JP2002257766A

JP2002257766A - ガス検出器

Info

Publication number: JP2002257766A
Application number: JP2001060322A
Authority: JP
Inventors: Soichi Tabata; 総一田畑; Katsumi Higaki; 勝己檜垣; Hisao Onishi; 久男大西; Shinichi Ochiwa; 眞一小知和; Noriyoshi Nagase; 徳美長瀬; Katsumi Onodera; 克己小野寺
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2002-09-11
Anticipated expiration: 2021-03-05
Also published as: JP4475834B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、ダイアフラム様の支持基板上に、
膜状酸化物と膜状酸化物の電気抵抗値を計測する電極と
膜状酸化物を加熱するためのヒーターとを設け、ヒータ
ーのｏｎとｏｆｆを繰り返し、ヒータのｏｎ時間中にお
ける電極間の抵抗値によりガスを検知するガスセンサに
おいて、低消費電力で、雑ガス感度を抑制して特定ガス
種の選択的感度を得るガス検出器を実現することを目的
とする。【解決手段】ｏｎ時間を短くした一次検知モードにお
いて、不特定ガスの有無を膜状酸化物の電気抵抗値によ
り監視し、一次検知モードにおいて、電気抵抗値が所定
レベル以上の変化が計測されたときにのみ、一次検知モ
ードのｏｎ時間よりも長くヒーターを駆動する二次検知
モードに移行させ、二次検知モード時の電気抵抗値と一
次検知モード時の電気抵抗値との大小により特定ガス種
か否かを判定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜状の支持膜の
外周部または両端部が電気絶縁性の基板により支持され
てなるダイアフラム様の支持基板上に、ガスの有無によ
って抵抗値が変化する膜状酸化物と、前記膜状酸化物の
電気抵抗値を計測するための少なくとも１対の電極と、
前記膜状酸化物を加熱するためのヒーターとを設け、前
記ヒーターのｏｎとｏｆｆを繰り返し、前記ヒータのｏ
ｎ時間中における前記電極間の抵抗値により、ガスを検
知するガスセンサにおいて、低消費電力化を図って電池
駆動ガス警報器として実施可能で、雑ガス感度を抑制し
特定ガス種に対し選択的感度を得ることができるガス検
出器に関する。

【０００２】

【従来の技術】家庭用のガス漏れや不完全燃焼を検知す
る警報器（ガス検出器の一例）をより普及させるため、
設置性の改善が強く望まれている。特に、警報器をコー
ドレスとすることは、大幅な設置性の改善が期待できる
ため、電池駆動の警報器の実現が強く望まれている。可
燃性ガスを検知する場合においては、センサ部分を３５
０〜５００℃に加熱する必要がある。従来の酸化錫焼結
体を用いた商用電源駆動のガスセンサの消費電力は、２
００ｍＷ〜１Ｗであるが、５年寿命の電池駆動警報器を
実現するためには、現状のセンサから抜本的なセンサ構
造と駆動方法の改良が必要となる。すなわち、低消費電
力化の方法としては、加熱部分を微細化し熱容量の低
減化をはかるためのセンサ構造の改良（小型化、熱放散
抑制）、ヒーターの駆動（ｏｎ）時間の短縮化、すな
わちｏｎ時とｏｆｆ時の比率（Ｄｕｔｙ比）の低減化が
重要である。

【０００３】本発明者らは、前記の方法を達成するべ
く、特開２０００−２９２３９４号公報に、低消費電力
化を計るための薄膜ガスセンサの構造について開示して
おり、この薄膜ガスセンサにより電池駆動型センサを実
現することができる。ところで、一般にガス警報器にお
いては、検知対象ガスに対してガス感度を持つことは必
須性能であるが、同時に検知対象以外のガスには感度を
持たないこと（ガス選択性）が必要である。したがっ
て、ガス選択性を持たせるため、非検知対象ガスの感ガ
ス部への到達を抑制するためのフィルタや、非検知対象
ガスを燃焼除去可能な触媒層（以下選択燃焼層とよぶ）
を感ガス部に接触して設ける方法が採られる。現在市販
されているような、商用電源を用い、感ガス部と選択燃
焼層の連続的な加熱時間が比較的長いセンサにおいて
は、この構造とすることで雑ガスの除去効果を発揮でき
る。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ガス警報器において、
５年以上の電池によるメタン検知動作を保証するために
は、仮に３０秒に一回の検知周期であっても、定常的な
加熱時の平均消費電力が、６５ｍＷの検知部を用いた微
小な素子を場合においても、加熱時間としては２００ｍ
ｓｅｃ以内とすることが望まれる。しかしながら、定常
的なヒーター駆動においては容易に雑ガスを除去し容易
に選択性を得られる素子であっても、そのような加熱時
間の短い駆動条件では、吸着性の強い雑ガス、たとえば
アルコールに対する感度が大きくなり、メタンへの選択
性が得られなくなる問題が発生した。

【０００５】図４に示した構造のセンサについて、３０
秒周期でｏｎ時間の幅を変えた条件で、ｏｎ時間最後の
抵抗値を記録した場合の、各種ガスの感度特性（ガス種
の濃度と抵抗値）を図５と図６に示した。図５の駆動条
件では、ｏｎ時間が５００ｍｓｅｃであり、図６の駆動
条件では、ｏｎ時間が１００ｍｓｅｃである。ここで、
本ガスセンサにおいては、空気中の抵抗値よりも、可燃
性ガスが導入された場合、抵抗値が下がることで、可燃
性ガスの有無を判定する図５の加熱条件では、雑ガス、
すなわちエタノールに対する感度抑制されると同時にメ
タンに対して感度を有しているが、この場合は、平均セ
ンサ消費電力は７５０μＷとなり大きく、５年の寿命を
達成することが困難となる。ところが、図６では、平均
１５０μＷの電力消費であり、５年の寿命を達成するこ
とが可能であるが、メタンの感度は有するものの、エタ
ノールの感度は抑制されていない。たとえば、１０００
ｐｐｍのエタノールの感度レベルは、メタンの３０００
ｐｐｍレベルの感度レベルよりも大きく、誤報の可能性
が大きくなる。

【０００６】従って、本発明は、上記の事情に鑑みて、
平均消費電力を低く保ちつつ、これらの雑ガス、とりわ
け家庭用警報器としての最大の誤報要因である、エタノ
ールに対する誤報を抑制し、メタンのみ警報を得ること
ができるガス検出器を実現することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係るガス検出器
は、請求項１に記載したごとく、上記のようなガスセン
サにおいて、前記ヒーターのｏｎ時間を短くした一次検
知モードにおいて、不特定ガスの有無を前記膜状酸化物
の電気抵抗値により監視し、前記一次検知モードにおい
て、前記膜状酸化物の電気抵抗値の変化が所定レベル以
上計測されたときにのみ、前記一次検知モードのｏｎ時
間よりも長くヒーターを駆動する二次検知モードに移行
させ、前記二次検知モード時の前記膜状酸化物の電気抵
抗値と前記一次検知モード時の前記膜状酸化物の電気抵
抗値との比較により特定ガス種か否かを判定することを
特徴とする。

【０００８】また、本発明に係るガス検出器は、請求項
２に記載したごとく、上記のようなガスセンサにおい
て、前記ヒーターのｏｎ時間を短くした一次検知モード
において、不特定ガスの有無を前記膜状酸化物の電気抵
抗値により監視し、前記一次検知モードにおいて、前記
膜状酸化物の電気抵抗値の変化が所定レベル以上計測さ
れたときにのみ、前記一次検知モードのｏｎ時間よりも
長く前記ヒーターを駆動する二次検知モードに移行さ
せ、前記二次検知モード時の前記膜状酸化物の電気抵抗
値と前記一次検知モード時の前記膜状酸化物の電気抵抗
値との比較により特定ガス種か否かを判定し、さらに、
前記二次検知モード時の抵抗値により、特定ガス種の濃
度を計測することを特徴とする。

【０００９】さらに、本発明に係るガス検出器は、請求
項３に記載したごとく、上記のガス検出器の構成に加え
て、前記一次検知モードのｏｎ時間が、４０〜２００ｍ
ｓｅｃの範囲内であり、前記二次検知モードのｏｎ時間
が１５０ｍｓｅｃ〜５００ｍｓｅｃの範囲内であり、且
つ、前記二次検知モードのｏｎ時間を前記一次検知モー
ドのｏｎ時間よりも長く設定したことを特徴とする。さ
らに、本発明に係るガス検出器は、請求項４に記載した
ごとく、上記のガス検出器の構成に加えて、前記特定ガ
ス種がメタンであることを特徴とする。

【００１０】本発明の目的を達成するために、発明者ら
は、薄膜状の支持膜の外周部または両端部がＳｉ基板に
より支持されてなるダイアフラム様の、きわめて低熱容
量のヒータ基板（以下、マイクロヒーターと呼ぶ。）上
に、ガスの有無によって抵抗値が変化する膜状酸化物を
設けた場合において、ヒータをｏｎさせたときの感ガス
部（膜状酸化物）の抵抗値変動挙動を解析した。その結
果、共存するガス種によって、その変動挙動が異なる、
すなわちエタノールが共存する条件では、１００ｍｓｅ
ｃを越えても、抵抗値は変動し続けるといった傾向を持
つ一方で、メタンが共存した雰囲気では、ｏｎ後４０ｍ
ｓｅｃ時といったきわめて短時間に抵抗値は安定化領域
に達するという新知見を得、新規のヒーター駆動法と判
別方法を利用したガス検出器を考案するに至った。

【００１１】図７に、各種ガス中の雰囲気にセンサが置
かれた状態で、ヒータをｏｎさせたときの抵抗値の変動
挙動を示す。ヒーターをｏｎすると同時に、感ガス部の
抵抗値は温度上昇に伴い抵抗値は大きく減少し、その後
上昇する。可燃性ガスが存在しない雰囲気（以下、ベー
スガスと呼ぶ。図中ａｉｒと表示している。）において
は、抵抗値の変動挙動は、大きく減少した後に徐々に上
昇する。ベースガス時では、１０００ｍｓｅｃ（１秒）
経過時にもまだ安定していない。さらに、家庭用警報器
の雑ガスであるエタノールが共存した場合、ｏｎ後の抵
抗値は、ベースガス時の抵抗値よりも小さい、即ち感度
を持ち、且つ抵抗値の変動はベースガス時の抵抗値の挙
動と同様の傾向を示す。ところが、特定のガス種、特に
メタンが共存した場合では、ｏｎ後１０ｍｓｅｃの抵抗
値の変動が減少する傾向はあるものの、１００ｍｓｅｃ
経過時にはすでに安定化していることを新たに見いだし
た。

【００１２】そこで、発明者らは、以下のようなガスセ
ンサの駆動方法を行うガス検出器を考案した。すなわ
ち、ヒーターのｏｎ時間を設定した一次検知モードで
は、不特定ガスの有無を感ガス部抵抗値により監視す
る。所定レベル以上の抵抗値変化が計測されたときにの
み、前記ヒーターのｏｎ時間よりも長くヒータを駆動す
る二次検知モードに移行させ、二次検知モード時の感ガ
ス部抵抗値を測定する。このときの、二次検知モード時
の抵抗値と、一次検知モード時の抵抗値との比較で、特
定ガス種か否かを判定する。さらに、特定ガス種と判断
した場合には、そのこのように設定することで、消費電
力化を図りつつ、特定ガス種を選択的に検知することが
可能となった。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るガス検出器の
実施の形態について詳細を説明する。〔ガスセンサの製造方法〕図４に本発明の実施例に用い
た、薄膜ガスセンサの構造を示す。両面に熱酸化膜が３
００ｎｍ形成されたＳｉ基板の表面にダイアフラム構造
の支持層（支持基板の一例）となるＳｉＮ膜とＳｉＯ₂
膜を順次プラズマＣＶＤ法にてそれぞれ１５０ｎｍと１
μｍ形成する。この上にヒータ層としてＰｔＷ膜を０．
５μｍ形成しウエットエッチングによりヒータパターン
を形成する。さらにＳｉＯ₂絶縁膜をスパッタ法により
２．０μｍ形成した後、ヒータと電極パッドの接合個所
をＨＦにてエッチングし窓明けを行う。次にＰｔ／Ｔａ
（２００ｎｍ／５０ｎｍ）膜をガス検知層の電極として
成膜しウエットエッチングによりパターニングする。こ
こでＴａはＳｉＯ₂とＰｔ膜間の接合層としての役割を
もつ。さらに、この上部にガス検知層としてスパッタ法
によるＳｎＯ₂膜（膜状酸化物の一例）をリフトオフ法
により０．１〜１０μｍの厚さにて形成する。次にアル
ミナ粒子にＰｔ及びＰｄ触媒を、７．５ｗｔ％担持させ
た粉末をバインダとともにペーストとし、スクリーン印
刷によりＳｎＯ₂膜の表面に塗布、焼成させ約３０μｍ
厚の選択燃焼層を形成する。最後に基板の裏面からドラ
イエッチングによりＳｉを４００μｍ径の大きさにて完
全に除去しダイアフラム構造とする。

【００１４】〔ガスセンサの駆動方法〕次に、本発明の
ガス検出器におけるガスセンサの駆動方法について図面
に基づいて説明する。図１〜３にガスセンサの駆動方法
のフローチャートを示す。図１〜３のいずれのフローに
おいても、通常の監視時（以下一次検知モードと呼ぶ）
では、ヒーターのｏｎ時間を４０〜１５０ｍｓｅｃ時に
設定し、ｏｎ時間最後の抵抗値について常時監視する。
もし、可燃性ガスが所定濃度以上存在し、ガス検知層の
抵抗値が予め設定した抵抗値レベルよりも下がると、ヒ
ーター駆動時間を一次検知モードよりも延長し、１５０
ｍｓｅｃ〜５００ｍｓｅｃの範囲のある固定されたヒー
ターｏｎ時間後の抵抗値を監視する（これを二次検知モ
ードという）。この時の抵抗値を測定し、一次検知モー
ドで記録された抵抗値と二次検知モードで記録された抵
抗値の大小比較を行い、検知対象ガスか否かを判定す
る。すなわち、二次検知モード時のガス検知層の抵抗値
が、一次検知モード時のガス検知層の抵抗値よりも顕著
に大きくなると、エタノールなどの雑ガスと判定し、抵
抗値の差が所定値よりも小さい場合にはメタンと判定す
る。

【００１５】この時の二次検知モードへの移行の方法
は、図１に示すように、それまでのヒータをｏｆｆする
ことなく、そのまま加熱を延長してもよい。尚、この場
合、二次検知モードとしての加熱時間は、一次検知モー
ドでヒータをｏｎした時点を起点とする。また、図２の
フローに示すように、一旦ヒーターをｏｆｆした後に、
次サイクルでヒーターをｏｎさせた時から、二次検知モ
ードのｏｎ時間にて判定を行っても良い。

【００１６】またさらに、二次検知モードにおける、検
知対象ガスの濃度の測定精度を高くするため、図３のフ
ローに示すように、二次検知モードにおける加熱時間に
おいて、ヒータのｏｎとｏｆｆを何サイクルか繰り返し
たのち、二次検知モードにおける抵抗値が安定した時点
で、一次検知モードにおける抵抗値との比較によりガス
種を判定した後、二次検知モードにおける抵抗値による
濃度判定を行っても良い。この場合、ガス種判定に採用
する一次検知モードの抵抗値としては、二次検知モード
に入る前の一次検知モード時の抵抗値を採用してもよい
が、二次検知モードに入って、一次検知モード相当時間
経過した時点での抵抗値を採用しても良い。ここでヒー
ターをｏｆｆする時間は、一次検知モード二次検知モー
ドとで同じでもよいが、検知周期をそろえる、すなわ
ち、ｏｎ時間＋ｏｆｆ時間が等しくなるように設定して
も良い。また、図３のように、二次検知モードのサイク
ルを複数回行う様な場合、二次検知モードのｏｆｆ時間
を一次検知モードのｏｆｆ時間よりも短くし、二次検知
モードによる濃度判定を早めるような設定を行っても良
い。

【００１７】上記の図２のフローを行うロジックにて、
本発明に係るガス検出器としてのガス警報器を試作し
た。電池容量としては、アルカリ単２電池を２個搭載
し、警報機能は接点出力とした。一次検知モードの加熱
時間（ｏｎ時間）は、１００ｍｓｅｃ、二次検知モード
の加熱時間（ｏｎ時間）は、３００ｍｓｅｃとした。一
次検知モード時及び二次検知モード時のいずれの場合も
検知の周期は３０秒と固定した。比較例として、３０秒
周期でｏｎ時間が２００ｍｓｅｃ固定の試作ガス検知器
を作製した。警報器の警報濃度域はメタン換算１０００
ｐｐｍと設定した。

【００１８】上記のガス警報器の試験を以下のように行
った。夫々のガス警報器を試験用チャンバに設置し、ガ
スかけの試験を、メタン５０００ｐｐｍ相当を２分→ａ
ｉｒを２時間→エタノール２０００ｐｐｍを２分→ａｉ
ｒを２時間というサイクルで、１００サイクル行った。
下記の表１に、上記の試験期間中のガス警報器の警報発
報回数と電池残量を示す。また、表１においては、これ
まで説明してきたガスセンサの駆動方法を行う本発明の
ガス検出器としてのガス警報器と、単一のガスセンサの
駆動方法（１００ｍｓｅｃ（比較例１）と２００ｍｓｅ
ｃ（比較例２））を行うガス警報器について比較して示
す。

【００１９】

【表１】

【００２０】試験の結果、１００サイクル経過時の電池
消費量は、従来のヒータの加熱時間が２００ｍｓｅｃと
固定であるガス警報器では１２０ｍＷｈであったのに対
し、本発明のガス警報器では６２ｍＷｈと、加熱時間を
１００ｍｓｅｃに固定した場合程度しか消費されない。
さらにメタンに対する応答は、いずれのガス警報器にお
いても、１００サイクルのガスかけ中１００回の警報を
確認したものの、誤報要因となるエタノールについて
は、従来の加熱時間が１００ｍｓｅｃと固定であるガス
警報器では９７回も誤報を発生し、加熱時間が２００ｍ
ｓｅｃと固定であるガス警報器でも４５回も発報がされ
たにもかかわらず、本発明に係るガス警報器では、発報
はゼロとすることができた。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のガス検出器におけるヒータ駆動方法を
示すフローチャート

【図２】本発明のガス検出器におけるヒータ駆動方法を
示すフローチャート

【図３】本発明のガス検出器におけるヒータ駆動方法を
示すフローチャート

【図４】ガスセンサの素子構造を示す概略断面図

【図５】ガスセンサにおいてヒータｏｎ後５００ｍｓｅ
ｃ経過時のガス濃度と感ガス部の抵抗値の関係を示すグ
ラフ図

【図６】ガスセンサにおいてヒータｏｎ後１００ｍｓｅ
ｃ経過時のガス濃度と感ガス部の抵抗値の関係を示すグ
ラフ図

【図７】ガスセンサにおいてヒータｏｎ後の感ガス部の
抵抗値の変動挙動を示すグラフ図

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者檜垣勝己大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者大西久男大阪府大阪市中央区平野町四丁目１番２号大阪瓦斯株式会社内 (72)発明者小知和眞一神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者長瀬徳美神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内 (72)発明者小野寺克己神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号富士電機株式会社内Ｆターム(参考） 2G046 AA02 AA19 BA01 BB02 BC04 BE03 CA04 DB04 DC14 DD01 FB01 FE25 FE31 FE38 FE41 FE46 5C086 AA02 BA01 CA04 CB13 DA04 DA08 EA01 GA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】薄膜状の支持膜の外周部または両端部が
電気絶縁性の基板により支持されてなるダイアフラム様
の支持基板上に、ガスの有無によって抵抗値が変化する
膜状酸化物と、前記膜状酸化物の電気抵抗値を計測する
ための少なくとも１対の電極と、前記膜状酸化物を加熱
するためのヒーターとを設け、前記ヒーターのｏｎとｏ
ｆｆを繰り返し、前記ヒータのｏｎ時間中における前記
電極間の抵抗値により、ガスを検知するガスセンサにお
いて、前記ヒーターのｏｎ時間を短くした一次検知モードにお
いて、不特定ガスの有無を前記膜状酸化物の電気抵抗値
により監視し、前記一次検知モードにおいて、前記膜状
酸化物の電気抵抗値の変化が所定レベル以上計測された
ときにのみ、前記一次検知モードのｏｎ時間よりも長く
ヒーターを駆動する二次検知モードに移行させ、前記二
次検知モード時の前記膜状酸化物の電気抵抗値と前記一
次検知モード時の前記膜状酸化物の電気抵抗値との比較
により特定ガス種か否かを判定するガス検出器。
【請求項２】薄膜状の支持膜の外周部または両端部が
電気絶縁性の基板により支持されてなるダイアフラム様
の支持基板上に、ガスの有無によって抵抗値が変化する
膜状酸化物と、前記膜状酸化物の電気抵抗値を計測する
ための少なくとも１対の電極と、前記膜状酸化物を加熱
するためのヒーターとを設け、前記ヒーターのｏｎとｏ
ｆｆを繰り返し、前記ヒータのｏｎ時間中における前記
電極間の抵抗値により、ガスを検知するガスセンサにお
いて、前記ヒーターのｏｎ時間を短くした一次検知モードにお
いて、不特定ガスの有無を前記膜状酸化物の電気抵抗値
により監視し、前記一次検知モードにおいて、前記膜状
酸化物の電気抵抗値の変化が所定レベル以上計測された
ときにのみ、前記一次検知モードのｏｎ時間よりも長く
前記ヒーターを駆動する二次検知モードに移行させ、前
記二次検知モード時の前記膜状酸化物の電気抵抗値と前
記一次検知モード時の前記膜状酸化物の電気抵抗値との
比較により特定ガス種か否かを判定し、さらに、前記二
次検知モード時の抵抗値により、特定ガス種の濃度を計
測するガス検出器。
【請求項３】前記一次検知モードのｏｎ時間が、４０
〜２００ｍｓｅｃの範囲内であり、前記二次検知モード
のｏｎ時間が１５０ｍｓｅｃ〜５００ｍｓｅｃの範囲内
であり、且つ、前記二次検知モードのｏｎ時間を前記一
次検知モードのｏｎ時間よりも長く設定したことを特徴
とする請求項１又は２に記載のガス検出器。
【請求項４】前記特定ガス種がメタンであることを特
徴とする請求項１から３の何れか１項に記載のガス検出
器。記載のガス検出器。