JP2008111822A - Gas sensor element and gas concentration measuring device using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスセンサに関し、気体中の特定のガス成分、特に水素や水蒸気などのガスの吸収(吸蔵や吸着を含む)や放出時の熱反応に基づく温度変化を主に利用したガスセンサ素子とこれを用いたガス濃度測定装置に関するものである。 The present invention relates to a gas sensor, and a gas sensor element mainly using a temperature change based on a thermal reaction at the time of absorption (including occlusion and adsorption) or release of a specific gas component in gas, particularly hydrogen or water vapor, and the like. The present invention relates to a gas concentration measuring apparatus using the above.
従来、ガスセンサには、ヒータによりPtなどの触媒の温度を上げて、この触媒作用と組み合わせた接触燃焼式の水素ガス検知センサ(特許文献1参照)などがあった。 Conventionally, gas sensors include a catalytic combustion type hydrogen gas detection sensor (see Patent Document 1) in which the temperature of a catalyst such as Pt is raised by a heater and combined with this catalytic action.
また、半導体ガスセンサとして還元性ガス吸着による半導体表面のキャリア密度変化を利用して電気抵抗の変化を用いるものもあった。 Some semiconductor gas sensors use a change in electrical resistance by utilizing a change in carrier density on the semiconductor surface due to reducing gas adsorption.
また、水素、酸素などの特定ガスの吸収や透過を利用してガスの選択性を高めたセンサもあった。例えば、水素吸蔵合金を利用して水素を検出する装置として、基板の一方の面に水素吸蔵合金を固着し、他方の面に歪ゲージを取り付けて、水素を吸収するときに水素吸蔵合金が体積膨張して、そのとき生じる基板の歪みを歪ゲージで検出し、検出した歪の大きさに基づいて水素吸収量を検知する水素検出装置(特許文献2参照)が知られている。 In addition, there has been a sensor that enhances gas selectivity by utilizing absorption and permeation of specific gases such as hydrogen and oxygen. For example, as a device for detecting hydrogen using a hydrogen storage alloy, a hydrogen storage alloy is fixed to one surface of a substrate and a strain gauge is attached to the other surface. A hydrogen detector (see Patent Document 2) that expands, detects strain of a substrate generated at that time with a strain gauge, and detects a hydrogen absorption amount based on the detected magnitude of the strain is known.
水素の選択性が高い水素吸蔵合金を利用し、水素吸蔵合金を一定温度に保持しながら水素を吸収した際の状態変化(重量変化)を検出して、気体中に含まれる水素ガスの濃度を検出するための水素検出装置(特許文献3参照)も提案されている。 Using a hydrogen storage alloy with high hydrogen selectivity, it detects the state change (weight change) when absorbing hydrogen while maintaining the hydrogen storage alloy at a constant temperature, and determines the concentration of hydrogen gas contained in the gas. A hydrogen detector for detection (see Patent Document 3) has also been proposed.
従来、温度センサとして、絶対温度を測定できる温度センサと温度差のみ測定できる温度センサとがある。絶対温度を測定できる温度センサとして、サーミスタや、本出願人が発明したトランジスタをサーミスタとして使用するトランジスタサーミスタ(特許文献4、特許第3366590号)及びダイオードをサーミスタとして使用するダイオードサーミスタ(特許文献5、特許第3583704号)があり、さらに、温度がダイオードの順電圧やトランジスタのエミッターベース間電圧と直線関係にあるIC温度センサなどがある。また、温度差のみ測定できる温度センサとして、熱電対やこれを直列接続し出力電圧を増大化させたサーモパイルがあり、さらに、本出願人が発明した電流検出型熱電対(特許文献6参照)がある。
Conventionally, as a temperature sensor, there are a temperature sensor capable of measuring an absolute temperature and a temperature sensor capable of measuring only a temperature difference. As a temperature sensor capable of measuring absolute temperature, a thermistor, a transistor thermistor using a transistor invented by the present applicant as a thermistor (Patent Document 4, Japanese Patent No. 3366590), and a diode thermistor using a diode as a thermistor (
電流検出型熱電対とは、一対の熱電対でも、それを構成する導体の内部抵抗を小さくして、OPアンプのイマージナリショートを利用するなどして短絡電流を測定するように構成すれば、開放電圧で温度差を検出するサーモパイルに勝るようにすることができるという温度差を検出できる温度センサである。 The current detection type thermocouple is a pair of thermocouples, and if the internal resistance of the conductor constituting the thermocouple is reduced and the short-circuit current is measured by using the short circuit of the OP amplifier, etc., This is a temperature sensor that can detect a temperature difference that is superior to a thermopile that detects a temperature difference with an open-circuit voltage.
また、本出願人が先に、熱伝導型センサを出願して、宙に浮いた薄膜にマイクロヒータと温度センサを2個形成し、そのうちの少なくとも1個は、薄膜の先端に設けたカンチレバに形成すると高感度に真空などを検出できること、さらに、上述の電流検出型熱電対をこの温度センサとして用いると特に高精度で高感度となることを示した(特願20006−224180)。
特許文献1に示される接触燃焼式の水素ガス検知センサでは、ヒータで加熱し、Ptなどを触媒として比較的低温で燃焼できるようにして、そのときの反応熱を利用するものであり、可燃性ガスであれば、そのガスと反応してしまうと言う、ガスの選択性が乏しく、また、低温と言っても100℃以上の温度を必要とすると共に、燃焼という作用を利用するので、大気中の酸素の存在が欠かすことができなかった。
The hydrogen gas detection sensor of the contact combustion type shown in
また、従来、半導体表面のガス吸着を利用する半導体ガスセンサもあるが、還元性ガスであれば何でも反応してしまうという問題があった。 Conventionally, there is a semiconductor gas sensor that utilizes gas adsorption on the semiconductor surface, but there is a problem that anything reacts if it is a reducing gas.
特許文献2に示される水素吸蔵合金を用い、水素を吸収するときの歪の大きさから水素濃度を検出するセンサにおいては、高濃度の水素を検出するには適しているが、低濃度から高濃度までの幅広い範囲のガス濃度を検出することには不向きであると共に、物理的変形を利用するので疲労の問題もあった。 A sensor that uses the hydrogen storage alloy shown in Patent Document 2 and detects the hydrogen concentration from the magnitude of strain when absorbing hydrogen is suitable for detecting a high concentration of hydrogen. In addition to being unsuitable for detecting gas concentrations in a wide range up to the concentration, there is also a problem of fatigue because physical deformation is used.
また、特許文献3に示されるセンサにおいては、水素を吸収した際の状態変化(重量変化)を検出する検出手段である水晶振動子や、検出素子をほぼ同一温度に制御する温度制御手段であるペルチェ素子を組み込む必要があり、ペルチェ素子の高電力消費の問題及びどうしてもセンサ自体が大型化してしまうという問題があった。 In addition, the sensor disclosed in Patent Document 3 is a temperature control unit that controls a crystal resonator, which is a detection unit that detects a change in state (weight change) when hydrogen is absorbed, and a detection element at substantially the same temperature. There is a need to incorporate a Peltier element, and there is a problem of high power consumption of the Peltier element and a problem that the sensor itself is inevitably enlarged.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、気体中の特定のガス成分、特に水素、酸素、水蒸気、炭酸ガスなどのガスの吸収(吸蔵や吸着を含む)や放出時の熱反応に基づく温度変化を主に利用した小型で、低温度動作し、酸素などの存在を必要とせず、大量生産性があり、したがって、安価であり、ガスの選択性が高く、高感度のガスセンサ素子とこれを用いたガス濃度測定装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and is suitable for absorption (including occlusion and adsorption) and release of specific gas components in gas, particularly hydrogen, oxygen, water vapor, carbon dioxide gas, and other thermal reactions. A small, low temperature operation that does not require the presence of oxygen and the like, is mass-productive, is inexpensive, has high gas selectivity, and has a high sensitivity. It aims at providing the gas concentration measuring apparatus using this.
上記の目的を達成するために、本発明の請求項1に係わるガスセンサ素子は、基板から熱分離した薄膜10に、1個または複数個の温度センサ20と被検出ガスを吸収(吸蔵や吸着を含む)するガス吸収物質5とを備え、この被検出ガスの吸収や放出時の吸熱や発熱に伴う温度変化を前記温度センサ20により計測できるように配置形成したことを特徴とするものである。
In order to achieve the above object, a gas sensor element according to
被検出ガスとして、水素の例にとると、パラジウム(Pd)や白金(Pt)、更には、水素吸蔵合金と呼ばれる金属は、水素を吸収(吸蔵や吸着を含む)するときの反応は、一般に発熱反応であり、例えば、LaNi5の水素吸蔵合金の反応熱は、水素1モル当り、約7kcalであり、水素1g当り、約0.048kcalという大きな値である。また、逆に金属水素化合物を加熱(吸熱反応)して温度を上昇させると、水素を放出して元の水素吸蔵合金に戻る。このように水素吸蔵合金は、可逆的に水素を吸収したり放出したりして、これに伴い多量の熱の出入りがあることが知られている。このように、一般に、ガス吸収物質5が被検出ガスを吸収(吸着や吸蔵を含む)するときには発熱反応なので、ガス吸収物質5は温度上昇を生じる。また、逆に、ガス吸収物質5が吸収されていた被検出ガスを放出するときには吸熱反応なので、ガス吸収物質5の温度は降下することになる。これらの温度変化を温度センサ20で検出して、被検出ガスの濃度を計測しようとするものである。ただし、ガス吸収物質5を加熱して吸収されていた被検出ガスを放出させようとしたときに、ガス吸収物質5の触媒作用で、接触燃焼型のように低温で酸素の存在の下で発熱反応が生じることがある。実際には、これも含む温度変化を計測することになる。
Taking hydrogen as an example of the gas to be detected, palladium (Pd), platinum (Pt), and metals called hydrogen storage alloys generally react when absorbing hydrogen (including storage and adsorption). For example, the reaction heat of a hydrogen storage alloy of LaNi 5 is about 7 kcal per mole of hydrogen and a large value of about 0.048 kcal per gram of hydrogen. Conversely, when the metal hydride is heated (endothermic reaction) to raise the temperature, hydrogen is released and the original hydrogen storage alloy is restored. Thus, it is known that a hydrogen storage alloy reversibly absorbs and releases hydrogen, and a large amount of heat enters and exits accordingly. As described above, generally, when the
本発明のガスセンサ素子は、基板から熱分離した薄膜(宙に浮いた薄膜)に形成した水素吸蔵合金などのガス吸収物質5での被検出ガスの吸収や放出時の発熱や吸熱に伴う微小な温度変化を、宙に浮いた薄膜に形成した高感度の温度センサで検出するものである。
The gas sensor element of the present invention has a minute amount due to heat generation and heat absorption during absorption and release of a gas to be detected by a
水素吸蔵合金などのガス吸収物質5を薄膜状に形成すると、被検出ガスに触れる表面積が大きくなること、吸脱過程が速くなること、熱容量が小さく高速応答性があることなどから好都合である。なお、更に多孔質化した薄膜にすると一層被検出ガスとの接触表面積が増大するので、被検出ガスの吸収量が増大し、それだけ高感度になる。
Forming the gas-absorbing
なお、宙に浮いた薄膜に形成した高感度の温度センサで被検出ガスの吸脱に基づくガス吸収物質5の温度を検出する場合、気流があると、この気流による温度変化が極めて大きいので、ガス吸収物質5が形成されたセンシング部分に適当なキャップ、例えば、多孔質のキャップを設けて、この気流を阻止する必要がある。しかし、水素ガスなどの被検出ガスは、この多孔質層を通しての拡散などにより、ガス吸収物質5に到達するようにする必要がある。多孔質キャップを被せると、防爆型の水素センサとしても機能するので好適である。
In addition, when detecting the temperature of the
上述の温度センサ20として、IC化可能で、薄膜化できるpn接合ダイオードやトランジスタを用いることができる。これらはサーミスタのように取り扱うことができるので、それぞれダイオードサーミスタやトランジスタサーミスタと呼ばれ、絶対温度を計測できると共に、薄膜の温度を極めて高感度に計測することができるし、小型で、大量生産性があるので、安価となる。 As the above-described temperature sensor 20, a pn junction diode or a transistor that can be formed into an IC and can be made into a thin film can be used. Since these can be handled like a thermistor, they are called diode thermistors and transistor thermistors, respectively, which can measure absolute temperature, and can measure the temperature of thin films with extremely high sensitivity, and are small and mass-productive. There is so cheap.
本発明の請求項2に係わるガスセンサ素子は、1個または複数の温度センサ20のうちの少なくとも1つを、ガス吸収物質5を設けたカンチレバ状の薄膜10の突起部に形成した場合である。
The gas sensor element according to claim 2 of the present invention is a case where at least one of one or a plurality of temperature sensors 20 is formed on the protrusion of the cantilever-like
宙に浮いた薄膜10自体を基板からカンチレバ状に形成して、そこにガス吸収物質5を設けても良いし、宙に浮いた薄膜10を分割して、薄膜10を支えるための基板と結ぶビーム(梁)部からカンチレバ状に突出させて、そこにガス吸収物質5を設けても良い。ガス吸収物質5で発生した熱が基板やビーム(梁)部に逃げ難いように、ガス吸収物質5を形成しているカンチレバは、基板やビーム(梁)部に対してスリットなどを設けることで熱抵抗を有するように形成した方がよい。カンチレバ状に形成された薄膜にガス吸収物質5を形成するので、ガス吸収物質5で発生した熱は基板やビーム(梁)部に逃げ難くなる。このために、カンチレバ状に形成された薄膜部は、微少の発生熱量でも温度上昇が大きくなる。したがって、温度センサもガス吸収物質5が形成されているカンチレバ状の薄膜10の突起部に設けることにより高感度で高精度のガスセンサとなる。
The
温度センサを形成しているカンチレバ状の突起部を2個設けておき、一方のカンチレバ状の突起部は、検出部として被検出ガスに晒すようにガス吸収物質5を設け、他方のカンチレバ状の突起部は、参照部として検出部との比較用に用いて、そこには、ガス吸収物質5を設けるか、設けなくとも検出部のカンチレバ状の薄膜10の突起部における質量とほぼ等しくするように、被検出ガスに反応しない膜を形成しておく。ただし、参照部にもガス吸収物質5を設けた場合には、被検出ガスに晒されないように遮蔽しておく必要がある。このように構成すると、温度センサが絶対温度センサであっても、水素ガスなどの被検出ガスに晒された検出部のPdなどのガス吸収物質5の膜が、被検出ガスを吸蔵して発熱反応を起こすので、その温度変化を参照部の温度と比較して、校正曲線を利用して気体中における被検出ガスの含有量を計測することができる。なお、被検出ガスとガス吸収物質5との反応は、その最適環境温度が存在するので、ヒータなどで所定の適当な温度に設定しておくと良い。もちろん、設定温度も異なる複数の温度に一時的に設定し、それらの温度におけるガス吸収物質5と被検出ガスとの熱的反応に基づく温度変化のデータの比較を利用することもできる。
Two cantilever-like protrusions forming a temperature sensor are provided, and one cantilever-like protrusion is provided with a
本発明の請求項3に係わるガスセンサ素子は、温度センサ20のうちの少なくとも1つを、温度差検出センサとした場合である。ガス吸収物質5を設けた薄膜10に設ける温度センサ20は、所定の最適環境温度から被検出ガスとガス吸収物質5との反応に基づく温度変化のみを検出できるように構成した方が良い。なぜなら、所定の最適環境温度を検出する温度センサと、被検出ガスとガス吸収物質5との反応に基づく温度変化を検出する温度センサの2個が必要であり、両方の温度センサが絶対温度センサであった場合には、独立に存在する絶対温度センサの経時変化や校正時の温度からずれた温度での計測のときの温度精度の悪さの問題が表面化する。また、極めて僅かの温度変化を検出しようとしても、誤差範囲に入ってしまうと言う問題に直面することになる。
The gas sensor element according to claim 3 of the present invention is a case where at least one of the temperature sensors 20 is a temperature difference detection sensor. The temperature sensor 20 provided on the
このような場合に、被検出ガスとガス吸収物質5との反応に基づく温度変化のみを検出できる熱電対やサーモパイルなどの温度差検出センサを用いて、例えば、この温接点をガス吸収物質5の箇所に設置し、冷接点を温度基準の箇所に設置するようにすることにより、ガス吸収物質5への被検出ガスの反応に基づく温度変化を高感度に検出することができる。すなわち、ガス吸収物質5での被検出ガスの吸収もしくは放出時の発熱もしくは吸熱に伴う温度変化が現れないときには、本質的に出力電圧がゼロになるので、ゼロを基準(ゼロ基準法)として正確な温度検出、すなわち、被検出ガスの存在の検出が高感度かつ高精度に達成できる。
In such a case, using a temperature difference detection sensor such as a thermocouple or a thermopile that can detect only a temperature change based on the reaction between the gas to be detected and the
本発明の請求項4に係わるガスセンサ素子は、温度センサ20である温度差検出センサを電流検出型熱電対とした場合である。電流検出型熱電対は、従来の熱電対やサーモパイルの被検出温度差に基づく開放起電力を計測するのではなく、一対の熱電対の被検出温度差に基づく短絡電流を検出するセンサであり、高感度に温度差のみを検出できるセンサある。ガス吸収物質5を設けたカンチレバ状の薄膜10の部分に、この熱電対の温接点を形成し、基板または基準温度とする薄膜部分のヒータの近くなどの特定箇所に冷接点を形成するようにすると、基準温度を上述のゼロ基準法とした正確な温度検出、すなわち、被検出ガスの存在の検出が高感度かつ高精度で達成できる。
The gas sensor element according to claim 4 of the present invention is a case where the temperature difference detection sensor which is the temperature sensor 20 is a current detection type thermocouple. A current detection type thermocouple is a sensor that detects a short-circuit current based on a detected temperature difference between a pair of thermocouples, instead of measuring an open electromotive force based on a detected temperature difference between a conventional thermocouple and a thermopile, There is a sensor that can detect only the temperature difference with high sensitivity. A hot junction of this thermocouple is formed on the portion of the cantilever-like
本発明の請求項5に係わるガスセンサ素子は、薄膜10にヒータを設けるか、または、薄膜10に近接してヒータを設けるかして、薄膜10を加熱できるようにした場合である。水素吸蔵合金などのガス吸収物質5は、低温においてガスを吸収し、高温にすると吸収していたガスを放出する。室温または特定の温度、例えば30℃から所定の高温、例えば、100℃に温度を上昇させて、吸収していたガスを放出させて、初期値に戻すようにすることができる。そして、再び、室温または特定の温度に冷却される過程で被検出ガスを吸収するようにさせることができる。このようにするためには、ヒータが必要で、ヒータの熱容量と熱コンダクタンスを小さくさせて、消費電力を小さくさせると共に高速応答性を高めるには、ヒータを薄膜10に形成するか、または、近接してヒータを設け、このヒータも基板から熱分離してある薄膜ヒータが好都合である。また、可燃性の水素を検出するので、多孔質金属膜などで覆うなどの、所謂、防爆型の構造にする方が良い。
The gas sensor element according to
本発明の請求項6に係わるガスセンサ素子は、薄膜10を2個以上の薄膜に分割してあること、その分割された薄膜のうち、一方の薄膜には温度センサ20aを備え、他方の薄膜には、温度センサ20bとガス吸収物質5とを備えてあること、前記一方の温度センサ20aは、ヒータの温度を計測してヒータの温度制御に供することができるようにしてあること、前記他方の温度センサ20bを用いて、被検出ガスの吸熱や発熱に伴う温度変化を検出できるようにしたこと、を有するように構成した場合である。
In the gas sensor element according to claim 6 of the present invention, the
ヒータの温度を計測する温度センサは、ヒータの絶対温度を知るようにした方がよく、例えば、上述のダイオードサーミスタなどを使用すると良い。これに対して、もう一つの温度センサ20bは、被検出ガスのガス吸収物質5での吸熱や発熱に伴う温度変化を検出するので、ヒータが形成されている薄膜の領域から熱抵抗を有するように薄膜10を分割形成した薄膜にガス吸収物質5と共に形成し、温度差だけが検出できる温度センサ、例えば、電流検出型熱電対が好適である。
The temperature sensor that measures the temperature of the heater should be made to know the absolute temperature of the heater. For example, the above-described diode thermistor may be used. On the other hand, the other temperature sensor 20b detects a temperature change accompanying heat absorption or heat generation in the
本発明の請求項7に係わるガスセンサ素子は、請求項6記載のガスセンサ素子、もしくは請求項6記載のガスセンサ素子のガス吸収物質5の代わりに被検出ガスと熱反応を生じる物質である熱反応物質を設けたガスセンサ素子において、薄膜10を同等の形状に分割形成した2個の薄膜としてあること、前記2個の薄膜の一方の薄膜には、参照部としてバランス膜と温度センサ20aとを備えてあり、他方の薄膜には、検出部としてガス吸収物質5と温度センサ20bとを備えてあること、前記温度センサ20aと温度センサ20bの差動動作により、被検出ガスの吸熱、発熱もしくは被検出ガスとの熱反応に伴う温度変化を検出できるようにしたこと、を特徴とする場合である。
A gas sensor element according to a seventh aspect of the present invention is a gas sensor element according to the sixth aspect, or a thermal reaction substance that is a substance that causes a thermal reaction with a gas to be detected instead of the
水素ガスなどのガスセンサとしての発熱や吸熱による温度変化分は、ガス濃度が少ないときには極めて小さいので、熱反応以外は同等な温度特性を有する温度センサ同士、すなわち、熱反応する検出部の温度センサ(この場合は、温度センサ20b)と熱反応しない参照部の温度センサ(この場合は、温度センサ20a)との出力の差動増幅させることにより、高精度で、高感度のガスセンサ素子が提供される。特に、ヒータにより温度上昇または降下させるときには検出部と参照部とに、熱反応以外には温度差が無視できるように配慮するべきである。また、温度差を見るので、高感度の温度差センサを用いると良い。なお、温度差センサを用いるときには基準となる絶対温度センサを搭載しておく必要がある。 Since the temperature change due to heat generation and heat absorption as a gas sensor such as hydrogen gas is extremely small when the gas concentration is low, temperature sensors having equivalent temperature characteristics other than the thermal reaction, that is, the temperature sensor of the detection part that reacts thermally ( In this case, by differentially amplifying the output of the temperature sensor 20b) and the reference temperature sensor (in this case, the temperature sensor 20a) that does not thermally react, a highly accurate and highly sensitive gas sensor element is provided. . In particular, when the temperature is raised or lowered by the heater, consideration should be given so that a temperature difference other than a thermal reaction can be ignored between the detection unit and the reference unit. Moreover, since a temperature difference is seen, it is good to use a highly sensitive temperature difference sensor. In addition, when using a temperature difference sensor, it is necessary to mount the absolute temperature sensor used as a reference | standard.
本発明の請求項8に係わるガス濃度測定装置は、上述のガスセンサ素子を用いて、被検出ガスに対するガス吸収物質5での吸収や放出時の発熱や吸熱反応、もしくは熱反応物質との熱反応に伴う温度変化を計測し、この温度変化のデータを利用して気体中の被検出ガスの濃度を計測できるようにしたことを特徴とするものである。
The gas concentration measuring apparatus according to
ガス吸収物質5での吸収もしくは放出時の発熱もしくは吸熱、熱反応物質との熱反応に伴う温度変化は、気体中の被検出ガスの濃度が大きければ大きいほど大きくなる。したがって、上記の温度変化と被検出ガスの濃度の関係に対する校正曲線を作成しておき、これを用いて被検出ガスの濃度を計測するものである。
The temperature change associated with heat generation or heat absorption during absorption or release by the
本発明の請求項9に係わるガス濃度測定装置は、加熱時に薄膜10が設定温度になるように、所定のサイクルで薄膜10をヒータで加熱し、そのときの被検出ガスの吸脱過程や熱反応に基づく温度変化を利用した場合である。
The gas concentration measuring apparatus according to
ヒータとして、請求項5や請求項6に記述したようにガス吸収物質5と温度センサが形成されている薄膜10に形成しても良いし、外部に設けて、温度センサが形成されている薄膜10を加熱しても良い。また、ヒータ加熱も、所定の定常温度に薄膜10を加熱して置き、この温度を基準にして、更に所定の温度まで、周期的に所定のサイクルで薄膜10をヒータで加熱しても良い。いずれにしても、ガスセンサ素子に形成されたガス吸収物質5が、ある所定の温度から更に所定の電力などで加熱、冷却されるようにする場合であり、そのときの被検出ガスのガス吸収物質5での吸脱過程に基づく温度変化、特に、温度上昇分、温度の時間的変化やこれに伴う熱時定数の等価的な変化などを計測して、被検出ガスの濃度を検出するものである。被検出ガスの濃度が大きいと同一のヒータ加熱であっても、ガス吸収物質5の反応熱が大きくなり、ガス吸収物質5が形成されている薄膜10の温度上昇が大きくなるし、また、ガス吸収物質5の内部にまで被検出ガスが入り込むとなかなか、ヒータ加熱でも被検出ガスの脱離(放出)が困難になり、等価的な熱時定数が大きくなる傾向に見えることになる。
The heater may be formed on the
このように、本発明は、薄膜10をヒータで加熱または追加の加熱をすることにより、被検出ガスに対するガス吸収物質5を利用する場合は、ガス吸収物質5からの被検出ガスの脱離を促進して、初期状態に戻させるような作用を期待するものである。また、周囲温度はその環境により測定ごとに異なるので、被検出ガスの吸蔵は低い温度が良いが、初期状態または初期条件を一定にするために、敢えて、通常測定する場所の周囲温度よりも少し高めの所定の温度(例えば、30℃)に薄膜(10)をヒータで加熱しておいた方が良い。
As described above, in the present invention, when the
本発明のガスセンサ素子では、基板から熱分離した薄膜10に、温度センサ20と水素などの被検出ガスを吸収するパラジウムPdや水素吸蔵合金などのガス吸収物質5とを備えてあるので、被検出ガスの吸収や放出時における微量の吸熱や発熱でも、温度変化が大きくなると共に、高感度で高精度の温度センサでその温度変化を計測できるように配置形成しているので、高感度で高精度のガスセンサ素子が提供できると言う利点がある。
In the gas sensor element of the present invention, the
本発明のガスセンサ素子では、ガス吸収物質5と温度センサとをカンチレバ状の薄膜10の突起部に形成すると、最も温度変化の激しい箇所に温度センサを形成することになる。したがって、高感度のガスセンサ素子が提供できるという利点がある。特に、温度センサをサーモパイルや熱電対などの温度差のみ検出できるセンサを用いると、ガス吸収物質5を形成していない参照用の温度センサを有する突起部を必ずしも必要とせずに、ガス吸収物質5と温度センサとを形成した突起部だけで、被検出ガスの存在していないときの温度を基準として、そこからの被検出ガスが存在しているときの温度変化のみを検出できると言う利点がある。温度差検出センサとして電流検出型熱電対を用いると更に高感度のガスセンサ素子が提供できる。
In the gas sensor element of the present invention, when the
本発明のガスセンサ素子では、薄膜10に、または、これに近接してヒータを備えているので、簡便なガスセンサ素子が提供できるという利点がある。
The gas sensor element of the present invention has an advantage that a simple gas sensor element can be provided because the heater is provided in the
本発明のガスセンサ素子では、薄膜10が、二分割してあり、一方の薄膜には、ヒータと温度センサ20aとを備え、熱抵抗を有する他方の薄膜には、温度センサ20bとガス吸収物質5を備えてあるので、搭載したヒータ25で薄膜10を加熱して、所定の温度に薄膜10を制御しながらガス吸収物質5における被検出ガスの吸熱、発熱に伴う温度変化、または被検出ガスと熱反応物質との昇温時の熱反応に伴う温度変化を容易に検出できると言う利点がある。
In the gas sensor element of the present invention, the
本発明のガスセンサ素子では、薄膜10を同等の形状に分割形成した2個の薄膜としてあり、2個の薄膜の一方の薄膜には、参照部としてバランス膜と温度センサ20aとを備えてあり、他方の薄膜には、検出部としてガス吸収物質5と温度センサ20bとを備えてある。この場合は、温度センサ20aと温度センサ20bの差動動作により、被検出ガスの吸熱、発熱または被検出ガスとの熱反応に伴う温度変化を検出できるので、高感度のガスセンサ素子が提供できる。
In the gas sensor element of the present invention, the
本発明のガス濃度測定装置では、被検出ガスのガス吸収物質5での吸収や放出時の発熱や吸熱に伴う温度変化を利用した場合は、この温度変化のデータを利用して気体中の被検出ガスの濃度を、接触燃焼型ガスセンサのような酸素などの特定のガスの存在を必要とせずに、計測できるようにしている。また、ガス吸収物質5による被検出ガスの選択性があり、さらに高感度の温度センサとの組み合わせが可能であるので、小型のガス濃度測定装置が提供できる。
In the gas concentration measuring apparatus according to the present invention, when the temperature change caused by the absorption or release of the gas to be detected in the
本発明のガス濃度測定装置では、加熱時に薄膜10が設定温度になるように、所定のサイクルで薄膜10をヒータで加熱し、そのときの被検出ガスの吸脱過程や熱反応に基づく温度変化を利用しているので、一度、被検出ガスを吸収して発熱反応が終了した場合でもヒータ加熱で温度上昇させて、被検出ガスの脱離を促進して、放出させて、更に冷却することにより初期状態に戻すことができると言う利点がある。
In the gas concentration measuring apparatus of the present invention, the
以下、本発明のガスセンサ素子は、成熟した半導体集積化技術とMEMS技術を用いて、ICも形成できるシリコン(Si)基板で形成できる。このシリコン(Si)基板を用いて製作した場合について、図面を参照しながら実施例に基づき詳細に説明する。また、本発明のガスセンサ素子を用いたガス濃度測定装置は、そのブロック図を用いて説明する。 Hereinafter, the gas sensor element of the present invention can be formed on a silicon (Si) substrate that can also form an IC using mature semiconductor integration technology and MEMS technology. A case of manufacturing using this silicon (Si) substrate will be described in detail based on an embodiment with reference to the drawings. The gas concentration measuring apparatus using the gas sensor element of the present invention will be described with reference to the block diagram.
図1は、本発明のガスセンサ素子の一実施例を示す平面概略図である。ここでは、基板1としてSOI基板を用いて実施した場合であり、基板1からの熱分離のために宙に浮いた構造にしてある薄膜10は、一方の薄膜としての薄膜10Aと他方の薄膜としての薄膜10Bとに二分割した場合であり、薄膜10Bが薄膜10Aから熱抵抗部45を介してカンチレバ状に飛び出した突起部の構造になっている。熱抵抗部45は、薄膜10Aと薄膜10Bとの間に設けたスリット41により熱伝導がし難い構造にして、熱抵抗を持たせている。このカンチレバ状の突起部となっている薄膜10Bにガス吸収物質5としての水素検出用としてパラジウム(Pd)の薄膜を形成している場合である。
FIG. 1 is a schematic plan view showing an embodiment of the gas sensor element of the present invention. Here, this is a case where an SOI substrate is used as the
また、ここでは、薄膜10Aに形成した温度センサ20aとしての20Aと突起部である薄膜10Bに形成した温度センサ20bとしての温度センサ20Bとも、上述のダイオードサーミスタとした場合であり、更に、ヒータ25もpn接合ダイオードの順方向電流により薄膜10を加熱するようにした場合である。ここで、ダイオードサーミスタとは、pn接合ダイオードに所定の順方向バイアス(例えば、0.55V)を印加して固定したときの順方向電流の温度依存性を観測するもので、サーミスタと同様に、絶対温度の逆数と順方向電流の対数とが直線関係であり、高感度で絶対温度Tが計測できる温度センサである。なお、このダイオードサーミスタは、順方向バイアス電圧の大きさにより、その温度係数が調整できるという特徴がある。もちろん、ヒータ25として不純物拡散による半導体拡散抵抗ヒータや金属薄膜ヒータを用いても良い。
Here, 20A as the temperature sensor 20a formed on the
ガスセンサ素子として、大気中の被検出ガスである水素ガスを検出する場合について、述べると次のようである。薄膜10Aに形成してあるpn接合ダイオードの順方向電流でのジュール加熱を利用するヒータ25で、例えば、室温より少し高い30℃を基準温度として加熱しておく。この温度は、同じく薄膜10Aに形成してあるダイオードサーミスタとしての温度センサ20Aで計測すると共に、この出力を利用して30℃一定になるようにヒータ制御回路(ここでは表示していない。図6参照)により制御する。このとき、大気中に水素ガスが存在するとガス吸収物質5に吸収されて、発熱する。この温度変化を薄膜10Bに形成してある温度センサ20B(ここでは、ダイオードサーミスタ)で検出する。温度上昇が大きければ大きいほど、水素ガスの濃度が高いことになるので、校正用のデータを元にして大気中の水素ガスの濃度を算定することができる。
The case where hydrogen gas, which is a gas to be detected in the atmosphere, is detected as a gas sensor element will be described as follows. The
この薄膜10Aの加熱温度下での大気中にある水素ガスの濃度と吸収量とが平衡に達すると、発熱反応は止まり、その後は、冷却されて元の温度の30℃付近に戻る。更に、その後、薄膜10Aを、ここに搭載しているヒータ25で、例えば、100℃程度まで加熱すると、ガス吸収物質5に吸収されていた水素ガスは放出され、この過程ではガス吸収物質5は吸熱反応となる。その後、再び、ヒータ加熱を止め、自然冷却により30℃付近まで戻す。この過程でガス吸収物質5は、被検出ガスの水素ガスを吸収して発熱反応を起こしながら30℃付近に戻るが、熱容量が小さい薄膜のために冷却が急であると、水素ガスの吸収の速度が間に合わず、30℃付近に戻ってからゆっくりと温度上昇をして、その後、吸収が飽和すると前述のように再び30℃付近に戻ることになる。このようにして、ヒータ25で、例えば、30℃と100℃程度まで加熱サイクルを繰り返すことにより、初期状態に戻しつつ、温度変化量や加熱サイクルの加熱・冷却の時間的割合のデータを利用する、などから大気中の水素ガスの濃度を特定することができる。
When the concentration and absorption amount of hydrogen gas in the atmosphere under the heating temperature of the
薄膜10を薄膜10Aと薄膜10Bとの二分割すると共に、薄膜10Bをカンチレバ状に飛び出した突起部の構造とする場合、上述の実施例では、薄膜10に形成したスリット41により熱抵抗部45を形成し、薄膜10Aと薄膜10Bとに熱抵抗を持たせて分割し、薄膜10からカンチレバ状に飛び出した突起部の構造としたが、他の方法としての外部からの加熱方式として、例えば、薄膜10Aと薄膜10Bとは、宙に浮いた薄膜10ではあるが、一枚ではなく、薄膜10を切断するスリット41を介して完全に分離した状態で近接配置してあり、薄膜10Aと薄膜10Bのそれぞれを基板1からの梁18を介して支持すると共に、薄膜10Bは基板1からカンチレバ状に飛び出す構造とすることもできる。
In the case where the
図1に示した本発明のガスセンサ素子における基板1の加工の製作工程の概要を説明すると、次のようである。基板1のSOI層11がn型を用いた場合、温度センサ20Aと温度センサ20B及びヒータ25としてのpn接合ダイオードは、公知の半導体微細加工技術によりp型拡散領域22を熱拡散により形成し、さらに良好なオーム性接触を得るためにn型拡散領域21を形成する。その後、ニッケル(Ni)系や強アルカリ系エッチャントに晒されない時にはアルミニウム(Al)系の金属を用いて、そのスパッタリング薄膜形成とフォトリソグラフィにより、電極60a、60b、61a、61b、62a、62bの形成、配線110と電極パッド70a、70b、71a、71b、72a、72bの形成を行う。更に、スリット41、42となるべき箇所をBOX層までエッチング除去する。次に、ガス吸収物質5を、CVDやスパッタリングにより、絶縁膜層を形成した後、ガス吸収物質5を薄膜状に形成する。ガス吸収物質5のパターンニングは、RIEやフォトリソグラフィの従来技術で形成することができる。次に、基板1の裏面からDRIEにより空洞40を形成して、上記スリット41、42の貫通も達成させる。このようにして、宙に浮いた薄膜10がスリット41による熱抵抗部45を介して二分割されて薄膜10Aと薄膜10Aからカンチレバ状にと飛び出した構造の薄膜10Bが形成され、また、ヒータ25としてのpn接合ダイオードと温度センサ20Aとしてのpn接合ダイオードとが薄膜10Aに形成され、pn接合ダイオードの温度センサ20Bが薄膜10Bに形成される。これらの薄膜10Aと薄膜10Bからなる薄膜10は、狭い梁18で基板1から支持された構造となっている。薄膜10Bは、被検出ガスにガス吸収物質5が反応してして発熱や吸熱に伴う温度変化を検出する領域であるので、薄膜10Aからカンチレバのような構造にして、基板1への熱の伝達がし難い構造にしている。
The outline of the manufacturing process for processing the
また、ここでは、薄膜10Aと薄膜10Bに形成してあるそれぞれの温度センサ20Aと温度センサ20Bとは、pn接合ダイオードをサーミスタのようにして用いており、更にヒータ25としてもpn接合ダイオードの順方向電流により加熱するようにしている。これらは同一の工程で形成できるので、好都合である。これらの温度センサ20Aと温度センサ20Bとの電気的な配線は、薄膜10Aを支えている梁18の上の絶縁膜であるシリコン酸化膜51に形成した配線110により基板1に形成した電極パッド71a、71b、72a、72bに導かれている。
Further, here, the
図2は、本発明のガスセンサ素子の他の一実施例を示す平面概略図である。ここでは、上述の実施例1と同様に基板1としてSOI基板を用いて実施した場合であり、基板1からの熱分離のために宙に浮いた構造にしてある薄膜10は、一方の薄膜としての薄膜10Aと他方の薄膜としての薄膜10Bとに二分割した場合であり、薄膜10Bが薄膜10Aから熱抵抗部45を介してカンチレバ状に飛び出した構造になっており、この薄膜10Bにガス吸収物質5を形成した場合である。上述の実施例1との違いの主体は、熱抵抗部45は、薄膜10Aと薄膜10Bとの間に設けたスリット41により括れた構造になっており、熱伝導がし難い構造にしていること、薄膜10Bに形成した温度センサ20bとしての温度センサ20Bが、温度差のみを検出する電流検出型熱電対を使用していること、SOI基板としてp型のSOI層11を使用して、不純物拡散による高不純物密度のn型SOI層とした電流検出型熱電対の一方の熱電対導体120aとは、pn接合による電気的分離をしていること、などである。
FIG. 2 is a schematic plan view showing another embodiment of the gas sensor element of the present invention. Here, it is a case where it implemented using the SOI substrate as the board |
電流検出型熱電対は、温度差に基づく熱起電力(ゼーベック電圧)により流れる短絡電流(短絡時のゼーベック電流)を計測するために、極めて低抵抗にする必要がある。このために、p型のSOI層11を使用して、薄膜10Bの全部と、薄膜10Aのうち薄膜10Bに近い領域の一部とに、n型不純物を縮退するほど高濃度に熱拡散などで添加してn型拡散領域21を形成して、熱電対の一つの導体の役割としていると共に、薄膜10Aに形成してあるヒータ25や温度センサ20Aと電気的分離するためにpn接合が形成されるようにしている。ここでは、温度センサ20Bとしての電流検出型熱電対の温接点はカンチレバ上の薄膜10Bの先端部に形成されたオーミック性の電極62aであり、冷接点は薄膜10Aのうち薄膜10Bに近く、しかも薄膜10Bから連続しているn型拡散領域21である。
The current detection type thermocouple needs to have an extremely low resistance in order to measure a short circuit current (Seebeck current at the time of a short circuit) that flows due to a thermoelectromotive force (Seebeck voltage) based on a temperature difference. For this purpose, the p-
本発明のガスセンサ素子を大気中の被検出ガスである水素ガスを検出する場合、ガス吸収物質5として、パラジウム(Pd)や水素吸蔵合金を用いることができるし、測定方法も上述の実施例1とほぼ同様にして水素ガス濃度測定ができる。薄膜10Bは、薄膜10Aからカンチレバ状に飛び出した構造であり、温度センサ20Bとして、薄膜10Aを基準とした温度差のみ計測する電流検出型熱電対を使用しており、薄膜10Aの温度を基準として、そこからの温度変化分のみを検出する、所謂、上述のゼロ基準法が適用できるので、高精度に大気中の被検出ガスの水素ガスの濃度を計測できる。
When the gas sensor element of the present invention detects hydrogen gas, which is a gas to be detected in the atmosphere, palladium (Pd) or a hydrogen storage alloy can be used as the
なお、温度センサ20Bとしての電流検出型熱電対における基板1への二本の配線110は、薄膜10Aのうちの等しい温度として認められる熱抵抗部45に近い部分から同一の金属材料を用いて分岐するようにすると良い。ここでの実施例では、電流検出型熱電対の一方の熱電導体120aである高濃度のn型拡散領域21からオーム性接触となる電極62bからの配線110を、他方の熱電導体120bと同一の材料であるニッケル(Ni)を用いている。Niはシリコンの異方性エッチング時に使用するヒドラジンに耐久性があること、また、n型半導体と逆符号のゼーベック係数であることにより使用された。しかし、n型半導体のゼーベック係数が、Niのゼーベック係数より桁違いに大きいので、n型半導体のゼーベック係数と同一符号であるアルミニウム(Al)を使用してもそれほど変わらない。ヒドラジンなどの異方性エッチャントを用いずDRIEによる薄膜10の形成では、アルミニウム(Al)を使用しても差し支えない。AlはIC技術では、配線材料として多く利用されているので、増幅器などとの集積化の目的では、配線110をアルミニウム(Al)としても良い。
Note that the two
図3は、本発明のガスセンサ素子の他の一実施例を示す平面概略図である。上述の実施例2に記述した場合の図2との大きな違いは、他方の薄膜としての薄膜10Bを薄膜10Baと薄膜10Bbとに二分割してあり、同等の形状にしてあるが、薄膜10Bbには、ガス吸収物質5を形成してあり、また、薄膜10Baには、薄膜10Bbのガス吸収物質5とほぼ等しい質量の物質で、被検出ガスである水素ガスには反応しない物質からなるバランス膜6を形成している点、また、それぞれに形成した温度センサ20aとしての温度センサ20Baと、温度センサ20bとしての温度センサ20Bbとは、図2と同様に電流検出型熱電対であるが、薄膜10Baと薄膜10Bbとの温度差が直接計測できるように直列接続している点である。このようにして、薄膜10Baと薄膜10Bbのそれぞれに形成した温度センサ20Baと温度センサ20Bbとを、水素ガス濃度の計測において、熱に関して上述のゼロ基準法が適用できるようにしている。大気中の被検出ガスである水素ガスの計測方法は、実施例1で記述した方法とほぼ同一にすることができるが、薄膜10Baの温度を参照して、ガス吸収物質5が形成してある薄膜10Bbの温度差を計測することにより、更に高感度で高精度の水素ガスなどのガス濃度の検出ができる。
FIG. 3 is a schematic plan view showing another embodiment of the gas sensor element of the present invention. The major difference from FIG. 2 described in the second embodiment is that the
ここには図示していないが、電流検出型熱電対である温度センサ20Baと温度センサ20Bbとは、図3のように直列接続せずに、それぞれから配線110を引き出し、並列接続して、これらの短絡電流がOPアンプとの組み合わせで互いに差し引かれるように構成をして、薄膜10Baと薄膜10Bbとの温度差が直接計測できるようにすることもできる。 Although not shown here, the temperature sensor 20Ba and the temperature sensor 20Bb, which are current detection type thermocouples, are not connected in series as shown in FIG. The short circuit currents of the thin film 10Ba and the thin film 10Bb can be directly measured so that the short circuit currents of the thin film 10Ba and the thin film 10Bb can be directly measured.
図4は、本発明のガスセンサ素子の他の一実施例を示す側面概略図であり、図5は、その平面概略図である。基板1から熱分離した薄膜10としてカンチレバ7状の2個の薄膜10A、10Bに分割されてあり、更にそれぞれが温度センサ20aとしての温度センサ20A、温度センサ20bとしての温度センサ20Bを構成している場合で、ヒータ25は、これらの2個の薄膜10A、10Bに近接配置されている場合の例である。ここでは、温度センサ20A、20Bとして、上述の実施例2および実施例3で述べた電流検出型熱電対を用いている場合を示す。2個の電流検出型熱電対である温度センサ20Aと温度センサ20Bとを差動動作させるために、熱電対を構成する熱電対導体の一方(金属薄膜配線)を途中で接続してあり、熱電対を構成する他方の熱電対導体であるそれぞれの高濃度拡散のn型拡散領域21に形成した2個の電極72aと電極72b間の流れる短絡電流を検出することになる。なお、一方の金属薄膜配線の熱電対導体の電極70と、それぞれのn型拡散領域21からなる他方の熱電対導に形成した2個の電極72aまたは電極72bとの間の短絡電流検出(短絡ゼーベック電流検出)により、それぞれの温度(カンチレバの先端付近の温度)を基板1に形成した絶対温度センサ(ここでは、pn接合ダイオード23)を基準にして計測することができる。
FIG. 4 is a schematic side view showing another embodiment of the gas sensor element of the present invention, and FIG. 5 is a schematic plan view thereof. The
図4に示した基板100に基板から熱分離したSOI層11を主体とした薄膜ヒータ25は、ダイアフラム状でn型拡散領域21をヒータの材料にしている。基板1及び基板100のSOI層11としてp型シリコンを用いるとpn接合が形成できるので、電気的絶縁分離が容易で好適である。ダイアフラム状ヒータ25は、2個のカンチレバ7である参照部8と検出部9とを一様に、しかも同等に加熱する必要があるので、2個のカンチレバ7に近接して配置し、しかも、これらのカンチレバ7の寸法に比して大面積の方が望ましい。したがって、近接の程度が、基板100のSOI基板の下地基板の厚みでほぼ決定されるようにしている。また、このようなMEMS技術で形成されるダイアフラム状ヒータ25は、熱容量が小さいので高速に、しかも低消費電力で加熱できるという特長がある。
The
カンチレバ7状の2個の薄膜10A、10Bのうち、一方の薄膜10Aを参照部8とし、他方の薄膜10Bには、例えば、水素ガスセンサとしては、多孔質Pd金属薄膜などのようなガス吸収物質5を形成して、ここに吸収されて発熱させ、放熱させて冷却させるような温度変化を生じさせるように構成している。これらのカンチレバ7状の2個の薄膜10A、10Bには、被検出ガスによる反応熱以外は同等な熱容量や熱コンダクタンスを有するように、検出部9における多孔質Pd金属薄膜などのようなガス吸収物質5の代わりに、薄膜10Aを参照部8には、バランス膜6を形成しておくと良い。バランス膜6として、使用する温度範囲で安定であり、しかも、エンタルピ変化が無い薄膜材料が望まれる。例えば、酸化シリコン膜や安定な金属膜などでも良いし、場合によっては、検出部9のSOI層11のカンチレバ7の先端部を少しエッチング除去しておき、その分、参照部8では、エッチング除去しないで、SOI層を残すようにすると言う、等価的なバランス膜の形成でも良い。図5において、溝130は、SOI層11に溝を形成することにより、各電流検出型熱電対からなる温度センサ20Aと温度センサ20Bを互いに電気絶縁するためのものである。動作は、ほぼ先の実施例2及び実施例3と同等なので、ここではその説明は省略する。
Of the two
図6には、本発明のガス濃度測定装置のブロック概略図を示している。適用目的により異なるが、そこには、少なくとも、上述の本発明のガスセンサ素子や他の回路に電力を供給するための電源回路、ガスセンサ素子からの出力を利用して大気中の被検出ガスである水素ガス濃度を求める演算回路、ガスセンサ素子の駆動のためのヒータ加熱サイクルなどのヒータ制御回路を有しており、ここでは、更に被検出ガスの濃度を表示する表示部も備えた場合を示している。 FIG. 6 shows a block schematic diagram of the gas concentration measuring apparatus of the present invention. Depending on the application purpose, there are at least a power supply circuit for supplying power to the above-described gas sensor element of the present invention and other circuits, and a gas to be detected in the atmosphere using the output from the gas sensor element. It has a heater control circuit such as an arithmetic circuit for obtaining the hydrogen gas concentration and a heater heating cycle for driving the gas sensor element. Here, a case is also shown in which a display unit for displaying the concentration of the gas to be detected is provided. Yes.
ヒータ25の加熱は、パルス駆動で短時間に100℃程度まで加熱するようにしても良いし、熱分析装置、例えば、示差熱分析(DTA)装置のように、所定の温度プログラムに沿って、温度上昇や降下を定めたり、更には、温度上昇や降下割合を一定になるように制御して、ガス吸収物質5による吸熱や発熱により、この温度上昇や降下割合からのズレを検出して、被検出ガス濃度を計測することができる。また、温度変化の時間による微分を求めるなどの演算をして、被検出ガスの濃度を一層高感度で高精度に計測することができる。また、温度上昇時や降下時に温度変化の時間積分により、その差を拡大させて被検出ガスの濃度を高感度で高精度に計測することもできる。また、所定の温度に上昇させた後、ヒータの加熱を止め、その後の冷却過程の温度降下特性、特に熱時定数の変化などを利用して被検出ガスの濃度を求めることもできる。
The
ここには図示しないが、基板1をサンドイッチにして接合する二枚の蓋を用意し、少なくとも一方の蓋は、気流を防止し、被検出ガスは拡散などで通れるように通気用多孔性蓋や多くの微細スリットを形成した蓋にしておくとよい。
Although not shown here, two lids for sandwiching and joining the
なお、上述では、温度差検出型温度センサ、特に、電流検出型熱電対の一方の熱電対導体として、高濃度に不純物を添加して低抵抗化したn型シリコン半導体を用い、他方の熱電対導体として、NiやAlを使用した場合を述べたが、これらの熱電対材料として、熱電材料の性能指数Z(ゼーベック係数αの二乗を抵抗率ρと熱伝導率κで割り算した値)の大きい材料を用いた組み合わせで、熱電対を構成しても良い。また、これらの熱電対薄膜として、電気絶縁性薄膜をサンドイッチにするように重ねた複合膜を利用して熱電対を形成して、この複合膜自体がカンチレバ状の温度センサ20Bとなるようにしても良い。
In the above description, the temperature difference detection type temperature sensor, in particular, an n-type silicon semiconductor added with an impurity at a high concentration to reduce resistance as one thermocouple conductor of the current detection type thermocouple, and the other thermocouple. The case of using Ni or Al as the conductor has been described, but as these thermocouple materials, the performance index Z of the thermoelectric material (the value obtained by dividing the square of the Seebeck coefficient α by the resistivity ρ and the thermal conductivity κ) is large. A thermocouple may be configured by a combination using materials. Further, as these thermocouple thin films, a thermocouple is formed by using a composite film in which electrically insulating thin films are stacked so as to be sandwiched so that the composite film itself becomes a
上述の実施例では、ヒータ25として、pn接合ダイオードの順方向バイアス電圧の印加に基づくジュール熱による加熱とした例が多い。これは、同一薄膜に形成している温度センサへのヒータへの電圧印加による影響を防止しやすいためであるが、白金薄膜ヒータや半導体への不純物拡散による拡散抵抗のヒータを利用しても、もちろん差し支えない。
In the above-described embodiments, the
上述の実施例では、被検出ガスとしての水素ガスの濃度を計測する水素ガスセンサについて述べてきたので、ガス吸収物質5として、パラジウムPd,白金Pt、ニッケルNiや水素吸蔵合金などを用いることにしてきたが、被検出ガスとして、例えば、水蒸気の場合は、ガス吸収物質5として、例えば、シリカゲル薄膜に生石灰を含有させた薄膜を利用することができる。また、被検出ガスとして有機溶剤に対しては、多孔質炭素薄膜を利用することもできる。これらは、被検出ガスを吸着したときに発熱反応を呈する。また、熱反応物質に対しても、従来から還元性ガスに対して、Pd,Pt、Ni微粒子を酸化物に担持させた触媒が、温度上昇したときに発熱反応することが分かっている。このように種々の被検出ガスに対して対応するガス吸収物質5や熱反応物質を選択することができる。
In the above-described embodiment, the hydrogen gas sensor for measuring the concentration of hydrogen gas as the gas to be detected has been described. Therefore, palladium Pd, platinum Pt, nickel Ni, a hydrogen storage alloy, or the like has been used as the
本発明のガスセンサ素子とこれを用いたガス濃度測定装置は、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうる。 The gas sensor element of the present invention and the gas concentration measuring apparatus using the gas sensor element are not limited to the present embodiment. Naturally, various modifications can be made while the gist, operation and effect of the present invention are the same.
本発明のガスセンサ素子は、気体中の被検出ガス、例えば、水素ガスの濃度を、主にガス吸収物質5での吸脱過程における発熱や吸熱による温度変化として高感度で、しかも高精度で計測するための熱型センサである。例えば、本発明のガスセンサ素子を大気中の水素ガスの濃度検出用センサに適用した場合、カンチレバ状の宙に浮いた薄膜に温度差のみを高感度で、しかも高精度で検出する、超小型の電流検出型熱電対が使用できるので、極めて広い濃度範囲の水素ガス検出器として利用できる。更に、ゼロ基準法により極めて微小な温度差を検出できるので、微量の特定被検出ガスなどの濃度計測に適する。また、本発明のガスセンサ素子を搭載したガス濃度測定装置は、制御系を含み、例えば、水素ガス濃度測定などのガス濃度測定装置などに好適である。
The gas sensor element of the present invention measures the concentration of a gas to be detected, for example, hydrogen gas in a gas with high sensitivity and high accuracy mainly as a temperature change due to heat generation or heat absorption during the adsorption / desorption process in the
1,100 基板
5 ガス吸収物質
6 バランス膜
7 カンチレバ
8 参照部
9 検出部
10、10A、10B、10Ba、10Bb 薄膜
11 SOI層
18 梁
20、20A、20B、20Ba、20Bb 温度センサ
21 n型拡散領域
22 p型拡散領域
23 pn接合ダイオード
25 ヒータ
40 空洞
41、42 スリット
45 熱抵抗部
51 シリコン酸化膜
60 電極
60a、60b 電極
61a、61b 電極
62a、62b 電極
70 電極パッド
70a、70b 電極パッド
71a、71b 電極パッド
72a、72b 電極パッド
110 配線
120 熱電対
120a, 120b 熱電対導体
130 溝
1,100
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