(57)【要約】【課題】インピーダンスセンサの検出感度のばらつきを小さくして、検出精度を向上させる。【解決手段】本発明のインピーダンスセンサは、液体や気体の中に入れて液体や気体の混合比率等を検出するものにおいて、基板と、基板の表面に設けられた一対の櫛歯状電極と、基板の表面に櫛歯状電極を覆うように設けられた保護膜とを備え、保護膜として比誘電率が６以上の材料を使用するように構成した。この構成によれば、検出感度のばらつきを小さくすることができて、検出精度を向上させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体や気体の中に入れて前記液体や前記気体の混合比率等を検出するインピーダンスセンサにおいて、
基板と、
前記基板の表面に設けられた一対の櫛歯状電極と、
前記基板の表面に前記櫛歯状電極を覆うように設けられた保護膜とを備え、
前記保護膜として比誘電率が６以上の材料を使用したことを特徴とするインピーダンスセンサ。
【請求項２】
前記一対の櫛歯状電極の電極間隔が５μｍ以下となるように構成したことを特徴とする請求項１記載のインピーダンスセンサ。
【請求項３】
前記一対の櫛歯状電極の電極間隔が１μｍ以下となるように構成したことを特徴とする請求項１記載のインピーダンスセンサ。
【請求項４】
前記保護膜の厚さを、０．６μｍ以上となるように構成したことを特徴とする請求項２または３に記載のインピーダンスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体や気体の混合比率等として、例えばガソリンなどの液体燃料の中に含まれるアルコールの混合比率等を検出するインピーダンスセンサに関する。
【背景技術】
【０００２】
この種のインピーダンスセンサの一例として、特許文献１に記載されたアルコール濃度センサが知られている。このセンサは、測定対象物の比誘電率に応じた静電容量を検出することより、アルコール濃度を測定するものである。上記センサは、絶縁基板上に一対の薄膜電極を設け、この一対の薄膜電極を覆う絶縁保護膜を設けて構成されており、絶縁保護膜と絶縁基板は比誘電率が５以下の材料で形成されている。上記特許文献１には、このような構成のアルコール濃度センサによって、アルコール濃度を高感度に測定できると記載されている。
【特許文献１】特開２００５−２０１６７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、本発明者らはシミュレーションにより、絶縁保護膜の比誘電率が５以下で構成される上記構成のアルコール濃度センサでは、絶縁保護膜の比誘電率がより大きなものと比較して、絶縁保護膜の比誘電率のばらつきに対し検出感度のばらつきが大きくなり、かつ検出感度も低くなることがわかった。
【０００４】
そこで、本発明の目的は、検出感度のばらつきを小さくすることができて、検出感度を向上させることが可能なインピーダンスセンサを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明によれば、基板の表面に櫛歯状電極を覆うように設けられた保護膜として、比誘電率が６以上の材料を使用したので、検出感度のばらつきを小さくすることができて、検出感度を向上させることができる。また、保護膜の比誘電率が高いほど、より高感度に測定できる。さらに、保護膜の比誘電率が±０．５程度ばらついても、検出感度ばらつきを０．５％以内に抑えることができる。
【０００６】
請求項２の発明によれば、前記一対の櫛歯状電極の電極間隔が５μｍ以下となるように構成したので、検出感度を高くすることができる。
請求項３の発明によれば、前記一対の櫛歯状電極の電極間隔が１μｍ以下となるように構成したので、電極間に作用する電界を強めることができ、検出感度をより高くすることができる。
【０００７】
請求項４の発明によれば、前記保護膜の厚さを、０．６μｍ以上となるように構成したので、検出感度は低下するが、検出感度のばらつきを小さくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明の一実施例について、図面を参照しながら説明する。まず、図１は本実施例のインピーダンスセンサ１の全体構成を概略的（模式的）に示す縦断面図であり、図２は同上面図である。本実施例のインピーダンスセンサ１は、車両の液体燃料例えばガソリンに含まれるアルコールの混合比率を検出するものであり、半導体センサで構成されている。
【０００９】
上記インピーダンスセンサ１は、図１に示すように、例えばＳｉ基板からなる半導体基板２と、この半導体基板２の表面における図１中の左部に設けられた一対の櫛歯状電極３、４と、同右部に設けられた信号処理回路５とを備えている。上記一対の櫛歯状電極３、４は、半導体基板２の表面に形成された絶縁層６の上に設けられている。絶縁層６は、例えばシリコン酸化膜で形成されている。
【００１０】
上記櫛歯状電極３、４は、図２に示すような櫛歯状に形成されており、一対の共通部３ａ、４ａと、これら共通部３ａ、４ａから突設された多数の櫛歯部３ｂ、４ｂとを有している。この場合、各櫛歯部３ｂ、４ｂを所定間隔をあけて互い違いに嵌合させている。このように互い違いに並ぶように配列することにより、櫛歯状電極３、４のサイズを小さく抑えながら、櫛歯状電極３、４間の対向面積を大きくすることができる。
【００１１】
また、櫛歯状電極３、４は、例えばアルミ、銅、チタン、白金、金、タングステン等の金属材料を絶縁層６の上にスパッタリング等の方法によって付着させた後、フォトリソグラフィ工程によってパターニングすることにより形成されている。尚、櫛歯状電極３、４の材料としては、上記金属材料に限られるものではなく、例えばシリコンやポリシリコン等の導電性の非金属材料を用いるように構成しても良い。
【００１２】
そして、半導体基板２の表面には、絶縁材料からなる保護膜７が上記櫛歯状電極３、４並びに信号処理回路５を覆うように設けられている。この保護膜７は、比誘電率が６以上の材料、例えば、シリコン窒化膜や、高誘電率のＨｆＯ２系材料を用いて形成されている。上記保護膜７は、例えばプラズマＣＶＤやスパッタリング等によって、半導体基板２上にほぼ同じ厚さを持つように堆積形成されている。保護膜７は、例えば液体燃料等の腐食性の強い環境においても良好な耐性を有すると共に、通常の半導体製造技術を用いて容易に形成可能な膜である。
【００１３】
上記構成の場合、半導体基板２のうちの櫛歯状電極３、４に対応する部分を、測定したい液体燃料の中に浸漬させて検出するように構成されている。このとき、櫛歯状電極３、４の櫛歯部３ｂ、４ｂの間に測定したい対象物である液体燃料の比誘電率に準じた静電容量が蓄積され、対象物の比誘電率に準じた静電容量変化を検出できる構成となっている。
【００１４】
また、半導体基板２の表面における図２中の下部（図１中の右端部）には、例えば３個のパッド８が形成されている。これら３個のパッド８及び櫛歯状電極３、４は、信号処理回路５に接続されている。信号処理回路５は、例えばＣＭＯＳトランジスタやコンデンサなどの素子で構成されている。そして、信号処理回路５は、それらの素子によって、静電容量値を電圧値に変換するＣＶ変換回路、ノイズ成分を除去するフィルタ回路、電圧値を所定の周期でサンプルホールドするサンプルホールド回路、及びサンプルホールド回路から出力された電圧値を増幅する増幅回路などで構成されている。また、信号処理回路５は、測定対象（液体燃料等）の温度を検出し、その温度に応じて混合比率と静電容量値との間の関係を補正する処理回路を備えている。信号処理回路５の出力信号は、３個のパッド８のうちの１つのパッド８を介して外部へ出力される。残り２個のパッド８のうちの１つがグランド用パッドであり、他の１つが電源用パッドである。尚、図１に示すように、信号処理回路５は、絶縁層６、配線層９、保護膜７等を有している。
【００１５】
上記した構成のインピーダンスセンサ１を用いて車両の液体燃料（例えばガソリン）に含まれるアルコールの混合比率を検出する場合、上記インピーダンスセンサ１を専用のセンサケース内に収容し、インピーダンスセンサ１の櫛歯状電極３、４部分をセンサケースから外部へ突出させておく。これにより、櫛歯状電極３、４が測定したい液体燃料の中に浸漬されて曝され、インピーダンスセンサ１の他の部分は液体燃料と接触しない構成となっている。
【００１６】
そして、櫛歯状電極３、４の櫛歯部３ｂ、４ｂの間の静電容量値（液体燃料の誘電率に準じた静電容量値）から、液体燃料に含まれるアルコールの混合比率を検出するに当たっては、予め、図３に示すような液体燃料（ガソリンとアルコール）の混合比率と静電容量値との間の関係を示すグラフ（データ）を求めて記憶しておく。このグラフに基づいて測定（検出）した静電容量値に対応する混合比率を求めることができる。但し、液体燃料（ガソリンとアルコール）の比誘電率は温度に応じて変化するので、予め各温度における混合比率と静電容量との関係をそれぞれ記憶しておき、検出した液体燃料の温度に応じて補正を加える。
【００１７】
また、静電容量だけでなく、誘電損失等を含めたインピーダンスの形で測定しても良い。複数の物理量を同時測定することで、測定精度の向上や、異物混入の判定や、誤差補正等が可能となる。
【００１８】
さて、上記構成のインピーダンスセンサ１の検出感度は、複数のパラメータ、即ち、保護膜７の厚さ、保護膜７の比誘電率、絶縁層６の厚さ、絶縁層６の比誘電率、櫛歯状電極３、４の厚さ、櫛歯状電極３、４の電極間隔、半導体基板２の比誘電率等のパラメータに影響されることがわかっている。ここで、本発明者らは、検出感度に大きな影響を与えるパラメータ（因子）の１つである保護膜７の比誘電率に着目した。この比誘電率が６以上の材料（例えばシリコン窒化膜やシリコン酸化膜等）を用いた保護膜７を形成すると、検出感度が高くなることを、本発明者らは試作やシミュレーションで確認した。この場合、保護膜７の比誘電率が６以上であると、電場の広がりを半導体基板２側ではなく、より測定対象側に集約させることができる。というのは、そもそも誘電率とは、ガウスの定理▽・E = ρ/ε（E：電界、ρ：体積電荷密度、ε：誘電体の誘電率） で説明されるように、（誘電体の分極による）電場の弱まり具合をあらわした指標である。従って、電場が弱まった結果、単位電荷当たりの電極間電圧が下がり、同じ電圧をかけた際に、より多くの電荷を電極間にためることができる。つまり、電極間の比誘電率が高くなると、静電容量が大きくなる。この結果、測定対象物の静電容量値を精度良く検出することができる。
【００１９】
例えば、静電容量値から液体燃料に含まれるアルコールの混合比率を検出する場合、検出感度の指標として、ガソリン１００％とアルコール１００％それぞれの静電容量値の差を検出感度と定義する。この場合、ガソリン１００％とアルコール１００％それぞれの静電容量値の差が大きければ、より高感度の測定をすることができる。
【００２０】
図４のグラフは、図５に示す静電容量解析モデルによって、ガソリン１００％（比誘電率が２）とアルコール１００％（比誘電率が２４）をそれぞれ測定したときの、一対の櫛歯状電極３、４間における静電容量値の差分（即ち、検出感度）の関係をグラフ化したものである。このシミュレーションにおいては、図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示すように、長さ（Ｚ方向の長さ）１ｍｍの一対の櫛歯状電極３、４（図５（ｂ）において中かっこで示す領域）だけを対象としている。尚、図５（ｃ）において、符号１０は、測定対象物（ガソリン、アルコール）を示す。そして、シミュレーションを実行するときの各パラメータは、表１に示す通りである。
【００２１】
【表１】
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この表１に示すように、保護膜７の比誘電率を、２、５、７、・・・、４０と変化させた。基板は、半導体基板２であり、その比誘電率は、１２で固定した。絶縁層６の比誘電率は、４で固定した。櫛歯状電極３、４の厚さは、０．７μｍ、絶縁層６の厚さは、０．８μｍで固定した。保護膜７の厚さは、０．１、０．２、・・・、３μｍと変化させた。櫛歯状電極３、４の電極幅（図５（ｂ）にてＤ１で示す）は、１、３、・・、９μｍと変化させた。櫛歯状電極３、４の電極間隔（図５（ｂ）にてＤ２で示す）は、１、３、・・、９μｍと変化させた。
【００２２】
また、図４において、実線Ａ１は、保護膜７の厚さが０．１μｍの場合を示す。実線Ａ２は、保護膜７の厚さが０．２μｍの場合を示す。実線Ａ３は、保護膜７の厚さが０．４μｍの場合を示す。実線Ａ４は、保護膜７の厚さが０．６μｍの場合を示す。実線Ａ５は、保護膜７の厚さが１．１μｍの場合を示す。実線Ａ６は、保護膜７の厚さが１．６μｍの場合を示す。実線Ａ７は、保護膜７の厚さが２．１μｍの場合を示す。実線Ａ８は、保護膜７の厚さが３μｍの場合を示す。
【００２３】
上記図４のグラフから、保護膜７の比誘電率を６以上とすれば、十分な検出感度を得ることができることがわかる。
また、図６に示すように、保護膜７の厚さに関係なく、保護膜７の比誘電率を６以上とすることで、保護膜７の比誘電率の製造上のばらつきが±０．５程度あったとしても、検出感度ばらつきを０．５％程度以内に抑制することができる。尚、図６は、保護膜の比誘電率が±０．５変動した場合の感度ばらつきを示すグラフである。この図６は、保護膜７の厚さが０．１μｍの場合であるが、他の膜厚でも同様の傾向を示す。
【００２４】
また、上記図４のグラフから、保護膜の比誘電率を高くすることで、高感度に測定でき、検出感度ばらつきを低減することができることがわかる。
また、保護膜７の厚さと、櫛歯状電極３、４の電極幅と、櫛歯状電極３、４の電極間隔と、検出感度との関係をシミュレーションしてグラフ化した結果を、図７に示す。このシミュレーションを実行するときの各パラメータは、表２に示す通りである。尚、シミュレーションモデルとしては、上記図５に示すモデルを用いた。
【００２５】
【表２】
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この表２に示すように、保護膜７の厚さは、０．１、０．２、・・・、１．６μｍと変化させた。櫛歯状電極３、４の電極幅は、１、１、２、・・、９μｍと変化させた。櫛歯状電極３、４の電極間隔は、１μｍと固定した。基板は、半導体基板２であり、その比誘電率は、１２で固定した。絶縁層６の比誘電率は、４で固定した。櫛歯状電極３、４の厚さは、０．７μｍで固定した。絶縁層６の厚さは、０．８μｍで固定した。
【００２６】
また、図８のグラフから、櫛歯状電極３、４の電極間隔を５μｍ以下に設定すると、十分な検出感度を得ることができることがわかる。尚、図８は、電極間隔と感度との関係を示すグラフである。この場合、図８に示すように、上記電極間隔を１μｍとすると、ガソリンとアルコールそれぞれの静電容量値の差分をより大きくとることができるので、検出感度を高めることができ、有利（効果的）である。そして、電極間隔をより狭くすると、電極間に作用する電界をより強めることができ、結果として大きな静電容量変化を検出することができる（ガウスの定理より、静電容量Ｃ＝εｒ×ε０×s/d、ここで、εｒ：測定対象の比誘電率、ε０：真空の誘電率、s：電極面積、d：電極間距離）。従って、検出感度をより高くすることができる。
【００２７】
また、保護膜の厚さが０．０５umばらついた場合の感度ばらつきを図９に示す。この図９から、保護膜７の厚さを０．６μｍ以上となるように構成することが好ましいことがわかる。このように構成すると、検出感度の絶対値は低下するが、検出感度のばらつきを±１０％以下に抑えることができる。
【００２８】
一方、図９から、保護膜７の厚さを０．６μｍよりも小さくなるように構成することが好ましいことがわかる。このように構成すると、検出感度を大幅に高くすることができ、検出信号の信号処理が容易になる。また、検出素子サイズを小さくすることができるので有利である。
【００２９】
このような構成の本実施例のインピーダンスセンサ１によれば、半導体基板２の表面に櫛歯状電極３、４を覆うように設けられた保護膜７として、比誘電率が６以上の材料を使用したので、検出感度のばらつきを小さくすることができて、検出精度を向上させることができる（図４参照）。更に、保護膜７として高誘電率の材料（例えば比誘電率が４０の材料）を使用すると、検出感度をより一層高くすることができる（図４参照）。
【００３０】
また、上記実施例においては、一対の櫛歯状電極３、４の電極間隔が１μｍ以下となるように構成したので、電極間に作用する電界を強めることができ、検出感度を高くすることができる（図８参照）。この場合、保護膜７の厚さを、０．６μｍ以上となるように構成すると、検出感度は低下するが、検出感度のばらつきを小さくすることができる（図７参照）。また、保護膜７の厚さを、０．６μｍより小さくなるように構成すると、検出感度を大幅に高くすることができ、検出信号の処理が容易になる。
【００３１】
尚、上記実施例において、保護膜７の比誘電率を設定するに際して、保護膜７を形成する材料（シリコン窒化膜やシリコン酸化膜等）に、例えばリンやボロン等の物質をイオン打ち込みによって添加することにより、保護膜７の比誘電率を高めるように構成しても良い。このように構成すると、所望の比誘電率を設定することが可能となる。この構成の場合、保護膜７を形成する材料としてシリコン窒化膜やシリコン酸化膜を用いることが可能となるので、製造コストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の一実施例を示すインピーダンスセンサの縦断面図
【図２】インピーダンスセンサの上面図
【図３】液体燃料の混合比率と静電容量との関係を示す図
【図４】保護膜の比誘電率と検出感度との関係を示す図
【図５】シミュレーション解析モデルを説明する図
【図６】保護膜の比誘電率が±０．５変動した場合の感度ばらつきを示す図
【図７】保護膜の厚さと櫛歯状電極の電極幅と電極間隔と検出感度との関係を示す図
【図８】櫛歯状電極の電極間隔と検出感度との関係を示す図
【図９】保護膜の厚さが±０．０５μｍ変化した場合の感度ばらつきを示す図
【符号の説明】
【００３３】
図面中、１はインピーダンスセンサ、２は半導体基板、３、４は櫛歯状電極、５は信号処理回路、６は絶縁層、７は保護膜、８はパッド、９は配線層、１０は測定対象物を示す。
【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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