(57)【要約】【課題】定電圧源の不安定性や周囲温度の変動等により影響を受けずに、高精度にガスを検出する。【解決手段】第１のガス検出装置は、ガス検出部と基準信号出力部と差分検出部と加熱制御部とを備える。ガス検出部は、第１の半導体式ガスセンサと、第１の半導体式ガスセンサに電流を流す第１の定電圧電源と、加熱信号を入力して第１の半導体式ガスセンサを加熱する第１の加熱部と、第１の加熱部の温度を検出する第１の温度センサとを有する。基準信号出力部は、基準信号を出力する。差分検出部は、第１の半導体式ガスセンサを流れる電流値を表す感応信号と基準信号との差を検出する。加熱制御部は、差分検出部で差が検出されると第１の加熱部の発熱量を大きくするように加熱信号を出力する。【選択図】図１
2008256472.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガス検出部と基準信号出力部と差分検出部と加熱制御部とを備え、
前記ガス検出部は、
第１の半導体式ガスセンサと、
前記第１の半導体式ガスセンサに電流を流す第１の定電圧電源と、
加熱信号を入力して前記第１の半導体式ガスセンサを加熱する第１の加熱部と、
前記第１の加熱部の温度を検出する第１の温度センサと、を有し、
前記基準信号出力部は、基準信号を出力し、
前記差分検出部は、前記第１の半導体式ガスセンサを流れる電流値を表す感応信号と前記基準信号との差を検出し、
前記加熱制御部は、前記差分検出部で差が検出されると前記第１の加熱部の発熱量を大きくするように前記加熱信号を出力する、
ガス検出装置。
【請求項２】
前記基準信号出力部は、
前記第１の半導体式ガスセンサと同一構造をもつ第２の半導体式ガスセンサと、
前記第１の半導体式ガスセンサがさらされている空間から第２の半導体式ガスセンサを遮蔽する遮蔽部材と、
前記第２の半導体式ガスセンサに接続された第２の定電圧電源と、
前記第２の半導体式ガスセンサを加熱する第２の加熱部と、
前記第２の加熱部の温度を検出する第２の温度センサと、を有し、
前記加熱制御部は、前記第２の温度センサで検出される温度が、ガス未検出状態にある前記第１の温度センサで検出される温度となるように前記第２の加熱部を発熱させ、
前記基準信号は、前記第２の半導体式ガスセンサを流れる電流値を表す、
請求項１のガス検出装置。
【請求項３】
前記基準信号出力部は、前記基準信号を記憶する基準信号記憶部を有し、
前記差分検出部は、前記基準信号記憶部に記憶された前記基準信号を入力する、
請求項１又は請求項２のガス検出装置。
【請求項４】
前記第１の加熱部は、電流により発熱し、
前記加熱制御部は、前記加熱部に流れる電流値を可変させるとともに、前記加熱部に流れる電流の変化量を検出する、
請求項１から請求項３のいずれかのガス検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体式ガスセンサを用いてガスを検出するガス検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に示されるようなショットキーダイオード型ガスセンサ素子では、従来、ショットキーダイオードのアノード−カソード間に一定の順方向電圧を印加し、検出ガスの有無による通電電流の変化量をセンサ出力としている。
【０００３】
【特許文献１】米国特許第６２９１８３８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、単一のショットキーダイオード型ガスセンサ素子からの出力は、定電圧源の不安定性や周囲温度の変動等により影響を受けやすいため、センサの出力精度及び感度を向上させるためには、これらのノイズを極力低減することが望まれている。
【０００５】
そこで、本発明は、定電圧源の不安定性や周囲温度の変動等により影響を受けずに、高精度にガスを検出することができるガス検出装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
第１のガス検出装置は、ガス検出部と基準信号出力部と差分検出部と加熱制御部とを備える。ガス検出部は、第１の半導体式ガスセンサと、第１の半導体式ガスセンサに電流を流す第１の定電圧電源と、加熱信号を入力して第１の半導体式ガスセンサを加熱する第１の加熱部と、第１の加熱部の温度を検出する第１の温度センサとを有する。基準信号出力部は、基準信号を出力する。差分検出部は、第１の半導体式ガスセンサを流れる電流値を表す感応信号と基準信号との差を検出する。加熱制御部は、差分検出部で差が検出されると第１の加熱部の発熱量を大きくするように加熱信号を出力する。
【０００７】
第２のガス検出装置では、第１のガス検出装置の基準信号出力部が、第１の半導体式ガスセンサと同一構造をもつ第２の半導体式ガスセンサと、第１の半導体式ガスセンサがさらされている空間から第２の半導体式ガスセンサを遮蔽する遮蔽部材と、第２の半導体式ガスセンサに接続された第２の定電圧電源と、第２の半導体式ガスセンサを加熱する第２の加熱部と、第２の加熱部の温度を検出する第２の温度センサとを有する。加熱制御部は、第２の温度センサで検出される温度が、ガス未検出状態にある第１の温度センサで検出される温度となるように第２の加熱部を発熱させる。基準信号は、第２の半導体式ガスセンサを流れる電流値を表す。
【０００８】
第３のガス検出装置では、第１又は第２のガス検出装置において、基準信号出力部が、基準信号を記憶する基準信号記憶部を有し、差分検出部が、基準信号記憶部に記憶された基準信号を入力する。
【０００９】
第４のガス検出装置では、第１から第３のガス検出装置のいずれかにおいて、第１の加熱部が、電流により発熱し、加熱制御部が、加熱部に流れる電流値を可変させるとともに、加熱部に流れる電流の変化量を検出する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明のガス検出装置によれば、定電圧源の不安定性や周囲温度の変動等により影響を受けずに、半導体式ガスセンサを用いて高精度にガスを検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
第１の実施の形態のガス検出装置３００は図１の回路図に示すように、ガス検出部３０１と基準信号出力部３０２と差分検出部３０３と加熱制御部３０４とセンスアウト端子３０５とを備える。
【００１２】
ガス検出部３０１は、第１の半導体式ガスセンサ１００と第１の加熱部１０１と第１の温度センサ１０２と感応信号出力アンプ１０３と、第１〜第６の抵抗１０４〜１０９と、第１の加熱信号出力アンプ１１０と第１の温度信号出力アンプ１１１と第１の定電圧電源１１２とを有する。第１の半導体式ガスセンサ１００と第１の加熱部１０１と第１の温度センサ１０２とは第１のガスセンサチップ１１３として一体に形成されていることが好ましいが、これに限られるものではない。
【００１３】
第１の定電圧電源１１２は、第１の半導体式ガスセンサ１００と第１の加熱部１０１と第１の温度センサ１０２とを動作させる電源であり、定電圧＋Ｖｃｃを供給する。なお、第１の定電圧電源１１２は、第１の半導体式ガスセンサ１００と第１の加熱部１０１と第１の温度センサ１０２とを動作させる複数の電源により構成されていてもよい。
【００１４】
第１の半導体式ガスセンサ１００は、ショットキーダイオードにより形成されている。ショットキーダイオードを用いた第１の半導体式ガスセンサ１００は、ガス濃度が高いほど順方向の電流を通しやすい性質をもち、所定の温度において特に高い感度を示す。第１の半導体式ガスセンサ１００は、第１の抵抗１０４を介して順方向に第１の定電圧電源１１２に接続され、第２の抵抗１０５を介してＧＮＤに接続されている。感応信号出力アンプ１０３は、第１の半導体式ガスセンサ１００の両端の電圧を入力して増幅し、感応信号として出力する。感応信号は第１の半導体式ガスセンサ１００に流れる電流を表す信号である。
【００１５】
第１の加熱部１０１は、電流により発熱する抵抗部材で構成されており、第３の抵抗１０６を介して第１の定電圧電源１１２に接続され、第４の抵抗１０７を介してＧＮＤに接続され、第１の半導体式ガスセンサ１００に近接して配置されている。第１の加熱部１０１は、第１の定電圧電源１１２から供給される電流により所定の発熱量で発熱するとともに、加熱信号としての電流を入力して発熱量を可変し、この発熱により第１の半導体式ガスセンサ１００を加熱する。第１の加熱信号出力アンプ１１０は、加熱信号を増幅して第１の加熱部１０１に入力する。なお、第１の加熱部１０１は、加熱信号により発熱量を可変することができるものであれば抵抗部材に限られるものではない。
【００１６】
第１の温度センサ１０２は、温度が高くなるほど抵抗値が大きくなる白金（Ｐｔ）測温抵抗体で構成されており、第１の加熱部１０１に近接して配置されている。第１の温度センサ１０２は、第５の抵抗１０８を介して第１の定電圧電源１１２に接続されるとともに、第６の抵抗１０９を介してＧＮＤに接続されることにより、動作電圧の供給を受けている。第１の加熱部１０１の温度が高いほど第１の温度センサ１０２の両端の電圧が高くなる。第１の温度信号出力アンプ１１１は、第１の温度センサ１０２の電圧変化を温度信号として出力する。なお、第１の温度センサ１０２は、第１の加熱部１０１を兼ねた部材であってもよく、温度を検出して温度信号を出力するものであれば抵抗部材に限られるものではない。
【００１７】
基準信号出力部３０２は、第２の半導体式ガスセンサ２００と第２の加熱部２０１と第２の温度センサ２０２と基準信号出力アンプ２０３と、第７〜第１２の抵抗２０４〜２０９と、第２の加熱信号出力アンプ２１０と第２の温度信号出力アンプ２１１と第２の定電圧電源２１２とを有しており、それぞれ、ガス検出部３０１が有する第１の半導体式ガスセンサ１００と第１の加熱部１０１と第１の温度センサ１０２と感応信号出力アンプ１０３と、第１〜第６の抵抗１０４〜１０９と、第１の加熱信号出力アンプ１１０と第１の温度信号出力アンプ１１１と第１の定電圧電源１１２と同等の構成をもつ。第２の半導体式ガスセンサ２００と第２の加熱部２０１と第２の温度センサ２０２とは第２のガスセンサチップ２１３として一体に形成されていることが好ましいが、これに限られるものではない。
【００１８】
基準信号出力部３０２は、さらに、遮蔽部材２１４を有する。遮蔽部材２１４は、第１の半導体式ガスセンサ１００がガス濃度を検出する空間から第２の半導体式ガスセンサ２００を遮蔽する部材である。遮蔽部材２１４により遮蔽された第２の半導体式ガスセンサ２００からは、ガス濃度に依存しない所定の大きさの基準信号が出力される。
【００１９】
差分検出部３０３は、感応信号出力アンプ１０３から出力される感応信号と、基準信号出力アンプ２０３から出力される基準信号とを比較し、感応信号と基準信号との差を検出する。遮蔽部材２１４を除いてガス検出部３０１と基準信号出力部３０２とは同様の構成をもつことから、常時基準信号出力アンプ２０３から出力される基準信号は、第１の半導体式ガスセンサ１００においてガスを検出していない初期状態で感応信号出力アンプ１０３から出力される感応信号と同じ信号となる。第１の半導体式ガスセンサ１００がガスを検出すると、差分検出部３０３が感応信号と基準信号との差を検出する。
【００２０】
加熱制御部３０４は、ガス検出装置３００の起動時に、第１の温度センサ１０２からの温度信号と第２の温度センサ２０２からの温度信号とを入力し、第１の加熱部１０１の温度と第２の加熱部２０１の温度とが同じになるように、第１の加熱部１０１に出力する加熱信号としての電流及び第２の加熱部２０１に出力する加熱信号としての電流を調整する。これにより、初期状態の第１の半導体式ガスセンサ１００及び第２の半導体式ガスセンサ２００が、高感度の状態に維持される。
【００２１】
ガス検出時には、加熱制御部３０４は、差分検出部３０３で差が検出されると加熱信号を出力して第１の加熱部１０１の発熱量を増加させる。具体的には、ガス濃度が高いほど第１の半導体式ガスセンサ１００の抵抗が小さくなり電流が増加し、第１の半導体式ガスセンサ１００を流れる電流を表す感応信号が大きくなる。感応信号が基準信号よりも大きくなると、差分検出部３０３で感応信号と基準信号との差が検出される。加熱制御部３０４は、差分検出部３０３で検出された差が大きいほど、第１の加熱部１０１に出力する加熱信号としての電流を大きくする。加熱信号を入力された第１の加熱部１０１は、電流の増加により発熱量を増し、第１の半導体式ガスセンサ１００の温度を上昇させる。第１の半導体式ガスセンサ１００は、温度が高くなって抵抗値が高くなり、流れる電流が減少する。第１の半導体式ガスセンサ１００を流れる電流が減少すると感応信号が小さくなるため、加熱制御部３０４から出力される加熱信号の大きさが小さくなる。加熱制御部３０４は、感応信号と基準信号との差が検出されなくなるまで、すなわち、第１の半導体式ガスセンサ１００に流れる電流と第２の半導体式ガスセンサ２００に流れる電流とが一致するまで加熱信号を出力する。
【００２２】
加熱制御部３０４は、第１の加熱部１０１に出力する加熱信号としての電流をセンスアウト端子３０５に出力する。なお、加熱制御部３０４は、第１の加熱部１０１に出力する加熱信号としての電流の変化量を示す時間微分値をセンスアウト端子３０５に出力するものであってもよい。
【００２３】
本実施形態のガス検出装置３００は、ガスを検出するガス検出部３０１の出力と、ガスを検出せずガス検出部３０１と同様な構成をもつ基準信号出力部３０２の出力とを比較することにより、ガス検出部３０１単独から出力する場合に比較して、第１の定電圧電源１１２の不安定性や周囲温度の変動等による影響を少なくすることができる。
【００２４】
第２の実施の形態のガス検出装置３０６は図２の回路図に示すように、第１の実施の形態のガス検出装置３００において基準信号出力部３０２を記憶部２１５で置き換えた構成をもつ。記憶部２１５は、第１の実施の形態の基準信号出力部３０２が出力する基準信号と同じ信号を記憶している。加熱制御部３０４は、記憶部２１５に記憶された基準信号を差分検出部３０３に入力する。他の構成要素及び動作は第１の実施の形態と同様である。
【００２５】
記憶部２１５には、第１の実施の形態における第２の温度センサ２０２からの出力に応じて変動する基準信号の値を記憶しておき、加熱制御部３０４が第１の温度センサ１０２からの出力に応じて記憶部２１５から読み出す基準信号の値を可変することが望ましい。
【００２６】
以下、第１及び第２の実施の形態の第１の半導体式ガスセンサ１００として用いることのできる一実施例の半導体式ガスセンサについて図面を参照して具体的に説明する。特に、加熱信号として電流を使用するような第１の実施の形態に示すガス検出装置３００は、以下に説明するような、低消費電力化が可能なＳｉＣを用いた半導体ガスセンサを用いることが好ましい。
【００２７】
図３乃至図５に示されるように、本発明の実施の形態によるガスセンサチップは、シリコン基板１、絶縁層２及びシリコン単結晶層３からなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を基材として加工して得られるものである。このうち、シリコン単結晶層３はＳＯＩ層とも呼ばれる。なお、本実施の形態におけるＳＯＩ基板は、絶縁層２として埋め込み酸化膜（ＢＯＸ層）を有してなるものであり、シリコン基板１及びシリコン単結晶層３の導電型はｐ型である。また、シリコン単結晶層３の厚みは約１μｍであり、抵抗率は１０Ωｃｍ程度である。
【００２８】
本実施の形態におけるＳＯＩ基板の中央部には、シリコン基板１の裏面からシリコン単結晶層３まで通ずる穴が形成されている。より具体的には、シリコン基板１の裏面から絶縁層２に至るまで比較的大きな穴３０が形成されており、その穴３０と通ずるようにして２つの穴３１，３２が絶縁層２及びシリコン単結晶層３に形成されている。２つの穴３１，３２はＳＯＩ基板の中心を通る線（図３におけるＩＩ−ＩＩ線）を挟んで略対称的に配置されており、穴３１及び３２間には前述の“中心を通る線（ＩＩ−ＩＩ線）”に沿うようにして穴３０上に延びるヒータ４が設けられている。すなわち、本実施の形態によるガスセンサチップにおいて、ヒータ４は梁状構造を備えている。それゆえ、ヒータ４は、事実上、ＳＯＩ基板から熱的に分離された状態にある。このヒータ４は、図１に示すガス検出装置３００の第１の加熱部１０１に相当する。
【００２９】
ヒータ４は、ｐ型のシリコン単結晶層３内に形成されたｎ型領域を加工して得られるものであり、抵抗率は６Ωｃｍ程度である。ヒータ４がｎ型であり、シリコン単結晶層３がｐ型であることから、ヒータ４に通電した状態においてはヒータ４とシリコン単結晶層３とはｐｎ接合により空乏層分離される。
【００３０】
ヒータ４内部には低抵抗領域５，６，７が形成されている。このうち、低抵抗領域５及び６はヒータ４の領域の端部近傍に位置しており、低抵抗領域７は中央に位置している。
【００３１】
低抵抗領域５及び６上にはヒータ４に電流を流すための第１及び第２の電極９及び１０が形成されている。換言すると、低抵抗領域５及び６は、第１及び第２の電極９及び１０をヒータ４にオーミック接続するための領域である。
【００３２】
低抵抗領域７上には、ガスセンサ素子部として機能するショットキーダイオードが形成される。このショットキーダイオード部分が、図１に示すガス検出装置３００の第１の半導体式ガスセンサ１００に相当する。本実施の形態においては、ショットキーダイオードの半導体側とヒータ４とは第２の電極１０を共通に使用する。この際、低抵抗領域７は、ショットキーダイオードの半導体側と第２の電極１０をオーミック接合する。なお、ショットキーダイオードの半導体側用の電極をヒータ４の第２の電極１０とは別に形成することとしてもよい。
【００３３】
詳しくは、低抵抗領域７上には、半導体薄膜部１１が形成され、半導体薄膜部１１上には半導体薄膜部１１とショットキー接合を構成する第３の電極１２が形成されている。本実施の形態における半導体薄膜部１１は非金属酸化物系の単結晶、具体的にはＳｉＣ単結晶からなる。半導体薄膜部１１全体の膜厚は、約０．５μｍであり、導電型はｎ型である。本実施の形態における半導体薄膜部１１は下層部及び上層部の２層構造となっている。下層部は約０．１μｍ厚の低抵抗率層（約０．０２Ω）であり、上層部は高抵抗率層（約１０Ωｃｍ）である。下層部の抵抗率は第２の電極１０とオーミック接合を形成するため０．１Ωｃｍ以上０．０１Ωｃｍ以下であることが好ましく、上層部の抵抗率は、第３の電極１２とショットキー接合を構成するため１Ωｃｍ以上１００Ωｃｍ以下であることが好ましい。
【００３４】
ここで、半導体薄膜部１１の膜厚は、１０ｎｍ以上５００μｍ以下の範囲にあることが望ましい。半導体薄膜部１１の膜厚が薄ければ薄いほど、ガスセンサ素子部を昇温させやすくなることから、消費電力を下げることができる。特に、電池駆動により長時間使用可能なガスセンサチップを構築しようとする場合、電力対昇温効率を鑑みて、半導体薄膜部１１の膜厚は５００μｍ以下であることが望ましい。一方、半導体薄膜部１１の膜厚が１０ｎｍより小さいとトンネル効果によりセンサとして動作させることが不可能となってしまうので、半導体薄膜部１１の膜厚は１０ｎｍ以上でなければならない。
【００３５】
半導体薄膜部１１上に形成される第３の電極１２は、被検知ガスの解離、酸化還元反応を促進する触媒金属からなる。本実施の形態における触媒金属、即ち、第３の電極１２の材料はＰｔであり、第３の電極１２の厚みは約３０ｎｍである。第３の電極１２の材料（触媒金属）としては、Ｐｔの他に、遷移金属であるＰｄ、Ｎｉ又はそれらの混合物などを用いることができる。第３の電極１２の厚みは、ガス検出感度を良好なものとするため、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３６】
本実施の形態においては、半導体薄膜部１１と第３の電極１２との間に、両者の密着性を高めるための下地膜が形成されている。本実施の形態における下地膜の材料は、Ｔｉである。このＴｉは触媒金属としてＮｉを用いた場合にも下地膜材料として用いることができる。Ｔｉに代えて、ＴｉＷを下地膜として用いることもできる。
【００３７】
上述したガスセンサチップは、第１、第２及び第３の電極９，１０，１２並びに穴３０，３１，３２を除き、上面、側面、底面のすべてを熱酸化膜（具体的にはＳｉＯ２膜）８で覆われている。図３においては、この熱酸化膜８が省略されているが、第３の電極１２に接続された引き出し線１３及び電極パッド１４は、この熱酸化膜８上に形成されている。なお、図を分かりやすくするため、図４及び図５では、引き出し線１３及び電極パッド１４は省略されている。
【００３８】
上述したガスセンサチップにおいては、ガスセンサ素子部を構成する半導体薄膜部１１がヒータ４上に直接的に形成されていることから、ヒータ４により効率よくガスセンサ素子部を加熱することができる。よって、ヒータ４を加熱するための電力によりガスセンサ素子部を昇温させる効率（電力対昇温効率）が優れている。
【００３９】
加えて、半導体薄膜部１１の膜厚は約０．５μｍであり極めて薄いことから、ガスセンサ素子部の昇温に要する熱量を抑えることができ、その結果、更に優れた電力対昇温効率を達成することができる。
【００４０】
その上、ガスセンサ素子部の半導体薄膜部１１としてはバンドギャップも大きく高温動作が可能で強い酸化還元雰囲気中でも極めて安定した材料であるＳｉＣを用いる一方、ヒータ４としては加工しやすく熱伝導率もＳｉＣと比較して高い材料であるＳｉを用いたことから、比較的安価で高性能なガスセンサチップを得ることができる。
【００４１】
なお、ガスセンサ素子とヒータとを備えるガスセンサチップにおいては、ガスセンサチップ動作時におけるヒータ４の温度の測定を行わなければならない。本実施の形態においては、ヒータ４の温度測定のための温度センサをヒータ４の抵抗体の温度依存性を利用して構成している。すなわち、物としてはヒータ４と温度センサとは同一であり、ヒータ４に通電して発熱させる一方、熱変化に応じて変化するヒータ４の抵抗値をチェックすることにより、ヒータ４の温度を特定することとしている。そのため、ヒータ４が図１に示すガス検出装置３００の第１の温度センサ１０２にも相当する。このように、本実施の形態においては、ガスセンサシステムの主要構成要素のうち、ガスセンサ素子、ヒータ、及び温度センサが一体に構成されており、１００μｍ□以下という非常に小型な素子を形成することができる。
【００４２】
なお、温度センサを上述したものに代えて、Ｐｔ薄膜からなる抵抗測温体とすることもできる。その場合であっても、温度センサは少なくとも半導体薄膜部１１近傍に設けられていることが好ましい。温度センサの他の例としては、例えば、ヒータ４内部であって半導体薄膜部１１に近い領域にｐｎ接合を形成し、そのｐｎ接合部の電圧電流特性の温度依存性を利用する方法等がある。なお、温度センサの更なる応用としては、複数個の温度センサを配置してヒータ４の詳細な温度分布を測定し、昇温パターンの変化よりガス検出を行うことも可能である。
【００４３】
上述した本実施の形態によるガスセンサチップにおいては、ガスセンサ素子部であるショットキーダイオードが電気的には抵抗体であるヒータ４の略中央部に接続されている。従って、ショットキーダイオード及びヒータ４の共通電極である第２の電極１０とショットキーダイオードの間にはヒータ４が部分的に介在していることとなっている。しかし、ガス検知感度を更に良好なものとするためには、理論上は、第２の電極１０とショットキーダイオードの間に電気的にヒータ４（抵抗体）を介在させないほうが良い。そこで、製造コスト等の条件に余裕がある場合には、ショットキーダイオードの半導体薄膜部１１と第２の電極１０を結ぶ経路からヒータ４を電気的に分離することとしても良い。分離の方法としては、例えば、ｐｎ分離や、半導体薄膜部１１から熱酸化膜８上に線を引き出して、その引き出した線を熱酸化膜８上で第２の電極１０に接続する方法などがある。
【００４４】
以下、上述した実施の形態によるガスセンサチップの製造方法について図６乃至図１５を更に用いて具体的に説明する。ここで、図６乃至図１３は、図４と同様に図３におけるＩＩ−ＩＩ線に沿った断面図であり、図１４及び図１５は、図５と同様に図３におけるＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【００４５】
まず、図６に示されるような面方位（１００）のｐ型ＳＯＩ基板（シリコン基板１、絶縁層２及びシリコン単結晶層３）に対して、図７に示されるように熱拡散法やイオン注入法によりｎ型のヒータ４領域を形成する。
【００４６】
次いで、図８に示されるように、ヒータ４内にｎ型の高濃度領域を低抵抗領域７として形成する。この低抵抗領域７は、半導体薄膜部１１としてのＳｉＣ単結晶薄膜のパターン化される領域より僅かに広い領域である。
【００４７】
その後、図９に示されるように、ヒータ４上に、分子線エピタキシャル（ＭＢＥ）法によりＳｉＣ単結晶薄膜１１ａを形成する。シリコン単結晶上にＳｉＣ単結晶薄膜を形成する技術としては、本発明の発明者の一人が開発した「シリコンカーバイト単結晶薄膜の形成方法（特開２０００−２６４７９２）」に開示された技術がある。当該技術を研究した結果、他の方法では実現できなかったＳｉＣ単結晶の良質な極薄膜をシリコン単結晶上に直接形成することができることが分かったため、これを更に本発明用途に適するように変形した。
【００４８】
具体的には、図８に示される基板を真空容器（反応槽）内に配置し、反応ガスとしてモノメチルシラン（ＭＭＳ）を用いてＳｉＣ単結晶薄膜１１ａを成長させた。その際、ＳｉＣ単結晶薄膜１１ａの主な成長条件として、モノメチルシランの分圧を約５×１０−５Ｔｏｒｒとし、基板温度を約９５０℃とした。また、成長時にｎ型の不純物ドーパントとして所定のタイミングで所定量の窒素ガスを真空容器内に導入し、ＳｉＣ単結晶薄膜１１ａの下層部及び上層部の抵抗率を制御した。ここで、Ｓｉ基板上に生成されたＳｉＣ単結晶薄膜１１ａは、立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣであり、表面欠陥密度は約１０５／ｃｍ２以下、表面荒さはＲａ：約１００ｎｍ以下の単結晶薄膜であった。尚、ＳｉＣ単結晶薄膜１１ａは、結晶構造が六方晶系の４Ｈ−ＳｉＣあるいは６Ｈ−ＳｉＣでも構わないが、リーク電流の要因となるマイクロパイプがない立方晶系の３Ｃ−ＳｉＣが好適である。
【００４９】
成長条件に関し、例えば、基板温度は約６００〜１１００℃の範囲にあることが好ましい。また、モノメチルシランに代えて、例えば、テトラメチルシランやジメチルシランなどのような少なくとも炭素原子及び珪素原子を含有する化合物を用いることができる。更に、当該化合物の分圧としてはＮ×１０−ＸＴｏｒｒ（１≦Ｎ＜１０、４≦Ｘ≦６（Ｘは自然数））を選択することができる。なお、不純物ドーパントの導入によるＳｉＣ単結晶薄膜１１ａの抵抗率制御の目的は、半導体薄膜部１１の上層部及び下層部の抵抗率を前述した適性値にするためのものである。従って、ＳｉＣ単結晶薄膜１１ａは、ヒータ４に近い位置においては低い抵抗率を有し且つ第３の電極１２に近い位置においては高い抵抗率を有するように制御される。なお、本実施の形態におけるＳｉＣ単結晶薄膜１１ａは上層部及び下層部の２層構造であったが、ヒータ４との間でオーミック接合を構成し、第３の電極との間でショットキー接合を構成しうる限り、ＳｉＣ単結晶薄膜１１ａは例えば抵抗率が徐々に変化するような構造を有していても良い。
【００５０】
次いで、図１０に示されるように、ＳｉＣ単結晶薄膜１１ａから所望形状の半導体薄膜部１１を得るために、フォトレジストで選択的にマスクを形成し、ＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ−Ｉｏｎ−Ｅｔｃｈｉｎｇ）により不要部分を除去する。エッチングガスとしてはＳＦ６とＯ２の混合ガスを用いることができる。
【００５１】
その後、図１１に示されるように、ＷＥＴやＤＲＹ酸素雰囲気中で熱処理を施し、０．１μｍ程度の熱酸化膜８を形成する。
【００５２】
更に、図１２に示されるように、第１及び第２の電極９，１０を形成する。具体的には、まず、低抵抗領域５及び６上の熱酸化膜８をフォトレジストをマスクとしてＨＦ等により除去する。次いで、熱酸化膜８に形成された穴を利用して、熱拡散法やイオン注入法により低抵抗領域５及び６を形成する。更に、真空蒸着法やマグネトロンスパッタリング法等により約０．５μｍ厚のアルミニウムあるいはニッケル薄膜等の電極材を堆積する。ここで、低抵抗領域５及び６を安定化するために４５０℃程度の熱処理を施すことが望ましい。その後、フォトレジストをマスクとして適切なエッチャントを用いて電極材のパターニングを行って、図１２に示されるように第１及び第２の電極９及び１０を得る。
【００５３】
続いて、熱酸化膜８のうち、半導体薄膜部１１上部をエッチングにより除去し、露出した半導体薄膜部１１上に第３の電極１２を形成する。詳しくは、まず半導体薄膜部１１上に下地膜としてＴｉをマグネトロンスパッタリング法等により堆積し、次いで、触媒金属であるＰｔ又はＮｉをマグネトロンスパッタリング法等により堆積する。その後、エッチングを行ってパターニングを行い、第３の電極１２を形成する。
【００５４】
ここで、第３の電極１２のパターニング・形成に関してはいわゆるリフトオフ法を適用することもできる。すなわち、フォトレジストを予め所望のパターン化し、その上にＰｔ薄膜を堆積し、その後、余分なＰｔ薄膜をフォトレジストごと剥離する方法、つまりリフトオフ法を適用することも可能である。
【００５５】
次に、ヒータ４とヒータ４の支持部材であるＳＯＩ基板とを熱的に分離するために、フォトレジストマスクを用いてＨＦにより熱酸化膜８の所望の領域を除去し、その熱酸化膜８をマスクとしてＫＯＨ等の湿式エッチング法やＲＩＥ等のドライエッチング法によりシリコン単結晶層３を除去する（図１４参照）。
【００５６】
続いて、図１５に示されるように、ＨＦにて絶縁層２を除去する。その後、シリコン基板１の裏面から絶縁層（ＳｉＯ２）２をエッチングストッパとしたＳｉの異方性エッチングを行い、図４及び図５に示されるような梁状構造のヒータ４を得る。
【００５７】
上述した本実施の形態によるガスセンサチップにおいては、センサ基板内にＰｔ／ＳｉＣからなるショットキーダイオード（ガス検知部：ガスセンサ素子）と、ヒータ４と、温度センサが作りこまれている。そのため、被検出ガスの脱離吸着反応が活性化する４５０℃以上の動作温度までガスセンサチップを昇温させるのに要する電力は数ミリワット程度であり、電池駆動で長期間使用可能な低消費電力のガスセンサチップを実現することができる。
【００５８】
なお、ヒータの材料としては、例えば、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅ、ＧａＮ、ＺｎＯ又はＡｌＯ３を用いることができる。このうち、加工のし易さや熱伝導性を考慮すると、ヒータの材料としては、Ｓｉが好ましい。
【００５９】
また、半導体薄膜部としては、例えば、ＳｉＣ、ＧａＡｓ、ＳｉＧｅ、ＧａＮ、ＺｎＯ又はＡｌ２Ｏ３を用いることができる。半導体薄膜部に求められる条件は、バンドギャップが大きく高温動作が可能で、且つ、化学的に安定していることである。より具体的には、２．０ｅＶ以上のバンドギャップを有し、３００℃以上で使用可能で、ＮＯＸやＳＯＸなどの検出ガスと母材自体が反応し組成変化を生じる金属酸化物と比べ、気体−固体間の反応が極表層に限定された単結晶であることが好ましい。また、加工性に優れたシリコン上に良質な反応膜となる単結晶膜が形成できるが望ましい。かかる条件を考慮すると、半導体薄膜部の材料としてはＳｉＣが適切である。
【００６０】
すなわち、ヒータと半導体薄膜部とは互いに同じ材料であっても良いが、本実施の形態の用途においては、ヒータと半導体薄膜部との組み合わせをＳｉ及びＳｉＣとするのが好ましい。
【００６１】
図１６に示されるように、第１の実施の形態における第１のガスセンサチップ１１３と第２のガスセンサチップ１１４とを一体に形成してもよい。この場合、第１のガスセンサチップ１１３が有する第３の電極１２の周囲を囲う第１の壁３３と、第２のガスセンサチップ２１３が有する第３の電極１２を囲う第２の壁３４と、さらに第２の壁３４とともに第２のガスセンサチップ２１３が有する第３の電極１２を密閉するマイクロカバー３５とを設ける。第２の壁３４及びマイクロカバー３５は、被検出ガスが第２のガスセンサチップ２１３が有する第３の電極１２に触れることを妨げる物理的な隔壁として機能する。マイクロカバー３５は、半導体微細加工技術によりシリコン等により形成される。第１の壁３３、第２の壁３４及びマイクロカバー３５は、陽極接合法、あるいは直接接合法等により接合される。密閉された空間にはアルゴンや窒素ガス等の不活性ガスを充填封止する。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【図１】本発明の実施の形態によるガス検出装置の回路図である。
【図２】他のガス検出装置の回路図である。
【図３】本発明の実施の形態によるガスセンサチップを概略的に示す斜視図である。
【図４】図３に示されるガスセンサチップのＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図５】図３に示されるガスセンサチップのＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図６】図３に示されるガスセンサチップの製造工程を示す、ＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図７】図３に示されるガスセンサチップの製造工程を示す、ＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図８】図３に示されるガスセンサチップの製造工程を示す、ＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図９】図３に示されるガスセンサチップの製造工程を示す、ＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図１０】図３に示されるガスセンサチップの製造工程を示す、ＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図１１】図３に示されるガスセンサチップの製造工程を示す、ＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図１２】図３に示されるガスセンサチップの製造工程を示す、ＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図１３】図３に示されるガスセンサチップの製造工程を示す、ＩＩ−ＩＩ断面図である。
【図１４】図３に示されるガスセンサチップの製造工程を示す、ＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図１５】図３に示される半導体式ガスセンサの製造工程を示す、ＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。
【図１６】第１の実施形態の第１及び第２のガスセンサチップを一体に形成したガスセンサチップの図４と同一方向における断面図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  シリコン基板
２  絶縁層
３  シリコン単結晶層
４  ヒータ
５  低抵抗領域
６  低抵抗領域
７  低抵抗領域
８  熱酸化膜
９  第１の電極
１０  第２の電極
１１  半導体薄膜部
１２  第３の電極
１３  引き出し線
１４  電極パッド
３０  穴
３１  穴
３２  穴
３３  第１の壁
３４  第２の壁
３５  マイクロカバー
１００  第１の半導体式ガスセンサ
１０１  第１の加熱部
１０２  第１の温度センサ
１０３  感応信号出力アンプ
１０４〜１０９  第１〜第６の抵抗
１１０  第１の加熱信号出力アンプ
１１１  第１の温度信号出力アンプ
１１２  第１の定電圧電源
１１３  第１のガスセンサチップ
２００  第２の半導体式ガスセンサ
２０１  第２の加熱部
２０２  第２の温度センサ
２０３  基準信号出力アンプ
２０４〜２０９  第７〜第１２の抵抗
２１０  第２の加熱信号出力アンプ
２１１  第２の温度信号出力アンプ
２２２  第２の定電圧電源
２１３  第２のガスセンサチップ
２１４  遮蔽部材
３００  ガス検出装置
３０１  ガス検出部
３０２  基準信号出力部
３０３  差分検出部
３０４  加熱制御部
３０５  センスアウト端子
３０６  ガス検出装置
【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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【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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