ガスセンサ及びガス検知システム
【課題】電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）を用いたＦＥＴ型ガスセンサの加熱電力を最小化し、長寿命化を図る。
【解決手段】ＦＥＴのゲート絶縁膜上に成膜される感応電極３１に二つの端子１０、１１を設け、異なる電位を与えて電流を流す。加熱が必要な感応電極３１自体に電流を流すことで感応電極３１が発熱体となるので、最も効率よくＦＥＴ型ガスセンサを加熱できる。また、端子１０、１１は温度検出部の一部を構成し、加熱された感応電極３１の温度を測定する。
【解決手段】ＦＥＴのゲート絶縁膜上に成膜される感応電極３１に二つの端子１０、１１を設け、異なる電位を与えて電流を流す。加熱が必要な感応電極３１自体に電流を流すことで感応電極３１が発熱体となるので、最も効率よくＦＥＴ型ガスセンサを加熱できる。また、端子１０、１１は温度検出部の一部を構成し、加熱された感応電極３１の温度を測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果型トランジスタを用いたガスセンサと、これを用いたガス検知システムに関し、特に消費電力が小さく寿命の長いセンサと、ガスの種類の判別の可能なガス検知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサにはさまざまな種類があり、例えば可燃性ガスセンサに関しては、接触燃焼式、半導体式、熱伝導式、赤外線吸収式などが知られている。また、薄膜や厚膜を用いた方式として、センサズ アンド アクチュエータズ誌Ｂ１巻（1990）１５から２０ページ（Sensors and Actuators, Vol. B1(1990), pp. 15-20）（非特許文献１）に記載の電界効果型トランジスタ（Field Effect Transistor、以下、ＦＥＴと記す）方式（ＦＥＴのゲート電極に感応電極を成膜し、検知対象ガスによるゲート電位の変化をＦＥＴで読み出す方式）や、ジャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィジクス誌４０巻（2001）、Ｌ１２３２からＬ１２３４ページ（Japanese Journal of Applied Physics Vol. 40(2001), pp. L1232-1234）（非特許文献２）に記載の熱電式（検知対象ガスによる熱電変換膜の温度上昇を電圧として読み出す方式）が提案されている。
【０００３】
ほとんどのガスセンサは、電気化学的な反応を促進するため１００℃から４００℃程度に加熱して用いる。ＦＥＴ方式の場合もＦＥＴが形成されている素子全体、あるいはＦＥＴ周辺を局所的に加熱し、ＦＥＴ部分を１００℃程度の一定温度に保った状態で用いることが多い。これにより、第4回ＩＥＥＥセンサ会議録１５９から１６２ページ(The 4th IEEE Conference on Sensors, pp. 159-162)（非特許文献３）に記載のように、感応電極部分の温度がＦＥＴの電気特性に与える影響を排除し、同時に応答速度を速める効果がある。
【０００４】
このＦＥＴ方式のガスセンサの場合、加熱すべき部分はＦＥＴのゲート絶縁膜上に形成される感応電極である。そこで、感応電極付近にヒータを配置する構成がいくつか知られている。例えば、特許第２８４８８１８号公報（特許文献１）ではソース・ドレイン電極の外側に延長した、露出表面を持つ感応電極となるゲート電極部と、該ゲート電極部に絶縁膜を介して配設された加熱部を有するＦＥＴセンサが開示されている。また特開平９-３２９５７６号公報（特許文献２）ではゲート電極の温度を均一に制御し、センサの応答時間および感度の改善を図るために、ゲート電極の上にヒータを配置している。なお、特開平９-３２９５７６号公報（特許文献２）のセンサはゲート電極の表面電位と電気的インピーダンスの双方を計測する。このため表面電位を読み出すためのＦＥＴ構造の他に、電気接続部をゲート電極に直接接続することにより、ゲート電極に通電して電気的インピーダンスを計測する方法が開示される。
【０００５】
更に、ガス種の判別もガスセンサの課題として重要である。特定のガス種にしか反応しないセンサ材料の開発なども行われているが、センサの加熱方法と関連する技術としては例えば第10回化学センサ国際会議技術抄録集144から145ページ（The 10th International Meeting on Chemical Sensors, Technical Digest, pp. 144-145）（非特許文献４）に記載されているように、センサ加熱の制御によってセンサの温度を正弦波的に変化させ、温度とセンサ出力の位相差からガスの種類を推定する方法が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特許第２８４８８１８号公報
【特許文献２】特開平９-３２９５７６号公報
【非特許文献１】センサズ アンド アクチュエータズ誌Ｂ１巻１５から２０ページ
【非特許文献２】ジャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィジクス誌４０巻Ｌ１２３２からＬ１２３４ページ
【非特許文献３】第4回ＩＥＥＥセンサ会議録１５９から１６２ページ
【非特許文献４】第１０回化学センサ国際会議技術抄録集144から145ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
環境温度や湿度の影響を抑止し、同時に速い応答速度を得るためにはガスセンサを加熱する必要がある。一方で、特にセンサの電源として電池を用いる場合など、センサの消費電力を最小化したいとの相反する要求もある。更に、室温状態にあるセンサを急速に加熱して用いる場合や、センサの温度を時間的に変化させてガス種の判別を行う場合など、加熱に対するセンサ温度の応答性を高めたいという要求もある。
【０００８】
本発明の目的は、ＦＥＴ型のガスセンサであって加熱時の消費電力を最小化するガスセンサ、更には加熱時のセンサ温度の応答を早くし、ガス種の判別も可能ならしめることができるガスセンサ、及びガス検知システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明においては、ガス濃度に依存してゲート電位が変化する電界効果型トランジスタを用いたガスセンサであって、ソース・ドレイン間のチャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に設けられた感応電極と、この感応電極に接続され、相異なる電位が印加されることにより、感応電極に加熱電流を流し温度を上昇させる二つの端子と、感応電極の温度を検出する温度検出部とを有するガスセンサを提供する。また、本発明においては、ガス濃度に依存してゲート電位が変化するＦＥＴ型のガスセンサであって、ソース、ドレインにそれぞれ接続されたソース電極、ドレイン電極と、ソース、ドレイン間のチャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた感応電極と、感応電極に接続され、感応電極に電流を流して感応電極の温度を上昇させる二つの端子と、電界効果型トランジスタが形成される基板と同一基板に形成され、感応電極の温度を検出するダイオードを含む温度検出部とを有するＦＥＴ型のガスセンサを提供する。
【００１０】
更に、ガスの濃度を検出するガス検知システムであって、ソース、ドレイン間のチャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた感応電極と、感応電極に接続され、感応電極に電流を流して温度を上昇させる二つの端子と、感応電極の温度を検出する温度検出部とからなる少なくとも一個のＦＥＴ型のガスセンサと、ガスセンサの端子間に与える電位を制御する加熱制御部と、温度検出部に接続される温度読み出し回路と、ガスセンサのソース、ドレインに接続される出力読み出し回路と、これら加熱制御部と温度読み出し回路、出力読み出し回路が共通して接続される制御装置とからなるガス検知システムを提供する。
【００１１】
感応電極に２ヶ所以上の端子を接続して、この端子に接続された加熱制御部を用いて電流を流すことにより、感応電極そのものを発熱体、ヒータとして用い、感応電極の温度を５０℃以上、好適には１００℃程度に上昇させる。こうして加熱された感応電極の温度は、温度検出部によって検出される。なお、本発明における感応電極とは、ゲート電極そのものを一層、または多層の感応膜で形成したり、ゲート電極に感応膜を成膜する等して構成する。また、感応電極はゲート絶縁膜上に形成される場合のみならず、ゲート絶縁膜上以外に形成される場合もある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発熱体と加熱すべき部分が同一なので加熱すべき部分の熱容量は最小となり、加熱電力が大幅に削減できる。即ち、ＦＥＴ型ガスセンサにおいては、ゲート絶縁膜上の感応電極が加熱されていれば十分であるので、感応電極に接続された二端子間に加熱電流を流して、直接感応電極を効率よく加熱することができ、消費電力の削減を図ることができる。また加熱に対する温度の応答も速いので、感応電極の温度変化を利用したガス種の判別も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明のＦＥＴ型ガスセンサ、及びガス検知システムの実施例を図面を用いて詳述する。
【００１４】
図１から図７は本発明のＦＥＴ型ガスセンサの種々の実施例を等価回路図で示した図である。図８は比較のための図であり、従来のＦＥＴ型ガスセンサの構成の等価回路図である。
【００１５】
まず、図８に示す従来の構成では、ヒータ４がどこに配置されているかにかかわらず、ヒータ４と感応電極３は電気的に独立している。感応電極３にはゲート電位を加えるための端子が接続されているが、感応電極３の電位はある一定値に保たれ、感応電極となるゲートに加熱のための電流は流れない。
【００１６】
これに対して本発明の実施例の構成では、感応電極となるゲートに加熱のための電流が流れる。図１は第一の実施例の等価回路図である。図１に示す第一の実施例の構造において、感応電極３１に加熱のための端子１０、１１が接続される。端子１０、１１間には異なる電位が与えられ、感応電極３１に加熱のための電流が流れるため、感応電極３１全体が発熱体となる。更に、後で説明するように、この端子１０、１１は温度検出部の一部を構成する場合がある。なお１、２はそれぞれＦＥＴ型ガスセンサを構成するＦＥＴのソース、ドレインに接続されているソース電極（端子）、ドレイン電極（端子）を示している。このソース電極１、ドレイン電極２は、後で説明するＦＥＴ出力の読み出し回路に接続され、ＦＥＴ出力の電気特性の変化からガスの濃度を読み出すために用いられる。
【００１７】
図２に示す第二の実施例では、端子１０、１１の一方、例えば端子１０は、読み出し回路などの接地電極と共通である構造を持つ。図３に示す第三の実施例のように、ＦＥＴのソース電極１が接地されている場合は、端子１０をソース電極１に接続すれば構成はより簡単になる。図１から図３の構成の場合は、感応電極３１全体が発熱体として機能しているので、ＦＥＴのゲートの電位に端子１０と端子１１の電位差と同じ電位分布が生じる。端子１０が接地されている場合、端子１１に加熱制御のための電位が印加される。
【００１８】
ＦＥＴの特性上、ゲート電位に分布が少ないほうが望ましい場合は、図４、図５に示す第四、第五の実施例の構成が有効である。図４に示す第四の実施例のように、感応電極３１の発熱体の一部だけがゲート絶縁膜上に位置することにより、発熱に必要な電位差の一部しかゲート電位に影響を与えないように構成できる。また、図５に示す第五の実施例のように、感応電極３１の発熱体となる部分３１Ａとゲート絶縁膜の位置をずらして熱伝導でゲート絶縁膜上の感応電極３１を加熱するようにしてもよい。図４、図５のいずれの構成であっても、ゲート絶縁膜上の感応電極３１には加熱用の電流が流れている。
【００１９】
さて、本実施例におけるＦＥＴ型ガスセンサの温度を検出・制御するため、温度検出部が必要である。この温度検出部として、感応電極そのものを用いて抵抗温度計を構成する、或いは同一基板上に形成したダイオード等の温度計用センサを用いる。後者の場合、後に詳述するように、感応電極をゲート絶縁膜の上だけでなくダイオード等の温度計用センサの上または下にも展延して成膜し、感応電極の温度を直接モニターすることが可能となる。
【００２０】
まず、最も簡単な温度検出部として、感応電極自身を抵抗温度計として用いるものを説明する。二つの端子１０、１１から感応電極３１に流す電流と、端子１０、１１間の電位差の比から感応電極３１の温度を換算する。換算処理は、後で説明する温度読み出し回路等で実行される。感応電極３１の抵抗値が配線に比べて十分大きければ、図１〜図５に示した実施例のように２端子１０、１１それ自身を温度検出部として用いる構成であってよい。
【００２１】
抵抗温度計を用いる場合、より正確に温度を計測するためには、図６に示す第六の実施例が好適である。すなわち、図６に示すように、感応電極３１に端子１０、１１に加えて端子１２、１３を設け、このうちの一対の２端子１０、１１を上述の実施例同様、電流印加用として用い、他の一対の２端子１２、１３を電位差計測用とする構成を取ることで、より正確に感応電極の抵抗のみが計測でき、正確な温度検出が可能となる。
【００２２】
次に、第七の実施例として、感応電極３１とは別に、ガスセンサが形成される基板と同一の基板に形成した温度計用センサで、ガスセンサの温度検出部を構成する実施例を説明する。図７に温度検出部としてダイオードからなる温度計用センサを用いた第七の実施例の等価回路図を示す。図７にあって、５０はダイオード、５１、５２はダイオード５０の端子である。他の回路構成は図４に示す等価回路のものと同じである。勿論、図１〜３、図５に示す他の回路構成図とダイオードの温度計用センサとの組み合わせであっても良い。
【００２３】
図７の実施例のガスセンサの基板上の構成を図９の平面図を用いて説明する。図９はガスセンサの回路要素全体の平面構成を示している。図９において、ＦＥＴのソース４１とドレイン４２の間にゲート絶縁膜４３が位置する。温度計用センサであるダイオード５０はＦＥＴの近傍で、ＦＥＴのチャネル領域の幅方向の延長線上に配置されている。温度発熱体である感応電極３１はゲート絶縁膜４３と、ＦＥＴの近傍に配置されたダイオード５０を覆うように成膜されている。ソース電極１、ドレイン電極２はそれぞれソース４１、ドレイン４２に接続されており、ＦＥＴ型ガスセンサのガス濃度に相当する信号を出力する。ダイオード５０には電極５１、５２が接続されている。
【００２４】
図９から明らかなように、電位印加に用いられる端子１０、１１は、チャネルの幅方向に伸びる発熱体である感応電極３１の両端に形成されている。後でその断面構造を図示するように、ダイオードなどの温度計用センサで感応電極の温度を計測する構成では、感応電極と温度計の間に絶縁薄膜が必要になり、わずかながら温度差が生じる。しかし、ダイオードのほうが温度計としての信頼性や再現性が高いため、この第七の実施例により実用的な構成のＦＥＴ型ガスセンサが実現できることになる。なお、このダイオードは通常のダイオードと同様な製法で形成される。
【００２５】
さて、上述した各実施例における感応電極３１の具体例について説明する。感応電極の材質は検知対象のガス種によって異なり、例えば水素検知の場合はパラジウム、白金、またはパラジウムや白金を含む合金が良く用いられる。触媒金属の厚さは一般に１００ｎｍ程度以下と薄く、また幅はゲート絶縁膜の長さより若干広い程度、たとえば数μｍから数十μｍ程度なので、図９にその一例を示す通り、電流が感応電極３１の長手（長さ）方向、即ちチャネル領域の幅方向に流れるように端子１０、１１を配置すれば、端子１０、１１間の感応電極３１の抵抗は配線にくらべて十分大きくなる。
【００２６】
したがって、端子１０、１１間に電圧を与えると、もっぱら発熱体である感応電極３１が発熱し、５０℃以上、好適には１００℃程度の温度とすることができる。またダイオード５０の温度は、ほぼＦＥＴの温度と同じになる。感応電極３１の幅を十分狭くすれば基板に漏洩する熱量はわずかで、加熱される領域は感応電極３１、ゲート絶縁膜、ダイオード５０、およびこれらの周辺に限定され、効率のよい加熱が可能である。例えば、感応電極３１に厚さ９０ｎｍ、幅１５０μｍ、長さ１.５ｍｍのパラジウムを用いると、抵抗値は室温で約４０Ωとなる。基板の大きさが７．５ｍｍ×３ｍｍ、厚さ０．７ｍｍと比較的大きくても、発熱体である感応電極３１に０．２Ｗ程度の電力を与えることによりＦＥＴとその周辺は１００℃程度まで加熱できる。この結果、感応電極３１の抵抗値は５０Ω近くまで上昇する。
【００２７】
図３に示した第三の実施例の等価回路図に相当するセンサ部の構成を図１０に示した。図１０より明らかなように、ソース電極１と感応電極の端子の一方が共通になっている点が、図９に示した実施例と異なっているが、その他は同一である。
【００２８】
次に、図５に示した第五の実施例の等価回路図に相当する構成を図１１に示した。図１１から明らかなように、感応電極３１の一部３１Ａの幅が狭くなっている。抵抗は幅が狭い部分ほど大きくなるため、ゲート絶縁膜４３上の感応電極３１は幅広であるため比較的低抵抗であり、電圧勾配は小さくなる。この構成で発熱体として発熱するのは主に幅の狭い部分３１Ａであるが、熱伝導によりゲート絶縁膜４３やダイオード５０上の感応電極３１も加熱される。この発熱体３１Ａとして機能する幅狭い部分も、感応電極３１と同一の材質でよいが感応膜として機能する必要はないため、表面を絶縁膜で覆っていてもかまわない。
【００２９】
さて、図１２から図１４は上述した本発明の実施例の断面構成の一例を示す図である。図１２にはシリコン基板７０上にＦＥＴとダイオードとから構成されるガスセンサ部１０１と、読み出し回路１０２、Ａ/Ｄ（アナログ/デジタル）コンバータ１０３が形成された実施例を示す。加熱すべきガスセンサ部１０１の直下にはバックエッチング７１が施されており、より効率よく加熱できる。図１２内の楕円図内にはＦＥＴ型ガスセンサの断面略図を示している。この図は、図９のガスセンサの実施例の平面図における断面Ａ−Ａ´に相当する部分の断面図である。ソース４１、ドレイン４２の間に位置するゲート絶縁膜４３の上に、それ自体が発熱体である感応電極３１が成膜されている。このセンサの製造は、通常の半導体プロセスを用いて行われ、上述の通り、検知対象のガス種によって感応電極３１の材質を異ならせることになる。
【００３０】
同様に、図１３と図１４はそれぞれ、ＦＥＴ型ガスセンサの温度検出部を構成するダイオード５０部分の実施例の断面略図を示している。この図は図９のガスセンサの断面Ｂ−Ｂ´に相当する断面略図である。図１３に示す実施例では、基板中に形成されたダイオード５０の上に絶縁膜５３を介して、発熱体である感応電極３１が位置する構成、図１４に示す実施例ではダイオード５０の下に発熱体となる感応電極３１が位置する構成である。ダイオード部分では発熱体として機能し、感応電極として機能する必要はなく、外気に対して露出している必要はないので、図１４のごとく基板の内部に位置していても良いこととなる。
【００３１】
以上説明したガスセンサの種々の実施例から明らかなように、感応電極に少なくとも二つの端子を形成し、この端子に加熱制御部から加熱電流を流すことにより、感応電極そのものを発熱体、ヒータとして用いる。よって、ＦＥＴ型ガスセンサの感応電極は発熱体としての機能を有することとなるが、上述してきたように、感応電極の全体が発熱体である必要はなく、また、感応電極の全体がガス感応機能を有する必要はない。言い換えるなら、感応電極の少なくとも一部が発熱体として機能し、感応電極の少なくとも一部が大気に露出する構造とすること等によってガス感応機能を発揮できればよい。
【００３２】
次に、これまで説明したガスセンサを利用したガス検知システムの一実施例を図１５を用いて説明する。使用するガスセンサの構造は、図９に示した実施例のＦＥＴ型ガスセンサとダイオードの組を例示するが、他の実施例の構造を用いて良いことは言うまでも無い。また、ガスセンサを３個用いる場合を例示するが、この個数は何個であっても良く、例えば検出するガス種の数によって決められる。
【００３３】
図１５から明らかなように、本実施例にあっては、３組Ａ、Ｂ、Ｃのガスセンサが同一のシリコン基板１１０上に形成されている。各組にはそれぞれ温度の読み出し回路Ａ１１２、Ｂ１１３、Ｃ１１４、ＦＥＴの出力読み出し回路Ａ１１５、Ｂ１１６、Ｃ１１７、加熱制御部Ａ１１８、Ｂ１１９、Ｃ１２０が接続されている。ＦＥＴの出力読み出し回路Ａ１１５、Ｂ１１６、Ｃ１１７はＦＥＴ出力の電気特性の変化からガスの濃度を検出する。
【００３４】
これらの回路や装置は共通の制御装置１１１に接続され、この制御装置１１１で制御されている。即ち、加熱制御部、ＦＥＴ型ガスセンサの出力を読み出す読み出し回路、温度の読み出し回路は、すべて統一された制御装置で制御されることにより、効率の良い制御が可能となる。制御装置１１１は、例えばマイクロコンピュータチップなどを用いたコントローラで構成される。各読み出し回路１１２〜１１７と加熱制御部１１８〜１２０、制御回路１１１とのインターフェースには、図示が省略してあるが、必要に応じてＡ/Ｄコンバータが設置される。各加熱制御部Ａ１１８、Ｂ１１９、Ｃ１２０は、ガスセンサＡ、Ｂ、Ｃの各々の感応電極に形成された端子に接続され加熱制御を行う。また、温度読み出し回路Ａ、Ｂ、Ｃは各ガスセンサＡ、Ｂ、Ｃのダイオードの一対の端子に接続され温度検出部を構成する。
【００３５】
さて、本実施例の構成のガス検知システムでは、例えばガスセンサＡ、Ｂ、ＣのＦＥＴの感応電極近傍の構造を異ならせれば、各々のＦＥＴの出力の差を制御装置１１１で処理し、ガス種の判別が可能となる。例えば、全てのＦＥＴで感応電極そのものはパラジウム（Palladium：Pd）を用いるものとして、ガスセンサＡではパラジウム単体、ガスセンサＢではパラジウムとゲート絶縁膜の間に１μｍ程度の厚さの過フッ化イオン交換樹脂を挿入した構造、ガスセンサＣではパラジウムとゲート絶縁膜の間に１μｍ程度の厚さのＹＳＺ（Yttria-Stabilized Zirconia：イットリウム安定化ジルコニア）を挿入した構造にする。ガスセンサＢでは水素ガスへの選択性が高くなり、ガスセンサＣでは酸素への応答が高くなるため、水素ガスとメタンやエタン、一酸化炭素との判別がより容易となる。
【００３６】
また、ＦＥＴの温度変化に対するＦＥＴ出力の追随特性がガス種ごとに異なる性質を利用する方法もある。即ち、ガスセンサＡ、Ｂ、ＣのＦＥＴの構成が全く同一であっても、図１５の加熱制御部Ａ１１８、Ｂ１１９、Ｃ１２０のそれぞれの枠内に模式的に示したように、加熱制御を各々異ならせることによりガス種の判別が可能となる。加熱制御を各々異ならせるとは、それぞれのガスセンサの発熱体に印加する電力に変化を与えることで実現できる。このような加熱制御部それぞれから出力する電力の制御は、制御装置１１１の制御によって実現される。
【００３７】
ＦＥＴの温度変化に対するＦＥＴ出力の追随特性はガスの種類と濃度の双方に依存する。そこで、例えばガスセンサＡのセンサは、加熱制御部Ａ１１８内に模式的に示すように、ある一定温度にできるだけ早く達してその温度を保つようにＰＩＤ（Proportional・Integral・Differential）制御して、ガスセンサ出力の飽和値からガスの濃度を判定するようにする。また、ガスセンサＢのセンサは、対応する発熱体に印加する電力を加熱制御部Ｂ１１９内に模式的に示すように制御することにより、急速に加熱してセンサ出力の追随を計測するようにする。更に、ガスセンサＣのガスセンサは加熱制御部Ｃ１２０内に模式的に示すように、温度を周期的に増減させてその出力の位相遅れを計測するようにすればガス種が判別できる。
【００３８】
図１５から明らかなように、本実施例の構造によれば、加熱領域が各センサの発熱体として機能する感応電極に限定されているため各ＦＥＴは事実上熱分離されており、各ＦＥＴの温度応答が速いこと、更にこの感応電極の温度をその近傍に設置されたダイオードと温度読み出し回路１１２〜１１３を含む温度検出部で検出することにより、温度変化を利用したガス種の分離を短時間に行うことができる。
【００３９】
以上、種々のガスセンサ、及びガス検知システムの実施例を詳述してきたが、本発明は上述した実施例に限定されるものでないことは言うまでも無い。上述の実施例のように特定の位置におけるガス濃度を計測するだけでなく、施設全体のガスの濃度分布を計測したり、この結果を用いて漏洩拡散のモニタリングや漏洩箇所の特定を行ったりする検知システムが今後普及することが予想されるが、上述の実施例はそのような検知システムにも適用できる。
【００４０】
例えば、燃料電池自動車に水素ガスを供給する水素ステーションは、市街地に建設されて高い安全性が要求される点から、こういった検知システムを必要とする施設の好例である。多数のガスセンサを任意の位置に設置するには各センサを電池駆動にしたり、無線通信で情報をやりとりしたりして各センサと指示・表示装置間の配線をなくすことが望ましい。この場合、特にガスセンサには低消費電力であることが求められる。また水素ガスセンサを燃料電池自動車に搭載する場合でも、電源は自動車のバッテリーであり、やはりガスセンサには低消費電力であることが要求される。センサを長期間加熱したままにしておくと、センサの寿命を縮める可能性があることにも鑑み、本出願人は、通常はセンサを加熱せずに室温に保持しておき、ガスの漏洩の可能性がある場合にセンサのヒータに通電して急速に加熱する技術を開発し、特願２００４-３４１８９７号「ガス検知システム」において開示しているが、そのようなガス検知システムにも上述してきた種々のガスセンサ等が適用可能である。
【００４１】
上述した種々の実施例から明らかなように、感応電極に加熱電流を流すことにより、感応電極そのものを発熱体、ヒータとして用い、且つ温度検出部で感応電極の温度を検出しながら温度制御を行うことが可能となり、加熱電力が大幅に削減でき、更には感応電極の温度変化を利用したガス種の判別ができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第一の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図２】本発明の第二の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図３】本発明の第三の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図４】本発明の第四の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図５】本発明の第五の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図６】本発明の第六の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図７】本発明の第七の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図８】従来構造のガスセンサの等価回路図。
【図９】図７に示した本発明の実施例のガスセンサの等価回路に相当する構成の一実施例を示す平面図。
【図１０】本発明の第三の実施例のガスセンサの構造を示す図。
【図１１】本発明の第五の実施例のガスセンサの構造を示す図。
【図１２】本発明のガスセンサの断面構成の一実施例を示す図であり、楕円内は図９のＡ-Ａ'に相当するＦＥＴセンサ部分の断面略図。
【図１３】本発明のガスセンサの断面構成の一実施例を示す図であり、図９のＢ-Ｂ'に相当するダイオード温度計５０部分の断面略図。
【図１４】本発明のガスセンサの断面構成の他の実施例を示す図であり、図９のＢ-Ｂ'に相当するダイオード温度計５０部分の断面略図。
【図１５】本発明のガス検知システムの一実施例を示す図。
【符号の説明】
【００４３】
１…ソース電極、２…ドレイン電極、３…ゲート電極、４…ヒータ、１０…感応電極の端子、１１…感応電極の端子、３１…ヒータを兼ねた感応電極、４１…ソース、４２…ドレイン、４３…ゲート絶縁膜、５０…ダイオード、５１…ダイオード用電極、５２…ダイオード用電極、７０…シリコン基板、７１…シリコン基板のバックエッチ部、１０１…ガスセンサ部、１０２…駆動回路部分、１０３…Ａ／Ｄコンバータなどの周辺回路、１１０…シリコン基板、１１１…制御装置、１１２、１１３、１１４…温度読み出し回路、１１５、１１６、１１７…出力読み出し回路、１１８、１１９、１２０…加熱制御部。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電界効果型トランジスタを用いたガスセンサと、これを用いたガス検知システムに関し、特に消費電力が小さく寿命の長いセンサと、ガスの種類の判別の可能なガス検知システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ガスセンサにはさまざまな種類があり、例えば可燃性ガスセンサに関しては、接触燃焼式、半導体式、熱伝導式、赤外線吸収式などが知られている。また、薄膜や厚膜を用いた方式として、センサズ アンド アクチュエータズ誌Ｂ１巻（1990）１５から２０ページ（Sensors and Actuators, Vol. B1(1990), pp. 15-20）（非特許文献１）に記載の電界効果型トランジスタ（Field Effect Transistor、以下、ＦＥＴと記す）方式（ＦＥＴのゲート電極に感応電極を成膜し、検知対象ガスによるゲート電位の変化をＦＥＴで読み出す方式）や、ジャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィジクス誌４０巻（2001）、Ｌ１２３２からＬ１２３４ページ（Japanese Journal of Applied Physics Vol. 40(2001), pp. L1232-1234）（非特許文献２）に記載の熱電式（検知対象ガスによる熱電変換膜の温度上昇を電圧として読み出す方式）が提案されている。
【０００３】
ほとんどのガスセンサは、電気化学的な反応を促進するため１００℃から４００℃程度に加熱して用いる。ＦＥＴ方式の場合もＦＥＴが形成されている素子全体、あるいはＦＥＴ周辺を局所的に加熱し、ＦＥＴ部分を１００℃程度の一定温度に保った状態で用いることが多い。これにより、第4回ＩＥＥＥセンサ会議録１５９から１６２ページ(The 4th IEEE Conference on Sensors, pp. 159-162)（非特許文献３）に記載のように、感応電極部分の温度がＦＥＴの電気特性に与える影響を排除し、同時に応答速度を速める効果がある。
【０００４】
このＦＥＴ方式のガスセンサの場合、加熱すべき部分はＦＥＴのゲート絶縁膜上に形成される感応電極である。そこで、感応電極付近にヒータを配置する構成がいくつか知られている。例えば、特許第２８４８８１８号公報（特許文献１）ではソース・ドレイン電極の外側に延長した、露出表面を持つ感応電極となるゲート電極部と、該ゲート電極部に絶縁膜を介して配設された加熱部を有するＦＥＴセンサが開示されている。また特開平９-３２９５７６号公報（特許文献２）ではゲート電極の温度を均一に制御し、センサの応答時間および感度の改善を図るために、ゲート電極の上にヒータを配置している。なお、特開平９-３２９５７６号公報（特許文献２）のセンサはゲート電極の表面電位と電気的インピーダンスの双方を計測する。このため表面電位を読み出すためのＦＥＴ構造の他に、電気接続部をゲート電極に直接接続することにより、ゲート電極に通電して電気的インピーダンスを計測する方法が開示される。
【０００５】
更に、ガス種の判別もガスセンサの課題として重要である。特定のガス種にしか反応しないセンサ材料の開発なども行われているが、センサの加熱方法と関連する技術としては例えば第10回化学センサ国際会議技術抄録集144から145ページ（The 10th International Meeting on Chemical Sensors, Technical Digest, pp. 144-145）（非特許文献４）に記載されているように、センサ加熱の制御によってセンサの温度を正弦波的に変化させ、温度とセンサ出力の位相差からガスの種類を推定する方法が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特許第２８４８８１８号公報
【特許文献２】特開平９-３２９５７６号公報
【非特許文献１】センサズ アンド アクチュエータズ誌Ｂ１巻１５から２０ページ
【非特許文献２】ジャパニーズ ジャーナル オブ アプライド フィジクス誌４０巻Ｌ１２３２からＬ１２３４ページ
【非特許文献３】第4回ＩＥＥＥセンサ会議録１５９から１６２ページ
【非特許文献４】第１０回化学センサ国際会議技術抄録集144から145ページ
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
環境温度や湿度の影響を抑止し、同時に速い応答速度を得るためにはガスセンサを加熱する必要がある。一方で、特にセンサの電源として電池を用いる場合など、センサの消費電力を最小化したいとの相反する要求もある。更に、室温状態にあるセンサを急速に加熱して用いる場合や、センサの温度を時間的に変化させてガス種の判別を行う場合など、加熱に対するセンサ温度の応答性を高めたいという要求もある。
【０００８】
本発明の目的は、ＦＥＴ型のガスセンサであって加熱時の消費電力を最小化するガスセンサ、更には加熱時のセンサ温度の応答を早くし、ガス種の判別も可能ならしめることができるガスセンサ、及びガス検知システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明においては、ガス濃度に依存してゲート電位が変化する電界効果型トランジスタを用いたガスセンサであって、ソース・ドレイン間のチャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、このゲート絶縁膜上に設けられた感応電極と、この感応電極に接続され、相異なる電位が印加されることにより、感応電極に加熱電流を流し温度を上昇させる二つの端子と、感応電極の温度を検出する温度検出部とを有するガスセンサを提供する。また、本発明においては、ガス濃度に依存してゲート電位が変化するＦＥＴ型のガスセンサであって、ソース、ドレインにそれぞれ接続されたソース電極、ドレイン電極と、ソース、ドレイン間のチャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた感応電極と、感応電極に接続され、感応電極に電流を流して感応電極の温度を上昇させる二つの端子と、電界効果型トランジスタが形成される基板と同一基板に形成され、感応電極の温度を検出するダイオードを含む温度検出部とを有するＦＥＴ型のガスセンサを提供する。
【００１０】
更に、ガスの濃度を検出するガス検知システムであって、ソース、ドレイン間のチャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜上に設けられた感応電極と、感応電極に接続され、感応電極に電流を流して温度を上昇させる二つの端子と、感応電極の温度を検出する温度検出部とからなる少なくとも一個のＦＥＴ型のガスセンサと、ガスセンサの端子間に与える電位を制御する加熱制御部と、温度検出部に接続される温度読み出し回路と、ガスセンサのソース、ドレインに接続される出力読み出し回路と、これら加熱制御部と温度読み出し回路、出力読み出し回路が共通して接続される制御装置とからなるガス検知システムを提供する。
【００１１】
感応電極に２ヶ所以上の端子を接続して、この端子に接続された加熱制御部を用いて電流を流すことにより、感応電極そのものを発熱体、ヒータとして用い、感応電極の温度を５０℃以上、好適には１００℃程度に上昇させる。こうして加熱された感応電極の温度は、温度検出部によって検出される。なお、本発明における感応電極とは、ゲート電極そのものを一層、または多層の感応膜で形成したり、ゲート電極に感応膜を成膜する等して構成する。また、感応電極はゲート絶縁膜上に形成される場合のみならず、ゲート絶縁膜上以外に形成される場合もある。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、発熱体と加熱すべき部分が同一なので加熱すべき部分の熱容量は最小となり、加熱電力が大幅に削減できる。即ち、ＦＥＴ型ガスセンサにおいては、ゲート絶縁膜上の感応電極が加熱されていれば十分であるので、感応電極に接続された二端子間に加熱電流を流して、直接感応電極を効率よく加熱することができ、消費電力の削減を図ることができる。また加熱に対する温度の応答も速いので、感応電極の温度変化を利用したガス種の判別も可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明のＦＥＴ型ガスセンサ、及びガス検知システムの実施例を図面を用いて詳述する。
【００１４】
図１から図７は本発明のＦＥＴ型ガスセンサの種々の実施例を等価回路図で示した図である。図８は比較のための図であり、従来のＦＥＴ型ガスセンサの構成の等価回路図である。
【００１５】
まず、図８に示す従来の構成では、ヒータ４がどこに配置されているかにかかわらず、ヒータ４と感応電極３は電気的に独立している。感応電極３にはゲート電位を加えるための端子が接続されているが、感応電極３の電位はある一定値に保たれ、感応電極となるゲートに加熱のための電流は流れない。
【００１６】
これに対して本発明の実施例の構成では、感応電極となるゲートに加熱のための電流が流れる。図１は第一の実施例の等価回路図である。図１に示す第一の実施例の構造において、感応電極３１に加熱のための端子１０、１１が接続される。端子１０、１１間には異なる電位が与えられ、感応電極３１に加熱のための電流が流れるため、感応電極３１全体が発熱体となる。更に、後で説明するように、この端子１０、１１は温度検出部の一部を構成する場合がある。なお１、２はそれぞれＦＥＴ型ガスセンサを構成するＦＥＴのソース、ドレインに接続されているソース電極（端子）、ドレイン電極（端子）を示している。このソース電極１、ドレイン電極２は、後で説明するＦＥＴ出力の読み出し回路に接続され、ＦＥＴ出力の電気特性の変化からガスの濃度を読み出すために用いられる。
【００１７】
図２に示す第二の実施例では、端子１０、１１の一方、例えば端子１０は、読み出し回路などの接地電極と共通である構造を持つ。図３に示す第三の実施例のように、ＦＥＴのソース電極１が接地されている場合は、端子１０をソース電極１に接続すれば構成はより簡単になる。図１から図３の構成の場合は、感応電極３１全体が発熱体として機能しているので、ＦＥＴのゲートの電位に端子１０と端子１１の電位差と同じ電位分布が生じる。端子１０が接地されている場合、端子１１に加熱制御のための電位が印加される。
【００１８】
ＦＥＴの特性上、ゲート電位に分布が少ないほうが望ましい場合は、図４、図５に示す第四、第五の実施例の構成が有効である。図４に示す第四の実施例のように、感応電極３１の発熱体の一部だけがゲート絶縁膜上に位置することにより、発熱に必要な電位差の一部しかゲート電位に影響を与えないように構成できる。また、図５に示す第五の実施例のように、感応電極３１の発熱体となる部分３１Ａとゲート絶縁膜の位置をずらして熱伝導でゲート絶縁膜上の感応電極３１を加熱するようにしてもよい。図４、図５のいずれの構成であっても、ゲート絶縁膜上の感応電極３１には加熱用の電流が流れている。
【００１９】
さて、本実施例におけるＦＥＴ型ガスセンサの温度を検出・制御するため、温度検出部が必要である。この温度検出部として、感応電極そのものを用いて抵抗温度計を構成する、或いは同一基板上に形成したダイオード等の温度計用センサを用いる。後者の場合、後に詳述するように、感応電極をゲート絶縁膜の上だけでなくダイオード等の温度計用センサの上または下にも展延して成膜し、感応電極の温度を直接モニターすることが可能となる。
【００２０】
まず、最も簡単な温度検出部として、感応電極自身を抵抗温度計として用いるものを説明する。二つの端子１０、１１から感応電極３１に流す電流と、端子１０、１１間の電位差の比から感応電極３１の温度を換算する。換算処理は、後で説明する温度読み出し回路等で実行される。感応電極３１の抵抗値が配線に比べて十分大きければ、図１〜図５に示した実施例のように２端子１０、１１それ自身を温度検出部として用いる構成であってよい。
【００２１】
抵抗温度計を用いる場合、より正確に温度を計測するためには、図６に示す第六の実施例が好適である。すなわち、図６に示すように、感応電極３１に端子１０、１１に加えて端子１２、１３を設け、このうちの一対の２端子１０、１１を上述の実施例同様、電流印加用として用い、他の一対の２端子１２、１３を電位差計測用とする構成を取ることで、より正確に感応電極の抵抗のみが計測でき、正確な温度検出が可能となる。
【００２２】
次に、第七の実施例として、感応電極３１とは別に、ガスセンサが形成される基板と同一の基板に形成した温度計用センサで、ガスセンサの温度検出部を構成する実施例を説明する。図７に温度検出部としてダイオードからなる温度計用センサを用いた第七の実施例の等価回路図を示す。図７にあって、５０はダイオード、５１、５２はダイオード５０の端子である。他の回路構成は図４に示す等価回路のものと同じである。勿論、図１〜３、図５に示す他の回路構成図とダイオードの温度計用センサとの組み合わせであっても良い。
【００２３】
図７の実施例のガスセンサの基板上の構成を図９の平面図を用いて説明する。図９はガスセンサの回路要素全体の平面構成を示している。図９において、ＦＥＴのソース４１とドレイン４２の間にゲート絶縁膜４３が位置する。温度計用センサであるダイオード５０はＦＥＴの近傍で、ＦＥＴのチャネル領域の幅方向の延長線上に配置されている。温度発熱体である感応電極３１はゲート絶縁膜４３と、ＦＥＴの近傍に配置されたダイオード５０を覆うように成膜されている。ソース電極１、ドレイン電極２はそれぞれソース４１、ドレイン４２に接続されており、ＦＥＴ型ガスセンサのガス濃度に相当する信号を出力する。ダイオード５０には電極５１、５２が接続されている。
【００２４】
図９から明らかなように、電位印加に用いられる端子１０、１１は、チャネルの幅方向に伸びる発熱体である感応電極３１の両端に形成されている。後でその断面構造を図示するように、ダイオードなどの温度計用センサで感応電極の温度を計測する構成では、感応電極と温度計の間に絶縁薄膜が必要になり、わずかながら温度差が生じる。しかし、ダイオードのほうが温度計としての信頼性や再現性が高いため、この第七の実施例により実用的な構成のＦＥＴ型ガスセンサが実現できることになる。なお、このダイオードは通常のダイオードと同様な製法で形成される。
【００２５】
さて、上述した各実施例における感応電極３１の具体例について説明する。感応電極の材質は検知対象のガス種によって異なり、例えば水素検知の場合はパラジウム、白金、またはパラジウムや白金を含む合金が良く用いられる。触媒金属の厚さは一般に１００ｎｍ程度以下と薄く、また幅はゲート絶縁膜の長さより若干広い程度、たとえば数μｍから数十μｍ程度なので、図９にその一例を示す通り、電流が感応電極３１の長手（長さ）方向、即ちチャネル領域の幅方向に流れるように端子１０、１１を配置すれば、端子１０、１１間の感応電極３１の抵抗は配線にくらべて十分大きくなる。
【００２６】
したがって、端子１０、１１間に電圧を与えると、もっぱら発熱体である感応電極３１が発熱し、５０℃以上、好適には１００℃程度の温度とすることができる。またダイオード５０の温度は、ほぼＦＥＴの温度と同じになる。感応電極３１の幅を十分狭くすれば基板に漏洩する熱量はわずかで、加熱される領域は感応電極３１、ゲート絶縁膜、ダイオード５０、およびこれらの周辺に限定され、効率のよい加熱が可能である。例えば、感応電極３１に厚さ９０ｎｍ、幅１５０μｍ、長さ１.５ｍｍのパラジウムを用いると、抵抗値は室温で約４０Ωとなる。基板の大きさが７．５ｍｍ×３ｍｍ、厚さ０．７ｍｍと比較的大きくても、発熱体である感応電極３１に０．２Ｗ程度の電力を与えることによりＦＥＴとその周辺は１００℃程度まで加熱できる。この結果、感応電極３１の抵抗値は５０Ω近くまで上昇する。
【００２７】
図３に示した第三の実施例の等価回路図に相当するセンサ部の構成を図１０に示した。図１０より明らかなように、ソース電極１と感応電極の端子の一方が共通になっている点が、図９に示した実施例と異なっているが、その他は同一である。
【００２８】
次に、図５に示した第五の実施例の等価回路図に相当する構成を図１１に示した。図１１から明らかなように、感応電極３１の一部３１Ａの幅が狭くなっている。抵抗は幅が狭い部分ほど大きくなるため、ゲート絶縁膜４３上の感応電極３１は幅広であるため比較的低抵抗であり、電圧勾配は小さくなる。この構成で発熱体として発熱するのは主に幅の狭い部分３１Ａであるが、熱伝導によりゲート絶縁膜４３やダイオード５０上の感応電極３１も加熱される。この発熱体３１Ａとして機能する幅狭い部分も、感応電極３１と同一の材質でよいが感応膜として機能する必要はないため、表面を絶縁膜で覆っていてもかまわない。
【００２９】
さて、図１２から図１４は上述した本発明の実施例の断面構成の一例を示す図である。図１２にはシリコン基板７０上にＦＥＴとダイオードとから構成されるガスセンサ部１０１と、読み出し回路１０２、Ａ/Ｄ（アナログ/デジタル）コンバータ１０３が形成された実施例を示す。加熱すべきガスセンサ部１０１の直下にはバックエッチング７１が施されており、より効率よく加熱できる。図１２内の楕円図内にはＦＥＴ型ガスセンサの断面略図を示している。この図は、図９のガスセンサの実施例の平面図における断面Ａ−Ａ´に相当する部分の断面図である。ソース４１、ドレイン４２の間に位置するゲート絶縁膜４３の上に、それ自体が発熱体である感応電極３１が成膜されている。このセンサの製造は、通常の半導体プロセスを用いて行われ、上述の通り、検知対象のガス種によって感応電極３１の材質を異ならせることになる。
【００３０】
同様に、図１３と図１４はそれぞれ、ＦＥＴ型ガスセンサの温度検出部を構成するダイオード５０部分の実施例の断面略図を示している。この図は図９のガスセンサの断面Ｂ−Ｂ´に相当する断面略図である。図１３に示す実施例では、基板中に形成されたダイオード５０の上に絶縁膜５３を介して、発熱体である感応電極３１が位置する構成、図１４に示す実施例ではダイオード５０の下に発熱体となる感応電極３１が位置する構成である。ダイオード部分では発熱体として機能し、感応電極として機能する必要はなく、外気に対して露出している必要はないので、図１４のごとく基板の内部に位置していても良いこととなる。
【００３１】
以上説明したガスセンサの種々の実施例から明らかなように、感応電極に少なくとも二つの端子を形成し、この端子に加熱制御部から加熱電流を流すことにより、感応電極そのものを発熱体、ヒータとして用いる。よって、ＦＥＴ型ガスセンサの感応電極は発熱体としての機能を有することとなるが、上述してきたように、感応電極の全体が発熱体である必要はなく、また、感応電極の全体がガス感応機能を有する必要はない。言い換えるなら、感応電極の少なくとも一部が発熱体として機能し、感応電極の少なくとも一部が大気に露出する構造とすること等によってガス感応機能を発揮できればよい。
【００３２】
次に、これまで説明したガスセンサを利用したガス検知システムの一実施例を図１５を用いて説明する。使用するガスセンサの構造は、図９に示した実施例のＦＥＴ型ガスセンサとダイオードの組を例示するが、他の実施例の構造を用いて良いことは言うまでも無い。また、ガスセンサを３個用いる場合を例示するが、この個数は何個であっても良く、例えば検出するガス種の数によって決められる。
【００３３】
図１５から明らかなように、本実施例にあっては、３組Ａ、Ｂ、Ｃのガスセンサが同一のシリコン基板１１０上に形成されている。各組にはそれぞれ温度の読み出し回路Ａ１１２、Ｂ１１３、Ｃ１１４、ＦＥＴの出力読み出し回路Ａ１１５、Ｂ１１６、Ｃ１１７、加熱制御部Ａ１１８、Ｂ１１９、Ｃ１２０が接続されている。ＦＥＴの出力読み出し回路Ａ１１５、Ｂ１１６、Ｃ１１７はＦＥＴ出力の電気特性の変化からガスの濃度を検出する。
【００３４】
これらの回路や装置は共通の制御装置１１１に接続され、この制御装置１１１で制御されている。即ち、加熱制御部、ＦＥＴ型ガスセンサの出力を読み出す読み出し回路、温度の読み出し回路は、すべて統一された制御装置で制御されることにより、効率の良い制御が可能となる。制御装置１１１は、例えばマイクロコンピュータチップなどを用いたコントローラで構成される。各読み出し回路１１２〜１１７と加熱制御部１１８〜１２０、制御回路１１１とのインターフェースには、図示が省略してあるが、必要に応じてＡ/Ｄコンバータが設置される。各加熱制御部Ａ１１８、Ｂ１１９、Ｃ１２０は、ガスセンサＡ、Ｂ、Ｃの各々の感応電極に形成された端子に接続され加熱制御を行う。また、温度読み出し回路Ａ、Ｂ、Ｃは各ガスセンサＡ、Ｂ、Ｃのダイオードの一対の端子に接続され温度検出部を構成する。
【００３５】
さて、本実施例の構成のガス検知システムでは、例えばガスセンサＡ、Ｂ、ＣのＦＥＴの感応電極近傍の構造を異ならせれば、各々のＦＥＴの出力の差を制御装置１１１で処理し、ガス種の判別が可能となる。例えば、全てのＦＥＴで感応電極そのものはパラジウム（Palladium：Pd）を用いるものとして、ガスセンサＡではパラジウム単体、ガスセンサＢではパラジウムとゲート絶縁膜の間に１μｍ程度の厚さの過フッ化イオン交換樹脂を挿入した構造、ガスセンサＣではパラジウムとゲート絶縁膜の間に１μｍ程度の厚さのＹＳＺ（Yttria-Stabilized Zirconia：イットリウム安定化ジルコニア）を挿入した構造にする。ガスセンサＢでは水素ガスへの選択性が高くなり、ガスセンサＣでは酸素への応答が高くなるため、水素ガスとメタンやエタン、一酸化炭素との判別がより容易となる。
【００３６】
また、ＦＥＴの温度変化に対するＦＥＴ出力の追随特性がガス種ごとに異なる性質を利用する方法もある。即ち、ガスセンサＡ、Ｂ、ＣのＦＥＴの構成が全く同一であっても、図１５の加熱制御部Ａ１１８、Ｂ１１９、Ｃ１２０のそれぞれの枠内に模式的に示したように、加熱制御を各々異ならせることによりガス種の判別が可能となる。加熱制御を各々異ならせるとは、それぞれのガスセンサの発熱体に印加する電力に変化を与えることで実現できる。このような加熱制御部それぞれから出力する電力の制御は、制御装置１１１の制御によって実現される。
【００３７】
ＦＥＴの温度変化に対するＦＥＴ出力の追随特性はガスの種類と濃度の双方に依存する。そこで、例えばガスセンサＡのセンサは、加熱制御部Ａ１１８内に模式的に示すように、ある一定温度にできるだけ早く達してその温度を保つようにＰＩＤ（Proportional・Integral・Differential）制御して、ガスセンサ出力の飽和値からガスの濃度を判定するようにする。また、ガスセンサＢのセンサは、対応する発熱体に印加する電力を加熱制御部Ｂ１１９内に模式的に示すように制御することにより、急速に加熱してセンサ出力の追随を計測するようにする。更に、ガスセンサＣのガスセンサは加熱制御部Ｃ１２０内に模式的に示すように、温度を周期的に増減させてその出力の位相遅れを計測するようにすればガス種が判別できる。
【００３８】
図１５から明らかなように、本実施例の構造によれば、加熱領域が各センサの発熱体として機能する感応電極に限定されているため各ＦＥＴは事実上熱分離されており、各ＦＥＴの温度応答が速いこと、更にこの感応電極の温度をその近傍に設置されたダイオードと温度読み出し回路１１２〜１１３を含む温度検出部で検出することにより、温度変化を利用したガス種の分離を短時間に行うことができる。
【００３９】
以上、種々のガスセンサ、及びガス検知システムの実施例を詳述してきたが、本発明は上述した実施例に限定されるものでないことは言うまでも無い。上述の実施例のように特定の位置におけるガス濃度を計測するだけでなく、施設全体のガスの濃度分布を計測したり、この結果を用いて漏洩拡散のモニタリングや漏洩箇所の特定を行ったりする検知システムが今後普及することが予想されるが、上述の実施例はそのような検知システムにも適用できる。
【００４０】
例えば、燃料電池自動車に水素ガスを供給する水素ステーションは、市街地に建設されて高い安全性が要求される点から、こういった検知システムを必要とする施設の好例である。多数のガスセンサを任意の位置に設置するには各センサを電池駆動にしたり、無線通信で情報をやりとりしたりして各センサと指示・表示装置間の配線をなくすことが望ましい。この場合、特にガスセンサには低消費電力であることが求められる。また水素ガスセンサを燃料電池自動車に搭載する場合でも、電源は自動車のバッテリーであり、やはりガスセンサには低消費電力であることが要求される。センサを長期間加熱したままにしておくと、センサの寿命を縮める可能性があることにも鑑み、本出願人は、通常はセンサを加熱せずに室温に保持しておき、ガスの漏洩の可能性がある場合にセンサのヒータに通電して急速に加熱する技術を開発し、特願２００４-３４１８９７号「ガス検知システム」において開示しているが、そのようなガス検知システムにも上述してきた種々のガスセンサ等が適用可能である。
【００４１】
上述した種々の実施例から明らかなように、感応電極に加熱電流を流すことにより、感応電極そのものを発熱体、ヒータとして用い、且つ温度検出部で感応電極の温度を検出しながら温度制御を行うことが可能となり、加熱電力が大幅に削減でき、更には感応電極の温度変化を利用したガス種の判別ができる。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の第一の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図２】本発明の第二の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図３】本発明の第三の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図４】本発明の第四の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図５】本発明の第五の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図６】本発明の第六の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図７】本発明の第七の実施例のガスセンサの等価回路図。
【図８】従来構造のガスセンサの等価回路図。
【図９】図７に示した本発明の実施例のガスセンサの等価回路に相当する構成の一実施例を示す平面図。
【図１０】本発明の第三の実施例のガスセンサの構造を示す図。
【図１１】本発明の第五の実施例のガスセンサの構造を示す図。
【図１２】本発明のガスセンサの断面構成の一実施例を示す図であり、楕円内は図９のＡ-Ａ'に相当するＦＥＴセンサ部分の断面略図。
【図１３】本発明のガスセンサの断面構成の一実施例を示す図であり、図９のＢ-Ｂ'に相当するダイオード温度計５０部分の断面略図。
【図１４】本発明のガスセンサの断面構成の他の実施例を示す図であり、図９のＢ-Ｂ'に相当するダイオード温度計５０部分の断面略図。
【図１５】本発明のガス検知システムの一実施例を示す図。
【符号の説明】
【００４３】
１…ソース電極、２…ドレイン電極、３…ゲート電極、４…ヒータ、１０…感応電極の端子、１１…感応電極の端子、３１…ヒータを兼ねた感応電極、４１…ソース、４２…ドレイン、４３…ゲート絶縁膜、５０…ダイオード、５１…ダイオード用電極、５２…ダイオード用電極、７０…シリコン基板、７１…シリコン基板のバックエッチ部、１０１…ガスセンサ部、１０２…駆動回路部分、１０３…Ａ／Ｄコンバータなどの周辺回路、１１０…シリコン基板、１１１…制御装置、１１２、１１３、１１４…温度読み出し回路、１１５、１１６、１１７…出力読み出し回路、１１８、１１９、１２０…加熱制御部。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知対象ガスの濃度に依存してゲート電位が変化する電界効果型トランジスタを用いたガスセンサであって、
ソース、ドレイン間のチャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられた感応電極と、
前記感応電極に接続され、相異なる電位を与えることにより、前記感応電極に電流を流し、前記感応電極の温度を上昇させる二つの端子と、
前記感応電極の温度を検出する温度検出部とを
有するガスセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記ソース、ドレイン各々に接続されるソース、ドレイン電極を有し、
前記端子の一つが、前記ソース電極、前記ドレイン電極の一方と電気的に接続されているガスセンサ。
【請求項３】
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記温度検出部は、前記端子から前記感応電極に流す電流と、前記感応電極両端の電位差を検出するガスセンサ。
【請求項４】
請求項２記載のガスセンサにおいて、
前記温度検出部は、前記端子から前記感応電極に流す電流と、前記感応電極両端の電位差を検出するガスセンサ。
【請求項５】
請求項３記載のガスセンサにおいて、
前記端子は、前記感応電極の一方の端部に接続される第１端子、第２端子と、他方の端部に接続される第３端子、第４端子とからなり、前記第１端子と前記第３端子間に電流を流し、前記温度検出部は、前記第２端子、前記第４端子を用いて前記感応電極両端間の電位差を検出するガスセンサ。
【請求項６】
請求項４記載のガスセンサにおいて、
前記端子は、前記感応電極の一方の端部に接続される第１端子、第２端子と、他方の端部に接続される第３端子、第４端子とからなり、前記第１端子と前記第３端子間に電流を流し、前記温度検出部は、前記第２端子、前記第４端子を用いて前記感応電極両端間の電位差を検出するガスセンサ。
【請求項７】
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記温度検出部は、前記電界効果型トランジスタが形成される基板に形成されるダイオードを含むガスセンサ。
【請求項８】
請求項７記載のガスセンサにおいて、
前記感応電極は、絶縁膜を介して前記温度検出部の前記ダイオードの上部にも形成されるガスセンサ。
【請求項９】
請求項７記載のガスセンサにおいて、
前記感応電極は、絶縁膜を介して前記温度検出部の前記ダイオードの下部にも形成されるガスセンサ。
【請求項１０】
請求項２記載のガスセンサにおいて、
前記温度検出部は、前記電界効果型トランジスタが形成される基板に形成されるダイオードを含み、前記感応電極は、絶縁膜を介して前記ダイオードの上部にも形成されるガスセンサ。
【請求項１１】
請求項２記載のガスセンサにおいて、
前記温度検出部は、前記電界効果型トランジスタが形成される基板に形成されるダイオードを含み、前記感応電極は、絶縁膜を介して前記ダイオードの下部にも形成されるガスセンサ。
【請求項１２】
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記感応電極の温度を５０℃以上になるよう加熱するガスセンサ。
【請求項１３】
請求項２記載のガスセンサにおいて、
前記感応電極の温度を５０℃以上になるよう加熱するガスセンサ。
【請求項１４】
ガス濃度に依存してゲート電位が変化する電界効果型トランジスタを用いたガスセンサであって、
ソース、ドレインにそれぞれ接続されたソース電極、ドレイン電極と、
前記ソース、ドレイン間のチャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられた感応電極と、
前記感応電極に接続され、前記感応電極に電流を流し前記感応電極の温度を上昇させる二つの端子と、
前記電界効果型トランジスタが形成される基板と同一基板に形成されたダイオードを含み、前記感応電極の温度を検出する温度検出部とを
有するガスセンサ。
【請求項１５】
請求項１４記載のガスセンサにおいて、
前記感応電極は、絶縁膜を介して前記ダイオードの上部にも形成されるガスセンサ。
【請求項１６】
請求項１４記載のガスセンサにおいて、
前記感応電極の温度が５０℃以上になるよう加熱するガスセンサ。
【請求項１７】
ガスの濃度を検出するガス検知システムであって、
ソース、ドレイン間のチャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられた感応電極と、前記感応電極に接続され、相異なる電位を与えることにより、前記感応電極に電流を流して温度を上昇させる二つの端子と、前記感応電極の温度を検出する温度検出部とからなる電界効果型トランジスタを用いたガスセンサと、
前記ガスセンサの前記端子間に与える前記電位を制御する加熱制御部と、
前記ガスセンサの前記温度検出部に接続される温度読み出し回路と、
前記ガスセンサの前記ソース、ドレインに接続される出力読み出し回路と、
前記加熱制御部と前記温度読み出し回路と前記出力読み出し回路が共通して接続される制御装置と
からなるガス検知システム。
【請求項１８】
請求項１７記載のガス検知システムにおいて、
前記ガスセンサは複数であり、前記加熱制御部、前記温度読み出し回路、前記出力読み出し回路は、複数の前記ガスセンサ各々に対応して設置され、
各々の前記ガスセンサの前記端子間に与える前記電位は、対応する前記加熱制御部によりそれぞれ制御されるガス検知システム。
【請求項１９】
請求項１７に記載のガス検知システムにおいて、
前記ガスセンサは複数であり、複数の前記ガスセンサのそれぞれが検出する検査対象ガスが異なるガス検知システム。
【請求項１】
検知対象ガスの濃度に依存してゲート電位が変化する電界効果型トランジスタを用いたガスセンサであって、
ソース、ドレイン間のチャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられた感応電極と、
前記感応電極に接続され、相異なる電位を与えることにより、前記感応電極に電流を流し、前記感応電極の温度を上昇させる二つの端子と、
前記感応電極の温度を検出する温度検出部とを
有するガスセンサ。
【請求項２】
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記ソース、ドレイン各々に接続されるソース、ドレイン電極を有し、
前記端子の一つが、前記ソース電極、前記ドレイン電極の一方と電気的に接続されているガスセンサ。
【請求項３】
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記温度検出部は、前記端子から前記感応電極に流す電流と、前記感応電極両端の電位差を検出するガスセンサ。
【請求項４】
請求項２記載のガスセンサにおいて、
前記温度検出部は、前記端子から前記感応電極に流す電流と、前記感応電極両端の電位差を検出するガスセンサ。
【請求項５】
請求項３記載のガスセンサにおいて、
前記端子は、前記感応電極の一方の端部に接続される第１端子、第２端子と、他方の端部に接続される第３端子、第４端子とからなり、前記第１端子と前記第３端子間に電流を流し、前記温度検出部は、前記第２端子、前記第４端子を用いて前記感応電極両端間の電位差を検出するガスセンサ。
【請求項６】
請求項４記載のガスセンサにおいて、
前記端子は、前記感応電極の一方の端部に接続される第１端子、第２端子と、他方の端部に接続される第３端子、第４端子とからなり、前記第１端子と前記第３端子間に電流を流し、前記温度検出部は、前記第２端子、前記第４端子を用いて前記感応電極両端間の電位差を検出するガスセンサ。
【請求項７】
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記温度検出部は、前記電界効果型トランジスタが形成される基板に形成されるダイオードを含むガスセンサ。
【請求項８】
請求項７記載のガスセンサにおいて、
前記感応電極は、絶縁膜を介して前記温度検出部の前記ダイオードの上部にも形成されるガスセンサ。
【請求項９】
請求項７記載のガスセンサにおいて、
前記感応電極は、絶縁膜を介して前記温度検出部の前記ダイオードの下部にも形成されるガスセンサ。
【請求項１０】
請求項２記載のガスセンサにおいて、
前記温度検出部は、前記電界効果型トランジスタが形成される基板に形成されるダイオードを含み、前記感応電極は、絶縁膜を介して前記ダイオードの上部にも形成されるガスセンサ。
【請求項１１】
請求項２記載のガスセンサにおいて、
前記温度検出部は、前記電界効果型トランジスタが形成される基板に形成されるダイオードを含み、前記感応電極は、絶縁膜を介して前記ダイオードの下部にも形成されるガスセンサ。
【請求項１２】
請求項１記載のガスセンサにおいて、
前記感応電極の温度を５０℃以上になるよう加熱するガスセンサ。
【請求項１３】
請求項２記載のガスセンサにおいて、
前記感応電極の温度を５０℃以上になるよう加熱するガスセンサ。
【請求項１４】
ガス濃度に依存してゲート電位が変化する電界効果型トランジスタを用いたガスセンサであって、
ソース、ドレインにそれぞれ接続されたソース電極、ドレイン電極と、
前記ソース、ドレイン間のチャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、
前記ゲート絶縁膜上に設けられた感応電極と、
前記感応電極に接続され、前記感応電極に電流を流し前記感応電極の温度を上昇させる二つの端子と、
前記電界効果型トランジスタが形成される基板と同一基板に形成されたダイオードを含み、前記感応電極の温度を検出する温度検出部とを
有するガスセンサ。
【請求項１５】
請求項１４記載のガスセンサにおいて、
前記感応電極は、絶縁膜を介して前記ダイオードの上部にも形成されるガスセンサ。
【請求項１６】
請求項１４記載のガスセンサにおいて、
前記感応電極の温度が５０℃以上になるよう加熱するガスセンサ。
【請求項１７】
ガスの濃度を検出するガス検知システムであって、
ソース、ドレイン間のチャネル領域上に形成されるゲート絶縁膜と、前記ゲート絶縁膜上に設けられた感応電極と、前記感応電極に接続され、相異なる電位を与えることにより、前記感応電極に電流を流して温度を上昇させる二つの端子と、前記感応電極の温度を検出する温度検出部とからなる電界効果型トランジスタを用いたガスセンサと、
前記ガスセンサの前記端子間に与える前記電位を制御する加熱制御部と、
前記ガスセンサの前記温度検出部に接続される温度読み出し回路と、
前記ガスセンサの前記ソース、ドレインに接続される出力読み出し回路と、
前記加熱制御部と前記温度読み出し回路と前記出力読み出し回路が共通して接続される制御装置と
からなるガス検知システム。
【請求項１８】
請求項１７記載のガス検知システムにおいて、
前記ガスセンサは複数であり、前記加熱制御部、前記温度読み出し回路、前記出力読み出し回路は、複数の前記ガスセンサ各々に対応して設置され、
各々の前記ガスセンサの前記端子間に与える前記電位は、対応する前記加熱制御部によりそれぞれ制御されるガス検知システム。
【請求項１９】
請求項１７に記載のガス検知システムにおいて、
前記ガスセンサは複数であり、複数の前記ガスセンサのそれぞれが検出する検査対象ガスが異なるガス検知システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−３２２３５５（Ｐ２００７−３２２３５５Ａ）
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５５８２９（Ｐ２００６−１５５８２９）
【出願日】平成１８年６月５日（２００６．６．５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 水素安全利用等基盤技術開発 委託研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１２月１３日（２００７．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月５日（２００６．６．５）
【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成１７年度、独立行政法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 水素安全利用等基盤技術開発 委託研究、産業再生法第３０条の適用を受ける特許出願
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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