JP2818073B2 - ガスセンサ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、気体中のガス成分を
電圧素子により検出して定量化を行うガスセンサに関
し、特に高感度で耐ノイズ性及び耐サージ性を向上させ
たガスセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、被検ガスを定量するガスセンサ
は、例えば電気機器絶縁用ガスの放電分解等を異常検出
するために用いられている。通常、この種の絶縁ガスと
しては安定性に優れたＳＦ₆が用いられるが、異常放電
により活性のＦ₂（フッ素）ガスが発生するので、フッ
素ガスを検出することにより異常放電の発生を知ること
ができる。又、微量のフッ素ガスの発生を検出すれば、
重大事故となる前に未然に異常を知ることができる。

【０００３】従来より、検出電極、固体電解質及び対向
電極の３層からなり被検ガスとの反応によって両電極間
に起電力を発生する電圧素子は、液漏れの心配がないう
えメインテナンスフリー等の特長を有するため、ＳＦ₆
分解ガス（フッ素ガス）のセンサとして広く利用されて
いる。図３は例えば特願昭６３−２６７３９２号明細書
に参照されるような電圧素子を用いた従来のガスセンサ
を示す構成図である。

【０００４】図において、１は気体中の被検ガスＧと反
応する物質例えば銀薄膜からなる検出電極であり、被検
ガスＧに接触するように配置されている。２は被検ガス
Ｇ及び検出電極１の反応に関連したイオンに対して導電
性の物質即ち銀イオン導電性固体からなる固体電解質で
ある。３は被検ガスＧ及び検出電極１の反応に関連した
イオンと反応する物質即ち銀板からなる対向電極であ
り、固体電解質２を介して検出電極１に対向配置されて
いる。

【０００５】検出電極１及び対向電極３は、固体電解質
２の上面及び下面に接触配置され、固体電解質２と共に
３層積層構造の電圧素子を形成している。このうち、被
検ガスＧに接触する検出電極１は、被検ガスＧとの反応
に対して状態変化を大きくするために薄膜で形成されて
いる。６は各電極１、３及び固体電解質２からなる電圧
素子を載置する基板、Ｖは検出電極１と対向電極３との
間の起電力を測定する電圧計である。

【０００６】次に、被検ガスＧとして例えばフッ素ガス
を検出する場合を例にとり、図３に示した従来のガスセ
ンサの動作について説明する。まず、反応前の初期状態
においては、検出電極１側の銀の化学ポテンシャル及び
対向電極３側の銀の化学ポテンシャルはいずれも金属銀
の化学ポテンシャルであるため、検出電極１と対向電極
３との間の化学ポテンシャルに差がなく、両者の間に起
電力の差は生じない。

【０００７】ここで、気体中にフッ素ガスが混入する
と、図示したように検出電極１が気体にさらされている
ため、フッ素ガスは検出電極１中の銀と反応し、以下の
ようにフッ化銀ＡｇＦを生成する。

【０００８】(１／２)Ｆ₂＋Ａｇ→ＡｇＦ

【０００９】このように検出電極１側でフッ化銀ＡｇＦ
が生成されると、検出電極１中の銀の化学ポテンシャル
が変化するため、フッ化銀の生成度合に応じて検出電極
１と対向電極３との間で起電力が生じ、検出電極１が正
電位、対向電極３が負電位となる。

【００１０】このとき生成されたフッ化銀ＡｇＦの量
は、気体中のフッ素ガス濃度に関係しているので、電圧
計Ｖで両電極１及び３間の電位差を測定することにより
フッ素ガス濃度を求めることができる。しかし、検出感
度が電圧計Ｖの仕様のみに依存しているため、被検ガス
Ｇが微量のときには両電極１及び３間の電位差が小さく
なり、初期異常を検出することはできない。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来のガスセンサは以
上のように、電圧計Ｖにより、単に検出電極１と対向電
極３との間の起電力を検出しているので、低感度であっ
て微量ガスに対する検出出力が弱く、又、耐ノイズ性及
び耐サージ性が低く信頼性が悪いという問題点があっ
た。

【００１２】この発明は上記のような問題点を解決する
ためになされたもので、高感度で耐ノイズ性及び耐サー
ジ性を向上させたガスセンサを得ることを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明に係るガスセン
サは、第１導電型の半導体基板と、半導体基板の表面に
形成された第２導電型のソース及びドレインと、ソース
及びドレインの間に形成された第２導電型のチャネル
と、チャネルを介してソース及びドレイン間に電流を流
すための電源と、電流の値を検出する電流検出手段とを
備え、電圧素子をチャネルに対向するゲート部として被
着すると共に、検出電極を複数個に分割する絶縁物と、
対向電極を複数個に分割する絶縁物と、固体電解質を複
数個に分割すると共に、複数の検出電極の各々を複数の
対向電極の隣接する一方に導通する導通部とを設け、複
数の電圧素子を直列接続した構造を有するものである。

【００１４】

【００１５】

【作用】この発明においては、ＭＯＳＦＥＴ構造を応用
して、ＭＯＳＦＥＴのゲート金属の代わりに電圧素子を
設ける。電圧素子にゲート作用をもたせることにより、
電圧素子の検出電極が被検ガスの濃度に応じて変動して
対向電極との間に起電力が発生すると、対向電極の電位
に応じてＭＯＳＦＥＴのチャネルが形成され、起電力が
ソース及びドレイン間の電流として増幅される。又、電
圧素子を複数に分割して直列接続することにより、検出
感度を更に向上させる。

【００１６】

【００１７】

【実施例】実施例１． 以下、この発明の実施例１を図について説明する。図１
はこの発明に関連したガスセンサを示す構成図であり、
６Ａは基板６に対応しており、１〜３は前述と同様のも
のである。この場合、銀イオン導電性の固体電解質２は
例えばＡｇ₆Ｉ₄ＷＯ₄であり、又、基板６Ａはｎ型の半導
体基板例えばシリコン(Ｓｉ)基板である。

【００１８】４は対向電極３とＳｉ基板６Ａとの間に介
在されたＳiＯ₂からなる絶縁膜、５はＳｉ基板６Ａ上の
一部の領域に形成されたｐ型のソース、７はＳｉ基板６
Ａ上の他の領域に形成されたｐ型のドレイン、８はソー
ス５とドレイン７との間に形成されたｐ型のチャネルで
ある。

【００１９】絶縁膜４は、ソース５及びドレイン７と同
様に、Ｓｉ基板６Ａの表面にＳｉ基板６Ａと一体に形成
され、その膜厚は、ソース５及びドレイン７の領域上で
は厚く、チャネル８上では薄く形成されている。又、絶
縁膜４上を覆う電圧素子１〜３は、全体に薄膜で形成さ
れている。

【００２０】９１は検出電極１から引き出された検出電
極端子、９３は対向電極３から引き出された対向電極端
子、１０はソース５から引き出されたソース端子、１１
はドレイン７から引き出されたドレイン端子である。１
２はソース端子１０及び検出電極１の間に挿入された比
較電極であり、検出電極１及び対向電極３間の電圧と同
一極性のバイアス電圧を発生する可変直流電源からな
り、チャネル８の動作電圧を設定する。

【００２１】１３は各端子９１、９３、１０及び１１か
らの信号を取り込む制御部であり、端子９１及び９３間
の電位差を検出する。又、制御部１３は、ソース端子１
０及びドレイン端子１１間に挿入されたスイッチＳＷを
有し、検出電極１及び対向電極３間の電位が所定値以下
即ち被検ガスＧが微量のときに、スイッチＳＷをオンし
てソース端子１０及びドレイン端子１１間を導通する。

【００２２】１４はソース端子１０及びドレイン端子１
１間に挿入された直流電源であり、正極がソース端子１
０に接続され、負極がドレイン端子１１に接続されてい
る。１５は直流電源１４と直列にソース端子１０及びド
レイン端子１１間に挿入された電流計であり、チャネル
８を介してソース端子１０及びドレイン端子１１間に流
れる電流Ｉの値を検出する。

【００２３】尚、絶縁膜４の薄膜部を介してチャネル８
に対向している電圧素子の対向電極３は、負電位の印加
により、チャネル８でのｐ型キャリア（即ち、ソース５
及びドレイン７間の電流Ｉに対応する）を制御するため
のゲート部を構成している。従って、電圧素子１〜３
は、ソース５、ドレイン７及びチャネル８を含むＭＯＳ
ＦＥＴのゲート金属として機能しており、直流電源１４
と協動して、ソース５及びドレイン７間の電流増幅回路
を構成している。

【００２４】次に、被検ガスＧがフッ素ガスの場合を例
にとって、図１に示したガスセンサの動作について説明
する。通常は、各端子９１及び９３間の電位差が０であ
るため、スイッチＳＷが閉成されている。ここで、被検
ガスＧ（フッ素ガス）が発生し、前述の反応により検出
電極１においてフッ化銀ＡｇＦが生成されると、フッ素
ガスの濃度に対応した起電力が端子９１及び９３間に発
生する。

【００２５】もし、この起電力が大きければ、従来と同
様に各端子９１及び９３間の電位差に基づいて異常が検
出され、電流増幅回路をオンする必要がないので、スイ
ッチＳＷはオフとなる。一方、被検ガスＧが微量であっ
て起電力が小さければ、各端子９１及び９３間の電位差
から異常は検出されないが、スイッチＳＷはオンのまま
となる。

【００２６】このとき、起電力は、比較電極１２の電位
と合成されて対向電極３即ちゲート部に印加され、チャ
ネル８に対するゲート作用を発揮し、ソース５及びドレ
イン７間に流れる電流Ｉを制御する。即ち、対向電極３
の負極電位によりチャネル８にＰ型キャリアが発生し、
チャネル８を介した電流Ｉの値は電流計１５により読み
取られ、十分に増幅された電流値としてフッ素ガス濃度
の検出に寄与することができる。

【００２７】こうして異常電流により初期放電等が検出
された後は、無駄な電流消費を防止するためにスイッチ
ＳＷはオフされてもよい。電流Ｉの異常判定動作及びス
イッチＳＷのオフ動作は、電流計１５を監視することに
よってオペレータが行うこともできるが、自動的に行う
ようにしてもよい。又、検出電極１を更に薄く形成して
おけば、フッ素ガス濃度が低くても反応による状態変動
が高感度となり、十分なゲート作用を発揮することがで
きる。

【００２８】このように、被検ガスＧの濃度に応じて電
圧が変化する電圧素子を用い、ＭＯＳＦＥＴのゲート金
属の代わりに取り付けることにより、ガスセンサとして
の感度が向上し、耐ノイズ性及び耐サージ性が向上す
る。

【００２９】図１のガスセンサでは、Ｓｉ基板６Ａ上に
単一の電圧素子を被着したが、複数の電圧素子を直列接
続して更に感度を向上させることが望ましい。以下、複
数の電圧素子を直列接続したこの発明の実施例１につい
て説明する。図２はこの発明の実施例１を示す構成図で
あり、１ａ〜１ｆは検出電極、２ａ〜２ｆは固体電解
質、３ａ〜３ｆは対向電極である。

【００３０】２０は検出電極を１ａ〜１ｆとして平面的
に複数個に分割する絶縁物であり、各検出電極１ａ〜１
ｆの隣接するもの同士を隔離する。２１は対向電極を３
ａ〜３ｆとして平面的に分割する絶縁物であり、各対向
電極３ａ〜３ｆの隣接するもの同士を隔離する。２２は
検出電極１ａ〜１ｆの各々を対向電極３ａ〜３ｆの隣接
する一方に導通する導通部であり、固体電解質を２ａ〜
２ｆとして平面的に複数に分割する。

【００３１】検出電極１ａ〜１ｆ、固体電解質２ａ〜２
ｆ及び対向電極３ａ〜３ｆは、それぞれ個別に３層積層
構造を有し、全体で６個の電圧素子を構成している。
尚、電圧素子は、必要に応じて任意数に分割され得る。
又、導通部２２により、１番目の電圧素子の対向電極３
ａは２番目の電圧素子の検出電極１ｂに導通し、以下、
各電圧素子の対向電極３ｂ〜３ｅは、隣接する電圧素子
の検出電極１ｃ〜１ｆにそれぞれ導通し、６個の電圧素
子は互いに直列接続されている。更に、検出電極端子９
１及び比較電極１２は１番目の電圧素子の検出電極１ａ
に接続され、対向電極端子９３は６番目の電圧素子の対
向電極３ｆに接続されている。

【００３２】次に、図２に示したこの発明の実施例１の
動作について説明する。この場合、被検ガスＧ即ちフッ
素ガスが検出電極１ａ〜１ｆ内の銀と反応すると、各検
出電極１ａ〜１ｆと対向電極３ａ〜３ｆとの間で、それ
ぞれ被検ガスＧの濃度に対応した起電力が発生する。従
って、検出電極端子９１と対向電極端子９３との間で検
出される電圧値は、１つの電圧素子で発生する起電力の
６倍の値となる。又、チャネル８に対するゲート部とし
て機能するほぼ中央の対向電極３ｃの電位は、各電圧素
子の起電力の約３倍に比較電極１２の電位を加えた値と
なる。

【００３３】実施例２． 尚、上記実施例１では、ＭＯＳＦＥＴのゲート部となる
電圧素子として、検出電極１及び対向電極３を銀、固体
電解質２を銀イオン導電性固体で構成したが、ＭＯＳＦ
ＥＴのゲート部となる電圧素子は、表１の〜のよう
に種々の組み合わせによって任意に構成され得る。

【００３４】表１ 検出電極１ 固体電解質２ 対向電極３ 銀 銀イオン導電性固体 銀イオンと反応する物質 (Ａg₆Ｉ₄ＷＯ₄) 銀イオン／電子混合導電体 同上 同上 ((Ag₂Se)_0.925(Ag₃PO₄)_0.075) 銅 銅イオン導電性固体 銅イオンと反応する物質 (Ｒb₄Ｃu₁₆Ｉ₇Ｃl₁₃) 銅イオン／電子混合導電体 同上 同上 (Ｃu₂Ｓe) アルカリ金属 Ｎa-βアルミナ アルカリ金属イオンと 反応する物質 アルカリ金属/電子混合導電体 同上 同上 (β-ＬiＡl) 多孔性不活性金属 水素イオン導電性固体 水素イオンと (Ｐt薄膜) ([ＰＭo₁₂Ｏ₄₀]・29Ｈ₂Ｏ) 反応する物質 水素／電子混合導電体 同上 同上 (ＰdＨx：0＜x＜1)

【００３５】実施例３． 更に、被検ガスＧ及び検出電極１の反応によって、検出
電極１に正電位、対向電極３に負電位が発生する場合を
示したが、検出電極１に負電位、対向電極３に正電位が
発生する場合であっても、同等の効果を奏することは言
うまでもない。この場合、ｐ型のＳｉ基板、ｎ型のソー
ス及びドレインが用いられ、チャネル８はｎ型となる。
又、電圧素子を構成する検出電極１、固体電解質２及び
対向電極３は、表２の〜のように種々の組み合わせ
が用いられ得る。

【００３６】表２ 検出電極１ 固体電解質２ 対向電極３ 多孔性不活性電極 酸素イオン導電性固体 酸素イオンと (Ｐt) ((Ｂi₂Ｏ₃)_1-x・(Ｙ₂Ｏ₃)x) 反応する物質 酸素イオン/電子混合導電体 同上 同上 (Ｃe_0.9Ｃa_0.1Ｏ_1.9) 多孔性不活性電極 フッ素イオン導電体 フッ素イオンと (Ｐt) (ＬaＦ₃) 反応する物質

【００３７】

【発明の効果】以上のようにこの発明の請求項１によれ
ば、第１導電型の半導体基板と、半導体基板の表面に形
成された第２導電型のソース及びドレインと、ソース及
びドレインの間に形成された第２導電型のチャネルと、
チャネルを介してソース及びドレイン間に電流を流すた
めの電源と、電流の値を検出する電流検出手段と、を備
え、電圧素子をチャネルに対向するゲート部として被着
すると共に、検出電極を複数個に分割する絶縁物と、対
向電極を複数個に分割する絶縁物と、固体電解質を複数
個に分割すると共に、複数の検出電極の各々を複数の対
向電極の隣接する一方に導通する導通部とを設け、複数
の電圧素子を直列接続した構造を有し、対向電極の電位
に応じてソース及びドレイン間の電流を増幅するように
したので、高感度で耐ノイズ性及び耐サージ性を向上さ
せたガスセンサが得られる効果がある。

【００３８】

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明に関連したガスセンサを示す構成図
である。

【図２】 この発明の実施例１を示す構成図である。

【図３】 従来のガスセンサを示す構成図である。

【符号の説明】

１、１ａ〜１ｆ 検出電極、２、２ａ〜２ｆ 固体電解
質、３、３ａ〜３ｆ対向電極、５ ソース、６Ａ 半導
体基板（Ｓｉ基板）、７ ドレイン、８ チャネル、１
４ 直流電源、１５ 電流計、２０、２１ 絶縁物、２
２ 導通部、Ｇ 被検ガス、Ｉ 電流。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 27/416 G01N 27/414

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検ガスと反応する物質からなり前記被
   検ガスに接触するように配置された検出電極と、 前記反応に関連したイオンと反応する物質からなり前記
   検出電極に対向配置された対向電極と、 前記イオンに対して導電性の物質からなり前記検出電極
   及び前記対向電極の間に介在された固体電解質と、 の３層構造からなる電圧素子を有し、 前記反応により前記検出電極と前記対向電極との間に生
   じる電位差に基づいて前記被検ガスを定量的に検出する
   ガスセンサにおいて、 第１導電型の半導体基板と、 前記半導体基板の表面に形成された第２導電型のソース
   及びドレインと、 前記ソース及び前記ドレインの間に形成された第２導電
   型のチャネルと、 前記チャネルを介して前記ソース及び前記ドレイン間に
   電流を流すための電源と、 前記電流の値を検出する電流検出手段と、 を備え、 前記電圧素子を前記チャネルに対向するゲート部として
   被着すると共に、 前記検出電極を複数個に分割する絶縁物と、 前記対向電極を複数個に分割する絶縁物と、 前記固体電解質を複数個に分割すると共に、前記複数の
   検出電極の各々を前記複数の対向電極の隣接する一方に
   導通する導通部と、 を設け、 複数の電圧素子を直列接続した構造を有することを特徴
   とする ガスセンサ。