(57)【要約】【課題】消費電力を低減することが可能な限界電流式ガスセンサ、限界電流式ガスセンサの製造方法、およびセンサネットワークシステムを提供する。【解決手段】限界電流式ガスセンサは、Ｓｉ基板１と、Ｓｉ基板１上に形成されたマイクロヒータ２と、Ｓｉ基板１上に形成されたイオン伝導性を有する固体電解質層４と、固体電解質層４に密着形成された正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂと、正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂ間に電圧を印加することにより被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路８とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
Ｓｉ基板と、
前記Ｓｉ基板上または前記Ｓｉ基板下に形成されたマイクロヒータと、
前記Ｓｉ基板上に形成されたイオン伝導性を有する固体電解質層と、
前記固体電解質層に密着形成された正負一対の多孔質電極と、
前記正負一対の多孔質電極間に電圧を印加することにより被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路と
を備えることを特徴とする限界電流式ガスセンサ。
【請求項２】
前記固体電解質層および前記正負一対の多孔質電極に密着形成された多孔質膜を備えることを特徴とする請求項１に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項３】
前記Ｓｉ基板は、ＭＥＭＳにより形成された厚さ２μｍ以下のＳｉ基板であることを特徴とする請求項１または２に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項４】
前記マイクロヒータは、印刷により形成された印刷Ｐｔヒータ、またはポリシリコンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項５】
前記固体電解質層は、印刷により形成されたＺｒＯ2−Ｙ2Ｏ3、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のうちの少なくともいずれかが含まれる印刷膜であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項６】
前記正負一対の多孔質電極は、印刷により形成されたＰｔ印刷電極であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項７】
前記多孔質膜は、印刷により形成されたＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、アモルファスガラスのうちの少なくとも１種類以上が含まれる印刷膜であることを特徴とする請求項２〜６のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項８】
前記検出回路は、限界電流に基づいて酸素濃度を検出することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項９】
前記検出回路は、限界電流に基づいて水蒸気濃度を検出することを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項１０】
前記正負一対の多孔質電極の両方が前記固体電解質層上に形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項１１】
前記正負一対の多孔質電極のうちの一方が前記固体電解質層上に形成され、他方が前記固体電解質層下に形成されることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項１２】
前記多孔質膜の表面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項２〜１１のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項１３】
前記Ｓｉ基板に形成されたキャビティ上に両持ちの梁構造体として形成されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項１４】
前記梁構造体は、ＭＥＭＳにより形成された厚さ２μｍ以下の梁構造体であることを特徴とする請求項１３に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項１５】
前記梁構造体の支持部は、ＳｉＯ2とＳｉＮの多層絶縁膜であることを特徴とする請求項１３または１４に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項１６】
前記限界電流式ガスセンサにおける消費電力を省電力化するヒータ電力プロファイルに基づいて電力を投入するマイコンを備えることを特徴とする請求項１〜１５のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項１７】
前記マイコンは、相対的に大きな電力である第１の電力を第１の期間だけ投入した後、相対的に小さな電力である第２の電力を第２の期間だけ投入することを特徴とする請求項１６に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項１８】
前記マイコンは、前記第２の期間にデータを読み取り、前記第２の期間が経過した後、第３の期間だけ電力の投入を停止することを特徴とする請求項１７に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項１９】
エナジーハーベスタ電源を備え、
前記マイコンは、前記エナジーハーベスタ電源からの電力を投入することを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。
【請求項２０】
Ｓｉ基板を形成する工程と、
前記Ｓｉ基板上または前記Ｓｉ基板下にマイクロヒータを形成する工程と、
前記Ｓｉ基板上にイオン伝導性を有する固体電解質層を形成する工程と、
前記固体電解質層に正負一対の多孔質電極を密着形成する工程と
を有することを特徴とする限界電流式ガスセンサの製造方法。
【請求項２１】
前記固体電解質層および前記正負一対の多孔質電極に多孔質膜を密着形成する工程を有することを特徴とする請求項２０に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。
【請求項２２】
前記Ｓｉ基板は、ＭＥＭＳにより形成された厚さ２μｍ以下のＳｉ基板であることを特徴とする請求項２０または２１に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。
【請求項２３】
前記マイクロヒータは、印刷により形成された印刷Ｐｔヒータ、またはポリシリコンであることを特徴とする請求項２０〜２２のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。
【請求項２４】
前記固体電解質層は、印刷により形成されたＺｒＯ2−Ｙ2Ｏ3、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のうちの少なくともいずれかが含まれる印刷膜であることを特徴とする請求項２０〜２３のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。
【請求項２５】
前記正負一対の多孔質電極は、印刷により形成されたＰｔ印刷電極であることを特徴とする請求項２０〜２４のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。
【請求項２６】
前記多孔質膜は、印刷により形成されたＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、アモルファスガラスのうちの少なくとも１種類以上が含まれる印刷膜であることを特徴とする請求項２１〜２５のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。
【請求項２７】
前記正負一対の多孔質電極の両方が前記固体電解質層上に形成されることを特徴とする請求項２０〜２６のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。
【請求項２８】
前記正負一対の多孔質電極のうちの一方が前記固体電解質層上に形成され、他方が前記固体電解質層下に形成されることを特徴とする請求項２０〜２６のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。
【請求項２９】
前記Ｓｉ基板にキャビティを形成し、前記キャビティ上に両持ちの梁構造体として限界電流式ガスセンサを形成したことを特徴とする請求項２０〜２８のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。
【請求項３０】
前記梁構造体は、ＭＥＭＳにより形成された厚さ２μｍ以下の梁構造体であることを特徴とする請求項２９に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。
【請求項３１】
前記梁構造体の支持部は、ＳｉＯ2とＳｉＮの多層絶縁膜であることを特徴とする請求項２９または３０に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。
【請求項３２】
請求項１〜１９のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサを備えることを特徴とするセンサネットワークシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定雰囲気内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する限界電流式ガスセンサ、限界電流式ガスセンサの製造方法、およびセンサネットワークシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、被測定ガス内における水蒸気の濃度を検出する湿度センサとして、抵抗変化型、容量変化型、ジルコニア（ＺｒＯ2）固体電解質型などが知られている。高分子膜抵抗変化型は、安価であり、デバイス化が容易であるという長所がある一方で、低湿度領域での測定精度が低く、温度依存性が大きい、また、結露による溶出が素子劣化・破壊の原因になるという短所がある。また、容量変化型は、リニアリティが良く、相対湿度全領域で測定可能であり、温度依存性が小さいという長所がある一方で、純水以外の水（水道水など）や、有機溶媒などの影響が大きいという短所がある。また、湿度0%RHにおける容量が数百pFであるのに対し、1%RH変化したときの容量変化が1pF以下であり、正確な湿度測定には定期的な校正が必要となる。一般的な事務環境で湿度測定の精度を求めない場合は、有効なデバイスである一方、高精度の湿度測定や結露、ガス曝露の可能性のある雰囲気（気象観測用途や風呂場）、100℃以上の高温になる雰囲気での使用は想定外である。耐久性を高くするには新規に高分子材料の開発が必要である。今後の研究開発が期待される一方、新規材料開発には時間・コストが必要である。
【０００３】
高温での湿度測定のために、ジルコニア固体電解質を用いた湿度センサが販売されている。ジルコニア固体電解質を用いた酸素センサは、自動車の燃焼効率向上やNOxの低減のために使用されており、材料としての耐久性は実績がある。ただ、ジルコニアを数百℃に上げて使用するため、消費電力が100Ｗと高く、さらに高温物体の取り扱いの難しいことから、市場は一部の産業用途に限られている。
【０００４】
そこで、近年ではジルコニア薄膜限界電流型が注目されている（例えば、非特許文献１、特許文献１および特許文献２参照。）。この種の限界電流式酸素センサは、高信頼性でリニアリティが良いという長所がある。
【０００５】
限界電流式ガスセンサの原理は次の通りである。まず、ジルコニア固体電解質に電圧を印加すると、触媒電極でイオン化した酸素イオンが、固体電解質の一方の側から他の側へ伝導する。このとき、小孔や多孔質などを利用して電解質に吸入する酸素ガス量を制限すると、電圧を増加しても電流が一定値になる飽和現象が現れる。この電流は限界電流と呼ばれ、周囲の酸素濃度に比例する。そのため、一定の電圧を印加すれば、流れる電流値から酸素濃度を検出することができる。印加する電圧を切り替えれば、同様の原理で水蒸気の濃度を検出することも可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第４４８７６８０号明細書
【特許文献２】特開平５−３１２７７２号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】高橋英昭、佐治啓市、近藤春義、「薄膜限界電流式酸素センサ」豊田中央研究所Ｒ＆Ｄ  レビュー  Ｖｏｌ．２７  Ｎｏ．２（１９９２．６）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、限界電流式ガスセンサによると、酸素イオン伝導を生じさせるため、ジルコニア固体電解質を７００℃程度に加熟する必要がある。その場合の消費電力は薄膜型でも例えば１Ｗ以上であり、高い消費電力が必要であった。
【０００９】
本発明の目的は、消費電力を低減することが可能な限界電流式ガスセンサ、限界電流式ガスセンサの製造方法、およびセンサネットワークシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、Ｓｉ基板と、前記Ｓｉ基板上または前記Ｓｉ基板下に形成されたマイクロヒータと、前記Ｓｉ基板上に形成されたイオン伝導性を有する固体電解質層と、前記固体電解質層に密着形成された正負一対の多孔質電極と、前記正負一対の多孔質電極間に電圧を印加することにより被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路とを備える限界電流式ガスセンサが提供される。
【００１１】
本発明の他の態様によれば、Ｓｉ基板を形成する工程と、前記Ｓｉ基板上または前記Ｓｉ基板下にマイクロヒータを形成する工程と、前記Ｓｉ基板上にイオン伝導性を有する固体電解質層を形成する工程と、前記固体電解質層に正負一対の多孔質電極を密着形成する工程とを有する限界電流式ガスセンサの製造方法が提供される。
【００１２】
本発明の他の態様によれば、前記いずれかの限界電流式ガスセンサを備えるセンサネットワークシステムが提供される。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、消費電力を低減することが可能な限界電流式ガスセンサ、限界電流式ガスセンサの製造方法、およびセンサネットワークシステムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。
【図２】第１の実施の形態に係る別の限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。
【図３】比較例１に係る限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。
【図４】比較例１に係る別の限界電流式ガスセンサの模式的鳥瞰構成図。
【図５】比較例１に係る限界電流式ガスセンサのセンサ特性を示すグラフであって、（ａ）電流−電圧特性を示すグラフ、（ｂ）電流−酸素濃度特性を示すグラフ。
【図６】比較例２に係る限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。
【図７】比較例２に係る別の限界電流式ガスセンサの模式的断面構造図。
【図８】比較例３に係る限界電流式ガスセンサの製造方法であって、（ａ）アノード電極とカソード電極を形成する工程図、（ｂ）イオン伝導体膜を形成する工程図、（ｃ）Ｚｒ−Ｙ膜を形成する工程図、（ｄ）気体拡散層を形成する工程図。
【図９】第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを用いてガス濃度を検出する場合の模式的ブロック構成図。
【図１０】図９に示される限界電流式ガスセンサを用いてガス濃度を検出する動作を示すフローチャート。
【図１１】第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサであって、（ａ）模式的平面パターン構成図、（ｂ）図１１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図。
【図１２】第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法であって、（ａ）マイクロヒータを形成する工程図、（ｂ）絶縁膜を形成する工程図、（ｃ）固体電解質層を形成する工程図、（ｄ）正負一対の多孔質電極を形成する工程図、（ｅ）多孔質膜を形成する工程図、（ｆ）異方性エッチングを行う工程図、（ｅ）薄型センサチップを形成する工程図。
【図１３】第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの変形例を示す模式的断面構造図。
【図１４】第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの別の変形例を示す模式的断面構造図。
【図１５】第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサであって、（ａ）模式的平面パターン構成図、（ｂ）図１５（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図１６】第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法であって、（ａ）マイクロヒータを形成する工程図、（ｂ）絶縁膜を形成する工程図、（ｃ）固体電解質層を形成する工程図、（ｄ）正負一対の多孔質電極を形成する工程図、（ｅ）多孔質膜を形成する工程図、（ｆ）キャビティを形成する工程図。
【図１７】第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの変形例を示す模式的断面構造図。
【図１８】第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの別の変形例を示す模式的断面構造図。
【図１９】第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的鳥瞰構成図。
【図２０】図１９に示される限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図。
【図２１】図２０のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図。
【図２２】第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの梁構造体を加熱した状態を示す模式的鳥瞰構成図。
【図２３】図２２に示される梁構造体の部分を拡大した模式的鳥瞰構成図。
【図２４】図２２に示される梁構造体のサイズを説明するための図。
【図２５】第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの梁構造体を２５ｍＷで加熱した状態を示す模式的鳥瞰構成図。
【図２６】図２５に示される梁構造体を２５ｍＷで加熱した場合における梁構造体の温度Ｔと積算電力Ｅｓの時間tとの関係を示すグラフ。
【図２７】比較例を説明するための図であって、（ａ）限界電流式ガスセンサへの投入電力Ｐiと時間tとの関係を示すグラフ、（ｂ）図２７（ａ）に示される投入電力Ｐiを投入した場合における梁構造体の温度Ｔと積算電力Ｅｓの時間tとの関係を示すグラフ。
【図２８】第３の実施の形態を説明するための図であって、（ａ）限界電流式ガスセンサへの投入電力Ｐｉと時間tとの関係を示すグラフ、（ｂ）図２８（ａ）に示される投入電力Ｐｉを投入した場合における梁構造体の温度Ｔと積算電力Ｅｓの時間tとの関係を示すグラフ。
【図２９】第３の実施の形態を説明するための図であって、（ａ）限界電流式ガスセンサへの投入電力Ｐｉと時間tとの関係を示すグラフ、（ｂ）図２９（ａ）に示される投入電力Ｐiを投入した場合における梁構造体の温度Ｔと時間tとの関係を示すグラフ。
【図３０】第３の実施の形態を説明するための図であって、（ａ）限界電流式ガスセンサをプリント基板に実装した状態を示す模式的鳥瞰構成図、（ｂ）図３０（ａ）に示される限界電流式ガスセンサへの投入電力を示すグラフ、（ｃ）図３０（ｂ）に示される投入電力を投入した場合における梁構造体の温度を示すグラフ。
【図３１】第３の実施の形態を説明するための図であって、（ａ）限界電流式ガスセンサをプリント基板に実装した状態を示す模式的鳥瞰構成図、（ｂ）図３１（ａ）に示される限界電流式ガスセンサへの投入電力Ｐｉと時間tとの関係を示すグラフ、（ｃ）図３１（ｂ）に示される投入電力Ｐｉを投入した場合におけるＳｉ基板の中央部の温度Ｔと時間tとの関係を示すグラフ、（ｄ）図３１（ｂ）に示される投入電力Ｐｉを投入した場合におけるプリント基板のＳｉ基板直下部の温度Ｔと時間tとの関係を示すグラフ。
【図３２】第３の実施の形態を説明するための図であって、（ａ）限界電流式ガスセンサへの投入電力Ｐｉと時間tとの関係を示すグラフ、（ｂ）図３２（ａ）に示される投入電力Ｐiを投入した場合における梁構造体の温度Ｔと時間tとの関係を示すグラフ。
【図３３】図３２（ａ）に示される投入電力を投入した場合におけるＰｔ抵抗測定例を示す模式的ブロック構成図。
【図３４】第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの間欠動作例を示すグラフ。
【図３５】第４の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのマイクロヒータであって、（ａ）模式的平面パターン構成図、（ｂ）図３５（ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造図。
【図３６】第５の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのマイクロヒータであって、（ａ）模式的平面パターン構成図、（ｂ）図３６（ａ）のＶ−Ｖ線に沿う模式的断面構造図。
【図３７】第１〜第５の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを収容するパッケージの蓋を示す模式的鳥瞰構成図。
【図３８】第１〜第５の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを収容するパッケージの本体を示す模式的鳥瞰構成図。
【図３９】第１〜第５の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを示す模式的ブロック構成図。
【図４０】第１〜第５の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを適用したセンサネットワークの模式的ブロック構成図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
【００１６】
又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
【００１７】
[第１の実施の形態]
（限界電流式ガスセンサ）
第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的断面構造は、図１に示すように表される。図１に示すように、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサは、Ｓｉ（シリコン）基板１と、Ｓｉ基板１上に形成されたマイクロヒータ２と、Ｓｉ基板１上に形成されたイオン伝導性を有する固体電解質層４と、固体電解質層４に密着形成された正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂと、正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂ間に電圧を印加することにより被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路８（図示せず）とを備える。必要であれば、固体電解質層４および正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂに密着形成された多孔質膜６を備えても良い。
【００１８】
Ｓｉ基板１は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical Systems）により形成された厚さＬが２μｍ以下のＳｉ基板である。ＭＥＭＳを応用すれば、Ｓｉ基板１の厚さＬを２μｍ以下にすることができるため、熱容量が小さくなり、マイクロヒータ２での消費電力を低減することが可能である。
【００１９】
また、マイクロヒータ２は、例えば、印刷により形成された印刷Ｐｔヒータ、またはポリシリコンである。固体電解質層４は、例えば、印刷により形成されたＺｒＯ2−Ｙ2Ｏ3、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のうちの少なくともいずれかが含まれる印刷膜である。正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂは、例えば、印刷により形成された多孔質Ｐｔ印刷電極である。多孔質膜６は、例えば、印刷により形成されたＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、アモルファスガラスのうちの少なくとも１種類以上が含まれる印刷膜である。多孔質膜６の厚さは、例えば、５μｍ程度である。図１中に示される符号３は、ＳｉＯ2印刷膜やＡｌ2Ｏ3印刷膜などの絶縁膜を示している。このように、印刷により各層を形成すれば、製造が容易であり、コストを低減することができる。
【００２０】
また、検出回路８は、限界電流に基づいて酸素濃度を検出しても良い。あるいは、限界電流に基づいて水蒸気濃度を検出しても良い。
【００２１】
また、正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂのうちの一方が固体電解質層４上に形成され、他方が固体電解質層４下に形成されても良い。あるいは、正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂの両方が固体電解質層４上に形成されても良い。
【００２２】
第１の実施の形態に係る別の限界電流式ガスセンサの模式的断面構造は、図２に示すように表される。図２に示すように、Ｓｉ基板１下にマイクロヒータ２を形成することも可能である。このような限界電流式ガスセンサは、ＭＥＭＳ以外の方法により製造されても良い。Ｓｉ基板１の厚さＬ２は、例えば６００μｍ程度である。その他の構成については、図１と同様である。
【００２３】
（比較例１）
比較例１に係る限界電流式ガスセンサの模式的断面構造は、図３に示すように表される。図３に示すように、ジルコニア電解質４４の上下表面に白金電極４１・４２を付け、電流Ｉを流す。小孔４３を開けたカバ−で陰極４１上を覆うと、この陰極４１への酸素輸送量は、小孔４３の部分の酸素ガス拡散にほとんど支配されるようになる。その結果、ジルコニア電解質４４を流れる酸素イオン流量、すなわち、電流Ｉは、小孔４３での酸素ガス拡散量によってほぼ決まるものとなる。このように、陰極４１への酸素の供給をガス拡散によって行い、酸素濃度に比例した限界電流を検出する。
【００２４】
比較例１に係る別の限界電流式ガスセンサの模式的鳥瞰構成は、図４に示すように表される。図４に示すように、細孔径８００Åの多孔質アルミナ基板５４の一面に白金電極（陰極）５３、ジルコニア電解質５２、白金電極（陽極）５１の各薄膜を順次積層して酸素ガス検知部としている。他の一面には白金薄膜ヒ−タ５５を設け、四隅からリードワイヤ５６を取り出している。このようにして製作したヒ−タ付き薄膜限界電流式酸素センサの大きさは１．７０ｍｍ×１．７５ｍｍ×０．３０ｍｍである。
【００２５】
比較例１に係る限界電流式ガスセンサの電流−電圧特性は、図５（ａ）に示すように表され、電流−酸素濃度特性は、図５（ｂ）に示すように表される。すなわち、燃焼排気のような雰囲気では、水蒸気（Ｈ2Ｏ）、二酸化炭素（ＣＯ2）が多量に含まれている。これらのガスが限界電流にどのような影響を及ぼすのかを明らかにするため、Ｏ2−Ｎ2 混合ガス中に種々の濃度のＨ2Ｏ、あるいはＣＯ2を添加したガス中で、センサ特性を測定した結果を示している。
【００２６】
図５（ａ）に示すように、Ｈ2Ｏが存在すると、酸素に対応する限界電流が現れる電圧幅（過電圧支配領域）は０．７Ｖ程度に狭くなる。この電圧を越えると、電流はふたたび増加し、その後、二段目の飽和電流が現れる。その結果、Ｏ2とＨ2Ｏとを含むガス中では２段の飽和電流特性になっている。この二段目の飽和電流の大きさは、図５（ｂ）に示すように、Ｈ2Ｏ濃度に対応して直線的に増加する。また、一段目の電流、すなわち、酸素の限界電流の大きさは、Ｈ2Ｏ濃度に影響されない。
【００２７】
（比較例２）
比較例２に係る限界電流式ガスセンサ１０の模式的断面構造は、図６に示すように表される。図６に示すように、ジルコニア基板１２とジルコニア膜１８との間に電極１６を備え、ジルコニア基板１２の下に電極１４を備え、ジルコニア膜１８の上に電極２０を備えている。酸素輸送量は、ジルコニア基板１２によって制限される。限界電流式ガスセンサ１０をヒータで加熱した状態で電流Ｉを矢印の方向に流し、検出回路２２で酸素濃度を検出する。
【００２８】
比較例２に係る別の限界電流式ガスセンサ３０の模式的断面構造は、図７に示すように表される。図７に示すように、ジルコニア膜３２とジルコニア基板３８との間に電極３６を備え、ジルコニア膜３２の下に電極３４を備え、ジルコニア基板３８の上に電極４０を備えている。酸素輸送量は、ジルコニア基板３８によって制限される。限界電流式ガスセンサ３０をヒータで加熱した状態で電流Ｉを矢印の方向に流し、検出回路２２で酸素濃度を検出する。
【００２９】
（比較例３）
比較例３に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、図８に示すように表される。まず、図８（ａ）に示すように、シリコン基板５１に約１００ｎｍのシリコン酸化膜５２を形成し、この上にＰｔ膜によるアノード電極５３とカソード電極５４を形成する。アノード電極５３とカソード電極５４の膜厚は４００ｎｍである。次に、図８（ｂ）に示すように、基板全面にＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3 からなるイオン伝導体膜６１を形成する。イオン伝導体膜６１の膜厚は３００ｎｍであって、電極５３・５４よりも薄い。したがって、イオン伝導体膜６１は、図８（ｂ） に示すように、電極５３・５４の間に埋め込まれて実際にイオン伝導体として機能する部分と、電極５３・５４の上に重ねられた部分とが分離された状態となる。次に、図８（ｃ） に示すように、Ｚｒ−Ｙ膜６２を４００ｎｍの厚さに形成する。最後に、Ｈ3 ＰＯ4 水溶液を用いてアノード電極５３およびカソード電極５４に正電圧を与えて陽極酸化を行う。これにより、図８（ｄ）に示すように、Ｚｒ−Ｙ膜６２のうち、電極５３・５４に直接接触する電極５３・５４のエッジ部を中心として、多孔質のＺｒＯ2 −Ｙ2 Ｏ3からなる気体拡散層６３が形成される。
【００３０】
（検出動作）
第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを用いてガス濃度を検出する場合の模式的ブロック構成は、図９に示すように表される。図９に示すように、固体電解質層４の左右表面に正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂを設け、Ｐａｄ電極７ａ・７ｂを介して検出回路８に接続する。固体電解質層４を例えば７００℃程度に加熟し、多孔質電極５ａ・５ｂに電圧を印加して電流Ｉを流すと、陰極５ａでは、Ｏ2＋４ｅ→２Ｏ2−の電気化学反応によって固体電解質層４中へ酸素イオンの注入が起こる。一方、陽極５ｂでは、２Ｏ2−→Ｏ2＋４ｅの反応によって酸素の放出が生じる。
【００３１】
このとき、多孔質膜６を利用して固体電解質層４に吸入する酸素ガス量を制限すると、電圧を増加しても電流が一定値になる飽和現象が現れる。この限界電流は、周囲の酸素濃度に比例するため、限界電流の値と酸素濃度の値とを予め対応付けて検出回路８に登録しておく。このようにすれば、限界電流の値を測定することにより、それに対応する酸素濃度を検出することができる。
【００３２】
また、電源９の電源電圧をＶｉｎ、抵抗ｒに流れる電流をＩ、抵抗ｒに印加される電圧をＶｒとすると、抵抗ｒの抵抗値は、Ｖｉｎ／Ｉ＝Ｖｉｎ×ｒ／Ｖｒとなる。抵抗ｒの抵抗値から温度を測定して検出回路８にフィードバックし、多孔質電極５ａ・５ｂ間に印加する電圧Ｖを切り替えても良い。このように、多孔質電極５ａ・５ｂ間に印加する電圧Ｖを切り替えれば、酸素濃度だけでなく水蒸気濃度を検出することも可能である。
【００３３】
図９に示される限界電流式ガスセンサを用いてガス濃度を検出する動作は、図１０に示すように表される。まず、マイクロヒータ２を用いて測定温度（例えば７００℃）までセンサを加熱する（ステップＳ１→Ｓ２：ＮＯ→Ｓ１→・・・）。測定温度に達したら（ステップＳ２：ＹＥＳ）、安定するまで一定時間待機した後、多孔質電極５ａ・５ｂ間に電圧を印加する（ステップＳ３→Ｓ４）。これにより、限界電流の値を測定し、その限界電流に対応するガス濃度を検出することができる（ステップＳ５）。多孔質電極５ａ・５ｂ間に印加する電圧を切り替えることにより、酸素濃度と水蒸気濃度を検出することが可能である。
【００３４】
（具体例）
第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成は、図１１（ａ）に示すように表される。また、図１１（ａ）のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図１１（ｂ）に示すように表される。図１１に示すように、平面視において矩形状の固体電解質層４の下に絶縁膜３を挟んでマイクロヒータ２を蛇行させている。また、正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂを櫛形パターンに形成し、向かい合わせに配置している。多孔質電極５ａは、一方側（図１１（ａ）では上側）から取り出され、多孔質電極５ｂは、他方側（図１１（ａ）では下側）から取り出されている。多孔質膜６は、平面視においては矩形に形成され、固体電解質層４および正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂを覆っている。もちろん、各層の形状や大きさなどは適宜変更することが可能である。
【００３５】
（製造方法）
第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、図１２に示すように、Ｓｉ基板１を形成する工程と、Ｓｉ基板１上（またはＳｉ基板１下）にマイクロヒータ２を形成する工程と、Ｓｉ基板１上にイオン伝導性を有する固体電解質層４を形成する工程と、固体電解質層４に正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂを密着形成する工程とを有する。必要であれば、固体電解質層４および正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂに多孔質膜６を密着形成する工程を有しても良い。本実施の形態では、Ｓｉ基板１を用いているため、ＭＥＭＳを応用することができる。以下、これらの工程を図１２に従って更に詳しく説明する。
【００３６】
まず、図１２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１上にＰｔを印刷してマイクロヒータ２を形成する。具体的には、スクリーン印刷機によりＰｔペーストをＳｉ基板１上に塗布することになる。Ｐｔに代えてポリシリコンをＳｉ基板１上に形成しても良い。
【００３７】
次に、図１２（ｂ）に示すように、マイクロヒータ２上にＳｉＯ2またはＡｌ2Ｏ3を印刷して絶縁膜３を形成する。
【００３８】
次に、図１２（ｃ）に示すように、絶縁膜３上にＺｒＯ2−Ｙ2Ｏ3、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のうちの少なくともいずれかを印刷して固体電解質層４を形成する。
【００３９】
次に、図１２（ｄ）に示すように、Ｐｔを印刷して正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂを形成する。
【００４０】
次に、図１２（ｅ）に示すように、固体電解質層４および正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂ上にＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、アモルファスガラスのうちの少なくとも１種類以上を印刷して多孔質膜６を形成する。各工程毎に焼成を行う。必要に応じて、膜割れ、剥がれが起きないようにするため、各層に別の種類の粒子を混ぜて熱膨張率を制御する。
【００４１】
最後に、図１２（ｆ）に示すように、ＫＯＨ水溶液などを用いた異方性エッチングにより、Ｓｉ基板１を厚さ２μｍ以下に薄型化する。
【００４２】
なお、図１２（ｆ）の工程後、図１２（ｅ）に示すように、薄型化した部分のＳｉ基板１を切り出しても良い。これにより、切り出した薄型センサチップを別の基板に積層してパッケージ化することもできる。
【００４３】
（変形例）
第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの変形例を示す模式的断面構造は、図１３に示すように表される。図１１（ｂ）と異なる点は、正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂが縦方向に形成されている点である。すなわち、図１１（ｂ）に示すように、正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂの両方が固体電解質層４上に形成されても良い。あるいは、図１３に示すように、正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂのうちの一方が固体電解質層４上に形成され、他方が固体電解質層４下に形成されても良い。
【００４４】
第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの別の変形例を示す模式的断面構造は、図１４に示すように表される。図１１（ｂ）と異なる点は、多孔質膜６の表面６ａに凹凸が形成されている点である。すなわち、多孔質膜６を形成した後、その表面６ａに粗面化処理を施しても良い。このようにすれば、多孔質膜６の表面６ａに凹凸が形成され、多孔質膜６の表面積が増えるため、被測定ガスとの接触面積を増やすことができる。
【００４５】
以上のように、第１の実施の形態によれば、ＭＥＭＳを応用することができるため、Ｓｉ基板１の厚さを２μｍ以下にすることができる。これにより、比較例と比べて熱容量が小さくなるため、マイクロヒータ２での消費電力を低減することが可能である。また、比較例のような多孔質基板を必要としないため、コストを削減することが可能である。更に、印刷により各層を形成するようにしているので、比較例のように陽極酸化を行う等の工程が不要であり、製造が容易である。もちろん、ジルコニア薄膜限界電流型であるため、信頼性が高く、リニアリティが良いという効果もある。
【００４６】
[第２の実施の形態]
（限界電流式ガスセンサ）
第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成は、図１５（ａ）に示すように表される。また、図１５（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図１５（ｂ）に示すように表される。図１５（ａ）（ｂ）に示すように、第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサは、Ｓｉ基板１に形成されたキャビティＣ上に両持ちの梁構造体Ｂとして形成されている。梁構造体Ｂは、例えば、ＭＥＭＳにより形成された厚さ２μｍ以下の梁構造体である。
【００４７】
梁構造体Ｂの構成は、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサと同様である。すなわち、梁構造体Ｂは、Ｓｉ基板１と、Ｓｉ基板１上に形成されたマイクロヒータ２と、Ｓｉ基板１上に形成されたイオン伝導性を有する固体電解質層４と、固体電解質層４に密着形成された正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂと、固体電解質層４および正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂに密着形成された多孔質膜６とを備える。必ずしも多孔質膜６を備えなくても良い点は、第１の実施の形態で説明した通りである。
【００４８】
（製造方法）
第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、図１６に示すように表される。図１６（ａ）〜図１６（ｅ）に示すように、多孔質膜６を形成するまでの工程は、第１の実施の形態と同様である。すなわち、図１６（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１上にＰｔまたはポリシリコンを印刷してマイクロヒータ２を形成する。次に、図１６（ｂ）に示すように、マイクロヒータ２上にＳｉＯ2またはＡｌ2Ｏ3を印刷して絶縁膜３を形成する。次に、図１６（ｃ）に示すように、絶縁膜３上にＺｒＯ2−Ｙ2Ｏ3、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３のうちの少なくともいずれかを印刷して固体電解質層４を形成する。次に、図１６（ｄ）に示すように、Ｐｔを印刷して正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂを形成する。次に、図１６（ｅ）に示すように、固体電解質層４および正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂ上にＡｌ2Ｏ3、ＳｉＯ２、ＭｇＯ、アモルファスガラスのうちの少なくとも１種類以上を印刷して多孔質膜６を形成する。
【００４９】
ここで、第２の実施の形態では、図１６（ｆ）に示すように、Ｓｉ基板１においてマイクロヒータ２などの直下部にキャビティＣを形成する。このようなキャビティＣは、例えば、ＴＭＡＨ溶液を用いてＳｉ基板１を異方性エッチングすることにより形成される。これにより、キャビティＣ上に両持ちの梁構造体Ｂとして限界電流式ガスセンサを形成することができる。
【００５０】
（変形例）
第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの変形例を示す模式的断面構造は、図１７に示すように表される。図１５（ｂ）と異なる点は、正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂが縦方向に形成されている点である。すなわち、図１５（ｂ）に示すように、正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂの両方が固体電解質層４上に形成されても良い。あるいは、図１７に示すように、正負一対の多孔質電極５ａ・５ｂのうちの一方が固体電解質層４上に形成され、他方が固体電解質層４下に形成されても良い。
【００５１】
第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの別の変形例を示す模式的断面構造は、図１８に示すように表される。図１５（ｂ）と異なる点は、多孔質膜６の表面６ａに凹凸が形成されている点である。すなわち、多孔質膜６を形成した後、その表面６ａに粗面化処理を施しても良い。このようにすれば、多孔質膜６の表面６ａに凹凸が形成され、多孔質膜６の表面積が増えるため、被測定ガスとの接触面積を増やすことができる。
【００５２】
以上のように、第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサは、Ｓｉ基板１に形成されたキャビティＣ上に両持ちの梁構造体Ｂとして形成されている。このような梁構造によれば、プリント基板などにセンサを配置した場合でも、センサからの熱がプリント基板に伝わりにくくなるという効果がある。
【００５３】
[第３の実施の形態]
（限界電流式ガスセンサ）
第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的鳥瞰構成は、図１９に示すように表される。また、図１９に示される限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成は、図２０に示すように表される。また、図２０のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造は、図２１に示すように表される。図１９〜図２１に示すように、第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサも、Ｓｉ基板１に形成されたキャビティＣ上に両持ちの梁構造体Ｂとして形成されている。第２の実施の形態（図１５）と異なる点は、梁構造体Ｂの支持部１００がＳｉＯ2とＳｉＮの多層絶縁膜である点である。具体的には、この多層絶縁膜は、図２１中の丸印Ａ内に示すように、ＳｉＯ2／ＳｉＮ／ＳｉＯ2の多層絶縁膜である。このような多層絶縁膜は、マイクロヒータ２との密着性に優れている。また、熱膨張係数がマイクロヒータ２の金属に近いため、熱応力が発生しにくい。
【００５４】
（加熱部のサイズと温度の過渡応答）
第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの梁構造体Ｂを加熱した状態を示す模式的鳥瞰構成は、図２２に示すように表される。また、図２２に示される梁構造体Ｂの部分を拡大した模式的鳥瞰構成は、図２３に示すように表される。図２２および図２３に示すように、梁構造体Ｂの中央部がマイクロヒータ２の熱で高温になっている。この場合でも、梁構造体Ｂの直下部にはキャビティＣが形成されているため、Ｓｉ基板１は加熱による影響を殆ど受けない。なお、以下の説明では、梁構造体Ｂのうちマイクロヒータ２により加熱される部分を「加熱部Ｂ１」という場合がある。
【００５５】
図２２に示される梁構造体Ｂのサイズを説明するための図は、図２４に示すように表される。図２４に示すように、Ｓｉ基板１は平面視において例えば略正方形であり、その一辺の長さＬｔは例えば約１ｍｍ程度である。一方、梁構造体Ｂの幅Ｗ１は例えば約０．２ｍｍ程度であり、梁構造体Ｂの長さＬ１は例えば約０．５ｍｍ程度であり、梁構造体Ｂの面積は例えば約０．１ｍｍ２程度である。以下、このような０．１ｍｍ２の梁構造体Ｂを用いたシミュレーションの結果について説明する。
【００５６】
第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの梁構造体Ｂを２５ｍＷで加熱した状態を示す模式的鳥瞰構成は、図２５に示すように表される。梁構造体Ｂの中央部がマイクロヒータ２の熱で５００℃に到達している様子を示している。
【００５７】
図２５に示される梁構造体Ｂを２５ｍＷで加熱した場合における梁構造体Ｂの温度Ｔ（℃）と積算電力Ｅｓ（ｍＪ）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図２６に示すように表される。白丸は温度Ｔを表し、黒丸は積算電力Ｅｓを表している。一般的な電力投入方法によると、図２６に示すように、マイクロヒータ２を用いて測定温度（例えば５００℃）までセンサを加熱するには約０．１９秒程度かかり、必要な積算電力Ｅｓは約５ｍＪ程度である。そのため、限界電流式ガスセンサを自立電源型のセンサネットワークなどに適用する場合は更に省電力化することが望まれる。
【００５８】
（ヒータ電力プロファイルによる省電力化）
比較例に係る限界電流式ガスセンサへの投入電力Ｐｉ（ｍＷ）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図２７（ａ）に示すように表される。また、図２７（ａ）に示される投入電力Ｐｉを投入した場合における梁構造体Ｂの温度Ｔ（℃）と積算電力Ｅｓ（ｍＪ）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図２７（ｂ）に示すように表される。図２７（ａ）に示すように、２５ｍＷの一定の投入電力Ｐｉを投入し続けた場合は、図２７（ｂ）に示すように、約０．１９秒程度で５００℃に到達し、必要な積算電力Ｅｓは約５ｍＪ程度である。
【００５９】
第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサへの投入電力Ｐｉ（ｍＷ）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図２８（ａ）に示すように表される。また、図２８（ａ）に示される投入電力Ｐｉを投入した場合における梁構造体Ｂの温度Ｔ（℃）と積算電力Ｅｓ（ｍＪ）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図２８（ｂ）に示すように表される。図２８（ａ）に示すように、５０ｍＷの投入電力Ｐｉを投入した場合は、図２８（ｂ）に示すように、約０．０３秒程度で５００℃に到達し、必要な積算電力Ｅｓは約２ｍＪ程度である。
【００６０】
（加熱後自然冷却）
第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサへの投入電力Ｐｉ（ｍＷ）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図２９（ａ）に示すように表される。また、図２９（ａ）に示される投入電力Ｐｉを投入した場合における梁構造体Ｂの温度Ｔ（℃）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図２９（ｂ）に示すように表される。図２９（ａ）に示すように、時間ｔが０．２秒の時点でマイクロヒータ２をオフにして電力の投入を停止する。この場合、図２９（ｂ）に示すように、時間ｔが０．２秒の時点で５００℃であった温度Ｔは、時間ｔが約０．５秒程度の時点で初期温度まで自然冷却される。
【００６１】
（プリント基板上での温度過渡応答）
第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサをプリント基板１０１に実装した状態を示す模式的鳥瞰構成は、図３０（ａ）に示すように表される。また、図３０（ａ）に示される限界電流式ガスセンサへの投入電力Ｐｉを示すグラフは、図３０（ｂ）に示すように表される。また、図３０（ｂ）に示される投入電力Ｐｉを投入した場合における梁構造体Ｂの温度Ｔ（℃）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図３０（ｃ）に示すように表される。図３０（ａ）に示すように、プリント基板１０１に限界電流式ガスセンサのＳｉ基板１が実装されている。プリント基板１０１の物性値にはエポキシ樹脂の値を使用するものとする。この場合、図３０（ｂ）（ｃ）に示すように、５０ｍＷの投入電力Ｐｉを０．０３秒だけ投入した後に２９ｍＷの投入電力Ｐｉを投入すると５００℃に安定する。
【００６２】
（Ｓｉ基板、プリント基板の温度過渡応答）
第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサをプリント基板１０１に実装した状態を示す模式的鳥瞰構成は、図３１（ａ）に示すように表される。また、図３１（ａ）に示される限界電流式ガスセンサへの投入電力Ｐｉ（ｍＷ）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図３１（ｂ）に示すように表される。また、図３１（ｂ）に示される投入電力Ｐｉを投入した場合におけるＳｉ基板１の中央部の温度Ｔ（℃）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図３１（ｃ）に示すように表される。また、図３１（ｂ）に示される投入電力Ｐｉを投入した場合におけるプリント基板１０１のＳｉ基板１直下部の温度Ｔ（℃）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図３１（ｄ）に示すように表される。図３１（ａ）（ｂ）は、図３０（ａ）（ｂ）と同様である。図３１（ｃ）（ｄ）に示すように、５０ｍＷの投入電力Ｐｉを０．０３秒だけ投入した後に２９ｍＷの投入電力Ｐｉを投入した場合でも、Ｓｉ基板１の中央部の温度Ｔやプリント基板１０１のＳｉ基板１直下部の温度Ｔは、約３０℃程度までしか上昇しない。すなわち、梁構造体Ｂの直下部にはキャビティＣが形成されているため、Ｓｉ基板１やプリント基板１０１は加熱による影響を殆ど受けない。
【００６３】
（タイミングチャート例）
第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサへの投入電力Ｐｉ（ｍＷ）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図３２（ａ）に示すように表される。また、図３２（ａ）に示される投入電力Ｐｉを投入した場合における梁構造体Ｂの温度Ｔ（℃）の時間t（ｓｅｃ）との関係を示すグラフは、図３２（ｂ）に示すように表される。ここでは、温度測定方法として、マイクロヒータ２の抵抗値（例えばＰｔ抵抗値）を温度に換算する方法を説明する。図３２（ａ）（ｂ）に示すように、相対的に大きな電力である第１の電力（例えば５０ｍＷ）を第１の期間Ｔ１だけ投入した後、相対的に小さな電力である第２の電力（例えば２５ｍＷ、２９ｍＷ）を第２の期間Ｔ２だけ投入する。この場合、第２の期間Ｔ２に限界電流式ガスセンサのデータを読み取り、第２の期間Ｔ２が経過した後、第３の期間Ｔ３だけ電力の投入を停止するのが望ましい。具体的には、時間ｔが０．１秒〜０．２秒の期間Ｔ４にセンサ抵抗値およびＰｔ抵抗値を読み取り、時間ｔが０．２秒時点でマイクロヒータ２をオフにして電力の投入を停止するようになっている。
【００６４】
図３２（ａ）に示される投入電力Ｐｉを投入した場合におけるＰｔ抵抗測定例を示す模式的ブロック構成は、図３３に示すように表される。図３３に示すように、マイクロヒータ２の抵抗をＲ、抵抗１１１の抵抗をｒ、定電流源１１２から出力される電流をｉ、電圧読み取り部１１３の読み取り電圧をｖとすると、Ｒ＝ｒｖ／（ｒｉ−Ｖ）となる。測定温度と目標温度との差により、測定したセンサ抵抗値を補正することで、センサ値の精度を向上させることができる。
【００６５】
（低消費電力化アプリケーション例）
第３の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの間欠動作例を示すグラフは、図３４に示すように表される。例えば、限界電流式ガスセンサを自立電源型のセンサネットワークなどに適用する場合は、投入可能な電力が限られるため、間欠動作により低消費電力化を図るのが望ましい。そこで、時間ｔが０秒〜０．０３秒である第１の期間Ｔ１は、５０ｍＷの第１の電力を投入する。また、時間ｔが０．０３秒〜０．２秒である第２の期間Ｔ２は、２５ｍＷの第２の電力を投入する。この第２の期間Ｔ２に限界電流式ガスセンサのデータを読み取っておく。更に、時間ｔが０．２秒の時点でマイクロヒータ２をオフにして電力の投入を停止する。このような場合の平均電力は約６ｍＪ程度である。更に、１０秒に１回測定する場合は、平均電力６ｍＪ／１０秒＝０．６ｍＷとなり、また、１００秒に１回測定する場合は、平均電力６ｍＪ／１００秒＝０．０６ｍＷとなる。
【００６６】
以上のように、第３の実施の形態では、ヒータ電力プロファイルに基づいて限界電流式ガスセンサに電力を投入するため、更に消費電力を低減することができる。これにより、測定回数を増やすことができるため、測定精度を向上させることが可能である。このような限界電流式ガスセンサは、投入可能な電力が限られる自立電源型のセンサネットワークなどに適用する場合、特に効果的である。
【００６７】
なお、ここでは、第１の電力を５０ｍＷ、第２の電力を２５ｍＷまたは２９ｍＷとしているが、もちろん、これらの値は例示である。第１の電力は、測定温度（例えば５００℃）に短時間で到達可能な電力であって、第２の電力と比較して相対的に大きな電力であれば良い。また、第２の電力は、測定温度（例えば５００℃）が安定する電力であって、第１の電力と比較して相対的に小さな電力であれば良い。第１の期間Ｔ１、第２の期間Ｔ２、第３の期間Ｔ３の長さについても適宜変更することが可能である。
【００６８】
[第４の実施の形態]
第４の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのマイクロヒータ２の模式的平面パターン構成は、図３５（ａ）に示すように表される。また、図３５（ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造は、図３５（ｂ）に示すように表される。図３５（ａ）（ｂ）に示すように、キャビティＣ上に梁構造のマイクロヒータ２が形成され、加熱部Ｂ１を加熱する。このようなマイクロヒータ２は、以下のプロセスフローにより形成することができる。
【００６９】
まず、Ｓｉ基板１上に３ｕｍ−ＰＳＧ（Phosphorus Silicon Glass）１２３を形成し、ＳｉＮを形成し、ＳｉＮパターニングを行う（heavily doping部はＳｉＮ除去）。次に、Polysiliconを形成し、例えば約１０００℃程度の熱処理によりpolysiliconへphosphorを拡散してheavily doped polysilicon１２１にする。ＳｉＮがある部分はLightly doped polysilicon１２２にする（undoped）。更に、センサ構造（具体的には、ＳｉＯ2印刷膜やＡｌ2Ｏ3印刷膜などの絶縁膜３、ＹＳＺ膜などの固体電解質層４、Ｐｔポーラス電極などの多孔質電極５ａ・５ｂ）を形成し、ＢＨＦ（５:１）でＰＳＧエッチチングして梁構造を形成する。
【００７０】
以上のように、第４の実施の形態によれば、キャビティＣ上に梁構造のマイクロヒータ２を容易に形成することができる。
【００７１】
[第５の実施の形態]
第５の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのマイクロヒータ２の模式的平面パターン構成は、図３６（ａ）に示すように表される。また、図３６（ａ）のＶ−Ｖ線に沿う模式的断面構造は、図３６（ｂ）に示すように表される。以下のプロセスフローによりマイクロヒータ２を形成するようにしても良い。
【００７２】
まず、Ｓｉ（１００）基板１上にＳｉＯ2／ＳｉＮ／ＳｉＯ2の多層絶縁膜である支持部１００を形成し、その上に印刷Ｐｔヒータ（マイクロヒータ２）を形成する。次に、マイクロヒータ２の上にセンサ構造（具体的には、ＳｉＯ2印刷膜やＡｌ2Ｏ3印刷膜などの絶縁膜３、ＹＳＺ膜などの固体電解質層４、Ｐｔポーラス電極などの多孔質電極５ａ・５ｂ）を形成する。更に、ＴＭＡＨ溶液を用いてＳｉ基板１を異方性エッチングすることによりキャビティＣを形成する。
【００７３】
以上のように、第５の実施の形態によれば、キャビティＣ上に梁構造のマイクロヒータ２を容易に形成することができる。
【００７４】
[パッケージ]
第１〜第５の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを収容するパッケージの蓋１３１を示す模式的鳥瞰構成は、図３７に示すように表される。図３７に示すように、パッケージの蓋１３１には、ガスが通過可能な多数の貫通穴１３２が形成されている。多孔質材でパッケージの蓋１３１を形成するようにしても、同様の効果を得ることができる。
【００７５】
第１〜第５の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを収容するパッケージの本体１４１を示す模式的鳥瞰構成は、図３８に示すように表される。図３８に示すように、パッケージの本体１４１には、複数の端子を備えた限界電流式ガスセンサのチップ１４２が収容され、複数のボンディングワイヤ１４３により電気的に接続されている。パッケージの本体１４１の上部に蓋１３１を被せ、半田によりプリント基板１０１などに実装する。
【００７６】
[エナジーハーベスタ電源を用いたセンサノードの構成例]
第１〜第５の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ（センサノード）は、図３９に示すように、センサ類１５１と、無線モジュール１５２と、マイコン１５３と、エナジーハーベスタ電源１５４と、蓄電素子１５５とを備える。センサ類１５１の構成は、第１〜第５の実施の形態で説明した通りである。無線モジュール１５２は、無線信号を送受信するＲＦ回路などを備えたモジュールである。マイコン１５３は、エナジーハーベスタ電源１５４のマネジメント機能を備え、エナジーハーベスタ電源１５４からの電力をセンサ類１５１に投入する。このとき、マイコン１５３は、センサ類１５１における消費電力を省電力化するヒータ電力プロファイルに基づいて電力を投入しても良い。例えば、相対的に大きな電力である第１の電力を第１の期間Ｔ１だけ投入した後、相対的に小さな電力である第２の電力を第２の期間Ｔ２だけ投入しても良い。また、第２の期間Ｔ２にデータを読み取り、第２の期間Ｔ２が経過した後、第３の期間Ｔ３だけ電力の投入を停止しても良い。エナジーハーベスタ電源１５４は、太陽光や照明光、機械の発する振動、熱などのエネルギーを採取し、電力を得る。蓄電素子１５５は、電力を蓄電することが可能なリチウムイオン蓄電素子などである。
【００７７】
以下、このようなセンサノードの動作について説明する。まず、図３９中の（１）に示すように、エナジーハーベスタ電源１５４からの電力がマイコン１５３に供給される。これにより、マイコン１５３は、図３９中の（２）に示すように、エナジーハーベスタ電源１５４からの電圧を昇圧する。次に、図３９中の（３）に示すように、蓄電素子１５５の電圧を読み取った後、図３９中の（４）（５）に示すように、蓄電素子１５５への電力供給や、蓄電素子１５５からの電力引き出しを行う。次に、図３９中の（６）に示すように、ヒータ電力プロファイルに基づいてセンサ類１５１に電力を投入し、図３９中の（７）に示すように、センサ抵抗値およびＰｔ抵抗値などのデータを読み取る。次に、図３９中の（８）に示すように、無線モジュール１５２に電力を供給し、図３９中の（９）に示すように、センサ抵抗値およびＰｔ抵抗値などのデータを無線モジュール１５２に送る。最後に、図３９中の（１０）に示すように、無線モジュール１５２によってセンサ抵抗値およびＰｔ抵抗値などのデータが無線送信される。
【００７８】
[センサネットワーク]
第１〜第５の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを適用したセンサネットワークの模式的ブロック構成は、図４０に示すように表される。図４０に示すように、センサネットワークとは、多数のセンサを相互に接続したネットワークである。すでに、工場、医療／ヘルスケア、交通、建設、農業、環境管理など、様々な分野でセンサネットワークを利用した新しい取り組みが始まっている。これらの分野では、耐久性の高いセンサを使用することが望まれるため、第１〜第５の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ（例えば、湿度センサ）を適用するのが望ましい。このような湿度センサは、ジルコニアを使用しているため、耐久性に優れている。そのため、信頼性の高いセンサネットワークを提供することが可能である。
【００７９】
以上説明したように、本発明によれば、消費電力を低減することが可能な限界電流式ガスセンサ、限界電流式ガスセンサの製造方法、およびセンサネットワークシステムを提供することができる。
【００８０】
[その他の実施の形態]
上記のように、第１〜第５の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。
【００８１】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。例えば、ジルコニアに代えてＮＡＳＩＣＯＮ（Na Super Ionic Conductor）を固体電解質層４に用いれば、二酸化炭素の濃度を検出することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００８２】
本発明の限界電流式ガスセンサは、酸素センサや湿度センサに適用することができる。また、このようなセンサは、自動車の排ガス用やセンサネットワーク用に応用することができる。
【符号の説明】
【００８３】
１…Ｓｉ基板
２…マイクロヒータ
４…固体電解質層
５ａ…多孔質電極（陰極）
５ｂ…多孔質電極（陽極）
６…多孔質膜
６ａ…多孔質膜の表面
８…検出回路
１００…支持部
１５３…マイコン
１５４…エナジーハーベスタ電源
Ｂ…梁構造体
Ｃ…キャビティ
Ｔ１…第１の期間
Ｔ２…第２の期間
Ｔ３…第３の期間
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３５】
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【図３６】
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【図４０】
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