JP6218270B2 - Gas sensor - Google Patents
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Description
この発明はガスセンサに関する。 This invention relates to the gas sensor.
金属酸化物半導体ガスセンサの抵抗値は周囲の雰囲気の絶対湿度の影響を受けるので、サーミスタ等により周囲の気温を測定し、ガスセンサの出力を補正することが行われている。またガスセンサでは、フィルタにより不要なガスを吸着あるいは酸化して除去することが行われている。そしてSi等の基板上に金属酸化物半導体とヒータと電極とを設けたMEMS型のガスセンサでは、消費電力を小さくするため、ヒータの駆動時間を制限し、かつ金属酸化物半導体を急激に温度変化させることが行われている。これに伴って、フィルタへの依存が深まり、より多量のフィルタ材料を用い、あるいはガスセンサの通気性を制限し、フィルタがガスを確実に処理できるようにすることが行われている。 Since the resistance value of the metal oxide semiconductor gas sensor is affected by the absolute humidity of the surrounding atmosphere, the ambient temperature is measured by a thermistor or the like to correct the output of the gas sensor. In the gas sensor, unnecessary gas is removed by adsorption or oxidation using a filter. In a MEMS type gas sensor with a metal oxide semiconductor, heater, and electrode on a substrate such as Si, the heater drive time is limited and the temperature of the metal oxide semiconductor changes rapidly to reduce power consumption. Has been done. Along with this, the dependence on the filter is deepened, and a larger amount of filter material is used, or the air permeability of the gas sensor is limited so that the filter can reliably process the gas.
関連する先行技術を示す。特許文献1(JP2004-37180A)は、MEMS型のガスセンサでの、金属酸化物半導体を加熱するためのヒータの抵抗値から、絶対湿度を測定することを提案している。即ち周囲の絶対湿度が変化すると、ヒータからの放熱量が変化し、ヒータの抵抗値が変化する。そして絶対湿度の測定用のヒータを、金属酸化物半導体のヒータに共用する。 Related prior art is shown. Patent Document 1 (JP2004-37180A) proposes measuring an absolute humidity from a resistance value of a heater for heating a metal oxide semiconductor in a MEMS type gas sensor. That is, when the ambient absolute humidity changes, the amount of heat released from the heater changes, and the resistance value of the heater changes. A heater for measuring absolute humidity is also used as a metal oxide semiconductor heater.
発明者は、フィルタの内側で、MEMS型のセンサチップ(感ガス部とヒータ、電極等を設けた基板)の周囲での湿度は、ガスセンサの外部の湿度と異なることを見出した。図6に示すように、ガスセンサの外部の温度と相対湿度とを急変させると、センサチップの周囲の温度は速やかに追随するが、センサチップの周囲の湿度は追随が遅い。これはフィルタが水蒸気を吸収/放出し、フィルタよりもセンサチップ側では、外部の湿度変動に対する応答が遅れるためである。従ってガスセンサの外部の湿度を測定しても、センサの湿度依存性を正確に補正することは難しい。なお特許文献1のガスセンサでは、フィルタがないため、このような課題は生じない。 The inventor has found that the humidity around the MEMS type sensor chip (the substrate provided with the gas sensitive part, the heater, and the electrode) inside the filter is different from the humidity outside the gas sensor. As shown in FIG. 6, when the temperature outside the gas sensor and the relative humidity are suddenly changed, the temperature around the sensor chip quickly follows, but the humidity around the sensor chip follows slowly. This is because the filter absorbs / releases water vapor, and the sensor chip side of the filter is delayed in response to external humidity fluctuations. Therefore, even if the humidity outside the gas sensor is measured, it is difficult to accurately correct the humidity dependency of the sensor. Note that the gas sensor of Patent Document 1 does not have such a problem because there is no filter.
この発明は、フィルタの影響を受けずに、センサチップの周囲の湿度を測定できるようにすることを課題とする。
この発明の追加の課題は、湿度センサをガスセンサに容易に一体化することにある。
この発明の他の課題は、金属酸化物半導体での可燃性ガスの燃焼熱等の影響を受けずに、湿度を正確に測定することにある。
An object of the present invention is to be able to measure the humidity around the sensor chip without being affected by the filter.
An additional object of the present invention is to easily integrate the humidity sensor into the gas sensor.
Another object of the present invention is to accurately measure humidity without being affected by the combustion heat of a combustible gas in a metal oxide semiconductor.
この発明は、半導体基板のキャビテイ上に設けられた支持膜に、金属酸化物半導体膜もしくは酸化触媒膜と、ヒータとを設けたセンサチップと、
不要なガスを除去するフィルタと、
前記センサチップとフィルタとを間隔をおいてハウジングに収容し、フィルタを通過した雰囲気をセンサチップへ拡散させるガスセンサにおいて、
前記半導体基板上でかつ前記キャビテイとは異なる位置に、センサチップの周囲の相対湿度を測定する高分子感湿膜が設けられていることを特徴とする。
The present invention provides a sensor chip in which a metal oxide semiconductor film or an oxidation catalyst film and a heater are provided on a support film provided on the cavity of a semiconductor substrate,
A filter that removes unwanted gas,
In the gas sensor that accommodates the sensor chip and the filter in a housing at an interval and diffuses the atmosphere that has passed through the filter to the sensor chip,
A polymer moisture sensitive film for measuring the relative humidity around the sensor chip is provided on the semiconductor substrate at a position different from the cavity .
好ましくは、支持膜に、金属酸化物半導体膜と、ヒータと、金属酸化物半導体膜に接続された一対の電極、とが設けられ、Preferably, the support film is provided with a metal oxide semiconductor film, a heater, and a pair of electrodes connected to the metal oxide semiconductor film,
半導体基板上にはさらに、高分子感湿膜に接続された一対の電極、及び4個のパッドが設けられ、 On the semiconductor substrate, a pair of electrodes connected to the polymer moisture-sensitive film and four pads are further provided.
ヒータの一端と、金属酸化物半導体膜に接続された一対の電極の一方と、高分子感湿膜に接続された一対の電極の一方とが、第1のパッドに接続され、 One end of the heater, one of the pair of electrodes connected to the metal oxide semiconductor film, and one of the pair of electrodes connected to the polymer moisture sensitive film are connected to the first pad,
ヒータの他端が第2のパッドに接続され、金属酸化物半導体膜に接続された他方の電極が第3のパッドに接続され、高分子感湿膜に接続された他方の電極が第4のパッドに接続されている。 The other end of the heater is connected to the second pad, the other electrode connected to the metal oxide semiconductor film is connected to the third pad, and the other electrode connected to the polymer moisture sensitive film is the fourth pad. Connected to the pad.
この発明では、センサチップの周囲の湿度を測定する。従ってフィルタのためセンサチップの周囲と外部とで湿度が異なっても、金属酸化物半導体膜あるいは酸化触媒膜が置かれている雰囲気の湿度を測定できる。
センサチップは、半導体基板のキャビテイ上の支持膜に、金属酸化物半導体膜もしくは酸化触媒膜と、ヒータとを設けたものなので、支持膜とは別体にかつ容易に高分子感湿膜を設けることができる。さらに感湿部は、金属酸化物半導体膜での可燃性ガスの燃焼熱等の影響を受けない。
In the present invention, the humidity around the sensor chip is measured. Therefore, the humidity of the atmosphere in which the metal oxide semiconductor film or the oxidation catalyst film is placed can be measured even if the humidity differs between the periphery and the outside of the sensor chip due to the filter.
Since the sensor chip is provided with a metal oxide semiconductor film or oxidation catalyst film and a heater on the support film on the cavity of the semiconductor substrate, a polymer moisture sensitive film is easily provided separately from the support film. be able to. Furthermore, the moisture sensitive part is not affected by the combustion heat of the combustible gas in the metal oxide semiconductor film.
ハウジングは例えばベースとカバーとから成るが、カバーにセンサチップを直接取り付け、ベースを省略しても良い。 The housing includes a base and a cover, for example, but the sensor chip may be directly attached to the cover and the base may be omitted.
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。 In the following, an optimum embodiment for carrying out the present invention will be shown.
図1〜図6に実施例を示す。図1はセンサチップ2を示し、4はSi等から成る半導体基板、6はキャビテイで、図1の表面側から開けたものでも、裏面側から開けたものでも良い。8は支持膜で、金属酸化物半導体膜9あるいはPt等の貴金属触媒を担持するアルミナ等の担体と、電極及びヒータを支持する。支持膜8はSiO2,Ta2O5等の膜で、1層あるいは複数層から成る。金属酸化物半導体膜9は例えばSnO2膜で、金属酸化物半導体の種類は任意であり、貴金属等が担持されていても良く、薄膜でも厚膜でも良い。支持膜8は例えば4本の脚10〜13により支持され、脚10〜13には電極及びヒータをパッド20〜23と接続する配線が支持されている。図2に、金属酸化物半導体膜9の電極25,26とヒータ24のパターンを示し、ヒータ24を電極25,26の一方に兼用しても良い。
1 to 6 show an embodiment. FIG. 1 shows a
基板4上で支持膜8とは別体に、感湿性高分子膜から成る感湿膜14が設けられ、一対の電極15,16が感湿膜14の抵抗値を測定するように配置されている。このようにするとセンサチップ2の周囲の雰囲気の相対湿度を測定できる。なお感湿膜14を設けている部分に別のキャビテイを設け、キャビテイ上に設けた図示しない支持膜にPtヒータ等を設けても良い。Ptヒータの温度は周囲の雰囲気の熱伝導率で変化し、絶対湿度は雰囲気の熱伝導率を変化させるので、センサチップ2の周囲の雰囲気の絶対湿度を測定できる。実施例では、電極16をパッド23に、電極15を支持膜8と共用のパッド20に接続したが、電極15,16に専用のパッドを設け、センサチップ2当たりのパッドの数を5〜6等としても良い。感湿膜14は高分子膜に限らず、セラミックス膜でも良い。
A moisture
図3に、ガスセンサ30の構造を示し、センサチップ2がベース34にダイボンドされ、例えば4本〜6本のピン32が図1のパッド20〜23等にワイヤボンド等で接続されている。センサチップ2の周囲を覆うように、カバー36がベース34に取り付けられ、カバー34内にフィルタ38が配置されて、例えば上下一対のメッシュ40,42と不織布44等で、フィルタ38の材料のこぼれ出しを防止する。
FIG. 3 shows the structure of the
フィルタ38は活性炭、ゼオライト等から成り、不要なガスを吸着あるいは吸収して、センサチップ2に達することを防止する。活性炭、ゼオライト等の吸着材にPt等の触媒を担持させ、不要なガスを触媒で酸化するようにしても良い。
The
図4に、ガス検出装置の回路を示す。50はリチウムイオン電池等の電源、52はマイクロコンピュータで、ADコンバータ53と、ガスセンサ30の駆動部54,タイマ55、相対湿度と検出対象ガスの濃度とを検出する検出部56、及び外部への警報出力を発生する警報部58とを備えている。60はトランジスタ等の適宜のスイッチ、62は周囲温度の測定用のサーミスタあるいは測温抵抗体で、ガスセンサ30とは別に設けたが、センサチップ2上に設けても良い。またR1〜R3は抵抗である。
FIG. 4 shows a circuit of the gas detection device.
図5に、ガスセンサ30の動作を示す。ガスセンサ30は例えば30秒周期で動作し、1周期に各1回、例えば0.1秒幅のパルスとより幅の短いパルスとで、ガスセンサ30に電力を供給し、ヒータ24をオンすると共に、電極25,26間及び電極15,16間に電圧を加えて、金属酸化物半導体膜9の抵抗値と、感湿膜14の抵抗値とを測定する。検出対象ガスは例えばメタン、LPG等の可燃性ガスとCOとで、可燃性ガスもしくはCOのみを検出しても、あるいはエタノール、アンモニア、硫化水素、アセトン等を検出しても良い。ガスセンサ30内で、フィルタ38の内側のセンサチップ2の周囲の相対湿度は、図6に示すように、例えば1日程度の時定数で変化する。このため感湿膜14の抵抗値は1周期毎ではなく、例えば10分に1回、1時間に1回、1日に数回等の頻度で測定しても良い。
FIG. 5 shows the operation of the
金属酸化物半導体膜9の特性は周囲の絶対湿度に依存し、センサチップ2の周囲の相対湿度は感湿膜14の抵抗値から判明し、ガスセンサ30の外部での周囲温度はサーミスタ62の抵抗値から判明する。そしてカバー36の内外での気温はほぼ等しいので、サーミスタ62の抵抗値と感湿膜14の抵抗値とから、センサチップ2の周囲の絶対湿度を測定できる。この絶対湿度により、金属酸化物半導体膜9の抵抗値を補正し、検出対象ガスの濃度を求める。
The characteristics of the metal oxide semiconductor film 9 depend on the ambient absolute humidity, the relative humidity around the
図6に、周囲の温度と湿度の変化に対する、フィルタ38の内側でセンサチップ2の周囲の雰囲気の応答を示す。室温で相対湿度が60%程度の雰囲気から、湿度センサとサーミスタとをフィルタ38の内側に設置したガスセンサ30を、温度が35℃で、相対湿度が80%の雰囲気に移し、センサチップ2の周囲の相対湿度と気温とを測定した。気温はガスセンサ30の外部の気温に追随するが、相対湿度が完全に追随するまで60時間程度経過している。
FIG. 6 shows the response of the atmosphere around the
このことは、フィルタ38が水蒸気を吸収放出するため、センサチップ2の周囲の相対湿度は外部の相対湿度とは異なることを示している。そして図6の状況では、周囲の雰囲気を変えてから数時間程度の間、センサチップ2の周囲では、相対湿度が低い状態が続き、ガスセンサ30の外部の気温等による補正を施すと、過補正となる。
This indicates that the relative humidity around the
そこでガスセンサ30の内部で、センサチップ2の周囲の雰囲気の、相対湿度あるいは絶対湿度を測定すると、ガスセンサ30の湿度依存性を正確に補正できる。特に、フィルタ38での水蒸気の吸収/放出のため、センサチップ2の周囲の湿度が外部の湿度に追随するまでの遅れの影響を受けなくなる。センサチップ2はMEMS型なので、感湿膜14あるいは絶対湿度測定用の追加のヒータ等を設けることは容易で、金属酸化物半導体9を加熱しても感湿膜14は加熱されないため、高分子感湿膜を用いることができる。また金属酸化物半導体膜9からの放熱量を、ヒータ24の抵抗値から求めるのではないので、金属酸化物半導体膜9での可燃性ガスの燃焼熱等の影響を受けない。
Therefore, when the relative humidity or absolute humidity of the atmosphere around the
実施例では金属酸化物半導体ガスセンサを例としたが、支持膜8上に設けた酸化触媒膜で可燃性ガスを燃焼させ、この燃焼熱をヒータ24の抵抗値から検出する、接触燃焼式ガスセンサでも良い。短時間の直流を加えることにより、感湿膜14が劣化するおそれがある場合、感湿膜14に対し専用の2個のパッドを設け、交流を加えることが好ましい。
In the embodiment, a metal oxide semiconductor gas sensor is taken as an example, but a catalytic combustion type gas sensor that combusts a combustible gas with an oxidation catalyst film provided on the
2 センサチップ
4 基板
6 キャビテイ
8 支持膜
9 金属酸化物半導体膜
10〜13 脚
14 感湿膜
15,16 電極
20〜23 パッド
24 ヒータ
25,26 電極
30 ガスセンサ
32 ピン
34 ベース
36 カバー
38 フィルタ
40,42 メッシュ
44 不織布
50 電源
52 マイクロコンピュータ
53 ADコンバータ
54 駆動部
55 タイマ
56 検出部
58 警報部
60 スイッチ
62 サーミスタ
R1〜R3 抵抗
2
R1 ~ R3 resistance
Claims (2)
不要なガスを除去するフィルタと、
前記センサチップとフィルタとを間隔をおいてハウジングに収容し、フィルタを通過した雰囲気をセンサチップへ拡散させるガスセンサにおいて、
前記半導体基板上でかつ前記キャビテイとは異なる位置に、センサチップの周囲の相対湿度を測定する高分子感湿膜が設けられていることを特徴とする、ガスセンサ。 A sensor chip provided with a metal oxide semiconductor film or an oxidation catalyst film and a heater on a support film provided on the cavity of the semiconductor substrate;
A filter that removes unwanted gas,
In the gas sensor that accommodates the sensor chip and the filter in a housing at an interval and diffuses the atmosphere that has passed through the filter to the sensor chip,
A gas sensor, wherein a polymer moisture sensitive film for measuring relative humidity around a sensor chip is provided on the semiconductor substrate at a position different from the cavity .
前記半導体基板上にはさらに、前記高分子感湿膜に接続された一対の電極、及び4個のパッドが設けられ、 On the semiconductor substrate, a pair of electrodes connected to the polymer moisture-sensitive film and four pads are further provided,
前記ヒータの一端と、前記金属酸化物半導体膜に接続された一対の電極の一方と、前記高分子感湿膜に接続された一対の電極の一方とが、第1のパッドに接続され、 One end of the heater, one of the pair of electrodes connected to the metal oxide semiconductor film, and one of the pair of electrodes connected to the polymer moisture sensitive film are connected to the first pad,
前記ヒータの他端が第2のパッドに接続され、前記金属酸化物半導体膜に接続された他方の電極が第3のパッドに接続され、前記高分子感湿膜に接続された他方の電極が第4のパッドに接続されていることを特徴とする、請求項1のガスセンサ。 The other end of the heater is connected to the second pad, the other electrode connected to the metal oxide semiconductor film is connected to the third pad, and the other electrode connected to the polymer moisture sensitive film is The gas sensor according to claim 1, wherein the gas sensor is connected to a fourth pad.
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