JP2008111669A - 液体性状センサ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化することが可能であり、かつ目詰まりなどの恐れのない、アルコール混合燃料などの液体の性状を検出する液体性状センサを提供すること。
【解決手段】
半導体基板１上の同一平面に、所定の間隔を隔てて配置された一対の電極４ａ，４ｂを設け、この一対の電極４ａ，４ｂが形成された基板表面を覆うように半導体基板１上に保護膜３を形成する。このように、半導体基板１、一対の電極４ａ，４ｂ、保護膜３を積層したシンプルな構成を有するので、容易に小型化できる。さらに、液体に対して耐性を有する保護膜３の表面が液体に曝されるだけであり、従来の計測器のような流路は何ら形成されていないので、目詰まりなどの恐れも生じない。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、自動車用燃料などの液体の性状を検出する液体性状センサに関するものである。

近年、化石燃料の高騰や、環境保護などの理由から、ガソリンなどの自動車用燃料にアルコールを混合したアルコール混合燃料の使用が拡大しつつある。このようなアルコール混合燃料を用いる場合、アルコールとガソリンとの混合比率に応じて最適燃焼条件が変化する。このため、燃焼効率を向上するためには、アルコールとガソリンとの混合比率を事前に検知することが必要となる。

そのため、例えば特許文献１には、コンデンサのキャパシタンスとコンダクタンスとを測定することにより混合気のアルコール含有量を検出する検出器が開示されている。この検出器は、混合気が流通する通路が形成されたケーシングと、このケーシング内の通路を流通する混合気に曝され、かつ当該ケーシングとは熱的、電気的に絶縁された状態で配置されたセンサ素子とを備える。コンデンサは、ケーシングの壁の一部からなる第１の電極と、混合気の流れに曝されるセンサ素子からなる第２の電極から構成される。
特表平５−５０７５６１号公報

特許文献１に記載の検出器は上述したように構成されるため、体格が大きくなりがちであり、その設置場所に大きな制約を受ける。また、ケーシング内に形成された流路は複雑に折れ曲がっており、かつその流路の内壁と所定の隙間を持って、センサ素子が流路内に挿入されるため、異物による目詰まりが発生しやすいとの問題がある。

本発明は、上述した点に鑑みてなされたものであり、小型化することが可能であり、かつ目詰まりなどの恐れのない、アルコール混合燃料などの液体の性状を検出する液体性状センサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の液体性状センサは、性状によって比誘電率が変化する液体を対象として、その液体の性状を検出するためのものであって、
基板と、
基板上の同一平面に、所定の間隔を隔てて配置された第１及び第２の電極と、
第１及び第２の電極が形成された基板表面を覆うように基板上に形成され、液体に対して耐性を有する保護膜とを備え、
保護膜が液体に曝されるように配置され、その液体の比誘電率に応じた静電容量値が、第１及び第２の電極によって検出されることを特徴とする。

上述したように、請求項１に記載の液体性状センサは、基板、第１及び第２の電極、保護膜を積層したシンプルな構成を有するので、容易に小型化することが可能である。さらに、請求項１に記載の液体性状センサでは、液体に対して耐性を有する保護膜の表面が液体に曝されるだけであり、従来の計測器のような流路は何ら形成されていないので、液体性状センサにおいて目詰まりなどの恐れも生じない。

請求項２に記載したように、保護膜は、液体の比誘電率の変化範囲内に含まれる比誘電率を備えることが好ましい。保護膜と液体との比誘電率の差が大きくなるほど、第１及び第２電極間に作用する電界が、保護膜から液体方向へ広がりにくくなる。このように保護膜から液体方向への電界の広がりが抑えられた場合、液体の比誘電率による第１及び第２電極間の静電容量の変化が小さくなり、検出感度が低下する。このため、保護膜と液体との比誘電率の差を小さくするために、保護膜の比誘電率が液体の比誘電率の変化範囲内に含まれることが好ましい。

さらに、請求項３に記載したように、保護膜は、液体の比誘電率の変化範囲内において、異なる比誘電率を有する複数の保護膜を備え、当該複数の保護膜のそれぞれに対して、第１及び第２の電極が個別に設けられるように構成しても良い。このように構成することにより、液体の比誘電率が変化しても、液体の比誘電率との差の小さい保護膜を選択することができるので、選択した保護膜に対応する第１及び第２電極から、液体の比誘電率に対して検出感度が良好な静電容量値を得ることができる。

また、請求項４に記載のように、液体が、第１の液体と第２の液体との混合液であり、その液体の比誘電率が、第１の液体と第２の液体との混合比率に応じて変化するものである場合、保護膜として、第１の液体の比誘電率に近似した比誘電率を備えた第１の保護膜と、第２の液体の比誘電率に近似した比誘電率を備えた第２の保護膜とを備え、第１及び第２の保護膜に対して、第１及び第２の電極を個別に設けるようにしても良い。このように構成すれば、第１の液体が主となる場合、及び第２の液体が主となる場合に、液体の比誘電率に対応する静電容量を精度良く検出することができる。

請求項５に記載したように、保護膜は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とのいずれかによって形成されることが好ましい。これらの膜は、ガソリン、アルコール、オイルなど、本発明による液体性状センサにおいて検出対象となる液体に対して良好な耐性を有するとともに、通常の半導体製造技術を用いて容易に形成されるためである。

請求項６に記載したように、保護膜は、１０μｍ以下の膜厚に形成されることが好ましい。保護膜の膜厚が厚くなると、第１及び第２の電極間に作用する電界が、保護膜表面付近の液体まで達しにくくなり、検出感度が低下するためである。

センサの小型化を図りつつ、検出感度を向上するためには、請求項７に記載したように、第１及び第２の電極は、それぞれ、共通電極部と、当該共通電極部から一方向に延びる複数の櫛歯電極部とから構成され、第１の電極の櫛歯電極部と第２の電極の櫛歯電極部とが交互に並ぶように、第１及び第２の電極の櫛歯電極が配列されることが好ましい。このように、第１および第２の電極を櫛歯型電極として構成して、それぞれの櫛歯電極部が交互に並ぶように配置することにより、電極のサイズを小さく抑えながら、第１及び第２の電極間の対向面積を大きくできるためである。

請求項８に記載したように、基板として半導体基板が用いられ、第１及び第２の電極は、半導体基板の主面に形成された絶縁膜上に設けられ、半導体基板には、少なくとも第１及び第２電極間の静電容量値を電圧値に変換するＣ−Ｖ変換回路を含む信号処理回路が形成されることが好ましい。このように本発明による液体性状センサを、半導体式センサとして具現化し、かつ信号処理回路も一体的に構成することにより、より一層の体格の小型化を図ることができる。

請求項９に記載したように、液体が流動する場合、その液体の流動方向が、基板表面に沿う方向となるように、液体性状センサを配置することが好ましい。これにより、液体性状センサの配置によって、液体の流動を妨げることを防止できる。

本発明の液体性状センサの具体的用途としては、請求項１０に記載したように、液体として、ガソリンや経由などの自動車用燃料を適用し、当該自動車用燃料にアルコールが混合されている場合、その混合比率に応じて比誘電率が変化することを利用して、自動車用燃料の組成比率に対応する静電容量値を検出するようにしても良い。また、請求項１１に記載したように、液体として、エンジンオイルを適用し、当該エンジンオイルの劣化度合に応じて比誘電率が変化することを利用して、エンジンオイルの劣化度合に対応する静電容量値を検出するようにしても良い。

（第１実施形態）
以下、本発明の実施の形態を、図に基づいて説明する。なお、本実施形態では、ガソリンにアルコールを混合したアルコール混合ガソリンを対象として、その比誘電率を測定することにより、ガソリンとアルコールとの混合比率を検出する用途に適用した液体性状センサ１０について説明する。

図１は、本実施形態に係わる液体性状センサ１０の構造を示す断面図であり、図２は、アルコール混合ガソリンの比誘電率に対応した静電容量値を測定するための測定部５の拡大断面図である。

図１において、１は半導体基板であり、例えばシリコンから形成される。この半導体基板１は、ガソリンとアルコールとの混合液の比誘電率を測定するための測定部５と、測定部５による測定出力を信号処理するための各種の回路素子が形成された回路素子部６とを備える。

まず、測定部５の構成について説明する。図２に示すように、半導体基板１の主面には、絶縁膜としてシリコン酸化膜２が形成されている。一対の電極４ａ，４ｂが、そのシリコン酸化膜２上の同一平面において、所定の間隔を隔てて対向するように配置されている。

一対の電極４ａ，４ｂの形状は特に限定されるものではないが、本実施形態においては、それぞれの電極４ａ、４ｂが、共通電極部と、この共通電極部から一方向に延びる複数の櫛歯電極部とからなる櫛歯電極として構成される。そして、図２に示すように、一対の電極４ａ，４ｂのそれぞれの櫛歯電極部が交互に並んで配列されるように、一対の電極４ａ，４ｂが配置される。このように、一対の電極４ａ，４ｂの形状として櫛歯形状を採用することにより、電極４ａ，４ｂの配置面積を小さくしつつ、互いに対向する面積を大きくすることができる。

一対の電極４ａ，４ｂは、例えばアルミ、銅、クロム、金、白金などの金属材料を半導体基板１上にスパッタリング等の手法によって付着させ、その後、フォトリソグラフィ工程などによって櫛歯状パターンにパターニングすることによって形成される。一対の電極４ａ，４ｂの形成材料として、金属材料に限らず、ポリシリコンなどの導電性の非金属材料を用いても良い。

これら一対の電極４ａ，４ｂを含め、当該一対の電極４ａ，４ｂが形成された半導体基板１の表面を覆うように、保護膜としてシリコン窒化膜３が形成される。このシリコン窒化膜３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１上の各部において同じ厚さ（例えば１０μｍ）を持つように堆積形成される。なお、保護膜として、シリコン酸化膜を用いても良い。これらのシリコン窒化膜やシリコン酸化膜は、ガソリンやアルコールなど、本実施形態による液体性状センサ１０において検出対象となる液体に対して良好な耐性を有するとともに、通常の半導体製造技術を用いて容易に形成されるためである。

そして、液体性状センサ１０は、上述した保護膜が、比誘電率の測定対象であるアルコール混合ガソリンに曝されるように配置される。その結果、一対の電極４ａ，４ｂにより、保護膜とその保護膜の表面付近のアルコール混合ガソリンを誘電体とするコンデンサが形成される。そのため、一対の電極４ａ，４ｂにおいて、保護膜の比誘電率に加え、保護膜の表面付近のアルコール混合ガソリンの比誘電率に応じた静電容量値が測定される。

ここで、比誘電率の測定対象であるアルコール混合ガソリンは、ガソリンの比誘電率（約３〜４）からアルコールの比誘電率（約２０〜３０）までの範囲において、両者の混合比率に応じて比誘電率が変化する。従って、一対の電極４ａ，４ｂ間の静電容量値を測定することにより、ガソリンとアルコールの混合比率を検出することができる。例えば、図３に示すように、予め、ガソリンとアルコールの混合比率と静電容量（液体性状センサの出力）との関係を記憶しておき、測定した静電容量から、それに対応する混合比率を求めることができる。

ただし、ガソリンやアルコールの比誘電率は温度に応じて変化する。そのため、アルコール混合ガソリンの温度を検出し、その検出温度に基づいて、混合比率を求めるための関係を補正したり、予め各温度における、ガソリンとアルコールの混合比率と静電容量（液体性状センサの出力）との関係をそれぞれ記憶しておくとともに、検出温度に基づいて、混合比率を検出すべき関係を選択したりすることが好ましい。

なお、保護膜であるシリコン窒化膜３とアルコール混合ガソリンとの比誘電率の差が大きくなるほど、一対の電極４ａ，４ｂ間に作用する電界が、シリコン窒化膜３からアルコール混合ガソリン方向へ広がりにくくなる傾向がある。このように、シリコン窒化膜３からアルコール混合ガソリン方向への電界の広がりが抑えられた場合、アルコール混合ガソリンの比誘電率による一対の電極４ａ，４ｂ間の静電容量の変化が小さくなり、検出感度が低下する。このため、保護膜であるシリコン窒化膜３と、アルコール混合ガソリンとの比誘電率の差を小さく抑えるために、保護膜の比誘電率は、アルコール混合ガソリンの比誘電率の変化範囲内に含まれることが好ましい。本実施形態において、保護膜として用いられる、シリコン窒化膜の比誘電率は７程度、シリコン酸化膜の比誘電率は４程度であり、アルコール混合ガソリンの変化範囲に含まれているため、アルコール混合ガソリンの比誘電率を比較的精度良く検出することができる。

また、保護膜であるシリコン窒化膜３の膜厚が厚くなるほど、一対の電極４ａ，４ｂ間に作用する電界が、シリコン窒化膜３の表面付近のアルコール混合ガソリンまで達しにくくなり、検出感度が低下する。そのため、保護膜の膜厚は、１０μｍ以下であることが好ましい。

半導体基板１に形成された回路素子部６は、例えばＣＭＯＳトランジスタやコンデンサなどの素子を有する。そして、それらの素子によって、測定部５の一対の電極４ａ，４ｂによって測定された静電容量値を電圧値に変換するＣ−Ｖ変換回路、その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が構成されている。

このように、本実施形態による液体性状センサは、半導体式センサとして具現化され、かつ測定部５による測定出力を処理する信号処理回路も一体的に構成されるので、より一層の体格の小型化を図ることができる。

上述のような構成を有する液体性状センサ１０は、例えば、車両における燃料ポンプとインジェクタとの間の燃料配管中に設置される。本実施形態による液体性状センサ１０は体格の小型化が容易であるため、その設置場所について制約を受けることは少ない。

ただし、上述した燃料配管中に、液体性状センサ１０を配置する場合、燃料ポンプからインジェクタに向かって流動する燃料に対して、その流れを極力妨げないようにすることが好ましい。このため。図４（ａ）、（ｂ）に示すように、測定部５が形成された基板表面が燃料の流動方向に沿う向きで、その測定部５が配管内に突出するように、液体性状センサ１０の一部を配管内に挿入して配置したり、図５（ａ），（ｂ）に示すように、燃料配管の内壁面の一部が、測定部５が形成された基板表面となるように、液体性状センサを燃料配管に装着して配置したりする。これにより、燃料配管内のアルコール混合ガソリンは、液体性状センサ１０の基板表面に沿って流動するため、液体性状センサ１０の配置によって、アルコール混合ガソリンの流動を妨げることを防止できる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態による液体性状センサ１０について説明する。上述した第１実施形態による液体性状センサは、一種類の保護膜で、測定部５における一対の電極４ａ，４ｂを覆うものであった。しかし、上述したように、保護膜とアルコール混合ガソリンとの比誘電率の差が大きくなると、アルコール混合ガソリンの比誘電率による一対の電極４ａ，４ｂ間の静電容量の変化が小さくなる傾向がある。従って、一種類の保護膜、言い換えれば、保護膜の比誘電率が単一値であると、アルコール混合ガソリンの比誘電率がその変化範囲の全般に亘って変化する場合に、検知感度が低下する領域が生じてしまう可能性がある。

そこで、第２実施形態による液体性状センサ１０は、異なる比誘電率を有する複数の保護膜を設けるとともに、当該複数の保護膜のそれぞれに対応して、一対の電極を設けることとした、このように構成することにより、アルコール混合ガソリンの比誘電率が変化範囲の全般に亘って変化しても、その変化した比誘電率との差の小さい比誘電率を有する保護膜を選択し、その選択した保護膜に対応する一対の電極から、アルコール混合ガソリンの比誘電率に対して検出感度が良好な静電容量値を得ることができる。

図６に、比誘電率が異なる２種類の保護膜を形成した例を示す。保護膜は、第１実施形態と同様に、シリコン窒化膜やシリコン酸化膜によって形成する。この場合、例えば、第１の保護膜３ａの比誘電率は、ガソリンの比誘電率に近似した５以下に設定され、また、第２の保護膜３ｂの比誘電率は、アルコールの比誘電率に近似した２０以上に設定される。そして、第１の保護膜３ａに対応して、第１の一対の電極４ａ１，４ｂ１を設け、かつ第２の保護膜３ｂに対応して、第２の一対の電極４ａ２、４ｂ２を設ける。このようにして、半導体基板１に、第１の保護膜３ａと第１の一対の電極４ａ１，４ｂ１とからなる第１の測定部と、第２の保護膜３ｂと第２の一対の電極４ａ２，４ｂ２とからなる第２の測定部とを設ける。

ここで、保護膜３ａ、３ｂに例えばリンやボロンなどの物質をイオン打ち込みなどによって添加することにより保護膜３ａ、３ｂの比誘電率を高めることができ、また、保護膜３ａ、３ｂをＣＶＤやスパッタリングによって形成する際に、温度や真空度を調節して保護膜３ａ、３ｂの組成を疎にすることにより、保護膜３ａ、３ｂの比誘電率を低下させることができる。このようにして、所望の比誘電率を有する保護膜３ａ、３ｂを形成することができる。

上述したように構成すれば、アルコール混合ガソリンにおいて、ガソリンの混合比率が大きく（１００％を含む）、ガソリンが主となる場合、及びアルコールの混合比率が大きく（１００％を含む）、アルコールが主となる場合まで混合比率が変化しても、アルコール混合ガソリンの比誘電率に対応する静電容量を精度良く検出することができる。

すなわち、図７のグラフに示すように、ガソリンの混合比率が大きく、アルコールの混合比率が小さい場合には、アルコール混合ガソリンの比誘電率が相対的に低下するため、その領域において良好な検出感度を発揮する第１の測定部による測定出力を用いて、混合比率を検出する。逆に、ガソリンの混合比率が小さく、アルコールの混合比率が大きい場合には、アルコール混合ガソリンの比誘電率が相対的に上昇するため、その領域において良好な検出感度を発揮する第２の測定部による測定出力を用いて、混合比率を検出する。

さらに、上述した複数の保護膜３ａ，３ｂの比誘電率が、アルコール混合ガソリンの変化範囲に含まれるものであれば、第１実施形態において説明したように、極力、アルコール混合ガソリンの比誘電率との差を小さくすることができるため、より好ましい。

なお、図６には、比誘電率が異なる２種類の保護膜を形成した例を示したが、３種類以上の保護膜を形成しても良いことはもちろんである。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に何ら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することができる。

例えば、上述した各実施形態では、液体性状センサ１０が、アルコール混合ガソリンの混合比率を検出する用途に用いられる例について説明したが、その他の液体の性状を検出するために用いることも可能である。

例えば、ディーゼルエンジン用燃料であるアルコール混合軽油を対象として、上述したのと同様の手法で、アルコールと軽油との混合比率を検出することが可能である。さらに、エンジンオイルを対象として、エンジンオイルの劣化度合を検出することも可能である。エンジンオイルは、酸化により劣化するので、その劣化度合（酸化度合）に応じて比誘電率が変化するためである。

本発明の第１実施形態に係る液体性状センサの構造を示す断面図である。 液体性状センサの測定部の拡大断面図である。 アルコールの混合比率と静電容量（液体性状センサの出力）との関係を示すグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、液体性状センサの燃料配管への配置例を説明するための説明図である。 （ａ）、（ｂ）は、液体性状センサの燃料配管への他の配置例を説明するための説明図である。 本発明の第２実施形態に係る液体性状センサの測定部の拡大断面図である。 第２実施形態による液体性状センサによる、アルコールの混合比率とセンサ出力との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 半導体基板
２ 絶縁膜
３ 保護膜
４ａ，４ｂ 電極
５ 測定部
６ 回路素子部
１０ 液体性状センサ

Claims (11)

1. 性状によって比誘電率が変化する液体を対象として、その液体の性状を検出するための液体性状センサであって、
   基板と、
   前記基板上の同一平面に、所定の間隔を隔てて配置された第１及び第２の電極と、
   前記第１及び第２の電極が形成された前記基板表面を覆うように前記基板上に形成され、前記液体に対して耐性を有する保護膜とを備え、
   前記保護膜が前記液体に曝されるように配置され、その液体の比誘電率に応じた静電容量値が、前記第１及び第２の電極によって検出されることを特徴とする液体性状センサ。
2. 前記保護膜は、前記液体の比誘電率の変化範囲内に含まれる比誘電率を備えることを特徴とする請求項１に記載の液体性状センサ。
3. 前記保護膜は、前記液体の比誘電率の変化範囲内において、異なる比誘電率を有する複数の保護膜を備え、当該複数の保護膜のそれぞれに対して、前記第１及び第２の電極が個別に設けられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体性状センサ。
4. 前記液体が、第１の液体と第２の液体との混合液であり、前記液体の比誘電率が、前記第１の液体と第２の液体との混合比率に応じて変化するものである場合、前記保護膜として、前記第１の液体の比誘電率に近似した比誘電率を備えた第１の保護膜と、前記第２の液体の比誘電率に近似した比誘電率を備えた第２の保護膜とを備え、前記第１及び第２の保護膜に対して、前記第１及び第２の電極が個別に設けられることを特徴とする請求項１に記載の液体性状センサ。
5. 前記保護膜は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とのいずれかによって形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の液体性状センサ。
6. 前記保護膜は、１０μｍ以下の膜厚に形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の液体性状センサ。
7. 前記第１及び第２の電極は、それぞれ、共通電極部と、当該共通電極部から一方向に延びる複数の櫛歯電極部とから構成され、前記第１の電極の櫛歯電極部と前記第２の電極の櫛歯電極部とが交互に並ぶように、前記第１及び第２の電極の櫛歯電極が配列されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の液体性状センサ。
8. 前記基板として半導体基板が用いられ、前記第１及び第２の電極は、前記半導体基板の主面に形成された絶縁膜上に設けられ、前記半導体基板には、少なくとも前記第１及び第２電極間の静電容量値を電圧値に変換するＣ−Ｖ変換回路を含む信号処理回路が形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の液体性状センサ。
9. 前記液体が流動する場合、その液体の流動方向が、前記基板表面に沿う方向となるように配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の液体性状センサ。
10. 前記液体として、自動車用燃料を適用し、当該自動車用燃料にアルコールが混合されている場合、その混合比率に応じて比誘電率が変化することを利用して、前記自動車用燃料の組成比率に対応する静電容量値を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の液体性状センサ。
11. 前記液体として、エンジンオイルを適用し、当該エンジンオイルの劣化度合に応じて比誘電率が変化することを利用して、前記エンジンオイルの劣化度合に対応する静電容量値を検出することを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれかに記載の液体性状センサ。

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