WO2020235118A1 - ガスセンサ - Google Patents

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正樹 藤金
宏平 高橋
尚基 反保
内藤　康幸
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Definitions

  • the present disclosure provides a technique for reducing power consumption in a gas sensor.
  • the present disclosure provides the following gas sensors. It ’s a gas sensor, substrate; Support layer; Base layer; A heater layer provided above or above the base layer; A gas sensing layer provided above or above the heater layer or the base layer and having a gas concentration dependence of electrical impedance; and the gas sensing layer electrically connected to the gas sensing layer.
  • Detection electrode for detecting the impedance of Equipped with here The substrate includes a cavity and In plan view, the substrate comprises an opening formed by the cavity.
  • the support layer is provided on the substrate so as to cover at least the peripheral edge of the opening over the entire circumference.
  • the base layer is held by the support layer and is located above the cavity and away from the substrate.
  • the support layer has a first phononic crystal structure composed of a plurality of regularly arranged through holes in a portion in contact with the cavity portion.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view schematically showing the gas sensor of the fourth embodiment.
  • FIG. 22 is a cross-sectional view schematically showing the gas sensor of the fifth embodiment.
  • FIG. 23 is a temperature distribution diagram by simulation of the upper surface of the gas sensor of the comparative example at the time when 0.49 seconds have passed from the application of the current.
  • FIG. 24 is a graph showing the relationship between the current application time in the gas sensors of Examples and Comparative Examples and the average temperature of the gas sensing layer obtained by simulation.
  • FIG. 25 is a graph showing the relationship between the current application time and the average temperature of the gas sensing layer in the gas sensors of Examples and Comparative Examples obtained by simulation.
  • FIG. 26 is a graph showing the relationship between the current application time in the gas sensors of Examples and Comparative Examples and the average temperature of the gas sensing layer obtained by simulation.
  • the base layer 3 of the gas sensor 41C does not have to have a phononic crystal structure. In this case, the heat of the heater layer 4 can be transferred to the gas sensing layer 5 more quickly via the base layer 3.
  • Examples of materials constituting the p-type wiring 31 and the n-type wiring 32 are semiconductors doped in the p-type and n-type, respectively.
  • Examples of semiconductors are poly-Si and poly-SiGe.
  • the materials constituting the p-type wiring 31 and the n-type wiring 32 are not limited to the above examples.
  • the gas sensor 41F of the fifth embodiment is shown in FIG.
  • the gas sensor 41F has the same configuration as the gas sensor 41A of the first embodiment except that the configuration of the cavity 7 is different.
  • the gas sensors of the present disclosure include various thin film forming techniques such as chemical vapor deposition (CVD), sputtering, and vapor deposition; various microfabrication techniques such as electron beam lithography, photolithography, block copolymer lithography, and selective etching. And pattern forming methods; and various modification methods such as amorphization by doping and ion implantation, crystallization, and imparting conductivity; Electron beam lithography is suitable for forming a phononic crystal structure having an arrangement period P of about 100 nm or more and 300 nm or less.
  • Example 1 For the gas sensors of Examples 1, 3 and 4, the relationship between the current application time and the average temperature of the gas sensing layer evaluated by the above simulation is shown in FIG.
  • the set value of the current applied to the heater layer in Examples 3 and 4 is 1.5 mA, which is different from the set value of 2.3 mA in Example 1.
  • This is the V ⁇ I product between the terminal Heat (+) and the terminal Heat (-) between each example in a situation where the electrical conductivity of the resistance heating wire 12 is reduced to about 1/3 due to the phononic crystal structure. This is to keep it constant.
  • Example 1 in which the support layer 2 has a phononic crystal structure, the temperature of the gas sensing layer reaches 400 ° C. 0.35 seconds after the application of the electric current.

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Abstract

本開示は、ガスセンサにおける消費電力の低減を進める技術を提供する。本開示のガスセンサは、基板；支持層；ベース層；ベース層の上又は上方に設けられたヒーター層；ヒーター層又はベース層の上又は上方に設けられ、かつ、電気的なインピーダンスのガス濃度依存性を有するガス感知層；及びガス感知層に電気的に接続され、かつ、ガス感知層のインピーダンスを検出する検出電極；を具備する。ここで、基板は空洞部を備え、平面視において基板は、空洞部によって形成された開口を備え、支持層は、少なくとも上記開口の周縁部を全周にわたって覆うように基板の上に設けられており、ベース層は、支持層により保持され、かつ、空洞部の上方に基板とは離間して位置し、支持層は、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第１フォノニック結晶構造を空洞部と接する部分に有する。

Description

ガスセンサ
　本開示は、ガスセンサに関する。
　ガス配管の漏洩検知、及び一酸化炭素又は酸素の濃度モニタ等のために、ガスセンサが利用可能である。従来のガスセンサとして、酸化スズ（ＳｎＯ2）等の酸化物半導体を使用した半導体式センサが代表的である（例えば、特許文献１を参照）。当該センサでは、例えば、ＳｎＯ2の焼結体に内包された電流加熱ヒーターにより、約４００℃程度にＳｎＯ2が昇温される。この温度では、ＳｎＯ2に付着している酸素は、還元性を有するターゲットガスと反応しうる。このため、昇温下、ターゲットガスの濃度が増加すると、ＳｎＯ2からの酸素の脱離が進行し、ＳｎＯ2の電気的なインピーダンスが低下する。ＳｎＯ2のインピーダンスとターゲットガスの濃度とを関連付けることで、ガスセンサとしての機能が得られる。
　非特許文献１は、ＳｎＯ2薄膜を用いたメタンガスセンサを開示している。非特許文献１のガスセンサでは、第一に、ＳｎＯ2の薄膜化による熱容量の低減により、第二に、パルス電流による短時間の加熱により、消費電力の低減が図られている。半導体式ガスセンサの一種であるＮＩＳＳＨＡエフアイエス製、水素センサＳＢ－１９のヒーター消費電力は、１２０ｍＷである。一方、非特許文献１のガスセンサでは、薄膜化及びパルス電流駆動により、数十ミリ秒以内の加熱及び平均消費電力０．１ｍＷ以下が達成されている。
　半導体式ガスセンサは、一般に、ターゲットガス種ごとに異なる検出感度を有する。例えば、他のガス種に比して水素に対する高い感度を有するセンサは、水素センサとして利用可能である。ガスセンサにおいて、ターゲットガス以外のガスは干渉ガスと呼ばれる。干渉ガスが多く含まれる環境では、ターゲットガスの検出精度が低下する傾向にある。非特許文献２には、干渉ガスが含まれる場合に、検出感度の異なる複数のガスセンサを使用するマルチセンサ技術が開示されている。非特許文献２の技術は、複数のガスセンサにより得られた応答値に対して多変量解析を適用し、これにより、ターゲットガスを含む各ガスの濃度を推定する技術である。
特開平７－１９８６４４号公報
鈴木卓弥ら、「超低消費電力ＭＥＭＳガスセンサの開発」、計測と制御、第５７巻、第４号、２０１８年４月号、ｐ．２８７－２９０ K. Nakamura et.al., "Determination of Low Concentration of Multi-Target Gas Species Exhaled with the Breath", ECS Transactions, 75(16) 83-90(2016)
　低消費電力のガスセンサによれば、例えば、電池駆動によるガスの連続モニタリングが可能となる。しかし、非特許文献１の技術による消費電力の低減は、未だ不十分である。また、マルチセンサ技術の構築のためには、消費電力のさらなる低減が求められる。
　本開示は、ガスセンサにおける消費電力の低減を進める技術を提供する。
　本開示は、以下のガスセンサを提供する。
　ガスセンサであって、
　　基板；
　　支持層；
　　ベース層；
　　前記ベース層の上又は上方に設けられたヒーター層；
　　前記ヒーター層又は前記ベース層の上又は上方に設けられ、かつ、電気的なインピーダンスのガス濃度依存性を有するガス感知層；及び
　　前記ガス感知層に電気的に接続され、かつ、前記ガス感知層の前記インピーダンスを検出する検出電極；
　を具備し、
　ここで、
　前記基板は、空洞部を備え、
　平面視において、前記基板は、前記空洞部によって形成された開口を備え、
　前記支持層は、少なくとも前記開口の周縁部を全周にわたって覆うように、前記基板の上に設けられており、
　前記ベース層は、前記支持層により保持され、かつ、前記空洞部の上方に前記基板とは離間して位置し、
　前記支持層は、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第１フォノニック結晶構造を前記空洞部と接する部分に有する。
　本開示によれば、例えば、消費電力のさらなる低減がなされたガスセンサが達成されうる。
図１Ａは、実施形態１のガスセンサを模式的に示す平面図である。 図１Ｂは、図１Ａのガスセンサの断面１Ｂ－１Ｂを示す断面図である。 図２Ａは、図１Ａのガスセンサの分解斜視図である。 図２Ｂは、図１Ａのガスセンサの斜視図である。 図３Ａは、ヒーター層に電流を供給する回路構成の例を示す回路図である。 図３Ｂは、ガス感知層のインピーダンスを検出する検出回路の例を示す回路図である。 図３Ｃは、ガス感知層のインピーダンスを検出する際の作動増幅器からの出力信号の例を示すグラフである。 図４は、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造の一例を模式的に示す平面図である。 図５Ａは、図４のフォノニック結晶構造が含む第１ドメインにおける単位格子とその方位とを示す模式図である。 図５Ｂは、図４のフォノニック結晶構造が含む第２ドメインにおける単位格子とその方位とを示す模式図である。 図６は、図４のフォノニック結晶構造の領域Ｒ１の拡大図である。 図７は、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造の別の一例を模式的に示す平面図である。 図８は、図７のフォノニック結晶構造の領域Ｒ２の拡大図である。 図９は、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造のまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図１０は、図９のフォノニック結晶構造の領域Ｒ３の拡大図である。 図１１は、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造のさらにまた別の一例を模式的に示す平面図である。 図１２は、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１３は、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１４Ａは、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の一例を示す模式図である。 図１４Ｂは、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の別の一例を示す模式図である。 図１５は、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１６は、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造の上記とは別の一例を模式的に示す平面図である。 図１７Ａは、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の一例を示す模式図である。 図１７Ｂは、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の別の一例を示す模式図である。 図１７Ｃは、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造の単位格子のまた別の一例を示す模式図である。 図１７Ｄは、本開示のガスセンサが有しうるフォノニック結晶構造の単位格子の上記とは別の一例を示す模式図である。 図１８は、実施形態１のガスセンサの変形例を模式的に示す断面図である。 図１９Ａは、実施形態２のガスセンサを模式的に示す平面図である。 図１９Ｂは、図１９Ａのガスセンサの断面１９Ｂ－１９Ｂを示す断面図である。 図２０Ａは、実施形態３のガスセンサを模式的に示す平面図である。 図２０Ｂは、図２０Ａのガスセンサの断面２０Ｂ－２０Ｂを示す断面図である。 図２１は、実施形態４のガスセンサを模式的に示す断面図である。 図２２は、実施形態５のガスセンサを模式的に示す断面図である。 図２３は、電流の印加から０．４９秒経過した時点における、比較例のガスセンサ上面のシミュレーションによる温度分布図である。 図２４は、シミュレーションにより得た、実施例及び比較例のガスセンサにおける電流の印加時間とガス感知層の平均温度との関係を示すグラフである。 図２５は、シミュレーションにより得た、実施例及び比較例のガスセンサにおける電流の印加時間とガス感知層の平均温度との関係を示すグラフである。 図２６は、シミュレーションにより得た、実施例及び比較例のガスセンサにおける電流の印加時間とガス感知層の平均温度との関係を示すグラフである。
　（本開示の基礎となった知見）
　本開示によるガスセンサでは、ガス感知層及びガス感知層を加熱するヒーター層が、支持層及びベース層を介して、基板から離間した状態で保持されている。また、支持層は、規則的に配列した複数の貫通孔から構成されるフォノニック結晶構造を、基板から離間した部分である空洞部と接する部分に有する。
　絶縁体及び半導体において、熱は、主として、フォノンと呼ばれる格子振動によって運ばれる。絶縁体又は半導体から構成される材料の熱伝導率は、材料が有するフォノンの分散関係により決定される。フォノンの分散関係とは、周波数と波数との関係、又はバンド構造を意味している。絶縁体及び半導体において、熱を運ぶフォノンは、１００ＧＨｚから１０ＴＨｚの幅広い周波数帯域に及ぶ。この周波数帯域は、熱の帯域である。材料の熱伝導率は、熱の帯域にあるフォノンの分散関係により定められる。
　フォノニック結晶構造によれば、貫通孔の周期構造によって、材料が有するフォノンの分散関係が制御可能である。即ち、フォノニック結晶構造によれば、材料の熱伝導率そのものが制御可能である。とりわけ、フォノニック結晶構造によるフォノニックバンドギャップ（ＰＢＧ）の形成は、材料の熱伝導率を大きく低減させうる。ＰＢＧ内にフォノンは存在できない。このため、熱の帯域に位置するＰＢＧは、熱伝導のギャップとなりうる。また、ＰＢＧ以外の周波数帯域においても、フォノンの分散曲線の傾きがＰＢＧによって小さくなる。傾きの低減はフォノンの群速度を低下させ、熱伝導速度を低下させる。これらの点は、材料の熱伝導率の低減に大きく寄与する。材料の熱伝導率は、例えば、多孔質化により低減できる。多孔質化により導入された空隙が材料の熱伝導率を減少させるためである。しかし、フォノニック結晶構造によれば、材料自身の熱伝導率が低減可能となる。このため、単なる多孔質化に比べて、熱伝導率のさらなる低減が期待される。
　本開示によるガスセンサでは、ガス感知層及びヒーター層の支持構造に、熱伝導率を大きく低減可能なフォノニック結晶構造が適用されている。この適用により、昇温されたガス感知層から基板に向かって流れる熱流の低減が可能となる。このため、低電力による所望の温度へのガス感知層の昇温が可能となり、低消費電力により駆動可能なガスセンサが達成されうる。
　（本開示の実施形態）
　以下、本開示の実施形態について、図面を参照しながら説明する。
　［ガスセンサ］
　（実施形態１）
　実施形態１のガスセンサ４１Ａが、図１Ａ、図１Ｂ、図２Ａ及び図２Ｂに示される。図１Ｂには、図１Ａのガスセンサ４１Ａの断面１Ｂ－１Ｂが示される。図２Ａには、ガスセンサ４１Ａの分解斜視図が示される。図２Ｂには、ガスセンサ４１Ａの斜視図が示される。ガスセンサ４１Ａは、基板１、支持層２、ベース層３、ヒーター層４、ガス感知層５、及び検出電極６を備える。
　ガス感知層５は、電気的なインピーダンス（以下、「インピーダンス」と記載）のガス濃度依存性を有する。ガス感知層５のインピーダンスは、ガス感知層５の周囲のターゲットガスの濃度に応じて変化しうる。ガス感知層５は、ターゲットガスの濃度に応じてインピーダンスが変化する感応材料を含む。感応材料の例は、酸化物半導体である。酸化物半導体の例は、ＳｎＯ2、ＴｉＯ2、ＷＯ3、Ｆｅ2Ｏ3である。ガス感知層５は、酸化物半導体層であってもよく、ＳｎＯ2層、ＴｉＯ2層、ＷＯ3層、Ｆｅ2Ｏ3層であってもよい。ただし、ガス感知層５は、上記例に限定されない。ガス感知層５は、ヒーター層４の上方に設けられている。ガス感知層５には検出電極６が電気的に接続されている。検出電極６は、ガス感知層５の一方の主面に接するように、ガス感知層５の下に設けられている。ガス感知層５のインピーダンスが、検出電極６により検出可能である。
　基板１は、空洞部７を備える。基板１は、基板１の双方の主面間を接続する貫通孔１０を空洞部７として有する。平面視において、基板１は、空洞部７によって形成された開口８を備える。支持層２は、少なくとも開口８の周縁部９を全周にわたって覆うように、基板１の上に設けられている。図１Ａから図２Ｂに示される例の支持層２は、周縁部９を含む開口８の全体を覆っている。ベース層３は、支持層２により保持され、かつ、空洞部７の上方に基板１とは離間して位置する。断面視において、ベース層３は、空洞部７及びヒーター層４の間に挟まれている。ベース層３の上には、ヒーター層４及びガス感知層５を含む積層体が設けられている。ヒーター層４及びガス感知層５は、支持層２及びベース層３によって、基板１とは離間した状態で空洞部７の上方に懸架されている。この懸架構造により、昇温されたガス感知層５から基板１に向かって流れる熱流が制限される。なお、図１Ａから図２Ｂに示される例のベース層３は、支持層２の一部である。ベース層３は、支持層２によって基板１から離間して懸架されるべき部材が設けられた支持層２の領域として定めることができる。当該部材は、少なくとも、ヒーター層４及びガス感知層５を含む。
　ヒーター層４は、抵抗加熱線１２を備える。抵抗加熱線１２を流れる電流によるジュール加熱により、ヒーター層４は発熱する。ガスセンサ４１Ａの抵抗加熱線１２は、ミアンダ配線である。ミアンダ配線では、ガス感知層５に対する配線密度の均一性が向上可能となる。これにより、ガス感知層５をより均一に昇温できる効果が得られる。ただし、抵抗加熱線１２の形態は、上記例に限定されない。
　ガスセンサ４１Ａは、抵抗加熱線１２と電気的に接続され、かつ、抵抗加熱線１２に電流を供給する第１配線１３及び第２配線１４をさらに備える。抵抗加熱線１２の一方の端部には、第１配線１３が接続されている。抵抗加熱線１２の他方の端部には、第２配線１４が接続されている。第１配線１３は、抵抗加熱線１２との接続端とは反対側の端部にて、端子Heat(+)に電気的に接続されている。第２配線１４は、抵抗加熱線１２との接続端とは反対側の端部にて、端子Heat(-)に電気的に接続されている。端子Heat(+)及び端子Heat(-)は、支持層２上に設けられている。支持層２における端子Heat(+)又は端子Heat(-)が設けられた位置は、平面視において、いずれも空洞部７と重複していない。第１配線１３、抵抗加熱線１２及び第２配線１４を経由して端子Heat(+)から端子Heat(-)に電流を流すことで、ヒーター層４は発熱する。電流は、パルス電流であってもよい。ただし、第１配線１３及び第２配線１４と抵抗加熱線１２との接続の態様、並びに抵抗加熱線１２に電流を供給する構成は、上記例に限定されない。
　ガスセンサ４１Ａでは、平面視において、ヒーター層４とガス感知層５とが重複して設けられている。また、ガス感知層５は、ヒーター層４の上方に設けられている。ガス感知層５は、ヒーター層４の上に設けられていてもよい。これらの形態は、ガス感知層５の加熱の効率に優れる。
　ガスセンサ４１Ａでは、平面視において、ヒーター層４と検出電極６とが重複して設けられている。また、検出電極６は、ヒーター層４の上方に設けられている。ガスセンサ４１Ａは、ヒーター層４と検出電極６との間に設けられた電気絶縁層１１をさらに備える。電気絶縁層１１により、ヒーター層４と検出電極６との間の電気的な絶縁が確保可能となる。図１Ａから図２Ｂに示す例では、支持層２及びヒーター層４の上に電気絶縁層１１が設けられ、電気絶縁層１１の上に検出電極６及びガス感知層５が設けられている。ガスセンサ４１Ａでは、ヒーター層４、ガス感知層５、検出電極６及び電気絶縁層１１のうち、平面視において最大の面積を有する部材である電気絶縁層１１が設けられた支持層２の領域として、ベース層３を定めることができる。
　検出電極６は、１対の櫛歯型電極の組み合わせにより構成される。ガスセンサ４１Ａは、検出電極６と電気的に接続され、かつ、検出電極６から出力された検出信号を伝送する第３配線１５及び第４配線１６をさらに備える。検出電極６の対の一方には、第３配線１５が接続されている。検出電極６の対の他方には、第４配線１６が接続されている。第３配線１５は、検出電極６との接続端とは反対側の端部にて、端子Sens(+)に電気的に接続されている。第４配線１６は、検出電極６との接続端とは反対側の端部にて、端子Sens(-)に電気的に接続されている。端子Sens(+)及び端子Sens(-)は、支持層２上に設けられている。支持層２における端子Sens(+)又は端子Sens(-)が設けられた位置は、平面視において、いずれも空洞部７と重複していない。第３配線１５を経由した端子Sens(+)から検出電極６への検出信号の伝送、及び第４配線１６を経由した検出電極６から端子Sens(-)への検出信号の伝送により、ガス感知層５のインピーダンスが検出可能となる。ただし、検出電極６の構成、第３配線１５及び第４配線１６と検出電極６との接続の態様、並びにガス感知層５のインピーダンスを検出する構成は、上記例に限定されない。
　第１配線１３、第２配線１４、第３配線１５、及び第４配線１６は、平面視において、ガスセンサ４１Ａの中心から放射状に形成されている。隣接する配線同士がなす角度は、平面視において９０度である。ただし、当該角度は、９０度に限定されない。
　ヒーター層４に電流を供給する回路構成の例が、図３Ａに示される。図３Ａの例では、ヒーターＯＮに対応する制御信号のパルスが、電気的スイッチの制御端子ＣＴＬに入力される。パルスが入力された時間のみ、定電流源の電流Ｉが端子Heat(+)及び端子Heat(-)の間に供給される。供給される電流は、パルス電流である。パルスの幅及び間隔、並びに電流Ｉの値は、予め定められた設定温度にガス感知層５が到達するように定めることができる。ガス感知層５がＳｎＯ2から構成される場合、設定温度は、例えば、４００℃である。ただし、設定温度は、この例に限定されない。設定温度は、所望のターゲットガスへの感度が最大となる温度に定めてもよい。ガス感知層５が薄膜である場合、当該温度にガス感知層５が到達した時点でヒーターをＯＦＦとする制御が実施されてもよい。薄膜のガス感知層５は、通常、熱容量が小さい。このため、ヒーターをＯＦＦとした後にもガス感知層５の温度が上昇し続ける時間は僅かであり、上記制御によっても測定精度の確保が可能である。
　ガス感知層５のインピーダンスを検出する検出回路の例が、図３Ｂに示される。図３Ｂの例では、一対の検出電極６の間に基準電圧源から電流を印加する。検出信号として伝送された検出電極６の間のインピーダンスの変化は、端子Sens(+)及び端子Sens(-)の間の電位差としてあらわれる。あらわれた電位差は、作動増幅器により読み取り及び出力できる。作動増幅器からの出力信号の例が、図３Ｃに示される。図３Ｃに示されるように、ヒーターＯＮによる昇温に伴い、ガス感知層５のインピーダンスは低下する。ここで、ターゲットガスの濃度が高いほど、インピーダンスの低下の程度が大きくなる。このため、低濃度の場合の出力電圧Ｖ１に比べて、高濃度の場合の出力電圧Ｖ２の方が低くなる。ターゲットガスの濃度がゼロである場合の出力電圧Ｖrefを記憶しておくことにより、出力電圧差Ｖref－Ｖ１及びＶref－Ｖ２が、ターゲットガスの濃度と関連付けられた情報となりうる。
　基板１は、例えば、半導体により構成される。半導体の例は、シリコン（Ｓｉ）である。基板１は、複数の層により構成されていてもよい。基板１における支持層２を配置する側の表面に、酸化膜が形成されていてもよい。
　空洞部７の開口８の形状は、平面視において、円である。また、周縁部９の形状は、平面視において、リング状である。ただし、開口８及び周縁部９の形状は、上記例に限定されない。
　ガスセンサ４１Ａの空洞部７は、貫通孔１０により構成される。この形態では、空洞部７におけるガスの滞留が抑制される。ガスは、例えば、支持層２が有するフォノニック結晶構造の貫通孔を透過したガスである。滞留したガスに対してガス感知層５が感度を有する場合には、ガスセンサ４１Ａの感度の低下、又は誤検出が生じうる。空洞部７に滞留しうるガスをガスセンサ４１Ａの下方へ逃がす経路を設けてガスの滞留を抑制することで、これらの問題を防ぐことができる。
　支持層２及びベース層３は、通常、絶縁材料により構成される。絶縁材料の例は、ＳｉＯ2等の酸化物、ＳｉＮ等の窒化物である。支持層２及びベース層３の厚さは、例えば、０．０５～１μｍである。ベース層３は、支持層２の一部であってもよい。ガスセンサ４１Ａにおける支持層２の形状は、平面視において、基板１の形状と同じである。また、ベース層３の形状は、平面視において、円である。ただし、支持層２及びベース層３の形状は、上記例に限定されない。
　ガス感知層５の厚さは、例えば、０．０５～１μｍである。上記範囲の厚さを有するガス感知層５は、薄膜でありうる。ただし、ガス感知層５の厚さは上記例に限定されない。例えば、粉体を焼結させて得たガス感知層５の厚さは、１μｍ以上となりうる。
　検出電極６、第１配線１３、第２配線１４、第３配線１５、及び第４配線１６は、通常、導電性材料により構成される。導電性材料の例は、白金（Ｐｔ）、タングステン（Ｗ）、チタン（Ｔｉ）等の金属、及び多結晶シリコン（ｐｏｌｙ－Ｓｉ）、多結晶シリコンゲルマニウム（ｐｏｌｙ－ＳｉＧｅ）等の結晶質の半導体である。各配線を介した熱の移動を抑制する観点からは、導電性材料は非金属であってもよい。第１配線１３及び／又は第２配線１４は、ヒーター層４と同じ材料により構成されてもよい。第３配線１５及び／又は第４配線１６は、検出電極６と同じ材料により構成されてもよい。これらの部材の厚さは、例えば、０．１～１μｍである。なお、本明細書において「結晶質の半導体」とは、結晶化された母材の含有率が、例えば５０質量％以上、７０質量％以上、８０質量％以上、９０質量％以上、さらには９５質量％以上の半導体を意味する。「結晶質の半導体」では、結晶化された母材の含有率は１００質量％であってもよい。結晶化された母材の含有率は、例えば、Ｘ線回折により評価できる。
　電気絶縁層１１を構成する絶縁材料の例は、支持層２及びベース層３を構成する絶縁材料の例と同じである。電気絶縁層１１の厚さは、例えば、０．１～１μｍである。
　端子Heat(+)、端子Heat(-)、端子Sens(+)及び端子Sens(-)は、通常、導電性材料により構成される。導電性材料の例は、検出電極６及び各配線を構成する導電性材料の例と同じである。各端子には、ワイヤボンディングのための金属が堆積されていてもよい。金属の例は、アルミニウム（Ａｌ）である。
　支持層２は、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第１フォノニック結晶構造を空洞部７と接する部分に有する。支持層２は、第１フォノニック結晶構造を、空洞部７と接する部分の一部に有していても、当該部分の全体に有していてもよい。また、支持層２は、空洞部７と接する部分以外の部分に第１フォノニック結晶構造を有していてもよい。図１Ａから図２Ｂに示す支持層２は、空洞部７と接する部分の全体に第１フォノニック結晶構造を有する。フォノニック結晶構造の貫通孔は、通常、層の厚さ方向に延びる。貫通孔は、層の主面に垂直な方向に延びていてもよい。
　ガスセンサ４１Ａでは、支持層２以外の他の部材が、フォノニック結晶構造を有していてもよい。この場合、昇温されたガス感知層から基板に向かって流れる熱流がさらに低減可能となる。
　例えば、ガス感知層５が、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第２フォノニック結晶構造を有していてもよい。図１Ａから図２Ｂに示すガス感知層５は、第２フォノニック結晶構造を有する。フォノニック結晶構造を有するガス感知層５では、例えば、ガス感知層５を層の面内方向に伝達し、層の周縁から支持層２及び／又は電気絶縁層１１を介して基板１に流れる熱流を抑制できる。なお、フォノニック結晶構造は、貫通孔の延びる方向（これは、通常、層の厚さ方向である）への熱の伝達を大きく阻害しない。このため、フォノニック結晶構造を有するガス感知層５に対しても、ヒーター層４による昇温が可能である。また、フォノニック結晶構造を有するガス感知層５では、ガス感知層５と電気絶縁層１１との熱膨張係数の違いに起因する両層の界面における熱応力が、貫通孔により緩和されうる。このため、ガスセンサ４１Ａの信頼性が向上しうる。
　例えば、ヒーター層４が、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第３フォノニック結晶構造を有していてもよい。図１Ａから図２Ｂに示す抵抗加熱線１２は、第３フォノニック結晶構造を有する。
　例えば、第１配線１３及び／又は第２配線１４が、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第４フォノニック結晶構造を有していてもよい。図１Ａから図２Ｂに示す第１配線１３及び第２配線１４は、第４フォノニック結晶構造を有する。
　例えば、第３配線１５及び／又は第４配線１６が、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第６フォノニック結晶構造を有していてもよい。図１Ａから図２Ｂに示す第３配線１５及び第４配線１６は、第６フォノニック結晶構造を有する。
　各部材が有するフォノニック結晶構造の構成は、同一であっても、互いに異なっていてもよい。
　各部材が有しうるフォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第１ドメイン及び第２ドメインを含んでいてもよい。ここで、第１ドメインは、平面視において、第１方向に規則的に配列した複数の貫通孔から構成される。第２ドメインは、平面視において、第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した複数の貫通孔から構成される。当該フォノニック結晶構造は、これ以降、フォノニック結晶構造Ａと記載される。第１フォノニック結晶構造が、フォノニック結晶構造Ａであってもよい。また、第１フォノニック結晶構造、第２フォノニック結晶構造、第３フォノニック結晶構造、第４フォノニック結晶構造、第５フォノニック結晶構造（後述する）、及び第６フォノニック結晶構造からなる群から選択される少なくとも１つの構造が、フォノニック結晶構造Ａであってもよい。以下、フォノニック結晶構造Ａが説明される。
　フォノニック結晶構造Ａの一例が図４に示される。図４には、フォノニック結晶構造Ａを有する部材２１の一部を平面視した状態が示されている。部材２１は、典型的には、層状である。部材２１には、厚さ方向に延びる複数の貫通孔５０が設けられている。図４のフォノニック結晶構造Ａは、複数の貫通孔５０が面内方向に規則的に配列した二次元フォノニック結晶構造である。
　図４のフォノニック結晶構造Ａは、フォノニック結晶領域である第１ドメイン５１Ａ、及びフォノニック結晶領域である第２ドメイン５１Ｂを有する。第１ドメイン５１Ａは、平面視において、第１方向に規則的に配列した複数の貫通孔５０から構成される。第２ドメイン５１Ｂは、平面視において、第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した複数の貫通孔５０から構成される。各々のドメイン５１Ａ，５１Ｂ内において、複数の貫通孔５０の径及び配列周期は同一である。また、各々のドメイン５１Ａ，５１Ｂ内において、規則的に配列した複数の貫通孔５０により構成される単位格子９１Ａ又は９１Ｂの方位は同一である。各々のドメイン５１Ａ，５１Ｂは、フォノニック単結晶構造でもある。図４のフォノニック結晶構造Ａは、フォノニック単結晶構造の複合体であるフォノニック多結晶構造５２でもある。第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂの形状は、平面視において、長方形である。第１ドメイン５１Ａの形状と、第２ドメイン５１Ｂの形状とは、平面視において、同一である。
　フォノニック結晶領域であるドメインは、貫通孔５０の配列の周期をＰとして、平面視において、例えば、２５Ｐ2以上の面積を有する領域である。フォノニック結晶構造によってフォノンの分散関係を制御するには、ドメインは、少なくとも２５Ｐ2以上の面積を有していてもよい。平面視において正方形のドメインでは、５×Ｐ以上の周期とすることで、２５Ｐ2以上の面積が確保可能である。
　図５Ａ及び図５Ｂに示すように、フォノニック結晶構造Ａでは、第１ドメイン５１Ａにおける単位格子９１Ａの方位５３Ａと、第２ドメイン５１Ｂにおける単位格子９１Ｂの方位５３Ｂとが、平面視において、互いに異なっている。方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度は、平面視において、例えば１０度以上である。ただし、単位格子９１Ａ及び単位格子９１Ｂが同一であって、ｎ回回転対称性を有する場合、方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度の上限は３６０／ｎ度未満である。なお、単位格子が複数のｎに対してｎ回回転対称性を有するとき、上記角度の上限を定めるｎには最大のｎが使用される。例えば、六方格子は、２回回転対称性、３回回転対称性、及び６回回転対称性を有する。このとき、角度の上限を定めるｎには「６」が使用される。即ち、六方格子である単位格子９１Ａ，９１Ｂについて、方位５３Ａと方位５３Ｂとが成す角度は６０度未満である。フォノニック結晶構造Ａは、単位格子の方位が互いに異なる２以上のフォノニック結晶領域を少なくとも有している。この条件が満たされる限り、フォノニック結晶構造Ａは、任意のフォノニック結晶領域、及び／又はフォノニック結晶構造を有さない領域をさらに含んでいてもよい。
　単位格子の方位は、任意の規則に基づいて決定できる。ただし、異なるドメイン間において、同じ規則を適用して単位格子の方位を定める必要がある。単位格子の方位は、例えば、単位格子を構成する平行でない二辺の成す角を二等分する直線の伸長方向である。ただし、異なるドメイン間において、同じ規則で二辺を定める必要がある。
　図４のフォノニック結晶構造Ａの領域Ｒ１の拡大図が、図６に示される。隣接する第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの界面５５において、単位格子９１Ａ，９１Ｂの方位５３Ａ，５３Ｂが変化している。単位格子の方位が変化する界面５５は、フォノニック結晶構造Ａをマクロに流れる熱に対する大きな界面抵抗をもたらす。この界面抵抗は、第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの間で生じる、フォノン群速度のミスマッチに基づく。この界面抵抗は、フォノニック結晶構造Ａを有する部材２１における熱伝導率の低減に寄与する。なお、図６の界面５５は、平面視において、直線状に延びている。また、界面５５は、平面視において、部材２１の幅方向に延びている。幅方向は、マクロな熱の伝達方向により定められた部材２１の中心線の伸張方向に垂直な方向でありうる。界面５５は、平面視において、マクロな熱の伝達方向に垂直にフォノニック結晶構造Ａを分割していてもよい。
　図４のフォノニック結晶構造Ａにおいて、第１ドメイン５１Ａにおける複数の貫通孔５０の配列の周期Ｐと、第２ドメイン５１Ｂにおける複数の貫通孔５０の配列の周期Ｐとは等しい。
　図４のフォノニック結晶構造Ａにおいて、第１ドメイン５１Ａにおいて規則的に配列した複数の貫通孔５０の径と、第２ドメイン５１Ｂにおいて規則的に配列した複数の貫通孔５０の径とは等しい。
　図４のフォノニック結晶構造Ａにおいて、第１ドメイン５１Ａにおける単位格子９１Ａの種類と、第２ドメイン５１Ｂにおける単位格子９１Ｂの種類とは、同一である。図４の単位格子９１Ａ及び単位格子９１Ｂは、いずれも六方格子である。
　平面視による各ドメインの形状は限定されない。平面視による各ドメインの形状は、例えば、三角形、正方形及び長方形を含む多角形、円、楕円、及びこれらの複合形状である。平面視による各ドメインの形状は、不定形であってもよい。また、フォノニック結晶構造Ａが有するドメインの数は限定されない。フォノニック結晶構造Ａが有するドメインの数が多くなるほど、ドメイン間の界面による界面抵抗の作用が大きくなる。さらに、フォノニック結晶構造Ａが有する各ドメインのサイズは限定されない。
　図７及び図８に示されるフォノニック結晶構造Ａは、多結晶構造５２である。図７及び図８の多結晶構造５２では、隣接する第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂの界面５５が、平面視において、部材２１の長辺の方向に延びている。長辺の方向は、マクロな熱の伝達方向でありうる。この点以外、図７及び図８のフォノニック結晶構造Ａは、図４のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。界面５５は、平面視において、マクロな熱の伝達方向に平行にフォノニック結晶構造Ａを分割している。なお、図８は、図７の領域Ｒ２の拡大図である。
　図４及び図７のフォノニック結晶構造Ａでは、平面視において、第１ドメイン５１Ａのサイズ及び第２ドメイン５１Ｂのサイズが同一である。ただし、平面視において、フォノニック構造Ａが有する第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂのサイズは互いに異なっていてもよい。
　図９及び図１０に示されるフォノニック結晶構造Ａは、多結晶構造５２である。図９及び図１０の多結晶構造５２では、平面視において、第２ドメイン５１Ｂが第１ドメイン５１Ａにより囲まれている。第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂの形状は、平面視において、長方形である。ただし、第１ドメイン５１Ａのサイズと第２ドメイン５１Ｂのサイズとは、平面視において、異なっている。第２ドメイン５１Ｂと、第２ドメイン５１Ｂを囲む第１ドメイン５１Ａとの界面５５は、平面視において、第２ドメイン５１Ｂの外縁を構成している。これらの点以外、図９及び図１０のフォノニック結晶構造Ａは、図４のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。なお、図１０は、図９の領域Ｒ３の拡大図である。
　また、図９及び図１０のフォノニック結晶構造Ａでは、界面５５が屈曲部を有している。
　さらに、図９及び図１０のフォノニック結晶構造Ａは、部材２１の外周に接していない第２ドメイン５１Ｂを有する。
　図１１に示されるフォノニック結晶構造Ａは、多結晶構造５２である。図１１の多結晶構造５２では、平面視において、第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとが離間して配置されている。より具体的には、平面視において、貫通孔５０を有さない領域２０１が、第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの間に設けられている。この点以外、図１１のフォノニック結晶構造Ａは、図４のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。
　図１２に示されるフォノニック結晶構造Ａは、多結晶構造５２である。図１２の多結晶構造５２では、平面視において、第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとが離間して配置されている。より具体的には、平面視において、ランダムに設けられた貫通孔５０を有する領域２０２が、第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの間に設けられている。領域２０２では、平面視において、貫通孔５０は規則的に配列していない。又は、領域２０２では、平面視において、規則的に配列した領域の面積が、例えば、２５Ｐ2未満である。ここで、Ｐは、貫通孔５０の配列の周期である。この点以外、図１２のフォノニック結晶構造Ａは、図４のフォノニック結晶構造Ａと同様の構成を有する。
　図１３に示されるフォノニック結晶構造Ａは、多結晶構造５２である。図１３の多結晶構造５２は、平面視において、互いに異なった形状を有する複数のドメイン５１Ａ，５１Ｂ，５１Ｃ，５１Ｄ，５１Ｅ，５１Ｆ及び５１Ｇを含んでいる。各々のドメイン内において、複数の貫通孔５０の配列の周期、及び単位格子の方位は同一である。しかし、ドメイン５１Ａから５１Ｇ間では、単位格子の方位が各々互いに異なっている。また、平面視において、ドメイン５１Ａから５１Ｇのサイズ及び形状は互いに異なっている。この形態では、これまで例示した形態に比べて、フォノニック結晶構造Ａの全体で見たときに、より多くの単位格子の方位が存在する。このため、ドメイン間で単位格子の方位が異なることに基づいて熱伝導率を低下させる効果がより顕著となる。また、この形態では、ドメイン間の界面５５が、平面視において、複数のランダムな方向に延びている。このため、界面抵抗に基づいて熱伝導率を低下させる効果がより顕著となる。
　また、図１３のフォノニック結晶構造Ａでは、隣接する第１ドメイン５１Ａと第２ドメイン５１Ｂとの界面５５が、平面視において、部材２１の幅方向から傾いた方向に延びている。界面５５は、平面視において、屈曲部も有している。
　フォノニック結晶構造Ａである多結晶構造５２は、貫通孔５０の配列の周期Ｐ及び／又は貫通孔５０の径Ｄが互いに異なる第１ドメイン５１Ａ及び第２ドメイン５１Ｂを含んでいてもよい。図１４Ａに示される第１ドメイン５１Ａにおける貫通孔５０の径Ｄと、図１４Ｂに示される第２ドメイン５１Ｂにおける貫通孔５０の径Ｄとは互いに異なっている。なお、図１４Ａに示される第１ドメイン５１Ａにおける貫通孔５０の配列の周期Ｐと、図１４Ｂに示される第２ドメイン５１Ｂにおける貫通孔５０の配列の周期Ｐとは同一である。
　図１５に示されるフォノニック結晶構造Ａは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第１ドメイン５１Ａと、相対的に大きな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第２ドメイン５１Ｂとを有する。また、図１５のフォノニック結晶構造Ａは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０から構成される領域９２と、相対的に大きな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０から構成される領域９３とを有する。領域９２と領域９３とは隣接している。領域９２及び領域９３は、それぞれ、図１３の例と同様に、平面視において、互いに異なった形状を有し、かつ、単位格子の方位が各々互いに異なる複数のドメインを含んでいる。また、領域９２及び領域９３は、マクロな熱の伝達方向に垂直にフォノニック結晶構造Ａを分割しうる。この形態では、第１ドメイン５１Ａで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域と第２ドメイン５１Ｂで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域とが異なるため、熱伝導率の低減の効果が特に顕著となる。
　図１６に示されるフォノニック結晶構造Ａでは、相対的に小さな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第１ドメイン５１Ａと、相対的に大きな周期Ｐ及び径Ｄを有する複数の貫通孔５０が規則的に配列した第２ドメイン５１Ｂとを含む。図１６のフォノニック結晶構造Ａは、平面視において、互いに異なった形状を有し、かつ、単位格子の方位が各々互いに異なる複数のドメインを含んでいる。この形態では、第１ドメイン５１Ａで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域と第２ドメイン５１Ｂで形成されるフォノニックバンドギャップの周波数帯域とが異なるため、熱伝導率の低減の効果が特に顕著となる。
　貫通孔５０の配列の周期Ｐは、例えば、１ｎｍ以上３００ｎｍ以下である。これは、熱を運ぶフォノンの波長が、主として、１ｎｍから３００ｎｍの範囲に及ぶためである。周期Ｐは、平面視において隣接する貫通孔５０間の中心間距離により定められる（図１４Ａ，１４Ｂ参照）。
　貫通孔５０の径Ｄは、周期Ｐに対する比Ｄ／Ｐにより表して、例えば、Ｄ／Ｐ≧０．５である。比Ｄ／Ｐ＜０．５である場合、部材２１における空隙率が過度に低下して、熱伝導率が十分に低下しないことがある。比Ｄ／Ｐの上限は、隣接する貫通孔５０同士が接しないために、例えば、０．９未満である。径Ｄは、貫通孔５０の開口の径である。貫通孔５０の開口の形状が平面視において円である場合、径Ｄは当該円の直径である。貫通孔５０の開口の形状は平面視において円でなくてもよい。この場合、径Ｄは、開口の面積と同じ面積を有する仮想の円の直径により定められる（図１４Ａ，１４Ｂ参照）。
　規則的に配列した複数の貫通孔５０により構成される単位格子９１の種類は、例えば、正方格子（図１７Ａ）、六方格子（図１７Ｂ）、長方格子（図１７Ｃ）、及び面心長方格子（図１７Ｄ）である。ただし、単位格子９１の種類は、これらの例に限定されない。
　各部材が有しうるフォノニック結晶構造は、上記例に限定されない。フォノニック結晶構造は、例えば、特開２０１７－２２３６４４号公報に開示の構造であってもよい。ただし、単位格子の方位が互いに異なる２以上のフォノニック結晶領域を有するフォノニック結晶構造Ａでは、部材２１の熱伝導率のさらなる低減、即ち、断熱性のさらなる向上、が可能となる。これは、以下の理由による。
　本発明者らの検討によれば、フォノニック結晶構造によってもたらされる熱伝導率の低減の程度は、熱の伝達方向と、フォノニック結晶構造の単位格子の方位（orientation）とが成す角度に依存する。これは、ＰＢＧの帯域広さ、ＰＢＧの数、及びフォノンの平均群速度といった熱伝導に関わる要素が、当該角度に依存するためと考えられる。また、熱の伝達に関して、マクロ的には高温から低温の方向にフォノンは流れる。一方、ナノメートルのオーダーにあるミクロ領域に着目すると、フォノンの流れる方向には指向性がみられない。即ち、ミクロ的にはフォノンの流れる方向は一様ではない。単位格子の方位が一様に揃った複数のフォノニック結晶領域を有するフォノニック結晶構造では、ミクロで見て、ある特定の方向に流れるフォノンに対しては相互作用が最大となるものの、それ以外の方向に流れるフォノンに対しては相互作用が弱まる。一方、単位格子の方位が互いに異なる２以上のフォノニック結晶領域を有するフォノニック結晶構造Ａでは、ミクロで見て、複数の方向に流れる各フォノンに対する相互作用を高めることができる。これにより、部材２１の熱伝導率のさらなる低減が可能となる。
　フォノニック結晶構造の貫通孔は、当該構造を有する部材の材料とは異なる他の材料によって充填されていてもよい。ただし、部材の材料と他の材料とは、熱伝導率において異なっている必要がある。フォノニック結晶構造の貫通孔が充填されている場合、当該貫通孔を介したガスの透過が抑制可能となる。
　実施形態１のガスセンサ４１Ａの変形例が、図１８に示される。図１８のガスセンサ４１Ｂは、実装基板１７をさらに備える。実装基板１７上には、図１Ａから図２Ｂに示されるガスセンサ４１Ａが実装されている。実装基板１７には、当該基板の双方の主面を接続する貫通孔１８が形成されている。平面視において、基板１の貫通孔１０と実装基板１７の貫通孔１８とは重複している。貫通孔１０及び貫通孔１８は、平面視において、一致していてもよい。貫通孔１０及び貫通孔１８により、空洞部７におけるガスの滞留が抑制される。
　（実施形態２）
　実施形態２のガスセンサ４１Ｃが、図１９Ａ及び図１９Ｂに示される。図１９Ｂには、図１９Ａのガスセンサ４１Ｃの断面１９Ｂ－１９Ｂが示される。ガスセンサ４１Ｃは、ガス感知層５及びヒーター層４の配置が異なる以外は、実施形態１のガスセンサ４１Ａと同様の構成を有する。
　ガスセンサ４１Ｃでは、平面視において、ガス感知層５の周囲にヒーター層４が配置されている。ガス感知層５とヒーター層４とは積層されておらず、平面視において、ガス感知層５とヒーター層４とは重複していない。同様に、検出電極６とヒーター層４とは積層されておらず、平面視において、検出電極６とヒーター層４とは重複していない。このため、ガスセンサ４１Ｃでは、電気絶縁層１１が省略可能である。ヒーター層４及びガス感知層５は、ベース層３の上に、当該層３に接して形成されている。ガスセンサ４１Ｃでは、ガスセンサ４１Ａに比べて、各層の積層方向へのコンパクト化、及び低コストでの製造が可能である。
　ガスセンサ４１Ｃのベース層３は、平面視において、ヒーター層４が設けられた支持層２の領域として定めることができる。
　ガスセンサ４１Ｃのベース層３は、フォノニック結晶構造を有さなくてもよい。この場合、ヒーター層４の熱は、ベース層３を介してより速やかにガス感知層５に伝達可能となる。
　（実施形態３）
　実施形態３のガスセンサ４１Ｄが、図２０Ａ及び図２０Ｂに示される。図２０Ｂには、図２０Ａのガスセンサ４１Ｄの断面２０Ｂ－２０Ｂが示される。ガスセンサ４１Ｄは、ヒーター層４の構成が異なる以外は、実施形態１のガスセンサ４１Ａと同様の構成を有する。
　ガスセンサ４１Ｄのヒーター層４は、ｐ型配線３１、ｎ型配線３２、及び金属接点３３により構成されるペルチェ素子層である。ガスセンサ４１Ｄでは、ジュール加熱ではなく、ペルチェ効果に基づくガス感知層５の加熱が採用されている。ｐ型配線３１及びｎ型配線３２は、支持層２及びベース層３上に配置されている。ｐ型配線３１及びｎ型配線３２は、平面視において、ガスセンサ４１Ｄの中心から放射状に設けられている。ｐ型配線３１とｎ型配線３２とは、金属接点３３により接続されている。ガス感知層５の下に位置する金属接点３３は、温接点である金属接点３３ｂでありうる。支持層２の上で露出している金属接点３３は、冷接点である金属接点３３ａでありうる。金属接点３３は、ｐ型配線３１の端部とｎ型配線３２の端部とを接続している。ｐ型配線３１、ｎ型配線３２及び金属接点３３は、複数のユニット「ｐ型配線３１→金属接点３３ｂ→ｎ型配線３２→金属接点３３ａ」が連続するように、端子Heat(+)から端子Heat(-)に至るまで、配置されている。端子Heat(+)から端子Heat(-)の方向に電流を印加することで、ペルチェ効果に基づき、温接点である金属接点３３ｂが加熱される。
　ヒーター層４は、ｐ型配線３１、ｎ型配線３２及び金属接点３３に印加する電流の向きを逆転させることで、冷却層としても機能しうる。このため、例えば、ガス感知層５の設定温度に比べてガスセンサ４１Ｄの置かれた環境の温度が高い場合等には、ヒーター層４を冷却層として機能させてガスセンサとしての機能を確保することも可能である。
　ｐ型配線３１及びｎ型配線３２を構成する材料の例は、それぞれ、ｐ型及びｎ型にドープされた半導体である。半導体の例は、ｐｏｌｙ－Ｓｉ及びｐｏｌｙ－ＳｉＧｅである。ただし、ｐ型配線３１及びｎ型配線３２を構成する材料は、上記例に限定されない。
　金属接点３３を構成する材料の例は、Ｐｔ、Ａｌ、Ｔｉ及びＷ等の金属である。
　ｐ型配線３１及び／又はｎ型配線３２は、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第５フォノニック結晶構造を有していてもよい。この場合、基板１とガス感知層５との間の断熱性能がさらに向上しうる。
　（実施形態４）
　実施形態４のガスセンサ４１Ｅが、図２１に示される。ガスセンサ４１Ｅは、基板１及び空洞部７の構成が異なる以外は、実施形態１のガスセンサ４１Ａと同様の構成を有する。
　ガスセンサ４１Ｅの基板１は、基層１ａの表面に酸化膜１ｂが形成された２層構造を有する。基層１ａは、基板１を構成しうる材料として上述した材料から構成される。酸化膜１ｂは、例えば、ＳｉＯ2膜である。
　ガスセンサ４１Ｅの空洞部７は、基板１の上記表面における酸化膜１ｂが形成されていない部分である。空洞部７は、基層１ａ及び酸化膜１ｂの２層構造を有する基板１から、酸化膜１ｂの一部を除去して形成できる。除去には、例えば、エッチングを利用できる。エッチングは、フッ素エッチングであってもよい。支持層２におけるフォノニック結晶構造を有する部分と空洞部７とは、平面視において重複していてもよく、一致していてもよい。
　支持層２を配置した後に空洞部７を設ける場合、支持層２のフォノニック結晶構造が有する貫通孔がエッチングに利用可能である。また、エッチング用のさらなる貫通孔が、支持層２に設けられてもよい。エッチング用の貫通孔の径は、例えば、１０００ｎｍ以上である。
　ガスセンサ４１Ｅでは、フォノニック結晶構造、特に、支持層２の第１フォノニック結晶構造、における貫通孔が他の材料により充填されていてもよい。ただし、フォノニック結晶構造を有する部材２１を構成する材料と、他の材料とは、熱伝導率において異なっている必要がある。貫通孔の充填により、例えば、空洞部７へのガスの滞留が抑制可能である。
　（実施形態５）
　実施形態５のガスセンサ４１Ｆが、図２２に示される。ガスセンサ４１Ｆは、空洞部７の構成が異なる以外は、実施形態１のガスセンサ４１Ａと同様の構成を有する。
　ガスセンサ４１Ｆの空洞部７は、基板１の一方の面に設けられた凹部である。凹部は、基板１の一部を除去して形成できる。除去には、例えば、エッチングを利用できる。エッチングは、結晶異方性エッチングであってもよい。結晶異方性エッチングには、水酸化カリウム（ＫＯＨ）又は水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）の溶液が使用可能である。支持層２におけるフォノニック結晶構造を有する部分と空洞部７とは、平面視において重複していてもよく、一致していてもよい。
　支持層２を配置した後に空洞部７を設ける場合、支持層２のフォノニック結晶構造が有する貫通孔がエッチングに利用可能である。また、エッチング用のさらなる貫通孔が支持層２に設けられてもよい。エッチング用の貫通孔の径は、例えば、１０００ｎｍ以上である。
　ガスセンサ４１Ｆでは、フォノニック結晶構造、特に、支持層２の第１フォノニック結晶構造、における貫通孔が他の材料により充填されていてもよい。ただし、フォノニック結晶構造を有する部材２１を構成する材料と、他の材料とは、熱伝導率において異なっている必要がある。貫通孔の充填により、例えば、空洞部７へのガスの滞留が抑制可能である。
　［ガスセンサの用途］
　本開示のガスセンサの用途は、限定されない。低消費電力である点、及び電池により駆動可能である点に着目すると、ポータブル又はウェアラブルのガスセンサとして使用が想定される。当該使用は、例えば、ヘルスケア分野、及び環境モニタリング分野にて有用である。ヘルスケア分野における測定対象ガスは、例えば、呼気、及び皮膚ガスである。呼気及び皮膚ガスは、低侵襲による採取が可能である。また、ガス感知層５を構成する材料を選択することにより、例えば、各種のターゲットガスの種類及び／又は濃度を検出するガスセンサが達成可能である。ターゲットガスは、例えば、水素、エタノールガス、アセトンガス、イソプレンガスである。エタノールガスをターゲットガスとするガスセンサは、例えば、呼気中のアルコールを検査するセンサとして利用できる。
　［ガスセンサの製造方法］
　本開示のガスセンサは、化学気相成長（ＣＶＤ）、スパッタリング、及び蒸着等の各種の薄膜形成手法；電子線リソグラフィー、フォトリソグラフィー、ブロック共重合体リソグラフィー、及び選択的エッチング等の各種の微細加工手法及びパターン形成手法；並びにドーピング及びイオン注入等による非晶質化、結晶質化、導電性の付与等の各種の改質手法；の組み合わせによる製造が可能である。電子線リソグラフィーは、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下程度の配列周期Ｐを有するフォノニック結晶構造の形成に適している。ブロック共重合体リソグラフィーは、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度の配列周期Ｐを有するフォノニック結晶構造の形成に適している。また、ブロック共重合体リソグラフィーは、フォノニック結晶構造Ａの形成に適している。
　実施形態１のガスセンサ４１Ａの製法の一例について説明する。他の実施形態のガスセンサも、同様の製造が可能である。ただし、本開示のガスセンサの製造方法は、以下に説明する例に限定されない、
　支持層２及びベース層３としてＳｉＮ層が、Ｓｉ基板上に形成される。ＳｉＮ層は、例えば、ＣＶＤにより形成できる。支持層２及びベース層３は、ＳｉＯ2層であってもよい
。次に、フォノニック結晶構造がＳｉＮ層に形成される。次に、ｐｏｌｙ－Ｓｉ層が支持層２及びベース層３上に形成される。ｐｏｌｙ－Ｓｉ層は、不純物のドープによりもたらされた導電性を有する。ｐｏｌｙ－Ｓｉ層は、例えば、ＣＶＤにより形成できる。次に、ｐｏｌｙ－Ｓｉ層に対してパターン形成加工が実施されて、第１配線１３、抵抗加熱線１２、第２配線１４、端子Heat(+)及び端子Heat(-)が形成される。パターン形成加工は、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により実施できる。次に、ＳｉＮ層が、抵抗加熱線１２上に形成される。次に、ＳｉＮ層がパターン形成加工されて、電気絶縁層１１が形成される。次に、ｐｏｌｙ－Ｓｉ層が支持層２、ベース層３、及び電気絶縁層１１上に形成される。次に、ｐｏｌｙ－Ｓｉ層に対してパターン形成加工が実施されて、検出電極６、第３配線１５、第４配線１６、端子Sens(+)、及び端子Sens(-)が形成される。次に、ＳｎＯ2層が、電気絶縁層１１及び検出電極６上に形成される。ＳｎＯ2層は、例えば、スパッタリングにより形成できる。次に、ＳｎＯ2層に対してパターン形成加工が実施されて、ガス感知層５が形成される。次に、Ｓｉ基板の裏面からエッチングにより貫通孔１０が形成される。支持層２以外の部材がフォノニック結晶構造を有するガスセンサ４１Ａは、例えば、フォノニック結晶構造を形成する工程を当該部材の形成後に都度挿入することで製造できる。
　［ガスセンサシステム］
　本開示のガスセンサにより、ガスセンサシステムの構築が可能である。ガスセンサシステムは、本開示のガスセンサと、制御装置とを備える。制御装置は、ガスセンサのヒーター層４に電力を供給し、かつ、検出電極６から出力された検出信号を受信する。制御装置の構成は、限定されない。ガスセンサと制御装置との接続には、公知の方法が適用可能である。本開示のガスセンサシステムは、ガスセンサ及び制御装置以外の任意の部材を備えうる。
　以下、実施例により、本開示のガスセンサをより詳細に説明する。ただし、本開示のガスセンサは、以下に示す具体例に限定されない。
　本実施例では、シミュレーションにより、ガスセンサにおける加熱時の温度分布、及び加熱時のガス感知層の昇温状態が評価される。シミュレーションには、Coventor社製の解析ソフトであるCoventorWareが使用される。シミュレーションにおいてヒーター層に印加する電流の値は、２．３ｍＡ（実施例１，２及び比較例１）、１．５ｍＡ（実施例３，４）又は３６ｍＡ（実施例５及び比較例２）に設定される。また、ガスセンサと周囲の空気との間の熱伝達率は、自然対流による冷却条件である１Ｗ／（ｍ2・Ｋ）に設定される。
　シミュレーションに供されるガスセンサとして、以下の７つのガスセンサが準備される。
　実施例１：図１Ａから図２Ｂに示すガスセンサ４１Ａと同様の構成を有するガスセンサ。ただし、実施例１のガスセンサは、平面視において、支持層２における空洞部７と重複する部分のみにフォノニック結晶構造を有する。
　実施例２：ガス感知層５がさらにフォノニック結晶構造を有する以外は、実施例１と同様の構成を有するガスセンサ。
　実施例３：抵抗加熱線１２がさらにフォノニック結晶構造を有する以外は、実施例１と同様の構成を有するガスセンサ。
　実施例４：抵抗加熱線１２、第１配線１３、第２配線１４、第３配線１５、及び第４配線１６がさらにフォノニック結晶構造を有する以外は、実施例１と同様の構成を有するガスセンサ。
　実施例５：抵抗加熱線１２及び検出電極６を構成する材料が異なる以外は、実施例１と同様の構成を有するガスセンサ。
　比較例１：いずれの部材もフォノニック結晶構造を有さない以外は、実施例１と同様の構成を有するガスセンサ。
　比較例２：いずれの部材もフォノニック結晶構造を有さない以外は、実施例５と同様の構成を有するガスセンサ。
　各ガスセンサを構成する部材として、以下の部材が採用される。
　・基板１：Ｓｉ基板
　・支持層２：厚さ０．２μｍのＳｉＮ層
　・ヒーター層４（抵抗加熱線１２）：
　　　高濃度ドープされたｐｏｌｙ－Ｓｉ層、厚さ０．６μｍ、フォノニック結晶構造を有さない状態の抵抗率１ｍΩ・ｃｍ（実施例１から４及び比較例１）、又は、
　　　Ｐｔ層、厚さ０．６μｍ、フォノニック結晶構造を有さない状態の抵抗率１１μΩ・ｃｍ（実施例５及び比較例２）
　・電気絶縁層１１：厚さ０．２μｍのＳｉＮ層
　・検出電極６：
　　　高濃度ドープされたｐｏｌｙ－Ｓｉ層、厚さ０．４μｍ、フォノニック結晶構造を有さない状態の抵抗率１ｍΩ・ｃｍ（実施例１から４及び比較例１）、又は、
　　　Ｐｔ層、厚さ０．４μｍ、フォノニック結晶構造を有さない状態の抵抗率１１μΩ・ｃｍ（実施例５及び比較例２）
　・第１配線１３、第２配線１４、第３配線１５、及び第４配線１６：高濃度ドープされたｐｏｌｙ－Ｓｉ層、厚さ０．６μｍ、フォノニック結晶構造を有さない状態の抵抗率１ｍΩ・ｃｍ
　・ガス感知層５：厚さ０．２μｍのＳｎＯ2薄膜
　ガス感知層５及び電気絶縁層１１の形状は、平面視において、直径１ｍｍの円とした。空洞部７は、基板１の厚さ方向に垂直に延び、かつ、直径２ｍｍの円形の断面を有する貫通孔１０とした。各配線１３，１４，１５，１６の幅は、５０μｍとした。
　実施例１から５のガスセンサが有するフォノニック結晶構造は、直径７５ｎｍの円形の断面を有する貫通孔により構成される。また、隣接する貫通孔間の配列周期Ｐは１００ｎｍ、貫通孔の単位格子は六方格子に設定される。
　比較例１のガスセンサについて、加熱時における温度分布のシミュレーションが実施される。端子Heat(+)及び端子Heat(-)の間に電流を印加した時刻をｔ＝０秒として、ｔ＝０．４９秒におけるガスセンサ上面の温度分布が図２３に示される。図２３に示されるように、電流の印加より０．４９秒後には、ガス感知層の温度は４００℃に達する。
　実施例１、実施例２及び比較例１のガスセンサについて、上記シミュレーションにより評価した、電流の印加時間とガス感知層の平均温度との関係が図２４に示される。比較例１では、上述のように、電流の印加から０．４９秒経過後に、ガス感知層の温度が４００℃に達する。一方、支持層２がフォノニック結晶構造を有する実施例１では、ガス感知層の温度が４００℃に到達するまでに０．３５秒しか要しない。すなわち、実施例１の消費電力は、比較例１の消費電力の７１％（＝０．３５／０．４９×１００）にまで低減しうる。また、支持層２及びガス感知層５がフォノニック結晶構造を有する実施例２では、ガス感知層の温度が４００℃に到達するまでに０．３０秒しか要しない。すなわち、実施例２の消費電力は、比較例１の消費電力の６１％（＝０．３０／０．４９×１００）にまで低減しうる。
　実施例１、実施例３及び実施例４のガスセンサについて、上記シミュレーションにより評価した、電流の印加時間とガス感知層の平均温度との関係が図２５に示される。なお、実施例３，４においてヒーター層に印加する電流の設定値は１．５ｍＡであり、実施例１の設定値２．３ｍＡとは異なる。これは、フォノニック結晶構造によって抵抗加熱線１２の電気伝導率が約１／３になる状況において、端子Heat(+)及び端子Heat(-)の間のＶ×Ｉ積を各実施例の間で一定に保つためである。支持層２がフォノニック結晶構造を有する実施例１では、電流の印加から０．３５秒後に、ガス感知層の温度が４００℃に達する。一方、抵抗加熱線１２がさらにフォノニック結晶構造を有する実施例３では、ガス感知層の温度が４００℃に到達するまでに０．２４秒しか要しない。また、抵抗加熱線１２及び各配線がさらにフォノニック結晶構造を有する実施例４では、ガス感知層の温度が４００℃に到達するまでに０．１８秒しか要しない。すなわち、さらなる低消費電力化が達成可能である。なお、上記結果に基づけば、さらなる設計変更、例えば、ガス感知層５の体積の最適化等、によって、０．１秒以下の電流印加時間による４００℃への昇温を視野に入れることができる。
　実施例５及び比較例２のガスセンサについて、上記シミュレーションにより評価した、電流の印加時間とガス感知層の平均温度との関係が図２６に示される。図２６に示すように、ヒーター層４及び検出電極６が金属により構成される場合においても、支持層２のフォノニック結晶構造によって、より短い電流印加時間でのガス感知層５の昇温が達成可能である。また、実施例５では、電流の印加時間から０．１２秒後に、ガス感知層の温度が４００℃に達している。
　本開示のガスセンサは、従来のガスセンサの用途を含む種々の用途に使用できる。
　１　基板
　２　支持層
　３　ベース層
　４　ヒーター層
　５　ガス感知層
　６　検出電極
　７　空洞部
　８　開口
　９　周縁部
　１０　貫通孔
　１１　電気絶縁層
　１２　抵抗加熱線
　１３　第１配線
　１４　第２配線
　１５　第３配線
　１６　第４配線
　３１　ｐ型配線
　３２　ｎ型配線
　３３，３３ａ，３３ｂ　金属接点
　４１Ａ，４１Ｂ，４１Ｃ，４１Ｄ，４１Ｅ，４１Ｆ　ガスセンサ
　５０　貫通孔
　５１Ａ　第１ドメイン
　５１Ｂ　第２ドメイン
　５２　（フォノニック）多結晶構造

Claims (15)

  1. 　ガスセンサであって、
    　　基板；
    　　支持層；
    　　ベース層；
    　　前記ベース層の上又は上方に設けられたヒーター層；
    　　前記ヒーター層又は前記ベース層の上又は上方に設けられ、かつ、電気的なインピーダンスのガス濃度依存性を有するガス感知層；及び
    　　前記ガス感知層に電気的に接続され、かつ、前記ガス感知層の前記インピーダンスを検出する検出電極；
    　を具備し、
    　ここで、
    　前記基板は、空洞部を備え、
    　平面視において、前記基板は、前記空洞部によって形成された開口を備え、
    　前記支持層は、少なくとも前記開口の周縁部を全周にわたって覆うように、前記基板の上に設けられており、
    　前記ベース層は、前記支持層により保持され、かつ、前記空洞部の上方に前記基板とは離間して位置し、
    　前記支持層は、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第１フォノニック結晶構造を前記空洞部と接する部分に有する、
    　ガスセンサ。
  2. 　請求項１に記載のガスセンサであって、
    　前記ガス感知層は、前記ヒーター層の上又は上方に設けられている、
    　ガスセンサ。
  3. 　請求項１又は２に記載のガスセンサであって、
    　電気絶縁層をさらに具備し、
    　前記電気絶縁層は、前記ヒーター層と前記検出電極との間に設けられている、
    　ガスセンサ。
  4. 　請求項１から３のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
    　前記ガス感知層は、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第２フォノニック結晶構造を有する、
    　ガスセンサ。
  5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
    　前記ヒーター層は、抵抗加熱線を備え、
    　前記ガスセンサは、前記抵抗加熱線と電気的に接続され、かつ、前記抵抗加熱線に電流を供給する第１配線及び第２配線をさらに具備する、
    　ガスセンサ。
  6. 　請求項５に記載のガスセンサであって、
    　前記抵抗加熱線は、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第３フォノニック結晶構造を有する、
    　ガスセンサ。
  7. 　請求項５又は６に記載のガスセンサであって、
    　前記第１配線及び／又は前記第２配線は、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第４フォノニック結晶構造を有する、
    　ガスセンサ。
  8. 　請求項１から４のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
    　前記ヒーター層は、ｐ型配線、ｎ型配線、及び金属接点により構成されるペルチェ素子層である、
    　ガスセンサ。
  9. 　請求項８に記載のガスセンサであって、
    　前記ｐ型配線及び／又は前記ｎ型配線は、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第５フォノニック結晶構造を有する、
    　ガスセンサ。
  10. 　請求項１から９のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
    　前記検出電極と電気的に接続され、かつ、前記検出電極から出力された検出信号を伝送する第３配線及び第４配線をさらに具備する、
    　ガスセンサ。
  11. 　請求項１０に記載のガスセンサであって、
    　前記第３配線及び／又は前記第４配線は、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第６フォノニック結晶構造を有する、
    　ガスセンサ。
  12. 　請求項１から１１のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
    　前記第１フォノニック結晶構造は、フォノニック結晶領域である第１ドメイン及び第２ドメインを含み、
    　前記第１ドメインは、平面視において、第１方向に規則的に配列した前記複数の貫通孔から構成され、
    　前記第２ドメインは、平面視において、前記第１方向とは異なる第２方向に規則的に配列した前記複数の貫通孔から構成される、
    　ガスセンサ。
  13. 　請求項１から１２のいずれか一項に記載のガスセンサであって、
    　前記基板は、当該基板の双方の主面間を接続する貫通孔を前記空洞部として有する、
    　ガスセンサ。
  14. 　ガスセンサシステムであって、
    　請求項１から１３のいずれか一項に記載のガスセンサと、
    　前記ガスセンサの前記ヒーター層に電力を供給し、かつ、前記検出電極から出力された検出信号を受信する制御装置と、
    　を具備する、
    　ガスセンサシステム。
  15. 　ガスセンサであって、
    　　基板；
    　　支持層；
    　　ベース層；
    　　前記ベース層の上又は上方に設けられたヒーター層；
    　　前記ヒーター層又は前記ベース層の上又は上方に設けられ、かつ、電気的なインピーダンスのガス濃度依存性を有するガス感知層；及び
    　　前記ガス感知層に電気的に接続され、かつ、前記ガス感知層の前記インピーダンスを検出する検出電極；
    　を具備し、
    　ここで、
    　前記基板は、空洞部を備え、
    　平面視において、前記基板は、前記空洞部によって形成された開口を備え、
    　前記支持層は、前記開口の周縁部の少なくとも一部を覆うように、前記基板の上に設けられており、
    　前記ベース層は、前記支持層により保持され、かつ、前記空洞部の上方に前記基板とは離間して位置し、
    　前記支持層は、規則的に配列した複数の貫通孔から構成される第１フォノニック結晶構造を前記空洞部と接する部分に有する、
    　ガスセンサ。
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