JP5507524B2

JP5507524B2 - 可燃性ガスセンサ

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Publication number: JP5507524B2
Application number: JP2011243012A
Authority: JP
Inventors: 利幸宇佐川; 伸男橋本
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2011-11-07
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2028-06-30
Also published as: JP2012027040A

Description

本発明は、可燃性ガスセンサに関し、特に、水素ガスを検知するガスセンサの実装構造に適用して有効な技術に関するものである。

例えば爆発の恐れがある可燃性ガス（例えば水素ガスまたはメタンガスなど）を検知するガスセンサの実装構造が、産業安全研究所技術指針、工場電気設備防爆指針（ガス蒸気防爆２００６）、独立行政法人産業安全研究所発行、ｐｐ１３８−１４３（非特許文献１）に記載されている。この基準に従ったガスセンサの実装構造が耐圧防爆構造として認定されている。耐圧防爆構造は、ガスセンサの実装内空間で万一ガス爆発が生じたときに、ガスセンサの実装外空間に存在する爆発性ガスに引火または爆発をおこさせないことを保証する構造である。

また、水素ガスを検知するガスセンサの一例として、１９７５年にランドストローム（Lundstroem）らによって提案されたゲートにＰｄを用いたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ（Metal oxide Semiconductor Field Effect Transistor）型水素ガスセンサ（非特許文献２）がある。その後、ゲート構造に幾多の工夫が加えられてはいるが、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ型水素ガスセンサは、その動作温度が、例えば１００〜１５０℃程度であり、接触燃焼式センサや金属酸化物半導体センサの動作温度３００〜５００℃よりも低いという特徴を有している。

また、特許第２８４８８１８号公報（特許文献１）には、ソース・ドレイン電極を跨いでゲート電極の延長ゲートを構成し、延長ゲートの下にシリコン基板をリセスして配置したマイクロヒータにより局部的に加熱し、水素ガスを延長ゲートで解離させてゲート電極中を拡散させることにより、ゲート絶縁膜界面に水素を運ぶＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ型水素ガスセンサが開示されている。

また、燃料電池自動車・家庭用燃料電池の実用化に向けて２００７ＮＥＤＯ平成１８年度成果報告シンポジウム、７月１２日（第３日）ポスター発表要旨集、ｐ８４（非特許文献３）には、半導体チップ上にヒータと、センサ素子と、温度を計測するｐｎ接合ダイオードとを搭載したセンサチップを備えるＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ型水素ガスセンサが記載されている。

特許第２８４８８１８号公報

産業安全研究所技術指針、工場電気設備防爆指針（ガス蒸気防爆２００６）、独立行政法人産業安全研究所発行、ｐｐ１３８−１４３ I. Lundstroem Sensors and Actuators，Ｂ１（１９９０），ｐｐ１５−２０燃料電池自動車・家庭用燃料電池の実用化に向けて２００７ＮＥＤＯ平成１８年度成果報告シンポジウム、７月１２日（第３日）ポスター発表要旨集、ｐ８４

一般に、可燃性ガスを検知する多くのセンサ部分の大きさは数ミリ程度、重量は５０ｍｇ程度であるが、前述した耐圧防爆構造を採用すると外形容量は６５０ｍＬ程度（外形寸法：約７０（Ｗ）×１５０（Ｈ）×１１０（Ｄ）ｍｍ、取り付け金具含まず）と大きくなり、重量も９００ｇ程度と重くなるので、耐圧防爆構造のガスセンサの設置場所に制限が加わり、実際の設置時における作業性も悪くなる。そのため、可燃性ガスの場合、ガス漏れが発生する箇所が予め予測できるにもかかわらず、ガス漏れが発生する可能性が高い箇所に常に耐圧防爆構造のガスセンサを設置することができないという課題がある。爆発の恐れがある可燃性ガス、特に水素ガスは拡散が非常に早いことから、漏れる危険性のある箇所にガスセンサを置かないと、開放空間であれば見逃す恐れがあり、密閉空間であればガスセンサが反応するよりも先に爆発する恐れがある。

また、厳密な意味では防爆領域とは言えないが、爆発の恐れがある場所、例えばガソリンスタンドまたは水素ガスなどをキャリアガスとして多用する半導体工場などにおいても、防爆性能を備えたガスセンサをガス漏れが発生する可能性が高い場所に設置することが望まれている。しかし、このような爆発の恐れがある場所であっても、前述したように、耐圧防爆構造のガスセンサの設置場所には制限が加わるため、ガス漏れの危険性のある場所に耐圧防爆構造のガスセンサを常に設置することができない。また、新規の取り付けや寿命保証によるガスセンサの交換の作業性も悪いという問題もある。

そこで、例えば可燃性ガスの発生元にガスセンサを設置する場合には、前述した耐圧防爆構造を採用せずにセンサ部分のみを設置することもある。しかし、耐圧防爆構造を採用していないので当然に防爆性が保証できない。

また、前述した防爆指針によれば、耐圧防爆構造の防爆の最も核となるフレームアレスタ部分に焼結金属を用いた場合、公称ろ過径の最大値は７０〜１２０μｍ、厚さの最小値は２〜４ｍｍと決められている。また、フレームアレスタ部分に焼結金網を用いた場合、１００メッシュ金網の最小焼結枚数は４〜８枚、異メッシュ５層焼結金網の公称ろ過径の最大値は１００μｍ、厚さの最小枚数は１枚と決められている。また、外部からの衝撃にも耐えるように強度基準が設けられており、通常ガスセンサは鉄製の保護カバーを備えている。このように、耐圧防爆構造を実現するには特殊な構造を要するため、耐圧防爆構造のガスセンサの製造価格が非常に高くなる傾向にある。

また、可燃性ガスを検知する多くのガスセンサでは、防爆性に加えて、ガスセンサの信頼性を保証するために、外気による擾乱（例えば湿気、塩分、ＮＯｘなどのガスまたは粉塵など）からガスセンサを守る実装も不可欠である。

ところで、前述した水素ガスを検知するＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ型水素ガスセンサでは、１００〜１５０℃程度の動作温度を維持した状態でセンサチップの消費電力を下げることにより、センサチップに防爆性を持たせることができる。事実、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ型水素ガスセンサの消費電力を２５ｍＷ以下とし、定格電圧１．２Ｖ以下、定格電流０．１Ａ以下の動作条件を実現できれば、センサチップに防爆構造は不要になることが法律的にも認められている。

しかし、一般に可燃性ガスセンサのセンサチップの消費電力は数１００ｍＷ程度であることが多い。例えば接触燃焼式と呼ばれる動作温度３００〜５００℃のセンサでは、センサチップのサイズを２００μｍ程度と小さくした「μ−ＣＳセンサ」においてさえも、その消費電力は７０ｍＷ程度であり、さらに低消費電力化することは容易ではない。また、宇佐川らの日本国特許出願第２００８−１５６４２７号（２００８．６．１６出願）に開示されたガスセンサにおいては、１００〜１５０℃程度で動作させる時の消費電力は１００〜１５０ｍＷ程度となり、消費電力が２５ｍＷ以下で、定格電圧１．２Ｖ以下、定格電流０．１Ａ以下を実現することができなかった。さらに、前述した特許文献１に記載されたＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ型水素ガスセンサでは、ゲート絶縁膜近傍のゲート電極の温度が上昇せず、拡散距離が長いために応答速度が遅いという問題もある。

本発明の目的は、軽量小型で、防爆性を有する可燃性ガスセンサを実現することのできる技術を提供することにある。

また、本発明の目的は、ガスセンサ特性を損なうことなく、消費電力が２５ｍＷ以下で、定格電圧１．２Ｖ以下、定格電流０．１Ａ以下のＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ型水素ガスセンサを実現することのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態を簡単に説明すれば、次のとおりである。

この実施の形態は、センサチップと、センサチップを搭載するステムと、センサチップとステムとの間に挿入された断熱材と、側部の最下部がステムの外周と溶接された金属キャップとを含み、ステムと金属キャップとによってセンサチップを囲む可燃性ガスセンサである。金属キャップの上部には穴が形成されており、金属キャップの内側にその穴を覆う防水透湿性素材が断熱材によりかしめられている。防水透湿性素材の穴径は１〜４μｍ、厚さは０．３〜１ｍｍである。

また、この実施の形態は、センサチップと、センサチップを搭載するステムと、センサチップとステムとの間に挿入された断熱材とを含む可燃性ガスセンサである。センサチップには、センサ用電界効果トランジスタ、参照用電界効果トランジスタ、ヒータ配線およびｐｎ接合ダイオードが形成されており、センサ用電界効果トランジスタの触媒金属ゲートとソース電極との間隙および触媒金属ゲートとドレイン電極との間隙の距離を長くして、ここにヒータ配線が形成され、触媒金属ゲートおよびヒータ配線が形成された領域の基板の厚さが、触媒金属ゲートおよびヒータ配線が形成されていない領域の基板の厚さよりも薄く加工されている。触媒金属ゲートおよびヒータ配線が形成された領域の基板の厚さは０．１〜２０μｍである。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの一実施の形態によって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

軽量小型で、防爆性を有する可燃性ガスセンサを実現することができる。また、ガスセンサ特性を損なうことなく、消費電力が２５ｍＷ以下で、定格電圧１．２Ｖ以下、定格電流０．１Ａ以下のＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ型水素ガスセンサを実現することができる。

本実施の形態１による可燃性ガスセンサを説明する図であり、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ可燃性ガスセンサの要部断面図、底面図および防水透湿性素材をかしめるための部品の斜視図である。（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ防水透湿性素材および金属焼結体板の火炎強さと膜厚との関係を示すグラフ図、防水透湿性素材の内部状態を説明する模式図および金属焼結体板の内部状態を説明する模式図である。本実施の形態１による可燃性ガスセンサに備わるセンサチップの一例の光学顕微鏡写真である。本実施の形態１による可燃性ガスセンサに備わるセンサチップが貼り付けられた断熱材の上面図である。本実施の形態１による可燃性ガスセンサに備わるセンサチップが貼り付けられた断熱材の光学顕微鏡写真である。本実施の形態１による可燃性ガスセンサの要部断面図である。本実施の形態１による水素防爆実験に用いた容器の要部断面図である。本実施の形態１による可燃性ガスセンサと同じ実装構造の爆発実験用試料の要部断面図である。本発明者らが比較のために形成した爆発実験用試料の要部断面図である。本発明者らが比較のために形成した爆発実験用試料の要部断面図である。（ａ）および（ｂ）はそれぞれ塩害試験に用いた本実施の形態１による可燃性ガスセンサの要部断面図および底面図を示す。本実施の形態１による可燃性ガスセンサの耐塩害性を説明する図であり、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ塩害試験を行っていない試料のＳＥＭ写真、厳しさ（１）の塩害試験を行った後の試料のＳＥＭ写真および厳しさ（２）の塩害試験を行った後の試料のＳＥＭ写真である。本実施の形態１による可燃性ガスセンサの耐防塵性を説明する図であり、粉塵試験１２日経過後のセンサチップのＳＥＭ写真を示す。本実施の形態２による可燃性ガスセンサの第１例の要部断面図である。本実施の形態２による可燃性ガスセンサの第２例の要部断面図である。本実施の形態３による可燃性ガスセンサに備わるセンサチップを説明する図であり、（ａ）および（ｂ）はそれぞれセンサチップのセンサ用ｎチャネルＭＩＳが配置されたヒータ配線領域の要部断面図および要部平面図である。本実施の形態３による可燃性ガスセンサに備わるセンサチップを説明する図であり、センサチップの参照用ｎチャネルＭＩＳが配置されたヒータ配線領域の要部断面図である。本実施の形態３による可燃性ガスセンサのヒータ配線の抵抗と消費電力との関係を説明するグラフ図を示す。本実施の形態４によるセンサノードのシステム展開図である。本実施の形態４による簡易防爆構造のセンサキットの断面模式図である。本実施の形態４による簡易防爆構造のセンサキットを説明する図であり、（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれセンサチップを含むセンサ部分の要部断面図、センサノード基板モジュールに備わるソケットの斜視図およびセンサノード基板モジュールに備わるソケットの平面図である。本実施の形態５による簡易防爆構造の接触燃焼式メタンガスセンサの基本的な構成を説明する接触燃焼式メタンガスセンサの断面模式図である。

以下の実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、以下の実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、以下の実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、以下の実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。また、以下の実施の形態においては、電界効果トランジスタを代表するＭＩＳＦＥＴ（Metal Insulator Semiconductor Field Effect Transistor）をＭＩＳと略し、ｐチャネル型のＭＩＳＦＥＴをｐチャネルＭＩＳと略し、ｎチャネル型のＭＩＳＦＥＴをｎチャネルＭＩＳと略す。なお、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor ＦＥＴ）は、そのゲート絶縁膜が酸化シリコン（ＳｉＯ_２等）膜からなる構造の電界効果トランジスタであり、上記ＭＩＳの下位概念に含まれるものとする。また、以下の実施の形態において、ウエハと言うときは、Ｓｉ（Silicon）単結晶ウエハを主とするが、それのみではなく、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハ、集積回路をその上に形成するための絶縁膜基板等を指すものとする。その形も円形またはほぼ円形のみでなく、正方形、長方形等も含むものとする。

また、以下の実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

本発明の実施の形態では、可燃性ガスセンサの一例としてＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ型水素ガスセンサについて説明するが、別方式のガスセンサに適用できることは言うまでもない。

（実施の形態１）
本実施の形態１による簡易防爆構造の可燃性ガスセンサの基本的な構成を、図１を用いて説明する。図１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ可燃性ガスセンサの要部断面図、底面図および防水透湿性素材をかしめるための部品の斜視図である。

図１（ａ）および（ｂ）に示すように、可燃性ガスセンサＧＳ１では、センサチップ１を用いており、センサチップ１がステム２上に、断熱材３を介して配置されている。センサチップ１は断熱材３の上面に貼り付けられている。ステム２には、ステム２を貫通して、ステム２の表面（センサチップ１および断熱材３が配置された面側）と裏面（センサチップ１および断熱材３が配置された面と反対側）との両面に突出する複数のリード端子（ここでは１２本を例示している）４が備わっており、リード端子４は、リード端子４の外周に設けられたガラス材２ａによってステム２に固定されている。センサチップ１の主面上に形成された複数の電極パッドとステム２に繋がる複数のリード端子４とがそれぞれワイヤ５によって接続されている。

さらに、センサチップ１、断熱材３および複数のワイヤ５は、円筒形状の金属キャップ６により覆われており、金属キャップ６の側部の最下部（つばの部分６ａ）がステム２の周囲と溶接によって接合されている。センサチップ１は外気中の水素ガスを検出することから、金属キャップ６には、金属キャップ６の内側に外気を導入するための穴８が金属キャップ６の上部のほぼ中央部に形成されている。さらに、金属キャップ６の内側には、金属キャップ６の上部に接して防水透湿性素材９が設置されており、図１（ｃ）に示す円柱形状の断熱材１０によって防水透湿性素材９はかしめられている。本実施の形態１では、穴８を金属キャップ６の上部に設けたが、これに限定されるものではなく、例えば金属キャップ６の側部に形成してもよい。

防水透湿性素材９は、例えば環境外気（例えば空気など）やガスなどを直接出し入れすることのできる多孔質膜である。この防水透湿性素材９は、耐水性の他に防塵性または耐薬品性としての効果も有しており、さらには防爆機能も有している。典型的な防水透湿性素材９としては、例えばフッ素樹脂の典型であるポリテトラフルオロエチレンを延伸加工したフィルムとポリウレタンポリマーとを複合化して作るゴアテックス（登録商標）などがある。防水透湿性素材９は、水蒸気は通すが水は通さないという特徴（防水性と透湿性との両立）があり、例えば上記ゴアテックスでは、１ｃｍ^２当たり１４億個の微細な穴を含んでいる。

次に、本実施の形態１による防水透湿性素材の防爆性について図２を用いて説明する。図２は防水透湿性素材の防爆性を説明するための補助図であり、図２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ防水透湿性素材および金属焼結体板の火炎強さと膜厚との関係を示すグラフ図、防水透湿性素材の内部状態を説明する模式図および金属焼結体板の内部状態を説明する模式図である。

前述した可燃性ガスセンサＧＳ１に備わるセンサチップ１の動作温度は、例えば１００〜１５０℃であるが、可燃性ガスセンサＧＳ１の実装構造を、金属キャップ６の内側で水素ガスが爆発しても金属キャップ６の外側に存在する水素ガスに引火し、爆発させない構造とする必要がある。ガス爆発の理論によれば、ガス燃焼の火炎がガス中を伝播し、壁を通り抜けるときに冷却されて壁中で死滅すれば外部への引火爆発は起こらないが、ガス燃焼の火炎が壁を通りぬければ外部への引火爆発は起こってしまう。この現象を支配する要因は、壁の穴の粒径、壁の穴の密度、壁を構成する材質の熱伝導度、火炎伝播に晒される壁の面積などであり、さらに実装内部の体積が大きくなると、実装内部での爆発エネルギーが大きくなることから、ガスが閉じ込められている実装内部の体積も考慮する必要がある。

従って、本実施の形態１では、実装内部（金属キャップ６の内側）の体積が一定とすれば、実装空間を作る壁である金属キャップ６と多孔質膜からなる防水透湿性素材９とが被る圧力が主として問題となり、特に、金属キャップ６に設けられた穴８の部分に位置し、金属キャップ６よりも強度の弱い防水透湿性素材９に被る圧力が問題となる。

そこで、可燃性ガスセンサＧＳ１で用いた防水透湿性素材９と同じ材質の多孔質膜の防爆性の試験を行った。図２（ａ）に防水透湿性素材（可燃性ガスセンサＧＳ１で用いた防水透湿性素材９と同じ材質）を通り抜ける火炎強さと膜厚との関係を示す。比較のために、金属焼結体板を通り抜ける火炎強さと膜厚との関係も同図に示す。防水透湿性素材９の内部状態は、図２（ｂ）に示すように、ポリテトラフルオロエチレン１１と空隙１２とからなり、空隙１２の穴径は、例えば１〜４μｍである。また、金属焼結体板の内部状態は、図２（ｃ）に示すように、金属焼結体１３と空隙１４とからなり、空隙１４の穴径は、例えば１００μｍ程度である。

図２（ａ）に示すように、防水透湿性素材および金属焼結体板は、その膜厚が厚くなるに従い、通り抜ける火炎強さは減衰する。しかし、その通り抜ける火炎強さの減衰の様子は、防水透湿性素材と金属焼結体板とで異なり、同じ膜厚（同一体積、同一被爆面積）で比較すると、空隙の穴径が小さい防水透湿性素材の方が、空隙の穴径が大きい金属焼結体板よりも、通り抜ける火炎強さが小さくなっていることが分かる。従って、材質の熱伝導率の違いはあっても、空隙の穴径を小さくすることにより、多孔質膜の防爆効果が向上すると考えられる。

本実施の形態１では、金属キャップ６の上部に形成された穴８を防水透湿性素材９により覆っているが、防水透湿性素材９に、空隙の穴径が１〜４μｍの多孔質膜を用いることにより、火炎核を消滅させることができる。なお、実装内部で連続して爆発が繰り返し起こることがあり、この場合は発熱効果により防水透湿性素材９が融解する可能性がある。しかし、常時センサチップ１の温度またはヒータ配線の抵抗をモニタすることにより、実装内部で爆発は、直ぐに探知することができる。

次に、本実施の形態１による簡易防爆構造の可燃性ガスセンサの具体的な構造について図３〜図６を用いて説明する。図３は可燃性ガスセンサに備わるセンサチップの一例の光学顕微鏡写真、図４はセンサチップが貼り付けられた断熱材の上面図、図５はセンサチップが貼り付けられた断熱材の光学顕微鏡写真、図６は可燃性ガスセンサの要部断面図である。図３に示すセンサチップは、本発明者らが検討したセンサチップの一例であって、各素子の構成や配線は、これに限定されるものではない。

図３に示すように、センサチップ１は、シリコン基板１５上に、センサ用ｎチャネルＭＩＳ１６、参照用ｎチャネルＭＩＳ１７、金属配線によるヒータ１８、チップ温度を計測するためのｐｎ接合ダイオード１９、および複数の電極パッド２０が配置された構造を有している。センサ用ｎチャネルＭＩＳ１６と参照用ｎチャネルＭＩＳ１７とはほぼ同一の構造をしており、センサ用ｎチャネルＭＩＳ１６および参照用ｎチャネルＭＩＳ１７の触媒金属ゲートのゲート長は、例えば２０μｍ、ゲート幅は、例えば３００μｍである。

センサ用ｎチャネルＭＩＳ１６の触媒金属ゲート、ソース領域およびドレイン領域はそれぞれ配線２１を介して電極パッド２０に接続されている。同様に、参照用ｎチャネルＭＩＳ１７の触媒金属ゲート、ソース領域およびドレイン領域はそれぞれ配線２１を介して電極パッド２０に接続されている。また、ヒータ１８の両端はそれぞれ配線２１を介して電極パッド２０に接続されており、ｐｎ接合ダイオード１９のｐ領域およびｎ領域はそれぞれ配線２１を介して電極パッド２０に接続されている。

図４〜図６に示すように、センサチップ１は、ＰＥＥＫ材（ポリエーテル・エーテル・ケトン材）を３〜５ｍｍの高さの円柱状に加工した断熱材３の上面に接着され、断熱材３はステム（例えばＴＯ系のＴＯ５−１２ピン）２の上面に接着している。ステム２は、例えばＡｕめっきされたＫｏｖａｒ（ＦｅにＮｉおよびＣｏを配合した合金）製であり、その台座内径は、例えば７．６φである。センサチップ１の厚さは、例えば２００〜５００μｍ、チップサイズは、例えば２ｍｍ×２ｍｍである。金属キャップ６は、例えばＡｕめっきされたＫｏｖａｒ製である。金属キャップ６の高さは、例えば１５ｍｍ、金属キャップ６の上部に形成された穴８の直径は、例えば０．５〜１．５ｍｍである。防水透湿性素材９の穴径は１〜４μｍ、その厚さは、例えば０．３〜１ｍｍである。断熱材１０の厚さは、例えば３ｍｍであり、金属キャップ６の内側にかしめられている。金属キャップ６とステム２とは、金属キャップ６の側部の最下部（つばの部分６ａ）において抵抗溶接法により溶接されている。

断熱材３の外周領域には、ステム２を貫通して設けられた１２本のリード端子４が配置されている。センサチップ１に設けられた複数の電極パッド２０のうち、センサ用ｎチャネルＭＩＳ１６の触媒金属ゲート、ソース領域およびドレイン領域とそれぞれ配線２１を介して電気的に接続された電極パッド２０、参照用ｎチャネルＭＩＳ１７の触媒金属ゲート、ソース領域およびドレイン領域とそれぞれ配線２１を介して電気的に接続された電極パッド２０、ヒータ１８の両端とそれぞれ配線２１を介して電気的に接続された電極パッド２０、ｐｎ接合ダイオード１９のｐ領域およびｎ領域とそれぞれ配線２１を介して電気的に接続された電極パッド２０は、ワイヤ５を用いてそれぞれリード端子４と接続されている。ワイヤ５は、例えばＡｌ線またはＡｕ線である。ワイヤ５のボンディングを容易に行うために、リード端子４は断熱材３中を貫通させる形で、センサチップ１が貼り付けられた断熱材３の上面よりも低く形成されている。また、センサチップ１のアースを取るためのリード端子４を１本設けており、これによりセンサチップ１の電気的特性を安定させている。ここでは、ウェル層や基板等へ電気的に接続される配線の図示は省略している。

次に、本実施の形態１による可燃性ガスセンサの防爆性能について説明する。以下に、本発明者らが行った水素爆発実験およびその結果について図７〜図１０を用いて説明する。図７は水素防爆実験に用いた容器の要部断面図、図８は本実施の形態１による可燃性ガスセンサと同じ実装構造の爆発実験用試料の要部断面図、図９および図１０は本発明者らが比較のために形成した爆発実験用試料の要部断面図である。

水素爆発実験には、図７に示す約５０ｍＬの銅製の容器３５を使用した。容器３５には水素着火温度が５６０℃以上に加熱できるニクロム線（図示は省略）が装着されている。容器３５の上部は、例えばポリ塩化ビニリデンからなるフィルム３６で覆い、粘土３７を用いて容器３５とフィルム３６とを接着している。この容器３５の内部に爆発実験用試料（例えば図示する爆発実験用試料Ｓ１）を据え付けて、外部から電圧５.０Ｖ、電流０．５Ａ以下を加えることにより、爆発実験用試料が爆発するか否かの実験を行った。爆発が起きなかった場合には、ニクロム線を通電して水素爆発を確認し、これを容器３５の内部に爆発に至る濃度の水素ガスが充満していたことの証拠とした。水素ガスの濃度は、理論的には容器３５の内部の水素と酸素とが全て燃え尽くす約３０％とした。

図８に示す本実施の形態１による可燃性ガスセンサと同じ実装構造の爆発実験用試料Ｓ１は、金属キャップ６および防水透湿性素材９を設置しており、この水素爆発実験には、３個の爆発実験用試料Ｓ１を使用した。金属キャップ６の上部に形成された穴８の直径は１．５ｍｍ、防水透湿性素材９の穴径は１μｍ、その厚さは０．３ｍｍである。図９に示す本発明者らが比較のために形成した爆発実験用比較試料ＲＳ１は、爆発実験用試料Ｓ１に対して、金属キャップ６は設置したが、防水透湿性素材９は設置していない。また、図１０に示す本発明者らが比較のために形成した爆発実験用比較試料ＲＳ２は、爆発実験用試料Ｓ１に対して、金属キャップ６および防水透湿性素材９は設置していない。また、図８〜図１０に示すように、これら全ての試料Ｓ１，ＲＳ１，ＲＳ２では、水素ガスの着火源にはタングステンフィラメント線３８を用い、タングステンフィラメント線３８の両端はそれぞれステム２を貫通して設置された異なるリード端子４に接続されている。

実験結果を表１にまとめる。金属キャップ６のみを実装し、防水透湿性素材９を実装していない爆発実験用比較試料ＲＳ１と、金属キャップ６および防水透湿性素材９を実装していない爆発実験用比較試料ＲＳ２では、外部から電圧５Ｖ、電流０．５Ａを加えて通電したところ、瞬時に爆発が生じた。これに対して、爆発実験用試料Ｓ１では、外部から電圧５Ｖ、電流０．５Ａを加えて通電しても爆発が生じなかった。爆発実験用試料Ｓ１に対しては、タングステンフィラメント線３８を燃焼させて、断線させた後、ニクロム線を通電して水素爆発を起こすことによって、爆発が可能な濃度の水素ガスが容器３５の内部に充満していたことを確認している。また、爆発実験用試料Ｓ１では、金属キャップ６の上部に設けられた穴８から、タングステンフィラメント線３８が燃え尽きるまで容器３５の内部で赤く燃焼していることを確認している。

また、他の水素爆発実験において、金属キャップ６の上部に形成された穴８の直径を０．５〜３ｍｍの範囲で用いたが、この範囲では防爆性に格段の違いは見られなかった。また、防水透湿性素材９の穴径を１〜４μｍの範囲で、厚さを０．３〜１ｍｍの範囲で用いたが、それぞれの範囲では防爆性に格段の差は見られなかった。これらの実験結果から、穴径が１〜４μｍ、厚さが０．３〜１ｍｍの防水透湿性素材９を用いた実装は防爆に対して有効であると考えられる。

厳密に言えば、この水素爆発実験は、２３〜５０秒までは容器３５の外部へ引火爆発しないことを示しているが、さらに長時間にわたり容器３５の内部でタングステンフィラメント線３８および水素ガスの燃焼が起こったときに、容器３５の外部へ引火爆発するのか、防水透湿性素材９は融解するのかなどの問題は残る。しかし、現実には、可燃性ガスセンサＧＳ１は長時間高温にさらされることはないため、問題はないと考えられる。

ところで、多くの可燃性ガスセンサでは、防爆性が強く、外気による擾乱（湿気、塩分、ＮＯｘなどのガスまたは粉塵など）から可燃性ガスセンサを守る実装技術が、可燃性ガスセンサの信頼性を保証するには不可欠である。

次に、本実施の形態１による可燃性ガスセンサの耐塩害性能について説明する。以下に、本発明者らが行った塩害試験の方法およびその結果について説明する。なお、防水透湿性素材が耐水性（Ｈ_２Ｏガスではない）または耐薬品性に強いことは、これまでにも実証されている。塩害試験は、常時海岸または洋上に設置される機器に対するＪＩＳ規格の塩害試験Ｃ６００６８−２−５２に準拠した。塩害試験Ｃ６００６８−２−５２には、塩害強度の違いにより、表２に示す厳しさ（１）と厳しさ（２）とがあるが、両者を適用した。

図１１（ａ）および（ｂ）に、塩害試験に用いた本実施の形態１による可燃性ガスセンサの要部断面図および底面図を示す。塩害試験に用いた可燃性ガスセンサＧＳ２では、前述した図１に示す可燃性ガスセンサＧＳ１に加えて、防水透湿性素材の役割を確かめるために、金属キャップ６の側部にチューブ状の防水透湿性素材３９を装填し、さらにステンレス線４０により、チューブ状の防水透湿性素材３９を締め付けている。チューブ状の防水透湿性素材３９には、互いに穴径の異なる２種類（２μｍと３．５μｍ）のチューブ状の防水透湿性素材３９を用いた。チューブ状の防水透湿性素材３９の厚さは、例えば０．８ｍｍである。

図１２に、本実施の形態１による可燃性ガスセンサの塩害試験後のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope：走査型電子顕微鏡）写真を示す。図１２（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はそれぞれ塩害試験を行っていない試料のＳＥＭ写真、厳しさ（１）の塩害試験を行った後の試料のＳＥＭ写真および厳しさ（２）の塩害試験を行った後の試料のＳＥＭ写真である。

可燃性ガスセンサＧＳ２のチューブ状の防水透湿性素材３９で覆われていない金属キャップ６の側部、金属キャップ６のつばの部分６ａとステム２との溶接部分、リード端子４とステム２との繋ぎのガラス材２ａには赤錆による腐食が発生し、ステム２の影響によりセンサチップ１に動作不良が生じた。また、リード端子４にも赤錆が発生し、少しの力を加えただけでも容易に折れた。

また、図１２（ｂ）のａ、ｂおよびｃで示す箇所、ならびに図１２（ｃ）のｄ、ｅ、ｆおよびｇで示す箇所において、ＥＤＸ（Energy Dispersive X-ray Fluorescence：エネルギー分散型蛍光Ｘ線分析法）により構成元素の分析を行ったところ、ｂ、ｄおよびｇで示す箇所では、金属キャップ６の表面をめっきするＡｕのみが検出されたが、ｃ、ｅおよびｆで示す箇所では、Ａｕめっきが剥がれており、Ｆｅなどが検出された。金属キャップ６のつばの部分６ａとステム２との溶接部分においては、溶接時にＡｕめっきが剥がれた場所ａで赤錆による腐食が著しく進んでいる。この溶接部分における腐食がステム２の表面にも広がっている箇所もある。ステム２に備わる１２本のリード端子４およびガラス材２ａでも腐食が観察されている。厳しさ（２）の塩害試験では、さらに金属キャップ６の側部の表面にも広く赤錆が認められた。

これに対して、チューブ状の防水透湿性素材３９で覆った部分は、厳しさ（１）および厳しさ（２）の塩害試験において錆は発生していない。ステンレス線４０についても錆の発生は認められなかった。

また、６個の試料について水素応答特性を測定したとこと、厳しさ（２）の塩害試験後では、４個の試料では水素応答特性ΔＶｇおよび応答速度に変化は無かったが、２個の試料においては応答速度の低下が見られ、６００秒経過しても応答速度は飽和しなかった。また、厳しさ（１）の塩害試験後では、水素応答特性ΔＶｇも応答速度も著しく低下したが、金属キャップ６を除去し、ワイヤ５を接続し直して再測定すると、応答速度は低下したままで変化はないが、水素応答特性ΔＶｇはある程度回復した。この様な現象の原因としては、金属キャップ６のつばの部分６ａとステム２との溶接部分の腐食が進んだ箇所からの塩分や水の侵入、金属キャップ６とステム２との間に発生した赤錆、またはリード端子４の周りに発生した赤錆などが考えられる。なお、この塩害試験では、センサチップ１のセンサ用ｎチャネルＭＩＳ１６のしきい値電圧Ｖｔｈには顕著な変化は見られなかった。

リード端子４とステム２との繋ぎのガラス材２ａで発生する錆は、ステム２の裏面をモールド材、例えばエポキシ樹脂などで覆うことにより防止することができる。

また、他の塩害試験において、金属キャップ６の上部に形成された穴８の直径を０．５〜３ｍｍの範囲で用いたが、この範囲では水素応答特性ΔＶｇに格段の違いは見られなかった。また、防水透湿性素材９の穴径を１〜４μｍの範囲で、厚さを０．３〜１ｍｍの範囲で用いたが、それぞれの範囲では水素応答特性ΔＶｇに格段の差は見られなかった。これらの実験結果から、穴径が１〜４μｍ、厚さが０．３〜１ｍｍの防水透湿性素材９を用いた実装は塩害に対して有効であると考えられる。

塩害を考慮する必要がない場合は、金属キャップ６およびＫｏｖａｒ製のステム２を用いることができる。これに対して、塩害を考慮する必要がある場合は、金属キャップ６およびステム２の外側を防水透湿性素材３９により覆うことにより、金属キャップ６およびステム２の腐食を防止することができる。なお、金属キャップ６およびステム２の外側を防水透湿性素材３９により覆う可燃性ガスセンサの他の例については、後述する実施の形態２において説明する。また、金属キャップ６およびステム２に代えて、セラミック製またはステンレス製のキャップおよびステムを用いることもできる。

次に、本実施の形態１による可燃性ガスセンサの実装構造の耐粉塵性能について説明する。以下に、本発明者らが行った粉塵試験の方法およびその結果について説明する。大気中の粉塵、特に自動車や各種施設から大気中に排出される粒子状物質（Particulate Matter）に対する防水透湿性素材の防止能力試験を行った。高速道路直近で、海岸から８０ｍ程度に立地する実際の水素ステーションにセンサチップおよび実装品である可燃性ガスセンサを設置し、半年間に渡ってこれら試料の劣化を観察した。

図１３に、粉塵試験１２日経過後のセンサチップのＳＥＭ写真を示す。図１３に示すように、大気中に排出される粒子状物質４１が、センサ用ｎチャネルＭＩＳ１６の触媒金属ゲート２８（ゲート長２０μｍ）を直撃しており、センサ用ｎチャネルＭＩＳ１６の動作特性に顕著な劣化が見られた。しかし、可燃性ガスセンサのゲート領域には、光学顕微鏡による観察では、異物は見られなかった。この結果から、防水透湿性素材を用いた実装は防塵にも効果があることがわかる。また、センサ用ｎチャネルＭＩＳ１６の動作特性も安定であり、水素応答特性ΔＶｇの変動も小さいことが確かめられた。

以上説明した防爆試験、塩害試験および防塵試験から、前述した図１に示す可燃性ガスセンサＧＳ１は防爆および防塵に対して有効であり、前述した図１１に示す可燃性ガスセンサＧＳ２は防爆、耐塩害および防塵に対して有効であることが言える。

このように、本実施の形態１によれば、センサチップ１を用いて可燃性ガスセンサＧＳ１を構成し、さらに断熱材３を介してセンサチップ１をステム２上に配置して金属キャップ６で覆う実装構造とすることにより、実装構造の内部の体積を、従来の耐圧防爆構造を採用したガスセンサの１／１０以下である１０ｍＬ以下（例えば前述した図４〜図６に示す可燃性ガスセンサＧＳ１の体積は０．５ｍＬ程度）とすることができる。また、金属キャップ６の上部には外気を導入するための穴８が形成されるが、この穴８を金属キャップ６の内側から防水透湿性素材９で覆うことにより、可燃性ガスセンサＧＳ１に防爆効果および防塵効果を持たせることができる。これにより、軽量小型で、防爆性を有する可燃性ガスセンサＧＳ１を実現することができる。さらに、金属キャップ６の外側をチューブ状の防水透湿性素材３９で覆うことにより、可燃性ガスセンサＧＳ１よりも耐塩害効果の高い可燃性ガスセンサＧＳ２を実現することができる。

ところで、防爆性および耐圧防爆構造のフレームアレスタでは、フレームアレスタの隙間を火炎が通過するときに熱を奪い、爆発温度以下にし、火炎が外部に漏れないように設計される。防爆には、フレームアレスタの隙間を火炎が通過するときに熱を奪い爆発温度以下とすることが必要である。本実施の形態１による可燃性ガスセンサＧＳ１では、厚さが０．３〜１μｍの防水透湿性素材９を用いているが、その公称ろ過径の最大値は１〜４μｍと小さく、また、金属キャップ６の内部の空間も０．５ｍＬと小さいので、ガス爆発のエネルギーが金属キャップ６の内部の空間の体積に比例することを考慮すれば、ガス爆発が外部に漏れることを防止するできることができる。また、小型軽量を考慮すると、金属よりも樹脂系材料が好適である。樹脂系材料は一般に耐熱性は劣るという問題はあるが、可燃性ガスセンサは長時間高温にさらされないことから、防水透湿性素材を使用することは問題とはならない。

（実施の形態２）
本実施の形態２では、金属キャップの外側も防水透湿性素材により覆った可燃性ガスセンサについて説明する。本実施の形態２による可燃性ガスセンサの基本的な構造を図１４および図１５を用いて説明する。図１４は本実施の形態２による可燃性ガスセンサの第１例の要部断面図、図１５は本実施の形態２による可燃性ガスセンサの第２例の要部断面図である。

図１４に示す可燃性ガスセンサＧＳ３は、前述した可燃性ガスセンサＧＳ１と同様に、金属キャップ６の内側に、金属キャップ６の上部に接して防水透湿性素材９を配置しており、さらにステム２と金属キャップ６のつばの部分６ａとの溶接部分を含めて、金属キャップ６の側部を全て防水透湿性素材３９で包み込む実装構造を有している。リード端子４とステム２との繋ぎのガラス材２ａで発生する錆は、ステム２の裏面をモールド材、例えばエポキシ樹脂４２などで覆うことにより防止することができる。

図１５に示す可燃性ガスセンサＧＳ４は、金属キャップ６の内側には防水透湿性素材９を配置せず、ステム２と金属キャップ６のつばの部分６ａとの溶接部分を含めて金属キャップ６の側部を全て防水透湿性素材３９で包み込み、さらに金属キャップ６の上部も全て防水透湿性素材３９で包み込む実装構造を有している。この場合、金属キャップ６の側部をカバーする防水透湿性素材３９と、金属キャップ６の上部に接して配置される防水透湿性素材９と、接続部分とを断熱材１０でかしめている。断熱材１０は、ＰＥＥＫ材を３〜５ｍｍの高さの円柱状にくりぬき、金属キャップ６の上面と側面に接着させている。リード端子４とステム２との繋ぎのガラス材２ａで発生する錆は、ステム２の裏面をモールド材、例えばエポキシ樹脂４２などで覆うことにより防止することができる。

なお、本実施の形態２では、前述した実施の形態１と同様に、金属キャップ６に形成する穴８を金属キャップ６の上部に設けたが、これに限定されるものではなく、例えば金属キャップ６の側部に形成してもよい。この場合も、金属キャップ６の外側に防水透湿性素材３９を装着することができる。

このように、本実施の形態２によれば、金属キャップ６の上部に設けられる穴８を金属キャップ６の内側から防水透湿性素材９で覆い、さらに金属キャップ６の側部を外側から防水透湿性素材３９で覆う、または金属キャップ６の上部および側部を外側から防水透湿性素材３９で覆うことによっても、防爆効果、耐塩害効果、防塵効果などを有することができる。これにより、可燃性ガスセンサＧＳ１，ＧＳ２よりも、耐塩害効果が向上した可燃性ガスセンサＧＳ３，ＧＳ４を実現することができる。

（実施の形態３）
本実施の形態３による可燃性ガスセンサに備わるセンサチップを図１６および図１７を用いて説明する。図１６（ａ）および（ｂ）はそれぞれセンサ用ｎチャネルＭＩＳが配置されたヒータ配線領域の要部断面図および要部平面図、図１７は参照用ｎチャネルＭＩＳが配置されたヒータ配線領域の要部断面図である。Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴ型水素ガスセンサの触媒金属ゲートにＰｔを用いている。ＰｔゲートＳｉ−ＭＯＳＦＥＴ型水素ガスセンサに関しては、宇佐川らの日本国特許出願第２００８−１５６４２７号（２００８．６．１６出願）に開示されているので、ここでの詳細な説明については、原則として繰り返さないこととする。以下、ゲート長（Ｌｇ）を、例えば２０μｍ、ゲート幅（Ｗｇ）を、例えば３００μｍとするｎチャネルＭＩＳに適用した場合について説明する。

まず、センサ用ｎチャネルＭＩＳが配置されたヒータ配線領域について説明する。図１６（ａ）および（ｂ）に示すように、センサチップの基板には、シリコン基板２２上に埋め込み絶縁層２３が形成され、さらに埋め込み絶縁層２３上にチャネルシリコン層２４が形成された、所謂ＳＯＩウエハを用いる。シリコン基板２２の厚さは、例えば２００〜７５０μｍ、埋め込み絶縁層２３の厚さは、例えば０．１〜５μｍ、チャネルシリコン層２４の厚さは、例えば０．１〜２０μｍである。埋め込み絶縁層２３は、例えば酸化シリコン膜を用いることができる。

チャネルシリコン層２４の主面には、センサ用ｎチャネルＭＩＳ１６のゲート領域２５を定義するために、局所酸化法を用いて酸化シリコン膜からなる局所酸化膜ＳｉＯ_２２６が形成されている。ゲート領域２５のチャネルシリコン層２４の主面にはゲート絶縁膜２７を介して、例えばＰｔからなる触媒金属ゲート２８が形成されている。触媒金属ゲート２８には引き出し電極が電気的に接続されているが、図示は省略する。局所酸化膜ＳｉＯ_２２６下のチャネルシリコン層２４には、ｎ^＋型半導体領域からなるソース領域２８Ｓおよびドレイン領域２８Ｄが形成されている。センサ用ｎチャネルＭＩＳ１６のしきい値電圧Ｖｔｈは、例えば１．０Ｖである。図１６（ａ）では、触媒金属ゲート２８の取り出し電極の図示は省略している。

ゲート領域２５を除いて、チャネルシリコン層２４および局所酸化膜ＳｉＯ_２２６は層間絶縁膜２９により覆われており、層間絶縁膜２９に形成された接続孔３０を通してソース領域２８Ｓと電気的に接続するソース電極３１Ｓ、およびドレイン領域２８Ｄと電気的に接続するドレイン電極３１Ｄが形成されている。層間絶縁膜２９は、例えばリンドープガラスＰＳＧ（Phospho Silicate Glass）膜で形成することができる。局所酸化膜ＳｉＯ_２２６上で、かつ層間絶縁膜２９上には、ヒータ配線３２が形成されている。ヒータ配線３２はＡｌ合金膜により形成されており、線幅は、例えば５μｍ、高さは、例えば０．５μｍである。また、ヒータ配線３２は、触媒金属ゲート２８とソース電極３１Ｓとの間および触媒金属ゲート２８とドレイン電極３１Ｄとの間につづれ折り状態で配置されている。例えば触媒金属ゲート２８とソース電極３１Ｓとの間に長さ３２０μｍを単位として５μｍ間隔で１５本のつづれ折り状態でヒータ配線３２を形成し、同様に、例えば触媒金属ゲート２８とドレイン電極３１Ｄとの間に長さ３２０μｍを単位として５μｍ間隔で１５本のつづれ折り状態でヒータ配線３２を形成した場合には、ヒータ配線３２の全長は、約１ｍｍとなる。

さらに、ゲート領域２５を除いて、ソース電極３１Ｓ、ドレイン電極３１Ｄおよびヒータ配線３２は、表面保護膜３３により覆われている。表面保護膜３３は、例えば窒化シリコン膜を用いることができる。

さらに、ゲート領域２５およびヒータ配線３２の主要部を含む領域（以下、真正センサ領域と言う）３４の下に位置するシリコン基板２２が、くり貫かれている。このように、加熱される領域である真正センサ領域３４の厚さを、例えば０．１〜２０μｍ程度と薄くすることにより、ヒータ配線３２に通電加熱したときに、加熱された真正センサ領域３４に流入した熱量が周囲に逃げ難くなり、結果として低電力で真正センサ領域３４の温度を１００〜２００℃程度に設定することができる。なお、シリコン基板２２に対して異方性ドライエッチングとＫＯＨ溶液によるウエットエッチングとを行うことにより、シリコン基板２２をくり貫くことが出来る。

次に、参照用ｎチャネルＭＩＳ１７が配置されたヒータ配線領域について説明する。図１７に示すように、参照用ｎチャネルＭＩＳ１７が配置されたヒータ配線領域の構造は、前述したセンサ用ｎチャネルＭＩＳ１６が配置されたヒータ配線領域の構造とほぼ同じである。相違する点は、センサ用ｎチャネルＭＩＳ１６の触媒金属ゲート２８は層間絶縁膜２９および表面保護膜３３により覆われていないが、参照用ｎチャネルＭＩＳ１７の触媒金属ゲート２８は層間絶縁膜２９および表面保護膜３３により覆われていることである。

なお、触媒金属ゲート２８とソース電極３１Ｓおよび触媒金属ゲート２８とドレイン電極３１Ｄとの間が数１０μｍと長くなるため、ソース・ゲート抵抗は高くなるが、可燃性ガスセンサの動作領域はソース・ドレイン電流が小さい領域で用いるので、大きな障害にはならないと考えられる。

また、センサチップには、センサ用ｎチャネルＭＩＳ１６および参照用ｎチャネルＭＩＳ１７を形成したが、ｎチャネルＭＩＳに代えてｐチャネルＭＩＳを用いてもよく、同様にセンサチップを実現することができる。

次に、本実施の形態３による可燃性ガスセンサの消費電力について説明する。

本実施の形態３による可燃性ガスセンサでは、前述した図１６に示すように、センサチップの構造を、触媒金属ゲート２８とソース電極３１Ｓとの間隙の距離および触媒金属ゲート２８とドレイン電極３１Ｄとの間隙の距離を長くして、この間隙に金属配線によるヒータ配線３２を何重に折り曲げて挿入し、ゲート領域２５およびヒータ配線３２の主要部を含む真正センサ領域３４の下に位置するシリコン基板２２をくり貫き、ゲート領域２５を加熱した熱により周辺のシリコン基板２２が加熱され難い構造とし、さらに、前述した図１に示すように、センサチップ１とステム２との間に断熱材３を挿入する。このような構造とすることにより、実際に加熱する面積をセンサチップの全面積の１／５０以下、全体積の１／１０００以下とすることができる。

図１８に、本実施の形態３による可燃性ガスセンサのヒータ配線の抵抗と消費電力との関係を説明するグラフ図を示す。

例えば前述した図１６に示すセンサ用ｎチャネルＭＩＳ１６において、ヒータ配線３２の取り出し電極（電極パッド２０）間に１２．５ｍＡの電流を流すと、ヒータ配線３２の抵抗が７６．８Ωでは、ゲート領域２５における温度は１００℃となるが、ヒータ配線３２の取り出し電極（電極パッド２０）間に係る電圧が１Ｖ弱であることから、消費電力は１２ｍＷとなる。さらに電流を増加して消費電力を２０ｍＷとしてもゲート領域２５における温度は約２００℃である。従って、センサチップの触媒金属ゲート２８近傍（ゲート領域２５）が１００〜２００℃に加熱されても、消費電力が２５ｍＷ以下で、定格電圧１．２Ｖ以下、定格電流０．１Ａ以下を達成することができる。

ヒータ配線３２の材料には、Ａｌ合金を用いたが、例えば前述した特許出願第２００８−１５６４２７号に開示されているように、Ｍｏ／Ａｕ／Ｍｏ積層構造を用いることもができる。Ａｌ合金からなる配線と、Ｍｏ／Ａｕ／Ｍｏ積層構造からなる配線の信頼試験を行った結果、両者において５年以上の予測寿命が得られている。

このように、本実施の形態３によれば、センサチップの構造を、周囲のシリコン基板２２が加熱され難い構造とし、センサチップとステムとの間に断熱材を挿入することにより（例えば前述した図１参照）、センサチップの触媒金属ゲート２８近傍が１００〜２００℃に加熱されても、消費電力が２５ｍＷ以下で、定格電圧１．２Ｖ以下、定格電流０．１Ａ以下を達成することができる。これにより、防爆性を有するセンサチップを実現することができる。本実施の形態３において示したセンサチップのみでも防爆性を有することができるが、前述した実施の形態１において示した可燃性ガスセンサＧＳ１，ＧＳ２の実装構造または前述した実施の形態２において示した可燃性ガスセンサＧＳ３，ＧＳ４の実装構造のように、防水透湿性素材９，３９を備えた金属キャップ６を用いてもよい。これにより、さらに防爆効果が向上し、さらに耐塩害性、防塵性等を有することができる。

（実施の形態４）
前述した実施の形態３において説明したセンサチップは、例えば２５ｍＷ以下の低い消費電力を示すことから、電池駆動によりコードレス化したセンサキットの中に組み込むことができる。そこで、本実施の形態４では、センサチップ、周辺回路および電源（例えば電池）等を一つにまとめた防爆性を有するセンサノードのセンサキットについて説明する。

本実施の形態４による簡易防爆構造のセンサキットの基本的な構成を、図１９〜図２１を用いて説明する。図１９は本実施の形態４によるセンサノードのシステム展開図、図２０は本実施の形態４による簡易防爆構造のセンサキットの断面模式図、図２１（ａ）、（ｂ）および（ｃ）はセンサチップを含むセンサ部分の要部断面図、センサノード基板モジュールに備わるソケットの斜視図およびセンサノード基板モジュールに備わるソケットの平面図である。

図１９に示すように、センサノードＳＮは、主にセンサモジュール１００、通信制御モジュール２００および電源系３００から構成されている。センサネットのセンサノードの技術は、例えば特開２００６−１５５００９号公報（ガス検査システム）に開示されているので、その詳細は言及しないが、センサ１０１とその駆動回路１０２、ヒータ１０３、温度計１０４および温度計１０４とその駆動回路１０５からのアナログ信号をＡ／Ｄ変換機２０２，２０３を介してコントローラ（マイクロコンピュータ）２０１に取り込み、通信系２０６を通じてアンテナ２０７から無線を使ってサーバ２０８に情報を送り、リアルタイムでガス漏れを検知する技術である。図１９中、符号２０４は閾値、２０５は比較器を示す。

センサモジュール１００は、１つのＩＣ（Integrated Circuit）チップによって製造することができる。しかし、センサ１０１は消耗品であり、定期的に取り替える必要があることから、センサ１０１は、センサノード基板モジュールから容易に交換できることが望ましい。本実施の形態４では、センサ１０１がセンサノード基板モジュールから簡単に取りはずしができる簡易防爆構造のセンサキットを例示する。

図２０に示すように、本実施の形態４によるセンサキットＧＳＫでは、センサノード基板モジュール４３に、センサモジュール１００、通信制御モジュール２００および電源系３００が実装されている。センサモジュール１００中のセンサ１０１、ヒータ１０３および温度計１０４を前述した実施の形態３で説明したように、１つのシリコンチップに集積化している。センサ１０１の温度は、ヒータ配線の抵抗の温度特性から計測しており、センサモジュール１００中の駆動回路１０２，１０５は別のＩＣチップによって、センサノード基板モジュール４３に実装されている。センサ１０１、ヒータ１０３および温度計１０４をＩＣチップに集積化した部分をセンサチップ４７と呼び、以下に示すように簡易実装したセンサ１０６として、センサノード基板モジュール４３から簡単に取り外せる消耗品とする。

センサノード基板モジュール４３は筐体基板４４上にバッファ４５を介して設置され、センサ１０６は、後述するようにソケットを用いて簡単に取り外しができるようにセンサノード基板モジュール４３上に設置してある。センサノード基板モジュール４３およびセンサ１０６は、例えば前述した実施の形態１による防水透湿性素材９を装着した金属キャップ６により覆われており、止め具４６を用いて金属キャップ６は筐体基板４４に固定されている。金属キャップ６の形状は円柱状ではなく、直方体またはその類似形状とすることができる。金属キャップ６の取り付け金具を含まない外形寸法は、例えば２５（Ｗ）×２０（Ｈ）×２０（Ｄ）ｍｍ、その重さは２０ｇである。アンテナ２０７は金属キャップ６から外に出ている。

図２１（ａ）に示すように、センサ１０６では、センサチップ４７を用いており、センサチップ４７がステム４８上に、断熱材４９を介して配置されている。ステム４８には、ステム４８を貫通して、ステム４８の表面と裏面との両面に突出する複数のリード端子（ここでは１２本を例示している）５０が備わっており、リード端子５０は、リード端子５０の外周に設けられたガラス材によってステム４８に固定されている。センサチップ４７の主面上に形成された複数の電極パッドとステム４８に繋がる複数のリード端子５０とがそれぞれワイヤ５１によって接続されている。センサチップ４７、断熱材４９および複数のワイヤ５１は、高さ６〜１２ｍｍ程度のステンレス金網５２により覆われており、ステンレス金網５２の側部の最下部（つばの部分５２ａ）がステム４８の周囲と接合されている。

センサチップ４７は、ステンレス金網５２により覆われているだけであり、ステンレス金網５２には十分な防爆性は期待できない。しかし、上記図２０に示したように、センサチップ４７を搭載するセンサノード基板モジュール４３全体が、防爆性を有する防水透湿性素材９を装着した金属キャップ６により覆われているので、センサキットＧＳＫは防爆性を有することができる。

また、前述したように、センサ１０６は、センサノード基板モジュール４３に固定されたソケットに取り付ける構造となっている。具体的には、図２１（ｂ）および（ｃ）に示すように、複数のソケットリード端子（ここでは１２本を例示している）５３がソケット５４に備わっており、ソケット受け口５５からセンサ１０６に備わるリード端子５０を差し込むことにより、センサ１０６をセンサノード基板モジュール４３に搭載する。

このように、本実施の形態４によれば、センサ１０６を搭載するセンサノード基板モジュール４３全体を、防爆性を有する防水透湿性素材９を装着した金属キャップ６により覆うことにより、防爆性を有するセンサキットＧＳＫを実現することができる。さらに、センサ１０６は、センサノード基板モジュール４３に固定されたソケット５４に着脱することにより容易に交換することができるので、センサ１０６の交換の作業性が向上し、またセンサ１０６が消耗した場合は、センサ１０６のみの交換によりセンサキットＧＳＫの機能を修復できるので、コストも低減することができる。

（実施の形態５）
本実施の形態５による簡易防爆構造の接触燃焼式メタンガスセンサの基本的な構成を、図２２に示す断面模式図を用いて説明する。

接触燃焼式メタンガスセンサ５６は、検知素子５７と補償用素子５８とがステム５９上に配置されており、検知素子５７と補償用素子５８との間には熱遮へい板６０が設けられている。検知素子５７は、例えばコイル状の白金線６１に燃焼触媒を担持させた構造であり、白金線６１の両端は金属リード線６２、６３に繋がっている。補償用素子５８は、コイル状の白金線６４に燃焼触媒を担持させない構造であり、白金線６４の両端は金属リード線６５，６６に繋がっている。検知素子５７の白金線６１および補償用素子５８の白金線６４の径は、例えば１０μｍ、それらの長さは、例えば３００μｍであり、消費電力は１００ｍＷにまで低減することができる。

ステム５９には、ステム５９を貫通して、ステム５９の表面と裏面との両面に突出する４本のリード端子６７が備わっており、リード端子６７は、リード端子６７の外周に設けられたガラス材によってステム５９に固定されている。金属リード線６２，６３，６５，６６は異なるリード端子６７に接続されている。さらに、検知素子５７、補償用素子５８および熱遮へい板６０は、例えば前述した実施の形態１と同じ防爆性を有する防水透湿性素材９を装着した金属キャップ６により覆われており、金属キャップ６の側部の最下部（つばの部分６ａ）がステム５９の周囲と接合されている。

本実施の形態５による簡易防爆構造の接触燃焼式メタンガスセンサにおいては、前述した実施の形態１に示した寸法と同じ寸法で作製した金属キャップ６を採用した場合、４００℃前後の動作温度でも、安定した動作を得ることができる。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

例えば前記実施の形態では、Ｓｉ−ＭＯＳＦＥＴを用いた水素ガスセンサを例示したが、他の方式のガスセンサにも適用することができる。例えばＭＩＳ型キャパシタによる水素ガスセンサにも適用することができる。また、有機顔料を用いた水素ガスセンサまたはＥＭＦ型水素ガスセンサなどの動作原理の異なるセンサにも適用することができる。

本発明は、防爆性および高信頼性（耐塩害性、防塵性、耐水性、耐薬品性など）を必要とする可燃性ガスを検知するガスセンサに適用することができる。

１センサチップ
２ステム
２ａガラス材
３断熱材
４リード端子
５ワイヤ
６金属キャップ
６ａつばの部分
８穴
９防水透湿性素材
１０断熱材
１１ポリテトラフルオロエチレン
１２空隙
１３金属焼結体
１４空隙
１５シリコン基板
１６センサ用ｎチャネルＭＩＳ
１７参照用ｎチャネルＭＩＳ
１８ヒータ
１９ｐｎ接合ダイオード
２０電極パッド
２１配線
２２シリコン基板
２３埋め込み絶縁層
２４チャネルシリコン層
２５ゲート領域
２６局所酸化膜ＳｉＯ_２
２７ゲート絶縁膜
２８触媒金属ゲート
２８Ｓソース領域
２８Ｄドレイン領域
２９層間絶縁膜
３０接続孔
３１Ｓソース電極
３１Ｄドレイン電極
３２ヒータ配線
３３表面保護膜
３４真正センサ領域
３５容器
３６フィルム
３７粘土
３８タングステンフィラメント線
３９防水透湿性素材
４０ステンレス線
４１粒子状物質
４２エポキシ樹脂
４３センサノード基板モジュール
４４筐体基板
４５バッファ
４６止め具
４７センサチップ
４８ステム
４９断熱材
５０リード端子
５１ワイヤ
５２ステンレス金網
５２ａつばの部分
５３ソケットリード端子
５４ソケット
５５ソケット受け口
５６接触燃焼式メタンガスセンサ
５７検知素子
５８補償用素子
５９ステム
６０熱遮へい板
６１白金線
６２，６３金属リード線
６４白金線
６５，６６金属リード線
６７リード端子
１００センサモジュール
１０１センサ
１０２駆動回路
１０３ヒータ
１０４温度計
１０５駆動回路
１０６センサ
２００通信制御モジュール
２０１コントローラ
２０２，２０３Ａ／Ｄ変換機
２０４閾値
２０５比較器
２０６通信系
２０７アンテナ
２０８サーバ
３００電源系
ＧＳ１，ＧＳ２，ＧＳ３，ＧＳ４可燃性ガスセンサ
ＧＳＫセンサキット
ＳＮセンサノード
Ｓ１爆発実験用試料
ＲＳ１，ＲＳ２爆発実験用比較試料

Claims

基板の主面に、センサ用電界効果トランジスタおよびヒータ配線が形成されたセンサチップを含む可燃性ガスセンサであって、
前記センサ用電界効果トランジスタは、第１触媒金属ゲートと、第１ソース領域と、第１ドレイン領域とを有し、前記第１触媒金属ゲートと前記第１ソース領域との間および前記第１触媒金属ゲートと前記第１ドレイン領域との間に、それぞれ前記ヒータ配線が配置され、前記第１触媒金属ゲートおよび前記ヒータ配線が配置された領域の前記基板の厚さが、前記第１触媒金属ゲートおよび前記ヒータ配線が配置されていない領域の前記基板の厚さよりも薄いことを特徴とする可燃性ガスセンサ。
請求項１記載の可燃性ガスセンサにおいて、前記センサチップは参照用電界効果トランジスタを有し、
前記参照用電界効果トランジスタは、第２触媒金属ゲートと、第２ソース領域と、第２ドレイン領域とを有し、前記第２触媒金属ゲートと前記第２ソース領域との間および前記第２触媒金属ゲートと前記第２ドレイン領域との間に、それぞれ前記ヒータ配線が配置され、前記第２触媒金属ゲートおよび前記ヒータ配線が配置された領域の前記基板の厚さが、前記第２触媒金属ゲートおよび前記ヒータ配線が配置されていない領域の前記基板の厚さよりも薄いことを特徴とする可燃性ガスセンサ。
請求項２記載の可燃性ガスセンサにおいて、前記第２触媒金属ゲートの構造は、前記第１触媒金属ゲートの構造と同一であることを特徴とする可燃性ガスセンサ。
基板の主面に、センサ用電界効果トランジスタおよびヒータ配線が形成されたセンサチップを含む可燃性ガスセンサであって、
前記センサ用電界効果トランジスタは、第１触媒金属ゲートと、第１ソース領域と、第１ドレイン領域とを有し、前記第１触媒金属ゲートと前記第１ソース領域との間および前記第１触媒金属ゲートと前記第１ドレイン領域との間に、それぞれ前記ヒータ配線が配置されていることを特徴とする可燃性ガスセンサ。
請求項１、２または３記載の可燃性ガスセンサにおいて、前記第１触媒金属ゲート、第２触媒金属ゲートおよび前記ヒータ配線が配置された領域の前記基板の厚さが、０．１〜２０μｍであることを特徴とする可燃性ガスセンサ。
請求項１、２または３記載の可燃性ガスセンサにおいて、前記基板は、シリコン基板、埋め込み絶縁層およびチャネルシリコン層が積層されたＳＯＩ基板であり、前記第１触媒金属ゲート、第２触媒金属ゲートおよび前記ヒータ配線が配置された領域の前記シリコン基板が除去されていることを特徴とする可燃性ガスセンサ。
請求項１、２、３または４記載の可燃性ガスセンサにおいて、前記第１および第２触媒金属ゲートは、Ｐｔからなることを特徴とする可燃性ガスセンサ。
請求項１、２、３または４記載の可燃性ガスセンサにおいて、さらに、前記センサチップは上部と側部とを有するキャップにより囲まれ、前記キャップの前記側部の最下部が前記センサチップを搭載するステムの外周と接合されており、前記キャップの一部に穴が形成され、前記キャップの内側に前記穴を覆う第１の防水透湿性素材が設置されていることを特徴とする可燃性ガスセンサ。
請求項１、２、３または４記載の可燃性ガスセンサにおいて、さらに、前記センサチップは上部と側部とを有するキャップにより囲まれ、前記キャップの前記側部の最下部が前記センサチップを搭載するステムの外周と接合されており、前記キャップの一部に穴が形成され、前記キャップの内側に前記穴を覆う第１の防水透湿性素材が設置され、前記キャップの前記側部の外側に第２の防水透湿性素材が設置されていることを特徴とする可燃性ガスセンサ。
請求項１、２、３または４記載の可燃性ガスセンサにおいて、さらに、前記センサチップは上部と側部とを有するキャップにより囲まれ、前記キャップの前記側部の最下部が前記センサチップを搭載するステムの外周と接合されており、前記キャップの一部に穴が形成され、前記キャップの上部および側部の外側に第２の防水透湿性素材が設置されていることを特徴とする可燃性ガスセンサ。
請求項１、２、３または４記載の可燃性ガスセンサにおいて、さらに、前記センサチップは基板モジュール上に搭載され、前記センサチップを搭載する前記基板モジュール全体が上部と側部とを有するキャップにより囲まれ、前記キャップの前記側部の最下部が前記センサチップを搭載するステムの外周と接合されており、前記キャップの一部に穴が形成され、前記キャップの内側に前記穴を覆う第１の防水透湿性素材が設置されていることを特徴とする可燃性ガスセンサ。
請求項１、２、３または４記載の可燃性ガスセンサにおいて、さらに、前記ヒータ配線は、つづら折り状態で配置されていることを特徴とする可燃性ガスセンサ。