(57)【要約】【課題】ガス感応層の温度を正確に算出するようにして、ガス感応層に最適なヒータ駆動を行うようにした薄膜ガスセンサを提供することにある。【解決手段】ヒータ層３により加熱された感知電極層５１１、検出部５１１ａおよび測温抵抗体５１１ｂの温度に応じた抵抗値の変化を電圧の変化に変換して検出し、さらにこの電圧の変化に基づいてヒータ層３の温度の高低を判別し、この高低に基づいてヒータ層３の温度制御を行う薄膜ガスセンサとした。【選択図】図１
2010066009.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感応層と、
ガス感応層の離れた二カ所に設けられる一対の感知電極層と、
一対の感知電極層のうち一方に電気的に接続される測温抵抗体と、
ガス感応層、一対の感知電極層および測温抵抗体の近傍に設けられて、これらガス感応層、一対の感知電極層および測温抵抗体を加熱するヒータ層と、
前記感知電極層および前記測温抵抗体の温度に応じた抵抗値の変化を電圧の変化として検出する測温検出部と、
ヒータ層を駆動するヒータ層駆動部と、
測温検出部およびヒータ層駆動部が接続される信号処理・駆動部と、
を備え、この信号処理・駆動部は、
測温検出部から出力された電圧に基づいて温度を算出する温度算出手段と、
算出した温度と目標の温度とを比較し、ヒータ層を目標の温度に近づけるようにヒータ層駆動部を制御するヒータ層駆動手段と、
として機能することを特徴とする薄膜ガスセンサ。
【請求項２】
吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感応層と、
ガス感応層の離れた二カ所に設けられる一対の感知電極層と、
一対の感知電極層にそれぞれ電気的に接続される一対の測温抵抗体と、
ガス感応層、一対の感知電極層および一対の測温抵抗体の近傍に設けられて、これらガス感応層、一対の感知電極層および一対の測温抵抗体を加熱するヒータ層と、
一方の前記感知電極層およびこの感知電極層に接続される一方の前記測温抵抗体の温度に応じた抵抗値の変化を電圧の変化として検出する測温検出部と、
ヒータ層を駆動するヒータ層駆動部と、
測温検出部およびヒータ層駆動部が接続される信号処理・駆動部と、
を備え、この信号処理・駆動部は、
測温検出部から出力された電圧に基づいて温度を算出する温度算出手段と、
算出した温度と目標の温度とを比較し、ヒータ層を目標の温度に近づけるようにヒータ層駆動部を制御するヒータ層駆動手段と、
として機能することを特徴とする薄膜ガスセンサ。
【請求項３】
吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感応層と、
ガス感応層の離れた二カ所に設けられる一対の感知電極層と、
一対の感知電極層にそれぞれ電気的に接続される一対の測温抵抗体と、
ガス感応層、一対の感知電極層および一対の測温抵抗体の近傍に設けられて、これらガス感応層、一対の感知電極層および一対の測温抵抗体を加熱するヒータ層と、
一方の前記感知電極層およびこの感知電極層に接続される一方の前記測温抵抗体の温度に応じた抵抗値の変化を電圧の変化として検出する第１測温検出部と、
他方の前記感知電極層およびこの感知電極層に接続される他方の前記測温抵抗体の温度に応じた抵抗値の変化を電圧の変化として検出する第２測温検出部と、
ヒータ層を駆動するヒータ層駆動部と、
第１測温検出部、第２測温検出部およびヒータ層駆動部が接続される信号処理・駆動部と、
を備え、この信号処理・駆動部は、
第１測温検出部および第２測温検出部から出力された電圧に基づいて温度を算出する温度算出手段と、
算出した温度と目標の温度とを比較し、ヒータ層を目標の温度に近づけるようにヒータ層駆動部を制御するヒータ層駆動手段と、
として機能することを特徴とする薄膜ガスセンサ。
【請求項４】
前記薄膜ガスセンサは、貫通孔を有するＳｉ基板と、
この貫通孔の開口部に張られるダイアフラム様の熱絶縁支持層と、
この熱絶縁支持層上に設けられる前記ヒータ層と、
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、
この電気絶縁層上に設けられる一対の前記感知電極層と、
この電気絶縁層および一対の前記感知電極層の上に設けられる前記ガス感応層と、
を具備することを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか一項に記載の薄膜ガスセンサ。
【請求項５】
前記ガス感応層は、ＳｎＯ２により形成されることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサ。  
【請求項６】
前記薄膜ガスセンサは、更に前記ガス感応層の表面を覆うように設けられ、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焼結材によるガス選択燃焼層を備えることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサ。
【請求項７】
前記測温抵抗体および前記感知電極層は、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、または、ＰｄとＰｔとを含む合金による層を有することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池駆動を念頭におく低消費電力型の薄膜ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般にガスセンサは、ガス漏れ警報器などに用いられている。ガスセンサは、ある特定ガス、例えば、一酸化炭素(ＣＯ)、メタンガス(ＣＨ４)、プロパンガス(Ｃ３Ｈ８)、エタノール蒸気（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）等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。
【０００３】
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検知を目的としたもの、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的としたもの、または、両方の機能を合わせ持ったもの、などがある。しかしながら、いずれもコストや設置性（ガス検知が必要であるが電源供給不能の箇所である点）の問題から、ガス漏れ警報器の普及率はそれほど高くない。そこで、ガス漏れ警報器の普及率の向上を図るべく、設置性の改善、具体的には、電池駆動によるガス漏れ警報器としてコードレス化することが望まれている。
【０００４】
電池駆動によるガス漏れ警報器を実現するためにはガスセンサの低消費電力化が最も重要である。しかし、接触燃焼式や半導体式のガスセンサを動作させるためには、ガスセンサのガス感応層を１００℃〜５００℃の高温に加熱する必要があり、この加熱による電力消費が警報器の電池駆動化を困難にしていた。
ちなみにＳｎＯ２などの粉体を焼結してガス感応層を形成したガスセンサは、スクリーン印刷等の方法を用いてガス感応層の厚みを可能な限り薄膜化してガス感応層の熱容量を小さくしている。しかし、その薄膜化には限界があり、電池駆動に適した薄さにまでガス感応層を充分に薄くすることが困難である。
このため、ガスセンサを電池駆動する場合、ガス感応層の熱容量は大きすぎることとなり、ガス感応層を高温に加熱するには大きい電力が必要となって電池の消耗が激しくなる。このような理由により、ガス感応層を電池駆動するガスセンサは、実用化が困難であった。
【０００５】
そこで、スパッタなどの薄膜成膜技術と微細加工プロセスとによりヒータやガス感応層を１μｍ以下の薄膜で形成し、さらに高断熱・低熱容量のダイアフラム構造として、実用上許容しうる低消費電力の薄膜ガスセンサが開発・実用化されて現在に至っている。続いてこのような薄膜ガスセンサについて説明する。図９は薄膜ガスセンサを概略的に示す縦断面図、図１０はヒータ層形成の説明図、図１１は感知電極層形成の説明図、図１２はガス感応層形成の説明図、図１３はガス選択燃焼層形成の説明図である。
【０００６】
この従来技術の薄膜ガスセンサ１００は、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を備える。熱絶縁支持層２は、詳しくは、熱酸化層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、感知電極層５１１，５１２、ガス感応層５２、ガス選択燃焼層５３を備える。このガス感応層５２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５３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）とを含む合金を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。そして、ヒータ層３およびガス検出部５（詳しくは感知電極層５１１，５１２を介してガス感応層５２）は、図示しない信号処理・駆動部に電気的に接続されている。
【０００７】
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アフラム様に形成されており、Ｓｉ基板１の上に設けられる。
【０００８】
この熱絶縁支持層２は、詳しくは、熱酸化層２１、ＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４層２２、ＣＶＤ―ＳｉＯ２層２３の三層構造となっている。
熱酸化層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。
【０００９】
ヒータ層３は、薄膜状のＴａ／ＰｔＷヒータであって、図１０で示すように、熱絶縁支持層２のほぼ中央の上面に設けられ、上側から見て波形曲線状に形成される。また、電源供給ラインも形成される。この電源供給ラインは図示しない電極パッドまで到達しており、この電極パッド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。
電気絶縁層４は、電気的に絶縁を確保するＳｉＯ２絶縁層からなり、熱絶縁支持層２およびヒータ層３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と感知電極層５１１，５１２との間に電気的な絶縁を確保しつつガス感応層５２との密着性を向上させる。
【００１０】
感知電極層５１１，５１２は、電気絶縁層４の上に設けられたＴａ膜（タンタル膜）の上面に、さらにＰｔ膜（白金膜）を形成したものである。このＴａ膜は、Ｐｔ膜と電気絶縁層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。このような感知電極層５１１，５１２は、図１１に示すように、ガス感応層５２の感知電極となるように左右一対に設けられる。また、図示しないが感知電極層５１１，５１２にそれぞれ接続される二本の信号ラインも形成される。これら二本の信号ラインは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。
ガス感応層５２は、ＳｂをドープしたＳｎＯ２層からなり、図１２に示すように、一対の感知電極層５１１，５１２を渡されるように電気絶縁層４の上に形成される。
【００１１】
ガス選択燃焼層５３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。多孔質体であるガス選択燃焼層５３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５３は、図１３に示すように、電気絶縁層４、一対の感知電極層５１１，５１２およびガス感応層５２の表面を覆うように設けられる。
【００１２】
このような薄膜ガスセンサ１００はダイアフラム構造により高断熱，低熱容量の構造としている。
図示しないが、信号処理・駆動部は、信号処理部と駆動部とを一体に構成したものであり、ヒータ層３を電気により駆動するように接続され、また、感知電極層５１１，５１２を介してガス感応層５２のセンサ抵抗値の変化を検出するように接続される。信号処理・駆動部によりガス検出駆動が行われるとともに可燃性ガスの検知が行われる。このような信号処理・駆動部は、薄膜ガスセンサ１００に内蔵される構成としたり、または、別途外付けされるようにしても良い。薄膜ガスセンサ１００の構成はこのようなものである。
【００１３】
さらに、このような薄膜ガスセンサ１００は、ＣＨ４，Ｃ３Ｈ８等の可燃性ガス検知の低消費電力化を実現するため、そのヒータ層３の駆動方式が工夫されている。具体的には、検出温度の低温化、検出時間の短縮、および検出サイクルの長期化（通電をｏｆｆする時間を長くする）という間欠駆動方式が採用される。一般的に、薄膜ガスセンサ１００における検出温度・検出時間・検出サイクルはガス種により相違している。ＣＯセンサで検出温度は〜１００℃、検出時間はセンサの応答性から〜５００ｍｓ、検出サイクルは１５０秒とされる。また、ＣＨ４センサで検出温度は〜４５０℃、検出時間はセンサの応答性から〜５００ｍｓ、検出サイクルは３０秒とされる。
【００１４】
またｏｆｆ時間にセンサ表面に付着する水分その他の吸着物を脱離させＳｎＯ２表面をクリーニングすることが、電池駆動（間欠駆動）の薄膜ガスセンサ１００の経時安定性を向上させる上で重要である。それゆえ薄膜ガスセンサ１００は検出前に一旦センサ温度を４００℃〜５００℃に加熱（時間〜１００ｍｓ）され、その直後に、それぞれのガスの検出温度でガス検知を行っている。
薄膜ガスセンサ１００の駆動方式はこのようなものである。
【００１５】
このような薄膜ガスセンサ１００では、ガスを検知する場合、センサ出力であるガス感応層５２のセンサ抵抗値は、ガス感応層５２の温度によって大きく変化する。ガス感応層の特性を最大限に引き出して、検出したいガス（以下、被検出ガスという）感度が最大で、かつ検出したくないガス（以下、非検出ガスという）感度を最小にするためには、精度の良い温度コントロールをする必要がある。
【００１６】
ところが、半導体プロセスで製作した薄膜によるヒータ層は、ウェハ毎の厚さや組成のばらつき、ウェハ内の面内ばらつきにより抵抗値がばらつくため、従来のように低電圧回路または定電流回路により、ヒータ層に一定の電圧を加えたり、一定の電流を流したりしてもヒータ層の温度はセンサ毎に異なり、その結果、正確なガス濃度を検出することが不可能になる。そこで、サンプル毎の形状起因による放熱のばらつきを考慮すると、センサのヒータ層に加えられる電力を調節してセンサ毎に所望のヒータ温度になるよう調整したいという要請がある。
【００１７】
ここに薄膜ガスセンサの温度計測を行う従来技術が、例えば、特許文献１（特開平１１―１６６９１３号公報，発明の名称：ガスセンサ）に開示されている。この従来技術は、ガス検知電極の温度を精度良く制御できるガスセンサを提供するものであり、固体電解質基体（１）に設けた検知極（７）と対極（８）の何れか一方の極に熱電対の正脚（３）又は負脚（４）の少なくとも一つの脚を接続させ、正脚（３）又は負脚（４）の一方を電極の信号を取り出す導体部として使用可能とする、というものである。
【００１８】
【特許文献１】特開平１１―１６６９１３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
特許文献１では熱電対により温度計測を行っているが、例えば、検知電極における正脚と負脚とが対向する箇所の温度を計測するため、検知電極の状態、例えば、特に検知電極のヒータの近い箇所では熱の上昇が早くなってその箇所だけ温度が高くなるなど、全体としては必ずしも正確に検出できないことがあった。
特に先に説明した従来技術の薄膜ガスセンサ１００では、図９，図１３で示す構成からも明らかなように、電気絶縁層４やガス選択燃焼層５３によりガス感応層５２が覆われているため、ガス感応層付近５２の直接的な温度計測は容易ではなかった。
【００２０】
そこでこの発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、ガス感応層の温度を正確に算出するようにして、ガス感応層に最適なヒータ駆動を行うようにした薄膜ガスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記した課題を解決するため、請求項１に記載の発明によれば、
吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感応層と、
ガス感応層の離れた二カ所に設けられる一対の感知電極層と、
一対の感知電極層のうち一方に電気的に接続される測温抵抗体と、
ガス感応層、一対の感知電極層および測温抵抗体の近傍に設けられて、これらガス感応層、一対の感知電極層および測温抵抗体を加熱するヒータ層と、
前記感知電極層および前記測温抵抗体の温度に応じた抵抗値の変化を電圧の変化として検出する測温検出部と、
ヒータ層を駆動するヒータ層駆動部と、
測温検出部およびヒータ層駆動部が接続される信号処理・駆動部と、
を備え、この信号処理・駆動部は、
測温検出部から出力された電圧に基づいて温度を算出する温度算出手段と、
算出した温度と目標の温度とを比較し、ヒータ層を目標の温度に近づけるようにヒータ層駆動部を制御するヒータ層駆動手段と、
として機能することを特徴とする。
【００２２】
上述の薄膜ガスセンサは、ヒータ層とガス感応層との間に配置されてヒータ層とガス感応層との温度変化に確実に追従する感知電極層に着目したものであり、感知電極層と測温抵抗体との電気抵抗の変化を電圧の変化として計測し、この電圧から電気抵抗値を割り出し、さらに電気抵抗値から温度を割り出して、ヒータ層の温度制御を行うようにしたため、場所により異なる温度の差異に影響されにくくし、その結果として正確な温度測定を可能とする。
【００２３】
また、請求項２に記載の発明によれば、
吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感応層と、
ガス感応層の離れた二カ所に設けられる一対の感知電極層と、
一対の感知電極層にそれぞれ電気的に接続される一対の測温抵抗体と、
ガス感応層、一対の感知電極層および一対の測温抵抗体の近傍に設けられて、これらガス感応層、一対の感知電極層および一対の測温抵抗体を加熱するヒータ層と、
一方の前記感知電極層およびこの感知電極層に接続される一方の前記測温抵抗体の温度に応じた抵抗値の変化を電圧の変化として検出する測温検出部と、
ヒータ層を駆動するヒータ層駆動部と、
測温検出部およびヒータ層駆動部が接続される信号処理・駆動部と、
を備え、この信号処理・駆動部は、
測温検出部から出力された電圧に基づいて温度を算出する温度算出手段と、
算出した温度と目標の温度とを比較し、ヒータ層を目標の温度に近づけるようにヒータ層駆動部を制御するヒータ層駆動手段と、
として機能することを特徴とする。
【００２４】
上述の薄膜ガスセンサは、感知電極層と測温抵抗体との電気抵抗の変化を電圧の変化として計測し、この電圧から電気抵抗値を割り出し、さらに電気抵抗値から温度を割り出して、ヒータ層の温度制御を行うようにしたため、場所により異なる温度の差異に影響されにくくし、その結果として正確な温度測定を可能とする。
また、感知電極層と測温抵抗体とがガス感応層の両側に配置されるようにしたため、ガス感応層の両側の電位は等しくなるように機能し、漏れ電流の低減につながる。
【００２５】
また、請求項３に記載の発明によれば、
吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感応層と、
ガス感応層の離れた二カ所に設けられる一対の感知電極層と、
一対の感知電極層にそれぞれ電気的に接続される一対の測温抵抗体と、
ガス感応層、一対の感知電極層および一対の測温抵抗体の近傍に設けられて、これらガス感応層、一対の感知電極層および一対の測温抵抗体を加熱するヒータ層と、
一方の前記感知電極層およびこの感知電極層に接続される一方の前記測温抵抗体の温度に応じた抵抗値の変化を電圧の変化として検出する第１測温検出部と、
他方の前記感知電極層およびこの感知電極層に接続される他方の前記測温抵抗体の温度に応じた抵抗値の変化を電圧の変化として検出する第２測温検出部と、
ヒータ層を駆動するヒータ層駆動部と、
第１測温検出部、第２測温検出部およびヒータ層駆動部が接続される信号処理・駆動部と、
を備え、この信号処理・駆動部は、
第１測温検出部および第２測温検出部から出力された電圧に基づいて温度を算出する温度算出手段と、
算出した温度と目標の温度とを比較し、ヒータ層を目標の温度に近づけるようにヒータ層駆動部を制御するヒータ層駆動手段と、
として機能することを特徴とする。
【００２６】
上述の薄膜ガスセンサは、感知電極層と測温抵抗体との電気抵抗の変化を電圧の変化として計測し、この電圧から電気抵抗値を割り出し、さらに電気抵抗値から温度を割り出して、ヒータ層の温度制御を行うようにしたため、場所により異なる温度の差異に影響されにくくし、その結果として正確な温度測定を可能とする。
また、感知電極層と測温抵抗体とがガス感応層の両側に配置されるようにしたため、ガス感応層の両側の電位は等しくなるように機能し、漏れ電流の低減につながる。
また、ガス感応層の両側に配置される感知電極層と測温抵抗体との温度計測を共に行うため、より高精度な温度制御に寄与する。
【００２７】
また、請求項４に記載の発明によれば、
前記薄膜ガスセンサは、貫通孔を有するＳｉ基板と、
この貫通孔の開口部に張られるダイアフラム様の熱絶縁支持層と、
この熱絶縁支持層上に設けられる前記ヒータ層と、
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、
この電気絶縁層上に設けられる一対の前記感知電極層と、
この電気絶縁層および一対の前記感知電極層の上に設けられる前記ガス感応層と、
を具備することを特徴とする。
【００２８】
熱絶縁支持層がヒータ層の面上に形成され、さらにガス感応層が熱絶縁支持層の面上に設けられた構成を採用する薄膜ガスセンサのガス感応層に対して、先に説明したような作用を奏しうる。
【００２９】
また、請求項５に記載の発明によれば、
前記ガス感応層は、ＳｎＯ２により形成されることを特徴とする。
【００３０】
ガス感応層としてＳｎＯ２が選択されることが特に好ましい点を知見した。
【００３１】
また、請求項６に記載の発明によれば、
前記薄膜ガスセンサは、更に前記ガス感応層の表面を覆うように設けられ、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焼結材によるガス選択燃焼層を備えることを特徴とする。
【００３２】
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焼結材であってガス感応層を覆うガス選択燃焼層は、ガス感応層における検出対象ガスの選択性を向上させる。
【００３３】
また、請求項７に記載の発明によれば、
前記測温抵抗体および前記感知電極層は、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金による層を有することを特徴とする。
【００３４】
通常、感知電極層は、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、または、ＰｄとＰｔとを含む合金であり、測温抵抗体も感知電極層と同じ材料とすることで、測温抵抗体や感知電極層を一括して形成することができ、また、測温抵抗体と感知電極層とで抵抗特性が相違するような事態もなくなり利便性を高める。
【発明の効果】
【００３５】
請求項１に係る発明によれば、ヒータ層とガス感応層との間に配置されてヒータ層とガス感応層との温度変化に確実に追従する感知電極層に着目したものであり、感知電極層と測温抵抗体との電気抵抗の変化を電圧の変化として計測し、この電圧から電気抵抗値を割り出し、さらに電気抵抗値から温度を割り出して、ヒータ層の温度制御を行うようにしたため、場所により異なる温度の差異に影響されにくくし、その結果として正確な温度測定可能とする。
【００３６】
あるいは、請求項２に係る発明によれば、感知電極層と測温抵抗体との電気抵抗の変化を電圧の変化として計測し、この電圧から電気抵抗値を割り出し、さらに電気抵抗値から温度を割り出して、ヒータ層の温度制御を行うようにしたため、場所により異なる温度の差異に影響されにくくし、その結果として正確な温度測定を可能とする。
また、感知電極層と測温抵抗体とがガス感応層の両側に配置されるようにしたため、ガス感応層の両側の電位は等しくなって漏れ電流の低減につながり、その結果として正確な温度測定を可能とする。
【００３７】
また、請求項３に係る発明によれば、感知電極層と測温抵抗体との電気抵抗の変化を電圧の変化として計測し、この電圧から電気抵抗値を割り出し、さらに電気抵抗値から温度を割り出して、ヒータ層の温度制御を行うようにしたため、場所により異なる温度の差異に影響されにくくし、その結果として正確な温度測定を可能とする。
また、感知電極層と測温抵抗体とがガス感応層の両側に配置されるようにしたため、ガス感応層の両側の電位は等しくなって漏れ電流の低減につながり、その結果として正確な温度測定を可能とする。
また、ガス感応層の両側に配置される感知電極層と測温抵抗体との温度計測を行うため、より高精度な温度制御に寄与する。
【００３８】
また、請求項４に係る発明は、熱絶縁支持層がヒータ層の面上に形成され、さらにガス感応層が熱絶縁支持層の面上に設けられた構成を採用する薄膜ガスセンサのガス感応層に対して、先に説明したような作用を奏しうる。
【００３９】
また、請求項５に係る発明は、ガス感応層としてＳｎＯ２が選択されるときに、抵抗値の安定化など従来技術と同等の性能が確保されるとともに、感知電極層と測温抵抗体との電気抵抗の変化を電圧の変化として計測し、この電圧から電気抵抗値を割り出し、さらに電気抵抗値から温度を割り出して、ヒータ層の温度制御を行うようにしたため、場所により異なる温度の差異に影響されにくくし、その結果として正確な温度測定を可能とする。
【００４０】
また、請求項６に係る発明は、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焼結材であってガス感応層を覆うガス選択燃焼層は、ガス感応層における検出対象ガスの選択性を向上させるとともに、感知電極層と測温抵抗体との電気抵抗の変化を電圧の変化として計測し、この電圧から電気抵抗値を割り出し、さらに電気抵抗値から温度を割り出して、ヒータ層の温度制御を行うようにしたため、場所により異なる温度の差異に影響されにくくし、その結果として正確な温度測定を可能とする。
【００４１】
また、請求項７に係る発明は、感知電極層は、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金であり、測温抵抗体も感知電極層と同じ材料とすることで、測温抵抗体や感知電極層を一括して形成することができ、また、測温抵抗体と感知電極層とで抵抗特性が相違するような事態もなくなるとともに、感知電極層と測温抵抗体との電気抵抗の変化を電圧の変化として計測し、この電圧から電気抵抗値を割り出し、さらに電気抵抗値から温度を割り出して、ヒータ層の温度制御を行うようにしたため、場所により異なる温度の差異に影響されにくくし、その結果として正確な温度測定を可能とする。
【００４２】
総じて以上のような本発明によれば、ガス感応層の温度を正確に算出するようにして、ガス感応層に最適なヒータ駆動を行うようにした薄膜ガスセンサを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４３】
続いて、本発明を実施するための最良の形態における薄膜ガスセンサについて図を参照しつつ説明する。図１は本形態の薄膜ガスセンサのうち感知電極層の構成図である。図２は測温・ガス検出用回路ブロックの説明図であり、図２（ａ）は測温用回路の回路ブロック図、図２（ｂ）はガス検出用の回路ブロック図である。図３は薄膜ガスセンサの全体の回路ブロック図である。ここに本形態で製造する薄膜ガスセンサは、先に図９を用いて説明した薄膜ガスセンサ１００と比較すると、一方の感知電極層５１１に検出部５１１ａや測温抵抗体５１１ｂが追加され、また、他方の感知電極５１２に検出部５１２ａが追加された点が異なる以外は、Ｓｉ基板１、熱酸化層２１、ＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４層２２、ＣＶＤ―ＳｉＯ２層２３の三層構造による熱絶縁支持層２、ヒータ層３、電気絶縁層４、ガス感応層５２、ガス選択燃焼層５３の構成・機能が同じであり、重複する説明を省略するものとし、相違する構成についてのみ説明する。
【００４４】
図１で示すように、左右異なる構造の感知電極層５１１，５１２を備える。図１中左側の斜線部で表された感知電極層５１１は更に検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂを備える。また、図１中右側の白抜きで表された感知電極層５１２は更に検出部５１２ａを備える。検出部５１１ａ，５１２ａがヒータ層３の上側であって図１中の左右方向に交差するようにしている。
測温は、ガス感応層５２の抵抗値測定用の感知電極層５１１，５１２のうち、左側の斜線部で表された一方の感知電極層５１１，検出部５１１ａ，測温抵抗体５１１ｂを使用する。
【００４５】
図１中の左側の斜線部で表された、一方の感知電極層５１１は検出部５１１ａと電気的・熱的に接続され、さらにこの検出部５１１ａを介して測温抵抗体５１１ｂとも電気的・熱的に接続される。つまり感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂは、まとめて一の導電体である。さらに感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂは、後述するがヒータ層３の温度変化に追従して温度変化する。これら感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂは、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、または、ＰｄとＰｔとを含む合金による層であり、下側には密着性を向上させるためタンタル（Ｔａ）層を併せて形成する。なお、このタンタル（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にタンタル（Ｔａ）層を省略して直接感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂを形成した構成を採用しても良い。
【００４６】
感知電極層５１１は、ガス選択燃焼層５３から外部に突出して電気的に接続可能になされている。
検出部５１１ａは、感知電極層５１１の一方に電気的に接続されており、図１でも明らかなように、波状曲線状のヒータ層３の上側で交差するようになされており、電気絶縁層４を介してヒータ層３からの熱を受熱して温度上昇し易く形成されている。
測温抵抗体５１１ｂは、検出部５１１ａの一方に電気的に接続されており、ガス選択燃焼層５３から外部に突出して電気的に接続可能になされている。感知電極層５１１と測温抵抗体５１１ｂとは同一形状（図１では長方形）に形成される。
【００４７】
図１中の右側における、一方の感知電極層５１２は検出部５１２ａと電気的・熱的に接続される。つまり感知電極層５１２、検出部５１２ａは、まとめて一の導電体である。さらに感知電極層５１２、検出部５１２ａは後述するがヒータ層３の温度変化に追従して温度変化する。これら感知電極層５１２、検出部５１２ａは、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、または、ＰｄとＰｔとを含む合金による層であり、下側には密着性を向上させるためタンタル（Ｔａ）層を併せて形成する。なお、このタンタル（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にタンタル（Ｔａ）層を省略して直接感知電極層５１２、検出部５１２ａを形成した構成としても良い。
【００４８】
図１中の右側における、感知電極層５１２は、ガス選択燃焼層５３から外部に突出して電気的に接続可能になされている。
検出部５１２ａは、感知電極層５１２の一方に電気的に接続されており、図１でも明らかなように波状曲線状のヒータ層３の上側で交差するようになされており、電気絶縁層４を介してヒータ層３からの加熱により温度上昇し易く形成されている。なお、右側には測温抵抗体は形成されない。
【００４９】
回路系は、図２，図３で示すように構成される。まず、図３の上側で示すように、直列に接続された感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂには測温検出部６が接続される。また、図３の中側で示すように、ヒータ層３にはヒータ層駆動部７が接続される。さらにまた、図３の下側で示すように、直列に接続された感知電極層５１１、検出部５１１ａ、ガス感応層５２、検出部５１２ａ、感知電極層５１２にはガス感応層検出部８が接続される。これら測温検出部６、ヒータ層駆動部７およびガス感応層検出部８は信号処理・駆動部９に接続される。
【００５０】
続いて、このような感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂの抵抗測定に基づくヒータ層３の温度駆動について説明する。
まず、信号処理・駆動部９は、測温検出部６から出力された電圧信号を取得する手段として機能する。
測温検出部６は、図２（ａ）で示すように、一定電圧Ｖｔを印加する電源部６１、シャント抵抗両端電圧Ｖｓｔを取得するためのシャント抵抗６２を備える。この場合直列に接続された感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂの合成抵抗がＲｔになる。Ｒｔは次式から算出される。
【００５１】
【数１】
2010066009.tif 000003
【００５２】
ここにシャント抵抗６２の抵抗値Ｒｓｔは信号処理・駆動部９の図示しないメモリに予め登録されて読み出し可能であり、また、電源部６１の印加電圧Ｖｔやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｔは計測により取得される。従ってＲｔを算出することができる。測温検出部６は電源部６１の印加電圧Ｖｔやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｔの検出を行う。そして、信号処理・駆動部９は、電源部６１の印加電圧Ｖｔやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｔについての電圧信号を測温検出部６から取得する。
【００５３】
信号処理・駆動部９は、印加電圧Ｖｔやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｔから上記数１によりＲｔを算出する算出手段として機能する。
信号処理・駆動部９は、算出したＲｔから温度を算出する算出手段として機能する。この信号処理・駆動部９には、図示しない内蔵メモリにＲｔの抵抗値に一対一で対応する温度値を予め登録しており（あるいは一定範囲の抵抗値（例えば１０ｋΩから１５ｋΩという範囲の抵抗値）に一対一で対応する温度値を予め登録しており）、抵抗値を温度値に変換する。さらには最小自乗法等で割り出した変換式に抵抗値を代入して温度値を生成するようにしても良い。この抵抗値に一対一で対応する温度値を登録する際、ヒータ層３ではなく、外部からの加熱によりこれら決定を行えば、温度の客観性を担保できる。次にヒータ層３に印加するパワーを決める際に、測温抵抗体の抵抗値により、所望のパワーを印加することが可能となる。これら方法により温度を取得する。
【００５４】
信号処理・駆動部９は、算出した温度と目標の温度とを比較し、ヒータ層３が目標の温度に近づくようにヒータ層駆動部７を制御するヒータ層駆動手段として機能する。例えば、設定された温度値から計測により求めた温度値を差し引いて差分値を求め、差分値が正で実際の温度が低いならば温度上昇させるように制御し、また、差分値が負で実際の温度が高いならば温度下降させるように制御する。このような制御を繰り返し（例えば数ｍ秒毎）行って設定温度を維持する。ヒータ層３の駆動制御はこのようなものである。
【００５５】
なお、薄膜ガスセンサ１００ではガス検知を行うため、図２（ｂ）で示すような回路によりガス感応層５２の抵抗値を測定する。
ガス感応層検出部８は、図２（ｂ）で示すように、一定電圧Ｖｓを印加する電源部８１、シャント抵抗両端電圧Ｖｓｓを取得するためのシャント抵抗８２を備える。この場合直列に接続された感知電極層５１１、検出部５１１ａ、ガス感応層５２、検出部５１１ｂ、感知電極層５１２の合成抵抗がＲｓになる。Ｒｓは次式のようになる。
【００５６】
【数２】
2010066009.tif 000004
【００５７】
ここにシャント抵抗８２の抵抗値Ｒｓｓは予め登録され、また、電源部８１の印加電圧Ｖｓやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｓは計測により取得される。従ってＲｓを算出することができる。ガス感応層検出部８は電源部８１の印加電圧Ｖｓやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｓの検出を行う。そして、信号処理・駆動部９は、ガス感応層検出部８から印加電圧Ｖｓやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｓについての検出信号を取得する手段として機能する。
信号処理・駆動部９は、印加電圧Ｖｓやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｓから上記数２によりＲｓを算出する算出手段として機能する。
信号処理・駆動部９は、算出したＲｓの変化に基づいて一酸化炭素(ＣＯ)、メタンガス(ＣＨ４)、プロパンガス(Ｃ３Ｈ８)、エタノール蒸気（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）等の有無を検知することとなる。ガス検出はこのようにして行われる。
【００５８】
なお、Ｒｓの値は感知電極層５１１、検出部５１１ａ、検出部５１１ｂ、感知電極層５１２も含むものとしたため、感知電極層５１１、検出部５１１ａ、検出部５１１ｂ、感知電極層５１２の温度変化による抵抗値の変化も含まれるものとなるが、先に従来技術で説明したようにガス検出時は、例えば５００℃という決まった値であるため、ガス検出時における感知電極層５１１、検出部５１１ａ、検出部５１１ｂ、感知電極層５１２の抵抗値も一定値である。そこで、信号処理・駆動部９に算出したＲｓが感知電極層５１１、検出部５１１ａ、検出部５１１ｂ、感知電極層５１２の変化も含めた判断基準によりガス検出を行うように判断基準を設定すれば、感知電極層５１１、検出部５１１ａ、検出部５１１ｂ、感知電極層５１２の温度変化による影響も回避できる。
【００５９】
続いてこのような薄膜ガスセンサ１００の製造方法について説明する。
まず、板状のシリコンウェハ（図示せず）の表裏両面には、熱酸化法により熱酸化が施されて膜圧０．３μｍの熱酸化ＳｉＯ２膜が形成される。熱酸化層２１は一方の面に形成された熱酸化ＳｉＯ２膜が該当する。
【００６０】
ＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４層２２は、熱酸化層２１の上面に設けられる。このＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４層２２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。
【００６１】
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。
【００６２】
ここまで製造したウェハは、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ウェハは、脱ガスされる。
このようにして形成された熱絶縁支持層２は、図９からも明らかなように、ダイアフラム構造の支持層となる。
【００６３】
ヒータ層３は、熱絶縁支持層２の上面に設けられる。このヒータ層３は、Ｔａ／ＰｔＷヒータである。さらに電気絶縁層４は、熱絶縁支持層２とヒータ層３との上面に設けられる。この電気絶縁層４は、ＳｉＯ２絶縁層である。
【００６４】
ヒータ層３と電気絶縁層４との形成方法は、まず熱絶縁支持層２の上面に下側接合層として機能するＴａを１０ｎｍの膜厚に形成する。次いでこの下側接合層Ｔａの上面にヒータ層として機能するＰｔＷ（Ｐｔ＋４ｗｔ％Ｗ）膜を４００ｎｍの膜厚に形成する。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方法によって行う。Ａｒガス圧力は１Ｐａ、成膜温度は３００℃、ＲＦパワーは２Ｗ／ｃｍ２である。
【００６５】
このようにして形成したＴａ／ＰｔＷ層に対し、さらに微細加工によりヒータパターンを形成する。ヒータパターンは、図１０で示すように、波形曲線状となる。ヒータパターンの一部は電源供給ライン、電極パッドとなる。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。
【００６６】
続いて、ヒータパターンが形成されたＴａ／ＰｔＷ層の上面に、スパッタ法によりＳｉＯ２絶縁膜を１０００ｎｍの膜厚に形成する。そして、このＳｉＯ２絶縁膜に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部分（図示せず）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た電極パッドを形成する。このようにしてヒータ層３と電気絶縁層４とが一度に形成される。
【００６７】
感知電極層５１１，５１２は、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の上面側に形成された接合層（Ｔａ層）の上面に形成される。
この一対の感知電極層５１１，５１２の形成方法は、まず、接合層および電極層の成膜をする。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。成膜条件は接合層（Ｔａ）、電極層（Ｐｔ）、ともに同じで、Ａｒガス圧力は１Ｐａ、成膜温度は３００℃、ＲＦパワーは２Ｗ／ｃｍ２である。膜厚は接合層となるＴａが１０ｎｍ、電極層となるＰｔが２００ｎｍとする。なお、接合層（Ｔａ）を形成しない場合では電極層（Ｐｔ）のみスパッタリングすることとなる。
【００６８】
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。感知電極パターンの一部は信号ラインとなる。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、および、この接合層の上に膜圧が２００ｎｍの電極層が形成されて、検出部５１１ａや測温抵抗体５１１ｂを含む感知電極層５１１や、検出部５１２ａを含む感知電極層５１２が形成される。感知電極層５１１，５１２のパターンは、図１で示すようなパターンとなる。特にヒータ層３の上側に検出部５１１ａ，５１２ａがあるように配置されてヒータ層３の温度が検出部５１１ａ，５１２ａまで伝わり易くしている。これらは一対形成される。そして、この感知電極層５１１，５１２に接合する信号ラインも形成される。
【００６９】
ガス感応層５２は、感知電極層５１１の検出部５１１ａと感知電極層５１２の検出部５１２ａの間を渡されるように電気絶縁層４上に設けられる。ガス感応層５２は、Ｓｂ―ｄｏｐｅｄ  ＳｎＯ２膜である。
このガス感応層５２の形成方法は、まず、レジストで全面を覆った後に、微細加工でガス感応層５２を成膜する部分（検出部５１１ａ，５１２ａの上面、および、検出部５１１ａ，５１２ａの間の部分）のみ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、１００μｍ□となる。
【００７０】
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、ガス感応層となる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。
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応層５２の大きさは、１００μｍ□程度となる。
【００７１】
ガス選択燃焼層５３は、電気絶縁層４、検出部５１１ａや測温抵抗体５１１ｂを含む感知電極層５１１、検出部５１２ａを含む感知電極層５１２およびガス感応層５２を覆うように形成される。このガス選択燃焼層５３は、Ｐｄ、Ｐｔ、または、ＰｄとＰｔとを含む合金のいずれか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感知膜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、焼成させて形成される。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５３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５３の大きさは、約３０μｍ厚であり、ガス感応層５２を十分に覆う大きさとする。ガス感応層５２はスクリーン印刷により厚みが薄く形成されている。このガス選択燃焼層５３により感度、ガス種選択性、信頼性が向上する。
【００７２】
最後にシリコンウェハ（図示せず）は、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シリコンが除去され、４００μｍ径の貫通孔が形成されたＳｉ基板１となる。その後にウェハからチップを切り出してこれによりダイアフラム（ＤＰ）構造の薄膜ガスセンサ１００となる。
薄膜ガスセンサ１００の製造方法はこのようなものである。
【００７３】
このような本発明の薄膜ガスセンサによれば、以下のような利点を有する。
一般に薄膜ガスセンサによれば、ウェハ内の面内バラツキに加え、ウェハ毎のヒータ層３の厚さおよび組成のバラツキに起因してヒータ層３の抵抗値は必ずしも一定値ではなく発熱温度にばらつきを生じるが、本発明によれば、ヒータ層３の抵抗値が一定値でないような場合でも、ヒータ層３の出力電力や発熱温度が最適になるようにヒータ層駆動部７が温度制御を行う。特にガス感応層５２に近い位置で温度を検出する。このため、検出対象である被検出ガス感度が最大となり、かつ、検出対象ではない非検出ガス感度が最小となるセンサ温度で稼働される薄膜ガスセンサとすることができる。また、長期にわたる駆動の結果、ヒータ層３の劣化等により、ヒータ層３の温度係数が変化した場合にも、感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂの抵抗値をモニタリングすることにより、印加パワーを修正してさせ、所望の温度を得ることができる。
【００７４】
続いて、他の形態における薄膜ガスセンサについて図を参照しつつ説明する。図４は他の形態の薄膜ガスセンサのうち感知電極層の構成図、図５は測温・ガス検出用回路ブロックの回路ブロック図である。この形態の薄膜ガスセンサとは、先に図１〜図３，図９を用いて説明した形態の薄膜ガスセンサと比較すると、両側の感知電極層５１１，５１２にそれぞれ検出部５１１ａ，５１２ａや測温抵抗体５１１ｂ，５１２ｂが追加された点が異なる以外は、Ｓｉ基板１、熱酸化層２１、ＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４層２２、ＣＶＤ―ＳｉＯ２層２３の三層構造による熱絶縁支持層２、ヒータ層３、電気絶縁層４、ガス感応層５２、ガス選択燃焼層５３の構成・機能が同じであり、重複する説明を省略するものとし、相違する構成についてのみ説明する。
【００７５】
図４で示すように、左右同じ構造の感知電極層５１１，５１２、検出部５１１ａ，５１２ａ、測温抵抗体５１１ｂ，５１２ｂを備える。図１中左側の斜線部で表された感知電極層５１１は更に検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂを備える。また、図１中右側の斜線部で表された感知電極層５１２は更に検出部５１２ａ、測温抵抗体５１２ｂを備える。両側の感知電極層の形状としては同じであり、検出部５１１ａ，５１２ａがヒータ層３の上側であって図４の左右方向に交差するようにしている。
両側の感知電極層５１１，５１２にそれぞれ検出部５１１ａ，５１２ａや測温抵抗体５１１ｂ，５１２ｂが接続されているが、測温は、左側の斜線部で表された一方の感知電極層５１１，検出部５１１ａ，測温抵抗体５１１ｂのみを使用する。
【００７６】
図１中の左側の斜線部で表された、一方の感知電極層５１１は検出部５１１ａと電気的・熱的に接続され、さらにこの検出部５１１ａを介して測温抵抗体５１１ｂとも電気的・熱的に接続される。つまり感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂは、まとめて一の導電体である。さらに感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂは、後述するがヒータ層３の温度変化に追従して温度変化する。これら感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂは、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、または、ＰｄとＰｔとを含む合金による層であり、下側には密着性を向上させるためタンタル（Ｔａ）層を併せて形成する。なお、このタンタル（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にタンタル（Ｔａ）層を省略して直接感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂを形成した構成を採用しても良い。
【００７７】
感知電極層５１１は、ガス選択燃焼層５３から外部に突出して電気的に接続可能になされている。
検出部５１１ａは、感知電極層５１１の一方に電気的に接続されており、図４でも明らかなように、波状曲線状のヒータ層３の上側で交差するようになされており、電気絶縁層４を介してヒータ層３からの熱を受熱して温度上昇し易く形成されている。
測温抵抗体５１１ｂは、検出部５１１ａの一方に電気的に接続されており、ガス選択燃焼層５３から外部に突出して電気的に接続可能になされている。感知電極層５１１と測温抵抗体５１１ｂとは同一形状（図４では長方形）に形成される。
【００７８】
このような構成は図４中の右側における、他方の感知電極層５１２、他方の検出部５１２ａおよび他方の測温抵抗体５１２ｂでも同様であり、重複する説明を省略する。
また、回路系は、図３，図５で示すように構成される。全体の回路ブロックは図３に示す先の形態と同じである。まず、図３の上側で示すように、直列に接続された感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂには測温検出部６が接続される。また、図３の中側で示すように、ヒータ層３にはヒータ層駆動部７が接続される。さらにまた、図３の下側で示すように、直列に接続された感知電極層５１１、検出部５１１ａ、ガス感応層５２、検出部５１２ａ、感知電極層５１２にはガス感応層検出部８が接続される。これら測温検出部６、ヒータ層駆動部７およびガス感応層検出部８は信号処理・駆動部９に接続される。測温・ガス検出用回路ブロックでは、図２（ａ），（ｂ）で示した回路がまとめられたものである。
【００７９】
このような感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂの抵抗測定に基づくヒータ層３の温度駆動制御、および、ガス検出制御は先に図１〜図３，図９を用いて説明した形態と同じであり、重複する説明を省略する。さらに、薄膜ガスセンサの製造方法については先に説明した形態と比較すると、一方の感知電極層５１２および検出部５１２ａの形成においてさらに測温抵抗体５１２ｂを併せて形成する点、つまり感知電極層のパターンを変更する点を除いては同じ製造方法であるため、重複する説明を省略する。
【００８０】
このような本発明の薄膜ガスセンサによれば、以下のような利点を有する。
先に図１〜図３，図９を用いて説明した形態では、一方では感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂを備えるが他方では感知電極層５１１、検出部５１１ａのみであって測温抵抗体がないという形状の相違があり、測温抵抗体の抵抗値をモニタリング中に、ガス濃度が高くなってガス感知膜の抵抗が低下すると、形状の相違による抵抗値の相違から電位差が生じ、漏れ電流による誤差が生じる。しかし、本形態では、左右両側で同じ形状として抵抗値を同じくしたため検出部５１１ａ，５１１ｂ間の電位は等しくなるように機能し、電極間での漏れ電流は発生しない。これにより漏れ電流に影響されることなくガス感応層５２の抵抗値を精度良く計測できるようにした。
さらに、本発明によれば、製造時のばらつきによりヒータ層３の抵抗値が一定値でないような場合でも、ヒータ層３の出力電力や発熱温度が最適になるようにヒータ層駆動部７が温度制御を行って温度を一定にする。特にガス感応層５２に近い位置で温度を検出する。このため、検出対象である被検出ガス感度が最大となり、かつ、検出対象ではないガス非検出ガス感度が最小となるセンサ温度で稼働される薄膜ガスセンサとすることができる。また、長期にわたる駆動の結果、ヒータ層３の劣化等により、ヒーターの温度係数が変化した場合にも、感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂの抵抗値をモニタリングすることにより、印加パワーを変化させ、所望の温度を得ることができる。
【００８１】
続いて、他の形態における薄膜ガスセンサについて図を参照しつつ説明する。図６は他の形態の薄膜ガスセンサのうち感知電極層の構成図、図７は測温・ガス検出用回路ブロックの回路ブロック図、図８は薄膜ガスセンサの全体の回路ブロック図である。この形態の薄膜ガスセンサとは、先に図１〜図３，図９を用いて説明した薄膜ガスセンサと比較すると、両側の感知電極層５１１，５１２にそれぞれ検出部５１１ａ，５１２ａや測温抵抗体５１１ｂ，５１２ｂが追加され、さらに左右両側で電圧測定して測温する以外は、Ｓｉ基板１、熱酸化層２１、ＣＶＤ―Ｓｉ３Ｎ４層２２、ＣＶＤ―ＳｉＯ２層２３の三層構造による熱絶縁支持層２、ヒータ層３、電気絶縁層４、ガス感応層５２、ガス選択燃焼層５３の構成・機能が同じであり、重複する説明を省略するものとし、相違する構成についてのみ説明する。
【００８２】
図６で示すように、左右同じ構造の感知電極層５１１，５１２、検出部５１１ａ，５１２ａ、測温抵抗体５１１ｂ，５１２ｂを備える。図１中左側の斜線部で表された感知電極層５１１は更に検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂを備える。また、図１中右側の斜線部で表された感知電極層５１２は更に検出部５１２ａ、測温抵抗体５１２ｂを備える。両側の感知電極層５１１，５１２や測温抵抗体５１１ａ，５１１ｂの形状としては同じであるが、検出部５１１ａ，５１２ａの形状が相違しており、さらにヒータ層３の上側であって左右で交差するようにしている。
両側の感知電極層５１１，５１２にそれぞれ検出部５１１ａ，５１２ａや測温抵抗体５１１ｂ，５１２ｂが接続されており、測温も、ガス感応層５２の抵抗値測定用の両側の感知電極層５１１，５１２、検出部５１１ａ，５１２ａ、測温抵抗体５１１ｂ，５１２ｂを使用する。
【００８３】
図１中の左側の斜線部で表された、一方の感知電極層５１１は検出部５１１ａと電気的・熱的に接続され、さらにこの検出部５１１ａを介して測温抵抗体５１１ｂとも電気的・熱的に接続される。つまり感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂは、まとめて一の導電体である。さらに感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂは、後述するがヒータ層３の温度変化に追従して温度変化する。これら感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂは、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）またはＰｄとＰｔとを含む合金による層であり、下側には密着性を向上させるためタンタル（Ｔａ）層を併せて形成する。なお、このタンタル（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にタンタル（Ｔａ）層を省略して直接感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂを形成した構成を採用しても良い。
【００８４】
感知電極層５１１は、ガス選択燃焼層５３から外部に突出して電気的に接続可能になされている。
検出部５１１ａは、感知電極層５１１の一方に電気的に接続されており、図６でも明らかなように、波状曲線状のヒータ層３の上側で交差するようになされており、電気絶縁層４を介してヒータ層３からの加熱を受熱して温度上昇し易く形成されている。
測温抵抗体５１１ｂは、検出部５１１ａの一方に電気的に接続されており、ガス選択燃焼層５３から外部に突出して電気的に接続可能になされている。感知電極層５１１と測温抵抗体５１１ｂとは同一形状（図６では長方形）に形成される。
【００８５】
このような構成は図６中の右側における、他方の感知電極層５１２、他方の検出部５１２ａおよび他方の測温抵抗体５１２ｂでも同様であり、重複する説明を省略する。なお、検出部５１１ａと検出部５１２ａとを比較すると、図６からも明らかなように、長さを相違させており、抵抗値が相違するようにしている。この点については後述する。
また、回路系は、図７，図８で示すように構成される。まず、図８の上側で示すように、直列に接続された感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂには第１測温検出部６ａが接続される。図８の上から２番目で示すように、直列に接続された感知電極層５１２、検出部５１２ａ、測温抵抗体５１２ｂには第２測温検出部６ｂが接続される。また、図８の上から３番目で示すように、ヒータ層３にはヒータ層駆動部７が接続される。さらにまた、図８の下側で示すように、直列に接続された感知電極層５１１、検出部５１１ａ、ガス感応層５２、検出部５１２ａ、感知電極層５１２にはガス感応層検出部８が接続される。これら第１測温検出部６ａ、第２測温検出部６ｂ、ヒータ層駆動部７およびガス感応層検出部８は信号処理・駆動部９に接続される。
【００８６】
続いて、このような感知電極層５１１，５１２、検出部５１１ａ，５１２ａ、測温抵抗体５１１ｂ，５１２ｂの抵抗測定に基づくヒータ層３の温度駆動について説明する。
まず、信号処理・駆動部９は、第１測温検出部６ａ，第２測温検出部６ｂから出力された電圧信号を取得する手段として機能する。
第１測温検出部６ａは図７で示すように一定電圧Ｖｔを印加する電源部６１、シャント抵抗両端電圧Ｖｓｔを取得するためのシャント抵抗６２を備える。この場合直列に接続された感知電極層５１１、検出部５１１ａ、測温抵抗体５１１ｂの合成抵抗がＲｔになる。Ｒｔは上記数１から算出される。
【００８７】
ここにシャント抵抗６２の抵抗値Ｒｓｔは信号処理・駆動部９の図示しないメモリに予め登録されているため読み出し可能であり、また、電源部６１の印加電圧Ｖｔやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｔは計測により取得される。第１測温検出部６ａは電源部６１の印加電圧Ｖｔやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｔの検出を行う。信号処理・駆動部９は、電源部６１の印加電圧Ｖｔやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｔについての電圧信号を第１測温検出部６ａから取得する。
【００８８】
また、第２測温検出部６ｂは図７で示すように一定電圧Ｖｔを印加する電源部６３、シャント抵抗両端電圧Ｖｓｔを取得するためのシャント抵抗６４を備える。この場合直列に接続された感知電極層５１２、検出部５１２ａ、測温抵抗体５１２ｂの合成抵抗がＲｔになる。Ｒｔは上記数１から算出される。
【００８９】
ここにシャント抵抗６４の抵抗値Ｒｓｔは信号処理・駆動部９の図示しないメモリに予め登録されているため読み出し可能であり、また、電源部６３の印加電圧Ｖｔやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｔは計測により取得される。第２測温検出部６ｂは電源部６３の印加電圧Ｖｔやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｔの検出を行う。信号処理・駆動部９は、電源部６３の印加電圧Ｖｔやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｔについての電圧信号を第２測温検出部６ｂから取得する。
【００９０】
信号処理・駆動部９は、印加電圧Ｖｔやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｔから上記数１によりＲｔを算出する算出手段として機能する。この場合、第１測温検出部６ａと第２測温検出部６ｂとで別々にＲｔを算出する。
信号処理・駆動部９は、算出した二値のＲｔから差分抵抗値を算出する算出手段として機能する。検出部５１１ａと検出部５１２ａとの長さを相違から抵抗値が相違するため、特にヒータ層３の直上で温度変化が確実になされる検出部５１１ａと検出部５１２ａとの抵抗値の差分値が得られる。両者の抵抗値の差分を取ることにより、感知電極層５１１，５１２、測温抵抗体５１１ｂ，５１２ｂの温度が上昇しない箇所の抵抗値の影響をなくすることができる。
信号処理・駆動部９は、図示しない内蔵メモリに抵抗値の差分値に一対一で対応する温度値を予め登録しており（あるいは一定範囲の差分値（例えば５Ωから１０Ωという範囲の抵抗値）に一対一で対応する温度値を予め登録しており）、差分値に対して温度値に変換する。さらには最小自乗法等で割り出した変換式に差分値を代入して温度値を生成するようにしても良い。この差分値に一対一で対応する温度値を登録する際、ヒータ層３ではなく、外部からの加熱によりこれら決定を行えば、温度の客観性を担保できる。次にヒータ層３に印加するパワーを決める際に、検出部５１１ａ，５１２ａの差分値により、所望のパワーを印加することが可能となる。これら方法により温度を取得する。
【００９１】
信号処理・駆動部９は、算出した温度と目標の温度とを比較し、ヒータ層３が目標の温度に近づくようにヒータ層駆動部７を制御するヒータ層駆動手段として機能する。例えば、設定された温度値から先に求めた温度値を差し引いて温度の差分値を求め、温度の差分値が正で実際の温度が低いならば温度上昇させるように制御し、また、温度の差分値が負で実際の温度が高いならば温度下降させるように制御する。このような制御を繰り返し（例えば数ｍ秒毎）行って設定温度を維持する。ヒータ層３の駆動制御はこのようなものである。
【００９２】
なお、薄膜ガスセンサ１００ではガス検知を行うため、図７で示すような回路によりガス感応層５２の抵抗値を測定する。
ガス感応層検出部８は、図７で示すように、一定電圧Ｖｓを印加する電源部８１、シャント抵抗両端電圧Ｖｓｓを取得するためのシャント抵抗８２を備える。この場合直列に接続された知電極層５１１、検出部５１１ａ，ガス感応層５２、検出部５１２ａ、感知電極層５１２の合成抵抗がＲｓになる。Ｒｓは上記数２から算出される。
【００９３】
ここにシャント抵抗８２の抵抗値Ｒｓｓは予め登録されて読み出し可能になされており、また、電源部８１の印加電圧Ｖｓやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｓは計測により取得される。信号処理・駆動部９は、ガス感応層検出部８から印加電圧Ｖｓやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｓについての検出信号を取得する手段として機能する。
信号処理・駆動部９は、印加電圧Ｖｓやシャント抵抗両端電圧Ｖｓｓから上記数２によりＲｓを算出する算出手段として機能する。
信号処理・駆動部９は、算出したＲｓの変化に基づいて一酸化炭素(ＣＯ)、メタンガス(ＣＨ４)、プロパンガス(Ｃ３Ｈ８)、エタノール蒸気（Ｃ２Ｈ５ＯＨ）等の有無を検知することとなる。ガス検出はこのようにして行われる。
【００９４】
なお、Ｒｓの値は感知電極層５１１，５１２、検出部５１１ａ，５１２ａも含むものとしたため、感知電極層５１１，５１２、検出部５１１ａ，５１２ａの温度変化による抵抗値の変化も含まれるものとなるが、先に従来技術で説明したようにガス検出時は、例えば５００℃という決まった値であるため、感知電極層５１１，５１２、検出部５１１ａ，５１２ａの抵抗値も一定値である。そこで、信号処理・駆動部９に算出したＲｓが感知電極層５１１，５１２、検出部５１１ａ，５１２ａの変化も含めた判断基準によりガス検出を行えば、感知電極層５１１，５１２、検出部５１１ａ，５１２ａの温度変化による影響も回避できる。なお、薄膜ガスセンサの製造方法については先に説明した形態と比較すると、単に感知電極層５１２および検出部５１２ａの形成においてさらに測温抵抗体５１２ｂを併せて形成する点、つまり感知電極層のパターンを変更する点を除いては同じ製造方法であるため、重複する説明を省略する。
【００９５】
このような本発明の薄膜ガスセンサによれば、以下のような利点を有する。
両者の抵抗値の差分を取ることにより、測温抵抗体の温度が上昇しない箇所の抵抗値の影響をなくすることができ、計測精度の向上を実現する。
また、ばらつきによりヒータ層３の出力電力や発熱温度が最適になるようにヒータ層駆動部が温度制御を行う。特にガス感応層５２に近い位置で温度を検出する。このため、検出対象である被検出ガス感度が最大となり、かつ、検出対象ではない非検出ガス感度が最小となるセンサ温度で稼働される薄膜ガスセンサとすることができる。また、長期にわたる駆動の結果、ヒータ層３の劣化等により、ヒータ層３の温度係数が変化した場合にも、感知電極層５１１，５１２、検出部５１１ａ，５１２ａ、測温抵抗体５１１ｂ，５１２ｂの抵抗値をモニタリングすることにより、印加パワーを変化させ、所望の温度を得ることができる。
また、本形態では、左右両側でほぼ同じ形状として抵抗値をほぼ同じくしたため検出部５１１ａ，５１１ｂ間の電位はほぼ等しくなるように機能し、電極間での漏れ電流は発生しない。これにより漏れ電流に影響されることなくガス感応層５２の抵抗値を精度良く計測できるようにした。
【００９６】
以上のように本発明によれば、ガス感知膜抵抗値測定用の電極を測温抵抗体として利用し、センサ個々のヒータ温度を直接感知し、所定の温度になるような電力をヒータ層に印加することにより解決できる。測温抵抗体を用いれば、ガス感知膜の温度を正確に制御可能となり、精度の良い薄膜ガスセンサの提供が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明を実施するための最良の形態における薄膜ガスセンサのうち感知電極層の構成図である。
【図２】測温・ガス検出用回路ブロックの説明図であり、図２（ａ）は測温用回路の回路ブロック図、図２（ｂ）はガス検出用回路の回路ブロック図である。
【図３】薄膜ガスセンサの全体の回路ブロック図である。
【図４】他の形態の薄膜ガスセンサのうち感知電極層の構成図である。
【図５】測温・ガス検出用回路ブロックの回路ブロック図である。
【図６】他の形態の薄膜ガスセンサのうち感知電極層の構成図である。
【図７】測温・ガス検出用回路ブロックの回路ブロック図である。
【図８】薄膜ガスセンサの全体の回路ブロック図である。
【図９】薄膜ガスセンサを概略的に示す縦断面図である。
【図１０】ヒータ層形成の説明図である。
【図１１】感知電極層形成の説明図である。
【図１２】ガス感応層形成の説明図である。
【図１３】ガス選択燃焼層形成の説明図である。
【符号の説明】
【００９８】
１００：薄膜ガスセンサ
１：Ｓｉ基板
２：絶縁支持層
２１：熱酸化層
２２：ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層
２３：ＣＶＤ−ＳｉＯ２層
３：ヒータ層（Ｔａ／ＰｔＷ／Ｔａヒータ）
４：電気絶縁層（ＳｉＯ２絶縁層）
５：ガス検出部
５１１：感知電極層（Ｐｔ／Ｔａ層）
５１１ａ：検出部
５１１ｂ：測温抵抗体
５１２：感知電極層（Ｐｔ／Ｔａ層）
５１２ａ：検出部
５１２ｂ：測温抵抗体
５２：ガス感応層（ＳｎＯ２層）
５３：ガス選択燃焼層（触媒担持多孔質アルミナ）
６：測温検出部
６ａ：第１測温検出部
６ｂ：第２測温検出部
６１：電源部
６２：シャント抵抗
６３：電源部
６４：シャント抵抗
７：ヒータ層駆動部
８：ガス感応層検出部
８１：電源部
８２：シャント抵抗
【図１】
2010066009.tif 000005
【図２】
2010066009.tif 000006
【図３】
2010066009.tif 000007
【図４】
2010066009.tif 000008
【図５】
2010066009.tif 000009
【図６】
2010066009.tif 000010
【図７】
2010066009.tif 000011
【図８】
2010066009.tif 000012
【図９】
2010066009.tif 000013
【図１０】
2010066009.tif 000014
【図１１】
2010066009.tif 000015
【図１２】
2010066009.tif 000016
【図１３】
2010066009.tif 000017