してキャビティC側へと導出される。 In addition, in the case of this limiting current type gas sensor 3A, since the gas to be measured introduced into the sensor portion is provided with the lid 110, the gas to be measured is introduced through the gas outlet passage 40 provided in the insulating layers 1a and 3 on the substrate 12 side. To the cavity C side.

要するに、第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aは、基板12と、基板12上のセンサ部分の領域に絶縁層3を介して配置された多孔質電極5Dと、多孔質電極5Dの上面部に配置された固体電解質層4と、固体電解質層4上の、多孔質電極5Dに対向する面に配置された緻密電極5Uと、所定のアスペクト比を有し、被測定ガスをセンサ部分に向けて導入するガス拡散路115とを備え、このガス拡散路115が、さらに備える蓋体110に形成された構成となっている。 In short, the limiting current type gas sensor 3A according to the twelfth embodiment includes the substrate 12, the porous electrode 5D arranged in the region of the sensor portion on the substrate 12 via the insulating layer 3, and the porous electrode 5D. The solid electrolyte layer 4 arranged on the upper surface portion, the dense electrode 5U arranged on the surface of the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D, and a predetermined aspect ratio. And a gas diffusion path 115 that is introduced to the lid 110. The gas diffusion path 115 is formed in the lid 110 that is further provided.

ガス拡散路115は、被測定ガスを取り込むガス取込口115b、被測定ガスを導入するガス導入口115c、およびガス導入口115cとガス取込口115bとをつなぐガス流路(マイクロ流路)115aを有し、アスペクト比(マイクロ流路の流路長と流路断面積との比)に応じて、被測定ガスの流量制御が可能となっている。 The gas diffusion path 115 includes a gas inlet 115b for taking in the gas to be measured, a gas inlet 115c for introducing the gas to be measured, and a gas passage (micro passage) connecting the gas inlet 115c and the gas inlet 115b. 115a, the flow rate of the gas to be measured can be controlled according to the aspect ratio (ratio between the flow channel length of the micro flow channel and the flow channel cross-sectional area).

蓋体110は、絶縁層3上のヒータ用電極部9a・9aおよび検出端子9b・9bを露出させるように形成されると共に、センサ部分の領域に応じて設けられた空間領域(Cavity:空洞)CAaを有している。 The lid 110 is formed so as to expose the heater electrode portions 9a, 9a and the detection terminals 9b, 9b on the insulating layer 3, and is a space area (cavity) provided corresponding to the area of the sensor portion. It has CAa.

ガス拡散路115において、ガス導入口115cは、蓋体110内の空間領域CAaの天井部分に設けられ、ガス取込口115bは、蓋体110の上面部の非センサ部分の領域に設けられている。そして、ガス取込口115bとガス導入口115cとの間が、例えばコ字状に内包する、直線状の複数のガス流路115a(115a-1・115a-2・115a-3)を介してほぼ水平方向に接続されている。In the gas diffusion path 115, the gas inlet 115c is provided in the ceiling portion of the space area CAa in the lid 110, and the gas inlet 115b is provided in the area of the non-sensor portion of the upper surface of the lid 110. There is. Then, a space between the gas intake port 115b and the gas introduction port 115c is provided, for example, through a plurality of linear gas flow paths 115a (115a -1 115a -2 115a -3 ) which are included in a U shape. It is connected almost horizontally.

実際には、第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aにおいて、ガス拡散路115のアスペクト比が、例えば「流路長/流路断面積=100(所定のアスペクト比)」となるように、ガス流路115a(115a-1・115a-2・115a-3)が、幅(W)=30μm、深さ(D)=0.1μm、長さ(L)=300μmで形成される。Actually, in the limiting current type gas sensor 3A according to the twelfth embodiment, the aspect ratio of the gas diffusion path 115 is set to be, for example, “flow channel length/flow channel cross-sectional area=100 (predetermined aspect ratio)”. Further, the gas flow paths 115a (115a -1 115a -2 115a -3 ) are formed with a width (W)=30 μm, a depth (D)=0.1 μm, and a length (L)=300 μm.

ガス導出路40は、センサ部分のほぼ中心部の絶縁層3、マイクロヒータ2、および絶縁層1aに対し、MEMS梁構造の基板12のキャビティCに達する深さで開孔された開孔構造であって、例えば大径の第1開孔部40aと小径の第2開孔部40bとから構成されている。 The gas lead-out path 40 has an opening structure that is opened to the insulating layer 3, the micro-heater 2 and the insulating layer 1a in the substantially central portion of the sensor portion at a depth reaching the cavity C of the substrate 12 having the MEMS beam structure. For example, it is composed of a large-diameter first opening 40a and a small-diameter second opening 40b.

第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aは、MEMS梁構造の基板12上に貼り合わせにより取り付けられる蓋体110に、所定のアスペクト比を有して形成されたガス拡散路115を備えるようにしたものであって、ガス拡散路115のアスペクト比を大きくできることにより、センサ特性の改善が容易に可能であり、またガス拡散路115を正確に形成できるので、センサ特性をより安定させることができる。 The limiting current type gas sensor 3A according to the twelfth embodiment includes a gas diffusion passage 115 formed in a lid 110 mounted on the substrate 12 of the MEMS beam structure by bonding and having a predetermined aspect ratio. By increasing the aspect ratio of the gas diffusion path 115, the sensor characteristics can be easily improved, and the gas diffusion path 115 can be accurately formed, so that the sensor characteristics can be made more stable. You can

(製造方法)
第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aの製造方法は、センサ部分に対応する基板12上の領域に絶縁層3を介して多孔質電極5Dを形成する工程と、多孔質電極5Dの上面部に固体電解質層4を形成する工程と、固体電解質層4上の、多孔質電極5Dに対向する面に緻密電極5Uを形成する工程と、所定のアスペクト比を有し、被測定ガスをセンサ部分に向けて導入するガス拡散路115を備えると共に、センサ部分の領域を囲む蓋体110を別途形成し、それを絶縁層3の上層部に貼り合わせる工程とを有する。
(Production method)
The method of manufacturing the limiting current type gas sensor 3A according to the twelfth embodiment includes a step of forming a porous electrode 5D in a region on the substrate 12 corresponding to the sensor portion via the insulating layer 3, and a step of forming the porous electrode 5D. A step of forming the solid electrolyte layer 4 on the upper surface, a step of forming the dense electrode 5U on the surface of the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D, and a predetermined aspect ratio, The method further includes a step of providing a gas diffusion path 115 introduced toward the sensor portion, separately forming a lid 110 surrounding the area of the sensor portion, and adhering it to the upper layer portion of the insulating layer 3.

まず、図174(a)および図174(b)に示した第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aの製造方法において、センサ部分の製造方法が、図175〜図185に示される。 First, in the method of manufacturing the limiting current type gas sensor 3A according to the twelfth embodiment shown in FIGS. 174(a) and 174(b), the manufacturing method of the sensor portion is shown in FIGS. 175 to 185.

(a)図175(a)および図175(b)に示すように、約10μm厚のシリコン製の基板12を用意し、その基板12の上面にプラズマCVD(P−CVD)法により約0.5μm厚のSiON膜からなる絶縁層1aを形成する。 (A) As shown in FIGS. 175(a) and 175(b), a substrate 12 made of silicon and having a thickness of about 10 μm is prepared, and the upper surface of the substrate 12 is subjected to a plasma CVD (P-CVD) method to a thickness of about 0. An insulating layer 1a made of a SiON film having a thickness of 5 μm is formed.

(b)次いで、図176(a)および図176(b)に示すように、絶縁層1a上に0.3μm程度の厚さのポリシリコン層を形成すると共に、そのポリシリコン層をエッチングなどによりパターニングして、マイクロヒータ2およびマイクロヒータ2につながる電極層2a・2aと、電極層2b・2bとを形成する。電極層2a・2aおよび電極層2b・2bは互いに直交する位置に形成される。マイクロヒータ2は、電極層2a・2a間における幅が約300μmとなるように形成される。 (B) Next, as shown in FIGS. 176(a) and 176(b), a polysilicon layer having a thickness of about 0.3 μm is formed on the insulating layer 1a, and the polysilicon layer is etched or the like. By patterning, the micro heater 2 and the electrode layers 2a and 2a connected to the micro heater 2 and the electrode layers 2b and 2b are formed. The electrode layers 2a, 2a and the electrode layers 2b, 2b are formed at positions orthogonal to each other. The micro heater 2 is formed so that the width between the electrode layers 2a and 2a is about 300 μm.

また、イオン注入法により、マイクロヒータ2は、電極層2a・2a間の抵抗値が300Ωとなるように濃度設定され、電極層2a・2aおよび電極層2b・2bは、マイクロヒータ2よりも高濃度に形成(インプラ)される。 The concentration of the micro heater 2 is set by the ion implantation method so that the resistance value between the electrode layers 2a and 2a is 300Ω, and the electrode layers 2a and 2a and the electrode layers 2b and 2b are higher than the micro heater 2. It is formed (implanted) to a concentration.

また、マイクロヒータ2の、例えばセンサ部分のほぼ中心部に、直径が50μm程度の円形状の開孔部40Aを、絶縁層1aに達する深さで形成する。 Further, a circular opening 40A having a diameter of about 50 μm is formed at a depth reaching the insulating layer 1a in the micro-heater 2 at, for example, a substantially central portion of the sensor portion.

(c)次いで、図177(a)および図177(b)に示すように、全面にP−CVD法により約0.5μm厚のSiON膜からなる絶縁層3を一様に形成し、開孔部40A内の絶縁層1a上に絶縁層3を埋設させて、その上面上に、ガス導出路40の第1開孔部40aとなる凹部を形成する。第1開孔部40aの深さは、ポリシリコン層(マイクロヒータ2)の厚さに応じて、約0.3μmとなる。 (C) Then, as shown in FIGS. 177(a) and 177(b), an insulating layer 3 made of a SiON film having a thickness of about 0.5 μm is uniformly formed on the entire surface by an P-CVD method, and an opening is formed. The insulating layer 3 is embedded in the insulating layer 1a in the portion 40A, and a recessed portion which will be the first opening portion 40a of the gas lead-out path 40 is formed on the upper surface thereof. The depth of the first opening 40a is about 0.3 μm depending on the thickness of the polysilicon layer (microheater 2).

(d)次いで、図178(a)および図178(b)に示すように、第1開孔部40aの底面に埋設されている絶縁層3とその下層の絶縁層1aとをエッチングにより除去し、ガス導出路40の第2開孔部40bとなる、例えば直径が30μm程度の円形状の開孔を基板12に達する深さで形成する。第2開孔部40bの深さは、絶縁層1a・3の厚さに応じて、約1μmとなる。 (D) Next, as shown in FIGS. 178(a) and 178(b), the insulating layer 3 buried in the bottom surface of the first opening 40a and the insulating layer 1a below it are removed by etching. A circular opening having a diameter of, for example, about 30 μm, which will be the second opening 40 b of the gas outlet 40, is formed with a depth reaching the substrate 12. The depth of the second opening 40b is about 1 μm depending on the thickness of the insulating layers 1a and 3.

(e)次いで、図179(a)および図179(b)に示すように、第1開孔部40a内および第2開孔部40b内を、絶縁層1a・3とはエッチングの選択比が異なる、例えば約1.3μm厚のポリシリコン膜27により埋め込む。 (E) Next, as shown in FIGS. 179(a) and 179(b), the etching selection ratio between the first opening 40a and the second opening 40b is lower than that of the insulating layers 1a and 3. It is filled with a polysilicon film 27 having a different thickness, for example, about 1.3 μm.

(f)次いで、図180(a)および図180(b)に示すように、絶縁層3を選択的に除去し、電極層2a・2aにつながる開口部3a・3aと、電極層2b・2bにつながる開口部3b・3bおよび開口部3c・3cと、を開口する。 (F) Next, as shown in FIGS. 180(a) and 180(b), the insulating layer 3 is selectively removed, and the openings 3a and 3a connected to the electrode layers 2a and 2a and the electrode layers 2b and 2b. The openings 3b and 3b and the openings 3c and 3c connected to the.

(g)次いで、図181(a)および図181(b)に示すように、開口部3a・3a、開口部3b・3b、および開口部3c・3cの内部を、例えばPt/Ti積層膜により埋め込み、Ti膜とPt膜との積層膜からなるヒータ用電極部9a・9a、検出端子9b・9b、および接続端子9c・9cを形成する。 (G) Next, as shown in FIGS. 181(a) and 181(b), the insides of the openings 3a and 3a, the openings 3b and 3b, and the openings 3c and 3c are formed by, for example, a Pt/Ti laminated film. Buried, heater electrode portions 9a, 9a, detection terminals 9b, 9b, and connection terminals 9c, 9c made of a laminated film of a Ti film and a Pt film are formed.

なお、ヒータ用電極部9a・9a、検出端子9b・9b、および接続端子9c・9cとしては、例えば、側壁と底部とに沿って20nm厚のTi膜を形成し、一部が絶縁層3上に突出および絶縁層3上を被覆するように、その内部に100nm厚のPt膜が埋め込まれた構成としても良い。 As the heater electrode portions 9a and 9a, the detection terminals 9b and 9b, and the connection terminals 9c and 9c, for example, a Ti film having a thickness of 20 nm is formed along the side wall and the bottom portion, and a part of the Ti film is formed on the insulating layer 3. In addition, a Pt film having a thickness of 100 nm may be embedded inside so as to cover the protrusion and the insulating layer 3.

(h)次いで、図182(a)および図182(b)に示すように、スパッタ法などにより100nm厚程度のポーラスPt膜からなる多孔質電極5Dを形成し、絶縁層3の表面に露出するポリシリコン膜27の上面を塞ぐと共に、センサ部分より延びる多孔質電極5Dの延出端を一方の接続端子9cに接続させる。 (H) Next, as shown in FIGS. 182(a) and 182(b), a porous electrode 5D made of a porous Pt film having a thickness of about 100 nm is formed by a sputtering method or the like, and is exposed on the surface of the insulating layer 3. The upper surface of the polysilicon film 27 is closed, and the extended end of the porous electrode 5D extending from the sensor portion is connected to one connection terminal 9c.

(i)次いで、図183(a)および図183(b)に示すように、スパッタ法によりYSZ膜からなる固体電解質層4を約1μmの厚さで形成し、センサ部分の一方の接続端子9cに接続される多孔質電極5Dの延出端側を除く、多孔質電極5Dの周囲を被覆する。 (I) Next, as shown in FIGS. 183(a) and 183(b), a solid electrolyte layer 4 made of a YSZ film is formed to a thickness of about 1 μm by a sputtering method, and one connection terminal 9c of the sensor portion is formed. The periphery of the porous electrode 5D is covered, except for the extended end side of the porous electrode 5D connected to.

(j)次いで、図184(a)および図184(b)に示すように、緻密電極5Uとして、スパッタ法によりセンサ部分における固体電解質層4上の多孔質電極5Dに対向する面に100nm厚程度のポーラスPt膜を形成し、かつセンサ部分より延びるポーラスPt膜の延出端を他方の接続端子9cに接続させる。 (J) Next, as shown in FIGS. 184(a) and 184(b), as a dense electrode 5U, a thickness of about 100 nm is formed on the surface of the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D in the sensor portion by the sputtering method. The porous Pt film is formed, and the extended end of the porous Pt film extending from the sensor portion is connected to the other connection terminal 9c.

(k)次いで、図185(a)および図185(b)に示すように、センサ部分に対応する基板12を選択的に深掘りエッチングし、MEMS梁構造の基板12を、キャビティC(Cavity:空洞)を開放構造に形成した開放型構造に形成する。 (K) Next, as shown in FIGS. 185(a) and 185(b), the substrate 12 corresponding to the sensor portion is selectively deep-etched to remove the substrate 12 having the MEMS beam structure from the cavity C (Cavity: (Cavity) is formed into an open structure having an open structure.

(l)次いで、第1開孔部40a内および第2開孔部40b内に埋め込まれたポリシリコン膜27を、例えばウェットエッチングによって選択的に除去することにより、ガス導出路20を形成する。 (L) Next, the polysilicon film 27 embedded in the first opening 40a and the second opening 40b is selectively removed by, for example, wet etching to form the gas outlet 20.

(m)この後、後述するように、別途形成される蓋体110を絶縁層3上に接着剤などを用いて貼り合わせることによって、図174(a)および図174(b)に示した構成を有する、第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aが得られる。 (M) Thereafter, as will be described later, a separately formed lid 110 is attached to the insulating layer 3 by using an adhesive or the like, whereby the configuration shown in FIGS. 174(a) and 174(b) is obtained. The limiting current type gas sensor 3A according to the twelfth embodiment having the above is obtained.

(第12の実施の形態の第1変形例)
(概略構成)
第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Aの模式的平面パターン構成は、図186(a)に示すように表され、図186(a)のIVA−IVA線に沿う、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)梁構造に形成されるセンサ4Aの模式的断面構造は、図186(b)に示すように表される。
(First Modification of Twelfth Embodiment)
(Schematic configuration)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 4A according to the first modified example of the twelfth embodiment is represented as shown in FIG. 186(a), and is along the line IVA-IVA of FIG. 186(a). , A schematic cross-sectional structure of the sensor 4A formed in the MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) beam structure is shown in FIG. 186(b).

すなわち、第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Aは、図186(a)および図186(b)に示すように、MEMS梁構造の基板12と、中央部のセンサ部分にそれぞれ対応して、基板12上に配置された多孔質電極(ポーラスPt電極)5Dと、多孔質電極5Dを覆うように配置された固体電解質層(YSZ膜)4と、多孔質電極5Dに対向する固体電解質層4上に、基板12に対して実質的に縦方向に配置された緻密電極(ポーラスPt電極)5Uと、センサ部分の領域を囲むようにして基板12上に設けられる蓋体112とを備える。 That is, as shown in FIGS. 186(a) and 186(b), the limiting current type gas sensor 4A according to the first modified example of the twelfth embodiment includes a substrate 12 having a MEMS beam structure and a sensor in the central portion. A porous electrode (porous Pt electrode) 5D arranged on the substrate 12, a solid electrolyte layer (YSZ film) 4 arranged so as to cover the porous electrode 5D, and a porous electrode 5D corresponding to the respective portions. On the solid electrolyte layer 4 facing the substrate 12, a dense electrode (porous Pt electrode) 5U arranged substantially in the vertical direction with respect to the substrate 12, and a lid 112 provided on the substrate 12 so as to surround the region of the sensor portion. With.

また、この限界電流式ガスセンサ4Aは、蓋体112に所定のアスペクト比を有して形成されたガス拡散路116を介して、被測定ガス(例えば、O2 ガス)をセンサ部分に向けて導入するように構成されている。Further, the limiting current type gas sensor 4A introduces a gas to be measured (for example, O 2 gas) toward the sensor portion via a gas diffusion path 116 formed in the lid 112 with a predetermined aspect ratio. Is configured to.

要するに、第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Aは、基板12と、基板12上のセンサ部分の領域に絶縁層3を介して配置された多孔質電極5Dと、多孔質電極5Dの上面部に配置された固体電解質層4と、固体電解質層4上の、多孔質電極5Dに対向する面に配置された緻密電極5Uと、所定のアスペクト比を有し、被測定ガスをセンサ部分に向けて導入するガス拡散路116とを備え、このガス拡散路116が、さらに備える蓋体112に形成された構成となっている。 In short, the limiting current type gas sensor 4A according to the first modified example of the twelfth embodiment includes a substrate 12, a porous electrode 5D arranged in the area of the sensor portion on the substrate 12 via an insulating layer 3, and The solid electrolyte layer 4 arranged on the upper surface of the porous electrode 5D, and the dense electrode 5U arranged on the surface of the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D have a predetermined aspect ratio, The gas diffusion path 116 for introducing the measurement gas toward the sensor portion is provided, and the gas diffusion path 116 is formed in the lid 112 that is further provided.

第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Aの場合は、蓋体112に設けられるガス拡散路116が、被測定ガスを取り込むガス取込口116a、被測定ガスを導入するガス導入口116b、およびガス導入口116bとガス取込口116aとをつなぐガス流路(マイクロ流路)116cを有し、アスペクト比(マイクロ流路の流路長と流路断面積との比)に応じて、被測定ガスの流量制御が可能となっている。 In the case of the limiting current type gas sensor 4A according to the first modification of the twelfth embodiment, the gas diffusion path 116 provided in the lid 112 introduces the gas to be measured 116a into which the gas to be measured is introduced. And a gas flow channel (micro flow channel) 116c that connects the gas introduction port 116b and the gas intake port 116a, and has an aspect ratio (of the flow channel length of the micro flow channel and the flow channel cross-sectional area). It is possible to control the flow rate of the measured gas according to the ratio).

また、ガス拡散路116において、ガス導入口116bは、蓋体112内の空間領域CAaの天井部分に設けられ、ガス取込口116aは、蓋体112の上面部の非センサ部分の領域に設けられている。そして、ガス取込口116aとガス導入口116bとの間が、例えば直線状の1つのガス流路116cを介してほぼ水平方向に接続されている。 Further, in the gas diffusion path 116, the gas introduction port 116b is provided in the ceiling portion of the space region CAa in the lid 112, and the gas intake port 116a is provided in the region of the non-sensor portion of the upper surface of the lid 112. Has been. The gas inlet 116a and the gas inlet 116b are connected in a substantially horizontal direction via, for example, one linear gas flow passage 116c.

それ以外の構成は、上述した第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ3Aと同一なので重複する説明はできるだけ省略すると共に、蓋体112を例に、その製造方法について説明する。 Since other configurations are the same as those of the limiting current type gas sensor 3A according to the twelfth embodiment described above, duplicate description will be omitted as much as possible, and a manufacturing method thereof will be described using the lid 112 as an example.

(製造方法)
第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Aにおいて、蓋体112の製造方法は、図187〜図192に示すように表される。
(Production method)
In the limiting current type gas sensor 4A according to the first modified example of the twelfth embodiment, the method for manufacturing the lid 112 is represented as shown in FIGS. 187 to 192.

(a)まず、図187(a)および図187(b)に示すように、約10μm厚のシリコン製の基板(第1蓋部材)112aを用意し、その表面側の、ガス拡散路116を形成する部位に、ガス流路116cを形成するための流路形成膜112bを成膜(デポ+パターニング)する。 (A) First, as shown in FIGS. 187(a) and 187(b), a substrate (first lid member) 112a made of silicon having a thickness of about 10 μm is prepared, and the gas diffusion path 116 on the surface side thereof is formed. A flow path forming film 112b for forming the gas flow path 116c is formed (deposited+patterned) on the portion to be formed.

例えば、流路形成膜112bの一端は、非センサ部分の領域に対応され、他端は、センサ部分のほぼ中心部に対応される。 For example, one end of the flow path forming film 112b corresponds to the region of the non-sensor portion, and the other end corresponds to the substantially central portion of the sensor portion.

流路形成膜112bは、基板112aを構成するSiとはエッチングの選択比が異なる膜形成部材、例えばシリコン酸化(SiO2 )膜を用いて形成される。また、流路形成膜112bは、ガス流路116cのアスペクト比が、例えば「流路長/流路断面積=100(所定のアスペクト比)」となるように、ガス取込口116aおよびガス導入口116bを含まない長さ(L)が300μm、幅(W)が30μm、厚さ(深さ(D))が0.1μmで形成される。The flow channel forming film 112b is formed by using a film forming member having a different etching selection ratio from Si forming the substrate 112a, for example, a silicon oxide (SiO 2 ) film. Further, the flow channel forming film 112b and the gas introduction port 116a and the gas introduction port are configured such that the aspect ratio of the gas flow channel 116c is, for example, “flow channel length/flow channel cross-sectional area=100 (predetermined aspect ratio)”. Not including the opening 116b, the length (L) is 300 μm, the width (W) is 30 μm, and the thickness (depth (D)) is 0.1 μm.

ここで、ガス拡散路116の所定のアスペクト比は、ガス流路116cの流路長を長くしたり、ガス流路116cの断面積(流路断面積)を小さくすることによって、容易に大きくでき、ガス拡散路116のアスペクト比を大きくすることによって、センサ特性の改善が可能である。 Here, the predetermined aspect ratio of the gas diffusion path 116 can be easily increased by increasing the flow path length of the gas flow path 116c or decreasing the cross-sectional area (flow path cross-sectional area) of the gas flow path 116c. The sensor characteristics can be improved by increasing the aspect ratio of the gas diffusion path 116.

(b)次いで、図188(a)および図188(b)に示すように、SiO2 膜とはエッチングの選択比が異なる膜形成部材、例えばポリシリコン膜(第2蓋部材)112cを全面にデポし、流路形成膜112bを埋め込む。(B) Next, as shown in FIGS. 188(a) and 188(b), a film forming member having a different etching selection ratio from the SiO 2 film, for example, a polysilicon film (second lid member) 112c is formed on the entire surface. Deposition is performed and the flow path forming film 112b is embedded.

(c)次いで、図189(a)および図189(b)に示すように、ポリシリコン膜112cをエッチングにより選択的に除去し、流路形成膜112bの一端側を開口して、ガス拡散路116のガス取込口116aを形成する。 (C) Next, as shown in FIGS. 189(a) and 189(b), the polysilicon film 112c is selectively removed by etching, and one end side of the flow path forming film 112b is opened to form a gas diffusion path. The gas inlet 116a of 116 is formed.

(d)次いで、図190(a)および図190(b)に示すように、基板112aの裏面(下部)側を選択的にエッチングし、センサ部分を収納する空間領域CAaを形成する。 (D) Next, as shown in FIGS. 190(a) and 190(b), the back surface (lower part) side of the substrate 112a is selectively etched to form a space area CAa for housing the sensor portion.

(e)次いで、図191(a)および図191(b)に示すように、基板112aの裏面側をさらにエッチングにより選択的に除去し、流路形成膜112bの他端側を開口して、空間領域CAaの天井部分にガス拡散路116のガス導入口116bを形成する。 (E) Next, as shown in FIGS. 191(a) and 191(b), the back surface side of the substrate 112a is further selectively removed by etching, and the other end side of the flow path forming film 112b is opened, The gas inlet 116b of the gas diffusion path 116 is formed in the ceiling portion of the space area CAa.

ここで、ガス取込口116aおよびガス導入口116bは、例えば直径が50μm程度の円形状とされ、流路形成膜112bの両端に、ガス流路116cの流路長が300μmとなるように形成される。 Here, the gas intake port 116a and the gas introduction port 116b are, for example, circular with a diameter of about 50 μm, and are formed on both ends of the flow channel forming film 112b so that the flow channel length of the gas flow channel 116c is 300 μm. To be done.

(f)次いで、図192(a)および図192(b)に示すように、HF(フッ酸)エッチングにより、流路形成膜112bを形成するSiO2 膜を選択的に除去し、ガス取込口116aおよびガス導入口116bにつながるガス流路116cを形成することによって、第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Aの蓋体112が得られる。(F) Next, as shown in FIGS. 192(a) and 192(b), the SiO 2 film forming the flow path forming film 112b is selectively removed by HF (hydrofluoric acid) etching to remove gas. By forming the gas flow passage 116c connected to the port 116a and the gas introduction port 116b, the lid 112 of the limiting current type gas sensor 4A according to the first modified example of the twelfth embodiment is obtained.

(g)この後、形成された蓋体112を絶縁層3上に接着剤などを用いて貼り合わせることによって、図186(a)および図186(b)に示した構成を有する、第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Aが得られる。 (G) After that, the formed lid body 112 is attached onto the insulating layer 3 by using an adhesive or the like, so that the twelfth embodiment has the configuration shown in FIGS. 186(a) and 186(b). The limiting current type gas sensor 4A according to the first modified example of the embodiment is obtained.

以上のように、第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Aによっても、ガス流路116cの流路長を長くしたり、ガス流路116cの断面積(流路断面積)を小さくすることによって、ガス拡散路116のアスペクト比を簡単に大きくできるようになるため、センサ特性の改善が容易に可能となる。 As described above, also with the limiting current type gas sensor 4A according to the first modified example of the twelfth embodiment, the flow channel length of the gas flow channel 116c is lengthened, or the cross-sectional area of the gas flow channel 116c (flow channel disconnection) By reducing the area, it is possible to easily increase the aspect ratio of the gas diffusion path 116, so that the sensor characteristics can be easily improved.

しかも、第12の実施の形態の第1変形例に係る限界電流式ガスセンサ4Aによれば、アスペクト比の大きなガス拡散路116を正確に形成できるので、センサ特性をより安定させることができる。 Moreover, according to the limiting current type gas sensor 4A according to the first modified example of the twelfth embodiment, the gas diffusion path 116 having a large aspect ratio can be accurately formed, so that the sensor characteristics can be more stabilized.

(第12の実施の形態の第2変形例)
(概略構成)
第12の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ5Aの模式的平面パターン構成は、図193(a)に示すように表され、図193(a)のVA−VA線に沿う、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)梁構造に形成されるセンサ5Aの模式的断面構造は、図193(b)に示すように表される。
(Second Modification of Twelfth Embodiment)
(Schematic configuration)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 5A according to the second modification of the twelfth embodiment is represented as shown in FIG. 193(a), and is along the line VA-VA in FIG. 193(a). , A schematic cross-sectional structure of a sensor 5A formed in a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) beam structure is shown in FIG. 193(b).

すなわち、第12の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ5Aは、図193(a)および図193(b)に示すように、MEMS梁構造の基板12と、中央部のセンサ部分にそれぞれ対応して、基板12上に配置された多孔質電極(ポーラスPt電極)5Dと、多孔質電極5Dを覆うように配置された固体電解質層(YSZ膜)4と、多孔質電極5Dに対向する固体電解質層4上に、基板12に対して実質的に縦方向に配置された緻密電極(ポーラスPt電極)5Uと、センサ部分の領域を囲むようにして基板12上に設けられる蓋体113とを備える。 That is, as shown in FIGS. 193(a) and 193(b), the limiting current type gas sensor 5A according to the second modified example of the twelfth embodiment includes the substrate 12 having the MEMS beam structure and the sensor in the central portion. A porous electrode (porous Pt electrode) 5D arranged on the substrate 12, a solid electrolyte layer (YSZ film) 4 arranged so as to cover the porous electrode 5D, and a porous electrode 5D corresponding to the respective portions. On the solid electrolyte layer 4 facing to the substrate 12, a dense electrode (porous Pt electrode) 5U arranged substantially vertically with respect to the substrate 12, and a lid 113 provided on the substrate 12 so as to surround the region of the sensor portion. With.

また、この限界電流式ガスセンサ5Aは、蓋体113に所定のアスペクト比を有して形成されたガス拡散路117を介して、被測定ガス(例えば、O2 ガス)をセンサ部分に向けて導入するように構成されている。Further, this limiting current type gas sensor 5A introduces a gas to be measured (for example, O 2 gas) toward the sensor portion via a gas diffusion path 117 formed in the lid 113 with a predetermined aspect ratio. Is configured to.

要するに、第12の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ5Aは、基板12と、基板12上のセンサ部分の領域に絶縁層3を介して配置された多孔質電極5Dと、多孔質電極5Dの上面部に配置された固体電解質層4と、固体電解質層4上の、多孔質電極5Dに対向する面に配置された緻密電極5Uと、所定のアスペクト比を有し、被測定ガスをセンサ部分に向けて導入するガス拡散路117とを備え、このガス拡散路117が、さらに備える蓋体113に形成された構成となっている。 In short, the limiting current type gas sensor 5A according to the second modified example of the twelfth embodiment includes a substrate 12, a porous electrode 5D arranged in the area of the sensor portion on the substrate 12 via an insulating layer 3, The solid electrolyte layer 4 arranged on the upper surface of the porous electrode 5D, and the dense electrode 5U arranged on the surface of the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D have a predetermined aspect ratio, A gas diffusion path 117 for introducing the measurement gas toward the sensor portion is provided, and the gas diffusion path 117 is formed in the lid 113 further provided.

第12の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ5Aの場合は、蓋体113に設けられるガス拡散路117が、被測定ガスを取り込むガス取込口117a、被測定ガスを導入するガス導入口117b、およびガス導入口117bとガス取込口117aとをつなぐガス流路(マイクロ流路)117cを有し、アスペクト比(マイクロ流路の流路長と流路断面積との比)に応じて、被測定ガスの流量制御が可能となっている。 In the case of the limiting current type gas sensor 5A according to the second modified example of the twelfth embodiment, the gas diffusion path 117 provided in the lid 113 introduces the gas to be measured 117a into which the gas to be measured is introduced. And a gas flow channel (micro flow channel) 117c that connects the gas introduction port 117b and the gas intake port 117a, and has an aspect ratio (of the flow channel length of the micro flow channel and the flow channel cross-sectional area). It is possible to control the flow rate of the measured gas according to the ratio).

また、ガス拡散路117は、例えばセンサ部分のほぼ中心部の、蓋体113内の空間領域CAaの天井部分にほぼ垂直方向に設けられ、ガス取込口117aとガス導入口117bとの間がガス流路117cを介して一直線上に接続されている。ガス拡散路117のアスペクト比は、例えば、ガス流路117cの径(流路形成膜の径)と流路長(ポリシリコン膜の厚さ)とを調整することによって、簡単に制御できる。 Further, the gas diffusion path 117 is provided, for example, in a substantially vertical direction at a ceiling portion of the space area CAa in the lid 113 at a substantially central portion of the sensor portion, and a space between the gas intake port 117a and the gas introduction port 117b is provided. They are connected in a straight line via a gas flow path 117c. The aspect ratio of the gas diffusion path 117 can be easily controlled by, for example, adjusting the diameter of the gas flow path 117c (the diameter of the flow path forming film) and the flow path length (the thickness of the polysilicon film).

第12の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ5Aによっても、ガス流路117cの流路長を長くしたり、ガス流路117cの断面積(流路断面積)を小さくすることによって、ガス拡散路117のアスペクト比を簡単に大きくできるようになるため、センサ特性の改善が容易に可能となる。 Also with the limiting current type gas sensor 5A according to the second modified example of the twelfth embodiment, the flow path length of the gas flow path 117c is lengthened or the cross-sectional area (flow path cross-sectional area) of the gas flow path 117c is reduced. As a result, the aspect ratio of the gas diffusion path 117 can be easily increased, so that the sensor characteristics can be easily improved.

しかも、第12の実施の形態の第2変形例に係る限界電流式ガスセンサ5Aによれば、アスペクト比の大きなガス拡散路117を正確に形成できるので、センサ特性をより安定させることができる。 Moreover, according to the limiting current type gas sensor 5A according to the second modification of the twelfth embodiment, the gas diffusion path 117 having a large aspect ratio can be accurately formed, so that the sensor characteristics can be more stabilized.

(第12の実施の形態の第3変形例)
(概略構成)
第12の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ6Aの模式的平面パターン構成は、図194(a)に示すように表され、図194(a)のVIA−VIA線に沿う、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)梁構造に形成されるセンサ6Aの模式的断面構造は、図194(b)に示すように表される。
(Third Modification of Twelfth Embodiment)
(Schematic configuration)
A schematic plane pattern configuration of the limiting current type gas sensor 6A according to the third modified example of the twelfth embodiment is represented as shown in FIG. 194(a), and is along the VIA-VIA line in FIG. 194(a). , A schematic cross-sectional structure of the sensor 6A formed in the MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) beam structure is shown in FIG. 194(b).

すなわち、第12の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ6Aは、図194(a)および図194(b)に示すように、MEMS梁構造の基板12と、中央部のセンサ部分にそれぞれ対応して、基板12上に配置された多孔質電極(ポーラスPt電極)5Dと、多孔質電極5Dを覆うように配置された固体電解質層(YSZ膜)4と、多孔質電極5Dに対向する固体電解質層4上に、基板12に対して実質的に縦方向に配置された緻密電極(ポーラスPt電極)5Uと、センサ部分の領域を囲むようにして基板12上に設けられる蓋体114とを備える。 That is, as shown in FIGS. 194(a) and 194(b), the limiting current type gas sensor 6A according to the third modified example of the twelfth embodiment includes a substrate 12 having a MEMS beam structure and a sensor in the central portion. A porous electrode (porous Pt electrode) 5D arranged on the substrate 12, a solid electrolyte layer (YSZ film) 4 arranged so as to cover the porous electrode 5D, and a porous electrode 5D corresponding to the respective portions. On the solid electrolyte layer 4 facing each other, a dense electrode (porous Pt electrode) 5U arranged substantially vertically with respect to the substrate 12, and a lid 114 provided on the substrate 12 so as to surround a region of the sensor portion. With.

また、この限界電流式ガスセンサ6Aは、蓋体114に所定のアスペクト比を有して形成されたガス拡散路118を介して、被測定ガス(例えば、O2 ガス)をセンサ部分に向けて導入するように構成されている。Further, this limiting current type gas sensor 6A introduces a gas to be measured (for example, O 2 gas) toward the sensor portion via a gas diffusion path 118 formed in the lid 114 with a predetermined aspect ratio. Is configured to.

要するに、第12の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ6Aは、基板12と、基板12上のセンサ部分の領域に絶縁層3を介して配置された多孔質電極5Dと、多孔質電極5Dの上面部に配置された固体電解質層4と、固体電解質層4上の、多孔質電極5Dに対向する面に配置された緻密電極5Uと、所定のアスペクト比を有し、被測定ガスをセンサ部分に向けて導入するガス拡散路118とを備え、このガス拡散路118が、さらに備える蓋体114に形成された構成となっている。 In short, the limiting current type gas sensor 6A according to the third modified example of the twelfth embodiment includes a substrate 12, a porous electrode 5D arranged in the area of the sensor portion on the substrate 12 via an insulating layer 3, and The solid electrolyte layer 4 arranged on the upper surface of the porous electrode 5D, and the dense electrode 5U arranged on the surface of the solid electrolyte layer 4 facing the porous electrode 5D have a predetermined aspect ratio, A gas diffusion path 118 for introducing the measurement gas toward the sensor portion is provided, and the gas diffusion path 118 is formed in the lid 114 further provided.

第12の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ6Aの場合は、蓋体114に設けられるガス拡散路118が、被測定ガスを取り込むガス取込口118a、被測定ガスを導入するガス導入口118b、およびガス導入口118bとガス取込口118aとをつなぐガス流路(マイクロ流路)118cを有し、アスペクト比(マイクロ流路の流路長と流路断面積との比)に応じて、被測定ガスの流量制御が可能となっている。 In the case of the limiting current type gas sensor 6A according to the third modified example of the twelfth embodiment, the gas diffusion passage 118 provided in the lid 114 introduces the gas to be measured 118a into which the gas to be measured is introduced. And a gas channel (microchannel) 118c that connects the gas inlet 118b and the gas inlet 118a, and has an aspect ratio (of the channel length of the microchannel and the channel cross-sectional area). It is possible to control the flow rate of the measured gas according to the ratio).

また、ガス拡散路118において、ガス導入口118bは、蓋体114内の空間領域CAaの天井部分に設けられ、ガス取込口118aは、蓋体114の側面部に設けられている。そして、ガス取込口118aとガス導入口118bとの間が、例えば直線状の1つのガス流路118cを介してほぼ水平方向に接続されている。 Further, in the gas diffusion path 118, the gas introduction port 118 b is provided in the ceiling portion of the space area CAa in the lid 114, and the gas intake port 118 a is provided in the side surface portion of the lid 114. The gas intake port 118a and the gas introduction port 118b are connected in a substantially horizontal direction via, for example, one linear gas passage 118c.

第12の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ6Aによっても、ガス流路118cの流路長を長くしたり、ガス流路118cの断面積(流路断面積)を小さくすることによって、ガス拡散路118のアスペクト比を簡単に大きくできるようになるため、センサ特性の改善が容易に可能となる。 Also by the limiting current type gas sensor 6A according to the third modified example of the twelfth embodiment, the flow path length of the gas flow path 118c is lengthened or the cross-sectional area (flow path cross-sectional area) of the gas flow path 118c is reduced. As a result, the aspect ratio of the gas diffusion path 118 can be easily increased, so that the sensor characteristics can be easily improved.

しかも、第12の実施の形態の第3変形例に係る限界電流式ガスセンサ6Aによれば、アスペクト比の大きなガス拡散路118を正確に形成できるので、センサ特性をより安定させることができる。 Moreover, according to the limiting current type gas sensor 6A according to the third modification of the twelfth embodiment, the gas diffusion path 118 having a large aspect ratio can be accurately formed, so that the sensor characteristics can be more stabilized.

なお、ガス拡散路118は、蓋体114の四隅に対応する斜め方向のいずれかに引き出すように形成することもできる。 The gas diffusion path 118 can also be formed so as to be drawn out in any of the oblique directions corresponding to the four corners of the lid 114.

また、第10〜第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1A〜6Aの製造方法は、基板12の上部もしくは基板12の下部にマイクロヒータ2を形成する工程を有していても良い。 In addition, the method of manufacturing the limiting current type gas sensors 1A to 6A according to the tenth to twelfth embodiments may include a step of forming the micro-heater 2 on the upper portion of the substrate 12 or the lower portion of the substrate 12.

また、第10〜第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1A〜6Aの製造方法は、基板12の内部に埋め込まれたマイクロヒータ2を形成する工程を有していても良い。 Moreover, the manufacturing method of the limiting current type gas sensors 1A to 6A according to the tenth to twelfth embodiments may include a step of forming the micro heater 2 embedded inside the substrate 12.

また、第10〜第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ1A〜6Aの製造方法において、マイクロヒータ2、絶縁層3、多孔質電極5D、緻密電極5U、固体電解質層4は、印刷工程により形成可能である。 Moreover, in the manufacturing method of the limiting current type gas sensors 1A to 6A according to the tenth to twelfth embodiments, the microheater 2, the insulating layer 3, the porous electrode 5D, the dense electrode 5U, and the solid electrolyte layer 4 are printed. Can be formed by.

なお、動作原理に関して、第10〜第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、ガス濃度を検出する動作は、前述した通り、第1〜第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの場合と実質的に同様であるため、詳しい説明は省略する。 Regarding the operation principle, in the limiting current type gas sensors according to the tenth to twelfth embodiments, as described above, the operation of detecting the gas concentration is the limiting current type gas sensors according to the first to sixth embodiments. Since it is substantially the same as the case, detailed description is omitted.

また、電気化学反応の説明に関しても、前述した通り、第1〜第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの場合と実質的に同様であるため、詳しい説明は省略する。 Further, the description of the electrochemical reaction is substantially the same as that of the limiting current type gas sensors according to the first to sixth embodiments, as described above, and thus detailed description thereof will be omitted.

また、パッケージに関しても、前述した通り、第1〜第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの場合と実質的に同様であるため、詳しい説明は省略する。 Further, as to the package, as described above, it is substantially the same as the case of the limiting current type gas sensor according to the first to sixth embodiments, and therefore detailed description thereof will be omitted.

また、エナジーハーベスタ電源を用いたセンサノードの構成例としては、前述した第1〜第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの場合と実質的に同様であるため、詳しい説明は省略する。 Further, the configuration example of the sensor node using the energy harvester power supply is substantially the same as that of the limiting current type gas sensor according to the above-described first to sixth embodiments, and therefore detailed description thereof will be omitted.

また、第10〜第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、センサパッケージの模式的ブロック構成は、前述した第1〜第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの場合と実質的に同様であるため、詳しい説明は省略する。 Further, in the limiting current type gas sensor according to the tenth to twelfth embodiments, the schematic block configuration of the sensor package is substantially the same as that of the limiting current type gas sensor according to the first to sixth embodiments described above. Since it is similar to the above, detailed description will be omitted.

さらに、第10〜第12の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを適用したセンサネットワークシステムの模式的ブロック構成は、前述した第1〜第6の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの場合と実質的に同様であるため、ここでの詳しい説明は省略する。 Furthermore, the schematic block configuration of the sensor network system to which the limiting current type gas sensor according to the tenth to twelfth embodiments is applied is the same as that of the limiting current type gas sensor according to the above-described first to sixth embodiments. Since they are substantially the same, detailed description will be omitted here.

以上説明したように、本実施の形態によれば、センサ特性を改善できると共に、センサ特性をより安定化できる限界電流式ガスセンサを提供することができる。 As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide the limiting current type gas sensor that can improve the sensor characteristics and further stabilize the sensor characteristics.

また、本実施の形態によれば、応答速度を改善できる限界電流式ガスセンサを提供することができる。 Further, according to the present embodiment, it is possible to provide a limiting current type gas sensor capable of improving the response speed.

また、本実施の形態によれば、エッチングの選択比を利用して、アスペクト比の大きなガス拡散路を容易に、かつ精密に形成することが可能となる結果、センサ特性を改善できると共に、センサ特性をより安定化できる限界電流式ガスセンサを提供することができる。 Further, according to the present embodiment, it is possible to easily and precisely form a gas diffusion path having a large aspect ratio by utilizing the etching selection ratio, and as a result, the sensor characteristics can be improved and the sensor It is possible to provide a limiting current type gas sensor that can further stabilize the characteristics.

[その他の実施の形態]
上記のように、いくつかの実施の形態を記載したが、開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、各実施の形態を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
[Other Embodiments]
As described above, although some embodiments are described, it should not be understood that the descriptions and drawings forming a part of the disclosure are exemplifications, and limit each embodiment. From this disclosure, various alternative embodiments, examples and operational techniques will be apparent to those skilled in the art.

このように、各実施の形態は、ここでは記載していない様々な態様を含む。例えば、ジルコニアを他の材料に置き換えたり、いくつかの材料を組み合わせることで、二酸化炭素の濃度を検出することが可能である。 As described above, each embodiment includes various aspects not described here. For example, the concentration of carbon dioxide can be detected by replacing zirconia with another material or combining some materials.

本実施の形態の限界電流式ガスセンサは、酸素センサや湿度センサに適用することができる。また、このようなセンサは、自動車の排ガス用やセンサネットワーク用に応用することができる。 The limiting current type gas sensor of the present embodiment can be applied to an oxygen sensor and a humidity sensor. Further, such a sensor can be applied to exhaust gas of automobiles and sensor networks.

1A、1B、1C、1D、1E、2A、2B、2C、2D、3A、3B、3C、3D、3E、3F、4A、4B、4C、4D、4E、4F、4G、4H、5A、5A1、5A2、5B1、5B2、5C1、5C2、5D1、5D2、5E1、5E2、5F1、5F2、5G1、5G2、5H1、5H2、5J1、5J2、5K1、5K2、5L1、5L2、5M1、5M2、6A、6A1、6A2、6B1、6B2、6C1、6C2、6D1、6D2、6E1、6E2、6F1、6F2、6G1、6G2、6H1、6H2、6J1、6J2、6K1、6K2、6L1、6L2、6M1、6M2…限界電流式ガスセンサ(センサノード)
1a、3、14、16、18…絶縁層
1b、27…ポリシリコン膜
2、MH…マイクロヒータ
2a…電極層
2b…検出端子(電極層)
…SiON膜(第1絶縁膜)
…SiON膜(第2絶縁膜)
3a、3b、3c、7、17、37、45…開口部
4、30、106…固体電解質層(YSZ、YSZ薄膜)
5D、5D1 、5D2 、105D…多孔質電極(Ti/Pt電極、ポーラスPt、陽極)
5U、5U1 、5U2 …緻密電極(Pt電極、ポーラスPt、陰極)
5Pt…Pt膜
5Ti…Ti/Ptの積層膜
6、6(4)、6(5U)、6(5D)、6(5U1 )、6(5U2 )、6(5D1 )、6(5D2 )…応力緩和用低熱膨張膜
8…絶縁膜
9、9a…ヒータ用電極部
9b…検出端子
9c…接続端子
10、10(5U)、10(5D)、10(5U1 )、10(5U2 )、10(5D1 )、10(5D2 )…反り抑制用多孔質絶縁膜
11…Pt+YSZ混粒膜(粒子混合層)
11a…層(Pt領域)
11b…層(YSZ領域)
12、120…基板(シリコン基板)
13…多孔質膜(多孔質層、Al2 3 -SiO2 膜、ポーラス膜)
15、115、116、117、118、MP、MP1…ガス拡散路
15a、42、115a、115a-1、115a-2、115a-3、116c、117c、118c…ガス流路(マイクロ流路)
15b、47、51G、61G、115b、116a、117a、118a、471、472…ガス取込口
15c、41、115c、116b、117b、118b…ガス導入口
19a…流路形成膜
19b…取込口形成膜
19c…導入口形成膜
20、201、202…SiN層
21、22…ヒータ接続部
23、24…端子電極接続部
25、512…SiO2
26…SiN膜
28D、28DA、28DB…下部電極
28D1…下部電極の延出端
28U、105U…上部電極
28U1…上部電極の延出端
35…流路形成層
40…ガス導出路
40a…第1開孔部
40b…第2開孔部
40A…開孔部
43…保護用SiO2
49…蓋部材
51、71…ポーラス酸化膜
53…柱状酸化膜
57…柱状Pt/Ti膜
61…ポーラスPt膜
90…サーミスタ部
92…YSZセンサ部(限界電流式ガスセンサ)
94…AD/DA変換部
96…センサパッケージ
100…ウェーハ
102…素子分離領域
103…積層膜
104…素子領域
107…検出回路
110、112、113、114…蓋体
112a…基板(第1蓋部材)
112b…流路形成膜(SiO2 膜)
112c…ポリシリコン膜(第2蓋部材)
131…パッケージの蓋
132…貫通穴
141…パッケージの本体
142…限界電流式ガスセンサのチップ
143…ボンディングワイヤ
151…センサ類
152…無線モジュール
153…マイコン
154…エナジーハーベスタ電源
155…蓄電素子
181、182…第1・第2絶縁層
200…デバイス加熱部
300…低濃度ドープポリシリコン層
301…ポリシリコン層
303、305…ガス取込部
510…YSZ−SiO2
511…YSZ粒子
AA…活性領域
C…キャビティ部、空洞
CAa…空間領域
GS…被測定ガス
SP…センサ部分
1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 2A, 2B, 2C, 2D, 3A, 3B, 3C, 3D, 3E, 3F, 4A, 4B, 4C, 4D, 4E, 4F, 4G, 4H, 5A, 5A1, 5A2, 5B1, 5B2, 5C1, 5C2, 5D1, 5D2, 5E1, 5E2, 5F1, 5F2, 5G1, 5G2, 5H1, 5H2, 5J1, 5J2, 5K1, 5K2, 5L1, 5L2, 5M1, 5M2, 6A, 6A1, 6A2, 6B1, 6B2, 6C1, 6C2, 6D1, 6D2, 6E1, 6E2, 6F1, 6F2, 6G1, 6G2, 6H1, 6H2, 6J1, 6J2, 6K1, 6K2, 6L1, 6L2, 6M1, 6M2... (Sensor node)
1a, 3, 14, 16, 18... Insulating layers 1b, 27... Polysilicon film 2, MH... Micro heater 2a... Electrode layer 2b... Detection terminal (electrode layer)
3 1 ... SiON film (first insulating film)
3 2 ... SiON film (second insulating film)
3a, 3b, 3c, 7, 17, 37, 45... Openings 4, 30, 106... Solid electrolyte layer (YSZ, YSZ thin film)
5D, 5D 1 , 5D 2 , 105D... Porous electrode (Ti/Pt electrode, porous Pt, anode)
5U, 5U 1 , 5U 2 ... Dense electrode (Pt electrode, porous Pt, cathode)
5Pt... Pt film 5Ti... Ti/Pt laminated film 6, 6(4), 6(5U), 6(5D), 6(5U 1 ), 6(5U 2 ), 6(5D 1 ), 6(5D 2 )... Low thermal expansion film 8 for stress relaxation... Insulating films 9 and 9a... Electrode portion 9b for heater... Detection terminal 9c... Connection terminal 10, 10 (5U), 10(5D), 10(5U 1 ), 10(5U 2 ) 10(5D 1 ), 10(5D 2 )... Warp suppressing porous insulating film 11... Pt+YSZ mixed particle film (particle mixed layer)
11a... Layer (Pt region)
11b... Layer (YSZ region)
12, 120... Substrate (silicon substrate)
13... Porous film (porous layer, Al 2 O 3 —SiO 2 film, porous film)
15, 115, 116, 117, 118, MP, MP1... Gas diffusion paths 15a, 42, 115a, 115a- 1 , 115a- 2 , 115a- 3 , 116c, 117c, 118c... Gas flow paths (micro flow paths)
15b, 47, 51G, 61G, 115b, 116a, 117a, 118a, 471, 472... Gas inlet 15c, 41, 115c, 116b, 117b, 118b... Gas inlet 19a... Flow path forming film 19b... Inlet forming film 19c ... inlet formed film 20,201,202 ... SiN layer 21, 22 ... heater connection portion 23, 24 ... terminal electrode connecting portion 25,512 ... SiO 2 film 26 ... SiN film 28D, 28DA, 28DB ... lower electrode 28D1... Lower electrode extension ends 28U, 105U... Upper electrode 28U1... Upper electrode extension end 35... Flow path forming layer 40... Gas outlet 40a... First opening 40b... Second opening 40A... Opening Hole 43... Protective SiO 2 film 49... Lid members 51, 71... Porous oxide film 53... Columnar oxide film 57... Columnar Pt/Ti film 61... Porous Pt film 90... Thermistor section 92... YSZ sensor section (limit current formula) Gas sensor)
94... AD/DA converter 96... Sensor package 100... Wafer 102... Element isolation region 103... Laminated film 104... Element region 107... Detection circuits 110, 112, 113, 114... Lid 112a... Substrate (first lid member)
112b... Flow path forming film (SiO 2 film)
112c... Polysilicon film (second lid member)
131... Package lid 132... Through hole 141... Package body 142... Limiting current type gas sensor chip 143... Bonding wire 151... Sensors 152... Wireless module 153... Microcomputer 154... Energy harvester power supply 155... Storage elements 181, 182... first and second insulating layers 200 ... device heating unit 300 ... lightly doped polysilicon layer 301 ... polysilicon layer 303, 305 ... gas intake portion 510 ... YSZ-SiO 2 film 511 ... YSZ particles AA ... active region C ... Cavity part, cavity CAa... Space area GS... Measured gas SP... Sensor part

Claims (24)

基板と、
前記基板上に第1絶縁層を介して配置されたヒータと、
前記ヒータ上に第2絶縁層を介して配置され、被測定ガスを取り込むガス導入路と、
前記ガス導入路上に配置された下部電極と、
前記下部電極上に配置された固体電解質層と、
前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置された上部電極と、
前記基板に、前記ヒータよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部と
を備え
前記ガス導入路は、多孔質膜によって構成されることを特徴とする限界電流式ガスセンサ。
Board,
A heater disposed on the substrate via a first insulating layer,
A gas introduction path which is arranged on the heater via a second insulating layer and takes in a gas to be measured;
A lower electrode arranged on the gas introduction path,
A solid electrolyte layer disposed on the lower electrode,
An upper electrode disposed on a surface of the solid electrolyte layer facing the lower electrode,
The substrate includes a cavity portion formed substantially larger than the heater ,
The gas introduction path, the limiting current type gas sensor, wherein Rukoto constituted by a porous membrane.
基板と、Board,
前記基板上に第1絶縁層を介して配置されたヒータと、A heater disposed on the substrate via a first insulating layer,
前記ヒータ上に第2絶縁層を介して配置され、被測定ガスを取り込むガス導入路と、A gas introduction path which is arranged on the heater via a second insulating layer and takes in a gas to be measured;
前記ガス導入路上に配置された下部電極と、A lower electrode arranged on the gas introduction path,
前記下部電極上に配置された固体電解質層と、A solid electrolyte layer disposed on the lower electrode,
前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置された上部電極と、An upper electrode disposed on a surface of the solid electrolyte layer facing the lower electrode,
前記基板に、前記ヒータよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部とA cavity portion formed on the substrate substantially larger than the heater;
を備え、Equipped with
前記ガス導入路は、中空構造のマイクロ流路を備えたガス拡散路であることを特徴とする限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor, wherein the gas introduction path is a gas diffusion path having a hollow micro flow path.
前記ガス拡散路は、前記被測定ガスを取り込むガス取込口を備えることを特徴とする請求項2に記載の限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor according to claim 2, wherein the gas diffusion path includes a gas intake port that takes in the gas to be measured. 前記ガス拡散路は、前記被測定ガスを取り込む複数のガス取込口を備えることを特徴とする請求項2に記載の限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor according to claim 2, wherein the gas diffusion path includes a plurality of gas inlets for taking in the gas to be measured. 前記複数のガス取込口は、いずれかが閉塞されることを特徴とする請求項4に記載の限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor according to claim 4, wherein any one of the plurality of gas intake ports is closed. 基板と、Board,
前記基板上に第1絶縁層を介して配置されたヒータと、A heater disposed on the substrate via a first insulating layer,
前記ヒータ上に第2絶縁層を介して配置されたガス取込部と、A gas intake portion arranged on the heater via a second insulating layer;
前記ガス取込部上に配置された下部電極と、A lower electrode disposed on the gas intake section,
前記下部電極上に配置された固体電解質層と、A solid electrolyte layer disposed on the lower electrode,
前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置された上部電極と、An upper electrode disposed on a surface of the solid electrolyte layer facing the lower electrode,
前記基板に、前記ヒータよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部とA cavity portion formed on the substrate substantially larger than the heater;
を備え、Equipped with
前記ガス取込部は、The gas intake section,
被測定ガスを取り込むガス導入路と、A gas introduction path for taking in the measured gas,
前記ガス導入路上に配置された柱状部とA columnar portion arranged on the gas introduction path,
から構成され、Consists of
前記柱状部は、面直方向のガス絞り構造を備えた柱状膜により構成されることを特徴とする限界電流式ガスセンサ。The limiting column type gas sensor, wherein the columnar portion is composed of a columnar film having a gas constriction structure in a direction perpendicular to the surface.
基板と、Board,
前記基板上に第1絶縁層を介して配置されたヒータと、A heater disposed on the substrate via a first insulating layer,
前記ヒータ上に第2絶縁層を介して配置されたガス取込部と、A gas intake portion arranged on the heater via a second insulating layer;
前記ガス取込部上に配置された下部電極と、A lower electrode disposed on the gas intake section,
前記下部電極上に配置された固体電解質層と、A solid electrolyte layer disposed on the lower electrode,
前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置された上部電極と、An upper electrode disposed on a surface of the solid electrolyte layer facing the lower electrode,
前記基板に、前記ヒータよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部とA cavity portion formed on the substrate substantially larger than the heater;
を備え、Equipped with
前記ガス取込部は、The gas intake section,
被測定ガスを取り込むガス導入路と、A gas introduction path for taking in the measured gas,
前記ガス導入路上に配置された柱状部とA columnar portion arranged on the gas introduction path,
から構成され、Consists of
前記柱状部は、面内方向のガス拡散構造を備えた多孔質膜により構成されることを特徴とする限界電流式ガスセンサ。The limiting column type gas sensor, wherein the columnar portion is composed of a porous film having an in-plane gas diffusion structure.
前記ヒータは、ノンドープまたは低濃度ドープポリシリコン層をさらに備えることを特徴とする請求項1〜7のいずれか1項に記載の限界電流式ガスセンサ。8. The limiting current type gas sensor according to claim 1, wherein the heater further comprises an undoped or lightly doped polysilicon layer. 前記基板は、MEMS構造を有する梁構造を備え、The substrate includes a beam structure having a MEMS structure,
前記梁構造が、前記基板に前記キャビティ部を舟型に形成する舟型構造であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の限界電流式ガスセンサ。9. The limiting current type gas sensor according to claim 1, wherein the beam structure is a boat type structure in which the cavity portion is formed in a boat type on the substrate.
前記基板は、MEMS構造を有する梁構造を備え、The substrate includes a beam structure having a MEMS structure,
前記梁構造が、前記基板に前記キャビティ部を開放型に形成する開放型構造であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載の限界電流式ガスセンサ。9. The limiting current type gas sensor according to claim 1, wherein the beam structure is an open type structure in which the cavity is formed in the substrate in an open type.
前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加することにより、前記被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路をさらに備えることを特徴とする請求項1〜10のいずれか1項に記載の限界電流式ガスセンサ。11. A detection circuit for detecting a predetermined gas concentration in the gas to be measured by a limiting current method by applying a voltage between the upper electrode and the lower electrode, further comprising: The limiting current type gas sensor according to any one of 1. 前記検出回路は、限界電流に基づいて酸素濃度を検出することを特徴とする請求項11に記載の限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor according to claim 11, wherein the detection circuit detects the oxygen concentration based on the limiting current. 前記検出回路は、限界電流に基づいて水蒸気濃度を検出することを特徴とする請求項11に記載の限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor according to claim 11, wherein the detection circuit detects the water vapor concentration based on the limiting current. 前記下部電極は、Pt/Ti膜によって構成されることを特徴とする請求項1に記載の限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor according to claim 1, wherein the lower electrode is formed of a Pt/Ti film. 基板と、Board,
前記基板上に第1絶縁層を介して配置されたヒータと、A heater disposed on the substrate via a first insulating layer,
前記ヒータ上に第2絶縁層を介して配置され、被測定ガスを取り込むガス導入路と、A gas introduction path which is arranged on the heater via a second insulating layer and takes in a gas to be measured;
前記ガス導入路上に配置された下部電極と、A lower electrode arranged on the gas introduction path,
前記下部電極上に配置された固体電解質層と、A solid electrolyte layer disposed on the lower electrode,
前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置された上部電極と、An upper electrode disposed on a surface of the solid electrolyte layer facing the lower electrode,
前記基板に、前記ヒータよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部とA cavity portion formed on the substrate substantially larger than the heater;
を備え、Equipped with
前記下部電極は、ポーラスPt/Ti膜によって構成されることを特徴とする限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor, wherein the lower electrode is composed of a porous Pt/Ti film.
前記下部電極は、ポーラスPt/Ti膜によって構成されることを特徴とする請求項2に記載の限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor according to claim 2, wherein the lower electrode is composed of a porous Pt/Ti film. 前記多孔質膜は、YSZまたはAlThe porous film may be YSZ or Al. 22 O 33 を含むポーラス酸化膜であることを特徴とする請求項1に記載の限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor according to claim 1, which is a porous oxide film containing a. 前記多孔質膜は、ポーラスPt膜またはポーラスPt/Ti膜であることを特徴とする請求項1に記載の限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor according to claim 1, wherein the porous film is a porous Pt film or a porous Pt/Ti film. 前記ガス拡散路上には、さらにポーラス酸化膜が配置されていることを特徴とする請求項2に記載の限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor according to claim 2, wherein a porous oxide film is further disposed on the gas diffusion path. 基板と、Board,
前記基板上に第1絶縁層を介して配置されたヒータと、A heater disposed on the substrate via a first insulating layer,
前記ヒータ上に第2絶縁層を介して配置されたガス取込部と、A gas intake portion arranged on the heater via a second insulating layer;
前記ガス取込部上に配置された下部電極と、A lower electrode disposed on the gas intake section,
前記下部電極上に配置された固体電解質層と、A solid electrolyte layer disposed on the lower electrode,
前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置された上部電極と、An upper electrode disposed on a surface of the solid electrolyte layer facing the lower electrode,
前記基板に、前記ヒータよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部とA cavity portion formed on the substrate substantially larger than the heater;
を備え、Equipped with
前記ガス取込部は、The gas intake section,
被測定ガスを取り込むガス導入路と、A gas introduction path for taking in the measured gas,
前記ガス導入路上に配置された柱状部とA columnar portion arranged on the gas introduction path,
から構成され、Consists of
前記ガス導入路は、多孔質膜または中空構造のマイクロ流路を備えたガス拡散路であることを特徴とする限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor, wherein the gas introduction path is a gas diffusion path provided with a microchannel having a porous membrane or a hollow structure.
前記柱状膜は、柱状酸化膜または柱状Pt/Ti膜によって構成されることを特徴とする請求項6に記載の限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor according to claim 6, wherein the columnar film is formed of a columnar oxide film or a columnar Pt/Ti film. 基板と、Board,
前記基板上に第1絶縁層を介して配置されたヒータと、A heater disposed on the substrate via a first insulating layer,
前記ヒータ上に第2絶縁層を介して配置されたガス取込部と、A gas intake portion arranged on the heater via a second insulating layer;
前記ガス取込部上に配置された下部電極と、A lower electrode disposed on the gas intake section,
前記下部電極上に配置された固体電解質層と、A solid electrolyte layer disposed on the lower electrode,
前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置された上部電極と、An upper electrode disposed on a surface of the solid electrolyte layer facing the lower electrode,
前記基板に、前記ヒータよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部とA cavity portion formed on the substrate substantially larger than the heater;
を備え、Equipped with
前記ガス取込部は、The gas intake section,
被測定ガスを取り込むガス導入路と、A gas introduction path for taking in the measured gas,
前記ガス導入路上に配置された柱状部とA columnar portion arranged on the gas introduction path,
から構成され、Consists of
前記下部電極はポーラス電極であって、The lower electrode is a porous electrode,
前記ポーラス電極は、ポーラス酸化膜とPt/Ti膜との積層膜またはポーラスPt/Ti膜によって構成されることを特徴とする限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor, wherein the porous electrode is composed of a laminated film of a porous oxide film and a Pt/Ti film or a porous Pt/Ti film.
前記多孔質膜は、ポーラス酸化膜またはポーラスPt膜によって構成されることを特徴とする請求項7に記載の限界電流式ガスセンサ。The limiting current type gas sensor according to claim 7, wherein the porous film is composed of a porous oxide film or a porous Pt film. 基板と、Board,
前記基板上に第1絶縁層を介して配置されたヒータと、A heater disposed on the substrate via a first insulating layer,
前記ヒータ上に第2絶縁層を介して配置されたガス取込部と、A gas intake portion arranged on the heater via a second insulating layer;
前記ガス取込部上に配置された下部電極と、A lower electrode disposed on the gas intake section,
前記下部電極上に配置された固体電解質層と、A solid electrolyte layer disposed on the lower electrode,
前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置された上部電極と、An upper electrode disposed on a surface of the solid electrolyte layer facing the lower electrode,
前記基板に、前記ヒータよりも実質的に大きく形成されたキャビティ部とA cavity portion formed on the substrate substantially larger than the heater;
を備え、Equipped with
前記ガス取込部は、The gas intake section,
被測定ガスを取り込むガス導入路と、A gas introduction path for taking in the measured gas,
前記ガス導入路上に配置された柱状部とA columnar portion arranged on the gas introduction path,
から構成され、Consists of
前記下部電極は柱状電極であって、The lower electrode is a columnar electrode,
前記柱状電極は、柱状酸化膜とPt/Ti膜との積層膜または柱状Pt/Ti膜によって構成されることを特徴とする限界電流式ガスセンサ。The limiting electrode type gas sensor, wherein the columnar electrode is composed of a laminated film of a columnar oxide film and a Pt/Ti film or a columnar Pt/Ti film.
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