(57)【要約】 【構成】  半導体基板のキャビテイ上に設けられた支持膜に、金属酸化物半導体膜もしくは酸化触媒膜と、ヒータとを設けて、センサチップとし、ハウジングにセンサチップとフィルタとを収容する。センサチップ上に、かつ支持膜とは別体に、センサチップの周囲の相対湿度を測定する感湿膜もしくはセンサチップの周囲の絶対湿度を測定する湿度測定用ヒータから成る感湿部が設けられている。【効果】  フィルタの影響を受けずに、ガスセンサの湿度依存性を正確に補正できる。【選択図】    図６
2014228457.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板のキャビテイ上に設けられた支持膜に、金属酸化物半導体膜もしくは酸化触媒膜と、ヒータとを設けたセンサチップと、
不要なガスを除去するフィルタと、
前記センサチップとフィルタとを間隔をおいてハウジングに収容し、フィルタを通過した雰囲気をセンサチップへ拡散させるガスセンサにおいて、
前記センサチップ上に、かつ前記支持膜とは別体に、センサチップの周囲の相対湿度を測定する感湿膜もしくはセンサチップの周囲の絶対湿度を測定する湿度測定用ヒータから成る感湿部が設けられていることを特徴とする、ガスセンサ。
【請求項２】
請求項１のガスセンサと、
前記ガスセンサの駆動部と、
前記金属酸化物半導体膜もしく前記支持膜上のヒータの抵抗値と、前記感湿部の出力とから、測定対象のガス濃度を求める検出部、とを有するガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はガスセンサとガス検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属酸化物半導体ガスセンサの抵抗値は周囲の雰囲気の絶対湿度の影響を受けるので、サーミスタ等により周囲の気温を測定し、ガスセンサの出力を補正することが行われている。またガスセンサでは、フィルタにより不要なガスを吸着あるいは酸化して除去することが行われている。そしてSi等の基板上に金属酸化物半導体とヒータと電極とを設けたMEMS型のガスセンサでは、消費電力を小さくするため、ヒータの駆動時間を制限し、かつ金属酸化物半導体を急激に温度変化させることが行われている。これに伴って、フィルタへの依存が深まり、より多量のフィルタ材料を用い、あるいはガスセンサの通気性を制限し、フィルタがガスを確実に処理できるようにすることが行われている。
【０００３】
関連する先行技術を示す。特許文献１（JP2004-37180A）は、MEMS型のガスセンサでの、金属酸化物半導体を加熱するためのヒータの抵抗値から、絶対湿度を測定することを提案している。即ち周囲の絶対湿度が変化すると、ヒータからの放熱量が変化し、ヒータの抵抗値が変化する。そして絶対湿度の測定用のヒータを、金属酸化物半導体のヒータに共用する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】JP2004-37180A
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
発明者は、フィルタの内側で、MEMS型のセンサチップ（感ガス部とヒータ、電極等を設けた基板）の周囲での湿度は、ガスセンサの外部の湿度と異なることを見出した。図６に示すように、ガスセンサの外部の温度と相対湿度とを急変させると、センサチップの周囲の温度は速やかに追随するが、センサチップの周囲の湿度は追随が遅い。これはフィルタが水蒸気を吸収／放出し、フィルタよりもセンサチップ側では、外部の湿度変動に対する応答が遅れるためである。従ってガスセンサの外部の湿度を測定しても、センサの湿度依存性を正確に補正することは難しい。なお特許文献１のガスセンサでは、フィルタがないため、このような課題は生じない。
【０００６】
この発明は、フィルタの影響を受けずに、センサチップの周囲の湿度を測定できるようにすることを課題とする。
この発明の追加の課題は、湿度センサをガスセンサに容易に一体化することにある。
この発明の他の課題は、金属酸化物半導体での可燃性ガスの燃焼熱等の影響を受けずに、湿度を正確に測定することにある。  
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明は、半導体基板のキャビテイ上に設けられた支持膜に、金属酸化物半導体膜もしくは酸化触媒膜と、ヒータとを設けたセンサチップと、
不要なガスを除去するフィルタと、
前記センサチップとフィルタとを間隔をおいてハウジングに収容し、フィルタを通過した雰囲気をセンサチップへ拡散させるガスセンサにおいて、
前記センサチップ上に、かつ前記支持膜とは別体に、センサチップの周囲の相対湿度を測定する感湿膜もしくはセンサチップの周囲の絶対湿度を測定する湿度測定用ヒータから成る感湿部が設けられていることを特徴とする。
【０００８】
またこの発明は、上記のガスセンサと、
前記ガスセンサの駆動部と、
前記金属酸化物半導体膜もしく前記支持膜上のヒータの抵抗値と、前記感湿部の出力とから、測定対象のガス濃度を求める検出部、とを有するガス検出装置にある。
【０００９】
この発明では、センサチップの周囲の湿度を測定する。従ってフィルタのためセンサチップの周囲と外部とで湿度が異なっても、金属酸化物半導体膜あるいは酸化触媒膜が置かれている雰囲気の湿度を測定できる。
センサチップは、半導体基板のキャビテイ上の支持膜に、金属酸化物半導体膜もしくは酸化触媒膜と、ヒータとを設けたものなので、支持膜とは別体にかつ容易に感湿部を設けることができる。さらに感湿部は、金属酸化物半導体膜での可燃性ガスの燃焼熱等の影響を受けない。
【００１０】
ハウジングは例えばベースとカバーとから成るが、カバーにセンサチップを直接取り付け、ベースを省略しても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例でのセンサチップの平面図
【図２】実施例のセンサチップの平面図
【図３】実施例のガスセンサの断面図
【図４】実施例のガス検出装置の回路図
【図５】実施例のガス検出装置の動作タイミングを示す図
【図６】ガスセンサ内部の相対湿度と温度の測定例を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
【実施例】
【００１３】
図１〜図６に実施例を示す。図１はセンサチップ２を示し、４はSi等から成る半導体基板、６はキャビテイで、図１の表面側から開けたものでも、裏面側から開けたものでも良い。８は支持膜で、金属酸化物半導体膜９あるいはPt等の貴金属触媒を担持するアルミナ等の担体と、電極及びヒータを支持する。支持膜８はSiO2，Ta2O5等の膜で、１層あるいは複数層から成る。金属酸化物半導体膜９は例えばSnO2膜で、金属酸化物半導体の種類は任意であり、貴金属等が担持されていても良く、薄膜でも厚膜でも良い。支持膜８は例えば４本の脚１０〜１３により支持され、脚１０〜１３には電極及びヒータをパッド２０〜２３と接続する配線が支持されている。図２に、金属酸化物半導体膜９の電極２５，２６とヒータ２４のパターンを示し、ヒータ２４を電極２５，２６の一方に兼用しても良い。
【００１４】
基板４上で支持膜８とは別体に、感湿性高分子膜から成る感湿膜１４が設けられ、一対の電極１５，１６が感湿膜１４の抵抗値を測定するように配置されている。このようにするとセンサチップ２の周囲の雰囲気の相対湿度を測定できる。なお感湿膜１４を設けている部分に別のキャビテイを設け、キャビテイ上に設けた図示しない支持膜にPtヒータ等を設けても良い。Ptヒータの温度は周囲の雰囲気の熱伝導率で変化し、絶対湿度は雰囲気の熱伝導率を変化させるので、センサチップ２の周囲の雰囲気の絶対湿度を測定できる。実施例では、電極１６をパッド２３に、電極１５を支持膜８と共用のパッド２０に接続したが、電極１５，１６に専用のパッドを設け、センサチップ２当たりのパッドの数を５〜６等としても良い。感湿膜１４は高分子膜に限らず、セラミックス膜でも良い。
【００１５】
図３に、ガスセンサ３０の構造を示し、センサチップ２がベース３４にダイボンドされ、例えば４本〜６本のピン３２が図１のパッド２０〜２３等にワイヤボンド等で接続されている。センサチップ２の周囲を覆うように、カバー３６がベース３４に取り付けられ、カバー３４内にフィルタ３８が配置されて、例えば上下一対のメッシュ４０，４２と不織布４４等で、フィルタ３８の材料のこぼれ出しを防止する。
【００１６】
フィルタ３８は活性炭、ゼオライト等から成り、不要なガスを吸着あるいは吸収して、センサチップ２に達することを防止する。活性炭、ゼオライト等の吸着材にPt等の触媒を担持させ、不要なガスを触媒で酸化するようにしても良い。
【００１７】
図４に、ガス検出装置の回路を示す。５０はリチウムイオン電池等の電源、５２はマイクロコンピュータで、ＡＤコンバータ５３と、ガスセンサ３０の駆動部５４，タイマ５５、相対湿度と検出対象ガスの濃度とを検出する検出部５６、及び外部への警報出力を発生する警報部５８とを備えている。６０はトランジスタ等の適宜のスイッチ、６２は周囲温度の測定用のサーミスタあるいは測温抵抗体で、ガスセンサ３０とは別に設けたが、センサチップ２上に設けても良い。またR1〜R3は抵抗である。
【００１８】
図５に、ガスセンサ３０の動作を示す。ガスセンサ３０は例えば30秒周期で動作し、１周期に各１回、例えば0.1秒幅のパルスとより幅の短いパルスとで、ガスセンサ３０に電力を供給し、ヒータ２４をオンすると共に、電極２５，２６間及び電極１５，１６間に電圧を加えて、金属酸化物半導体膜９の抵抗値と、感湿膜１４の抵抗値とを測定する。検出対象ガスは例えばメタン、LPG等の可燃性ガスとCOとで、可燃性ガスもしくはCOのみを検出しても、あるいはエタノール、アンモニア、硫化水素、アセトン等を検出しても良い。ガスセンサ３０内で、フィルタ３８の内側のセンサチップ２の周囲の相対湿度は、図６に示すように、例えば１日程度の時定数で変化する。このため感湿膜１４の抵抗値は１周期毎ではなく、例えば10分に１回、１時間に１回、１日に数回等の頻度で測定しても良い。
【００１９】
金属酸化物半導体膜９の特性は周囲の絶対湿度に依存し、センサチップ２の周囲の相対湿度は感湿膜１４の抵抗値から判明し、ガスセンサ３０の外部での周囲温度はサーミスタ６２の抵抗値から判明する。そしてカバー３６の内外での気温はほぼ等しいので、サーミスタ６２の抵抗値と感湿膜１４の抵抗値とから、センサチップ２の周囲の絶対湿度を測定できる。この絶対湿度により、金属酸化物半導体膜９の抵抗値を補正し、検出対象ガスの濃度を求める。
【００２０】
図６に、周囲の温度と湿度の変化に対する、フィルタ３８の内側でセンサチップ２の周囲の雰囲気の応答を示す。室温で相対湿度が60%程度の雰囲気から、湿度センサとサーミスタとをフィルタ３８の内側に設置したガスセンサ３０を、温度が35℃で、相対湿度が80%の雰囲気に移し、センサチップ２の周囲の相対湿度と気温とを測定した。気温はガスセンサ３０の外部の気温に追随するが、相対湿度が完全に追随するまで60時間程度経過している。
【００２１】
このことは、フィルタ３８が水蒸気を吸収放出するため、センサチップ２の周囲の相対湿度は外部の相対湿度とは異なることを示している。そして図６の状況では、周囲の雰囲気を変えてから数時間程度の間、センサチップ２の周囲では、相対湿度が低い状態が続き、ガスセンサ３０の外部の気温等による補正を施すと、過補正となる。
【００２２】
そこでガスセンサ３０の内部で、センサチップ２の周囲の雰囲気の、相対湿度あるいは絶対湿度を測定すると、ガスセンサ３０の湿度依存性を正確に補正できる。特に、フィルタ３８での水蒸気の吸収／放出のため、センサチップ２の周囲の湿度が外部の湿度に追随するまでの遅れの影響を受けなくなる。センサチップ２はMEMS型なので、感湿膜１４あるいは絶対湿度測定用の追加のヒータ等を設けることは容易で、金属酸化物半導体９を加熱しても感湿膜１４は加熱されないため、高分子感湿膜を用いることができる。また金属酸化物半導体膜９からの放熱量を、ヒータ２４の抵抗値から求めるのではないので、金属酸化物半導体膜９での可燃性ガスの燃焼熱等の影響を受けない。  
【００２３】
実施例では金属酸化物半導体ガスセンサを例としたが、支持膜８上に設けた酸化触媒膜で可燃性ガスを燃焼させ、この燃焼熱をヒータ２４の抵抗値から検出する、接触燃焼式ガスセンサでも良い。短時間の直流を加えることにより、感湿膜１４が劣化するおそれがある場合、感湿膜１４に対し専用の２個のパッドを設け、交流を加えることが好ましい。
【符号の説明】
【００２４】
２          センサチップ
４          基板
６          キャビテイ
８          支持膜
９          金属酸化物半導体膜
１０〜１３  脚
１４        感湿膜
１５，１６  電極
２０〜２３  パッド
２４        ヒータ
２５，２６  電極
３０        ガスセンサ
３２        ピン
３４        ベース
３６        カバー
３８        フィルタ
４０，４２  メッシュ
４４        不織布
５０        電源
５２        マイクロコンピュータ
５３        ＡＤコンバータ
５４        駆動部
５５        タイマ
５６        検出部
５８        警報部
６０        スイッチ
６２        サーミスタ
R1〜R3      抵抗
【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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