JP5009867B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、大気環境計測，ガス漏れ検知，アルコール検知等に適用して好適な小型のガスセンサに関する。

従来より、検知対象ガスが付着するのに応じて抵抗値が変化するカーボンナノチューブ等のナノ構造炭素材料を一対の電極間に設け、一対の電極間の電気特性（例えば出力電圧等）の変化を検出することにより検知対象ガスを検知するガスセンサが知られている（特許文献１参照）。
特開2004-325142号公報

ナノ構造炭素材料は、空気孔を含む非密集体であることから、製造時に個体間で厚みや密度のばらつきが生じやすい。このため従来のガスセンサでは、ナノ構造炭素材料の厚みや密度のばらつきに起因して一対の電極間の電気特性の初期値が目標初期値からずれることがある。なおこのような問題を解決するために、外部回路を用いて一対の電極間の電気特性の初期値を目標初期値に調整する方法が考えられるが、この方法を用いた場合には、ガスセンサが大型化してしまう。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、外部回路を用いることなく感ガス用抵抗素子の電気特性を調整可能なガスセンサを提供することにある。

本発明の第１の態様に係るガスセンサは、基板と、基板の一表面側に露設され、検知対象ガスの接触に応じて抵抗値が変化するナノ構造炭素材料からなる感ガス用抵抗体が一対の電極間に設けられた感ガス用抵抗素子と、基板の一表面側に形成され、パッシベーション膜により覆われたナノ構造炭素材料からなる基準用抵抗体が一つの電極間に設けられた基準用抵抗素子と、基板の前記一表面側に形成され、感ガス用抵抗素子と基準用抵抗素子とを直列接続する配線と、感ガス用抵抗素子と基準用抵抗素子の直列回路の両端に設けられたパッドと、基準用抵抗素子内又は感ガス用抵抗素子と前記基準用抵抗素子の接続点から引き出された複数の配線に接続された複数の出力端子用パッドとを備えることを特徴とする。

本発明の第２の態様に係るガスセンサは、基板と、基板の一表面側に露設され、検知対象ガスの接触に応じて抵抗値が変化するナノ構造炭素材料からなる感ガス用抵抗体が一対の電極間に設けられた２つの感ガス用抵抗素子と、基板の一表面側に形成され、パッシベーション膜により覆われたナノ構造炭素材料からなる基準用抵抗体が一つの電極間に設けられた２つの基準用抵抗素子と、基板の一表面側に形成され、２つの感ガス用抵抗素子と２つの基準用抵抗素子とを感ガス用抵抗素子がブリッジ回路の対辺に位置するようにブリッジ接続する配線と、ブリッジ回路において隣り合う辺に位置する感ガス用抵抗素子と基準用抵抗素子との接続点それぞれに電気的に接続された４つのパッドと、１つの基準抵抗素子内又は基準用抵抗素子と感ガス用抵抗素子の接続点から引き出された複数の配線に接続された複数の出力端子用パッドとを備える。

本発明に係るガスセンサによれば、外部回路を用いることなく感ガス用抵抗素子の電気特性を調整することができる。

以下、図面を参照して、本発明の第１，第２の実施形態となるガスセンサの構成について説明する。

〔第１の実施形態〕
始めに、図１，図２を参照して、本発明の第１の実施形態となるガスセンサの構成について説明する。

本発明の第１の実施形態となるガスセンサは、図１に示すように、矩形板状のシリコン基板の両表面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜が形成された基板１を有する。基板１の一表面（主表面）上には、検知対象ガスの付着に応じて抵抗値が変化するカーボンナノチューブ等のナノ構造炭素材料からなる感ガス用抵抗体２が露設されている。感ガス用抵抗体２の一端には電源電圧パッド３が接続され、他端には接続配線４が接続されている。基板１の一表面上にはさらに、表面がパッシベーション膜により覆われたナノ構造炭素材料からなる基準用抵抗体５が配設されている。基準用抵抗体５の一端は接続配線４に接続され、他端は接地電極パッド６に接続されている。基準用抵抗体５内及び基準用抵抗体５と感ガス用抵抗体２の接続点である接続配線４からは複数の配線が引き出され、各配線の端部には出力端子用パッド７ａ〜７ｄが接続されている。すなわち本実施形態のガスセンサでは、図２に示すように、感ガス用抵抗体２と基準用抵抗体２は電気的に直列に接続され、接続配線４の出力電圧値からの電圧降下量が異なる複数の出力端子用パッド７ａ〜７ｄから出力電圧を検出することができるようになっている。

このような構成を有するガスセンサでは、電源電圧パッド３に電圧を印加した状態において感ガス用抵抗体２に検知対象ガスが付着した際、感ガス用抵抗体２の抵抗値が変化し、結果として接続配線４における出力電圧が変化するので、検知対象ガスを容易に検知することができる。ところで一般に、ナノ構造炭素材料は、空気孔を含む非密集体であることから、製造時に個体間で厚みや密度のばらつきが生じやすい。このため接続配線４の出力電圧の初期値は、ナノ構造炭素材料の厚みや密度のばらつきに起因して目標初期値からずれることがある。そこで本実施形態のガスセンサでは、接続配線４の出力電圧の初期値が目標初期値からずれている場合、出力電圧が目標初期値に近い出力端子用パッド７ａ〜７ｄから出力電圧を取り出すようにする。図２に示した通り、出力端子用パッド７ａ〜７ｄは、接続配線４の出力電圧値からの電圧降下量、換言すれば、電源電圧パッド３との間の抵抗値が異なる位置に配置されているので、出力端子用パッド７ａ〜７ｄからの出力電圧は互いに異なる。従って、出力電圧が目標初期値に近い出力端子用パッド７ａ〜７ｄを選択してワイヤボンディングによって出力電圧を取り出すことにより、外部回路を用いることなく出力電圧の初期値を調整することができる。

〔第２の実施形態〕
次に、図３，図４を参照して、本発明の第２の実施形態となるガスセンサの構成について説明する。

本発明の第２の実施形態となるガスセンサは、図３に示すように、矩形板状のシリコン基板の両表面にシリコン酸化膜からなる絶縁膜が形成された基板１を有する。基板１の一表面（主表面）上には、検知対象ガスの付着に応じて抵抗値が変化するカーボンナノチューブ等のナノ構造炭素材料からなる２つの感ガス用抵抗体２ａ，２ｂが露設されている。基板１の一表面上にはさらに、表面がパッシベーション膜により覆われたナノ構造炭素材料からなる２つの基準用抵抗体５ａ，５ｂが配設されている。感ガス用抵抗体２ａ及び基準用抵抗体５ｂの一端は電源電圧パッド３に接続され、その他端はそれぞれＶ１パッド８及び接続配線４に接続されている。感ガス用抵抗体２ｂ及び基準用抵抗体５ａの一端は接地電極パッド６に接続され、その他端はそれぞれ接続配線４及びＶ１パッド８に接続されている。基準用抵抗体５ｂ内及び基準用抵抗体５ｂと感ガス用抵抗体２ｂの接続点である接続配線４からは複数の配線が引き出され、各配線の端部には出力端子用パッド７ａ〜７ｄが接続されている。すなわち本実施形態のガスセンサでは、図４に示すように、２つの感ガス用抵抗素子２ａ，２ｂと２つの基準用抵抗素子５ａ，５ｂは２つの感ガス用抵抗素子２ａ，２ｂがブリッジ回路の対辺に位置するようにブリッジ接続され、Ｖ１パッド８における出力電圧値が電源電圧パッド３の出力電圧値からの電圧降下量が異なる複数の出力端子用パッド７ａ〜７ｄの位置に応じて変化するようになっている。

このような構成を有するガスセンサでは、電源電圧パッド３に電圧を印加した状態において感ガス用抵抗体２に検知対象ガスが付着した際、感ガス用抵抗体２ａ，２ｂの抵抗値が変化し、結果としてＶ１パッド８における出力電圧が変化するので、検知対象ガスを容易に検知することができる。ところで一般に、ナノ構造炭素材料は、空気孔を含む非密集体であることから、製造時に個体間で厚みや密度のばらつきが生じやすい。このためＶ１パッド８の出力電圧の初期値は、ナノ構造炭素材料の厚みや密度のばらつきに起因して目標初期値からずれることがある。そこで本実施形態のガスセンサでは、Ｖ１パッド８の出力電圧の初期値が目標初期値からずれている場合、出力電圧が目標初期値に近い出力端子用パッド７ａ〜７ｄから出力電圧を取り出すようにする。図４に示した通り、出力端子用パッド７ａ〜７ｄは、電源電圧パッド３の出力電圧値からの電圧降下量、換言すれば、電源電圧パッド３との間の抵抗値が異なる位置に配置されているので、出力端子用パッド７ａ〜７ｄからの出力電圧は互いに異なる。従って、出力電圧が目標初期値に近い出力端子用パッド７ａ〜７ｄを選択してワイヤボンディングすることにより、外部回路を用いることなくＶ１パッド８における出力電圧の初期値を調整することができる。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。例えば上記実施形態では、出力電圧を取り出す出力端子用パッドを選択してワイヤボンディングすることによって感ガス用抵抗体と基準用抵抗体の合成抵抗値を変化させることにより出力電圧を調整するようにしたが、感ガス用抵抗体からの出力電圧値を参照して例えばレーザ加工により基準用抵抗体の抵抗値を直接的に変化させることによって感ガス用抵抗体と基準用抵抗体の合成抵抗値を変化させることにより出力電圧を調整するようにしてもよい。このように、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

本発明の第１の実施形態となるガスセンサの構成を示す平面図である。 図１に示すガスセンサの構成を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態となるガスセンサの構成を示す平面図である。 図３に示すガスセンサの構成を示す回路図である。

符号の説明

１：基板
２，２ａ，２ｂ：感ガス用抵抗体
３：電源電圧パッド
４：接続配線
５，５ａ，５ｂ：基準用抵抗体
６：接地電極パッド
７ａ〜７ｄ：出力端子用パッド
８：Ｖ１パッド

Claims (3)

1. 基板と、
   前記基板の一表面側に露設され、検知対象ガスの接触に応じて抵抗値が変化するナノ構造炭素材料からなる感ガス用抵抗体が一対の電極間に設けられた感ガス用抵抗素子と、
   前記基板の前記一表面側に形成され、パッシベーション膜により覆われたナノ構造炭素材料からなる基準用抵抗体が一つの電極間に設けられた基準用抵抗素子と、
   前記基板の前記一表面側に形成され、前記感ガス用抵抗素子と前記基準用抵抗素子とを直列接続する配線と、
   前記感ガス用抵抗素子と前記基準用抵抗素子の直列回路の両端に設けられたパッドと、
   前記基準用抵抗素子内又は前記感ガス用抵抗素子と前記基準用抵抗素子の接続点の異なる箇所からそれぞれ引き出された複数の配線に接続された複数の出力端子用パッドと
   を備えることを特徴とするガスセンサ。
2. 基板と、
   前記基板の一表面側に露設され、検知対象ガスの接触に応じて抵抗値が変化するナノ構造炭素材料からなる感ガス用抵抗体が一対の電極間に設けられた２つの感ガス用抵抗素子と、
   前記基板の前記一表面側に形成され、パッシベーション膜により覆われたナノ構造炭素材料からなる基準用抵抗体が一つの電極間に設けられた２つの基準用抵抗素子と、
   前記基板の前記一表面側に形成され、前記２つの感ガス用抵抗素子と前記２つの基準用抵抗素子とを感ガス用抵抗素子がブリッジ回路の対辺に位置するようにブリッジ接続する配線と、
   前記ブリッジ回路において隣り合う辺に位置する前記感ガス用抵抗素子と前記基準用抵抗素子との接続点それぞれに電気的に接続された４つのパッドと、
   １つの前記基準抵抗素子内又は当該基準用抵抗素子と前記感ガス用抵抗素子の接続点の異なる箇所からそれぞれ引き出された複数の配線に接続された複数の出力端子用パッドと
   を備えることを特徴とするガスセンサ。
3. 請求項１又は請求項２に記載のガスセンサにおいて、
   前記ナノ構造炭素材料がカーボンナノチューブであることを特徴とするガスセンサ。

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