JP2005283177A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 ヒータと感応部とで１端子を共通化した三端子型の酸化物半導体センサの抵抗値の検出精度を向上させる。
【解決手段】 電圧発生部２０は制御部２３の制御の下にパルス幅変調されるパルス状の電圧をヒータ３に印加することで感応部２を加熱する。一方、出力検出部２２はヒータ３への印加電圧が零である期間中に感応部２の抵抗値Ｒｓを反映した検出出力Ｖ０を読み取る。ヒータ抵抗はＲｓに比べて格段に小さいので殆ど無視でき、従来のようにヒータ抵抗に発生する電圧に依存することなく感応部の抵抗値Ｒｓを正確に求めることができる。さらにヒータ３への印加電圧が零である期間中に抵抗値検出部２１はヒータ抵抗を読み取り、制御部２３はヒータ抵抗から温度を計算して目標温度となるように印加電圧のパルス幅を制御する。したがって、感応部２の温度安定性も良好になり、抵抗値Ｒｓの検出精度は一層高まる。
【選択図】 図３

Description

本発明はガス検出装置に関し、更に詳しくは、酸化物半導体センサを利用したガス検出装置に関する。

酸化物半導体センサは、取扱いが簡便である、幅広い種類のガスに対して感度が高い、内蔵ヒータによる自己洗浄機能を有する、長期間に亘り安定して長寿命である、半導体材料や添加する触媒或いは加熱温度等を変えることによってガス感度特性を変化させることができる、といった様々な特長を有している。このため、各種のガス警報機、簡易的なアルコール検査器、におい識別装置などに広く使用されている（例えば特許文献１など参照）。

酸化物半導体センサは、被検査試料（ガス）を高い温度（〜500℃程度）で酸化し、その際に酸化物半導体である感応部の表面上の酸素イオンの状態が変化することにより感応部の電気的特性が変化することを利用してガスを検出するものである。一般には、加熱のためのヒータと感応部とを一体化してパッケージに収容したものが実用化されており、その構造上、感応部とヒータとで一端子を共用化した三端子型のものと、感応部とヒータとを全く独立させた四端子型のものとがある。特にセンサ素子を１mm程度以下にまで小型化したものでは、三端子型の構造を採る場合が多い。

図１は三端子型の酸化物半導体センサのセンサ素子１の構成図、図２は従来の一般的なセンサ素子１を含むガス検出装置の構成図である。このセンサ素子１は、ヒータ３と感応部２とが電気的に接触した構成を有し、ヒータ３の一方の電極が感応部２の電極を兼ねた共通電極６となっており、そのほかに、ヒータ３に電圧を印加するための専用のヒータ電極５と、感応部２の抵抗値Ｒｓを検出するための感応部電極４とが設けられている。

図２に示すように従来のガス検出装置では、共通電極６は接地され、ヒータ電極５に直流電圧Ｖｈが印加されることで、ヒータ３は発熱し感応部２を加熱する。一方、感応部電極４は抵抗値がＲｂである負荷抵抗１０を介して電圧Ｖｒにバイアスされ、出力電圧Ｖ０がアンプ１１を介して取り出される。このときにヒータ３に流れる電流が負荷抵抗１０を流れる電流よりも充分に大きいと仮定すると、感応部電極４の出力電圧Ｖ０の測定結果により、感応部２の抵抗値Ｒｓは次式で与えられる。
Ｒｓ＝Ｒｂ×（Ｖｐ−Ｖ０）／（Ｖ０−Ｖｒ）
ここでＶｐはセンサ素子１の構造によって決まる電圧であるが、通常、回路的には感応部２の一端はヒータ３が有する抵抗の中点に接続された構成とみなすことができるため、理想的にはＶｐ＝（１／２）Ｖｈとなる。

しかしながら、実際には、酸化物半導体の不均質性や形状のばらつき、感応部電極４とヒータ３との位置関係のずれ、加工精度のばらつきなど、様々な理由で電位Ｖｐは（１／２）Ｖｈからずれる。このとき、（１／２）ＶｈからのＶｐのずれ量が一定であれば問題はないが、酸化物半導体の不均質性などの理由で感応部２に局所的に感度差がある場合には、ガスの種類や濃度によってＶｐが変動することがある。こうした変動は、ガス漏れ検知器のように比較的低い精度が許容される用途では問題とならないが、におい識別装置など特に複雑な組成のガスを高い精度で測定したい用途においては悪影響を及ぼすおそれがある。

特開平１１−１１８７４４号公報

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的とするところは、上記電位Ｖｐの値に依らずに感応部の抵抗値を高い精度で測定することができ、ひいてはガスの検出精度を向上させることができるガス検出装置を提供することにある。

上記課題を解決するために成された本発明は、酸化物半導体である感応部と、該感応部を加熱するためのヒータと、前記感応部の出力取り出し用の第１電極と、前記ヒータへの加熱電圧印加用の第２電極と、前記感応部及びヒータの両者に共通の第３電極とを有する三端子型の酸化物半導体センサを用いたガス検出装置において、
a)第１電極に接続され、前記感応部の抵抗値を検出する検出手段と、
b)第２電極に接続され、前記ヒータにパルス状の加熱電圧を印加する電圧印加手段と、
c)前記ヒータに印加される加熱電圧がオフである期間に前記検出手段により前記感応部の抵抗値を検出するように、前記検出手段の検出タイミングと前記電圧印加手段による電圧印加タイミングとを制御する制御手段と、
を備えることを特徴としている。

本発明に係るガス検出装置では、制御手段の制御の下に、電圧印加手段によりヒータに加熱電圧が印加されていないときに検出手段は感応部の抵抗値を読み取る。この状態では、検出手段によって読み取られる抵抗値は、感応部の抵抗値にヒータ抵抗の一部が直列に接続されたものとなるが、通常、ヒータ抵抗は数Ω程度であるのに対し、感応部の抵抗値は数ｋΩ〜数ＭΩと格段に大きい。つまり、ヒータ抵抗は感応部の抵抗値に比べて充分に小さく無視できる程度であり、検出手段による読み取り値をそのまま感応部の抵抗値であるとみなしても問題ない。これによって、ヒータへの印加電圧に依存する電圧Ｖｐの影響を受けずに、正確に感応部の抵抗値を測定することが可能となる。なお、電圧印加手段から印加する加熱電圧を、ヒータの熱時定数よりも充分に短い時間で電圧（電流）を断続するパルスとしておくことにより、パルス駆動とした場合でもヒータの温度の安定性を維持することができる。

上記のような酸化物半導体センサでは、一般にヒータには白金などが利用されるが、こうしたヒータは温度センサを兼ねるため、ヒータ抵抗の抵抗値を読み取ればこれからヒータの温度を推算することができる。そこで、本発明に係るガス検出装置の一態様として、第２電極に接続され、前記電圧印加手段により加熱電圧が印加されていない期間にヒータの抵抗値を検出するヒータ抵抗値検出手段をさらに備え、前記制御手段は検出されたヒータ抵抗値に基づいてヒータの温度が所定値になるように加熱電圧のパルス幅を決定し、前記電圧印加手段は決められたパルス幅を有するパルス状の電圧をヒータに印加する構成とすることができる。

この構成では、制御手段は、読み取ったヒータ抵抗値に基づいて推算した温度から、ヒータの温度を目的温度に維持するために必要な加熱電力が得られるように加熱電圧のパルス幅を決定する。すなわち、ヒータへ供給する電力制御をパルス幅変調方式で行うことにより、ヒータに供給する平均的な電力を調整する。これによって、ヒータの加熱温度を高い精度で制御することができる。酸化物半導体センサでは検出精度の温度依存性が大きいが、上記のようにして加熱温度を正確に制御することによって高い検出精度を達成することができる。

本発明に係るガス検出装置によれば、感応部の抵抗値の検出精度が電位Ｖｐの影響を受けないので、酸化物半導体の不均質性や形状のばらつきなどがあっても感応部のガス応答を高い精度で検出することができる。したがって、本発明に係るガス検出装置は、例えば複雑な組成のにおい成分を測定するためのにおい識別装置などに好適に用いることができる。

以下、本発明の一実施例によるガス検出装置について図面を参照して説明する。図３は本実施例のガス検出装置の構成図、図４は本実施例のガス検出装置の動作を説明するためのタイムチャートである。既に説明した図１、図２と同一の構成要素については同一符号を付して説明を省略する。

図３において、センサ素子１のヒータ電極５と共通電極６との間には、ヒータ３に加熱電圧を印加するための電圧発生部２０と、ヒータ抵抗の抵抗値を読み取るための抵抗値検出部２１とが並列に接続され、一方、アンプ１１の出力側には出力電圧Ｖ０を読み取るための出力検出部２２が接続されている。制御部２３は抵抗値検出部２１から与えられるヒータ抵抗値に基づいてその時点でのヒータ温度を推算し、それに応じた加熱電力を供給し得るパルス幅を算出して電圧発生部２０に指示する。それと共に抵抗値検出部２１及び出力検出部２２に読み取りタイミングを指示する。

上記構成を有する本実施例のガス検出装置の動作を、図４を参照しつつ説明する。各部の動作は制御部２３の制御の下に周期的に行われ、ここでは、その１周期Ｔｐを０．５秒に定めている。これはセンサ素子１のガス応答時間（数秒程度以上）を考慮した上での必要な時間分解能であり、ガス応答時間が短い（応答が速い）場合には周期を更に短く、逆にガス応答時間が長い（応答が遅い）場合には周期を更に長くするとよい。この１周期Ｔｐにおいて、前半の０．２５秒の期間中の時間幅Ｔａの時間内で出力検出部２２による読み取りを実行し、後半の０．２５秒の期間中の時間幅Ｔｂの時間内で抵抗値検出部２１によるヒータ抵抗の読み取りを行うように定める。すなわち、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、１周期Ｔｐ内の前半の０．２５秒の期間中に時間幅Ｔｈのヒータ電圧印加期間と時間幅Ｔａの出力検出期間とを重ならないように設定し、１周期Ｔｐ内の後半の０．２５秒の期間中に時間幅Ｔｈのヒータ電圧印加期間と時間幅Ｔｂのヒータ抵抗値検出期間とを重ならないように設定する。

抵抗値検出部２１は制御部２３の指示に基づいて図４（ｃ）に示すＴｂ期間にヒータ３の抵抗値を検出し、その結果を制御部２３へと送る。このとき電圧発生部２０からの印加電圧は零になっている。ヒータ３の抵抗値はその時点でのヒータ３の温度に依存したものとなるから、制御部２３は抵抗値からヒータ温度を計算し、目標温度との差に基づいて印加電圧のパルス幅を計算する。ヒータ温度が目標温度よりも低くその差が大きい場合には、相対的に大きな加熱電力を供給する必要があるからパルス幅を広げる。一方、ヒータ温度が目標温度よりも高くその差が大きい場合には加熱電力を抑える必要があるから、パルス幅を狭める。こうして決めたパルス幅を電圧発生部２０に指示し、電圧発生部２０はその指示に基づくパルス幅で波高値（電圧値）がＶｈ’である電圧を発生してヒータ３に印加する。

このようなパルス幅変調による加熱電力制御を行うため時間幅Ｔｈは可変であるが、その最大値は時間幅Ｔａ、Ｔｂによって決まる。例えば、検出出力とヒータ抵抗値の読み取り精度を１６ビットとし、０．０３秒のＡ／Ｄ変換時間を要すると仮定すると、時間幅Ｔａ、Ｔｂは０．０３秒であり、Ｔｈに許容される最大値は０．２２秒となる。この場合、パルス幅変調の変調率は０．２２／０．２５＝８８[％]であるため、従来のように直流電圧を印加する場合と比べて電圧値（パルス電圧の波高値）を１１４[％]以上に定めておけばよい。すなわち、Ｖｈ’＞Ｖｈ×１．１４としておけばよい。

上記のようなフィードバックによる加熱電力制御によって、感応部２の温度が目標温度近傍に保たれた状態の下で、出力検出部２２は制御部２３の指示に基づいて図４（ｂ）に示すＴａ期間に検出出力Ｖ０を読み取る。このとき電圧発生部２０からの印加電圧は零である。したがって、検出出力Ｖ０は感応部２の抵抗値Ｒｓにヒータ抵抗の約１／２が加算された抵抗値に対応した値となる。しかしながら、ヒータ抵抗はたかだか数Ω程度であって、通常数ｋΩ〜数ＭΩである感応部２の抵抗値に比べて格段に小さいので殆ど無視することができ、検出出力Ｖ０は感応部２の抵抗値を反映した値になるものとみなせる。また、酸化物半導体では抵抗値の温度依存性が大きいが、上述したような温調機構によって温度が安定に維持されるため、周囲温度の変化やガス流速の変化などの温度的な外乱の影響も殆ど無視することができる。したがって、感応部２の抵抗値を正確に求めることができ、その抵抗値から感応部２で感知したガスの濃度などを正確に算出することが可能となる。

なお、上記実施例は一例であって、本発明の趣旨の範囲で適宜変形や修正を行なえることは明らかである。

三端子型の酸化物半導体センサの構成図。 図１のセンサ素子を用いた従来のガス検出装置の概略構成図。 本発明の一実施例であるガス検出装置の構成図。 本実施例のガス検出装置の動作を説明するためのタイムチャート。

符号の説明

１…センサ素子
２…感応部
３…ヒータ
４…感応部電極
５…ヒータ電極
６…共通電極
１０…負荷抵抗
１１…アンプ
２０…電圧発生部
２１…抵抗値検出部
２２…出力検出部
２３…制御部

Claims (2)

1. 酸化物半導体である感応部と、該感応部を加熱するためのヒータと、前記感応部の出力取り出し用の第１電極と、前記ヒータへの加熱電圧印加用の第２電極と、前記感応部及びヒータの両者に共通の第３電極とを有する三端子型の酸化物半導体センサを用いたガス検出装置において、
   a)第１電極に接続され、前記感応部の抵抗値を検出する検出手段と、
   b)第２電極に接続され、前記ヒータにパルス状の加熱電圧を印加する電圧印加手段と、
   c)前記ヒータに印加される加熱電圧がオフである期間に前記検出手段により前記感応部の抵抗値を検出するように、前記検出手段の検出タイミングと前記電圧印加手段による電圧印加タイミングとを制御する制御手段と、
   を備えることを特徴とするガス検出装置。
2. 第２電極に接続され、前記電圧印加手段により加熱電圧が印加されていない期間に前記ヒータの抵抗値を検出するヒータ抵抗値検出手段をさらに備え、前記制御手段は検出されたヒータ抵抗値に基づいてヒータの温度が所定値になるように加熱電圧のパルス幅を決定し、前記電圧印加手段は決められたパルス幅を有するパルス状の電圧をヒータに印加することを特徴とする請求項１に記載のガス検出装置。

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