(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感応層と、
このガス感応層の近傍に設けられて、該ガス感応層を加熱するヒータ層と、
デジタルポテンショメータを有し、ヒータ層に加える電力を設定調節する設定調節部と、
ヒータ層からの出力についての情報を取得するためのシャント抵抗と、
を備え、
前記設定調節部は、ヒータ層、設定調節部およびシャント抵抗により形成される直列回路に電源を供給したときのヒータ層およびシャント抵抗を通じて取得された情報に基づいて、デジタルポテンショメータの抵抗値を変化させて設定調節部の抵抗値を増減させて、ヒータ層が最適出力をするように設定調節されたものであることを特徴とする薄膜ガスセンサ。
【請求項２】
前記薄膜ガスセンサは、貫通孔を有するＳｉ基板と、
この貫通孔の開口部に張られるダイアフラム様の熱絶縁支持層と、
を備え、
前記ヒータ層および前記ガス感応層は、前記熱絶縁支持層における一方の面上にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１に記載の薄膜ガスセンサ。
【請求項３】
前記薄膜ガスセンサは、貫通孔を有するＳｉ基板と、
この貫通孔の開口部に張られるダイアフラム様の熱絶縁支持層と、
この熱絶縁支持層上に設けられるヒータ層と、
前記熱絶縁支持層および前記ヒータ層を覆うように設けられる電気絶縁層と、
この電気絶縁層上に設けられるガス感応層と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の薄膜ガスセンサ。
【請求項４】
前記ガス感応層は、ＳｎＯ２により形成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサ。  
【請求項５】
前記薄膜ガスセンサは、更に前記ガス感応層の表面を覆うように設けられ、Ｐｄ（パラジウム）またはＰｔ（白金）を触媒として担持したＡｌ２Ｏ３焼結材によるガス選択燃焼層を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサ。
【請求項６】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサを搭載したことを特徴とするガス漏れ警報器。
【請求項７】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節装置であって、
ヒータ層の両端電圧を測定するヒータ層電圧測定手段と、
シャント抵抗の両端電圧を測定するシャント抵抗電圧測定手段と、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の消費電力を算出するヒータ層電力算出手段と、
ヒータ層の消費電力と目標電力とを比較して所望の消費電力となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する変更調節手段と、
を備えることを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節装置。
【請求項８】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節装置であって、
ヒータ層の両端電圧を測定するヒータ層電圧測定手段と、
シャント抵抗の両端電圧を測定するシャント抵抗電圧測定手段と、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の温度を算出するヒータ層温度算出手段と、
ヒータ層の温度と目標温度とを比較して所望の温度となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する変更調節手段と、
を備えることを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節装置。
【請求項９】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節方法であって、
ヒータ層の両端電圧を測定し、
シャント抵抗の両端電圧を測定し、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の消費電力を算出し、
ヒータ層の消費電力と目標電力とを比較して所望の消費電力となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する、
ことを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節方法。
【請求項１０】
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節方法であって、
ヒータ層の両端電圧を測定し、
シャント抵抗の両端電圧を測定し、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の温度を算出し、
ヒータ層の温度と目標温度とを比較して所望の温度となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する、
ことを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池駆動を念頭においた低消費電力型の薄膜ガスセンサ、このような薄膜ガスセンサを搭載したガス漏れ警報器、および、このような薄膜ガスセンサに対して設定を行う薄膜ガスセンサ設定調節装置に関する。さらにこのような薄膜ガスセンサに対して設定を行う薄膜ガスセンサ設定調節方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にガスセンサは、ガス漏れ警報器などの用途に用いられている。ガスセンサは、ある特定ガス、例えば、一酸化炭素(ＣＯ)、メタンガス(ＣＨ４)、プロパンガス(Ｃ３Ｈ８)、メタノール蒸気(ＣＨ３ＯＨ)等に選択的に感応するデバイスであり、その性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、低消費電力が必要不可欠である。
【０００３】
ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器は、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的としたもの、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的としたもの、または、両方の機能を併せ持ったもの、などであるが、いずれもコストや設置性（ガス検知が必要であるが電源供給不能の箇所に設置できない点）の問題から、ガス漏れ警報器の普及率はそれほど高くない。そこで、ガス漏れ警報器の普及率の向上を図るべく、設置性の改善、具体的には、電池駆動によるガス漏れ警報器としてコードレス化することが望まれている。
【０００４】
ガス漏れ警報器の電池駆動を実現するためにはガスセンサの低消費電力化が最も重要である。しかしながら、接触燃焼式や半導体式のガスセンサを動作させるためには、ガスセンサのガス感知膜を３００℃〜５００℃の高温に加熱する必要があり、この加熱が電力を消費する要因である。ＳｎＯ２などの粉体を焼結して作製したガス感知膜によるガスセンサは、スクリーン印刷等の方法を用いてガス感知膜の厚みを可能な限り薄くしてガス感知膜の熱容量を小さくしているが、このスクリーン印刷等による薄膜化は限界があって、ガス感知膜は充分に薄くならない。このため、ガスセンサを電池駆動する場合、ガス感知膜の熱容量は大きすぎることとなり、ガス感知膜を高温に加熱するには大きい電力が必要となって電池の消耗が大きくなる。このような理由から、ガス感知膜を電池駆動するガスセンサは、実用化が困難であった。
そこで、微細加工プロセスにより高断熱・低熱容量のダイアフラム構造として、実用上許容しうる低消費電力の薄膜ガスセンサが開発実用化されて現在に至っている。
【０００５】
この従来技術の薄膜ガスセンサについて図を参照しつつ説明する。図６は、従来技術の薄膜ガスセンサを概略的に示す縦断面図である。この薄膜ガスセンサ１００は、シリコン基板（以下Ｓｉ基板）１、熱絶縁支持層２、ヒータ層３、電気絶縁層４、ガス検出層５を備える。熱絶縁支持層２は、詳しくは、熱酸化ＳｉＯ２層２１、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層２２、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３の三層構造となっている。また、ガス検出層５は、詳しくは、接合層５１、感知電極層５２、ガス感応層５３、ガス選択燃焼層５４を備える。このガス感応層５３はアンチモン（Ｓｂ）をドープした二酸化スズ層（以下、ＳｎＯ２層）であり、ガス選択燃焼層５４はパラジウム（Ｐｄ）または白金（Ｐｔ）を触媒として担持したアルミナ焼結材（以下、触媒担持Ａｌ２Ｏ３焼結材）である。そして、ヒータ層３およびガス検出層５（詳しくは感知電極層５２を介してガス感応層５３）は、図示しない駆動・処理部に接続されている。
【０００６】
この従来技術の薄膜ガスセンサは、様々な気体成分と接触することにより酸化物半導体であるガス感応層５３の電気抵抗値（センサ抵抗値）が変化する現象を利用するセンサである。３００〜５００℃程度に加熱された金属酸化物半導体は、ガス濃度によりその導電率が変化する特性を持つ。金属酸化物半導体は、空気中では酸素を吸着して高抵抗化するが可燃性ガス中では可燃性ガスを吸着して低抵抗化する。
【０００７】
詳しくは以下のような理由による。
ＳｎＯ２層などのｎ型金属酸化物半導体であるガス感応層５３は、空気中にある場合、ガス感応層５３の表面に酸素などを活性化吸着する。酸素は電子受容性が強くて負電荷吸着するため、ガス感応層５３の表面に空間電荷層が形成される。したがって、ガス感応層５３は導電率が低下して高抵抗化する。
そして、ＳｎＯ２層などのｎ型金属酸化物半導体であるガス感応層５３は、可燃性ガスなどの電子供与性の還元性気体中にあるガス感応層５３が３００〜５００℃程度に加熱されることにより可燃性ガスの燃焼反応が起こる場合、ガス感応層５３の表面の吸着酸素が消費され、吸着酸素が捕獲していた電子がガス感応層５３内にもどされることによりガス感応層５３内の電子密度が増加する。したがって、ガス感応層５３は導電率が増大して低抵抗化する。
【０００８】
このガス感応層５３は、多様なガスの検知が可能である反面、特定のガスを選択的に検知することは困難であった。
そこでガス検出層５は、ＳｎＯ２層であるガス感応層５３の表面全体を、触媒担持Ａｌ２Ｏ３焼結材で構成されたガス選択燃焼層５４が覆う構造としている。
このガス選択燃焼層５４は、検知ガスよりも酸化活性の強いガスを燃焼させるため、ガス検出層５におけるある特定のガスのみの感度を向上させる機能を有している。さらにそのガス検出層５の大きさや膜厚、Ｓｉ基板１のダイアフラム径との比なども工夫されている。これにより、ある特定のガス選択性がさらに高められ、消費電力の低減化が可能となっている。
【０００９】
このような薄膜式ガスセンサは、ＣＨ４，Ｃ３Ｈ８等の可燃性ガス検知に低消費電力化を実現するため、そのヒータ層３の駆動方式が工夫されたセンサとしている。この点について図を参照しつつ説明する。図７は、Ｈｉｇｈ−Ｏｆｆ方式によるヒータ層温度の時間特性を説明する説明図、図８は、Ｈｉｇｈ−Ｌｏｗ−Ｏｆｆ方式によるヒータ層温度の時間特性を説明する説明図である。
【００１０】
Ｈｉｇｈ−Ｏｆｆ方式は、特にＣＨ４，Ｃ３Ｈ８等の可燃性ガス濃度の検出で用いられる方式である。ヒータ層３の駆動部であるヒータ層電源（図示せず）は、ヒータ層３に図７で示すような電流による駆動信号を流してヒータ層３のヒータ温度を一定期間（例えば０．０５〜０．５ｓ）にわたり高温状態（Ｈｉｇｈ状態：３００〜５００℃）に保持し、その後一定期間にわたりヒータ層３に駆動信号を流さない状態（Ｏｆｆ状態）として、検出時以外では不要な電力の消費が抑止される。そして、ヒータ層３の駆動部（図示せず）は、このようなＨｉｇｈ−Ｏｆｆによる駆動を所定の周期（例えば３０秒周期）で繰り返し、ヒータ層３を間欠駆動している。
【００１１】
このＨｉｇｈ−Ｏｆｆ方式のヒータ層３は、Ｈｉｇｈ状態でガス検知を行うものであり、ガス検知ではガス感応層５３のセンサ抵抗値が感知電極層５２を介して測定され、その変化からＣＨ４，Ｃ３Ｈ８等の可燃性ガス濃度が検出される。このとき、ヒータ温度が高温になるとともにガス選択燃焼層５４は高温になり、この高温のガス選択燃焼層５４がＣＯ，Ｈ２等の還元性ガスその他の雑ガスを燃焼させる。しかしながら、ガス選択燃焼層５４は不活性なＣＨ４，Ｃ３Ｈ８等の可燃性ガスはそのまま通過させる。可燃性ガスは拡散し、ガス感応層５３に到達してガス感応層５３のＳｎＯ２と反応する。するとガス感応層５３のＳｎＯ２の抵抗値は可燃性ガスの吸着量に応じて変化する。薄膜ガスセンサは、このような現象を利用してガス機器などのガス漏れ時に発生するＣＨ４，Ｃ３Ｈ８等の可燃性ガスの濃度を検出するものである。
【００１２】
また、Ｈｉｇｈ−Ｌｏｗ−Ｏｆｆ方式は、不完全燃焼（ＣＯ）を検知するために用いられる方式である。ヒータ層３の駆動部（図示せず）は、ヒータ層３に図８で示すような電流による駆動信号を流して、一旦、ヒータ層３のヒータ温度を一定期間（例えば、０．０５ｓ〜０．５ｓ）にわたり高温状態（Ｈｉｇｈ状態：３００〜５００℃）に保持してガス感応層５３のクリーニングを行ってから、低温状態（Ｌｏｗ状態：約５０〜１５０℃）に降温してガス検知を行い、その後一定期間ヒータ層３に駆動信号を流さない状態（ＯＦＦ状態）として、検出時以外では不要な電力の消費を抑止する。そして、ヒータ層３の駆動部（図示せず）は、このようなＨｉｇｈ−Ｌｏｗ−Ｏｆｆによる駆動を所定の周期（例えば３０秒周期）で繰り返し、ヒータ層３を間欠駆動している。
このようなＨｉｇｈ−Ｌｏｗ−Ｏｆｆ方式は、ＣＯ感度および選択性が高くなる方式として知られている。
【００１３】
また、このＨｉｇｈ−Ｌｏｗ−Ｏｆｆ方式は、Ｈｉｇｈ状態でクリーニングのみならずメタン（ＣＨ４）検知も行い、かつＬｏｗ状態でＣＯ検知を行い、メタン・ＣＯの両方を検知する方式としても良く、このようなＨｉｇｈ−Ｌｏｗ−Ｏｆｆ方式の薄膜ガスセンサも存在する。
【００１４】
続いて、従来技術の他の薄膜ガスセンサについて説明する。図９は、従来技術の他の薄膜ガスセンサを概略的に示す縦断面図である。薄膜ガスセンサ２００は、Ｓｉ基板１、熱絶縁支持層２、ヒータ層３、ガス検出層５を備える。熱絶縁支持層２は、詳しくは、熱酸化ＳｉＯ２層２１、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層２２、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３を備え、三層構造となっている。また、ガス検出層５は、詳しくは、接合層５１、感知電極層５２、ガス感応層５３、ガス選択燃焼層５４を備える。先に図６を用いて説明した薄膜ガスセンサ１００と比較すると、この薄膜ガスセンサ２００は、電気絶縁層４がない構成としてガス検出層５が熱絶縁支持層２のＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３上に当接するように設けられ、さらに、ヒータ層３がＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３上であってガス感応層５３に隣接する位置でガス選択燃焼層５４により覆われるように設けられる。
【００１５】
続いて、従来技術の他の薄膜ガスセンサについて説明する。図１０は、従来技術の他の薄膜ガスセンサを概略的に示す縦断面図である。この薄膜ガスセンサ３００は、熱線型半導体式ガスセンサであり、Ｓｉ基板１、熱絶縁支持層（ＳｉＯ２層）２、ボンディングワイヤ６、ヒータ層を兼ねた感知電極層（Ｐｔ層）５５、ガス感応層５３を備える。ヒータ層を兼ねた感知電極層５５がガス感応層５３を加熱している状態で、ＳｎＯ２ 層であるガス感応層５３にガスが吸着すると、一対のワイヤボンディング６間の抵抗値が変化する。薄膜ガスセンサ３００は、この抵抗値の変化を検出する。
【００１６】
これらのような薄膜ガスセンサを用いてＣＯ，ＣＨ４等の可燃性ガスを検知する場合、センサ出力であるガス感知膜の抵抗値は温度によって大きく変化する。この点につき代表的なガス感知膜の材料である酸化スズ（ＳｎＯ２）の特性を示しつつ説明する。
【００１７】
図１１は酸化スズのセンサ温度−抵抗値を示す特性図である。体積濃度１０００ｐｐｍの種々のガス中で酸化スズの温度を変えたときの酸化スズの抵抗値変化を示しており、同じ濃度のガス中でも温度によって抵抗値が大きく変化することが分かる。
【００１８】
図１２は酸化スズのセンサ温度−規格化抵抗値を示す特性図である。濃度１０００ｐｐｍ、温度４５０℃のイソブタン中でのガス感知膜のセンサ抵抗値（１．１３ｋΩ）で規格化したものである。あるガス（１０００ｐｐｍ）に対する酸化スズの検出感度は、あるセンサ温度でのＲａｉｒ，Ｒｇａｓの比で表される。
【００１９】
これら図１１または図１２の特性図に共通して表される特徴は、センサ温度が４３０℃より低い場合、酸化スズによるガス感応層は、イソブタンの検出感度より一酸化炭素の検出感度が高く、一方センサ温度が４３０℃を越える場合、これが逆転して一酸化炭素の検出感度よりイソブタンの検出感度が高くなる点である。このように酸化スズによるガス感応層は、温度依存性を有している。そして、このような温度依存性は他のガス感応層を形成する材料でも有する特性であり、ガス検出では温度管理が重要となる。
【００２０】
このようにガス感応層の特性を最大限に引き出したい場合には、検出対象であるガス（以下、被検出ガスという）感度が最大となり、かつ、検出対象ではないガス（以下、非検出ガスという）感度が最小となるセンサ温度を選択できるように、ガス感応層の周囲に薄膜によるヒータ層を設置し、このヒータ層を用いて精度の良い温度コントロールを行う必要がある。例えば定電圧回路または定電流回路によりヒータ層に一定の電圧を加えたり、一定の電流を流したりしてヒータ層の温度を一定にする、というような温度コントロールが行われている。
【００２１】
ところが、半導体プロセスで製作した薄膜のヒータ層は、ウェハ内の面内バラツキに加え、ウェハ毎のヒータ層の厚さおよび組成のバラツキにも起因して抵抗値が必ずしも一定値ではない。このような理由により、従来技術のように定電圧回路または定電流回路によりヒータ層に一定の電圧を加えたり、一定の電流を流したりしてもヒータ層の温度は必ずしも一定にならず、極端な場合には、被検出ガスに比べて非検出ガスの感度のほうが高くなるまで温度変化するという不具合を生じる場合もある。その結果、正確なガス濃度を検出することが不可能な事態が起こりうるという問題があった。
【００２２】
正確なガス濃度を検出するためには、個々の薄膜ガスセンサに対して所望の消費電力となるように薄膜のヒータ層に加える電力を調節する必要がある。
加えて、個々の薄膜ガスセンサの形状や組成の相違に起因して放熱にバラツキがあるためヒータ層の温度は加える電力に対して必ずしも一定ではなく、この観点からも、個々の薄膜ガスセンサ毎に所望のヒータ層温度になるようにヒータ層に加えられる電力を調節することが望ましい。
【００２３】
このようにヒータ層の抵抗値や放熱特性のバラツキを吸収し、ヒータ層に加える電力を調節するため、従来技術では薄膜ガスセンサ及びガス漏れ警報器に対し、電源電圧の変圧回路として昇降圧回路により電圧の変圧やデューティー比制御を行ったり、平滑回路により降圧を行ったりしていた。
また、ヒータ層の抵抗値のバラツキを吸収し、ヒータ層に加える電力を調節する他の方法としては、ヒータ層に直列接続したアナログ可変抵抗による電力調節を行っていた。
なお、アナログ可変抵抗を用いる調節については特許文献１にも記載のように一般的な従来技術である。
【００２４】
【特許文献１】特開平９−２１０８３１号公報（段落番号［００１０］，図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
しかしながら、薄膜のヒータ層の抵抗値や放熱特性のバラツキを吸収し、ヒータ層に加える電力を調節する従来技術は、問題を内包するものであった。
先に説明した電源電圧の昇降圧回路による電圧の変圧やデューティー比制御や、平滑回路による降圧を行う電力調節では、回路の複雑化及び構成回路部品の増加に起因して、小型化に支障をきたし、さらに薄膜ガスセンサやガス漏れ警報器毎に搭載するには製造コストも増大する。
【００２６】
また、ヒータ層に直列に接続したアナログ可変抵抗による電力調節では、ヒータ層の抵抗値のバラツキに応じて微妙な電力調節を作業員がマニュアル（手動）で調節するため、調節コストが増大するだけでなく、ヒューマンエラーを完全に防止することはできないため調整ミスが発生するおそれもあった。
【００２７】
また、薄膜ガスセンサの製造現場では、特性評価及びセンサ特性を安定化させるエージング処理を行う際に、量産性を上げるため特性評価・通電基板に多数の薄膜ガスセンサを搭載しているが、全数の薄膜ガスセンサ個々に対して電源電圧の昇降圧回路を配置することや微妙な電力調節をマニュアルで施すことも困難である。
【００２８】
そこで、本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、安価かつ簡易な構成により調節作業の高精度化および機械化を実現し、性能および生産性の向上を共に図る薄膜ガスセンサを提供することにある。
また、このような薄膜ガスセンサを搭載して性能および生産性の向上を共に図るガス漏れ警報器を提供することにある。
さらにまた、このような薄膜ガスセンサの調節作業を行う薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２９】
請求項１に記載の発明によれば、
吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感応層と、
このガス感応層の近傍に設けられて、該ガス感応層を加熱するヒータ層と、
デジタルポテンショメータを有し、ヒータ層に加える電力を設定調節する設定調節部と、
ヒータ層からの出力についての情報を取得するためのシャント抵抗と、
を備え、
前記設定調節部は、ヒータ層、設定調節部およびシャント抵抗により形成される直列回路に電源を供給したときのヒータ層およびシャント抵抗を通じて取得された情報に基づいて、デジタルポテンショメータの抵抗値を変化させて設定調節部の抵抗値を増減させて、ヒータ層が最適出力をするように設定調節されたものであることを特徴とする薄膜ガスセンサが提供される。
【００３０】
この構成によれば、特にデジタルポテンショメータ・シャント抵抗等による簡易な回路を採用するものであり、従来技術のように昇降圧回路や平滑回路等の高コストで複雑な回路を不要とした。また、デジタルポテンショメータにより自動調節を容易にし、調節コストを低減した。
【００３１】
請求項２に記載の発明によれば、
前記薄膜ガスセンサは、貫通孔を有するＳｉ基板と、
この貫通孔の開口部に張られるダイアフラム様の熱絶縁支持層と、
を備え、
前記ヒータ層および前記ガス感応層は、前記熱絶縁支持層における一方の面上にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項１に記載の薄膜ガスセンサが提供される。
【００３２】
この構成によれば、ヒータ層およびガス感応層が熱絶縁支持層の面上にそれぞれ設けられた構成を採用する薄膜ガスセンサに対して、シャント抵抗やヒータ層を通じて取得された情報に基づいて、デジタルポテンショメータの抵抗値を変化させて設定調節部の抵抗値を増減させて、ヒータ層が最適出力をするように設定調節されるようにした。このような薄膜ガスセンサでも構成の簡素化や調節コストの低減を実現する。
【００３３】
請求項３に記載の発明によれば、
前記薄膜ガスセンサは、貫通孔を有するＳｉ基板と、
この貫通孔の開口部に張られるダイアフラム様の熱絶縁支持層と、
この熱絶縁支持層上に設けられるヒータ層と、
前記熱絶縁支持層および前記ヒータ層を覆うように設けられる電気絶縁層と、
この電気絶縁層上に設けられるガス感応層と、
を具備することを特徴とする請求項１に記載の薄膜ガスセンサが提供される。
【００３４】
この構成によれば、熱絶縁支持層がヒータ層の面上に形成され、さらにガス感応層が熱絶縁支持層の面上に設けられた構成を採用する薄膜ガスセンサに対して、シャント抵抗やヒータ層を通じて取得された情報に基づいて、デジタルポテンショメータの抵抗値を変化させて設定調節部の抵抗値を増減させて、ヒータ層が最適出力をするように設定調節されるようにした。このような薄膜ガスセンサでも構成の簡素化や調節コストの低減を実現する。
【００３５】
請求項４に記載の発明によれば、
前記ガス感応層は、ＳｎＯ２により形成されることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサが提供される。
【００３６】
ガス感応層としてＳｎＯ２が選択されることが特に好ましい点を知見した。
【００３７】
請求項５に記載の発明によれば、
前記薄膜ガスセンサは、更に前記ガス感応層の表面を覆うように設けられ、Ｐｄ（パラジウム）またはＰｔ（白金）を触媒として担持したＡｌ２Ｏ３焼結材によるガス選択燃焼層を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサが提供される。
【００３８】
Ｐｄ（パラジウム）またはＰｔ（白金）を触媒として担持したＡｌ２Ｏ３焼結材であってガス感応層を覆うガス選択燃焼層は、ガス感応層における検出対象ガスの選択性を向上させる。
【００３９】
請求項６に記載の発明によれば、
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサを搭載したことを特徴とするガス漏れ警報器が提供される。
【００４０】
上記の薄膜ガスセンサを搭載したガス漏れ警報器として用いることが好ましい。
【００４１】
請求項７に記載の発明によれば、
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節装置であって、
ヒータ層の両端電圧を測定するヒータ層電圧測定手段と、
シャント抵抗の両端電圧を測定するシャント抵抗電圧測定手段と、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の消費電力を算出するヒータ層電力算出手段と、
ヒータ層の消費電力と目標電力とを比較して所望の消費電力となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する変更調節手段と、
を備えることを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節装置が提供される。
【００４２】
薄膜ガスセンサのシャント抵抗を通じて取得された情報に基づいて電力を算出し、この電力に基づいて設定装置がデジタルポテンショメータの抵抗値を変化させて設定調節部の抵抗値を増減させて、ヒータ層が最適出力をするように設定調節されるよう自動化を図る薄膜ガスセンサ設定調節装置が提供される。
【００４３】
請求項８に記載の発明によれば、
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節装置であって、
ヒータ層の両端電圧を測定するヒータ層電圧測定手段と、
シャント抵抗の両端電圧を測定するシャント抵抗電圧測定手段と、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の温度を算出するヒータ層温度算出手段と、
ヒータ層の温度と目標温度とを比較して所望の温度となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する変更調節手段と、
を備えることを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節装置が提供される。
【００４４】
薄膜ガスセンサのシャント抵抗を通じて取得された情報に基づいて温度を算出し、この温度に基づいて設定装置がデジタルポテンショメータの抵抗値を変化させて設定調節部の抵抗値を増減させて、ヒータ層が最適出力をするように設定調節されるよう自動化を図る薄膜ガスセンサ設定調節装置とした。
【００４５】
請求項９に記載の発明によれば、
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節方法であって、
ヒータ層の両端電圧を測定し、
シャント抵抗の両端電圧を測定し、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の消費電力を算出し、
ヒータ層の消費電力と目標電力とを比較して所望の消費電力となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する、
ことを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節方法が提供される。
【００４６】
薄膜ガスセンサのシャント抵抗を通じて取得された情報に基づいて電力を算出し、この電力に基づいてデジタルポテンショメータの抵抗値を変化させて設定調節部の抵抗値を増減させて、ヒータ層が最適出力をするように設定調節されるよう自動化を図る薄膜ガスセンサ設定調節方法とした。
【００４７】
請求項１０に記載の発明によれば、
請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節方法であって、
ヒータ層の両端電圧を測定し、
シャント抵抗の両端電圧を測定し、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の温度を算出し、
ヒータ層の温度と目標温度とを比較して所望の温度となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する、
ことを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節方法が提供される。
【００４８】
薄膜ガスセンサのシャント抵抗を通じて取得された情報に基づいて温度を算出し、この温度に基づいてデジタルポテンショメータの抵抗値を変化させて設定調節部の抵抗値を増減させて、ヒータ層が最適出力をするように設定調節されるよう自動化を図る薄膜ガスセンサ設定調節方法とした。
【発明の効果】
【００４９】
請求項１に係る発明によれば、シャント抵抗およびヒータ層を通じて設定調節に必要な情報を取得し、この情報に基づいて設定調節部で設定調節を行うため、最適な消費電力または温度で出力する薄膜ガスセンサとすることができる。さらに設定調節はデジタルポテンショメータを操作して設定調節するため、低コストで設定調節も容易な薄膜ガスセンサとすることができる。
【００５０】
また、請求項２に係る発明によれば、ヒータ層およびガス感応層が熱絶縁支持層の面上にそれぞれ設けられた構成が採用されたときにも出力の最適化および設定調節の容易化が実現された薄膜ガスセンサとすることができる。
【００５１】
また、請求項３に係る発明によれば、熱絶縁支持層がヒータ層の面上に形成され、さらにガス感応層が熱絶縁支持層の面上に設けられた構成が採用されたときにも出力の最適化および設定調節の容易化が実現された薄膜ガスセンサとすることができる。
【００５２】
また、請求項４に係る発明によれば、ガス感応層としてＳｎＯ２が選択されるときにも出力の最適化および設定調節の容易化が実現された薄膜ガスセンサとすることができる。
【００５３】
また、請求項５に係る発明によれば、Ｐｄ（パラジウム）またはＰｔ（白金）を触媒として担持したＡｌ２Ｏ３焼結材であるガス選択燃焼層がさらに設けられて、ガス選択性を向上させるときにも出力の最適化および設定調節の容易化が実現された薄膜ガスセンサとすることができる。
【００５４】
また、請求項６に係る発明によれば、出力の最適化および設定調節の容易化が実現された薄膜ガスセンサをガス漏れ警報器に搭載して、低コストで性能を向上させたガス漏れ警報器とすることができる。
【００５５】
また、請求項７に係る発明によれば、算出した電力に基づいて設定調節を行って電力の最適化を実現する薄膜ガスセンサ設定調節装置を提供できる。
【００５６】
また、請求項８に係る発明によれば、算出した温度に基づいて設定調節を行って電力の最適化を実現する薄膜ガスセンサ設定調節装置を提供できる。
【００５７】
また、請求項９に係る発明によれば、算出した電力に基づいて設定調節を行って電力の最適化を実現する薄膜ガスセンサ設定調節方法を提供できる。
【００５８】
また、請求項１０に係る発明によれば、算出した温度に基づいて設定調節を行って電力の最適化を実現する薄膜ガスセンサ設定調節方法を提供できる。
【００５９】
総じて以上のような本発明によれば、安価かつ簡易な構成により調節作業の高精度化および機械化を実現し、性能および生産性の向上を共に図る薄膜ガスセンサを提供することができる。
また、このような薄膜ガスセンサを搭載して性能および生産性の向上を共に図るガス漏れ警報器を提供することができる。
さらにまた、このような薄膜ガスセンサの調節作業を行う薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６０】
以下、本発明を実施するための最良の形態の薄膜ガスセンサ、ガス漏れ警報器、薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法について図を参照しつつ説明する。なお、本形態の薄膜ガスセンサは、主にヒータ層に供給される電力やヒータ層の発熱温度の設定調節を行う点に特徴があり、薄膜ガスセンサの構造そのものは、図６で示した従来技術の薄膜ガスセンサ１００と同じである。
【００６１】
すなわち薄膜ガスセンサ１００は、図６で示すように、Ｓｉ基板１、熱絶縁支持層２、ヒータ層３、電気絶縁層４、ガス検出層５を備える。熱絶縁支持層２は、詳しくは、熱酸化ＳｉＯ２層２１、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層２２、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３の三層構造となっている。また、ガス検出層５は、詳しくは、接合層５１、感知電極層５２、ガス感応層５３、ガス選択燃焼層５４を備える。このガス感応層５３はＳｂをドープしたＳｎＯ２層であり、ガス選択燃焼層５４は触媒担持Ａｌ２Ｏ３焼結材である。そして、ヒータ層３およびガス検出層５（詳しくは感知電極層５２を介してガス感応層５３）は、駆動・処理部（図示せず）に接続されている。
【００６２】
続いて各部構成について説明する。
Ｓｉ基板１はシリコン（Ｓｉ）により形成され、貫通孔を有するように形成される。
熱絶縁支持層２はこの貫通孔の開口部に張られてダイアフラム様に形成されており、Ｓｉ基板１の上に設けられる。
【００６３】
熱絶縁支持層２は、詳しくは、熱酸化ＳｉＯ２層２１、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層２２、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３の三層構造となっている。
熱酸化ＳｉＯ２層２１は、熱絶縁層として形成され、ヒータ層３で発生する熱をＳｉ基板１側へ熱伝導しないようにして熱容量を小さくする機能を有する。また、この熱酸化ＳｉＯ２層２１はプラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、後述するがプラズマエッチングによるＳｉ基板１への貫通孔の形成を容易にする。
ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層２２は、熱酸化ＳｉＯ２層２１の上側に形成される。
ＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３は、ヒータ層３との密着性を向上させるとともに電気的絶縁を確保する。ＣＶＤ（化学気相成長法）によるＳｉＯ２層は内部応力が小さい。
【００６４】
ヒータ層３は、薄膜状のＮｉ−Ｃｒ膜（ニッケル−クロム膜）であって、熱絶縁支持層２のほぼ中央の上面に設けられる。また、図示しない電源供給ラインも形成される。この電源ラインは、後述するヒータ駆動回路に接続される。
電気絶縁層４は、電気的に絶縁を確保するスパッタＳｉＯ２層からなり、熱絶縁支持層２およびヒータ層３を覆うように設けられる。ヒータ層３と感知電極層５２との間に電気的な絶縁を確保し、また、電気絶縁層４はガス感応層５３との密着性を向上させる。
【００６５】
接合層５１は、例えば、Ｔａ膜（タンタル膜）またはＴｉ膜（チタン膜）からなり、電気絶縁層４の上に設けられる。この接合層５１は、感知電極層５２と電気絶縁層４との間に介在して接合強度を高める機能を有している。
感知電極層５２は、例えば、Ｐｔ膜（白金膜）またはＡｕ膜（金膜）からなり、ガス感応層５３の感知電極となるように左右一対に設けられる。
ガス感応層５３は、ＳｂをドープしたＳｎＯ２層からなり、一対の感知電極層５２，５２を渡されるように電気絶縁層４の上に形成される。
【００６６】
ガス選択燃焼層５４は、白金（Ｐｔ）またはパラジウム（Ｐｄ）である触媒を担持した焼結体であり、先に説明したように触媒担持Ａｌ２Ｏ３焼結材である。ガス選択燃焼層５４は、ガス感応層５３の表面に設けられる。Ａｌ２Ｏ３は多孔質体であるため、孔を通過する検知ガスが触媒に接触する機会を増加させて燃焼反応を促進させる。ガス選択燃焼層５４は、電気絶縁層４、接合層５１、一対の感知電極層５２，５２およびガス感応層５３の表面を覆うように設けられる。
このような薄膜ガスセンサはダイアフラム構造により高断熱，低熱容量の構造としている。
【００６７】
なお、図示しない信号処理部がガス感知電極層５２を介してガス感応層５３と接続されており、信号処理部がガス感応層５３のセンサ抵抗値の変化を検出してガス検出駆動が行われる。
同様に図示しないヒータ層電源がヒータ層３と接続されており、ガス感応層５３のセンサ抵抗値の変化を検出するための最適な温度にてヒータ層３を駆動する。
薄膜ガスセンサ１００の構成はこのようなものである。
【００６８】
続いて、本形態の薄膜ガスセンサの製造方法について概略説明する。
まず、熱酸化ＳｉＯ２層２１が、板状のシリコンウェハー（図示せず）の表裏両面に設けられる。熱酸化ＳｉＯ２層２１は熱酸化法により熱酸化が施されて形成された熱酸化ＳｉＯ２膜である。
ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層２２は、熱酸化ＳｉＯ２層２１の上面に設けられる。このＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層２２は、プラズマＣＶＤ法にて堆積して形成したＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４膜である。
ＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３は、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層２２の上面に設けられる。このＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３は、プラズマＣＶＤ法により堆積して形成したＣＶＤ−ＳｉＯ２膜である。
【００６９】
ヒータ層３は、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３の上面に設けられる。このヒータ層３は、スパッタリング法により蒸着して形成したＮｉ−Ｃｒ膜である。
電気絶縁層４は、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層２３とヒータ層３との上面に設けられる。この電気絶縁層４は、スパッタリング法により蒸着して形成したスパッタＳｉＯ２膜である。
【００７０】
接合層５１は、電気絶縁層４の上に形成される。
感知電極層５２は、接合層５１の上に形成される。
これら接合層５１および感知電極層５２の成膜は、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。成膜条件は接合層（ＴａあるいはＴｉ）５１、感知電極層（ＰｔあるいはＡｕ）５２とも同じで、Ａｒガス（アルゴンガス）圧力１Ｐａ、基板温度３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ２、膜厚は接合層５１／感知電極層５２＝５００Å／２０００Åである。
【００７１】
ガス感応層５３は、一対の感知電極層５２，５２の間を渡されるように電気絶縁層４上に設けられる。ガス感応層５３は、スパッタリング法により蒸着して形成したＳｂ−ｄｏｐｅｄ  ＳｎＯ２膜である。
成膜はＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、反応性スパッタリング法によって行う。ターゲットにはＳｂを０．５ｗｔ％含有するＳｎＯ２を用いる。成膜条件はＡｒ＋Ｏ２ガス圧力２Ｐａ、基板温度１５０〜３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ２である。ガス感応層５３の大きさは、５０ないし２００μｍ角程度、厚さは０．２ないし１．６μｍ程度が望ましい。
【００７２】
ガス選択燃焼層５４は、電気絶縁層４、接合層５１、一対の感知電極層５２，５２およびガス感応層５３を覆うように形成される。このガス選択燃焼層５４は、ＰｄやＰｔという触媒を担持したアルミナ粉末、バインダーおよび有機溶剤を混合調製した印刷ペーストをスクリーン印刷で印刷し、室温で乾燥後、５００℃で１時間焼き付けすることにより形成される。ガス選択燃焼層５４の大きさは、ガス感応層５３を十分に覆う大きさとする。このようにスクリーン印刷により厚みを薄くしている。
【００７３】
最後にシリコンウェハー（図示せず）は、その裏面から微細加工プロセスとしてエッチングによりシリコンが除去され、貫通孔が形成されたＳｉ基板１となる。これによりダイアフラム構造の薄膜ガスセンサ１００となる。そして、ヒータ層３はヒータ層電源に接続され、また、感知電極層５２は信号処理部に通信可能に接続される。
薄膜ガスセンサ１００の製造方法はこのようなものである。
【００７４】
続いて薄膜ガスセンサのヒータ駆動回路およびヒータ駆動回路の設定調節について図を参照しつつ説明する。図１は本形態の薄膜ガスセンサのヒータ駆動回路および薄膜ガスセンサ設定調節装置を示す図である。薄膜ガスセンサ１００にはヒータ駆動回路が形成されている。このヒータ駆動回路は、ヒータ層３、設定調節部７、シャント抵抗８が直列接続された回路である。なお、ヒータ層電源５２０は薄膜ガスセンサ１００が内蔵しないこととなる。
【００７５】
設定調節部７は、デジタルポテンショメータ７１と、このデジタルポテンショメータ７１に並列接続される固定抵抗７２と、を有している。なお、設定調節部７に最大値の小さなデジタルポテンショメータを用いる場合、並列接続する固定抵抗７２は不要である。
デジタルポテンショメータ７１は、ワイパーコンタクト付きの固定抵抗を備えており、固定抵抗値Ｒsを２５６分割した値、つまりＲｄｐ＝Ｒs・ｎ／２５６（ｎ＝１〜２５６）の値から選択した可変抵抗値を設定することができる。このような可変抵抗値の設定は、薄膜ガスセンサ設定調節装置５００の設定装置５１１からシリアル通信によりデジタルの設定値を入力することにより行われる。
固定抵抗７２は、デジタルポテンショメータ７１に並列に接続されており、デジタルポテンショメータ７１（抵抗値Ｒｄｐ）と固定抵抗７２（抵抗値Ｒｔ）とで合成抵抗が形成される。この固定抵抗７２によりヒータ層３のバラツキの幅に合わせ必要な調節分解能が取れるようにしており、さらに合成抵抗を可変としているのでヒータ層３に加わる電力を調節できるようにしている。
【００７６】
ヒータ層３の両端にはヒータ層両端電圧（Ｖｈ）を計測するための端子が二個設けられている。これら二個の端子には薄膜ガスセンサ設定調節装置５００の電圧計測部５１２（本発明のヒータ層電圧測定手段の一具体例である）が接続される。
シャント抵抗８の両端にはシャント抵抗両端電圧（Ｖｈｓ）を計測するための端子が二個設けられている。これら二個の端子には薄膜ガスセンサ設定調節装置５００の電圧計測部５１３（本発明のシャント抵抗電圧測定手段の一具体例である）が接続される。なお、シャント抵抗値（Ｒｈｓ）は予め計測されたり、設計時に指定された抵抗値とすることにより、予め判別されているものとする。
【００７７】
設定調節時には、図１に示すように、ヒータ層３、設定調節部７、シャント抵抗８を直列接続し、さらにヒータ層電源５２０が接続されてヒータ駆動回路が形成される。さらに、図１に示す設定装置５１１や電圧計測部５１２，５１３が接続されて計測や設定調節が可能になされる。これにより計測や調節が可能となる。
このヒータ駆動回路は、ヒータ層３の発熱に必要な電力がヒータ層電源５２０から供給されることとなる。ここで、ヒータ層電源５２０が供給する電力は所定の電力値とし、所定の電力値が供給された時にヒータ層３の発熱量は一定となるように調節される。
なお、このヒータ層電源５２０は外部に設置されるものであり、図１では薄膜ガスセンサ設定調節装置５００が備えるものとして説明している。
【００７８】
このような薄膜ガスセンサ１００の設定調節部７は、ヒータ層３、ヒータ層電源５２０、設定調節部７およびシャント抵抗８により形成される直列回路のうちのヒータ層３およびシャント抵抗８を通じて取得された情報に基づいて、設定装置５１１を介して後述するような調節方法によりデジタルポテンショメータ７１の抵抗値を変化させて設定調節部７の合成抵抗値を増減させて、ヒータ層３が最適出力をするように設定調節される。
そして、設定調節終了後に薄膜ガスセンサ設定調節装置５００のヒータ層電源５２０、設定装置５１１や電圧計測部５１２，５１３が取り外されて、薄膜ガスセンサ１００単体として出荷される。
【００７９】
このような本発明の薄膜ガスセンサによれば、以下のような利点を有する。
一般に薄膜ガスセンサによれば、ウェハ内の面内バラツキに加え、ウェハ毎のヒータ層３の厚さおよび組成のバラツキに起因してヒータ層３の抵抗値は必ずしも一定値ではないが、本発明によれば、予めヒータ層３の出力電力や発熱温度が最適になるように設定調節部６０を調節して出荷するため、検出対象であるガス（以下、被検出ガスという）感度が最大となり、かつ、検出対象ではないガス（以下、非検出ガスという）感度が最小となるセンサ温度で稼働される薄膜ガスセンサとすることができる。
【００８０】
続いて、このような薄膜ガスセンサの設定調節を行う薄膜ガスセンサ設定調節装置について図を参照しつつ説明する。図２は本形態の薄膜ガスセンサ設定調節装置を説明する説明図である。薄膜ガスセンサ設定調節装置５００は、設定調節用基板５１０、ヒータ電源５２０、計測処理装置５３０、中央処理装置５４０を備えている。
【００８１】
設定調節用基板５１０は、薄膜ガスセンサ１００を搭載すると図１で示したようにヒータ層電源５２０、設定装置５１１や電圧計測部５１２，５１３に電気的に接続できるように配線されている。図１では一個の薄膜ガスセンサ１００を接続するものとして説明しているが、実際は図２で示すように多数（図２では６個）の薄膜ガスセンサを搭載するようにして設定調節作業の効率を高めている。
ヒータ電源５２０は、多数の薄膜ガスセンサ１００のヒータ駆動回路と図１で示すように電気的に接続されて多数のヒータ駆動回路のヒータ層３へそれぞれ所定値の電力を供給する。
【００８２】
計測処理装置５３０は、設定調節用基板５１０の電圧計測部５１２，５１３から出力されるアナログの計測信号であるヒータ層両端電圧およびシャント抵抗両端電圧を入力する。そして、デジタルの計測データであるヒータ層両端電圧およびシャント抵抗両端電圧を中央処理装置５４０へ出力する。
中央処理装置５４０は、ヒータ層両端電圧およびシャント抵抗両端電圧を用いて後述する設定調節方法によりデジタルポテンショメータ７１の設定値を算出し、設定調節用基板５１０へ出力する。すると設定調節用基板５１０の設定装置５１１が設定値に基づいてデジタルポテンショメータ７１に対して設定を行う。デジタルポテンショメータ７１から設定装置５１１へ現在の設定値が返信され、設定の正否の確認を行いつつ最終的に設定値によるデジタルポテンショメータ７１の抵抗値と固定抵抗７２の抵抗値とによる合成抵抗に設定調節される。
薄膜ガスセンサ設定調節装置５００の構成はこのようなものである。
【００８３】
なお、図示しないが、実際の薄膜ガスセンサ設定調節装置による調節では、更なる作業効率化のため、例えば２４個の薄膜ガスセンサを搭載可能とし、ワンチップで４個の独立したデジタルポテンショメータを内蔵したチップを６個用い、ヒータ層両端電圧およびシャント抵抗両端電圧の測定はＡＤ変換ボードなどの計測処理装置により一括で中央処理装置（パソコンなどのコンピュータ）に取り込み、デジタルポテンショメータ７１の設定も一括で行うようにしている。
【００８４】
続いて中央処理装置５４０による設定調節フローについて図を参照しつつ説明する。図３は設定調節フローを説明するフローチャートである。ヒータ層消費電力により薄膜ガスセンサのヒータ層に加える電力を自動で調節するフローチャートである。
まず、中央処理装置５４０は、ヒータ層両端電圧Ｖｈおよびシャント抵抗両端電圧ＶｈＳの入力を行う（ステップＳ１０）。中央処理装置５４０は、上記のように設定調節用基板５１０の電圧計測部５１２，５１３で計測され、計測処理装置５３０で変換出力されたヒータ層両端電圧Ｖｈおよびシャント抵抗両端電圧ＶｈＳを入力する。
【００８５】
中央処理装置５４０は、ヒータ層消費電力Ｐｈを算出する（ステップＳ１１）。ここでシャント抵抗８は設計により所定の抵抗値ＲｈＳが選択されているものであり、抵抗値ＲｈＳは予め登録されているものとする。この場合のヒータ層消費電力Ｐｈは、ヒータ駆動回路を流れる電流をＩで表すと次式のようになる。
【００８６】
［数１］
Ｐｈ＝Ｖｈ×Ｉ＝Ｖｈ×ＶｈＳ／ＲｈＳ
【００８７】
中央処理装置５４０は、ヒータ層目標電力Ｐａとヒータ層消費電力Ｐｈとを比較する（ステップＳ１２）。比較の結果、ヒータ層目標電力Ｐａよりもヒータ層消費電力Ｐｈが小さい場合（ステップＳ１３）には、ヒータ層消費電力Ｐｈを大きくするためヒータ層両端電圧Ｖｈを大きくする、すなわち設定調節部７の合成抵抗値をダウンさせるようなデジタルポテンショメータ７１のステップ値ｉ（ｉ＝１〜２５６）を設定する（ステップＳ１６）。このステップ値の大きさはヒータ層目標電力Ｐａとヒータ層消費電力Ｐｈとの差分値に比例した大きさだけ変化させる相対値とする。そして設定したステップ値を設定値として設定調節用基板５１０の設定装置５１１へシリアル通信により送信し、設定装置５１１がデジタルポテンショメータ７１へ設定値を送信して設定を行い（ステップＳ１８）、設定調節部７の合成抵抗値を小さくする。なお、デジタルポテンショメータ７１から設定装置５１１へ現在の設定値が返信されて設定が正しくなされたかを確認している。
【００８８】
一方、ヒータ層目標電力Ｐａよりもヒータ消費電力Ｐｈが大きい場合（ステップＳ１４）には、ヒータ層消費電力Ｐｈを小さくするためヒータ層両端電圧Ｖｈを小さくする、すなわち設定調節部７の合成抵抗値をアップさせるようなデジタルポテンショメータ７１のステップ値ｉ（ｉ＝１〜２５６）を設定する（ステップＳ１７）。このステップ値の大きさはヒータ層目標電力Ｐａとヒータ層消費電力Ｐｈとの差分値に比例した大きさだけ変化させる相対値とする。そして設定したステップ値を設定値として設定調節用基板５１０の設定装置５１１へシリアル通信により送信し、設定装置５１１がデジタルポテンショメータ７１へ設定値を送信して設定を行い（ステップＳ１８）、設定調節部７の合成抵抗値を大きくする。
【００８９】
ステップＳ１８終了後はステップＳ１０の先頭に戻って以下同様の設定処理を行い、最終的にヒータ層目標電力Ｐａとヒータ層消費電力Ｐｈとが等しい場合（ステップＳ１５）には、最後の設定が正しいものとして調節処理を終了する。
調節はこのようにして行われ、ヒータ層の消費電力を所望の値に設定するものである。
【００９０】
続いて中央処理装置５４０による他の設定調節フローについて図を参照しつつ説明する。まず、薄膜ガスセンサと温度との関係について図を参照しつつ説明する。図４は薄膜ガスセンサの温度−抵抗値を示す特性図である。この特性図では複数個（図４では４個）の薄膜ガスセンサを高温炉に入れて全体の温度を上げ、それぞれのヒータ層３の抵抗値変化を測定した結果の一例である。図４の特性図に示されるように、０℃から約５００℃の温度範囲においてヒータ層３の抵抗値は温度に対してほぼ線形に変化している。言い換えると、ヒータ層３の抵抗値を測定することによりヒータ層３の温度が推定できる。推定は次式により行う。
【００９１】
［数２］
Ｒｈ＝Ｒｈ０（１＋αＴ）
ここで、
Ｔ：ヒータ層温度
Ｒｈ：温度Ｔでのヒータ層抵抗値
Ｒｈ０：基準温度でのヒータ層抵抗値（例えば基準温度０℃等）
α：ヒータ層の温度抵抗係数
【００９２】
この式から温度Ｔを求める式へ変形すると次式のようになる。
【００９３】
［数３］
Ｔ＝（Ｒｈ−Ｒｈ０）／αＲｈ０
【００９４】
この式からも明らかなように、ヒータ層３の電気抵抗であるヒータ層抵抗値Ｒｈを読み取り、読み取ったヒータ層抵抗値Ｒｈから数３によりヒータの温度Ｔを計算する。温度Ｔを計算するときに個々の薄膜ガスセンサのＲｈ０とαを予め与える必要がある。ただし、薄膜ガスセンサを作成するウェハ内のバラツキは少ないので、これらの値は１枚のウェハから取れる薄膜ガスセンサでは同じ値を与えてもかまわない。
【００９５】
続いて設定調節について説明する。図５は他の設定調節フローを説明するフローチャートである。算出したヒータ層温度により薄膜ガスセンサのヒータ層に加える電力を自動で調節するフローチャートである。
【００９６】
まず、中央処理装置５４０は、ヒータ層両端電圧Ｖｈおよびシャント抵抗両端電圧ＶｈＳの入力を行う（ステップＳ２０）。中央処理装置５４０は、上記のように設定調節用基板５１０の電圧計測部５１２，５１３で計測され、計測処理装置５３０で変換出力されたヒータ層両端電圧Ｖｈおよびシャント抵抗両端電圧ＶｈＳを入力する。
【００９７】
中央処理装置５４０は、ヒータ層抵抗Ｒｈを算出する（ステップＳ２１）。ここでシャント抵抗８は設計により所定の抵抗値ＲｈＳが選択されているものであり、抵抗値ＲｈＳは予め登録されているものとする。この場合のヒータ層抵抗Ｒｈは、ヒータ駆動回路を流れる電流をＩで表すと次式のようになる。
【００９８】
［数４］
Ｒｈ＝Ｖｈ／Ｉ＝Ｖｈ×ＲｈＳ ／ＶｈＳ
【００９９】
中央処理装置５４０は、ヒータ層温度Ｔｈを算出する（ステップＳ２２）。この場合のヒータ層温度Ｔｈは先に説明した［数３］のようになる。
【０１００】
中央処理装置５４０は、ヒータ層目標温度Ｔａとヒータ層温度Ｔｈとを比較する（ステップＳ２３）。比較の結果、ヒータ層目標温度Ｔａよりもヒータ層温度Ｔｈが小さい場合（ステップＳ２４）には、ヒータ層温度Ｔｈを大きくするためヒータ層両端電圧Ｖｈを大きくする、すなわち設定調節部７の合成抵抗値をダウンさせるようなデジタルポテンショメータ７１のステップ値ｉ（ｉ＝１〜２５６）を設定する（ステップＳ２７）。このステップ値の大きさはヒータ層目標温度Ｔａとヒータ層温度Ｔｈとの差分値に比例した大きさだけ変化させる相対値とする。そして設定したステップ値を設定値として設定調節用基板５１０の設定装置５１１へシリアル通信により送信し、設定装置５１１がデジタルポテンショメータ７１のステップ値の設定を行い（ステップＳ２９）、設定調節部７の合成抵抗値を小さくする。なお、デジタルポテンショメータ７１から現在の設定値が返信されて設定が正しくなされたかを確認している。
【０１０１】
一方、ヒータ層目標温度Ｔａよりもヒータ層温度Ｔｈが大きい場合（ステップＳ２５）には、ヒータ層温度Ｔｈを小さくするためヒータ層両端電圧Ｖｈを小さくする、すなわち設定調節部７の合成抵抗値をアップさせるようにデジタルポテンショメータ７１のステップ値ｉ（ｉ＝１〜２５６）を設定する（ステップＳ２８）。このステップ値の大きさはヒータ層目標温度Ｔａとヒータ層温度Ｔｈとの差分値に比例した大きさだけ変化させる相対値とする。そして設定したステップ値を設定値として設定調節用基板５１０の設定装置５１１へシリアル通信により送信し、設定装置５１１がデジタルポテンショメータ７１のステップ値の設定を行い（ステップＳ２９）、設定調節部７の合成抵抗値を大きくする。
【０１０２】
ステップＳ２９の終了後にステップＳ２０の先頭に戻って以下同様の設定処理を行い、最終的にヒータ層目標温度Ｔａとヒータ層温度Ｔｈとが等しい場合には（ステップＳ２６）には、最後の設定が正しいものとして調節処理を終了する。
調節はこのようにして行われ、ヒータ層の発熱温度を所望の値に設定するものである。このような設定調節フロー採用しても良い。
本発明の薄膜ガスセンサ、薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法はこのようなものである。
【０１０３】
なお、本発明の薄膜ガスセンサを搭載したガス漏れ警報器とすることも可能である。ガス漏れ警報器などに薄膜ガスセンサ１００を搭載したときはガス漏れ警報器が内蔵するヒータ層電源が、薄膜ガスセンサが内蔵するヒータ層３、設定調節部７、シャント抵抗８と直列接続されて図１で示すようなヒータ駆動回路が形成されることとなる。この場合、電圧計測部５１２，５１３はガス漏れ警報器が内蔵していないため当然に接続されない。このようなガス漏れ警報器では、ヒータ層の発熱温度が最適化されているため、薄膜ガスセンサの検出能力が向上している。
【０１０４】
また、本発明の薄膜ガスセンサは先に図６，図７，図８を用いて説明した薄膜ガスセンサ１００であるものとして説明したが、図９，図１０の薄膜ガスセンサ２００，３００が図１で示したようにヒータ層３に直列接続される設定調節部７、シャント抵抗８を備え、さらにヒータ層３、設定調節部７、シャント抵抗８およびヒータ層電源と直列接続されてヒータ駆動回路を構成した場合には上記と同様の設定調節を行うことができる。さらに、これらのような薄膜ガスセンサ２００，３００を搭載したガス漏れ警報器や、これらのような薄膜ガスセンサ２００，３００に対する薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法としても良い。ヒータ駆動回路や設定調節は同様であるため、これらのような薄膜ガスセンサ２００，３００についても同様の効果が期待できる。
【０１０５】
以上本発明の薄膜ガスセンサ、ガス漏れ警報器、薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法について説明した。
総じて以上のような本発明によれば、従来技術で用いていた複雑な電源電圧の昇降圧回路や手動調節をなくしてコストを削減でき、安価かつ簡易な構成を追加することで調節作業の高精度化および機械化を実現し、性能および生産性の向上をともに図る薄膜ガスセンサを提供することができる。
また、このような薄膜ガスセンサを搭載して性能および生産性の向上をともに図るガス漏れ警報器を提供することができる。
さらにまた、このような薄膜ガスセンサの調節作業を行う薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０１０６】
【図１】本発明を実施するための最良の形態の薄膜ガスセンサのヒータ駆動回路および薄膜ガスセンサ設定調節装置を示す図である。
【図２】本発明を実施するための最良の形態の薄膜ガスセンサ設定調節装置を説明する説明図である。
【図３】設定調節フローを説明するフローチャートである。
【図４】薄膜ガスセンサの温度−抵抗値を示す特性図である。
【図５】他の設定調節フローを説明するフローチャートである。
【図６】従来技術の薄膜ガスセンサを概略的に示す縦断面図である。
【図７】Ｈｉｇｈ−Ｏｆｆ方式によるヒータ層温度の時間特性を説明する説明図である。
【図８】Ｈｉｇｈ−Ｌｏｗ−Ｏｆｆ方式によるヒータ層温度の時間特性を説明する説明図である。
【図９】従来技術の他の薄膜ガスセンサを概略的に示す縦断面図である。
【図１０】従来技術の他の薄膜ガスセンサを概略的に示す縦断面図である。
【図１１】酸化スズのセンサ温度−抵抗値を示す特性図である。
【図１２】酸化スズのセンサ温度−規格化抵抗値を示す特性図である。
【符号の説明】
【０１０７】
１００，２００，３００：薄膜ガスセンサ
１：Ｓｉ基板
２：絶縁支持層
２１：熱酸化ＳｉＯ２層
２２：ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層
２３：ＣＶＤ−ＳｉＯ２層
３：ヒータ層
４：電気絶縁層
５：ガス検出層
５１：接合層
５２：感知電極層
５３：感知層（ＳｎＯ２層）
５４：ガス選択燃焼層（Ｐｄ担持Ａｌ２Ｏ３焼結材）
５５：ヒータ層を兼ねた感知電極層
６：ボンディングワイヤ
７：設定調節部
７１：デジタルポテンショメータ
７２：固定抵抗
８：シャント抵抗
５００：薄膜ガスセンサ設定調節装置
５１０：設定調節用基板
５１１：設定装置
５１２：電圧計測部
５１３：電圧計測部
５２０：ヒータ層電源
５３０：計測処理装置
５４０：中央処理装置（コンピュータ）
【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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