(57)【要約】【課題】  性能の向上を図れる構成を含む水素センサを提供すること。【解決手段】  水素センサは、変形部材１３と、ガス検出部１０３と、加熱部１０５と、判定部１０７とを含む。容量部１０１は水素を吸収または吸着することで変形する変形部材を含み、変形部材の変形に応じて容量値が変化する。ガス検出部１０３は容量部１０１の容量値に基づいてガスを検出する。加熱部１０５は変形部材１０１を加熱する。判定部１０７は加熱部１０５により変形部材１０１を加熱している加熱期間中にガス検出部１０３により検出されたガスが水素以外の物質を含むか否かを判定する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素を吸収または吸着することで変形する変形部材を含み、前記変形部材の変形に応じて容量値が変化する容量部と、
前記容量部の容量値に基づいてガスを検出するガス検出部と、
前記変形部材を加熱する加熱部と、
前記加熱部により前記変形部材を加熱している加熱期間中に前記ガス検出部により検出されたガス中に水素以外の物質が含まるか否かを判定する判定部と
を具備する水素センサ。
【請求項２】
前記加熱部は導体を含み、
前記判定部は、前記加熱期間中における前記容量部の容量値の時間変化、および、前記加熱期間中における前記導体の抵抗値の時間変化に基づいて、前記ガス検出部により検出されたガス中に前記物質が含まれるか否かを判定する請求項１に記載の水素センサ。
【請求項３】
前記加熱期間中に前記容量値の減少と前記抵抗値の減少とが同時に発生している第１の期間、および、前記加熱期間中に容量値の増加と前記抵抗値の増加とが同時に発生している第２の期間の少なくとも一方があるか否かを判定し、
前記第１の期間および前記第２の期間の少なくとも一方がある場合には前記検出されたガス中に前記物質が含まれると判定する請求項２に記載の水素センサ。
【請求項４】
前記容量値の前記時間変化を取得する第１の取得部と、
前記抵抗値の前記時間変化を取得する第２の取得部と
を具備する請求項２または３に記載の水素センサ。
【請求項５】
熱伝導型ガスセンサを具備し、
前記判定部は、前記加熱期間中における前記容量部の容量値の時間変化、および、前記加熱期間中における前記熱伝導型ガスセンサの出力値の時間変化に基づいて、前記ガス検出部により検出されたガス中に前記物質が含まれるか否かを判定する請求項１に記載の水素センサ。
【請求項６】
前記加熱期間中に前記容量値の減少と前記出力値の減少とが同時に発生している第１の期間、および、前記加熱期間中に前記容量値の増加と前記出力値の増加とが同時に発生している第２の期間の少なくとも一方があるか否かを判定し、
前記第１の期間および前記第２の期間の少なくとも一方がある場合には前記検出されたガス中に前記物質が含まれると判定する請求項５に記載の水素センサ。
【請求項７】
前記容量値の前記時間変化を取得する第１の取得部と、
前記出力値の前記時間変化を取得する第３の取得部と
を具備する請求項５または６に記載の水素センサ。
【請求項８】
触媒燃焼型ガスセンサを具備し、
前記加熱部は導体を含み、
前記判定部は、前記加熱期間中における前記容量部の容量値の時間変化、および、前記加熱期間中における前記導体の抵抗値の時間変化に基づいて、前記ガス検出部により検出されたガス中に前記物質が含まれるか否かを判定する請求項１に記載の水素センサ。
【請求項９】
前記判定部が前記検出されたガス中に前記物質が含まれると判定した後、前記触媒燃焼型ガスセンサは起動する請求項８に記載の水素センサ。
【請求項１０】
前記判定部は、前記検出されたガス中に前記物質が含まれると判定した後、前記加熱期間中における前記容量値の時間変化、前記加熱期間中における前記抵抗値の時間変化、および、前記加熱期間中における前記触媒燃焼型ガスセンサの出力値に基づいて、前記物質の種類を判定する請求項８または９に記載の水素センサ。
【請求項１１】
前記容量値の時間変化を取得する第１の取得部と、
前記抵抗値の時間変化を取得する第２の取得部と、
前記出力値の時間変化を取得する第３の取得部と
を具備する請求項１０に記載の水素センサ。
【請求項１２】
前記判定部は、前記加熱部により前記変形部材を加熱している加熱期間中の前記容量部の容量値と、前記加熱部により前記変形部材を加熱していない非加熱期間中の前記容量部の容量値とに基づいて、前記ガス検出部により検出されたガス中に前記物質が含まれるか否かを判定する請求項１に記載の水素センサ。
【請求項１３】
前記判定部は、前記ガス検出部により検出されたガス中に水素が含まれるか否かを判定する請求項１ないし１２のいずれかに記載の水素センサ。
【請求項１４】
前記容量部はＭＥＭＳキャパシタを含む請求項１ないし１３のいずれかに記載の水素センサ。
【請求項１５】
前記ＭＥＭＳキャパシタは、空洞領域を含む基板領域上に設けられている請求項１４に記載の水素センサ。
【請求項１６】
水素を吸収または吸着することで変形する変形部材を含み、前記変形部材の変形に応じて容量値が変化する容量部と、前記容量部の容量値に基づいてガスを検出するガス検出部と、前記変形部材を加熱する加熱部とを具備する水素センサを用いた水素検出方法であって、
前記加熱部により前記変形部材を加熱する工程と、
前記加熱部により前記変形部材を加熱している加熱期間中に、前記ガス検出部により検出されたガス中に水素以外の物質が含まれるか否かを判定する工程と
を具備する水素検出方法。
【請求項１７】
前記加熱部は導体を含み、
前記判定する工程は、前記加熱期間中における前記容量部の容量値の時間変化、および、前記加熱期間中における前記導体の抵抗値の時間変化に基づいて、前記検出されたガス中に前記物質が含まれるか否かを判定することを含む請求項１６に記載の水素検出方法。
【請求項１８】
前記水素センサは熱伝導型ガスセンサを具備し、
前記判定する工程は、前記加熱期間中における前記容量部の容量値の時間変化、および、前記加熱期間中における前記熱伝導型ガスセンサの出力値の時間変化に基づいて、前記検出されたガス中に前記物質が含まれるか否かを判定することを含む請求項１６に記載の水素検出方法。
【請求項１９】
前記水素センサは触媒燃焼型ガスセンサを具備し、
前記加熱部は導体を含み、
前記判定する工程は、前記加熱期間中における前記容量部の容量値の時間変化、前記加熱期間中における前記導体の抵抗値の時間変化、および、前記加熱期間中における触媒燃焼型ガスセンサの出力値の時間変化に基づいて、前記検出されたガス中に含まれる前記物質の種類を判定することを含む請求項１６に記載の水素検出方法。
【請求項２０】
水素を吸収または吸着することで変形する変形部材を含み、前記変形部材の変形に応じて容量値が変化する容量部と、前記容量部の容量値に基づいてガスを検出するガス検出部と、前記変形部材を加熱する加熱部とを具備する水素センサを用いた水素検出方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記加熱部により前記変形部材を加熱する手順と、
前記加熱部により前記変形部材を加熱している加熱期間中に、前記ガス検出部により検出されたガス中に水素以外の物質が含まれるか否かを判定する手順と
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水素センサ、水素検出方法およびプログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
種々の水素ガンサが提案されている。その一つとしてＭＥＭＳ（micro electro-mechanical systems）技術を用いて形成された容量型の水素センサが知られている。このタイプの水素センサは、性能のさらなる向上が期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−１７０１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、性能の向上を図れる構成を含む水素センサ、水素検出方法およびプログラムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
実施形態の水素センサは、水素を吸収または吸着することで変形する変形部材を含み、前記変形部材の変形に応じて容量値が変化する容量部と、前記容量部の容量値に基づいてガスを検出するガス検出部とを含む。前記水素センサは、さらに、前記変形部材を加熱する加熱部と、前記加熱部により前記変形部材を加熱している加熱期間中に前記ガス検出部により検出されたガス中に水素以外の物質が含まれているか否かを判定する判定部とを含む。
【０００６】
実施形態の水素検出方法は、水素を吸収または吸着することで変形する変形部材を含み、前記変形部材の変形に応じて容量値が変化する容量部と、前記容量部の容量値に基づいてガスを検出するガス検出部と、前記変形部材を加熱する加熱部とを具備する水素センサを用いた水素検出方法である。前記水素検出方法は、前記加熱部により前記変形部材を加熱する工程と、前記加熱部により前記変形部材を加熱している加熱期間中に、前記ガス検出部により検出されたガス中に水素以外の物質が含まれるか否かを判定する工程とを含む。
【０００７】
実施形態のプログラムは、水素を吸収または吸着することで変形する変形部材を含み、前記変形部材の変形に応じて容量値が変化する容量部と、前記容量部の容量値に基づいてガスを検出するガス検出部と、前記変形部材を加熱する加熱部とを具備する水素センサを用いた水素検出方法をコンピュータに実行させる。前記プログラムは、前記加熱部により前記変形部材を加熱する手順と、前記加熱部により前記変形部材を加熱している加熱期間中に、前記ガス検出部により検出されたガス中に水素以外の物質が含まれるか否かを判定する手順とをコンピュータに実行させる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態に係る水素センサの基本的な構成を示したブロック図である。
【図２】図２は、検出ガスが水素以外の物質を含む場合の容量値の時間変化とヒーター抵抗値の時間変化との関係を示す図である。
【図３】図３は、検出ガスが水素を含む場合の容量値の時間変化とヒーター抵抗値の時間変化との関係を示す図である。
【図４】図４は、第１の実施形態に係る水素検出方法の一例を示すフローチャートである。
【図５】図５は、第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの具体的な構造の一例を示す断面図である。
【図６】図６は、第２の実施形態に係る水素センサの基本的な構成を示したブロック図である。
【図７】図７は、第２の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタおよび熱伝導型ガスセンサの実装例を示す断面図である。
【図８】図８は、第２の実施形態に係る水素検出方法の一例を示すフローチャートである。
【図９】図９は、第３の実施形態に係る水素センサの基本的な構成を示したブロック図である。
【図１０】図１０は、ガス種とΔＣとΔＲとΔＶとの関係を示す図である。
【図１１】図１１は、第３の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタおよび接触燃焼型ガスセンサの実装例を示す断面図である。
【図１２】図１２は、第４の実施形態に係る水素センサの基本的な構成を示したブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図面は、模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は、必ずしも現実のものと同一であるとは限らない。図面において、同一符号は同一または相当部分を付してあり、重複した説明は必要に応じて行う。また、簡略化のために、同一または相当部分があっても符号を付さない場合もある。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る水素センサ１００の基本的な構成を示したブロック図である。
本実施形態の水素センサ１００は、ＭＥＭＳキャパシタ１０１と、容量値取得部１０２と、ガス検出部１０３と、ヒーター制御部１０４と、ヒーター１０５と、抵抗値取得部１０６と、判定部１０７とを含む。
【００１１】
ＭＥＭＳキャパシタ１０１は、水素を吸収または吸着することで変形する水素吸蔵層（不図示）を含み、当該水素吸蔵層の変形に応じて容量値が変化する。ＭＥＭＳキャパシタ１０１の具体的な構造については後で説明する。
容量値取得部１０２は、ヒーター１０５により水素吸蔵層を加熱している期間（加熱期間）中のＭＥＭＳキャパシタ１０１の容量値を測定し、当該容量値の時間変化を取得する。ガス検出部１０３は、容量値取得部１０２の測定結果に基づいてガスを検出する。より詳細には、ガス検出部１０３は、容量値をガス濃度に変換し、ガス濃度が一定値を超えていればガスは検出されたとする。
【００１２】
ヒーター１０５はＭＥＭＳキャパシタ１０１の水素吸蔵層を効率的に加熱する。本実施形態では、ヒーター１０５は、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＰｔまたはＰｄ−Ｎｉ等の導体を含む。ヒーター１０５は、導体に電流が流れることにより発生する熱（ジュール熱）を利用して、水素吸蔵層を加熱する。ヒーター制御部１０４は、ヒーター１０５のオン／オフやヒーター１０５の温度（ヒーター温度）を制御しても構わない。
【００１３】
抵抗値取得部１０６は、加熱期間中のヒーター１０５中の導体の抵抗値を測定し、その抵抗値の時間変化を取得する。判定部１０７は、容量値取得部１０２により取得された容量値の時間変化と抵抗値取得部１０６により取得された抵抗値の時間変化とに基づいて、ガス検出部１０３により検出されたガス（検出ガス）中に水素以外の物質（検出対象外物質）が含まれているか否かを判定する。この判定は以下のように行う。
【００１４】
本発明者の鋭意研究によれば、検出ガスが検出対象外物質としてメタン（ＣＨ４）を含む場合、例えば、図２（ａ）に示すように、加熱期間中に容量値Ｃの減少と抵抗値Ｒの減少とが同時に発生している期間Ｔ１があることを見出した。また、検出ガスが検出対象外物質としてプロパン（Ｃ３Ｈ８）を含む場合、例えば、図２（ｂ）に示すように、加熱期間中に容量値Ｃの増加と抵抗値Ｒの増加とが同時に発生している期間Ｔ２があることを見出した。
【００１５】
さらに、本発明者の鋭意研究によれば、検出ガスが水素を含みかつ検出対象外物質を含まない場合、例えば、図３に示すように、加熱期間中に容量値Ｃの増加と抵抗値Ｒの減少とが同時に発生している期間Ｔ３があることを見出した。
図４は、上記の新規知見に基づいた本実施形態の水素検出方法の一例を示すフローチャートである。
【００１６】
まず、ヒーター１０５を用いてＭＥＭＳキャパシタ１０１の水素吸蔵層を加熱する（ステップＳ１）。
次に、容量値取得部１０２を用いて加熱期間中における容量値の時間変化を取得し、そして、抵抗値取得部１０６を用いて加熱期間中における抵抗値の時間変化を取得する（ステップＳ２）。
【００１７】
次に、判定部１０７は、容量値の時間変化および抵抗値の時間変化に基づいて、期間Ｔ１または期間Ｔ２があるか否かを判定する（ステップＳ３）。
期間Ｔ１または期間Ｔ２がある場合（Ｙｅｓ）、判定部１０７は検出ガス中には検出対象外物質が含まれていると判定する（ステップＳ４）。
【００１８】
期間Ｔ１および期間Ｔ２がない場合（Ｎｏ）、判定部１０７は検出ガス中には検出対象外物質は含まれてないと判定する（ステップＳ５）。
なお、ステップＳ４の後に期間Ｔ３があるか否かを判定するステップを追加しても構わない。この場合、判定部１０７は、期間Ｔ３があれば、検出ガス中には水素および検出対象外物質が含まれていると判定する。また、判定部１０７は、期間Ｔ３がなければ、検出ガス中には検出対象外物質は含まれているが、水素は含まれていないと判定する。
【００１９】
また、ステップＳ５の後に期間Ｔ３があるか否かを判定するステップを追加しても構わない。この場合、判定部１０７は、期間Ｔ３があれば、検出ガス中には水素は含まれているが、出対象外物質は含まれていないと判定する。また、判定部１０７は、期間Ｔ３がなければ、検出ガス中には水素および検出対象外物質が含まれていないと判定する。
【００２０】
以上述べたように本実施形によれば、検出ガス中に検出対象外物質が含まれているか否かを判定できるので、水素選択性の高い水素センサ１００および水素検出方法を提供できるようになる。
図５は、ＭＥＭＳキャパシタ１０１の具体的な構造の一例を示す断面図である。
【００２１】
図５において、参照符号１はシリコン基板（基板領域）を示しており、このシリコン基板１上には絶縁層（基板領域）２、絶縁層（基板領域）３が順次設けられている。
絶縁層２の材料は絶縁層３の材料とは異なる。例えば、絶縁層２および絶縁層３を酸素（Ｏ２）によりアッシング（ドライエッチング）する工程を含む製造プロセスを採用する場合、絶縁層３のエッチングレートが絶縁層２のエッチングレートよりも大きくなるように、絶縁層２および絶縁層３の材料は選択される。絶縁層２の材料は例えばシリコン窒化物であり、絶縁層３の材料は例えばポリイミドである。絶縁層３は例えば絶縁層２よりも厚い。
【００２２】
絶縁層３には絶縁層２に達する溝が設けられており、絶縁層２の上面の一部は露出している。本実施形態では、絶縁層３の側面は、図５の断面図に示すように、上から下に向かって幅が狭くなるテーパー状の形状（下に凸の曲線）を有する。絶縁層３の側面の断面は直線で規定されても構わないし、さらに、直線および曲線で規定されても構わない。また、互いに直交する三つの軸で規定される直交座標系においては、溝を規定する絶縁層３の側面は曲面となる。当該側面は例えば負の曲率を有する。また、充分な熱抵抗が確保される場合には、絶縁層３はなくても構わない。
【００２３】
絶縁層３上には絶縁層４が設けられている。絶縁層４の材料は例えばシリコン窒化物である。絶縁層４には開口２０が設けられている。絶縁層４は絶縁層２，３とともに二つの下側空洞領域２２を規定する。下側空洞領域２２の高さＬ２は例えば１０μｍよりも大きい。
【００２４】
絶縁層４上には下部電極５ａおよび金属層５ｂが設けられている。金属層５ｂはアンカー９ｂの台座として用いられる。下部電極５ａおよび金属層５ｂは同じ導電材料を含み、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）またはチタンナイトライド（ＴｉＮ）を含む。
【００２５】
絶縁層４およびその上の下部電極５ａ上には絶縁層６が設けられている。同様に、絶縁層４およびその上の金属層５ｂ上には絶縁層６が設けられている。絶縁層６の材料は、例えば、シリコン窒化物である。
下部電極５ａの上方には可動構造３０が配置されている。可動構造３０は、水素アクチュエータ３０ａと、上部電極部３０ｂと、水素アクチュエータ３０ｃとを含む。上部電極部３０ｂは、水素アクチュエータ３０ａと水素アクチュエータ３０ｃとの間に設けられている。上部電極部３０ｂの一端部は、ばね部１４を介して、水素アクチュエータ３０ａに接続されている。上部電極部３０ｂの他端部は、別のばね部１４を介して、水素アクチュエータ３０ｃに接続されている。上部電極部３０ｂは図示しない外部回路に接続されている。
【００２６】
可動構造３０（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ）下は空洞領域（上側空洞領域）２１となっている。水素アクチュエータ３０ａ下の上側空洞領域２１は開口２０を介して下側空洞領域２２に連通している。同様に、水素アクチュエータ３０ｃ下の上側空洞領域２１も開口２０を介して下側空洞領域２２に連通している。
【００２７】
上部電極部３０ｂは、絶縁層８ａ、上部電極９ａ、絶縁層１０ａ、導電層（ダミーメタル）１１’および絶縁層１２を含む。
上部電極９ａは下部電極５ａと対向するように絶縁層８ａ上に配置されている。上部電極９ａおよび下部電極５ａはＭＥＭＳキャパシタ１０１を構成する二つのキャパシタ電極である。上部電極９ａの材料は、例えば、ＴｉＮを含む。ＴｉＮの代わりにＴｉ等の他の導電材料を含んでいても構わない。
【００２８】
上部電極部３０ｂにおいて、絶縁層１０ａは上部電極９ａを覆うように絶縁層８ａ上に設けられている。導電層１１’は絶縁層１０ａ上に設けられている。導電層１１’は絶縁層１０ａの残留応力による反りを抑制する目的のために設けられている。上記目的のためには、例えば、導電層１１’の形状および寸法は上部電極９ａのそれと同じにする。導電層１１’の材料は、例えばＴｉ、ＴｉＮ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＰｔまたはＰｄ−Ｎｉである。導電層１１’は電源（不図示）に接続されておらず、導電層１１’はヒーターとしては機能しない。
【００２９】
上部電極部３０ｂにおいて、絶縁層１２は導電層１１’を覆うように絶縁層１０ａ上に設けられている。絶縁層１０ａの材料は、例えば、シリコン窒化物を含む。
水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃの各々は、絶縁層８ａ、ダミー電極９ａ’、絶縁層１０ａ、ヒーター１１、絶縁層１２および水素吸蔵層１３を含む。
【００３０】
ダミー電極９ａ’は絶縁層８ａ上に設けられている。ダミー電極９ａ’の形状は例えば板状またはメッシュ状である。ダミー電極９ａ’下には下部電極５ａは設けられていないので、ダミー電極９ａ’はＭＥＭＳキャパシタ１０１の上部電極としては機能しない。
【００３１】
水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃにおいて、絶縁層１０ａはダミー電極９ａ’を覆うように絶縁層８ａ上に設けられている。ヒーター１１は絶縁層１０ａ上に設けられている。
ヒーター１１の材料は導電層１１’の材料と同じである場合もあるいし、異なる場合もある。ヒーター１１は電源（不図示）に接続されている。
【００３２】
水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃにおいて、絶縁層１２はヒーター１１を覆うように絶縁層１０ａ上に設けられている。その結果、ヒーター１１は絶縁層１０ａおよび絶縁層１２で覆われることになる。絶縁層１０ａおよび絶縁層１２はヒーター１１の断熱構造を構成する。
【００３３】
水素吸蔵層１３は絶縁層１２上に設けられている。水素吸蔵層１３は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウム（Ｐｄ）を含有する合金もしくは当該合金に銅（Ｃｕ）およびシリコン（Ｓｉ）を含有させた合金、チタン（Ｔｉ）を含有する合金、ランタン（Ｌａ）を含有する合金、または、金属ガラスを含む。当該金属ガラスは、例えば、上記金属（ｐｄ、ＴｉまたはＬａ）またはその合金を含む。
【００３４】
水素吸蔵層１３は水素を吸収または吸着する（蓄積する）ことで膨張する（体積が増加する）。水素吸蔵層１３が膨張すると、水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃが変形し、上部電極部３０ｂの位置は上側または下側に変位する。その結果、下部電極５ａと上部電極９ａとの間隔は変化する。
【００３５】
水素吸蔵層１３の膨張量は水素吸収量または水素吸着量に応じて変化するため、下部電極５ａと上部電極９ａとの間隔は水素吸収量または水素吸着量に応じて変化する。その結果、水素吸蔵層１３の水素吸収量または水素吸着量に応じてＭＥＭＳキャパシタ１０１の容量値は変化する。
【００３６】
水素アクチュエータ３０ａの両端は、それぞれ、ばね部１４を介してアンカー９ｂに接続される。アンカー９ｂの下側には絶縁層８ｂが設けられ、アンカー９ｂの上側に絶縁層１０ｂが設けられている。水素アクチュエータ３０ｃも同様である。
ヒーター１１の消費電力の増加を抑制するためには、ヒーター１１を含んでいる水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃから逃げる熱を少なくすればよい。そのためには、例えば、上側空洞領域２１を大きくして上側空洞領域２１の熱抵抗を高くする。上側空洞領域２１を大きくするには、例えば、上側空洞領域２１の高さＬ１を大きくする必要がある。高さＬ１を大きくすると、下部電極５ａと上部電極９ａとの間隔が広がる。当該間隔を広げることはＭＥＭＳキャパシタの容量低下を招く。その結果、水素濃度の検出感度は低下する。
【００３７】
そこで、本実施形態では、上側空洞領域２１下に下側空洞領域２２を設けている。上側空洞領域２１は開口２０を介して下側空洞領域２２に連通し、上側空洞領域２１と下側空洞領域２２とは直列に接続する。したがって、上側空洞領域２１の熱抵抗と下側空洞領域２２の熱抵抗との合計熱抵抗は、これらの二つの熱抵抗の和となる。これにより、水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃ下の空洞領域の熱抵抗を大きくでき、ヒーター１１の消費電力の増加を抑制しつつ、水素濃度の検出感度を高くできる。
【００３８】
なお、図５には、上側空洞領域２１の高さＬ１は高さＬ２よりも小さい例（Ｌ１＜Ｌ２）が示されているが、充分な熱抵抗が確保されるならＬ１≧Ｌ２も可能である。また、図５には、水素アクチュエータの数が二つの例が示されているが、水素アクチュエータの数は一つでもまたは三つ以上でも構わない。
【００３９】
（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係る水素センサ１００の基本的な構成を示したブロック図である。
本実施形態の水素センサ１００は、熱伝導型ガスセンサ１１０およびその出力値を取得する出力値取得部１１１を備えている。
熱伝導型ガスセンサ１１０は、所定のガスに接触するように構成されたセンサ素子と、所定のガスに接触しない構造（密閉構造）内に設けられた参照素子と、センサ素子および参照素子を加熱するヒーターと、可変抵抗を含むブリッジ回路とを備えている。
【００４０】
ヒーターによりセンサ素子および参照素子を加熱している状態で、所定のガスがセンサ素子に接触すると、ガス固有の熱伝導率により熱放散の状態が変わり、センサ素子の温度は変化する。この温度変化に伴いヒーターの抵抗値も変化する。一方、参照素子は所定のガスとは接触しないので、参照素子の温度（抵抗値）は変化しない。
【００４１】
ここで、所定のガスが存在しない雰囲気中で、可変抵抗を調整することにより、ブリッジ回路は平衡状態に設定してある。そのため、所定のガスが存在すると、センサ素子の抵抗値が上昇し、ブリッジ回路のバランスが崩れる。ブリッジ回路によりセンサ素子の抵抗値の変化を電圧値（センサ出力値）として取り出す。
【００４２】
出力値取得部１１１は熱伝導型ガスセンサ１１０の出力値（電圧値）に基づいて、センサ素子の抵抗値の時間変化を取得する。
本実施形態でも第１の実施形態と同様の効果が得られる。さらに本実施形態によれば、ＭＥＭＳキャパシタ１０１の水素吸蔵層を加熱するためのヒーター１０５の温度は、熱伝導型ガスセンサ１１０中のヒーターの温度とは独立に設定できる。これにより、水素吸蔵層を最適な温度で加熱することができ、そして、熱伝導型ガスセンサ１１０中のセンサ素子を最適な温度で加熱することができる。その結果、水素センサ１００の性能（例えば検出精度やガス選択性）の向上を図れる。
【００４３】
図７は、本実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタ１０１および熱伝導型ガスセンサ１１０の実装例を示す断面図である。熱伝導型ガスセンサ１１０はＭＥＭＳキャパシタ１０１に隣接して配置されている。熱伝導型ガスセンサ１１０は、センサ素子としての測温抵抗体９ｓと、測温抵抗体９ｓを加熱するためのヒーター１１ｓと、参照素子としての測温抵抗体９ｒとを含む。測温抵抗体９ｓはガスに接触できるように露出しており、測温抵抗体９ｒは密閉構造内に設けられている。
【００４４】
図８は、本実施形態の水素検出方法の一例を示すフローチャートである。
まず、ＭＥＭＳキャパシタ１０１の水素吸蔵層を加熱する（ステップＳ１）。
次に、容量値取得部１０２を用いて加熱期間中における容量値の時間変化を取得し、そして、出力値取得部１１１を用いて加熱期間中における熱伝導型ガスセンサ１１０の出力値（測温抵抗体９ｓの抵抗値）の時間変化を取得する（ステップＳ２’）。
【００４５】
次に、判定部１０７は、容量値の時間変化および出力値の時間変化に基づいて、期間Ｔ１または期間Ｔ２’があるか否かを判定する（ステップＳ３’）。ここで、期間Ｔ２’は、加熱期間中に容量値の増加と出力値（測温抵抗体９ｓの抵抗値）の増加とが同時に発生している期間である。
【００４６】
期間Ｔ１または期間Ｔ２’がある場合（Ｙｅｓ）、判定部１０７は検出ガス中には検出対象外物質が含まれていると判定する（ステップＳ４）。
期間Ｔ１および期間Ｔ２’がない場合（Ｎｏ）、判定部１０７は検出ガス中には検出対象外物質は含まれていないと判定する（ステップＳ５）。
【００４７】
なお、第１の実施形態と同様に、ステップＳ４またはステップＳ５の後に期間Ｔ３があるか否かを判定するステップを追加しても構わない。
（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る水素センサ１００の基本的な構成を示したブロック図である。
【００４８】
本実施形態の水素センサ１００は、接触燃焼型ガスセンサ１１０ａと、接触燃焼型ガスセンサ１１０ａの出力値を取得する出力値取得部１１１ａとを含んでいる。
接触燃焼型ガスセンサ１１０ａは、所定のガスと反応する触媒層を含むセンサ素子と、所定のガスと反応する触媒層を含まない参照素子と、センサ素子および参照素子を加熱するヒーターと、可変抵抗を含むブリッジ回路とを含む。
【００４９】
ヒーターによりセンサ素子および参照素子を加熱している状態で、所定のガスが存在すると、当該ガスはセンサ素子の触媒層と反応して燃焼し、センサ素子の温度は上昇する。その結果、センサ素子の抵抗値は増加する。一方、参照素子は触媒層を持たないので所定のガスには反応せず、参照素子の温度（抵抗値）は変化しない。
【００５０】
ここで、所定のガスが存在しない雰囲気中で、可変抵抗を調整することにより、ブリッジ回路は平衡状態に設定してある。そのため、所定のガスが存在すると、センサ素子の抵抗値が上昇し、ブリッジ回路のバランスが崩れる。ブリッジ回路によりセンサ素子の抵抗値の変化を電圧値として取り出す。
【００５１】
出力値取得部１１１ａは接触燃焼型ガスセンサ１１０ａの出力（電圧値）に基づいて、センサ素子の抵抗値の時間変化を取得する。
判定部１０７は、容量値取得部１０２の出力値、抵抗値取得部１０６の出力値および出力値取得部１１１ａの出力値に基づいて、検出ガス中に検出対象外物質が含まれているか否かを判定する。この判定は以下のように行う。
【００５２】
図１０は、ガス種と、容量値取得部１０２の出力値の時間変化ΔＣと、抵抗値取得部１０６の出力値の時間変化ΔＲと、出力値取得部１１１ａの出力値の時間変化ΔＶとの関係を示す図である。図１０において、“＋”は出力値の時間変化がプラス、“−”は出力の時間変化がマイナス、“０”は出力の時間変化がゼロまたはほぼゼロであることを示している。
【００５３】
図１０から分かるように、時間変化ΔＣがプラス、時間変化ΔＲがマイナス、時間変化ΔＶがプラスという組合せ以外の組合せは、検出ガス中に検出対象外物質は含まれていると判定できる。３種類の出力値を用いることにより、水素以外の５種類の物質を識別することが可能となる。
【００５４】
本実施形態の水素検出方法は、例えば、接触燃焼型ガスセンサ１１０ａをオフにした状態で、図４のステップＳ１〜Ｓ４を行い、その後、接触燃焼型ガスセンサ１１０ａをオンにして、３種類の出力値の時間変化に基づいて水素以外の５種類の物質を識別する。この水素検出方法は、接触燃焼型ガスセンサ１１０ａのオン状態の期間を短くできるので、消費電力の増加を抑制できる。
【００５５】
図１１は、本実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタ１０１および接触燃焼型ガスセンサ１１０ａの実装例を示す断面図である。接触燃焼型ガスセンサ１１０ａはＭＥＭＳキャパシタ１０１に隣接して配置されている。接触燃焼型ガスセンサ１１０ａは、センサ素子１１０ａｓおよび参照素子１１０ａｒを含む。センサ素子１１０ａｓはヒーター１１ａｓおよび触媒層１５を含む。触媒層１５はヒーター１１aｓにより加熱される。触媒層１５の材料は、例えば、Ｐｄ、ＰｄＣｕＳｉ、Ｐｄ合金、ＰｔまたはＰｔ合金である。参照素子１１０ａｒは触媒層がない点を除いてセンサ素子１１０ａｓと同様の構造を有する。参照符号１１aｒは参照素子１１０ａｒのヒーターを示している。
【００５６】
（第４の実施形態）
図１２は、第４の実施形態に係る水素センサ１００の基本的な構成を示したブロック図である。
本発明者の鋭意研究によれば、検出ガスが検出対象外物質を含む場合、ヒーター１０５がオンのときのＭＥＭＳキャパシタ１０１の容量値と、ヒーター１０５がオフのときのＭＥＭＳキャパシタ１０１の容量値（参照容量値）とが異なることを見出した。
【００５７】
そこで、本実施形態の水素センサ１００は、判定部１０７により、ヒーター１０５がオンのときのＭＥＭＳキャパシタ１０１の容量値と参照容量値とを比較して、検出ガス中に検出対象外物質が含まれているか否かを判定する。
（第５の実施形態）
上述した実施形態の水素検出方法は、プログラムとしても実施することができる。例えば、本実施形態のプログラムは、図４のステップＳ１〜Ｓ４または図８のステップＳ１〜Ｓ５を手順としてコンピュータに実行させる。
【００５８】
上記プログラムは、コンピュータ内のＣＰＵおよびメモリ（外部メモリを併用することもある）等のハードウエハ資源を用いて実施される。ＣＰＵは、メモリ内から必要なデータを読み込み、該データに対して上記ステップを手順として行う。各ステップ（手順）の結果は、必要に応じてメモリ内に一時的に保存され、他のステップ（手順）で必要になったときに読み出される。なお、ステップＳ１〜Ｓ４またはステップＳ１〜Ｓ５は機能（または手段）としてコンピュータに実行させても構わない。
【００５９】
なお、第１ないし第５の実施形態では、判定部は、加熱期間中におけるＭＥＭＳキャパシタの容量値の時間変化、および、加熱期間中における抵抗値の時間変化に基づいて、ガス検出部により検出されたガス中に水素以外の物質が含まれるか否かを判定したが、その代わりに、加熱期間中におけるＭＥＭＳキャパシタの容量値、および、加熱期間中における抵抗値に基づいて、ガス検出部により検出されたガス中に水素以外の物質が含まれるか否かを判定しても構わない。
【００６０】
上述した実施形態の上位概念、中位概念および下位概念の一部または全て、および、上述していないが当業者であれば実施できる他の実施形態は、例えば、以下の付記１−２０、および、付記１−２０の任意の組合せ（明らかに矛盾する組合せは除く）で表現できる。
［付記１］
水素を吸収または吸着することで変形する変形部材を含み、前記変形部材の変形に応じて容量値が変化する容量部と、
前記容量部の容量値に基づいてガスを検出するガス検出部と、
前記変形部材を加熱する加熱部と、
前記加熱部により前記変形部材を加熱している加熱期間中に前記ガス検出部により検出されたガス中に水素以外の物質が含まるか否かを判定する判定部と
を具備する水素センサ。
［付記２］
前記加熱部は導体を含み、
前記判定部は、前記加熱期間中における前記容量部の容量値およびその時間変化、および、前記加熱期間中における前記導体の抵抗値およびその時間変化に基づいて、前記ガス検出部により検出されたガス中に前記物質が含まれるか否かを判定する付記１に記載の水素センサ。
［付記３］
前記加熱期間中に前記容量値の減少と前記抵抗値の減少とが同時に発生している第１の期間、および、前記加熱期間中に容量値の増加と前記抵抗値の増加とが同時に発生している第２の期間の少なくとも一方があるか否かを判定し、
前記第１の期間および前記第２の期間の少なくとも一方がある場合には前記検出されたガス中に前記物質が含まれると判定する付記２に記載の水素センサ。
［付記４］
前記容量値もしくは前記容量値の時間変化を取得する第１の取得部と、
前記抵抗値もしくは前記抵抗値の時間変化を取得する第２の取得部と
を具備する付記２または３に記載の水素センサ。
［付記５］
熱伝導型ガスセンサを具備し、
前記判定部は、前記加熱期間中における前記容量部の容量値およびその時間変化、および、前記加熱期間中における前記熱伝導型ガスセンサの出力値およびその時間変化に基づいて、前記ガス検出部により検出されたガス中に前記物質が含まれているか否かを判定する付記１に記載の水素センサ。
［付記６］
前記加熱期間中に前記容量値の減少と前記出力値の減少とが同時に発生している第１の期間、および、前記加熱期間中に前記容量値の増加と前記出力値の増加とが同時に発生している第２の期間の少なくとも一方があるか否かを判定し、
前記第１の期間および前記第２の期間の少なくとも一方がある場合には前記検出されたガス中に前記物質が含まれると判定する付記５に記載の水素センサ。
［付記７］
前記容量値もしくは前記容量値の時間変化を取得する第１の取得部と、
前記出力値もしくは前記出力値の時間変化を取得する第３の取得部と
を具備する付記５または６に記載の水素センサ。
［付記８］
触媒燃焼型ガスセンサを具備し、
前記加熱部は導体を含み、
前記判定部は、前記加熱期間中における前記容量部の容量値もしくその時間変化、および、前記加熱期間中における前記導体の抵抗値およびその時間変化に基づいて、前記ガス検出部により検出されたガス中に前記物質が含まれるか否かを判定する付記１に記載の水素センサ。
［付記９］
前記判定部が前記検出されたガス中に前記物質が含まれると判定した後、前記触媒燃焼型ガスセンサは起動する付記８に記載の水素センサ。
［付記１０］
前記判定部は、前記検出されたガス中に前記物質が含まれると判定した後、前記加熱期間中における前記容量値およびその時間変化、前記加熱期間中における前記抵抗値およびその時間変化、および、前記加熱期間中における前記触媒燃焼型ガスセンサの出力値に基づいて、前記物質の種類を判定する付記８または９に記載の水素センサ。
［付記１１］
前記容量値およびその時間変化を取得する第１の取得部と、
前記抵抗値およびその時間変化を取得する第２の取得部と、
前記出力値およびその時間変化を取得する第３の取得部と
を具備する付記９または１０のいずれかに記載の水素センサ。
［付記１２］
前記判定部は、前記加熱部により前記変形部材を加熱している加熱期間中の前記容量部の容量値と、前記加熱部により前記変形部材を加熱していない非加熱期間中の前記容量部の容量値とに基づいて、前記ガス検出部により検出されたガス中に前記物質が含まれているか否かを判定する付記１に記載の水素センサ。
［付記１３］
前記判定部は、前記ガス検出部により検出されたガス中に水素が含まれているか否かを判定する付記１ないし１２のいずれかに記載の水素センサ。
［付記１４］
前記容量部はＭＥＭＳ構造を含む付記１ないし１３のいずれかに記載の水素センサ。
［付記１５］
前記ＭＥＭＳ構造は、空洞領域を含む基板上に設けられている付記１４に記載の水素センサ。
［付記１６］
水素を吸収または吸着することで変形する変形部材を含み、前記変形部材の変形に応じて容量値が変化する容量部と、前記容量部の容量値に基づいてガスを検出するガス検出部と、前記変形部材を加熱する加熱部とを具備する水素センサを用いた水素検出方法であって、
前記加熱部により前記変形部材を加熱する工程と、
前記加熱部により前記変形部材を加熱している加熱期間中に、前記ガス検出部により検出されたガス中に水素以外の物質が含まれるか否かを判定する工程と
を具備する水素検出方法。
［付記１７］
前記加熱部は導体を含み、
前記判定する工程は、
前記加熱期間中における前記容量部の容量値およびその時間変化、および、前記加熱期間中における前記導体の抵抗値およびその時間変化に基づいて、前記ガス検出部により検出されたガス中に前記物質が含まれているか否かを判定することを含む付記１６に記載の水素検出方法。
［付記１８］
前記水素センサは熱伝導型ガスセンサを具備し、
前記判定する工程は、前記加熱期間中における前記容量部の容量値およびその時間変化、および、前記加熱期間中における前記熱伝導型ガスセンサの出力値およびその時間変化に基づいて、前記検出されたガス中に前記物質が含まれるか否かを判定することを含む付記１６に記載の水素検出方法。
［付記１９］
前記水素センサは触媒燃焼型ガスセンサを具備し、
前記加熱部は導体を含み、
前記判定する工程は、前記加熱期間中における前記容量部の容量値およびその時間変化、前記加熱期間中における前記導体の抵抗値およびその時間変化、および、前記加熱期間中における触媒燃焼型ガスセンサの出力値およびその時間変化に基づいて、前記検出されたガス中に含まれる前記物質の種類を判定することを含む付記１６に記載の水素検出方法。
［付記２０］
水素を吸収または吸着することで変形する変形部材を含み、前記変形部材の変形に応じて容量値が変化する容量部と、前記容量部の容量値に基づいてガスを検出するガス検出部と、前記変形部材を加熱する加熱部とを具備する水素センサを用いた水素検出方法をコンピュータに実行させるプログラムであって、
前記加熱部により前記変形部材を加熱する手順と、
前記加熱部により前記変形部材を加熱している加熱期間中に、前記ガス検出部により検出されたガス中に水素以外の物質が含まれるか否かを判定する手順と
をコンピュータに実行させるためのプログラム。
【００６１】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６２】
１…シリコン基板、２，３，４…絶縁層、５ａ…下部電極、５ｂ…金属層、６…絶縁層、８ａ…絶縁層、９ａ…上部電極、９ａ’…ダミー電極、９ｂ…アンカー、９ｒ，９ｓ…測温抵抗体、１０ａ，１０ｂ…絶縁層、１１，１１ａｒ、１１ａｓ、１１ｓ，１１ｂｓ，１１ｂｒ…ヒーター、１１’…導電層、１２…絶縁層、１３…水素吸蔵層、１４…ばね部、２０…開口、２１…上側空洞領域、２２…下側空洞領域、３０…可動構造、３０ａ…水素アクチュエータ、３０ｂ…上部電極部、３０ｃ…水素アクチュエータ、１００…水素センサ、１０１…ＭＥＭＳキャパシタ、１０２…容量値取得部、１０３…ガス検出部、１０４…ヒーター制御部、１０５…ヒーター（加熱部）、１０６，１１１，１１１ａ…抵抗値取得部、１０７…判定部、１１０…熱伝導型ガスセンサ、１１０ａ…接触燃焼型ガスセンサ、１１０ａｓ…センサ素子、１１０ａｒ…参照素子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2020041893.tif 000011
【図１０】
2020041893.tif 000012
【図１１】
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【図１２】
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