JP2023127408A - ガスセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】検出するガス種の選択性を高め、ガス濃度測定の精度を高めると共に、小型化、低コスト化を実現するガスセンサを提供すること。【解決手段】空洞部９２を有する基板９０と、空洞部９２の上方に第１検知部１２および第２検知部２０１ａ，２０２ａ，２０１ｂ，２０２ｂを有する膜状素子１と、を有するガスセンサ１００である。第１検知部および第２検知部は、感応膜と、検知電極１２，２２１とを有する。第１検知部と第２検知部の少なくとも一方には、感応膜と熱的に接続してある触媒部１６が形成してある。第１検知部および第２検知部を加熱可能なヒータ配線３２は、絶縁膜により第１検知部および第２検知部と絶縁されている。膜状素子は、第１検知部を有する内周部２と、第２検知部を有する外周部３とを有する。内周部は、内側梁部４ａ～４ｄを介して外周部に支持されており、外周部は、外側梁部５ａ～５ｄを介して基板に支持されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ガスセンサに関する。

特許文献１では、検出温度を変更することで、異なるガス種を検出するガスセンサが開示されている。しかしながら、このようなガスセンサでは、時間に対する環境変化による誤差が大きいなどといった課題があった。これに対して、特許文献２では、ガス種に対して異なる感度を持つ複数の素子を併用することで、検出するガス種の選択性を高め、ガス濃度測定の精度を高めることを可能にしている。

しかしながら、複数の素子を併用する場合には、製品コストの増大や製品の大型化といった新たな課題を有する。

特開2007-024508号公報 特開2018-036174号公報

本発明は、上記の実情を鑑みてなされ、その目的は、検出するガス種の選択性を高め、ガス濃度測定の精度を高めると共に、小型化、低コスト化を実現するガスセンサを提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係るコイル装置は、
空洞部を有する基板と、
前記空洞部の上方に第１検知部および第２検知部を有する膜状素子と、を有するガスセンサであって、
前記第１検知部および前記第２検知部は、感応膜と、前記感応膜に電気的に接続された検知電極とを有し、
前記第１検知部と前記第２検知部の少なくとも一方には、前記感応膜と熱的に接続してある触媒部が形成してあり、
前記膜状素子は、前記第１検知部および前記第２検知部を加熱可能なヒータ配線と、前記ヒータ配線を前記第１検知部および前記第２検知部から絶縁する絶縁膜とを有し、
前記膜状素子は、前記第１検知部を有する内周部と、前記第２検知部を有する外周部とを有し、
前記内周部は、内側梁部を介して前記外周部に支持されており、
前記外周部は、外側梁部を介して前記基板に支持されている。

このように構成することで、内周部と外周部の二重構造となる。たとえば、内周部では触媒作用による温度変化を計測し、外周部では熱伝導による温度変化を計測することができる。このように、異なる感度を持つ第１検知部と第２検知部がガスセンサに２重構造で搭載されるため、ガスセンサの小型化、低コスト化を実現する。また、触媒作用による温度変化と、熱伝導などによる触媒とは異なる温度変化の計測を同時に行うことができるため、時間に対する誤差を生じさせず、ガス選択性が高く、精度の高いガス濃度測定を行うことが可能になる。

好ましくは、前記外周部では、前記感応膜が分割されて配置されている。このように構成することで、外周部において、第２検知部を直列・並列を組み合わせて接続させることが可能となり、素子の抵抗をガス検知のために適切な値に制御することができる。

好ましくは、前記内周部の外縁と、前記外周部の内縁との間には、開口部が形成してある。このように構成することで、開口部が内周部と外周部とを分断し、内周部と外周部との間での熱の移動が制限される。そのため、内周部と外周部との間での熱の干渉が抑えられた精度の高いガス検知が可能となる。

好ましくは、前記第１検知部は、前記触媒部での反応に基づく信号を出力し、前記第２検知部は、前記第１検知部とは異なる検知原理による信号を出力し、
前記第１検知部および第２検知部の前記信号を用いた判定結果により、ガス種およびガス濃度を判断する。

このように一つの膜状素子内に複数の検知部を構成することで、検出距離、検出時間、ヒータ温度条件、素子形状バラツキなどによる誤差を低減させることが可能になり、ガス検知の精度を高めることができる。

前記感応膜は、サーミスタ膜であってもよい。サーミスタ膜を感応膜として用いることで、高い出力値を得ることができる。

また、前記感応膜は、白金抵抗体であってもよい。白金抵抗体を感応膜として用いることで、濃度変化に対して直進性の高い感度の変化が得られるため、ガス検知の精度を高めることが可能となる。

図１は本発明の一実施形態に係るガスセンサの平面図である。 図２Ａは図１に係るガスセンサのＩＩＡ－ＩＩＡ線での断面図である。 図２Ｂは図１に係るガスセンサのＩＩＢ－ＩＩＢ線での断面図である。 図２Ｃは図１に係るガスセンサのＩＩＣ－ＩＩＣ線での断面図である。 図３Ａは図１に係るガスセンサの第２検知部の配置を示す平面図である。 図３Ｂは他の実施形態に係るガスセンサの第２検知部の配置を示す平面図である。 図４は図１に係るガスセンサの第１検知部の配置を示す平面図である。 図５は図１に係るガスセンサのヒータの配置を示す平面図である。 図６は実施例に係るガスセンサの第1検知部での各種のガス濃度と検出値の関係を示すグラフである。 図７は実施例に係るガスセンサの第２検知部での各種のガス濃度と検出値の関係を示すグラフである。 図８は実施例に係るガスセンサの第1検知部での温度と検出値の関係を示すグラフである。 図９は実施例に係るガスセンサの第２検知部での温度と検出値の関係を示すグラフである。

以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。

第１実施形態
図２Ａに示すように、ガスセンサ１００は、複数の膜を積層して形成された膜状素子１と、空洞部９２を有する基板９０とを有する。膜状素子１は、固定部８で基板９０の上面９４に固定されている。

図１に示すように、基板の外縁９０ａは、略正方形状である。図２Ａに示すように、空洞部９２は、基板９０の上面９４から下面９６まで貫通している。基板の空洞部９２は、Ｚ軸方向に延びる略円形状の内面９３を有する。本実施形態では、ガスセンサ１００は、Ｘ軸に沿う線Ｌを対称軸として対称な構成を有する。

図２Ａに示すように、膜状素子１は、Ｚ軸方向の最下層となる下地絶縁膜６０を有する。また、膜状素子１は、下地絶縁膜６０のＺ軸方向上方に、ヒータ３０、中間絶縁膜７０、第１検知電極１２、第２検知電極２２１、上部絶縁膜８０を有する。図１に示すように、上部絶縁膜８０の上面には、第１感応膜１４、第２感応膜２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ１，２４ｂ２が形成してあり、第１感応膜１４の上面には、触媒部１６が配置してある。

図１に示すように、膜状素子１の上面には、一対の第１検知部用パッド４１ａ，４１ｂ、一対の第２検知部用パッド４２ａ，４２ｂおよび、一対のヒータ用パッド４３ａ，４３ｂを介して、第１検知電極、第２検知電極およびヒータを、図示しない外部回路に電気的に接続できるようになっている。これらのパッドの表面は表面酸化の影響を受けにくいＡｕであることが望ましい。第１検知部用パッド４１ａ，第２検知部用パッド４２ａおよびヒータ用パッド４３ａが、Ｘ軸に沿って並んで配置してある。それぞれ対をなすパッドが、線Ｌを対称軸として対称に配置されている。対をなすパッドは、どちらを外部回路の陰極または陽極に接続してもよいが、本明細書では、便宜上、第１検知部用パッド４１ａ，第２検知部用パッド４２ａおよびヒータ用パッド４３ａが配置してあるＹ軸の一方を陽極側と称し、他方を陰極側と称することがある。

なお、図面において、膜の積層方向がＺ軸であり、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸は、互いに垂直である。また、明細書において、Ｚ軸に沿って、基板が配置してある方向を「下」と称し、膜状素子が配置される方向を「上」と称することがある。

図２Ａに示すように、膜状素子１は、内周部２と、外周部３と、固定部８とを有する。固定部８は、基板の上面に固定してある。固定部８の外縁８ａは、下地絶縁膜６０、中間絶縁膜７０、上部絶縁膜８０によって形成されており、図１に示すように、Ｘ軸またはＹ軸と平行な４つの縁辺を有し、略長方形の平面視形状を有する。

内周部２の外縁２ａは、Ｚ軸に沿って見た平面視で略円形状である。外周部３は、内周部３の外縁３ａを囲うリング形状を有する。図２Ａに示すように、内周部２および外周部３は、基板９０の空洞部９２の一部を覆うように配置してある。外周部３の外縁３ａおよび内縁３ｂは、下地絶縁膜６０、中間絶縁膜７０、上部絶縁膜８０によって形成されている。なお、明細書において、内周部２のＺ軸に沿う中心線Ｏに近い方向を「内」と称し、遠い方向を「外」と称することがある。

図１に示すように、固定部８の内縁８ａと、外周部３の外縁３ａとの間にはＺ軸に沿って貫通する開口部７が形成してある。外側梁部５ａおよび外側梁部５ｂが、固定部８の内縁８ｂから、Ｙ軸に沿って外周部３を挟むように延在しており、外周部３の外縁３ａに繋がっている。また、外側梁部５ｃおよび外側梁部５ｄが、固定部８の内縁８ｂから、Ｘ軸に沿って外周部３を挟むように延在しており、外周部３の外縁３ａに繋がっている。外周部３は、外側梁部５ａ～５ｄの４か所で固定部８の内縁８ａに支持されている。

外周部３の内縁３ｂと、内周部２の外縁２ａとの間には、Ｚ軸に沿って貫通する開口部６が形成してある。内側梁部４ａおよび内側梁部４ｂが、外周部３の内縁３ｂから、Ｙ軸に沿って内周部２を挟むように延在しており、内周部２の外縁２ａに繋がっている。また、内側梁部４ｃおよび内側梁部４ｄが、外周部３の内縁３ｂから、Ｘ軸に沿って内周部２を挟むように延在しており、内周部２の外縁２ａに繋がっている。内周部２は、内側梁部４ａ～４ｄの４か所で外周部３の内縁３ｂに支持されている。

なお、外側梁部および内側梁部の本数および形成位置は、図１に示す様態に限定されない。たとえば、外側梁部および内側梁部は、それぞれ少なくとも２本形成してあればよく、外側梁部および内側梁部の数が多いほど、外周部３および内周部２の機械的強度が向上する傾向となる。ただし、外側梁部の数が多いと、外周部３の熱が外側梁部を介して固定部８に伝達され易くなる。また、内側梁部の数が多いと、内周部２の熱が内側梁部を介して外周部３に伝達されやすくなる。そのため、外側梁部および内側梁部の数は、それぞれ２～４本であることが好ましく、４本であることがより好ましい。

なお、ガスセンサ１００における内周部２の外縁２ａ、外周部３の内縁３ｂ、外周部３の外縁３ａおよび空洞部９２の内面９３は、Ｚ軸に沿う方向から見た平面視で略円形状を有し、内周部２の外縁２ａの直径は、外周部３の内縁３ｂよりも小さく、外周部３の外縁３ａの直径は、空洞部９２の内面９３の直径よりも小さい。ただし、内周部２、外周部３および空洞部９２の形状は、外側梁部および内側梁部によるエアブリッジを形成できる形状であればこれに限定されない。たとえば、内周部２、外周部３および空洞部９２の形状は、長方形、多角形、円形、楕円形などの平面視形状を有していてもよい。

図２Ｃに示すように、基板９０の上面９４には、下地絶縁膜６０が形成してある。下地絶縁膜６０のＺ軸方向の下面は、ＸＹ平面に沿って同一平面上にあり、固定部、第２梁部、外周部、第１梁部および内周部のＺ軸方向の下面を形成している。

図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、下地絶縁膜６０のＺ軸に沿って上側には、ヒータ３０が形成してある。図５に示すように、ヒータ３０は、Ｘ軸に沿う線Ｌを対称軸として対称な形状を有する。ヒータ３０は、配線部３２と端部３４ａ，３４ｂを有する。端部３４ａ，３４ｂは配線部３２で枝分かれせずに繋がっており、陽極側の端部３４ａから陰極側の端部３４ｂに電流を流すことができるようになっている。

配線部３２は、主部３２０、第２加熱部３２２および第１加熱部３２１を有する。主部３２０は、固定部に配置されており、第２加熱部３２２は、外周部に配置されている。主部３２０と第２加熱部３２２とは、外側梁部５ｄにおいて連結している。第１加熱部３２１は、内周部に配置されている。第１加熱部３２１と第２加熱部３２２とは、内側梁部４ｄにおいて連結している。

ヒータ３０は、端部３４ａ，３４ｂを除き、Ｚ軸方向上側を中間絶縁膜で覆われており、第１検知部および第２検知部から絶縁されている。ヒータ３０の端部３４ａ，３４ｂのＺ軸方向上側には、図２Ｂに示す接続部材３５が配置してある。接続部材３５は、第１検知電極および第２検知電極と同じ材料で形成してあるが、第１検知電極１２または第２検知電極２２１とは別の材料で形成してもよい。

図２Ａ、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように、中間絶縁膜７０の上面には、第１検知電極１２および第２検知電極２２１が形成してある。第１検知電極１２および第２検知電極２２１は、同じ材料で形成してあるが、別の材料で形成してもよい。

図３Ａに示すように、第２検知電極２２１は、端部２２７ａ，２２７ｂ、第２検知電極引出部２２１ａ，２２１ｂおよび対向部２２３ａ，２２３ｂを有する。第２検知電極２２１は、Ｘ軸に沿う線Ｌを対称軸として対称な構成を有する。以下、構成を理解するために必要がある場合を除き、陽極側の説明を省略する。

端部２２７ｂは、固定部に配置してあり、第２検知電極引出部２２１ｂの主部２２１ｂ０と繋がっている。第２検知電極引出部２２１ｂは、外側梁部５ｂを通り、外周部３に延びている。第２検知電極引出部２２１ｂは、外周部３において、第１分枝部２２１ｂ１と第２分枝部２２１ｂ２に分岐している。また、外周部３には、対向部２２３ｂが配置されている。

第１分枝部２２１ｂ１は、第２感応膜２４ｂ１の下面と電気的に接続し第２検知部２０１ｂを構成している。対向部２２３ｂの第１部分２２３ｂ１は、第２感応膜２４ｂ１の下面と電気的に接続し第２検知部２０１ｂを構成している。また、対向部２２３ｂの第１部分２２３ｂ１は、分枝部２２１ｂ１よりも内側に配置してある。

また、第２分枝部２２１ｂ２は、第２感応膜２４ｂ２の下面と電気的に接続し第２検知部２０２ｂを構成している。対向部２２３ｂの第２部分２２３ｂ２は、第２感応膜２４ｂ１の下面と電気的に接続し第２検知部２０２ｂを構成している。対向部２２３ｂの第２部分２２３ｂ２は、分枝部２２１ｂ２よりも内側に配置してある。

第２検知電極引出部２２１ｂと、対向部２２３ｂとは第２感応膜２４ｂ１，２４ｂ２を介して電気的に接続されている。また、対向部２２３ａの第２部分２２３ａ２は、対向部２２３ｂの第２部分２２３ｂ２と繋がっている。

第２検知電極は、一部を除きＺ軸方向上側を上部絶縁膜で覆われている。図２Ａに示すように、第２検知電極は、第１分枝部２２１ｂ１，第２分枝部２２１ｂ２、対向部の第１部分２２３ｂ１および第２部分２２３ｂ２において、第２感応膜２４ｂ１，２４ｂ２と接触する部分の上面には、上部絶縁膜８０が形成されていない。また、図２Ｂに示すように、第２検知部用パッド４２ｂと接触する端部２２７ｂは、上部絶縁膜８０で覆われていない。

図４に示すように、第１検知電極１２は、端部１２７ａ，１２７ｂ、第１検知電極引出部１２ａ，１２ｂを有する。第１検知電極１２は、Ｘ軸に沿う線Ｌを対称軸として対称な構成を有する。以下、構成を理解するために必要がある場合を除き、陽極側の説明を省略する。

端部１２７ｂは、固定部に配置してあり、第１検知電極引出部１２ｂの主部１２ｂ０と繋がっている。第１検知電極引出部１２ｂは、外側梁部５ｃ、外周部３、内側梁部４ｃを通り内周部２に延びている。第１検知電極引出部１２ｂは、内周部２において、所定のパターンの接触部１２ｂ１を形成している。

接触部１２ｂ１は、第１感応膜１４の下面と電気的に接続し第１検知部１２を構成している。接触部１２ａ１と、接触部１２ｂ１とは第１感応膜１４を介して電気的に接続されている。

図２Ｃに示すように、第１検知電極引出部１２ａ，１２ｂにおいて、第１検知部１２は、第１感応膜１４と接触する部分は上部絶縁膜８０で覆われていない。また、図２Ｂに示すように、第１検知部用パッド４１ｂと接触する端部１２７ｂは、上部絶縁膜８０で覆われていない。

図１に示すように、外周部３には、第２検知部を構成する第２感応膜２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ１，２４ｂ２が形成してある。第２感応膜２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ１，２４ｂ２は、それぞれ、下面において、第２検知電極引出部および対向部と電気的に接続している。

また、内周部２には、第1検知部を構成する第１感応膜１４が形成してある。第１感応膜１４は、下面において、第１検知引出部と電気的に接続している。第１感応膜１４の上面には、第1検知部を構成する触媒部１６が配置してあり、触媒部１６と第１感応膜１４と熱的に接続している。

次に、基板９０や膜状素子１に含まれる各膜の材質等について詳述する。

基板９０は、膜状素子１を支持できる程度の機械的強度を有し、かつ、エッチング等の微細加工に適した材料で構成すればよく、基板９０の材質は、特に限定されない。たとえば、基板９０として、フェライト基板、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板等シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、もしくは、ガラス基板等を用いることができる。

下地絶縁膜６０、中間絶縁膜７０および上部絶縁膜８０は、いずれも、絶縁性を有していればよく、その材質は特に限定されない。たとえば、これら下地絶縁膜６０、中間絶縁膜７０および上部絶縁膜８０の材質は、酸化シリコンもしくは窒化シリコンなどとすることができ、酸化シリコンであることが好ましい。なお、下地絶縁膜６０、中間絶縁膜７０および上部絶縁膜８０は、機械的強度と内部応力の制御により構成される。酸化シリコンのみだと、強度は高まるが内部応力が大きくなり素子の破壊が起こりやすくなるため、窒化シリコンと併用して応力を制御しながら構成することが望ましい。

下地絶縁膜６０は、基板９０とヒータ３０との間の絶縁性を十分に確保でき、かつ、空洞部９２を形成する際のエッチング停止層として機能する程度の厚みであればよく、下地絶縁膜６０の厚みは、特に限定されない。たとえば、下地絶縁膜６０の厚みは、０．１～２．０μｍ程度とすることが好ましい。

中間絶縁膜７０は、ヒータ３０を確実に覆うことができ、かつ、層間の絶縁性を十分に確保できる程度の厚みであればよく、中間絶縁膜７０の厚みは、特に限定されない。たとえば、中間絶縁膜７０は、０．１～１．０μｍ程度の厚みとすることが好ましい。また、上部絶縁膜８０は、第１検知電極１２及び第２検知電極２２１を確実に覆うことができ、かつ、層間の絶縁性を十分に確保できる程度の厚みであればよく、上部絶縁膜８０の厚みは、特に限定されない。たとえば、上部絶縁膜８０は、０．１～２．０μｍ程度の厚みとすることが好ましい。

ヒータ３０は、導電性を有し、かつ、比較的高融点の材料で構成してあることが好ましい。このような材料として、たとえば、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、ＮｉＣｒ（Ｎｉ、Ｃｒ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム(Ｐｄ)、イリジウム（Ｉｒ）、または、上記の元素のうち１種以上を含む合金が例示される。上記の材料のなかでも、白金は、ヒータとしての劣化が小さいため、ヒータ３０は、白金で構成することが好ましい。ヒータ３０を白金材料で構成する場合、下地絶縁膜６０に対するヒータ３０の密着性を向上させるために、下地絶縁膜６０と白金材料との間にチタン(Ｔｉ)等の密着層を形成することが好ましい。

第１検知電極１２および第２検知電極２２１は、いずれも、導電性を有し、かつ、比較的高融点の材料で構成してあることが好ましい。第１検知電極１２および第２検知電極２２１についても、ヒータ３０と同様に、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、銅（Ｃｕ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、パラジウム(Ｐｄ)、イリジウム（Ｉｒ）、または、上記の元素のうち１種以上を含む合金で構成することができ、白金で構成することが好ましい。

第１感応膜１４および第２感応膜２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ１，２４ｂ２は、温度によって抵抗値が変化する材質で構成すればよい。たとえば、第１感応膜１４および第２感応膜２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ１，２４ｂ２は、サーミスタ膜、または白金膜等とすることができ、サーミスタ膜であることが好ましい。また、サーミスタ膜の構成材料としては、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｆｅなどの複合金属酸化物等が挙げられる。第１感応膜１４および第２感応膜２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ１，２４ｂ２の材質および厚みは、いずれも、検知部の初期抵抗値に影響する要素である。そのため、第１感応膜１４および第２感応膜２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ１，２４ｂ２の材質および厚みは、検知対象ガスの種類やガスセンサ１００の用途を鑑みて、所望の初期抵抗値となるように、適宜設定すればよい。

触媒部１６は、その表面に接触したガスを反応させる作用を有し、反応熱により温度が変化する材質で構成すればよい。触媒部１６は、一酸化炭素、水素、メタン、メタノールを検知する観点からはＰｔ担持Ａｌ₂Ｏ₃を用いることができる。触媒部１６としては、その他に、たとえば、貴金属としてはＰｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｎなど、担体としてはＳｉＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｃｅ₂Ｏ₃、Ｚｒ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃などが挙げられる。そのため、触媒部１６の材質および厚みは、検知対象ガスの種類やガスセンサ１００の用途を鑑みて、所望の初期抵抗値となるように、適宜設定すればよい。

図２Ａに示すように、本実施形態では、第1検知部および第２検知部は、第1検知部および第２検知部を加熱可能なヒータ３０を有する。ヒータ３０は、検知電極および感応膜と絶縁している。ヒータ３０は、第1検知部および第２検知部を、好ましくは１００℃～５００℃、より好ましくは２００℃～３５０℃の所定温度に加熱することができる。したがって、検知部において、ガス種またはガスの濃度に応じた適切な温度での検知が可能となる。

図３Ａに示すように、本実施形態では、第２検知電極引出部２２１ｂおよび対向部２２３ｂは、第２感応膜２４ｂ１，２４ｂ２を介して電気的に接続している。第２検知電極引出部２２１ａおよび対向部２２３ａは、第２感応膜２４ａ１，２４ａ２を介して電気的に接続している。また、対向部２２３ｂと対向部２２３ａは繋がっている。

第２検知部用パッド間を陽極側から陰極側に流す電流は、第２検知電極引出部２２１ａから並列に配置されている第２感応膜２４ａ１，２４ａ２を通り、対向部２２３ａに流れる。さらに、電流は、対向部２２３ａと繋がっている対向部２２３ｂから第２感応膜２４ｂ１，２４ｂ２を通り、第２検知電極２２１ｂに流れる。したがって、第２検知部用パッド間を流れる電流と電圧から、第２感応膜２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ１，２４ｂ２の抵抗を検出することができる。第２感応膜２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ１，２４ｂ２は、ガスの接触により抵抗が変化する。第２感応膜２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ１，２４ｂ２において、抵抗の変化は、ガス種およびガスの濃度により特性があり、接触したガス種およびガスの濃度を検出することができる。

図２Ｃに示すように、本実施形態では、第１感応膜１４には触媒部１６が熱的に接続してある。また、第１検知電極引出部１２ｂおよび第１検知電極引出部１２ａは、第１感応膜１４を介して電気的に接続しており、それぞれ直接には接続していない。

第１検知部用パッド間を陽極側から陰極側に流す電流は、図４に示す第１検知電極引出部１２ａから第１感応膜１４を通り、第１検知電極引出部１２ｂに流れる。したがって、第１検知部用パッド間を流れる電流と電圧から、第１感応膜１４の抵抗を検出することができる。図２Ｃに示す触媒部１６に伝わるガスの反応熱（燃焼熱）は、第１感応膜１４に伝達し、第１感応膜１４の抵抗が変化する。第１感応膜１４において、抵抗の変化は、ガス種およびガスの濃度により特性があり、反応しているガス種およびガスの濃度を検出することができる。

図１に示すように、本実施形態では、内周部２は、内側梁部４a～４ｄを介して外周部３に支持されており、外周部３は、外側梁部５ａ～５ｄを介して基板に支持されている。内周部２には、第1検知部１０が配置されており、外周部３には、第２検知部２０１ａ，２０２ａ，２０１ｂ，２０２ｂが配置されている。

したがって、膜状素子１は、一つの素子において、触媒作用による温度変化と、熱伝導による温度変化を計測することができるため、ガスセンサの小型化、低コスト化を実現する。また、触媒作用による温度変化と、熱伝導による温度変化の計測を同時に行うことができるため、時間に対する誤差を生じさせず、ガス選択性が高く、精度の高いガス濃度測定を行うことが可能になる。

図１に示すように、本実施形態では、内周部２の外縁２aと、外周部３の内縁３ｂとの間には、開口部６が形成してある。開口部６は、幅Ｗ１の隙間を有する。幅Ｗ１の長さは、内周部２と外周部３との間での熱の移動が制限される程度の長さであればよく、幅Ｗ１の長さは、たとえば１０～１００μｍであることが好ましい。この隙間が梁部で架橋されたエアブリッジ構造を有することによって、内周部２と外周部３との間での熱の干渉が抑えられた精度の高いガス検知が可能となる。

図１に示すように、本実施形態では、外周部３の外縁３aと、固定部８の内縁８ｂとの間には、開口部７が形成してある。開口部７は、幅Ｗ２の隙間を有する。幅Ｗ２の長さは、膜状素子１の機械的強度を確保できるように決定すればよい。たとえば２０～１５０μｍであることが好ましい。この隙間が梁部で架橋されたエアブリッジ構造を有することによって、ヒータにより検知部を加熱する際に、少ない消費電力で効率よく加熱することができる。

本実施形態では、第1検知部では、触媒部を介して伝わるガスの反応熱による抵抗値の変化を信号として出力し、第２検知部では、第２感応膜にガスが接触したことによる抵抗値の変化を信号として出力している。このように異なる検出原理による信号の判定結果により、ガス種およびガス濃度を算出するため、検出距離、検出時間、ヒータ温度条件、素子形状バラツキなどによる誤差を低減させることが可能になり、ガス検知の精度を高めることができる。

本実施形態では、第１感応膜および第２感応膜は、サーミスタ膜や白金抵抗体で形成することができる。サーミスタ膜を感応膜として用いることで、高い出力値を得ることができる。白金抵抗体を感応膜として用いることで、濃度に対する抵抗変化の高い直線性が得られるため、ガス検知の精度を高めることが可能となる。

第２実施形態
以下、図３Ｂに基づいて、第２実施形態に係るガスセンサについて説明する。本実施形態に係るガスセンサは、図３Ｂに示す、第２検知電極２２２が、第１の実施形態と異なる以外は、第１の実施形態と同様であり、同様の符号を使用し、共通する構成及び作用効果については説明を省略する。

図３Ｂに示すように、第２検知電極２２２は、Ｘ軸に沿う線Ｌを対称軸として対称な構成を有する。以下、構成を理解するために必要がある場合を除き、陽極側の説明を省略する。

本実施形態では、第２検知電極２２２の第２検知電極引出部２２２ｂは、外側梁部５ｂを通り、外周部３に延び、分岐せずに、第２検知部２０１ｂを構成している。第２検知電極引出部２２２ｂは、第２感応膜２４ｂ１の下面と電気的に接続している。

対向部２２４ｂの第１部分２２４ｂ１は、第２感応膜２４ｂ１の下面と電気的に接続し第２検知部２０１ｂを構成している。対向部２２４ｂの第１部分２２４ｂ１は、第２検知電極引出部２２２ｂよりも内側に配置してある。対向部２２４ｂの第２部分２２４ｂ２は、第２感応膜２４ｂ２の下面と電気的に接続し第２検知部２０２ｂを構成している。

さらに、第２検知電極２２２は、中間対向部２２５ａ，２２５ｂを有する。中間対向部２２５ｂは、対向部２２４ｂの第２部分２２４ｂ２よりも外側に配置してある。中間対向部２２５ｂは、第２感応膜２４ｂ２の下面と電気的に接続し第２検知部２０２ｂを構成している。

第２検知電極引出部２２２ｂと、対向部２２４ｂとは第２感応膜２４ｂ１を介して電気的に接続されている。対向部２２４ｂと、中間対向部２２５ｂとは第２感応膜２４ｂ２を介して電気的に接続されている。また、中間対向部２２５ａは、中間対向部２２５ｂと繋がっている。

このように構成することで、陽極側の端部２２７ａから陰極側の端部２２７ｂまで、第２感応膜２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ２，２４ｂ１が、この順に直列に配置される。そのため、本実施形態の第２検知電極２２２を用いれば、第１実施形態のような並列に配置された感応膜よりも第２検知部全体での抵抗を高めることも可能である。

なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。

たとえば、内周部の検知部には触媒部を形成せずに、外周部の検知部に触媒部を配置してもよい。また外周部に種類の異なる触媒部を設けてもよい。

また、陰極側および陽極側の一方の第２検知部を並列に構成し、他方の第２検知部を第２実施形態のような直列に構成してあってもよい。このように、並列の第２検知部との組み合わせにより、素子の抵抗をガス検知のために適切に制御することも可能になる。

第1実施形態に係るガスセンサ１００について、ガスの濃度と各検知部での抵抗値の変化を、一酸化炭素、水素、メタン、メタノールの気体に関して、ガス濃度に対する感度と、ヒータ温度に対する感度について評価試験を行った。評価試験では、ガスセンサ１００をセルの中に配置し、セルの中にガスを導入していない状態の各検知部の抵抗値と、セルの中にガスを導入した場合の各検知部の抵抗値との変化量を測定した。

（ガス濃度）
ガスセンサ１００を配置したセルに、各種ガスの濃度を変えて導入し、それぞれの場合での各検知部の抵抗の変化量を測定した。評価試験において、ヒータの温度は、２００℃～３５０℃の間で略一定になるように制御した。内周部２に配置してあり、触媒部を有する第1検知部での評価結果のグラフを図６に示す。また、外周部３に配置してある触媒部を有しない第２検知部での評価結果のグラフを図７に示す。図６および図７において、グラフの横軸は、ガスの濃度を示し、縦軸は、検知部での抵抗値の変化量を示している。

図６に示すように、触媒部を有する第１検知部では、水素および一酸化炭素は、抵抗値を低下させる応答を示し、メタノールは、微量であるが抵抗値を低下させる応答を示した。メタンは、微量であるが抵抗値を高める応答を示した。いずれのガスにおいても、濃度が高いほど抵抗の変化が高く、抵抗値の変化は略直線であった。いずれのガス濃度においても、抵抗値の変化量は、高い方から順にメタン、メタノール、一酸化炭素、水素であった。

図７に示すように、触媒部を有しない第２検知部では、メタノールおよび水素は、抵抗値を高める応答を示し、メタンおよび一酸化炭素は、ほとんど応答を示さなかった。いずれの気体においても、ガス濃度が高いほど抵抗値の変化が高く、抵抗の変化は略直線であった。いずれのガス濃度においても、抵抗値の変化量は、高い方から順にメタノール、水素、メタン、一酸化炭素であった。

したがって、ガスセンサ１００では、第１検知部と第２検知部でガス種ごとに異なる応答を示すことから各検知部での結果を組み合わせれば、ガス種を特定することが可能である。また、各検知部での抵抗値の変化量が濃度に対して直線的に変化していることから、ガス濃度を割り出すことも可能である。

（ヒータ温度）
ガスセンサ１００を配置したセルに、各種ガスを導入し、ヒータ３０の温度を変えた場合での各検知部の抵抗の変化量を測定した。評価試験において、導入したガスはいずれも１００，３００，５００ｐｐｍの３点であった。内周部２に配置してあり、触媒部を有する第1検知部での評価結果のグラフを図８に示す。また、外周部３に配置してある触媒部を有しない第２検知部での評価結果のグラフを図９に示す。図８および図９において、グラフの横軸は、ヒータ温度を示し、縦軸は、検知部での抵抗値の変化量を示している。

図８に示すように、触媒部を有する第１検知部では、一酸化炭素および水素は、ヒータ温度が２００℃の場合において、抵抗値を低下させる応答を示した。一酸化炭素および水素は、いずれのヒータ温度でも抵抗値を低下させる応答をしており、ヒータ温度を高めるに従い抵抗値は小さくなっており、いずれの温度でも水素の方が一酸化炭素よりも抵抗値は小さかった。メタンおよびメタノールは、ヒータ温度が２００℃の場合において、抵抗値を高める応答を示した。メタンは、いずれのヒータ温度でも抵抗値を高める応答をしており、ヒータ温度を高めるに従い抵抗値が小さくなっていた。また、メタノールは、ヒータ温度が２５０℃、３００℃、３５０℃の場合において、抵抗値を低下させる応答を示した。

図９に示すように、触媒部を有しない第２検知部では、いずれのヒータ温度においても、抵抗値を高める応答をしていた。いずれのガスでも、ヒータ温度を高めるに従い、抵抗値の変化量を低下させていた。メタノールおよび水素は、濃度が高いほど抵抗値の変化量が大きく、抵抗の変化は略直線であった。

ヒータ温度を変化させることで、ガス種ごとで各検知部において検出される抵抗値の変化量の変動の仕方が異なることから、各ガス種の抵抗値の変化量とヒータ温度の関係を予め測定しておくことで、ガス種の特定を行うことも可能である。

たとえば、第1検知部では、水素および一酸化炭素はいずれも抵抗値を低下させる応答を示したのに対して、第２検知部では、水素は抵抗値を高め、一酸化炭素はほとんど応答を示さないという挙動が異なる検出結果を得ることができる。そのたため、両検知部での結果により、ガスセンサが検出したガスが水素か一酸化炭素かを特定することができる。

１００…ガスセンサ
１…膜状素子
２…内周部
２a…外縁
３…外周部
３a…外縁
３ｂ…内縁
４ａ，４ｂ．４ｃ，４ｄ…内側梁部
５ａ，５ｂ．５ｃ，５ｄ…外側梁部
６，７…開口部
８…固定部
８ａ…外縁
８ｂ…内縁
１０…第1検知部
１２…第１検知電極
１２ａ，１２ｂ…第１検知電極引出部
１２ａ０，１２ｂ０…主部
１２ａ１，１２ｂ１…接触部
１２７ａ，１２７ｂ…端部
１４…第１感応膜
１６…触媒部
２０１ａ，２０２ａ，２０１ｂ，２０２ｂ…第２検知部
２２１，２２２…第２検知電極
２２１ａ，２２１ｂ，２２２ａ，２２２ｂ…第２検知電極引出部
２２１ａ０，２２１ｂ０…主部
２２１ａ１，２２１ｂ１…第１分枝部
２２１ａ２，２２１ｂ２…第２分枝部
２２３ａ，２２３ｂ，２２４ａ，２２４ｂ…対向部
２２３ａ１，２２３ｂ１，２２４ａ１，２２４ｂ１…第１部分
２２３ａ２，２２３ｂ２，２２４ａ２，２２４ｂ２…第２部分
２２５ａ，２２５ｂ…中間対向部
２２７ａ，２２７ｂ…端部
２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ１，２４ｂ２…第２感応膜
３０…ヒータ
３２…配線部
３２０…主部
３２１…第１加熱部
３２２…第２加熱部
３４ａ，３４ｂ…端部
３５…接続部材
４１ａ，４１ｂ…第1検知部用パッド
４２ａ，４２ｂ…第２検知部用パッド
４３ａ，４３ｂ…ヒータ用パッド
６０…下地絶縁膜
７０…中間絶縁膜
８０…上部絶縁膜
９０…基板
９０ａ…外縁
９２…空洞部
９３…内面
９４…上面
９６…下面

Claims (6)

1. 空洞部を有する基板と、
   前記空洞部の上方に第１検知部および第２検知部を有する膜状素子と、を有するガスセンサであって、
   前記第１検知部および前記第２検知部は、感応膜と、前記感応膜に電気的に接続された検知電極とを有し、
   前記第１検知部と前記第２検知部の少なくとも一方には、前記感応膜と熱的に接続してある触媒部が形成してあり、
   前記膜状素子は、前記第１検知部および前記第２検知部を加熱可能なヒータ配線と、前記ヒータ配線を前記第１検知部および前記第２検知部から絶縁する絶縁膜とを有し、
   前記膜状素子は、前記第１検知部を有する内周部と、前記第２検知部を有する外周部とを有し、
   前記内周部は、内側梁部を介して前記外周部に支持されており、
   前記外周部は、外側梁部を介して前記基板に支持されているガスセンサ。
2. 前記外周部では、前記感応膜が分割されて配置されている請求項１に記載のガスセンサ。
3. 前記内周部の外縁と、前記外周部の内縁との間には、開口部が形成してある請求項１または２に記載のガスセンサ。
4. 前記第１検知部は、前記触媒部での反応に基づく信号を出力し、前記第２検知部は、前記第１検知部とは異なる検知原理による信号を出力し、
   前記第１検知部および第２検知部の前記信号を用いた判定結果により、ガス種およびガス濃度を判断する請求項１～３のいずれかに記載のガスセンサ。
5. 前記感応膜は、サーミスタ膜である請求項１～４のいずれかに記載のガスセンサ。
6. 前記感応膜は、白金抵抗体である請求項１～４のいずれかに記載のガスセンサ。

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