JP2019152451A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 性能の改善を図れる、ヒーターを含むガスセンサを提供すること。【解決手段】 実施形態のガスセンサは、電極５ａと、電極５ａから離間して配置された可動構造３０とを含むＭＥＭＳキャパシタ１０１を含む。可動構造は、所定のガスを吸収または吸着することで変形する変形部材１３と、変形部材を加熱するヒーター１１と、変形部材の変形に応じて電極５ａとの間隔が変化する電極９ａとを含む。ガスセンサは、さらに、電極５ａと電極９ａとの間の間隔に基づき、所定のガスの濃度を算出するガス濃度算出部１０２と、ヒーターの温度を検出するための温度センサ１０３と、ＭＥＭＳキャパシタが使用される環境の温度を検出するための温度センサ１０４とを含む。ガスセンサは、さらに、温度センサ１０３で検出されたヒーターの温度と、温度センサ１０４で検出された環境の温度とに基づいて、ヒーターの温度を制御する温度制御部１０５を含む。【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態はガスセンサに関する。

種々のガスセンサが提案されている。その一つとしてヒーターを内蔵するタイプのガスセンサが知られている。このタイプのガスセンサは、性能のさらなる向上が期待されている。

特開２００８−１１１８２２号公報

本発明が解決しようとする課題は性能の改善が図れる、ヒーターを含むガスセンサを提供することにある。

実施形態のガスセンサは、ＭＥＭＳキャパシタを含む。ＭＥＭＳキャパシタは、第１の電極と、前記第１の電極から離間して配置された可動構造とを含む。前記可動構造は、所定のガスを吸収または吸着することで変形する変形部材と、前記変形部材を加熱するヒーターと、前記変形部材の変形に応じて前記第１の電極との間隔が変化する第２の電極とを含む。前記ガスセンサは、さらに、前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記間隔に基づき、前記所定のガスの濃度を算出するガス濃度算出部と、前記ヒーターの温度を検出するための第１の温度センサと、前記ＭＥＭＳキャパシタが使用される環境の温度を検出するための第２の温度センサとを含む。前記ガスセンサは、さらに、前記第１の温度センサで検出された前記ヒーターの温度と、前記第２の温度センサで検出された前記環境の温度とに基づいて、前記ヒータの温度を制御する温度制御部を含む。

図１は、実施形態に係る水素センサの概略構成図である。 図２は、実施形態に係る水素センサのヒーター用温度センサの概略構成図である。 図３は、実施形態に係る水素センサの環境温度センサの概略構成図である。 図４は、実施形態に係る水素センサのヒータ温度制御部の概略構成図である。 図５は、実施形態に係る水素センサのヒーター温度の制御方法を説明するためのフローチャートである。 図６は、実施形態に係る水素センサの他の概略構成図である。 図７は、実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの構造の一例を示す断面図である。 図８は、実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの一部を模式的に示す平面図である。 図９は、第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの上部電極およびその下の構造の一例を示す断面図である。 図１０は、第１の実施形態に係る水素センサの水素アクチュエータ中のヒーターを外部回路に接続するためのアンカーの構造を示す断面図である。 図１１は、第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図１２は、図１１に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図１３は、図１２に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図１４は、図１３に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図１５は、図１４に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図１６は、図１５に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図１７は、図１６に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図１８は、図１７に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図１９は、図１８に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図２０は、図２１に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図２１は、図２０に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図２２は、図２１に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図２３は、図２２に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図２４は、図２３に続く第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。 図２５は、第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの下側空洞領域の変形例を模式的に示す断面図である。 図２６は、第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの下側空洞領域の他の変形例を模式的に示す断面図である。 図２７は、第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタの下側空洞領域のさらに別の変形例を模式的に示す断面図である。 図２８は、第１の実施形態に係る水素センサのＭＥＭＳキャパシタのヒーターを示す平面図である。 図２９は、第２の実施形態に係る水素センサ１００’を説明するための断面図である。 図３０は、接触燃焼型の可燃性ガスセンサの検出回路の一例を示す図である 図３１は、第１および第２の実施形態のガスセンサを含むマルチセンサを示す断面図である。 図３２は、、第３の実施形態に係る水素センサを説明するための断面図である。 図３３は、第３の実施形態に係る水素センサの変形例を示す断面図である。 図３４は、熱伝導型の水素センサの検出回路の一例を示す断面図である。 図３５は、第１および第３の実施形態のガスセンサを含むマルチセンサを示す断面図である。 図３６は、実施形態の他のマルチセンサを示す断面図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図面は、模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は、必ずしも現実のものと同一であるとは限らない。また、図面において、同一符号（添字が異なるものを含む）は同一または相当部分を付してあり、重複した説明は必要に応じて行う。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る水素センサ１００の概略構成図である。

水素センサ１００はガス状の水素を検出する容量型水素センサであって、ＭＥＭＳキャパシタ１０１と、水素濃度算出回路１０２と、ヒーター用温度センサ１０３と、環境温度センサ１０４と、ヒーター温度制御部１０５と、可変電流源１０６とを含む。要素１０３〜１０６は後述するように水素センサ１００の性能（検出感度、消費電力など）を向上するために用いられる。

ＭＥＭＳキャパシタ１０１は、下部電極（固定電極）５ａと、下部電極５ａの上方に設けられた可動構造３０とを含む。

可動構造３０は、上部電極（可動電極）９ａと、ヒーター１１と、水素吸蔵層１３とを含む。可動構造３０は、さらに、ヒーター用温度センサの一部を構成する測温抵抗体９ｂを含んでいる。可動構造３０は上部電極９ａを可動するように構成されている。可動構造３０の詳細な構造および動作について後述するが、簡単に説明すると以下の通りである。

水素吸蔵層１３は水素を吸収または吸着する。水素の吸収または吸着に伴い水素吸蔵層１３は変形し、水素吸蔵層１３の位置は上側または下側に変位する。水素吸蔵層１３の変位の程度は水素の吸収量または吸着量に対応する。水素吸蔵層１３の位置の変位に伴い上部電極９ａの位置は変位するが、下部電極５ａの位置は変わらない。水素吸蔵層１３の位置が上側に変位すると、上部電極９ａの位置も上側に変位する。その結果、下部電極５ａと上部電極９ａとの間の間隔が広がり、ＭＥＭＳキャパシタ１０１の容量は減少する。一方、水素吸蔵層１３の位置が下側に変位すると、上部電極９ａの位置も下側に変位する。その結果、下部電極５ａと上部電極９ａとの間の間隔が狭くなり、ＭＥＭＳキャパシタ１０１の容量は増加する。

ヒーター１１は熱を発生して水素吸蔵層１３を加熱するように構成されている。本実施形態では、ヒーター１１は抵抗加熱を利用したものである。ヒーター１１は、例えば、Ｔｉ、ＴｉＮ（チタン窒化物）、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＰｔまたはＰｄ−Ｎｉ等の導体を含む。

可変電流源１０６はヒーター１１に電流（ヒーター電流）Ｉ１を供給する。可変電流源１０６には制御信号Ｓ_ＣＴＬが入力されており、ヒーター１１に流れる電流Ｉ１の大きさは後述するように制御信号Ｓ_ＣＴＬによって制御される。ヒーター１１は、電流Ｉ１の大きさとヒーター１１の抵抗値とに対応する熱を発生する。ヒーター１１は熱を発生すると温度が上昇する。ヒーター１１で発熱する熱の量に比例して、ヒーター１１の温度上昇幅は大きくなる。ヒーター１１の温度上昇幅は、例えば、ヒーター１１に電流Ｉ１を流している状態のヒーター１１の温度から、ヒーター１１に電流Ｉ１を流していない状態のヒーター１１の温度を引いた値で規定することができる。可変電流源１０６は水素センサ１００の外部の電流源でも構わない。

水素吸蔵層１３の周りの湿度等は、水素センサ１００の検出精度に影響を与える外乱となる。このような外乱の影響を小さくすることは、ガスセンサを安定的に動作させるためには重要である。そこで、本実施形態では、水素の検出を行う前にヒーター１１によって水素吸蔵層１３を加熱して湿度等を一定の範囲内または一定にすることにより、外乱の影響を小さくする。水素吸蔵層１３を加熱することは、さらに、センサの応答性およびヒステリシスの改善に寄与する。

一方で、ヒーター１１による加熱により、水素吸蔵層１３の温度がある値を超えると水素吸蔵層１３の特性が劣化し、その結果として水素センサ１００の性能が低下する懸念がある。水素吸蔵層１３の温度がある値を超えることは、消費電力の増加に繋がる。そのため、ヒーター１１及び水素吸蔵層１３の温度はある範囲内で一定に保つ必要がある。例えば、湿度を一定に保つためには水素吸蔵層１３およびヒーター１１を１００℃以上に充分加熱することが必要である。一方で、水素吸蔵層１３の特性が劣化しないためには、水素吸蔵層１３を例えば２００℃以下で加熱することが必要であると考えられる。

ヒーター１１の到達温度（Theat）は以下の式で示される。

Theat＝Tenv＋ΔT
ここで、Tenvは環境温度であり、ΔTはヒーター１１の温度上昇幅である。

上記の式からヒーター１１の到達温度は環境温度に依存する。例えば、実施形態の水素センサ１００を使用する環境温度が−３０℃以上１００℃以下であり、ヒーター１１の制御範囲が１２５℃以上１５０℃以下であるとき、環境温度が−３０℃の場合で温度上昇幅ΔＴは１５５℃〜１８０℃が必要となり、環境温度が１００℃の場合でΔＴは温度上昇幅２５℃〜５０℃が必要となる。

後述するようにヒーター１１により水素吸蔵層１３を効率よく加熱できるようにヒーター１１および水素吸蔵層１３はその周囲の環境から断熱されていることが多い。このように断熱されたヒーター１１を用いた場合、通常、ヒーター１１の到達温度（ヒーター温度）は環境温度とは異なっている。環境温度を測定する温度センサは、ヒーター１１および水素吸蔵層１３を断熱する領域の外部に設けらている、ヒーター１１および水素吸蔵層１３に対して外付けの温度センサである。そのため、環境温度を測定する温度センサではヒーター温度をモニターすることは困難である。その結果、ヒーター１１の高精度の温度の制御が困難となり、充分な性能を有するガスセンサの提供は困難となる。

そこで、本実施形態では、ヒーター温度を測定するために、ヒーター１１および水素吸蔵層１３を含む断熱された領域内にヒーター用温度センサ１０３の一部を構成する測温抵抗体９ｂを配置している。測温抵抗体９ｂの抵抗はヒーター温度の変化によって変わるため、測温抵抗体９ｂの抵抗を測定することにより、ヒーター温度を算出することができる。また、環境温度を測定するために、ヒーター１１および水素吸蔵層１３を含む断熱された領域とは別の領域に環境温度センサ１０４を配置している。

環境温度センサ１０４はＭＥＭＳキャパシタ１０１が形成されている基板と同一基板上に形成されることが望ましいが、基板に対して外付けされるものであっても構わない。

ここで、ヒーター用温度センサ１０３がない場合は、ワーストケースを想定して加熱を行う必要がある。上記の環境温度範囲の例では、ワーストケースは環境温度が−３０℃の場合である。環境温度が−３０℃の場合において、湿度の影響を抑制するために１２５℃以上の加熱を行うとすると、温度上昇幅ΔＴが１５５℃以上になるようにヒーター加熱を行う必要がある。しかし、環境温度が１００℃になった場合は、ヒーターの到達温度は２５５℃以上（水素吸蔵層１３の耐熱温度以上）になってしまい、制御範囲の上限の１５０℃を超えてしまう。したがって、ヒーター用温度センサ１０３がない場合、水素センサは−３０℃から１００℃の環境温度範囲で使用できず、水素センサの使用できる温度範囲は限られる。しかし、ヒーター用温度センサ１０３を備えた本実施形態の水素センサ１００は広い温度範囲で使用することが可能である。

水素吸蔵層１３の加熱は、例えば、水素を検出する前に行う。水素吸蔵層１３の加熱は、水素を検出する前に毎回行う必要は必ずしもない。例えば、水素吸蔵層１３の加熱は、ある一定の回数だけ水素の検出を行った後に行っても構わない。さらに、水素吸蔵層１３の加熱は水素検出中に行っても構わない。

ヒーター用温度センサ１０３は、ヒーター１１で発生した熱に対応する温度（ヒーター温度Ｔ１）を検出するように構成されている。ヒーター用温度センサ１０３は、金属の電気抵抗率が温度に比例して変わることを利用して温度を検出する。

ヒーター用温度センサ１０３は、図２（ａ）に示すように、測温抵抗体（金属）９ｂと、測温抵抗体９ｂに一定の電流Ｉ２を流すための定電流源１０９と、測温抵抗体９ｂに電流Ｉ２を流している状態での測温抵抗体９ｂの抵抗値を測定し、当該抵抗値に基づいてヒーター温度を算出するためのヒーター温度検出回路１１０とを含む。ヒーター温度検出回路１１０は算出したヒーター温度Ｔ１に対応するヒーター温度信号Ｓ_Ｔ１を出力する。

なお、図２（ａ）では、測温抵抗体９ｂ、定電流源１０９およびヒーター温度検出回路１１０は同じ領域内に設けているように示してあるが、上述したように測温抵抗体９ｂは可動構造３０内に設けており、定電流源１０９およびヒーター温度検出回路１１０とは別の領域に設けている。

ヒーター温度検出回路１１０は、例えば、図２（ｂ）に示すように、抵抗測定回路１２１と、ヒーター温度算出回路１３１とを含む。抵抗測定回路１２１は、測温抵抗体９ｂに電流Ｉ２を流している状態での測温抵抗体９ｂの抵抗値を測定する。抵抗測定回路１２１は測定した抵抗値に対応する抵抗信号Ｓ_Ｒ１を出力する。抵抗信号Ｓ_Ｒ１はヒーター温度算出回路１３１に入力される。ヒーター温度算出回路１３１は抵抗信号Ｓ_Ｒ１に基づいてヒーター温度Ｔ１を算出する。ヒーター温度検出回路１１０は、例えば、ＣＭＯＳ回路を用いて構成されている。

なお、図２（ａ）および（ｂ）はヒーター用温度センサ１０３の構成を示す一例であり、ヒーター用温度センサ１０３は種々の構成をとり得る。例えば、定電流源１０９は、ヒーター用温度センサ１０３の外部に設けられた定電流源でも構わない。また、定電流源１０９は定電圧源でも構わない。

環境温度センサ１０４は、ＭＥＭＳキャパシタ１０１が使用される周囲の環境の温度（環境温度Ｔ２）を検出するように構成されている。前述したように、可動構造３０内のヒーター１１及び水素吸蔵層１３は周囲の環境から断熱されているため、環境温度はヒーター温度とは異なる。

環境温度センサ１０４は、図３（ａ）に示すように、測温抵抗体７と、測温抵抗体７に一定の電流Ｉ３を流すための定電流源１１１と、測温抵抗体７に電流Ｉ３を流している状態での測温抵抗体７の抵抗値を測定し、当該抵抗値に基づいて環境温度Ｔ２を算出するための環境温度検出回路１１２とを含む。環境温度検出回路１１２は算出した環境温度Ｔ２に対応する環境温度信号Ｓ_Ｔ２を出力する。

なお、図３（ａ）では、測温抵抗体７、定電流源１１１および環境温度検出回路１１２は同じ領域内に設けているように示してあるが、測温抵抗体７は定電流源１１１および環境温度検出回路１１２とは別の領域に設けても構わない。

環境温度検出回路１１２は、例えば、図３（ｂ）に示すように、抵抗測定回路１２２と、環境温度算出回路１３２とを含む。抵抗測定回路１２２は、測温抵抗体７に電流Ｉ３を流している状態での測温抵抗体７の抵抗値を測定する。抵抗測定回路１２２は測定した抵抗値に対向する抵抗信号Ｓ_Ｒ２を出力する。抵抗信号Ｓ_Ｒ２は環境温度算出回路１３２に入力される。環境温度算出回路１３２は抵抗信号Ｓ_Ｒ２に基づいて環境温度Ｔ２を算出する。環境温度検出回路１１２は、例えば、ＣＭＯＳ回路を用いて構成されている。

なお、図３（ａ）および（ｂ）は環境温度センサ１０４の構成を示す一例であり、環境温度センサ１０４は種々の構成をとり得る。例えば、定電流源１１１は、環境温度センサ１０４の外部に設けられた定電流源でも構わない。また、定電流源１１１は定電圧源でも構わない。

ヒーター用温度センサ１０３の定電流源１０９および環境温度センサ１０４の定電流源１１１は共通の一つの定電流源または定電圧源でも構わない。

図１に戻ると、ヒーター温度信号Ｓ_Ｔ１および環境温度信号Ｓ_Ｔ２はヒーター温度制御部１０５に入力される。ヒーター温度制御部１０５は、例えば、図４に示すように、ロジック回路１０７と、可変電流源制御回路１０８とを含む。ロジック回路１０７および可変電流源制御回路１０８は、それぞれ、例えば、ＣＭＯＳ回路を用いて構成されている。

ロジック回路１０７にはヒーター温度信号Ｓ_Ｔ１および環境温度信号Ｓ_Ｔ２が入力される。ロジック回路１０７は、ヒーター温度Ｔ１が所定の温度範囲内に収まっているか否かを判断する。上記所定の温度範囲に関するデータは、例えば、ロジック回路１０７内のメモリ内に格納されている。上記所定の温度範囲は、例えば、水素センサ１００の水素吸蔵層１３等の仕様に基づいて決定される。

ヒーター温度Ｔ１が所定の温度範囲内に収まっていない場合、ロジック回路１０７は、ヒーター温度の変更が必要であるという判断に対応する判断結果信号Ｓ_Ｔ３を発生する。ロジック回路１０７は、例えば、ヒーター温度Ｔ１が所定の温度範囲内に収まるために必要なヒーター温度Ｔ１’とヒーター温度Ｔ１（ヒーター温度信号Ｓ_Ｔ１に対応する温度）との差（例えば、Ｔ１’−Ｔ１）を判断結果信号Ｓ_Ｔ３として発生する。

ロジック回路１０７は、所定の温度範囲内に収まっていないヒーター温度Ｔ１に対応するヒーター温度Ｔ１’を求めることができるように構成されている。これを実現するには、例えば、所定の温度範囲内に収まっていないヒーター温度Ｔ１とヒーター温度Ｔ１’との対応関係に関するテーブルを参照できるように、ロジック回路１０７を構成すればよい。テーブルに載っていない所定の温度範囲内に収まっていないヒーター温度Ｔ１に対応するヒーター温度Ｔ１’は、例えば、補間により求める。この補間はロジック回路１０７で実行される。また、上記テーブルは、ロジック回路１０７のメモリ内に格納するか、または、ロジック回路１０７の外部のメモリに格納する。また、ロジック回路１０７は、上記テーブルを参照せずに、ヒーター温度Ｔ１’を算出するように構成されていても構わない。

一方、ヒーター温度Ｔ１が所定の温度範囲内に収まっている場合、ヒーター温度の変更が不要であるという判断に対応する判断結果信号Ｓ_Ｔ３を発生する。

判断結果信号Ｓ_Ｔ３は可変電流源制御回路１０８に入力される。可変電流源制御回路１０８は、判断結果信号Ｓ_Ｔ３に基づいて、可変電流源１０６を制御するための制御信号Ｓ_ＣＴＬを出力する。

制御信号Ｓ_ＣＴＬは可変電流源１０６に入力される。可変電流源１０６は、制御信号Ｓ_ＣＴＬに基づいて、ヒーター１１に供給する電流Ｉ１を発生する。

具体的には、ヒーター温度Ｔ１が所定の範囲外にある場合に対応する制御信号Ｓ_ＣＴＬが可変電流源１０６に入力された場合、可変電流源１０６はヒーター温度Ｔ１が所定の範囲内に収まるために必要な大きさの電流Ｉ１を発生する。ここで、ヒーター温度Ｔ１が所定の範囲の下限未満の場合には電流Ｉ１は増加し、ヒーター温度Ｔ１が所定の範囲の上限を超える場合には電流Ｉ１は減少する。一方、ヒーター温度Ｔ１が所定の範囲内にある場合に対応する制御信号Ｓ_ＣＴＬが可変電流源１０６に入力された場合、電流Ｉ１の大きさは変更されない。

上述したヒーター温度Ｔ１の制御方法は、例えば、図５のフローチャートで示すことができる。まず、ヒーター温度Ｔ１および環境温度Ｔ２を取得する（ステップＳ１）。ヒーター温度Ｔ１はヒーター温度信号Ｓ_Ｔ１に対応し、環境温度Ｔ２は環境温度信号Ｓ_Ｔ２に対応する。ステップＳ１の処理は、ヒーター温度センサ１０３および環境温度センサ１０４によって実行される。

次に、環境温度Ｔ２の場合に必要な温度上昇幅（ΔT）を算出する（ステップＳ２）。ステップＳ２の処理はヒーター温度制御部１０５によって実行される。図４の構成のヒーター温度制御部１０５を採用した場合、ステップ２の処理はロジック回路１０７によって実行される。

次に、算出した温度上昇幅（ΔT）を実現するために必要なヒーター電流Ｉ１を算出し、この算出したヒーター電流Ｉ１をヒーター１１に供給するように可変電流源１０６を制御する（ステップＳ３）。ステップＳ３の処理はヒーター温度制御部１０５によって実行される。図４の構成のヒーター温度制御部１０５を採用した場合、ステップ３の処理は可変電流源制御回路１０８によって実行される。

次に、ヒーター温度Ｔ１を取得する（ステップＳ４）。ヒーター温度Ｔ１はヒーター温度信号ＳＴ１に対応する。ステップS４の処理は、ヒーター用温度センサ１０３によって実行される。

次に、ヒーター温度Ｔ１が所定の温度範囲内に収まっているか否かを判断する（ステップＳ５）。ステップＳ５の処理は、ヒーター温度制御部１０５によって実行される。図４の構成のヒーター温度制御部１０５を採用した場合、ステップ３の処理はロジック回路１０７および可変電流源制御回路１０８によって実行される。

ステップＳ５での判断の結果がＮｏの場合、ヒーター温度Ｔ１を所定の温度範囲内に収めるために、ステップＳ３に戻ってヒーター電流Ｉ１の再設定および再供給を行う。ステップＳ３〜Ｓ５のループは、例えば、ステップＳ５での判断結果がＹｅｓになるまで行う。しかし、一定回数以上のステップＳ３〜Ｓ５のループを繰り返しても、ステップＳ５でＹｅｓが得られない場合、ステップＳ３〜Ｓ５のループを中断する構成を採用しても構わない。この場合には、例えば、最後のループのステップＳ３で決定されたヒーター電流Ｉ１がヒーター１１に供給される。

本実施形態に係る水素センサは、ヒーター用温度センサ１０３によりヒーター温度を精度よく測定できるので、ヒーター１１により加熱されている水素吸蔵層１３の温度を精度よく制御できる。これにより、水素吸蔵層１３の周囲の湿度等を一定範囲内または一定にすることができ、検出精度に影響を与える外乱の影響を小さくできるとともに、センサの応答性およびヒステリシスなどの特性を改善することができる。また、水素吸蔵層１３の温度がある値を超えることも抑制できる。これにより、水素吸蔵層１３の性能劣化および消費費電力の増加を抑制できる。したがって、本実施形態によれば、水素センサの性能の改善を図れるので、充分な性能を有する水素センサを提供することが可能となる。

また、上記所定の温度範囲は最大でＴ_ｍｉｎからＴ_ｍａｘまでの範囲であるが、上記所定の温度範囲はそれよりも狭い、Ｔ_ｍｉｎ１（＞Ｔ_ｍｉｎ）からＴ_ｍａｘ１（＜Ｔ_ｍａｘ）までの範囲でも構わない。

なお、ヒーター温度Ｔ１が所定の温度になるようにヒーター温度Ｔ１を制御した場合、ヒーター温度Ｔ１は所定の温度から多少ずれることもある。本実施形態ではこのようなずれ（誤差）が生じる場合でもヒーター温度Ｔ１が所定の温度になるようにヒーター温度Ｔ１をフィードバック制御することであると規定する。

なお、図１ではヒーター用温度センサの一部を構成する測温抵抗体９ｂはＭＥＭＳキャパシタ１０１（可動構造体１３０）内に設けているが、図６に示すようにＭＥＭＳキャパシタ１０１の外に設けることも可能である。すなわち、測温抵抗体９ｂの配置箇所は、ヒーター温度を必要な精度でもって測定することができる箇所であればよい。

また、水素センサ１００は、一つの基板（チップ）で実装しても構わないし、または、複数の基板（チップ）で実装しても構わない。

例えば、図１の構成の水素センサ１００の場合、測温抵抗体９ｂを含むＭＥＭＳキャパシタ１０１は第１の基板（チップ）に実装し、ヒーター用温度センサ１０３の測温抵抗体９ｂ以外の部分、環境温度センサ１０４、および、ヒーター温度制御部１０５は、第１の基板とは別の第２の基板（チップ）に実装しても構わない。また、水素濃度算出回路１０２は例えば第１の基板または第２の基板に実装される。水素濃度算出回路１０２は第１の基板に対して外付けされるものであっても構わない。同様に、可変電流源１０６は例えば第１の基板または第２の基板に実装される。

図７は、ＭＥＭＳキャパシタ１０１の具体的な構造の一例を示す断面図である。この例では、測温抵抗体７、測温抵抗体９ｂおよびＭＥＭＳキャパシタ１０１は、シリコン基板（基板領域）１上に実装されている。

シリコン基板１上には絶縁層（基板領域）２、絶縁層（基板領域）３が順次設けられている。

絶縁層２の材料は絶縁層３の材料とは異なる。例えば、絶縁層２および絶縁層３を酸素（Ｏ₂ ）を用いてアッシング（ドライエッチング）した場合、絶縁層３のエッチングレートが絶縁層２のエッチングレートよりも大きくなるように、絶縁層２および絶縁層３の材料は選択される。絶縁層２の材料は例えばシリコン窒化物であり、絶縁層３の材料は例えばポリイミドである。絶縁層３は例えば絶縁層２よりも厚い。

絶縁層３には絶縁層２に達する溝が設けられており、絶縁層２の上面の一部は露出している。本実施形態では、絶縁層３の側面は、図７の断面図に示すように、上から下に向かって幅が狭くなるテーパー状の形状（下に凸の曲線）を有する。絶縁層３の側面の断面は直線で規定されても構わないし、さらに、直線および曲線で規定されても構わない。また、互いに直交する三つの軸で規定される直交座標系においては、溝を規定する絶縁層３の側面は曲面となる。当該側面は例えば負の曲率を有する。また、充分な熱抵抗が確保される場合には、絶縁層３はなくても構わない。

絶縁層３上には絶縁層４が設けられている。絶縁層４の材料は例えばシリコン窒化物である。絶縁層４には開口２０が設けられている。絶縁層４は絶縁層２，３とともに二つの下側空洞領域（第２の空洞領域）２２を規定する。下側空洞領域２２の高さＬ２は例えば１０μｍよりも大きい。絶縁層４には下部電極用のばね部（不図示）が設けられている。

絶縁層４上には下部電極５ａ、電導用の金属層５ｂが設けられている。金属層５ｂはアンカー９ｃの台座として用いられる。下部電極５ａおよび金属層５ｂは同じ導電材料を含み、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）またはチタンナイトライド（ＴｉＮ）を含む。

絶縁層４およびその上の下部電極５ａ上には絶縁層６が設けられている。同様に、絶縁層４およびその上の金属層５ｂ上には絶縁層６が設けられている。絶縁層６の材料は、例えば、シリコン窒化物である。

金属層５ｂを覆う絶縁層６上には絶縁層８ｄが設けられている。絶縁層８ｄの中央部には環境温度センサの測温抵抗体７が設けられている。測温抵抗体７の材料は、例えば、白金（Ｐｔ）、窒化シリコン（ＴｉＮ）またはチタン（Ｔｉ）である。Ｐｔは、環境温度センサの安定性と精度の点で有利である。ＴｉＮおよびＴｉは半導体プロセスで一般的に使用される高融点金属を含む材料であり、水素センサ（半導体を含むデバイス）を製造する上では有利である。絶縁層６上には測温抵抗体７を覆うように絶縁層１０ｂが設けられている。絶縁層１０ｂには絶縁層１２が設けられている。絶縁層８ｄ、絶縁層１０ｂおよび絶縁層１２は測温抵抗体７を保護する膜（パッシベーション膜）を構成する。より詳細には、上記パッシベーション膜は、湿度などによって測温抵抗体７が腐食するなどの不良要因が発生することを未然に防止するためのものである。

図７では、測温抵抗体７は絶縁層６上に設けられているが、測温抵抗体７は別の部材上に設けられていても構わない。

下部電極５ａの上方には可動構造３０が配置されている。可動構造３０は、水素アクチュエータ３０ａと、上部電極部３０ｂと、水素アクチュエータ３０ｃとを含む。上部電極部３０ｂは、水素アクチュエータ３０ａと水素アクチュエータ３０ｃとの間に設けられている。上部電極部３０ｂの一端部は、ばね部１４を介して、水素アクチュエータ３０ａに接続されている。上部電極部３０ｂの他端部は、別のばね部１４を介して、水素アクチュエータ３０ｃに接続されている。上部電極部３０ｂは図示しない外部回路に接続されている。

可動構造３０（３０ａ，３０ｂ，３０ｃ）下は空洞領域（上側空洞領域）２１となっている。水素アクチュエータ３０ａ下の上側空洞領域２１は開口２０を介して下側空洞領域２２に連通している。同様に、水素アクチュエータ３０ｃ下の上側空洞領域２１も開口２０を介して下側空洞領域２２に連通している。上側空洞領域２１の高さ（Ｌ１）は下側空洞領域２２の高さ（Ｌ２）よりも小さい（Ｌ１＜Ｌ２）。また、充分な熱抵抗が確保される場合は、上側空洞領域２１の高さ（Ｌ１）は下側空洞領域２２の高さ（Ｌ２）よりも小さくても構わない。

上部電極部３０ｂは、絶縁層８ａ、上部電極９ａ、絶縁層１０ａ、導電層（ダミーメタル）１１’および絶縁層１２を含む。

上部電極９ａは下部電極５ａと対向するように絶縁層８ａ上に配置されている。上部電極９ａおよび下部電極５ａはＭＥＭＳキャパシタを構成する二つのキャパシタ電極である。上部電極９ａの材料は、例えば、ＴｉＮを含む。ＴｉＮの代わりにＴｉ等の他の導電材料を含んでいても構わない。

上部電極部３０ｂにおいて、絶縁層１０ａは上部電極９ａを覆うように絶縁層８ａ上に設けられている。導電層１１’は絶縁層１０ａ上に設けられている。導電層１１’は絶縁層１０ａの残留応力による反りを抑制する目的のために設けられている。上記目的のためには、例えば、導電層１１’の形状および寸法は上部電極９ａのそれと同じにする。導電層１１’の材料は、例えばＴｉ、ＴｉＮ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｐｄ、ＰｔまたはＰｄ−Ｎｉである。導電層１１’は図１に示した可変電流源１０６に接続されておらず、導電層１１’はヒーターとしては機能しない。

上部電極部３０ｂにおいて、絶縁層１２は導電層１１’を覆うように絶縁層１０ａ上に設けられている。絶縁層１０ａの材料は、例えば、シリコン窒化物を含む。

水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃの各々は、絶縁層８ａ、ダミー電極９ａ’、測温抵抗体９ｂ、絶縁層１０ａ、ヒーター１１、絶縁層１２および水素吸蔵層１３を含む。

ダミー電極９ａ’および測温抵抗体９ｂは絶縁層８ａ上に設けられている。ダミー電極９ａ’の形状は例えば板状またはメッシュ状である。ダミー電極９ａ’下には下部電極５ａは設けられていないので、ダミー電極９ａ’はＭＥＭＳキャパシタの上部電極としては機能しない。

測温抵抗体９ｂの材料は、例えば、白金（Ｐｔ）、窒化チタン（ＴｉＮ）またはチタン（Ｔｉ）である。測温抵抗体９ｂの材料は測温抵抗体７の材料と同じでも構わないし、または、異なっていても構わない。

水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃにおいて、絶縁層１０ａはダミー電極９ａ’および測温抵抗体９ｂを覆うように絶縁層８ａ上に設けられている。その結果、測温抵抗体９ｂは絶縁層８ａおよび絶縁層１０ａで覆われることになる。測温抵抗体９ｂは中空に浮いており、更に熱抵抗が高いばね１４およびばね１００ｂに接続されている。そのため、周囲の熱抵抗が高く、断熱構造を形成している。

ヒーター１１は絶縁層１０ａ上に設けられている。ヒーター１１はその下方に測温抵抗体９ｂが存在するように配置されている。ヒーター１１が測温抵抗体９ｂの上方に配置されることで、ヒーター１１と測温抵抗体９ｂが同じ層内に平面方向に配置される場合に比べて、水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃの面積を小さくすることが可能である。水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃの面積が小さくなることは、熱抵抗が増加し断熱性が高まり、また熱容量が低下するため、より低消費電力および高速応答が可能である。図７では、測温抵抗体９ｂの一端部がヒーター１１の外側に配置されているが、測温抵抗体９ｂの全体がヒーター１１の下方に配置されていても構わない。

ヒーター１１の材料は導電層１１’の材料と同じである場合もあるいし、異なる場合もある。後述する実施形態の水素センサのＭＥＭＳキャパシタの製造方法では、ヒーター１１の材料は導電層１１’の材料と同じである。ヒーター１１は図１に示した可変電流源１０６に接続されている。

水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃにおいて、絶縁層１２はヒーター１１を覆うように絶縁層１０ａ上に設けられている。その結果、ヒーター１１は絶縁層１０ａおよび絶縁層１２で覆われることになる。ヒーター１１は中空に浮いており、更に熱抵抗が高いばね１４および１００ｂに接続されている。そのため、周囲の熱抵抗が高く、断熱構造を形成している。水素吸蔵層１３は絶縁層１２上に設けられている。ヒーター１１は水素吸蔵層１３を加熱するために用いられるので、本実施形態では上述のように断熱されている。

断熱性の高い材料を含む絶縁層８ａ、絶縁層１０ａおよび絶縁層１２は、測温抵抗体９ｂ、ヒーター１１および水素吸蔵層１３を周囲環境（可動部３０の周囲）から充分に断熱する断熱構造を構成する。

水素吸蔵層１３の材料は、例えば、パラジウム（Ｐｄ）、パラジウム（Ｐｄ）を含有する合金もしくは当該合金に銅（Ｃｕ）およびシリコン（Ｓｉ）を含有させた合金、チタン（Ｔｉ）を含有する合金、ランタン（Ｌａ）を含有する合金、または、金属ガラスを含む。当該金属ガラスは、例えば、上記金属（ｐｄ、ＴｉまたはＬａ）またはその合金を含む。

水素吸蔵層１３は水素を吸収または吸着する（蓄積する）ことで膨張する（体積が増加する）。水素吸蔵層１３が膨張すると、水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃが変形し、上部電極部３０ｂの位置は上側または下側に変位する。その結果、下部電極５ａと上部電極９ａとの間隔は変化する。

水素吸蔵層１３の膨張量は水素吸収量または水素吸着量に応じて変化するため、下部電極５ａと上部電極９ａとの間隔は水素吸収量または水素吸着量に応じて変化する。その結果、水素吸蔵層１３の水素吸収量または水素吸着量に応じてＭＥＭＳキャパシタの容量は変化する。

ＭＥＭＳキャパシタ１０１は、図１に示すように、上記容量に対応する容量信号Ｓ_Ｃを出力し、容量信号Ｓ_Ｃは水素濃度算出回路１０２に入力される。水素濃度算出回路１０２は容量信号Ｓ_Ｃに基づいて容量を求めることで水素濃度を算出する。水素濃度算出回路１０２は、例えばＣＭＯＳ回路を用いて構成されている。

水素アクチュエータ３０ａの両端は、それぞれ、ばね部１４を介してアンカー９ｃに接続される。アンカー９ｃの下側には絶縁層８ｃが設けられ、アンカー９ｃの上側に絶縁層１０ｃが設けられている。水素アクチュエータ３０ｃも同様である。

ヒーター１１の消費電力の増加を抑制するためには、ヒーター１１を含んでいる水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃから逃げる熱を少なくすればよい。そのためには、例えば、上側空洞領域２１を大きくして上側空洞領域２１の熱抵抗を高くする。上側空洞領域２１を大きくするには、例えば、上側空洞領域２１の高さＬ１を大きくする必要がある。高さＬ１を大きくすると、下部電極５ａと上部電極９ａとの間隔が広がる。当該間隔を広げることはＭＥＭＳキャパシタの容量低下を招く。その結果、水素濃度の検出感度は低下する。

そこで、本実施形態では、上側空洞領域２１下に下側空洞領域２２を設けている。上側空洞領域２１は開口２０を介して下側空洞領域２２に連通し、上側空洞領域２１と下側空洞領域２２とは直列に接続する。したがって、上側空洞領域２１の熱抵抗と下側空洞領域２２の熱抵抗との合計熱抵抗は、これらの二つの熱抵抗の和となる。これにより、水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃ下の空洞領域の熱抵抗を大きくでき、ヒーター１１の消費電力の増加を抑制しつつ、水素濃度の検出感度を高くできる。

したがって、図７に示すＭＥＭＳキャパシタ１０１を用いた水素センサ１００は、環境温度Ｔ２（水素吸蔵層１３の周囲の温度）が所定の温度範囲に収まるように、ヒーター温度Ｔ１を制御する構成に加えて、水素アクチュエータ３０ａおよび３０ｃ下の空洞領域の熱抵抗を大きくする構成を備えているので、消費電力を容易に低減できるとともに、検出感度を容易に高くすることが可能となる。

なお、本実施形態では、一つの環境温度センサを用いたが複数の環境温度センサを用いても構わない。この場合、環境温度Ｔ２は、例えば、複数の環境温度センサで測定された複数の環境温度の平均温度で規定される。

図８は、ＭＥＭＳキャパシタ１０１の一部を模式的に示す平面図である。図７の断面図は図８の平面図の７−７線に沿った断面図に対応する。

ばね部１４の熱抵抗は、例えば、空洞領域２１の熱抵抗と空洞領域２２の熱抵抗との合計熱抵抗の約１０倍である。すなわち、ばね部１４は熱抵抗が充分大きい。一般に、熱抵抗が大きい部材は、機械的なばね定数が小さいために柔らかい。水素アクチュエータ３０ａ，３０ｃに接続されるばね部１４のばね定数が小さいと、例えば、水素を検出する際に水素アクチュエータ３０ａ，３０ｃの変形が容量部の上部電極部３０ｂに伝わりにくくなり、水素の検出感度が悪くなる。そのため、水素アクチュエータ３０ａ，３０ｃの変形が上部電極部３０ｂに効果的に伝わるように、ばね部１４の端部が擬似的に機械的な固定端になるように、ばね部１４の形状および物性を決める必要がある。その観点から、ばね部１４の形状は折り返しのないライン状のストレート形状を含む必要あり、図８においては、二つのＹ字状のばね部を繋げた形状を有する。また、ストレート形状の効果を増すために、ばね部１４はシリコン基板１に対して引張り応力を有する。Ｙ字状の形状は、水素アクチュエータ３０ａ，３０ｃが水素を吸収して変形しても、ばね部１４が回転しないようにするためである。回転を防止できるなら、ばね部１４のパターンはライン状でも構わない。

図８において、１００ｂは水素アクチュエータ３０ａ（３０ｃ）と上部電極９ａとを接続するばね部を示している。一般的なプロセスを用いて形成したばね部１００ｂの熱抵抗は例えば空洞領域２１，２２の合計熱抵抗の約１０倍であるが、擬似的な固定端としての機能は求められていないため、ばね部１００ｂはばね部１４のようにライン状のストレート形状である必要はない。２００は水素アクチュエータ３０ａ中のヒーターを外部回路（不図示）に接続するためのアンカーを示している。２００ａはアンカー２００と水素アクチュエータ３０ａとを接続するばね部を示している。

図９（ａ）は上部電極９ａおよびその下の構造（下部構造）の一例を示す断面図である。下部構造はＴｉＮ層９ａ１、ＳｉＮ層９ａ２が順次積層された構造を含む。ＴｉＮ層９ａ１、ＳｉＮ層９ａ２および上部電極９ａの厚さは、それぞれ、例えば、５０ｎｍ、３μｍ、５０ｎｍである。ＴｉＮ層９ａ１、ＳｉＮ層９ａ２および上部電極９ａの幅は例えば６μｍである。

なお、ＴｉＮ層９ａ，９ａ１の上面、下面および側面には、ＴｉＮ層９ａ，９ａ１の酸化を防止するために実際には絶縁膜（保護膜）が設けられているが、図９（ａ）では簡略化のために省いてある。上記絶縁膜は、例えば、厚さ１００ｎｍ程度の薄い絶縁膜であり、その材料は例えば窒化シリコンである。同様に、図９（ｂ）、（ｄ）および（ｅ）中のＴｉＮ層の上面、下面および側面の絶縁膜も省いてある。また、図９（ａ），（ｂ），（ｄ），（ｅ）のＴｉＮは導電材料の一例であり、他の導電材料を用いても構わない。例えば、ＴｉＮ層（上部電極）９ａと同様に、Ｔｉを用いても構わない。

図９（ｂ）は水素アクチュエータ３０ａの構造の一例を示す断面図である。当該構造はＴｉＮ層３０ａ１、ＳｉＮ層３０ａ２、ＴｉＮ層（ヒーター）３０ａ３、Ｐｄ層（水素吸蔵層）３０ａ４が順次積層された構造を含む。ＴｉＮ層３０ａ１、ＳｉＮ層３０ａ２、ＴｉＮ層３０ａ３およびＰｄ層３０ａ４の厚さは、それぞれ、例えば、５０ｎｍ、３μｍ、４５ｎｍおよび５００ｎｍである。

図９（ｃ）はばね部１４の構造の一例を示す断面図である。当該構造はＳｉＮ層１４ａ１を含む。ＳｉＮ層１４ａ１の厚さおよび幅は、それぞれ、例えば、３μｍおよび６μｍである。

図９（ｄ）はばね部１００ｂの構造の一例を示す断面図である。当該構造はＴｉＮ層１００ｂ１、ＳｉＮ層１００ｂ２が順次積層された構造を含む。ＴｉＮ層１００ｂ１およびＳｉＮ層１００ｂ２の厚さは、それぞれ、例えば、５０ｎｍおよび３μｍである。ＴｉＮ層１００ｂ１およびＳｉＮ層１００ｂ２の幅は例えば６μｍである。

図９（ｅ）はばね部２００ａの構造の一例を示す断面図である。当該構造はＴｉＮ層２００ａ１、ＳｉＮ層２００ａ２およびＴｉＮ層２００ａ３が順次積層された構造を含む。ＴｉＮ層２００ａ１、ＳｉＮ層２００ａ２およびＴｉＮ層２００ａ３の厚さは、それぞれ、例えば、５０ｎｍ、３μｍおよび５０ｎｍである。ＴｉＮ層２００ａ１、ＳｉＮ層２００ａ２およびＴｉＮ層２００ａ３の幅は例えば８μｍまたは６μｍである。

図１０はアンカー２００のより詳細な構造を示す断面図である。アンカー２００は、上部電極の引き出し配線用のアンカービア２００−１と、ヒーターの引き出し配線用のアンカービア２００−２とを含む。

図１０において、３００、３０２、３０３、３０５および３０７は絶縁層を示している。３０１は下部電極と同じ工程で形成された電極を示しており、３０４は上部電極と同じ工程で形成された電極を示しており、３０６はヒーターと同じ工程で形成された配線を示している。

アンカービア２００−１では、配線３０４と配線３０６とは絶縁層３０５によって電気的に絶縁されている。また、アンカービア２００−１では、配線３０４の右側の端部は上部電極（不図示）に接続される。配線３０４は配線３０１を介して外部回路（電源）に接続される。

ヒーターの引き出し配線用のアンカービア２００−２では、配線３０４と配線３０６とは電気的に接続されている。また、アンカービア２００−２では、配線３０６の右側の端部がヒーター（不図示）に接続される。配線３０６は配線３０４および配線３０１を介して外部回路（電源）に接続される。

なお、本実施形態では、水素アクチュエータの数は二つであるが、水素アクチュエータの数は一つでもまたは三つ以上でも構わない。

図１１〜図２４は、ＭＥＭＳキャパシタ１０１の製造方法の一例を説明するための断面図である。

まず、図１１に示すように、シリコン基板１上に絶縁層２、絶縁層３および絶縁層４を順次形成する。絶縁層４上に下部電極５ａおよび金属層５ｂとなる導電層を形成し、当該導電層上にレジストパターン（不図示）を形成し、そして、当該レジストパターンをマスクに用いて上記導電層をエッチングすることにより、下部電極５ａおよび金属層５ｂを形成する。

次に図１２に示すように、絶縁層４、下部電極５ａおよび金属層５ｂを覆う絶縁層６を形成する。絶縁層６の材料は、例えば、絶縁層４の材料と同じである。

次に図１３に示すように、図示しないレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、絶縁層３に連通する貫通孔６０を絶縁層４中に形成する。その後、貫通孔６０を埋めるように、図１４に示すように、絶縁層６上に犠牲層５２を形成する。犠牲層５２の材料は、絶縁層３の材料と同じであり、例えば、感光性ポリイミドである。このとき、犠牲層５２の表面は例えばＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）により平坦化しても構わない。

次に図１５に示すように、フォトリソグラフィにより犠牲層５２を加工することにより金属層５ｂ上の絶縁層６に連通する貫通孔６１を犠牲層５２中に形成する。その後、図１６に示すように、貫通孔６１の内面（側面、底面）を覆うように全面に絶縁層８を形成する。絶縁層８の材料は、例えば、絶縁層６の材料（シリコン窒化物）と同じである。

次に図１７に示すように、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスを用いて貫通孔６１の底の絶縁層６を除去し、金属層５ｂの表面の一部を露出させる。続いて、図７に示した上部電極９ａ、ダミー電極９ａ’、測温抵抗体７，９ｂおよびアンカー９ｃとなる導電層９を図１８に示すように、全面に形成する。導電層９は、露出した絶縁層６、貫通孔６１の底に露出した金属層５ｂの表面にコンタクトし、かつ、貫通孔６１の内面（側面、底面）を覆うように形成する。

次に、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスを用いて図１８に示した導電層９を加工することにより、図１９に示すように、上部電極９ａ、ダミー電極９ａ’、測温抵抗体７，９ｂおよびアンカー９ｃを形成する。

図７に示した絶縁層１０ａ，１０ｂ，１０ｃとなる絶縁層１０を図２０に示すように全面に形成する。

次に図２１に示すように、絶縁層１０上にヒーター１１および導電層１１’を形成する。ヒーター１１および導電層１１’を形成する工程は、例えば、ヒーター１１および導電層１１’となる導電層（例えばＴｉＮ層）を形成する工程と、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスを用いて上記導電層をパターニングする工程とを含む。

なお、図２１の断面では、ヒーター１１は分断されているように見えるが、実際にはヒーター１１は分断されていない。図２８（ａ）にヒーター１１の平面パターンの一例を示し、図２８（ｂ）にヒーター１１の平面パターンの他の例を示す。

次に図２２に示すように、ヒーター１１および導電層１１’を覆うように絶縁層１０上に絶縁層１２を形成する。その後、絶縁層１２上にレジストパターン（不図示）を形成し、当該レジストパターンをマスクに用いて絶縁層１２、絶縁層１０、絶縁層８をエッチングすることにより、図２３に示すように、絶縁層１２，１０，８のパターニングを行い、犠牲層５２の表面に達する貫通孔６２を形成するとともに、測温抵抗体７のパッシベーション膜１２，１０ｂ，８ｄを形成する。

次に図２４に示すように、ヒーター１１を覆っている部分の絶縁層１２上に水素吸蔵層１３を形成し、その後、例えば、酸素（Ｏ₂ ）を用いたアッシング（等方性ドライエッチング）により、犠牲層５２を除去するとともに、絶縁層３の一部を除去することにより、図７に示した水素センサが得られる。

なお、異方性エッチングを用いては犠牲層５２の全体を除去できず、そして、図１の下側空洞領域２２を形成できるように絶縁層３の一部を除去することもできない。

図２５〜図２７は、下側空洞領域の変形例を模式的に示す断面図である。

図２５は、図７の二つの下側空洞領域２２を空洞で繋げた構成に対応する一つの下側空洞領域２２ａを示している。

図２６は、シリコン基板１に設けた貫通孔（開口）によって規定される下側空洞領域２２ｂを示している。空洞領域２２ｂ内には空気が存在する。空気は熱抵抗が高い。絶縁層４，６を薄くすれば下側空洞領域２２ｂは上側空洞領域（不図示）に実質的に直列に接続され、下側空洞領域２２ｂは空洞領域２２と同様に機能する。図２６では、図１に示した絶縁層２，３は用いていない。絶縁層２，３がない方が下側空洞領域２２ｂは容易に形成できるからである。

図２６には異方性エッチングにより形成された形状の下側空洞領域２２ｂが示されているが、図２７に示すように、等方性エッチングにより形成された下側空洞領域２２ｂ’を用いても構わない。図２７には側面が曲線の空洞領域２２ｂ’が示されているが、当該側面は直線になる場合もあるし、直線と曲線の組合せになる場合もある。

なお、上述した実施形態では水素センサについて説明したが、水素吸蔵層の代わりに他のガスを吸収する吸蔵層を用いることで、他のガスセンサも同様に実施することが可能である。

（第２の実施形態）
図２９は、第２の実施形態に係る水素センサ１００’を説明するための断面図である。水素センサ’は接触燃焼型の可燃性ガスセンサである。可燃性ガスは例えば、水素、メタン、プロパン、ブタン、イソブタンなどである。

水素センサ１００’は、センサ素子１００’ｓおよび参照素子１００’ｒを含む。センサ素子１００’ｓは基板１上の断熱された梁構造内に設けられたダミー電極９ａ’およびヒーターとしての抵抗体１１ｓ、ならびに、これらの上に設けられた触媒層１３ｓを含む。触媒層１３ｓの材料は、例えば、Ｐｄ、ＰｄＣｕＳｉ、Ｐｄ合金、ＰｔまたはＰｔ合金である。参照素子１００’ｒは断熱された梁構造内に設けられたヒーターとしての抵抗体１１ｒを含む。

図３０は、接触燃焼型の可燃性ガスセンサの検出回路の一例である。当該検出回路は、１１ｓ、抵抗体１１ｒ、電圧源２０１および電圧測定回路２０２からなる抵抗ブリッジを用いたものである。ここでは例として２つの抵抗体がブリッジされているが、検出回路は４つの抵抗体によるブリッジ(ホイートストンブリッジ)でも構わない。

電圧源２０１により、抵抗体１１ｓ及び抵抗体１１ｒに電圧が印加されると、抵抗体１１ｓ及び抵抗体１１ｒはジュール熱により一定温度に加熱される。温度は例えば１００〜４００度である。

ここで、可燃性ガスが存在すると、センサ素子１００’ｓの触媒層１３ｓにおいて可燃性ガスの接触燃焼が発生し、温度が上昇する。一方、参照素子１００’ｒは触媒材料を持たないので接触燃焼は発生しない。そのため、センサ素子１００’ｓのみで温度上昇が発生する。温度上昇により抵抗体１１ｓの抵抗値（Ｒ_ｓ）は上昇する。その結果、電圧測定回路２０２の出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）、つまり、センサ出力は増加する。抵抗体１１ｒの抵抗値をＲ_ｒ、電圧源２０１の電圧値をＶ_brgとする、Ｖ_out＝Ｖ_brg／｛（Ｒ_r／Ｒ_s）＋１｝である。したがって、出力電圧（Ｖ_out）の変化に基づいて可燃性ガスの検出が可能になる。

本実施形態の水素センサ１００’は、図１１〜図２４を用いて説明した第１の実施形態の水素センサ（容量型水素センサ）１００と同一もしくはそれに準じた製造方法を用いて製造することが可能である。したがって、図３１に示すように、本実施形態の水素センサ１００’および第１の実施形態の水素センサ１００を同一基板１上に混載したセンサ（マルチセンサ）を実現することが可能である。

接触燃焼型の可燃性ガスセンサは、一般的には可燃性ガスの種類を特定することはできないが、図３１に示すマルチセンサにおいて水素センサ１００により可燃性ガスが水素か否かを判別することが可能になる。

（第３の実施形態）
図３２は、第３の実施形態に係る水素センサ１００’’を説明するための断面図である。水素センサ１００’’は熱伝導型の水素センサである。

水素センサ１００’’は、センサ素子１００’’ｓおよび測温抵抗体７を含む。センサ素子１００’’は基板１上の断熱された梁構造内に設けられた測温抵抗体９ｂおよび抵抗体１１ｓを含む。図３２では抵抗体１１ｓは測温抵抗体９ｂの上方に配置されているが、図３３に示すように抵抗体１１ｓおよび測温抵抗体９ｂの上下関係は逆でも構わない。測温抵抗体７は第１の実施形態と同様に断熱された構造内に設けられている。

図３４は、熱伝導型の水素センサの検出回路の一例である。図３４において、２０３は抵抗体１１ｓに電圧を印加してするための電源を示している。電圧が印加された抵抗体１１ｓは熱を発生して測温抵抗体９ｂを一定の温度（例えば１００度〜４００度）に加熱する。一方、測温抵抗体７は加熱されない。水素ガスは空気や窒素ガスに比べて熱伝導率が非常に高いため。そのため、、水素ガスが存在する雰囲気下で加熱された測温抵抗体９ｂの温度は、空気や窒素ガス雰囲気等の水素ガスが存在しない雰囲気下で加熱された測温抵抗体９ｂの温度よりも低い。その結果、水素ガスが存在すると、電圧測定回路２０２の出力電圧（Ｖ_ｏｕｔ）、つまり、センサ出力は増加する。測温抵抗体７の抵抗値をＲ_ｒ、測温抵抗体９ｂの抵抗をＲ_ｓとすると、Ｖ_out＝Ｖ_brg／｛（Ｒ_r／Ｒ_s）＋１｝である。したがって、センサ出力Ｖ_outの変化に基づいて水素を検出できる。一般に放熱による温度低下はガス濃度に比例するため、高い水素濃度に対して水素を検出することが可能になる。

本実施形態の水素センサ１００’’は、図１１〜図２４を用いて説明した第１の実施形態の水素センサ（容量型水素センサ）１００と同一もしくはそれに準じた製造方法を用いて製造することが可能である。したがって、図３５に示すように、本実施形態の水素センサ１００’’および第１の実施形態の水素センサ１００を同一基板１上に混載したセンサ（マルチセンサ）を実現することが可能である。

容量型水素センサは水素吸蔵材料の特性上、水素濃度が低い領域で感度が高いが、水素濃度が高い領域では感度が下がる。一方、熱伝導型水素センサは、水素濃度が低い領域では感度は低いが、水素濃度が高い領域では感度が高い。したがって、図３５に示すマルチセンサは上記二種類のガスセンサお互いの欠点を補うことが可能である。

更に、水素センサ１００、水素センサ１００’および水素センサ１００’を同一基板１上に混載したセンサ（マルチセンサ）を実施することも可能である。このマルチセンサは、例えば、図３１に示したマルチセンサの水素センサ１００’の右側に図３６に示すように水素センサ１００’’を配置することで実施できる。なお、水素センサ１００，１００’，１００’’の配列順は適宜変更可能である。図３６のマルチセンサを用いれば、低濃度から高濃度までの水素を検出し、更に水素ガス以外のメタンなどの可燃性ガスを検出することが可能になる。

なお、第１の実施形態は水素センサ１００の単体の例について説明したが、水素センサ１００’の単体、水素センサ１００’’の単体で実施しても構わない。さらに、水素センサ１００は含まないが水素センサ１００’および１００’’を含むマルチセンサも実施可能である。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…シリコン基板（基板領域）、２，３，４…絶縁層（基板領域）、５ａ…下部電極（第１の電極）、５ｂ…金属層、６…絶縁層、７…測温抵抗体（第２の部材）、８ａ…絶縁層、９…導電層、９ａ…上部電極（第２の電極）、９ａ’…ダミー電極、９ｂ…測温抵抗体（第１の部材）、９ｃ…アンカー、１０ａ…絶縁層、１１…ヒーター、１１’…導電層、１２…絶縁層、１３…水素吸蔵層（変形部材）、１４…ばね部、１７…絶縁層、２０…開口、２１…上側空洞領域（第１の空洞領域）、２２，２２ｂ，２２ｂ’…下側空洞領域（第２の空洞領域）、３０…可動構造、３０ａ，３０ｃ…水素アクチュエータ、３０ｂ…上部電極部、５２…犠牲層、６０…貫通孔、１００…水素センサ、１０１…ＭＥＭＳキャパシタ、１０２…水素濃度算出回路（ガス濃度算出部）、１０３…ヒーター用温度センサ（第１の温度センサ）、１０４…環境温度センサ（第２の温度センサ）、１０５…ヒーター温度制御部（温度制御部）、１０６…可変電流源、１０７…ロジック回路（第１の回路）、１０８…可変電流源制御回路（第２の回路）、１０９…定電流源、１１０…ヒーター温度検出回路、１１２…環境温度検出回路、１１３…環境温度検出回路、１２１…抵抗測定回路（第１の測定部）、１２２…抵抗測定回路（第２の測定部）。

Claims (20)

1. 第１の電極と、前記第１の電極から離間して配置された可動構造とを具備し、前記可動構造が、所定のガスを吸収または吸着することで変形する変形部材と、前記変形部材を加熱するヒーターと、前記変形部材の変形に応じて前記第１の電極との間隔が変化する第２の電極とを含むＭＥＭＳキャパシタと、
   前記第１の電極と前記第２の電極との間の前記間隔に基づき、前記所定のガスの濃度を算出するガス濃度算出部と、
   前記ヒーターの温度を検出するための第１の温度センサと、
   前記ＭＥＭＳキャパシタが使用される環境の温度を検出するための第２の温度センサと、
   前記第１の温度センサで検出された前記ヒーターの温度と、前記第２の温度センサで検出された前記環境の温度とに基づいて、前記ヒーターの温度を制御する温度制御部と
   を具備するガスセンサ。
2. 前記第１の温度センサは、前記ヒーターの温度の変化に応じて電気的特性が変化する第１の部材と、前記第１の部材の前記電気的特性を測定するための第１の測定部とを具備し、
   前記第２の温度センサは、前記ＭＥＭＳキャパシタが使用される環境の温度の変化に応じて電気的特性が変化する第２の部材と、前記第２の部材の前記電気的特性を測定するための第２の測定部とを具備する請求項１に記載ガスセンサ。
3. 前記第１および第２の部材の前記電気的特性は電気抵抗であり、
   前記第１の測定部は、前記第１の部材に電流が流れている状態での前記第１の部材の第１の抵抗値を測定し、
   前記第２の測定部は、前記第２の部材に電流が流れている状態での前記第２の部材の第２の抵抗値を測定する請求項２に記載のガスセンサ。
4. 前記測定した第１の抵抗値を用いて前記ヒーターの温度を算出する第１の温度算出部と、
   前記測定した第２の抵抗値を用いて前記環境の温度を算出する第２の温度算出部とを含む請求項３に記載のガスセンサ。
5. 前記第１の部材は第１の測温抵抗体を含み、前記第２の部材は第２の測温抵抗体を含む請求項３または４に記載のガスセンサ。
6. 前記第１の部材は、前記ＭＥＭＳキャパシタ内に設けられている請求項２ないし５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
7. 前記第１の部材は前記ヒーターの下方に配置されている請求項６に記載のガスセンサ。
8. 前記第１の部材と前記ヒーターとの間には絶縁層が設けられている請求項７に記載のガスセンサ。
9. 前記温度制御部は、前記第２の温度センサで検出された前記環境の温度に基づいて、前記ヒーターの温度が所定の温度範囲内または所定の温度になるように、前記ヒーターの温度を制御する請求項１ないし８のいずれか１項に記載のガスセンサ。
10. 前記温度制御部は、前記ヒーターに流れる電流を制御することにより、前記ヒーターの温度を制御する請求項９に記載のガスセンサ。
11. 前記ヒーターに電流を供給するための可変電流源をさらに具備し、
    前記温度制御部は、
    前記第２の温度センサで検出された前記環境の温度に基づいて、前記第１の温度センサで検出される前記ヒーターの温度が前記所定の温度範囲内または前記所定の温度になるために必要な、前記ヒーターに供給する前記電流の大きさを決定する第１の回路と、
    前記第１の回路で決定した大きさの電流が前記ヒーターに供給されるように、前記可変電流源を制御する第２の回路とを具備する請求項１０に記載のガスセンサ。
12. 前記ＭＥＭＳキャパシタ、前記第１の部材および前記第２の部材は同じ基板上に実装されている請求項２ないし１１のいずれか１項に記載のガスセンサ。
13. 前記ＭＥＭＳキャパシタは、
    基板領域と、
    前記第１の電極と前記可動構造との間に設けられた第１の空洞領域と、
    前記基板領域に設けられ、前記第１の空洞領域に連通する第２の空洞領域と
    を具備する請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のガスセンサ。
14. 前記基板領域は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた第１の絶縁層とを含み、
    前記第２の空洞領域は前記第１の絶縁層に設けられている請求項１３に記載のガスセンサ。
15. 前記第２の空洞領域を規定する前記第１の絶縁層の側面はテーパー状の形状を有する請求項１４に記載のガスセンサ。
16. 前記第１の絶縁層上に設けられた第２の絶縁層をさらに具備し、
    前記第２の絶縁層には、前記第１の空洞領域と前記第２の空洞領域とを連通する開口が設けられている請求項１４または１５に記載のガスセンサ。
17. 前記所定のガスは水素を含む請求項１ないし１６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
18. 接触燃焼型のガスセンサおよび熱伝導型の水素センサの少なくとも一方をさらに具備する請求項１ないし１７のいずれか１項に記載のガスセンサ。
19. 前記熱伝導型の水素センサは、
    基板上に設けられたヒーターと、
    前記基板を基準にして前記ヒーターの上方または下方に配置され、温度の変化および雰囲気ガスの組成変化に応じて電気的特性が変化する部材と
    を具備し、
    前記ヒーターおよび前記部材は、基板上の梁構造内に設けられている請求項１８に記載のガスセンサ。
20. 前記雰囲気ガスの組成変化は、空気中の水素の濃度が変化することである請求項１９に記載のガスセンサ。

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