JP2009047675A - ガスセンサー、そのための気体検知モジュール、およびこれらを用いた気体計測システム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】誘電性半導体を有し、気体の吸着状態に応じて導電率が変化する気体検知素子と、この気体検知素子に電気的に接続された一対の電極とを備えるガスセンサーであって、この一対の電極に印加された極性反転を含み周期的に変化する電圧に応じて変化する電気的応答から、気体検知素子への気体の吸着状態を検知可能とする。ガスセンサーがこの気体検知素子に静電容量部が直列に接続した構成を備えるとさらに好ましい。
【選択図】図1
Description
コンダクタンスがほぼ元の値に戻り、フラーレン類の導電率は可逆的に変化することが記載されている。
(1)誘電性半導体を有し、気体の吸着状態に応じて導電率が変化する気体検知素子と、この気体検知素子に電気的に接続された一対の電極とを備え、この一対の電極に印加された極性反転を含み周期的に変化する電圧に応じて変化する電気的応答から、前記気体検知素子への気体の吸着状態を検知可能とすることを特徴とするガスセンサー。
ここで、「部材」とは、市販のコンデンサのような独立の部品のみならず、気体検知素子と一体化されているが、その構造が異なるために異なった誘電性を有する領域も意味する。
ここで、酸化膜は、通常大気中で自発的に酸化されてなる自然酸化膜でもよいし、例えば酸素を含む雰囲気で加熱して積極的に金属層の表面を酸化させた酸化膜もよい。
計測手段は電源と一体化されていてもよく、計測した電気的応答から気体検知素子の導電率の変化を算出する手段、さらには気体吸着量を算出する手段を有していてもよい。
前述のとおり、「フラーレン材料」とは「フラーレン」および「フラーレンベース材料」の総称である。
「内包フラーレン」とは、篭状のフラーレンの中空部に炭素以外の原子又は分子を閉じ込めた炭素クラスター物質である。フラーレン分子(ケージ)の中に閉じ込める原子又は分子を、内包対象原子(分子)と呼び、閉じ込められた原子(分子)を内包原子(分子)と呼ぶ。内包対象原子は原理的には周期律で規定される全ての原子が含まれ、Li,Na,Kなどのアルカリ原子や、La,Ce,などのランタノイド原子、さらにはB,N,F,Clなどの典型元素原子が例示される。一方の内包対象分子としても特に制約されずいかなる分子であってもよく、H2,N2,A3−xBxN(x=1〜3の整数、AおよびBは金属原子、典型例はSc3N),金属酸化物などが例示される。
「ノルフラーレン」とは、フラーレン骨格を構成する炭素が一個以上欠落したものであって、この炭素欠落によって生じたフラーレン骨格上の炭素の未結合部は例えば水素によって終端される。欠落炭素数は特に制限されないが、フラーレン骨格を維持するためには必然的に制限があり、通常は5個程度を上限とする。
「混合フラーレン」とは、フラーレンおよび上記のフラーレンベース材料が複数種類混合されたものである。
(1)誘電性半導体
「誘電体」とは、正電場を加えるとき誘電分極を生じるが、直流電流を生じない物質である(出典:「強誘電体デバイス」、Kenji Uchino 著/内野 研二 訳/石井 孝明 訳、森北出版社、発行日:2005年8月25日)。したがって、「誘電性」とは、正電場を加えるとき誘電分極を生じるが、直流電流を生じない性質をいう。
このような誘電性半導体として、有機半導体やカーボンナノ材料を挙げることができる。
炭素を主体とするものであって基本骨格がナノサイズであるカーボンナノ材料としては、上記のフラーレン材料に加え、カーボンナノチューブ、ピーポッド、カーボンナノオニオンおよびこれらの誘導体ならびにこれらの重合体が例示される。
(1)構成
本発明に係る気体検知素子は、上記の誘電性半導体を有し、この誘電性半導体に起因する特性として、吸着する気体の状態に応じて導電率が変化するものである。典型的には、気体が吸着することによって誘電性半導体の導電率が変化する。なお、吸着する気体の状態の変化としては、吸着する気体の量的変化のみならず、質的変化も含まれる。この質的変化には、気体の種類のみならず、気体検知素子を構成する物質との化学的な相互作用の程度が変化すること、例えば物理吸着から化学吸着に変化することや、気体の気体検知素子における吸着場所が変化すること、例えば表面吸着から内部に拡散しての吸着に移行することなどが挙げられる。
一方、有機半導体を誘電性半導体として含む気体検知素子は、電子供与性の気体が吸着することによって有機半導体の表面に高い導電率を有する層が形成され、導電率が上昇する場合もある。
気体検知素子の構造は、電極などを介して極性反転を含む電圧の周期的変化、典型的には中心電圧が0Vのサイン波による交流電圧が印加される一対の電気的端部と、その電気的端部の間に配置される誘電性半導体とを備え、その電気的端部の間に配置される誘電性半導体に計測対象の気体が吸着できる構造であれば、いかなる構造でもかまわない。薄膜状でもよいし、塊状でも線状でもよい。
製造方法も、気体検知素子が誘電性半導体としての機能を発揮できるのであれば、特に制限されない。
以下に、本発明の第一の実施形態に係る気体計測システムについて説明する。
図1は、本発明の第一の実施形態に係る気体計測システムを示す概念図である。
第一の実施形態に係る気体計測システム0100は、図1に示すように、ガスセンサー0101と、複数の周波数の交流電圧を発生可能な電源0102と、そのガスセンサーからの電気的応答を計測する計測手段0103と、ガスセンサーに吸着した気体を脱離させる気体脱離手段0104とを備える。
(A)概要
本発明に係るガスセンサーは、気体検知素子と静電容量部と一対の電極とを最小限の構成要素とし、気体検知素子および静電容量部を含む電気素子の電気的端部に一対の電極が電気的に接続する構成を備える。
気体脱離手段であるセラミックヒーター0201、
セラミックヒーター0201の上に所定の間隔で形成された第一の金層0202および第二の金層0206、
第一の金層0202における第二の金層0206寄りの一部を覆いつつ、セラミックヒーター0201上であって金層0202と0206との間における第一の金層0202寄りの部分に形成された第一のアルミニウム層0203、
第一のアルミニウム層0203上であって第二の金層0206寄りの部分、およびセラミックヒーター0201上であって第一のアルミニウム層0203と第二の金層0206との間における第一のアルミニウム層0203寄りの部分に形成された気体検知素子0204、ならびに
気体検知素子0204の開放された上面における第二の金層0206寄りの部分、および第二の金層0206上における第一の金層0202寄りの部分に形成され、さらにこれらを連結するように形成された連結部を有する第二のアルミニウム層0205。
本実施形態に係る気体検知素子0204は、誘電性半導体の一つであるC60フラーレンの蒸着膜からなる。前述のようにC60フラーレンの蒸着膜の内部には酸素などの気体が容易に侵入することが可能であるから、吸着領域は気体検知素子0204の表面のみならず素子全体となる。
本実施形態に係る気体検知素子0204はC60フラーレンの蒸着膜からなるため、その内部を酸素分子は自由に移動することができる。このため、C60フラーレンの蒸着膜と直接接触するように形成されたアルミニウム層203,205におけるその蒸着膜に対向する面は、蒸着膜を通過してくる酸素によって酸化され、アルミニウムの自然酸化膜(Al2O3)が形成されている。本実施形態に係るガスセンサーは、この酸化膜を静電容量部の構成部材の一つとしている。
本発明に係るガスセンサーの電極は、気体検知素子および静電容量部を含む電気素子の電気的端部に電気的に接続するものであるから、本実施形態においては、アルミニウム層203,205の金属部分203a,205aである。
ただし、本実施形態においては、金属の自然酸化膜を静電容量部の一部とすることとしているため、緻密な自然酸化膜を形成することが可能な金属を用いることが好ましく、そのような金属として、本実施例に係るアルミニウムのほかに、チタン、クロム、ニッケル、ニオブ、タンタルが例示される。
(A)概要
上記の構成を有する本実施形態に係るガスセンサーは、等価回路として表すと、図3のようになる。ここで、CおよびRはそれぞれ気体検知素子の静電容量および抵抗であり、Cbは静電容量部の容量である。
以下、典型例として、複素キャパシタンスを計測した場合について説明する。複素キャパシタンスを計測することで、ガスセンサーにおける各構成要素の電気的特性の影響を独立にすることができる。具体的には、図3に示される二つの容量成分と抵抗成分とを独立にして、抵抗成分の変動、すなわち気体検知素子の導電率の変動を効率的に検出することが実現される。
こうして求めたアドミタンスY*のうち、実部すなわちコンダクタンス成分Gを取り出すと、
その計測にあたっての具体的な方法は、次のように複数が考えられる。
a)周波数固定
まず、気体が吸着していない状態でキャパシタンスC’が遷移領域内、例えば遷移領域の中心となる周波数の交流電圧を印加し、その周波数に固定してキャパシタンスC’を計測すれば、気体の吸着によって気体検知素子の導電率が低下して遷移領域が低周波側に移動すると、その周波数におけるキャパシタンスC’は低下する。したがって、気体吸着量の変化をキャパシタンスC’の変化として定量的に計測することが実現される。
上記のように印加電圧の周波数を固定する計測のほかに、常に一定のキャパシタンスC’が測定されるように周波数変調を行い、その周波数から気体検知素子の抵抗成分の抵抗値(導電率)を求め、その結果に基づいて気体吸着量を見積もることも考えられる。
あるいは、計測の度に周波数掃引を行い、図4のようなキャパシタンスC’の周波数依存性プロファイル(以下、「キャパシタンスプロファイル」という。)を取り込む方法もある。この場合には、このプロファイルを解析して気体検知素子の抵抗成分の抵抗値(導電率)を求め、その結果に基づいて気体吸着量を見積もることができる。この測定方法は電源および計測手段の負荷が大きくなるものの、測定精度が高くなることが期待される。
なお、気体検知素子によっては、その抵抗成分の抵抗値(導電率)が気体吸着のみならず気体検知素子の温度によっても変動する場合がある。本実施形態に係る気体検知素子も温度の上昇によって導電率が上昇する傾向を有する。この場合には、あらかじめ温度による導電率変動をバックデータとして用意しておき、得られた測定結果から温度変動による寄与を除去するようにしてもよいし、気体吸着しない構造を有するリファレンス用のセンサーをガスセンサーの近傍に設置し、このリファレンス用センサーとの差分を計測値とすることとしてもよい。ここで、リファレンス用センサーは、ガスセンサーと同一の構造を有しているが、気体検知素子の露出部分全体が気体を透過させない材料、例えばポリイミドのような有機材料でもよいし、シロキサン結合を有した無機材料でもよいし、これらの複合材料でもよい、で封止されたものを用いれば、ガスセンサーと同一の感温特性を有する温度センサーとして機能させることも可能である。
このほか、計測中は常にセラミックヒーターを稼動させて、気体は吸着しうるものの環境温度の変動はキャンセルしうる温度に維持することとしてもよい。
ここで、本実施形態に係るガスセンサーの電気的性質について厳密に検討すれば、酸化膜などによって構成される静電容量部にもCbで示される容量成分のほかに抵抗成分Rbが存在する。したがって、本実施形態に係るガスセンサーの等価回路は、正確には図6のように記載されるべきである。
本実施形態に係る気体計測システムのガスセンサー以外の構成要素について説明する。
(A)電源
電源は、交流電圧を発生させることができるのであれば特に制限されない。キャパシタンスプロファイルのように、電気的応答に対する交流印加周波数依存性プロファイルを計測する場合には、複数の印加電圧の周波数を出力できることが必要である。このとき、高周波から低周波へまたはその逆に周波数を掃引することで複数の周波数を出力してもよいし、複数の周波数が重畳された電圧を一度に出力して、計測手段においてフーリエ変換などを行って周波数解析することによりプロファイル用データとしてもよい。
測定手段は、いわゆる一般的なLCRメーターであって、インピーダンスやアドミタンスを計測できればよく、この場合には、出力されたデータに基づいてキャパシタンスC’を別途計算すればよい。もちろん抵抗、リアクタンス、コンダクタンス、サセプタンスといった各成分を独立に出力することができたり、複素コンダクタンスや複素キャパシタンスを出力できたりすれば好ましく、キャパシタンスC’を直接出力できればなお好ましい。また、電源と一体化され、所望のプロファイルを一度に計測できるものであれば、特に好ましい。
気体脱離手段は、気体検知素子の導電率を変動させる気体を、気体検知素子から除去させるためのものである。本実施形態に係る気体計測システムでは、ガスセンサーの基板を兼ねるセラミックヒーターが気体脱離手段に相当する。図2に示されるセラミックヒーター0201には、ヒーター線0201a、0201bが図示しないヒーター電源に接続されている。このヒーター電源を操作してセラミックヒーター0201を加熱すると、この熱によって気体検知素子0204が加熱され、その結果、気体検知素子0204に吸着している気体が脱離する。
本実施形態に係る気体計測システムは、計測対象となる気体(以下、「活性物質」ともいう。)がほとんど吸着していない状態で計測を開始し、ごく微量、サブppmからppb、場合によってはpptレベルの気体の検出を行うことをも目的としている。したがって、計測開始前に、スタートアップとして気体検知素子から活性物質を脱離させ、必要であれば不活性物質を吸着させるプロセスを実行することが好ましい。これは、具体的には、気体脱離手段を動作させて、真空環境または高純度窒素などの不活性気体雰囲気への暴露および/または加熱を実施すればよい。
本実施形態に係る気体検知素子において、活性物質はC60フラーレンと直接的または間接的に電子を授受することで気体検知素子の導電率を変化させる。しかしながら、活性物質がフラーレン材料と強固な化学結合をなすほどの相互作用をしなくても気体検知素子の導電率の変化は発生するため、気体検知素子の導電率変動に影響する物質間相互作用のほとんどが可逆プロセスである。
本実施形態に係る気体検知素子は、温度の変化によっても導電率が変動するため、気体検知素子の温度を計測する測温手段を有していることが好ましい。その測温手段は、熱電対など公知の手段を用いることでもよいが、本実施形態に係るガスセンサーと同じ構造を有しつつ、さらに気体検知素子が気体を吸着しないように封止されたものを用いて、この測温手段からのデータをリファレンスデータとすれば、ガスセンサーにおける温度による影響を正確に除去することが実現され、好ましい。
次に、本実施形態に係るガスセンサーの製造方法について説明する。
基本的には、基板を兼用するセラミックヒーター上に金、アルミニウム、C60フラーレンおよびアルミニウムを適当なマスクを介して順次積層させればよい。各層を形成した後に、酸素を含む雰囲気、例えば大気中に1時間程度曝すことで、アルミニウム層のC60フラーレン蒸着膜との界面に酸化膜を形成する。このように自然酸化膜を形成することが工程的に最も簡便であるが、必要であれば、セラミックヒーター兼用の基板とC60フラーレン蒸着膜との間のアルミニウム層(図2における203)については、C60フラーレンの蒸着を行う前にその表面を積極的に酸化させてもよい。
本実施形態に係るガスセンサーは、気体検知素子を構成するC60フラーレンと直接的または間接的に電子を授受し、結果的にその吸着によって気体検知素子の導電率を変化させうる物質であれば測定対象とすることができる。具体的には、酸素および水分が典型的であり、このほか、水素、エタノールなどアルコール類、ホルムアルデヒドなどアルデヒド類、アセトンなどケトン類、アンモニア、メチルアミンなどの含窒素化合物、ベンゼンなどの芳香族化合物、NOX、SOXなど酸性物質、HCl、塩素ガスなどハロゲン含有物質が例示される。
本実施形態に係るガスセンサーは、高感度でありながら、従来の例えば質量分析器を用いた方式のセンサーに比べてそのサイズを小さくすることが可能である。したがって、このガスセンサーを備える気体計測システムは、半導体製造プロセス用途や燃料電池など多様な用途に適用可能である。これらの用途の一例として、半導体製造プロセス用途について以下に説明する。
(A)自然酸化膜以外の静電容量部
本実施形態では、気体検知素子に直接形成させた金属層の気体検知素子との界面に自発的に形成される自然酸化膜を静電容量部の一部として用いたが、前述のように、自然酸化膜ではなく、積極的に酸化させた酸化膜でもよい。また、酸化ではなく、窒化させたり炭化させたりすることで金属表面を改質して、金属表面に誘電性を有する改質層(以下自然酸化膜も含めて「誘電性改質層」という。)を形成させてもよい。
静電容量部を気体検知素子と一体で形成する場合には、ガスセンサーとして小型の構成を維持できる利点がある。この場合には、図7(a)に示されるように、自然酸化膜の場合と同様に、気体検知素子0701と金属層、すなわち不活性金属層0704、0705との間に誘電性を有する層(以下「誘電性付加層」という。)0702、0703を備える構成と、図7(b)に示されるように、気体検知素子0706の電気的端部に不活性金属層0707、0708が直接形成され、その上に誘電性付加層0709、0710を備える構成とがある。前者の構成では、不活性金属層0704、0705がガスセンサーの構成要素における「電極」に相当するが、後者の構成では、不活性金属層は、「気体検知素子」と「静電容量部」とを電気的に接続する部材に相当することとなり、誘電性付加層0709、0710の電気的端部にさらに電極0711、0712を形成する必要がある。
静電容量部を気体検知素子と別体で形成する場合には、図8に示されるように、気体検知素子0801の両方の電気的端部に不活性金属層0802,0803が設けられ、これにコンデンサ0804が直列に接続された構成を基本構成とする。このとき、ガスセンサーはこれらの全体0805をいい、コンデンサが接続されない側の不活性金属層0803およびコンデンサ0804の気体検知素子に対向しない側の電極が、ガスセンサーの「電極」に相当することとなる。この構成においては、静電容量部をなすコンデンサ0804は、気体検知素子0801の大きさに制限されないため、静電容量部の設計自由度が高くなる利点がある。例えば、気体の有無を検出する用途であればキャパシタンスが小さいコンデンサを接続して小型化や低コスト化を追求し、高度な定量測定能力が求められる場合にはキャパシタンスが大きいコンデンサを接続してダイナミックレンジを広げればよい。
上記の二者の組み合わせとして、気体検知素子と一体化するように形成させた誘電性を有する層に加えて、別体のコンデンサを直列に接続してもよい。このとき、誘電性を有する層は、誘電性改質層でも誘電性付加層でもよい。図9には、その一例として、気体検知素子0901の両方の電気的端部に誘電性付加層0902,0903が形成され、さらにその両端に不活性金属層0904,0905が形成されてなる電気素子に対してコンデンサ0906が直列に接続された構成を有するガスセンサーを示した。
本実施形態に係るガスセンサーは、気体検知素子の二つの電気的端部をなす面の法線方向、つまり気体検知素子の主たる電界方向が、気体検知素子の基板に対する積層方向とほぼ一致する構造(積層型構造、サンドイッチ構造)であったが、この構造以外の構造であってもよい。
本実施形態では、ガスセンサーの複素キャパシタンスを計測することとしたが、他の電気的応答に着目して計測をしてもよい。例えば、上記式(3)に示したコンダクタンスを計測してもよい。図10は、図3に示される等価回路のシミュレーションにより得られたコンダクタンスの印加交流周波数依存性プロファイル(以下、「コンダクタンスプロファイル」という。)を示すグラフであるであり、気体検知素子の抵抗成分Rの変動によってプロファイルが変動する様子を示したものである。この図から、1MHz程度の高周波ではRの変動をコンダクタンスの変化として読み取ることができるほか、100Hz以下の低周波帯では所定のコンダクタンスを示す周波数を追尾することでRの変動を計測することが可能であることがわかる。さらに、プロファイルの微分データにおける極小値をなす周波数をトレースすることでもRの変動を計測可能である。
続いて、本発明の第二の実施形態に係る気体計測システムについて説明する。
(1)構成
本発明の第二の実施形態に係る気体計測システムの基本構成は、図1に示される第一の実施形態に係る気体計測システムの構成と同一である。すなわち、第二の実施形態に係る気体計測システムも、ガスセンサーと、複数の周波数の交流電圧を発生可能な電源と、そのガスセンサーからの電気的応答を計測する計測手段と、ガスセンサーに吸着した気体を脱離させる気体脱離手段とを備える。ガスセンサー以外の構成要素は第一の実施形態と同じである。
本実施形態に係るガスセンサーは、誘電性半導体を有し、この誘電性半導体に起因する特性として吸着する気体の状態に応じて導電率が変化する気体検知素子と、この気体検知素子に電気的に接続された一対の電極とを備える。誘電性半導体に求められる特性は第一の実施形態に係るガスセンサーの場合と同じである。本実施形態においても、気体検知素子はC60フラーレンの蒸着膜からなるが、他の部材からなる気体検知素子を用いてもよい。
上記の構成を有する本実施形態に係るガスセンサーは、等価回路として表すと、図11のようになる。ここで、CおよびRはそれぞれ気体検知素子の静電容量および抵抗であり、Rbは電極をなす不活性金属層の抵抗である。
こうして求めたアドミタンスY*のうち、実部すなわちコンダクタンス成分Gを取り出すと、
1.実施例1
まず、実施例1−1〜1−4および比較例1−1を用いて、本発明に係るガスセンサーの基本動作について説明する。
ガラス基板(30mm×30mm、厚さ0.12〜0.17mm)を用意し、真空度1×10−5Pa、残留酸素濃度1011/cm3以下(10ppb以下)の真空チャンバー内に設置した。そして、ガラス基板上に電極用の長方形(20mm×4mm)のパターンとこれに接続する線状の引き出し電極用パターンとをAlの蒸着により形成した。その厚みは100nm程度であった。
実施例1−1と同様の製造方法で作製され、スタートアップ処理として同様の真空下での加熱処理が施されたガスセンサーをチャンバーに設置し、純窒素を1L/minで供給するガス経路で気体を導入して比誘電率の計測を開始した。その後、実施例1−1における酸素1ppmに代えて水分が10ppm添加された全圧1atmの気体(以降「10ppm水分含有窒素」と略称する。)を1L/minで供給するガス経路に切り替えると、図14に示されるように、実施例1−1の場合と同様に速やかな比誘電率の減少が観測された(145→127)。
実施例1−2と同様の実験を、計測時のガスセンサーの表面温度を150℃にして行った。
ガラス基板((30mm×30mm、厚さ0.12〜0.17mm) を用意し、真空度1×10−5Pa、残留酸素濃度1011/cm3以下(10ppb以下)の真空チャンバー内に設置した。そして、ガラス基板上に電極用の長方形(20mm×4mm)のパターンとこれに接続する線状の引き出し電極用パターンとをAlの蒸着により形成した。その厚みは100nm程度であった。
ガラス基板(30mm×30mm、厚さ0.12〜0.17mm)を用意し、真空度1×10−5Pa、残留酸素濃度109/cm3以下(0.1ppb以下)の真空チャンバー内に設置した。そして、ガラス基板上に電極用の二つの長方形(20mm×2mm)のパターンを電極間距離が2mmになるようにして形成するとともに、各電極に接続する線状の引き出し電極用パターンをAuの蒸着により形成した。製膜されたAu電極の厚みは100nm程度であった。
続いて、実施例2を用いて、本発明に係るガスセンサーの取り得る構成、特に静電容量部の構成が異なる場合の構成について説明する。なお、以下の実施例では、C60フラーレンの蒸着膜からなる気体検知素子が、気体を吸着した場合に導電率が低下するように、温度が低下した場合も導電率が低下することを利用して、温度を変化させることで気体吸着状態を模擬的に発生させ、静電容量部の構成が異なる場合のガスセンサーの計測結果を検証した。
表面粗さがRaで20nm以下になるまで研磨したアルミナ基板(30mm×30mm、厚さ0.12〜0.17mm)であって、あらかじめ所定の位置(2箇所)に電極パッドとしての金蒸着膜が形成されたものを用意し、真空度3×10−5PaのAl蒸着用の真空チャンバー内に設置した。そして、セラミックス基板の研磨面上に電極用の長方形(4mm×6mm)のパターンとこれに接続する線状の引き出し電極用パターンとをAlの蒸着により形成した。成膜速度は1.5Å/s程度であり、蒸着膜の厚みは50nm程度であった。なお、一方の金電極パッド上に引き出し電極の一部を形成することで電気的に接続させた。
その結果を図18に示す。図18における点は実測値であり、実線は図6に示される等価回路に基づいてフィッティングした結果である。符号1301で示されるプロファイルが200℃の測定結果であり、符号1302〜1310で示されるプロファイルは、それぞれ、180℃、160℃、140℃、120℃、100℃、80℃、60℃、40℃、および25℃の測定結果である。
なお、プロファイルの全体的傾向として、高温のときほど低周波側のキャパシタンスが増加した。これは、シミュレーションの結果、温度が高いときに静電容量部のキャパシタンスが増加していると見積もられた。具体的には、25℃では15nF程度であったものが、200℃においては35nF程度まで増加していると算出された。
また、遷移領域より低周波側でキャパシタンスが漸増する傾向が見られた。これは、静電容量部に含まれる抵抗成分がやはり温度により変動していることに起因する。
実施例2−1の製造方法において、蒸着材料をAlからAuに代えた以外は同一の製造方法でガスセンサーを製造し、同様のスタートアップ処理を行った。スタートアップ処理の終了後、ガスセンサーの表面温度をほぼ200℃に維持したままで、二箇所の引き出し電極に、0.01Hzから10MHzまでの範囲で印加電圧の周波数を任意に変化させうる電源からの端子を接続させた。そして、この引き出し電極に、印加電圧を50mVに維持しつつ0.01Hzから10MHzまで印加周波数を変化しうる電源の端子からの配線を接続して、インピーダンスの計測を行った。計測されたインピーダンスからガスセンサーのコンダクタンスを算出して、ガスセンサーの表面温度が200℃のときのコンダクタンスプロファイルを求めた。以降、実施例2−1と同様に、ガスセンサーの表面温度を冷却させながら複数のコンダクタンスプロファイルを計測した。
実施例2−2の製造方法と同一の製造方法でガスセンサーを製造し、同様のスタートアップ処理を行った。スタートアップ処理の終了後、ガスセンサーの表面温度をほぼ210℃に維持したままで、二箇所の引き出し電極に、5Hzから5MHzまでの範囲で印加電圧の周波数を任意に変化させうる電源からの端子を接続させた。そして、この引き出し電極に、印加電圧を50mVに維持しつつ0.01Hzから10MHzまで印加周波数を変化しうる電源の端子からの配線を接続して、インピーダンスの計測を行った。計測されたインピーダンスからガスセンサーのキャパシタンスを算出して、ガスセンサーの表面温度が210℃のときのキャパシタンスプロファイルを求めた。その結果を図20の黒丸(●)で示した。
Claims (15)
- 誘電性半導体を有し、気体の吸着状態に応じて導電率が変化する気体検知素子と、
当該気体検知素子に電気的に接続された一対の電極とを備え、
当該一対の電極に印加される極性反転を含み周期的に変化する電圧に応じて変化する電気的応答から、前記気体検知素子への気体の吸着状態を検知可能とすることを特徴とするガスセンサー。 - 誘電性半導体を有し、気体の吸着状態に応じて導電率が変化する気体検知素子と、
前記気体検知素子に対して直列に接続された静電容量部と、
前記気体検知素子および前記静電容量部を含む電気素子の端部に夫々接続された一対の電極とを備え、
当該一対の電極に印加される極性反転を含み周期的に変化する電圧に応じて変化する電気的応答から、前記気体検知素子への気体の吸着状態を検知可能とすることを特徴とするガスセンサー。 - 前記静電容量部のキャパシタンスが前記気体検知素子のキャパシタンスよりも大きい請求項2記載のガスセンサー。
- 前記静電容量部が複数の部材から構成される請求項2または3に記載のガスセンサー。
- 前記気体検知素子の電気的端部をなす面上に直接形成された金属層を備え、
当該金属層の前記気体検知素子側の界面部には当該金属層の金属が改質された誘電性改質層を有し、
当該誘電性改質層は前記静電容量部の少なくとも一部をなす請求項2から4のいずれかに記載のガスセンサー。 - 前記誘電性改質層は、前記気体検知素子を通過した酸素により前記金属層の金属が酸化されてなる酸化膜である請求項5記載のガスセンサー。
- 前記気体検知素子の電気的端部の少なくとも一方をなす面上に直接形成された誘電体層を備え、当該誘電体層が前記静電容量部の少なくとも一部をなすとともに前記気体検知素子への電荷注入を防止する請求項2から6のいずれかに記載のガスセンサー。
- 前記誘電性半導体は、気体吸着によって導電率が低下する特性を有するフラーレン材料である請求項1から7のいずれかに記載のガスセンサー。
- 前記誘電性半導体は有機半導体である請求項1から7のいずれかに記載のガスセンサー。
- 前記誘電性半導体はカーボンナノ材料である請求項1から7のいずれかに記載のガスセンサー。
- 誘電性半導体を有し、気体の吸着状態に応じて導電率が変化する気体検知素子と、当該気体検知素子に接続された一対の電極とを備え、請求項2から4のいずれかに記載のガスセンサーに用いられる気体検知モジュールであって、
当該気体検知モジュールに対して電気的に直列に静電容量部を接続し、
前記気体検知モジュールと前記静電容量部とを含むガスセンサーの電気的端部に極性反転を含み周期的変化する電圧を印加し、
その電圧印加に対する電気的応答から前記気体検知素子への気体の吸着状態を検知可能とすることを特徴とするガスセンサー用気体検知モジュール。 - 請求項1から10のいずれかに記載されるガスセンサーと、当該ガスセンサーの電気的端部に極性反転を含み周期的に変化する電圧を印加可能な電源と、当該電源により印加される電圧に対する前記ガスセンサーの電気的応答を計測する計測手段とを備えることを特徴とする気体計測システム。
- 請求項11に記載される気体検知モジュールと、当該気体検知モジュールに直列に接続された静電容量部と、前記気体検知モジュールと前記静電容量部とを含むガスセンサーの電気的端部に極性反転を含み周期的に変化する電圧を印加可能な電源と、当該電源により印加される電圧に対する前記ガスセンサーの電気的応答を計測する計測手段とを備えることを特徴とする気体計測システム。
- 前記ガスセンサーに吸着した気体を脱離させる気体脱離手段をさらに備える請求項12または13記載の気体計測システム。
- 前記ガスセンサーの温度を計測するための測温手段をさらに有し、当該測温手段は、前記ガスセンサーと同じ構成を有しつつその気体検知素子が気体を吸着しないように封止されたものである請求項12から14のいずれかに記載の気体計測システム。
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