JP6896679B2

JP6896679B2 - ガスセンサ

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Publication number: JP6896679B2
Application number: JP2018126572A
Authority: JP
Inventors: 裕美林; 宏明山崎
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2018-07-03
Filing date: 2018-07-03
Publication date: 2021-06-30
Anticipated expiration: 2038-07-03
Also published as: US20200011828A1; US11009478B2; JP2020008301A

Description

本発明の実施形態は、ガスセンサに関する。

ガス感応膜及びヒーター膜を含む膜構造を有するガスセンサでは、ガスの検出感度（検出速度）を向上させるために、ヒーター膜によってガス感応膜を加熱させた状態でガス検出が行われる。
しかしながら、上述したガス検出方法を用いたガスセンサでは、必ずしも適正なガス検出が行われるとは限らない。

特開２００８−８８６９号公報特開２００１−２９６２３８号公報

適正なガス検出を行うことが可能なガスセンサを提供する。

実施形態に係るガスセンサは、ガス感応膜と、前記ガス感応膜を加熱するヒーター膜とを含む膜構造と、前記ガス感応膜がガスを吸蔵することによって変化する所定物理量を検出する物理量検出部と、前記ガス感応膜を第１の温度に加熱するための第１の電圧及び前記ガス感応膜を第１の温度よりも高い第２の温度に加熱するための第２の電圧を発生する電圧発生部と、前記ヒーター膜に供給される前記第１の電圧及び前記第２の電圧を選択的に切り換える電圧切り換え部と、を備える。

実施形態に係るガスセンサの全体的な構成を示したブロック図である。実施形態に係り、センサ本体の具体的な構成を模式的に示した断面図である。実施形態に係り、第２の温度でガス感応膜を加熱したときの効果を模式的に示した図である。実施形態に係り、電圧発生部、電圧切り換え部及び所定信号発生部の構成を模式的に示した図である。実施形態に係るガスセンサの動作を模式的に示したタイミング図である。実施形態の第１の変更例に係るガスセンサの全体的な構成を示したブロック図である。

以下、図面を参照して実施形態を説明する。
図１は、実施形態に係るガスセンサの全体的な構成を示したブロック図である。
図１に示したガスセンサは、センサ本体１００と、物理量検出部２００と、電圧発生部３００と、電圧切り換え部４００と、所定信号発生部５００とを備えている。

センサ本体１００は、ガス感応膜（ガス吸蔵膜）１１１と、ガス感応膜１１１を加熱するヒーター膜１１２とを含む膜構造１１０を含んでいる。
図２は、センサ本体１００の具体的な構成を模式的に示した断面図である。
図２に示すように、半導体基板（シリコン基板等）１１上に絶縁膜１２が形成され、絶縁膜１２上に絶縁膜１３が形成され、絶縁膜１３上に絶縁膜１４が形成されている。絶縁膜１３には空洞１５が形成されており、空洞１５は絶縁膜１２、１３及び１４によって囲まれている。

絶縁膜１４上であって且つ空洞１５の上方には、可変キャパシタの下部電極１６が設けられている。この下部電極１６は、絶縁膜１７によって覆われている。また、絶縁膜１４上には、金属膜１８が設けられている。下部電極１６と金属膜１８とは、同一工程で形成される。絶縁膜１４及び絶縁膜１７には、貫通孔１９が形成されている。

空洞１５の上方には、膜構造２０（図１の膜構造１１０に対応）が設けられている。本実施形態では、膜構造２０は、絶縁膜２１と、可変キャパシタの上部電極２２と、絶縁膜２３と、ヒーター膜２４（図１のヒーター膜１１２に対応）と、絶縁膜２５と、ガス感応膜（ガス吸蔵膜）２６（図１のガス感応膜１１１に対応）とが積層された構造を有している。膜構造２０には、貫通孔２７が形成されている。

膜構造２０は、バネ部３０ａ及びアンカー部３０ｂを介して金属膜１８に接続されている。バネ部３０ａ及びアンカー部３０ｂは、膜構造２０と同一工程で形成され、絶縁膜３１と、ダミー電極３２と、絶縁膜３３とが積層された構造を有している。
膜構造２０の下方には空洞４０が形成されており、空洞４０は絶縁膜１７、絶縁膜２１及び絶縁膜３１によって囲まれている。

本実施形態では、ガス感応膜２６は水素吸蔵膜で形成されており、ガス感応膜２６は水素ガスを吸蔵可能である。ガス感応膜２６は、パラジウム（Ｐｄ）を含有する材料で形成されている。具体的には、ガス感応膜２６は、パラジウム膜或いはパラジウム合金膜で形成されている。パラジウム合金膜としては、例えば、ＰｄＣｕＳｉ膜を用いることが可能である。

ガス感応膜（水素感応膜）２６が水素ガスを吸蔵すると、ガス感応膜２６が膨張する。その結果、ガス感応膜２６が変形し、膜構造２０も変形する。膜構造２０はバネ部３０ａを介してアンカー部３０ｂに接続されているため、膜構造２０は下方或いは上方に変形する。膜構造２０が下方或いは上方に変形すると、可変キャパシタの下部電極（固定電極）１６と上部電極（可動電極）２２との間の距離が変化し、可変キャパシタのキャパシタンスが変化する。したがって、可変キャパシタのキャパシタンスの変化を検出することで、ガス感応量（水素吸蔵量）を検出することが可能である。

図１では、ガス感応膜１１１（図２のガス感応膜２６に対応）がガスを吸蔵することによって変化する所定物理量を検出する物理量検出部２００が設けられている。本実施形態では、所定物理量は、ガス感応膜１１１の変形によって変化するキャパシタンスである。すなわち、所定物理量は、図２に示した下部電極（第１の電極）１６と下部電極１６に対向する上部電極（第２の電極）２２とによって形成される可変キャパシタのキャパシタンスである。所定物理量で検出された物理量に基づいて、所定ガス濃度を検出することが可能である。

次に、本実施形態におけるヒーター膜１１２（図２では、ヒーター膜２４）の機能について説明する。
一般に、ガス感応膜を加熱した状態でガス検出動作を行うと、ガス検出の検出感度（検出速度）が向上することが知られている。本実施形態では、ガス感応膜２６を加熱するために、膜構造２０にヒーター膜２４が含まれている。

しかしながら、例えば、膜構造２０の周囲に硫化水素が存在すると、硫化水素に起因する金属硫化物が形成されるおそれがある。この金属硫化物がガス感応膜２６に付着すると、ガスの検出感度や検出精度が低下するおそれがある。ガス感応膜２６はヒーター膜２４によって加熱されているが、このときの加熱温度（第１の温度）では金属硫化物を除去することは難しい。

そこで、本実施形態では、ガス検出を行う期間では、第１の温度（例えば、５０〜１００℃）でガス感応膜２６を加熱しておき、ガス検出を行わない期間では、第１の温度よりも高い第２の温度（例えば、１５０〜２００℃）でガス感応膜２６を加熱する。この第２の温度での加熱により金属硫化物等の付着汚染物質を揮発させて除去することが可能である。なお、第２の温度での加熱によって汚染物質を除去する動作を、以後、リフレッシュ動作と呼ぶことにする。

図３は、第２の温度でガス感応膜２６を加熱したときの効果を模式的に示した図である。図３（ａ）は膜構造２０の周囲の水素ガス濃度、図３（ｂ）は膜構造２０の周囲の硫化水素ガス濃度、図３（ｃ）は可変キャパシタのキャパシタンス、図３（ｄ）はガス感応膜２６の加熱温度である。

図３に示すように、第１の温度で加熱を行っているときに硫化水素が存在していると、可変キャパシタのキャパシタンスが本来のキャパシタンスよりもΔＣだけ低くなる。ところが、第２の温度で加熱を行った後には、可変キャパシタのキャパシタンスが本来のキャパシタンスを示すようになる。したがって、第１の温度よりも高い第２の温度でガス感応膜２６を加熱することにより、低下したガス検出感度を回復させることができる。これは、金属硫化物等の付着汚染物質が高温加熱によって除去されたためである。

図１に示したガスセンサでは、上述した機能を実現するために、ガス感応膜１１１を第１の温度で加熱するための第１の電圧及びガス感応膜１１１を第１の温度よりも高い第２の温度で加熱するための第２の電圧を発生する電圧発生部３００と、ヒーター膜１１２に供給される第１の電圧及び第２の電圧を選択的に切り換える電圧切り換え部４００とが設けられている。第１の電圧及び第２の電圧は、所定信号発生部５００で発生する所定信号に基づいて選択的に切り換えられる。

図４は、電圧発生部３００、電圧切り換え部４００及び所定信号発生部５００の構成を模式的に示した図である。
電圧発生部３００には、第１の電圧を発生する第１の電圧源３０１と、第２の電圧を発生する第２の電圧源３０２とが設けられている。電圧切り換え部４００には、スイッチ４０１、４０２及び４０３が設けられている。所定信号発生部５００からの所定信号によってスイッチ４０１、４０２及び４０３が切り換えられ、第１の電圧及び第２の電圧の一方がヒーター膜に供給される。

図５は、本実施形態に係るガスセンサの動作を模式的に示したタイミング図である。図５（ａ）は膜構造１１０の周囲の水素ガス濃度、図５（ｂ）は可変キャパシタのキャパシタンス、図５（ｃ）はヒーター膜１１２に印加される電圧である。
図５（ｃ）に示すように、第１の電圧及び第２の電圧は、電圧切り換え部４００によって所定期間毎に選択的に切り換えられる。図５では、第１の電圧及び第２の電圧は、一定期間Ｔ毎に選択的に切り換えられる。具体的には、一定期間Ｔが経過すると、所定信号発生部５００から所定信号が発生し、所定信号が発生してから所定時間ｔだけ第２の電圧がヒーター膜１１２に印加される。

第１の電圧は、物理量検出部２００によって所定物理量を検出する際にヒーター膜１１２に印加されており、第２の電圧は、物理量検出部２００によって所定物理量を検出する際にヒーター膜１１２に印加されていない。また、第２の電圧が印加されている期間は、第１の電圧が印加されている期間よりも短い。

なお、図５に示した例では、第２の電圧が印加されている期間ではキャパシタンスが増加しているが、これは加熱によってガス感応膜１１１が膨張することに起因する。
以上のように、本実施形態では、ガス感応膜１１１の検出感度（検出速度）を向上させるために第１の温度でガス感応膜１１１を加熱し、且つ第１の温度よりも高い第２の温度でガス感応膜１１１を加熱する。このように、第２の温度でガス感応膜１１１を加熱すること（リフレッシュ動作）により、膜構造１１０（特に、ガス感応膜１１１）に付着している汚染物質を除去することができ、ガス検出感度やガス検出速度に優れた高精度のガスセンサを得ることができる。

また、本実施形態では、所定期間毎（例えば、１日に１回、数分間程度）にリフレッシュ動作を行えばよいため、低消費電力でリフレッシュ動作を行うことができる。
また、本実施形態では、所定期間毎にリフレッシュ動作を行うため、汚染物質検出用の特別な部品を設ける必要がなく、低コストのガスセンサを作成することができる。

なお、本実施形態において、第１の温度の加熱は、連続的に行ってもよいし、断続的に行ってもよい。例えば、所定の周期で第１の温度での加熱を断続的に行うようにしてもよい。
次に、本実施形態の第１の変更例について説明する。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。

図６は、第１の変更例に係るガスセンサの全体的な構成を示したブロック図である。
図６に示したガスセンサは、センサ本体１００と、物理量検出部２００と、電圧発生部３００と、電圧切り換え部４００と、所定信号発生部５００とに加えてさらに、汚染物質検出部６００を備えている。

上述した実施形態では、所定期間毎にリフレッシュ動作を行うようにしたが、本変更例では、汚染物質検出部６００で所定量以上の汚染物質が検出されたときにリフレッシュ動作を行うようにしている。具体的には、汚染物質検出部６００としてセンサ本体１００とは別に汚染物質検出用のセンサを設けておき、汚染物質検出用のセンサによって汚染物質を検出するようにしている。汚染物質検出部６００で所定量以上の汚染物質が検出されたときに、所定信号発生部５００から所定信号が発生し、電圧切り換え部４００から第２の電圧がヒーター膜１１２に供給される。

本変更例でも、上述した実施形態と同様の効果を得ることができる。また、本変更例では、汚染物質検出部６００を設けることにより、最適なタイミングでリフレッシュ動作を行うことができる。
なお、汚染物質が膜構造２０に付着して物理量検出部２００での検出値が変化した場合に、その変化が所定量以上になったときに所定信号発生部５００から所定信号を発生させるようにしてもよい。この場合には、汚染物質検出部６００を設けなくてもよい。

次に、本実施形態の第２の変更例について説明する。なお、基本的な事項は上述した実施形態と同様であるため、上述した実施形態で説明した事項の説明は省略する。また、センサ本体の基本的な構成は上述した実施形態の構成と同様であるため、図２を参照して本変更例の説明を行う。

上述した実施形態では、下部電極１６と上部電極２２とで形成される可変キャパシタのキャパシタンス変化に基づいて所定ガス（水素ガス等）の検出を行うようにしていた。すなわち、上述した実施形態では、所定物理量として可変キャパシタのキャパシタンスを用いていた。本変更例では、所定物理量として、ガス吸蔵によって変化するガス感応膜２６の抵抗を用いている。以下、説明を加える。

ガス感応膜２６は、ガスを吸蔵することで膨張するが、ガスを吸蔵することで抵抗も変化する。本変更例では、ガス感応膜２６を可変抵抗として機能させることで、所定ガス（水素ガス等）の検出を行うようにしている。
このように、ガス感応膜２６の抵抗変化に基づいてガス検出を行うようにしても、上述した実施形態と同様の効果を得ることが可能である。

なお、本変更例では、下部電極１６及び上部電極２２を設けないようにしてもよい。また、本変更例においても、空洞１５及び４０を設けることで、ヒーター膜２４の熱を効率的にガス感応膜２６に供給することができる。
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。

１１…半導体基板、１２…絶縁膜、１３…絶縁膜、１４…絶縁膜、１５…空洞、１６…下部電極、１７…絶縁膜、１８…金属膜、１９…貫通孔、２０…膜構造、２１…絶縁膜、２２…上部電極、２３…絶縁膜、２４…ヒーター膜、２５…絶縁膜、２６…ガス感応膜、２７…貫通孔、３０ａ…バネ部、３０ｂ…アンカー部、３１…絶縁膜、３２…ダミー電極、３３…絶縁膜、４０…空洞、１００…センサ本体、１１０…膜構造、１１１…ガス感応膜、１１２…ヒーター膜、２００…物理量検出部、３００…電圧発生部、４００…電圧切り換え部、５００…所定信号発生部、６００…汚染物質検出部

Claims

第１の物質を含むガスを吸蔵可能なガス感応膜と、第１の電力が供給され、前記ガス感応膜に向けて熱を供給可能なヒーター膜とを含む膜構造と、
前記ガス感応膜における前記第１の物質を含むガスの吸蔵に応じて変化する物理量を検出可能な第１の物理量検出部と、
前記第１の物質とは異なる第２の物質の量を検出可能な第２の物質検出部と、
前記ヒーター膜に電力を供給可能な電力供給部と、
を備え、
前記電力供給部は、前記第２の物質検出部で前記第２の物質が予め決められた量より多く検出された場合は、前記第１の電力よりも大きい第２の電力を前記ヒーター膜に供給可能であるガスセンサ。
前記電力供給部は、前記第２の物質検出部で検出される前記第２の物質の量に応じて前記第１の電力及び前記第２の電力を切り換える
請求項１に記載のガスセンサ。
前記物理量はキャパシタンスである
請求項１に記載のガスセンサ。
第１の電極と第２の電極とを具備し、
前記キャパシタンスは前記第１の電極と前記第２の電極との間のキャパシタンスである請求項３に記載のガスセンサ。
前記物理量は前記ガス感応膜の電気抵抗である
請求項１に記載のガスセンサ。
前記第１の物質は、水素である
請求項１に記載のガスセンサ。
前記第２の物質は、前記ガス感応膜に付着可能である請求項１に記載のガスセンサ。
前記第２の物質は、金属硫化物である請求項７に記載のガスセンサ。
前記ガス感応膜は、パラジウム（Ｐｄ）を含有する
請求項１に記載のガスセンサ。
前記第１の電力は第１の電圧を含み、前記第２の電力は第２の電圧を含む請求項１乃至９の何れか一つに記載のガスセンサ。