JP2011017624A - Thin-film gas sensor and method for manufacturing the thin-film gas sensor - Google Patents

Thin-film gas sensor and method for manufacturing the thin-film gas sensor Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thin-film gas sensor which detects strains (heat-caused strains/crack-caused strains) occurring in a diaphragm section, self-diagnoses malfunctions and contributes to preventing accidents, derived from a variation in detection characteristics from occurring, and to provide a thin-film gas sensor manufacturing method which manufactures such a thin-film gas sensor.SOLUTION: Four strain sensing layers 81 are disposed on the diaphragm section, and a wheatstone bridge circuit is formed. Thus, the strain in the diaphragm section can be detected as variations in a resistance value by the strain-sensing layers 81 that functions as a piezoresistance element. Furthermore, the strain-sensing layers 81 are made of the same material as a gas-sensing layer 53, thereby simultaneously forming the strain sensing layers 81 and the gas sensing layer 53 and enabling its man-hour to be reduced.

Description

本発明は、電池駆動を念頭においた低消費電力型の薄膜ガスセンサ、および、この薄膜ガスセンサの製造方法に関するものである。   The present invention relates to a low power consumption thin film gas sensor with battery driving in mind, and a method of manufacturing the thin film gas sensor.

一般的にガスセンサは、ガス漏れ警報器等の用途に用いられ、ある特定ガス、例えば、ＣＯ，ＣＨ４，Ｃ３Ｈ８，ＣＨ３ＯＨ等の還元性ガスに選択的に感応するデバイスであり、その性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、低消費電力が必要不可欠である。
ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガスの検知を目的としたもの、燃焼機器の不完全燃焼ガスの検知を目的としたもの、または、これら両方の機能を併せ持ったもの等があるが、何れもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。
このため、ガス漏れ警報器の普及率を向上させる観点から、設置性の改善、具体的には、ガス漏れ警報器を電池駆動としてコードレス化することが望まれている。 In general, a gas sensor is a device that is used for applications such as a gas leak alarm and is selectively sensitive to a specific gas, for example, a reducing gas such as CO, CH 4 , C 3 H 8 , and CH 3 OH. In terms of its character, high sensitivity, high selectivity, high response, high reliability, and low power consumption are indispensable.
By the way, gas leak alarms that are widely used for household use are intended for detection of flammable gas for city gas and propane gas, for detection of incomplete combustion gas in combustion equipment, Alternatively, there are those having both of these functions, but the spread rate is not so high due to cost and installation problems.
For this reason, from the viewpoint of improving the diffusion rate of the gas leak alarm device, it is desired to improve the installation property, specifically, to make the gas leak alarm device cordless by battery driving.

電池駆動を実現するためには低消費電力化が最も重要であるが、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでＣＨ４、Ｃ３Ｈ８を検知する場合は、４００℃〜５００℃の高温に加熱して検知する必要がある。このため、ガス感知膜としてＳｎＯ２等の粉体を焼結する従来の方法では、スクリーン印刷等の方法を用いても厚みを薄くするには限界があり、電池駆動に用いるには熱容量が大き過ぎるという問題があった。そこで、微細加工プロセスを用いてダイヤフラム構造等により超低熱容量構造とした薄膜ガスセンサの実現が待たれている。 Low power consumption is the most important for realizing battery drive, but when detecting CH 4 and C 3 H 8 with a catalytic combustion type or semiconductor type gas sensor, it is heated to a high temperature of 400 ° C to 500 ° C. Need to be detected. For this reason, in the conventional method of sintering powder such as SnO 2 as a gas sensing film, there is a limit to reducing the thickness even if a method such as screen printing is used, and the heat capacity is large for use in battery driving. There was a problem of passing. Therefore, realization of a thin film gas sensor having an ultra-low heat capacity structure by a diaphragm structure or the like using a microfabrication process is awaited.

このような薄膜ガスセンサの従来技術としては、例えば、特許文献１（特開２００８−４６００７号公報）に記載されたダイヤフラム構造の薄膜ガスセンサがある。
ここで、図３は、例えば特許文献１の図１に記載された薄膜ガスセンサとほぼ同様の、一般的なダイヤフラム構造の薄膜ガスセンサのＢ−Ｂ線断面図であり、図４は同じく薄膜ガスセンサの平面図である。 As a prior art of such a thin film gas sensor, for example, there is a thin film gas sensor having a diaphragm structure described in Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2008-46007).
Here, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line B-B of a thin film gas sensor having a general diaphragm structure, which is substantially the same as the thin film gas sensor described in FIG. 1 of Patent Document 1, for example. It is a top view.

薄膜ガスセンサ１００は、図３のＢ−Ｂ線断面図で示すように、Ｓｉ基板１の上側に、熱酸化ＳｉＯ２層２１、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層２２、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３によってダイヤフラム構造の熱絶縁支持層２が形成されている。また、ヒータ層３は、Ｐｔ−Ｗにより形成されており、熱絶縁支持層２の上側に設けられる。熱絶縁支持層２およびヒータ層３は、スパッタＳｉＯ２層からなる電気絶縁層４により覆われる。Ｐｔによる一対の感知電極層５２の下側には、下地酸化膜である電気絶縁層４に対する中間層として、Ｔａによる接合層５１も形成されている。一対の感知電極層５２にはＳｎＯ２からなるガス感知層５３が渡される。電気絶縁層４の一部、一対の感知電極層５２およびガス感知層５３はガス選択燃焼層５４により覆われている。 The thin film gas sensor 100 includes a diaphragm formed by a thermally oxidized SiO 2 layer 21, a CVD-Si 3 N 4 layer 22, and a CVD-SiO 2 layer 23 on the upper side of the Si substrate 1, as shown in the sectional view taken along the line BB in FIG. A thermally insulating support layer 2 having a structure is formed. The heater layer 3 is made of Pt—W and is provided on the upper side of the heat insulating support layer 2. The heat insulating support layer 2 and the heater layer 3 are covered with an electric insulating layer 4 made of a sputtered SiO 2 layer. On the lower side of the pair of sensing electrode layers 52 made of Pt, a bonding layer 51 made of Ta is also formed as an intermediate layer with respect to the electrical insulating layer 4 which is a base oxide film. A gas sensing layer 53 made of SnO 2 is passed to the pair of sensing electrode layers 52. A part of the electrically insulating layer 4, the pair of sensing electrode layers 52 and the gas sensing layer 53 are covered with a gas selective combustion layer 54.

また、薄膜ガスセンサ１００は、図４の平面図で示すように、ガス検出信号出力部６が形成されている。ガス検出用導電層６１を通じてガス感知層５３からの検出信号を伝え、ガス検出用端子部６２に接続される導線（図示せず）を介して、ガス感知層５３における検出信号を図示しない信号処理部へ出力する。また、薄膜ガスセンサ１００は、ヒータ駆動信号入力部７も設けられており、図示しないヒータ駆動部からの駆動信号が導線を通じてヒータ駆動用端子部７２から入力され、ヒータ駆動用導電層７１を通じてヒータ駆動信号がヒータ層３に入力されてヒータ駆動を行う。そして、ヒータ層３により上記した温度まで加熱された状態でガス感知層５３がガスに接触し、変化する電気抵抗値を検出信号として出力することでセンサとして機能する。前述した特許文献１の薄膜ガスセンサでも同様な原理によりセンシングを行う。従来技術はこのようなものである。   Moreover, as shown in the plan view of FIG. 4, the thin film gas sensor 100 has a gas detection signal output unit 6 formed therein. Signal processing (not shown) for the detection signal in the gas sensing layer 53 is transmitted through a lead wire (not shown) connected to the gas detection terminal 62 through a detection signal from the gas sensing layer 53 through the gas detection conductive layer 61. Output to the section. The thin film gas sensor 100 is also provided with a heater drive signal input unit 7, and a drive signal from a heater drive unit (not shown) is input from the heater drive terminal unit 72 through a conductive wire and is driven through the heater drive conductive layer 71. A signal is input to the heater layer 3 to drive the heater. The gas sensing layer 53 comes into contact with the gas while being heated to the above temperature by the heater layer 3, and functions as a sensor by outputting a changing electric resistance value as a detection signal. The thin film gas sensor of Patent Document 1 described above performs sensing based on the same principle. The prior art is like this.

特開２００８−４６００７号公報（図１等）JP 2008-46007 A (FIG. 1 etc.)

ダイヤフラム構造で低熱容量構造とした薄膜ガスセンサは、薄い膜状に形成されたダイヤフラム部の中心から半径方向外側へ向かって伝熱していくが、途中でダイヤフラム部に損傷（割れ・欠けなど）があると、機械的な歪みから均等に熱が伝わらず温度ムラが生じてセンサ特性が変化してしまうという問題があった。しかしながら、従来技術ではこのようなダイヤフラム部の損傷を検出する点については考慮されていなかった。この点は特許文献１の薄膜ガスセンサでも同様であった。   A thin film gas sensor with a diaphragm structure and a low heat capacity structure transfers heat radially outward from the center of the thin diaphragm, but there is damage (breaking, chipping, etc.) in the middle of the diaphragm. Then, there is a problem in that heat is not evenly transmitted due to mechanical distortion and temperature unevenness occurs, resulting in a change in sensor characteristics. However, the conventional technique does not consider the point of detecting such damage to the diaphragm portion. This point was the same in the thin film gas sensor disclosed in Patent Document 1.

本発明はこのような課題を解決するためになされものであり、その目的は、ダイヤフラム部に生じる歪(熱による歪・割れによって生じた歪)を検出し、故障を自己診断するようにして、検出特性の変化により発生する事故の未然防止に寄与する薄膜ガスセンサを提供することにある。
更に本発明は、このような薄膜ガスセンサを製造する薄膜ガスセンサの製造方法も併せて提供することにある。 The present invention is made in order to solve such a problem, and its purpose is to detect a strain (strain caused by heat / strain caused by cracking) generated in the diaphragm portion and to self-diagnose the failure. An object of the present invention is to provide a thin film gas sensor that contributes to prevention of accidents caused by changes in detection characteristics.
Furthermore, the present invention also provides a method for manufacturing such a thin film gas sensor.

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、
貫通孔を有するＳｉ基板と、
前記貫通孔の開口部に張られるダイヤフラム様の熱絶縁支持層と、
前記熱絶縁支持層上に設けられるヒータ層と、
前記熱絶縁支持層および前記ヒータ層を覆うように設けられる電気絶縁層と、
前記電気絶縁層上に設けられる一対の感知電極層と、前記電気絶縁層および前記一対の感知電極層の上に設けられ、吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感知層と、前記電気絶縁層の一部とともに前記一対の感知電極層および前記ガス感知層を覆うガス選択燃焼層と、を有するガス検出部と、
前記電気絶縁層の上に設けられて歪みによりその電気抵抗値が変化する歪感知層と、前記電気絶縁層の一部とともに前記歪感知層を覆うように設けられる保護層と、を有する歪検出部と、
前記歪感知層に電気的に接続される歪検出用導電層と、
を備えることを特徴とする薄膜ガスセンサである。
ここに前記ヒータ層は、前記熱絶縁支持層上に直接設けられるか、または、接合層を介して設けられる。また、前記一対の感知電極層および前記歪検出用導電層は、前記電気絶縁層上に直接設けられるか、または、接合層を介して設けられる。 In order to solve the above problem, the invention described in claim 1
A Si substrate having a through hole;
A diaphragm-like heat insulating support layer stretched over the opening of the through hole;
A heater layer provided on the thermally insulating support layer;
An electrical insulation layer provided to cover the thermal insulation support layer and the heater layer;
A pair of sensing electrode layers provided on the electrical insulating layer; a gas sensing layer provided on the electrical insulating layer and the pair of sensing electrode layers, the electrical resistance value of which varies depending on the adsorbed gas; and the electrical A gas detection unit having a gas selective combustion layer covering the pair of sensing electrode layers and the gas sensing layer together with a part of an insulating layer;
A strain detection layer provided on the electrical insulating layer and having a resistance sensing layer whose electrical resistance value changes due to strain, and a protective layer provided to cover the strain sensing layer together with a part of the electrical insulating layer. And
A strain detecting conductive layer electrically connected to the strain sensing layer;
It is a thin film gas sensor characterized by including.
Here, the heater layer is provided directly on the heat insulating support layer or via a bonding layer. Further, the pair of sensing electrode layers and the strain detection conductive layer are provided directly on the electrical insulating layer or via a bonding layer.

また、請求項２に記載した発明は、
請求項１に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記歪検出部は、前記貫通孔の開口部を覆うダイヤフラム部の上側に位置することを特徴とする薄膜ガスセンサである。 The invention described in claim 2
The thin film gas sensor according to claim 1,
The strain detector is a thin film gas sensor that is located above a diaphragm portion that covers an opening of the through hole.

また、請求項３に記載した発明は、
請求項１または請求項２に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
ｎ個の前記歪検出部が同一円上において３６０°／ｎ毎に等角配置されることを特徴とする薄膜ガスセンサである。 The invention described in claim 3
The thin film gas sensor according to claim 1 or 2,
The thin film gas sensor is characterized in that the n strain detection units are equiangularly arranged at every 360 ° / n on the same circle.

また、請求項４に記載した発明は、
請求項３に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
４個の前記歪検出部が同一円上に９０°毎に等角配置され、かつホイートストンブリッジ回路が形成されるように前記歪検出用導電層が接続されることを特徴とする薄膜ガスセンサである。 The invention described in claim 4
The thin film gas sensor according to claim 3,
The thin film gas sensor is characterized in that the four strain detectors are equiangularly arranged on the same circle every 90 °, and the conductive layers for strain detection are connected so as to form a Wheatstone bridge circuit. .

また、請求項５に記載した発明は、
請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記ガス感知層および前記歪感知層は、ＳｎＯ２により形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサである。 Moreover, the invention described in claim 5 is
In the thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 4,
In the thin film gas sensor, the gas sensing layer and the strain sensing layer are layers formed of SnO 2 .

また、請求項６に記載した発明は、
請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記電気絶縁層および前記保護層は、ＳｉＯ２により形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサである。 The invention described in claim 6
In the thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 5,
In the thin film gas sensor, the electrical insulating layer and the protective layer are layers formed of SiO 2 .

また、請求項７に記載した発明は、
請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記一対の感知電極層および前記歪検出用導電層は、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金により形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサである。 The invention described in claim 7
In the thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 6,
In the thin film gas sensor, the pair of sensing electrode layers and the strain detecting conductive layer are layers formed of Pd (palladium), Pt (platinum), or an alloy containing Pd and Pt.

また、請求項８に記載した発明は、
請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記ガス選択燃焼層は、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金を触媒として担持したＡｌ２Ｏ３焼結材による層であることを特徴とする薄膜ガスセンサである。 The invention described in claim 8
In the thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 7,
The gas selective combustion layer is a thin film gas sensor characterized in that it is a layer made of an Al 2 O 3 sintered material that supports Pd (palladium), Pt (platinum) or an alloy containing Pd and Pt as a catalyst.

また、請求項９に記載した発明は、
請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記歪感知層は、前記ガス感知層と同時形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサである。 The invention described in claim 9 is
In the thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 8,
The strain sensing layer is a thin film gas sensor formed simultaneously with the gas sensing layer.

また、請求項１０に記載した発明は、
請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記歪検出用導電層は、前記一対の感知電極層と同時形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサである。 Moreover, the invention described in claim 10 is
In the thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 9,
The strain detection conductive layer is a thin film gas sensor formed simultaneously with the pair of sensing electrode layers.

また、請求項１１に記載した発明は、
シリコンウェハ上に熱絶縁支持層、ヒータ層、および、電気絶縁層が順次形成される工程と、
前記電気絶縁層上に一対の感知電極層と歪検出用導電層とが同時に形成される工程と、
前記一対の感知電極層を跨いでガス感知層が、および、前記歪検出用導電層に接するように歪感知層が、それぞれ同時に形成される工程と、
前記歪感知層を覆うように保護層が形成される工程と、
前記ガス感知層の表面を覆うようにガス選択燃焼層が形成される工程と、
を有することを特徴とする薄膜ガスセンサの製造方法である。 Further, the invention described in claim 11 is
A step of sequentially forming a heat insulating support layer, a heater layer, and an electric insulating layer on the silicon wafer;
A step of simultaneously forming a pair of sensing electrode layers and a strain detecting conductive layer on the electrically insulating layer;
Forming a gas sensing layer straddling the pair of sensing electrode layers and a strain sensing layer so as to be in contact with the strain detecting conductive layer, respectively;
Forming a protective layer to cover the strain sensing layer;
Forming a gas selective combustion layer so as to cover a surface of the gas sensing layer;
It is a manufacturing method of the thin film gas sensor characterized by having.

本発明によれば、ダイヤフラム部に生じる歪(熱による歪・割れによって生じた歪)を検出し、故障を自己診断するようにして、検出特性の変化により発生する事故の未然防止に寄与する薄膜ガスセンサを提供することができる。
更に本発明によれば、このような薄膜ガスセンサを製造する薄膜ガスセンサの製造方法も併せて提供することができる。 According to the present invention, the thin film contributes to the prevention of accidents caused by changes in detection characteristics by detecting the distortion (strain caused by heat / strain caused by cracking) generated in the diaphragm portion and performing self-diagnosis of the failure. A gas sensor can be provided.
Furthermore, according to this invention, the manufacturing method of the thin film gas sensor which manufactures such a thin film gas sensor can also be provided.

本発明の実施形態を示す薄膜ガスセンサのＡ−Ａ線断面図である。It is an AA line sectional view of a thin film gas sensor showing an embodiment of the present invention. 本発明の実施形態を示す薄膜ガスセンサの平面図である。It is a top view of the thin film gas sensor which shows embodiment of this invention. 従来技術の薄膜ガスセンサのＢ−Ｂ線断面図である。It is BB sectional drawing of the thin film gas sensor of a prior art. 従来技術の薄膜ガスセンサの平面図である。It is a top view of the thin film gas sensor of a prior art.

以下、図に沿って本発明を実施するための形態について説明する。
図１は本形態の薄膜ガスセンサのＡ−Ａ線断面図、図２は本形態の薄膜ガスセンサの平面図である。この図１，図２を参照しながら、本形態の構成を製造方法と共に説明する。ここに本形態の薄膜ガスセンサ１０は、先に図３，図４を用いて説明した薄膜ガスセンサ１００と比較すると、特に歪検出部８，歪検出信号出力部９が追加されている点が相違する。本形態の説明では、従来技術の図３と同一の構成要素には同一の番号を付すが、各部については改めて詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a cross-sectional view of the thin film gas sensor according to the present embodiment taken along line AA, and FIG. 2 is a plan view of the thin film gas sensor according to the present embodiment. The configuration of this embodiment will be described together with the manufacturing method with reference to FIGS. Here, the thin film gas sensor 10 of this embodiment is different from the thin film gas sensor 100 described with reference to FIGS. 3 and 4 in that a strain detection unit 8 and a strain detection signal output unit 9 are added. . In the description of the present embodiment, the same components as those in FIG. 3 of the prior art are denoted by the same reference numerals, but each part will be described in detail again.

この本形態の薄膜ガスセンサ１０は、図１，図２に示すように、シリコン基板（以下Ｓｉ基板）１、熱絶縁支持層２、ヒータ層３、電気絶縁層４、ガス検出部５、ガス検出信号出力部６、ヒータ駆動信号入力部７、歪検出部８、歪検出信号出力部９を備える。熱絶縁支持層２は、詳しくは、熱酸化ＳｉＯ２層２１、ＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４層２２、ＣＶＤ―ＳｉＯ２層２３の三層構造となっている。ガス検出部５は、詳しくは、接合層５１、感知電極層５２、ガス感知層５３、ガス選択燃焼層５４を備える。このガス感知層５３はアンチモン（Ｓｂ）をドープした二酸化スズ層（以下、ＳｎＯ２層）であり、ガス選択燃焼層５４は、詳しくはパラジウム（Ｐｄ）、白金（Ｐｔ）、または、パラジウム（Ｐｄ）と白金（Ｐｔ）とを含む合金の何れか触媒として担持した触媒担持多孔質アルミナ（触媒担持Ａｌ２Ｏ３焼結材）である。 As shown in FIGS. 1 and 2, the thin film gas sensor 10 of this embodiment includes a silicon substrate (hereinafter referred to as Si substrate) 1, a thermal insulation support layer 2, a heater layer 3, an electrical insulation layer 4, a gas detection unit 5, and a gas detection. A signal output unit 6, a heater drive signal input unit 7, a strain detection unit 8, and a strain detection signal output unit 9 are provided. Specifically, the heat insulating support layer 2 has a three-layer structure of a thermally oxidized SiO 2 layer 21, a CVD-Si 3 N 4 layer 22, and a CVD-SiO 2 layer 23. Specifically, the gas detection unit 5 includes a bonding layer 51, a sensing electrode layer 52, a gas sensing layer 53, and a gas selective combustion layer 54. The gas sensing layer 53 is a tin dioxide layer doped with antimony (Sb) (hereinafter referred to as SnO 2 layer), and the gas selective combustion layer 54 is specifically palladium (Pd), platinum (Pt), or palladium (Pd ) And platinum (Pt) as an alloy catalyst-supported porous alumina (catalyst-supported Al 2 O 3 sintered material).

そして、ヒータ層３は、ヒータ駆動信号入力部７を介して、図示しない信号処理・駆動部に電気的に接続されている。また、ガス検出部５（詳しくは一対の感知電極層５２を介してガス感知層５３）は、ガス検出信号出力部６を介して、図示しない信号処理・駆動部に電気的に接続されている。   The heater layer 3 is electrically connected to a signal processing / driving unit (not shown) via a heater driving signal input unit 7. The gas detector 5 (specifically, the gas sensing layer 53 via the pair of sensing electrode layers 52) is electrically connected to a signal processing / driving unit (not shown) via the gas detection signal output unit 6. .

続いて各部構成について説明する。
Ｓｉ基板１はシリコン（Ｓｉ）により形成され、貫通孔を有するように形成される。
熱絶縁支持層２はこの貫通孔の開口部に張られてダイヤフラム様に形成されており、Ｓｉ基板１の上側に設けられる。以下、貫通孔の上側で不支持状態で張り渡されている薄い熱絶縁支持層２および電気絶縁層４による薄膜部は、ダイヤフラム部であるとして説明する。 Next, the configuration of each part will be described.
The Si substrate 1 is formed of silicon (Si) and has a through hole.
The heat insulating support layer 2 is stretched over the opening of the through hole and formed in a diaphragm shape, and is provided on the upper side of the Si substrate 1. In the following description, it is assumed that the thin thermal insulating support layer 2 and the thin film portion formed by the electrical insulating layer 4 that are stretched in an unsupported state above the through holes are diaphragm portions.

この熱絶縁支持層２は、詳しくは、熱酸化ＳｉＯ２層２１、ＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４層２２、ＣＶＤ―ＳｉＯ２層２３の三層構造となっている。
熱酸化ＳｉＯ２層２１は、熱絶縁層として形成され、ヒータ層３で発生する熱をＳｉ基板１側へ熱伝導しないようにして熱容量を小さくする機能を有する。また、この熱酸化ＳｉＯ２層２１はプラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、後述するプラズマエッチングによるＳｉ基板１への貫通孔の形成を容易にする。
ＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４層２２は、熱酸化ＳｉＯ２層２１の上側に形成される。
ＣＶＤ―ＳｉＯ２層２３は、ＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４層２２の上側に形成される。ＣＶＤ―ＳｉＯ２層２３は、ヒータ層３との密着性を向上させるとともに電気的絶縁を確保する。ＣＶＤ（化学気相成長法）によるＳｉＯ２層は内部応力が小さい。 Specifically, the thermal insulating support layer 2 has a three-layer structure of a thermally oxidized SiO 2 layer 21, a CVD-Si 3 N 4 layer 22, and a CVD-SiO 2 layer 23.
The thermally oxidized SiO 2 layer 21 is formed as a heat insulating layer and has a function of reducing the heat capacity by preventing heat generated in the heater layer 3 from being conducted to the Si substrate 1 side. The thermally oxidized SiO 2 layer 21 exhibits high resistance to plasma etching, and facilitates formation of a through hole in the Si substrate 1 by plasma etching described later.
The CVD-Si 3 N 4 layer 22 is formed above the thermally oxidized SiO 2 layer 21.
The CVD-SiO 2 layer 23 is formed on the upper side of the CVD-Si 3 N 4 layer 22. The CVD-SiO 2 layer 23 improves the adhesion to the heater layer 3 and ensures electrical insulation. The SiO 2 layer formed by CVD (chemical vapor deposition) has a small internal stress.

ヒータ層３は、薄膜状のＰｔ−Ｗ（白金−タングステン）ヒータであって、熱絶縁支持層２のほぼ中央の上面に設けられる。ヒータ層３には、図２で示すように、ヒータ駆動信号入力部７が接続される。詳しくは、ヒータ駆動信号入力部７の二個のヒータ駆動用導電層７１がヒータ層３に電気的に接続されている。ヒータ駆動用導電層７１は電源供給ラインとなる。ヒータ駆動用導電層７１の一端は電気絶縁層４内に埋設して二方向からヒータ層３に接続されるように設けられる。この二個のヒータ駆動用導電層７１の他端はそれぞれヒータ駆動用端子部７２に接続される。ヒータ駆動用端子部７２は外界に露出する電極パッドとなる。このヒータ駆動用端子部７２からワイヤ等で配線されて信号処理・駆動部（図示せず）に電気的に接続される。なお、ヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７と、熱絶縁支持層２と、の間にＴａ膜（タンタル膜）による接合層を介在させ、接合強度を高めている。   The heater layer 3 is a thin-film Pt—W (platinum-tungsten) heater, and is provided on the upper surface at substantially the center of the heat insulating support layer 2. As shown in FIG. 2, a heater drive signal input unit 7 is connected to the heater layer 3. Specifically, the two heater driving conductive layers 71 of the heater driving signal input unit 7 are electrically connected to the heater layer 3. The heater driving conductive layer 71 serves as a power supply line. One end of the heater driving conductive layer 71 is embedded in the electrical insulating layer 4 so as to be connected to the heater layer 3 from two directions. The other ends of the two heater driving conductive layers 71 are respectively connected to the heater driving terminal portions 72. The heater driving terminal portion 72 becomes an electrode pad exposed to the outside. The heater driving terminal portion 72 is wired with a wire or the like and is electrically connected to a signal processing / driving portion (not shown). Note that a bonding layer made of a Ta film (tantalum film) is interposed between the heater layer 3 and the heater drive signal input unit 7 and the heat insulating support layer 2 to increase the bonding strength.

電気絶縁層４は、電気的に絶縁を確保するスパッタＳｉＯ２層からなり、熱絶縁支持層２、ヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７のヒータ駆動用導電層７１を覆うように設けられる。また、電気絶縁層４は、ヒータ層３と一対の感知電極層５２との間に電気的な絶縁を確保しつつガス感知層５３との密着性を向上させる。 The electrical insulating layer 4 is formed of a sputtered SiO 2 layer that ensures electrical insulation, and is provided so as to cover the heat insulating support layer 2, the heater layer 3, and the heater driving conductive layer 71 of the heater driving signal input unit 7. The electrical insulating layer 4 improves the adhesion with the gas sensing layer 53 while ensuring electrical insulation between the heater layer 3 and the pair of sensing electrode layers 52.

接合層５１は、電気絶縁層４の上に設けられたＴａ膜（タンタル膜）である。このＴａ膜による接合層５１は、感知電極層５２と電気絶縁層４との間に介在して接合強度を高める機能を有している。この接合層５１は左右一対となるように二箇所に設けられる。   The bonding layer 51 is a Ta film (tantalum film) provided on the electrical insulating layer 4. The Ta film bonding layer 51 is interposed between the sensing electrode layer 52 and the electrical insulating layer 4 and has a function of increasing the bonding strength. This bonding layer 51 is provided at two locations so as to form a pair of left and right.

感知電極層５２は、接合層５１の上面に、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金により形成される層を設けたものである。以下、本形態では例示的にＰｔであるものとして説明する。このような感知電極層５２も、ガス感知層５３の感知電極となるように左右一対に二箇所に設けられる。一対の感知電極層５２には、図２で示すように、ガス検出信号出力部６が接続される。詳しくは、ガス検出信号出力部６の二個のガス検出用導電層６１が一対の感知電極層５２にそれぞれ電気的に接続されている。ガス検出用導電層６１は信号ラインとなる。ガス検出用導電層６１は電気絶縁層４の上面で二方向へ設けられる。この二個のガス検出用導電層６１はそれぞれガス検出用端子部６２に接続される。ガス検出用端子部６２は外界に露出する電極パッドとなる。このガス検出用端子部６２からワイヤ等で配線されて信号処理・駆動部（図示せず）に電気的に接続される。ここで、ガス検出用導電層６１は電気絶縁層４の表面にあるため、埋設されるヒータ駆動用導電層７１とは間違えにくいという利点もある。   The sensing electrode layer 52 is provided with a layer formed of Pd (palladium), Pt (platinum) or an alloy containing Pd and Pt on the upper surface of the bonding layer 51. Hereinafter, in the present embodiment, description will be given assuming that Pt is illustrative. Such sensing electrode layers 52 are also provided at two positions on the left and right sides so as to be the sensing electrodes of the gas sensing layer 53. As shown in FIG. 2, the gas detection signal output unit 6 is connected to the pair of sensing electrode layers 52. Specifically, the two gas detection conductive layers 61 of the gas detection signal output unit 6 are electrically connected to the pair of sensing electrode layers 52, respectively. The gas detection conductive layer 61 serves as a signal line. The gas detection conductive layer 61 is provided in two directions on the upper surface of the electrical insulating layer 4. The two gas detection conductive layers 61 are connected to the gas detection terminal portions 62, respectively. The gas detection terminal portion 62 becomes an electrode pad exposed to the outside. The gas detection terminal unit 62 is wired with a wire or the like and is electrically connected to a signal processing / driving unit (not shown). Here, since the gas detection conductive layer 61 is on the surface of the electrical insulating layer 4, there is an advantage that the gas detection conductive layer 61 is not easily mistaken for the embedded heater driving conductive layer 71.

ガス感知層５３は、ＳｂをドープしたＳｎＯ２層からなり、図１，図２に示すように、一対の感知電極層５２を渡されるように電気絶縁層４の上に形成される。 The gas sensing layer 53 is composed of Sb-doped SnO 2 layer, and is formed on the electrically insulating layer 4 so as to pass the pair of sensing electrode layers 52 as shown in FIGS.

ガス選択燃焼層５４は、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、または、白金（Ｐｔ）とパラジウム（Ｐｄ）とを含む合金である触媒を担持した焼結体であり、先に説明したように触媒担持多孔質アルミナである。本形態では例示的にＰｄを担持するＰｄ担持Ａｌ２Ｏ３焼結材であるとして説明する。多孔質体であるガス選択燃焼層５４では、孔を通過する検出対象ガスが触媒に接触する機会を増加させており、燃焼反応を促進させる。ガス選択燃焼層５４は、電気絶縁層４の一部、一対の感知電極層５２およびガス感知層５３の表面を覆うように設けられる。
このような薄膜ガスセンサ１００はダイヤフラム構造により高断熱，低熱容量の構造としている。 The gas selective combustion layer 54 is a sintered body carrying a catalyst that is platinum (Pt), palladium (Pd), or an alloy containing platinum (Pt) and palladium (Pd), as described above. It is a catalyst-supporting porous alumina. In the present embodiment, description will be given on the assumption that the Pd-supported Al 2 O 3 sintered material that supports Pd is illustrative. In the gas selective combustion layer 54 that is a porous body, the chance that the detection target gas that passes through the holes contacts the catalyst is increased, and the combustion reaction is promoted. The gas selective combustion layer 54 is provided so as to cover a part of the electrical insulating layer 4, the pair of sensing electrode layers 52, and the surface of the gas sensing layer 53.
Such a thin film gas sensor 100 has a structure of high heat insulation and low heat capacity by a diaphragm structure.

つづいて、本発明の特徴をなす部分であり、歪みを検出する構成について説明する。
歪検出部８は、歪感知層８１と、保護層８２と、を有する。
歪検出信号出力部９は、８箇所の歪検出用導電層９１、４個の歪検出用端子部９２を備える。 Next, a configuration for detecting distortion, which is a feature of the present invention, will be described.
The strain detection unit 8 includes a strain sensing layer 81 and a protective layer 82.
The strain detection signal output unit 9 includes eight strain detection conductive layers 91 and four strain detection terminal portions 92.

歪検出部８の歪感知層８１は、ＳｂをドープしたＳｎＯ２層からなり、図１に示されるように、電気絶縁層４の上に形成される。歪感知層８１は、電気絶縁層４から受ける歪みによりその電気抵抗値が変化する。これは物体に応力を加えたときに電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を利用するものであり、歪感知層８１はピエゾ抵抗素子となる。
歪検出部８の保護層８２は、電気的に絶縁を確保するスパッタＳｉＯ２層からなる。保護層８２は、歪感知層８１を覆うように電気絶縁層４の一部および歪感知層８１上に設けられる。 The strain sensing layer 81 of the strain detector 8 is made of an SnO 2 layer doped with Sb, and is formed on the electrical insulating layer 4 as shown in FIG. The electric resistance value of the strain sensing layer 81 changes depending on the strain received from the electric insulating layer 4. This utilizes a piezoresistance effect in which the electrical resistance changes when stress is applied to the object, and the strain sensing layer 81 becomes a piezoresistive element.
The protective layer 82 of the strain detector 8 is formed of a sputtered SiO 2 layer that ensures electrical insulation. The protective layer 82 is provided on a part of the electrical insulating layer 4 and the strain sensing layer 81 so as to cover the strain sensing layer 81.

そしてこのような歪検出部８は、図２でも明らかなように、４個設けられており、４個の歪検出部８が矢印Ｃで示される同一円の上にて９０°毎に等角配置される。歪検出部８の配置であるが、図２で示すように、歪検出部８の長手方向が同一円の接線方向と同じ方向になるようにする。または、図示はしないが、歪検出部８の長手方向が同一円の半径方向と同じ方向になるようにしても良い。何れの場合であっても、長手方向を統一して配置する。なお、この円の中心にはガス感知層５３・ヒータ層３が位置している。   As is apparent from FIG. 2, four such strain detectors 8 are provided, and the four strain detectors 8 are equiangular every 90 ° on the same circle indicated by the arrow C. Be placed. As shown in FIG. 2, the strain detection unit 8 is arranged such that the longitudinal direction of the strain detection unit 8 is the same as the tangential direction of the same circle. Alternatively, although not shown, the longitudinal direction of the strain detector 8 may be the same as the radial direction of the same circle. In any case, the longitudinal directions are unified. In addition, the gas sensing layer 53 and the heater layer 3 are located in the center of this circle.

４個の歪検出部８には、図２で示すように、歪検出信号出力部９が接続される。詳しくは、歪検出信号出力部９の二個の歪検出用導電層９１が歪感知層８１にそれぞれ電気的に接続されている。この歪検出用導電層９１は電気絶縁層４上であって外側付近に設けられる。歪検出用導電層９１はいずれも略Ｌ字状に形成される信号ラインとなる。殆どの歪検出用導電層９１が外側付近に位置し、歪感知層８１との接続箇所のみ半径方向に伸びる歪検出用導電層９１が接続されることとなる。これにより、歪検出用導電層９１はダイヤフラム部の外側の厚みが大きい箇所に位置するため、歪検出用導電層９１への歪みの影響を受けにくくしている。   As shown in FIG. 2, a distortion detection signal output unit 9 is connected to the four distortion detection units 8. Specifically, the two strain detection conductive layers 91 of the strain detection signal output unit 9 are electrically connected to the strain sensing layer 81, respectively. The strain detecting conductive layer 91 is provided on the electrical insulating layer 4 and in the vicinity of the outside. Each of the strain detecting conductive layers 91 is a signal line formed in a substantially L shape. Most of the strain-detecting conductive layer 91 is located near the outside, and the strain-detecting conductive layer 91 extending in the radial direction is connected only to the connection point with the strain sensing layer 81. Accordingly, since the strain-detecting conductive layer 91 is located at a location where the outer thickness of the diaphragm portion is large, the strain-detecting conductive layer 91 is hardly affected by the strain.

この二個の歪検出用導電層９１はそれぞれ歪検出用端子部９２に接続される。歪検出用端子部９２は外界に露出する電極パッドとなる。この歪検出用端子部９２から図示しないワイヤ等で配線されて信号処理・駆動部（図示せず）に電気的に接続される。
歪感知層８１にダイヤフラム部を通じて応力が加わったときに歪感知層８１は電気抵抗が変化するピエゾ抵抗素子として機能する。このため、４個の歪検出部８および歪検出信号出力部９は、歪検出を行う歪みセンサとして機能する。 The two strain detection conductive layers 91 are respectively connected to the strain detection terminal portions 92. The strain detection terminal portion 92 becomes an electrode pad exposed to the outside. The strain detection terminal portion 92 is wired with a wire (not shown) or the like and electrically connected to a signal processing / driving portion (not shown).
When a stress is applied to the strain sensing layer 81 through the diaphragm portion, the strain sensing layer 81 functions as a piezoresistive element whose electrical resistance changes. Therefore, the four strain detection units 8 and the strain detection signal output unit 9 function as strain sensors that perform strain detection.

そして、ダイヤフラム上に配置された４個の歪感知層８１に対し８個の歪検出用導電層９１を接続したときは、図２からも明らかなように、ホイートストンブリッジ回路を形成している。このホイートストンブリッジ回路では例えば、１８０°対向する位置にある２個の歪検出用端子部９２に電圧を印加し、１８０°対向する位置にある残る２個の歪検出用端子部９２を流れる電流を検知すれば歪みの発生を検出できるようになる。   When eight strain detection conductive layers 91 are connected to the four strain sensing layers 81 arranged on the diaphragm, a Wheatstone bridge circuit is formed as is apparent from FIG. In this Wheatstone bridge circuit, for example, a voltage is applied to the two strain detection terminal portions 92 that are 180 ° opposite to each other, and the current that flows through the remaining two strain detection terminal portions 92 that are 180 ° opposite to each other is applied. If detected, the occurrence of distortion can be detected.

ホイートストンブリッジ回路の性質上高感度（僅かな歪み）の検出が可能となる。初期状態では対向位置にある２個の歪検出用端子部９２を流れる電流を０となるようにするか、または、初期状態でも流れる電流値を予め測定の上で登録しておけば、電流値の変化の有無から通常状態が異常状態かを検出できる。   High sensitivity (slight distortion) can be detected due to the nature of the Wheatstone bridge circuit. In the initial state, if the current flowing through the two strain detection terminal portions 92 at the opposite positions is set to 0, or if the current value flowing even in the initial state is registered in advance after measurement, the current value It is possible to detect whether the normal state is an abnormal state from the presence or absence of a change in

このように構成される歪検出部８では、特に貫通孔により機械的不支持となっているダイヤフラム部の上にのみ４個の歪感知層８１が配置されるようにして、ダイヤフラム部の歪みを検出し易いように配慮している。また、矢印Ｃで示される同一円の上に配置しているが、これは半径位置により歪みが変化する傾向（一般にダイヤフラム部の中央の歪みが最も大きく、また、貫通孔の内壁近傍の歪みが小さい）に影響されないようにするためである。これにより検出精度を向上させている。   In the strain detection unit 8 configured as described above, the strain of the diaphragm part is reduced by arranging the four strain sensing layers 81 only on the diaphragm part that is not mechanically supported by the through hole. Consideration is given to make it easy to detect. Further, although arranged on the same circle indicated by the arrow C, the distortion tends to change depending on the radial position (generally, the distortion at the center of the diaphragm is the largest, and the distortion near the inner wall of the through hole is also large. This is because it is not affected by (small). This improves the detection accuracy.

また、前述のような歪感知層８１の向きを統一したため、歪感知層８１の電気抵抗値の増減は全て同じになる。したがって、ダイヤフラム部に歪が発生して歪感知層８１の電気抵抗値が変化してもダイヤフラム部に異常がなければ直ちにブリッジ出力に大幅な変化は生じない。しかしダイヤフラム部に故障が存在して抵抗値の変化に大幅な違いが出てくると、ブリッジ出力も大幅に変化して直ちに故障を検知できるようになる。
また、図２からも明らかなように、４個の歪感知層８１と、２個のガス検出用導電層６１や２個のヒータ駆動用導電層７１と、はそれぞれ交互に配置されるため機械的に無駄のない配置を実現している。 Further, since the direction of the strain sensing layer 81 is unified, the increase and decrease of the electrical resistance value of the strain sensing layer 81 are all the same. Therefore, even if the diaphragm portion is distorted and the electrical resistance value of the strain sensing layer 81 changes, the bridge output does not change significantly as long as there is no abnormality in the diaphragm portion. However, if there is a failure in the diaphragm and there is a significant difference in the change in resistance value, the bridge output will also change significantly and the failure can be detected immediately.
Further, as is apparent from FIG. 2, the four strain sensing layers 81, the two gas detection conductive layers 61, and the two heater driving conductive layers 71 are alternately arranged, so that the machine The arrangement without waste is realized.

ここに、ガス感知層５３および歪感知層８１は、ともにＳｎＯ２により形成される層とした。これにより、製造時にガス感知層５３および歪感知層８１を一括して形成できるため、製造工程の削減によりコストの大幅な削減に寄与する。 Here, both the gas sensing layer 53 and the strain sensing layer 81 are layers formed of SnO 2 . As a result, the gas sensing layer 53 and the strain sensing layer 81 can be collectively formed at the time of manufacturing, which contributes to a significant cost reduction by reducing the manufacturing process.

また、電気絶縁層４および保護層８２は、ともにＳｉＯ２により形成される層とした。これにより、電気絶縁層４と保護層８２とは、密着性を向上させて、歪みからの影響を受けにくくしている。 Further, both the electrical insulating layer 4 and the protective layer 82 are layers formed of SiO 2 . As a result, the electrical insulating layer 4 and the protective layer 82 are improved in adhesion and are less susceptible to distortion.

また、一対の感知電極層５２および歪検出信号出力部９は、Ｐｔ（白金）により形成される層とした。これにより、製造時に一対の感知電極層５２および歪検出信号出力部９を一括して形成できるため、やはり製造工程の削減によりコストの大幅な削減に寄与する。なお、Ｐｔに代えてＰｄ（パラジウム）またはＰｄとＰｔとを含む合金としても良いが、一対の感知電極層５２および歪検出信号出力部９を共通の材料にて形成すれば良い。   The pair of sensing electrode layers 52 and the strain detection signal output unit 9 are layers formed of Pt (platinum). Thus, the pair of sensing electrode layers 52 and the strain detection signal output unit 9 can be formed at the same time during manufacturing, which contributes to a significant cost reduction by reducing the manufacturing process. Note that Pd (palladium) or an alloy containing Pd and Pt may be used instead of Pt, but the pair of sensing electrode layers 52 and the strain detection signal output unit 9 may be formed of a common material.

また、ヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７は、同じＰｔ−Ｗ（白金−タングステン）により形成される層とした。これにより、製造時にヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７を一括して形成できるため、やはり製造工程の削減によりコストの大幅な削減に寄与する。   The heater layer 3 and the heater drive signal input unit 7 are layers formed of the same Pt—W (platinum-tungsten). As a result, the heater layer 3 and the heater drive signal input unit 7 can be collectively formed at the time of manufacture, which also contributes to a significant cost reduction by reducing the manufacturing process.

続いて薄膜ガスセンサ１０の使用について説明する。本形態のヒータ層３やガス感知層５３は１μｍ以下の薄膜で形成し、かつダイヤフラム構造などを採用したため、低熱容量構造を実現しているが、電池駆動を実現するためには更なる低消費電力化が必要である。そこで、薄膜ガスセンサのパルス駆動が必須となる。通常、ガス漏れ警報器は３０〜１５０秒の一定周期に一回の検知が必要であり、この周期に合わせて薄膜ガスセンサ１０のガス感知層５３を室温から４００℃〜５００℃の高温に加熱する。上述したように電池駆動実現のため、この加熱時間は数１００ｍｓ以下が目標となる。   Next, the use of the thin film gas sensor 10 will be described. Since the heater layer 3 and the gas sensing layer 53 of this embodiment are formed of a thin film of 1 μm or less and adopt a diaphragm structure or the like, a low heat capacity structure is realized, but in order to realize battery driving, further lower consumption Electricity is required. Therefore, pulse driving of the thin film gas sensor is essential. Usually, the gas leak alarm needs to be detected once in a fixed period of 30 to 150 seconds, and the gas sensing layer 53 of the thin film gas sensor 10 is heated from room temperature to a high temperature of 400 ° C. to 500 ° C. according to this period. . As described above, in order to realize battery driving, the target heating time is several hundreds of milliseconds or less.

パルス駆動の薄膜ガスセンサ１０においても、低消費電力化のためには、検出温度の低温化、検出時間の短縮、検出サイクルの長期化（通電をｏｆｆする時間を長くする）が重要である。薄膜ガスセンサ１０における検出温度は、検出対象のガス種に対する検出感度等から、例えばＣＨ４センサでは４００℃〜５００℃程度（例えば４５０℃）とされ、検出時間はセンサの応答性から５００ｍｓ以下、検出サイクルは、例えばＣＨ４センサでは３０秒とされている。このように昇温と降温とを繰り返すため、ダイヤフラム部にはストレスが加わることになる。 Also in the pulse-driven thin film gas sensor 10, it is important to lower the detection temperature, shorten the detection time, and lengthen the detection cycle (increase the time for turning off the energization) in order to reduce power consumption. The detection temperature in the thin film gas sensor 10 is about 400 ° C. to 500 ° C. (for example, 450 ° C.) for the CH 4 sensor, for example, from the detection sensitivity for the gas species to be detected, and the detection time is 500 ms or less due to the response of the sensor. The cycle is, for example, 30 seconds for the CH 4 sensor. Since the temperature rise and the temperature fall are repeated in this way, stress is applied to the diaphragm portion.

また、このような薄膜ガスセンサ１０の使用時において、ホイートストンブリッジ回路として形成される歪検出部８と歪検出信号出力部９により入力側の二個の歪検出用端子部９２に電圧を印加し、また、残る出力側の二個の歪検出用端子部９２から検出信号を取得した状態とし、図示しない駆動・信号処理部が電流値の変化を抵抗値の変化として検出し、割れなどのダイヤフラム部の異常として検出する。薄膜ガスセンサ１０の使用はこのようなものである。   Further, when such a thin film gas sensor 10 is used, a voltage is applied to the two strain detection terminal portions 92 on the input side by the strain detection unit 8 and the strain detection signal output unit 9 formed as a Wheatstone bridge circuit, In addition, a detection signal is obtained from the remaining two distortion detection terminal portions 92 on the output side, and a drive / signal processing unit (not shown) detects a change in current value as a change in resistance value, and a diaphragm portion such as a crack Detect as abnormal. The use of the thin film gas sensor 10 is such.

続いて薄膜ガスセンサ１０の製造について説明する。
最初は、シリコンウェハ上に熱絶縁支持層、ヒータ層、および、電気絶縁層が形成される工程が行われる。
まず、シリコンウェハ（図示せず）の表裏両面に熱酸化法により熱酸化が施されて例えば膜圧０．３μｍの熱酸化ＳｉＯ２膜が形成される。熱酸化ＳｉＯ２層２１は一方の面に形成された熱酸化ＳｉＯ２膜が該当する。 Next, manufacture of the thin film gas sensor 10 will be described.
First, a process of forming a heat insulating support layer, a heater layer, and an electric insulating layer on a silicon wafer is performed.
First, thermal oxidation is performed on both front and back surfaces of a silicon wafer (not shown) by thermal oxidation to form a thermally oxidized SiO 2 film having a film pressure of 0.3 μm, for example. The thermally oxidized SiO 2 layer 21 corresponds to a thermally oxidized SiO 2 film formed on one surface.

このシリコンウェハの一方の面の熱酸化ＳｉＯ２層２１に、プラズマＣＶＤ法を用いて、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層２２を形成する。このＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４層２２は、例えば平行平板型プラズマＣＶＤ装置で約３００℃の温度でＳｉＨ４＋ＮＨ３＋Ｎ２ガスの雰囲気下で堆積して形成した膜圧０．１０μｍのＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４膜である。 A CVD-Si 3 N 4 layer 22 is formed on the thermally oxidized SiO 2 layer 21 on one surface of the silicon wafer by using a plasma CVD method. The CVD-Si 3 N 4 layer 22 is formed by depositing, for example, a parallel plate type plasma CVD apparatus at a temperature of about 300 ° C. in an atmosphere of SiH 4 + NH 3 + N 2 gas and having a film pressure of 0.10 μm. 3 N 4 membrane.

ＣＶＤ―ＳｉＯ２層２３は、ＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４層２２の上面に設けられる。このＣＶＤ―ＳｉＯ２層２３は、プラズマＣＶＤ法を用いるものであり、詳しくは平行平板型プラズマＣＶＤ装置において約３００℃の温度でＳｉＨ４＋Ｎ２Ｏ＋Ｎ２ガスの雰囲気下で堆積して形成した膜圧１μｍのＣＶＤ―ＳｉＯ２膜である。 The CVD-SiO 2 layer 23 is provided on the upper surface of the CVD-Si 3 N 4 layer 22. This CVD-SiO 2 layer 23 uses a plasma CVD method. Specifically, it is a film formed by depositing in a parallel plate type plasma CVD apparatus at a temperature of about 300 ° C. in an atmosphere of SiH 4 + N 2 O + N 2 gas. It is a CVD-SiO 2 film having a pressure of 1 μm.

ここまで製造したシリコンウェハは、管状炉で５５０℃×１時間（２０％Ｏ２／Ｎ２）でアニールされる。このアニールによりシリコンウェハは、脱ガスされる。
これら熱酸化ＳｉＯ２層２１、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層２２、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３により熱絶縁支持層２が形成される。 The silicon wafer manufactured so far is annealed at 550 ° C. × 1 hour (20% O 2 / N 2 ) in a tubular furnace. By this annealing, the silicon wafer is degassed.
The thermally insulating support layer 2 is formed by the thermally oxidized SiO 2 layer 21, the CVD-Si 3 N 4 layer 22, and the CVD-SiO 2 layer 23.

そして、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３の表面に、Ｐｔ−Ｗからなるヒータ駆動信号入力部７およびＰｔ−Ｗからなるヒータ層３が形成される。まず熱絶縁支持層２の上面に接合層として機能するＴａを１０ｎｍの膜厚に形成する。次いでこの接合層の上面にヒータ駆動信号入力部およびヒータ層として機能するＰｔ−Ｗ（Ｐｔ＋４ｗｔ％Ｗ）膜を４００ｎｍの膜厚に形成する。これらＴａ，Ｐｔ−Ｗの成膜はＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング方法によって行う。Ａｒガス圧力は１．０Ｐａ、成膜温度は３００℃、ＲＦパワーは２Ｗ／ｃｍ２である。 Then, the heater drive signal input unit 7 made of Pt—W and the heater layer 3 made of Pt—W are formed on the surface of the CVD-SiO 2 layer 23. First, Ta that functions as a bonding layer is formed to a thickness of 10 nm on the upper surface of the heat insulating support layer 2. Next, a Pt—W (Pt + 4 wt% W) film functioning as a heater drive signal input portion and a heater layer is formed to a thickness of 400 nm on the upper surface of the bonding layer. These Ta and Pt—W films are formed by an ordinary sputtering method using an RF magnetron sputtering apparatus. The Ar gas pressure is 1.0 Pa, the film forming temperature is 300 ° C., and the RF power is 2 W / cm 2 .

このようにして形成したＴａ／Ｐｔ−Ｗ層に対し、さらに微細加工によりヒータパターンとなるヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７を形成する。ヒータパターンとして、中央のヒータ層３、電源供給ラインとしてのヒータ駆動信号入力部７のヒータ駆動用導電層７１、電極パッドとしてのヒータ駆動信号入力部７のヒータ駆動用端子部７２を含む。ウェットエッチングのエッチャントとして、Ｔａには水酸化ナトリウムと過酸化水素混合液、Ｐｔ−Ｗには王水をそれぞれ９０℃に加熱して用いた。   The heater layer 3 and the heater drive signal input portion 7 that form a heater pattern are formed on the Ta / Pt—W layer formed in this way by fine processing. The heater pattern includes a central heater layer 3, a heater drive conductive layer 71 of the heater drive signal input unit 7 as a power supply line, and a heater drive terminal unit 72 of the heater drive signal input unit 7 as an electrode pad. As an etchant for wet etching, a mixed solution of sodium hydroxide and hydrogen peroxide was used for Ta and aqua regia was heated to 90 ° C. for Pt—W.

続いて電気絶縁層４を形成する。ヒータパターンとなるヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７が形成されたＴａ／Ｐｔ−Ｗ層の上面に、スパッタ法によりＳｉＯ２絶縁膜を１０００ｎｍの膜厚に形成してスパッタＳｉＯ２層を設ける。これらの成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。そして、このスパッタＳｉＯ２層にＨＦにてエッチングによる微細加工によってヒータの電極パッドとなるヒータ駆動用端子部７２部分を窓開けする。次いで窓内には、導通の確保とワイヤボンディング性を向上するため、水酸化ナトリウムと過酸化水素混合液で除去して電極パッドとなるヒータ駆動用端子部７２を完成させる。 Subsequently, the electrical insulating layer 4 is formed. On the upper surface of the Ta / Pt-W layer on which the heater layer 3 serving as the heater pattern and the heater drive signal input unit 7 are formed, a SiO 2 insulating film is formed to a thickness of 1000 nm by sputtering to provide a sputtered SiO 2 layer. . These films are formed by an ordinary sputtering method using an RF magnetron sputtering apparatus. Then, a window is formed in the heater driving terminal portion 72 serving as an electrode pad of the heater by fine processing by etching with HF in the sputtered SiO 2 layer. Next, in order to ensure conduction and improve wire bonding in the window, the heater driving terminal portion 72 serving as an electrode pad is completed by removing with sodium hydroxide and hydrogen peroxide mixed solution.

次に、電気絶縁層４上に一対の感知電極層５２と歪検出信号出力部９とが同時に形成される工程が行われる。
まず、下地の電気絶縁層４との密着性を向上させるため、電気絶縁層４の上に接合層となるＴａ層を形成する。この成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。これらスパッタリング法によるＴａの成膜条件は、Ａｒガス圧力１．０Ｐａ、基板温度３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ２とした。Ｔａの膜圧は１０ｎｍとした。 Next, a process of simultaneously forming the pair of sensing electrode layers 52 and the strain detection signal output unit 9 on the electrical insulating layer 4 is performed.
First, a Ta layer serving as a bonding layer is formed on the electrical insulating layer 4 in order to improve adhesion with the underlying electrical insulating layer 4. This film formation is performed by an ordinary sputtering method using an RF magnetron sputtering apparatus. The Ta film formation conditions by these sputtering methods were an Ar gas pressure of 1.0 Pa, a substrate temperature of 300 ° C., and an RF power of 2 W / cm 2 . The film pressure of Ta was 10 nm.

続いてＴａ層の上にＰｔ層を形成する。この成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。これらスパッタリング法によるＰｔの成膜条件は、Ａｒガス圧力１．０Ｐａ、基板温度３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ２とした。Ｐｔの膜圧は２００ｎｍとした。 Subsequently, a Pt layer is formed on the Ta layer. This film formation is performed by an ordinary sputtering method using an RF magnetron sputtering apparatus. The film formation conditions of Pt by these sputtering methods were an Ar gas pressure of 1.0 Pa, a substrate temperature of 300 ° C., and an RF power of 2 W / cm 2 . The film pressure of Pt was 200 nm.

そして、このようにして形成したＴａ／Ｐｔ層に対し、さらに微細加工により感知電極パターンを形成することで一対の接合層５１、一対の感知電極層５２、および、歪検出信号出力部９（歪検出用導電層９１・歪検出用端子部９２）を一括して形成する。このように感知電極パターンに歪検出信号出力部パターンを追加して、同時に形成する。   Then, a sensing electrode pattern is further formed by fine processing on the Ta / Pt layer formed in this manner, whereby a pair of bonding layers 51, a pair of sensing electrode layers 52, and a strain detection signal output unit 9 (strain The detection conductive layer 91 and the strain detection terminal portion 92) are collectively formed. In this way, the strain detection signal output portion pattern is added to the sensing electrode pattern and formed simultaneously.

ウェットエッチングのエッチャントとして、Ｔａには水酸化ナトリウムと過酸化水素混合液、Ｐｔには王水をそれぞれ９０℃に加熱して用いた。最終的に、膜厚が１０ｎｍの接合層５１、および、この接合層５１の上に膜圧が２００ｎｍの感知電極層５２が形成されるとともに、膜厚が１０ｎｍの接合層、およびこの接合層の上に膜圧が２００ｎｍの歪検出信号出力部９が形成される。すなわち、一対の接合層５１、一対の感知電極層５２、および、歪検出信号出力部９（歪検出用導電層９１・ガス検出用端子部９２）が一括形成される。   As an etchant for wet etching, a mixed solution of sodium hydroxide and hydrogen peroxide was used for Ta, and aqua regia was heated to 90 ° C. for Pt. Finally, a bonding layer 51 having a film thickness of 10 nm, and a sensing electrode layer 52 having a film pressure of 200 nm are formed on the bonding layer 51, and the bonding layer having a film thickness of 10 nm and the bonding layer A strain detection signal output unit 9 having a film pressure of 200 nm is formed thereon. That is, the pair of bonding layers 51, the pair of sensing electrode layers 52, and the strain detection signal output unit 9 (the strain detection conductive layer 91 and the gas detection terminal unit 92) are collectively formed.

そして、一対の感知電極層５２を跨いでガス感知層５３が、および、歪検出用導電層９１に接するように歪感知層８１が、それぞれ同時に形成される工程が行われる。
一対の感知電極層５２を跨ぎつつその間の電気絶縁層４の表面を覆うようにガス感知層５３を成膜し、また、同時に二本の歪検出用導電層９１の両方の端部を跨ぐように歪感知層８１が形成される。ガス感知層５３および歪感知層８１は、Ｓｂ―ｄｏｐｅｄ ＳｎＯ２膜である。これらはガス検知膜成膜時に歪感知膜用のパターンを追加して、同時に形成する。 Then, a process is performed in which the gas sensing layer 53 and the strain sensing layer 81 are formed simultaneously so as to contact the strain sensing conductive layer 91 across the pair of sensing electrode layers 52.
A gas sensing layer 53 is formed so as to cover the surface of the electrical insulating layer 4 between the pair of sensing electrode layers 52, and at the same time, straddles both ends of the two strain detection conductive layers 91. Then, the strain sensing layer 81 is formed. The gas sensing layer 53 and the strain sensing layer 81 are Sb-doped SnO 2 films. These are formed simultaneously by adding a pattern for a strain sensing film when forming the gas sensing film.

このガス感知層５３の形成方法は、まず、レジストで全面を覆った後に、微細加工でガス感知層５３を成膜する部分（一対の感知電極層５２の上面、および、一対の感知電極層５２の間の部分）と歪感知層８１を成膜する部分（二本の歪検出用導電層９１の端部の上側部分）のレジストを除去する。これにより、開口部以外をレジストで被覆したパターンを形成する。この開口部のサイズは、例えば、ガス感知層５３で１００μｍ□、また、歪感知層８１で５０μｍ□となる。なお、数値は一例である。   The gas sensing layer 53 is formed by first covering the entire surface with a resist and then forming the gas sensing layer 53 by fine processing (the upper surfaces of the pair of sensing electrode layers 52 and the pair of sensing electrode layers 52). And the portion where the strain sensing layer 81 is to be formed (the upper portion of the ends of the two strain detecting conductive layers 91) is removed. As a result, a pattern in which the portions other than the openings are covered with the resist is formed. The size of the opening is, for example, 100 μm □ for the gas sensing layer 53 and 50 μm □ for the strain sensing layer 81. The numerical value is an example.

次に、上記のパターニングが施されたウェハをスパッタチャンバにセットし、ガス感知層５３および歪感知層８１となるＳｎＯ２薄膜をスパッタ成膜する。成膜条件はＡｒ＋Ｏ２ガス圧力が２Ｐａ、基板温度が１５０℃〜３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ２である。ＣＨ４センサ用のガス感知層５３を含むＳｎＯ２膜全体としては、Ｓｂを０．５ｗｔ％含有する４００ｎｍ厚のＳｎＯ２膜（Ｓｂ−ＳｎＯ２膜）を成膜する。 Next, the wafer subjected to the above patterning is set in a sputtering chamber, and a SnO 2 thin film that becomes the gas sensing layer 53 and the strain sensing layer 81 is formed by sputtering. The film formation conditions are Ar + O 2 gas pressure of 2 Pa, substrate temperature of 150 ° C. to 300 ° C., and RF power of 2 W / cm 2 . As the entire SnO 2 film including the gas sensing layer 53 for the CH 4 sensor, a 400 nm thick SnO 2 film (Sb—SnO 2 film) containing 0.5 wt% Sb is formed.

所定厚みとなるようにＳｎＯ２薄膜をスパッタで成膜した後、レジストリフトオフ法でレジストの除去と同時に不要部分（レジスト上）に付着したＳｎＯ２薄膜を除去する。そして４００ｎｍ厚みのＳｎＯ２薄膜が成膜される。このようにして形成されたガス感知層５３の大きさは１００μｍ□程度、歪感知層８１の大きさは５０μｍ□となる。 After forming the thin film of SnO 2 by sputtering so as to have a predetermined thickness, to remove the thin film of SnO 2 deposited on the resist at the same time unnecessary parts and lift-off method in the resist removal (on the resist). Then, a SnO 2 thin film having a thickness of 400 nm is formed. The gas sensing layer 53 thus formed has a size of about 100 μm □, and the strain sensing layer 81 has a size of 50 μm □.

次にダイヤフラム加工を行う前に、歪感知層８１を覆うように保護層８２が形成される工程が行われる。歪感知層８１のみ露出するようなパターンを有するメタルマスクを使用してＳｎＯ２薄膜がスパッタリングにより成膜される。この成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。これらスパッタリング法による成膜条件は、Ａｒガス圧力１．０Ｐａ、基板温度３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ２とした。また、保護層であるＳｉＯ２の膜厚は１０００ｎｍである。 Next, before performing the diaphragm processing, a step of forming the protective layer 82 so as to cover the strain sensing layer 81 is performed. A SnO 2 thin film is formed by sputtering using a metal mask having a pattern in which only the strain sensing layer 81 is exposed. This film formation is performed by an ordinary sputtering method using an RF magnetron sputtering apparatus. The film forming conditions by these sputtering methods were an Ar gas pressure of 1.0 Pa, a substrate temperature of 300 ° C., and an RF power of 2 W / cm 2 . Further, SiO 2 having a thickness of a protective layer is 1000 nm.

次いで、シリコンウェハー（図示せず）の裏面よりその裏面から微細加工プロセスとしてドライエッチングにより円柱状のＳｉを除去し、ダイヤフラム構造を形成する。例えば、４００μｍ径の貫通孔が形成される。   Next, cylindrical silicon is removed from the back surface of a silicon wafer (not shown) by dry etching as a microfabrication process from the back surface to form a diaphragm structure. For example, a through hole having a diameter of 400 μm is formed.

その後、Ｐｄによる触媒を担持したアルミナ粉末、バインダおよび有機溶剤を混合調製した印刷ペーストをスクリーン印刷でガス感知層５３の表面を覆うように塗布印刷し、室温で乾燥後、空気中において５５０℃で１時間焼き付け、焼成（厚み２０〜３０μｍ）してガス選択燃焼層５４を形成する。ガス選択燃焼層５４は、電気絶縁層４の一部、一対の感知電極層５２、ガス感知層５３を覆うように形成される。なお、触媒としてＰｄに代えてＰｔ、または、ＰｄとＰｔとを含む合金としてもよい。   Thereafter, a printing paste prepared by mixing alumina powder carrying a catalyst of Pd, a binder and an organic solvent was applied and printed so as to cover the surface of the gas sensing layer 53 by screen printing, dried at room temperature, and then in air at 550 ° C. The gas selective combustion layer 54 is formed by baking for 1 hour and firing (thickness 20 to 30 μm). The gas selective combustion layer 54 is formed so as to cover a part of the electrical insulating layer 4, the pair of sensing electrode layers 52, and the gas sensing layer 53. The catalyst may be Pt instead of Pd, or an alloy containing Pd and Pt.

ここで先に説明したように下地となる熱絶縁支持層２はアニールにより５５０℃まで脱ガスが施されており、このガス選択燃焼層５４の焼成時に膨れ・剥離の発生は起こらない。このようにして形成したガス選択燃焼層５４の大きさは、約３０μｍ厚であり、ガス感知層５３を十分に覆うような大きさとする。このガス選択燃焼層５４により感度、ガス種選択性、信頼性が向上する。   Here, as described above, the thermal insulating support layer 2 serving as the base is degassed to 550 ° C. by annealing, and no swelling or peeling occurs when the gas selective combustion layer 54 is fired. The size of the gas selective combustion layer 54 formed in this way is about 30 μm thick, and is sized so as to sufficiently cover the gas sensing layer 53. This gas selective combustion layer 54 improves sensitivity, gas type selectivity, and reliability.

その後にシリコンウェハ（図示せず）からチップを切り出してシリコンウェハ（図示せず）はＳｉ基板１となり、ダイヤフラム（ＤＰ）構造の薄膜ガスセンサ１０となる。例えばＣＨ４センサチップとしてパッケージに組み込むことによりＣＨ４センサとなる。薄膜ガスセンサ１０の製造方法はこのようなものである。 Thereafter, a chip is cut out from the silicon wafer (not shown), and the silicon wafer (not shown) becomes the Si substrate 1, which becomes a thin film gas sensor 10 having a diaphragm (DP) structure. For example the CH 4 sensor by incorporating the package as CH 4 sensor chip. The manufacturing method of the thin film gas sensor 10 is as described above.

この薄膜ガスセンサ１０の製造方法において、歪感知層８１は、ガス感知層５３と同時形成される層としており、工程の簡略化に寄与する。
また、歪検出用導電層９１は、一対の感知電極層５２と同時形成される層であり、やはり工程の簡略化に寄与する。このように従来技術の薄膜ガスセンサの製造コストと比較してもコスト増大を抑止した薄膜ガスセンサとしている。 In the method of manufacturing the thin film gas sensor 10, the strain sensing layer 81 is a layer formed simultaneously with the gas sensing layer 53, which contributes to simplification of the process.
The strain detecting conductive layer 91 is a layer formed simultaneously with the pair of sensing electrode layers 52, and also contributes to simplification of the process. Thus, even if it compares with the manufacturing cost of the thin film gas sensor of a prior art, it is set as the thin film gas sensor which suppressed cost increase.

このような薄膜ガスセンサでは以下のような改良形態が可能である。
先に説明した歪検出部８は、図２でも明らかなように、４個設けられており、４個の歪検出部８が矢印Ｃで示される同一円の上にて９０°毎に等角配置されるものとして説明した。しかしながら、この歪検出部８は４個に限定する趣旨ではなく、例えば、ｎ個の歪検出部８が同一円上において３６０°／ｎ毎に等角配置されるようにしても良い。ｎ個とは例えば２個、３個、６個などである。この場合、例えば、ホイートストンブリッジ回路を形成しなくても、ｎ個の歪検出部８の歪感知層８１を電気的に直列接続するような形式でも抵抗の変化の検出自体は可能である。このような薄膜ガスセンサとしても良い。 Such a thin film gas sensor can be improved as follows.
As is apparent from FIG. 2, four strain detection units 8 described above are provided, and the four strain detection units 8 are equiangular on the same circle indicated by the arrow C every 90 °. It was described as being arranged. However, the number of strain detectors 8 is not limited to four. For example, n strain detectors 8 may be arranged equiangularly every 360 ° / n on the same circle. For example, n is 2, 3, 6, or the like. In this case, for example, even if a Wheatstone bridge circuit is not formed, a change in resistance itself can be detected even in a form in which the strain sensing layers 81 of the n strain detectors 8 are electrically connected in series. Such a thin film gas sensor may be used.

また、ヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７の下側には密着性を向上させるため接合層（Ｔａ層）を併せて形成する構成とした。しかしながら、この接合層（Ｔａ層）を省略してもある程度の密着性を確保できるため、下地となるＣＶＤ―ＳｉＯ２層２３に直接ヒータ層３およびヒータ駆動信号入力部７を形成した構成としても良い。 In addition, a bonding layer (Ta layer) is also formed below the heater layer 3 and the heater drive signal input unit 7 in order to improve adhesion. However, even if this bonding layer (Ta layer) is omitted, a certain degree of adhesion can be secured. Therefore, the heater layer 3 and the heater drive signal input unit 7 may be directly formed on the underlying CVD-SiO 2 layer 23. good.

また、感知電極層５２および歪検出信号出力部９の下側にも密着性を向上させるため接合層（Ｔａ層）を併せて形成する構成とした。しかしながら、この接合層（Ｔａ層）を省略してもある程度の密着性を確保できるため、下地となる電気絶縁層４に直接感知電極層５２および歪検出信号出力部９を形成した構成としても良い。   In addition, a bonding layer (Ta layer) is also formed below the sensing electrode layer 52 and the strain detection signal output unit 9 in order to improve adhesion. However, even if this bonding layer (Ta layer) is omitted, a certain degree of adhesion can be ensured. Therefore, a configuration in which the sensing electrode layer 52 and the strain detection signal output unit 9 are directly formed on the underlying electrical insulating layer 4 may be adopted. .

以上本発明の薄膜ガスセンサについて説明した。このような薄膜ガスセンサによれば、特にダイヤフラム上に形成した歪感知層８１で構成された回路（例えばホイートストンブリッジ回路）により歪を検出することにより、ダイヤフラム部に発生した故障が自己診断できるようになるので、信頼性の高い薄膜ガスセンサを提供する事ができる。   The thin film gas sensor of the present invention has been described above. According to such a thin film gas sensor, it is possible to self-diagnose a failure occurring in the diaphragm portion by detecting strain by a circuit (for example, a Wheatstone bridge circuit) constituted by the strain sensing layer 81 formed on the diaphragm. Therefore, a highly reliable thin film gas sensor can be provided.

本発明は、特にガス漏れ警報器等の適用が好ましい薄膜ガスセンサおよびこの薄膜ガスセンサの製造方法とした。   The present invention provides a thin film gas sensor and a method for manufacturing the thin film gas sensor, which are particularly preferably applied to gas leak alarms and the like.

１：Ｓｉ基板
２：熱絶縁支持層
２１：熱酸化ＳｉＯ２層
２２：ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層
２３：ＣＶＤ−ＳｉＯ２層
３：ヒータ層
４：電気絶縁層
５：ガス検出部
５１：接合層
５２：感知電極層
５３：ガス感知層
５４：選択燃焼層
６：ガス検出信号出力部
６１：ガス検出用導電層
６２：ガス検出用端子部
７：ヒータ駆動信号入力部
７１：ヒータ駆動用導電層
７２：ヒータ駆動用端子部
８：歪検出部
８１：歪感知層
８２：保護層
９：歪検出信号出力部
９１：歪検出用導電層
９２：歪検出用端子部 1: Si substrate 2: Thermal insulating support layer 21: Thermally oxidized SiO 2 layer 22: CVD-Si 3 N 4 layer 23: CVD-SiO 2 layer 3: Heater layer 4: Electrical insulating layer 5: Gas detector 51: Bonding Layer 52: sensing electrode layer 53: gas sensing layer 54: selective combustion layer 6: gas detection signal output unit 61: gas detection conductive layer 62: gas detection terminal unit 7: heater drive signal input unit 71: heater drive conductivity Layer 72: Heater drive terminal unit 8: Strain detection unit 81: Strain detection layer 82: Protection layer 9: Strain detection signal output unit 91: Strain detection conductive layer 92: Strain detection terminal unit

Claims (11)

貫通孔を有するＳｉ基板と、
前記貫通孔の開口部に張られるダイヤフラム様の熱絶縁支持層と、
前記熱絶縁支持層上に設けられるヒータ層と、
前記熱絶縁支持層および前記ヒータ層を覆うように設けられる電気絶縁層と、
前記電気絶縁層上に設けられる一対の感知電極層と、前記電気絶縁層および前記一対の感知電極層の上に設けられ、吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感知層と、前記電気絶縁層の一部とともに前記一対の感知電極層および前記ガス感知層を覆うガス選択燃焼層と、を有するガス検出部と、
前記電気絶縁層の上に設けられて歪みによりその電気抵抗値が変化する歪感知層と、前記電気絶縁層の一部とともに前記歪感知層を覆うように設けられる保護層と、を有する歪検出部と、
前記歪感知層に電気的に接続される歪検出用導電層と、
を備えることを特徴とする薄膜ガスセンサ。 A Si substrate having a through hole;
A diaphragm-like heat insulating support layer stretched over the opening of the through hole;
A heater layer provided on the thermally insulating support layer;
An electrical insulation layer provided to cover the thermal insulation support layer and the heater layer;
A pair of sensing electrode layers provided on the electrical insulating layer; a gas sensing layer provided on the electrical insulating layer and the pair of sensing electrode layers, the electrical resistance value of which varies depending on the adsorbed gas; and the electrical A gas detection unit having a gas selective combustion layer covering the pair of sensing electrode layers and the gas sensing layer together with a part of an insulating layer;
A strain detection layer provided on the electrical insulating layer and having a resistance sensing layer whose electrical resistance value changes due to strain, and a protective layer provided to cover the strain sensing layer together with a part of the electrical insulating layer. And
A strain detecting conductive layer electrically connected to the strain sensing layer;
A thin film gas sensor comprising: 請求項１に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記歪検出部は、前記貫通孔の開口部を覆うダイヤフラム部の上側に位置することを特徴とする薄膜ガスセンサ。 The thin film gas sensor according to claim 1,
The thin film gas sensor according to claim 1, wherein the strain detector is located above a diaphragm portion covering the opening of the through hole. 請求項１または請求項２に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
ｎ個の前記歪検出部が同一円上において３６０°／ｎ毎に等角配置されることを特徴とする薄膜ガスセンサ。 The thin film gas sensor according to claim 1 or 2,
A thin film gas sensor, wherein the n strain detectors are arranged equiangularly every 360 ° / n on the same circle. 請求項３に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
４個の前記歪検出部が同一円上に９０°毎に等角配置され、かつホイートストンブリッジ回路が形成されるように前記歪検出用導電層が接続されることを特徴とする薄膜ガスセンサ。 The thin film gas sensor according to claim 3,
4. The thin film gas sensor, wherein the four strain detectors are equiangularly arranged on the same circle every 90 °, and the strain detecting conductive layers are connected so as to form a Wheatstone bridge circuit. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記ガス感知層および前記歪感知層は、ＳｎＯ２により形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサ。 In the thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 4,
The thin film gas sensor, wherein the gas sensing layer and the strain sensing layer are layers formed of SnO 2 . 請求項１〜請求項５の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記電気絶縁層および前記保護層は、ＳｉＯ２により形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサ。 In the thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 5,
The thin film gas sensor, wherein the electrical insulating layer and the protective layer are layers formed of SiO 2 . 請求項１〜請求項６の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記一対の感知電極層および前記歪検出用導電層は、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金により形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサ。 In the thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 6,
The pair of sensing electrode layers and the strain-detecting conductive layer are layers formed of Pd (palladium), Pt (platinum), or an alloy containing Pd and Pt. 請求項１〜請求項７の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記ガス選択燃焼層は、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金を触媒として担持したＡｌ２Ｏ３焼結材による層であることを特徴とする薄膜ガスセンサ。 In the thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 7,
The thin film gas sensor according to claim 1, wherein the gas selective combustion layer is a layer made of an Al 2 O 3 sintered material that supports Pd (palladium), Pt (platinum) or an alloy containing Pd and Pt as a catalyst. 請求項１〜請求項８の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記歪感知層は、前記ガス感知層と同時形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサ。 In the thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 8,
The thin film gas sensor, wherein the strain sensing layer is a layer formed simultaneously with the gas sensing layer. 請求項１〜請求項９の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサにおいて、
前記歪検出用導電層は、前記一対の感知電極層と同時形成される層であることを特徴とする薄膜ガスセンサ。 In the thin film gas sensor according to any one of claims 1 to 9,
The thin film gas sensor, wherein the strain detecting conductive layer is a layer formed simultaneously with the pair of sensing electrode layers. シリコンウェハ上に熱絶縁支持層、ヒータ層、および、電気絶縁層が順次形成される工程と、
前記電気絶縁層上に一対の感知電極層と歪検出用導電層とが同時に形成される工程と、
前記一対の感知電極層を跨いでガス感知層が、および、前記歪検出用導電層に接するように歪感知層が、それぞれ同時に形成される工程と、
前記歪感知層を覆うように保護層が形成される工程と、
前記ガス感知層の表面を覆うようにガス選択燃焼層が形成される工程と、
を有することを特徴とする薄膜ガスセンサの製造方法。 A step of sequentially forming a heat insulating support layer, a heater layer, and an electric insulating layer on the silicon wafer;
A step of simultaneously forming a pair of sensing electrode layers and a strain detecting conductive layer on the electrically insulating layer;
Forming a gas sensing layer straddling the pair of sensing electrode layers and a strain sensing layer so as to be in contact with the strain detecting conductive layer, respectively;
Forming a protective layer to cover the strain sensing layer;
Forming a gas selective combustion layer so as to cover a surface of the gas sensing layer;
A method of manufacturing a thin film gas sensor, comprising:
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