特許 6403985 限界電流式ガスセンサおよびその製造方法、およびセンサネットワークシステム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6403985

(24)【登録日】2018年9月21日

(45)【発行日】2018年10月10日

(54)【発明の名称】限界電流式ガスセンサおよびその製造方法、およびセンサネットワークシステム

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/41 20060101AFI20181001BHJP

   G01N 27/416 20060101ALI20181001BHJP

   B81B 1/00 20060101ALI20181001BHJP

【ＦＩ】

   G01N27/41 325H

   G01N27/41 325Z

   G01N27/41 325D

   G01N27/416 311J

   G01N27/41 325J

   G01N27/41 325P

   B81B1/00

【請求項の数】28

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2014-94987(P2014-94987)

(22)【出願日】2014年5月2日

(65)【公開番号】特開2015-212649(P2015-212649A)

(43)【公開日】2015年11月26日

【審査請求日】2017年3月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000116024

【氏名又は名称】ローム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100133514

【弁理士】

【氏名又は名称】寺山 啓進

(74)【代理人】

【識別番号】100122910

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 広之

(72)【発明者】

【氏名】赤坂 俊輔

【審査官】 櫃本 研太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開昭５９−１６６８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５７−１１１４４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３００４７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９８６５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０５６３１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５０４９４７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２７／４０６−２７／４１９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板上に配置された多孔質下部電極と、
前記多孔質下部電極上に配置された絶縁膜と、
前記絶縁膜にパターニングされた開口部の前記多孔質下部電極上および前記開口部を取り囲む前記絶縁膜上に配置された固体電解質層と、
前記固体電解質層上に、前記多孔質下部電極に対向し、前記基板に対して実質的に縦方向に配置された多孔質上部電極と、
前記多孔質上部電極上に配置された第１応力緩和用低熱膨張膜と、
前記多孔質下部電極上に配置された第２応力緩和用低熱膨張膜と、
前記固体電解質層上に配置された第３応力緩和用低熱膨張膜と、
平面視において、前記第１応力緩和用低熱膨張膜と前記第３応力緩和用低熱膨張膜との間に跨って、前記多孔質上部電極上に配置された第１反り抑制用多孔質絶縁膜と、
平面視において、前記第２応力緩和用低熱膨張膜と前記第３応力緩和用低熱膨張膜との間に跨って、前記多孔質下部電極上に配置された第２反り抑制用多孔質絶縁膜と
を備え、前記絶縁膜は、前記固体電解質層の端面と前記多孔質下部電極との間を非接触化し、酸素（Ｏ）イオンの前記固体電解質層端面からの取り込みを抑制し、前記多孔質上部電極と前記多孔質下部電極との間の表面伝導電流成分を低減化可能であることを特徴とする限界電流式ガスセンサ。

【請求項2】

前記多孔質上部電極と前記多孔質下部電極との間に電圧を印加することにより被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路を備えることを特徴とする請求項１に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項3】

前記基板は、マイクロヒータを備えることを特徴とする請求項１または２に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項4】

前記マイクロヒータは、前記基板上部もしくは基板下部に配置されることを特徴とする請求項３に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項5】

前記マイクロヒータは、前記基板内部に埋め込まれたことを特徴とする請求項３に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項6】

前記マイクロヒータは、印刷により形成されたＰｔヒータ、またはポリシリコンヒータであることを特徴とする請求項３〜５のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項7】

前記多孔質下部電極および前記多孔質上部電極は、印刷、蒸着もしくはスパッタにより形成されたＰｔ電極であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項8】

前記絶縁膜は、Ａｌ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂、ＹＳＺ−ＳｉＯ₂、もしくはＹＳＺ−Ａｌ₂Ｏ₃のいずれかであることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項9】

前記固体電解質層は、ＹＳＺ、ＹＳＺ−ＳｉＯ₂、もしくはＹＳＺ−Ａｌ₂Ｏ₃の少なくとも一つが含まれる安定化ジルコニア膜であることを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項10】

前記第１応力緩和用低熱膨張膜、前記第２応力緩和用低熱膨張膜および前記第３応力緩和用低熱膨張膜は、検出するガス量によって、膜密度を調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項11】

前記第１応力緩和用低熱膨張膜、前記第２応力緩和用低熱膨張膜および前記第３応力緩和用低熱膨張膜は、緻密膜、多孔質膜、もしくは緻密膜と多孔質膜の複合膜のいずれかであることを特徴とする請求項１０に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項12】

前記第１応力緩和用低熱膨張膜、前記第２応力緩和用低熱膨張膜および前記第３応力緩和用低熱膨張膜は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＹＳＺもしくはムライトの少なくとも一種類を含む材料を備えることを特徴とする請求項１０または１１に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項13】

前記第１反り抑制用多孔質絶縁膜および前記第２反り抑制用多孔質絶縁膜は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＹＳＺもしくはムライトの少なくとも一種類を含む材料を備えることを特徴とする請求項１に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項14】

前記基板上に配置されたガス取り込み膜を備え、
前記多孔質下部電極は、前記ガス取り込み膜上に配置されたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項15】

前記ガス取り込み膜は、Ａｌ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂、ＹＳＺ−ＳｉＯ₂、もしくはＹＳＺ−Ａｌ₂Ｏ₃のいずれかが含まれる多孔質膜であることを特徴とする請求項１４に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項16】

前記検出回路は、限界電流に基づいて酸素濃度を検出することを特徴とする請求項２に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項17】

前記検出回路は、限界電流に基づいて水蒸気濃度を検出することを特徴とする請求項２に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項18】

前記基板は、ＭＥＭＳ梁構造を備えることを特徴とする請求項１〜１７のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項19】

前記基板は、厚さ１０μｍ以下のＳｉ基板であることを特徴とする請求項１８に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項20】

前記基板に形成されたキャビティ上に両持ちの梁構造体として形成されていることを特徴とする請求項１〜１９のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項21】

前記梁構造体は、ＭＥＭＳにより形成された厚さ１０μｍ以下の梁構造体であることを特徴とする請求項２０に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項22】

前記梁構造体は、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜の積層膜を備えることを特徴とする請求項２０または２１に記載の限界電流式ガスセンサ。

【請求項23】

基板上に多孔質下部電極を形成する工程と、
前記多孔質下部電極上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜をパターニングして開口部を形成する工程と、
前記開口部の前記多孔質下部電極上および前記開口部を取り囲む前記絶縁膜上に固体電解質層を形成する工程と、
前記固体電解質層上に、前記多孔質下部電極に対向し、前記基板に対して実質的に縦方向に多孔質上部電極を形成する工程と、
前記多孔質上部電極上に第１応力緩和用低熱膨張膜を形成し、前記多孔質下部電極上に第２応力緩和用低熱膨張膜を形成し、前記固体電解質層上に第３応力緩和用低熱膨張膜を形成する工程と、
平面視において、前記第１応力緩和用低熱膨張膜と前記第３応力緩和用低熱膨張膜との間に跨って、前記多孔質上部電極上に第１反り抑制用多孔質絶縁膜を形成する工程と、
平面視において、前記第２応力緩和用低熱膨張膜と前記第３応力緩和用低熱膨張膜との間に跨って、前記多孔質下部電極上に第２反り抑制用多孔質絶縁膜を形成する工程と
を有し、前記絶縁膜は、前記固体電解質層の端面と前記多孔質下部電極との間を非接触化し、酸素（Ｏ）イオンの前記固体電解質層端面からの取り込みを抑制し、前記多孔質上部電極と前記多孔質下部電極との間の表面伝導電流成分を低減化可能であることを特徴とする限界電流式ガスセンサの製造方法。

【請求項24】

前記基板をエッチングして、前記基板に形成されたキャビティ上に両持ちの梁構造体を形成する工程を有することを特徴とする請求項２３に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。

【請求項25】

前記基板上部もしくは基板下部にマイクロヒータを形成する工程を有することを特徴とする請求項２３または２４のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。

【請求項26】

前記基板内部に埋め込まれたマイクロヒータを形成する工程を有することを特徴とする請求項２３または２４のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。

【請求項27】

基板上にガス取り込み膜を形成する工程を有し、
前記多孔質下部電極は、前記ガス取り込み膜上に形成されることを特徴とする請求項２３〜２６のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサの製造方法。

【請求項28】

請求項１〜２２のいずれか１項に記載の限界電流式ガスセンサを備えることを特徴とするセンサネットワークシステム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、被測定雰囲気内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する限界電流式ガスセンサおよびその製造方法、およびセンサネットワークシステムに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、被測定ガス内における水蒸気の濃度を検出する湿度センサとして、抵抗変化型、容量変化型、ジルコニア（ＺｒＯ₂）固体電解質型などが知られている。

【0003】

高分子膜抵抗変化型は安価であり、デバイス化が容易であるという長所がある。一方で、低湿度領域での測定精度が低く、温度依存性が大きい、また、結露による溶出が素子劣化・破壊の原因になるという短所がある。

【0004】

また、容量変化型はリニアリティが良く、相対湿度全領域で測定可能であり、温度依存性が小さいという長所がある。一方で、純水以外の水（水道水など）や、有機溶媒などの影響が大きいという短所がある。また、湿度０％ＲＨにおける容量が数百ｐＦあるのに対し、１％ＲＨ変化したときの容量変化が１ｐＦ以下であり、正確な湿度測定には定期的な校正が必要となる。一般的な事務環境で湿度測定の精度を求めない場合は、有効なデバイスである一方、高精度の湿度測定や結露、ガス曝露の可能性のある雰囲気（気象観測用途や風呂場）、１００℃以上の高温になる雰囲気での使用は想定外である。耐久性を高くするには新規に高分子材料の開発が必要である。今後の研究開発が期待される一方、新規材料開発には時間・コストが必要である。

【0005】

高温での湿度測定のために、ジルコニア固体電解質を用いた湿度センサが販売されている。ジルコニア固体電解質を用いた酸素センサは、自動車の燃焼効率向上やＮＯ_Xの低減のために使用されており、材料としての耐久性は実績がある。ただ、ジルコニアを数百℃に上げて使用するため、消費電力が１００Ｗと高く、さらに高温物体の取り扱いの難しいことから、市場は一部の産業用途に限られている。

【0006】

そこで、近年ではジルコニア薄膜限界電流型が注目されている（例えば、非特許文献１、特許文献１および特許文献２参照。）。この種の限界電流式酸素センサは、高信頼性でリニアリティが良いという長所がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】米国特許第４４８７６８０号明細書

【特許文献2】特開平５−３１２７７２号公報

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】高橋英昭、佐治啓市、近藤春義、「薄膜限界電流式酸素センサ」豊田中央研究所Ｒ＆Ｄ レビュー Ｖｏｌ．２７ Ｎｏ．２（１９９２．６）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

本発明者は、限界電流式ガスセンサにおいて、酸素（Ｏ）イオンの端面からの取り込みにより表面伝導電流が増加し、この結果、主電極（アノード・カソード）間のリーク電流の増大によりセンサ感度を低下することを見出した。

【0010】

本発明の目的は、表面伝導電流成分を低減化し、低電力消費の限界電流式ガスセンサおよびその製造方法、およびセンサネットワーク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】

【0011】

上記目的を達成するための本発明の一態様によれば、基板と、前記基板上に配置された多孔質下部電極と、前記多孔質下部電極上に配置された絶縁膜と、前記絶縁膜にパターニングされた開口部の前記多孔質下部電極上および前記開口部を取り囲む前記絶縁膜上に配置された固体電解質層と、前記固体電解質層上に、前記多孔質下部電極に対向し、前記基板に対して実質的に縦方向に配置された多孔質上部電極と、前記多孔質上部電極上に配置された第１応力緩和用低熱膨張膜と、前記多孔質下部電極上に配置された第２応力緩和用低熱膨張膜と、前記固体電解質層上に配置された第３応力緩和用低熱膨張膜と、平面視において、前記第１応力緩和用低熱膨張膜と前記第３応力緩和用低熱膨張膜との間に跨って、前記多孔質上部電極上に配置された第１反り抑制用多孔質絶縁膜と、平面視において、前記第２応力緩和用低熱膨張膜と前記第３応力緩和用低熱膨張膜との間に跨って、前記多孔質下部電極上に配置された第２反り抑制用多孔質絶縁膜とを備え、前記絶縁膜は、前記固体電解質層の端面と前記多孔質下部電極との間を非接触化し、酸素（Ｏ）イオンの前記固体電解質層端面からの取り込みを抑制し、前記多孔質上部電極と前記多孔質下部電極との間の表面伝導電流成分を低減化可能である限界電流式ガスセンサが提供される。

【0012】

本発明の他の態様によれば、基板上に多孔質下部電極を形成する工程と、前記多孔質下部電極上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜にパターニングして開口部を形成する工程と、前記開口部の前記多孔質下部電極上および前記開口部を取り囲む前記絶縁膜上に固体電解質層を形成する工程と、前記固体電解質層上に、前記多孔質下部電極に対向し、前記基板に対して実質的に縦方向に多孔質上部電極を形成する工程と、前記多孔質上部電極上に第１応力緩和用低熱膨張膜を形成し、前記多孔質下部電極上に第２応力緩和用低熱膨張膜を形成し、前記固体電解質層上に第３応力緩和用低熱膨張膜を形成する工程と、平面視において、前記第１応力緩和用低熱膨張膜と前記第３応力緩和用低熱膨張膜との間に跨って、前記多孔質上部電極上に第１反り抑制用多孔質絶縁膜を形成する工程と、平面視において、前記第２応力緩和用低熱膨張膜と前記第３応力緩和用低熱膨張膜との間に跨って、前記多孔質下部電極上に第２反り抑制用多孔質絶縁膜を形成する工程とを有し、前記絶縁膜は、前記固体電解質層の端面と前記多孔質下部電極との間を非接触化し、酸素（Ｏ）イオンの前記固体電解質層端面からの取り込みを抑制し、前記多孔質上部電極と前記多孔質下部電極との間の表面伝導電流成分を低減化可能である限界電流式ガスセンサの製造方法が提供される。

【0013】

本発明の他の態様によれば、上記の限界電流式ガスセンサを備えるセンサネットワークシステムが提供される。

【発明の効果】

【0014】

本発明によれば、表面伝導電流成分を低減化し、低電力消費の限界電流式ガスセンサおよびその製造方法、およびセンサネットワークシステムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】（ａ）比較例に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分の模式的断面構造図、（ｂ）第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分の模式的断面構造図。

【図2】第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図。

【図3】第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのセンサ部分の拡大された模式的平面パターン構成図。

【図4】図３のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造図。

【図5】（ａ）第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、（ｂ）図５（ａ）のＩＩ−ＩＩ線に沿う模式的断面構造図（その１）。

【図6】（ａ）第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、（ｂ）図６（ａ）のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図（その２）。

【図7】（ａ）第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、（ｂ）図７（ａ）のＩＶ−ＩＶ線に沿う模式的断面構造図（その３）。

【図8】（ａ）第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、（ｂ）図８（ａ）のＶ−Ｖ線に沿う模式的断面構造図（その４）。

【図9】（ａ）第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、（ｂ）図９（ａ）のＶＩ−ＶＩ線に沿う模式的断面構造図（その５）。

【図10】（ａ）第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、（ｂ）図１０（ａ）のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿う模式的断面構造図（その６）。

【図11】（ａ）第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図、（ｂ）図１１（ａ）のＶＩＩＩ−ＶＩＩＩ線に沿う模式的断面構造図（その７）。

【図12】第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的断面構造図（その８）。

【図13】第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成図。

【図14】第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図（その１）。

【図15】第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図（その２）。

【図16】第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図（その３）。

【図17】第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図（その４）。

【図18】第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図（その５）。

【図19】第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程を示す模式的平面図（その６）。

【図20】（ａ）実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程（梁構造形成工程）を示す模式的断面構造図、（ｂ）実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程（別の梁構造形成工程）を示す模式的断面構造図。

【図21】（ａ）実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの梁構造のレイアウト図（上面図）、（ｂ）図２１（ａ）のＩＸ−ＩＸ線に沿う模式的断面構造図。

【図22】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを用いてガス濃度を検出する動作を示すフローチャート図。

【図23】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、ガス濃度検出動作におけるＹＳＺ温度と時間との関係を示す模式図。

【図24】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの動作原理を説明する模式的断面構造図。

【図25】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、酸素イオン（Ｏ^2-）のホッピング伝導を説明するエネルギーダイアグラム。

【図26】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、電流―電圧特性の模式的説明図。

【図27】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、イオン伝導を説明する模式的断面図。

【図28】（ａ）ＹＳＺ上にムライトを形成しない比較例に係る限界電流式ガスセンサにおいて、５００℃加熱時の反り量を示す模式的鳥瞰図、（ｂ）図２８（ａ）に対応した模式的断面図。

【図29】（ａ）ＹＳＺ上にムライトを３μｍ形成した実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、５００℃加熱時の反り量を示す模式的鳥瞰図、（ｂ）図２９（ａ）に対応した模式的断面図。

【図30】（ａ）ＹＳＺ上にムライトを５μｍ形成した実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、５００℃加熱時の反り量を示す模式的鳥瞰図、（ｂ）図３０（ａ）に対応した模式的断面図。

【図31】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、ＹＳＺ−１０ｗｔ％ＳｉＯ₂を１２００℃焼成した状態の断面ＳＥＭ写真例。

【図32】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、ＹＳＺ−１０ｗｔ％ＳｉＯ₂を１３００℃焼成した状態の断面ＳＥＭ写真例。

【図33】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを収容するパッケージの蓋を示す模式的鳥瞰構成図。

【図34】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを収容するパッケージの本体を示す模式的鳥瞰構成図。

【図35】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを示す模式的ブロック構成図。

【図36】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを搭載するセンサパッケージの模式的ブロック構成図。

【図37】実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを適用したセンサネットワークの模式的ブロック構成図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

次に、図面を参照して、実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。

【0017】

又、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施の形態は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施の形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

【0018】

[第１の実施の形態]
（限界電流式ガスセンサ）
比較例に係る限界電流式ガスセンサ１２Ａのセンサ部分の模式的断面構造は、図１（ａ）に示すように表され、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２のセンサ部分の模式的断面構造は、図１（ｂ）に示すように表される。

【0019】

比較例に係る限界電流式ガスセンサは、図１（ａ）に示すように、基板１Ａと、基板１Ａ上に配置された絶縁膜３Ａと、絶縁膜３Ａ上に配置された多孔質下部電極５Ｄと、多孔質下部電極５Ｄ上に配置された固体電解質層４Ａと、固体電解質層４Ａ上に配置された多孔質上部電極５Ｕとを備える。

【0020】

比較例に係る限界電流式ガスセンサ１２Ａにおいては、図１（ａ）に示すように、固体電解質層端面から酸素（Ｏ）イオンの取り込みにより、多孔質上部電極５Ｕと多孔質下部電極５Ｄとの間の表面伝導電流Ｉ_S成分の発生によって、検出感度を低下させている。

【0021】

実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２は、図１（ｂ）に示すように、基板１と、基板１上に配置された多孔質下部電極５Ｄと、多孔質下部電極５Ｄ上に配置された絶縁膜８と、絶縁膜８にパターニングされた開口部７の多孔質下部電極５Ｄ上および開口部７を取り囲む絶縁膜８上に配置された固体電解質層４と、固体電解質層４上に、多孔質下部電極５Ｄに対向し、基板１に対して実質的に縦方向に配置された多孔質上部電極５Ｕとを備える。

【0022】

実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２においては、図１（ｂ）に示すように、絶縁膜８は、固体電解質層４の端面と多孔質下部電極５Ｄとの間を非接触化し、酸素（Ｏ）イオンの固体電解質層４端面からの取り込みを抑制し、多孔質上部電極５Ｕと多孔質下部電極５Ｄとの間の表面伝導電流成分を低減化可能である。

【0023】

また、基板１上に配置されたガス取り込み膜３を備え、多孔質下部電極５Ｄは、ガス取り込み膜３上に配置されていても良い。

【0024】

第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２の模式的平面パターン構成は、図２に示すように表され、センサ部分の拡大された模式的平面パターン構成は、図３に示すように表され、図３のＩ−Ｉ線に沿う模式的断面構造は、図４に示すように表される。

【0025】

第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２は、図２〜図４に示すように、基板１と、基板１上に配置された多孔質下部電極５Ｄと、多孔質下部電極５Ｄ上に配置された絶縁膜８と、絶縁膜８にパターニングされた開口部７の多孔質下部電極５Ｄ上および開口部７を取り囲む絶縁膜８上に配置された固体電解質層４と、固体電解質層４上に、多孔質下部電極５Ｄに対向し、基板１に対して実質的に縦方向に配置された多孔質上部電極５Ｕとを備える。

【0026】

ここで、絶縁膜８は、固体電解質層４の端面と多孔質下部電極５Ｄとの間を非接触化し、酸素（Ｏ）イオンの固体電解質層４端面からの取り込みを抑制し、多孔質上部電極５Ｕ・多孔質下部電極５Ｄ間の表面伝導電流成分を低減化可能である。

【0027】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２は、図２に示すように、多孔質上部電極５Ｕと多孔質下部電極５Ｄとの間に電圧を印加することにより被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路１８を備える。ここで、検出回路１８は、限界電流に基づいて酸素濃度を検出することができる。また、検出回路１８は、限界電流に基づいて水蒸気濃度を検出することができる。

【0028】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２は、図２〜図４に示すように、多孔質上部電極５Ｕ上に配置された第１応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｕ）と、多孔質下部電極５Ｄ上に配置された第２応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｄ）と、固体電解質層４上に配置された第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）とを備えていても良い。

【0029】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２は、図２〜図４に示すように、平面視において、第１応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｕ）と第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）との間に跨って、多孔質上部電極５Ｕ上に配置された第１反り抑制用多孔質絶縁膜１０（５Ｕ）と、平面視において、第２応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｄ）と第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）との間に跨って、多孔質下部電極５Ｄ上に配置された第２反り抑制用多孔質絶縁膜１０（５Ｄ）とを備えていても良い。

【0030】

第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２は、図２〜図４に示すように、両持梁構造のメムス（ＭＥＭＳ：Micro Electro Mechanical Systems）素子構造を基本構造として備える。詳細構造は後述するが、中央部にはセンサ部分が配置され、両持梁構造の梁部分には、センサ部分に接続された多孔質下部電極５Ｄと、多孔質上部電極５Ｕが配置され、多孔質下部電極５Ｄ・多孔質上部電極５Ｕ間には、検出回路１８が接続されている。

【0031】

中央部のセンサ部分には、センサ部分の加熱用のマイクロヒータ２が埋め込まれており、両持梁構造のＭＥＭＳ素子構造を基本構造とすることによって、中央部のセンサ部分の熱容量を低減化し、センサ感度の向上を図っている。

【0032】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２においては、基板１は、図４に示すように、マイクロヒータ２を備える。マイクロヒータ２は、基板１上部もしくは基板１下部に配置されていても良い。また、マイクロヒータ２は、図４に示すように、基板１内部に埋め込まれていても良い。マイクロヒータ２は、例えば、印刷により形成されたＰｔヒータ、またはポリシリコンヒータで形成可能である。また、基板１の表面には、ポリシリコンで形成されたマイクロヒータ２を含むシリコン酸化膜／シリコン窒化膜の積層膜１００が形成されていても良い（図２１）。

【0033】

多孔質下部電極５Ｄ・多孔質上部電極５Ｕは、多孔質のＰｔ電極で形成可能である。多孔質のＰｔ電極は、印刷、蒸着もしくはスパッタにより形成可能である。多孔質下部電極５Ｄ・多孔質上部電極５Ｕの厚さは、例えば、約０．５μｍ〜１０μｍ程度である。

【0034】

絶縁膜８は、Ａｌ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂、ＹＳＺ−ＳｉＯ₂、もしくはＹＳＺ−Ａｌ₂Ｏ₃のいずれかで形成可能である。絶縁膜８は、印刷工程若しくはスパッタリング工程により形成可能である。絶縁膜８の厚さは、例えば、約１．０μｍ〜１０μｍ程度である。ここで、ＹＳＺは、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ：Yttria-Stabilized Zirconia）膜である。

【0035】

絶縁膜８を形成することによって、安定化ジルコニア（４）／Ｐｔポーラス下部電極（５Ｄ）間の接触面積の安定化し、安定化ジルコニア（４）端面とＰｔポーラス下部電極（５Ｄ）の接触を無くし、また、Ｐｔポーラス下部電極（５Ｄ）とＰｔポーラス上部電極（５Ｕ）間の表面伝導成分の除去することができる。

【0036】

固体電解質層４は、ＹＳＺ、ＹＳＺ−ＳｉＯ₂、もしくはＹＳＺ−Ａｌ₂Ｏ₃の少なくとも一つが含まれる安定化ジルコニア膜で形成可能である。固体電解質層４は、印刷工程若しくはスパッタリング工程により形成可能である。固体電解質層４の厚さは、例えば、約１．０μｍ〜１０μｍ程度である。

【0037】

応力緩和用低熱膨張膜６は、検出するガス量によって、膜密度を調整可能である。

【0038】

また、応力緩和用低熱膨張膜６は、緻密膜、多孔質膜、もしくは緻密膜と多孔質膜の複合膜のいずれかで形成可能である。

【0039】

また、応力緩和用低熱膨張膜６は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＹＳＺもしくはムライトの少なくとも一種類を含む材料で形成されていても良い。また、応力緩和用低熱膨張膜６は、印刷工程若しくはスパッタリング工程により形成可能である。応力緩和用低熱膨張膜６の厚さは、例えば、約１．０μｍ〜５．０μｍ程度である。

【0040】

反り抑制用多孔質絶縁膜１０は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＹＳＺもしくはムライトの少なくとも一種類を含む材料で形成されていても良い。また、反り抑制用多孔質絶縁膜１０は、印刷工程若しくはスパッタリング工程により形成可能である。反り抑制用多孔質絶縁膜１０の厚さは、例えば、約１．０μｍ〜５．０μｍ程度である。

【0041】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２においては、基板１は、ＭＥＭＳ梁構造を備えていても良い。基板１は、厚さ１０μｍ以下、望ましくは２μｍ以下のＳｉ基板で形成可能である。ＭＥＭＳを応用すれば、Ｓｉ基板１の厚さを２μｍ以下にすることができるため、熱容量が小さくなり、マイクロヒータ２での消費電力を低減することが可能である。

【0042】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２は、図２〜図４に示すように、基板１に形成されたキャビティＣ（Cavity:空洞）上に両持ちの梁構造体として形成されている。梁構造体は、ＭＥＭＳにより形成された厚さ１０μｍ以下、望ましくは２μｍ以下の梁構造体である。

【0043】

また、基板１上に配置されたガス取り込み膜３を備え、多孔質下部電極５Ｄは、ガス取り込み膜３上に配置されていても良い。

【0044】

ガス取り込み膜３は、Ａｌ₂Ｏ₃、Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂、ＹＳＺ−ＳｉＯ₂、もしくはＹＳＺ−Ａｌ₂Ｏ₃のいずれかが含まれる多孔質膜で形成可能である。ガス取り込み膜３は、印刷工程若しくはスパッタリング工程により形成可能である。ここで、ガス取り込み膜３の厚さは、例えば、約０〜１０μｍ程度である。すなわち、ガス取り込み膜３は必ずしも備えていなくても良い。その場合には、多孔質のＰｔ電極で形成可能な多孔質下部電極５Ｄ・多孔質上部電極５Ｕをガス取り込み膜として利用することができる。
このような限界電流式ガスセンサは、ＭＥＭＳ以外の方法により製造されても良い。Ｓｉ基板１の厚さは、例えば６００μｍ程度である。その他の構成については、図１と同様である。

【0045】

（製造方法）
第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、図５〜図９に示すように、基板１上に多孔質下部電極５Ｄを形成する工程と、多孔質下部電極５Ｄ上に絶縁膜８を形成する工程と、絶縁膜８をパターニングして開口部７を形成する工程と、開口部７の多孔質下部電極５Ｄ上および開口部７を取り囲む絶縁膜８上に固体電解質層４を形成する工程と、固体電解質層４上に、多孔質下部電極５Ｄに対向し、基板１に対して実質的に縦方向に多孔質上部電極５Ｕを形成する工程とを有する。ここで、絶縁膜８は、固体電解質層４の端面と多孔質下部電極５Ｄとの間を非接触化し、酸素（Ｏ）イオンの固体電解質層４端面からの取り込みを抑制し、多孔質上部電極５Ｕと多孔質下部電極５Ｄとの間の表面伝導電流成分を低減化可能である。

【0046】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、図１０に示すように、多孔質上部電極５Ｕ上に第１応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｕ）を形成し、多孔質下部電極５Ｄ上に第２応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｄ）を形成し、固体電解質層４上に第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）を形成する工程を有する。

【0047】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、図１１に示すように、平面視において、第１応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｕ）と第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）との間に跨って、多孔質上部電極５Ｕ上に第１反り抑制用多孔質絶縁膜１０（５Ｕ）を形成する工程と、平面視において、第２応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｄ）と第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）との間に跨って、多孔質下部電極５Ｄ上に第２反り抑制用多孔質絶縁膜１０（５Ｄ）を形成する工程とを有する。

【0048】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、図１２に示すように、基板１をエッチングして、基板１に形成されたキャビティ上に両持ちの梁構造体を形成する工程を有する。

【0049】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、基板１上部もしくは基板１下部にマイクロヒータ２を形成する工程を有していても良い。

【0050】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、基板１内部に埋め込まれたマイクロヒータ２を形成する工程を有していても良い。

【0051】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、基板１上にガス取り込み膜３を形成する工程を有し、ガス取り込み膜３上に多孔質下部電極５Ｄを形成しても良い。

【0052】

また、第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法において、マイクロヒータ２、ガス取り込み膜、多孔質下部電極および多孔質上部電極、絶縁膜、固体電解質層、応力緩和用低熱膨張膜、および反り抑制用多孔質絶縁膜は、印刷工程により形成可能である。

【0053】

第１の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法について、図５〜図１２を参照して説明する。
（ａ）まず、図５（ａ）・図５（ｂ）に示すように、マイクロヒータ２を埋め込んだ基板１上にガス取り込み膜３を形成する。ここで、ガス取り込み膜３は、多孔質膜であることから、ガスの通り道となる。なお、ガス取り込み膜３の形成を省略しても良い。
（ｂ）次に、図６（ａ）・図６（ｂ）に示すように、ガス取り込み膜３および基板１上に多孔質下部電極５Ｄを形成する。多孔質下部電極５Ｄは、例えば、ポーラスＰｔ電極によって形成されるため、このポーラスＰｔ電極中をガスが通るようにしても良い。
（ｃ）次に、図７（ａ）・図７（ｂ）に示すように、多孔質下部電極５Ｄ上に絶縁膜８を形成した後、絶縁膜８をパターニングして開口部７を形成する。ここで、絶縁膜８を形成することによって、安定化ジルコニア（４）／Ｐｔポーラス下部電極（５Ｄ）間の接触面積の安定化し、安定化ジルコニア（４）端面とＰｔポーラス下部電極（５Ｄ）の接触を無くし、また、Ｐｔポーラス下部電極（５Ｄ）とＰｔポーラス上部電極（５Ｕ）間の表面伝導成分の除去することができる。
（ｄ）次に、図８（ａ）・図８（ｂ）に示すように、開口部７の多孔質下部電極５Ｕ上および開口部７を取り囲む絶縁膜８上に固体電解質層４を形成する。固体電解質層４は、例えば、ここではＹＳＺ（安定化ジルコニア）で形成される。
（ｅ）次に、図９（ａ）・図９（ｂ）に示すように、固体電解質層４上に、多孔質下部電極５Ｄに対向し、基板１に対して実質的に縦方向に多孔質上部電極５Ｕを形成する。多孔質上部電極５Ｕは、図９（ａ）に示すように、絶縁膜８・ガス取り込み膜３・基板１上にも延伸して形成される。多孔質上部電極５Ｕは、例えば、ポーラスＰｔ電極によって形成される。
（ｆ）次に、図１０（ａ）・図１０（ｂ）に示すように、多孔質上部電極５Ｕ上に第１応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｕ）を形成し、多孔質下部電極５Ｄ上に第２応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｄ）を形成し、固体電解質層４上に第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）を形成する。応力緩和用低熱膨張膜６は、検出するガス量によって、膜密度を調整可能である。また、応力緩和用低熱膨張膜６は、緻密膜、多孔質膜、もしくは緻密膜と多孔質膜の複合膜のいずれかで形成可能である。また、応力緩和用低熱膨張膜６は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＹＳＺもしくはムライトの少なくとも一種類を含む材料で形成される。また、応力緩和用低熱膨張膜６は、印刷工程若しくはスパッタリング工程により形成可能である。応力緩和用低熱膨張膜６は、低熱膨張係数の絶縁膜であり、応力緩和用低熱膨張膜６を形成することによって、加熱時の応力を緩和することができる。
（ｇ）次に、図１１（ａ）・図１１（ｂ）に示すように、第１応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｕ）と第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）との間に跨って、多孔質上部電極５Ｕ上に第１反り抑制用多孔質絶縁膜１０（５Ｕ）を形成すると共に、第２応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｄ）と第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）との間に跨って、多孔質下部電極５Ｄ上に第２反り抑制用多孔質絶縁膜１０（５Ｄ）を形成する。反り抑制用多孔質絶縁膜１０は、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＹＳＺもしくはムライトの少なくとも一種類を含む材料で形成される。また、反り抑制用多孔質絶縁膜１０は、印刷工程若しくはスパッタリング工程により形成可能である。反り抑制用多孔質絶縁膜１０を形成することによって、加熱時の梁構造の反りを小さくし、耐久性を向上することができる。
（ｈ）次に、図１２に示すように、基板１を矢印方向に裏面からエッチングする。結果として、図２〜図４に示すように、基板１に形成されたキャビティＣ上に両持ちの梁構造体が形成される。このよぅに、梁構造を形成することによって、センサ部分の熱容量を低減し、かつ熱伝導を低減することができる。結果として、加熱時の低消費電力化が可能である。

【0054】

[第２の実施の形態]
第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの模式的平面パターン構成は、図１３に示すように表わされる。第１の実施の形態においては、図２に示すように、両持梁構造の４本のアームの内、片側２本のアームの一方のアームにのみ多孔質下部電極５Ｄ・多孔質下部電極 ５Ｕを配置している。これに対して、第２の実施の形態においては、図１３に示すように、両持梁構造の４本のアームの内、片側２本のアームの両方のアームに多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂・多孔質上部電極 ５Ｕ₁・５Ｕ₂を配置している。また、多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂は、互いに電気的に接続されている。同様に、多孔質上部電極 ５Ｕ₁・５Ｕ₂も互いに電気的に接続されている。

【0055】

第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２は、図１３に示すように、基板１と、基板１上に配置された多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂と、多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂上に配置された絶縁膜８と、絶縁膜８にパターニングされた開口部７の多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂上および開口部７を取り囲む絶縁膜８上に配置された固体電解質層４と、固体電解質層４上に、多孔質下部電極５Ｄに対向し、基板１に対して実質的に縦方向に配置された多孔質上部電極５Ｕ₁・５Ｕ₂とを備える。

【0056】

ここで、絶縁膜８は、固体電解質層４の端面と多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂との間を非接触化し、酸素（Ｏ）イオンの固体電解質層４端面からの取り込みを抑制し、多孔質上部電極５Ｕ₁・５Ｕ₂と多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂間の表面伝導電流成分を低減化可能である。

【0057】

また、第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２は、図１３に示すように、多孔質上部電極５Ｕ₁・５Ｕ₂と多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂との間に電圧を印加することにより被測定ガス内における所定のガス濃度を限界電流式で検出する検出回路１８を備える。ここで、検出回路１８は、限界電流に基づいて酸素濃度を検出することができる。また、検出回路１８は、限界電流に基づいて水蒸気濃度を検出することができる。

【0058】

また、第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２は、図１３に示すように、多孔質上部電極５Ｕ₁・５Ｕ₂上に配置された第１応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｕ₁）・６（５Ｕ₂）と、多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂上に配置された第２応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｄ₁）・６（５Ｄ₂）と、固体電解質層４上に配置された第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）とを備えていても良い。

【0059】

また、第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２は、図１３に示すように、平面視において、第１応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｕ₁）・６（５Ｕ₂）と第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）との間に跨って、多孔質上部電極５Ｕ₁・５Ｕ₂上に配置された第１反り抑制用多孔質絶縁膜１０（５Ｕ₁）・１０（５Ｕ₂）と、平面視において、第２応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｄ₁）・６（５Ｄ₂）と第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）との間に跨って、多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂上に配置された第２反り抑制用多孔質絶縁膜１０（５Ｄ₁）・１０（５Ｄ₂）とを備えていても良い。

【0060】

また、基板１上に配置されたガス取り込み膜３を備え、ガス取り込み膜３上に多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂を配置しても良い。その他の構成は、第１の実施の形態と同様である。

【0061】

（製造方法）
第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、図１４〜図１７に示すように、基板１上に多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂を形成する工程（図１４）と、多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂上に絶縁膜８を形成する工程と、絶縁膜８をパターニングして開口部７を形成する工程（図１５）と、開口部７の多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂上および開口部７を取り囲む絶縁膜８上に固体電解質層４を形成する工程（図１６）と、固体電解質層４上に、多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂に対向し、基板１に対して実質的に縦方向に多孔質上部電極５Ｕ_１・５Ｕ₂を形成する工程（図１７）とを有する。ここで、絶縁膜８は、固体電解質層４の端面と多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂との間を非接触化し、酸素（Ｏ）イオンの固体電解質層４端面からの取り込みを抑制し、多孔質上部電極５Ｕ_１・５Ｕ₂と多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂との間の表面伝導電流成分を低減化可能である。

【0062】

また、第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、図１８に示すように、多孔質上部電極５Ｕ_１・５Ｕ₂上に第１応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｕ₁）・６（５Ｕ₂）を形成し、多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂上に第２応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｄ₁）・６（５Ｄ₂）を形成し、固体電解質層４上に第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）を形成する工程を有する。

【0063】

また、第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、図１９に示すように、平面視において、第１応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｕ₁）・６（５Ｕ₂）と第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）との間に跨って、多孔質上部電極５Ｕ_１・５Ｕ₂上に第１反り抑制用多孔質絶縁膜１０（５Ｕ₁）・１０（５Ｕ₂）を形成する工程と、平面視において、第２応力緩和用低熱膨張膜６（５Ｄ₁）・６（５Ｄ₂）と第３応力緩和用低熱膨張膜６（４）との間に跨って、多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂上に第２反り抑制用多孔質絶縁膜１０（５Ｄ₁）・１０（５Ｄ₂）を形成する工程とを有する。

【0064】

また、第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、図１３に示すように、基板１をエッチングして、基板１に形成されたキャビティ上に両持ちの梁構造体を形成する工程を有する。

【0065】

また、第２の実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法は、図１３に示すように、基板１上にガス取り込み膜３を形成する工程を有し、ガス取り込み膜３上に多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂を形成しても良い。

【0066】

第２の実施の形態においては、図１３に示すように、両持梁構造の４本のアームの内、片側２本のアームの両方のアームに多孔質下部電極５Ｄ₁・５Ｄ₂・多孔質上部電極 ５Ｕ₁・５Ｕ₂を配置している構造のみが第１の実施の形態と異なるため、各部の詳細な製造工程は、第１の実施の形態と同様である。

【0067】

以下、第１の実施の形態、第２の実施の形態に共通する説明は、単に実施の形態と記載する。

【0068】

（梁構造）
実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程（梁構造形成工程）を示す模式的断面構造は、図２０（ａ）に示すように表わされ、実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの製造方法の一工程（別の梁構造形成工程）は、図２０（ｂ）に示すように表わされる。

【0069】

ＭＥＭＳ構造を有する梁構造には、図２０（ａ）に示すように、空洞Ｃを基板１の底部に開放構造に形成する開放型構造と、図２０（ｂ）に示すように、空洞Ｃを基板１の内部に形成する船型構造が可能である。いずれも例えばシリコン基板の異方性エッチングなどを適用可能である。図２０（ａ）・図２０（ｂ）においては、いずれも薄層化された基板１部分には、マイクロヒータ２が形成されているが図示は省略する。また、実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの縦型センサ構造は、デバイス加熱部２００によって表わされている。

【0070】

実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの梁構造のレイアウト図（上面図）は、図２１（ａ）に示すように表わされ、図２１（ａ）のＩＸ−ＩＸ線に沿う模式的断面構造は、図２１（ｂ）に示すように表わされる。

【0071】

図２１においては、基板１として（１００）面を有するシリコン基板を使用し、異方性エッチングにより、デバイス加熱部２００の底部には、底面が（１００）面、側面が（１１１）面のキャビティＣが形成されている。

【0072】

このシリコン基板１の表面には、ポリシリコンで形成されたマイクロヒータを含むシリコン酸化膜／シリコン窒化膜の積層膜１００が形成されている。デバイス加熱部２００の面積は、例えば、約０．１ｍｍ²である。

【0073】

図２１（ａ）・図２１（ｂ）に示す構造例では、縦型センサ構造のデバイス加熱部２００の底部には、マイクロヒータを含む積層膜１００が形成されており、基板１は除去されている。すなわち、第１の実施の形態および第２実施の形態において、薄層化された基板１を除去し、マイクロヒータを含む積層膜１００のみが形成されていても良い。

【0074】

実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのマイクロヒータ２は、以下のプロセスフローにより形成することができる。

【0075】

まず、Ｓｉ基板１上に３ｕｍ−ＰＳＧ（Phosphorus Silicon Glass）膜を形成し、ＳｉＮを形成し、ＳｉＮパターニングを行う（高濃度にドープする部分はＳｉＮ除去）。次に、ポリシリコンを形成し、例えば約１０００℃程度の熱処理により、ポリシリコンへ燐Ｐを拡散して高濃度ドープポリシリコンにする。ＳｉＮがある部分は低濃度ドープポリシリコンにする。更に、縦型センサ構造を形成し、ＢＨＦ（５:１）でＰＳＧエッチチングして梁構造を形成する。

【0076】

以上のように、実施の形態によれば、キャビティＣ上に梁構造のマイクロヒータ２を容易に形成することができる。

【0077】

実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、マイクロヒータ２は、図２１（ａ）・図２１（ｂ）の積層膜１００部分に配置されている。以下のプロセスフローによりマイクロヒータ２を形成するようにしても良い。

【0078】

まず、Ｓｉ（１００）基板１上にＳｉＯ₂／ＳｉＮ／ＳｉＯ₂の多層絶縁膜である積層膜１００を形成し、その上にＰｔヒータ（マイクロヒータ２）を形成する。次に、マイクロヒータ２の上にデバイス加熱部２００を形成する。更に、ＴＭＡＨ溶液を用いてＳｉ基板１を異方性エッチングすることによりキャビティＣを形成する。

【0079】

以上のように、実施の形態によれば、キャビティＣ上に梁構造のマイクロヒータ２を容易に形成することができる。

【0080】

（動作原理）
―ガス濃度を検出する動作―
限界電流式ガスセンサの原理は次の通りである。まず、ジルコニア固体電解質を数百度に加熱し、ジルコニア固体電解質に電圧を印加すると、触媒電極でイオン化した酸素イオンが、固体電解質の一方の側から他の側へ伝導する。このとき、小孔や多孔質などを利用して電解質に吸入する酸素ガス量を制限すると、電圧を増加しても電流が一定値になる飽和現象が現れる。この電流は限界電流と呼ばれ、周囲の酸素濃度に比例する。そのため、一定の電圧を印加すれば、流れる電流値から酸素濃度を検出することができる。印加する電圧を切り替えれば、同様の原理で水蒸気の濃度を検出することも可能である。

【0081】

実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２を用いてガス濃度を検出する動作を示すフローチャートは、図２２に示すように表される。また、実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、ガス濃度検出動作におけるＹＳＺ温度と時間との関係は、模式的に図２３に示すように表され、動作原理を説明する模式的断面構造は、図２４に示すように表される。

【0082】

固体電解質層４を、マイクロヒータ２によって、数百℃、例えば５００℃程度に加熟し、多孔質上部電極（陰極）５Ｕ・多孔質下部電極（陽極）５Ｄ間に電圧を印加して電流Ｉを流すと、図２４に示すように、多孔質上部電極（陰極）５Ｕでは、Ｏ₂＋４ｅ^-⇔２Ｏ²⁻の電気化学反応によって固体電解質層４中へ酸素イオンの注入が起こる。一方、多孔質下部電極（陽極）５Ｄでは、２Ｏ²⁻⇔Ｏ₂＋４ｅ^-の反応によって酸素ガスの放出が生じる。

【0083】

固体電解質層４中において、酸素イオン（Ｏ^2-）は、ホッピング伝導に基づいて伝播される。ここで、酸素イオン（Ｏ^2-）のホッピング伝導を説明するエネルギーダイアグラムは、図２５に示すように模式的に表される。固体電解質層４に電界Ｅ_Xが印加されるとその効果によって、伝導体の底は、−ｅＥ_Xだけ傾くことになる。その分だけ、酸素イオン（Ｏ^2-）の伝導障壁高さが低下するため、熱励起と共に酸素イオン（Ｏ^2-）のホッピング伝導が実施される。

【0084】

固体電解質層４に吸入する酸素ガス量を制限すると、電圧を増加しても電流が一定値になる飽和現象が現れる。実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、電流―電圧特性における限界電流は、図２６に示すように模式的に表される。すなわち、図２６において、期間Ｔ₂で現れる電流が酸素ガスに対する限界電流を表し、期間Ｔ₃で現れる電流が水蒸気に対する限界電流Ｉ_Wを表す。この限界電流Ｉ_O・Ｉ_Wは、周囲の酸素濃度・水蒸気濃度に比例するため、限界電流Ｉ_O・Ｉ_Wの値と酸素濃度・水蒸気濃度の値とを予め対応付けて検出回路８に登録しておく。このようにすれば、限界電流Ｉ_O・Ｉ_Wの値を測定することにより、それに対応する酸素濃度・水蒸気濃度を検出することができる。また、多孔質上部電極（陰極）５Ｕ・多孔質下部電極５Ｄ間に印加する電圧を切り替えれば、酸素濃度だけでなく水蒸気濃度を検出することも可能である。

【0085】

実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ１２を用いてガス濃度を検出する動作を、図２２および図２３を参照して説明する。図２３において、Ｔ_onはヒータオン期間、Ｔ_offはヒータオフ期間に相当する。ヒータオン期間Ｔ_onに投入される加熱電力は、例えば、約５ｍＷである。
（ａ）まず、マイクロヒータ２を用いて、室温から測定温度（例えば５００℃）までセンサを加熱する（図２：ステップＳ１→Ｓ２：ＮＯ→Ｓ１→・・・）。図２３に示すように、例えば、時刻ｔ＝０〜ｔ＝０．１秒の間にＹＳＺ温度Ｔは、０℃〜約５００℃まで上昇する。
（ｂ）測定温度に達したら（図２：ステップＳ２：ＹＥＳ）、安定するまで一定時間待機する。図２３に示すように、例えば、時刻ｔ＝０．１秒〜ｔ＝０．３秒の待機期間Ｔ_WにＹＳＺ温度Ｔは、約５００℃に保持される。
（ｃ）次に、多孔質上部電極５Ｕ・多孔質下部電極５Ｄ間に電圧を印加する（図２：ステップＳ３→Ｓ４）。図２３に示すように、例えば、時刻ｔ＝０．３秒〜ｔ＝０．５秒の測定期間Ｔ_MにＹＳＺ温度Ｔは、約５００℃に保持される。
（ｄ）次に、限界電流の値を測定し、その限界電流に対応するガス濃度を検出する（ステップＳ５）。
（ｅ）次に、マイクロヒータ２をオフにして、センサを冷却する。図２３に示すように、例えば、時刻ｔ＝０．５秒〜にＹＳＺ温度Ｔは、約５００℃から室温まで冷却される。

【0086】

以上に説明した温度サイクルは、例えば、約１分間に1回程度のサイクルで加熱・待機・測定・冷却を繰り返しても良い。
（電気化学反応）
実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいて、イオン伝導を説明する模式的断面構造は、図２７に示すように表される。

【0087】

図２６・図２７を参照して、実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおける電気化学反応について説明する。
（ａ）ＹＳＺ４を、マイクロヒータ２によって、例えば５００℃程度に加熟し、陰極５Ｕ・陽極５Ｄ間に電圧Ｖを印加して電流Ｉを流すと、図２６の期間Ｔ₁において、電流は増加し、限界電流値Ｉ_Oに到達する。図２６の期間Ｔ₁においては、Ｏ₂＋４ｅ^-⇔２Ｏ²⁻の電気化学反応によって、ＹＳＺ４中において、酸素イオンＯ²⁻が拡散する。この時、酸素ガスＯ₂のフロー量の方が酸素イオンＯ²⁻が拡散する量よりも大きい。
（ｂ）限界電流値Ｉ_Oが保持される図２６の期間Ｔ₂においては、酸素ガス分子の電気分解反応が実施され、図２７に示すように、陰極５ＵとＹＳＺ４界面では、Ｏ₂＋４ｅ^-⇔２Ｏ²⁻の電気化学反応によってＹＳＺ４中へ酸素イオンＯ²⁻の注入が起こる。一方、５ＤとＹＳＺ４界面では、２Ｏ²⁻⇔Ｏ₂＋４ｅ^-の反応によって酸素ガスＯ₂の放出が生じる。
（ｃ）ＹＳＺ４の温度Ｔを、例えば５００℃程度に保持し、さらに電圧Ｖを増加すると、電流Ｉは増加し、図２６の期間Ｔ₃において、限界電流Ｉ_Wに到達する。
（ｄ）限界電流Ｉ_Wが保持される図２６の期間Ｔ₃においては、吸着酸素ガスＯ_adの電気分解反応と水蒸気（Ｈ₂Ｏ）の電気分解反応が実施される。ここで、図２７に示すように、陰極５ＵとＹＳＺ４界面では、Ｏ₂＋４ｅ^-⇔２Ｏ²⁻の電気化学反応によってＹＳＺ４中へ酸素イオンＯ²⁻の注入が起こる。また、Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-⇔Ｈ₂＋Ｏ²⁻の電気化学反応によって水素の放出が生じる。すなわち、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）が電気分解されて、酸素イオンＯ²⁻が固体電解質層４内をホッピング伝導により移動していく。

【0088】

一方、陽極５ＤとＹＳＺ４界面では、吸着酸素ガスＯ_adの電気分解により、２Ｏ²⁻⇔Ｏ₂＋４ｅ^-の反応によって酸素ガスＯ₂の放出が生じる。同様に、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）の電気分解により、２Ｏ²⁻⇔Ｏ₂＋４ｅ^-の反応によって酸素ガスＯ₂の放出が生じる。
（ｅ）ＹＳＺ４の温度Ｔを、例えば５００℃程度に保持し、さらに電圧Ｖを増加すると、電流Ｉは増加し、図２６の期間Ｔ₄において、吸着酸素ガスＯ_adの電気分解反応と水蒸気（Ｈ₂Ｏ）の電気分解反応が実施される。さらに、ＹＳＺ４の電気分解が始まる。
ここで、図２７に示すように、陰極５ＵとＹＳＺ４界面では、Ｏ₂＋４ｅ^-⇔２Ｏ²⁻の電気化学反応によってＹＳＺ４中へ酸素イオンＯ²⁻の注入が起こる。また、Ｈ₂Ｏ＋２ｅ^-⇔Ｈ₂＋Ｏ²⁻の電気化学反応によって水素の放出が生じる。すなわち、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）が電気分解されて、酸素イオンＯ²⁻がホッピング伝導により固体電解質層４内を移動していく。

【0089】

一方、陽極５ＤとＹＳＺ４界面では、吸着酸素ガスＯ_adの電気分解により、２Ｏ²⁻⇔Ｏ₂＋４ｅ^-の反応によって酸素ガスＯ₂の放出が生じる。同様に、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）の電気分解により、２Ｏ²⁻⇔Ｏ₂＋４ｅ^-の反応によって酸素ガスＯ₂の放出が生じる。

【0090】

さらにＹＳＺ４の電気分解によって、酸素空孔濃度は次式Ｏ_O^X⇔１／２・Ｏ₂（ｇ）＋Ｖ_O^..＋２ｅ^’に基づき、雰囲気酸素分圧との平衡にも依存する。この式は、電子的伝導率は、固体と平衡する酸素分圧に依存し、高温では、生成系のエントロピーがより大きいことから高温では、反応が右に偏るので、温度にも依存することを示している。

【0091】

（反り量：シミュレーション結果）
固体電解質層（ＹＳＺ）４上にムライトを形成しない比較例に係る限界電流式ガスセンサのデバイス加熱部２００Ａにおいて、５００℃加熱時の反り量ＷＡ₁を示す模式的鳥瞰図は、図２８（ａ）に示すように表され、図２８（ａ）に対応した模式的断面図は、図２８（ｂ）に示すように表される。図２８（ａ）・図２８（ｂ）は、比較例に係る限界電流式ガスセンサのデバイス加熱部２００Ａを表しており、梁構造のシリコン基板１の厚さは１０μｍ、固体電解質層（ＹＳＺ）４の厚さは２μｍである。デバイス加熱部２００Ａのサイズは、幅Ｗは２００μｍ、長さＬは５００μｍである。

【0092】

固体電解質層（ＹＳＺ）４上にムライト（６，１０）を形成しない比較例に係る限界電流式ガスセンサのデバイス加熱部２００Ａにおいて、５００℃加熱時の反り量ＷＡ₁のシミュレーション結果は、３．９μｍであった。

【0093】

固体電解質層（ＹＳＺ）４上にムライトを３μｍ形成した実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのデバイス加熱部２００において、５００℃加熱時の反り量ＷＡ₂を示す模式的鳥瞰図は、図２９（ａ）に示すように表され、図２９（ａ）に対応した模式的断面図は、図２９（ｂ）に示すように表される。ここで、ムライトは、応力緩和用低熱膨張膜６・６（５Ｕ）・６（５Ｄ）や反り抑制用多孔質絶縁膜１０・１０（５Ｕ）・１０（５Ｄ）に対応した層である。図２９（ａ）・図２９（ｂ）は、実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのデバイス加熱部２００を表しており、梁構造のシリコン基板１の厚さは１０μｍ、固体電解質層（ＹＳＺ）４の厚さは２μｍである。デバイス加熱部２００のサイズは、幅Ｗは２００μｍ、長さＬは５００μｍである。

【0094】

固体電解質層（ＹＳＺ）４上にムライトを３μｍ形成した実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのデバイス加熱部２００において、５００℃加熱時の反り量ＷＡ₂のシミュレーション結果は、１．２μｍであった。すなわち、反り量は、約７０％低減されている。

【0095】

固体電解質層（ＹＳＺ）４上にムライトを５μｍ形成した実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのデバイス加熱部２００において、５００℃加熱時の反り量ＷＡ₂を示す模式的鳥瞰図は、図３０（ａ）に示すように表され、図３０（ａ）に対応した模式的断面図は、図３０（ｂ）に示すように表される。図３０（ａ）・図３０（ｂ）は、実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのデバイス加熱部２００を表しており、梁構造のシリコン基板１の厚さは１０μｍ、固体電解質層（ＹＳＺ）４の厚さは２μｍである。デバイス加熱部２００のサイズは、幅Ｗは２００μｍ、長さＬは５００μｍである。

【0096】

固体電解質層（ＹＳＺ）４上にムライトを５μｍ形成した実施の形態に係る限界電流式ガスセンサのデバイス加熱部２００において、５００℃加熱時の反り量ＷＡ₃のシミュレーション結果は、０．２μｍであった。すなわち、反り量は、約９５％低減されている。

【0097】

なお、上記のシミュレーションにおいては、固体電解質層（ＹＳＺ）４のヤング率は２１０ＧＰａ、線熱膨張係数は１０×１０^-6／Ｋとしている。また、梁構造のシリコン基板１のヤング率は１８５ＧＰａ、線熱膨張係数は３．３５×１０^-6／Ｋとしている。ムライトのヤング率は１７０ＧＰａ、線熱膨張係数は２．２×１０^-6／Ｋとしている。また、ムライトの成分は、Ａｌ₂Ｏ₃−６６ｍｏｌ％ＳｉＯ₂である。

【0098】

以上のシミュレーション結果より、応力緩和用低熱膨張膜６・６（５Ｕ）・６（５Ｄ）や反り抑制用多孔質絶縁膜１０・１０（５Ｕ）・１０（５Ｄ）に対応した層であるムライトを形成することによって、反り量を低減可能であることがわかる。

【0099】

（ＹＳＺ焼成温度）
実施の形態に係る限界電流式ガスセンサの固体電解質層（ＹＳＺ）４の形成において、ＹＳＺ−１０ｗｔ％ＳｉＯ₂を１２００℃焼成した状態の断面ＳＥＭ写真例は、図３１に示すように表され、ＹＳＺ−１０ｗｔ％ＳｉＯ₂を１３００℃焼成した状態の断面ＳＥＭ写真例は、図３２に示すように表される。ここで、固体電解質層（ＹＳＺ）４は、実験上シリコン基板上に形成されたシリコン酸化膜上に、厚さ約１μｍで形成されている。

【0100】

焼成温度１２００℃の写真（図３１）に比べ、焼成温度１３００℃の写真（図３２）では、固体電解質層（ＹＳＺ）４が緻密化されている。このような固体電解質層（ＹＳＺ）４の緻密化によって、電流の表面伝導成分は、１桁以上低減化可能である。ここで、表面伝導電流とは、酸化物表面の水の吸着層で陽子を１個の水分子から次に水分子に転送し、これによって、表面吸着したオキソニウムイオン（Ｈ₃Ｏ）⁺をチェイン反応の方向に沿って移送するという、グロットウスのチェイン反応によって生じる電気伝導である。

【0101】

実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいては、梁構造上への素子作製により、デバイス加熱部を小面積かつ薄層化して低消費電力化を図ることができる。

【0102】

また、実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいては、センサ部分を電極／安定化ジルコニア膜／電極の縦型構造化して、イオン伝導の向上・表面伝導成分の低減化を図ると共に、最表面に低熱膨張絶縁膜形成することで、加熱・冷却時の梁構造の反りを小さくし、耐久性を向上可能である。

【0103】

また、実施の形態に係る限界電流式ガスセンサにおいては、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）をスパッタや印刷で形成可能である。特に印刷を用いると、安価に量産することができる。また、イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ）は、分散処理および焼結助剤の添加により、シリコン基板上にＹＳＺ緻密膜を形成可能である。この緻密化により、表面伝導成分を低減し、良好な限界電流特性が発現させてセンサ感度を向上することができる。

【0104】

（パッケージ）
実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを収容するパッケージの蓋１３１を示す模式的鳥瞰構成は、図３３に示すように表される。図３３に示すように、パッケージの蓋１３１には、ガスは通過可能であるが異物は通さない多数の貫通穴１３２が形成されている。パッケージの蓋１３１には、メタルメッシュ、小孔開きメタル、ポーラスセラミックなどを適用可能である。

【0105】

実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを収容するパッケージの本体１４１を示す模式的鳥瞰構成は、図３４に示すように表される。図３４に示すように、パッケージの本体１４１には、複数の端子を備えた限界電流式ガスセンサのチップ１４２が収容され、複数のボンディングワイヤ１４３により電気的に接続されている。パッケージの本体１４１の上部に蓋１３１を被せ、半田によりプリント基板１０１などに実装する。

【0106】

（エナジーハーベスタ電源を用いたセンサノードの構成例）
実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ（センサノード）は、図３５に示すように、センサ類１５１と、無線モジュール１５２と、マイコン１５３と、エナジーハーベスタ電源１５４と、蓄電素子１５５とを備える。センサ類１５１の構成は、実施の形態で説明した通りである。無線モジュール１５２は、無線信号を送受信するＲＦ回路などを備えたモジュールである。マイコン１５３は、エナジーハーベスタ電源１５４のマネジメント機能を備え、エナジーハーベスタ電源１５４からの電力をセンサ類１５１に投入する。このとき、マイコン１５３は、センサ類１５１における消費電力を省電力化するヒータ電力プロファイルに基づいて電力を投入しても良い。例えば、相対的に大きな電力である第１の電力を第１の期間Ｔ１だけ投入した後、相対的に小さな電力である第２の電力を第２の期間Ｔ２だけ投入しても良い。また、第２の期間Ｔ２にデータを読み取り、第２の期間Ｔ２が経過した後、第３の期間Ｔ３だけ電力の投入を停止しても良い。エナジーハーベスタ電源１５４は、太陽光や照明光、機械の発する振動、熱などのエネルギーを採取し、電力を得る。蓄電素子１５５は、電力を蓄電することが可能なリチウムイオン蓄電素子などである。

【0107】

以下、このようなセンサノードの動作について説明する。まず、図３５中の（１）に示すように、エナジーハーベスタ電源１５４からの電力がマイコン１５３に供給される。これにより、マイコン１５３は、図３５中の（２）に示すように、エナジーハーベスタ電源１５４からの電圧を昇圧する。次に、図３５中の（３）に示すように、蓄電素子１５５の電圧を読み取った後、図３５中の（４）・（５）に示すように、蓄電素子１５５への電力供給や、蓄電素子１５５からの電力引き出しを行う。次に、図３５中の（６）に示すように、ヒータ電力プロファイルに基づいてセンサ類１５１に電力を投入し、図３５中の（７）に示すように、センサ抵抗値およびＰｔ抵抗値などのデータを読み取る。次に、図３５中の（８）に示すように、無線モジュール１５２に電力を供給し、図３５中の（９）に示すように、センサ抵抗値およびＰｔ抵抗値などのデータを無線モジュール１５２に送る。最後に、図３５中の（１０）に示すように、無線モジュール１５２によってセンサ抵抗値およびＰｔ抵抗値などのデータが無線送信される。

【0108】

（センサパッケージ）
実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを搭載するセンサパッケージ９６の模式的ブロック構成は、図３６に示すように表される。

【0109】

実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを搭載するセンサパッケージ９６は、図３６に示すように、温度センサ用のサーミスタ部９０と、湿度・酸素センサ用のＹＳＺセンサ部９２と、サーミスタ部９０・ＹＳＺセンサ部９２からのアナログ情報ＳＡ₂・ＳＡ₁を受信し、またサーミスタ部９０・ＹＳＺセンサ部９２への制御信号Ｓ₂・Ｓ₁を供給するＡＤ／ＤＡ変換部９４と、外部からのディジタル入出力信号ＤＩ・ＤＯとを備える。

【0110】

サーミスタ部９０は、例えば、ＮＴＣサーミスタ、ＰＴＣサーミスタ、セラミックＰＴＣ、ポリマーＰＴＣ、ＣＴＲサーミスタなどを適用可能である。ＹＳＺセンサ部９２には、実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを適用可能である。ＹＳＺセンサ部９２においては、絶対湿度（Absolute Humidity）や相対湿度（ＲＨ：Relative Humidity）も測定可能であるが、特に相対湿度（ＲＨ）の検出では、温度が基準になるため、サーミスタ部９０で検出した温度情報が必要となる。

【0111】

（センサネットワーク）
実施の形態に係る限界電流式ガスセンサを適用したセンサネットワークシステムの模式的ブロック構成は、図３７に示すように表される。図３７に示すように、センサネットワークとは、多数のセンサを相互に接続したネットワークである。すでに、工場、医療／ヘルスケア、交通、建設、農業、環境管理など、様々な分野でセンサネットワークを利用した新しい取り組みが始まっている。これらの分野では、耐久性の高いセンサを使用することが望まれるため、実施の形態に係る限界電流式ガスセンサ（例えば、湿度センサ）を適用するのが望ましい。このような湿度センサは、ジルコニアを使用しているため、耐久性に優れている。そのため、信頼性の高いセンサネットワークを提供することが可能である。

【0112】

以上説明したように、本発明によれば、表面伝導電流成分を低減化し、かつ低電力消費の限界電流式ガスセンサおよびその製造方法、およびセンサネットワークシステムを提供することができる。

【0113】

[その他の実施の形態]
上記のように、実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述および図面は例示的なものであり、この発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例および運用技術が明らかとなろう。

【0114】

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態などを含む。例えば、ジルコニアに代えてＮＡＳＩＣＯＮ（Na Super Ionic Conductor）を固体電解質層４に用いれば、二酸化炭素の濃度を検出することが可能である。

【産業上の利用可能性】

【0115】

本発明の限界電流式ガスセンサは、酸素センサや湿度センサに適用することができる。また、このようなセンサは、自動車の排ガス用やセンサネットワーク用に応用することができる。

【符号の説明】

【0116】

１、１Ａ…基板
２…マイクロヒータ
３…ガス取り込み膜
４、４Ａ…固体電解質層
５Ｕ…多孔質上部電極（陰極）
５Ｄ…多孔質下部電極（陽極）
６、６（５Ｕ）、６（５Ｄ）…応力緩和用低熱膨張膜（緻密膜、多孔質膜）
７…開口部
８…絶縁膜
１０、１０（５Ｕ）、１０（５Ｄ）…反り抑制用多孔質絶縁膜
１２、１２Ａ…限界電流式ガスセンサ
１８…検出回路
９０…サーミスタ部
９２…ＹＳＺセンサ部（限界電流式ガスセンサ）
９４…ＡＤ／ＤＡ変換部
９６…センサパッケージ
１００…積層膜
１３１…パッケージの蓋
１３２…貫通穴
１４１…パッケージの本体
１４２…限界電流式ガスセンサのチップ
１４３…ボンディングワイヤ
１５１…センサ類
１５２…無線モジュール
１５３…マイコン
１５４…エナジーハーベスタ電源
２００…デバイス加熱部
Ｂ…梁構造体
Ｃ…キャビティ
Ｉ_S…表面伝導電流

【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16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】