JP2016200548A

JP2016200548A - 振動ガスセンサに用いる検出素子、およびそれを用いた振動ガスセンサ

Info

Publication number: JP2016200548A
Application number: JP2015082195A
Authority: JP
Inventors: 克也森仲; Katsuya Morinaka
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-04-14
Filing date: 2015-04-14
Publication date: 2016-12-01

Abstract

【課題】高精度な振動ガスセンサを提供することを目的とする。【解決手段】振動ガスセンサに用いる検出素子であって、振動板と、前記振動板の上に設けた駆動部と、前記振動板の上に設けた検出部と、前記振動板の上に設けた膜と、を備える。ここで、前記駆動部は、下部電極と、圧電層と、上部電極と、を有し、前記検出部は、下部電極と、圧電層と、上部電極と、を有し、前記膜は、前記振動板の上に設けられる構成とした。これにより、高精度な振動ガスセンサ、あるいは、高精度なマルチセンシングガスセンサを提供することができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電子機器などに用いるガスセンサに関するものである。

従来、ガスセンサとして、例えば、特許文献１に記載されているガスセンサがある。ここで、特許文献１は、圧電体を用いた振動子に検出対象となるガスを吸着する膜を形成し、膜にガスが吸着することに伴う膜の質量変化を振動子の振動の変化で検出する。

特開２００９−２５０８９６号公報

しかしながら、上記従来の構成は、膜にガスが吸着することに伴う膜の質量変化が小さいために、検出の精度が十分でないという問題を有していた。

上記目的を解決するために本発明は、振動板と、前記振動板の上に設けた駆動部と、前記振動板の上に設けた検出部と、前記振動板の上に設けた膜と、を備え、前記駆動部は、下部電極と、圧電層と、上部電極と、を有し、前記検出部は、下部電極と、圧電層と、上部電極と、を有し、前記膜は、前記振動板の上に設けられる構成を有する。

本発明は、高精度な振動ガスセンサを提供することができる。

実施の形態における振動ガスセンサが備える検出素子の斜視図ガスセンサのブロック図本実施の形態の別の検出素子１０２の斜視図本実施の形態の別の検出素子１０３の斜視図本実施の形態の別の検出素子１０４の斜視図本実施の形態の別の検出素子１０５の斜視図本実施の形態のガスセンサ２００が備える流路３００の図本実施の形態のガスセンサ２００が備える別の流路３０１の図本実施の形態のガスセンサ２００が備える別の流路３０２の図本実施の形態のガスセンサ２００が備える別の流路３０３の図

以下、本発明の振動ガスセンサについて図面を参照しながら説明する。
なお、以下の説明では同じ部材には同じ符号を与える。

図１（ａ）は本実施例における振動ガスセンサが備える検出素子１００の斜視図である。図１（ｂ）は図１（ａ）のＡＡ線における断面図である。

図１において、検出素子１００は、振動板１と、駆動部２と、検出部３と、膜５と、を備える。

振動板１は、例えば、シリコンを微細加工プロセスで形成れる。但し、シリコンに限らず、ステンレスなどを用いてもよい。

駆動部２は、振動板１の上に、下部電極５０、圧電層５２、上部電極５４、を積層した構造体である。駆動部２は、後述する駆動回路からの電気信号が入力されることで、圧電層５２が伸張、収縮する。圧電層５２が伸張、収縮することで振動板１に振動が生じる。

検出部３は、振動板１の上に、下部電極５０、圧電層５２、上部電極５４、を積層した構造体である。振動板１に生じた振動に応じた検出信号を後述する後述する検出回路に出力する。振動板１の変形に起因する周波数の変化を検出することができる。

膜５は、特定のガスを吸着する性質を有する金属などの膜である。膜５にガスが吸着すると膜の体積、密度、ヤング率が変化し、それにより内部応力が発生し膜が変形する。これに伴い振動板１が変形する。これより、周波数変化を検出しあらかじめ測定により得ていたガス濃度と周波数変化量のデータからガスの濃度を同定することができる。

膜５の材料として、アンモニアガスを吸着するモリブデンを用いることで、アンモニアを検出する膜として用いることができる。

膜５の材料として、一酸化炭素を吸着するニッケルや銀を用いることで、アンモニアを検出する膜として用いることができる。

膜５の材料として、一酸化窒素を吸着するゼオライトを用いることで、一酸化窒素を検出する膜として用いることができる。

膜５の材料として、水を吸着するポリアニリンを用いることで、水（湿度）を検出する膜として用いることが出きる。

膜５の材料として、水素を吸着するパラジウムを用いることで、水素を検出する膜として用いることが出きる。

膜５の材料として、二酸化炭素を吸着する金属策体を用いることで、二酸化炭素を検出する膜として用いることが出きる。

絶縁膜６は、上部電極５４と膜５の電気的絶縁を取る目的で形成され、酸化シリコンや窒化シリコンなどが用いられる。

図２はガスセンサのブロック図である。ガスセンサ２００は、検出素子１００と、検出素子１００に接続する駆動回路３２と、駆動回路３２に接続する検出回路３４と、を備える。

駆動回路３２は、電気信号を駆動部２に与えることで、振動板１を発振させる。

検出回路３４は、この発振により生じた振動を検出部３に与えることで信号（周波数信号）を出力している。

検出素子１００の膜５にガスが吸着し、振動板１が変形すると共振周波数が変化する。その周波数の変化量を検出回路３４で測定することにより、周波数の変化に対応したガスの量（濃度）を測定することができる。

図３（ａ）は、本実施の形態の別の検出素子１０２の図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡＡ線における断面図である。

検出素子１０２は、駆動部２、検出部３、膜５、の間に一定の隙間を設けている。この隙間を設けることにより、絶縁膜６を省略することができ、製作プロセスの簡略化を図ることができる。

図４（ａ）は、本実施の形態の別の検出素子１０３の図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡＡ線における断面図であるである。

検出素子１０３は、振動板１がアーム１ａと、アーム１ｂと、を有している。

アーム１ａは、駆動部２を有する。

アーム１ｂは、検出部３と、膜５と、を有する。

すなわち、駆動部２と検出部３とが異なるアームに設けられている。

これにより、アーム１ｂの励振精度が向上し、膜５にガスが吸着したときの周波数の変化の分解能を向上させることができる。すなわちガスセンサとしての高感度化を実現することができる。

図５（ａ）は、本実施の形態の別の検出素子１０４の図である。

検出素子１０４は、振動板１がアーム１ｄとアーム１ｅ、アーム１ｆと、を有している。

アーム１ｄは、駆動部２と、検出部３と、膜５と、を有する。

アーム１ｅは、駆動部２と、検出部３と、膜５と、を有する。

アーム１ｆは、駆動部２と、検出部３と、膜５と、を有する。

ここで、アーム１ｄの長さよりアーム１ｅの長さの方が長い。アーム１ｅの長さよりアーム１ｆの長さの方が長い。各アームの長さは整数倍が望ましい。

これにより、膜５が経年劣化することによりガスの吸着量が変化した場合でも、アームの長さの違うものから得られたデータから補完あるいは補正することができる。

図６は、本実施の形態の別の検出素子１０５の図である。

検出素子１０５は、振動板１がアーム１ｈ、アーム１ｉ、アーム１ｊ、アーム１ｋ、アーム１ｌ、を有している。

アーム１ｈ〜１ｌはそれぞれ、駆動部２と、検出部３と、膜５と、を有する。

アーム１ｈ〜１ｌの長さはそれぞれ、同じ長さである。

膜５の組成は、アーム１ｈ〜１ｌのそれぞれで異なり、それぞれのアームが異なる気体を吸着する。

これにより、複数のガスを同時に測定することができる。

なお、図６では５本のアームを備える場合について記載するが、５本に限らない。２本あれば、複数の種類の気体を検出することができる。

図７は、本実施の形態のガスセンサ２００が備える流路３００の図である。図７において、検出されるガスの入り口に「ＩＮ」、検出されるガスの出口に「ＯＵＴ」と記載する。以降、他の図面においても同じである。

図７の場合では、振動板１は、シリコン６０と、酸化シリコン６２と、シリコン６４と、を有する。別の表現では、振動板１はＳＯＩ基板を用いて形成されている。その他の検出素子の構造は、図１などで記載した構造も同じである。

流路３００は、振動板１の上面に接続する接着剤などからなる接続部７０と、接続部７０の上に接続するガラスなどからなる基板７２と、振動板１の下面に接続するガラスなどからなる基板７４と、振動板１の上の基板７２に対向する側の面には第２の駆動部８を設けている。第２の駆動部８は、上部電極と下部電極と圧電層と積層した構造を有する。また、第２の駆動部８を保護する絶縁層は説明の簡単化のため図面から省略する。第２の駆動部は、ＩＮからＯＵＴへの気流の流れを作り出すポンプの機能を有する第２の駆動部である。第２の駆動部の動作は後述する。

シリコン６４は、基板７４との間に第１の間隙８０と第２の間隙８２を有する。

振動板１は、シリコン６４と酸化シリコン６２とを貫通し、第１の間隙８０に接続する第１の貫通孔８４、第２の貫通孔８６と、を有する。

シリコン６０は、第１の貫通孔８４と繋がる第３の貫通孔と、第２の貫通孔８６と繋がる第４の貫通孔９０と、を有する。

酸化シリコン６２は、第１の貫通孔８４と繋がる第１の後退部９２と、第２の貫通孔８６と繋がる第２の後退部９４と、を有する。別の表現では、駆動部２（あるいは、検出部３、膜５）を設けた部分の直下において、酸化シリコン６２は設けない。

図７の流路での気体の流れは、第２の駆動部８に断続的に電圧を印加すると圧電層５２が当接したシリコン６０に相当する振動板が初期位置から上方に変位する動作を連続的に行うことにより、ポンプとして機能し、第１の間隙から吸入した気体は図中の矢印の方向に進み、第１の貫通孔８４および第３の貫通孔８８を通り、検出部３に到達する。その後、第４の貫通孔９０および第２の貫通孔８６を通り、第２の間隙８２から排出される。

図７の流路の製造プロセスは、ＳＯＩ基板のシリコン６０側に圧電層を形成し、フォトリソグラフィーとドライエッチングで検出部３と第２の駆動部の形状加工を行い、シリコン６０をシリコンディープエッチングにより酸化シリコン６２の上面表面まで形状加工を行う。次にシリコン６４側の第１の間隙８０と第２の間隙部分をシリコンディープエッチングにより形状加工し、さらに第１の貫通孔８４と第２の貫通孔８６をシリコンディープエッチングにより酸化シリコン６２の下面表面まで形状加工を行う。次に第２の貫通孔８６と第２の後退部９４、第１の貫通孔８４と第１の後退部９２の上方に存在する酸化シリコン６２の領域をフッ化水素酸のウェットエッチングにより除去し、構造体を開放する。最後に基板７２を一定の厚みで塗布した接続部７０を介して接合し、基板７４を裏面側に接合する。

図８は、本実施の形態のガスセンサ２００が備える別の流路３０１の図である。

図８の場合では、振動板１は、シリコン６０と、酸化シリコン６２と、シリコン６４と、を有する。別の表現では、振動板１はＳＯＩ基板を用いて形成されている。

流路３０１は、振動板１の上面に接続する接着剤などからなる接続部７０と、接続部７０の上に接続するガラスなどからなる基板７２と、振動板１の下面に接続するシリコンなどからなる基板７４と、を備える。

流路３０１との違いは、基板７４に複数の凹部を設けている点である。これにより、例えば、検出ガスが車の排気ガスのように高温であったとしても、基板７４から外部に熱が後出されるので、流路３０１の温度上昇を抑制することできる。このため、センサの温度特性を向上することができる。その他の構成は流路３０１と同じである。

図８の流路での気体の流れは、第２の駆動部８に断続的に電圧を印加すると第２の駆動部８が当接したシリコン６０に相当する振動板が初期位置から上方に変位する動作を連続的に行うことにより、ポンプとして機能し、第１の間隙から吸入した気体は図中の矢印の方向に進み、第１の貫通孔８４および第３の貫通孔８８を通り、検出部３に到達する。その後、第４の貫通孔９０および第２の貫通孔８６を通り、第２の間隙８２から排出される。

図８の流路の製造プロセスは、ＳＯＩ基板のシリコン６０側に圧電層を形成し、フォトリソグラフィーとドライエッチングで検出部３と第２の駆動部の形状加工を行い、シリコン６０をシリコンディープエッチングにより酸化シリコン６２の上面表面まで形状加工を行う。次にシリコン６４側の第１の間隙８０と第２の間隙８２をシリコンディープエッチングにより形状加工し、さらに第１の貫通孔８４と第２の貫通孔８６をシリコンディープエッチングにより酸化シリコン６２の下面表面まで形状加工を行う。次に第２の貫通孔８６と第２の後退部９４、第１の貫通孔８４と第１の後退部９２の上方に存在する酸化シリコン６２の領域をフッ化水素酸のウェットエッチングにより除去し、構造体を開放する。最後に基板７２を一定の厚みで塗布した接続部７０を介して接合し、あらかじめシリコンディープエッチングで多数の溝加工を施した基板７４を裏面側に接合する。

図９は、本実施の形態のガスセンサ２００が備える別の流路３０２の図である。

図９の場合では、振動板１は、シリコン６０と、酸化シリコン６２と、シリコン６４と、を有する。別の表現では、振動板１はＳＯＩ基板を用いて形成されている。

流路３０２は、振動板１の上面に接続する接着剤などからなる接続部７０と、接続部７０の上に接続するガラスなどからなる基板７２と、振動板１の下面に接続するシリコンなどからなる基板７４と、を備える。

流路３０１との違いは、基板７４とシリコン６４との間に細孔部７６を設け、更に、基板７４の下面にヒーター７８を設けている点である。その他の構成は流路３０１と同じである。

細孔部７６は、検出ガスの入り口付近に設けられる。これにより、検出ガス中に含まれる塵などの異物が流入することを抑制することができる。

ヒーター７８は、細孔部７６に侵入した塵などの異物を高温で分解する。これにより、細孔部の目詰まりを抑制することができる。

図９の流路での気体の流れは、第２の駆動部８に断続的に電圧を印加すると第２の駆動部８が当接したシリコン６０に相当する振動板が初期位置から上方に変位する動作を連続的に行うことにより、ポンプとして機能し、第１の間隙から吸入した気体は図中の矢印の方向に進み、細孔部７６、第１の貫通孔８４および第３の貫通孔８８を通り、検出部３に到達する。その後、第４の貫通孔９０および第２の貫通孔８６を通り、第２の間隙８２から排出される。

図９の流路の製造プロセスは、ＳＯＩ基板のシリコン６０側に圧電層を形成し、フォトリソグラフィーとドライエッチングで検出部３と第２の駆動部８の形状加工を行い、シリコン６０をシリコンディープエッチングにより酸化シリコン６２の上面表面まで形状加工を行う。次に細孔部７６に相当する部分にシリコンディープエッチングで多数の深溝加工した後、フッ化水素酸のウェットエッチング処理により多孔質化を図り、シリコン６４側の第２の間隙８２に相当する部分をシリコンディープエッチングにより形状加工し、さらに第１の貫通孔８４と第２の貫通孔８６をシリコンディープエッチングにより酸化シリコン６２の下面表面まで形状加工を行う。次に第２の貫通孔８６と第２の後退部９４第１の貫通孔８４と第１の後退部９２の上方に存在する酸化シリコン６２の領域をフッ化水素酸のウェットエッチングにより除去し、構造体を開放する。最後に基板７２を一定の厚みで塗布した接続部７０を介して接合し、ヒーター７８を構成するため、あらかじめ裏面側に白金をドライエッチングで形状加工した基板７４を裏面側に接合する。

図１０は、本実施の形態のガスセンサ２００が備える別の流路３０３の図である。

図１０の場合では、振動板１は、シリコン６０と、酸化シリコン６２と、シリコン６４と、を有する。別の表現では、振動板１はＳＯＩ基板を用いて形成されている。

流路３０３は、振動板１の上面に接続する接着剤などからなる接続部と、接続部の上に接続するガラスなどからなる基板と、振動板１の下面に接続するシリコンなどからなる基板と、を備える。

流路３０３は、基板７２とシリコン６０との間は気密構造であり、第２の駆動部８が設けられている。振動板１と基板７２との略中心付近に貫通孔９８が設けられる。別の表現では、シリコン６０の酸化シリコン６２と接しない側において、第２の駆動部８が設けられる。貫通孔９８の左右に２つの検出部３が設けられる。２つの検出部３はシリコン６４の基板７２と対向する側に設けられる。
別の表現では、
前記第１のシリコンの前記酸化シリコンと接しない側において、第２の駆動部を設けたシリコン６４は、基板７４との間に第１の間隙８０と第２の間隙８２を有する。

シリコン６０は、第１の貫通孔８４と繋がる第３の貫通孔８８と、第２の貫通孔８６と繋がる第４の貫通孔９０と、を有する。

酸化シリコン６２は、第１の貫通孔８４と繋がる第１の後退部９２と、第２の貫通孔８６と繋がる第２の後退部９４と、を有する。

また、第１の貫通孔８４と貫通孔９８との間と、第２の貫通孔と貫通孔９８との間とにおいて、酸化シリコン６２は、少なくとも一部が除去されている。

図１０の流路での気体の流れは、第２の駆動部８に断続的に電圧を印加すると第２の駆動部８が当接したダイアフラム部９６が初期位置から上方に変位する動作を連続的に行うことにより、ポンプとして機能し、貫通孔９８から吸入した気体は図中の矢印の方向に進み、第１の貫通孔８４および第２の貫通孔８６に分岐し、検出部３に到達する。その後、第１の後退部９２を通った気体は、第１の間隙８０から排出され、第２の後退部９４を通った気体は、第２の間隙８２から排出される。

図１０の流路の製造プロセスは、ＳＯＩ基板のシリコン６０側とシリコン６４側に圧電層を形成する。この際、片側ずつスパッタリング法で圧電層を形成してもよいし、ゾルゲル法用いるために圧電層の前駆体溶液にＳＯＩ基板を浸漬してディッピングで両面同時に形成してもよい。次に第２の駆動部８に相当する部分をフォトリソグラフィーとドライエッチングで形状加工を行う。次にシリコン６４側の検出部３に相当する部分をフォトリソグラフィーとドライエッチングで形状加工を行い、貫通孔９８と第１の貫通孔８４と第２の貫通孔８６をシリコンディープエッチングにより酸化シリコン６２の下面表面まで形状加工を行う。次にダイアフラム部９６の下部に存在する酸化シリコン６２の領域をフッ化水素酸のウェットエッチングにより除去し、構造体を開放する。最後に基板７２を一定の厚みで塗布した接続部７０を介して接合し、あらかじめ第１の間隙８０と第２の間隙８２をシリコンディープエッチングにより形状加工し、さらに貫通孔９８に相当する部分をプエッチングにより形状加工した基板７４を裏面側に接合する。

本発明の振動ガスセンサは、電子機器などに用いるとして有用である。

１振動板
１ａ、１ｂアーム
１ｄ、１ｅ、１ｆアーム
１ｈ、１ｉ、１ｊ、１ｋ、１ｌアーム
２駆動部
３検出部
５膜
６絶縁膜
８第２の駆動部
３２駆動回路
３４検出回路
５０下部電極
５２圧電層
５４上部電極
６０シリコン
６２酸化シリコン
６４シリコン
７０接続部
７２基板
７４基板
７６細孔部
７８ヒーター
８０第１の間隙
８２第２の間隙
８４第１の貫通孔
８６第２の貫通孔
８８第３の貫通孔
９０第４の貫通孔
９２第１の後退部
９４第２の後退部
９６ダイアフラム部
９８貫通孔
１００、１０２、１０３、１０４、１０５検出素子
２００ガスセンサ
３００、３０１、３０２、３０３流路

Claims

振動ガスセンサに用いる検出素子であって、
振動板と、
前記振動板の上に設けた駆動部と、
前記振動板の上に設けた検出部と、
前記振動板の上に設けた膜と、を備え、
前記駆動部は、下部電極と、圧電層と、上部電極と、を有し、
前記検出部は、下部電極と、圧電層と、上部電極と、を有し、
前記膜は、前記振動板の上に設けられる検出素子。
前記振動板と前記膜との間に絶縁層を有する請求項１の検出素子。
前記絶縁層は前記検出部の上部電極の上に設けられ、
前記膜は前記上部電極の上に設けた前記絶縁層の上に設けられる請求項２の検出素子。
前記駆動部と前記検出部との間において、前記膜は前記振動板の上に設けられる請求項１の検出素子。
前記振動板は、第１のアームと、第２のアームとを有し、
前記膜と前記検出部とは前記第１のアームに設けられ、
前記駆動部は前記第２のアームに設けられる請求項１の検出素子。
前記膜は前記検出部の上に設けられる請求項４の検出素子。
前記振動板は、第１のアームと、第２のアームと、第３のアームと、を有し、
前記駆動部と、前記検出部と、前記膜とは、前記第１、第２、第３のアームそれぞれに設けられる請求項６の検出素子。
前記第１のアームより前記第２のアームが長い請求項７の検出素子。
前記第２のアームより前記第３のアームが長い請求項８の検出素子。
前記振動板は、第１のアームと、第２のアームと、を有し、
前記駆動部と、前記検出部と、前記膜とは、前記第１．第２のアームそれぞれに設けられ、
前記第１のアームが有する膜と、前記第２のアームが有する膜とは互いに組成が異なる請求項１の検出素子。
前記振動板は、第１のシリコン、酸化シリコン、第２のシリコンと、を積層した構想を有し、
前記駆動部と前記検出部と前記膜とは前記第１のシリコンの上に設けられ、
前記駆動部と前記検出部と前記膜とを設けた部分の直下において、前記酸化シリコンは設けない請求項１の検出素子。
前記第１のシリコンの上に、下部電極と圧電層と上部電極とを有する第２の駆動部を更に備える請求項１１の検出素子。
前記第１のシリコンは、第１、第２の貫通孔を有する請求項１２の検出素子。
前記酸化シリコンは、第１、第２の貫通孔を有する請求項１３の検出素子。
前記第１のシリコンの第１の貫通孔と前記酸化シリコンの第１の貫通孔とは繋がり、
前記第１のシリコンの第２の貫通孔と前記酸化シリコンの第２の貫通孔とは繋がる請求項１４の検出素子。
前記振動板は、第１のシリコン、酸化シリコン、第２のシリコンと、を積層した構造を有し、
前記駆動部と前記検出部と前記膜とは前記第２のシリコンの上に設けられ、
前記第１のシリコンの前記酸化シリコンと接しない側において、第２の駆動部を設けた請求項１５の検出素子。