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技術 ガスセンサ

出願人 株式会社東芝
発明者 山崎宏明
出願日 2018年2月28日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2018-035682
公開日 2019年9月12日 (7ヶ月経過) 公開番号 2019-152451
状態 未査定
技術分野 電気的手段による材料の調査、分析
主要キーワード ヒーター電流 参照素子 熱伝導型 抵抗測定回路 MEMSキャパシタ 環境温度範囲 ヒーター用 温度上昇幅
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2019年9月12日)のものです。
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図面 (20)

課題

性能の改善を図れる、ヒーターを含むガスセンサを提供すること。

解決手段

実施形態のガスセンサは、電極5aと、電極5aから離間して配置された可動構造30とを含むMEMSキャパシタ101を含む。可動構造は、所定のガスを吸収または吸着することで変形す変形部材13と、変形部材を加熱するヒーター11と、変形部材の変形に応じて電極5aとの間隔が変化する電極9aとを含む。ガスセンサは、さらに、電極5aと電極9aとの間の間隔に基づき、所定のガスの濃度を算出するガス濃度算出部102と、ヒーターの温度を検出するための温度センサ103と、MEMSキャパシタが使用される環境の温度を検出するための温度センサ104とを含む。ガスセンサは、さらに、温度センサ103で検出されたヒーターの温度と、温度センサ104で検出された環境の温度とに基づいて、ヒーターの温度を制御する温度制御部105を含む。

概要

背景

種々のガスセンサが提案されている。その一つとしてヒーターを内蔵するタイプのガスセンサが知られている。このタイプのガスセンサは、性能のさらなる向上が期待されている。

概要

性能の改善をれる、ヒーターを含むガスセンサを提供すること。 実施形態のガスセンサは、電極5aと、電極5aから離間して配置された可動構造30とを含むMEMSキャパシタ101を含む。可動構造は、所定のガスを吸収または吸着することで変形す変形部材13と、変形部材を加熱するヒーター11と、変形部材の変形に応じて電極5aとの間隔が変化する電極9aとを含む。ガスセンサは、さらに、電極5aと電極9aとの間の間隔に基づき、所定のガスの濃度を算出するガス濃度算出部102と、ヒーターの温度を検出するための温度センサ103と、MEMSキャパシタが使用される環境の温度を検出するための温度センサ104とを含む。ガスセンサは、さらに、温度センサ103で検出されたヒーターの温度と、温度センサ104で検出された環境の温度とに基づいて、ヒーターの温度を制御する温度制御部105を含む。

目的

本発明が解決しようとする課題は性能の改善が図れる、ヒーターを含むガスセンサを提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

第1の電極と、前記第1の電極から離間して配置された可動構造とを具備し、前記可動構造が、所定のガスを吸収または吸着することで変形す変形部材と、前記変形部材を加熱するヒーターと、前記変形部材の変形に応じて前記第1の電極との間隔が変化する第2の電極とを含むMEMSキャパシタと、前記第1の電極と前記第2の電極との間の前記間隔に基づき、前記所定のガスの濃度を算出するガス濃度算出部と、前記ヒーターの温度を検出するための第1の温度センサと、前記MEMSキャパシタが使用される環境の温度を検出するための第2の温度センサと、前記第1の温度センサで検出された前記ヒーターの温度と、前記第2の温度センサで検出された前記環境の温度とに基づいて、前記ヒーターの温度を制御する温度制御部とを具備するガスセンサ

請求項2

前記第1の温度センサは、前記ヒーターの温度の変化に応じて電気的特性が変化する第1の部材と、前記第1の部材の前記電気的特性を測定するための第1の測定部とを具備し、前記第2の温度センサは、前記MEMSキャパシタが使用される環境の温度の変化に応じて電気的特性が変化する第2の部材と、前記第2の部材の前記電気的特性を測定するための第2の測定部とを具備する請求項1に記載ガスセンサ。

請求項3

前記第1および第2の部材の前記電気的特性は電気抵抗であり、前記第1の測定部は、前記第1の部材に電流が流れている状態での前記第1の部材の第1の抵抗値を測定し、前記第2の測定部は、前記第2の部材に電流が流れている状態での前記第2の部材の第2の抵抗値を測定する請求項2に記載のガスセンサ。

請求項4

前記測定した第1の抵抗値を用いて前記ヒーターの温度を算出する第1の温度算出部と、前記測定した第2の抵抗値を用いて前記環境の温度を算出する第2の温度算出部とを含む請求項3に記載のガスセンサ。

請求項5

前記第1の部材は第1の測温抵抗体を含み、前記第2の部材は第2の測温抵抗体を含む請求項3または4に記載のガスセンサ。

請求項6

前記第1の部材は、前記MEMSキャパシタ内に設けられている請求項2ないし5のいずれか1項に記載のガスセンサ。

請求項7

前記第1の部材は前記ヒーターの下方に配置されている請求項6に記載のガスセンサ。

請求項8

前記第1の部材と前記ヒーターとの間には絶縁層が設けられている請求項7に記載のガスセンサ。

請求項9

前記温度制御部は、前記第2の温度センサで検出された前記環境の温度に基づいて、前記ヒーターの温度が所定の温度範囲内または所定の温度になるように、前記ヒーターの温度を制御する請求項1ないし8のいずれか1項に記載のガスセンサ。

請求項10

前記温度制御部は、前記ヒーターに流れる電流を制御することにより、前記ヒーターの温度を制御する請求項9に記載のガスセンサ。

請求項11

前記ヒーターに電流を供給するための可変電流源をさらに具備し、前記温度制御部は、前記第2の温度センサで検出された前記環境の温度に基づいて、前記第1の温度センサで検出される前記ヒーターの温度が前記所定の温度範囲内または前記所定の温度になるために必要な、前記ヒーターに供給する前記電流の大きさを決定する第1の回路と、前記第1の回路で決定した大きさの電流が前記ヒーターに供給されるように、前記可変電流源を制御する第2の回路とを具備する請求項10に記載のガスセンサ。

請求項12

前記MEMSキャパシタ、前記第1の部材および前記第2の部材は同じ基板上に実装されている請求項2ないし11のいずれか1項に記載のガスセンサ。

請求項13

前記MEMSキャパシタは、基板領域と、前記第1の電極と前記可動構造との間に設けられた第1の空洞領域と、前記基板領域に設けられ、前記第1の空洞領域に連通する第2の空洞領域とを具備する請求項1ないし12のいずれか1項に記載のガスセンサ。

請求項14

前記基板領域は、半導体基板と、前記半導体基板上に設けられた第1の絶縁層とを含み、前記第2の空洞領域は前記第1の絶縁層に設けられている請求項13に記載のガスセンサ。

請求項15

前記第2の空洞領域を規定する前記第1の絶縁層の側面はテーパー状の形状を有する請求項14に記載のガスセンサ。

請求項16

前記第1の絶縁層上に設けられた第2の絶縁層をさらに具備し、前記第2の絶縁層には、前記第1の空洞領域と前記第2の空洞領域とを連通する開口が設けられている請求項14または15に記載のガスセンサ。

請求項17

前記所定のガスは水素を含む請求項1ないし16のいずれか1項に記載のガスセンサ。

請求項18

接触燃焼型のガスセンサおよび熱伝導型水素センサの少なくとも一方をさらに具備する請求項1ないし17のいずれか1項に記載のガスセンサ。

請求項19

前記熱伝導型の水素センサは、基板上に設けられたヒーターと、前記基板を基準にして前記ヒーターの上方または下方に配置され、温度の変化および雰囲気ガス組成変化に応じて電気的特性が変化する部材とを具備し、前記ヒーターおよび前記部材は、基板上の梁構造内に設けられている請求項18に記載のガスセンサ。

請求項20

前記雰囲気ガスの組成変化は、空気中の水素の濃度が変化することである請求項19に記載のガスセンサ。

技術分野

0001

本発明の実施形態はガスセンサに関する。

背景技術

0002

種々のガスセンサが提案されている。その一つとしてヒーターを内蔵するタイプのガスセンサが知られている。このタイプのガスセンサは、性能のさらなる向上が期待されている。

先行技術

0003

特開2008−111822号公報

発明が解決しようとする課題

0004

本発明が解決しようとする課題は性能の改善が図れる、ヒーターを含むガスセンサを提供することにある。

課題を解決するための手段

0005

実施形態のガスセンサは、MEMSキャパシタを含む。MEMSキャパシタは、第1の電極と、前記第1の電極から離間して配置された可動構造とを含む。前記可動構造は、所定のガスを吸収または吸着することで変形す変形部材と、前記変形部材を加熱するヒーターと、前記変形部材の変形に応じて前記第1の電極との間隔が変化する第2の電極とを含む。前記ガスセンサは、さらに、前記第1の電極と前記第2の電極との間の前記間隔に基づき、前記所定のガスの濃度を算出するガス濃度算出部と、前記ヒーターの温度を検出するための第1の温度センサと、前記MEMSキャパシタが使用される環境の温度を検出するための第2の温度センサとを含む。前記ガスセンサは、さらに、前記第1の温度センサで検出された前記ヒーターの温度と、前記第2の温度センサで検出された前記環境の温度とに基づいて、前記ヒータの温度を制御する温度制御部を含む。

図面の簡単な説明

0006

図1は、実施形態に係る水素センサ概略構成図である。
図2は、実施形態に係る水素センサのヒーター用温度センサの概略構成図である。
図3は、実施形態に係る水素センサの環境温度センサの概略構成図である。
図4は、実施形態に係る水素センサのヒータ温度制御部の概略構成図である。
図5は、実施形態に係る水素センサのヒーター温度制御方法を説明するためのフローチャートである。
図6は、実施形態に係る水素センサの他の概略構成図である。
図7は、実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの構造の一例を示す断面図である。
図8は、実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの一部を模式的に示す平面図である。
図9は、第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの上部電極およびその下の構造の一例を示す断面図である。
図10は、第1の実施形態に係る水素センサの水素アクチュエータ中のヒーターを外部回路に接続するためのアンカーの構造を示す断面図である。
図11は、第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図12は、図11に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図13は、図12に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図14は、図13に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図15は、図14に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図16は、図15に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図17は、図16に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図18は、図17に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図19は、図18に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図20は、図21に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図21は、図20に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図22は、図21に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図23は、図22に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図24は、図23に続く第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの製造方法を説明するための断面図である。
図25は、第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの下側空洞領域の変形例を模式的に示す断面図である。
図26は、第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの下側空洞領域の他の変形例を模式的に示す断面図である。
図27は、第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタの下側空洞領域のさらに別の変形例を模式的に示す断面図である。
図28は、第1の実施形態に係る水素センサのMEMSキャパシタのヒーターを示す平面図である。
図29は、第2の実施形態に係る水素センサ100’を説明するための断面図である。
図30は、接触燃焼型の可燃性ガスセンサ検出回路の一例を示す図である
図31は、第1および第2の実施形態のガスセンサを含むマルチセンサを示す断面図である。
図32は、、第3の実施形態に係る水素センサを説明するための断面図である。
図33は、第3の実施形態に係る水素センサの変形例を示す断面図である。
図34は、熱伝導型の水素センサの検出回路の一例を示す断面図である。
図35は、第1および第3の実施形態のガスセンサを含むマルチセンサを示す断面図である。
図36は、実施形態の他のマルチセンサを示す断面図である。

実施例

0007

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。図面は、模式的または概念的なものであり、各図面の寸法および比率等は、必ずしも現実のものと同一であるとは限らない。また、図面において、同一符号(添字が異なるものを含む)は同一または相当部分を付してあり、重複した説明は必要に応じて行う。

0008

(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る水素センサ100の概略構成図である。

0009

水素センサ100はガス状の水素を検出する容量型水素センサであって、MEMSキャパシタ101と、水素濃度算出回路102と、ヒーター用温度センサ103と、環境温度センサ104と、ヒーター温度制御部105と、可変電流源106とを含む。要素103〜106は後述するように水素センサ100の性能(検出感度消費電力など)を向上するために用いられる。

0010

MEMSキャパシタ101は、下部電極(固定電極)5aと、下部電極5aの上方に設けられた可動構造30とを含む。

0011

可動構造30は、上部電極(可動電極)9aと、ヒーター11と、水素吸蔵層13とを含む。可動構造30は、さらに、ヒーター用温度センサの一部を構成する測温抵抗体9bを含んでいる。可動構造30は上部電極9aを可動するように構成されている。可動構造30の詳細な構造および動作について後述するが、簡単に説明すると以下の通りである。

0012

水素吸蔵層13は水素を吸収または吸着する。水素の吸収または吸着に伴い水素吸蔵層13は変形し、水素吸蔵層13の位置は上側または下側に変位する。水素吸蔵層13の変位の程度は水素の吸収量または吸着量に対応する。水素吸蔵層13の位置の変位に伴い上部電極9aの位置は変位するが、下部電極5aの位置は変わらない。水素吸蔵層13の位置が上側に変位すると、上部電極9aの位置も上側に変位する。その結果、下部電極5aと上部電極9aとの間の間隔が広がり、MEMSキャパシタ101の容量は減少する。一方、水素吸蔵層13の位置が下側に変位すると、上部電極9aの位置も下側に変位する。その結果、下部電極5aと上部電極9aとの間の間隔が狭くなり、MEMSキャパシタ101の容量は増加する。

0013

ヒーター11は熱を発生して水素吸蔵層13を加熱するように構成されている。本実施形態では、ヒーター11は抵抗加熱を利用したものである。ヒーター11は、例えば、Ti、TiN(チタン窒化物)、Ni、Al、Cu、Pd、PtまたはPd−Ni等の導体を含む。

0014

可変電流源106はヒーター11に電流ヒーター電流)I1を供給する。可変電流源106には制御信号SCTLが入力されており、ヒーター11に流れる電流I1の大きさは後述するように制御信号SCTLによって制御される。ヒーター11は、電流I1の大きさとヒーター11の抵抗値とに対応する熱を発生する。ヒーター11は熱を発生すると温度が上昇する。ヒーター11で発熱する熱の量に比例して、ヒーター11の温度上昇幅は大きくなる。ヒーター11の温度上昇幅は、例えば、ヒーター11に電流I1を流している状態のヒーター11の温度から、ヒーター11に電流I1を流していない状態のヒーター11の温度を引いた値で規定することができる。可変電流源106は水素センサ100の外部の電流源でも構わない。

0015

水素吸蔵層13の周り湿度等は、水素センサ100の検出精度に影響を与える外乱となる。このような外乱の影響を小さくすることは、ガスセンサを安定的に動作させるためには重要である。そこで、本実施形態では、水素の検出を行う前にヒーター11によって水素吸蔵層13を加熱して湿度等を一定の範囲内または一定にすることにより、外乱の影響を小さくする。水素吸蔵層13を加熱することは、さらに、センサ応答性およびヒステリシスの改善に寄与する。

0016

一方で、ヒーター11による加熱により、水素吸蔵層13の温度がある値を超えると水素吸蔵層13の特性が劣化し、その結果として水素センサ100の性能が低下する懸念がある。水素吸蔵層13の温度がある値を超えることは、消費電力の増加に繋がる。そのため、ヒーター11及び水素吸蔵層13の温度はある範囲内で一定に保つ必要がある。例えば、湿度を一定に保つためには水素吸蔵層13およびヒーター11を100℃以上に充分加熱することが必要である。一方で、水素吸蔵層13の特性が劣化しないためには、水素吸蔵層13を例えば200℃以下で加熱することが必要であると考えられる。

0017

ヒーター11の到達温度(Theat)は以下の式で示される。

0018

Theat=Tenv+ΔT
ここで、Tenvは環境温度であり、ΔTはヒーター11の温度上昇幅である。

0019

上記の式からヒーター11の到達温度は環境温度に依存する。例えば、実施形態の水素センサ100を使用する環境温度が−30℃以上100℃以下であり、ヒーター11の制御範囲が125℃以上150℃以下であるとき、環境温度が−30℃の場合で温度上昇幅ΔTは155℃〜180℃が必要となり、環境温度が100℃の場合でΔTは温度上昇幅25℃〜50℃が必要となる。

0020

後述するようにヒーター11により水素吸蔵層13を効率よく加熱できるようにヒーター11および水素吸蔵層13はその周囲の環境から断熱されていることが多い。このように断熱されたヒーター11を用いた場合、通常、ヒーター11の到達温度(ヒーター温度)は環境温度とは異なっている。環境温度を測定する温度センサは、ヒーター11および水素吸蔵層13を断熱する領域の外部に設けらている、ヒーター11および水素吸蔵層13に対して外付けの温度センサである。そのため、環境温度を測定する温度センサではヒーター温度をモニターすることは困難である。その結果、ヒーター11の高精度の温度の制御が困難となり、充分な性能を有するガスセンサの提供は困難となる。

0021

そこで、本実施形態では、ヒーター温度を測定するために、ヒーター11および水素吸蔵層13を含む断熱された領域内にヒーター用温度センサ103の一部を構成する測温抵抗体9bを配置している。測温抵抗体9bの抵抗はヒーター温度の変化によって変わるため、測温抵抗体9bの抵抗を測定することにより、ヒーター温度を算出することができる。また、環境温度を測定するために、ヒーター11および水素吸蔵層13を含む断熱された領域とは別の領域に環境温度センサ104を配置している。

0022

環境温度センサ104はMEMSキャパシタ101が形成されている基板同一基板上に形成されることが望ましいが、基板に対して外付けされるものであっても構わない。

0023

ここで、ヒーター用温度センサ103がない場合は、ワーストケースを想定して加熱を行う必要がある。上記の環境温度範囲の例では、ワーストケースは環境温度が−30℃の場合である。環境温度が−30℃の場合において、湿度の影響を抑制するために125℃以上の加熱を行うとすると、温度上昇幅ΔTが155℃以上になるようにヒーター加熱を行う必要がある。しかし、環境温度が100℃になった場合は、ヒーターの到達温度は255℃以上(水素吸蔵層13の耐熱温度以上)になってしまい、制御範囲の上限の150℃を超えてしまう。したがって、ヒーター用温度センサ103がない場合、水素センサは−30℃から100℃の環境温度範囲で使用できず、水素センサの使用できる温度範囲は限られる。しかし、ヒーター用温度センサ103を備えた本実施形態の水素センサ100は広い温度範囲で使用することが可能である。

0024

水素吸蔵層13の加熱は、例えば、水素を検出する前に行う。水素吸蔵層13の加熱は、水素を検出する前に毎回行う必要は必ずしもない。例えば、水素吸蔵層13の加熱は、ある一定の回数だけ水素の検出を行った後に行っても構わない。さらに、水素吸蔵層13の加熱は水素検出中に行っても構わない。

0025

ヒーター用温度センサ103は、ヒーター11で発生した熱に対応する温度(ヒーター温度T1)を検出するように構成されている。ヒーター用温度センサ103は、金属の電気抵抗率が温度に比例して変わることを利用して温度を検出する。

0026

ヒーター用温度センサ103は、図2(a)に示すように、測温抵抗体(金属)9bと、測温抵抗体9bに一定の電流I2を流すための定電流源109と、測温抵抗体9bに電流I2を流している状態での測温抵抗体9bの抵抗値を測定し、当該抵抗値に基づいてヒーター温度を算出するためのヒーター温度検出回路110とを含む。ヒーター温度検出回路110は算出したヒーター温度T1に対応するヒーター温度信号ST1を出力する。

0027

なお、図2(a)では、測温抵抗体9b、定電流源109およびヒーター温度検出回路110は同じ領域内に設けているように示してあるが、上述したように測温抵抗体9bは可動構造30内に設けており、定電流源109およびヒーター温度検出回路110とは別の領域に設けている。

0028

ヒーター温度検出回路110は、例えば、図2(b)に示すように、抵抗測定回路121と、ヒーター温度算出回路131とを含む。抵抗測定回路121は、測温抵抗体9bに電流I2を流している状態での測温抵抗体9bの抵抗値を測定する。抵抗測定回路121は測定した抵抗値に対応する抵抗信号SR1を出力する。抵抗信号SR1はヒーター温度算出回路131に入力される。ヒーター温度算出回路131は抵抗信号SR1に基づいてヒーター温度T1を算出する。ヒーター温度検出回路110は、例えば、CMOS回路を用いて構成されている。

0029

なお、図2(a)および(b)はヒーター用温度センサ103の構成を示す一例であり、ヒーター用温度センサ103は種々の構成をとり得る。例えば、定電流源109は、ヒーター用温度センサ103の外部に設けられた定電流源でも構わない。また、定電流源109は定電圧源でも構わない。

0030

環境温度センサ104は、MEMSキャパシタ101が使用される周囲の環境の温度(環境温度T2)を検出するように構成されている。前述したように、可動構造30内のヒーター11及び水素吸蔵層13は周囲の環境から断熱されているため、環境温度はヒーター温度とは異なる。

0031

環境温度センサ104は、図3(a)に示すように、測温抵抗体7と、測温抵抗体7に一定の電流I3を流すための定電流源111と、測温抵抗体7に電流I3を流している状態での測温抵抗体7の抵抗値を測定し、当該抵抗値に基づいて環境温度T2を算出するための環境温度検出回路112とを含む。環境温度検出回路112は算出した環境温度T2に対応する環境温度信号ST2を出力する。

0032

なお、図3(a)では、測温抵抗体7、定電流源111および環境温度検出回路112は同じ領域内に設けているように示してあるが、測温抵抗体7は定電流源111および環境温度検出回路112とは別の領域に設けても構わない。

0033

環境温度検出回路112は、例えば、図3(b)に示すように、抵抗測定回路122と、環境温度算出回路132とを含む。抵抗測定回路122は、測温抵抗体7に電流I3を流している状態での測温抵抗体7の抵抗値を測定する。抵抗測定回路122は測定した抵抗値に対向する抵抗信号SR2を出力する。抵抗信号SR2は環境温度算出回路132に入力される。環境温度算出回路132は抵抗信号SR2に基づいて環境温度T2を算出する。環境温度検出回路112は、例えば、CMOS回路を用いて構成されている。

0034

なお、図3(a)および(b)は環境温度センサ104の構成を示す一例であり、環境温度センサ104は種々の構成をとり得る。例えば、定電流源111は、環境温度センサ104の外部に設けられた定電流源でも構わない。また、定電流源111は定電圧源でも構わない。

0035

ヒーター用温度センサ103の定電流源109および環境温度センサ104の定電流源111は共通の一つの定電流源または定電圧源でも構わない。

0036

図1に戻ると、ヒーター温度信号ST1および環境温度信号ST2はヒーター温度制御部105に入力される。ヒーター温度制御部105は、例えば、図4に示すように、ロジック回路107と、可変電流源制御回路108とを含む。ロジック回路107および可変電流源制御回路108は、それぞれ、例えば、CMOS回路を用いて構成されている。

0037

ロジック回路107にはヒーター温度信号ST1および環境温度信号ST2が入力される。ロジック回路107は、ヒーター温度T1が所定の温度範囲内に収まっているか否かを判断する。上記所定の温度範囲に関するデータは、例えば、ロジック回路107内のメモリ内に格納されている。上記所定の温度範囲は、例えば、水素センサ100の水素吸蔵層13等の仕様に基づいて決定される。

0038

ヒーター温度T1が所定の温度範囲内に収まっていない場合、ロジック回路107は、ヒーター温度の変更が必要であるという判断に対応する判断結果信号ST3を発生する。ロジック回路107は、例えば、ヒーター温度T1が所定の温度範囲内に収まるために必要なヒーター温度T1’とヒーター温度T1(ヒーター温度信号ST1に対応する温度)との差(例えば、T1’−T1)を判断結果信号ST3として発生する。

0039

ロジック回路107は、所定の温度範囲内に収まっていないヒーター温度T1に対応するヒーター温度T1’を求めることができるように構成されている。これを実現するには、例えば、所定の温度範囲内に収まっていないヒーター温度T1とヒーター温度T1’との対応関係に関するテーブルを参照できるように、ロジック回路107を構成すればよい。テーブルに載っていない所定の温度範囲内に収まっていないヒーター温度T1に対応するヒーター温度T1’は、例えば、補間により求める。この補間はロジック回路107で実行される。また、上記テーブルは、ロジック回路107のメモリ内に格納するか、または、ロジック回路107の外部のメモリに格納する。また、ロジック回路107は、上記テーブルを参照せずに、ヒーター温度T1’を算出するように構成されていても構わない。

0040

一方、ヒーター温度T1が所定の温度範囲内に収まっている場合、ヒーター温度の変更が不要であるという判断に対応する判断結果信号ST3を発生する。

0041

判断結果信号ST3は可変電流源制御回路108に入力される。可変電流源制御回路108は、判断結果信号ST3に基づいて、可変電流源106を制御するための制御信号SCTLを出力する。

0042

制御信号SCTLは可変電流源106に入力される。可変電流源106は、制御信号SCTLに基づいて、ヒーター11に供給する電流I1を発生する。

0043

具体的には、ヒーター温度T1が所定の範囲外にある場合に対応する制御信号SCTLが可変電流源106に入力された場合、可変電流源106はヒーター温度T1が所定の範囲内に収まるために必要な大きさの電流I1を発生する。ここで、ヒーター温度T1が所定の範囲の下限未満の場合には電流I1は増加し、ヒーター温度T1が所定の範囲の上限を超える場合には電流I1は減少する。一方、ヒーター温度T1が所定の範囲内にある場合に対応する制御信号SCTLが可変電流源106に入力された場合、電流I1の大きさは変更されない。

0044

上述したヒーター温度T1の制御方法は、例えば、図5のフローチャートで示すことができる。まず、ヒーター温度T1および環境温度T2を取得する(ステップS1)。ヒーター温度T1はヒーター温度信号ST1に対応し、環境温度T2は環境温度信号ST2に対応する。ステップS1の処理は、ヒーター温度センサ103および環境温度センサ104によって実行される。

0045

次に、環境温度T2の場合に必要な温度上昇幅(ΔT)を算出する(ステップS2)。ステップS2の処理はヒーター温度制御部105によって実行される。図4の構成のヒーター温度制御部105を採用した場合、ステップ2の処理はロジック回路107によって実行される。

0046

次に、算出した温度上昇幅(ΔT)を実現するために必要なヒーター電流I1を算出し、この算出したヒーター電流I1をヒーター11に供給するように可変電流源106を制御する(ステップS3)。ステップS3の処理はヒーター温度制御部105によって実行される。図4の構成のヒーター温度制御部105を採用した場合、ステップ3の処理は可変電流源制御回路108によって実行される。

0047

次に、ヒーター温度T1を取得する(ステップS4)。ヒーター温度T1はヒーター温度信号ST1に対応する。ステップS4の処理は、ヒーター用温度センサ103によって実行される。

0048

次に、ヒーター温度T1が所定の温度範囲内に収まっているか否かを判断する(ステップS5)。ステップS5の処理は、ヒーター温度制御部105によって実行される。図4の構成のヒーター温度制御部105を採用した場合、ステップ3の処理はロジック回路107および可変電流源制御回路108によって実行される。

0049

ステップS5での判断の結果がNoの場合、ヒーター温度T1を所定の温度範囲内に収めるために、ステップS3に戻ってヒーター電流I1の再設定および再供給を行う。ステップS3〜S5のループは、例えば、ステップS5での判断結果がYesになるまで行う。しかし、一定回数以上のステップS3〜S5のループを繰り返しても、ステップS5でYesが得られない場合、ステップS3〜S5のループを中断する構成を採用しても構わない。この場合には、例えば、最後のループのステップS3で決定されたヒーター電流I1がヒーター11に供給される。

0050

本実施形態に係る水素センサは、ヒーター用温度センサ103によりヒーター温度を精度よく測定できるので、ヒーター11により加熱されている水素吸蔵層13の温度を精度よく制御できる。これにより、水素吸蔵層13の周囲の湿度等を一定範囲内または一定にすることができ、検出精度に影響を与える外乱の影響を小さくできるとともに、センサの応答性およびヒステリシスなどの特性を改善することができる。また、水素吸蔵層13の温度がある値を超えることも抑制できる。これにより、水素吸蔵層13の性能劣化および消費電力の増加を抑制できる。したがって、本実施形態によれば、水素センサの性能の改善を図れるので、充分な性能を有する水素センサを提供することが可能となる。

0051

また、上記所定の温度範囲は最大でTminからTmaxまでの範囲であるが、上記所定の温度範囲はそれよりも狭い、Tmin1(>Tmin)からTmax1(<Tmax)までの範囲でも構わない。

0052

なお、ヒーター温度T1が所定の温度になるようにヒーター温度T1を制御した場合、ヒーター温度T1は所定の温度から多少ずれることもある。本実施形態ではこのようなずれ(誤差)が生じる場合でもヒーター温度T1が所定の温度になるようにヒーター温度T1をフィードバック制御することであると規定する。

0053

なお、図1ではヒーター用温度センサの一部を構成する測温抵抗体9bはMEMSキャパシタ101(可動構造体130)内に設けているが、図6に示すようにMEMSキャパシタ101の外に設けることも可能である。すなわち、測温抵抗体9bの配置箇所は、ヒーター温度を必要な精度でもって測定することができる箇所であればよい。

0054

また、水素センサ100は、一つの基板(チップ)で実装しても構わないし、または、複数の基板(チップ)で実装しても構わない。

0055

例えば、図1の構成の水素センサ100の場合、測温抵抗体9bを含むMEMSキャパシタ101は第1の基板(チップ)に実装し、ヒーター用温度センサ103の測温抵抗体9b以外の部分、環境温度センサ104、および、ヒーター温度制御部105は、第1の基板とは別の第2の基板(チップ)に実装しても構わない。また、水素濃度算出回路102は例えば第1の基板または第2の基板に実装される。水素濃度算出回路102は第1の基板に対して外付けされるものであっても構わない。同様に、可変電流源106は例えば第1の基板または第2の基板に実装される。

0056

図7は、MEMSキャパシタ101の具体的な構造の一例を示す断面図である。この例では、測温抵抗体7、測温抵抗体9bおよびMEMSキャパシタ101は、シリコン基板(基板領域)1上に実装されている。

0057

シリコン基板1上には絶縁層(基板領域)2、絶縁層(基板領域)3が順次設けられている。

0058

絶縁層2の材料は絶縁層3の材料とは異なる。例えば、絶縁層2および絶縁層3を酸素(O2 )を用いてアッシングドライエッチング)した場合、絶縁層3のエッチングレートが絶縁層2のエッチングレートよりも大きくなるように、絶縁層2および絶縁層3の材料は選択される。絶縁層2の材料は例えばシリコン窒化物であり、絶縁層3の材料は例えばポリイミドである。絶縁層3は例えば絶縁層2よりも厚い。

0059

絶縁層3には絶縁層2に達する溝が設けられており、絶縁層2の上面の一部は露出している。本実施形態では、絶縁層3の側面は、図7の断面図に示すように、上から下に向かって幅が狭くなるテーパー状の形状(下に凸の曲線)を有する。絶縁層3の側面の断面は直線で規定されても構わないし、さらに、直線および曲線で規定されても構わない。また、互いに直交する三つの軸で規定される直交座標系においては、溝を規定する絶縁層3の側面は曲面となる。当該側面は例えば負の曲率を有する。また、充分な熱抵抗が確保される場合には、絶縁層3はなくても構わない。

0060

絶縁層3上には絶縁層4が設けられている。絶縁層4の材料は例えばシリコン窒化物である。絶縁層4には開口20が設けられている。絶縁層4は絶縁層2,3とともに二つの下側空洞領域(第2の空洞領域)22を規定する。下側空洞領域22の高さL2は例えば10μmよりも大きい。絶縁層4には下部電極用のばね部(不図示)が設けられている。

0061

絶縁層4上には下部電極5a、電導用の金属層5bが設けられている。金属層5bはアンカー9cの台座として用いられる。下部電極5aおよび金属層5bは同じ導電材料を含み、例えば、アルミニウム(Al)、チタン(Ti)またはチタンナイトライド(TiN)を含む。

0062

絶縁層4およびその上の下部電極5a上には絶縁層6が設けられている。同様に、絶縁層4およびその上の金属層5b上には絶縁層6が設けられている。絶縁層6の材料は、例えば、シリコン窒化物である。

0063

金属層5bを覆う絶縁層6上には絶縁層8dが設けられている。絶縁層8dの中央部には環境温度センサの測温抵抗体7が設けられている。測温抵抗体7の材料は、例えば、白金(Pt)、窒化シリコン(TiN)またはチタン(Ti)である。Ptは、環境温度センサの安定性と精度の点で有利である。TiNおよびTiは半導体プロセスで一般的に使用される高融点金属を含む材料であり、水素センサ(半導体を含むデバイス)を製造する上では有利である。絶縁層6上には測温抵抗体7を覆うように絶縁層10bが設けられている。絶縁層10bには絶縁層12が設けられている。絶縁層8d、絶縁層10bおよび絶縁層12は測温抵抗体7を保護する膜(パッシベーション膜)を構成する。より詳細には、上記パッシベーション膜は、湿度などによって測温抵抗体7が腐食するなどの不良要因が発生することを未然に防止するためのものである。

0064

図7では、測温抵抗体7は絶縁層6上に設けられているが、測温抵抗体7は別の部材上に設けられていても構わない。

0065

下部電極5aの上方には可動構造30が配置されている。可動構造30は、水素アクチュエータ30aと、上部電極部30bと、水素アクチュエータ30cとを含む。上部電極部30bは、水素アクチュエータ30aと水素アクチュエータ30cとの間に設けられている。上部電極部30bの一端部は、ばね部14を介して、水素アクチュエータ30aに接続されている。上部電極部30bの他端部は、別のばね部14を介して、水素アクチュエータ30cに接続されている。上部電極部30bは図示しない外部回路に接続されている。

0066

可動構造30(30a,30b,30c)下は空洞領域(上側空洞領域)21となっている。水素アクチュエータ30a下の上側空洞領域21は開口20を介して下側空洞領域22に連通している。同様に、水素アクチュエータ30c下の上側空洞領域21も開口20を介して下側空洞領域22に連通している。上側空洞領域21の高さ(L1)は下側空洞領域22の高さ(L2)よりも小さい(L1<L2)。また、充分な熱抵抗が確保される場合は、上側空洞領域21の高さ(L1)は下側空洞領域22の高さ(L2)よりも小さくても構わない。

0067

上部電極部30bは、絶縁層8a、上部電極9a、絶縁層10a、導電層ダミーメタル)11’および絶縁層12を含む。

0068

上部電極9aは下部電極5aと対向するように絶縁層8a上に配置されている。上部電極9aおよび下部電極5aはMEMSキャパシタを構成する二つのキャパシタ電極である。上部電極9aの材料は、例えば、TiNを含む。TiNの代わりにTi等の他の導電材料を含んでいても構わない。

0069

上部電極部30bにおいて、絶縁層10aは上部電極9aを覆うように絶縁層8a上に設けられている。導電層11’は絶縁層10a上に設けられている。導電層11’は絶縁層10aの残留応力による反りを抑制する目的のために設けられている。上記目的のためには、例えば、導電層11’の形状および寸法は上部電極9aのそれと同じにする。導電層11’の材料は、例えばTi、TiN、Ni、Cu、Pd、PtまたはPd−Niである。導電層11’は図1に示した可変電流源106に接続されておらず、導電層11’はヒーターとしては機能しない。

0070

上部電極部30bにおいて、絶縁層12は導電層11’を覆うように絶縁層10a上に設けられている。絶縁層10aの材料は、例えば、シリコン窒化物を含む。

0071

水素アクチュエータ30aおよび30cの各々は、絶縁層8a、ダミー電極9a’、測温抵抗体9b、絶縁層10a、ヒーター11、絶縁層12および水素吸蔵層13を含む。

0072

ダミー電極9a’および測温抵抗体9bは絶縁層8a上に設けられている。ダミー電極9a’の形状は例えば板状またはメッシュ状である。ダミー電極9a’下には下部電極5aは設けられていないので、ダミー電極9a’はMEMSキャパシタの上部電極としては機能しない。

0073

測温抵抗体9bの材料は、例えば、白金(Pt)、窒化チタン(TiN)またはチタン(Ti)である。測温抵抗体9bの材料は測温抵抗体7の材料と同じでも構わないし、または、異なっていても構わない。

0074

水素アクチュエータ30aおよび30cにおいて、絶縁層10aはダミー電極9a’および測温抵抗体9bを覆うように絶縁層8a上に設けられている。その結果、測温抵抗体9bは絶縁層8aおよび絶縁層10aで覆われることになる。測温抵抗体9bは中空に浮いており、更に熱抵抗が高いばね14およびばね100bに接続されている。そのため、周囲の熱抵抗が高く、断熱構造を形成している。

0075

ヒーター11は絶縁層10a上に設けられている。ヒーター11はその下方に測温抵抗体9bが存在するように配置されている。ヒーター11が測温抵抗体9bの上方に配置されることで、ヒーター11と測温抵抗体9bが同じ層内に平面方向に配置される場合に比べて、水素アクチュエータ30aおよび30cの面積を小さくすることが可能である。水素アクチュエータ30aおよび30cの面積が小さくなることは、熱抵抗が増加し断熱性が高まり、また熱容量が低下するため、より低消費電力および高速応答が可能である。図7では、測温抵抗体9bの一端部がヒーター11の外側に配置されているが、測温抵抗体9bの全体がヒーター11の下方に配置されていても構わない。

0076

ヒーター11の材料は導電層11’の材料と同じである場合もあるいし、異なる場合もある。後述する実施形態の水素センサのMEMSキャパシタの製造方法では、ヒーター11の材料は導電層11’の材料と同じである。ヒーター11は図1に示した可変電流源106に接続されている。

0077

水素アクチュエータ30aおよび30cにおいて、絶縁層12はヒーター11を覆うように絶縁層10a上に設けられている。その結果、ヒーター11は絶縁層10aおよび絶縁層12で覆われることになる。ヒーター11は中空に浮いており、更に熱抵抗が高いばね14および100bに接続されている。そのため、周囲の熱抵抗が高く、断熱構造を形成している。水素吸蔵層13は絶縁層12上に設けられている。ヒーター11は水素吸蔵層13を加熱するために用いられるので、本実施形態では上述のように断熱されている。

0078

断熱性の高い材料を含む絶縁層8a、絶縁層10aおよび絶縁層12は、測温抵抗体9b、ヒーター11および水素吸蔵層13を周囲環境(可動部30の周囲)から充分に断熱する断熱構造を構成する。

0079

水素吸蔵層13の材料は、例えば、パラジウム(Pd)、パラジウム(Pd)を含有する合金もしくは当該合金に銅(Cu)およびシリコン(Si)を含有させた合金、チタン(Ti)を含有する合金、ランタン(La)を含有する合金、または、金属ガラスを含む。当該金属ガラスは、例えば、上記金属(pd、TiまたはLa)またはその合金を含む。

0080

水素吸蔵層13は水素を吸収または吸着する(蓄積する)ことで膨張する(体積が増加する)。水素吸蔵層13が膨張すると、水素アクチュエータ30aおよび30cが変形し、上部電極部30bの位置は上側または下側に変位する。その結果、下部電極5aと上部電極9aとの間隔は変化する。

0081

水素吸蔵層13の膨張量は水素吸収量または水素吸着量に応じて変化するため、下部電極5aと上部電極9aとの間隔は水素吸収量または水素吸着量に応じて変化する。その結果、水素吸蔵層13の水素吸収量または水素吸着量に応じてMEMSキャパシタの容量は変化する。

0082

MEMSキャパシタ101は、図1に示すように、上記容量に対応する容量信号SCを出力し、容量信号SCは水素濃度算出回路102に入力される。水素濃度算出回路102は容量信号SCに基づいて容量を求めることで水素濃度を算出する。水素濃度算出回路102は、例えばCMOS回路を用いて構成されている。

0083

水素アクチュエータ30aの両端は、それぞれ、ばね部14を介してアンカー9cに接続される。アンカー9cの下側には絶縁層8cが設けられ、アンカー9cの上側に絶縁層10cが設けられている。水素アクチュエータ30cも同様である。

0084

ヒーター11の消費電力の増加を抑制するためには、ヒーター11を含んでいる水素アクチュエータ30aおよび30cから逃げる熱を少なくすればよい。そのためには、例えば、上側空洞領域21を大きくして上側空洞領域21の熱抵抗を高くする。上側空洞領域21を大きくするには、例えば、上側空洞領域21の高さL1を大きくする必要がある。高さL1を大きくすると、下部電極5aと上部電極9aとの間隔が広がる。当該間隔を広げることはMEMSキャパシタの容量低下を招く。その結果、水素濃度の検出感度は低下する。

0085

そこで、本実施形態では、上側空洞領域21下に下側空洞領域22を設けている。上側空洞領域21は開口20を介して下側空洞領域22に連通し、上側空洞領域21と下側空洞領域22とは直列に接続する。したがって、上側空洞領域21の熱抵抗と下側空洞領域22の熱抵抗との合計熱抵抗は、これらの二つの熱抵抗の和となる。これにより、水素アクチュエータ30aおよび30c下の空洞領域の熱抵抗を大きくでき、ヒーター11の消費電力の増加を抑制しつつ、水素濃度の検出感度を高くできる。

0086

したがって、図7に示すMEMSキャパシタ101を用いた水素センサ100は、環境温度T2(水素吸蔵層13の周囲の温度)が所定の温度範囲に収まるように、ヒーター温度T1を制御する構成に加えて、水素アクチュエータ30aおよび30c下の空洞領域の熱抵抗を大きくする構成を備えているので、消費電力を容易に低減できるとともに、検出感度を容易に高くすることが可能となる。

0087

なお、本実施形態では、一つの環境温度センサを用いたが複数の環境温度センサを用いても構わない。この場合、環境温度T2は、例えば、複数の環境温度センサで測定された複数の環境温度の平均温度で規定される。

0088

図8は、MEMSキャパシタ101の一部を模式的に示す平面図である。図7の断面図は図8の平面図の7−7線に沿った断面図に対応する。

0089

ばね部14の熱抵抗は、例えば、空洞領域21の熱抵抗と空洞領域22の熱抵抗との合計熱抵抗の約10倍である。すなわち、ばね部14は熱抵抗が充分大きい。一般に、熱抵抗が大きい部材は、機械的なばね定数が小さいために柔らかい。水素アクチュエータ30a,30cに接続されるばね部14のばね定数が小さいと、例えば、水素を検出する際に水素アクチュエータ30a,30cの変形が容量部の上部電極部30bに伝わりにくくなり、水素の検出感度が悪くなる。そのため、水素アクチュエータ30a,30cの変形が上部電極部30bに効果的に伝わるように、ばね部14の端部が擬似的に機械的な固定端になるように、ばね部14の形状および物性を決める必要がある。その観点から、ばね部14の形状は折り返しのないライン状のストレート形状を含む必要あり、図8においては、二つのY字状のばね部を繋げた形状を有する。また、ストレート形状の効果を増すために、ばね部14はシリコン基板1に対して引張り応力を有する。Y字状の形状は、水素アクチュエータ30a,30cが水素を吸収して変形しても、ばね部14が回転しないようにするためである。回転を防止できるなら、ばね部14のパターンはライン状でも構わない。

0090

図8において、100bは水素アクチュエータ30a(30c)と上部電極9aとを接続するばね部を示している。一般的なプロセスを用いて形成したばね部100bの熱抵抗は例えば空洞領域21,22の合計熱抵抗の約10倍であるが、擬似的な固定端としての機能は求められていないため、ばね部100bはばね部14のようにライン状のストレート形状である必要はない。200は水素アクチュエータ30a中のヒーターを外部回路(不図示)に接続するためのアンカーを示している。200aはアンカー200と水素アクチュエータ30aとを接続するばね部を示している。

0091

図9(a)は上部電極9aおよびその下の構造(下部構造)の一例を示す断面図である。下部構造はTiN層9a1、SiN層9a2が順次積層された構造を含む。TiN層9a1、SiN層9a2および上部電極9aの厚さは、それぞれ、例えば、50nm、3μm、50nmである。TiN層9a1、SiN層9a2および上部電極9aの幅は例えば6μmである。

0092

なお、TiN層9a,9a1の上面、下面および側面には、TiN層9a,9a1の酸化を防止するために実際には絶縁膜(保護膜)が設けられているが、図9(a)では簡略化のために省いてある。上記絶縁膜は、例えば、厚さ100nm程度の薄い絶縁膜であり、その材料は例えば窒化シリコンである。同様に、図9(b)、(d)および(e)中のTiN層の上面、下面および側面の絶縁膜も省いてある。また、図9(a),(b),(d),(e)のTiNは導電材料の一例であり、他の導電材料を用いても構わない。例えば、TiN層(上部電極)9aと同様に、Tiを用いても構わない。

0093

図9(b)は水素アクチュエータ30aの構造の一例を示す断面図である。当該構造はTiN層30a1、SiN層30a2、TiN層(ヒーター)30a3、Pd層(水素吸蔵層)30a4が順次積層された構造を含む。TiN層30a1、SiN層30a2、TiN層30a3およびPd層30a4の厚さは、それぞれ、例えば、50nm、3μm、45nmおよび500nmである。

0094

図9(c)はばね部14の構造の一例を示す断面図である。当該構造はSiN層14a1を含む。SiN層14a1の厚さおよび幅は、それぞれ、例えば、3μmおよび6μmである。

0095

図9(d)はばね部100bの構造の一例を示す断面図である。当該構造はTiN層100b1、SiN層100b2が順次積層された構造を含む。TiN層100b1およびSiN層100b2の厚さは、それぞれ、例えば、50nmおよび3μmである。TiN層100b1およびSiN層100b2の幅は例えば6μmである。

0096

図9(e)はばね部200aの構造の一例を示す断面図である。当該構造はTiN層200a1、SiN層200a2およびTiN層200a3が順次積層された構造を含む。TiN層200a1、SiN層200a2およびTiN層200a3の厚さは、それぞれ、例えば、50nm、3μmおよび50nmである。TiN層200a1、SiN層200a2およびTiN層200a3の幅は例えば8μmまたは6μmである。

0097

図10はアンカー200のより詳細な構造を示す断面図である。アンカー200は、上部電極の引き出し配線用のアンカービア200−1と、ヒーターの引き出し配線用のアンカービア200−2とを含む。

0098

図10において、300、302、303、305および307は絶縁層を示している。301は下部電極と同じ工程で形成された電極を示しており、304は上部電極と同じ工程で形成された電極を示しており、306はヒーターと同じ工程で形成された配線を示している。

0099

アンカービア200−1では、配線304と配線306とは絶縁層305によって電気的に絶縁されている。また、アンカービア200−1では、配線304の右側の端部は上部電極(不図示)に接続される。配線304は配線301を介して外部回路(電源)に接続される。

0100

ヒーターの引き出し配線用のアンカービア200−2では、配線304と配線306とは電気的に接続されている。また、アンカービア200−2では、配線306の右側の端部がヒーター(不図示)に接続される。配線306は配線304および配線301を介して外部回路(電源)に接続される。

0101

なお、本実施形態では、水素アクチュエータの数は二つであるが、水素アクチュエータの数は一つでもまたは三つ以上でも構わない。

0102

図11図24は、MEMSキャパシタ101の製造方法の一例を説明するための断面図である。

0103

まず、図11に示すように、シリコン基板1上に絶縁層2、絶縁層3および絶縁層4を順次形成する。絶縁層4上に下部電極5aおよび金属層5bとなる導電層を形成し、当該導電層上にレジストパターン(不図示)を形成し、そして、当該レジストパターンをマスクに用いて上記導電層をエッチングすることにより、下部電極5aおよび金属層5bを形成する。

0104

次に図12に示すように、絶縁層4、下部電極5aおよび金属層5bを覆う絶縁層6を形成する。絶縁層6の材料は、例えば、絶縁層4の材料と同じである。

0105

次に図13に示すように、図示しないレジストパターンをマスクに用いたエッチングにより、絶縁層3に連通する貫通孔60を絶縁層4中に形成する。その後、貫通孔60を埋めるように、図14に示すように、絶縁層6上に犠牲層52を形成する。犠牲層52の材料は、絶縁層3の材料と同じであり、例えば、感光性ポリイミドである。このとき、犠牲層52の表面は例えばCMP(Chemical Mechanical Polishing)により平坦化しても構わない。

0106

次に図15に示すように、フォトリソグラフィにより犠牲層52を加工することにより金属層5b上の絶縁層6に連通する貫通孔61を犠牲層52中に形成する。その後、図16に示すように、貫通孔61の内面(側面、底面)を覆うように全面に絶縁層8を形成する。絶縁層8の材料は、例えば、絶縁層6の材料(シリコン窒化物)と同じである。

0107

次に図17に示すように、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスを用いて貫通孔61の底の絶縁層6を除去し、金属層5bの表面の一部を露出させる。続いて、図7に示した上部電極9a、ダミー電極9a’、測温抵抗体7,9bおよびアンカー9cとなる導電層9を図18に示すように、全面に形成する。導電層9は、露出した絶縁層6、貫通孔61の底に露出した金属層5bの表面にコンタクトし、かつ、貫通孔61の内面(側面、底面)を覆うように形成する。

0108

次に、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスを用いて図18に示した導電層9を加工することにより、図19に示すように、上部電極9a、ダミー電極9a’、測温抵抗体7,9bおよびアンカー9cを形成する。

0109

図7に示した絶縁層10a,10b,10cとなる絶縁層10を図20に示すように全面に形成する。

0110

次に図21に示すように、絶縁層10上にヒーター11および導電層11’を形成する。ヒーター11および導電層11’を形成する工程は、例えば、ヒーター11および導電層11’となる導電層(例えばTiN層)を形成する工程と、フォトリソグラフィプロセスおよびエッチングプロセスを用いて上記導電層をパターニングする工程とを含む。

0111

なお、図21の断面では、ヒーター11は分断されているように見えるが、実際にはヒーター11は分断されていない。図28(a)にヒーター11の平面パターンの一例を示し、図28(b)にヒーター11の平面パターンの他の例を示す。

0112

次に図22に示すように、ヒーター11および導電層11’を覆うように絶縁層10上に絶縁層12を形成する。その後、絶縁層12上にレジストパターン(不図示)を形成し、当該レジストパターンをマスクに用いて絶縁層12、絶縁層10、絶縁層8をエッチングすることにより、図23に示すように、絶縁層12,10,8のパターニングを行い、犠牲層52の表面に達する貫通孔62を形成するとともに、測温抵抗体7のパッシベーション膜12,10b,8dを形成する。

0113

次に図24に示すように、ヒーター11を覆っている部分の絶縁層12上に水素吸蔵層13を形成し、その後、例えば、酸素(O2 )を用いたアッシング(等方性ドライエッチング)により、犠牲層52を除去するとともに、絶縁層3の一部を除去することにより、図7に示した水素センサが得られる。

0114

なお、異方性エッチングを用いては犠牲層52の全体を除去できず、そして、図1の下側空洞領域22を形成できるように絶縁層3の一部を除去することもできない。

0115

図25図27は、下側空洞領域の変形例を模式的に示す断面図である。

0116

図25は、図7の二つの下側空洞領域22を空洞で繋げた構成に対応する一つの下側空洞領域22aを示している。

0117

図26は、シリコン基板1に設けた貫通孔(開口)によって規定される下側空洞領域22bを示している。空洞領域22b内には空気が存在する。空気は熱抵抗が高い。絶縁層4,6を薄くすれば下側空洞領域22bは上側空洞領域(不図示)に実質的に直列に接続され、下側空洞領域22bは空洞領域22と同様に機能する。図26では、図1に示した絶縁層2,3は用いていない。絶縁層2,3がない方が下側空洞領域22bは容易に形成できるからである。

0118

図26には異方性エッチングにより形成された形状の下側空洞領域22bが示されているが、図27に示すように、等方性エッチングにより形成された下側空洞領域22b’を用いても構わない。図27には側面が曲線の空洞領域22b’が示されているが、当該側面は直線になる場合もあるし、直線と曲線の組合せになる場合もある。

0119

なお、上述した実施形態では水素センサについて説明したが、水素吸蔵層の代わりに他のガスを吸収する吸蔵層を用いることで、他のガスセンサも同様に実施することが可能である。

0120

(第2の実施形態)
図29は、第2の実施形態に係る水素センサ100’を説明するための断面図である。水素センサ’は接触燃焼型の可燃性ガスセンサである。可燃性ガスは例えば、水素、メタンプロパンブタンイソブタンなどである。

0121

水素センサ100’は、センサ素子100’sおよび参照素子100’rを含む。センサ素子100’sは基板1上の断熱された梁構造内に設けられたダミー電極9a’およびヒーターとしての抵抗体11s、ならびに、これらの上に設けられた触媒層13sを含む。触媒層13sの材料は、例えば、Pd、PdCuSi、Pd合金、PtまたはPt合金である。参照素子100’rは断熱された梁構造内に設けられたヒーターとしての抵抗体11rを含む。

0122

図30は、接触燃焼型の可燃性ガスセンサの検出回路の一例である。当該検出回路は、11s、抵抗体11r、電圧源201および電圧測定回路202からなる抵抗ブリッジを用いたものである。ここでは例として2つの抵抗体がブリッジされているが、検出回路は4つの抵抗体によるブリッジ(ホイートストンブリッジ)でも構わない。

0123

電圧源201により、抵抗体11s及び抵抗体11rに電圧印加されると、抵抗体11s及び抵抗体11rはジュール熱により一定温度に加熱される。温度は例えば100〜400度である。

0124

ここで、可燃性ガスが存在すると、センサ素子100’sの触媒層13sにおいて可燃性ガスの接触燃焼が発生し、温度が上昇する。一方、参照素子100’rは触媒材料を持たないので接触燃焼は発生しない。そのため、センサ素子100’sのみで温度上昇が発生する。温度上昇により抵抗体11sの抵抗値(Rs)は上昇する。その結果、電圧測定回路202の出力電圧(Vout)、つまり、センサ出力は増加する。抵抗体11rの抵抗値をRr、電圧源201の電圧値をVbrgとする、Vout=Vbrg/{(Rr/Rs)+1}である。したがって、出力電圧(Vout)の変化に基づいて可燃性ガスの検出が可能になる。

0125

本実施形態の水素センサ100’は、図11図24を用いて説明した第1の実施形態の水素センサ(容量型水素センサ)100と同一もしくはそれに準じた製造方法を用いて製造することが可能である。したがって、図31に示すように、本実施形態の水素センサ100’および第1の実施形態の水素センサ100を同一基板1上に混載したセンサ(マルチセンサ)を実現することが可能である。

0126

接触燃焼型の可燃性ガスセンサは、一般的には可燃性ガスの種類を特定することはできないが、図31に示すマルチセンサにおいて水素センサ100により可燃性ガスが水素か否かを判別することが可能になる。

0127

(第3の実施形態)
図32は、第3の実施形態に係る水素センサ100’’を説明するための断面図である。水素センサ100’’は熱伝導型の水素センサである。

0128

水素センサ100’’は、センサ素子100’’sおよび測温抵抗体7を含む。センサ素子100’’は基板1上の断熱された梁構造内に設けられた測温抵抗体9bおよび抵抗体11sを含む。図32では抵抗体11sは測温抵抗体9bの上方に配置されているが、図33に示すように抵抗体11sおよび測温抵抗体9bの上下関係は逆でも構わない。測温抵抗体7は第1の実施形態と同様に断熱された構造内に設けられている。

0129

図34は、熱伝導型の水素センサの検出回路の一例である。図34において、203は抵抗体11sに電圧を印加してするための電源を示している。電圧が印加された抵抗体11sは熱を発生して測温抵抗体9bを一定の温度(例えば100度〜400度)に加熱する。一方、測温抵抗体7は加熱されない。水素ガスは空気や窒素ガスに比べて熱伝導率が非常に高いため。そのため、、水素ガスが存在する雰囲気下で加熱された測温抵抗体9bの温度は、空気や窒素ガス雰囲気等の水素ガスが存在しない雰囲気下で加熱された測温抵抗体9bの温度よりも低い。その結果、水素ガスが存在すると、電圧測定回路202の出力電圧(Vout)、つまり、センサ出力は増加する。測温抵抗体7の抵抗値をRr、測温抵抗体9bの抵抗をRsとすると、Vout=Vbrg/{(Rr/Rs)+1}である。したがって、センサ出力Voutの変化に基づいて水素を検出できる。一般に放熱による温度低下はガス濃度に比例するため、高い水素濃度に対して水素を検出することが可能になる。

0130

本実施形態の水素センサ100’’は、図11図24を用いて説明した第1の実施形態の水素センサ(容量型水素センサ)100と同一もしくはそれに準じた製造方法を用いて製造することが可能である。したがって、図35に示すように、本実施形態の水素センサ100’’および第1の実施形態の水素センサ100を同一基板1上に混載したセンサ(マルチセンサ)を実現することが可能である。

0131

容量型水素センサは水素吸蔵材料の特性上、水素濃度が低い領域で感度が高いが、水素濃度が高い領域では感度が下がる。一方、熱伝導型水素センサは、水素濃度が低い領域では感度は低いが、水素濃度が高い領域では感度が高い。したがって、図35に示すマルチセンサは上記二種類のガスセンサお互いの欠点を補うことが可能である。

0132

更に、水素センサ100、水素センサ100’および水素センサ100’を同一基板1上に混載したセンサ(マルチセンサ)を実施することも可能である。このマルチセンサは、例えば、図31に示したマルチセンサの水素センサ100’の右側に図36に示すように水素センサ100’’を配置することで実施できる。なお、水素センサ100,100’,100’’の配列順は適宜変更可能である。図36のマルチセンサを用いれば、低濃度から高濃度までの水素を検出し、更に水素ガス以外のメタンなどの可燃性ガスを検出することが可能になる。

0133

なお、第1の実施形態は水素センサ100の単体の例について説明したが、水素センサ100’の単体、水素センサ100’’の単体で実施しても構わない。さらに、水素センサ100は含まないが水素センサ100’および100’’を含むマルチセンサも実施可能である。

0134

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。

0135

1…シリコン基板(基板領域)、2,3,4…絶縁層(基板領域)、5a…下部電極(第1の電極)、5b…金属層、6…絶縁層、7…測温抵抗体(第2の部材)、8a…絶縁層、9…導電層、9a…上部電極(第2の電極)、9a’…ダミー電極、9b…測温抵抗体(第1の部材)、9c…アンカー、10a…絶縁層、11…ヒーター、11’…導電層、12…絶縁層、13…水素吸蔵層(変形部材)、14…ばね部、17…絶縁層、20…開口、21…上側空洞領域(第1の空洞領域)、22,22b,22b’…下側空洞領域(第2の空洞領域)、30…可動構造、30a,30c…水素アクチュエータ、30b…上部電極部、52…犠牲層、60…貫通孔、100…水素センサ、101…MEMSキャパシタ、102…水素濃度算出回路(ガス濃度算出部)、103…ヒーター用温度センサ(第1の温度センサ)、104…環境温度センサ(第2の温度センサ)、105…ヒーター温度制御部(温度制御部)、106…可変電流源、107…ロジック回路(第1の回路)、108…可変電流源制御回路(第2の回路)、109…定電流源、110…ヒーター温度検出回路、112…環境温度検出回路、113…環境温度検出回路、121…抵抗測定回路(第1の測定部)、122…抵抗測定回路(第2の測定部)。

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