(57)【要約】      （修正有）【課題】寿命の向上と同時に水素ガスに対する初期感度を向上させた、改良された水素ガス感知半導体センサを提供する。【解決手段】本発明は、触媒金属層（１）、半導体層（２）、および触媒金属層（１）と半導体層（２）との間に配置された絶縁層（３）を含む水素ガス感知半導体センサに関する。触媒金属層（１）には、外面（４）、および少なくとも１つの水素原子吸着表面部（８）を含む内面（７）が含まれる。各水素原子吸着表面部（８）は、絶縁層（３）に隣接して配置されている。外面（４）の表面面積は、少なくとも１つの水素原子吸着表面部（８）全ての全表面面積より少なくとも１００％大きい。本発明はまた、センサを含むプローブ、センサを含む水素ガス検出システム、ならびにガスサンプルにおける水素ガスの存在の検出および／または濃度の測定のためのセンサの使用に関する。【選択図】図６
2008209373.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒金属層（１）、半導体層（２）、および前記触媒金属層（１）と前記半導体層（２）との間に配置された絶縁層（３）を備えて構成され、前記触媒金属層（１）が外面（４）および内面（７）を有し、そして前記外面（４）が周囲雰囲気と自由に連通するように構成された水素ガス感知半導体センサにおいて、
前記内面（７）が、少なくとも１つの水素原子吸着表面部（８）を含み、そして各水素原子吸着表面部（８）が、前記絶縁層（３）に隣接して配置されていることと、
前記外面（４）の表面面積が、前記内面（７）の前記少なくとも１つの水素原子吸着表面部（８）全ての全表面面積より少なくとも１００％大きいことと、
を特徴とする水素ガス感知半導体センサ。
【請求項２】
前記外面（４）の表面面積が、前記内面（７）の前記少なくとも１つの水素原子吸着表面部（８）全ての全表面面積よりも少なくとも５００％大きいことを特徴とする、請求項１に記載の水素ガス感知半導体センサ。
【請求項３】
前記外面（４）の表面面積が、前記内面（７）の前記少なくとも１つの水素原子吸着表面部（８）全ての全表面面積より少なくとも５０００％大きいことを特徴とする、請求項１または２に記載の水素ガス感知半導体センサ。
【請求項４】
前記触媒金属層（１）の上面（５）が、表面拡張構造（１０）を付与されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の水素ガス感知半導体センサ。
【請求項５】
前記内面（７）が１つの水素原子吸着表面部（８）を含むことを特徴とする、請求項４に記載の水素ガス感知半導体センサ。
【請求項６】
前記内面（７）が少なくとも１つの水素原子吸着抑制表面部（９）をさらに含み、そして水素原子吸着抑制材料層（１１）が、各水素原子吸着抑制表面部（９）と前記絶縁層（３）との間に挟まれ、そして各水素原子吸着抑制表面部（９）が、水素原子吸着抑制材料層（１１）に隣接して配置され、そして前記水素原子吸着抑制材料層（１１）の厚さが、０．００１〜０．３μｍであることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の水素ガス感知半導体センサ。
【請求項７】
前記センサが、少なくとも２つの水素原子吸着抑制材料層（１１）を含むことと、前記水素原子吸着抑制材料層（１１）の全てが、同じ水素原子吸着抑制材料であることとを特徴とする、請求項６に記載の水素ガス感知半導体センサ。
【請求項８】
前記センサが、少なくとも２つの水素原子吸着抑制材料層（１１）を含むことと、前記水素原子吸着抑制材料層（１１）の少なくとも２つが、異なる水素原子吸着抑制材料であることとを特徴とする、請求項６に記載の水素ガス感知半導体センサ。
【請求項９】
前記水素原子吸着抑制材料が、非触媒金属または非触媒合金であることを特徴とする、請求項６〜８のいずれか一項に記載の水素ガス感知半導体センサ。
【請求項１０】
前記水素原子吸着抑制材料が、アルミニウム、アルミニウム合金またはクロムであることを特徴とする、請求項９に記載の水素ガス感知半導体センサ。
【請求項１１】
前記センサが、金属・絶縁体・半導体電界効果デバイスであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の水素ガス感知半導体センサ。
【請求項１２】
前記センサがショットキー障壁デバイスであることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の水素ガス感知半導体センサ。
【請求項１３】
ガスサンプルにおける水素ガス分子の存在を検出するための、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の水素ガス感知半導体センサの使用。
【請求項１４】
ガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度を測定するための、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の水素ガス感知半導体センサの使用。
【請求項１５】
請求項１〜１２のいずれか一項に記載の水素ガス感知半導体センサを備えて構成されることを特徴とする水素ガス検出用プローブ。
【請求項１６】
プローブおよび測定ユニットを備えて構成される水素ガス検出システムであって、前記プローブが請求項１〜１２のいずれか一項に記載の水素ガス感知半導体センサを有することを特徴とするシステム。
【請求項１７】
前記システムが水素ガス源をさらに有することを特徴とする、請求項１６に記載の水素ガス検出システム。
【請求項１８】
前記システムがガスコントローラをさらに有することを特徴とする、請求項１６または１７に記載の水素ガス検出システム。
【請求項１９】
前記システムがテスト対象物用の取付具をさらに有することを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の水素ガス検出システム。
【請求項２０】
前記システムがガス圧力調整器をさらに有することを特徴とする、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の水素ガス検出システム。
【請求項２１】
前記システムが取付具コントローラをさらに有することを特徴とする、請求項１６〜２０のいずれか一項に記載の水素ガス検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブルによる水素ガス感知半導体センサに関する。さらに、本発明は、ガスサンプルにおける水素ガス分子の存在を検出するために本発明による水素ガス感知半導体センサを用いることと同様に、ガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度を測定するために本発明による水素ガス感知半導体センサを用いることに関する。さらに、本発明は、本発明による水素ガス感知半導体センサを含むプローブ、および本発明による水素ガス感知半導体センサを含む水素ガス検出システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスサンプルにおける特定のガス原子または分子の検出は、現在、たとえば質量分析計およびガスクロマトグラフのような複合技術システムから、たとえばガスの熱伝導率を測定するセンサのような小さくて比較的簡単なセンサに及ぶ多数の異なる装置のいずれかを用いて、実行できる。これらの装置のほとんどが、ガス原子または分子の物理的または化学的特性を測定することに基づいているのに対して、これらの中には、代りに、特定のガス原子または分子の実際の存在を測定することに基づいているものがある。
【０００３】
たとえば、ガスサンプルにおける特定のガス分子の検出に使用することができ、かつ特定のガス分子の実際の存在を測定することに基づいている一装置が、特許文献１に説明されている。より具体的には、特許文献１は、水素ガスの検出に使用できるガス感知センサを説明している。
【０００４】
水素ガスを検出する装置の利用が、必要か、有用か、または望ましい様々な用途がある。たとえば、かかる装置は、水素ガスを用いるシステムの漏れ検出器としてか、テストのためおよび／または漏れを突き止めるためのトレーサガスとして水素ガスを用いるシステムおよび方法の漏れ検出器としてか、またはたとえば、水素ガスもしくは水素ガス含有ガス混合物を用いる産業（石油化学工業、電気化学工業、ガス工場など）内で、爆発を防ぐ目的で、水素ガスの存在を示すアラーム検出器として利用できる。
【０００５】
特許文献１で説明されているガス感知センサには、金属電極を構成する触媒金属層、半導体層、および触媒金属層と半導体層との間に配置された絶縁層が含まれる。このセンサには半導体構造が含まれるので、それは、本明細書において、ガス感知半導体センサとして表示される。触媒金属層は、白金金属のパラジウム、ニッケルおよび白金、または原子量で少なくとも２０％のパラジウムを含有する合金のいずれかで作製される。
【０００６】
水素ガス検出用の、特許文献１の半導体センサの動作原理は、次の事実に基づいている。すなわち、白金金属のいくつか、特にパラジウムが、その表面で、水素ガス分子を吸着し、吸着した水素ガス分子を解離して分解し、このように形成された水素原子の浸透を可能にして、その表面に水素原子を吸着できるということである。用語「触媒金属」は、水素ガス分子を解離し、このように形成された水素原子を吸収できる金属または合金を示すために、本明細書では用いられる。
【０００７】
ここで、特許文献１の半導体センサの基本動作原理を、センサが水素ガスの検出のために利用される場合に対して説明する。特許文献１の半導体センサが水素ガス分子に曝されると、触媒金属層は、周囲雰囲気と自由に連通するように構成されたその外面に、いくらかの分子を吸着できる。次に、吸着された水素ガス分子は、外面で解離され、このように形成された水素原子が、触媒金属層に吸収され得る。続いて、吸収された水素原子のいくらかが、触媒金属層を通した拡散の後で、触媒金属層と絶縁層との間の界面で吸着される。
【０００８】
さらに、触媒金属層と絶縁層との間の界面で吸着された水素原子が分極されて、正側が絶縁層に面することが、十分に確証されている（非特許文献１）。分極化は、水素双極子が生成されることを意味する。水素双極子は、触媒金属層の有効仕事関数をシフトさせる電界を生成する。触媒金属層の有効仕事関数のシフトの結果として、半導体センサの電気的機能が影響を受ける。すなわち、半導体センサの特性において電圧シフトが生成され、この影響が、水素ガスの検出のために利用される。この感知原理は、本明細書において「水素双極子トランスデューサ原理」と呼ばれる。
【０００９】
触媒金属層と絶縁層との間の界面で吸着された水素原子によって生成された、触媒金属層の有効仕事関数のシフトは、ガスサンプルにおける水素ガスの存在を検出するためだけでなく、ガスサンプルにおける水素ガスの濃度を測定するためにも利用できる。シフトの大きさは、単位面積ごとに吸着される水素原子の数、すなわち、触媒金属層と絶縁層との間の界面における水素原子の密度よって決定される。ガスサンプルにおける水素ガス分子の量、および触媒金属層と絶縁層との間の界面で吸着される水素原子の量が、ある時間後に平衡するので、平衡シフトの大きさを、ガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度の基準として利用できる。しかしながら、ガスサンプルにおける水素ガス分子の量と、触媒金属層および絶縁層間の界面で吸着される水素原子の量との間で達成される平衡までの時間は、通常、比較的長い。その理由で、平衡シフトが達成される前に、有効仕事関数がシフトする割合、すなわち出力信号がシフトする割合を、ガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度の基準として利用するのが好ましい。さらに、ガスサンプルにおける水素ガス分子のある濃度における、有効仕事関数のシフト割合の大きさおよび平衡シフトの大きさは、もちろん、水素ガス分子に対するセンサの感度に依存する。
【００１０】
特許文献１のセンサと同じ動作原理に基づいて、すなわち、いわゆる水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサが、本明細書において、「水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサ」として表示される。
【００１１】
水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサは、約１５０℃までの温度で動作する場合に、水素ガスに対して非常に高い選択性を有することが知られている。しかしながら、かかるセンサがまた、より高温で動作する場合に、アルコールおよび不飽和炭化水素など、他のガス状の水素含有分子にも高感度を有することが示されている。たとえば、１５０℃を超える温度で動作する場合に、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作するセンサの、メタノールおよびエタノールに対する感度が示されている（非特許文献２）。次に、水素ガス分子と同じ方法で、かかるガス状の水素含有分子は、触媒金属層の外面で吸着されて解離され、このように形成された水素原子が、触媒金属層に吸収される。
【００１２】
したがって、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する半導体センサは、水素ガス分子の検出だけでなく、他のガス状の水素含有分子の検出のためにも利用できる。しかしながら、かかるセンサが水素ガスの検出のために利用されることになる場合には、これらのセンサは、１５０℃未満の温度で動作させて、水素ガスに対するできるだけ高い選択性を取得し、かつより高温で動作する場合にセンサが敏感になる他のガス状の水素含有分子への感度を避けるようにするのが好ましい。
【００１３】
水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する特定の水素ガス感知半導体センサの、水素ガス分子に対する特有の感度は、触媒金属層の触媒特性、すなわち外面で水素ガス分子を解離し、このように形成された水素原子を吸収する触媒金属層の能力に依存する。触媒金属層の触媒特性がなぜ感度に影響するかの理由は、もちろん、その特性が、単位面積ごとに吸着可能な水素原子の数、すなわちガスサンプルにおける水素ガスのある濃度における、触媒金属層と絶縁層との間の界面の水素双極子の密度に影響するということである。
【００１４】
しかしながら、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの感度は、たとえば触媒金属層の外面における酸化によって低下される可能性がある。半導体センサの周囲の酸素が、触媒金属層の外面に吸着するかまたは結合する可能性がある。そして、触媒金属層の外面に水素ガス分子が吸着可能な吸着箇所の数が、触媒金属層の外面で酸素分子および原子の数が増加するのと同時に、低減される。水素ガス分子が吸着可能な吸着箇所の数が低減されると、ガスサンプルにおける水素ガスのある濃度において、触媒金属層の外面で吸着および解離可能な水素ガス分子の数、および触媒金属層に吸収され得る水素原子の数が、低減される。それにより、ガスサンプルにおける水素ガスのある濃度において、触媒金属層と絶縁層との間の界面における単位面積ごとに吸着可能な水素原子の数、すなわち達成可能な水素双極子の数が、低減される。これは、そのときに感度が弱められることを意味する。
【００１５】
水素ガスに関連して分析されるほとんどのガスサンプルには、空気または酸素ガスが含まれる。そのために、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの感度における上述の低下は、しばしば生じる。
【００１６】
さらに、触媒金属層の外面に吸着するかまたは結合し、そして、酸素と同じ方法で感度に影響する可能性のある他の汚染物質がまた存在する。かかる汚染物質の一例が酸化炭素であり、これはまた、多くのガスサンプルに存在する。さらに、硫化水素は、触媒金属層の外面に結合する可能性がある。
【００１７】
酸素および／または他の汚染物質が外面に吸着するかまたは結合する可能性があるかかる検出条件下で、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサを利用する場合には、センサの感度は、外面における酸化または他の汚染物質による汚染のために、センサが古くなると共に典型的には衰える。通常、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命は、かかる検出条件下では実質的に低下する。
【００１８】
酸素および他の汚染物質による感度の低下を防ぐ一方法は、センサがテストするガスサンプルを、酸素および他の汚染物質から浄化することである。そして、酸素および他の汚染物質による感度へのどんな影響も実質的に防止され、センサの寿命が向上される。しかしながら、かかる浄化は、実行するのが比較的困難で複雑であり、そうするならばサンプル準備の余分なステップが分析手順に加えられるので、結果として全分析時間が長くなる。
【００１９】
酸素および他の汚染物質による感度の低下を防ぐ別の方法が、特許文献２に説明されている。特許文献２に説明されている方法によれば、半導体センサは、検出期間中にガスサンプルに曝される。無視できる量の酸素、水素および一酸化炭素を含む周囲の前処理ガス雰囲気に半導体センサが保持される期間が、各検出期間に先行する。前処理期間は検出期間よりずっと長い。前処理期間中の結果として、先行する検出期間中に触媒金属層の外面に吸着された実質的に全ての酸素および一酸化炭素が、もしあれば、除去される。そして、酸素および他の汚染物質による、感度への上述の影響は実質的に防止され、センサの寿命が向上される。しかしながら、この方法は、半導体センサを囲む雰囲気の変更のための設備を用いることを必要とする。
【００２０】
したがって、酸素および他の汚染物質による感度の低下を防ぐ上述の２つの方法は、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命を向上させるために利用できる。しかしながら、これらの２つの方法は、かかるセンサの初期感度は向上させない。水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命ができるだけ長いだけでなく、初期感度ができるだけ高いことが、ほとんどの用途にとって好ましいかまたは必要とされる。本明細書において、用語「初期感度」は、センサの初期使用中の初期期間におけるセンサの感度、すなわち以前に用いられていない「新しい」センサの感度を指す。
【００２１】
水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命の向上と同様に初期感度の向上は、もちろん、触媒金属層の触媒特性を修正することによって達成してもよい。寿命と同様に初期感度を向上させるために、水素双極子原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサにおける触媒金属層の触媒特性を修正する一方法は、より高い初期感度をセンサに付与する別の触媒金属を利用することである。しかしながら、ほとんどのかかるセンサでは、水素ガス感知半導体センサに最も高い初期感度を付与することで知られている触媒金属が、今日既に用いられている。寿命と同様に初期感度を向上させるために、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサにおける触媒金属層の触媒特性を修正する別の方法は、水素ガス検出中に外面の温度を上昇させることである。温度が１５０℃を超えて上昇すると、水素ガスに対する感度が向上することが知られている。しかしながら、温度が１５０℃を超えて上昇すると、水素ガスに対する選択性が低減し、そのときには上述のものなどの他のガス状の水素含有分子に対する感度が向上する。
【００２２】
【特許文献１】スウェーデン特許第３８７４４４号明細書
【特許文献２】米国特許第６，４８４，５６３号明細書
【非特許文献１】Lundstroem, I.,（ルンドストローム Ｉ．）、Sensors and Actuators １、４０３（１９８１）
【非特許文献２】Ackelid, U.（アッケリッド Ｕ．）ら、Metal-Oxide-Semiconductor structures with thermally activated sensitivity to ethanol vapour and unsaturated hydrocarbons、Proc.２ｎｄ Int. Meet．、Chemical Sensors、Bordeaux １９８６、ｐｐ３９５〜３９８
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させる信頼できる方法の必要がやはり存在する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明の目的は、寿命の向上と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させた水素ガス感知半導体センサを提供することであるが、このセンサには、触媒金属層、半導体層、および触媒金属層と半導体層との間に配置された絶縁層が含まれ、そして、触媒金属層には外面および内面が含まれ、そして、外面は、周囲雰囲気と自由に連通するように構成されている。
【００２５】
この目的は、請求項１の特徴部分に従って達成される。
【００２６】
内面には少なくとも１つの水素原子吸着表面部が含まれ、そして、各水素原子吸着表面部が絶縁層に隣接して配置されていることと、外面の表面面積が、内面の少なくとも１つの水素原子吸着表面部全ての全表面面積より少なくとも１００％大きいこととのおかげで、寿命の向上と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させた水素ガス感知半導体センサを実現することが可能である。
【００２７】
本発明のさらなる目的は、寿命の向上と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させた水素ガス感知半導体センサを含む水素ガス検出用プローブを提供することであるが、このセンサには、触媒金属層、半導体層、および触媒金属層と半導体層との間に配置された絶縁層が含まれ、そして触媒金属層には外面および内面が含まれ、そして外面は、周囲雰囲気と自由に連通するように構成されている。
【００２８】
この目的は、請求項１５の特徴部分に従って達成される。
【００２９】
プローブには水素ガス感知半導体センサが含まれ、この半導体センサにおいて、内面には少なくとも１つの水素原子吸着表面部が含まれ、そして、各水素原子吸着表面部が絶縁層に隣接して配置され、かつこの半導体センサにおいて、外面の表面面積が、内面の少なくとも１つの水素原子吸着表面部全ての全表面面積より少なくとも１００％大きいおかげで、寿命の向上と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させた水素ガス感知半導体センサを含むプローブを実現することが可能である。
【００３０】
本発明の別の目的は、プローブおよび測定ユニットを含む水素ガス検出システムを提供することであるが、このプローブには、寿命の向上と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させた水素ガス感知半導体センサが含まれ、このセンサには、触媒金属層、半導体層、および触媒金属層と半導体層との間に配置された絶縁層が含まれ、そして、触媒金属層には、外面および内面が含まれ、そして、外面は、周囲雰囲気と自由に連通するように構成されている。
【００３１】
この目的は、請求項１６の特徴部分に従って達成される。
【００３２】
水素ガス検出システムには水素ガス感知半導体センサを含むプローブが含まれ、この半導体センサにおいて、内面には少なくとも１つの水素原子吸着表面部が含まれ、そして、各水素原子吸着表面部が絶縁層に隣接して配置され、かつこの半導体センサにおいて、外面の表面面積が、内面の少なくとも１つの水素原子吸着表面部全ての全表面面積より少なくとも１００％大きいおかげで、プローブおよび測定ユニットを含むガス検出システムを実現し、このプローブが、寿命の向上と同様に、水素ガス分子に対する初期感度を向上させた水素ガス感知半導体センサを含むことが可能である。
【００３３】
好ましい実施形態は、従属クレームに列挙する。
【００３４】
本発明のさらに別の目的および特徴は、添付の図面と共に検討される下記の詳細な説明から明らかになるであろう。しかしながら、図面が、本発明の範囲の定義としてではなく、もっぱら例証のためにデザインされ、本発明の範囲のためには添付の特許請求の範囲を参照すべきことを理解されたい。図面が、必ずしも一定の縮尺率で描かれていないこと、および別に示していなければ、図面が、本明細書で説明する構造を概念的に例証するように意図されているだけであることを、さらに理解されたい。
【００３５】
図面において、同様の参照文字は、いくつかの図面の全体を通して同様の要素を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
図１は、先行技術のガス感知半導体センサの基本構造および基本動作原理の概略断面図であるが、このセンサは、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作し、かつ水素ガスの検出のために利用できる。水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する先行技術の水素ガス感知半導体センサは、ほとんど、図１に示す基本構造を含むか、またはそれに基づいて構成されている。たとえば、それは、ＳＥ３８７４４４の半導体センサの基本構造を表わす。水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する先行技術の水素ガス感知半導体センサには、触媒金属層１、半導体層２、および触媒金属層１と半導体層２との間に配置された絶縁層３が含まれる。触媒金属層１には、周囲雰囲気、すなわちセンサを囲む雰囲気または触媒金属層１を囲む雰囲気と物理的に接触しかつ自由に連通するように構成された外面４が含まれる。したがって、外面４は、周囲雰囲気に対して触媒金属層１の境界を画定し、また周囲雰囲気から水素ガス分子を吸着して、吸着した水素ガス分子を解離するように構成されている。外面４には、周囲雰囲気と物理的に接触しかつ自由に連通するように構成された触媒金属層１の全ての表面部が含まれる。
【００３７】
さらに、触媒金属層１は上面５および側面６を有するが、そこで用語「上」および「側」は、半導体センサの基本構造が図１に示す向きを有する場合に、面５および面６の位置をそれぞれ示すために用いられる。したがって、半導体センサの基本構造が図１に示す向きを有する場合に、側面６は、水平方向における触媒金属層１の境界を画定する、触媒金属層１の面である。触媒金属層１がある厚さを有するために、触媒金属層１には側面６が含まれる。水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する先行技術の水素ガス感知半導体センサにおいて、上面５の全体および側面６の全体が、周囲雰囲気と物理的に接触しかつ自由に連通するように構成されている。したがって、外面４には、周囲雰囲気と物理的に接触しかつ自由に連通するように構成された触媒金属層１の全ての表面部が含まれるので、それゆえ外面４には、上面５の全体と同様に側面６の全体も含まれる。
【００３８】
さらに、触媒金属層１には内面７が含まれるが、内面７は、周囲雰囲気と物理的に接触せず、かつ自由に連通しないように構成されている。すなわち、内面７は、周囲雰囲気から水素ガス分子を吸着することができない。水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作し、かつ図１に示す基本構造を有する周知の水素ガス感知半導体センサにおいて、上面５の表面面積は、内面７の表面面積と実質的に等しい。しかしながら、外面４が、上面５と同様に側面６も含むという事実にもかかわらず、外面４の表面面積がまた、内面７の表面面積と実質的に等しい。これは、触媒金属層１が非常に薄く、そのために側面６の表面面積が、上面５の表面面積と比較して非常に小さいためである。通常は、触媒金属層１は、薄膜技術によって作製される。
【００３９】
先行技術のセンサの内面７には、水素原子吸着表面部８が含まれるが、この表面部８は、絶縁層３にもたれるかまたは少なくとも隣接して配置されている。すなわち、水素原子吸着表面部８と絶縁層３との間に、さらなる構成要素はない。本明細書において、用語「水素原子吸着表面部」は、絶縁層３にもたれるかまたは少なくとも隣接して配置された表面部を指す。水素原子は、水素原子吸着表面部８で吸着され得る。またはより具体的には、水素原子は、水素原子吸着表面部８と絶縁層３との間の界面における水素原子の吸着箇所で吸着され得る。
【００４０】
先行技術のセンサでは、水素原子吸着表面部８は、内面７の約５５％を構成する。したがって、内面７の約５５％は、絶縁層３にもたれるかまたは少なくとも隣接して配置されている。内面７の残りの表面部（単複）、すなわち内面７の約４５％は、接触フレーム等（図示せず）に隣接して配置されている。したがって、外面４および内面７の表面面積が実質的に等しいので、先行技術のセンサにおける外面４の表面面積は、水素原子吸着表面部８の表面面積より約８０％大きい。
【００４１】
図解のために、図１において、水素ガス分子はＨ−Ｈで表示し、水素原子はＨで表示している。
【００４２】
図１に示す基本構造を有する水素ガス感知半導体センサの基本動作原理を、ここで説明する。水素ガス分子が、図１に示す基本構造を有する水素ガス感知半導体センサを囲む雰囲気に存在する場合には、いくらかの水素ガス分子が、触媒金属層１の外面４に吸着し得る。次に、吸着された水素ガス分子は、外面４で解離され、このように形成された水素原子が、触媒金属層１に吸収され得る。続いて、吸収された水素原子のいくらかが、触媒金属層１を通して拡散した後で、触媒金属層１と絶縁層３との間の界面、すなわち触媒金属層１における内面７の水素原子吸着表面部８で吸着される。
【００４３】
触媒金属層１と絶縁層３との間の界面、すなわち内面７の水素原子吸着表面部８で吸着された水素原子は分極され、そして、水素双極子が生成される。これを図２に概略的に示す。水素双極子は、触媒金属層１の有効仕事関数をシフトさせる電界を生成する。触媒金属層１の有効仕事関数のシフトの結果として、半導体センサの電気的な機能が影響される。すなわち、半導体センサの特性における電圧シフトが生成され、この影響を、ガスサンプルにおける、水素ガス分子の存在の検出および／または水素ガス分子の濃度の測定のために利用できる。シフトの大きさは、単位面積ごとに吸着される水素原子の数、すなわち水素原子吸着表面部８またはより具体的には水素原子吸着表面部８と絶縁層３との間の界面における水素双極子の密度によって、決定される。
【００４４】
センサを囲む雰囲気における水素ガス分子の量、および水素原子吸着表面部８における水素双極子の密度は、ある時間後に平衡するので、触媒金属層１の有効仕事関数の平衡シフトを利用して、センサを囲む雰囲気、すなわちガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度を測定できる。しかしながら、センサを囲む雰囲気における水素ガス分子の量と水素原子吸着表面部８における水素双極子の密度との間で、平衡が達成されるまでの時間は、通常、比較的長い。その理由で、有効仕事関数がシフトする割合、すなわち平衡シフトが達成される前に出力信号がシフトする割合を、センサを囲む雰囲気すなわちガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度の測定に利用するのが好ましい。
【００４５】
水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する先行技術の水素ガス感知半導体センサは、電界効果トランジスタとして実現されるのが普通である。次に、水素原子は、触媒金属層１における内面７の水素原子吸着表面部８の全体で吸着され得るが、しかしチャネルに配置された水素原子吸着表面部８の部分で吸着された水素原子だけが、センサの特性における電圧シフトに影響する。これは、以下でさらに説明する。
【００４６】
図３〜６は、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する、本発明による水素ガス感知半導体センサの異なる実施形態の基本構造を示す。本発明による水素ガス感知半導体センサには、全ての実施形態において、触媒金属層１、半導体層２、および触媒金属層１と半導体層２との間に配置された絶縁層３が含まれる。触媒金属層１には、周囲雰囲気、すなわちセンサを囲む雰囲気または触媒金属層１を囲む雰囲気と物理的に接触しかつ自由に連通するように構成された外面４が含まれる。したがって、外面４は、周囲雰囲気に対して触媒金属層１の境界を画定し、また周囲雰囲気から水素ガス分子を吸着して、吸着した水素ガス分子を解離するように構成されている。外面４には、周囲雰囲気と物理的に接触しかつ自由に連通するように構成された触媒金属層１の全ての表面部が含まれる。
【００４７】
用語「触媒金属」は、水素ガス分子を解離し、かつこのように形成された水素原子を吸収できる金属または合金を表示するために、本明細書で用いられる。この定義によれば、本発明によるセンサの触媒金属層１における触媒金属の非限定的な例は、白金金属のパラジウム、白金およびイリジウム、またはこれらの金属の少なくとも１つを含む合金のいずれかである。触媒金属を構成可能な合金の非限定的な例は、銀およびパラジウムを含む合金、またはニッケルおよびパラジウムを含む合金である。
【００４８】
本発明によるセンサの触媒金属層１は上面５および側面６を有するが、そこで用語「上」または「側」は、センサの基本構造が図３〜６に示す向きを有する場合に、面５および面６の位置をそれぞれ示すために用いられる。好ましくは、本発明によるセンサの外面４には、上面５の全体および側面６の全体の両方が含まれる。しかしながら、側面６は、それが周囲雰囲気と自由に連通することを完全にまたは部分的に制限されるように、変形においてはセンサの他のある構成要素（単複）によって完全にまたは部分的に覆われる場合がある。そこで、外面４には、上面５、およびもしあれば周囲雰囲気と自由に連通するように構成された側面６の部分（単複）が含まれる。
【００４９】
さらに、触媒金属層１には内面７が含まれるが、内面７は、周囲雰囲気と物理的に接触せず、かつ自由に連通しないように構成されている。すなわち、内面７は、周囲雰囲気から水素ガス分子を吸着できない。本発明によるセンサにおいて、内面７には、少なくとも１つの水素原子吸着表面部８が含まれる。各水素原子吸着表面部８は、絶縁層３に隣接するかまたはもたれるように配置されている。すなわち、水素原子吸着表面部８と絶縁層３との間に、さらなる構成要素はない。したがって、本発明によるセンサにおいて、内面７には、１つの水素原子吸着表面部８（図３〜４および図６）または１を超える水素原子吸着表面部８（図５）を含むことができる。水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する先行技術の水素ガス感知半導体センサの内面７には、ただ１つの水素原子吸着表面部８（図１）が含まれる。さらに、先行技術のセンサにおけるように、本発明によるセンサの内面７にはまた、接触フレーム等（図示せず）と隣接して配置された１つまたはいくつかの表面部が含まれる。たとえば、接触フレーム等に隣接して配置された表面部（単複）の全表面面積は、先行技術のセンサにおけるように、内面７の表面面積の約４５％を構成してもよい。しかしながら、接触フレーム等に隣接して配置された表面部（単複）の全表面面積が内面７の表面面積を構成するパーセンテージは、変更してもよい。
【００５０】
さらに、本発明によるセンサにおいて、内面７における全ての水素原子吸着表面部８の全表面面積に対する、外面４の表面面積の比率が、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する先行技術の水素ガス感知半導体センサと比較して、実質的に増加されている。先行技術のセンサでは、外面４の表面面積は、上述のように、全ての水素原子吸着表面部８、すなわち１つの水素原子吸着表面部８の全表面面積より約８０％大きい。
【００５１】
内面７の全ての水素原子吸着表面部８の全表面面積に対する、外面４の表面面積の比率が、先行技術のセンサにおけるその比率と比較して、本発明によるセンサでは実質的に増加するという事実は、次のことを意味する。すなわち、内面７の水素原子吸着表面部（単複）８において水素原子を吸着するように構成された箇所の合計数に対する、外面４において水素ガス分子を吸着および解離するように構成された箇所の数の比率が、先行技術のセンサにおけるその比率と比較して、本発明によるセンサでは実質的に増加するということである。
【００５２】
そして、本発明によるセンサは、ガスサンプルにおける水素ガスのある濃度で、初期使用の先行技術のセンサよりも、内面７の水素原子吸着表面部（単複）８において、単位面積ごとに吸着される実質的により多くの水素原子数、すなわちより高い密度の双極子を提供できる。したがって、本発明によるセンサは、先行技術のセンサより実質的に高い初期感度を有し、また実質的に向上した初期感度を備えた水素ガス感知半導体センサが、本発明に従って提供される。
【００５３】
上述のように、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの感度は、酸素および／または他の汚染物質が触媒金属層１の外面４に吸着または結合するために、センサが古くなると共に典型的には衰える。それにより、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命は、酸素および／または他の汚染物質が触媒金属層１の外面４に吸着または結合するために、実質的に低下する。
【００５４】
しかしながら、本発明によるセンサの初期感度が、先行技術のセンサの初期感度と比較して、実質的に向上するという事実はまた、本発明によるセンサの寿命が、先行技術のセンサの寿命と比較して、実質的に向上することを意味する。この事実は、当業者には明らかなはずである。本発明によるセンサの内面７の水素原子吸着表面部（単複）８において水素原子を吸着するように構成された箇所の合計数に対する、外面４において水素ガス分子を吸着および解離するように構成された箇所の数の比率の実質的な増加は、次のことを意味する。すなわち、センサがもはや使用できない程度にまで感度が低下するほど、酸素および／または他の汚染物質が外面４のそれほど多くの箇所を占めるまでの時間が、実質的に長くなるということである。そして、本発明によるセンサの寿命は、先行技術のセンサの寿命と比較して、実質的に向上する。
【００５５】
したがって、本発明によれば、水素ガス感知半導体センサの寿命を向上させるための上記の手段、すなわち、酸素および他の汚染物質からのガスサンプルの浄化、半導体センサを囲む周囲雰囲気の変更または触媒金属層の触媒特性の変更のための設備の使用のどれも、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作する水素ガス感知半導体センサの寿命の向上を得るために必要ではない。しかしながら、本発明によるセンサが、かかる手段のいずれかと組み合わされる場合には、さらに寿命の向上を達成できる。
【００５６】
本発明によるセンサの用途に依存して、センサの利点は、初期感度の向上、寿命の向上または両方の組み合わせになり得る。
【００５７】
さらに、先行技術のセンサおよび本発明によるセンサを、ある使用期間後であるがしかし酸素および／または他の汚染物質が、センサがもはや使用可能ではない程度までそれらのセンサのいずれかの感度を低下させる前に、比較する場合には、水素原子吸着表面部（単複）８において水素原子を吸着するように構成された箇所の合計数に対する、外面４においてまだ自由に水素ガス分子を吸着および解離する箇所の数の比率は、先行技術のセンサにおけるよりも、本発明によるセンサで実質的により高い。そして、ある使用期間後であるがしかし酸素および／または他の汚染物質が、センサがもはや使用可能ではない程度までそれらのセンサのいずれかの感度を低下させる前において、本発明によるセンサは、ガスサンプルにおける水素ガスのある濃度で、先行技術のセンサよりも、内面７の水素原子吸着表面部（単複）８における実質的により高い双極子密度を提供できる。したがって、ある使用期間後であるがしかしそれらのセンサのいずれかの感度が、センサがもはや使用可能ではない程度まで低下する前において、それらのセンサが比較された場合に、本発明によるセンサは、先行技術のセンサより実質的に高い感度を有する。
【００５８】
さらに、本発明によるセンサの内面７における全ての水素原子吸着表面部８の全表面面積に対する、外面４の表面面積の比率を変えることによって、所望の初期感度を達成するために初期感度を調整してもよい。
【００５９】
本発明によるセンサの内面７における全ての水素原子吸着表面部８の全表面面積に対する、外面４の表面面積の比率を、先行技術のセンサにおけるその比率と比較して増加させることは、本発明によるセンサの製造コストが増加することを意味する。これは、以下で明らかになるであろう。製造コストの増加を考慮しても興味をそそるほどほど十分に大きな効果、すなわち初期感度の向上を達成するためは、外面４の表面面積は、本発明によるセンサの内面７における少なくとも１つの水素原子吸着表面部８全体の全表面面積より少なくとも１００％大きくなければならない。したがって、本発明による水素ガス感知半導体センサにおいて、外面４の表面面積は、内面７における少なくとも１つの水素原子吸着表面部８全体の全表面面積より少なくとも１００％大きい。
【００６０】
さらに、増加が大きければ、それだけ初期感度が高い。しかしながら、増加が増えれば、典型的には製造コストが増加する。そして、少なくとも１つの水素原子吸着表面部８全体の全表面面積に対する、外面４の表面面積の比率を選択する場合には、初期感度の向上の利点および製造コストの増加を、互いに比較検討しなければならない。用途によっては、ガスサンプルにおける水素ガス分子の非常に低い濃度を測定できるようにするために、非常に高い初期感度をセンサに付与することが好ましいかまたは必要である。もしそうなら、たとえば、外面４の表面面積は、内面７の少なくとも１つの水素原子吸着表面部８全体の全表面面積より少なくとも５００％大きいことが好ましくなり得る。他の用途にとっては、ガスサンプルにおける水素ガス分子の極度に低い濃度を測定できるようにするために、極度に高い初期感度をセンサに付与することが好ましいかまたは必要である。もしそうなら、たとえば、外面４の表面面積は、内面７の少なくとも１つの水素原子吸着表面部８全体の全表面面積より少なくとも５０００％大きいことが好ましくなり得る。
【００６１】
図３は、本発明によるセンサの第１の実施形態における基本構造の概略断面図を示す。第１の実施形態において、内面７には、１つの水素原子吸着表面部８が含まれ、この表面部８は、絶縁層３にもたれるかまたは少なくとも隣接して配置されている。すなわち、水素原子吸着表面部８と絶縁層３との間に、さらなる構成要素はない。上述のように、本明細書において、用語「水素原子吸着表面部」は、絶縁層３にもたれるかまたは少なくとも隣接して配置されている表面部を指す。水素原子は、水素原子吸着表面部８で吸着され得る。またはより具体的には、水素原子は、水素原子吸着表面部８と絶縁層３との間の界面における水素原子の吸着箇所で吸着され得る。
【００６２】
さらに、表面拡張構造１０が、第１の実施形態の上面５に付与されるが、その構造１０は、内面７における水素原子吸着表面部８の表面面積に対する、外面４の表面面積の比率が先行技術のセンサにおけるその比率と比較して実質的に増加することを、意味するように構成される。より具体的には、付与される表面拡張構造１０は、外面４の表面面積が内面７の水素原子吸着表面部８の表面面積より少なくとも１００％大きいことを、意味するように調整される。用途によっては、付与される表面拡張構造１０は、外面４の表面面積が内面７の水素原子吸着表面部８の表面面積より少なくとも５００％大きいことを、意味するように調整され、他の用途に対しては、外面４の表面面積が内面７の水素原子吸着表面部８の表面面積より少なくとも５０００％大きいように調整される。
【００６３】
図３に示す表面拡張構造１０の特定の構造は、外面４を幾何学的に拡張するために上面５に付与できる表面拡張構造１０の可能な構造の単なる一例である。したがって、第１の実施形態の変形では、表面拡張構造１０は別の特定の構造を有し、そして、図３に示す構造とは別の構造が、上面５に付与される。たとえば、表面拡張構造１０は、波形であってもよい。表面拡張構造１０はまた、不規則であってもよい。
【００６４】
表面拡張構造１０は、たとえばフォトリソグラフィ法によって上面５に付与してもよく、それにより、パターンが、最初に写真技術によって画定され、その後、エッチング法またはスパッタリング／ブラスティング法によって作製される。
【００６５】
表面拡張構造１０を上面５に付与する別の方法（図示せず）は、触媒金属層１が最上部の部分層（単複）で多孔性であるようにセンサを設計することであるが、それにより用語「最上部」は、本発明によるセンサの基本構造が図３に示す向きを有する場合に、触媒金属層１における言及した部分層（単複）の位置を示すために用いられる。次に、最上部の部分層（単複）の多孔性は、上面５が表面拡張構造１０を付与されていることを意味する。最上部の部分層（単複）の多孔性は、たとえば、エッチング、めっきまたは蒸着によって実現可能である。
【００６６】
先行技術のセンサおよび本発明の第１の実施形態によるセンサは、本発明の第１の実施形態によるセンサの外面４の表面面積が、表面拡張構造１０ゆえに、先行技術のセンサの外面４の表面面積より実質的に大きい点において異なるだけであるが、これらのセンサを比較すると、本発明の第１の実施形態によるセンサは、先行技術のセンサと比較して水素ガス分子の吸着および解離のために構成された箇所を実質的により多く有する。それにより、ガスサンプルにおける水素ガス分子のある濃度において、初期使用における、先行技術のセンサよりも本発明の第１の実施形態によるセンサによって、実質的により多くの数の水素ガス分子が吸着され解離され得る。これは、次のことを意味する。すなわち、ガスサンプルにおける水素ガス分子のある濃度において、初期使用における、先行技術のセンサよりも本発明の第１の実施形態によるセンサにおいて、実質的により多くの数の水素原子が、水素原子吸着表面部８の単位面積ごとに吸着され得るということである。その結果として、本発明の第１の実施形態によるセンサの初期感度は、先行技術のセンサの初期感度より実質的に高い。次に、上述により、本発明の第１の実施形態によるセンサの寿命はまた、先行技術のセンサの寿命より実質的に長い。さらに、本発明の第１の実施形態によるセンサは、初期に先行技術のセンサより実質的に高い感度を有するだけではない。先行技術のセンサおよび本発明の第１の実施形態によるセンサが、ある使用期間後であるがしかしセンサがもはや使用可能ではない程度にセンサのいずれかの感度が酸素および他の汚染物質によって低下される前に、比較された場合に、本発明の第１の実施形態によるセンサは、やはり、先行技術のセンサより実質的に高い感度を有する。
【００６７】
図４ａおよび４ｂは、本発明によるセンサの第２の実施形態における基本構造の概略断面図および概略斜視図をそれぞれ示す。第２の実施形態において、上面５には、第１の実施形態の上面５のようには表面拡張構造１０が含まれない。さらに、内面７および外面４の表面面積は、実質的に等しい。第２の実施形態では、内面７には、絶縁層３にもたれるかまたは隣接して配置された１つの水素原子吸着表面部８が含まれる。さらに、内面７には、絶縁層３にもたれるようにも隣接するようにも配置されていない水素原子吸着抑制表面部９が含まれる。
【００６８】
本明細書において、用語「水素原子吸着抑制表面部」は、絶縁層３にもたれるようにも隣接するようにも配置されていない表面部を指す。水素原子は、水素原子吸着抑制表面部９において吸着されないか、または少なくとも実質的に吸着され得ない。水素原子吸着抑制表面部９の全体が、水素原子吸着抑制材料層１１にもたれるかまたは隣接して配置されるように、水素原子吸着抑制材料層１１が、水素原子吸着抑制表面部９と絶縁層３との間に挟まれる。本明細書において、用語「水素原子吸着抑制材料」は、水素原子の吸着のための箇所を少しもまたはほんのわずかしか含まない材料を指す。水素原子吸着抑制材料層１１は、水素原子吸着抑制表面部９における水素原子の吸着を実質的に抑制するか、またはより具体的には、水素原子吸着抑制表面部９と水素原子吸着抑制材料層１１との間の界面において、水素原子が吸着されることを実質的に抑制する。したがって、水素原子は、水素原子吸着抑制表面部９において、少しももしくは実質的に少しも吸着され得ないか、またはより具体的には、水素原子は、水素原子吸着抑制表面部９と水素原子吸着抑制材料層１１との間の界面において、少しももしくは実質的に少しも吸着され得ない。たとえ水素原子吸着抑制表面部９における水素原子の吸着が完全には抑制されない場合、すなわち実質的にのみ抑制され、そして、少数の水素原子が、水素原子吸着抑制表面部９において吸着可能な場合であっても、それは、水素原子吸着表面部８における水素原子の吸着と比較して、抑制される。それにより、たとえ、少数の水素原子が、水素原子吸着抑制表面部９において吸着可能であっても、それは、本明細書において、水素原子の吸着が抑制されているものとして示される。
【００６９】
水素原子吸着抑制材料は、非触媒金属または非触媒合金が好ましい。たとえば、水素原子吸着抑制材料は、アルミニウム、アルミニウム合金またはクロムである。水素原子吸着抑制材料層１１の厚さは、０．００１〜０．３μｍである。
【００７０】
本発明によるセンサの第２の実施形態における水素原子吸着抑制表面部９の表面面積は、次のように調整される。すなわち、それは、水素原子吸着表面部８の表面面積に対する、外面４の表面面積の比率が先行技術のセンサにおけるその比率と比較して実質的に増加することを、意味するように調整される。より具体的には、水素原子吸着抑制表面部９の表面面積は、次のように調整される。すなわち、それは、外面４の表面面積が内面７の水素原子吸着表面部８の表面面積より少なくとも１００％大きいことを、意味するように調整される。用途によっては、それは、外面４の表面面積が内面７の水素原子吸着表面部８の表面面積より少なくとも５００％大きくなるように調整され、他の用途に対しては、外面４の表面面積が内面７の水素原子吸着表面部８の表面面積より少なくとも５０００％大きくなるように調整される。水素原子吸着抑制表面部９の表面面積は、水素原子吸着抑制表面部９がもたれるかまたは隣接して配置されている水素原子吸着抑制材料層１１の表面面積を調整することによって、調整される。
【００７１】
先行技術のセンサおよび本発明の第２の実施形態によるセンサは、本発明によるセンサの内面７には水素原子吸着抑制表面部９が含まれる点においてのみ異なるが（すなわち、各センサは１つの水素原子吸着表面部８を有し、またこれらのセンサは、たとえば、内面７の等しい表面面積と、外面４の等しい表面面積と、接触フレーム等に隣接して配置された内面７の等しいパーセンテージとを有する）、これらのセンサを比較すると、本発明の第２の実施形態によるセンサの水素原子吸着表面部８は、先行技術のセンサの水素原子吸着表面部８より実質的に小さい。したがって、本発明の第２の実施形態によるセンサは、先行技術のセンサよりも実質的に小さな、内面７の表面面積に、水素原子を吸着するための箇所を有する。そして、たとえ先行技術のセンサおよび本発明の第２の実施形態によるセンサが、外面４の等しい表面面積、およびしたがって、水素ガス分子の吸着および解離のために構成された等しい数の箇所を有しても、ガスサンプルにおける水素ガスのある濃度で、先行技術のセンサよりも本発明の第２の実施形態によるセンサにおいて、水素双極子の実質的に高い密度を達成できる。その結果として、本発明の第２の実施形態によるセンサの初期感度は、先行技術のセンサの初期感度より実質的に高い。上記によれば、さらにまた、本発明の第２の実施形態によるセンサの寿命は、先行技術センサの寿命より実質的に長い。さらに、本発明の第２の実施形態によるセンサは、初期に、先行技術センサよりも実質的に高い感度を有するだけではない。先行技術のセンサおよび本発明の第１の実施形態によるセンサが、ある使用期間後であるがしかしセンサがもはや使用可能ではない程度にセンサのいずれかの感度が酸素および他の汚染物質によって低下される前に比較された場合に、本発明の第２の実施形態によるセンサは、やはり、先行技術のセンサより実質的に高い感度を有する。
【００７２】
本発明によるセンサの第１および第２の実施形態において、内面７には、１つの水素原子吸着表面部８が含まれる。しかしながら、他の実施形態では、上述のように、内面７には、１を超える水素原子吸着表面部を含んでもよい。
【００７３】
図５は、本発明によるセンサの第３の実施形態における基本構造の概略透視図を示すが、この場合、内面７には、絶縁層３にもたれるかまたは隣接して配置された３つの水素原子吸着表面部８と、水素原子吸着抑制材料層１１にもたれるかまたは隣接して配置された１つの水素原子吸着抑制表面部９とが含まれる。第３の実施形態において、上面５には、表面拡張構造１０が含まれない。さらに、内面７および外面４の表面面積は、実質的に等しい。
【００７４】
第３の実施形態において、水素原子吸着抑制表面部９の表面面積は、次のように調整される。すなわち、それは、全ての水素原子吸着表面部８つまり３つの水素原子吸着表面部８の全表面面積に対する、外面４の表面面積の比率が、先行技術のセンサにおけるその比率と比較して実質的に増加することを、意味するように調整される。より具体的には、水素原子吸着抑制表面部９の表面面積は、次のように調整される。すなわち、それは、外面４の表面面積が内面７の３つの水素原子吸着表面部８の全表面面積より少なくとも１００％大きいことを、意味するように調整される。用途によっては、それは、外面４の表面面積が内面７の３つの水素原子吸着表面部８の全表面面積より少なくとも５００％大きいように調整され、他の用途に対しては、それは、外面４の表面面積が、内面７の３つの水素原子吸着表面部８の全表面面積より少なくとも５０００％大きいように調整される。水素原子吸着抑制表面部９の表面面積は、水素原子吸着抑制表面部９がもたれるかまたは隣接して配置されている水素原子吸着抑制材料層１１の表面面積を調整することによって、調整される。
【００７５】
第３の実施形態の変形（図示せず）では、内面７には、第３の実施形態とは別の数の水素原子吸着表面部８が含まれる。内面７は、かかる変形において、任意の適切な数の水素原子吸着表面部８を含んでもよい。
【００７６】
図６は、本発明によるセンサの第４の実施形態における基本構造の概略断面図を示すが、それは、第１および第２の実施形態の組み合わせである。第４の実施形態において、センサの内面７には、絶縁層３にもたれるかまたは隣接して配置された１つの水素原子吸着表面部８と、水素原子吸着抑制材料層１１にもたれるかまたは隣接して配置された１つの水素原子吸着抑制表面部９が含まれる。さらに、上面５は、表面拡張構造１０を付与されている。
【００７７】
付与された表面拡張構造１０、および水素原子吸着抑制表面部９の表面面積は、次のように調整される。すなわち、それらは、水素原子吸着表面部８の表面面積に対する、外面４の表面面積の比率が先行技術のセンサにおけるその比率と比較して実質的に増加することを、意味するように調整される。より具体的には、付与された表面拡張構造１０、および水素原子吸着抑制表面部９の表面面積は、次のように調整される。すなわち、それらは、外面４の表面面積が内面７の水素原子吸着表面部８の表面面積より少なくとも１００％大きいことを、意味するように調整される。用途によっては、それらは、外面４の表面面積が内面７の水素原子吸着表面部８の表面面積より少なくとも５００％大きいように調整され、他の用途に対しては、それらは、外面４の表面面積が内面７の水素原子吸着表面部８の表面面積より少なくとも５０００％大きいように調整される。
【００７８】
第４の実施形態の変形（図示せず）では、内面７には、第４の実施形態とは別の数の水素原子吸着表面部８が含まれる。かかる変形において、内面７には、任意の適切な数の水素原子吸着表面部８を含んでもよい。
【００７９】
さらに、第２、第３および第４の実施形態において、内面７には１つの水素原子吸着抑制表面部９が含まれる。しかしながら、他の実施形態（図示せず）において、内面７には、１を超える水素原子吸着抑制表面部９を含んでもよい。次に、水素原子吸着抑制材料層１１が、各水素原子吸着抑制表面部９と絶縁層３との間に挟まれている。各水素原子吸着抑制表面部９は、水素原子吸着抑制材料層１１に隣接して配置されている。内面７に少なくとも２つの水素原子吸着抑制表面部９が含まれ、そして、少なくとも２つの水素原子吸着抑制材料層１１が、触媒金属層１と絶縁層３との間に配置されている場合には、少なくとも２つの水素原子吸着抑制材料層１１の全ては、同じ水素原子吸着抑制材料か、または水素原子吸着抑制材料層１１の少なくとも２つは、異なる水素原子吸着抑制材料であってもよい。さらに、１を超える水素原子吸着抑制表面部９を有する実施形態において、上面５には、表面拡張構造１０を付与してもよい。しかしながら、１を超える水素原子吸着抑制表面部９を有するいくつかの実施形態において、上面５は、表面拡張構造１０を付与されない。さらに、１を超える水素原子吸着抑制表面部９を有する実施形態は、任意の適切な数の水素原子吸着表面部８を含んでもよい。しかしながら、本発明によるセンサには、もちろん、少なくとも１つの水素原子吸着表面部８が含まれる。
【００８０】
したがって、本発明によるセンサには、任意の適切な数の水素原子吸着表面部８および任意の適切な数の水素原子吸着抑制表面部９を含んでもよい。しかしながら、このセンサには、もちろん、少なくとも１つの水素原子吸着表面部８が含まれるのに対して、このセンサには、水素原子吸着抑制表面部９を全く含まないか、または１つまたは複数の水素原子吸着抑制表面部９を含んでもよい。さらに、本発明によるセンサには、表面拡張構造１０を付与された上面５と組み合わせて、または表面拡張構造１０を付与されない上面５と組み合わせて、任意の適切な数の水素原子吸着表面部８および任意の適切な数の水素原子吸着抑制表面部９を含んでもよい。
【００８１】
本発明による水素ガス感知半導体センサは、センサを囲む雰囲気における水素ガスの検出のために利用できる。すなわち、それは、ガスサンプルまたはガスのボリュームサンプルにおける水素ガスの検出のために利用できる。より具体的には、本発明による水素ガス感知半導体センサは、ガスサンプルにおける水素ガス分子の存在の検出および／またはガスサンプルにおける水素ガス分子の濃度の測定のために利用できる。
【００８２】
本発明による水素ガス感知半導体センサは、たとえば、金属−絶縁体−半導体電界効果デバイスまたはショットキー障壁デバイスとして実現できる。本発明による水素ガス感知半導体センサのいずれの実施形態も、金属−絶縁体−半導体電界効果デバイスまたはショットキー障壁デバイスとして実現できる。金属−絶縁体−半導体電界効果デバイスまたはショットキー障壁デバイスとして、本発明による水素ガス感知半導体センサを実現することは、当業者には明らかなはずである。たとえば、本発明による水素ガス感知半導体センサは、電界効果トランジスタとして実現できる。図７および８は、電界効果トランジスタとして本発明によるセンサのインプリメンテーションの２つの例を示すが、これら２つの例には、本発明によるセンサの異なる実施形態が含まれる。しかしながら、上述によれば、図７および８に示すものとは別の、本発明によるセンサの任意の実施形態を、電界効果トランジスタに含んでもよい。
【００８３】
図７は、本発明によるセンサの第１の実施形態における基本構造を含む電界効果トランジスタの基本構造の概略断面図である。トランジスタは、たとえば、ｐ型シリコン半導体１２で作製され、そこにｎ型の２つのシリコン層１３を一体化している。絶縁層３は、半導体層１２、１３に接している。トランジスタには、さらに、ソース電極１４、ドレーン電極１５およびチャネル１６が含まれる。触媒金属層１は、ゲートを構成する。図７に示す基本構造を有するトランジスタが、ガスサンプルにおける水素ガスの検出のために利用される場合には、水素原子は、水素原子吸着表面部８全体で吸着され得るが、実質的にチャネル１６の上の水素原子吸着表面部８の部分で吸着された水素原子だけが、センサの特性における電圧シフトに影響する。これは、当業者には明らかなはずであり、ここでさらに説明はしない。「実質的にチャネルの上の水素原子吸着表面部の部分」なる語句における用語「上」は、トランジスタの基本構造が図７に示す向きを有する場合に、水素原子吸着表面部８における部分の位置を示すために用いられる。
【００８４】
図８は、本発明によるセンサの第４の実施形態における基本構造を含む電界効果トランジスタの基本構造の概略断面図である。図８に示す基本構造は、内面７に水素原子吸着抑制表面部９がさらに含まれる点で、図７に示す基本構造と異なる。水素原子吸着抑制材料層１１が、水素原子吸着抑制表面部９と絶縁層３との間に挟まれている。実質的に２つのシリコン層１３の上の、内面７の表面部の主要部分は、水素原子吸着抑制表面部９に含まれる。実質的にチャネル１６の上の、内面７の表面部は、水素原子吸着表面部８に含まれる。そして、水素原子は、実質的に２つのシリコン層１３の上の、内面７の表面部の主要部分において、吸着されるのを実質的に抑制されるが、しかし実質的にチャネル１６の上の、内面７の表面部において吸着され得る。したがって、水素原子は、実質的にチャネル１６の上の、内面７の表面部において吸着され得るだけであり、そこでは、吸着された水素原子は、センサの特性における電圧シフトに影響することができる。さらに、実質的に２つのシリコン層１３の上の、内面７の表面部の主要部分では、水素原子は実質的に吸着され得ず、そこでは、吸着された水素原子が、センサの特性における電圧シフトに影響することはできない。そして、水素原子がセンサの特性における電圧シフトに影響することができない、内面７の表面部では、水素原子は、少しも「浪費」されない。これは、当業者には明らかなはずであり、ここでさらに説明はしない。用語「上」は、トランジスタの基本構造が図８に示す向きを有する場合に、内面７における部分の位置を示すために用いられる。
【００８５】
水素ガス感知半導体センサは、水素ガスを用いるシステムにおける漏れ検出器として、テストのためのおよび／または漏れを突き止めるためのトレーサガスとして水素ガスを用いるシステムならびに方法における漏れ検出器として、またはたとえば、水素ガスもしくは水素ガス含有混合物を用いる産業（石油化学工業、電気化学工業、ガス工場など）内で、爆発を防ぐ目的で、水素ガスの存在を示すアラーム検出器として、利用できる。
【００８６】
たとえば、本発明による水素ガス感知半導体センサは、プローブ、すなわち、センサにおける触媒金属層の外面と、水素ガス分子の存在または濃度が測定されることになるガスサンプルとの間に接触をもたらすように構成された装置に、含んでもよい。この装置は、センサにおける触媒金属層の外面をガスサンプルと接触させるか、またはガスサンプルをセンサにおける触媒金属層の外面と接触させるように構成できる。たとえば、プローブは、サンプリングユニットであってもよい。本発明による水素ガス感知半導体センサを含む水素ガス検出用プローブもまた、本発明の範囲内にある。
【００８７】
さらに、プローブ（このプローブには本発明によるセンサが含まれる）および測定ユニットを含む水素ガス検出システムもまた、本発明の範囲内にある。次に、水素ガス分子は、水素双極子トランスデューサ原理に基づいた、プローブにおけるセンサによって感知され、水素ガス分子の検出によるセンサからの信号が、測定ユニットで測定および分析される。測定ユニットは、典型的には検出器と呼ばれ、任意の適切なタイプであってもよい。
【００８８】
さらに、本発明による水素ガス検出システムにはまた、プローブ（このプローブには本発明によるセンサが含まれる）および測定ユニットに加えて、水素ガス源、ガスコントローラ、ガス圧力調整器、テスト対象用取付具および取付具コントローラの群における装置の少なくとも１つが含まれる。かかるシステムは、トレーサガスとして水素ガスを利用することに基づいて、漏れテストおよび／または漏れ位置特定のために用いてもよい。水素ガス源は、トレーサガス源となるように構成され、また任意の適切なタイプであってもよい。ガスコントローラは、水素ガス源から、テストされる対象への、またはテストされる対象を囲む取付具などの筺体への水素ガスの充填を管理するように構成され、また任意の適切なタイプであってもよい。ガス圧力調整器は、ガス源からの出力圧力を制御するように構成され、また任意の適切なタイプであってもよい。テスト対象用取付具は、ガスの充填および除去のためにテスト対象に接続されるのと同様に、漏れ口を構成しない他のどの開口部も密閉するように構成され、また任意の適切なタイプであってもよい。取付具コントローラは、取付具の接続部および封止部をうまく扱うように構成され、また任意の適切なタイプであってもよい。
【００８９】
たとえば、プローブ（このプローブには本発明によるセンサが含まれる）、測定ユニット、水素ガス源、ガスコントローラ、ガス圧力調整器、テスト対象用取付具、および取付具コントローラを含む本発明によるシステムが、漏れ検出のために利用される場合には、漏れテストを受ける対象は、取付具に接続される。取付具コントローラを利用して、取付具の接続部をうまく扱う。続いて、追跡可能な量の水素を含むガスまたはガス混合物が、ガスコントローラによって、ガス源からテスト下のテスト対象の中へ運ばれる。ガス圧力調整器を利用して、ガス源からの出力圧力を制御する。続いて、センサを含むプローブを用い、水素の存在の増加に対して、テスト下の対象を囲む空気を分析する。水素濃度のどんな測定可能な増加も、測定ユニットによって提示され、テストされる対象に存在する漏れの証拠となる。アナログ的な方法では、テスト下の対象の外側で追跡可能なガスまたはガス混合物を管理し、かつ水素の存在の増加に対してテストされる対象の内部で空気を分析することによって、漏出を検出することがまた可能である。
【００９０】
このように、本発明の基本的で新規な特徴を、本発明の好ましい実施形態に適用して図示し、説明し、指摘したが、図示した装置の形状および詳細ならびにそれらの動作における様々な省略、置き換えおよび変更が、本発明の趣旨から逸脱せずに、当業者によってなされ得ることが理解されよう。たとえば、実質的に同じ方法で実質的に同じ機能を実行して同じ結果を達成する要素の全ての組み合わせは、本発明の範囲内であるように、明白に意図されている。さらに、本発明の任意のいずれかの開示された形状または実施形態に関連して図示および／または説明された構造ならびに／または要素が、設計選択の一般的な問題として、任意の他の開示、説明もしくは提案された形状または実施形態に組み込みできることを理解されたい。したがって、本明細書に添付された特許請求の範囲によって示されるようにのみ限定されるように意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００９１】
【図１】先行技術のガス感知素子半導体センサの基本構造および基本動作原理の概略断面図であるが、このセンサは、水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作し、また水素ガスの検出に利用できる。
【図２】水素双極子トランスデューサ原理に基づいて動作するガス感知半導体センサの触媒金属層と絶縁層との間の界面で生成される水素双極子を概略的に示す。
【図３】本発明による水素ガス感知半導体センサの第１の実施形態における基本構造の概略断面図である。
【図４ａ】本発明による水素ガス感知半導体センサの第２の実施形態における基本構造の概略断面図である。
【図４ｂ】本発明による水素ガス感知半導体センサの第２の実施形態における基本構造の概略斜視図である。
【図５】本発明による水素ガス感知半導体センサの第３の実施形態における基本構造の概略斜視図である。
【図６】本発明による水素ガス感知半導体センサの第４の実施形態における基本構造の概略断面図である。
【図７】本発明による水素ガス感知半導体センサの第１の実施形態における基本構造を含む電界効果トランジスタの基本構造の概略断面図である。
【図８】本発明による水素ガス感知半導体センサの第４の実施形態における基本構造を含む電界効果トランジスタの基本構造の概略断面図である。
【符号の説明】
【００９２】
１  触媒金属層
２  半導体層
３  絶縁層
４  外面
５  上面
６  側面
７  内面
８  水素原子吸着表面部
９  水素原子吸着抑制表面部
１０  表面拡張構造
１１  水素原子吸着抑制材料層
１２  ｐ型シリコン半導体
１３  ｎ型シリコン層
１４  ソース電極
１５  ドレイン電極
１６  チャネル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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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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【外国語明細書】
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