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JP6437786B2 - Sensor substrate, sensor device, and sensor substrate manufacturing method - Google Patents
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JP6437786B2 - Sensor substrate, sensor device, and sensor substrate manufacturing method - Google Patents

Sensor substrate, sensor device, and sensor substrate manufacturing method Download PDF

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Description

本発明は、本発明は、絶縁基板と、絶縁基板の表面に設けられた電極とを含むセンサ基板、センサ装置およびセンサ基板の製造方法に関する。   The present invention relates to a sensor substrate, a sensor device, and a sensor substrate manufacturing method including an insulating substrate and an electrode provided on the surface of the insulating substrate.

排気ガス用センサ等に用いられるセンサ基板として、酸化アルミニウム質焼結体等のセラミック焼結体からなる絶縁基板と、絶縁基板の表面に設けられた検知電極とを含むセンサ基板が用いられている(例えば特許文献1,2参照)。   As a sensor substrate used for an exhaust gas sensor or the like, a sensor substrate including an insulating substrate made of a ceramic sintered body such as an aluminum oxide sintered body and a detection electrode provided on the surface of the insulating substrate is used. (For example, refer to Patent Documents 1 and 2).

例えば排気ガス中に含有される被検知物の検知電極への付着に伴い、検知電極の抵抗値や電流値の変化し、この抵抗値や電流値の変化によって排気ガス等における被検知物の含有量等が検知される。   For example, the resistance value or current value of the detection electrode changes as the detection object contained in the exhaust gas adheres to the detection electrode, and the inclusion of the detection object in the exhaust gas or the like due to the change in the resistance value or current value The amount is detected.

特開昭55−30690号公報JP 55-30690 A 特開昭59−197847号公報JP 59-197847 A

例えば内燃機関の排気ガス用のセンサでは、検知電極が設けられた表面に排気ガスが直接接触するようにセンサ基板が配置される。内燃機関の始動時には、排気ガス中に水滴が含まれている場合があり、この水滴がセンサ基板の絶縁基板表面に付着すると、水滴が付着した部分が急速に冷却される。この急速な冷却によって絶縁基板の表面に大きな熱衝撃が加わり、絶縁基板に割れが生じる。絶縁基板の割れによって検知電極が断線すると被検知物を検知することが困難となる。   For example, in an exhaust gas sensor for an internal combustion engine, the sensor substrate is arranged so that the exhaust gas is in direct contact with the surface on which the detection electrode is provided. When the internal combustion engine is started, water droplets may be contained in the exhaust gas, and when the water droplets adhere to the insulating substrate surface of the sensor substrate, the portion where the water droplets adhere is rapidly cooled. Due to this rapid cooling, a large thermal shock is applied to the surface of the insulating substrate, and the insulating substrate is cracked. If the detection electrode is disconnected due to a crack in the insulating substrate, it becomes difficult to detect the object to be detected.

本発明の目的は、信頼性の高いセンサ基板、センサ装置およびセンサ基板の製造方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a highly reliable sensor substrate, sensor device, and method for manufacturing the sensor substrate.

本発明の一つの態様によるセンサ基板は、主面を有する絶縁基板であって、アルミナおよびマンガンを含有する結晶相とマンガンを含有するガラス相とを含む絶縁基板と、該絶縁基板の前記主面に設けられた検知電極と、を備え、前記ガラス相の少なくとも一部は、前記主面に露出しており、前記検知電極は、Fe−Ni−Cr−Ti−Al合金であり、表面にTiO およびAl を含む不動態膜を有していることを特徴としている。
A sensor substrate according to an aspect of the present invention is an insulating substrate having a main surface, the insulating substrate including a crystal phase containing alumina and manganese and a glass phase containing manganese, and the main surface of the insulating substrate. And at least a part of the glass phase is exposed on the main surface, the detection electrode is an Fe-Ni-Cr-Ti-Al alloy, and TiO is formed on the surface. It is characterized by having a passive film containing 2 and Al 2 O 3 .

また本発明の一つの態様によるセンサ装置は、上記のセンサ基板と、前記検知電極に電位を供給する電源部と、を備える。   A sensor device according to an aspect of the present invention includes the above-described sensor substrate and a power supply unit that supplies a potential to the detection electrode.

また本発明の一つの態様によるセンサ基板の製造方法は、上記のセンサ基板を製造するセンサ基板の製造方法であって、アルミナおよびマンガンを含有するセラミックス原料をグリーンシートに成形する工程と、成形された前記グリーンシートの表面に、Fe、Ni、Cr、Ti、Alの金属材料を含むペーストを塗布する工程と、前記グリーンシートと該グリーンシートの表面に塗布された前記ペーストとを同時焼成する工程と、前記同時焼成後に、前記同時焼成の焼成温度よりも低い温度で加熱する工程と、を含む。
A sensor substrate manufacturing method according to an aspect of the present invention is a sensor substrate manufacturing method for manufacturing the sensor substrate, wherein a ceramic raw material containing alumina and manganese is formed into a green sheet. A step of applying a paste containing a metal material of Fe, Ni, Cr, Ti, and Al to the surface of the green sheet; and a step of simultaneously firing the green sheet and the paste applied to the surface of the green sheet And after the co-firing, heating at a temperature lower than the firing temperature of the co-firing.

本発明によれば、主面を有する絶縁基板であって、アルミナおよびマンガンを含有する結晶相およびマンガンを含有するガラス相を含む絶縁基板と、縁基板の主面に設けられた検知電極と、を備えており、ラス相の少なくとも一部は、縁基板の主面に露出しており、検知電極は、Fe−Ni−Cr−Ti−Al合金であり、表面にTiO およびAl を含む不動態膜を有している。これにより、絶縁基板の割れの発生が抑制され、検知電極の断線の発生も抑制され、信頼性の高いセンサ基板を実現することができる。 According to the present invention, an insulating substrate having a major surface, an insulating substrate including a crystalline phase and glass phase containing manganese containing alumina and manganese, and the detection electrode provided on the main surface of the insulation substrate comprises a, at least a portion of the glass phase is exposed to the main surface of the insulation substrate, sensing electrode, a Fe-Ni-Cr-Ti- Al alloy, TiO 2 on the surface and Al It has a passive film containing 2 O 3 . Thereby, generation | occurrence | production of the crack of an insulated substrate is suppressed, generation | occurrence | production of the disconnection of a detection electrode is also suppressed, and a highly reliable sensor substrate is realizable.

また本発明によれば、上記構成のセンサ基板を有していることから、信頼性の高いセンサ装置を実現することができる。   Further, according to the present invention, since the sensor substrate having the above-described configuration is provided, a highly reliable sensor device can be realized.

また本発明によれば、グリーンシートとグリーンシート表面に塗布された導体ペーストとを同時焼成したのち、同時焼成の焼成温度よりも低い温度で加熱処理を行う。焼成後の加熱処理により、ガラス相が結晶相の表面を被覆しようとして、絶縁基板の表層に浸み出し、ガラス相を絶縁基板の表面に露出させることができる。   Further, according to the present invention, after the green sheet and the conductor paste applied to the surface of the green sheet are simultaneously fired, the heat treatment is performed at a temperature lower than the firing temperature of the simultaneous firing. By the heat treatment after firing, the glass phase can immerse into the surface layer of the insulating substrate in an attempt to cover the surface of the crystalline phase, and the glass phase can be exposed on the surface of the insulating substrate.

(a)は本発明の実施形態であるセンサ基板およびセンサ装置を示す平面図であり、(b)は(a)の切断面線A−Aにおける断面図である。(A) is a top view which shows the sensor board | substrate and sensor apparatus which are embodiment of this invention, (b) is sectional drawing in the cutting surface line AA of (a). 図1(b)のB部分を示す拡大断面図である。It is an expanded sectional view which shows B part of FIG.1 (b). (a)は本発明の他の実施形態であるセンサ基板およびセンサ装置を示す平面図であり、(b)は本発明のさらに他の実施形態であるセンサ基板およびセンサ装置を示す断面図である。(A) is a top view which shows the sensor board | substrate and sensor apparatus which are other embodiment of this invention, (b) is sectional drawing which shows the sensor board | substrate and sensor apparatus which are further another embodiment of this invention. .

本発明の実施形態であるセンサ基板およびセンサ装置を添付の図面を参照して説明する。以下の説明において、上面等のように上下を区別して記載しているが、これは便宜的なものであり、実際にセンサ基板等が使用される際の上下を限定するものではない。   A sensor substrate and a sensor device according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. In the following description, the upper and lower sides are distinguished from each other like the upper surface, but this is for convenience and does not limit the upper and lower sides when the sensor substrate or the like is actually used.

図1(a)は、本発明の実施形態であるセンサ基板およびセンサ装置を示す平面図であり、図1(b)は、図1(a)の切断面線A−Aにおける断面図である。絶縁基板1と、絶縁基板1の主面(図1の例では上面)に設けられた検知電極2と、検知電極2を外部接続する導電路である内部配線3とによってセンサ基板4が基本的に形成されている。   Fig.1 (a) is a top view which shows the sensor board | substrate and sensor apparatus which are embodiment of this invention, FIG.1 (b) is sectional drawing in the cut surface line AA of Fig.1 (a). . The sensor substrate 4 is basically composed of the insulating substrate 1, the detection electrode 2 provided on the main surface (the upper surface in the example of FIG. 1) of the insulating substrate 1, and the internal wiring 3 which is a conductive path for connecting the detection electrode 2 to the outside. Is formed.

絶縁基板1は、例えば四角板状等の平板状であり、検知電極2を電気的に絶縁して設けるための基体部分である。絶縁基板1は、アルミナおよびマンガンを含む結晶相と、マンガンを含有するガラス相とを含んでいる。   The insulating substrate 1 is, for example, a flat plate shape such as a square plate shape, and is a base portion for providing the detection electrode 2 with electrical insulation. The insulating substrate 1 includes a crystal phase containing alumina and manganese and a glass phase containing manganese.

結晶相には、アルミナ以外に、ムライト、ジルコニア、窒化アルミニウムまたはガラスセラミックスなどの各種セラミックスを含んでいてもよい。   In addition to alumina, the crystal phase may contain various ceramics such as mullite, zirconia, aluminum nitride, or glass ceramics.

ガラス相は、少なくともMnを含む非晶質相であり、Si、Mg、Ca、Sr、B、Nb、CrおよびCoから選ばれる1種以上の酸化物をさらに含んでいる。ガラス相は、好ましくはMn、SiOおよびMgOを含む非晶質相である。 The glass phase is an amorphous phase containing at least Mn 2 O 3 and further contains one or more oxides selected from Si, Mg, Ca, Sr, B, Nb, Cr and Co. The glass phase is preferably an amorphous phase containing Mn 2 O 3 , SiO 2 and MgO.

ガラス相は、絶縁基板1において、少なくとも絶縁基板1の検知電極2が設けられた主面に露出するように存在している。絶縁基板1の主面において、絶縁基板1を平面視したときの結晶相が占める面積に対するガラス相が占める面積の比が、20%以上であることが好ましい。結晶相は、絶縁基板1において複数の結晶粒子として存在し、ガラス相は、この複数の結晶粒子間の粒界相として存在している。特に、ガラス相は絶縁基板1の表層領域(例えば主面からの深さが3μm程度)に多く存在し、絶縁基板1の主面の結晶粒子によって囲まれて形成される凹所を、ガラス相が満たすように存在している。   The glass phase exists in the insulating substrate 1 so as to be exposed at least on the main surface of the insulating substrate 1 on which the detection electrode 2 is provided. In the main surface of the insulating substrate 1, the ratio of the area occupied by the glass phase to the area occupied by the crystal phase when the insulating substrate 1 is viewed in plan is preferably 20% or more. The crystal phase exists as a plurality of crystal particles in the insulating substrate 1, and the glass phase exists as a grain boundary phase between the plurality of crystal particles. In particular, the glass phase is present in a large amount in the surface region of the insulating substrate 1 (for example, the depth from the main surface is about 3 μm), and a recess formed by being surrounded by crystal grains on the main surface of the insulating substrate 1 Exists to satisfy.

マンガンを含むガラス相は、アルミナ結晶相に対する濡れ性が良いため、焼成後の加熱処理で、ガラス相が結晶粒子表面を被覆しようとして、絶縁基板1の表層に浸み出し、ガラス相の多くが表層に存在するものと考えられる。   Since the glass phase containing manganese has good wettability with respect to the alumina crystal phase, in the heat treatment after firing, the glass phase leaches into the surface layer of the insulating substrate 1 to cover the crystal particle surface, and most of the glass phase It is considered to exist on the surface layer.

このようにマンガンを含有するガラス相が、検知電極2が設けられた主面に露出するように存在することで、クラックの起点となる欠陥が少ない割れの生じにくい絶縁基板1が得られる。アルミナを含む結晶相よりもガラス相のほうが、ヤング率が低いので、例えば排気ガスと接触したときに、絶縁基板1への水滴の付着による熱衝撃が緩和され、割れの発生を抑制できる。   Thus, since the glass phase containing manganese is present so as to be exposed on the main surface on which the detection electrode 2 is provided, the insulating substrate 1 with few defects serving as a starting point of cracks and less prone to cracking can be obtained. Since the glass phase has a lower Young's modulus than the crystal phase containing alumina, for example, when it comes into contact with the exhaust gas, the thermal shock due to the attachment of water droplets to the insulating substrate 1 is mitigated, and the occurrence of cracks can be suppressed.

割れの発生が抑制された絶縁基板1を備えることで、検知電極2および内部配線3の断線の発生も抑制され、信頼性の高いセンサ基板4を実現することができる。   By providing the insulating substrate 1 in which generation of cracks is suppressed, occurrence of disconnection of the detection electrode 2 and the internal wiring 3 is also suppressed, and a highly reliable sensor substrate 4 can be realized.

なお、マンガンを含有するガラス相が、検知電極2が設けられた主面に露出して存在することは、例えば走査型電子顕微鏡(SEM)によるセンサ基板4の表面および断面写真やX線光電子分光分析(XPS)によるセンサ基板4の主面の分析等で確認することができ
る。
The presence of the manganese-containing glass phase exposed on the main surface on which the detection electrode 2 is provided means that the surface and cross-sectional photograph of the sensor substrate 4 and X-ray photoelectron spectroscopy using a scanning electron microscope (SEM), for example. This can be confirmed by analyzing the main surface of the sensor substrate 4 by analysis (XPS).

検知電極2は、絶縁基板1の主面に設けられており、センサ基板4が配置される環境におけるすす等の微粒子の含有量を測定するための部分である。すす等の微粒子が検知電極2に付着したときに一対の検知電極2間の電気抵抗が変化する。この電気抵抗の変化を検知することによって、検知電極2が存在している環境中の微粒子の質量が算出され、検知される。この微粒子の質量、および検知電極2が存在している環境におけるガスの流量(体積)により、そのガス中の微粒子の含有率が算出され、検知される。   The detection electrode 2 is provided on the main surface of the insulating substrate 1 and is a part for measuring the content of fine particles such as soot in the environment where the sensor substrate 4 is disposed. When fine particles such as soot adhere to the detection electrode 2, the electrical resistance between the pair of detection electrodes 2 changes. By detecting this change in electrical resistance, the mass of the fine particles in the environment where the detection electrode 2 is present is calculated and detected. Based on the mass of the fine particles and the flow rate (volume) of the gas in the environment where the detection electrode 2 exists, the content of the fine particles in the gas is calculated and detected.

センサ基板4が配置される環境とは、例えば自動車の排気ガスの排気通路である。センサ基板4で検知される微粒子の量が多くなれば、排気通路を流れる微粒子の含有量が大きくなったことが検知される。これにより、例えば排気ガスからすす等の微粒子を除去するDPF(Diesel Particulate Filter)の故障が検知できる。   The environment in which the sensor substrate 4 is arranged is, for example, an exhaust passage for exhaust gas of an automobile. If the amount of fine particles detected by the sensor substrate 4 increases, it is detected that the content of fine particles flowing through the exhaust passage has increased. Thereby, for example, a failure of a DPF (Diesel Particulate Filter) that removes particulates such as soot from the exhaust gas can be detected.

検知電極2は、微粒子の付着による抵抗値の変化を効果的に検知するためには、例えばくし歯状のパターン、または細長い長方形状(帯状)のパターンを含む線状のパターン等の、長さを長くすることが容易なパターンで形成されていることが好ましい。図1に示す実施形態では、検知電極2が細長い長方形状のパターンである例を示している。   In order to effectively detect a change in resistance value due to adhesion of fine particles, the detection electrode 2 has a length such as a linear pattern including a comb-like pattern or an elongated rectangular (band-like) pattern, for example. It is preferable that the pattern is formed in a pattern that can be easily lengthened. In the embodiment shown in FIG. 1, an example is shown in which the detection electrode 2 is an elongated rectangular pattern.

内部配線3は、絶縁基板1の内部に形成されており絶縁基板1の下面に設けられた接続パッド5とを電気的に接続する。内部配線3は、例えば絶縁基板1の内部から検知電極2が設けられている主面と反対側の他の主面(図1の例では下面)にかけて設けられている。これにより、検知電極2が絶縁基板1の下面等の外表面に電気的に導出されている。なお、内部配線3は、絶縁基板1の厚み方向の少なくとも一部を貫通する貫通導体(符号なし)を含んでいてもよい。また、内部配線3は、絶縁層の層間に設けられた回路パターン状等の配線導体(符号なし)を含んでいてもよい。なお、内部配線3は、熱を発生させるヒータ配線として用いることもできる。   The internal wiring 3 is formed inside the insulating substrate 1 and electrically connects to the connection pads 5 provided on the lower surface of the insulating substrate 1. The internal wiring 3 is provided, for example, from the inside of the insulating substrate 1 to the other main surface (the lower surface in the example of FIG. 1) opposite to the main surface on which the detection electrode 2 is provided. Thereby, the detection electrode 2 is electrically led out to the outer surface such as the lower surface of the insulating substrate 1. The internal wiring 3 may include a through conductor (no symbol) that penetrates at least a part of the insulating substrate 1 in the thickness direction. Further, the internal wiring 3 may include a wiring conductor (without a symbol) such as a circuit pattern provided between the insulating layers. The internal wiring 3 can also be used as a heater wiring that generates heat.

実施形態のセンサ基板4において、絶縁基板1の下面に外部接続用の接続パッド5が設けられている。接続パッド5は、内部配線3のうち絶縁基板1の下面に電気的に導出された部分と直接に接続されている。これによって、内部配線3から絶縁基板1の下面の接続パッド5にかけて導電路(符号なし)が形成されている。この導電路は、検知電極2と外部電気回路(図示せず)とを電気的に接続させるためのものである。接続パッド5が、は
んだまたは導電性接着剤等の導電性の接合材によって外部電気回路の所定部位に接合されれば、検知電極2と外部電気回路とが、内部配線3および接続パッド5を介して互いに電気的に接続される。
In the sensor substrate 4 of the embodiment, connection pads 5 for external connection are provided on the lower surface of the insulating substrate 1. The connection pad 5 is directly connected to a portion of the internal wiring 3 that is electrically led to the lower surface of the insulating substrate 1. As a result, a conductive path (no symbol) is formed from the internal wiring 3 to the connection pad 5 on the lower surface of the insulating substrate 1. This conductive path is for electrically connecting the detection electrode 2 and an external electric circuit (not shown). When the connection pad 5 is bonded to a predetermined portion of the external electric circuit by a conductive bonding material such as solder or conductive adhesive, the detection electrode 2 and the external electric circuit are connected via the internal wiring 3 and the connection pad 5. Are electrically connected to each other.

検知電極2、内部配線3および接続パッド5に用いる金属材料は、高温環境下における耐酸化性に優れるものが好ましく、例えば白金やタングステンおよび表面に酸化物を含む不動態膜が形成されるものを用いることができる。表面に酸化物を含む不動態膜が形成される金属材料としては、例えばFe−Ni−Cr−Ti−Al合金や、Fe−Cr−Al合金、MoSi金属などを用いることができる。 The metal material used for the detection electrode 2, the internal wiring 3 and the connection pad 5 is preferably one having excellent oxidation resistance in a high temperature environment, for example, one in which a passive film containing oxide is formed on platinum or tungsten and the surface. Can be used. As a metal material on which a passive film containing an oxide is formed on the surface, for example, Fe—Ni—Cr—Ti—Al alloy, Fe—Cr—Al alloy, MoSi 2 metal, or the like can be used.

金属材料として白金を用いる場合には、白金の金属粉末に適当な有機バインダおよび溶媒等を添加混合して得た導体ペーストを、絶縁基板1となるセラミックグリーンシートに予めスクリーン印刷法によって所定のパターンに印刷塗布して、絶縁基板1となるセラミックグリーンシートと同時焼成することによって、絶縁基板1の表面や内部に形成される。   When platinum is used as the metal material, a conductive paste obtained by adding and mixing an appropriate organic binder and solvent to the platinum metal powder is preliminarily patterned in a ceramic green sheet to be the insulating substrate 1 by screen printing. It is formed on the surface or inside of the insulating substrate 1 by printing and coating on the ceramic green sheet and simultaneously firing with the ceramic green sheet to be the insulating substrate 1.

また、表面に酸化物を含む不動態膜が形成される金属材料を用いることによって、白金のような酸化しにくい金属を用いなくても、表面に不動態膜を有することで、高温環境下における耐酸化性に優れるものとすることが可能となり、検知精度および長期信頼性が高いセンサ基板4を提供することができる。   In addition, by using a metal material on which a passive film containing an oxide is formed on the surface, even if a metal that is not easily oxidized such as platinum is used, it has a passive film on the surface. It becomes possible to make it excellent in oxidation resistance, and the sensor substrate 4 with high detection accuracy and long-term reliability can be provided.

図2は、図1(b)のB部分を示す拡大断面図である。図2に示すように、検知電極2の表面に不動態膜2aが形成される。以下では、検知電極2の表面に形成された不動態膜2aについて説明する。   FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view showing a portion B in FIG. As shown in FIG. 2, a passive film 2 a is formed on the surface of the detection electrode 2. Hereinafter, the passive film 2a formed on the surface of the detection electrode 2 will be described.

不動態膜2aは、検知電極2の内部がFe−Ni−Cr−Ti−Al合金である場合、酸化物としてTiOおよびAlを含んでいる。このような構成とすることによって、絶縁基板1に含まれるガラス相のFe−Ni−Cr−Ti−Al合金粒子間への浸入による過焼結が発生しにくくなり、ボイドの発生を抑制し、配線の電気抵抗の増加を抑制することができる。また、検知電極2が表面にTiOおよびAlを含む不動態膜2aを有しているので高温環境下における耐酸化性に優れるものとすることが可能となる。 The passive film 2a contains TiO 2 and Al 2 O 3 as oxides when the inside of the detection electrode 2 is a Fe—Ni—Cr—Ti—Al alloy. By adopting such a configuration, oversintering due to penetration of the glass phase contained in the insulating substrate 1 between the Fe—Ni—Cr—Ti—Al alloy particles is less likely to occur, suppressing the generation of voids, An increase in the electrical resistance of the wiring can be suppressed. Moreover, since the detection electrode 2 has the passive film 2a containing TiO 2 and Al 2 O 3 on the surface, it can be made excellent in oxidation resistance in a high temperature environment.

また、不動態膜2aは、検知電極2の内部がMoSi金属である場合、酸化物としてSiOを含んでいる。このような構成とすることによって、絶縁基板1に含まれるガラス相のMoSi金属粒子間への浸入による過焼結が発生しにくくなり、ボイドの発生を抑制し、配線の電気抵抗の増加を抑制することができる。また、検知電極2が表面にSiOを含む不動態膜2aを有しているので高温環境下における耐酸化性に優れるものとすることが可能となる。 Further, the passivation film 2a, when the inside of the detection electrode 2 is MoSi 2 metal includes SiO 2 as an oxide. By adopting such a configuration, oversintering due to penetration of the glass phase contained in the insulating substrate 1 into the MoSi 2 metal particles is less likely to occur, suppressing the generation of voids, and increasing the electrical resistance of the wiring. Can be suppressed. Further, it is possible to detect the electrode 2 is because it has a passivation film 2a containing SiO 2 and is excellent in oxidation resistance in a high-temperature environment on the surface.

また、不動態膜2aは例えば検知電極2の表面部分を対象に電子線マイクロアナライザ(EPMA)分析を行うことによって確認することができる。接続パッド5の表面に形成される不動態膜は、検知電極2と同様に確認することができる。内部配線3の表面に形成される不動態膜は、絶縁基板1を縦断面視可能なように切断し、切断面に対してEPMA分析を行うことによって確認することができる。   Moreover, the passive film 2a can be confirmed by performing an electron beam microanalyzer (EPMA) analysis for the surface part of the detection electrode 2, for example. The passive film formed on the surface of the connection pad 5 can be confirmed in the same manner as the detection electrode 2. The passive film formed on the surface of the internal wiring 3 can be confirmed by cutting the insulating substrate 1 so that the longitudinal cross section can be viewed, and performing EPMA analysis on the cut surface.

検知電極2は、例えばFe,Ni,Cr,Ti,Alの各金属粉末に適当な有機バインダーおよび溶媒等を添加混合して得た導体ペーストを、絶縁基板1となるセラミックグリーンシートに予めスクリーン印刷法等によって所定のパターンに印刷塗布し、導体ペーストが形成されたセラミックグリーンシートを積層して、絶縁基板1となるセラミックグリーンシートと同時焼成することによって、Fe−Ni−Cr−Ti−Al合金の表面に不動態膜2aを有するように絶縁基板1に形成される。この場合、各金属粉末の混合割合は、Fe粉末1〜55質量%,Ni粉末20〜80質量%,Cr粉末10〜25質量%,Ti粉末0.1〜5質量%,Al粉末0.1〜5質量%とするのが好ましい。なお、導体ペーストには、上述の比率となるようなFe−Ni−Cr−Ti−Al合金粉末を用いてもかまわない。Fe,Ni,Cr,Ti,Alの各金属粉末またはFe−Ni−Cr−Ti−Al合金粉末の代わりにMoSiの金属粉末を用いたものでもよい。なお、不動態膜2aは上述の同時焼成時に検知電極2の表面に酸化物を含んだ状態で形成される。 For the detection electrode 2, for example, a conductive paste obtained by adding and mixing an appropriate organic binder and solvent to each metal powder of Fe, Ni, Cr, Ti, and Al is screen-printed in advance on a ceramic green sheet to be the insulating substrate 1. Fe-Ni-Cr-Ti-Al alloy by printing and applying in a predetermined pattern by the method, etc., laminating ceramic green sheets on which conductor paste is formed, and simultaneously firing the ceramic green sheets to be the insulating substrate 1 Is formed on the insulating substrate 1 so as to have a passive film 2a on its surface. In this case, the mixing ratio of each metal powder is as follows: Fe powder 1-55 mass%, Ni powder 20-80 mass%, Cr powder 10-25 mass%, Ti powder 0.1-5 mass%, Al powder 0.1 It is preferable to set it as -5 mass%. Note that Fe-Ni-Cr-Ti-Al alloy powder having the above-described ratio may be used for the conductor paste. A metal powder of MoSi 2 may be used instead of each metal powder of Fe, Ni, Cr, Ti, Al or Fe—Ni—Cr—Ti—Al alloy powder. In addition, the passive film 2a is formed in the state which contained the oxide in the surface of the detection electrode 2 at the time of the above-mentioned simultaneous baking.

貫通導体は、例えば絶縁基板1となるセラミックグリーンシートに機械的な打ち抜き加工またはレーザ加工等の孔あけ加工を施して貫通孔を設け、この貫通孔内に上記のような金属材料の導体ペーストを充填し、その後同時焼成することによって形成することができる。   For example, the through conductor is subjected to a punching process such as mechanical punching or laser processing in a ceramic green sheet to be the insulating substrate 1 to provide a through hole, and a conductive paste made of a metal material as described above is provided in the through hole. It can be formed by filling and then co-firing.

なお、絶縁基板1の上面または下面に露出して設けられる検知電極2および接続パッド5となる導体ペーストについて、一回の印刷で所定の厚みにまで印刷せずに、複数回に分けて印刷するようにしてもよい。   In addition, about the conductor paste used as the detection electrode 2 and the connection pad 5 which are provided exposed on the upper surface or the lower surface of the insulating substrate 1, it is printed in multiple times without printing to a predetermined thickness by one printing. You may do it.

検知電極2および接続パッド5の表面には、さらに電気めっき法または無電解めっき法によって金属めっき層が被着されていてもよい。金属めっき層は、ニッケル,銅,金または銀等の耐食性や接続部材との接続性に優れる金属から成るものであり、例えば、厚さ0.5〜10μm程度のニッケルめっき層と0.1〜3μm程度の金めっき層とが、あるいは厚さ1〜10μm程度のニッケルめっき層と0.1〜1μm程度の銀めっき層とが、順次被着される。これによって、検知電極2、接続パッド5および導電路が腐食することを効果的に抑制できるとともに、接続パッド5と外部電気回路との接合、あるいは接続パッド5と金属リードとの接合を強固にできる。   A metal plating layer may be further deposited on the surfaces of the detection electrode 2 and the connection pad 5 by electroplating or electroless plating. The metal plating layer is made of a metal having excellent corrosion resistance such as nickel, copper, gold or silver and connectivity with the connection member. For example, a nickel plating layer having a thickness of about 0.5 to 10 μm and 0.1 to A gold plating layer of about 3 μm, or a nickel plating layer of about 1 to 10 μm in thickness and a silver plating layer of about 0.1 to 1 μm are sequentially deposited. Accordingly, corrosion of the detection electrode 2, the connection pad 5, and the conductive path can be effectively suppressed, and the connection between the connection pad 5 and the external electric circuit or the connection between the connection pad 5 and the metal lead can be strengthened. .

また、上記以外の金属からなる金属めっき層、例えば、パラジウムめっき層等を介在させていても構わない。   Moreover, you may interpose the metal plating layer which consists of metals other than the above, for example, a palladium plating layer.

上記構成のセンサ基板4と、検知電極2に電位を供給する電源部11とによって、実施形態のセンサ装置10が形成されている。センサ装置10について、電源部11から検知電極2に約50ボルト(V)の電位が供給され、この電位による漏れ電流が検知される。この漏れ電流の値によって検知電極2の抵抗値が検出される。検知電極2の抵抗値は、例えば外部の測定検知回路(図示せず)によって測定される。また、この絶縁基板1に、検知電極2の抵抗値の測定用回路(図示せず)が配置されていてもよい。   The sensor device 10 of the embodiment is formed by the sensor substrate 4 having the above configuration and the power supply unit 11 that supplies a potential to the detection electrode 2. About the sensor apparatus 10, the electric potential of about 50 volts (V) is supplied to the detection electrode 2 from the power supply part 11, and the leakage current by this electric potential is detected. The resistance value of the detection electrode 2 is detected by the value of this leakage current. The resistance value of the detection electrode 2 is measured by, for example, an external measurement detection circuit (not shown). In addition, a circuit for measuring a resistance value of the detection electrode 2 (not shown) may be disposed on the insulating substrate 1.

電源部11は、例えばすす検出回路としては、外部電源(図示せず)と電気的に接続された端子および整流器、変圧回路等であり、外部電源から所定の電力が伝送される部分である。伝送された電力が電源部11において、検知電極2の抵抗値の測定に適した条件に整えられ、検知電極2に伝送される。   The power supply unit 11 is, for example, a terminal electrically connected to an external power supply (not shown), a rectifier, a transformer circuit, and the like as a soot detection circuit, and is a part to which predetermined power is transmitted from the external power supply. The transmitted power is adjusted to a condition suitable for measuring the resistance value of the detection electrode 2 in the power supply unit 11 and transmitted to the detection electrode 2.

電源部11と検知電極2との電気的な接続は、例えば前述した接続パッド5と内部配線3とを介して行なわれる。なお、図1においては、接続パッド5と電源部11とを電気的に接続する導電性接続材等の接続用の導体を仮想線(二点鎖線)で模式的に示している。   The electrical connection between the power supply unit 11 and the detection electrode 2 is performed, for example, via the connection pad 5 and the internal wiring 3 described above. In FIG. 1, a connection conductor such as a conductive connection material that electrically connects the connection pad 5 and the power supply unit 11 is schematically shown by a virtual line (two-dot chain line).

上記実施形態のセンサ装置10は、上記構成のセンサ基板4を有していることから、信頼性の高いセンサ装置を実現することができる。   Since the sensor device 10 according to the embodiment includes the sensor substrate 4 having the above-described configuration, a highly reliable sensor device can be realized.

図3(a)は、本発明の他の実施形態であるセンサ基板およびセンサ装置を示す平面図
であり、図3(b)は本発明のさらに他の実施形態であるセンサ基板およびセンサ装置を示す断面図である。図3において図1と同様の部位には同じ参照符号を付して説明を省略する。
FIG. 3A is a plan view showing a sensor substrate and a sensor device according to another embodiment of the present invention, and FIG. 3B shows a sensor substrate and a sensor device according to still another embodiment of the present invention. It is sectional drawing shown. In FIG. 3, the same parts as those in FIG.

図3(a)に示す実施形態では、検知電極2の形状が上記の実施形態の帯状とは異なり、くし歯状である。また、くし歯状の二つの検知電極2が、互いにかみ合うような位置関係で配置されている。この場合には、例えば平面視における絶縁基板1の大きさをできるだけ小さく抑えながら、検知電極2の長さをより長くすることができる。検知電極2の長さが長いほど、検知電極2としての抵抗値の変化が大きくなりやすい。また、センサ基板4が配置される環境における微粒子の検知が容易になる。すなわち、センサ基板4が配置される環境における微粒子の含有量が小さい場合でも、その微粒子をより確実に検知することができる。   In the embodiment shown in FIG. 3A, the shape of the detection electrode 2 is a comb-like shape unlike the band shape of the above-described embodiment. Further, the two comb-like detection electrodes 2 are arranged in such a positional relationship as to engage with each other. In this case, for example, the length of the detection electrode 2 can be increased while keeping the size of the insulating substrate 1 in plan view as small as possible. As the length of the detection electrode 2 is longer, the change in the resistance value as the detection electrode 2 tends to increase. In addition, it becomes easy to detect fine particles in the environment where the sensor substrate 4 is disposed. That is, even when the content of fine particles in the environment where the sensor substrate 4 is arranged is small, the fine particles can be detected more reliably.

したがって、この場合には、センサ基板4が配置される環境における微粒子の検知の精度および感度の向上、および平面視における小型化の点でより有利なセンサ基板4およびセンサ装置10を提供することができる。   Therefore, in this case, it is possible to provide the sensor substrate 4 and the sensor device 10 that are more advantageous in terms of improvement in detection accuracy and sensitivity of fine particles in an environment in which the sensor substrate 4 is disposed and miniaturization in plan view. it can.

なお、図3(a)では、電源部11と検知電極2との電気的な接続を行なう接続パッド等の導体を仮想線(二点鎖線)で模式的に示している。   In FIG. 3A, conductors such as connection pads for performing electrical connection between the power supply unit 11 and the detection electrode 2 are schematically shown by virtual lines (two-dot chain lines).

図3(b)に示す実施形態では、接続パッド5にリード端子6が接合されている。この場合には、リード端子6のうち接続パッド5に接合されている端部と反対側の端部が外部電気回路の所定部位に接合され、電気的に接続される。すなわち、リード端子6を介してセンサ基板4(センサ装置10)の外部電気回路に対する電気的および機械的な接続が行なわれる。電源部11の異なる電極(正極および負極等)は、互いに異なるリード端子6にそれぞれ接続されている。リード端子6を介したセンサ基板4と外部電気回路との機械的な接続が行なわれる場合には、リード端子6の弾性変形によって、センサ基板4の絶縁基板1と外部電気回路が設けられている樹脂基板等の外部基板(図示せず)との熱膨張差に起因した熱応力等の応力の緩和がより容易になる。したがって、この場合には、外部接続の信頼性等の向上に有利なセンサ基板4およびセンサ装置10を提供することができる。   In the embodiment shown in FIG. 3B, the lead terminal 6 is joined to the connection pad 5. In this case, the end of the lead terminal 6 opposite to the end joined to the connection pad 5 is joined to a predetermined part of the external electric circuit and electrically connected. That is, electrical and mechanical connection to the external electric circuit of the sensor substrate 4 (sensor device 10) is performed via the lead terminal 6. Different electrodes (positive electrode, negative electrode, etc.) of the power supply unit 11 are connected to different lead terminals 6, respectively. When mechanical connection between the sensor substrate 4 and the external electric circuit is performed via the lead terminal 6, the insulating substrate 1 of the sensor substrate 4 and the external electric circuit are provided by elastic deformation of the lead terminal 6. It becomes easier to relieve stress such as thermal stress due to a difference in thermal expansion from an external substrate (not shown) such as a resin substrate. Therefore, in this case, it is possible to provide the sensor substrate 4 and the sensor device 10 that are advantageous in improving the reliability of external connection and the like.

リード端子6は、接続パッド5と同様に、微粒子の検知のためのものではない。そのため、リード端子6を形成する材料は、その用いられる環境、センサ基板4としての生産性および経済性等の条件に応じて、適宜選択されて構わない。例えば、リード端子6が白金または金等の耐酸化性に優れた金属材料からなるものであれば、センサ装置10としての信頼性の点で有利である。また、リード端子6は、経済性等を重視して、鉄−ニッケル−コバルト合金等の鉄系合金、または銅等からなるもので形成しても構わない。また、リード端子6が鉄系合金からなるときに、その露出する表面が金めっき層等のめっき層で保護されていてもよい。   Like the connection pad 5, the lead terminal 6 is not for detecting fine particles. Therefore, the material for forming the lead terminal 6 may be appropriately selected according to the environment in which the lead terminal 6 is used, the conditions such as the productivity and economy of the sensor substrate 4. For example, if the lead terminal 6 is made of a metal material having excellent oxidation resistance such as platinum or gold, it is advantageous in terms of reliability as the sensor device 10. In addition, the lead terminal 6 may be formed of an iron-based alloy such as an iron-nickel-cobalt alloy, copper, or the like with emphasis on economy and the like. Further, when the lead terminal 6 is made of an iron-based alloy, the exposed surface may be protected by a plating layer such as a gold plating layer.

リード端子6の接続パッド5に対する接合は、例えば、銀ろう(銀銅ろう材)または金ろう等のろう材(符号なし)によって行なわれる。ろう材についても、リード端子6と同様に、センサ基板4が製造または使用されるときの種々の条件に応じて、適宜その材料が選択される。   Joining of the lead terminal 6 to the connection pad 5 is performed by, for example, a brazing material (no symbol) such as silver brazing (silver copper brazing material) or gold brazing. Also for the brazing material, as with the lead terminal 6, the material is appropriately selected according to various conditions when the sensor substrate 4 is manufactured or used.

なお、本発明のセンサ基板およびセンサ装置は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内であれば種々の変更は可能である。例えば、絶縁基板1の内部にヒータ用の抵抗回路(図示せず)等が設けられていてもよい。ヒータによって検知電極2が予備加熱されることによって、検知がより容易なセンサ基板およびセンサ装置とする
ことができる。ヒータとしての抵抗回路は、例えば上記内部配線3と同様の材料を用い、同様の方法で形成される。
The sensor substrate and the sensor device of the present invention are not limited to the above embodiment, and various modifications are possible within the scope of the gist of the present invention. For example, a heater resistance circuit (not shown) or the like may be provided inside the insulating substrate 1. By preheating the detection electrode 2 with a heater, a sensor substrate and a sensor device that are easier to detect can be obtained. The resistance circuit as a heater is formed by the same method using the same material as that of the internal wiring 3, for example.

次に、本実施形態の絶縁基板1の製造方法について説明する。(1)アルミナ(Al)の粉末に焼結助材として酸化ケイ素(SiO),酸化マグネシウム(MgO)および酸化マンガン(Mn)等の粉末を添加し、さらに適当なバインダ、溶剤および可塑剤を添加し、次にこれらの混合物を混錬してスラリー状となす。その後、従来周知のドクターブレード法等の成形方法によってセラミックグリーンシートを得る。 Next, a method for manufacturing the insulating substrate 1 of the present embodiment will be described. (1) A powder of silicon oxide (SiO 2 ), magnesium oxide (MgO), manganese oxide (Mn 2 O 3 ) or the like is added as a sintering aid to the alumina (Al 2 O 3 ) powder, and an appropriate binder Add solvent and plasticizer, then knead the mixture into a slurry. Thereafter, a ceramic green sheet is obtained by a conventionally known forming method such as a doctor blade method.

(2)成形されたセラミックグリーンシートに対して、貫通導体となる部位の打ち抜き金型を用いて打ち抜きを行うか、またはレーザを用いて貫通孔を形成する。   (2) The formed ceramic green sheet is punched using a punching die at a site that becomes a through conductor, or a through hole is formed using a laser.

(3)絶縁基板1の上面に検知電極2、絶縁基板1の内部に貫通導体、配線導体を含む内部配線3、絶縁基板1の下面または側面に接続パッド5をそれぞれ形成するための導体ペーストをセラミックグリーンシートの表面に印刷塗布し、貫通孔に導体ペーストを充填する。   (3) Conductive paste for forming the detection electrode 2 on the upper surface of the insulating substrate 1, the internal wiring 3 including the through conductor and the wiring conductor inside the insulating substrate 1, and the connection pad 5 on the lower surface or side surface of the insulating substrate 1, respectively. Print on the surface of the ceramic green sheet and fill the through hole with the conductive paste.

(4)導体ペーストが印刷塗布され、貫通孔に導体ペーストが充填されたセラミックグリーンシートを積層してセラミックグリーンシート積層体を作製する。   (4) A ceramic green sheet laminate in which a conductor paste is printed and applied and the through holes are filled with the conductor paste is laminated.

(5)このセラミックグリーンシート積層体を個々の絶縁基板1となる積層体に切断分離し、セラミックグリーンシートと導体ペーストとを、約1400〜1600℃の焼成温度で同時焼成して焼結体を得る。   (5) This ceramic green sheet laminate is cut and separated into laminates to be individual insulating substrates 1, and the ceramic green sheet and the conductive paste are simultaneously fired at a firing temperature of about 1400-1600 ° C. to obtain a sintered body. obtain.

(6)得られた焼結体に対して、焼成温度よりも低い温度(約700〜1000℃)で加熱する。この加熱処理によって、マンガンを含むガラス相が表層に浸み出し、主面にマンガンを含むガラス相が露出した絶縁基板1が得られる。   (6) The obtained sintered body is heated at a temperature lower than the firing temperature (about 700 to 1000 ° C.). By this heat treatment, the insulating substrate 1 in which the glass phase containing manganese oozes out to the surface layer and the glass phase containing manganese is exposed on the main surface is obtained.

(7)検知電極2、接続パッド5を保護して酸化防止するとともにろう付けを容易にするための金属メッキ層を検知電極2、接続パッド5の表面に被着する。   (7) A metal plating layer for protecting the detection electrode 2 and the connection pad 5 to prevent oxidation and to facilitate brazing is applied to the surfaces of the detection electrode 2 and the connection pad 5.

この絶縁基板1は、これを多数個取りで一括して作製でき、焼成して得られた多数個取り形成の絶縁基板1の外縁となる箇所に沿って分割溝を形成しておき、この分割溝に沿って破断させて分割する方法、またはスライシング法等により絶縁基板1の外縁となる箇所に沿って切断する方法等を用いることができる。なお、分割溝は、焼成後にスライシング装置により多数個取りで形成する絶縁基板1の厚みより小さく切り込むことによって形成することができるが、多数個取りで形成する絶縁基板1用のセラミックグリーンシート積層体または成型体にカッター刃を押し当てたり、スライシング装置により積層体または成型体の厚みより小さく切り込んだりすることによって形成してもよい。   This insulating substrate 1 can be produced in batches by making multiple pieces, and a dividing groove is formed along the outer edge of the insulating substrate 1 formed by firing and obtained by baking. A method of breaking along the groove and dividing, or a method of cutting along a portion serving as the outer edge of the insulating substrate 1 by a slicing method or the like can be used. In addition, although a division | segmentation groove | channel can be formed by cutting smaller than the thickness of the insulating substrate 1 formed by multi-slicing with a slicing apparatus after baking, the ceramic green sheet laminated body for insulating substrates 1 formed by multi-slicing Alternatively, it may be formed by pressing a cutter blade against the molded body or by cutting with a slicing device smaller than the thickness of the laminated body or molded body.

また、セラミックグリーンシート積層体または成型体から切り出した個々の積層体または成型体、もしくは絶縁基板1を多数個取りとするセラミックグリーンシート積層体または成型体を焼成することにより、各検知電極2、接続パッド5が焼成されて被着形成される。すなわち、各検知電極2、接続パッド5は5〜30μmの厚さで形成される。   In addition, by firing individual laminates or molded bodies cut out from ceramic green sheet laminates or molded bodies, or ceramic green sheet laminates or molded bodies having a large number of insulating substrates 1, each sensing electrode 2, The connection pad 5 is baked and deposited. That is, each detection electrode 2 and the connection pad 5 are formed with a thickness of 5 to 30 μm.

さらに、検知電極2、接続パッド5の絶縁基板1の表面に露出した箇所を保護するとともに酸化防止するために、検知電極2、接続パッド5の絶縁基板1の表面に露出した箇所に、耐熱性を向上させるために、厚さ0.1〜3μmの金(Au)メッキ層を順次被着させるのがよい。   Further, in order to protect and prevent oxidation of the detection electrode 2 and the connection pad 5 on the surface of the insulating substrate 1, the detection electrode 2 and the connection pad 5 on the surface exposed on the surface of the insulating substrate 1 are protected from heat. In order to improve the thickness, it is preferable to sequentially deposit a gold (Au) plating layer having a thickness of 0.1 to 3 μm.

なお、本発明は、上述の実施の形態の例に限定されるものではなく、例えば検知電極2、内部配線3、接続パッド5は絶縁基板1に複数設けられていてもよい。   The present invention is not limited to the example of the above-described embodiment. For example, a plurality of detection electrodes 2, internal wirings 3, and connection pads 5 may be provided on the insulating substrate 1.

1 絶縁基板
2 検知電極
2a 不動態膜
3 内部配線
4 センサ基板
5 接続パッド
6 リード端子
10 センサ装置
11 電源部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Insulating board 2 Detection electrode 2a Passive film 3 Internal wiring 4 Sensor board 5 Connection pad 6 Lead terminal 10 Sensor apparatus 11 Power supply part

Claims (5)

主面を有する絶縁基板であって、アルミナおよびマンガンを含有する結晶相とマンガンを含有するガラス相とを含む絶縁基板と、
該絶縁基板の前記主面に設けられた検知電極と、を備え、
前記ガラス相の少なくとも一部は、前記主面に露出しており、
前記検知電極は、Fe−Ni−Cr−Ti−Al合金であり、表面にTiO およびAl を含む不動態膜を有していることを特徴とするセンサ基板。
An insulating substrate having a main surface, the insulating substrate including a crystal phase containing alumina and manganese and a glass phase containing manganese;
A detection electrode provided on the main surface of the insulating substrate,
At least a part of the glass phase is exposed on the main surface ,
The sensor substrate is an Fe—Ni—Cr—Ti—Al alloy, and has a passive film containing TiO 2 and Al 2 O 3 on a surface thereof .
前記ガラス相は、Si、Mg、Ca、Sr、B、Nb、CrおよびCoから選ばれる1種以上の酸化物を含むことを特徴とする請求項1記載のセンサ基板。   The sensor substrate according to claim 1, wherein the glass phase contains one or more oxides selected from Si, Mg, Ca, Sr, B, Nb, Cr, and Co. 前記ガラス相は、前記結晶相からなる複数の結晶粒子間に存在することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のセンサ基板。 The glass phase, the sensor substrate according to claim 1 or claim 2, characterized in that present between the plurality of crystal particles made of the crystalline phase. 請求項1〜のいずれか1つに記載のセンサ基板と、
前記検知電極に電位を供給する電源部と、を備えることを特徴とするセンサ装置。
The sensor substrate according to any one of claims 1 to 3 ,
And a power supply unit for supplying a potential to the detection electrode.
請求項1〜のいずれか1つに記載のセンサ基板を製造するセンサ基板の製造方法であって、
アルミナおよびマンガンを含有するセラミックス原料をグリーンシートに成形する工程と、
成形された前記グリーンシートの表面に、Fe、Ni、Cr、Ti、Alの金属材料を含むペーストを塗布する工程と、
前記グリーンシートと該グリーンシートの表面に塗布された前記ペーストとを同時焼成する工程と、
前記同時焼成後に、前記同時焼成の焼成温度よりも低い温度で加熱する工程と、を含むことを特徴とするセンサ基板の製造方法。
It is a manufacturing method of the sensor substrate which manufactures the sensor substrate according to any one of claims 1 to 3 ,
Forming a ceramic raw material containing alumina and manganese into a green sheet;
Applying a paste containing a metal material of Fe, Ni, Cr, Ti, Al to the surface of the molded green sheet;
Co-firing the green sheet and the paste applied to the surface of the green sheet;
And a step of heating at a temperature lower than the firing temperature of the co-firing after the co-firing.
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