JP4830714B2 - 薄膜ガスセンサの異常検知方法 - Google Patents

Description

本発明は、電池駆動を念頭においた低消費電力型薄膜ガスセンサの異常検知方法に関するものである。

一般にガスセンサは、ガス漏れ警報器などの用途に用いられ、ある特定ガス、例えば、ＣＯ，ＣＨ_４，Ｃ_３Ｈ_８，ＣＨ_３ＯＨ等に選択的に感応するデバイスであり、その性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、低消費電力が必要不可欠である。
ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的としたものと、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的としたもの、または、両方の機能を併せ持ったものなどがあるが、何れもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。このため、普及率を向上させるべく、設置性の改善、具体的には、電池駆動としてコードレス化することが望まれている。

ガス漏れ警報器の電池駆動を実現するためには低消費電力化が最も重要であるが、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでは、４００〜５００℃の高温に加熱して検知する必要がある。しかし、ＳｎＯ_２などの粉体を焼結した従来の方法では、スクリーン印刷等の方法を用いても厚みを薄くするには限界があり、電池駆動に用いるには熱容量が大き過ぎるという問題がある。

ここで、低消費電力化を目的とする従来技術として、ヒータ・感知膜を１μｍ以下の薄膜により形成し、更に微細加工プロセスを用いたダイアフラム構造などの高断熱・低熱容量の構造とした、図１に示すような薄膜ガスセンサが存在する。この薄膜ガスセンサは、特許文献１に記載されたものとほぼ同様の構造である。

以下、図１に示す薄膜ガスセンサの構造について述べる。
図１の薄膜ガスセンサは、Ｓｉ基板１、熱絶縁支持層２、ヒータ層３、電気絶縁層（スパッタＳｉＯ_２層）４、ガス感知層５を備えている。熱絶縁支持層２は、熱酸化ＳｉＯ_２層２ａ、ＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４層２ｂ、ＣＶＤ−ＳｉＯ_２層２ｃの三層構造となっている。
また、ガス感知層５は、接合層５ａ、感知層電極５ｂ、感知層５ｃ、ガス選択燃焼層５ｄからなっている。ここで、感知層５ｃはアンチモンがドープされた二酸化スズ層（Ｓｂ−ｄｏｐｅｄ ＳｎＯ_２層）であり、ガス選択燃焼層５ｄはパラジウムを触媒として担持したアルミナ焼結材（Ｐｄ担持Ａｌ_２Ｏ_３焼結材）である。

上記構成において、Ｓｉ基板１は、シリコン（Ｓｉ）により貫通孔を有するように形成されている。
また、熱絶縁支持層２は上記貫通孔の開口部に張られてダイアフラム状に形成されている。熱酸化ＳｉＯ_２層２ａは熱絶縁層として形成され、ヒータ層３により発生する熱がＳｉ基板１側へ伝導しないようにして熱容量を小さくする機能を有する。この熱酸化ＳｉＯ_２層２ａはプラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、プラズマエッチングによるＳｉ基板１への貫通孔の形成を容易にしている。ＣＶＤ−ＳｉＯ_２層２ｃは、ヒータ層３との密着性を向上させると共に電気的絶縁を確保している。

接合層５ａは、例えばＴａ（タンタル）膜またはＴｉ（チタン）膜からなり、電気絶縁層４の上面に設けられる。この接合層５ａは、感知層電極５ｂと電気絶縁層４との間に介在して接合強度を高める機能を有している。
感知層電極５ｂは、例えばＰｔ（白金）膜またはＡｕ（金）膜からなり、感知層５ｃの電極となるように左右一対に設けられる。感知層５ｃは、一対の感知層電極５ｂ，５ｂ間に渡るように電気絶縁層４の上面に形成されている。

ガス選択燃焼層５ｄは、前述したようにＰｄ担持Ａｌ_２Ｏ_３焼結材であり、Ａｌ_２Ｏ_３は多孔質体であるため、孔を通過する検知ガスがＰｄに接触する機会を増加させて燃焼反応を促進させる。このガス選択燃焼層５ｄは、一対の接合層５ａ及び感知層電極５ｂ、並びに感知層５ｃの表面を覆うように、電気絶縁層４の上面に設けられる。
上記構成の薄膜ガスセンサは、ダイアフラム構造により高断熱，低熱容量の構造となっている。

このような薄膜ガスセンサによりＣＨ_４，Ｃ_３Ｈ_８等の可燃性ガスを検知する場合、ヒータ層３の温度を５０〜５００ｍｓの一定時間、高温（４００〜５００℃）に保持しながら感知層電極５ｂにより感知層５ｃの抵抗値を測定し、その変化から上記可燃性ガス濃度を検知する、いわゆるHigh-Off方式が用いられる。この検知方式は、高温時に、ガス選択燃焼層５ｄにおいてＣＯ，Ｈ_２等の還元性ガスその他の雑ガスを燃焼させ、不活性なＣＨ_４，Ｃ_３Ｈ_８等の可燃性ガスがガス選択燃焼層５ｄを透過して拡散し、感知層５ｃに到達してそのＳｎＯ_２と反応し、ＳｎＯ_２の抵抗値が変化することを利用してガス機器などのガス漏れ時に発生するＣＨ_４，Ｃ_３Ｈ_８等の可燃性ガスの濃度を検出するものである。

また、不完全燃焼によるＣＯを検知する場合には、ヒータ層３の温度を５０〜５００ｍｓの一定時間、高温（４００〜５００℃）に保持し、センサのクリーニングを行ってから、低温（約１００℃）に降温して検知を行う、いわゆるHigh-Low-Off駆動することで、ＣＯ感度及び選択性が高くなることが知られている。

さて、保安機器であるガス警報器の課題の一つに、ガスセンサの異常をいかに検出するかという問題がある。
これまでに、ガスセンサの抵抗値を監視したり、あるいは、ヒータ電流を監視してヒータの劣化や断線に伴う電流値変化を検出する、等の方法により、半導体ガスセンサの異常を検出する技術が公知となっている。
例えば、特許文献２には、ヒータに直列に接続された電流検出抵抗を備え、その抵抗値と電流検出抵抗の両端電圧とからヒータ電流を算出すると共に、このヒータ電流の変化や電流値に基づいてヒータの断線や劣化異常を検出するガス警報器が記載されている。

特開２００５−１６４５６６号公報（段落［００３５］〜［００４３］、図１等） 特開２００１−２３５４４１号公報（段落［００１３］〜［００２３］，［００４８］〜［００５２］、図１，図４等）

上述したガスセンサの異常検出方法において、センサ抵抗値を監視する方法では、周囲のガスの有無や周囲温度の影響を受けて異常検知が不安定になる場合がある。
また、特許文献２のようにヒータ電流に基づいて異常を検出する方法によると、ヒータの断線や劣化等を検出することは一応可能であるが、ヒータの抵抗温度特性により周囲温度の影響を受けてしまい、ヒータ電流を正確に算出できないという問題があった。

そこで本発明の解決課題は、周囲のガスの有無や周囲温度の影響を受けることなく、断線や劣化等の異常を確実に検知可能とした薄膜ガスセンサの異常検知方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、Ｓｉ基板のほぼ中央部がダイアフラム様にくりぬかれた基板面上に熱絶縁支持層を介してヒータ層を形成し、電気絶縁膜を介して一対の感知層電極を形成すると共に、これら一対の感知層電極に接するように半導体薄膜により感知層を形成し、この感知層の最表面を、触媒を担持したガス選択燃焼層により覆う構成とした薄膜半導体薄膜ガスセンサにおいて、
前記ヒータ層の通電時におけるヒータ層温度と、前記ヒータ層の非通電時におけるヒータ層温度との差を求め、この温度差が所定の温度範囲内にある場合には前記薄膜ガスセンサが正常と判定し、前記温度差が所定の温度範囲外にある場合には前記薄膜ガスセンサが異常と判定するものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、前記ヒータ層の通電時及び非通電時におけるヒータ層抵抗値と、基準温度における前記ヒータ層抵抗値と、前記ヒータ層の抵抗温度係数とを用いて、前記温度差を求めるものである。

請求項３に記載した発明は、Ｓｉ基板のほぼ中央部がダイアフラム様にくりぬかれた基板面上に熱絶縁支持層を介してヒータ層を形成し、電気絶縁膜を介して一対の感知層電極を形成すると共に、これら一対の感知層電極に接するように半導体薄膜により感知層を形成し、この感知層の最表面を、触媒を担持したガス選択燃焼層により覆う構成とした薄膜半導体薄膜ガスセンサにおいて、
前記ヒータ層の昇温または降温開始直後からヒータ層温度が定常状態に達するまでのヒータ層温度の過渡応答として、一定期間における前記ヒータ層温度またはヒータ層抵抗値の勾配を検出し、この勾配が所定範囲内にある場合には前記薄膜ガスセンサが正常と判定し、前記勾配が所定範囲外にある場合には前記薄膜ガスセンサが異常と判定するものである。

請求項４に記載した発明は、Ｓｉ基板のほぼ中央部がダイアフラム様にくりぬかれた基板面上に熱絶縁支持層を介してヒータ層を形成し、電気絶縁膜を介して一対の感知層電極を形成すると共に、これら一対の感知層電極に接するように半導体薄膜により感知層を形成し、この感知層の最表面を、触媒を担持したガス選択燃焼層により覆う構成とした薄膜半導体薄膜ガスセンサにおいて、
前記ヒータ層の昇温または降温開始直後からヒータ層温度が定常状態に達するまでのヒータ層温度の過渡応答として、前記ヒータ層温度またはヒータ層抵抗値が所定値に達するまでの時間を検出し、この時間が所定範囲内にある場合には前記薄膜ガスセンサが正常と判定し、前記時間が所定範囲外にある場合には前記薄膜ガスセンサが異常と判定するものである。

請求項５に記載した発明は、請求項３または４に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、前記ヒータ層温度を、前記ヒータ層の通電時及び非通電時における前記ヒータ層抵抗値と、前記ヒータ層の抵抗温度係数と、基準温度における前記ヒータ層抵抗値と、から算出するものである。

請求項６に記載した発明は、請求項３または４に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、前記ヒータ層温度を、前記ヒータ層の通電時における前記ヒータ層抵抗値と、前記ヒータ層の抵抗温度係数と、基準温度における前記ヒータ層抵抗値と、から算出するものである。

請求項７に記載した発明は、請求項３〜６の何れか１項に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、前記ヒータ層温度の過渡応答を、前記ヒータ層抵抗値の過渡応答として検出するものである。

請求項８に記載した発明は、請求項７に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、前記ヒータ層抵抗値の過渡応答を、前記ヒータ層と直列に接続されたシャント抵抗の両端電圧値の変化として検出するものである。

請求項１，２に係る発明は、ヒータ層の通電時及び非通電時におけるヒータ層の各温度を、ヒータ層の抵抗値と基準温度におけるヒータ層の抵抗値と抵抗温度係数とを用いてそれぞれ求め、その後、これらの温度差を求めてガスセンサの異常を検出するものである。
また、請求項３〜８に係る発明は、ヒータ層の昇温または降温開始直後からヒータ層温度が定常状態に達するまでのヒータ層温度の過渡応答の変化から、薄膜ガスセンサの異常を検知するものであり、前記ヒータ層温度の過渡応答を、例えばヒータ層抵抗値の過渡応答として検出するものである。
このため、仮に周囲のガスや周囲温度の影響があったとしても、これらの要因は、通電時におけるヒータ層の算出温度と非通電時におけるヒータ層の算出温度や、ヒータ層温度（ヒータ層抵抗値）の過渡応答の変化に反映されているので、薄膜ガスセンサの異常検知に影響することはなく、ヒータの劣化や断線を含む各種の異常を高精度に検知することができる。
また、ガスセンサを構成する各層の異常に応じたヒータ層の微小な温度変化から、薄膜ガスセンサの故障を未然に検出することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
本発明の実施形態が適用される薄膜ガスセンサは、例えば前述の図１に示すガスセンサである。その構成については重複を避けるために説明を省略し、以下では図１の薄膜ガスセンサの製造方法を述べる。

まず、両面に熱酸化ＳｉＯ_２層２ａを形成したシリコンウェハー上に、ダイアフラム構造の熱絶縁支持層２として、Ｓｉ_３Ｎ_４とＳｉＯ_２をプラズマＣＶＤ法（化学気相成長法）にて順次形成し、ＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４層２ｂ及びＣＶＤ−ＳｉＯ_２層２ｃを形成する。
次に、ヒータ層３及び電気絶縁層４をスパッタ法により順次形成する。そして、電気絶縁層４上に接合層５ａ、感知層電極５ｂ及び感知層５ｃを順次成膜する。接合層５ａ及び感知層電極５ｂの成膜にはＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。成膜条件は、接合層（ＴａまたはＴｉ）５ａ、感知層電極（ＰｔまたはＡｕ）５ｂとも同じであり、Ａｒガス圧力１Ｐａ、基板温度３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ^２、膜厚は接合層５ａ／感知層電極５ｂ＝５００Å／２０００Åである。

次に、電気絶縁層４の上面の一対の感知層電極５ｂ，５ｂ間に渡るように、Ｓｂ−ｄｏｐｅｄ ＳｎＯ_２層がスパッタリング法により堆積され、感知層５ｃが形成される。成膜は前記同様にＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、反応性スパッタリング法によって行う。ターゲットには、Ｓｂを例えば０．５ｗｔ％含有するＳｎＯ_２を用いる。成膜条件は、Ａｒ＋Ｏ_２ガス圧力２Ｐａ、基板温度１５０〜３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ^２である。感知層５ｃの大きさは５０〜２００μｍ角程度、厚さは０．２〜１．６μｍ程度が望ましい。

この感知層５ｃ、接合層５ａ及び感知層電極５ｂを十分覆うように、Ｐｄ触媒を担持したアルミナ粉末（Ｐｄ／Ａｌ_２Ｏ_３ ）、シリカゾルバインダまたはアルミゾルバインダの何れか及び有機溶剤を混合調製した印刷ペーストをスクリーン印刷により塗布し、室温で乾燥後、５００℃で１時間焼成してガス選択燃焼層５ｄを形成する。
最後に、シリコンウェハーの裏面からエッチングによりシリコンを除去して貫通孔を形成することによりＳｉ基板１とし、ダイアフラム構造の薄膜ガスセンサを得る。

このような構造の薄膜ガスセンサを高温炉に入れて全体の温度を上げ、ヒータ層３の抵抗値変化を測定した。図２は、その測定結果の一例である。なお、図２では７種類のサンプルに対する測定結果を７種類のプロットで示してある。

図２から明らかなように、０℃から約５００℃の温度範囲において、ヒータ層３の抵抗値は温度に対してほぼ線形に変化している。言い換えると、ヒータ層３の抵抗値を測定することにより、以下の数式１からヒータ層３の温度Ｔを推測することができる。
［数式１］
Ｒ／Ｒ_０＝αＴ＋１
ここで、Ｒは温度Ｔにおけるヒータ層３の抵抗値、Ｒ_０は基準温度（例えば０℃等）におけるヒータ層３の抵抗値、αはヒータ層３の抵抗温度係数である。

温度Ｔを計算するときには、個々のセンサのＲ_０及びαを予め与えてやらなければならないことは言うまでもない。ただし、抵抗温度係数αの値については、薄膜ガスセンサを作成するウェハーごとのばらつきは少ないので、１枚のウェハーから作製される薄膜ガスセンサでは同じ値を与えても構わない。あるいは、１ロットで複数のウェハーを流す場合には、同じロットの薄膜ガスセンサに同じ抵抗温度係数αの値を与えても良い。

ヒータ層３の温度Ｔの算出方法を一般化すると、数式１に示したように、ヒータ層３の通電時または非通電時におけるヒータ層３の抵抗値Ｒと、ヒータ層３の抵抗温度係数αと、基準温度におけるヒータ層３の抵抗値Ｒ_０とから、温度Ｔを算出することができる。
通電時（加熱時）におけるヒータ層３の抵抗値を測定する方法としては、予め抵抗値を把握したシャント抵抗をヒータ層３と直列に接続して通電時のヒータ層３の両端電圧値とシャント抵抗の両端電圧値とを読み取り、これら二つの両端電圧値とシャント抵抗値とを用いてヒータ層３の抵抗値を算出する方法がある。
なお、ヒータ層３の昇温時または降温時におけるヒータ層３の抵抗値の過渡的な変化（過渡応答）を把握する方法としては、ヒータ層３に直列に接続したシャント抵抗の両端電圧値を監視する方法がある。

次に、図３は、数式１に基づいて薄膜ガスセンサの異常を判定するフローチャートを示している。
まず、Ｒ_０，αを入力してメモリに格納する（Ｓ１）。次に、ヒータ層３が非通電状態であるオフ時の抵抗値Ｒ_ｏｆｆを読み込んでレジスタに格納する（Ｓ２）。次いで、Ｔ_ｏｆｆ＝（Ｒ_ｏｆｆ−Ｒ_０）／（αＲ_０）を演算してオフ時のヒータ層３の温度Ｔ_ｏｆｆを計算する（Ｓ３）。
その後、ヒータ層３に通電してオン時における抵抗値Ｒ_ｏｎを読み込み、レジスタに格納する（Ｓ４）。そして、Ｔ_ｏｎ＝（Ｒ_ｏｎ−Ｒ_０）／（αＲ_０）を演算してオン時のヒータ層３の温度Ｔ_ｏｎを計算する（Ｓ５）。

次に、ヒータ層３のオン時とオフ時の温度差ΔＴをΔＴ＝Ｔ_ｏｎ−Ｔ_ｏｆｆにより計算し（Ｓ６）、この温度差ΔＴが所定の温度範囲内であれば（Ｓ６Ｙｅｓ）、ガスセンサ異常なしと判断してステップＳ１に戻る（Ｓ７）。また、温度差ΔＴが所定の温度範囲外である場合には（Ｓ６Ｎｏ）、ガスセンサに何らかの異常が発生したと判断して適宜な手段により異常報知を行う（Ｓ８）。
なお、一般にガス漏れ警報器では、ガス漏れの判断や警報の発生のためにマイコンを使っているので、ここではマイコンにより図３のフローチャートを実行して異常判定を行う場合を説明したが、上記の異常判定手段をディスクリート部品により構成しても本発明の趣旨を逸脱するものではない。

上記のように本実施形態によれば、仮に周囲のガスや周囲温度の影響があったとしても、これらの影響は通電時におけるヒータ層３の算出温度Ｔ_ｏｎと非通電時におけるヒータ層３の算出温度Ｔ_ｏｆｆとに反映されており、その温度差ΔＴを求めることによって相殺されるので、異常検知に影響することはなく、ヒータ層３の劣化や断線を含む各種の異常を高精度に検知することが可能である。

図４は、ガス選択燃焼層５ｄの部分剥離によって熱伝達による放熱量が低下し、ヒータ層３の温度が上昇した場合の、ヒータ層３のオン回数に対するヒータ層３の温度Ｔ_ｏｎ、温度差ΔＴ、水素選択比の具体例を示す図である。
すなわち、図４は、図１に示した断面構造の薄膜ガスセンサを、５０℃８０％ＲＨの高温多湿中で、駆動条件としてヒータ層３のＯＮ時温度４００℃、ＯＮ時間０．１sec、ＯＦＦ時間２secでパルス状に通電した場合の、温度Ｔ_ｏｎ、温度差ΔＴ、水素選択比の経時変化をヒータＯＮ回数（パルス通電回数）に対応させてまとめたものである。

図４によれば、ヒータＯＮ回数が１７２．８万回で水素選択比の低下と共にヒータ層３の温度が約１０℃上昇しているのがわかり、これからガス選択燃焼層５ｄの部分剥離が推測される。更にヒータＯＮ回数を増やしていくと、水素選択比が１を下回り、ヒータ層３の温度も更に上昇する。
なお、ヒータＯＮ回数が３４５．６万回になった時の分析結果によれば、選択燃焼層９が完全に剥離していたことから、部分剥離が徐々に進行して最終的に完全剥離に至ったものと考えられる。

次に、図５は、図１に示した薄膜ガスセンサのガス選択燃焼層５ｄが剥離し、センサ部の熱容量の低下、及び、熱伝達による放熱量の低下によりヒータ層３の抵抗値の過渡応答が変化した場合の応答波形を示している。
図５（ａ），（ｂ）は、ヒータ層３の昇温（加熱）開始後のヒータ層抵抗値Ｒの時間変化を、故障（ガス選択燃焼層５ｄの剥離）の前後で比較したものであり、故障前に比べて故障後は、ヒータ層抵抗値が短時間で上昇していることが分かる。
また、図５（ｃ），（ｄ）は、ヒータ層３の昇温を開始してからヒータ層温度（ヒータ層抵抗値）が十分に定常状態となる２００ｍｓ経過後のヒータ層抵抗値を１００％として（縦軸に「ヒータ抵抗応答性」として表す）、図５（ａ），（ｂ）を書き換えたものである。この図５（ｃ），（ｄ）によれば、故障前のヒータ層抵抗値の９０％応答時間は１２．５ｍｓであるのに対し、故障後のヒータ層抵抗値の９０％応答時間は５．５ｍｓと極端に短くなっているのが分かる。

更に、図６は、ヒータ層３への印加電圧をステップ状に変化させてヒータ層温度をステップ状に上昇させた場合の、正常時、故障時におけるヒータ層抵抗値の応答波形である。
この図６によれば、故障時において、ヒータ層温度をステップ状に上昇させた際にヒータ層抵抗値が急激に増加しているのが明らかである。

これらの場合において、ヒータ層抵抗値は、前述したように、予め抵抗値を把握したシャント抵抗をヒータ層３と直列に接続して通電時のヒータ層３の両端電圧値とシャント抵抗の両端電圧値とを読み取り、これら二つの両端電圧値とシャント抵抗値とを用いて算出することができる。

図７は、図１に示した断面構造の薄膜ガスセンサを、５０℃８０％ＲＨの高温多湿中で、駆動条件としてヒータ層３のＯＮ時温度４００℃、ＯＮ時間０．１sec、ＯＦＦ時間２secでパルス状に通電した場合の、ヒータ層抵抗値の初期応答勾配、ヒータ層抵抗値の９０％応答時間、水素選択比の経時変化をヒータＯＮ回数（パルス通電回数）に対応させてまとめたものであり、図４と同様に、ガス選択燃焼層５ｄの部分剥離に伴ってヒータ層３の温度が上昇した場合の例である。
ここで、ヒータ層抵抗値の初期応答勾配は、ヒータ層３の昇温を開始してから２ｍｓ経過後のヒータ層抵抗値を加熱開始時（０ｍｓ）のヒータ層抵抗値（室温抵抗）によって除した値であり、ヒータ層抵抗値の９０％応答時間は、ヒータ層３の昇温を開始してから２００ｍｓ経過後（定常時）のヒータ層抵抗値を１００％としたときにヒータ抵抗値が９０％になるまでの時間である。
なお、ヒータ層抵抗値の過渡応答は、前述したようにヒータ層３に直列に接続したシャント抵抗の両端電圧値を監視することによって検出可能である。

図７によれば、ヒータＯＮ回数が８６．４万回で水素選択比の若干の低下と共にヒータ層抵抗値の初期応答勾配が４．７から５．３に増加し、ヒータ層抵抗値の９０％応答時間が１２．５ｍｓから１１．０ｍｓに減少していることが分かる。更に、ヒータＯＮ回数が２５９．２万回に増加すると、水素選択比は１．０を下回り、正常時（ヒータＯＮ回数が０回）に対してヒータ層抵抗値の初期応答勾配が約１．７倍になり、ヒータ層抵抗値の９０％応答時間が約０．４４倍に短縮されている。
なお、ヒータＯＮ回数が２５９．２万回になった時の分析結果によれば、選択燃焼層９が完全に剥離していたことから、部分剥離が徐々に進行して最終的に完全剥離に至ったものと考えられる。

図５，図６を参照して説明したように、ヒータ層の昇温（降温時についても同様に適用可能である）開始直後からヒータ層温度が定常状態に達するまでのヒータ層温度の過渡応答は、ヒータ層抵抗値の過渡応答、例えば、ヒータ層に直列に接続したシャント抵抗の両端電圧値の過渡応答として検出することができ、こうして検出したヒータ層温度の過渡応答の変化に基づいて、ヒータの劣化や断線を含む各種の異常を高精度に検知することができる。
更に、図７を参照して説明したように、ヒータ層抵抗値（言い換えればヒータ層温度）がある基準値に達するまでの勾配や時間が、正常時と故障時とでは明らかに異なるので、これらの勾配や時間が所定範囲内にある場合には正常、所定範囲外となった場合には異常と判定してその異常を報知することが可能である。

本発明の実施形態が適用される薄膜ガスセンサの構成図である。 実施形態におけるヒータ層の抵抗値変化を示す図である。 実施形態において薄膜ガスセンサの異常を判定するフローチャートである。 ガス選択燃焼層の部分剥離によりヒータ層の温度が上昇した場合の各計測値を示す図である。 実施形態における昇温後のヒータ層抵抗値及び％応答性を示す図である。 ヒータ層の温度をステップ状に上昇させた場合の、正常時、故障時におけるヒータ層抵抗値を示す図である。 ガス選択燃焼層の部分剥離によりヒータ層の温度が上昇した場合の各計測値を示す図である。

符号の説明

１：Ｓｉ基板
２：熱絶縁支持層
２ａ：熱酸化ＳｉＯ_２層
２ｂ：ＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４層
２ｃ：ＣＶＤ−ＳｉＯ_２層
３：ヒータ層（Ｎｉ−Ｃｒ）
４：電気絶縁層
５：ガス感知層
５ａ：接合層
５ｂ：感知層電極
５ｃ：感知層（Ｓｂ−ｄｏｐｅｄ ＳｎＯ_２層）
５ｄ：ガス選択燃焼層（Ｐｄ担持Ａｌ_２Ｏ_３焼結材）

Claims (8)

1. Ｓｉ基板のほぼ中央部がダイアフラム様にくりぬかれた基板面上に熱絶縁支持層を介してヒータ層を形成し、電気絶縁膜を介して一対の感知層電極を形成すると共に、これら一対の感知層電極に接するように半導体薄膜により感知層を形成し、この感知層の最表面を、触媒を担持したガス選択燃焼層により覆う構成とした薄膜半導体薄膜ガスセンサにおいて、
   前記ヒータ層の通電時におけるヒータ層温度と、前記ヒータ層の非通電時におけるヒータ層温度との差を求め、この温度差が所定の温度範囲内にある場合には前記薄膜ガスセンサが正常と判定し、前記温度差が所定の温度範囲外にある場合には前記薄膜ガスセンサが異常と判定することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。
2. 請求項１に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
   前記ヒータ層の通電時及び非通電時におけるヒータ層抵抗値と、基準温度における前記ヒータ層抵抗値と、前記ヒータ層の抵抗温度係数とを用いて、前記温度差を求めることを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。
3. Ｓｉ基板のほぼ中央部がダイアフラム様にくりぬかれた基板面上に熱絶縁支持層を介してヒータ層を形成し、電気絶縁膜を介して一対の感知層電極を形成すると共に、これら一対の感知層電極に接するように半導体薄膜により感知層を形成し、この感知層の最表面を、触媒を担持したガス選択燃焼層により覆う構成とした薄膜半導体薄膜ガスセンサにおいて、
   前記ヒータ層の昇温または降温開始直後からヒータ層温度が定常状態に達するまでのヒータ層温度の過渡応答として、一定期間における前記ヒータ層温度またはヒータ層抵抗値の勾配を検出し、この勾配が所定範囲内にある場合には前記薄膜ガスセンサが正常と判定し、前記勾配が所定範囲外にある場合には前記薄膜ガスセンサが異常と判定することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。
4. Ｓｉ基板のほぼ中央部がダイアフラム様にくりぬかれた基板面上に熱絶縁支持層を介してヒータ層を形成し、電気絶縁膜を介して一対の感知層電極を形成すると共に、これら一対の感知層電極に接するように半導体薄膜により感知層を形成し、この感知層の最表面を、触媒を担持したガス選択燃焼層により覆う構成とした薄膜半導体薄膜ガスセンサにおいて、
   前記ヒータ層の昇温または降温開始直後からヒータ層温度が定常状態に達するまでのヒータ層温度の過渡応答として、前記ヒータ層温度またはヒータ層抵抗値が所定値に達するまでの時間を検出し、この時間が所定範囲内にある場合には前記薄膜ガスセンサが正常と判定し、前記時間が所定範囲外にある場合には前記薄膜ガスセンサが異常と判定することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。
5. 請求項３または４に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
   前記ヒータ層温度を、前記ヒータ層の通電時及び非通電時における前記ヒータ層抵抗値と、前記ヒータ層の抵抗温度係数と、基準温度における前記ヒータ層抵抗値と、から算出することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。
6. 請求項３または４に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
   前記ヒータ層温度を、前記ヒータ層の通電時における前記ヒータ層抵抗値と、前記ヒータ層の抵抗温度係数と、基準温度における前記ヒータ層抵抗値と、から算出することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。
7. 請求項３〜６の何れか１項に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
   前記ヒータ層温度の過渡応答を、前記ヒータ層抵抗値の過渡応答として検出することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。
8. 請求項７に記載した薄膜ガスセンサの異常検知方法において、
   前記ヒータ層抵抗値の過渡応答を、前記ヒータ層と直列に接続されたシャント抵抗の両端電圧値の変化として検出することを特徴とする薄膜ガスセンサの異常検知方法。
   

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