JP2014153135A

JP2014153135A - ガスセンサ及び匂い判別装置

Info

Publication number: JP2014153135A
Application number: JP2013021914A
Authority: JP
Inventors: Koji Sakai; 浩司境; Ryosuke Meshii; 良介飯井; Daisuke Wakabayashi; 大介若林; Kiyotaka Yamada; 清高山田
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2013-02-07
Filing date: 2013-02-07
Publication date: 2014-08-25

Abstract

【課題】複数種類のガスを高精度に検知できるガスセンサ及び匂い判別装置を提供する。
【解決手段】上面の一部を開口する空隙部１０を有する基板１１と、基板１１の上面に支持され、空隙部１０の上方において複数の領域Ｄａ〜Ｄｃを有するダイアフラム部（１５，３５）と、通電されることにより、ダイアフラム部（１５，３５）の複数の領域Ｄａ〜Ｄｃをそれぞれ互いに異なる温度に加熱するヒータ部２１と、ダイアフラム部（１５，３５）の表面に、複数の領域Ｄａ〜Ｄｃ毎に形成され、それぞれ環境ガス中の特定の物質に対して選択性を有して抵抗値が変化する複数の感応膜４５ａ〜４５ｃと、複数の感応膜４５ａ〜４５ｃにそれぞれ接するように形成された複数の電極対４１ａ〜４１ｃとを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の検出部を有するガスセンサ及びこのガスセンサを用いた匂い判別装置に関する。

基板上に形成され、温度分布を有するヒータと、ヒータに対応して形成され、環境ガスに応じて抵抗値が変化する感応膜と、感応膜の抵抗値をヒータの温度分布毎に検出する複数の電極対とを備えるガスセンサが提案されている（特許文献１参照）。このようなガスセンサは、感応膜内において、温度分布を有することによりガスの吸着度を変更し、複数種類のガスを同時に検知することができる。

特開昭５５−１５５２４２号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術は、感応膜が抵抗値の検出位置に対して連続しているため、温度分布が悪化し、高精度な検知結果を得られない可能性があった。
本発明は、上記問題点を鑑み、複数種類のガスを高精度に検知できるガスセンサ及び匂い判別装置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、本発明の第１の態様は、上面の一部を開口する空隙部を有する基板と、前記基板の上面に支持され、前記空隙部の上方において複数の領域を有するダイアフラム部と、通電されることにより、前記ダイアフラム部の複数の領域をそれぞれ互いに異なる温度に加熱するヒータ部と、前記ダイアフラム部の表面に、前記複数の領域毎に形成され、それぞれ環境ガス中の特定の物質に対して選択性を有して抵抗値が変化する複数の感応膜と、前記複数の感応膜にそれぞれ接するように形成された複数の電極対とを備えるガスセンサであることを要旨とする。

また、本発明の第１の態様に係るガスセンサにおいては、前記複数の感応膜は、互いに異なる特定の物質に対して、それぞれ選択性を有することができる。

また、本発明の第１の態様に係るガスセンサにおいては、前記複数の感応膜は、前記複数の領域のうち、最も前記感応膜の反応性が高くなる温度に加熱される領域にそれぞれ形成されることができる。

また、本発明の第１の態様に係るガスセンサにおいては、前記ダイアフラム部は、前記複数の領域を分割するように形成された複数のスリットを有することができる。

また、本発明の第１の態様に係るガスセンサにおいては、前記ヒータ部は、前記複数の領域のうち、前記ダイアフラム部の最も中心側に位置する領域を、最も高温に加熱することができる。

また、本発明の第１の態様に係るガスセンサにおいては、前記複数の感応膜は、前記複数の領域に対して小さい面積とすることができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に係るガスセンサと、匂いの種類と前記匂いの種類毎の原因物質とを匂い情報として記憶する記憶部と、前記匂い情報の原因物質と前記感応膜が選択性を有する特定の物質とを照合し、前記複数の電極対からそれぞれ取得した前記複数の感応膜の抵抗値の変化率に基づいて、前記匂いの種類を判別する判別部とを備える匂い判別装置であることを要旨とする。

また、本発明の第２の態様に係る匂い判別装置においては、前記判別部は、前記複数の感応膜の抵抗値の変化率の大小関係に基づいて、前記匂いの種類を判別することができる。

また、本発明の第１の態様に係るガスセンサにおいては、前記判別部は、前記複数の感応膜の抵抗値の変化率の比率に基づいて、前記匂いの種類を判別することができる。

本発明によれば、複数種類のガスを高精度に検知できるガスセンサ及び匂い判別装置を提供することができる。

（ａ）は、本発明の実施の形態に係るガスセンサの基本的な構成を説明する模式的な平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。（ａ）は、本発明の実施の形態に係るガスセンサの構成を説明する平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。（ａ）は、本発明の実施の形態に係るガスセンサの構成を説明する平面図である。（ｂ）は、（ａ）のＡ−Ａ方向から見た断面図である。本発明の実施の形態に係るガスセンサを備える匂い判別装置の基本的な構成を説明する模式的なブロック図である。本発明の実施の形態に係るガスセンサが備える感応膜が選択性を有する物質を説明する表である。本発明の実施の形態に係るガスセンサが備える感応膜の抵抗値の変化率の時間変化を説明する図である。本発明の実施の形態に係るガスセンサを備える匂い判別装置に用いる匂い情報を説明する表である。

次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法の関係、各層の厚みの比率等は、現実のものとは異なることに留意すべきである。また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

（ガスセンサ）
本発明の実施の形態に係るガスセンサ１は、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、基板１１と、ダイアフラム部（１５，３５）と、ヒータ部２１と、絶縁層３と、検出部４ａ，４ｂ，４ｃとを備える。ガスセンサ１は、概略として矩形平板状であり、半導体製造技術を発展させた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術により、ごく微小に製造される。ガスセンサ１は、例えば、幅及び奥行きが約１〜３ｍｍ四方、高さが約０．２〜０．８ｍｍ程度に形成される。

基板１１は、上面の一部を矩形状に開口する空隙部１０を有する。基板１１は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板から形成され、概略として矩形平板状である。基板１１の空隙部１０は、角錐台状であり、基板１１の上面から下面に貫通するように形成される。空隙部１０は、上方に向かうほど開口面積が小さくなるように形成される。空隙部１０は、例えば、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたマスクを用いて異方性エッチングを行うことにより形成可能である。

基板１１の上面には、支持層１２が、空隙部１０の上側の開口部を塞ぐように形成される。支持層１２は、例えば、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）等の絶縁体からなる。支持層１２は、例えば、熱酸化等により形成可能である。支持層１２は、空隙部１０の上側の開口部に対応する領域に、基板１１の上面と接しない矩形の薄膜部１５を有する。

ヒータ部２１は、図２に示すように、薄膜部１５の上面に、蛇行するように互い違いに屈曲する帯状に形成される。ヒータ部２１の両端は、支持層１２の上面に設けられた２つの端子２２の間にそれぞれ接続される。ヒータ部２１は、例えば、白金（Ｐｔ）、ニッケルクロム合金（ＮｉＣｒ）等の電熱金属やポリシリコン等からなり、通電されることにより抵抗加熱する。ヒータ部２１は、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により支持層１２の上面に形成された材料を、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたマスクを用いて、エッチングを行うことにより形成可能である。

ヒータ部２１は、それぞれ互いに異なる寸法を有することにより、それぞれ互いに異なる温度に発熱する第１ヒータ部２１ａ、第２ヒータ部２１ｂ及び第３ヒータ部２１ｃから構成される。第１ヒータ部２１ａ、第２ヒータ部２１ｂ及び第３ヒータ部２１ｃは、例えば、一本のヒータ部２１において、区間毎に互いに異なる幅を有することによりそれぞれ形成される。第１ヒータ部２１ａ、第２ヒータ部２１ｂ及び第３ヒータ部２１ｃは、例えば、それぞれ、広い幅、狭い幅、中間の幅を有することにより、２５０℃（低温）、４００℃（高温）、３００℃（中温）に発熱する。第１ヒータ部２１ａ、第２ヒータ部２１ｂ及び第３ヒータ部２１ｃは、幅の他、厚さ、配線間隔等が変更されることにより、互いに異なる温度に発熱するようにしてもよい。

絶縁層３は、図３に示すように、支持層１２及びヒータ部２１の表面を上方から覆うように、上面が平坦に形成される。絶縁層３は、例えば、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）等からなり、スパッタリング法、化学気相成長（ＣＶＤ）法等により形成される。絶縁層３は、薄膜部１５に対応する領域に絶縁部３５を有する。薄膜部１５と絶縁部３５とはダイアフラム部（１５，３５）を構成する。

ダイアフラム部（１５，３５）は、平面パターンにおいて互いに重畳しない３つの領域Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃと、領域Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃを分割するように形成され、ダイアフラム部（１５，３５）の上面から下面に貫通する複数本のスリット３０とを有する。領域Ｄａ〜Ｄｃは、それぞれ矩形の領域であり、ダイアフラム部（１５，３５）を１方向に３等分するように形成される。

第１ヒータ部２１ａ、第２ヒータ部２１ｂ及び第３ヒータ部２１ｃは、それぞれ領域Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃに形成され、通電されることにより、領域Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃをそれぞれ互いに異なる温度に加熱する。ダイアフラム部（１５，３５）の領域Ｄａ〜Ｄｃは、それぞれ、第１ヒータ部２１ａ、第２ヒータ部２１ｂ及び第３ヒータ部２１ｃにより、例えば、２５０℃、４００℃、３００℃に加熱される。ダイアフラム部（１５，３５）は、複数のスリット３０を有することにより、領域Ｄａ〜Ｄｃが互いに熱的に分離され、ダイアフラム部（１５，３５）上の温度分布が向上する。

ヒータ部２１は、領域Ｄａ〜Ｄｃのうち、ダイアフラム部（１５，３５）の最も中心側に位置する領域Ｄｂを、最も高温となるように加熱する。最も高温となる領域Ｄｂは、複数のスリット３０が、周囲を囲むように領域Ｄｂの４辺に対応して形成されることにより、外に伝達する熱量が低減される。

最も低温となる領域Ｄａは、ダイアフラム部（１５，３５）の外周側に位置する。領域Ｄａは、ダイアフラム部（１５，３５）の外周に隣接する３辺に対応する箇所に、スリット３０が形成されないことにより、基板１１に伝達する熱量が増加される。このように、複数のスリット３０は、ダイアフラム部（１５，３５）の領域Ｄａ〜Ｄｃの温度分布に応じて、本数、配置等を調節されて形成される。

検出部４ａ，４ｂ，４ｃは、それぞれ、電極対４１ａ，４１ｂ，４１ｃと、端子対４２ａ，４２ｂ，４２ｃと、感応膜４５ａ，４５ｂ，４５ｃとを備える（図１参照）。電極対４１ａ〜４１ｃは、領域Ｄａ〜Ｄｃのそれぞれ一部に形成される。電極対４１ａ〜４１ｃは、互いに嵌合するように対向して配置された、それぞれ２つの櫛形電極からなる。電極対４１ａ〜４１ｃは、それぞれ２つの櫛形電極の間隔が数十μｍとなるように形成される。端子対４２ａ〜４２ｃは、絶縁層３の上面のダイアフラム部（１５，３５）の外周部に形成された、それぞれ２つの端子からなる。電極対４１ａ〜４１ｃは、それぞれ対応して端子対４２ａ〜４２ｃに接続される。

電極対４１ａ〜４１ｃ及び端子対４２ａ〜４２ｃは、例えば、白金（Ｐｔ）、金（Ａｕ）等の金属材料からなる。電極対４１ａ〜４１ｃ及び端子対４２ａ〜４２ｃは、例えば、スパッタリング法、ＣＶＤ法等により絶縁層３の上面に形成された材料を、フォトリソグラフィ技術によりパターニングされたマスクを用いて、エッチングを行うことにより形成可能である。

感応膜４５ａ〜４５ｃは、ダイアフラム部（１５，３５）及び電極対４１ａ〜４１ｃの上面に、電極対４１ａ〜４１ｃをそれぞれ覆うように領域Ｄａ〜Ｄｃ毎に形成される。よって、電極対４１ａ〜４１ｃは、感応膜４５ａ〜４５ｃにそれぞれ接している。感応膜４５ａ〜４５ｃは、それぞれ、環境ガス中の互いに異なる特定の物質に対して、選択性を有して吸着することにより抵抗値が変化する。感応膜４５ａ〜４５ｃは、例えば、酸化物半導体、有機半導体等からなる。

感応膜４５ａ〜４５ｃは、それぞれ、領域Ｄａ〜Ｄｃのうち、最も特定の物質に対する反応性が高くなる温度に加熱される領域にそれぞれ形成されている。感応膜４５ａ〜４５ｃは、電極対４１ａ〜４１ｃに対応して領域Ｄａ〜Ｄｃのそれぞれ一部に形成される。感応膜４５ａ〜４５ｃは、それぞれ、領域Ｄａ〜Ｄｃに対して小さい面積であることにより、感応膜４５ａ〜４５ｃ内での温度分布が極力均一化される。

本発明の実施の形態に係るガスセンサ１によれば、ダイアフラム部（１５，３５）の領域Ｄａ〜Ｄｃ毎に形成された感応膜４５ａ〜４５ｃを備えるので、小型に製造可能であるとともに、温度分布が向上し、複数種類のガスを高精度に検知できる。

また、本発明の実施の形態に係るガスセンサ１によれば、感応膜４５ａ〜４５ｃが互いに異なる物質に対して選択性を有し、それぞれ最適な温度分布とされることにより、複数種類のガスを更に高精度に検知できる。

（匂い判別装置）
本発明の実施の形態に係るガスセンサ１を備える匂い判別装置は、図４に示すように、信号処理部５と、種類判別部６と、匂い情報記憶部７と、出力部８とを備える。ガスセンサ１の検出部４ａ〜４ｃの感応膜４５ａ，４５ｂ，４５ｃは、例えば、図５に示すように、それぞれ、メルカプタン、アンモニア（ＮＨ_３）、アルデヒドに対して選択性を有する。また、感応膜４５ａ，４５ｂ，４５ｃは、それぞれ、２５０℃、３００℃、４００℃程度において、メルカプタン、アンモニア、アルデヒドに対する反応性が最も高くなる。

信号処理部５は、それぞれ異なる温度に加熱された感応膜４５ａ〜４５ｃの抵抗値を示す信号を、検出部４ａ〜４ｃの電極対４１ａ〜４１ｃから、端子対４２ａ〜４２ｃを介して入力する。信号処理部５は、検出部４ａ〜４ｃから入力した信号を、それぞれ、種類判別部６が読み取り可能な信号に変換するよう処理し、種類判別部６に出力する。

種類判別部６は、匂い情報記憶部７の記憶内容を参照し、電極対４１ａ〜４１ｃから信号処理部５を介してそれぞれ取得した感応膜４５ａ〜４５ｃの抵抗値の変化率に基づいて、匂いの種類を判別する。

感応膜４５ａ〜４５ｃの抵抗値の変化率の大小関係が、例えば、図６に示すように、４５ａ＞４５ｃ＞４５ｂとなっているとする。このとき、感応膜４５ａ〜４５ｃそれぞれが選択性を有する物質から、環境ガスの成分は、メルカプタン、アルデヒド、アンモニアの順で構成されていることが理解できる。

匂い情報記憶部７は、図７に示すように、匂いの種類と、匂いの種類毎の匂い原因物質とを匂い情報として記憶する。例えば、匂いの種類「タバコ臭」に対して、匂いの原因物質は、「タバコ臭」の環境ガス中において成分の多い順に、アセトアルデヒド（ＣＨ_３ＣＨＯ）、硫化水素（Ｈ_２Ｓ）等である。図５及び図６に示す例では、環境ガスは、成分の多い順にメルカプタン、アルデヒド、アンモニアを含むので、種類判別部６は、匂いの種類を、原因物質にメルカプタン、アルデヒドを含む「生ごみ臭」と推定し、判別する。

このように、種類判別部６は、匂い情報記憶部７が記憶する匂い情報の原因物質と、感応膜４５ａ〜４５ｃが選択性を有する特定の物質とを照合し、感応膜４５ａ〜４５ｃの抵抗値の変化率の大小関係に基づいて、匂いの種類を判別する。出力部８は、種類判別部６が判別した結果である匂いの種類を、音声、文字、光、画像、電気信号等により外部に出力する。

本発明の実施の形態に係るガスセンサ１を備える匂い判別装置は、感応膜４５ａ〜４５ｃの抵抗値の変化率に基づいて、匂いの種類を判別することにより、小型に製造可能であり、高精度に環境ガスの匂いを判別することができる。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明は上記の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

例えば、既に述べた実施の形態において、匂い判別装置の種類判別部６は、感応膜４５ａ〜４５ｃの抵抗値の変化率の比率に基づいて、匂いの種類を判別するようにしてもよい。この場合、匂い情報記憶部７が記憶する匂い情報は、原因物質と併せて、原因物質の比率を含む。種類判別部６は、感応膜４５ａ〜４５ｃの抵抗値の変化率の比率と、匂い情報記憶部７が記憶する原因物質の比率とを照合することにより、匂いの種類を高精度に判別することができる。

また、既に述べた実施の形態において、ガスセンサ１の支持層１２、ヒータ部２１、絶縁層３等は、複数種類の材料が積層された多層構造であってよい。同様に、感応膜４５ａ〜４５ｃも、有機化合物膜、金属膜、金属酸化物膜を含む多層構造であってよい。

また、既に述べた実施の形態において、基板１１及び支持層１２は、半導体基板に対して下面から異方性エッチングを行うことにより空隙部及び薄膜部を形成し、半導体基板の上面を熱酸化処理することにより絶縁層を形成した構成としてもよい。

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

Ｄａ，Ｄｂ，Ｄｃ領域
１ガスセンサ
６種類判別部（判別部）
７情報記憶部（記憶部）
１０空隙部
１１基板
（１５，３５）ダイアフラム部
２１，２１ａ，２１ｂ，２１ｃヒータ部
３０スリット
４１ａ，４１ｂ，４１ｃ電極対
４５ａ，４５ｂ，４５ｃ感応膜

Claims

上面の一部を開口する空隙部を有する基板と、
前記基板の上面に支持され、前記空隙部の上方において複数の領域を有するダイアフラム部と、
通電されることにより、前記ダイアフラム部の複数の領域をそれぞれ互いに異なる温度に加熱するヒータ部と、
前記ダイアフラム部の表面に、前記複数の領域毎に形成され、それぞれ環境ガス中の特定の物質に対して選択性を有して抵抗値が変化する複数の感応膜と、
前記複数の感応膜にそれぞれ接するように形成された複数の電極対と
を備えることを特徴とするガスセンサ。
前記複数の感応膜は、互いに異なる特定の物質に対して、それぞれ選択性を有することを特徴とする請求項１に記載のガスセンサ。
前記複数の感応膜は、前記複数の領域のうち、最も前記感応膜の反応性が高くなる温度に加熱される領域にそれぞれ形成されることを特徴とする請求項２に記載のガスセンサ。
前記ダイアフラム部は、前記複数の領域を分割するように形成された複数のスリットを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のガスセンサ。
前記ヒータ部は、前記複数の領域のうち、前記ダイアフラム部の最も中心側に位置する領域を、最も高温に加熱することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のガスセンサ。
前記複数の感応膜は、前記複数の領域に対して小さい面積であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサと、
匂いの種類と前記匂いの種類毎の原因物質とを匂い情報として記憶する記憶部と、
前記匂い情報の原因物質と前記感応膜が選択性を有する特定の物質とを照合し、前記複数の電極対からそれぞれ取得した前記複数の感応膜の抵抗値の変化率に基づいて、前記匂いの種類を判別する判別部と
を備えることを特徴とする匂い判別装置。
前記判別部は、前記複数の感応膜の抵抗値の変化率の大小関係に基づいて、前記匂いの種類を判別することを特徴とする請求項７に記載の匂い判別装置。
前記判別部は、前記複数の感応膜の抵抗値の変化率の比率に基づいて、前記匂いの種類を判別することを特徴とする請求項７に記載の匂い判別装置。