JP4900319B2 - 薄膜ガスセンサ、ガス漏れ警報器、薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法 - Google Patents
薄膜ガスセンサ、ガス漏れ警報器、薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法 Download PDFInfo
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Description
そこで、微細加工プロセスにより高断熱・低熱容量のダイアフラム構造として、実用上許容しうる低消費電力の薄膜ガスセンサが開発実用化されて現在に至っている。
SnO2層などのn型金属酸化物半導体であるガス感応層53は、空気中にある場合、ガス感応層53の表面に酸素などを活性化吸着する。酸素は電子受容性が強くて負電荷吸着するため、ガス感応層53の表面に空間電荷層が形成される。したがって、ガス感応層53は導電率が低下して高抵抗化する。
そして、SnO2層などのn型金属酸化物半導体であるガス感応層53は、可燃性ガスなどの電子供与性の還元性気体中にあるガス感応層53が300〜500℃程度に加熱されることにより可燃性ガスの燃焼反応が起こる場合、ガス感応層53の表面の吸着酸素が消費され、吸着酸素が捕獲していた電子がガス感応層53内にもどされることによりガス感応層53内の電子密度が増加する。したがって、ガス感応層53は導電率が増大して低抵抗化する。
そこでガス検出層5は、SnO2層であるガス感応層53の表面全体を、触媒担持Al2O3焼結材で構成されたガス選択燃焼層54が覆う構造としている。
このガス選択燃焼層54は、検知ガスよりも酸化活性の強いガスを燃焼させるため、ガス検出層5におけるある特定のガスのみの感度を向上させる機能を有している。さらにそのガス検出層5の大きさや膜厚、Si基板1のダイアフラム径との比なども工夫されている。これにより、ある特定のガス選択性がさらに高められ、消費電力の低減化が可能となっている。
このようなHigh−Low−Off方式は、CO感度および選択性が高くなる方式として知られている。
加えて、個々の薄膜ガスセンサの形状や組成の相違に起因して放熱にバラツキがあるためヒータ層の温度は加える電力に対して必ずしも一定ではなく、この観点からも、個々の薄膜ガスセンサ毎に所望のヒータ層温度になるようにヒータ層に加えられる電力を調節することが望ましい。
また、ヒータ層の抵抗値のバラツキを吸収し、ヒータ層に加える電力を調節する他の方法としては、ヒータ層に直列接続したアナログ可変抵抗による電力調節を行っていた。
なお、アナログ可変抵抗を用いる調節については特許文献1にも記載のように一般的な従来技術である。
先に説明した電源電圧の昇降圧回路による電圧の変圧やデューティー比制御や、平滑回路による降圧を行う電力調節では、回路の複雑化及び構成回路部品の増加に起因して、小型化に支障をきたし、さらに薄膜ガスセンサやガス漏れ警報器毎に搭載するには製造コストも増大する。
また、このような薄膜ガスセンサを搭載して性能および生産性の向上を共に図るガス漏れ警報器を提供することにある。
さらにまた、このような薄膜ガスセンサの調節作業を行う薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法を提供することにある。
吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感応層と、
このガス感応層の近傍に設けられて、該ガス感応層を加熱するヒータ層と、
デジタルポテンショメータを有し、ヒータ層に加える電力を設定調節する設定調節部と、
ヒータ層からの出力についての情報を取得するためのシャント抵抗と、
を備え、
前記設定調節部は、ヒータ層、設定調節部およびシャント抵抗により形成される直列回路に電源を供給したときのヒータ層およびシャント抵抗を通じて取得された情報に基づいて、デジタルポテンショメータの抵抗値を変化させて設定調節部の抵抗値を増減させて、ヒータ層が最適出力をするように設定調節されたものであることを特徴とする薄膜ガスセンサが提供される。
前記薄膜ガスセンサは、貫通孔を有するSi基板と、
この貫通孔の開口部に張られるダイアフラム様の熱絶縁支持層と、
を備え、
前記ヒータ層および前記ガス感応層は、前記熱絶縁支持層における一方の面上にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項1に記載の薄膜ガスセンサが提供される。
前記薄膜ガスセンサは、貫通孔を有するSi基板と、
この貫通孔の開口部に張られるダイアフラム様の熱絶縁支持層と、
この熱絶縁支持層上に設けられるヒータ層と、
前記熱絶縁支持層および前記ヒータ層を覆うように設けられる電気絶縁層と、
この電気絶縁層上に設けられるガス感応層と、
を具備することを特徴とする請求項1に記載の薄膜ガスセンサが提供される。
前記ガス感応層は、SnO2により形成されることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサが提供される。
前記薄膜ガスセンサは、更に前記ガス感応層の表面を覆うように設けられ、Pd(パラジウム)またはPt(白金)を触媒として担持したAl2O3焼結材によるガス選択燃焼層を備えることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサが提供される。
請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサを搭載したことを特徴とするガス漏れ警報器が提供される。
請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節装置であって、
ヒータ層の両端電圧を測定するヒータ層電圧測定手段と、
シャント抵抗の両端電圧を測定するシャント抵抗電圧測定手段と、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の消費電力を算出するヒータ層電力算出手段と、
ヒータ層の消費電力と目標電力とを比較して所望の消費電力となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する変更調節手段と、
を備えることを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節装置が提供される。
請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節装置であって、
ヒータ層の両端電圧を測定するヒータ層電圧測定手段と、
シャント抵抗の両端電圧を測定するシャント抵抗電圧測定手段と、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の温度を算出するヒータ層温度算出手段と、
ヒータ層の温度と目標温度とを比較して所望の温度となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する変更調節手段と、
を備えることを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節装置が提供される。
請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節方法であって、
ヒータ層の両端電圧を測定し、
シャント抵抗の両端電圧を測定し、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の消費電力を算出し、
ヒータ層の消費電力と目標電力とを比較して所望の消費電力となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する、
ことを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節方法が提供される。
請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節方法であって、
ヒータ層の両端電圧を測定し、
シャント抵抗の両端電圧を測定し、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の温度を算出し、
ヒータ層の温度と目標温度とを比較して所望の温度となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する、
ことを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節方法が提供される。
また、このような薄膜ガスセンサを搭載して性能および生産性の向上を共に図るガス漏れ警報器を提供することができる。
さらにまた、このような薄膜ガスセンサの調節作業を行う薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法を提供することができる。
Si基板1はシリコン(Si)により形成され、貫通孔を有するように形成される。
熱絶縁支持層2はこの貫通孔の開口部に張られてダイアフラム様に形成されており、Si基板1の上に設けられる。
熱酸化SiO2層21は、熱絶縁層として形成され、ヒータ層3で発生する熱をSi基板1側へ熱伝導しないようにして熱容量を小さくする機能を有する。また、この熱酸化SiO2層21はプラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、後述するがプラズマエッチングによるSi基板1への貫通孔の形成を容易にする。
CVD−Si3N4層22は、熱酸化SiO2層21の上側に形成される。
CVD−SiO2層23は、ヒータ層3との密着性を向上させるとともに電気的絶縁を確保する。CVD(化学気相成長法)によるSiO2層は内部応力が小さい。
電気絶縁層4は、電気的に絶縁を確保するスパッタSiO2層からなり、熱絶縁支持層2およびヒータ層3を覆うように設けられる。ヒータ層3と感知電極層52との間に電気的な絶縁を確保し、また、電気絶縁層4はガス感応層53との密着性を向上させる。
感知電極層52は、例えば、Pt膜(白金膜)またはAu膜(金膜)からなり、ガス感応層53の感知電極となるように左右一対に設けられる。
ガス感応層53は、SbをドープしたSnO2層からなり、一対の感知電極層52,52を渡されるように電気絶縁層4の上に形成される。
このような薄膜ガスセンサはダイアフラム構造により高断熱,低熱容量の構造としている。
同様に図示しないヒータ層電源がヒータ層3と接続されており、ガス感応層53のセンサ抵抗値の変化を検出するための最適な温度にてヒータ層3を駆動する。
薄膜ガスセンサ100の構成はこのようなものである。
まず、熱酸化SiO2層21が、板状のシリコンウェハー(図示せず)の表裏両面に設けられる。熱酸化SiO2層21は熱酸化法により熱酸化が施されて形成された熱酸化SiO2膜である。
CVD−Si3N4層22は、熱酸化SiO2層21の上面に設けられる。このCVD−Si3N4層22は、プラズマCVD法にて堆積して形成したCVD−Si3N4膜である。
CVD−SiO2層23は、CVD−Si3N4層22の上面に設けられる。このCVD−SiO2層23は、プラズマCVD法により堆積して形成したCVD−SiO2膜である。
電気絶縁層4は、CVD−SiO2層23とヒータ層3との上面に設けられる。この電気絶縁層4は、スパッタリング法により蒸着して形成したスパッタSiO2膜である。
感知電極層52は、接合層51の上に形成される。
これら接合層51および感知電極層52の成膜は、RFマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。成膜条件は接合層(TaあるいはTi)51、感知電極層(PtあるいはAu)52とも同じで、Arガス(アルゴンガス)圧力1Pa、基板温度300℃、RFパワー2W/cm2、膜厚は接合層51/感知電極層52=500Å/2000Åである。
成膜はRFマグネトロンスパッタリング装置を用い、反応性スパッタリング法によって行う。ターゲットにはSbを0.5wt%含有するSnO2を用いる。成膜条件はAr+O2ガス圧力2Pa、基板温度150〜300℃、RFパワー2W/cm2である。ガス感応層53の大きさは、50ないし200μm角程度、厚さは0.2ないし1.6μm程度が望ましい。
薄膜ガスセンサ100の製造方法はこのようなものである。
デジタルポテンショメータ71は、ワイパーコンタクト付きの固定抵抗を備えており、固定抵抗値Rsを256分割した値、つまりRdp=Rs・n/256(n=1〜256)の値から選択した可変抵抗値を設定することができる。このような可変抵抗値の設定は、薄膜ガスセンサ設定調節装置500の設定装置511からシリアル通信によりデジタルの設定値を入力することにより行われる。
固定抵抗72は、デジタルポテンショメータ71に並列に接続されており、デジタルポテンショメータ71(抵抗値Rdp)と固定抵抗72(抵抗値Rt)とで合成抵抗が形成される。この固定抵抗72によりヒータ層3のバラツキの幅に合わせ必要な調節分解能が取れるようにしており、さらに合成抵抗を可変としているのでヒータ層3に加わる電力を調節できるようにしている。
シャント抵抗8の両端にはシャント抵抗両端電圧(Vhs)を計測するための端子が二個設けられている。これら二個の端子には薄膜ガスセンサ設定調節装置500の電圧計測部513(本発明のシャント抵抗電圧測定手段の一具体例である)が接続される。なお、シャント抵抗値(Rhs)は予め計測されたり、設計時に指定された抵抗値とすることにより、予め判別されているものとする。
このヒータ駆動回路は、ヒータ層3の発熱に必要な電力がヒータ層電源520から供給されることとなる。ここで、ヒータ層電源520が供給する電力は所定の電力値とし、所定の電力値が供給された時にヒータ層3の発熱量は一定となるように調節される。
なお、このヒータ層電源520は外部に設置されるものであり、図1では薄膜ガスセンサ設定調節装置500が備えるものとして説明している。
そして、設定調節終了後に薄膜ガスセンサ設定調節装置500のヒータ層電源520、設定装置511や電圧計測部512,513が取り外されて、薄膜ガスセンサ100単体として出荷される。
一般に薄膜ガスセンサによれば、ウェハ内の面内バラツキに加え、ウェハ毎のヒータ層3の厚さおよび組成のバラツキに起因してヒータ層3の抵抗値は必ずしも一定値ではないが、本発明によれば、予めヒータ層3の出力電力や発熱温度が最適になるように設定調節部60を調節して出荷するため、検出対象であるガス(以下、被検出ガスという)感度が最大となり、かつ、検出対象ではないガス(以下、非検出ガスという)感度が最小となるセンサ温度で稼働される薄膜ガスセンサとすることができる。
ヒータ電源520は、多数の薄膜ガスセンサ100のヒータ駆動回路と図1で示すように電気的に接続されて多数のヒータ駆動回路のヒータ層3へそれぞれ所定値の電力を供給する。
中央処理装置540は、ヒータ層両端電圧およびシャント抵抗両端電圧を用いて後述する設定調節方法によりデジタルポテンショメータ71の設定値を算出し、設定調節用基板510へ出力する。すると設定調節用基板510の設定装置511が設定値に基づいてデジタルポテンショメータ71に対して設定を行う。デジタルポテンショメータ71から設定装置511へ現在の設定値が返信され、設定の正否の確認を行いつつ最終的に設定値によるデジタルポテンショメータ71の抵抗値と固定抵抗72の抵抗値とによる合成抵抗に設定調節される。
薄膜ガスセンサ設定調節装置500の構成はこのようなものである。
まず、中央処理装置540は、ヒータ層両端電圧Vhおよびシャント抵抗両端電圧VhSの入力を行う(ステップS10)。中央処理装置540は、上記のように設定調節用基板510の電圧計測部512,513で計測され、計測処理装置530で変換出力されたヒータ層両端電圧Vhおよびシャント抵抗両端電圧VhSを入力する。
Ph=Vh×I=Vh×VhS/RhS
調節はこのようにして行われ、ヒータ層の消費電力を所望の値に設定するものである。
Rh=Rh0(1+αT)
ここで、
T:ヒータ層温度
Rh:温度Tでのヒータ層抵抗値
Rh0:基準温度でのヒータ層抵抗値(例えば基準温度0℃等)
α:ヒータ層の温度抵抗係数
T=(Rh−Rh0)/αRh0
Rh=Vh/I=Vh×RhS /VhS
調節はこのようにして行われ、ヒータ層の発熱温度を所望の値に設定するものである。このような設定調節フロー採用しても良い。
本発明の薄膜ガスセンサ、薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法はこのようなものである。
総じて以上のような本発明によれば、従来技術で用いていた複雑な電源電圧の昇降圧回路や手動調節をなくしてコストを削減でき、安価かつ簡易な構成を追加することで調節作業の高精度化および機械化を実現し、性能および生産性の向上をともに図る薄膜ガスセンサを提供することができる。
また、このような薄膜ガスセンサを搭載して性能および生産性の向上をともに図るガス漏れ警報器を提供することができる。
さらにまた、このような薄膜ガスセンサの調節作業を行う薄膜ガスセンサ設定調節装置および薄膜ガスセンサ設定調節方法を提供することができる。
1:Si基板
2:絶縁支持層
21:熱酸化SiO2層
22:CVD−Si3N4層
23:CVD−SiO2層
3:ヒータ層
4:電気絶縁層
5:ガス検出層
51:接合層
52:感知電極層
53:感知層(SnO2層)
54:ガス選択燃焼層(Pd担持Al2O3焼結材)
55:ヒータ層を兼ねた感知電極層
6:ボンディングワイヤ
7:設定調節部
71:デジタルポテンショメータ
72:固定抵抗
8:シャント抵抗
500:薄膜ガスセンサ設定調節装置
510:設定調節用基板
511:設定装置
512:電圧計測部
513:電圧計測部
520:ヒータ層電源
530:計測処理装置
540:中央処理装置(コンピュータ)
Claims (10)
- 吸着したガスによりその電気抵抗値が変化するガス感応層と、
このガス感応層の近傍に設けられて、該ガス感応層を加熱するヒータ層と、
デジタルポテンショメータを有し、ヒータ層に加える電力を設定調節する設定調節部と、
ヒータ層からの出力についての情報を取得するためのシャント抵抗と、
を備え、
前記設定調節部は、ヒータ層、設定調節部およびシャント抵抗により形成される直列回路に電源を供給したときのヒータ層およびシャント抵抗を通じて取得された情報に基づいて、デジタルポテンショメータの抵抗値を変化させて設定調節部の抵抗値を増減させて、ヒータ層が最適出力をするように設定調節されたものであることを特徴とする薄膜ガスセンサ。 - 前記薄膜ガスセンサは、貫通孔を有するSi基板と、
この貫通孔の開口部に張られるダイアフラム様の熱絶縁支持層と、
を備え、
前記ヒータ層および前記ガス感応層は、前記熱絶縁支持層における一方の面上にそれぞれ設けられることを特徴とする請求項1に記載の薄膜ガスセンサ。 - 前記薄膜ガスセンサは、貫通孔を有するSi基板と、
この貫通孔の開口部に張られるダイアフラム様の熱絶縁支持層と、
この熱絶縁支持層上に設けられるヒータ層と、
前記熱絶縁支持層および前記ヒータ層を覆うように設けられる電気絶縁層と、
この電気絶縁層上に設けられるガス感応層と、
を具備することを特徴とする請求項1に記載の薄膜ガスセンサ。 - 前記ガス感応層は、SnO2により形成されることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサ。
- 前記薄膜ガスセンサは、更に前記ガス感応層の表面を覆うように設けられ、Pd(パラジウム)またはPt(白金)を触媒として担持したAl2O3焼結材によるガス選択燃焼層を備えることを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサ。
- 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサを搭載したことを特徴とするガス漏れ警報器。
- 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節装置であって、
ヒータ層の両端電圧を測定するヒータ層電圧測定手段と、
シャント抵抗の両端電圧を測定するシャント抵抗電圧測定手段と、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の消費電力を算出するヒータ層電力算出手段と、
ヒータ層の消費電力と目標電力とを比較して所望の消費電力となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する変更調節手段と、
を備えることを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節装置。 - 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節装置であって、
ヒータ層の両端電圧を測定するヒータ層電圧測定手段と、
シャント抵抗の両端電圧を測定するシャント抵抗電圧測定手段と、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の温度を算出するヒータ層温度算出手段と、
ヒータ層の温度と目標温度とを比較して所望の温度となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する変更調節手段と、
を備えることを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節装置。 - 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節方法であって、
ヒータ層の両端電圧を測定し、
シャント抵抗の両端電圧を測定し、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の消費電力を算出し、
ヒータ層の消費電力と目標電力とを比較して所望の消費電力となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する、
ことを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節方法。 - 請求項1〜請求項5のいずれか一項に記載の薄膜ガスセンサの設定調節部を調節する薄膜ガスセンサ設定調節方法であって、
ヒータ層の両端電圧を測定し、
シャント抵抗の両端電圧を測定し、
測定したヒータ層およびシャント抵抗の両端電圧からヒータ層の温度を算出し、
ヒータ層の温度と目標温度とを比較して所望の温度となるようにデジタルポテンショメータの抵抗値を変更調節する、
ことを特徴とした薄膜ガスセンサ設定調節方法。
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