ガスセンサ
【課題】検知対象ガスの選択性が高く、小型・低消費電力・低コストなガスセンサを構成する。
【解決手段】キャビティＥＳは真空または減圧環境である。ガスセンサ１０１の周囲に水素ガスがあれば、水素ガスはガラス層２，３を透過してキャビティＥＳ内に浸入する。一方、窒素ガスや酸素ガスは透過しない。キャビティＥＳ内の振動子１１は水素ガス分圧に応じてＱ値が変化する。振動子駆動／検出回路によって振動子１１は駆動されるとともにその振幅によってＱ値が検出される。このＱ値の変化によってガス分圧が検知される。
【解決手段】キャビティＥＳは真空または減圧環境である。ガスセンサ１０１の周囲に水素ガスがあれば、水素ガスはガラス層２，３を透過してキャビティＥＳ内に浸入する。一方、窒素ガスや酸素ガスは透過しない。キャビティＥＳ内の振動子１１は水素ガス分圧に応じてＱ値が変化する。振動子駆動／検出回路によって振動子１１は駆動されるとともにその振幅によってＱ値が検出される。このＱ値の変化によってガス分圧が検知される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は例えば水素ガスなどの所定検知対象ガスを検知するガスセンサに関し、特に振動子を備えたガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、可燃性ガス漏れ警報器やガス濃度計に用いられるガスセンサとして、触媒表面での接触燃焼による温度上昇を検知する、接触燃焼式のガスセンサが一般的に普及している。この種のガスセンサは特許文献１に開示されているように、白金線コイル等の触媒表面でガスを接触燃焼させ、それによる白金線コイルの温度上昇を抵抗変化として測定するものである。
【０００３】
また、NiO等の金属酸化物半導体表面でのガス吸着による電気伝導度の変化を抵抗変化として測定する半導体式のガスセンサも用いられている。
【０００４】
また、パラジウムの水素貯蔵反応による重量変化を周波数変化として検出する水晶振動子水素ガスセンサも提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−９０２１０号公報
【特許文献２】特開平２−１１０３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在普及している上記接触燃焼式のガスセンサは、白金やパラジウム等の触媒を用いた化学反応を利用しているので、それに伴い次のような解決すべき課題があった。
【０００７】
（ａ）被検ガス中の各種ガスに反応してしまい、特定ガスに対する選択性が低い。
【０００８】
（ｂ）ガスセンサの動作温度が一般的に２００〜５００℃と高温を必要とするために大きな消費電力が必要である。また、高温のためにセンサ素子の劣化（経時変化）が顕著である。
【０００９】
（ｃ）白金・パラジウム等の貴金属材料が必要であるのでコストが高くなる。
【００１０】
本発明はこれらの事情に鑑みてなされたものであり、その目的はガス種の選択性が高く、小型・低消費電力・低コストな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】
【００１１】
本発明のガスセンサは次のように構成される。
（１）被検知対象である外部環境から隔離された内部空間を形成するキャビティと、このキャビティ内に配置された振動子と、を備え、
前記内部空間は真空または減圧されていて、前記キャビティの少なくとも一部はガス種による透過率が異なるガス選択透過性材料で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
（２）(1)において、検知対象ガスが水素ガスまたはヘリウムガスである場合、前記ガス選択透過性材料はガラスであることが好ましい。
【００１３】
（３）(1)または(2)において、前記振動子はシリコン基板の加工により構成され、前記シリコン基板に前記振動子を駆動する駆動電極と、前記振動子の変位を検出する検出電極とが形成されることが好ましい。
【００１４】
（４）(1)~(3)のいずれかにおいて、前記振動子の共振Ｑ値に相当する信号または共振Ｑ値に応じて定まる信号を測定し、その測定結果を検知信号として出力する測定回路を備えることが好ましい。
【００１５】
（５）(4)において、前記測定回路は、前記振動子の共振周波数で発振させる自励発振回路と、前記自励発振回路中の少なくとも一か所の発振信号振幅を検出する発振信号振幅検出回路と、で構成されることが好ましい。
【００１６】
（６）(1)~(5)のいずれかにおいて、前記ガス選択透過性材料で構成される前記キャビティの一部に複数に分散された薄壁部が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ガス選択性が高く、化学反応を利用しないため経時劣化が極めて小さく、ガス反応のための貴金属材料が不要であり、センサコストを抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は第１の実施形態のガスセンサ１０１の主要部の断面図である。
【図２】図２は振動子１１を用いた、振動子駆動／検出回路である。
【図３】図３はガスセンサ１０１の破断斜視図である。
【図４】図４は、振動子１１の共振Q（Ｑ値）とキャビティＥＳ内の内圧Ｐとの関係を示す図である。
【図５】図５は第２の実施形態である三種のガスセンサの断面図である。
【図６】図６は第３の実施形態のガスセンサにおけるシリコン層の振動子部分の平面図である。
【図７】図７は振動子のメカニズムをモデル化した等価回路である。
【図８】図８は第４の実施形態である三種のガスセンサの断面図である。
【図９】図９は第５の実施形態の振動子駆動／検出回路のブロック図である。
【図１０】図１０は第５の実施形態の別の振動子駆動／検出回路のブロック図である。
【図１１】図１１は第６の実施形態であるガスセンサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態のガスセンサ１０１の主要部の断面図である。このガスセンサ１０１は、シリコン層１とそれを上下から挟む絶縁性ガラス層２，３を備えている。上下のガラス層２，３は、このガラス層２，３で囲まれる密閉された空間（以下、「キャビティ」という。）ＥＳを構成している。そして、シリコン層１の所定領域に振動子１１が形成されている。この振動子１１はガラス層２，３に接することなくキャビティＥＳ内で振動するように、シリコン層１およびガラス層２，３で支持されている。
【００２０】
前記シリコン層１はＳｉウェハーで構成され、前記振動子１１はＳｉウェハーに対する微細加工技術（ＭＥＭＳ技術）で形成される。シリコン層１に対してガラス層２，３は陽極接合等の接合技術により貼り合わされる。
【００２１】
ガラス層２，３の振動子周辺エリアにはビア開口部６が形成されている。このビア開口部６の内表面およびビア開口の外部には外部電極７が導電性材料（例えばアルミニウム）の成膜により形成されている。この外部電極７により振動子１１の電気信号を外部に取り出すようにしている。
【００２２】
ここでガスセンサとして重要な構成要件は下記の３点である。
（１）密閉されたキャビティＥＳ内に振動子が形成されること。
（２）キャビティＥＳ内が真空又は減圧環境であること。
（３）キャビティＥＳの壁、すなわちキャビティＥＳと外部環境との間の仕切る部材がガス選択透過性を有すること。
【００２３】
ガラスはランダム構造を有しているため、結晶よりは空隙が大きく、特にシリカガラスは低分子ガス（例えば水素ガスやヘリウムガス）に対して比較的高いガス透過率を有し、一般空気中に存在するガス（窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素）の透過率が極めて低い。すなわち、低分子ガスの選択透過性を有する。
【００２４】
図２は前記振動子１１を用いた、振動子駆動／検出回路である。図２において、振動子１１はMEMS素子であり、グランド電極（共通電極）と駆動電極との間に電圧が印加されると静電引力によって可動部が変位する。したがって、駆動電極に交流の駆動電圧が印加されることによって可動部は振動する。そして、この駆動電圧の周波数が可動部の共振周波数と一致したとき、可動部は効率良く大きな振幅で振動することになる。また、振動子１１の検出電極とグランド電極との間には可動部の振動に応じた容量変化が発生する。
【００２５】
発振回路１２は前記振動子１１の検出電極に発生する容量変化を検出するとともに、その検出電圧信号に応じて駆動電極に駆動電圧を印加する。すなわち、振動子１１と発振回路１２とで自励発振回路を構成している。
【００２６】
発振回路振幅検出回路１３は発振回路１２の発振振幅を検出し、この発振振幅に応じて変化する電圧信号をセンサ出力信号として出力する。この発振回路１２の発振振幅は振動子１１の振動振幅に比例または強い相関関係があるので、センサ出力信号は振動子１１の振幅に関する信号である。
【００２７】
ここで、ガス検知の原理を説明する。図３はガスセンサ１０１の破断斜視図である。図３に模式的に示すように、キャビティＥＳは真空または減圧環境である。ガスセンサ１０１の周囲に水素ガスがあれば、水素ガスはガラス層２，３を透過してキャビティＥＳ内に浸入する。一方、窒素ガスや酸素ガスは透過しない。
【００２８】
キャビティＥＳに浸入するガスの量は下記の式で表わされる。
【００２９】
ｑ＝K・S・t・ΔP／d
ここで、
q：透過ガス量
K：透過係数
S：キャビティの表面積
d：ガラス層の厚さ
t：時間
ΔP：キャビティＥＳ内外の圧力差
である。
【００３０】
水素ガスの浸入に伴い、キャビティＥＳ内の水素ガス分圧は上昇する。キャビティＥＳ内部の水素ガス分圧がガスセンサ１０１周辺雰囲気の水素ガス分圧と同じになった時点で（ΔPがゼロとなったとき）、キャビティＥＳへの浸入は止まる。
【００３１】
図４は、振動子１１の共振Q（Ｑ値）とキャビティＥＳ内の内圧Ｐとの関係を示す図である。振動子１１が受ける粘性抵抗はキャビティＥＳの内圧の上昇にともない増大する。粘性抵抗が増大する程、図４に示すように振動子１１のＱ値が低下して発振振幅は減少する。したがって、前記センサ出力信号のレベルを確認する事により、ガスセンサ１０１の周辺雰囲気の水素ガス分圧を検出することができる。
【００３２】
前記キャビティＥＳ内外の水素ガス分圧差ΔPがゼロになる方向に水素ガスが透過するので、ガスセンサ１０１の周辺雰囲気の水素ガス分圧がキャビティＥＳの水素ガス分圧より低下すれば、キャビティＥＳ内の水素ガス分圧も低下する。すなわち、定常状態ではキャビティＥＳ内の水素ガス分圧はガスセンサ１０１の周辺雰囲気の水素ガス分圧と等しくなり、ガスセンサ１０１は一定の応答性のもとで周辺雰囲気の水素ガス分圧に応じたセンサ出力信号が得られる。
【００３３】
《第２の実施形態》
第２の実施形態ではガスセンサの幾つかの構造の例を示す。図５は第２の実施形態である三種のガスセンサの断面図である。
第１の実施形態では、図１に示したとおり、シリコン層１を挟み込む上下のガラス層２，３にキャビティＥＳ形成用の凹部を形成したが、振動子を囲むキャビティは図５に示すように各種の形態をとることができる。
【００３４】
図５（Ａ）の例では、上部のガラス層３に上部キャビティＥＳ１形成用の凹部を形成し、シリコン層１の下面に下部キャビティＥＳ２形成用の凹部を形成している。このようにして、下部のガラス層２に平板のガラス板を用いてもよい。
【００３５】
図５（Ｂ）はSOI基板１０の表面にガラス層３を貼り付けた例である。SOI基板１０はSi基板１０Ａ表面にSiO2膜１０Ｂが形成され、その表面にSi膜１０Ｃが形成された基板であり、表面のSi膜に振動子１１が形成され、SiO2膜１０Ｂに下部キャビティＥＳ２形成用のエッチング除去部が形成されている。
【００３６】
図５（Ｃ）もSOI基板１０の表面にガラス層３を貼り付けた例である。この例では、上部キャビティＥＳ１形成用の凹部をSi膜１０Ｃの表面に形成している。なお、外部電極は、図５（Ｃ）のように、SIO基板１０の下面に取り出すようにしてもよい。
【００３７】
《第３の実施形態》
第３の実施形態では振動子１１の具体的な構造の例を示す。図６はシリコン層の振動子部分の平面図である。ガスセンサ全体の構造は第１の実施形態で示したとおりである。
【００３８】
シリコン層１のうちクロスハッチングを施した部分は固定部、クロスハッチングを施していない部分は振動子部１１０である。振動子部１１０はその中央部にある梁１１１で固定部に弾性保持されている。図６に示す向きで振動子部１１０は左右方向に変位する。振動子部１１０は後述の駆動電極および検出電極と対向する位置に櫛歯状の電極を複数有している。
【００３９】
振動子部１１０の左右には駆動固定電極１２０および検出固定電極１３０が配置されている。駆動固定電極１２０には振動子駆動電圧Vdが印加される。この振動子駆動電圧Vdと振動子部１１０の電位Vcomとの差の電圧により駆動固定電極と振動子の櫛歯間に静電引力が作用し、この静電引力が駆動力となる。そして、振動子部１１０の振動に応じて、検出固定電極１３０と振動子部１１０のそれぞれの櫛歯間の容量Cmが変化する。
【００４０】
図７は上記のメカニズムをモデル化した等価回路である。振動子部１１０は駆動固定電極１２０に対する駆動電圧Vdに応じて変位し、振動子部１１０と検出固定電極１３０との間の容量Cmが変化する。
【００４１】
キャビティＥＳ内の内圧は振動子部１１０および梁１１１による振動子の共振特性に大きな影響を与える。キャビティＥＳ内に存在するガスの粘性が櫛歯間の粘性要因となり、この粘性が振動子部１１０の振動を阻害するからである。この特性が図４に示したＰ−Ｑ相関曲線として現れる。振動子部１１０、駆動固定電極１２０および検出固定電極１３０の櫛歯によって、キャビティＥＳ内の内圧変化に対するガスの粘性変化を大きくなるので、ガス検知感度を高めることができる。
【００４２】
《第４の実施形態》
第４の実施形態ではガスセンサの幾つかのパッケージングの例を示す。図８は第４の実施形態である三種のガスセンサの断面図である。
第１・第２の実施形態では、ガスセンサチップにガラス層を備えたが、第４の実施形態は、パッケージにガラスカバーを設けて、そのパッケージ内にガスセンサチップを収納したものである。
【００４３】
図８（Ａ）の例では、セラミックパッケージ８内にガスセンサチップ１００がダイボンド材を介して接合され、セラミックパッケージ８の開口部がガラスカバー４で密閉されている。ガスセンサチップ１００は図５（Ｂ）に示したSOI基板１０に相当するものである。すなわち、ガスセンサチップ１００は、Si基板１０Ａ表面にSiO2膜１０Ｂが形成され、その表面にSi膜１０Ｃが形成された基板で構成されている。表面のSi膜に振動子１１が形成され、SiO2膜１０Ｂに下部キャビティＥＳ２形成用のエッチング除去部が形成されている。ガスセンサチップ１００の上面にはアルミ電極パッドが形成されていて、ワイヤーボンディングによりセラミックパッケージ８の電極に対して電気的に接続されている。
【００４４】
前記ガラスカバー４はガス選択透過性材料であり、ガラスフリット等で接着されている。セラミックパッケージ８の内部は真空または減圧封止されている。水素ガスセンサ／ヘリウムガスセンサとしての作用は前述のとおりである。
【００４５】
図８（Ｂ）の例では、セラミックパッケージ８の開口部がガラスカバー（窓）付きの金属カバー５で密閉されている。金属カバー５は例えばコバール材であり、セラミックパッケージ８にろう付け、溶接固定等で接合される。
【００４６】
図８（Ｃ）の例では、セラミックパッケージ８の内部にガスセンサチップ１００だけでなく、信号処理回路チップ２００が収納されている。信号処理回路チップ２００は、ガスセンサチップ１００の振動子を駆動するとともに振幅を検出する振動子駆動／検出回路を備えている。この信号処理回路チップは例えばガス分圧に比例した電圧信号を外部へ出力する。
【００４７】
《第５の実施形態》
第５の実施形態では、振動子駆動／検出回路の具体的な二つの構成例を示す。
図９・図１０は振動子駆動／検出回路のブロック図である。両図において、振動子１１の検出電極はCV変換回路に接続され、ＣＶ変換回路１２Ａは振動子１１の振動に伴う容量変化を電圧変化の信号に変換する。この電圧信号からフィルター（LPF、HPF、BPF等）で必要な信号成分が抽出される。フィルター回路の出力信号は位相制御回路１２Ｃで必要な位相調整が施され、AGC回路（Auto Gain Control Amp）１２Ｄに入力される。AGC回路１２Ｄでは自動利得制御された駆動信号が形成され、振動子１１の駆動電極に入力される。これにより閉ループの自励振発振回路が構成され、振動子１１は共振周波数で振動する。
【００４８】
図９と図１０とでは、前記AGC回路の自動利得制御機能が異なる。
図９は駆動信号振幅一定型の振動子駆動／検出回路であり、駆動信号の振幅が常に一定振幅となるよう自動利得制御する。この場合、振動子１１の検出信号の振幅が、雰囲気ガス分圧、つまり振動子１１のQ値に応答する。従って、例えばCV変換回路１２Ａの出力信号の振幅を検出することによりガス分圧を検知できる。
【００４９】
図１０は検出信号振幅一定型の振動子駆動／検出回路であり、検出信号の振幅が常に一定振幅となるよう自動利得制御する。この場合、振動子１１の駆動信号の振幅が、雰囲気ガス分圧、つまり振動子１１のQ値に応答する。従って、例えばAGC回路１２Ｄの出力信号の振幅を検出することによりガス分圧を検知できる。
【００５０】
図９・図１０において、発振回路振幅検出回路の信号処理について説明する。発振回路１２の出力信号は整流回路１３Ａで整流され、フィルター回路（LPF）１３Ｂで振幅に応じた直流信号に変換される。更に増幅回路１３Ｃにより信号が必要なレベルにまで増幅され補正回路１３Ｄに入力される。補正回路１３Ｄでは温度特性等の補正が行われ、雰囲気ガス分圧に応じた直流電圧信号が出力される。
【００５１】
このように図９と図１０とでは検出信号が異なるが、いずれも発振回路の特定個所の振幅を検出することにより、雰囲気ガス分圧に伴うセンサ素子共振におけるP-Qカーブの変化を検出することができる。
【００５２】
《第６の実施形態》
図１１は第６の実施形態であるガスセンサの断面図である。
ガスセンサの応答性や感度を高めるには、ガスの透過速度を速めることが重要である。このためには以下の手法が有効である。
【００５３】
・ガス透過層を薄くする。
・ガス透過層面積を大きくする。
・動作温度を上げる。
【００５４】
しかし、ガス透過層を薄く、面積を広くした場合、センサ内の密閉空間の真空／減圧環境と外気との圧力差から機械的強度を保てなくなる懸念がある。そこで、図１１のような、ガラス材料に複数の非貫通キャビティＮＣを設けることにより、強度を保ったままガス透過層を薄くできる。
【００５５】
《他の実施形態》
ガス選択透過性材料としてガラス以外に、他にも同様の選択的ガス透過性を有する金属材料や高分子材料を用いてもよい。金属材料の例としてPd系合金やニオブ系合金が挙げられる。
【００５６】
ガス選択透過性材料のガラスは、シリカガラスなどのケイ酸塩を主成分とするガラスに限らず有機ガラス、金属ガラスであってもよい。
【００５７】
また、検知対象ガスは水素やヘリウムガスに限らず、検知対象のガス種に応じたガス選択透過性材料があれば、その所定のガスセンサを構成できる。
【符号の説明】
【００５８】
ＥＳ…キャビティ
ＥＳ１…上部キャビティ
ＥＳ２…下部キャビティ
ＮＣ…非貫通キャビティ
１…シリコン層
２，３…ガラス層
４…ガラスカバー
５…金属カバー
６…ビア開口部
７…外部電極
８…セラミックパッケージ
１０…SOI基板
１０Ａ…Si基板
１０Ｂ…SiO2膜
１０Ｃ…Si膜
１１…振動子
１２…発振回路
１２Ａ…ＣＶ変換回路
１２Ｃ…位相制御回路
１２Ｄ…AGC回路
１３…発振回路振幅検出回路
１００…ガスセンサチップ
１０１…ガスセンサ
１１０…振動子部
１１１…梁
１２０…駆動固定電極
１３０…検出固定電極
２００…信号処理回路チップ
【技術分野】
【０００１】
本発明は例えば水素ガスなどの所定検知対象ガスを検知するガスセンサに関し、特に振動子を備えたガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、可燃性ガス漏れ警報器やガス濃度計に用いられるガスセンサとして、触媒表面での接触燃焼による温度上昇を検知する、接触燃焼式のガスセンサが一般的に普及している。この種のガスセンサは特許文献１に開示されているように、白金線コイル等の触媒表面でガスを接触燃焼させ、それによる白金線コイルの温度上昇を抵抗変化として測定するものである。
【０００３】
また、NiO等の金属酸化物半導体表面でのガス吸着による電気伝導度の変化を抵抗変化として測定する半導体式のガスセンサも用いられている。
【０００４】
また、パラジウムの水素貯蔵反応による重量変化を周波数変化として検出する水晶振動子水素ガスセンサも提案されている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−９０２１０号公報
【特許文献２】特開平２−１１０３４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在普及している上記接触燃焼式のガスセンサは、白金やパラジウム等の触媒を用いた化学反応を利用しているので、それに伴い次のような解決すべき課題があった。
【０００７】
（ａ）被検ガス中の各種ガスに反応してしまい、特定ガスに対する選択性が低い。
【０００８】
（ｂ）ガスセンサの動作温度が一般的に２００〜５００℃と高温を必要とするために大きな消費電力が必要である。また、高温のためにセンサ素子の劣化（経時変化）が顕著である。
【０００９】
（ｃ）白金・パラジウム等の貴金属材料が必要であるのでコストが高くなる。
【００１０】
本発明はこれらの事情に鑑みてなされたものであり、その目的はガス種の選択性が高く、小型・低消費電力・低コストな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】
【００１１】
本発明のガスセンサは次のように構成される。
（１）被検知対象である外部環境から隔離された内部空間を形成するキャビティと、このキャビティ内に配置された振動子と、を備え、
前記内部空間は真空または減圧されていて、前記キャビティの少なくとも一部はガス種による透過率が異なるガス選択透過性材料で構成されていることを特徴とする。
【００１２】
（２）(1)において、検知対象ガスが水素ガスまたはヘリウムガスである場合、前記ガス選択透過性材料はガラスであることが好ましい。
【００１３】
（３）(1)または(2)において、前記振動子はシリコン基板の加工により構成され、前記シリコン基板に前記振動子を駆動する駆動電極と、前記振動子の変位を検出する検出電極とが形成されることが好ましい。
【００１４】
（４）(1)~(3)のいずれかにおいて、前記振動子の共振Ｑ値に相当する信号または共振Ｑ値に応じて定まる信号を測定し、その測定結果を検知信号として出力する測定回路を備えることが好ましい。
【００１５】
（５）(4)において、前記測定回路は、前記振動子の共振周波数で発振させる自励発振回路と、前記自励発振回路中の少なくとも一か所の発振信号振幅を検出する発振信号振幅検出回路と、で構成されることが好ましい。
【００１６】
（６）(1)~(5)のいずれかにおいて、前記ガス選択透過性材料で構成される前記キャビティの一部に複数に分散された薄壁部が形成されることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ガス選択性が高く、化学反応を利用しないため経時劣化が極めて小さく、ガス反応のための貴金属材料が不要であり、センサコストを抑えられる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は第１の実施形態のガスセンサ１０１の主要部の断面図である。
【図２】図２は振動子１１を用いた、振動子駆動／検出回路である。
【図３】図３はガスセンサ１０１の破断斜視図である。
【図４】図４は、振動子１１の共振Q（Ｑ値）とキャビティＥＳ内の内圧Ｐとの関係を示す図である。
【図５】図５は第２の実施形態である三種のガスセンサの断面図である。
【図６】図６は第３の実施形態のガスセンサにおけるシリコン層の振動子部分の平面図である。
【図７】図７は振動子のメカニズムをモデル化した等価回路である。
【図８】図８は第４の実施形態である三種のガスセンサの断面図である。
【図９】図９は第５の実施形態の振動子駆動／検出回路のブロック図である。
【図１０】図１０は第５の実施形態の別の振動子駆動／検出回路のブロック図である。
【図１１】図１１は第６の実施形態であるガスセンサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
《第１の実施形態》
図１は第１の実施形態のガスセンサ１０１の主要部の断面図である。このガスセンサ１０１は、シリコン層１とそれを上下から挟む絶縁性ガラス層２，３を備えている。上下のガラス層２，３は、このガラス層２，３で囲まれる密閉された空間（以下、「キャビティ」という。）ＥＳを構成している。そして、シリコン層１の所定領域に振動子１１が形成されている。この振動子１１はガラス層２，３に接することなくキャビティＥＳ内で振動するように、シリコン層１およびガラス層２，３で支持されている。
【００２０】
前記シリコン層１はＳｉウェハーで構成され、前記振動子１１はＳｉウェハーに対する微細加工技術（ＭＥＭＳ技術）で形成される。シリコン層１に対してガラス層２，３は陽極接合等の接合技術により貼り合わされる。
【００２１】
ガラス層２，３の振動子周辺エリアにはビア開口部６が形成されている。このビア開口部６の内表面およびビア開口の外部には外部電極７が導電性材料（例えばアルミニウム）の成膜により形成されている。この外部電極７により振動子１１の電気信号を外部に取り出すようにしている。
【００２２】
ここでガスセンサとして重要な構成要件は下記の３点である。
（１）密閉されたキャビティＥＳ内に振動子が形成されること。
（２）キャビティＥＳ内が真空又は減圧環境であること。
（３）キャビティＥＳの壁、すなわちキャビティＥＳと外部環境との間の仕切る部材がガス選択透過性を有すること。
【００２３】
ガラスはランダム構造を有しているため、結晶よりは空隙が大きく、特にシリカガラスは低分子ガス（例えば水素ガスやヘリウムガス）に対して比較的高いガス透過率を有し、一般空気中に存在するガス（窒素、酸素、アルゴン、二酸化炭素）の透過率が極めて低い。すなわち、低分子ガスの選択透過性を有する。
【００２４】
図２は前記振動子１１を用いた、振動子駆動／検出回路である。図２において、振動子１１はMEMS素子であり、グランド電極（共通電極）と駆動電極との間に電圧が印加されると静電引力によって可動部が変位する。したがって、駆動電極に交流の駆動電圧が印加されることによって可動部は振動する。そして、この駆動電圧の周波数が可動部の共振周波数と一致したとき、可動部は効率良く大きな振幅で振動することになる。また、振動子１１の検出電極とグランド電極との間には可動部の振動に応じた容量変化が発生する。
【００２５】
発振回路１２は前記振動子１１の検出電極に発生する容量変化を検出するとともに、その検出電圧信号に応じて駆動電極に駆動電圧を印加する。すなわち、振動子１１と発振回路１２とで自励発振回路を構成している。
【００２６】
発振回路振幅検出回路１３は発振回路１２の発振振幅を検出し、この発振振幅に応じて変化する電圧信号をセンサ出力信号として出力する。この発振回路１２の発振振幅は振動子１１の振動振幅に比例または強い相関関係があるので、センサ出力信号は振動子１１の振幅に関する信号である。
【００２７】
ここで、ガス検知の原理を説明する。図３はガスセンサ１０１の破断斜視図である。図３に模式的に示すように、キャビティＥＳは真空または減圧環境である。ガスセンサ１０１の周囲に水素ガスがあれば、水素ガスはガラス層２，３を透過してキャビティＥＳ内に浸入する。一方、窒素ガスや酸素ガスは透過しない。
【００２８】
キャビティＥＳに浸入するガスの量は下記の式で表わされる。
【００２９】
ｑ＝K・S・t・ΔP／d
ここで、
q：透過ガス量
K：透過係数
S：キャビティの表面積
d：ガラス層の厚さ
t：時間
ΔP：キャビティＥＳ内外の圧力差
である。
【００３０】
水素ガスの浸入に伴い、キャビティＥＳ内の水素ガス分圧は上昇する。キャビティＥＳ内部の水素ガス分圧がガスセンサ１０１周辺雰囲気の水素ガス分圧と同じになった時点で（ΔPがゼロとなったとき）、キャビティＥＳへの浸入は止まる。
【００３１】
図４は、振動子１１の共振Q（Ｑ値）とキャビティＥＳ内の内圧Ｐとの関係を示す図である。振動子１１が受ける粘性抵抗はキャビティＥＳの内圧の上昇にともない増大する。粘性抵抗が増大する程、図４に示すように振動子１１のＱ値が低下して発振振幅は減少する。したがって、前記センサ出力信号のレベルを確認する事により、ガスセンサ１０１の周辺雰囲気の水素ガス分圧を検出することができる。
【００３２】
前記キャビティＥＳ内外の水素ガス分圧差ΔPがゼロになる方向に水素ガスが透過するので、ガスセンサ１０１の周辺雰囲気の水素ガス分圧がキャビティＥＳの水素ガス分圧より低下すれば、キャビティＥＳ内の水素ガス分圧も低下する。すなわち、定常状態ではキャビティＥＳ内の水素ガス分圧はガスセンサ１０１の周辺雰囲気の水素ガス分圧と等しくなり、ガスセンサ１０１は一定の応答性のもとで周辺雰囲気の水素ガス分圧に応じたセンサ出力信号が得られる。
【００３３】
《第２の実施形態》
第２の実施形態ではガスセンサの幾つかの構造の例を示す。図５は第２の実施形態である三種のガスセンサの断面図である。
第１の実施形態では、図１に示したとおり、シリコン層１を挟み込む上下のガラス層２，３にキャビティＥＳ形成用の凹部を形成したが、振動子を囲むキャビティは図５に示すように各種の形態をとることができる。
【００３４】
図５（Ａ）の例では、上部のガラス層３に上部キャビティＥＳ１形成用の凹部を形成し、シリコン層１の下面に下部キャビティＥＳ２形成用の凹部を形成している。このようにして、下部のガラス層２に平板のガラス板を用いてもよい。
【００３５】
図５（Ｂ）はSOI基板１０の表面にガラス層３を貼り付けた例である。SOI基板１０はSi基板１０Ａ表面にSiO2膜１０Ｂが形成され、その表面にSi膜１０Ｃが形成された基板であり、表面のSi膜に振動子１１が形成され、SiO2膜１０Ｂに下部キャビティＥＳ２形成用のエッチング除去部が形成されている。
【００３６】
図５（Ｃ）もSOI基板１０の表面にガラス層３を貼り付けた例である。この例では、上部キャビティＥＳ１形成用の凹部をSi膜１０Ｃの表面に形成している。なお、外部電極は、図５（Ｃ）のように、SIO基板１０の下面に取り出すようにしてもよい。
【００３７】
《第３の実施形態》
第３の実施形態では振動子１１の具体的な構造の例を示す。図６はシリコン層の振動子部分の平面図である。ガスセンサ全体の構造は第１の実施形態で示したとおりである。
【００３８】
シリコン層１のうちクロスハッチングを施した部分は固定部、クロスハッチングを施していない部分は振動子部１１０である。振動子部１１０はその中央部にある梁１１１で固定部に弾性保持されている。図６に示す向きで振動子部１１０は左右方向に変位する。振動子部１１０は後述の駆動電極および検出電極と対向する位置に櫛歯状の電極を複数有している。
【００３９】
振動子部１１０の左右には駆動固定電極１２０および検出固定電極１３０が配置されている。駆動固定電極１２０には振動子駆動電圧Vdが印加される。この振動子駆動電圧Vdと振動子部１１０の電位Vcomとの差の電圧により駆動固定電極と振動子の櫛歯間に静電引力が作用し、この静電引力が駆動力となる。そして、振動子部１１０の振動に応じて、検出固定電極１３０と振動子部１１０のそれぞれの櫛歯間の容量Cmが変化する。
【００４０】
図７は上記のメカニズムをモデル化した等価回路である。振動子部１１０は駆動固定電極１２０に対する駆動電圧Vdに応じて変位し、振動子部１１０と検出固定電極１３０との間の容量Cmが変化する。
【００４１】
キャビティＥＳ内の内圧は振動子部１１０および梁１１１による振動子の共振特性に大きな影響を与える。キャビティＥＳ内に存在するガスの粘性が櫛歯間の粘性要因となり、この粘性が振動子部１１０の振動を阻害するからである。この特性が図４に示したＰ−Ｑ相関曲線として現れる。振動子部１１０、駆動固定電極１２０および検出固定電極１３０の櫛歯によって、キャビティＥＳ内の内圧変化に対するガスの粘性変化を大きくなるので、ガス検知感度を高めることができる。
【００４２】
《第４の実施形態》
第４の実施形態ではガスセンサの幾つかのパッケージングの例を示す。図８は第４の実施形態である三種のガスセンサの断面図である。
第１・第２の実施形態では、ガスセンサチップにガラス層を備えたが、第４の実施形態は、パッケージにガラスカバーを設けて、そのパッケージ内にガスセンサチップを収納したものである。
【００４３】
図８（Ａ）の例では、セラミックパッケージ８内にガスセンサチップ１００がダイボンド材を介して接合され、セラミックパッケージ８の開口部がガラスカバー４で密閉されている。ガスセンサチップ１００は図５（Ｂ）に示したSOI基板１０に相当するものである。すなわち、ガスセンサチップ１００は、Si基板１０Ａ表面にSiO2膜１０Ｂが形成され、その表面にSi膜１０Ｃが形成された基板で構成されている。表面のSi膜に振動子１１が形成され、SiO2膜１０Ｂに下部キャビティＥＳ２形成用のエッチング除去部が形成されている。ガスセンサチップ１００の上面にはアルミ電極パッドが形成されていて、ワイヤーボンディングによりセラミックパッケージ８の電極に対して電気的に接続されている。
【００４４】
前記ガラスカバー４はガス選択透過性材料であり、ガラスフリット等で接着されている。セラミックパッケージ８の内部は真空または減圧封止されている。水素ガスセンサ／ヘリウムガスセンサとしての作用は前述のとおりである。
【００４５】
図８（Ｂ）の例では、セラミックパッケージ８の開口部がガラスカバー（窓）付きの金属カバー５で密閉されている。金属カバー５は例えばコバール材であり、セラミックパッケージ８にろう付け、溶接固定等で接合される。
【００４６】
図８（Ｃ）の例では、セラミックパッケージ８の内部にガスセンサチップ１００だけでなく、信号処理回路チップ２００が収納されている。信号処理回路チップ２００は、ガスセンサチップ１００の振動子を駆動するとともに振幅を検出する振動子駆動／検出回路を備えている。この信号処理回路チップは例えばガス分圧に比例した電圧信号を外部へ出力する。
【００４７】
《第５の実施形態》
第５の実施形態では、振動子駆動／検出回路の具体的な二つの構成例を示す。
図９・図１０は振動子駆動／検出回路のブロック図である。両図において、振動子１１の検出電極はCV変換回路に接続され、ＣＶ変換回路１２Ａは振動子１１の振動に伴う容量変化を電圧変化の信号に変換する。この電圧信号からフィルター（LPF、HPF、BPF等）で必要な信号成分が抽出される。フィルター回路の出力信号は位相制御回路１２Ｃで必要な位相調整が施され、AGC回路（Auto Gain Control Amp）１２Ｄに入力される。AGC回路１２Ｄでは自動利得制御された駆動信号が形成され、振動子１１の駆動電極に入力される。これにより閉ループの自励振発振回路が構成され、振動子１１は共振周波数で振動する。
【００４８】
図９と図１０とでは、前記AGC回路の自動利得制御機能が異なる。
図９は駆動信号振幅一定型の振動子駆動／検出回路であり、駆動信号の振幅が常に一定振幅となるよう自動利得制御する。この場合、振動子１１の検出信号の振幅が、雰囲気ガス分圧、つまり振動子１１のQ値に応答する。従って、例えばCV変換回路１２Ａの出力信号の振幅を検出することによりガス分圧を検知できる。
【００４９】
図１０は検出信号振幅一定型の振動子駆動／検出回路であり、検出信号の振幅が常に一定振幅となるよう自動利得制御する。この場合、振動子１１の駆動信号の振幅が、雰囲気ガス分圧、つまり振動子１１のQ値に応答する。従って、例えばAGC回路１２Ｄの出力信号の振幅を検出することによりガス分圧を検知できる。
【００５０】
図９・図１０において、発振回路振幅検出回路の信号処理について説明する。発振回路１２の出力信号は整流回路１３Ａで整流され、フィルター回路（LPF）１３Ｂで振幅に応じた直流信号に変換される。更に増幅回路１３Ｃにより信号が必要なレベルにまで増幅され補正回路１３Ｄに入力される。補正回路１３Ｄでは温度特性等の補正が行われ、雰囲気ガス分圧に応じた直流電圧信号が出力される。
【００５１】
このように図９と図１０とでは検出信号が異なるが、いずれも発振回路の特定個所の振幅を検出することにより、雰囲気ガス分圧に伴うセンサ素子共振におけるP-Qカーブの変化を検出することができる。
【００５２】
《第６の実施形態》
図１１は第６の実施形態であるガスセンサの断面図である。
ガスセンサの応答性や感度を高めるには、ガスの透過速度を速めることが重要である。このためには以下の手法が有効である。
【００５３】
・ガス透過層を薄くする。
・ガス透過層面積を大きくする。
・動作温度を上げる。
【００５４】
しかし、ガス透過層を薄く、面積を広くした場合、センサ内の密閉空間の真空／減圧環境と外気との圧力差から機械的強度を保てなくなる懸念がある。そこで、図１１のような、ガラス材料に複数の非貫通キャビティＮＣを設けることにより、強度を保ったままガス透過層を薄くできる。
【００５５】
《他の実施形態》
ガス選択透過性材料としてガラス以外に、他にも同様の選択的ガス透過性を有する金属材料や高分子材料を用いてもよい。金属材料の例としてPd系合金やニオブ系合金が挙げられる。
【００５６】
ガス選択透過性材料のガラスは、シリカガラスなどのケイ酸塩を主成分とするガラスに限らず有機ガラス、金属ガラスであってもよい。
【００５７】
また、検知対象ガスは水素やヘリウムガスに限らず、検知対象のガス種に応じたガス選択透過性材料があれば、その所定のガスセンサを構成できる。
【符号の説明】
【００５８】
ＥＳ…キャビティ
ＥＳ１…上部キャビティ
ＥＳ２…下部キャビティ
ＮＣ…非貫通キャビティ
１…シリコン層
２，３…ガラス層
４…ガラスカバー
５…金属カバー
６…ビア開口部
７…外部電極
８…セラミックパッケージ
１０…SOI基板
１０Ａ…Si基板
１０Ｂ…SiO2膜
１０Ｃ…Si膜
１１…振動子
１２…発振回路
１２Ａ…ＣＶ変換回路
１２Ｃ…位相制御回路
１２Ｄ…AGC回路
１３…発振回路振幅検出回路
１００…ガスセンサチップ
１０１…ガスセンサ
１１０…振動子部
１１１…梁
１２０…駆動固定電極
１３０…検出固定電極
２００…信号処理回路チップ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検知対象である外部環境から隔離された内部空間を形成するキャビティと、このキャビティ内に配置された振動子と、を備え、
前記内部空間は真空または減圧されていて、前記キャビティの少なくとも一部はガス種による透過率が異なるガス選択透過性材料で構成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記ガス選択透過性材料はガラスであり、検知対象ガスは水素ガスまたはヘリウムガスである、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記振動子はシリコン基板の加工により構成され、前記シリコン基板に前記振動子を駆動する駆動電極と、前記振動子の変位を検出する検出電極とが形成された、請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記振動子の共振Ｑ値に相当する信号または共振Ｑ値に応じて定まる信号を測定し、その測定結果を検知信号として出力する測定回路を備えた、請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記測定回路は、前記振動子の共振周波数で発振させる自励発振回路と、前記自励発振回路中の少なくとも一か所の発振信号振幅を検出する発振信号振幅検出回路と、で構成された、請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記ガス選択透過性材料で構成される前記キャビティの一部に複数に分散された薄壁部が形成された、請求項１〜５のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項１】
被検知対象である外部環境から隔離された内部空間を形成するキャビティと、このキャビティ内に配置された振動子と、を備え、
前記内部空間は真空または減圧されていて、前記キャビティの少なくとも一部はガス種による透過率が異なるガス選択透過性材料で構成されていることを特徴とするガスセンサ。
【請求項２】
前記ガス選択透過性材料はガラスであり、検知対象ガスは水素ガスまたはヘリウムガスである、請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記振動子はシリコン基板の加工により構成され、前記シリコン基板に前記振動子を駆動する駆動電極と、前記振動子の変位を検出する検出電極とが形成された、請求項１または２に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記振動子の共振Ｑ値に相当する信号または共振Ｑ値に応じて定まる信号を測定し、その測定結果を検知信号として出力する測定回路を備えた、請求項１〜３のいずれかに記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記測定回路は、前記振動子の共振周波数で発振させる自励発振回路と、前記自励発振回路中の少なくとも一か所の発振信号振幅を検出する発振信号振幅検出回路と、で構成された、請求項４に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記ガス選択透過性材料で構成される前記キャビティの一部に複数に分散された薄壁部が形成された、請求項１〜５のいずれかに記載のガスセンサ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１２−１８９５３７（Ｐ２０１２−１８９５３７Ａ）
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５５３１４（Ｐ２０１１−５５３１４）
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【公開日】平成２４年１０月４日（２０１２．１０．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年３月１４日（２０１１．３．１４）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
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