JP3219855B2 - ガス測定方法及びガス測定装置 - Google Patents

ガス測定方法及びガス測定装置

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【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、ガス測定方法及び該ガ
ス測定方法の実施に使用するガスセンサ、より詳細に
は、半導体ガスセンサの寿命を検知可能なガス測定方法
及び該ガス測定方法の実施に使用して好適なガスセンサ
測定装置に関する。
【0002】
【従来技術】半導体ガスセンサは、加熱した金属酸化物
半導体、例えば、SnO2に還元ガスを反応させると抵
抗値が減少することを利用し、さまざまなガスを検出す
るようになっている。このセンサは加熱しないと作動し
ないため、ヒータを必要とし、このヒータの加熱のため
にかなりの電力を要し、従来のセンサではAC電源が不
可欠であった。
【0003】この点を改良すべく、架橋構造や片持梁構
造等、空気中に張り出させた張り出し部を設け、この張
り出し部の上に金属酸化物半導体を形成するようにし、
もって、熱容量を可及的に小さくして応答特性を上げ、
且つ消費電力を低下させる試みが成されている。
【0004】図5は、片持梁構造に形成されたガス検出
器の一例を説明するための構成図で、(a)図は平面
図、(b)図は(a)図のB−B線断面図で、図中、1
0は基板、11は該基板10に形成された凹部、12は
前記基板10の上に形成されたシリコンチップの薄膜絶
縁体で、該薄膜絶縁体12は前記凹部11の上に片持梁
式に張り出す張り出し部又は前記凹部の上に両持梁式に
架橋される橋架部12を有し、該張り出し部又は橋架部
12の上に、抵抗発熱体13及び該抵抗発熱体13に近
接してガス検出素子14が設けられている。なお、この
ガス検出素子14は、具体的には、前述のようにSnO
2の金属酸化物半導体である。前記凹部11、張り出し
部12、抵抗発熱体部13、ガス検出部14は、好まし
くは、同一基板10上に形成されている。
【0005】上記従来技術によって、SnO2の金属酸
化物半導体を薄膜化可能とし、かつ、該金属酸化物半導
体支持部材の熱容量を小さくすることを可能にし、もっ
て、微小なヒータで加熱が可能となり、更には、応答速
度が0.5〜0.6msと非常に速いため、ヒータをパル
ス駆動で使用することができるようになった。この結
果、消費電力は従来のものに比べて1/30〜1/50
で済むようになった。
【0006】前述のごとく構成することによって、ヒー
タをパルス駆動することで消費電力を大幅に押えること
が可能となったが、その反面、センサ自体の性能劣化が
大きくなった。しかし、半導体ガスセンサは、測定動作
を繰り返すと、測定回数に比例する傾向でその感度が徐
々に低下し、センサの性能が劣化すると、空気中での抵
抗値と、ガス中での抵抗値の差が小さくなってくる。ま
た、半導体ガスセンサは製造ロットによる特性のバラツ
キがあるが、ガスの濃度がある一定値を越えた時に反応
するようなセンサにおいては、このような特性のバラツ
キ或いは前述のような特性の劣化は致命的である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述のように、半導体
ガスセンサは、使用中に性能が劣化し、或いは、製造過
程でのバラツキがあり、性能がある値以下においては、
ガスを全く検知できなくなるため、従来より、予め、安
全を見込んだ使用可能回数を設定し、測定回数がその設
定値に達したらセンサを交換するようにしている。しか
し、その場合、特性の悪い(寿命回数が短い)センサに
使用可能回数を合わせざるをえないため、特性の良いセ
ンサを犠牲にしており、実質的なセンサの耐用年数を短
くしている。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するために、(1)請求項1の発明は、ガス検出素子
と該ガス検出素子に近接して配設された抵抗発熱体とか
ら成り、かつ、形状、特性の揃った2個のセンサを近接
して有し、一方のセンサを通常の測定用センサとして
使用し、他方のセンサ前記測定用センサの特性劣化
を判定するための基準用センサとして時々使用し、前記
測定用センサの出力と基準用センサの出力との差より前
記測定用センサの特性劣化を検知するようにしたこと、
更には、(2)請求項1の発明において、前記測定用セ
ンサの出力と基準用センサの出力との差が閾値以上にな
ったとき、報知手段によって報知すること、更には、
(3)請求項1又は2の発明において、前記測定用セ
サが所定回数センシングすると、前記基準用センサが
記測定用センサと同時にセンシングをして、両センサの
出力の差をとること、或いは、(4)ガス検出素子と該
ガス検出素子に近接して配設された抵抗発熱体とから成
り、かつ、形状、特性の揃った2個のセンサを近接して
有し、一方のセンサを通常の測定用センサとして常時使
用し、他方のセンサを前記測定用センサの特性劣化を判
定するための基準用センサとして時々使用するガス測定
装置であって、前記2個のセンサの検出出力の差を予め
記憶しておく記憶手段と、前記測定用センサを前記基準
用センサに切り換えて該測定用センサと基準用センサの
検出出力の差を求める計算をする演算手段と、前記記憶
手段に記憶された前記差と前記演算手段によって算出さ
れた前記差とを比較する比較回路とを有し、該比較回路
の差出力信号より前記測定用センサの劣化を検出するよ
うにしたことを特徴としたものである。
【0009】
【作用】隣接して作られた或いは特性の略等しい2個の
センサをペアで使い、一つを基準用センサとし、この基
準用センサは通常使用せず(=特性を劣化させない)、
測定用のセンサをある使用回数使用する毎(例えば10
00回の測定毎)に、前記基準用のセンサを使って測定
を行い、両者の測定値の差の変化を監視し、差が閾値以
上になった時、警報を発する。
【0010】
【実施例】図1は、本発明が適用されるガスセンサの一
例を示す図で、(a)図は平面図、(b)図は(a)図
のb−b線断面図で、図中、10は基板、11a,11
bは該基板に形成された凹部、12は前記基板10の上
に形成された薄膜絶縁体で、該薄膜絶縁体12は前記凹
部11a,11bに上に片持梁式に張り出す張り出し部
又は前記凹部の上に両持梁式に架橋される橋架部12
a,12bを有し、該張り出し部又は橋架部12a,1
2bの上に、それぞれ同一構造の抵抗発熱体13a,1
3b、及びこれら抵抗発熱体13a,13bにそれぞれ
近接してガス検出素子14a,14bが設けられてい
る。
【0011】上述のように、本発明においては、形状、
特性の揃った2つのセンサが隣接して設けられ、一方、
例えばA側が測定用、B側が基準用のセンサとして使用
されるが、このように、同一チップ上にまたは近接して
同一形状の素子を作ると、2つの素子の特性は揃ってい
るので、最初は、2個のセンサの測定値はほぼ同じであ
ることが期待できる。従って、ある測定回数後の両者の
測定値の差は、測定用センサの劣化の程度を表している
と考えることが出来、上記差の値がある閾値を越えた
時、測定用センサの寿命がきたと判定することができ
る。
【0012】図2は、本発明の動作説明するためのブロ
ック図、図3及び図4は、フローチャートで、図2にお
いて、Ehはヒータ用パルス電流駆動源、Esは測定用
定電流パルス駆動源、SW1〜SW3はアナログスイッ
チ(マルチプレクサ)、A/DはAD変換器、Rは測定
ブロックA側のガス検出用抵抗(酸化スズ薄膜抵抗)、
Hは測定ブロックA側のヒータ、Rrefは基準ブロッ
クB側のガス検出用抵抗、Hrefは基準ブロックB側
のヒータ、20は計算部、21は記憶部を示し、記憶部
21に測定回数カウンタCNTR、基準ブロックの使用
を指示するための測定回数間隔の記憶レジスタREG
n、センサの寿命を判定するための予め求めた閾値を格
納するレジスタREGdif等が設けられている。ま
た、23は制御部、24は操作部、25は報告器で、操
作部24は検出スイッチ操作部24a、調整スイッチ操
作部24bを有している。
【0013】(1)センサ出荷時の調整 センサを検出対象となるガス中におく。 制御部23からの指示(図は省略)により調整SW
操作部24bをONしてSW1〜SW3の端子1と2を
接続する。 基準ブロックBのHref,Rrefにそれぞれ所
定の電流値と時間幅をもったパルス電流を印加し、Rr
efの両端に発生する検出電圧Vref0をA/Dで測
定する。 同様にしてスイッチSW1〜SW3を切り換え、こ
れらSW1〜SW3の端子1と3を接続し、測定ブロッ
クAのRの両端の電圧V0を測定する。 計算部20にて、 ΔV0=|V0−Vref0
を計算し、記憶部21に格納する。 (2)測定動作 CNTRに初期値0をセットし以下の動作を繰り返
す。 検出スイッチ操作部24bを操作してスイッチSW
1〜SW3を制御し、上記(1)の手順でガス検知の
ためのスイッチSW1〜SW3を3側にONして測定を
行い、その結果をA/D経由で計算部20にて読み取
る。同時にCNTRの内容を+1し、その値がREGn
の内容と等しいか否かを判定する。 での判定が等しくない時はの動作を繰り返す。
等しい時は、測定したRの両端電圧Vと、(1)のと
同様にして測定したRrefの両端電圧Vrefから ΔV0=|V−Vref| を計算し、(1)で求め記憶されているΔV0との間で
|ΔV−ΔV0|を計算し、REGdifとの大小を比
較する。 の比較結果が、 |ΔV−ΔV0|>REGdifの内容 であればガスセンサRの特性劣化が限界に達したと判断
してその旨を使用者に警告する信号を報告器25により
発する。比較結果が上記以外の時は〜の測定を繰り
返す。
【0014】なお、前記(2)において、Rの特性劣
化が限界に達したと判定した後で、いまだ測定回数の少
ないRref(基準用のセンサ)を今度は測定用センサ
としてある許容回数内で使用するように制御することに
より基準用のセンサを更に有効に利用することができ
る。
【0015】
【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によると、センサの耐用期間を延ばすことができるが、
耐用期間の増大は、センサの交換が難しい使用状況等で
特に有効である。また、特性の揃った素子の測定値を比
較して寿命を判定する方式であるので、使用される環境
条件の変動、たとえば、ガス流量の変化、ガス濃度の変
化、周囲温度の変化等による変動分の影響を軽減出来
る。従って、ガスセンサの寿命検知がより正確に行える
等の利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明が適用されたガスセンサの一例を示す
図である。
【図2】 本発明の動作説明をするためのブロック図で
ある。
【図3】 本発明の動作説明をするためのフローチャー
トである。
【図4】 本発明の動作説明をするためのフローチャー
トである。
【図5】 従来のガスセンサの一例を説明するための図
である。
【符号の説明】 10…基板、11a,11b…凹部、12…薄膜絶縁
体、12a,12b…張り出し部、13a,13b…抵
抗発熱体、14a,14b…ガス検出部材、A…測定用
のセンサ部、B…基準用のセンサ部、20…計算部、2
1…記憶部、23…制御部、24…操作部、25…報告
器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 27/12 G01N 27/04 G01N 27/26 G01N 27/28

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ガス検出素子と該ガス検出素子に近接し
    て配設された抵抗発熱体とから成り、かつ、形状、特性
    の揃った2個のセンサを近接して有し、一方のセンサを
    通常の測定用センサとして常時使用し、他方のセンサ
    前記測定用センサの特性劣化を判定するための基準用セ
    ンサとして時々使用し、前記測定用センサの出力と基準
    用センサの出力との差より前記測定用センサの特性劣化
    を検知するようにしたことを特徴とするガス測定方法。
  2. 【請求項2】 前記測定用センサの出力と基準用センサ
    の出力との差が閾値以上になったとき、報知手段によっ
    て報知することを特徴とする請求項1に記載のガス測定
    方法
  3. 【請求項3】 前記測定用センサが所定回数センシング
    すると、前記基準用センサが前記測定用センサと同時に
    センシングをして、両センサの出力の差をとることを特
    徴とする請求項1又は2記載のガス測定方法
  4. 【請求項4】 ガス検出素子と該ガス検出素子に近接し
    て配設された抵抗発熱体とから成り、かつ、形状、特性
    の揃った2個のセンサを近接して有し、一方のセンサを
    通常の測定用センサとして常時使用し、他方のセンサを
    前記測定用センサの特性劣化を判定するための基準用セ
    ンサとして時々使用するガス測定装置であって、前記2
    個のセンサの検出出力の差を予め記憶しておく記憶手段
    と、前記測定用センサを前記基準用センサに切り換えて
    前記測定用センサと基準用センサの検出出力の差を求め
    る計算をする演算手段と、前記記憶手段に記憶された前
    記差と前記演算手段によって算出された前記差とを比較
    する比較回路とを有し、該比較回路の差出力信号より前
    記測定用センサの劣化を検出するようにしたことを特徴
    とするガス測定装置。
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