JP2014178198A

JP2014178198A - ガス検知装置

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Publication number: JP2014178198A
Application number: JP2013052227A
Authority: JP
Inventors: Makoto Kobayashi; 誠小林; Takuya Suzuki; 卓弥鈴木; Makoto Okamura; 誠岡村; Takashi Nakajima; 崇中島; Atsushi Nonaka; 篤野中; Hisao Onishi; 久男大西; Toshiro Nakayama; 敏郎中山; Masahiro Suemitsu; 真大末光
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Osaka Gas Co Ltd
Priority date: 2013-03-14
Filing date: 2013-03-14
Publication date: 2014-09-25

Abstract

【課題】長期間に渡って信頼性を維持できるガス検知装置を提供する。
【解決手段】検知対象ガスとの接触により電気的特性が変化する、ガス検知層及びガス検知層を加熱可能なヒータ層を有するセンサ素子と、ガス検知層の温度を変化させるようにヒータ層に所定の周期で通電する制御を行うヒータ制御部と、ガス検知層の電気的特性に基づいて検知対象ガスを検知するガス検知部とを備え、ヒータ制御部の制御によりヒータ層に所定の周期で通電を行うガス検知通電状態で、ガス検知部が検知対象ガスを検知する構成になっている、ガス検知装置であって、ガス検知部における検知対象ガスの検知前に、ガス検知層の温度を１００℃以上の温度とし、かつガス検知通電状態のガス検知層の温度よりも低い温度とするように、ヒータ制御部の制御によりヒータ層に予備通電を行う構成になっている、ガス検知装置。
【選択図】図４

Description

本発明は、検知対象ガスとの接触により電気的特性が変化する、ガス検知層と該ガス検知層を加熱可能なヒータ層とを有するセンサ素子を用いて検知対象ガスを検知するガス検知装置に関する。

一般的に、ガスセンサはガス検知装置等に用いられており、特定の検知対象ガス、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、メタンガス（ＣＨ_４）、プロパンガス（Ｃ_３Ｈ_８）、メタノール蒸気（ＣＨ_３ＯＨ）等に対して選択的に感応するように構成されている。ガスセンサについては、その性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、及び低消費電力が要求されている。

このようなガスセンサを用いたガス検知装置のうち、家庭用の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の検知を目的としたもの、燃焼機器の不完全燃焼ガスの検知を目的としたもの、又はこれら両方の機能を合わせ持つもの等が存在している。しかしながら、いずれのガス漏れ警報器についても高いコストや設置の難易性の問題から広く普及していない。ガス漏れ警報器が広く普及するためには、特に、設置性を改善することが望まれている。このような要望に応じるためには、駆動源に電池を用いるとともにコードレス化を図ることによって、コンパクトなガスセンサを提供することが考えられる。駆動源に電池を用いる場合、ガスセンサを低消費電力化することが特に重要となる。しかしながら、接触燃焼式や半導体式のガスセンサは、４００℃〜５００℃の高温に加熱された状態でガスを検知する。そのため、高温状態を維持するために多くの電力を消費する必要があり、このことがガスセンサを低消費電力化する上で問題となっている。

このようなガスセンサについては、例えば、特許文献１に間欠駆動する薄膜式ガスセンサが開示されている。図２に示すように、この薄膜式ガスセンサのセンサ素子２においては、略板状のシリコン（Ｓｉ）基板１０を有している。シリコン基板１０には、その厚さ方向に延びる貫通孔１０ａが形成されている。シリコン基板１０の上には薄膜状の支持層１１が重ねて配置されている。支持層１１においては、シリコン基板１０上に熱酸化ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）層１１ａが重ねて配置され、熱酸化ＳｉＯ_２層１１ａ上にＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）層１１ｂが重ねて配置され、ＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４層１１ｂ上にＣＶＤ−ＳｉＯ_２層１１ｃが重ねて配置されている。さらに、支持層１１上の中央部にはヒータ層１２が重ねて配置され、ヒータ層１２を覆うように支持層１１上に電気絶縁層１３が配置されている。電気絶縁層１３上の中央部にはガス検知層１４が配置されている。ガス検知層１４においては、電気絶縁層１３上の中央部に一対の接合層１４ａが配置され、一対の接合層１４ａ上にそれぞれ感知層電極１４ｂが配置されており、一対の感知層電極１４ｂの間を結ぶように電気絶縁層１３上に感知層１４ｃが配置されている。さらに、電気絶縁層１３上には感知層電極１４ｂ及び感知層１４ｃを覆うように選択燃焼層１４ｄが配置されている。そのため、特許文献１の薄膜式ガスセンサは微細加工プロセスを用いたダイヤフラム構造等によって高断熱性・低熱容量性に優れている。

薄膜式ガスセンサにおいて行なわれるヒータ層１２の間欠駆動については、例えば、従来では、メタンガス、プロパンガス等の可燃性ガスを検出する場合、ヒータ層１２の温度を４００℃〜５００℃の高温とするように、５０ｍｓｅｃ〜５００ｍｓｅｃの一定時間ヒータ層１２に通電を行い（Ｈｉｇｈ状態）、感知層電極１４ｂにより感知層１４ｃの抵抗値を測定し、その抵抗値の変化からメタンガス、プロパンガス等の可燃性ガス濃度を検出している。高温下にある選択燃焼層１４ｄにおいて、一酸化炭素、水素（Ｈ_２）等の還元性ガスその他の雑ガスを燃焼させることによって、不活性なメタンガス、プロパンガス等の可燃性ガスが、選択燃焼層１４ｄを透過して拡散するとともに、感知層１４ｃに到達して感知層１４ｃの二酸化スズ（ＳｎＯ_２）と反応する結果、二酸化スズの抵抗値が変化するので、このことを利用して、ガス機器等のガス漏れ時に発生するメタンガス、プロパンガス等の可燃性ガスの濃度を検出している。さらに、ヒータ層１２に通電を行わない状態（Ｏｆｆ状態）を一定時間設定している。このような間欠駆動は、Ｈｉｇｈ−Ｏｆｆ駆動と呼ばれ、Ｈｉｇｈ状態及びＯｆｆ状態を所定の周期（例えば、６０ｓｅｃ周期）で繰り返している。

また、不完全燃焼時に発生する一酸化炭素を検知する場合、一旦、ヒータ層１２の温度を４００℃〜５００℃の高温状態とするように、５０ｍｓｅｃ〜５００ｍｓｅｃの一定時間ヒータ層１２に通電を行い（Ｈｉｇｈ状態）、薄膜式ガスセンサのクリーニングを行った後に、ヒータ層１２の温度を約１００℃の低温状態に降温するように通電を行い（Ｌｏｗ状態）、この低温状態で一酸化炭素を検知する。このとき、一酸化炭素に対する感度（以下、「ＣＯ感度」という）及び選択性が高くなることが知られている。さらに、ヒータ層１２に通電を行わない状態（Ｏｆｆ状態）を一定時間設定している。このような間欠駆動は、Ｈｉｇｈ−Ｌｏｗ−Ｏｆｆ駆動と呼ばれ、Ｈｉｇｈ状態、Ｌｏｗ状態、及びＯｆｆ状態を所定の周期（例えば、１５０ｓｅｃ周期）で繰り返している。

Ｌｏｗ状態において一酸化炭素の検知を行なうとともに、Ｈｉｇｈ状態において薄膜式ガスセンサのクリーニングに加えてメタン検知も行うことによって、１つの薄膜式ガスセンサにおいてメタン及び一酸化炭素の両方を検知可能なものも存在している。

特開２００３−２７０１８５号公報

ここで、ガスセンサの設置環境の雰囲気には、検知対象ガスに加えて窒素、炭酸ガス、水蒸気等が含まれている。しかしながら、上述の間欠駆動においてヒータ層４がＯｆｆ状態の間ではヒータ層１２の温度が周囲の温度まで降温している。このような状態ではガスセンサが高濃度の水蒸気に長期間曝されるので、ガスセンサの特性が変化し易くなっている。特に、メタンガス（ＣＨ_４）を感知するガスセンサについては、メタンガスを含む雰囲気内における抵抗が変化し易くなっており、メタンガスを検出するためのパラメータの閾値が変化し易くなっている。このことは、ガスセンサを長期間使用することを考量する上で問題である。

本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであって、その目的は、長期間に渡って信頼性を維持できるガス検知装置を提供することにある。

課題を解決するために、本発明の一態様に係る薄膜式ガスセンサは、検知対象ガスとの接触により電気的特性が変化する、ガス検知層及び前記ガス検知層を加熱可能なヒータ層を有するセンサ素子と、前記ガス検知層の温度を変化させるように前記ヒータ層に所定の周期で通電する制御を行うヒータ制御部と、前記ガス検知層の電気的特性に基づいて前記検知対象ガスを検知可能とするガス検知部とを備え、前記ヒータ制御部の制御により前記ヒータ層に前記所定の周期で通電を行うガス検知通電状態で、前記ガス検知部が前記検知対象ガスを検知する構成になっている、ガス検知装置であって、前記ガス検知部における前記検知対象ガスの検知前に、前記ガス検知層の温度を１００℃以上の温度とし、かつ前記ガス検知通電状態のガス検知層の温度よりも低い温度とするように、前記ヒータ制御部の制御により前記ヒータ層に予備通電を行う構成になっている。そのため、検知対象ガスの検知前に、センサ素子に付着した水蒸気を蒸発させることによって、検知対象ガスの検知時にセンサ素子が水蒸気の影響を受け難くなり、ガス検知装置の特性が長期間の使用によって変化し難くなる。

本発明の一態様に係るガス検知装置は、長期間に渡って信頼性を維持することができる。

本発明の実施形態に係るガス検知装置にて用いられる薄膜式ガスセンサを模式的に示す断面図である。本発明の実施形態における薄膜式ガスセンサにて用いられるセンサ素子を模式的に示す断面図である。本発明の実施形態に係るガス検知装置のブロック図である。本発明の実施形態における温度制御プロファイルを示す図である。薄膜式ガスセンサの抵抗値と検知対象ガスの濃度との関係を示す図である。本発明の比較例における温度制御プロファイルを示す図である。

本発明の実施形態に係るガス検知装置について以下に説明する。最初に、本実施形態に係るガス検知装置に用いられる薄膜式ガスセンサについて説明する。図１に示すように、ガス検知装置に用いられる薄膜式ガスセンサ１は、検知対象ガスを検知するセンサ素子２を有している。センサ素子２はテーブル３上に配置されており、センサ素子２の底部とテーブル３の頂面とが当接している。テーブル３は複数のステム４によって支持されている。ステム４は、上下方向に延びる棒状に形成されている。また、テーブル３上には、センサ素子２を囲むようにキャップ５が配置されている。キャップ５は、上下方向に延びる筒状に形成されており、キャップ５の底部には底部開口５ａが設けられ、テーブル３の頂面とキャップ５の底部開口５ａの周縁部とが当接している。キャップ５の頂部には頂部開口５ｂが設けられ、キャップ５の頂部には、頂部開口５ｂを覆うように網状の上部ネット６が取付けられている。キャップ５の内部には、網状の下部ネット７が上部ネット６の下方に間隔を空けて配置されている。上部ネット６と下部ネット７との間には、活性炭から構成されたフィルタ８が配置されている。薄膜式ガスセンサ１は、センサ素子２、テーブル３、ステム４、キャップ５、上部ネット６、下部ネット７、及びフィルタ８を収容する筐体９を有しており、筐体９は上下方向に延びる筒状に形成されている。筐体９の頂部には、通気開口９ａが設けられている。

このような薄膜式ガスセンサ１において、外部ガスが、筐体９の通気開口９ａを通過した後にフィルタ８を通過してキャップ５の内部に送られる。このようにキャップ５の内部に送られたガスに対してセンサ素子２が反応することとなる。

薄膜式ガスセンサ１のセンサ素子２について説明する。図２に示すように、薄膜式ガスセンサ１のセンサ素子２は、略板状のシリコン（Ｓｉ）基板１０を有している。このようなシリコン基板１０には、その厚さ方向に延びる貫通孔１０ａが形成されている。シリコン基板１０の上には薄膜状の支持層１１が重ねて配置されている。支持層１１においては、シリコン基板１０上に熱酸化ＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）層１１ａが重ねて配置され、熱酸化ＳｉＯ_２層１１ａ上にＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４（窒化ケイ素）層１１ｂが重ねて配置され、ＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４層１１ｂ上にＣＶＤ−ＳｉＯ_２層１１ｃが重ねて配置されている。

貫通孔１０ａの位置に対応するように支持層１１上の中央部にはヒータ層１２が重ねて配置されている。このヒータ層１２を覆うように支持層１１上に電気絶縁層１３が配置されている。貫通孔１０ａの位置に対応するように、電気絶縁層１３上の中央部にはガス検知層１４が配置されている。ガス検知層１４においては、貫通孔１０ａの位置に対応するように電気絶縁層１３上の中央部に一対の接合層１４ａが配置され、一対の接合層１４ａ上にそれぞれ感知層電極１４ｂが配置されており、一対の感知層電極１４ｂの間を結ぶように電気絶縁層１３上に感知層１４ｃが配置されている。感知層１４ｃは、例えば、一酸化炭素（ＣＯ）、メタンガス（ＣＨ_４）、プロパンガス（Ｃ_３Ｈ_８）、メタノール蒸気（ＣＨ_３ＯＨ）等に対して選択的に感応した場合に電気的特性が変化するように構成されている。さらに、電気絶縁層１３上には感知層電極１４ｂ及び感知層１４ｃを覆うように選択燃焼層１４ｄが配置されている。選択燃焼層１４ｄは、触媒を添加した多孔質体から構成され、かつ検知対象となるガス以外のガスが感知層１４ｃに到達することを防ぐように構成されている。

このような支持層１１、ヒータ層１２、及び電気絶縁層１３におけるシリコン基板１０の貫通孔１０ａに対応する部分（以下、「ダイヤフラム部分」という）は、シリコン基板１０によって支持されていない状態になっており、薄膜式ガスセンサ１のセンサ素子２はダイヤフラム構造を有している。

さらに、センサ素子２の好ましい構成の一例を説明するが、センサ素子２の構成は、これに限定されない。シリコン基板１０は、熱酸化膜付のシリコンウェハであると好ましい。ヒータ層１２は、タングステン（Ｔａ）から構成された第１のヒータ層上に、プラチナ・タングステン（ＰｔＷ）から構成された第２のヒータ層を重ねて配置し、かつ第２のヒータ層上に、タングステンから構成された第３のヒータ層を配置した積層構造（Ｔａ／ＰｔＷ／Ｔａ）を有していると好ましい。電気絶縁層１３は、二酸化ケイ素から構成されていると好ましい。感知層電極１４ｂは、プラチナから構成された第１の電極層上に、タングステンから構成された第２の電極層を重ねて配置した積層構造（Ｐｔ／Ｔａ）を有していると好ましい。感知層１４ｃは、二酸化スズ（ＳｎＯ_２）から構成されていると好ましい。選択燃焼層１４ｄは、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）にパラジウム（Ｐｄ）を触媒として担持した焼結材から構成されていると好ましい。

ここで、本実施形態に係るガス検知装置に用いられるセンサ素子２の製造方法の好ましい一例を説明するが、センサ素子２の製造方法は、これに限定されない。シリコン基板１０の表面及び裏面に、熱酸化ＳｉＯ_２層１１ａを形成する。次に、熱酸化熱酸化ＳｉＯ_２層１１ａ上に、ＣＶＤ−Ｓｉ_３Ｎ_４層１１ｂと、ＣＶＤ−ＳｉＯ_２層１１ｃとを順次プラズマＣＶＤ法により形成する。さらに、ヒータ層１２と、二酸化ケイ素から成る電気絶縁層１３とを順次スパッタ法により形成する。次に、ガス検知層１４を形成すべく、電気絶縁層１３の上に、接合層１４ａと、感知層電極１４ｂと、アンチモン（Ｓｂ）をドープした二酸化ケイ素から成る感知層１４ｃとを順次スパッタ法により形成する。本実施形態では一例として、スパッタ法による成膜には、ＲＦマグネトロンスパッタリング装置が用いられると好ましい。成膜条件については、例えば、タングステン（Ｔａ）又はチタン（Ｔｉ）から成る接合層６ａと、プラチナ（Ｐｔ）又は金（Ａｕ）から成る感知層電極１４ｂとの場合では、アルゴン（Ａｒ）ガス圧力を１Ｐａとし、基板温度を３００℃とし、ＲＦパワーを２Ｗ／ｃｍ^２とし、接合層１４ａと感知層電極１４ｂとの厚さをそれぞれ５００Åと２０００Åとすると好ましい。感知層電極１４ｂを十分に覆うように、選択燃焼層１４ｄをスクリーン印刷法により塗布し、その後、５００℃の温度下で１時間以上焼成を行なう。次に、シリコン基板１０の裏面からエッチングによりシリコンを除去し、貫通孔１０ａを形成する。

次に、本実施形態に係るガス検知装置の全体について説明する。図３に示すように、ガス検知装置は上述した薄膜式ガスセンサ１を備えている。ガス検知装置はマイコン制御回路１５を備えており、マイコン制御回路１５は、ガス検知装置の全体を制御するように構成されている。ガス検知装置はヒータ制御回路１６を備えており、ヒータ制御回路１６は、電源回路１７から供給される電圧を、薄膜ガスセンサ１全体を駆動するためのセンサ電圧及びヒータ層１２を加熱するためのヒータ電圧に変換するように構成されている。ヒータ制御回路１６は、薄膜式ガスセンサ１のヒータ層１２と、後述するマイコン制御回路１５のヒータ制御部１５ａとに接続されている。ガス検知装置は電源回路１７を備えており、電源回路１７は、ガス検知装置に電力を供給するように構成されている。電源回路１７は、マイコン制御回路１５とヒータ制御回路１６とに接続されている。一例として、電源回路１７には、乾電池や充電池等の消耗電池が用いられるとよい。他の例としては、電源回路１７には、商用電源及び定電圧回路が用いられてもよい。ガス検知装置は結露検知回路１８を備えており、結露検知回路１８は、ガス検知層１４の結露を検知するように構成されている。結露検知回路１８は、薄膜式ガスセンサ１のヒータ層１２と、後述するマイコン制御回路１５の結露検知部１５ｂとに接続されている。ガス検知装置はガス検知回路１９を備えており、ガス検知回路１９は、ガス検知層１４の電気的特性に基づいて、例えば、都市ガスに含まれるメタンガス（ＣＨ_４）、プロパンガス（Ｃ_３Ｈ_８）、メタノール蒸気（ＣＨ_３ＯＨ）等を検知可能とするように構成されている。ガス検知回路１９は、薄膜式ガスセンサ１のガス検知層１４と、後述するマイコン制御回路１５の都市ガス検知部１５ｃ及びＣＯガス検知部１５ｄとに接続されている。

ガス検知装置は警報表示回路２０を備えており、警報表示回路２０は、ガスを検知した場合に視覚的に警報を表示するように構成されている。警報表示回路２０は、後述するマイコン制御回路１５の表示制御部１５ｅに接続されている。ガス検知装置は警報音出力回路２１を備えており、警報音出力回路２１は、ガスを検知した場合に聴覚的に警報を出力するように構成されており、この警報音出力回路２１には、スピーカ等の警報を音声として出力する警報音出力手段（図示せず）が設けられている。警報音出力回路２１は、後述するマイコン制御回路１５の警報音出力制御部１５ｆに接続されている。ガス検知装置は外部出力回路２２を備えており、外部出力回路２２は、ガスを検知した場合に視覚的に警報を表示可能とすべく、外部の機器に信号等の電気的な外部出力を送ることができるように構成されている。外部出力回路２２は、後述するマイコン制御回路１５の外部出力制御部１５ｇに接続されている。ガス検知装置は記憶回路２３を備えており、記憶回路２３は、結露の水分除去及びガス検知に用いられる閾値及び設定値、並びにガスを検知して警報を発したときのデータ等の履歴を記憶可能に構成されている。記憶回路２３は、マイコン制御回路１５に接続されている。

マイコン制御回路１５の詳細について説明する。マイコン制御回路１５は、上述のようにヒータ制御回路１６に接続されるヒータ制御部１５ａと、結露検知回路１８に接続される結露検知部１５ｂとを有しており、ヒータ制御部１５ａと結露検知部１５ｂとは接続されている。図４に示すように、このようなヒータ制御部１５ａは、時間ｔ０の間ヒータ層１２に通電しない状態（以下、「非通電状態」という）にする制御を行い、非通電状態の後に時間ｔ１の間ヒータ層１２に、ガス検知層１４の温度をＴ１とするように予備通電を行った状態（以下、「予備通電状態」という）にする制御を行い、かつ予備通電状態の後に時間ｔ２の間ヒータ層１２にガス検知層１４の温度をＴ２とするように通電を行った状態（以下、「ガス検知通電状態」という）にする制御を行う構成になっている。なお、非通電状態では、ガス検知層１４の温度をＴ０となる。ここで、予備通電状態の温度Ｔ１は、大気中で水分を蒸発可能とする１００℃以上の温度、かつガス検知通電状態のガス検知層１４の温度よりも低い温度に設定されている。本実施形態に係るガス検知装置では、このような通電が所定の周期（＝ｔ０＋ｔ１＋ｔ２）で繰り返されるようになっており、ヒータ層１２には間欠的に通電が行われるようになっている。

結露検知回路１８に接続された結露検知部１５ｂは、ガス検知層１４が結露した場合に、この結露を検知する構成になっている。このような結露検知部１５ｂ及び結露検知回路１８については、一例として、結露検知回路１８がヒータ層１２に接続されたシャント抵抗（図示せず）を備えており、結露検知部１５ｂがシャント抵抗の両端電圧を測定するように構成されているとよい。また、結露検知回路１８には、シャント抵抗の両端電圧に関するアナログ信号をデジタル信号に変換して結露検知部１５ｂに送るために、Ａ／Ｄ変換回路（図示せず）が設けられている。このような結露検知部１５ｂを有するマイコン制御回路１５においては、ヒータ層１２に通電する時間ｔ２内に一定となった温度を測定して、この温度が結露を検知するための温度（以下、「結露検知温度」という）以下となった場合に、結露検知部１５ｂからヒータ制御部１５ａに結露を検知したことを伝えることができる。一例として、結露検知温度は、ヒータ層１２を加熱する目標温度（以下、「加熱目標温度」という）を４００℃〜５００℃の範囲とした場合において、誤差等を考慮して加熱目標温度に対して−５℃〜０℃の範囲とすることが考えられる。

また、マイコン制御回路１５は、上述のようにガス検知回路１９に接続された都市ガス検知部１５ｃ及びＣＯガス検知部１５ｄを備えている。都市ガス検知部１５ｃは、ガス検知層１４の抵抗値の変化に基づいて、都市ガスに含まれるメタンガス（ＣＨ_４）、プロパンガス（Ｃ_３Ｈ_８）、メタノール蒸気（ＣＨ_３ＯＨ）等を検知するようになっている。また、ＣＯガス検知部１５ｄは、ガス検知層１４の抵抗値の変化に基づいて、一酸化炭素を検知するようになっている。マイコン制御回路１５は、上述のように表示制御部１５ｅを備えており、表示制御部１５ｅは、ガスを検知した場合に視覚的に警報を表示するように警報表示回路２０を制御する構成になっている。マイコン制御回路１５は警報音出力制御部１５ｆを備えており、警報音出力制御部１５ｆは、ガスを検知した場合に聴覚的に警報を出力するように警報音出力回路２１を制御する構成になっており、この制御によって、スピーカ等が警報を音声として出力するようになっている。マイコン制御回路１５は外部出力制御部１５ｇを備えており、外部出力制御部１５ｇは、外部の機器に信号等の電気的な外部出力を送るように外部出力回路２２を制御する構成になっている。

このようなマイコン制御回路１５は、マイクロコンピュータ等のＣＰＵ及びその周辺回路によって構成されている。ヒータ制御部１５ａと、結露検知部１５ｂと、都市ガス検知部１５ｃと、ＣＯガス検知部１５ｄと、表示制御部１５ｅと、警報音制御部１５ｆと、外部出力制御部１５ｇとは、ハードウェア又はソフトウェアによって構成されている。

ここで、予備通電がガス検知層１４の抵抗値とガス濃度との関係に与える影響について説明する。本実施形態に係るガス検知装置の薄膜式ガスセンサ１において、非通電状態とした後に、ガス検知層１４を１００℃とするように１０ｓｅｃ間通電を行い、続いて、ガス検知層１４を４００℃とするようにヒータ層１２に０．２ｓｅｃ（２００ｍｓｅｃ）間通電を行った。このような通電を６０ｓｅｃの周期で行った。なお、ガス検知層１４の抵抗値は、ガス検知層１４を４００℃とするようにヒータ層１２に０．２ｓｅｃ（２００ｍｓｅｃ）間通電を行った状態で測定したものである。

この測定の結果を図５に示す。図５に示すように、温度０℃の環境下におけるガス検知層１４の抵抗値とガス濃度との関係は、清浄空気については丸印Ａ１で示すような結果となり、メタンガスについては丸印及び実線の組合せＭ１で示すような結果となり、水素ガスについては丸印及び一点鎖線の組合せＨ１で示すような結果となり、一酸化炭素ガスについては丸印及び破線の組合せＣ１で示すような結果となった。また、温度２０℃及び相対湿度６５％の環境下におけるガス検知層１４の抵抗値とガス濃度との関係は、清浄空気については三角印Ａ２で示すような結果となり、メタンガスについては三角印及び実線の組合せＭ２で示すような結果となり、水素ガスについては三角印及び一点鎖線の組合せＨ２で示すような結果となり、一酸化炭素ガスについては三角印及び破線の組合せＣ２で示すような結果となった。温度５０℃及び相対湿度６０％の環境下におけるガス検知層１４の抵抗値とガス濃度との関係は、清浄空気については四角印Ａ３で示すような結果となり、メタンガスについては四角印及び実線の組合せＭ３で示すような結果となり、水素ガスについては四角印及び一点鎖線の組合せにＨ３で示すような結果となり、一酸化炭素ガスについては四角印及び破線の組合せＣ３で示すような結果となった。

このような結果によれば、温度０℃の環境下、温度２０℃及び相対湿度６５％の環境下、並びに温度５０℃及び相対湿度６０％の環境下における清浄空気の抵抗値の範囲と、同環境下におけるメタンガス及び水素ガスの抵抗値の範囲とは若干重複することとなったが、温度２０℃及び相対湿度６５％の環境下、並びに温度５０℃及び相対湿度６０％の環境下における清浄空気の抵抗値の範囲と、同環境下におけるメタンガス及び水素ガスの抵抗値の範囲とは重複しないことが確認できた。また、温度０℃の環境下、温度２０℃及び相対湿度６５％の環境下、並びに温度５０℃及び相対湿度６０％の環境下におけるメタンガス及び水素ガスの抵抗値の範囲と、同環境下における一酸化炭素ガスの抵抗値の範囲とは若干重複することとなったが、温度２０℃及び相対湿度６５％の環境下、並びに温度５０℃及び相対湿度６０％の環境下におけるメタンガス及び水素ガスの抵抗値の範囲と、同環境下における一酸化炭素ガスの抵抗値の範囲とは重複しないことが確認できた。よって、予備通電は、室内等の通常使用環境下において、清浄空気とメタンガス又は水素ガスと一酸化炭素ガスとの間の識別性に影響を与えるものではない。

以上のように本実施形態によれば、都市ガス検知部１５ｃ及びＣＯガス検知部１５ｄによる検知対象ガスの検知前に、ガス検知層１４の温度を１００℃以上の温度かつガス検知通電状態のガス検知層１４の温度よりも低い温度とするように、ヒータ制御部１５ａの制御によってヒータ層１２に予備通電を行う構成になっている。そのため、検知対象ガスの検知前に、センサ素子２に付着した水蒸気を蒸発させることによって、検知対象ガスの検知時にセンサ素子が水蒸気の影響を受け難くなり、ガス検知装置の特性が長期間の使用によって変化し難くなる。

ここまで本発明の実施形態について述べたが、本発明は既述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変形および変更が可能である。

［実施例］
本発明の実施例について説明する。実施例においては、本発明の実施形態に係るガス検知装置を用いる。このガス検知装置は、上述した薄膜式ガスセンサ１のセンサ素子２の好ましい構成の一例におけるセンサ素子２を有しており、センサ素子２は、上述したセンサ素子２の製造方法の好ましい一例のように作製されている。実施例のガス検知装置においては、非通電状態の時間ｔ０を５８．８ｓｅｃとし、予備通電状態の通電時間ｔ１を１ｓｅｃとし、ガス検知通電状態の通電時間ｔ２を０．２ｓｅｃとする（図４を参照）。この場合、通電の周期は６０ｓｅｃとなる。

実施例では、温度２０℃及び相対湿度６０％の環境下で４０００ｐｐｍのメタンガスを流した状態で、初期状態のガス検知装置にてガス検知層１４の抵抗値Ｒ０を測定する。次に、このガス検知装置に対して２年相当加速試験を実施する。その後、温度２０℃及び相対湿度６０％の環境下で４０００ｐｐｍのメタンガスを流した状態で、２年相当加速試験後のガス検知装置にてガス検知層１４の抵抗値Ｒ１を測定する。なお、初期状態の抵抗値Ｒ０及び２年相当加速試験後の抵抗値Ｒ１はガス検知通電状態にて測定する。この測定結果に基づいて、初期状態の抵抗値Ｒ０に対する２年相当加速試験後の抵抗値Ｒ１の変動比Ｓ（＝Ｒ１／Ｒ０）を算出する。

［比較例］
本発明の比較例について説明する。比較例においては、ヒータ層１２への通電を除いて実施例１と同様に構成されたガス検知装置を用いる。比較例のガス検知装置においては、図６に示すように、時間ｔ０’の間ヒータ層１２に通電しない状態（この場合、ガス検知層１４の温度をＴ０’となる）とした後に、時間ｔ２’の間ヒータ層１２にガス検知層１４の温度をＴ２’とするように通電を行った状態（以下、「比較例ガス検知通電状態」という）とする。詳細には、ヒータ層１２に通電しない時間ｔ０’を５９．８ｓｅｃとし、比較例ガス検知通電状態にて通電する時間ｔ２を０．２ｓｅｃとする。この場合、通電の周期は６０ｓｅｃとなる。

比較例では、温度２０℃及び相対湿度６０％の環境下で４０００ｐｐｍのメタンガスを流した状態で、初期状態のガス検知装置にてガス検知層１４の抵抗値Ｒ０’を測定する。さらに、このガス検知装置に対して２年相当加速試験を実施する。その後、温度２０℃及び相対湿度６０％の環境下で４０００ｐｐｍのメタンガスを流した状態で、２年相当加速試験後のガス検知装置にてガス検知層１４の抵抗値Ｒ１’を測定する。なお、初期状態の抵抗値Ｒ０’及び２年相当加速試験後の抵抗値Ｒ１’は比較例ガス検知通電状態にて測定する。この測定結果に基づいて、初期状態の抵抗値Ｒ０’に対する２年相当加速試験後の抵抗値Ｒ１’の変動比Ｓ’（＝Ｒ１’／Ｒ０’）を算出する。

実施例及び比較例の結果によれば、実施例の変動比Ｓは１．５２となり、比較例の変動比Ｓ’は３．７５となった。よって、実施例の予備通電によって、ガス検知装置の特性が長期間の使用後に変化し難くなることが確認できた。

１薄膜式ガスセンサ
２センサ素子
１０シリコン基板
１０ａ貫通孔
１２ヒータ層
１４ガス検知層
１５ａヒータ制御部
１５ｃ都市ガス検知部
１５ｄＣＯガス検知部
ｔ０，ｔ０’，ｔ１，ｔ２，ｔ２’ 時間
Ｔ０，Ｔ０’，Ｔ１，Ｔ２，Ｔ２’ 温度
Ａ１丸印
Ａ２三角印
Ａ３四角印
Ｍ１丸印及び実線の組合せ
Ｍ２三角印及び実線の組合せ
Ｍ３四角印及び実線の組合せ
Ｈ１丸印及び一点鎖線の組合せ
Ｈ２三角印及び一点鎖線の組合せ
Ｈ３四角印及び一点鎖線の組合せ
Ｃ１丸印及び破線の組合せ
Ｃ２三角印及び破線の組合せ
Ｃ３四角印及び破線の組合せ

Claims

検知対象ガスとの接触により電気的特性が変化する、ガス検知層及び前記ガス検知層を加熱可能なヒータ層を有するセンサ素子と、
前記ガス検知層の温度を変化させるように前記ヒータ層に所定の周期で通電する制御を行うヒータ制御部と、
前記ガス検知層の電気的特性に基づいて前記検知対象ガスを検知可能とするガス検知部と
を備え、
前記ヒータ制御部の制御により前記ヒータ層に前記所定の周期で通電を行うガス検知通電状態で、前記ガス検知部が前記検知対象ガスを検知する構成になっている、ガス検知装置であって、
前記ガス検知部における前記検知対象ガスの検知前に、前記ガス検知層の温度を１００℃以上の温度とし、かつ前記ガス検知通電状態のガス検知層の温度よりも低い温度とするように、前記ヒータ制御部の制御により前記ヒータ層に予備通電を行う構成になっているガス検知装置。