(57)【要約】      （修正有）【課題】十分な性能を有するガスセンサを提供する。【解決手段】ＰｄＣｕＳｉを含む第１領域と、前記第１領域の外側に設けられたＰｄＣｕを含む第２領域と、を有する感応層２３を含み、下部構造１０と、前記感応層を含む膜構造２０と、前記下部構造と前記膜構造の間に設けられた可動電極３１と、前記下部構造と前記可動電極の間に設けられた固定電極３２と、を備え、前記感応層が所定ガスを吸収することで変形し、前記感応層の変形に基づいて前記可動電極と前記固定電極のキャパシタンスが変化するガスセンサである。【選択図】図１
2020153709.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＰｄＣｕＳｉを含む第１領域と、前記第１領域の外側に設けられたＰｄＣｕを含む第２領
域と、を有する感応層を含むガスセンサ。
【請求項２】
前記第２領域の外側に設けられたＳｉＯｘを含む第３領域と、を含む請求項１に記載のガ
スセンサ。
【請求項３】
Ｓと結合不可能な第１領域と、前記第１領域の外側に設けられたＳと結合可能な第２領域
と、前記第２領域の外側に設けられたＳと結合不可能な第３領域と、を有する感応層を含
むガスセンサ。
【請求項４】
前記第３領域は、外側から見て斑状に設けられる請求項１から３のいずれか１項に記載の
ガスセンサ。
【請求項５】
前記第２領域と前記第３領域の表面が外側から見て露出する請求項２から４のいずれか１
項に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記第２領域は、前記第１領域よりもＳｉ濃度が低い請求項１から５のいずれか１項に記
載のガスセンサ。
【請求項７】
前記第１領域は、金属ガラスである請求項１から６のいずれか１項に記載のガスセンサ
。
【請求項８】
前記第１領域の厚さは、数百ｎｍ以上数μｍ以下である請求項１から７のいずれか１項
に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記第２領域の厚さは、数ｎｍ以上数百ｎｍ以下である請求項１から８のいずれか１項
に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記第３領域の厚さは、数ｎｍ以上数百ｎｍ以下である請求項２から９のいずれか１項
に記載のガスセンサ。
【請求項１１】
前記第２領域と前記第１領域の厚さの比が１以上１０００以下である請求項１から１０の
いずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項１２】
前記第２領域を少なくとも加熱する加熱部を含む請求項１から１１のいずれか１項に記載
のガスセンサ。
【請求項１３】
前記加熱部の加熱する温度は、１００℃以上２５０℃よりも小さい温度である請求項１２
に記載のガスセンサ。
【請求項１４】
前記加熱装置の加熱する温度は、２００℃以上２５０℃よりも小さい温度である請求項１
３に記載のガスセンサ。
【請求項１５】
前記第１領域は硫黄含有物質と反応せず、前記第２領域は硫黄含有物質と反応する請求項
１から１４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【請求項１６】
下部構造と、
前記感応層を含む膜構造と、
前記下部構造と前記膜構造の間に設けられた可動電極と、
前記下部構造と前記可動電極の間に設けられた固定電極と、を備え、
前記感応層が所定ガスを吸収することで変形し、前記感応層の変形に基づいて前記可動電
極と前記固定電極のキャパシタンスが変化する請求項１から１５のいずれか１項に記載の
ガスセンサ。
【請求項１７】
前記膜構造は、ベース層と、前記感応層と前記ベース層との間に設けられた中間層と、
を含む請求項１６に記載のガスセンサ。
【請求項１８】
パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）及
びボロン（Ｂ）から選択された少なくとも１つの元素を含有しているキャップ領域を前記
第２領域と前記第３領域の間に含む請求項２から１７のいずれか１項に記載のガスセン
サ。
【請求項１９】
前記感応層は、水素を吸収する請求項１から１８のいずれか１項に記載のガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（micro electro-mechanical systems）技術を用いたガスセンサ（水素ガスセ
ンサ等）が提案されている。
【０００３】
しかしながら、従来は、必ずしも十分な性能を有するガスセンサが提案されているとは
言えなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−８８６９号公報
【特許文献２】特開２００１−２９６２３８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、十分な性能を有するガスセンサを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施形態に係るガスセンサは、ＰｄＣｕＳｉを含む第１領域と、第１領域の外側に設け
られたＰｄＣｕを含む第２領域と、を有する感応層を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】実施形態に係るガスセンサの構成を模式的に示した断面図である。
【図２】実施形態に係るガスセンサの構成を模式的に示した平面図である。
【図３】実施形態に係るガスセンサの感応層を模式的に示した断面図である。
【図４】実施形態に係るガスセンサを用いたガス検出システムの基本的な構成を示したブロック図である。
【図５】（ａ）硫黄含有物質にさらして硫黄被毒された感応層と（ｂ）硫黄被毒された後、加熱した感応層を示した図である。
【図６】図５（ａ）（ｂ）の第２領域と硫黄との結合状態をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光法）で分析した結果を示す図である。
【図７】図５（ａ）における感応層の各原子数の変化を分析した結果を示した図である。
【図８】ＰｄＣｕＳｉ金属ガラスの結晶性と温度の関係を示した図である。
【図９】Ｓ被毒した感応層の硫黄脱離温度を示した図である。
【図１０】第２領域の製造方法と厚さの関係を示した図である。
【図１１】実施形態に係るガスセンサの感応層を模式的に示した断面図である。
【図１２】実施形態に係るガスセンサの構成を模式的に示した断面図である。
【図１３】実施形態に係るガスセンサの第１の変更例の構成を模式的に示した断面図である。
【図１４】実施形態に係るガスセンサの第２の変更例の構成を模式的に示した断面図である。
【図１５】実施形態に係るガスセンサの第３の変更例の構成を模式的に示した断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
(第１の実施形態)
以下、図面を参照して実施形態を説明する。
【０００９】
第１の実施形態に係るガスセンサは、ＭＥＭＳ（micro electro-mechanicalsystems）
技術を用いて製造される。また、本実施形態に係るガスセンサは、主として水素ガスセン
サとして用いられる。
【００１０】
図１は、本実施形態に係るガスセンサの構成を模式的に示した断面図である。図２は、
本実施形態に係るガスセンサの構成を模式的に示した平面図である。図２のＡ−Ａ線に沿
った断面が図１に概ね対応する。
【００１１】
図１及び図２に示したガスセンサは、下部構造１０と、膜構造２０と、下部構造１０と
膜構造２０の間に設けられた可動電極３１と、下部構造１０と可動電極３１の間に設けら
れた固定電極３２とを備えている。下部構造１０と膜構造２０との間にキャビティ４０が
形成されており、固定電極３２は膜構造２０によって覆われている。可動電極３１と固定
電極３２とは互いに対向しており、可動電極３１と固定電極３２とによって可変キャパシ
タが形成されている。
【００１２】
下部構造１０には、半導体基板（図示せず）、トランジスタ（図示せず）、配線（図示
せず）及び層間絶縁膜（図示せず）等が設けられている。
【００１３】
膜構造２０は、ベース層２１と、ベース層２１上に設けられた中間層（密着層）２２と
、中間層２２上に設けられた感応層２３と、を備えている。
【００１４】
なお、図１及び図２では、ベース層２１の外縁２１ａ、中間層２２の外縁２２ａ及び内
縁２２ｂ、感応層２３の外縁２３ａ及び内縁２３ｂ、可動電極３１の外縁３１ａ、並びに
固定電極３２の外縁３２ａの位置関係が示されている。
【００１５】
なお、図２に示すように、上述した中間層２２及び感応層２３のパターンは、リング状
の平面形状を有している。また、中間層２２及び感応層２３のパターンの外縁２２ａ、２
３ａは、ベース層の外縁２１ａの外側に位置している。
【００１６】
ベース層２１はシリコン窒化物（ＳｉＮ）或いはシリコン酸化物（ＳｉＯ）で形成され
ており、ベース層２１の周縁部は下部構造１０に固定されている。また、ベース層２１の
内側にはキャビティ４０が形成されている。ベース層２１には、膜構造２０の内側と外側
との圧力を等しくするために貫通孔が設けられていてもよい。
【００１７】
中間層（密着層）２２は、ベース層２１と感応層２３との密着性を高めるために設けら
れている。中間層（密着層）２２は、例えば、チタン（Ｔｉ）、タンタル（Ｔａ）などの
金属材料やポリマーなどの有機物材料などを含有している。中間層２２には、窒素（Ｎ）
がさらに含有されていてもよい。具体的には、中間層２２は、チタン（Ｔｉ）層、窒化チ
タン（ＴｉＮ）層、タンタル（Ｔａ）層或いは窒化タンタル（ＴａＮ）層で形成されてい
る。中間層２２は、これらの層の任意の組み合わせからなる積層膜で形成されていてもよ
い。
【００１８】
図３は、実施形態に係るガスセンサの感応層２３を模式的に示した断面図である。
【００１９】
図３に示す感応層２３は、所定のガスをセンスするために設けられている。また、感応
層２３は、第１領域５１と、第１領域５１よりも外側に設けられる第２領域５２と、第２
領域５２よりも外側に設けられる第３領域５３と、を含む。
【００２０】
第１領域５１は、金属ガラスを含む領域である。なお、金属ガラスとは、ガラス転移温
度を有するアモルファス合金材料を指す。また、第１領域５１は三角プリズムと呼ばれる
クラスター構造であることが好ましい。本実施形態では、金属ガラス材料に含有される金
属元素は、水素吸蔵材料であり、水素分子を水素原子に解離させる金属元素である。具体
的には、触媒作用を有する金属元素として、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）及び
金（Ａｕ）から選択された少なくとも１つの元素を含有している。また、金属ガラス材料
は、所望のガス吸蔵機能を高めるために、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）及びボロン（Ｂ
）から選択された少なくとも１つの元素をさらに含有している。また、金属ガラス材料は
、所望のガス吸蔵機能を高めるために、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、金
（Ａｕ）、鉄（Ｆｅ）及びクロム（Ｃｒ）から選択された少なくとも１つの元素をさらに
含有している。本実施形態では、第１領域５１は、ＰｄＣｕＳｉを含む領域であり、Ｐｄ
ＣｕＳｉは三角プリズムを構成する各頂点にＰｄまたはＣｕが配置され、その中心にＳｉ
が配置される。ＰｄまたはＣｕと、Ｓｉは共有結合で結ばれる。第１領域５１の厚さは、
数百ｎｍ以上数μｍ以下であると、スパッタ法で膜厚制御がしやすく、ＭＥＭＳ構造のア
クチュエーターとしても十分な変動が得られるため好ましい。
【００２１】
第２領域５２は、第１領域５１よりもシリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）及びボロン（Ｂ）
から選択された少なくとも１つの元素の濃度が低い金属ガラス材料を含む領域である。本
実施形態では、第２領域５２は、第１領域５１のＰｄＣｕＳｉのＳｉ濃度が低い領域であ
る。これは、例えば、大気中の酸素とＰｄＣｕＳｉのＳｉが反応してＳｉ酸化物として集
まるため、Ｓｉ濃度が低くなるからであり、第２領域５２は、ＰｄＣｕに近くなる。第２
領域５２は、数ｎｍ以上数百ｎｍ以下であると第２領域５２中に結合していた  物質が加
熱した際に容易に脱離するため好ましい。また、第２領域５２と第１領域５１の厚さの比
が１以上１０００以下であると、第２領域５２は第１領域５１と同等又は第１領域５１よ
りも十分薄く、ガス吸収特性に影響を及ぼさないため好ましい。
【００２２】
第３領域５３は、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ）及びボロン（Ｂ）から選択された少な
くとも１つの元素と大気中の酸素が反応することにより形成する酸化物を含む領域である
。第３の領域は、外側から見たときに一様に形成されるのではなく、斑状に形成される。
すなわち、外側から見たとき第２領域５２と第３領域５３が露出し、それらの表面が大気
に触れる。本実施形態では、第３領域５３は、ＳｉＯｘを含む領域である。第３領域５３
は、数ｎｍ以上数十ｎｍ以下であると、第１領域５１よりも十分薄く、ガス吸着特性に影
響を及ぼさないため好ましい。
【００２３】
例えば、感応層２３にＰｄＣｕＳｉ金属ガラスを用いた場合について説明する。ＰｄＣ
ｕＳｉでは、Ｓｉ等の半金属元素が一定の割合（例えば、１５〜２０原子％程度）含有さ
れると、良好なアモルファス構造（金属ガラス）が得られることが知られている。ＰｄＣ
ｕＳｉは、このようなアモルファス構造（金属ガラス）を有するため、水素吸蔵（吸収）
時に水素化物を形成せず、良好な水素吸蔵及び放出特性を有している。また、このような
アモルファス構造（金属ガラス）を有するＰｄＣｕＳｉは、密度が低いため、水素原子が
ＰｄＣｕＳｉ中を高速で移動することができ、高速の応答特性を実現することができる。
【００２４】
可動電極３１は、膜構造２０に接続されており、ベース層２１の下面に設けられている
。より具体的には、可動電極３１のパターンの全体がベース層２１の下面に接触している
。この可動電極３１は、可変キャパシタの上部電極として機能する。可動電極３１の材料
は、例えば、ＡｌＣｕ合金である。
【００２５】
固定電極３２は、下部構造１０上に設けられ、可動電極３１に対向している。この固定
電極３２は、可変キャパシタの下部電極として機能する。固定電極３２の材料は、例えば
、ＡｌＣｕ合金である。
【００２６】
感応層２３が所定のガス（本実施形態では、水素ガス）を吸蔵（吸収）すると、感応層
２３が膨張する。その結果、感応層２３に歪みが生じ、感応層２３が変形する。例えば、
感応層２３の中央部が下方に変形する（下方に凹む）。感応層２３が変形することで、膜
構造２０全体も変形する。膜構造２０の変形に応じて可動電極３１も変形し、可動電極（
上部電極）３１と固定電極（下部電極）３２との距離が変化する。可動電極３１と固定電
極３２との距離が変化することで、可動電極３１と固定電極３２とで形成される可変キャ
パシタのキャパシタンスが変化する。このキャパシタンスの変化量を検出することで、感
応層２３の水素吸蔵（吸収）量を検出することができ、感応層２３の周囲の水素濃度を検
出することできる。
【００２７】
図４は、上述したガスセンサ（水素ガスセンサ）を用いたガス検出システム（水素ガス
検出システム）の基本的な構成を示したブロック図である。
【００２８】
図４に示したガス検出システムでは、上述した可動電極（上部電極）３１及び固定電極
（下部電極）３２によって可変キャパシタ１００が構成され、可変キャパシタ１００に検
出部２００が接続されている。検出部２００は、図１の下部構造１０内に設けられていて
もよいし、下部構造１０外に設けられていてもよい。検出部２００は、可変キャパシタ１
００のキャパシタンスを検出するキャパシタンス検出部２１０と、キャパシタンス検出部
２１０で検出されたキャパシタンスに基づいてガス濃度（水素ガス濃度）を算出するガス
濃度算出部２２０とを含んでいる。予め可変キャパシタ１００のキャパシタンスとガス濃
度（水素ガス濃度）との関係を求めておくことで、ガス濃度算出部２２０によってガス濃
度（水素ガス濃度）を算出することができる。
【００２９】
例えば、Ｐｄは水素感応層材料として一般的であるが、硫黄（Ｓ）含有物質によって被
毒されることが報告されている。Ｐｄの硫黄（Ｓ）被毒は２つの段階で進む。まず、Ｈ２
ＳやＳＯ２といった硫黄（Ｓ）含有物質がＰｄに近づくと、Ｐｄ表面はＳと結合する。そ
の後、Ｐｄ内部へと被毒が進みＰｄ４Ｓが形成される。Ｐｄ表面のＳは加熱処理などで脱
離するが、Ｐｄ内部に形成されたＰｄ４Ｓは不可逆で取り除くことは出来ない。Ｐｄ４Ｓ
は水素触媒としての作用がなくなる触媒能力劣化物として働き、水素センシングの特性を
劣化させる。
【００３０】
一方で、本実施形態に係るガスセンサは、感応層２３に第１領域５１と、第１領域５１
の外側に設けられる第２領域５２と、第２領域５２の外側に設けられる第３領域５３と、
を含む。例えば、第１領域５１にＰｄＣｕＳｉを含む場合には、三角プリズムのためＰｄ
またはＣｕがＳｉと共有結合しているので、Ｓと結合することが出来ない。よって、Ｐｄ
ＣｕＳｉはＳと結合しない。第２領域５２は、第１領域５１よりもＳｉ濃度が低い領域で
あるため、ＰｄＣｕが第１領域５１よりも多く存在する領域である。ＰｄＣｕはＳが近づ
くことによって、Ｐｄ−ＳまたはＣｕ−Ｓを形成する。Ｐｄ−ＳまたはＣｕ−ＳのＳは、
第１領域５１には拡散しない。また、第２領域５２は極薄であるため、Ｐｄ−ＳまたはＣ
ｕ−ＳのＳを加熱処理によって容易にＳＯｘとして脱離させることが可能である。また、
第３領域５３は、ＰｄＣｕＳｉのＳｉが大気中の酸素と反応してできるＳｉＯｘを含む領
域である。また、第３領域５３は、Ｓと結合しない。ＳｉＯｘは水素の触媒にはならない
ので、ＳｉＯｘが外側から見て一様に設けられると水素センシングの妨げになってしまう
が、外側から見て斑状に設けられているため、水素センシングを妨げない。したがって、
本実施形態に係るガスセンサは、感応層２３内部に触媒能力劣化物が形成されず、仮に感
応層２３表面（第２領域５２）が被毒されても加熱するだけでリフレッシュできる。その
結果、特性や信頼性に優れたガスセンサを得ることが可能となる。
【００３１】
図５は、（ａ）Ｓ含有物質にさらしてＳ被毒された感応層２３と（ｂ）Ｓ被毒された後
、加熱した感応層２３を示した図である。
【００３２】
図５（ａ）に示すように、感応層２３を５０ｐｐｍのＨ２Ｓに６０分さらすと第２領域
５２がＳ被毒されて、領域５４が形成される。また、図５（ｂ）に示すように、領域５４
を含む感応層２３を大気中で２００℃、１０分間加熱することにより、領域５４のＳがＳ
Ｏｘとなって脱離して第２領域５２に再びなる。
【００３３】
図６は、図５（ａ）（ｂ）の第２領域５２とＳとの結合状態をＸＰＳ（Ｘ線光電子分光
法）で分析した結果を示した図である。図６（ａ）は、感応層２３を５０ｐｐｍのＨ２Ｓ
に室温で６０分さらした後の分析結果、図６（ｂ）は、図６（ａ）の感応層２３を２００
℃、１０分間の条件で加熱した後の分析結果を示している。
【００３４】
図６に示すように、感応層２３をＨ２Ｓにさらすと第２領域５２にＰｄ−ＳとＣｕ−Ｓ
が検出された。したがって、上述した条件だと感応層２３がＳ被毒されることが分かる。
また、感応層２３がＳ被毒された後に感応層２３を２００℃、１０分間の加熱することに
よってＳが減少し、残留しているＳもすべてＳＯｘの状態となった。したがって、Ｓ被毒
された感応層２３は加熱によって第２領域５２からＳ脱離することが分かる。
【００３５】
図７は、図５（ａ）における感応層２３の各原子数の変化を分析した結果を示した図で
ある。図７で用いる分析法はＸ線光電子分光法（Ｘ−ｒａｙＰｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ
Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｒｙ，ＸＰＳ）である。
【００３６】
図７に示すように、Ｓは表面のＳｉ量が少ない領域のみに存在していることが分かる。
すなわち、第２領域５２のみにＳが存在していることを示している。また、ＰｄＣｕＳｉ
中には拡散していないことが分かる。すなわち、第１領域５１にはＳが存在しないことを
示している。
【００３７】
次に感応層２３のリフレッシュのための加熱温度について説明する。
【００３８】
図８は、ＰｄＣｕＳｉ金属ガラスの結晶性と温度の関係を示した図である。図８で用い
る分析法は、Ｘ線回折（Ｘ−ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ、ＸＲＤ）である。また、
分析したＰｄＣｕＳｉ金属ガラスはＰｄ７８．７Ｃｕ４．６Ｓｉ１６．７である。
【００３９】
図８に示すように、ＰｄＣｕＳｉ金属ガラスが大気アニールする際の結晶性と温度の関
係が示されている。例えば、アニール前を見ると、２θ＝４０o、６９oのところにピーク
が観測される。この２つのピークはＰｄ（１１１）とＳｉ基板由来のものである。このピ
ークは、アニール前、１５０℃６０分、２００℃６０分、２５０℃６０分、３００℃６０
分いずれの条件でも観測される。しかし、２５０℃６０分、３００℃６０分の条件で大気
アニールしたＰｄＣｕＳｉ金属ガラスは、アニール前、１５０℃６０分、２００℃６０分
の条件と比べて、２θ＝４６o（Ｐｄ（２００））、２θ＝８１o（Ｐｄ（３１１））、２
θ＝８７o（Ｐｄ（２２２））にピークが出現する（図８中矢印で記載）。これらのピー
クは、ＰｄＣｕＳｉ金属ガラスのＰｄの結晶化が始まることによって出現するピークであ
る。したがって、ＰｄＣｕＳｉ金属ガラスは、２５０℃以上で加熱してしまうと、結晶化
が始まってしまうためＰｄＣｕＳｉ金属ガラス状態を保てなくなってしまうことが分かっ
た。
【００４０】
図９は、Ｓ被毒した感応層２３のＳ脱離温度を示した図である。図９で用いる分析法は
、ＴＤＳ（昇脱離ガス分析法）である。
【００４１】
図９に示すように、約１００℃から２００℃の間にピークが出現する。このピークは、
約１００℃以上でＳＯ２又は硫黄化合物として感応層２３から脱離し始め、約２００℃以
上でほぼ脱離することを示している。
【００４２】
以上の結果から、Ｓ被毒したガスセンサをリフレッシュするために加熱する温度として
は、１００℃以上２５０℃よりも低い温度であることが好ましい。上述したように２００
℃以上でＳがほぼ脱離するため、２００℃以上２５０℃よりも低い温度であることがより
好ましい。
【００４３】
図１０は、第２領域５２の製造方法と厚さの関係を示した図である。図１０で用いる分
析法はＸＰＳである。
【００４４】
図１０（ａ）は、第２領域５２の作成のため、ＰｄＣｕＳｉ金属ガラスを数日大気にさ
らした場合を示している。大気にさらす場合だと、第２領域５２は、２ｎｍ程度の厚さに
なる。図１０（ｂ）は、第２領域５２の作成のため、ＰｄＣｕＳｉ金属ガラスをＯ２／Ｃ
Ｆ４アッシングを２０分行って、その後Ｈ２還元を行った場合を示している。アッシング
を行う場合だと、第２領域５２は、７ｎｍ程度の厚さになる。大気にさらす場合と比べる
とアッシングを行う場合は、第２領域５２の厚さが大きくなる傾向にあることが分かった
。また、アッシングを行う際条件である温度やガス種を適宜変更することによって、第２
領域５２の厚さを２ｎｍ〜数十ｎｍ程度まで制御できる。第２領域５２の厚さの好ましい
範囲としては、Ｓ脱離しやすさの観点から、数十ｎｍ以下であると、加熱した際にＳ脱離
がされやすくなる。
【００４５】
以上の結果から本実施形態に係るガスセンサは、感応層２３に第１領域５１と、第１領
域５１の外側に設けられる第２領域５２と、第２領域５２の外側に設けられる第３領域５
３と、を含むことにより、感応層２３内部に触媒能力劣化物が形成されず、仮に感応層２
３表面（第２領域５２）が被毒されても加熱するだけでリフレッシュできる。その結果、
特性や信頼性に優れた、高性能なガスセンサを得ることが可能となる。
【００４６】
(第２の実施形態)
ここでは、第２の実施形態のガスセンサについて説明する。主に、第１の実施形態と異
なる点を説明する。
【００４７】
図１１は、実施形態に係るガスセンサの感応層２４を模式的に示した断面図である。
【００４８】
具体的には、第２の実施形態に係るガスセンサは、感応層２３の酸化を防止するための
キャップ領域５５を含む。本実施形態では、キャップ領域５５を含めた感応層２３を感応
層２４とする。
【００４９】
キャップ領域５５は、感応層２４に含有されている元素が酸化されることを防止するた
めに第２領域５２と第３領域５３の間に設けられる。すなわち、感応層２４表面付近にキ
ャップ領域５５が含まれる。キャップ領域５５の作成は、金属ガラスを酸素雰囲気下にさ
らす前にキャップ領域５５を形成する元素を金属ガラス表面に成膜した後に、酸素雰囲気
下にさらすと第２領域５２と第３領域５３が形成され、その間にキャップ領域５５が形成
される。キャップ領域５５を形成する元素は、水素分子を水素原子に解離させる触媒作用
を有する元素（第１の元素）、或いは感応層２３に含有されている所定元素と同一の元素
（第２の元素）であることが好ましい。具体的には、キャップ領域５５には、第１の元素
として、パラジウム（Ｐｄ）、プラチナ（Ｐｔ）及び金（Ａｕ）から選択された少なくと
も１つの元素を含有している。或いは、第２の元素として、シリコン（Ｓｉ）、リン（Ｐ
）及びボロン（Ｂ）から選択された少なくとも１つの元素を含有している。本実施形態で
は、感応層２３がＰｄＣｕＳｉ金属ガラスで形成されているため、キャップ領域５５はパ
ラジウム（Ｐｄ）或いはシリコン（Ｓｉ）で形成されている。図１１（ａ）は、キャップ
領域５５としてパラジウム（Ｐｄ）を用いる際のキャップ領域５５の形状を示す図である
。キャップ領域５５としてパラジウム（Ｐｄ）を用いる場合、パラジウム（Ｐｄ）は水素
ガスを通すため、水素センシングを妨げない。パラジウム（Ｐｄ）は酸素雰囲気下にさら
しても酸化されにくいため、ＰｄＣｕＳｉ金属ガラスが酸化されることでできる第２領域
５２を薄くすることが可能である。図１１（ｂ）は、キャップ領域５５としてシリコン（
Ｓｉ）を用いる際のキャップ領域５５の形状を示す図である。キャップ領域５５としてシ
リコン（Ｓｉ）を用いる場合、シリコン（Ｓｉ）は酸化されてＳｉＯｘとなるため、第３
領域５３とキャップ領域５５がＳｉＯｘで一体化される。すなわち、斑状に存在する第３
領域５３の割合がキャップ領域５５を設けない場合と比べて大きくなる。したがって、酸
素と反応する感応層２３表面の割合が小さくなるため、感応層２３表面が酸化されにくく
なり、第２領域５２が薄くなる。
【００５０】
キャップ領域５５の厚さは、感応層２３の厚さの１／１０よりも薄いことが好ましい。
キャップ領域５５が厚すぎると、水素の吸蔵及び放出特性にヒステリシスが生じるおそれ
があるためである。具体的には、キャップ領域５５の厚さは、１原子層の厚さから１０ｎ
ｍ程度の厚さの範囲であることが好ましい。
【００５１】
本実施形態に係るガスセンサは、第１の実施形態に係るガスセンサの効果に加えて、キ
ャップ領域５５を設けることで金属ガラスの酸化を防止することができる。金属ガラスの
酸化を防止することで、第２領域５２が薄くなりＳ被毒されにくくなる。仮に感応層２３
表面（第２領域５２）が被毒されても加熱するだけでリフレッシュできる。その結果、特
性や信頼性に優れた、高性能なガスセンサを得ることが可能となる。
【００５２】
(第３の実施形態)
ここでは、第３の実施形態のガスセンサについて説明する。主に、第１の実施形態と異
なる点を説明する。
【００５３】
図１２は、実施形態に係るガスセンサの構成を模式的に示した断面図である。
【００５４】
具体的には、第３の実施形態に係るガスセンサは、少なくとも第２領域５２を加熱でき
る加熱部６０を備える。加熱部６０は引き出し線（図示せず）を介して外部回路に電気的
に接続されている。引き出し線を介して加熱部６０に電流を流すことで熱が発生する。加
熱部６０は例えば内蔵ヒーターなどの加熱装置である。
【００５５】
加熱部６０の設置場所は、本実施形態では、ベース層２１と感応層２３の間に備えてい
る。また、複数の加熱部６０がそれぞれ離間して設けられている。なお、加熱部６０が感
応層２３に近ければ近いほど効率よく第２領域５２を加熱することができる。
【００５６】
本実施形態に係るガスセンサは、第１の実施形態に係るガスセンサの効果に加えて、加
熱装置をガスセンサに内蔵することで効率よく第２領域５２を加熱することができる。そ
の結果、特性や信頼性に優れた、高性能なガスセンサを得ることが可能となる。
【００５７】
なお、図１２の例によらず加熱部６０の設置場所は、感応層２３に接触する、又は絶縁
膜を介した位置に加熱部６０を備えてもよく、少なくとも第２領域５２を加熱できればど
こに設置してもよい。
【００５８】
(変更例)
次に、第１の実施形態の変更例について説明する。
【００５９】
図１３は、本実施形態に係るガスセンサの第１の変更例の構成を模式的に示した断面図
である。上述した実施形態では、ベース層２１と感応層２３との間に中間層２２を設けて
いるが、本変更例では中間層２２を設けていない。このように、膜構造２０を、ベース層
２１及び感応層２３で構成してもよい。
【００６０】
図１４は、本実施形態に係るガスセンサの第２の変更例の構成を模式的に示した断面図
である。上述した実施形態では、可動電極３１のパターン全体が膜構造２０の下面上に設
けられていた。本変更例では、ベース層２１に突出部２１ｃが設けられ、突出部２１ｃの
先端に可動電極３１が接続されている。感応層２３がガス（水素ガス）を吸蔵（吸収）し
て膜構造２０が変形すると、膜構造２０に接続された可動電極３１が垂直方向に変位する
。その結果、可動電極（上部電極）３１と固定電極（下部電極）３２との距離が変動する
ため、可変キャパシタを構成することができる。したがって、上述した実施形態と同様の
原理によって優れたガスセンサ（水素センサ）を実現することができる。なお、中間層２
２を省略してもよい。
【００６１】
図１５は、本実施形態に係るガスセンサの第３の変更例の構成を模式的に示した断面図
である。上述した実施形態では、感応層２３と可動電極３１とを別々に設けていたが、本
変更例では、感応層２３が可動電極としても機能する。このように、感応層２３を可動電
極としても用いるため、ベース層２１の上面に中間層２２及び感応層２３が設けられてい
る。このような構造であっても、感応層２３の変形に応じて、可動電極（感応層２３）と
固定電極３２との距離が変動するため、可変キャパシタを構成することができる。したが
って、上述した実施形態と同様の原理によって優れたガスセンサ（水素センサ）を実現す
ることができる。なお、本変更例においても、中間層２２を省略してもよい。
【００６２】
なお、上述した実施形態では、可動電極（上部電極）と固定電極（下部電極）との間の
キャパシタンスの変化に基づいてガス濃度を検出するキャパシタンス検出型のガスセンサ
について説明したが、上述した実施形態の構成は抵抗検出型のガスセンサにも適用するこ
とが可能である。抵抗検出型のガスセンサでは、感応層がガスを吸蔵（吸収）することで
感応層の抵抗が変化する。このような抵抗検出型のガスセンサにも、上述した実施形態の
構成は適用可能である。ただし、上述した実施形態の構成を抵抗検出型のガスセンサに適
用する場合には、感応層自体の抵抗を検出するため、可動電極及び固定電極を設ける必要
はない。
【００６３】
なお、図１３から図１５の感応層２３は、感応層２４を用いてもよい。
【００６４】
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】
【００６５】
１０…下部構造      ２０…膜構造
２１…ベース層      ２２…中間層      ２３…感応層      
３１…可動電極      ３２…固定電極      ４０…キャビティ  ５１…第１領域  
５２…第２領域      ５３…第３領域
１００…可変キャパシタ      ２００…検出部
２１０…キャパシタンス検出部      ２２０…ガス濃度算出部
【図１】
2020153709.tif 000003
【図２】
2020153709.tif 000004
【図３】
2020153709.tif 000005
【図４】
2020153709.tif 000006
【図５】
2020153709.tif 000007
【図６】
2020153709.tif 000008
【図７】
2020153709.tif 000009
【図８】
2020153709.tif 000010
【図９】
2020153709.tif 000011
【図１０】
2020153709.tif 000012
【図１１】
2020153709.tif 000013
【図１２】
2020153709.tif 000014
【図１３】
2020153709.tif 000015
【図１４】
2020153709.tif 000016
【図１５】
2020153709.tif 000017