JP2017191021A - 窒素酸化物系ガスセンサ、酸素ポンプ、ガスセンサ装置、ガスセンサ装置の製造方法、およびセンサネットワークシステム - Google Patents

窒素酸化物系ガスセンサ、酸素ポンプ、ガスセンサ装置、ガスセンサ装置の製造方法、およびセンサネットワークシステム Download PDF

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Abstract

【課題】組み立てが容易で、ＮＯｘガスのセンシングの精度を向上でき、ＮＯｘガス検出の高感度化が可能な窒素酸化物系ガスセンサ、酸素ポンプ、ガスセンサ装置、ガスセンサ装置の製造方法、およびセンサネットワークシステムを提供する。【解決手段】窒素酸化物系ガスセンサは、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた基板１２と、基板１２上に配置されたマイクロヒータＭＨと、マイクロヒータＭＨ上に配置された下部電極２８Ｄと、下部電極２８Ｄ上に配置された固体電解質層３０と、固体電解質層３０上の、下部電極２８Ｄに対向する面に配置され、被測定ガスが導入される上部電極２８Ｕと、基板１２に形成されたキャビティ部Ｃと、キャビティ部Ｃと下部電極２８Ｄとの間を連結するように配置されたガス流路ＭＣとを備える限界電流式ガスセンサ１によって構成される。【選択図】図１３

Description

本実施の形態は、窒素酸化物系ガスセンサ、酸素ポンプ、ガスセンサ装置、ガスセンサ装置の製造方法、およびセンサネットワークシステムに関する。
従来、被測定ガス中における水蒸気の濃度を検出する湿度センサとして、抵抗変化型、容量変化型、ジルコニア（ＺｒＯ2 ）固体電解質型などが知られている。特に、近年では、ジルコニア薄膜限界電流型が注目されている。このタイプの限界電流式酸素センサは、高信頼性でリニアリティが良いという長所がある。
また、ジルコニア固体電解質型としては、排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘガス）の濃度を測定する、例えば車載用ＮＯｘセンサへの適用も試みられている。
特開２０１５−２１５３３４号公報 特開２０１５−１５５８８７号公報 特開２０１４−１９０９３９号公報 特開２０１４−１９０９４０号公報
高橋英昭、佐治啓市、近藤春義、「薄膜限界電流式酸素センサ」 豊田中央研究所Ｒ＆Ｄ レビュー Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．２（１９９２．６） Keiichi SAJI,Tadashi INABA,and Jiro SAKATA,"Thin-film limiting-current type NOx sensor",Chemical Sensors,Vol.20,Supplement B (2004)
しかしながら、ジルコニア薄膜限界電流型の限界電流式ガスセンサにおいては、センサ特性の、さらなる改善と安定化とが求められている。
本実施の形態は、組み立てが容易で、ＮＯｘガスのセンシングの精度を向上でき、ＮＯｘガス検出の高感度化が可能な窒素酸化物系ガスセンサ、酸素ポンプ、ガスセンサ装置、ガスセンサ装置の製造方法、およびガスセンサ装置を適用可能なセンサネットワークシステムを提供する。
本実施の形態の一態様によれば、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた基板と、前記基板上に配置されたヒータと、前記ヒータ上に配置された下部電極と、前記下部電極上に配置された固体電解質層と、前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置され、被測定ガスが導入される上部電極と、前記基板に形成されたキャビティ部と、前記キャビティ部と前記下部電極との間を連結するように配置されたガス流路とを備え、前記被測定ガス中の窒素酸化物の濃度を検出する窒素酸化物系ガスセンサが提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた基板と、前記基板上に配置されたヒータと、前記ヒータ上に配置された下部電極と、前記下部電極上に配置された固体電解質層と、前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置され、被測定ガスが導入される上部電極と、前記基板に形成されたキャビティ部と、前記キャビティ部と前記下部電極との間を連結するように配置されたガス流路とを備え、前記被測定ガス中の酸素をポンピングする酸素ポンプが提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、下部基板、および前記下部基板上に配置される上部基板を備え、第１の連結路を介して被測定ガスが導入される第１の測定空間と、前記第１の測定空間に第２の連結路を介して接続された第２の測定空間とを有する外囲器と、前記第１の測定空間内に配置され、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた第１の酸素ポンプ、および前記第２の測定空間内に配置され、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた第２の酸素ポンプと、前記第２の測定空間内に配置され、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた窒素酸化物系ガスセンサとを備えるガスセンサ装置が提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、外囲器を構成する下部基板または上部基板の、第１の連結路を介して被測定ガスが導入される第１の測定空間内に、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備える第１の酸素ポンプを実装し、前記第１の測定空間に第２の連結路を介してつながる第２の測定空間内に、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備える第２の酸素ポンプを実装する工程と、前記第２の測定空間内に、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備える窒素酸化物系ガスセンサを実装する工程と、前記下部基板と前記上部基板とを接合する工程とを有するガスセンサ装置の製造方法が提供される。
本実施の形態の他の態様によれば、上記したいずれかのガスセンサ装置を備えるセンサネットワークシステムが提供される。
本実施の形態によれば、組み立てが容易で、ＮＯｘガスのセンシングの精度を向上でき、ＮＯｘガス検出の高感度化が可能な窒素酸化物系ガスセンサ、酸素ポンプ、ガスセンサ装置、ガスセンサ装置の製造方法、およびガスセンサ装置を適用可能なセンサネットワークシステムを提供することができる。
比較例に係る車載向け窒素酸化物（ＮＯｘガス）センサの模式的断面構造図。 本実施の形態に係るＮＯｘセンサが適用されるガスセンサ装置の動作原理を模式的に示す図であって、（ａ）ＮＯセンサを例に示す概略構成図、（ｂ）図２（ａ）のＡ枠内を拡大して示すＮＯセンサの動作原理説明図。 本実施の形態に係る酸素（Ｏ2 ）ポンプのＶ−Ｉ特性を示す概略図。 本実施の形態に係るＮＯｘセンサのＶ−Ｉ特性を示す概略図。 第１の実施の形態に係るＮＯｘセンサを適用可能なガスセンサ装置の模式的断面構造図。 第２の実施の形態に係るＮＯｘセンサを適用可能なガスセンサ装置の模式的断面構造図。 図６に示したガスセンサ装置を例に、その製造プロセスの一工程を示す模式的平面図。 図６に示したガスセンサ装置を例に、その製造プロセスの一工程を示す模式的平面図。 図６に示したガスセンサ装置を例に、その製造プロセスの一工程を示す模式的平面図。 図６に示したガスセンサ装置を例に、その製造プロセスの一工程を示す模式的平面図。 図６に示したガスセンサ装置を例に、その製造プロセスの一工程を示す模式的平面図。 図６に示したガスセンサ装置を例に、その製造プロセスの一工程を示す図であって、図１１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図。 本実施の形態に係るＮＯｘセンサとして適用可能な限界電流式ガスセンサの構成例を示す図であって、（ａ）ガスセンサの模式的平面図、（ｂ）図１３（ａ）のＩＩ−ＩＩＢ線に沿うガスセンサの模式的断面構造図。 図１３に示した限界電流式ガスセンサの他の構成例を示す模式的断面構造図。 図１４に示した限界電流式ガスセンサの要部を拡大して示す模式的断面構造図。 図１５に示した限界電流式ガスセンサの要部の形成方法を示す模式的平面図。 図１５に示した限界電流式ガスセンサの要部の形成方法を示す模式的平面図。 図１５に示した限界電流式ガスセンサの要部の形成方法を示す模式的平面図。 図１５に示した限界電流式ガスセンサの要部の形成方法を示す模式的平面図。 本実施の形態に係るＮＯｘセンサの実装例を示す模式的断面構造図。 本実施の形態に係るＮＯｘセンサの他の実装例を示す模式的断面構造図。 本実施の形態の第１変形例に係るＮＯｘセンサを実装可能なガスセンサ装置の模式的断面構造図。 本実施の形態の第２変形例に係るＮＯｘセンサを実装可能なガスセンサ装置の模式的断面構造図。 本実施の形態に係るＮＯｘセンサの他の実装例を示す図であって、（ａ）正方格子例、（ｂ）三角格子例。 本実施の形態に係るＮＯｘセンサの他の実装例を示す図であって、（ａ）長方格子例、（ｂ）菱型格子例。 図１３（ｂ）に示した限界電流式ガスセンサの電極配置の変形例を示す図であって、（ａ）第１の模式的断面構造図、（ｂ）第２の模式的断面構造図、（ｃ）第３の模式的断面構造図、（ｄ）第４の模式的断面構造図、（ｅ）第５の模式的断面構造図、（ｆ）第６の模式的断面構造図、（ｇ）第７の模式的断面構造図、（ｈ）第８の模式的断面構造図。 図１３（ｂ）に示した限界電流式ガスセンサのセンサ部の変形例を示す図であって、（ａ）第１の模式的断面構造図、（ｂ）第２の模式的断面構造図、（ｃ）第３の模式的断面構造図、（ｄ）第４の模式的断面構造図、（ｅ）第５の模式的断面構造図、（ｆ）第６の模式的断面構造図。 本実施の形態に係るＮＯｘセンサを適用可能なセンサネットワークの模式的ブロック構成図。
次に、図面を参照して、実施の形態について説明する。なお、図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率などは現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
また、以下に示す実施の形態は、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、構成部品の材質、形状、構造、配置などを下記のものに特定するものでない。各実施の形態は、特許請求の範囲内において、種々の変更を加えることができる。
なお、以下にする実施の形態の説明においては、便宜上、下部電極２８Ｄ側から上部電極２８Ｕ側に至る方向を上方（上方向）、その逆を下方（下方向）と定義する。また、定義した上方向および下方向に対して、実質的に同一な方向を面直方向といい、実質的に直交する方向を面内方向という。
（比較例）
まず、本実施の形態に係るＮＯｘセンサが適用されるガスセンサ装置について説明する前に、比較例に係る車載用ＮＯｘセンサについて簡単に説明する。
比較例に係る車載用ＮＯｘセンサは、図１に示すように、ジルコニアの酸素イオン伝導性を応用したセンサ基板（ジルコニア固体電解質の積層構造体）８０を有する。センサ基板８０内には、加熱用ヒータ３０６が埋設されている。
センサ基板８０には、２つの空間１００・２００が設けられる。ガス導入口につながる第１の空間１００内には、第１の酸素ポンプを構成する一対の電極１０２・１０４の一方（例えば、電極１０４）が配置される。第１の酸素ポンプの他方の電極１０２は、一方の電極１０４の配置面と対向するセンサ基板８０の他方の面に配置される。第２の空間２００内には、第２の酸素ポンプを構成する一対の電極２０２・２０４の一方（例えば、電極２０４）と、ＮＯ検出センサを構成する一対の電極３０２・３０４の一方（例えば、電極３０２）とが設けられる。
第１の酸素ポンプの他方の電極１０２は、センサ基板８０の一方の電極１０４と対向する面に、第２の酸素ポンプの他方の電極２０２は、センサ基板８０の一方の電極２０４と対向する面に、それぞれ配置される。ＮＯ検出センサを構成する他方の電極３０４は、空気孔３００内において、センサ基板８０の一方の電極３０２と対向する面に配置される。
このような構成の車載用ＮＯｘセンサにおいて、第１の酸素ポンプは、電極１０２・１０４間に所定の電圧が印加されることによって図示矢印の方向に導入される排ガス中の酸素を除去し（Ｏ2 →数ppm）、第２の酸素ポンプは、電極２０２・２０４間に所定の電圧が印加されることによって排ガス中の酸素をさらに除去する（Ｏ2 →１０-3ppm）。ＮＯ検出センサは、電極３０２・３０４間に所定の電圧が印加されることによって酸素が除去された後の排ガス中の窒素酸化物（ＮＯｘ）を酸素Ｏ2 と窒素Ｎ2 とに分解（ＮＯ→１／２ Ｎ2 ＋１／２ Ｏ2 ）し、その分解時に生成されるＯ2 濃度を測定することで、排ガス中のＮＯｘ濃度に比例した信号を出力する。酸素Ｏ2 の除去は、平衡反応（ＮＯ←→Ｎ2 ＋Ｏ2 ）でのＮＯの分解（還元）を促進させる。
しかしながら、比較例に係る車載用ＮＯｘセンサにおいては、排ガス中にアンモニア（ＮＨ3 ）が含まれる場合、第１の酸素ポンプの電極１０２・１０４を構成するプラチナ（Ｐｔ）属系金属での可燃成分の酸化によりＮＨ3 がＮＯに変化するため、排ガス中のＮＯｘ濃度を正しく検出できない問題がある（４ＮＨ3 ＋５Ｏ2 →４ＮＯ＋６Ｈ2 Ｏ）。そのため、排ガス中にＮＨ3 が含まれる場合であっても、排ガス中のＮＯｘ濃度を正しく検出できるようにすることが望まれている。
以下に、本実施の形態について説明する。なお、以下の説明において、Ｓｉは、半導体材料であるシリコン、Ｐｔは、多孔質材料としてのプラチナ（Platinum）であり、Ｔｉは、電極材料としてのチタン（Titanium）であり、ＹＳＺは、固体電解質材料としてのイットリウム安定化ジルコニア（Yttria-Stabilized Zirconia）である。
なお、本実施の形態において、酸素（Ｏ2 ）ポンプ１０およびＮＯｘセンサ２０は実質的に同一の構成を有しており、後述する限界電流式ガスセンサ１は、酸素ポンプ１０およびＮＯｘセンサ２０のいずれにも適用可能である。
［ＮＯセンサの動作原理］
湿度（ＮＯ）検出のためのＮＯセンサの基本構造は、図２（ａ）に示すように表され、ＮＯセンサの基本的な動作原理は、図２（ｂ）に示すように表される。
すなわち、ＮＯセンサは、図２（ａ）に示すように、ポーラスＰｔ膜からなる下部電極と、下部電極上に配置された固体電解質層（ＹＳＺ）と、下部電極に対向する固体電解質層上に配置された上部電極（ポーラスＰｔ膜）とを備える。
下部電極をアノード、上部電極をカソードとして電源より所定の電圧Ｅを印加すると、図２（ｂ）に示すように、ＮＯセンサにおいて、酸素のイオン化や酸素イオンの伝導が発生する。
ＮＯセンサは、約７００℃に加熱された状態において、所定の電圧Ｅとして、例えば０．４Ｖ以上の電圧が印加されると、電源からの電子ｅ- の供給に伴って、排ガス中の窒素酸化物ＮＯｘが窒素原子Ｎと酸素原子Ｏとに分解される。分解された窒素原子Ｎは、分子Ｎ2 となって、例えば固体電解質層と上部電極との界面付近より放出され、分解された酸素原子Ｏは、分子Ｏ2 となって、例えば固体電解質層と下部電極との界面付近より放出される。
その過程において、固体電解質層の界面付近では、一部の酸素原子Ｏが電子ｅ- との結合によりイオン化されて酸素イオンＯ2-となり、酸素イオン空孔へと伝導される。
このような酸素のイオン化や酸素イオンの伝導といった現象の発生は、ＮＯの濃度に比例するため、ＮＯセンサの限界電流値はＮＯの濃度に応じて変化する。
［ガスセンサのＩ−Ｖ特性］
ここで、本実施の形態に係るＮＯｘセンサを適用可能なガスセンサ装置５は、図５に示すように、排ガス（被測定ガス）中の酸素をポンピングする酸素ポンプ１０（１０1 ・１０2 ）と、排ガス中におけるＮＯｘ濃度（所定のガス濃度）を検出するＮＯｘセンサ２０とを備える。
酸素ポンプ１０1 ・１０2 のＩ−Ｖ特性は、図３に示すように表され、ＮＯｘセンサ２０のＩ−Ｖ特性は、図４に示すように表される。
ＮＯｘセンサ２０は、排ガス中のＮＯｘ濃度を、ＮＯが分解されることにより生成される酸素の濃度を測定することによって検出するもので、いわば酸素センサである。したがって、図３および図４からも明らかなように、ポンピングによって排ガス中の酸素濃度を十分に下げ、電流値における酸素濃度によるオフセット分を排除することにより、酸素センサはそのままＮＯｘセンサとしても利用できる。
［第１の実施の形態］
第１の実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置５の模式的断面構造は、図５に示すように表される。
すなわち、第１の実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置５は、図５に示すように、下部基板２、および下部基板２上に配置される上部基板４を備え、排ガスＥＧが導入されるセンサ装置本体（外囲器）６と、センサ装置本体６の、下部基板２と上部基板４とによって形成されるざぐり構造の測定室（測定空間）１００・２００内に配置されて、排ガスＥＧ中の酸素をポンピングする酸素ポンプ（第１・第２の酸素ポンプ）１０1 ・１０2 と、センサ装置本体６の、下部基板２と上部基板４とによって形成される測定室２００内に配置されて、排ガスＥＧ中のＯ2 濃度に基づいてＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ（ガスセンサ）２０とを備える。
ガスセンサ装置５は、下部基板２、および下部基板２上に配置される上部基板４を備え、第１の連結路６Ａを介して被測定ガスＥＧが導入される第１の測定空間１００と、第１の測定空間１００に第２の連結路６Ｂを介して接続された第２の測定空間２００とを有する外囲器６と、第１の測定空間１００内に配置され、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた第１の酸素ポンプ１０1 、および第２の測定空間２００内に配置され、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた第２の酸素ポンプ１０2 と、第２の測定空間２００内に配置され、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた窒素酸化物系ガスセンサ２０とを備える。
測定室２００内において、酸素ポンプ１０2 およびＮＯｘセンサ２０は、それぞれ面直方向で対向するように、上部基板４と下部基板２とに配置されている。
センサ装置本体６は、例えば接着剤層１３によって、下部基板２と上部基板４とを貼り合わせてなる構成とされる。下部基板２および上部基板４は、例えばシリコン（Ｓｉ）基板によって形成することができる。
Ｓｉ基板は、比較例に示したような固体電解質層（ＹＳＺ膜）に比べて加工や細工がしやすいため、ガスセンサ装置５の組み立て・製造が容易である。
酸素ポンプ１０1 は、測定室１００内の上部基板４に実装され、流路６Ａを介して、測定室１００内に導かれた排ガスＥＧ中の酸素を除去する（Ｏ2 →数ppm）。酸素ポンプ１０2 は、測定室２００内の上部基板４に実装され、流路６Ａを介して、測定室２００内に導かれた排ガスＥＧ中の酸素をさらに除去する（Ｏ2 →１０-3ppm）。酸素ポンプ１０1 ・１０2 によって排ガスＥＧ中より除去されたＯ2 ガスは、流路Ｃ１・Ｃ２より、センサ装置本体６の外部へと排気される。
ＮＯｘセンサ２０は、測定室２００内の下部基板２に実装され、Ｏ2 ガスの除去によりＮＯ←→Ｎ2 ＋Ｏ2 の平衡反応でのＮＯ分解（還元）が促進された排ガスＥＧ中のＮＯｘ濃度を検出する（ＮＯ→１／２ Ｎ2 ＋１／２ Ｏ2 ）。ＮＯｘセンサ２０によって検出されたＮＯｘガスは、流路Ｃ３を介して、センサ装置本体６の外部へと排気される。
詳細な説明は後述するが、酸素ポンプ１０1 ・１０2 およびＮＯｘセンサ２０は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）梁構造の基板を備えたガスセンサであって、実質的に同一の構成を有している。
ガスセンサ装置５は、酸素ポンプ１０1 ・１０2 およびＮＯｘセンサ２０とセンサ装置本体６とが別途に形成されるので、実装する酸素ポンプ１０1 ・１０2 およびＮＯｘセンサ２０の性能に応じて、ガスセンサ装置５としての感度やセンシングの精度を簡単に変更できる。
第１の実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置５によれば、センサ装置本体の形成にＳｉ基板を採用したことにより、組み立てが容易で、センサ装置本体に実装されるガスセンサを高性能なものとすることによって、センサ感度やセンシングの精度を簡単に向上できる。
特に、酸素ポンプ１０2 およびＮＯｘセンサ２０を測定室２００内の面直方向に対向させて配置した構成としたことによって、センサ装置本体６の面内方向のサイズを小さくできる。
したがって、第１の実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置５は、例えば車載用ＮＯｘセンサとしての採用が好適である。
なお、測定室１００・２００は、下部基板２または上部基板４のいずれか一方に形成される構成としても良い。
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置７の模式的断面構造は、図６に示すように表される。
すなわち、第２の実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置７は、図６に示すように、センサ装置本体８の、上部基板４によって形成される測定室（測定空間）１００・２００内に配置されて、排ガスＥＧ中の酸素をポンピングする酸素ポンプ１０1 ・１０2 と、センサ装置本体８の、上部基板４によって形成される測定室２００内に配置されて、排ガスＥＧ中のＯ2 濃度に基づいてＮＯｘ濃度を検出するＮＯｘセンサ２０とを備える。
酸素ポンプ１０1 ・１０2 およびＮＯｘセンサ２０が、センサ装置本体８の下部基板２上に実装されている以外は、図５に示したガスセンサ装置５と実質的に同様である。
具体的には、酸素ポンプ１０1 は、測定室１００内の下部基板２に実装され、流路８Ａを介して、測定室１００内に導かれた排ガスＥＧ中の酸素を除去する。酸素ポンプ１０2 は、測定室２００内の下部基板２に実装され、流路８Ａを介して、測定室２００内に導かれた排ガスＥＧ中の酸素をさらに除去する。酸素ポンプ１０1 ・１０2 によって排ガスＥＧ中より除去されたＯ2 ガスは、流路Ｃ１・Ｃ２より、センサ装置本体８の外部へと排気される。
ＮＯｘセンサ２０は、測定室２００内の下部基板２に実装され、Ｏ2 ガスが除去された排ガスＥＧ中のＮＯｘ濃度を検出する。ＮＯｘセンサ２０によって検出されたＮＯｘガスは、流路Ｃ３を介して、センサ装置本体８の外部へと排気される。
このように、第２の実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置７の場合、測定室２００内において、酸素ポンプ１０2 およびＮＯｘセンサ２０が、それぞれ面内方向で隣接するように、下部基板２に配置されている。
このような構成の第２の実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置７によっても、第１の実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置５と同様な効果が期待できる。
特に、酸素ポンプ１０2 およびＮＯｘセンサ２０を測定室２００内の面内方向に隣接させて配置した構成としたことによって、センサ装置本体６の面直方向のサイズを小さくできる。
なお、測定室１００・２００は、下部基板２に形成される構成としても良し、酸素ポンプ１０1 ・１０2 およびＮＯｘセンサ２０を上部基板4側に実装させる構成としても良い。
（製造プロセス）
図６に示したガスセンサ装置７を例に、製造プロセスについて説明する。
第２の実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置７の製造プロセスの一例が、図７〜図１２に示される。
ガスセンサ装置７を製造するに際しては、まず、図７に示すように、センサ装置本体８を構成する下部基板２が準備される。下部基板２には、例えば、上部基板４に形成される測定室１００・２００に対応させて、流路Ｃ１・Ｃ２・Ｃ３が形成されている。
また、下部基板２には、測定室１００・２００をそれぞれ取り囲むようにして、接着剤層１３が塗布される。接着剤層１３には、流路８Ａに対応して、接着剤が塗布されていない切欠き部Ｄ１・Ｄ２が設けられている。
同様に、ガスセンサ装置７を製造するに際しては、図８に示すように、センサ装置本体８を構成する上部基板４が用意される。上部基板４には、酸素ポンプ１０1 ・１０2 およびＮＯｘセンサ２０を実装するための測定室１００・２００が形成されている。
図９には、予め準備された下部基板２に対して、別途に形成された酸素ポンプ１０1 ・１０2 およびＮＯｘセンサ２０を実装した状態が示されている。
また、図１０には、酸素ポンプ１０1 ・１０2 およびＮＯｘセンサ２０が実装された下部基板２上に、上部基板４を接合させた状態が示されている。なお、図１０では、ガスセンサ装置７を、上部基板４を透過させた状態で示している。
こうして組み立てられたガスセンサ装置７の模式的平面パターン構成は、図１１に示すように表され、図１１のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図１２に示すように表される。
以上のプロセスを経て、第２の実施の形態に係るガスセンサを搭載したガスセンサ装置７が完成する。
すなわち、ガスセンサ装置７の製造方法は、外囲器８を構成する下部基板２または上部基板４の、第１の連結路８Ａを介して被測定ガスＥＧが導入される第１の測定空間１００内に、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備える第１の酸素ポンプ１０1 を実装し、第１の測定空間１００に第２の連結路８Ｂを介してつながる第２の測定空間２００内に、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備える第２の酸素ポンプ１０2 を実装する工程と、第２の測定空間２００内に、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備える窒素酸化物系ガスセンサ２０を実装する工程と、下部基板２と上部基板４とを接合する工程とを有する。
ガスセンサ装置７の製造に際しては、要求されるＮＯｘガスの検出の精度などに応じて、実装するガスセンサの性能を変更したり、下部基板２および上部基板４のレイアウトなどの変更が容易であり、自由度が高い。
（ガスセンサの具体例）
本実施の形態に係るガスセンサ１の模式的平面パターン構成は、図１３（ａ）に示すように表され、図１３（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿うガスセンサ１の模式的断面構造は、図１３（ｂ）に示すように表される。
なお、本実施の形態において、酸素ポンプ１０およびＮＯｘセンサ２０は実質的に同一の構成を有しており、ガスセンサ１は、酸素ポンプ１０およびＮＯｘセンサ２０のいずれにも適用可能である。
まず、構成の概略について説明すると、本実施の形態に係るガスセンサ１は、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、ＭＥＭＳ梁構造を備える基板１２上に設けられた、マイクロヒータ（第１・第２のヒータ）ＭＨ、センサ部（第１・第２のセンサ部）ＳＰ、ヒータ接続部２１・２２、端子電極接続部２３・２４、およびガス流路（第１・第２のガス流路）ＭＣなどを備える。
センサ部ＳＰは、基板１２上のメンブレン（孔あきダイヤフラム構造）に配置された下部電極２８Ｄと、下部電極２８Ｄを覆うように配置された固体電解質層３０と、下部電極２８Ｄに対向する固体電解質層３０上に配置された上部電極２８Ｕとを備える。
酸素ポンプ１０の場合、下部電極２８Ｄは、例えば、Ｐｔ膜とＴｉ膜との積層膜であるＰｔ／Ｔｉ電極によって、約１００ｎｍの厚さで形成することができる。Ｔｉ膜は、固体電解質層３０との接合を密にし、より強固にするために用いられる。上部電極２８Ｕは、例えばＰｔ−Ａｕ膜によって形成される。Ｐｔ−Ａｕ膜からなる上部電極２８Ｕを、例えば、約７００℃の加熱状態において、０．１〜０．２Ｖ程度の駆動電圧によって低電圧駆動させることにより、排ガスＥＧ中のＮＯが分解されるのを抑えることができる。
固体電解質層３０は、例えば、約１μｍの厚さのＹＳＺ膜で形成することができる。薄いと、上下の電極２８Ｕ・２８Ｄ間が導通してしまうためである。例えば、固体電解質層３０は、下部電極２８Ｄの周囲を覆うようにして配置され、上下の電極２８Ｕ・２８Ｄ間の導通が防がれる。
なお、平面視において、基板１２が方形状を有していることから、センサ部ＳＰの下部電極２８Ｄ、固体電解質層３０、および上部電極２８Ｕは、いずれも方形状を有していても良いし、それ以外の形状であっても良い。また、センサ部ＳＰを構成する下部電極２８Ｄ、固体電解質層３０、および上部電極２８Ｕは、偏心がない状態で基板１２の中心に配置するのが望ましいが、マイクロヒータＭＨ上であれば、偏心した状態で配置されていても良い。
平面視において、ヒータ接続部２１・２２は、センサ部ＳＰを中心とした図１６（ｂ）の断面に沿う面内方向にそれぞれ対向するようにして配置されている。ヒータ接続部２１は、接続用パット２１１、配線部２１２、および端子部２１３を有し、ヒータ接続部２２は、接続用パット２２１、配線部２２２、および端子部２２３を有する。
端子電極接続部２３・２４は、センサ部ＳＰを中心とし、ヒータ接続部２１・２２と直交する面内方向にそれぞれ対向するようにして配置されている。端子電極接続部２３は、接続用パット（検出端子）２３１および配線部２３２を有し、端子電極接続部２４は、接続用パット（検出端子）２４１および配線部２４２を有する。
ヒータ接続部２１・２２および端子電極接続部２３・２４は、ＳｉＮ膜２０１上に設けられ、例えば、２０ｎｍ厚のＴｉ膜と１００ｎｍ厚のＰｔ膜との積層膜（Ｐｔ／Ｔｉ積層膜）によって形成することができる。
ヒータ接続部２１・２２の端子部２１３・２２３は、マイクロヒータＭＨと接続され、端子電極接続部２３の配線部２３２は、センサ部ＳＰの方向に延出されて下部電極２８Ｄの延出端２８Ｄ１と接続され、端子電極接続部２４の配線部２４２は、センサ部ＳＰの方向に延出されて上部電極２８Ｕの延出端２８Ｕ１と接続される。
ここで、端子電極接続部２３・２４の接続用パット２３１・２４１には、被測定ガス中における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路３が接続される。詳細については後述するが、固体電解質層３０の上部電極２８Ｕと下部電極２８Ｄとに所定の電圧を供給することにより、検出回路３は、限界電流に基づいて排ガス中に含まれる酸素濃度を検出することができる。
ヒータ接続部２１・２２の端子部２１３・２２３は、平面視において、センサ部ＳＰの外周部を取り囲むように配置されたＳｉＮ膜２６によって覆われている。ＳｉＮ膜２６と端子部２１３・２２３との間には、ＳｉＯ2 膜２５が埋め込まれている。
平面視において、ＳｉＮ膜２６の外側で、かつヒータ接続部２１・２２および端子電極接続部２３・２４を除く、基板１２の各隅部に対応する活性領域と非活性領域との境界部分には、それぞれ、Ｌ字型の開口部４５が配置される。開口部４５は、第１・第２のキャビティ部としてのキャビティ部（Cavity:空洞）Ｃを形成する際に開口されるものであって、Ｌ字型以外の形状、例えばストレート状（Ｉ字型）などであっても良い。
マイクロヒータＭＨは、絶縁層１８を構成するＳｉＯ2 膜１８１・１８２間に設けられる。マイクロヒータＭＨは、例えば、０．２μｍの厚さのポリシリコン層（ポリシリコンヒータ）であって、イオン注入法によってｐ型不純物であるＢ（ボロン）が高濃度（例えば、４×１０19ｃｍ-3）に注入されて、抵抗値が３００Ω程度とされる。マイクロヒータＭＨの熱伝導率は、例えば、８０Ｗ／ｍＫ程度が望ましい。また、マイクロヒータＭＨは、例えば、固体電解質層３０の下方に方形状を有して配置されると共に、固体電解質層３０よりも大面積を有して形成されるのが望ましい。
ここで、マイクロヒータＭＨは、固体電解質層３０を加熱するためのもので、例えば、ＳｉＮ膜２０１およびＳｉＯ2 膜１８２に開口された開口部３７内に形成される端子部２１３・２２３から、配線部２１２・２２２を介して、接続用パット２１１・２２１に印加される所定電圧が供給される。
なお、マイクロヒータＭＨは、基板１２上のＳｉＯ2 膜１８１・１８２間に配置される場合に限らず、基板１２の下部に配置されていても良いし、基板１２の内部に埋め込まれていても良い。もしくは、基板１２の表面に、ポリシリコンで形成されたマイクロヒータＭＨを含む、ＳｉＯ2 膜／ＳｉＮ膜の積層膜（図示省略）が形成された構成としても良い。また、マイクロヒータＭＨは、印刷により形成されたＰｔヒータなどによっても形成可能である。
ガスセンサ１のサイズ（スケール）にもよるが、マイクロヒータＭＨに限らず、センサ部ＳＰよりも大面積を有していればナノサイズのヒータの適用も可能である。
センサ部ＳＰを上方とした図１（ｂ）の断面構造において、マイクロヒータＭＨの下方の基板１２には、開口部４５とつながり、基板１２がセンサ部ＳＰを取り囲むように配置された開放型構造のキャビティ部Ｃが形成されている。キャビティ部Ｃとキャビティ部Ｃに対応するＳｉＯ2 膜１８１との界面には、ＳｉＯＮ膜からなる絶縁層１６が設けられ、基板１２とＳｉＯ2 膜１８１との界面には、絶縁層１６およびＳｉＯ2 膜からなる絶縁層１４が設けられる。
ＭＥＭＳ梁構造の基板１２は、例えば、１０μｍ程度の厚さを有し、キャビティ部ＣがマイクロヒータＭＨよりも実質的に大きくなるように形成されて、メンブレンからの熱の逃げを防ぐようになっている。キャビティ部Ｃの平面形状は特に限定されないが、センサ部ＳＰやマイクロヒータＭＨなどと同様に、方形状に形成するのが望ましい。
センサ部ＳＰに対応するメンブレンには、基板１２のキャビティ部Ｃにつながるガス流路ＭＣが設けられ、上部電極２８Ｕ側より取り込んだ被測定ガスがキャビティ部Ｃ側へと排気されるようになっている。ガス流路ＭＣの流路径は、例えば数μｍとされている。
ここで、絶縁層１６およびＳｉＮ膜２０１によって挟持されて、ＳｉＯ2 膜１８１・１８２間にマイクロヒータＭＨを埋め込んだ構造をメンブレンといい、特に、ガス流路ＭＣを備えたメンブレンを孔あきダイヤフラム構造という。ガス流路ＭＣの壁面は、絶縁層１６およびＳｉＮ膜２０１につながる絶縁層（例えば、ＳｉＮ膜）１７によって被覆されている。
なお、ＭＥＭＳ梁構造としては、基板１２を貼り合わせることによってキャビティ部Ｃが形成される構造とすることもできる。よって、基板１２としては、Ｓｉに限らず、エポキシ樹脂やセラミックスなどを用いることも可能である。
すなわち、本実施の形態に係る窒素酸化物系ガスセンサ２０は、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた基板１２と、基板１２上に配置されたヒータＭＨと、ヒータＭＨ上に配置された下部電極２８Ｄと、下部電極２８Ｄ上に配置された固体電解質層３０と、固体電解質層３０上の、下部電極２８Ｄに対向する面に配置され、被測定ガスが導入される上部電極２８Ｕと、基板１２に形成されたキャビティ部Ｃと、キャビティ部Ｃと下部電極２８Ｄとの間を連結するように配置されたガス流路ＭＣとを備え、被測定ガス中の窒素酸化物の濃度を検出する。
なお、下部電極２８Ｄとしては、図１４および図１５に示すように、ガス流路ＭＣにつながる開口部２８ＤＨを設けるようにしても良い。
酸素ポンプ１０としての適用が可能なガスセンサ１は、図１４および図１５に示すように、キャビティ部Ｃが開放型構造を有するＭＥＭＳ梁構造の基板１２を有し、マイクロヒータＭＨの加熱に伴って、排ガスを、上部電極２８Ｕを介して固体電解質層３０内へと導入するように構成されている。そして、固体電解質層３０内に導入された排ガスに含まれるＯ2 ガスを取り出して、下部電極２８Ｄの開口部２８ＤＨからガス流路ＭＣを通して排気させるように構成されている。
なお、酸素ポンプ１０において、固体電解質層３０内へのガスの導入は、吸引動作を伴うものであっても良い。
すなわち、本実施の形態に係る酸素ポンプ１０は、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた基板１２と、基板１２上に配置されたヒータＭＨと、ヒータＭＨ上に配置された下部電極２８Ｄと、下部電極２８Ｄ上に配置された固体電解質層３０と、固体電解質層３０上の、下部電極２８Ｄに対向する面に配置され、被測定ガスが導入される上部電極２８Ｕと、基板１２に形成されたキャビティ部Ｃと、キャビティ部Ｃと下部電極２８Ｄとの間を連結するように配置されたガス流路ＭＣとを備え、被測定ガス中の酸素をポンピングする。
これに対し、ＮＯｘセンサ２０としての適用が可能なガスセンサ１の場合、下部電極（第２の下部電極）２８Ｄは、例えば、Ｐｔ膜とＴｉ膜との積層膜であるＰｔ／Ｔｉ電極によって、約１００ｎｍの厚さで形成することができる。上部電極（第２の上部電極）２８Ｕは、例えばＰｔ膜によって形成される。Ｐｔ膜からなる上部電極２８Ｕを、例えば、約７００℃の加熱状態において、０．４〜０．８Ｖ程度の駆動電圧によって低電圧駆動させることにより、排ガスＥＧ中のＮＯが分解されるのを促進させることができる。
ＮＯｘセンサ２０としての適用が可能なガスセンサ１は、図１４および図１５に示すように、キャビティ部Ｃが開放型構造を有するＭＥＭＳ梁構造の基板１２を有し、マイクロヒータＭＨの加熱に伴って、排ガスを、上部電極２８Ｕを介して固体電解質層３０内へと導入するように構成されている。そして、固体電解質層３０内に導入された排ガスに含まれるＮＯｘガスを取り出して、下部電極２８Ｄの開口部２８ＤＨからガス流路ＭＣを通して排気させるように構成されている。
なお、ＮＯｘセンサ２０において、固体電解質層３０内へのガスの導入は、吸引動作を伴うものであっても良い。
本実施の形態に係るガスセンサ１は、マイクロヒータＭＨの加熱を伴うものの、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造（開放型構造）を基本構造とすることによって、センサ部ＳＰの熱容量を低減化し、センサ感度の向上を図っている。
次に、ガスセンサ１のセンサ部ＳＰの形成方法について説明する。
図１５に示したように、例えば、メンブレンが孔あきダイヤフラム構造とされたガスセンサ１のセンサ部ＳＰの形成方法は、図１６〜図１９に示される。
（ａ）まず、図１６に示すように、基板１２の上面にプラズマＣＶＤ（Ｐ−ＣＶＤ）法などにより、約０．５μｍ厚のＳｉＯＮ膜からなる絶縁層１６を形成した後、ＣＶＤ法などにより、絶縁層１６上に０．５μｍ程度の厚さのＳｉＯ2 膜１８１を形成する。次いで、ＳｉＯ2 膜１８１の上面に、減圧ＣＶＤ法などにより、０．２μｍ程度の厚さのポリシリコン層を形成すると共に、そのポリシリコン層をエッチングなどによりパターニングしてマイクロヒータＭＨを形成する。次いで、Ｐ−ＣＶＤ法などにより、全面に約０．５μｍ厚のＳｉＯ2 膜１８２を形成した後、ＳｉＯ2 膜１８２上に約０．５μｍ厚のＳｉＮ膜２０１を形成し、メンブレンを構成させる。
（ｂ）この後、図１７に示すように、メンブレンの一部を選択的にエッチングして、貫通孔１７Ａを開口する。
（ｃ）そして、図１８に示すように、Ｐ−ＣＶＤ法などにより、貫通孔１７Ａの壁面に絶縁層１６およびＳｉＮ膜２０１につながる絶縁層１７を形成し、ガス流路ＭＣの壁面を被覆する。
（ｄ）その後、図１９に示すように、スパッタ法などによりＳｉＮ膜２０１上に１００ｎｍ厚程度の下部電極２８Ｄを形成すると共に、下部電極２８Ｄの延出端２８Ｄ１を端子電極接続部２３の配線部２３２と接続させる。次いで、下部電極２８Ｄ上を被覆するように、スパッタ法によりＹＳＺ膜からなる固体電解質層３０を約１μｍの厚さで形成する。次いで、スパッタ法により固体電解質層３０上の下部電極２８Ｄに対向する面に１００ｎｍ厚程度の上部電極２８Ｕを形成し、かつ上部電極２８Ｕの延出端２８Ｕ１を端子電極接続部２４の配線部２３２と接続させる。
次に、酸素ポンプ１０およびＮＯｘセンサ２０の実装方法について説明する。
第１の実装方法は、図２０に示すように、酸素ポンプ１０やＮＯｘセンサ２０の電極（図示省略）を、下部基板２または上部基板４の電極（図示省略）と対峙させ、その状態で、両電極間を、配線層１５Ａ・１５Ｂなどを用いて接続するやり方である。この方法の場合、酸素ポンプ１０およびＮＯｘセンサ２０は、常に、電極の形成された側が、下部基板２または上部基板４に対峙する方向で実装される。
第２の実装方法は、図２１に示すように、酸素ポンプ１０やＮＯｘセンサ２０の電極（図示省略）を、下部基板２または上部基板４の電極（図示省略）と対向させ、その状態で、両電極間を、配線層１５Ａ・１５Ｂなどを用いて接続するやり方である（フリップチップ方式）。この方法の場合、酸素ポンプ１０およびＮＯｘセンサ２０は、常に、電極の形成された側が、下部基板２または上部基板４と対向する方向で実装される。
（第１変形例）
図２２は、図６に示したガスセンサ装置７の第１変形例を示すものである。この第１変形例は、例えば、１つの測定室１００内に５つの酸素ポンプ１０1 を実装するようにした場合の例である。
すなわち、第１変形例にしたがったガスセンサ装置７Ａによれば、１つの測定室１００内に複数の酸素ポンプ１０1 を実装させることが可能である。
（第２変形例）
図２３は、図６に示したガスセンサ装置７の第２変形例を示すものである。この第２変形例は、例えば、５つの測定室１００内に酸素ポンプ１０1 を個別に実装させるようにした場合の例である。
すなわち、第２変形例にしたがったガスセンサ装置７Ｂの場合にも、複数の酸素ポンプ１０1 を歩留まり良く実装させることが可能である。
（ガスセンサの他の実装例）
本実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置において、下部基板２または上部基板４に実装される酸素ポンプ１０およびＮＯｘセンサ２０の配置例であって、正方格子の例は、図２４（ａ）に示すように模式的に表され、三角格子の例は、図２４（ｂ）に示すように模式的に表される。
また、本実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置において、下部基板２または上部基板４に実装される酸素ポンプ１０およびＮＯｘセンサ２０の配置例であって、長方格子の例は、図２５（ａ）に示すように模式的に表され、菱型格子（面心長方格子）の例は、図２５（ｂ）に示すように模式的に表される。
上記のように、ガスセンサ装置においては、酸素ポンプ１０およびＮＯｘセンサ２０を下部基板２上または上部基板４上に２次元的に配置するようにしても良い。
（電極配置の変形例）
本実施の形態に係るガスセンサの、センサ部ＳＰの電極配置の変形例について説明する。
図２６（ａ）に模式的に示すように、電極２８Ｄ・２８Ｕが同一面上にパターニングされ、その電極２８Ｕ・２８Ｄ間が固体電解質層３０によって覆われるように配置しても良い。
図２６（ｂ）に模式的に示すように、電極２８Ｄ・２８Ｕが固体電解質層３０の上下の各面を完全に覆うように配置するようにしても良い。
図２６（ｃ）に模式的に示すように、電極２８Ｄ・２８Ｕの一方が固体電解質層３０の下面の一部に配置され、電極２８Ｄ・２８Ｕの他方が固体電解質層３０の上面の一部に配置されるようにしても良い。
図２６（ｄ）に模式的に示すように、電極２８Ｄ・２８Ｕが固体電解質層３０の側面に対して全面的に配置されるようにしても良い。
図２６（ｅ）に模式的に示すように、電極２８Ｄ・２８Ｕが固体電解質層３０の側面の一部に配置されるようにしても良い。
図２６（ｆ）に模式的に示すように、電極２８Ｄ・２８Ｕが固体電解質層３０の側面と上面の一部に配置されるようにしても良い。
図２６（ｇ）に模式的に示すように、電極２８Ｄ・２８Ｕが固体電解質層３０の側面に上下の各面の一部を覆うように配置しても良い。
図２６（ｈ）に模式的に示すように、電極２８Ｄ・２８Ｕの一方が固体電解質層３０の側面と上下の各面の一部に配置され、電極２８Ｄ・２８Ｕの他方が固体電解質層３０の下面の一部に配置されるようにしても良い。
（センサ部の構成の変形例）
本実施の形態に係るガスセンサの、センサ部ＳＰの構成の変形例について説明する。
図２７（ａ）に模式的に示すように、センサ部ＳＰに、さらに面内方向のガス拡散構造を備えた多孔質膜（ポーラス酸化膜）５１を備えるようにしても良い。
図２７（ｂ）に模式的に示すように、センサ部ＳＰに、さらに面内方向のガス拡散構造を備えた多孔質膜（ポーラスＰｔ膜）６１を備えるようにしても良い。
図２７（ｃ）に模式的に示すように、センサ部ＳＰの下部電極２８Ｄの一部をガス流路ＭＣ内に突出させるようにしても良い。
図２７（ｄ）に模式的に示すように、センサ部ＳＰの下部電極２８Ｄとガス流路ＭＣとの間に、さらに面内方向のガス拡散構造を備えた多孔質膜（ポーラス酸化膜）７１を備えるようにしても良い。
図２７（ｅ）に模式的に示すように、センサ部ＳＰに、さらに面直方向のガス絞り構造を備えた柱状膜３０３を追加するようにしても良い。
図２７（ｆ）に模式的に示すように、センサ部ＳＰに、さらに面直方向のガス絞り構造を備えた柱状電極３０５を追加するようにしても良い。
（センサネットワーク）
各実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを適用したセンサネットワークシステムの模式的ブロック構成は、図２８に示すように表される。
図２８に示すように、センサネットワークとは、多数のセンサを相互に接続したネットワークである。すでに、工場、医療／ヘルスケア、交通、建設、農業、環境管理など、様々な分野でセンサネットワークを利用した新しい取り組みが始まっている。
これらの分野では、高耐久性と共に、応答速度の速いセンサを使用することが望まれるため、各実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを、例えば湿度センサとして適用するのが望ましい。このような湿度センサは、ジルコニアを使用しているため、耐久性に優れている。そのため、信頼性の高いセンサネットワークを提供することが可能である。
以上説明したように、本実施の形態によれば、組み立てが容易で、ＮＯｘガスのセンシングの精度を向上でき、ＮＯｘガス検出の高感度化が可能な窒素酸化物系ガスセンサ、酸素ポンプ、ガスセンサ装置、ガスセンサ装置の製造方法、およびガスセンサ装置を適用可能なセンサネットワークシステムを提供することができる。
[その他の実施の形態]
上記のように、いくつかの実施の形態を記載したが、開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、各実施の形態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、実施例および運用技術が明らかとなろう。
このように、各実施の形態は、ここでは記載していない様々な態様を含む。例えば、ジルコニアを他の材料に置き換えたり、いくつかの材料を組み合わせることで、二酸化炭素の濃度を検出することが可能である。
本実施の形態に係るガスセンサを適用可能なガスセンサ装置は、自動車の排ガス用などに応用することができる。
１…ガスセンサ
２…下部基板
３…検出回路
４…上部基板
５…ガスセンサ装置
６、８…センサ装置本体
６Ａ、６Ｂ、８Ａ、８Ｂ…流路
７、７Ａ、７Ｂ…ガスセンサ装置
１０（１０1 ・１０2 ）…酸素ポンプ
１２…基板
１３…接着剤層
１４、１６、１７、１８…絶縁層
１５Ａ、１５Ｂ…配線層
１７Ａ…貫通孔
２０…ＮＯｘセンサ
２１、２２…ヒータ接続部
２３、２４…端子電極接続部
２５、１８１、１８２…ＳｉＯ2 膜
２６、２０１…ＳｉＮ膜
２８Ｄ…下部電極
２８Ｄ１…下部電極の延出端
２８ＤＨ…開口部
２８Ｕ…上部電極
２８Ｕ１…上部電極の延出端
３０…固体電解質層
３７、４５…開口部
５１、７１…ポーラス酸化膜
６１…ポーラスＰｔ膜
１００、２００…測定室
３０３…柱状膜
３０５…柱状電極
Ｃ…キャビティ部
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…流路
Ｄ１、Ｄ２…切欠き部
ＥＧ…排ガス
ＭＨ…マイクロヒータ
ＭＣ…ガス流路
ＳＰ…センサ部

Claims (27)

  1. ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた基板と、
    前記基板上に配置されたヒータと、
    前記ヒータ上に配置された下部電極と、
    前記下部電極上に配置された固体電解質層と、
    前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置され、被測定ガスが導入される上部電極と、
    前記基板に形成されたキャビティ部と、
    前記キャビティ部と前記下部電極との間を連結するように配置されたガス流路と
    を備え、
    前記被測定ガス中の窒素酸化物の濃度を検出することを特徴とする窒素酸化物系ガスセンサ。
  2. 前記キャビティ部は、開放型構造を備えることを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物系ガスセンサ。
  3. 前記下部電極と前記上部電極との間に所定の駆動電圧を印加することにより、前記窒素酸化物の濃度を限界電流式で検出する検出回路をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の窒素酸化物系ガスセンサ。
  4. 前記検出回路は、前記窒素酸化物の濃度を、前記被測定ガス中に含まれる酸素の濃度に応じた電流値として検出することを特徴とする請求項３に記載の窒素酸化物系ガスセンサ。
  5. 前記下部電極はＰｔ／Ｔｉ膜によって構成され、前記固体電解質層はＹＳＺ膜によって構成され、前記上部電極はＰｔ膜によって構成されることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の窒素酸化物系ガスセンサ。
  6. 前記下部電極および前記上部電極は、所定温度での駆動電圧が０．４〜０．８ボルトに設定されることを特徴とする請求項５に記載の窒素酸化物系ガスセンサ。
  7. ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた基板と、
    前記基板上に配置されたヒータと、
    前記ヒータ上に配置された下部電極と、
    前記下部電極上に配置された固体電解質層と、
    前記固体電解質層上の、前記下部電極に対向する面に配置され、被測定ガスが導入される上部電極と、
    前記基板に形成されたキャビティ部と、
    前記キャビティ部と前記下部電極との間を連結するように配置されたガス流路と
    を備え、
    前記被測定ガス中の酸素をポンピングすることを特徴とする酸素ポンプ。
  8. 前記キャビティ部は、開放型構造を備えることを特徴とする請求項７に記載の酸素ポンプ。
  9. 前記下部電極はＰｔ／Ｔｉ膜によって構成され、前記固体電解質層はＹＳＺ膜によって構成され、前記上部電極はＰｔ−Ａｕ膜によって構成されることを特徴とする請求項７に記載の酸素ポンプ。
  10. 前記下部電極および前記上部電極は、所定温度での駆動電圧が０．１〜０．２ボルトに設定されることを特徴とする請求項９に記載の酸素ポンプ。
  11. 下部基板、および前記下部基板上に配置される上部基板を備え、第１の連結路を介して被測定ガスが導入される第１の測定空間と、前記第１の測定空間に第２の連結路を介して接続された第２の測定空間とを有する外囲器と、
    前記第１の測定空間内に配置され、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた第１の酸素ポンプ、および前記第２の測定空間内に配置され、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた第２の酸素ポンプと、
    前記第２の測定空間内に配置され、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備えた窒素酸化物系ガスセンサと
    を備えることを特徴とするガスセンサ装置。
  12. 前記第１の酸素ポンプおよび前記第２の酸素ポンプは、
    第１の基板と、
    前記第１の基板上に配置された第１のヒータと、
    前記第１のヒータ上に配置された第１の下部電極と、
    前記第１の下部電極上に配置された第１の固体電解質層と、
    前記第１の固体電解質層上の、前記第１の下部電極に対向する面に配置され、前記被測定ガスが導入される第１の上部電極と、
    前記第１の基板に形成された第１のキャビティ部と、
    前記第１のキャビティ部と前記第１の下部電極との間を連結するように配置された第１のガス流路と
    をそれぞれ備え、
    前記被測定ガス中の酸素をポンピングすることを特徴とする請求項１１に記載のガスセンサ装置。
  13. 前記窒素酸化物系ガスセンサは、
    第２の基板と、
    前記第２の基板上に配置された第２のヒータと、
    前記第２のヒータ上に配置された第２の下部電極と、
    前記第２の下部電極上に配置された第２の固体電解質層と、
    前記第２の固体電解質層上の、前記第２の下部電極に対向する面に配置され、前記被測定ガスが導入される第２の上部電極と、
    前記第２の基板に形成された第２のキャビティ部と、
    前記第２のキャビティ部と前記第２の下部電極との間を連結するように配置された第２のガス流路と
    を備え、
    前記被測定ガス中の酸素の濃度に基づいて窒素酸化物の濃度を検出することを特徴とする請求項１１に記載のガスセンサ装置。
  14. 前記第１のキャビティ部および前記第２のキャビティ部は、開放型構造を備えることを特徴とする請求項１２または１３に記載のガスセンサ装置。
  15. 前記第１の上部電極はＰｔ−Ａｕ膜によって構成され、前記第１の固体電解質層はＹＳＺ膜によって構成され、前記第１の下部電極はＰｔ／Ｔｉ膜によって構成されることを特徴とする請求項１２に記載のガスセンサ装置。
  16. 前記第１の上部電極および前記第１の下部電極は、所定温度での駆動電圧が０．１〜０．２ボルトに設定されることを特徴とする請求項１５に記載のガスセンサ装置。
  17. 前記第２の上部電極はＰｔ膜によって構成され、前記第２の固体電解質層はＹＳＺ膜によって構成され、前記第２の下部電極はＰｔ／Ｔｉ膜によって構成されることを特徴とする請求項１３に記載のガスセンサ装置。
  18. 前記第２の上部電極および前記第２の下部電極は、所定温度での駆動電圧が０．４〜０．８ボルトに設定されることを特徴とする請求項１７に記載のガスセンサ装置。
  19. 前記窒素酸化物系ガスセンサは、
    前記第２の上部電極と前記第２の下部電極との間に所定の駆動電圧を印加することにより、前記被測定ガス中における窒素酸化物の濃度を限界電流式で検出する検出回路をさらに備えることを特徴とする請求項１１に記載のガスセンサ装置。
  20. 前記検出回路は、前記窒素酸化物の濃度を、前記被測定ガス中に含まれる酸素の濃度に応じた電流値として検出することを特徴とする請求項１９に記載のガスセンサ装置。
  21. 前記第１の酸素ポンプは、前記第１の測定空間内に複数設けられることを特徴とする請求項１１に記載のガスセンサ装置。
  22. 前記第１の測定空間は複数の空間部を有し、
    前記複数の第１の酸素ポンプは、前記複数の空間部内にそれぞれ実装されることを特徴とする請求項２１に記載のガスセンサ装置。
  23. 前記第２の測定空間内に実装された前記第２の酸素ポンプおよび前記窒素酸化物系ガスセンサは、面直方向に対向して配置されることを特徴とする請求項１１に記載のガスセンサ装置。
  24. 前記第２の測定空間内に実装された前記第２の酸素ポンプおよび前記窒素酸化物系ガスセンサは、面内方向に隣接して配置されることを特徴とする請求項１１に記載のガスセンサ装置。
  25. 前記第１の酸素ポンプ、前記第２の酸素ポンプ、もしくは前記窒素酸化物系ガスセンサは、前記第１の測定空間内および前記第２の測定空間内にフリップチップ方式により実装されることを特徴とする請求項１１〜２４のいずれか１項に記載のガスセンサ装置。
  26. 外囲器を構成する下部基板または上部基板の、第１の連結路を介して被測定ガスが導入される第１の測定空間内に、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備える第１の酸素ポンプを実装し、前記第１の測定空間に第２の連結路を介してつながる第２の測定空間内に、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備える第２の酸素ポンプを実装する工程と、
    前記第２の測定空間内に、ＭＥＭＳ構造を有する梁構造を備える窒素酸化物系ガスセンサを実装する工程と、
    前記下部基板と前記上部基板とを接合する工程と
    を有することを特徴とするガスセンサ装置の製造方法。
  27. 請求項１１〜２５のいずれか１項に記載のガスセンサ装置を備えることを特徴とするセンサネットワークシステム。
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