(57)【要約】【課題】  油入電気機器において溶解炭化水素ガスを検出するためのマルチガスセンサデバイス（１０）を提供する。【解決手段】  半導体基板（１４）はＧａＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮのうちの１つから成る。電気機器の油で充満された油だめにおいてガスを感知する方法は、センサデバイス（１０）を提供することと、油だめにセンサデバイス（１０）を浸漬することと、油から放出されるガスを１つ以上の触媒金属ゲート電極（１６）と相互に作用させることと、ガスが触媒金属ゲート電極（１６）と接触するにつれてガスを変化させることと、センサの感度を変化させることとから成る。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスセンサデバイス（１０）において、
半導体基板（１４）と、
前記半導体基板（１４）の表面上に蒸着された１つ以上の触媒金属ゲート電極（１６）と、
前記半導体基板（１４）の表面上に蒸着されたオーム接点（２２）とを具備し、
前記触媒金属ゲート電極（１６）はガスを感知するように動作可能であり、且つ
前記マルチガスセンサデバイス（１０）は不導電性油の中に浸漬されているガスセンサデバイス（１０）。
【請求項２】
前記半導体基板（１４）は第ＩＩＩ属、第ＩＶ属及び第Ｖ属の材料より成る群から選択される請求項１記載のデバイス（１０）。
【請求項３】
前記半導体基板（１４）はＧａＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＩｎＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮより成る群から選択される請求項２記載のデバイス（１０）。
【請求項４】
前記１つ以上の触媒金属ゲート電極（１６）はプラチナ、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、ニッケル、銅、ロジウム、モリブデン、鉄、コバルト、チタン、バナジウム、タンタル、タングステン、クロム、マンガン、金、銀、アルミニウム、パラジウム：銀、スズ、オスミウム、マグネシウム、亜鉛、これらの材料の合金及びこれらの材料の組み合わせより成る群から選択される請求項１記載のデバイス（１０）。
【請求項５】
前記１つ以上の触媒金属ゲート電極（１６）はショットキー接点を具備する請求項１記載のデバイス（１０）。
【請求項６】
ガスの濃度を修正するための保護又はガス濾過を行うことが可能である被覆膜を更に含み、前記被覆膜はフッ化炭素樹脂、ポリテトラフルオロエチレンのポリマー、ダイアモンド状炭素又はそれらの膜の組み合わせを含む請求項１記載のデバイス（１０）。
【請求項７】
デバイス（１０）に隣接して配置された加熱要素抵抗器を更に含む請求項１記載のデバイス（１０）。
【請求項８】
前記センサデバイス（１０）自体は、デバイス（１０）を約３００℃までの温度に加熱するためにデバイス（１０）に電流が通されるような加熱要素である請求項１記載のデバイス（１０）。
【請求項９】
デバイス（１０）はダイオード構造、キャパシタ及び電界効果トランジスタより成る群から選択される請求項１記載のデバイス（１０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般にガスセンサの分野に関する。特に、本発明は、油入高電圧電気機器における絶縁油の劣化プロセスの結果であるガスレベルを表す連続する尺度又は不連続の尺度を提供する上で有効である窒化ガリウム（ＧａＮ）及び炭化珪素（ＳｉＣ）などのバンドギャップの広い材料から製造された半導体ガスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサは、油入電気機器において特定の前兆ガスの検出に使用されている。例えば、油入変圧器の障害は絶縁系統におけるアーク発生（電気的）、コロナ放電（電気的）、低エネルギー火花発生（電気的）、重大な過負荷（電気的）、ポンプモータ故障（電気的及び熱的）及び過熱（電気的及び熱的）を含むであろう。障害は水素（Ｈ2）、アセチレン（Ｃ2Ｈ2）、エチレン（Ｃ2Ｈ4）、メタン（ＣＨ4）、エタン（Ｃ2Ｈ4）、一酸化炭素（ＣＯ）及び二酸化炭素（ＣＯ2）などの望ましくないガスを発生させる。これらの障害状態が現れると、その結果、変圧器の誤動作が起こるか、又は誤動作がすぐにでも起こりそうな事態を招き、それを修正しないと、変圧器の障害につながると考えられる。変圧器の誤動作と、変圧器により発生される障害ガスとの間には統計的相関が存在する。従って、変圧器において危険をもたらす可能性があるガスを正確に検出することができれば、起こりうる変圧器の誤動作及び障害に対処し、多くの場合にそれらを回避できる。
【０００３】
先に油入変圧器に関して説明した原理は、高い電界又は温度変動が時間の経過に伴って油を燃え上がるおそれのある成分に分解させるような油入機器又は油入設備の他の部分にも適用できるであろう。そのような機器の一例は、医療の分野に適用されているＸ線管である。Ｘ線管は骨又は組織の構造の医学的評価に使用されるＸ線を供給する。Ｘ線管は、変圧器と全く同じように、内部の電気部品を絶縁し且つ冷却するために油を使用する。ＧａＮ又はＳｉＣから製造されたガスセンサは、そのような機器を定期的に保守し、休止時間をできる限り短縮し、最悪の障害状態を回避するための非侵入的方法を提供するであろう。
【０００４】
水素に関して言えば、電源変圧器は絶縁油を、時間の経過に伴って油を分解する高い電界にさらす。水素ガス及び水素含有化合物は放出され、防止のための保守の必要性を指示する。この必要性が無視されてしまうと、システム内に可燃性水素ガスが蓄積され、それに火がつけば、壊滅的な障害を引き起こすと思われる。現在の水素検出システムは油のサンプリング及びクロマトグラフ分析、単独のガスセンサ並びに手動操作ユニットを含む。これらの従来の方式は長い時間を要し、費用も高く、得られる情報は不完全であることが多く、場合によっては１年を通して定期的に実行されるにすぎない。
【０００５】
センサが目標ガスを識別する能力は、いくつかの要因によって決まる。それらの要因には、他の妨害ガス及び蒸気に対するセンサの感度や、目標ガスの濃度などがある。目標ガスを他のガスから識別する能力を選択性と呼ぶ。感知状態と非感知状態でセンサがガスの検出に関して約１０倍を超える差異を示すような選択性の高い周知のセンサは極めて少ない。更に、それらの非常に数少ないセンサの中で、個別のガスを正確に検出するための信頼性が相対的に高いセンサは更に少ない。
【０００６】
現在の半導体ガスセンサ技術は、ガスが感知される材料としてＳｉ／ＳｉＯ2を利用する。その他のガスセンサはＳｎＯ2又はその他の酸化物を利用するが、ＳｎＯ2の場合、それらのデバイスは、通常、有用なガスセンサとなるほど十分に感度を高めるために温度を２００℃を超えるまで上昇させるヒータを必要とする。それらのセンサは大量生産可能であるが、温度の変動がある屋外環境の中では故障する場合が多い。温度の変動は、時間の経過に伴って気体環境に対する応答にドリフトを生じさせ、従って、同じガスに対する電気的応答が時間の経過に伴って変化してしまうことになり、そこで、定量的変化を追跡するために、センサシステムは温度修正を必要とする。約−４０から約６５°Ｃ程度のごく小さな温度範囲の変化であっても、時間の経過に伴って十分にそのようなドリフトを発生させる。ドリフトはＳｉデバイスで最も顕著であるので、それらのデバイスはそのような周囲設定条件の下では有効ではない。ドリフトを最小にするために、Ｓｉ系センサは、センサを公称動作条件に戻すために約１５０℃までの温度への加熱を必要とする場合が多い。加熱にも関わらず、センサの表面上の酸化物及び他の元素から形成される表面準位によって、時間に伴うドリフトは依然として起こる。
【０００７】
本明細書に参考として取り入れられている、特許文献１、特許文献２、特許文献３及び特許文献４は、気体環境にある少なくとも１つのガスの存在を判定するためのガスセンサを説明している。ガスセンサは半導体基板と、半導体基板上に配置された薄い絶縁層と、薄い絶縁層の上に配置された触媒金属ゲートと、触媒金属ゲート上に配置された化学的に改質された層とを含む。化学的に改質された層は、センサを腐食性ガス並びに異物及び水のうちの少なくとも１つによる干渉から保護し、センサの表面化学的特性及び表面物理的特性のうちの少なくとも１つを変化させ、指定のガスのみを通過させる材料を含む。
【特許文献１】米国特許第６，０４１，６４３号
【特許文献２】米国特許第６，１５５，１００号
【特許文献３】米国特許第６，１８２，５００号
【特許文献４】米国特許第６，２０２，４７３号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
必要とされているのは、材料の問題に対処し、ドリフトを排除するためのより堅牢な材料系である。更に必要とされているのは、Ｓｉなどの半導体材料を使用する従来の固体センサより性能が良く、高温で過酷な環境で動作可能であるガスセンサである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
様々な実施例において、本発明は、油入高電圧電気機器においてガスレベルを表す連続する尺度を提供する上で有効である窒化ガリウム（ＧａＮ）及び炭化珪素（ＳｉＣ）などのバンドギャップの広い材料から製造された半導体ガスセンサを提供する。それらの材料は珪素（Ｓｉ）より堅牢であり、広範囲にわたる周囲環境の中で十分に動作する。これらの材料系は、広い温度範囲及び苛酷な環境で化学的に安定し、反復性のある応答を示すと共に、広い圧力範囲にわたり約４５０℃まで有効である。苛酷な環境という用語は、Ｓｉ素子が劣化し、信頼性に関して重大な問題を被る約１５０℃を超える温度を含むものとする。苛酷な環境は高い圧力、大きな振動、それらの組み合わせなどを更に含んでいても良い。
【００１０】
一実施例では、本発明は、半導体基板と、半導体基板の表面上に蒸着された１つ以上の触媒金属ゲート電極と、半導体基板の表面上に蒸着されたオーム接点とを具備するマルチガスセンサデバイスを提供する。各々の触媒金属ゲート電極は異なるガスを感知するように動作可能であっても良い。マルチガスセンサデバイスは、複数の溶解ガスを含有する不導電性油の中に浸漬されるなど、気体環境で動作する。
【００１１】
別の実施例では、半導体基板は、ＧａＮ、ＳｉＣ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＮ、ＩｎＧａＮ及びＡｌＩｎＧａＮなどの、第ＩＩＩ属、第ＩＶ属及び第Ｖ属の材料より成る群から選択される。１つ以上の触媒金属ゲート電極はプラチナ、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、ニッケル、銅、ロジウム、モリブデン、鉄、コバルト、チタン、バナジウム、タンタル、タングステン、クロム、マンガン、金、銀、アルミニウム、パラジウム：銀、スズ、オスミウム、マグネシウム、亜鉛、これらの材料の合金及びこれらの材料の組み合わせから成る。
【００１２】
更に別の実施例においては、ガスは水素、水素含有化合物、酸素、酸素含有化合物及びその他のガスから成り、熱及び電界が原因となる油の劣化の結果である。
【００１３】
更に別の実施例では、本発明は、半導体基板と、半導体基板上に蒸着された触媒金属ゲート電極と、半導体基板上に蒸着されたオーム接点と、ガスに対するデバイスの選択性を増加させるように動作可能であるパッシベーション層と、加熱機構とを具備するガスセンサデバイスを提供する。パッシベーション層は窒化珪素、二酸化珪素、酸窒化珪素、酸化ハフニウム、酸化チタン、インジウム添加酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、あるいはこれらの材料の合金又は組み合わせから形成されていても良い。
【００１４】
更に別の実施例においては、様々なガスを検出する方法が提供される。方法は、センサデバイスを提供することと、センサデバイスを油で充満された環境に浸漬することと、油で充満された環境を１つ以上の触媒金属ゲート電極と相互に作用させることと、様々なガスが触媒金属ゲート電極と接触するにつれて、様々なガスの化学的構造を原子に関して変化させること及び分子に関して変化させることのうちの少なくとも１つの方法により、様々なガスを変化させることと、センサデバイスの感度を変化させることとから成る。センサデバイスは半導体基板と、半導体基板の表面上に蒸着され、各々が異なるガスを感知するように動作可能である１つ以上の触媒金属ゲート電極と、半導体基板の表面上に蒸着されたオーム接点とを具備する。
【００１５】
更に別の実施例では、様々なガスを感知する方法は、センサデバイスを提供することと、油で充満された油だめの中にセンサデバイスを浸漬することと、油を１つ以上の触媒金属ゲート電極と相互に作用させることと、ガスが触媒金属ゲート電極と接触するにつれて、ガスの化学的構造を原子に関して変化させること及び分子に関して変化させることのうちの少なくとも１つの方法により、ガスを変化させることと、センサデバイスの感度を変化させることとから成る。センサデバイスは半導体基板と、半導体基板の表面上に蒸着された１つ以上の触媒金属ゲート電極と、半導体基板の表面上に蒸着されたオーム接点と、ガスに対するデバイスの選択性を増加させるように動作可能であるパッシベーション層と、ガスに対するセンサデバイスの応答を向上させる加熱機構とを具備する。
【００１６】
更に別の実施例においては、様々なガスを感知する方法は、センサデバイスを提供することと、油で充満された油だめの中にセンサデバイスを浸漬することと、選択的に多孔性である保護膜材料を使用することにより、油中のガスのみを１つ以上の触媒金属ゲート電極と相互に作用させることと、ガスが触媒金属ゲート電極と接触するにつれて、ガスの化学的構造を原子に関して変化させること及び分子に関して変化させることのうちの少なくとも１つの方法により、ガスを変化させることと、センサデバイスの感度を変化させることとから成る。センサデバイスは半導体基板と、半導体基板の表面上に蒸着された１つ以上の触媒金属ゲート電極と、半導体基板の表面上に蒸着されたオーム接点と、ガスに対するデバイスの選択性を増加させるように動作可能であるパッシベーション層と、ガスに対するセンサデバイスの応答を向上させるための加熱機構と、いくつかのガスのみを半導体デバイス及びその触媒金属まで通過させる選択的に多孔性の膜などの保護ゲート材料とを具備する。
【００１７】
次に、図面を参照して本発明の様々な特定の実施例を説明する、図中、同じ要素は同じ図中符号により示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
必要に応じて、本発明の詳細な説明を開示するが、開示される実施例は、単に、様々な形態及び代替形態で具現化できる本発明の例であるにすぎないということを理解すべきである。ここで開示される特定の構造上の詳細及び機能上の詳細は本発明を限定すると解釈されてはならず、単に、当業者に本発明を多様に採用することを教示するための代表的な基礎としての特許請求の範囲の基礎であると解釈されるべきである。図面を通して、同じ要素は同じ図中符号により示されている。以下に説明するシステムは油入高電圧電気機器において絶縁油のガスのレベルを感知することに適用されるが、原理上はガスの感知により利するところのあるどのようなシステムにも適用される。
【００１９】
そこで、センサの適用用途の単なる例である電源変圧器又はＸ線管の油だめなどの不導電性油の中で動作するセンサに関して本発明を説明する。センサは空気中で動作し、ガスを検出することが望ましいガスタービン、ディーゼル機関車及び航空機エンジンの排気ガス監視システムの一部を形成していても良い。センサ、その動作及び水素の検出は単なる例であり、本発明を限定するものではない。
【００２０】
図１を参照すると、高出力電気機器／変圧器で油中ガスを検出するガスセンサデバイス１０が概略的に示されている。センサデバイス１０はその表面において水素イオン及び／又は分極された水素分子からの誘導電界を利用しても良い。分極は電流−電圧特性を測定することにより検出されても良いし、あるいはデバイス１０のキャパシタンスを測定することにより検出されても良い。これは、触媒ゲート電極を有するダイオード（ショットキー）、キャパシタ又はゲートとして触媒金属を使用する様々な構成の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）などのいくつかの構成を使用して実現されれば良い。
【００２１】
ガスセンサデバイス１０は、半導体層１２上に製造された多電極ガスセンサである。半導体層１２は基板層１４の上にエピタキシャル成長されている。基板層１４は、サファイア、珪素、炭化珪素、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、ヒ化ガリウム、窒化アルミニウムガリウム、没食子酸リチウム、又は基板層１４の表面の露出領域の少なくとも一部における結晶成長を支援することが可能である他の何らかの基板などの無機結晶成長基板から成る。
【００２２】
デバイス１０は、各々が様々に異なるガスに対して異なる感度を有するいくつかの電極金属を具備し、それにより、マルチガスセンサを構成している。各々の電極の応答は目標ガスの濃度に比例し、目標ガスに対する応答は背景雑音を十分に抑えられるほど高い。一実施例では、本発明は、第ＩＩＩ属／第ＩＶ属／第Ｖ属系半導体エピタキシャル層１２から製造され、その層の上に薄い金属の触媒ゲート電極１６、１８、２０（例えば、ショットキー接点）が蒸着されている、２つ以上の端子を含む固体ガスセンサデバイスから成る。図１は、例示を目的として３つのゲート電極を示しているが、本発明のセンサデバイス１０は単一の大型デバイスに組み込まれた２つ以上のゲート電極を使用して実施されることが可能であろう。しかし、複数の異なるデバイスから成るアレイも考えられる。ゲート電極素子を隔離するために、エッチングが使用されても良い。ゲート電極１６、１８、２０の電位変化は、その下方に位置するｎ型又はｐ型半導体層１２の電子的平衡に変化をもたらす。センサデバイスは、半導体層１２上に蒸着された厚い金属オーム接点２２を更に具備する。
【００２３】
ゲート電極１６、１８、２０は、一組のガス（中でも水素、水素含有化合物、酸素、酸素含有化合物）からの分極層に対して触媒として作用する。金属ゲート電極１６、１８、２０は、適切な耐食性ゲート材料の適切な厚さの層から構成されている。例えば、金属ゲート電極１６、１８、２０の材料にはプラチナ、パラジウム、イリジウム、ルテニウム、ニッケル、銅、ロジウム、モリブデン、鉄、コバルト、チタン、バナジウム、タンタル、タングステン、クロム、マンガン、金、銀、アルミニウム、パラジウム：銀、スズ、オスミウム、マグネシウム、亜鉛、これらの材料の合金及びこれらの材料の組み合わせのうちの少なくとも１つなどの適切な金属材料があるが、これらには限定されない。
【００２４】
様々に異なる触媒金属は様々な関心ガスに対して異なる感度を有するため、単一のセンサデバイス１０であっても、いくつかの気体元素を検出し、それらを識別し、その濃度を判定するように動作可能である。触媒ゲート電極１６、１８、２０は好ましくは約５ｎｍから約１００ｎｍ、より好ましくは約８ｎｍから約５０ｎｍの範囲の厚さを有し、更に好ましくは約２０ｎｍの厚さを有する。金属ゲート電極１６、１８、２０の厚さはセンサデバイス１０の所期の用途によって決まる。ガスごとの感度のレベルは特定のゲート材料によってそれぞれ異なっていても良い。センサデバイス１０は、選択される特定のゲート材料によって、及び／又は表面の幾何学的形状及び／又は各々特定の金属が配置される領域を変更することにより、ある特定のガスに合わせて調整されても良い。
【００２５】
高温で適用される場合、ガスセンサデバイス１０は第ＩＩＩ属、第ＩＶ属及び第Ｖ属の材料から選択された半導体材料から形成されても良い。本発明を実施する場合に使用できる最も一般的な合金はＧａＮ、ＩｎＮ、ＳｉＣ及びＡｌＮなどの二元合金である。ＡｌＧａＮ及びＩｎＧａＮなどの三元合金、並びにＡｌＩｎＧａＮなどの四元合金も本発明に使用できると考えられる。ＧａＮ及びＳｉＣなどの合金は共に苛酷な環境に耐え、約１５０℃を超えるような高温で動作することが可能である。更に、ＧａＮ及びＳｉＣは化学的に不活性であるため、強い酸又は塩基が存在していても、エッチング及び劣化に対して高い耐性を示す。ＧａＮ及びＳｉＣは広いバンドギャップを有しているので、先に説明した苛酷な環境で使用するのに理想的な材料である。アレイ又は個別のデバイスにおいて様々に異なる応答及び感度を実現するために、様々に異なる半導体材料を組み合わせることができるであろう。
【００２６】
センサデバイス１０は、現在使用されているＳｉセンサ技術においてよく起こる問題である、約−４０から約１３０°Ｆの範囲の周囲環境で害を及ぼす可能性のあるガスを連続して、正確に且つ再現可能に検出する。様々なダイオードと共に、又は１つのアレイ又は単一のダイオードの上で、様々に異なるガスに対する感度の温度依存変動に対して、様々に異なる温度を使用できるであろう。
【００２７】
マルチガスセンサデバイス１０を首尾よく実現するためには、抵抗の小さいオーム接点２２が必要である。例えば、ＧａＮ基板の上に従来の電子ビーム蒸着によってＴｉ／Ａｌ（３００／７１０Å）層又はＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ（２００／２００／２６００Å）層を蒸着し、次に、急速熱処理技法を使用して適切な温度及び時間で（約９００℃で、約３０秒間）熱処理しても良い。
【００２８】
まず、周囲環境から金属ゲート電極に水素ガス分子（Ｈ2）を吸着させる。吸着された分子は、分子レベル又は原子レベルで互いに触媒解離されることなどによって変化する。水素ガス（Ｈ2）の場合、分子（Ｈ2）は個別の水素原子（Ｈ）に解離される。次に、原子水素（Ｈ）は金属ゲート電極を介して半導体層１２の面との界面へ拡散する。この拡散は、ショットキー／ＧａＮ界面のショットキー障壁（高さ）を電気的に変化させるダイポール層を形成する。一実施例では、障壁高さは、ダイオードの電流を監視しつつ、ダイオードに一定の電圧又はバイアスを印加するなどの方法により、電気的に監視されても良い。別の実施例においては、障壁高さは、ダイオードを通過する一定の電流を維持し、電圧の変化を観測することにより、監視されても良い。ショットキー障壁高さの変化の大きさはガスの濃度が増すにつれて大きくなり、従って、ガス濃度を定量的に判定するためにこれを利用することができるであろう。アミン、メルカプタン及びアルコール（これらに限定されない）などの、水素を含有する多数の個別のガスをこのようにしてセンサデバイス１０により検出できる。
【００２９】
ＧａＮ及びＳｉＣのガスセンサデバイス１０は、その酸化プロセスが非常に遅いという性質を持っているために、表面準位の進展を回避するので、時間の経過に伴う応答の安定性は増加する。そのため、これらの材料は水素又は水素含有化合物及び／又は酸素又は酸素含有化合物の濃度を連続監視するのに理想的である。更に、ゲート電極１６、１８、２０として様々な金属を使用することにより、ガスの組み合わせに対する感知も可能であるので、変圧器の油だめなどの複雑な環境をリアルタイムで監視することができる。
【００３０】
次に図２を参照すると、センサデバイス１０の付加的な概略図及び横断面図が示されている。センサデバイス１０は少なくとも１つのゲート電極（ショットキー接点）１６と、１つのオーム接点２２とを利用する。接合金属２３はワイヤから触媒金属１６、すなわち、ショットキー接点１６への電気的接触を成立させる働きをする。先に述べた通り、半導体層１２はｎ型、ｐ型又は真性添加ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＩｎＧａＮ又はＳｉＣであれば良い。半導体層１２は約５００ｎｍから数μの範囲の厚さであればよく、基板１４上に成長されている。センサデバイス１０は、センサデバイス１０の電気的特性を監視するためにデバイスへのオーム接点として少なくとも１つの金属電極（ｎ型の場合はＴｉ、ｐ型の場合はＰｔ、ｎ型及びｐ型の双方に対してＡｌを必要に応じて使用する）を具備する。センサデバイス１０は、感度を向上させるために、ゲート電極１６とオーム接点２２が好ましくは約２μから約１ｍｍの範囲内で近接して配置されるような幾何学的配列を有する。表面におけるダングリングボンドをパッシベートし且つ漏れ電流を減少させるために、センサデバイス１０の表面に酸化物パッシベーション層２４を付着させても良い。センサデバイス１０は被覆層を具備するか、又は膜の背後の空間に配置されても良く、その場合、被覆層又は膜は反応物ガスの濃度を修正するための保護又はガス濾過を行う。複数のセンサデバイス１０から成るアレイを使用しても良く、各々のセンサデバイスは異なるガスに対して異なる応答を示す異なる被覆層又は膜を有する。
【００３１】
次に図３を参照すると、センサデバイス１０の実装の一例が示されている。実装本体２６はセンサデバイス１０と、半導体層１２と、センサデバイス１０の周囲のエピタキシャル層の上又は半導体チップ３０の下方に配置された加熱要素抵抗器とを収納している。加熱要素抵抗器は、センサの表面に熱を加えると共に、応答時間を更に短縮するために使用されても良い。この場合、応答を発生させる種類の解離ガスに、加熱を介して熱エネルギーが供給される。これにより、表面におけるガスの滞留時間は短縮され、従って、センサからの応答は速くなる。別の実施例では、センサデバイス１０自体が加熱要素であっても良く、その場合、デバイス１０を約１５０℃の温度まで加熱するために、デバイスに大きな電流が流される。オプションとして、センサデバイス１０の下方に配置される金属層などの他の加熱要素、あるいはセンサデバイス１０の下方又は側面のいずれかに配置される熱電ヒータ３０が使用されても良い。半導体層１２として使用されるＧａＮ又はＳｉＣ材料は、劣化を受けずに約４５０℃を越える温度に耐えることができる。約２００℃以上の温度におけるセンサデバイス１０の動作は、一般に、様々なガスに対してより速い応答（感度）をもたらす。
【００３２】
次に図４を参照すると、センサ実装の一例はヘッダ／蓋アセンブリ４０を具備していても良い。ヘッダ／蓋アセンブリ４０は、気密シールを容易にするためにはんだ付けされるか、抵抗溶接されるか、又はエポキシ接着されれば良い。その後、センサデバイス１０の表面へ特定して選択された原子又は分子のみを通過させるために、蓋に穴をあけ、アセンブリ４０に薄膜４２をはり付ければ良い。一実施例では、ピン又はその他の固着機構を使用して、蓋にTeflon(登録商標)を保持しても良い。別の実施例においては、蓋の密封縁部に沿ってKapton(登録商標)をエポキシ接着しても良い。更に別の実施例では、耐食性気密シールを形成するために、実装の蓋にダイアモンド状炭素の膜を蒸着しても良い。複数のセンサデバイスから成るアレイが異なる膜材料を含むような実装技法により、様々なガスに対して選択性が与えられる。
【００３３】
次に図５を参照すると、ガスセンサデバイス１０の電流−電圧（Ｉ−Ｖ）特性が対数グラフで示されている。この場合、デバイスの挙動は、逆バイアスのとき、漏れ電流は負１０Ｖで約１μＡであり、順方向バイアスのときには、電流はｍＡ以上のレベルを急速に達成することを示している。この図の最も重要な特徴は、約０から１Ｖまでの電流の急激な増加である。デバイスはこの電圧範囲で又はその付近で動作されるため、増加が急激であるほど、センサがガスに対して示す感度は高くなる。
【００３４】
次に図６を参照すると、様々な濃度の水素に対するガスセンサデバイス１０の応答（電流）が時間の関数として示されている。図６は、動作中のセンサデバイス１０の水素に対する強力な応答を強調している。このデータは、ガスの濃度が一旦下がると（例えば、１％Ｈ2から０．１％Ｈ2）、デバイス中の電流もこの傾向に従うことを更に示している。この図はガス感知ダイオードの応答が定電圧モードで動作したことを示すが、ガス感知ダイオードは定電流モードで動作されても良い。この場合、ダイオードに指定電流レベルが印加され、その結果発生する電圧が測定される。この方法は、測定期間を通して電流が一定に保持されるために、内部（抵抗）加熱レベルも一定に保持されるという利点を更に有する。従って、エピタキシャル層（及び表面）はさらされているガスの範囲を通して同じ加熱を受けることになり、これは定電圧測定方法とは逆である。
【００３５】
本発明のＦＥＴ型デバイスの場合、ＦＥＴ構造は自然増幅器である。すなわち、ショットキー電位の小さな変化はチャネル電流の大きな変化を発生させ、これにより、センサデバイス１０の感度は更に向上する。窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）パッシベーション層を使用することにより、センサデバイスは、表面準位と水素以外の正イオンとの相互作用に起因する偽信号を発生させる可能性のある表面準位の効果を緩和するであろう。これにより、水素は金属ゲートを通って拡散することにより半導体層と相互に作用し、その他の大きな分子は表面との相互作用を阻止されるため、Ｓｉ3Ｎ4層は水素に対する感度を向上させる。センサデバイス１０にTeflon(登録商標)又はKapton(登録商標)の被覆層を追加することにより、感度を更に改善できるであろう。Teflon(登録商標)材料のいくつかの変形はＨ2：Ｏ2について約１０：１以上の選択性を有し、これにより、感度を向上させることができる。Kapton(登録商標)の選択的多孔性は更に大きく、２０：１に近い。ガス濃度が高い場合、抽出セル内で主セルからガス化合物を濾過するために、Teflon(登録商標)又はKapton(登録商標)の被覆層を使用しても良い。
【００３６】
説明したセンサの実施例から測定データを抽出する方法はいくつかある。それらの方法は、一定の電圧を印加しつつ、センサの電流を測定すること、又は一定の電流を印加しつつ、電圧を測定することを含む。更に、ガスの濃度に伴ってキャパシタンスは変化するため、デバイスのキャパシタンスを測定しても良い。これらの方法の全て又はそれらの組み合わせを１電極デバイス、ダイオードなどの２電極デバイス、キャパシタ、又は３電極トランジスタに適用しても良い。同じ種類のデバイス構成、又はこれらのデバイス構成の発展形を使用して、２つ以上のガスの同時測定値を抽出するためにも、これらの方法又はその他の方法は存在する。
【００３７】
２つ以上のガスの測定を容易にするために、個別のデバイスから成るアレイ又は複数の特徴を組み込んだ大型デバイスを使用しても良い。それらの複数の特徴には、図１に示すような大型フィンガ状デバイスが含まれ、この場合、フィンガ１６は１つの触媒金属から形成され、フィンガ１８は第２の触媒金属から形成され、フィンガ２０は第３の触媒金属から形成されるなどとなっている。異なる触媒金属は多数のガスに対して異なる触媒メカニズムを有しているので、２種類以上のガス（例えば、エチレン、メタン及び水素）を同時に感知して、マルチガスセンサを形成する場合に、この構造は有利であろう。
【００３８】
マルチガスセンサの別の実施例では、個々のデバイスの温度を個別に変化させるか、又は大型デバイスの個別のセクションの温度を個別に変化させても良い。例えば、フィンガ１６、フィンガ１８及びフィンガ２０を個別に、異なる温度まで加熱するために、個別の加熱（又は冷却）要素を使用しても良い。フィンガの表面の温度を変化させると、表面からの反応済みの数種のガスの脱着速度が変化する。個別に加熱（又は冷却）された各々のセクション又はフィンガがターンオン又はターンオフする速度を測定することにより、存在するガスの種類を表すことができるであろう。更に、フィンガ１６、１８、２０は、異なるガスに対して様々に異なる応答を示す異なる触媒金属から形成されていても良い。そこで、個別のガスから情報を抽出するために、アルゴリズムを適用できるであろう。
【００３９】
本発明のデバイス及び方法に従って、油中ガス検出のためのセンサデバイスが提供されたことは明白である。本発明のデバイスは好ましい実施例及び例に関連して説明されたが、他の実施例及び例も同様の機能を実行し且つ／又は同様の結果を実現するであろう。特許請求の範囲の中で示されている図中符号は本発明の範囲を狭めるのではなく、本発明の理解を容易にすることを目的としている。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の一実施例に従った３つのゲート電極を具備するマルチガスセンサデバイスを示す概略図。
【図２】本発明の一実施例に従った１つのショットキー接点を具備するガスセンサデバイスを示す概略図。
【図３】本発明の一実施例に従った図１のマルチガスセンサデバイスの実装を示す図。
【図４】本発明の一実施例に従った保護ゲート又は保護膜材料を更に具備する図３のマルチガスセンサデバイスの実装を示す図。
【図５】本発明の一実施例に従った図１のマルチガスセンサデバイスの電流対電圧特性を示すグラフ。
【図６】本発明の一実施例に従って水素の様々な濃度に対する応答を時間の関数として示すグラフ。
【符号の説明】
【００４１】
１０…ガスセンサデバイス、１２…半導体層、１４…基板層、１６、１８、２０…触媒金属ゲート電極、２２…オーム接点
【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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