(57)【要約】【課題】２００℃以上の周囲温度でも計測できる水蒸気などの気体の成分と濃度や流速、真空度などの物理量を容易に検出できる気体センシングシステム及びそのための温度センサを提供する。【解決手段】センサチップには、半導体の基板１を用い、この基板から熱分離した薄膜４に、薄膜のヒータ６と、１個または２個の温度センサとを集積化させ、２個の温度センサＴＳａ、ＴＳｂを用いた場合は、これらの温度差を検出し、必要に応じ基板に周囲温度Ｔｃを測定する温度センサＴＳｃを設けて、これらの温度情報を利用する。また、更に必要に応じ、薄膜４に薄膜触媒３００を形成して、反応熱を利用する。【選択図】    図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）から熱分離した薄膜（４）に、少なくとも１個のヒータ（６）と該ヒータ（６）の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａとを備え、ヒータ（６）から周囲気体である湿潤空気への熱放散を利用して絶対湿度を測定するにあたり、湿潤空気の温度の影響を無視できるようにした気体センシングシステムにおいて、該ヒータ（６）に一定時間内に異なる２つのパルス電圧を印加することにより、それぞれ１５０℃を越えて２７０℃以下である所定の温度Ｔｌと、この温度Ｔｌを越えた所定の温度Ｔｈとになるように切り替えて制御し、周囲気体の温度Ｔｃから温度Ｔｌと温度Ｔｈになるために必要な前記２つのパルス電圧の大きさを計測して、これらの２つのパルス電圧の大きさを利用して周囲気体の温度Ｔｃの影響を除くように補正したこと特徴とする気体センシングシステム。
【請求項２】
基板から熱分離した薄膜（４）に、少なくとも１個のヒータ（６）と該ヒータ（６）の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ（６）から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが一定値になるようにヒータ（６）の温度を制御してあり、薄膜（４）に接する周囲気体への熱伝導の変化により、場所Ａと場所Ｂに温度差が生じるように構成し、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力と、該出力による場所Ａと場所Ｂの温度差情報と、必要に応じ周囲気体の温度Ｔｃを検出する温度センサＴＳｃからの出力とを利用して周囲気体の物理量を計測できるようにしたことを特徴とする気体センシングシステム。
【請求項３】
周囲気体の温度が、温度Ｔｃ以上の所定の温度Ｔｌと、この温度Ｔｌを越えた所定の温度Ｔｈとになった時、周囲気体の熱伝導率の差が、周囲気体中の被検出気体の含有量に直線関係であることを利用するものであり、場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが、上記所定の温度Ｔｌと温度Ｔｈとの一定値になるようにヒータ（６）の温度を制御してあり、この温度Ｔｌと温度Ｔｈにおける周囲気体の熱伝導率の差を求めるようにして、物理量としての被検出気体の含有量を計測するようにした請求項２記載の気体センシングシステム。
【請求項４】
湿潤空気を周囲気体、被検出気体を水蒸気とした請求項３記載の気体センシングシステム。
【請求項５】
一個のヒータ（６）に一定時間内に異なる２つのパルス電圧を印加することにより、場所Ａもしくは場所Ｂのうち、一定値になるように制御した一方の場所の温度が周囲気体の温度Ｔｃを越える所定の温度Ｔｌと、この温度Ｔｌを越えた所定の温度Ｔｈとになるように切り替えて制御し、温度Ｔｌと温度Ｔｈ、温度Ｔａと温度Ｔｂに設定した時のそれぞれの場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂ、および周囲気体の温度Ｔｃを利用して、被検出気体の含有量を算出できるようにした請求項３もしくは請求項４記載の気体センシングシステム。
【請求項６】
基板（１）から熱分離し独立した２個の薄膜（４）のそれぞれに、１個のヒータ（６）と、該ヒータ（６）のそれぞれの場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ（６）から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、一方の薄膜（４）の場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが、所定の温度Ｔｌ、他方の薄膜（４）の場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが所定の温度Ｔｈの一定値になるようにヒータ（６）の温度を制御した請求項３もしくは請求項４記載の気体センシングシステム。
【請求項７】
温度センサＴＳｃを基板に形成した請求項２から請求項６のいずれかに記載の気体センシングシステム。
【請求項８】
物理量として気体の流量もしくは流速とした請求項２もしくは請求項７記載の気体センシングシステム。
【請求項９】
物理量として真空度とした請求項２もしくは請求項７記載の気体センシングシステム。
【請求項１０】
基板（１）から熱分離した薄膜（４）に、少なくとも１個のヒータ（６）と該ヒータ（６）の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ（６）から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、場所Ａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが所定の温度上昇もしくは温度降下の時間変化になるように温度センサＴＳａもしくは温度センサＴＳｂの出力を利用して制御してあり、薄膜（４）に接する周囲気体への熱伝導の変化により、場所Ａと場所Ｂに温度差が生じるように構成し、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力と、該出力による場所Ａと場所Ｂに温度差情報と、該温度差情報と場所Ａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂの時間変化パターンを利用して、周囲気体の成分と濃度を計測できるようにしたことを特徴とする気体センシングシステム。
【請求項１１】
基板（１）から熱分離した薄膜（４）に、少なくとも１個のヒータ（６）と該ヒータ（６）の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ（６）から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、薄膜（４）のうち少なくとも場所Ｂに近接して被検出気体に対する薄膜触媒（３００）を上記薄膜（４）上に形成してあり、場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが一定値になるようにヒータ（６）の温度を制御してあり、薄膜（４）に接する周囲気体中の被検出気体の触媒反応に基づく反応熱変化により、場所Ｂに温度変化が生じるように構成し、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力と、該出力による場所Ａと場所Ｂの温度差情報と、該温度差情報と場所Ａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂを利用して、周囲気体中の被検出気体の濃度を計測できるようにしたことを特徴とする気体センシングシステム。
【請求項１２】
基板（１）から熱分離した薄膜（４）に、少なくとも１個のヒータ（６）と該ヒータ（６）の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ（６）から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、薄膜（４）のうち少なくとも場所Ｂに近接して被検出気体に対する薄膜触媒（３００）を上記薄膜（４）上に形成してあり、場所Ａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが所定の温度上昇もしくは温度降下の時間変化になるように温度センサＴＳａもしくは温度センサＴＳｂの出力を利用して制御してあり、該薄膜（４）に接する周囲気体中の被検出気体の触媒反応に基づく反応熱変化により、場所Ｂに温度変化が生じるように構成し、温度センサＴＳａと該温度センサＴＳｂとの出力と、該出力による場所Ａと場所Ｂの温度差情報と、該温度差情報と場所Ａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂの時間変化パターンを利用して、周囲気体中の被検出気体の成分とそれらの濃度を計測できるようにしたことを特徴とする気体センシングシステム。
【請求項１３】
場所Ａと場所Ｂとの間の薄膜（４）にスリット（４５）を設けて熱抵抗を大きくさせた請求項２から請求項１２のいずれかに記載の気体センシングシステム。
【請求項１４】
所定の基準状態での温度センサＴＳａもしくは温度センサＴＳｂの出力を調節して、その基準状態で温度センサＴＳａの出力と温度センサＴＳｂの出力の差動増幅出力値がゼロになるように構成し、このゼロ出力を基準にして周囲気体の物理量、成分もしくは気体の濃度を計測するようにした請求項２から請求項１３記載の気体センシングシステム。
【請求項１５】
基板（１）から熱分離した薄膜（４）に、少なくとも１個のヒータ（６）と該ヒータ（６）の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ（６）から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備えた構造を有する気体センシングシステムの温度センサにおいて、温度センサＴＳａおよび温度センサＴＳｂをバイポーラトランジスタもしくは半導体ダイオードとしたことを特徴とする温度センサ。
【請求項１６】
場所Ａと場所Ｂとの間の薄膜（４）にスリット（４５）を設けて、場所Ａと場所Ｂ間の熱抵抗を大きくさせた構造体に形成した請求項１５記載の温度センサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板から熱分離した薄膜に形成したヒータと温度センサとを備えた気体センシングシステム及びそのための高感度でＩＣ化可能な温度センサに関するもので、気体中の湿度も含むガス成分の検出および分析、気体のフローセンサや真空センサなどに利用できるものである。
【０００２】
【従来の技術】
これまで、本願発明者は、極めてコンパクトで、消費電力が小さく、高速応答の熱伝導式の絶対湿度センサを開発し報告してきた（例えば、特許文献１、特許文献２、非特許文献１参照。）。しかし、従来の熱伝導式の絶対湿度センサは、薄膜ヒータの抵抗体として白金薄膜を利用し、かつ、温度センサとしても、この白金薄膜の抵抗の抵抗温度係数を利用しており、ヒータと温度センサとを兼用していた。そこでは、周囲温度の影響を除いて、絶対湿度を計測するために、パルス電圧を薄膜ヒータに印加して、周囲温度よりも高い異なる２つの温度（温度Ｔａと温度Ｔｂ）になるように制御し、水蒸気の量により湿潤空気の熱伝導率が左右されない温度Ｔａとして１２０から１５０℃を選び、実際の水蒸気の量による湿潤空気の熱伝導率の変化を検出する温度Ｔｂとして、３００℃以上の温度を選んでいた。
【０００３】
また、本願発明者は、特定ガスを水蒸気とした「ガス濃度測定装置」を発明してきた（例えば、特許文献３参照。）。そこでは、ヒータと温度センサとを分離し、ヒータは金属よりも抵抗が大きく、製作が簡便なシリコンの拡散抵抗を利用し、温度センサとして高感度な半導体ダイオードを用いるもので、どちらもＩＣ化に適するものであった。
【０００４】
また、従来、フローセンサとして、基板から熱分離した薄膜上に、白金ヒータとその白金ヒータを挟み上流側と下流側にやはり白金細線による電気抵抗変化を利用する温度センサを配置し、上流側と下流側の流れによる温度差を検出して気流を計測するフローセンサが「流速センサ」として報告されていた（例えば、特許文献３参照。）。そこでは、基板から熱分離した薄膜上に、異方性エッチングで空洞３部を製作しやすくするために、多数のスリットが設けられていた。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−１８４５７５号公報
【特許文献２】
特開平８−１８４５７６号公報
【特許文献３】
特願２００１−２９５０３２
【特許文献４】
特開平４−５５７２号公報
【非特許文献１】
「Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ」Ｍ．Ｋｉｍｕｒａ、ｅＴａｌ．；“Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｔｈｅ  ａｉｒ−ｂｒｉｄｇｅ  ｍｉｃｒｏｈｅａｔｅｒ  ｔｏ  ｇａｓ    ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ”，Ｂ２４−２５（１９９５）、ｐｐ８５７−８６０
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、織物工場などでは２００℃程度の高温の周囲温度の中の絶対湿度を計測したい要望があり、従来の水蒸気の量により湿潤空気の熱伝導率が左右されない温度Ｔａとして１２０から１５０℃を選んでいたのでは、周囲温度より低いために冷却する必要があり、実用上困難であった。
【０００７】
また、従来の熱伝導式の絶対湿度センサでは、１つの温度センサでヒータの温度を検出すると共に、このヒータの温度を一定に保つように制御しており、絶対湿度の計測は、湿度変化に基づくヒータの温度を一定に保つに必要なヒータ印加電圧の変化から求められていた。しかし、ヒータでのジュール熱はこの印加電圧の二乗に比例するので、印加電圧の小さな変化で大きなジュール熱が得られるので、ヒータの温度を一定に保つに必要なヒータ印加電圧の変化から求めている現状では、絶対湿度の感度が小さいという問題があった。
【０００８】
また、ヒータを挟み、上流側と下流側に設けられた温度センサの出力からこれらの温度差を利用する従来の気体のフローセンサでは、低流速の時には感度が高いが、高流速になると上流側と下流側に温度差がつき難く、感度が極めて小さくなってしまうという問題があった。
【０００９】
本発明は、２００℃以上の周囲温度でも絶対湿度が簡便に計測できる消費電力が小さく、高速応答で、高感度の絶対湿度センサとしての気体センシングシステムを提供すること、更に、気体成分としての水蒸気ばかりでなく、他の多くの気体の成分検出まで拡張した気体センシングシステムを提供すること、触媒反応熱を利用したガスセンサとしての気体センシングシステムを提供すること、周囲気体への熱放散を利用する本熱伝導式センサの性質を利用してフローセンサや真空センサへの応用を含めた気体センシングシステムを提供すること、さらに、これらのセンサに適する構造の温度センサを提供することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる気体センシングシステムは、基板１から熱分離した薄膜４に、基板１から熱分離した薄膜４に、少なくとも１個のヒータ６と該ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａとを備え、ヒータ６から周囲気体である湿潤空気への熱放散を利用して絶対湿度を測定するにあたり、湿潤空気の温度の影響を無視できるようにした気体センシングシステムにおいて、このヒータ６に一定時間内に異なる２つのパルス電圧を印加することにより、１５０℃を越えて２７０℃以下である所定の温度Ｔａと、この温度Ｔａを越えた所定の温度Ｔｂとになるように切り替えて制御し、周囲気体の温度Ｔｃから温度Ｔａと温度Ｔｂになるために必要な前記２つのパルス電圧の大きさを計測して、これらの２つのパルス電圧の大きさを利用して、２００℃程度の高温の周囲温度の中の絶対湿度でも、周囲気体の温度Ｔｃの影響を除くように補正して計測できるようにしたものである。
【００１１】
従来、本願発明者による上記特許文献１、２の「湿度センサ」においては、ヒータ６に２つのパルス電圧の大きさを変えて、湿潤空気の温度Ｔｃから、Ｔｌ＝１２０℃から１５０℃程度とＴｈ＝４５０℃程度に昇温させて、Ｔｌ＝１２０℃から１５０℃程度付近では、湿潤空気の熱伝導率λが、湿潤空気の絶対湿度依存性が極めて小さいことを利用して、このＴｌ＝１２０℃から１５０℃程度の所定の設定温度を基準にしておき、Ｔｈ＝４５０℃程度の温度における湿潤空気の熱伝導率λの変化から、湿潤空気の絶対湿度を算出するものであった。
【００１２】
しかし、このＴｌ＝１２０℃から１５０℃付近の所定の設定温度を基準にしているため、例えば、湿潤空気の温度Ｔｃ＝２００℃の高温における絶対湿度を計測するには、冷却するなどの必要があり、従来のままの理論では、計測できない問題が発生していた。
【００１３】
詳細に湿潤空気の熱伝導率のシミュレーションを行い検討した結果、図３に示すように比較的低い絶対湿度では１２０℃から１５０℃程度において絶対湿度によらず空気の熱伝導率とほとんど変わらないが、絶対湿度が大きい方では２７０℃程度まで空気の熱伝導率とほとんど変わらないとしても誤差が小さいことが判明した。
【００１４】
このことを利用すると従来の絶対湿度センサでの異なる２つの温度である所定の温度Ｔｌと温度Ｔｈとして、例えば、温度Ｔｌとして２００℃を越えて設定しても良く、周囲温度が２００℃程度の高温でも簡単に絶対湿度を計測できる。なお、周囲温度が高温になるほど飽和絶対湿度が急激に大きくなることから絶対湿度が大きくとも相対湿度は非常に小さくなる。もちろん、周囲温度を計測しておくことにより絶対湿度を基に相対湿度が算出できる。
【００１５】
また、本発明の請求項２に係わる気体センシングシステムは、基板１から熱分離した薄膜４に、少なくとも１個のヒータ６と該ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ６から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが一定値になるようにヒータ６の温度を制御してあり、薄膜４に接する周囲気体への熱伝導の変化により、場所Ａと場所Ｂに温度差が生じるように構成し、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力と、該出力による場所Ａと場所Ｂの温度差情報と、必要に応じ周囲気体の温度Ｔｃを検出する温度センサＴＳｃからの出力とを利用して周囲気体の絶対湿度、混合気体の特定ガスの濃度、流速、真空度などの物理量を計測できるようにしたものである。
【００１６】
例えば、ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａを一定に保持するように、温度センサＴＳａを利用したフィードバック系によりヒータ６の温度を制御する場合を考えると、周囲気体の物理量としての絶対湿度が増加すると、ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａおよびに場所Ｂの温度Ｔｂにおける周囲気体の熱伝導率が増加して放熱が増大し、場所Ａおよびに場所Ｂの冷却効果が増大するので、場所Ａの温度Ｔａを温度Ｔｌまたは温度Ｔｈなる一定値に保持するためには、ヒータ６の電力を増大させなければならない。したがって、ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂとの温度差が大きくなる。これらの温度差情報と、場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂの情報と、周囲温度の情報から絶対湿度が算出できる。
【００１７】
場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂとの温度差を計測し、これを利用して絶対湿度を算出するので、従来の絶対湿度計測におけるヒータ６を一定温度に保持するための印加電圧を計測して絶対湿度算出に利用する場合とは異なり、絶対湿度に対する大きな感度を示すことになる。
【００１８】
上述の議論は、気体として水蒸気である絶対湿度のセンシングばかりでなく、組成がわかっている気体に関しては、特定の気体の含有量をセンシングするセンサシステムとして利用することができる。
【００１９】
また、本発明の請求項３に係わる気体センシングシステムは、請求項２記載の気体センシングシステムで、周囲気体の温度が、温度Ｔｃ以上の所定の温度Ｔｌと、この温度Ｔｌを越えた所定の温度Ｔｈとになった時、周囲気体の熱伝導率の差が、周囲気体中の被検出気体の含有量に直線関係であることを利用するものであり、場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが、上記所定の温度Ｔｌと温度Ｔｈとの一定値になるようにヒータ６の温度を制御してあり、この温度Ｔｌと温度Ｔｈにおける周囲気体の熱伝導率の差を求めるようにして、物理量としての被検出気体の含有量を計測するようにした場合である。
【００２０】
また、本発明の請求項４に係わる気体センシングシステムは、請求項３において、湿潤空気を周囲気体とし、被検出気体を水蒸気とした、即ち、物理量とした場合で、絶対湿度を計測するようにしたものである。
【００２１】
本発明の請求項５に係わる気体センシングシステムは、請求項３もしくは請求項４において、一個のヒータ６に一定時間内に異なる２つのパルス電圧を印加することにより、場所Ａもしくは場所Ｂのうち、一定値になるように制御した一方の場所の温度が周囲気体の温度Ｔｃを越える所定の温度Ｔｌと、この温度Ｔｌを越えた所定の温度Ｔｈとになるように切り替えて制御し、温度Ｔｌと温度Ｔｈ、温度Ｔａと温度Ｔｂに設定したときのそれぞれの場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂ、および周囲気体の温度Ｔｃを利用して、絶対湿度などの被検出気体の含有量を算出できるようにしたものである。
【００２２】
ここでは、基板１から熱分離した一個の薄膜４に一個のヒータ６の場所Ａと場所Ｂにそれぞれ温度センサを配置して、例えば、場所Ａの温度Ｔａをパルス電圧を印加して一瞬、所定の温度Ｔｌ＝２００℃に維持させ、次に、高いパルス電圧に切り替えて印加して一瞬、所定の温度Ｔｈ＝４００℃に維持して、これらの時の場所Ｂのそれぞれの温度Ｔｂを計測し、更に、周囲気体である加熱されない周囲温度Ｔｃを基板１に形成してある温度センサＴＳｃにより計測して、後述の数１、数２、数３の式を用いて、絶対湿度などを算出するようにした場合である。
【００２３】
本発明の請求項６に係わる気体センシングシステムは、請求項３もしくは請求項４において、基板１から熱分離し独立した２個の薄膜４のそれぞれに、１個のヒータ６と、該ヒータ６のそれぞれの場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ６から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、一方の薄膜４の場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが、所定の温度Ｔｌ、他方の薄膜４の場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが所定の温度Ｔｈの一定値になるようにヒータ６の温度を制御した請求項３記載の気体センシングシステムで、上述の請求項４の場合とは異なり、基板１から熱分離し独立した２個の薄膜４を用意し、それぞれを温度Ｔｈに専用加熱、温度Ｔｌに専用加熱と言うように、２個のヒータ６に分離した場合である。
【００２４】
このように２つのヒータ６に分離することにより、２つの温度Ｔｈと温度Ｔｌになったときの温度出力を、リアルタイムに差動増幅することができて、Ｓ／Ｎを上げやすい。
【００２５】
本発明の請求項７に係わる気体センシングシステムは、周囲温度を計測する温度センサＴＳｃを半導体などの基板１に形成した場合でシステムを集積化するときに好適である。
【００２６】
また、本発明の請求項８に係わる気体センシングシステムは、物理量として気体の流量もしくは流速とした場合のものである。
【００２７】
また、本発明の請求項９に係わる気体センシングシステムは、物理量として気体の圧力である真空度を計測するようにとした場合である。ピラニー真空計のように真空度が良くなると、ヒータ６を持つ基板１から熱分離した薄膜４に衝突する気体ガス分子数が少なくなるので、熱が逃げ難くなり、ヒータ６の消費電力が少なくとも設定温度に達すると共に、場所Ａと場所Ｂに温度差が生じ難くなる。
【００２８】
また、本発明の請求項１０に係わる気体センシングシステムは、基板１から熱分離した薄膜４に、少なくとも１個のヒータ６とこのヒータ６の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ６から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、場所Ａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが所定の温度上昇もしくは温度降下の時間変化になるように温度センサＴＳａもしくは温度センサＴＳｂの出力を利用して制御してあり、薄膜４に接する周囲気体への熱伝導の変化により、場所Ａと場所Ｂに温度差が生じるように構成し、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力と、この出力による場所Ａと場所Ｂに温度差情報と、この温度差情報と場所Ａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂの時間変化パターンを利用して、周囲気体の成分と濃度を計測できるようにした場合である。
【００２９】
ここでは、これまでの請求項にある場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂを基板１から熱分離した薄膜４に配置することは同様であるが、所定の一定温度に保持するのではなく、温度を上昇させたり、降下させたりして、その時々刻々変化する温度に対する周囲気体中の組成に基づく熱伝導率の温度依存性から周囲気体の成分と濃度を計測できるようにしたもので、気体成分がわかっている場合は、それぞれの濃度を温度出力の時間変化パターンから算出する場合である。
【００３０】
また、本発明の請求項１１に係わる気体センシングシステムは、基板１から熱分離した薄膜４に、少なくとも１個のヒータ６と該ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａを検出する温度センサＴＳａと、熱抵抗を有するようにヒータ６から距離を隔てた場所Ｂに配置されてあり、その場所Ｂの温度Ｔｂを検出する温度センサＴＳｂとを備え、薄膜４のうち少なくとも場所Ｂに近接して被検出気体に対する薄膜触媒３００を上記薄膜４上に形成してあり、場所Ａの温度Ｔａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂが一定値になるようにヒータ６の温度を制御してあり、薄膜４に接する周囲気体中の被検出気体の触媒反応に基づく反応熱変化により、場所Ｂに温度変化が生じるように構成し、温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂとの出力と、該出力による場所Ａと場所Ｂの温度差情報と、該温度差情報と場所Ａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂを利用して、周囲気体中の被検出気体の濃度を計測できるようにした場合である。
【００３１】
ここでは、上記請求項６に係わる気体センシングシステムと構成は同様であるが、場所Ｂに近接して（場所Ｂに重なっていてもよい）被検出気体に対する薄膜触媒３００を基板１から熱分離した薄膜４上に形成しておき、所定の温度になったときに、被検出気体の触媒反応に基づく反応熱変化が生じて、場所Ａと場所Ｂとの温度差が変化することを計測して、周囲気体中の被検出気体の濃度を計測できるようにしたものである。
【００３２】
また、本発明の請求項１２に係わる気体センシングシステムは、基本的には請求項８と請求項９の組み合わせで、場所Ｂに近接して被検出気体に対する薄膜触媒３００を形成してあり、触媒反応の反応熱変化を利用すると共に、場所Ａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂを上昇させたり、降下させたりして、場所Ａもしくは場所Ｂの温度Ｔｂの時間変化パターンを利用して、周囲気体中の被検出気体の成分とそれらの濃度を計測できるようにした場合である。
【００３３】
また、本発明の請求項１３に係わる気体センシングシステムは、場所Ａと場所Ｂとの間の薄膜４にスリット４５を設けて熱抵抗を大きくさせた場合で、周囲気体の組成変化などに基づく熱伝導率の変化で場所Ａと場所Ｂの温度差が大きくなりやすいようにしたものである。
【００３４】
また、本発明の請求項１４に係わる気体センシングシステムは、請求項２から１３において、例えば、周囲気体中の特定のガスである被検出気体の濃度などを検出するセンサにおいては、被検出気体が存在しない場合や存在していても既知の含有量のとき、また、フローセンサにおいては、気流が無いとき、また、真空センサにおいては、高真空か特定の真空度のとき、を所定の基準状態として取り扱い、この基準状態での温度センサＴＳａもしくは温度センサＴＳｂの出力を増幅などして調節して、その基準状態で温度センサＴＳａの出力と温度センサＴＳｂの出力の差動増幅出力値がゼロになるように回路的に構成しおき、このゼロ出力を更に基準にして周囲気体の物理量、成分もしくは気体の濃度を計測するようにした場合で、ゼロ出力を基準にすることにより、高感度で高精度に計測することができる。
【００３５】
また、本発明の請求項１５に係わる温度センサは、請求項２から１４までの気体センシングシステムの構造において、そこに用いる温度センサとして高感度、高精度であり、かつ単純で集積化可能な温度センサとして、バイポーラトランジスタもしくは半導体ダイオードとした場合である。
【００３６】
また、本発明の請求項１６に係わる温度センサは、請求項１５において、場所Ａと場所Ｂとの間の薄膜４にスリット４５を設けて熱抵抗を大きくさせた構造をもつ場合で、場所Ａと場所Ｂとの距離をそれほど大きくしなくともスリット４５形成により容易に熱抵抗が大きくできるので、ヒータ６が存在する場所Ａと場所Ｂとの間の温度差が周囲気体の湿度やガスの濃度変化、流速など物理量変化などにより大きくなりやすく、温度差出力が大きくなるから高感度で高精度の気体センシングシステムが達成される。
【００３７】
【発明の実施の形態】
本発明は本発明者の次の知見に基づくものである。図１には、本願発明者が計算した湿潤空気の熱伝導率のシミュレーション結果であり、窒素ガスと酸素ガスとが８０：２０とした乾燥空気として近似し、これにモル比率Ｘの水蒸気が含有する場合で、周囲温度Ｔａが変化した時のこの湿潤空気の熱伝導率λを計算したものを示している。
【００３８】
図１のシミュレーション結果から、０℃という低い温度での湿潤空気の熱伝導率λは、水分量（水蒸気の含有量）Ｘの割合が大きくなるにつれて単調に減少していることがわかる。１００℃程度では、水分量Ｘの割合が０．３モル比率程度まで、湿潤空気の熱伝導率λは、変化せずその後は低下する。２００℃以上では、水分量Ｘの割合が０．３モル比率程度の低い水分含有量では、わずかに水分量Ｘと共に、増加傾向にあるが極めて緩やかで、ほぼ一定とみなすことができる。
【００３９】
３００℃を越えるあたりから湿潤空気の熱伝導率λは、水分量Ｘの割合と共に大きくなり、これは温度が高いほど急激な勾配で増加することもわかる。しかし、水分量Ｘと共に湿潤空気の熱伝導率λは飽和の傾向があり、高温といえども温度一定の下での水蒸気量の熱伝導率λの増加に伴うヒータ６からの熱放散から絶対湿度を計測することには、高濃度水蒸気になると精度が悪くなることがわかる。
【００４０】
しかし、実測データを用いたシミュレーションによると、少なくとも１００℃以上の異なる温度Ｔｈと温度Ｔｌ（例えば、温度Ｔｈ＝４００℃、温度Ｔｌ＝２００℃一定）における湿潤空気の熱伝導率λの差Δλは、図２に示すように水蒸気量のモル比率Ｘのほぼ一次関数（直線）で近似できることが本発明者は見出した。
【００４１】
このことから、異なる温度Ｔｈと温度Ｔｌにおける湿潤空気の熱伝導率λの差Δλを計測するか、算出するかして、Δλを求めるようにすれば、水分量Ｘの割合と共に、ほぼ直線的に増大するので、高い水蒸気の量（水分量）まで、高精度で水蒸気濃度を計測することができることがわかる。
【００４２】
したがって、例えば、ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａを所定の温度Ｔｌ（例えば、２００℃）と温度Ｔｈ（例えば、４００℃）のそれぞれ一定値になるようにヒータ６への印加電圧を制御して、それぞれの温度Ｔｌ，Ｔｈにおける湿潤空気の熱伝導率λｌ、λｈを熱伝達方程式から近似的に求めると、数１と数２に示すような関係式となり、更に、これらの差Δλは、シミュレーション結果から数３に示されるようにＸの一次関数として近似できることになる。
【００４３】
【数１】
λｌ＝ｋ（Ｔｌ−Ｔｂ）／（Ｔｌ−Ｔｃ）
ここで、ｋは比例定数、Ｔｌは場所Ａの温度、Ｔｃは周囲気体の温度（周囲温度）、Ｔｂは場所Ｂの温度
【００４４】
【数２】
λｈ＝ｋ（Ｔｈ−Ｔｂ）／（Ｔｈ−Ｔｃ）
ここで、Ｔｈは場所Ａの温度
【００４５】
【数３】
Δλ＝λｈ−λｌ＝ａＸ＋ｂ
【００４６】
これらの差Δλが絶対湿度のモル比率Ｘに直線的関係にあるとして、その係数ａとｂとを実験から事前に求めておき、校正曲線を求めておくことにより、周囲気体中の絶対湿度を算出することができる。もちろん、この算出した絶対湿度から相対湿度も周囲気体の温度Ｔｃを利用して求めることができる。
【００４７】
上述では、周囲気体中の被検出気体である水蒸気、即ち、絶対湿度を例にしたが、被検出気体として水蒸気以外の特定の気体についても同様なことがいえるので、特定の被検出気体として一般化できる。
【００４８】
以下、本発明の気体センシングシステムとこれに用いる温度センサの実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【００４９】
【実施例１】
図４は、気体センシングシステムの気体センシング部であるセンサチップの概略図を示したもので、同図（Ａ）には、その平面図を、同図（Ｂ）には、同図（Ａ）におけるＸ−Ｘから見た断面形状図を示す。
【００５０】
このセンサチップは、シリコンのＳＯＩ基板である基板１を用いた場合の実施例で、下地基板２には空洞３が形成してあり、空洞３の上部には、溝４０を設けたために残された６箇所にある薄膜４の梁５で支えられた形の薄膜４が形成されてあり、この薄膜４とこれらの梁５はＳＯＩ基板のＢＯＸ層１０と単結晶シリコン薄膜２０とを主構成材料としている。このため、薄膜４は、宙に浮いた構造で、基板１から熱分離された形になっている。
【００５１】
また、この単結晶シリコン薄膜２０はｐ型層２１０の場合であり、ここにｎ型の不純物拡散により形成したｎ型拡散層２２０を薄膜のヒータ６として利用できるようにしている。このｎ型層２２０の薄膜状のヒータ６は、周囲のｐ型層２１０に対して異なる導電型なので、これらの間にｐｎ接合が形成されており、このヒータ６を周囲のｐ型層２１０から電気的に絶縁分離されている構造である。従って、ヒータ電極１４０に電流を流した時、ヒータ６だけに電流が流れるようにすることができ、ヒータ６だけをジュール加熱できる。
【００５２】
また、薄膜４のうちでその両側には、ここには上述のｎ型拡散層２２０である薄膜のヒータ６と同時に形成されたｎ型層２２０領域が存在し、ｐｎ接合ダイオード７ａと７ｂが形成され、それぞれ場所Ａにあるヒータ６の温度Ｔａを計測する温度センサＴＳａと場所Ｂの温度ＴＳｂを計測する温度センサＴＳｂとして用いている。１５０℃以上の温度を計測するには、これらのｐｎ接合ダイオード７ａと７ｂに１Ｖ程度の逆方向バイアス電圧を印加し、逆方向飽和電流Ｉｓの温度依存性から求めると良い。また、１５０℃以下の温度を計測するには、０．５Ｖ程度の順方向バイアスを印加し、その電流変化から求めると良い。なお、順方向バイアスでは、そのバイアス電圧を変化させると、計測する温度の感度を変化させることができる。
【００５３】
また、上述では、温度センサＴＳａ、ＴＳｂとして、ｐｎ接合ダイオードを用いた場合であるが、これをバイポーラトランジスタとし、エミッタとベースとのｐｎ接合を利用するトランジスタサーミスタを用いることもできるし、熱電対やサーモパイルなどを用いても良い。
【００５４】
なお、上述した図１に示すセンサチップは、単結晶シリコンの公知のフォトリソグラフィーを利用した半導体微細加工技術、異方性エッチング技術を用いて形成でき、不純物拡散工程、熱酸化工程などを用いること、配線１５０や各種の電極１２０、１３０の形成などもフォトリソグラフィーで容易に形成できる。また、電極などの金属化は、基板１の裏面にある空洞３の形成時に用いる異方性エッチングであるアルカリエッチング溶液への耐性のある金属を用いる方が良い。しかし、アルミニウムなどの耐性の無い金属を使用するときは、アルミニウムとシリコンの合金として、耐性を持たせるか、または、その上に保護膜を形成しておいてから異方性エッチングを行う必要がある。
【００５５】
次にヒータ６で熱せられた薄膜４と、ｐｎ接合ダイオード７ａと７ｂからなる温度センサＴＳａとＴＳｂによる薄膜４上のヒータ６の場所Ａと場所Ａから離れた場所Ｂのそれぞれの温度ＴａとＴｂとの温度計測、および気体センシングシステムについて説明する。
【００５６】
基板１であるＳＯＩ基板のＳＯＩ薄膜（この部分が単結晶シリコン薄膜２０である）の厚みを６μｍ、溝４０で囲まれた薄膜４の大きさを７００μｍ  ×  １５００μｍ、ＢＯＸ層１０の厚みを２μｍとし、ｎ型拡散層２２０の形成のためｎ型不純物拡散をした場合、不純物拡散温度やその時間にも依るが、薄膜のヒータ６の抵抗はほぼ３０Ωであった。ヒータ電極１４０を通して、電圧５Ｖの矩形波電圧を印加し、電流を流すと、熱時定数が数百ミリ秒でヒータ６が４００℃以上に温度上昇した。ヒータ６は、基板１から熱分離した薄膜４の一方の側に配置され（この場所をＡとする）、この場所Ａ点の温度Ｔａと、スリット４５を介して少し離れた場所Ｂ点の温度Ｔｂとは、周囲の気体への熱伝導による放熱により少し異なり、場所Ａ点が熱源なので、必ず温度Ｔａより温度Ｔｂが小さくなるような温度差が生じる。
【００５７】
ヒータ６への電力供給を、温度Ｔａと温度Ｔｂをそれぞれ計測する温度センサＴＳａと温度センサＴＳｂを用いて、場所Ａ点の温度Ｔａを所定の温度に維持するように制御するか、場所Ｂ点の温度Ｔｂを所定の温度に維持するように制御することができる。本実施例では、温度センサＴＳａを利用したフィードバック系によりヒータの場所Ａ点の温度Ｔａを所定の温度に維持するようにを制御する場合について述べる。
【００５８】
また、本実施例では、気体センシングシステムの中の最も特徴的なセンサチップを取り上げ説明しており、このセンサチップのパッケージや気体センシングシステムとしての電源回路、信号処理回路などは省略したが、これらは従来技術が利用できる。
【００５９】
周囲気体の物理量としての、例えば、絶対湿度が増加すると、ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａおよびに場所Ｂの温度Ｔｂにおける周囲気体の熱伝導率が増加して放熱が増大し、場所Ａおよびに場所Ｂの冷却効果が増大するので、場所Ａの温度Ｔａを温度Ｔｌ（例えば、２００℃）または温度Ｔｈ（例えば、４００℃）なる一定値に保持するためには、ヒータ６の電力を増大させなければならない。
【００６０】
ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａを維持しているので、ヒータ６から主に薄膜４の熱伝導より場所Ｂが熱せられるが、周囲気体の熱伝導率λが大きいほど、ヒータ６の場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂとの温度差が大きくなる。これらの温度差情報と、場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂの情報と、周囲温度Ｔｃの情報を利用すると上述の数式、数１、数２および数３を利用した予め校正してある絶対湿度に関する校正データを利用して絶対湿度を算出して求める。
【００６１】
ヒータ６のジュール加熱と所定温度Ｔｌ、Ｔｈの維持は、基板１から熱分離した薄膜４の熱時定数が数十ミリ秒なので、１００ミリ秒程度の矩形パルスの印加で十分であり、温度計測も印加矩形パルスの終わりの５０ミリ秒程度で計測すると良い。必要以上のヒータ６の長い加熱時間は、基板１の温度も上昇させてしまい、周囲気体の温度Ｔｃの計側を基板１に直接形成したｐｎ接合ダイオード７ｃである温度センサＴＳｃを用いて行っているので、むしろ、誤差を生じる原因となる。
【００６２】
場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂとの温度差を計測し、これを利用して絶対湿度を算出するので、従来の絶対湿度計測におけるヒータを一定温度に保持するための印加電圧を計測して絶対湿度算出に利用する場合とは異なり、絶対湿度に対する大きな感度を示すことになる。
【００６３】
また、薄膜４の場所Ａと場所Ｂとの間にスリット４５を設けているので、場所Ａのヒータ６からの熱が熱抵抗のために場所Ｂの個所に伝わり難く、したがって、場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂとの温度差が大きくなり易いので、高感度になる。
【００６４】
また、所定の基準となる周囲気体の絶対湿度、例えば、乾燥時を基準として、このときの場所Ａの温度Ｔａと場所Ｂの温度Ｔｂとの温度差に対する基準電圧を作成しておき、この基準電圧との差動増幅によりより高感度に絶対湿度の計測ができる。
【００６５】
また、周囲気体中に複数の被測定気体が混在した場合でも、温度と熱伝導率の温度依存性から複数の特定の気体の濃度を算出することができる。ヒータ６の温度Ｔａを所定の一定温度とせずに、所定のプログラムに沿って、昇温または降下させて、その次々刻々と変化する温度に対する周囲気体の熱伝導率の温度依存性による場所Ｂにおける温度Ｔｂの放熱による時間的な変化パターンを利用して、複数の特定気体に関する連立方程式を解くことから特定の周囲気体の成分と濃度を求めることもできる。
【００６６】
上述の絶対湿度の計測方法は、周囲気体の物理量、例えば、真空度、気体の流速、気体中に含まれる特定のガスの成分とその濃度の計測などに応用することができる。
【００６７】
【実施例２】
勿論、本発明の気体センシングシステムを従来からその原理が知られているように、大気中の水蒸気の濃度、すなわち、絶対湿度の計測である絶対湿度計に応用し、周囲温度Ｔｃを計測せずに、さらに、薄膜４のヒータ６の温度Ｔａを所定の温度ＴｌとＴｈとにパルス電圧駆動により切り替えながら維持し、周囲温度Ｔｃが２５０℃程度以下なら、これに依存せずに絶対湿度を求めることができる。
【００６８】
先ず、図４において、ヒータ６の場所Ａの温度センサＴＳａのみを用いて（この場合は、図４において、温度センサＴＳｂを必ずしも形成する必要はなく、薄膜４には、ヒータ６の場所Ａの温度センサＴＳａのみ形成すればよい）、この点の温度Ｔａを高温側Ｔｈ＝４００℃以上、例えば４５０℃一定と、湿潤空気である周囲気体の温度Ｔｃ、例えば、Ｔｃ＝２００℃以上の低温側の温度Ｔｌ＝２３０℃一定になるように、時間的に切り替えて、制御する。
【００６９】
即ち、高温側Ｔｈ＝４５０℃一定に維持するには、ヒータ６に矩形パルス電圧を印加し、さらにｐｎ接合ダイオード７ａは薄膜４の部分の温度を検出する温度センサＴＳａであるから、その温度がほぼ一定になった時に逆方向バイアス電圧、例えば、１．０Ｖを印加した温度センサＴＳａとしてのｐｎ接合ダイオード７ａの逆方向飽和電流Ｉｓを出力し、この値（１ｍＡ程度）が維持できるようにヒータ６に矩形パルス電圧を調整してここに流す電流を制御する。低温側の温度Ｔｌ＝２３０℃一定に維持するのも同様である。
【００７０】
シミュレーションによると２７０℃程度以上になると大気中の水蒸気は、純粋の空気より熱伝導率が大きくなるので、高温４５０℃の薄膜４に接する水蒸気を含む空気は、ほぼ４５０℃で、その雰囲気温度での水蒸気の熱伝導率が、純粋の空気の時よりも大きくなるから、純粋の空気の時よりも水蒸気を含む空気の方が高温の薄膜４から熱を奪いやすく、薄膜４を高温４５０℃に維持するには、それだけ多くの電流を薄膜のヒータ６に流し、消費電力Ｐによるジュール発熱を大きくしなければならなくなる。また、含有する水蒸気量が少ないと薄膜のヒータ６は少ない消費電力Ｐで済むので、少ない電流を薄膜のヒータ６に流すだけで済むことになる。
【００７１】
このようにｐｎ接合ダイオード７ａの逆方向飽和電流Ｉｓの出力信号を一定になるように、薄膜のヒータ６の消費電力Ｐを制御する回路を構成すれば、薄膜４が一定の温度に制御されることになる。このような制御で薄膜のヒータ６の消費電力Ｐまたは、薄膜のヒータ６に流すヒータ電流を計測し、このヒータ電流と空気中の絶対湿度との関係から、そのときの環境温度における空気中の絶対湿度を算出するか、または、環境温度を考慮して相対湿度に換算する。
【００７２】
従来、同様の方法であるが、湿潤空気の温度Ｔｃが１５０℃以下でなければ、測定できないと考えられていたが、シミュレーション結果から工業的に利用が多いＴｃ＝２００℃程度でも、水蒸気のモル比率Ｘが０．４程度以下ならば誤差が少なく計測ができることになった。
【００７３】
【実施例３】
本発明の本発明の気体センシングシステムを周囲気体中の被検出気体の触媒反応に基づく反応熱変化により被検出気体の濃度を計測する一実施例のセンシング部を、図５に示す。この実施例では、図４に示したセンサチップの薄膜４において、場所Ｂに形成した温度センサＴＳｂの上に、絶縁薄膜３０を介して被検出気体に対して触媒反応を生ずる薄膜触媒３００３００の薄膜を形成してある。メタンガスやプロパンガスなどの可燃性ガスに対しては、薄膜触媒３００３００として、酸化錫や酸化錫と白金微粒子との混合した薄膜が利用できる。
【００７４】
ヒータ６の温度Ｔａを４５０℃一定に維持しておき、場所Ｂの温度Ｔｂを計測すると、周囲気体中に可燃性ガスが存在すると触媒反応により可燃性ガスが４５０℃程度でも反応して反応熱が発生して、温度Ｔｂが上昇する。このため一定の温度Ｔａ＝４５０℃とＴｂとの温度差が縮まり（場合によっては、反応熱によりＴｂがＴａを追い越すこともある）、その度合いが可燃性ガスの濃度に関係するので、校正曲線などのデータに基づいて可燃性ガスの濃度を求める。
【００７５】
また、例えば、ヒータ６の温度Ｔａを所定の一定温度とせずに、所定のプログラムに沿って、昇温または降下させて、その次々刻々と変化する温度に対する可燃性ガスの種類により反応が異なることを利用して、その時間的な温度Ｔｂの時間的なパターンに基づく連立方程式を解くことから特定の可燃性ガスの成分と濃度を求めることもできる。
【００７６】
なお、本発明の気体センシングシステムの制御回路や信号処理回路、表示回路などの回路構成には、既知の回路が利用できるので、ここでは省略している。
【００７７】
上述では、周囲気体の被測定気体として水蒸気の例を示したが、空気中の炭酸ガス、水素、ヘリウム、アルゴンなどを被測定気体として測定することもできることは、測定原理からして言うまでも無い。
【００７８】
また、上述の例では、センサチップに必要最小限度の薄膜のヒータ６と温度センサのｐｎ接合ダイオード７のみを集積化したものであったが、上述の各種装置に必要な回路のうち半導体基板に集積化できる回路は、必要に応じて同一基板１に集積化できることは言うまでもない。
【００７９】
また、上述した実施例は、一実施例であり、本願発明の主旨、作用、効果が同一の各種の変形がありえることも言うまでもないことである。
【００８０】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、基板１から熱分離した薄膜４に薄膜のヒータ６と温度センサが集積化されているので、熱容量が小さくなり、低消費電力で、かつその温度制御が高速かつ高精度で達成でき、さらに、乾電池駆動ができるので携帯用となりえるという有利な効果が得られる。
【００８１】
また、薄膜のヒータ６も単結晶シリコンで形成でき、高温にしても安定なシリコン酸化膜で覆われているので、その経時変化が極めて小さく、かつ単結晶シリコン薄膜のｐｎ接合ダイオードを用いているので、極めて安定な気体センシングシステムが提供できるという有利な効果が得られる。
【００８２】
また、本発明の気体センシングシステムを物理量として水蒸気を用いた絶対湿度計として実施したときには、周囲の環境温度が室温であっても、薄膜のヒータ６により急速に熱せられる空気の温度は、設定した薄膜４の高い温度、例えば、４５０℃程度に瞬間的になるので、周囲温度Ｔｃが室温での絶対湿度が計測できるばかりでなく、周囲温度Ｔｃが２００℃程度の高温中の絶対湿度も、極めて安定に、かつ高精度に計測できると共に、携帯用の小型湿度センサが提供できるという利点がある。
【００８３】
また、本発明の気体センシングシステムでは、基板１から熱分離した薄膜４にヒータ６の場所Ａの温度Ｔａとそこから少し離れた場所Ｂの温度Ｔｂとの温度差を計測するようにしているので、高感度に周囲気体の湿度、流速、真空度、気体成分とその濃度などの熱を媒介にした物理量を計測できるという利点がある。
【００８４】
また、本発明の気体センシングシステムを物理量として水蒸気を用いた絶対湿度計として実施したときには、二つの異なる温度ＴｈとＴｌにおける湿潤空気の熱伝導率λの差Δλが水蒸気のモル比率の一次関数として表せること、熱伝導率λの差Δλは、周囲温度Ｔｃと二つの異なる温度ＴｈとＴｌ、温度Ｔａと温度Ｔｂ、及び温度Ｔａと温度Ｔｂとの温度差から求められることを利用して、周囲温度Ｔｃが非常に高い場合でも絶対湿度が求められるという利点がある。もちろん、周囲温度Ｔｃが分っているので、相対湿度しも容易に換算できる。
【００８５】
また、本発明の気体センシングシステムでは、気体センシング部の熱応答が速いので、容易に時間的にプログラムした温度上昇や降下が設定でき、既知の複数の混合特定気体の周囲気体の熱伝導率の変化を利用して、時々刻々の温度に対応する場所Ｂにおける温度Ｔｂの時間変化のパターンのデータを用いることにより、混合特定気体の成分と濃度をも算出できるという利点がある。
【００８６】
また、本発明の気体センシングシステムでは、薄膜触媒３００３００を薄膜４に形成し、触媒反応熱も利用できるので、可燃性ガスなどの特定気体の濃度を求めることができるばかりでなく、ヒータ６の時間的にプログラムした温度上昇や降下により、上述と同様にその時間的な変化パターンを利用して、可燃性気体などの混合気体の成分と濃度とを算出することもできるという利点がある。
【００８７】
また、基板１としてシリコン半導体基板に形成できるので、各種の信号処理回路、メモリ回路、電源回路、表示回路など、気体センシングシステムに必要な回路を集積化できるので、極めて小型で消費電力が小さく、信頼性の高い気体センシングシステムが提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】湿潤空気の熱伝導率λと水蒸気量のモル比率Ｘに対するシミュレーション結果を示す図。
【図２】異なる温度Ｔｈと温度Ｔｌにおける湿潤空気の熱伝導率λとそれらの差Δλと水蒸気量のモル比率Ｘに対するシミュレーション結果を示す図。
【図３】湿潤空気の温度と熱伝導率の関係のシミュレーション結果を示す図。
【図４】本発明の気体センシングシステムの一実施例で、気体センシング部であるセンサチップの概略図。
【図５】本発明の気体センシングシステムにおける他の一実施例で、薄膜触媒３００を設けた場合のセンシング部の概略図。
【符号の説明】
１                  基板
２                  下地基板
３                  空洞
４                  薄膜
５                  梁
６                  ヒータ
７、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ      ｐｎ接合ダイオード
１０                ＢＯＸ層
２０                単結晶シリコン薄膜
３０                絶縁薄膜
４０                溝
４５                スリット
５１、５２          シリコン酸化膜
１００ａ、１００ｂ      ヒータ電極
１２０              ｐｎ接合ダイオードのｐ型電極
１３０              ｐｎ接合ダイオードのｎ型電極
１４０              ヒータ電極
１５０              配線
２１０              ｐ型層
２２０              ｎ型拡散層
３００              薄膜触媒
【図１】
2004286492.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2004286492.tif 000006
【図５】
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