JP2007101316A

JP2007101316A - ガスセンサ及びガス濃度検出装置

Info

Publication number: JP2007101316A
Application number: JP2005290343A
Authority: JP
Inventors: Makoto Ishii; 真石居
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2005-10-03
Filing date: 2005-10-03
Publication date: 2007-04-19

Abstract

【課題】発振部材として、高価な水晶振動子を用いることなく、精度よくガス濃度を検出する。
【解決手段】ガスセンサ１に含まれる第１梁部材１１及び第２梁部材１２は、駆動回路３から与えられた所定の駆動信号によりそれぞれ第１発振周波数及び第２発振周波数で発振する。このとき、ガス感応膜１２ａが形成されている第２梁部材１２は、ガスの分子を吸着するため、ガスの濃度に依存して発振周波数を低下させる。すなわち、第２発振周波数は、ガスの濃度に依存して低下する。これに対して、第１発振周波数は、ガスの濃度に依存することなく一定である。このような第１発振周波数及び第２発振周波数とが比較されて、濃度信号生成回路４で、ガスの濃度を示す濃度信号が生成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、ガスセンサ及びガス濃度検出装置に関し、特に、ガス濃度に応じた周波数で発振する発振部材を備えたガスセンサ及びガス濃度検出装置に関する。

図１５に示すように、ガス濃度に応じた周波数で発振する発振部材を備えたガス濃度検出装置が知られている。図１５は、従来のガス濃度検出装置を示すブロック図である。

図１５に示すように、従来のガス濃度検出装置は、直径１０．０ｍｍ程度の発振部材としての水晶振動子９１、９２、周波数変換回路９３及び増幅回路９４を備えている。２つの水晶振動子９１、９２のうちの一方の水晶振動子９２にはガス吸着膜が形成されている。

このような構成において、水晶振動子９２のガス吸着膜には、ガス濃度に応じたガスの分子が吸着する。このため、水晶振動子９２の発振周波数（共振周波数ともよばれる）は、吸着したガスの分子の重さに依存して低下する。これに対して、ガス吸着膜が成膜されていない水晶振動子９１の発振周波数は、ガス濃度に依存することなく一定となる。

水晶振動子９１及び水晶振動子９２の発振周波数はそれぞれ、周波数変換回路９３に入力されて両周波数の差周波数が求められる。この差周波数とガス濃度との関係は予め求められているので、この差周波数を有する信号は、増幅回路９４で増幅されて、ガスの濃度を示す濃度信号として次段回路に出力される。

なお、このような従来のガス濃度検出装置は、下記特許文献１において、詳細に示されている。
特開平２−２０６７４２号公報

ところが、上記従来のガス濃度検出装置は、発振部材としての水晶振動子が必要となる。水晶振動子は周知のように非常に高価であり、且つ、微少加工は非常に困難であるうえに、ガス感度を上げるために周波数を上げることも難しいため、水晶振動子を備える従来のガス濃度検出装置も非常に高価なものになる。特に、従来のガス濃度検出装置は、上述のように水晶振動子の振動を利用しているので、水晶の加工限界があった。例えば、数十メガヘルツ程度の振動が限界であった。

よって本発明は、上述した現状に鑑み、発振部材として、高価な水晶振動子を用いることなく、精度よくガス濃度を検出することが可能なガスセンサ及びガス濃度検出装置を提供することを課題としている。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載のガスセンサは、ガスセンサの土台を構成するシリコン基板と、前記シリコン基板上に形成された、駆動電極間に配置された導体である片持ち型の第１梁部材と、前記シリコン基板上に形成された、前記駆動電極間に配置され、前記ガスの分子を吸着するガス感応膜が形成された導体である片持ち型の第２梁部材と、前記第１梁部材及び前記第２梁部材をそれぞれ発振させるための駆動信号が与えられる駆動電極と、前記第１梁部材及び前記第２梁部材による発振周波数を出力する出力電極と、を有することを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、シリコン基板上に配置された第１梁部材及び第２梁部材は、駆動信号によりそれぞれ所定の周波数で発振する。このとき、ガス感応膜が形成されている第２梁部材は、ガスの分子を吸着するため、ガスの濃度に依存して発振周波数を低下させる。すなわち、第２梁部材による発振周波数は、ガスの濃度に依存して低下する。これに対して、第１梁部材による発振周波数は、ガスの濃度に依存することなく一定である。これらの発振周波数を利用してガスの濃度を検出することが可能になる。

上記課題を解決するためになされた請求項２記載のガス濃度検出装置は、ガスセンサの土台を構成するシリコン基板上において、駆動電極として配置された片持ち型の第１梁部材と、前記シリコン基板上において、前記駆動電極として配置され、前記ガスの分子を吸着するガス感応膜が形成された片持ち型の第２梁部材と、前記第１梁部材及び前記第２梁部材をそれぞれ発振させるための駆動信号を、前記駆動電極に与える駆動手段と、前記第１梁部材の発振周波数である第１発振周波数及び前記第２梁部材の発振周波数である第２発振周波数をそれぞれ検出する検出手段と、検出された前記第１発振周波数と前記第２発振周波数とを比較することにより、前記ガスの濃度を示す濃度信号を生成する濃度信号生成手段と、を有することを特徴とする。

請求項２記載の発明によれば、シリコン基板上に配置された第１梁部材及び第２梁部材は、駆動手段から与えられた駆動信号によりそれぞれ第１発振周波数及び第２発振周波数で発振する。このとき、ガス感応膜が形成されている第２梁部材は、ガスの分子を吸着するため、ガスの濃度に依存して発振周波数を低下させる。すなわち、第２発振周波数は、ガスの濃度に依存して低下する。これに対して、第１発振周波数は、ガスの濃度に依存することなく一定である。このような、第１発振周波数及び第２発振周波数とが比較されて、ガスの濃度を示す濃度信号が生成される。

上記課題を解決するためになされた請求項３記載のガス濃度検出装置は、請求項２記載のガス濃度検出装置において、前記駆動手段は、静電引力又は逆圧電効果を利用して前記第１梁部材及び前記第２梁部材をそれぞれ発振させるための所定電圧を、前記駆動信号として前記駆動電極に与える、ことを特徴とする。

請求項３記載の発明によれば、静電引力又は逆圧電効果を利用して第１梁部材及び第２梁部材をそれぞれ発振させるので、高価な水晶振動子を用いることなく、ガス濃度に応じた発振周波数を出力することが可能になる。

上記課題を解決するためになされた請求項４記載のガス濃度検出装置は、請求項２又は請求項３記載のガス濃度検出装置において、前記検出手段は、前記第１梁部材及び前記第２梁部材の表面に成膜された圧電体又は抵抗素子の歪みに応じた電気量又は抵抗値をそれぞれ測定することにより、前記第１発振周波数及び前記第２発振周波数をそれぞれ検出する、ことを特徴とする。

請求項４記載の発明によれば、両梁部材の表面に成膜された圧電体又は抵抗素子の歪みに応じた電気量又は抵抗値をそれぞれ測定することにより、第１発振周波数及び第２発振周波数をそれぞれ検出するので、容易にガス濃度に応じた発振周波数を検出することが可能になる。

上記課題を解決するためになされた請求項５記載のガス濃度検出装置は、請求項２又は請求項３記載のガス濃度検出装置において、前記検出手段は、前記第１梁部材及び前記第２梁部材の静電引力による変位に応じた共振周波数の変化をそれぞれ測定することにより、前記第１発振周波数及び前記第２発振周波数をそれぞれ検出する、ことを特徴とする。

請求項５記載の発明によれば、両梁部材の変位に応じた共振周波数の変化をそれぞれ測定することにより、第１発振周波数及び第２発振周波数をそれぞれ検出するので、容易にガス濃度に応じた発振周波数を検出することが可能になる。

請求項１記載の発明によれば、シリコン基板上に配置された第１梁部材及び第２梁部材は、駆動信号によりそれぞれ所定の周波数で発振する。このとき、ガス感応膜が形成されている第２梁部材は、ガスの分子を吸着するため、ガスの濃度に依存して発振周波数を低下させる。すなわち、第２梁部材による発振周波数は、ガスの濃度に依存して低下する。これに対して、第１梁部材による発振周波数は、ガスの濃度に依存することなく一定である。これらの発振周波数を利用してガスの濃度を検出することが可能になる。したがって、従来のように、発振部材として、高価な水晶振動子を用いることなく、ガス濃度を検出することが可能になる。

請求項２記載の発明によれば、シリコン基板上に配置された第１梁部材及び第２梁部材は、駆動手段から与えられた駆動信号によりそれぞれ第１発振周波数及び第２発振周波数で発振する。このとき、ガス感応膜が形成されている第２梁部材は、ガスの分子を吸着するため、ガスの濃度に依存して発振周波数を低下させる。すなわち、第２発振周波数は、ガスの濃度に依存して低下する。これに対して、第１発振周波数は、ガスの濃度に依存することなく一定である。このような、第１発振周波数及び第２発振周波数とが比較されて、ガスの濃度を示す濃度信号が生成される。したがって、従来のように、発振部材として、高価な水晶振動子を用いることなく、ガス濃度を検出することが可能になる。

請求項３記載の発明によれば、静電引力又は逆圧電効果を利用して第１梁部材及び第２梁部材をそれぞれ発振させる。したがって、高価な水晶振動子を用いることなく、ガス濃度に応じた発振周波数を出力することが可能になる。

請求項４記載の発明によれば、両梁部材の表面に成膜された圧電体又は抵抗素子の歪みに応じた電気量又は抵抗値をそれぞれ測定することにより、第１発振周波数及び第２発振周波数をそれぞれ検出する。したがって、容易にガス濃度に応じた発振周波数を検出することが可能になる。

請求項５記載の発明によれば、両梁部材の変位に応じた共振周波数の変化をそれぞれ測定することにより、第１発振周波数及び第２発振周波数をそれぞれ検出する。したがって、容易にガス濃度に応じた発振周波数を検出することが可能になる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。まず、図１及び図２を用いて、本発明で用いられるガスセンサについて説明する。図１は、本発明で用いられるガスセンサを示す斜視図である。図２は、図１で示したガスセンサにおいて、梁の長さ、厚さ及び共振周波数の関係を示すグラフである。

図１に示すように、ガスセンサ１は、４．３ｍｍ角の箱形状の外形を有し、その土台はシリコン基板１０で構成されている。シリコン基板１０には、絶縁膜１６を介して、発振部材としての、第１梁部材１１及び第２梁部材１２が配置されている。第１梁部材１１及び第２梁部材１２の基端部には、それぞれ駆動電極１３及び１４が形成されている。第１梁部材１１及び第２梁部材１２の先端部の下方にあたるシリコン基板１０には、図示しない絶縁膜を介して、第１梁部材１１及び第２梁部材１２に共通の他の駆動電極１５が形成されている。

詳しくは、第１梁部材１１及び第２梁部材１２は片持ち型であり共に同形状をしており、シリコン基板１０に固定される基端部と、基端部から棒状に延びる梁部と、から構成される。第１梁部材１１及び第２梁部材１２は共に、例えば、ポリシリコン等の導体で構成されるが、第２梁部材１２の梁部だけは、被検出ガスの分子を吸着する有機系高分子材料で構成されるガス感応膜１２ａが成膜されている。ガス感応膜１２ａは、被検出ガスにもよるが、例えば、アンモニアガスを検出するのであればアクリル系材料が利用可能であり、ＶＯＣガスを検出するのであればスチレン系材料が利用可能である。

このようなセンサ１の構成において、駆動電極１３及び１４、駆動電極１５の間に適当な駆動信号を与えると、上記梁部材は以下に示すような周波数ｆで発振することが知られている。
ｆ＝１／２π・｛（３５／３３）・（Ｅ／ρ）｝^1/2・ｔ／ｌ²
ここで、Ｅはシリコンのヤング率（１９０×１０⁹Ｐａ）、ρはシリコンの密度（２．３３ｋｇ・ｍ^-3）、ｌは梁の長さ、ｔは梁の厚さである。

したがって、図２に示すように、梁の長さｌ及び梁の厚さｔの設定値に応じた発振信周波数（共振周波数）で梁部材は振動する。

このような発振原理を本発明では利用する。例えば、ガス感応膜１２ａにガスの分子が吸着すると第２梁部材１２は重くなる。すなわち、第２梁部材１２の密度ρは増加する（分子吸着によって梁の厚さは変わらないものとする）。そうすると、第２梁部材１２の発振信周波数は変化する、正確には、低下することになる。一方で、ガス感応膜が成膜されていない第１梁部材１１には、ガスの分子が吸着しないのでその密度ρも変わらない。すなわち、第１梁部材１１の発振信周波数は常に一定である。そして、この第１梁部材１１の発振信周波数を基準にして、第２梁部材１２の発振信周波数の変化を測定することにより、ガス濃度を検出するようにしている。

続いて、図３及び図４を用いて、本発明の実施形態に係るガス濃度検出のし方について説明する。図３は、本発明の実施形態に係るガス濃度検出装置を示すブロック図である。図４は、図３のガス濃度検出装置によるガス濃度検出に係る処理手順を示すフローチャートである。

図３に示すように、実施形態のガス濃度検出装置は、ガスセンサ１、駆動回路２、検出回路３及び濃度信号生成回路４を含んで構成される。ガスセンサ１は、上述したように、第１梁部材１１及びガス感応膜１２ａが成膜された第２梁部材１２を含んで構成される。

駆動回路２は、第１梁部材１１及び第２梁部材１２をそれぞれ発振させるための駆動信号を、駆動電極１３及び１４、駆動電極１５に与える。駆動回路２及び駆動信号については、図５及び図６を用いて後で例示する。駆動回路２は、請求項の駆動手段に対応する。

検出回路３は、第１梁部材１１の発振周波数である第１発振周波数及び第２梁部材１２の発振周波数である第２発振周波数をそれぞれ検出する。検出回路３については、図７及び図８を用いて後で例示する。検出回路３は、請求項の検出手段に対応する。

濃度信号生成回路４は、上記検出回路３で検出された第１発振周波数と第２発振周波数とを比較することにより、ガスの濃度を示す濃度信号を生成する。このために、濃度信号生成回路４は、例えば、被検出ガスの濃度と、第１発振周波数及び第２発振周波数の差周波数と、の関係を予め求め、その関係を示すテーブルを図示しないメモリに記憶している。そして、差周波数に該当する濃度を、このテーブルを参照して求めることにより、ガスの濃度を示す濃度信号を生成するようにする。濃度信号生成回路４は、上記メモリや濃度信号を生成するためのマイクロコンピュータを含んで具現化される。

このようなハードウエア構成において、図４のステップＳ１では、駆動回路２が、第１梁部材１１及び第２梁部材１２をそれぞれ発振させるための駆動信号を、駆動電極１３及び１４、駆動電極１５に与える。次に、ステップＳ２では、検出回路３が、第１梁部材１１の発振周波数である第１発振周波数を検出し、ステップＳ３では、検出回路３が、第２梁部材１２の発振周波数である第２発振周波数を検出する。

次に、ステップＳ４では、濃度信号生成回路４が、ステップＳ２、ステップＳ３で検出された第１発振周波数と第２発振周波数とを比較し、この比較結果に基づいて、濃度信号生成回路４がステップＳ５において、ガスの濃度を示す濃度信号を生成する。例えば、比較結果は、第１発振周波数及び第２発振周波数の差周波数であり、ステップＳ５において、予めメモリに記憶されている被検出ガスの濃度と差周波数との関係を示すテーブルが参照されて、濃度信号が生成される。

続いて、図５及び図６を用いて、図３のガス濃度検出装置における駆動回路２の原理について例示する。図５は、駆動回路の原理の一例を示す図である。図６は、駆動回路の原理の他例を示す図である。

図５に示す例は、静電引力を利用して第１梁部材１１及び第２梁部材１２をそれぞれ発振させるものである。図５に示すように、２つの電極ｓの間に電圧Ｖを印加したとき、電極ｓの間には静電引力Ｆが働く。
Ｆ＝１／２・ε₀・Ｖ／ｄ・２Ｓ
ここで、ε₀は真空の誘電率、Ｖは印加電圧、ｄは電極Ｓの間の距離、Ｓは電極の面積である。

この原理を第１梁部材１１及び第２梁部材１２に応用して、これら梁部材１１及び１２を振動させる。駆動回路２は、上記静電引力を利用して第１梁部材１１及び第２梁部材１２をそれぞれ発振させるための所定電圧を、駆動信号として駆動電極１３及び１４、駆動電極１５に与えるようにする。したがって、高価な水晶振動子を用いることなく、ガス濃度に応じた発振周波数を出力することが可能になる。特に、駆動回路として静電駆動を利用することにより、製造が容易になるうえに、高速駆動が可能になる。

図６に示す例は、逆圧電効果を利用して第１梁部材１１及び第２梁部材１２をそれぞれ発振させるものである。圧電体に力を加えたときに電圧を発生する現象は圧電効果、逆に、電圧を圧電体に印加したときに圧電体に歪みが発生する現象は逆圧電効果とよばれている。ここでは、この逆圧電効果が利用される。

図６の上側に示すように、第１梁部材１１（及び第２梁部材１２）には圧電体１１１及び導電体１１２が重ねて成膜されている。圧電体１１１の変位に対して第１梁部材１１が垂直に変位するように、圧電体１１１が成膜されている。第１梁部材１１及び圧電体１１１には、スイッチＳＷを介して、電圧Ｖが印加される。

スイッチＳＷがオンされて、図６の下側に示すように、電圧Ｖが印加されると、逆圧電効果により、圧電体１１１が図中Ａで示す方向に伸縮する。そうすると、第１梁部材１１はこれと垂直方向、すなわち、図中Ｂで示す上下方向に変位する。この原理を応用して、梁部材１１及び１２を振動させる。駆動回路２は、上記逆圧電効果を利用して第１梁部材１１及び第２梁部材１２をそれぞれ発振させるための所定電圧を、駆動信号として駆動電極１３及び１４、駆動電極１５に与えるようにする。したがって、高価な水晶振動子を用いることなく、ガス濃度に応じた発振周波数を出力することが可能になる。特に、駆動回路として圧電駆動を利用することにより、入力電圧に対応した移動量が大きくなるうえに、対向電極が不要で構造の自由度が高くなる。

続いて、図７及び図８を用いて、図３のガス濃度検出装置における検出回路３の原理について例示する。図７は、検出回路の原理の一例を示す図である。図８は、検出回路の原理の他例を示す図である。

図７に示す例は、圧電効果を利用して第１梁部材１１及び第２梁部材１２の発振周波数を検出するものである。上述したように、圧電体に力を加えたときに電圧を発生する現象は圧電効果とよばれる。この圧電効果を利用して、上記駆動回路２により振動する第１梁部材１１及び第２梁部材１２の発振信周波数を検出する。

図７の上側に示すように、第１梁部材１１（及び第２梁部材１２）には検出用の圧電体１１１′及び導電体１１２′が重ねて成膜されている。第１梁部材１１の変位に対して圧電体１１１′が垂直に変位するように、圧電体１１１′が成膜されている。第１梁部材１１及び圧電体１１１′には、電圧検出器ＤＶが接続されている。

第１梁部材１１（及び第２梁部材１２）が発振しているときには、図７の下側に示すように、第１梁部材１１（及び第２梁部材１２）は図中Ｂ′で示す上下方向に微少変位を繰り返している。そうすると、圧電体１１１′は図中Ａ′で示す方向に微少伸縮を繰り返す。圧電効果によって、この微少伸縮に応じた電圧変化が圧電体１１１′で生成され、この電圧変化が電圧検出器ＤＶで検出される。この電圧変化に基づいて、発振周波数を検出することができる。すなわち、検出回路３は、第１梁部材１１（及び第２梁部材１２）の表面に成膜された圧電体の歪みに応じた電気量を測定することにより、第１発振周波数（及び第２発振周波数）を検出する。したがって、容易にガス濃度に応じた発振周波数を検出することが可能になる。特に、検出回路として圧電効果を利用することにより、微少な変位でもでも大きな出力が得られるうえに、対向電極が不要になる。

図８に示す例は、ピエゾ抵抗効果を利用して第１梁部材１１及び第２梁部材１２の発振周波数を検出するものである。ピエゾ抵抗効果とは、半導体シリコン等に歪みが加えられることにより、抵抗率が変化する現象のことである。梁部材は、半導体シリコンの一種であるポリシリコン等で形成されているため、不純物拡散等の工程において梁部材の一部をピエゾ抵抗素子化すれば、ピエゾ抵抗効果を利用して梁部材の歪み量、すなわち、発振信周波数を検出できるようになる。

図８の上側に示すように、第１梁部材１１（及び第２梁部材１２）にはピエゾ抵抗素子１１３′が形成されている。ピエゾ抵抗素子１１３′の抵抗値の変化を電流値として検出するために、ピエゾ抵抗素子１１３′には電圧Ｖが印加されると共に電流検出器ＤＡが接続されている。

第１梁部材１１（及び第２梁部材１２）が発振しているときには、図８の下側に示すように、第１梁部材１１（及び第２梁部材１２）は図中Ａ′で示す上下方向に微少変位を繰り返している。そうすると、ピエゾ抵抗効果によって、ピエゾ抵抗素子１１３′の抵抗値が微少変化する。この抵抗値が微少変化が電流検出器ＤＡで電流変化として検出される。この電流変化に基づいて、発振周波数を検出することができる。すなわち、検出回路３は、第１梁部材１１（及び第２梁部材１２）に成膜された抵抗素子の歪みに応じた電気量をそれぞれ測定することにより、第１発振周波数（及び第１発振周波数）を検出する。したがって、容易にガス濃度に応じた発振周波数を検出することが可能になる。特に、検出回路としてピエゾ抵抗効果を利用することにより、構造が単純で対向電極が不要になうえに、検出回路構成が容易になる。

なお、検出回路３として、第１梁部材１１及び第２梁部材１２の変位に応じた静電容量の変化をそれぞれ測定することにより、第１発振周波数及び第２発振周波数をそれぞれ検出するようにしてもよい。

周知のように、
Ｑ＝ＣＶ
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ
と表される。
ここで、Ｑは静電容量、Ｃはコンデンサ容量、εは誘電率、Ｓは電極面積、ｄは電極間距離である。

したがって、静電容量Ｑの変化を測定することで、電極間距離ｄの変化を検出できるので、この電極間距離ｄの変化に基づいて、第１発振周波数及び第１発振周波数を検出することができる。なお、静電容量Ｑは一般的な周知の回路で測定可能である。したがって、容易にガス濃度に応じた発振周波数を検出することが可能になる。特に、検出回路として静電容量検出を利用することにより、製造が容易になる。

続いて、上記駆動回路及び検出回路の原理を応用した、本発明のガス濃度検出装置の実施形態について、図９〜図１３を用いて説明する。図９は、本発明のガス濃度検出装置の第１実施形態を示す要部分解斜視図である。図１０は、本発明のガス濃度検出装置の第２実施形態を示す要部分解斜視図である。図１１は、本発明のガス濃度検出装置の第３実施形態を示す要部分解斜視図である。図１２は、本発明のガス濃度検出装置の第４実施形態を示す要部分解斜視図である。図１３は、本発明のガス濃度検出装置の第５実施形態を示す要部分解斜視図である。なお、図９〜図１３において、図１、図５〜図８と共通する部分には、同一の符号を付している。

図９に示す第１実施形態は、駆動回路として圧電効果を利用し、検出回路として静電容量検出を利用したものである。板状の支持部材１８の上には検出用支持部材電極１５ａが形成されている。その上には絶縁膜１６が積層され、更にこの絶縁膜１６の上には、検出用梁部材電極１３ｃが形成された梁部材１１（１２）が設けられている。梁部材１１（１２）の上には、絶縁膜１６ｂが積層され、更にこの絶縁膜１６ｂの上には、圧電体１１１を挟み込む駆動用下部電極１３ｂ及び駆動用上部電極１３ａが積層されている。駆動回路として圧電効果を利用し、検出回路として静電容量検出を利用することにより、駆動に必要なエネルギーが少なくなる。

また、図１０に示す第２実施形態は、第１実施形態と同等の構造で実現化能である。但し、駆動回路として静電引力を利用し、検出回路として圧電効果を利用したものである。すなわち、板状の支持部材１８の上には駆動用支持部材電極１５ｊが形成されている。その上には絶縁膜１６が積層され、更にこの絶縁膜１６の上には、駆動用梁部材電極１３ｆが形成された梁部材１１（１２）が設けられている。梁部材１１（１２）の上には、絶縁膜１６ｂが積層され、更にこの絶縁膜１６ｂの上には、圧電体１１１を挟み込む検出用下部電極１３ｅ及び検出用上部電極１３ｄが積層されている。駆動回路として静電引力を利用し、検出回路として圧電効果を利用することにより、大きな出力が得られる。

また、図１１に示す第３実施形態は、駆動回路及び検出回路として共に圧電効果を利用たものである。すなわち、第２梁部材１２の上には、絶縁膜１６ｂが積層され、更にこの絶縁膜１６ｂの上には、圧電体１１１を挟み込む駆動用下部電極１３ｂ及び駆動用上部電極１３ａ、並びに、検出用下部電極１３ｅ及び検出用上部電極１３ｄが積層されている。駆動回路及び検出回路として共に圧電効果を利用することにより、駆動に必要なエネルギーが少なくなる。また、対向電極が必要なくなるので、センサとしての形状の自由度が高くなる。

また、図１２に示す第４実施形態は、駆動回路として静電容量検出を利用し、検出回路としてピエゾ抵抗効果を利用したものである。すなわち、板状の支持部材１８の上には支持部材電極１５ｂが形成されている。その上には絶縁膜１６が積層され、更にこの絶縁膜１６の上には、駆動用上部電極１３ａが形成された第２梁部材１２が設けられている。第２梁部材１２の上には、絶縁膜１６ｂが積層され、更にこの絶縁膜１６ｂの上には、ピエゾ抵抗素子１１３′に接続された第１検出用電極１３ｇ及び第２検出用電極１３ｈが積層されている。駆動回路として静電引力を利用し、検出回路としてピエゾ抵抗効果を利用することにより、製造が容易になる。

そして、図１３に示す第５実施形態は、駆動回路として圧電駆動を利用し、検出回路としてピエゾ抵抗効果を利用したものである。すなわち、第２梁部材１２の上には、絶縁膜１６ｂが積層され、更にこの絶縁膜１６ｂの上には、ピエゾ抵抗素子１１３′に接続された第１検出用電極１３ｇ及び第２検出用電極１３ｈが積層されている。また、絶縁膜１６ｂの上には、圧電体１１１を挟み込む駆動用下部電極１３ｂ及び駆動用上部電極１３ａが積層されている。なお、上述の第１〜第５実施形態における駆動及び検出に関する動作原理は、図５〜図８で説明した通りである。駆動回路として圧電駆動を利用し、検出回路としてピエゾ抵抗効果を利用することにより、駆動に必要なエネルギーが少なくなる。また、対向電極が必要なくなるので、センサとしての形状の自由度が高くなる。

なお、図示しないが駆動回路及び検出回路として共に静電容量検出を利用することにより、製造が容易になる。

最後に、図１４を用いて、上記ガスセンサ１の製造方法について簡単に説明する。図１４（Ａ）〜図１４（Ｆ）は、図１に示したガスセンサの製造工程を説明するための側面図である。このガスセンサの製造には、マイクロマシニング技術が利用される。

まず、図１４（Ａ）に示すように、シリコンウエハに対して不純物拡散処理が施されて、導体化されたシリコン基板１０が製造される。次に、図１４（Ｂ）に示すように、片持ち型の第１梁部材１１（及び第２梁部材１２）を作るときの犠牲層１７となるＳｉＯ₂、及びこの犠牲層１７と土台となるシリコン基板１０との間に絶縁膜１６となるＳｉ₃Ｎ₄が成膜される。

次に、図１４（Ｃ）に示すように、犠牲層１７がパターニングされる。次に、図１４（Ｄ）に示すように、第１梁部材１１（及び第２梁部材１２）の材料となるポリシリコン１１Ａが成膜され、このポリシリコン１１Ａを導体化するために、不純物拡散処理が施される。

次に、図１４（Ｅ）に示すように、ポリシリコンが第１梁部材１１（及び第２梁部材１２）の形状にパターニングされ、更に土台となるシリコン基板１０を露出させるように絶縁膜１６もパターニングされる。そして、図１４（Ｆ）に示すように、駆動電極１３及び１４、駆動電極１５が形成されると共に犠牲層１７が除去されて、ガスセンサ１の製造が完了する。

このようなマイクロマシニング技術を利用した製造方法により、４．３ｍｍ角のセンサチップを得ることが可能になる（従来の水晶振動子は１０．０ｍｍ角）。また、水晶振動子では困難であった薄型化も可能になる。また、発振信周波数も１００ＭＨｚまで発生可能であることが確かめられている。したがって、小型で高周波対応のガスセンサの設計が可能になる。この結果、ガスセンサの高感度化を図ることが可能になる。

以上説明したように、本発明の実施形態によれば、発振部材として、高価な水晶振動子を用いることなく、ガス濃度を検出することが可能なガス濃度検出装置を提供することができる。

なお、本発明のガス濃度検出装置を液体濃度検出装置に応用することも可能である。また、実施形態で示した梁部材の共振のガスによるダンピング効果を利用して、ガス圧センサや粘度センサへの拡張も可能である。

本発明で用いられるガスセンサを示す斜視図である。図１で示したガスセンサにおいて、梁の長さ、厚さ及び共振周波数の関係を示すグラフである。本発明の実施形態に係るガス濃度検出装置を示すブロック図である。図３のガス濃度検出装置によるガス濃度検出に係る処理手順を示すフローチャートである。駆動回路の原理の一例を示す図である。駆動回路の原理の他例を示す図である。検出回路の原理の一例を示す図である。検出回路の原理の他例を示す図である。本発明のガス濃度検出装置の第１実施形態を示す要部分解斜視図である。本発明のガス濃度検出装置の第２実施形態を示す要部分解斜視図である。本発明のガス濃度検出装置の第３実施形態を示す要部分解斜視図である。本発明のガス濃度検出装置の第４実施形態を示す要部分解斜視図である。本発明のガス濃度検出装置の第５実施形態を示す要部分解斜視図である。図１４（Ａ）〜図１４（Ｆ）は、図１に示したガスセンサの製造工程を説明するための側面図である。従来のガス濃度検出装置を示すブロック図である。

符号の説明

１ガスセンサ
２駆動回路（駆動手段）
３検出回路（検出手段）
４濃度信号生成回路（濃度信号生成手段）
１１第１梁部材
１２第２梁部材
１２ａガス感応膜

Claims

ガスセンサの土台を構成するシリコン基板と、
前記シリコン基板上に形成された、駆動電極間に配置された導体である片持ち型の第１梁部材と、
前記シリコン基板上に形成された、前記駆動電極間に配置され、前記ガスの分子を吸着するガス感応膜が形成された導体である片持ち型の第２梁部材と、
前記第１梁部材及び前記第２梁部材をそれぞれ発振させるための駆動信号が与えられる駆動電極と、
前記第１梁部材及び前記第２梁部材による発振周波数を出力する出力電極と、
を有することを特徴とするガスセンサ。
ガスセンサの土台を構成するシリコン基板上において、駆動電極として配置された片持ち型の第１梁部材と、
前記シリコン基板上において、前記駆動電極として配置され、前記ガスの分子を吸着するガス感応膜が形成された片持ち型の第２梁部材と、
前記第１梁部材及び前記第２梁部材をそれぞれ発振させるための駆動信号を、前記駆動電極に与える駆動手段と、
前記第１梁部材の発振周波数である第１発振周波数及び前記第２梁部材の発振周波数である第２発振周波数をそれぞれ検出する検出手段と、
検出された前記第１発振周波数と前記第２発振周波数とを比較することにより、前記ガスの濃度を示す濃度信号を生成する濃度信号生成手段と、
を有することを特徴とするガス濃度検出装置。
請求項２記載のガス濃度検出装置において、
前記駆動手段は、
静電引力又は逆圧電効果を利用して前記第１梁部材及び前記第２梁部材をそれぞれ発振させるための所定電圧を、前記駆動信号として前記駆動電極に与える、
ことを特徴とするガス濃度検出装置。
請求項２又は請求項３記載のガス濃度検出装置において、
前記検出手段は、
前記第１梁部材及び前記第２梁部材の表面に成膜された圧電体又は抵抗素子の歪みに応じた電気量又は抵抗値をそれぞれ測定することにより、前記第１発振周波数及び前記第２発振周波数をそれぞれ検出する、
ことを特徴とするガス濃度検出装置。
請求項２又は請求項３記載のガス濃度検出装置において、
前記検出手段は、
前記第１梁部材及び前記第２梁部材の静電引力による変位に応じた共振周波数の変化をそれぞれ測定することにより、前記第１発振周波数及び前記第２発振周波数をそれぞれ検出する、
ことを特徴とするガス濃度検出装置。