JP3270546B2 - ガス検出器 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、金属酸化物半導体素子
を加熱して使用するシランガス検出器等のガス検出器に
関するものであり、特に、シランガスによる劣化を検出
する機能を備えたガス検出器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属酸化物半導体素子を加熱して用い
る、例えばシランガスやメタンガス、プロパンガス等の
多くのガス漏れ検出器が知られており、また、ニオイセ
ンサや一酸化炭素（ＣＯ）センサ等も知られている。例
えばシランガス検出器では、金属酸化物半導体素子とし
て酸化第二スズのＮ型半導体を用い、これを３００℃に
加熱するとシランガスに対して選択的に高感度に反応す
ることを利用している。すなわち、シランガスが雰囲気
下に存在すると、シランが半導体素子の表面を介して電
子を供与することにより半導体素子の電気的抵抗値が変
化し、この抵抗変化を検出してシランガスの存在を検出
するようにしている。他のガス漏れ検出器においても、
特定の金属酸化物半導体素子を特定の温度に加熱するこ
とにより、該特定の金属酸化物半導体素子の表面を介し
て特定の被検出ガスが、同様の電子供与等による抵抗値
変化のような作用を行うことを利用している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、シランガス
が存在する雰囲気下にこのようなガス漏れ検出器が置か
れていると、半導体素子は加熱されているので、半導体
素子表面においてシランが熱酸化されてシランの酸化物
が形成され被膜を形成してしまい、このように半導体素
子の表面が被膜で覆われてしまうと、被検出ガスが該表
面を介して作用を行うことができなくなり、ガス検出器
の機能を劣化させてしまうか、もしくはガス検出機能を
不能にしてしまうという問題がある。たとえガス漏れ検
出器がシランガス検出器の場合であっても、シランガス
の漏れを検出するまでには至らない極微量のシランガス
が雰囲気下に存在する場合には、長期間に亙ってやはり
同様の問題が生じる。これに加えて、半導体素子の表面
に被覆が形成されてガス検出の機能が損なわれた場合で
も、抵抗値変化のようなガス作用による変化等、半導体
素子自体には何等変化が起こらないので、ガス検出器の
機能の劣化もしくは不能には気付かれないままに放置さ
れることもあり得、その場合には実際にガス漏れが発生
したときには大事に至るという問題も生じ得る。

【０００４】

【課題を解決するための手段】従って、本発明によれ
ば、金属酸化物の半導体素子を加熱し該半導体素子の表
面に対するガスの作用に基づいて該ガスの存在を検出す
るようにしたガス検出器において、前記半導体素子の前
記表面に配置される電極と、前記半導体素子及び前記電
極間に電圧を印加する電圧印加手段と、該電圧印加手段
により電圧が印加されたときに前記半導体素子の前記表
面及び前記電極間に流れる電流の変化により前記金属酸
化物半導体素子の前記表面の劣化を判別する劣化判別手
段とを備えたガス検出器が提供される。

【０００５】

【作用】半導体素子と電極との間に電圧を印加して両者
間に流れる電流の変化を監視することにより、半導体素
子の表面の状態を監視するようにしたので、ガス検出器
の劣化を容易に判別できる。

【０００６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図に基づいて説明
する。図１は、本発明の一実施例によるガス漏れ検出器
を、シランガス検出器を例に取って示すもので、アルミ
ナ等の基板１０の上部の表面１０ａには、酸化第二スズ
(ＳｎＯ₂)を主材とする薄膜の半導体素子１２が形成さ
れており、該半導体素子１２の左右には電極１４が設け
られている。また、基板１０の背面１０ｂには酸化ルテ
ニウム(ＲｕＯ)のペーストによるヒータ１６が形成され
ており、該ヒータ１６の両端には電極１８が設けられて
いる。半導体素子１２の表面にはわずかに隙間ｈ（例え
ば０.３ｍｍ)をあけて先端の尖った電極であるプローブ
２０が配置されている。なお、半導体素子１２は、薄膜
型に限らず、焼結型等の他の形式のものであっても良
い。また、ヒータ１６もペーストに限られるものではな
い。

【０００７】ヒータ１６の両端の電極１８にはヒータ回
路Ｈが接続されており、該ヒータ回路Ｈは、電源供給線
Ｌ１から電源供給を受けて、半導体素子１２を一定温
度、例えば３００℃に保つように両端の電極１８を介し
てヒータ１６に定電圧を供給する。

【０００８】また、半導体素子１２の両端の電極１４に
は、切換スイッチＳの一方の接点位置を介して電源供給
線Ｌ２から電源供給を受ける検出回路Ｄが接続されてい
る。検出回路Ｄは、該検出回路Ｄ内部に設けられている
例えばコンパレータ等を利用して半導体素子の両電極１
４間の電圧を基準電圧と比較することにより半導体素子
１２の抵抗変化を検出し、シランガス検出を行う。シラ
ンガスの検出結果は同じ電源供給線Ｌ２を介して取り出
し得る。このように電源供給線Ｌ２は、信号伝送線とし
ても用いられ得る。なお、検出結果の取り出しは、検出
回路Ｄに別の信号伝送線を接続して行うようにしても良
い。

【０００９】さらに、プローブ２０と半導体素子１２の
一方の電極１４との間には劣化判別回路ＤＪが接続され
ており、切換スイッチＳが他方の接点位置に置かれてい
るときには、該劣化判別回路ＤＪも検出回路Ｄと同じ電
源供給線Ｌ２から電源供給を受ける。劣化判別回路ＤＪ
は、トランスを利用して電源供給線Ｌ２上の電圧を例え
ば５０ボルトまで昇圧する３Ｔ回路等による昇圧回路Ｔ
と、プローブ２０及び一方の電極１４間の抵抗値、特
に、プローブ２０及び半導体素子表面間の抵抗値に基づ
く電圧を例えばコンパレータ等でもって基準電圧と比較
して劣化を判別する判別回路Ｃとにより構成されてお
り、劣化の判別結果は検出回路Ｄと同様、電源供給線Ｌ
２を介して取り出し得る。検出回路Ｄの場合と同様、検
出結果の取り出しは判別回路Ｃに別の信号伝送線を接続
して行うようにしても良い。

【００１０】以上の構成の動作について説明すると、シ
ランガスは半導体の製造時等に使用されるものである
が、このようなシランガスの漏れを検出するために、微
量の触媒を加えた酸化第二スズのＮ型半導体である半導
体素子１２は、ヒータ１６により３００℃の一定温度に
保たれている。というのは、上記Ｎ型半導体は、３００
℃に加熱すると、シランガスに対して選択的に高感度に
反応して抵抗値が変化するからである。また、切換スイ
ッチＳは一方の位置（図示の位置）にあって、通常、検
出回路Ｄが働いており、半導体素子１２の抵抗値の変化
を監視している。雰囲気中にシランガスが発生し、半導
体素子１２の表面にシランが吸着されると、シランの電
子が半導体に供与されて該半導体素子の抵抗値が変化
し、この抵抗変化に基づく両端電極１４間の電圧変化
を、基準電圧との比較等により検出回路Ｄにより検出す
ることによりシランガスが検出される。検出結果は、電
源供給線Ｌ２を介して取り出されて、例えば火災受信機
や中央監視センタ等にシランガス漏れ情報を伝送するこ
とが可能となる。

【００１１】例えばシランガスの検出頻度が多数回に渡
ったり、またはシランガス漏れ情報を発報することのな
い程度の極微量のシランガスが存在する雰囲気下に半導
体素子１２がさらされていたような場合には、半導体素
子１２は加熱されているので、素子表面においてシラン
が熱酸化され、長期に亙るとシランの酸化物が半導体素
子表面に堆積し、例えば絶縁物である酸化ケイ素の被膜
を形成してしまう。被膜が形成されると、半導体素子表
面へのシランの吸着が行われなくなって当然シランガス
を検出できなくなり、シランガス検出機能が劣化してし
まう。この被膜は絶縁物であるにも拘わらず半導体素子
表面にだけ形成されるので、半導体素子自体の抵抗値に
は殆ど影響することなく、半導体素子の両端電極１４間
の抵抗値からその検出機能の劣化を判別することはでき
ない。

【００１２】半導体素子１２のシランガス検出機能の劣
化を判別するためには、切換命令入力を与えることによ
り、切換スイッチＳを図示の一方の接点位置から他方の
接点位置に切り換える。切換スイッチＳへの切換命令入
力は、図示しない監視盤から定期的に与えるようにして
も良く、また、劣化判別が望まれるときに点検員によっ
て操作される手動入力であっても良い。

【００１３】半導体素子１２の劣化を判別するための切
換スイッチＳの切換命令入力があると、切換スイッチＳ
の接点が切り換わって検出回路Ｄは遮断され、電源供給
線Ｌ２からの電源は、切換スイッチＳの他方の接点位置
を介して劣化判別回路ＤＪに供給される。劣化判別回路
は、電源供給線Ｌ２を介して供給される電圧を昇圧回路
Ｔにより昇圧して、例えば５０ボルトの高電圧をプロー
ブ２０に印加する。プローブ２０に高電圧が印加される
と、例えば０.３ｍｍの距離に設定されている、半導体
素子１２の表面とプローブ２０の先端との間にイオン電
流が流れるが、半導体素子１２が劣化していて素子表面
に絶縁物であるシランの酸化膜が形成されていると、イ
オン電流が流れにくくなる。その素子１２の表面とプロ
ーブ２０との間の抵抗変化をコンパレータ等を利用した
判別回路Ｃにより検出することにより半導体素子１２の
劣化を判別することができる。劣化が判別された場合に
は、電源供給線Ｌ２を介して劣化信号として取り出すこ
とができる。なお、プローブ２０の配置は、ヒータ１６
により半導体素子１２と同様に加熱される参照用の素子
を形成し、その素子の表面に配置するようにしても良
い。

【００１４】なお、上記実施例では、本発明をシランガ
ス検出器を例にとって説明したが、金属酸化物半導体素
子を加熱して使用する、例えばメタンガスやプロパンガ
ス等のガス漏れ検出器一般や、いわゆるニオイセンサ、
一酸化炭素センサ等においても、シランガスが存在する
雰囲気中においては、金属酸化物半導体素子の（酸化第
二スズ以外の酸化亜鉛でも同様）表面にシランの酸化物
が堆積してしまうので、本発明は、シランガス検出器に
限らず、シランの酸化物が堆積する可能性を有する金属
酸化物半導体素子を用いたガス検出器全般に対して適用
可能なものである。

【００１５】また、上記実施例では、プローブ２０は半
導体素子１２の表面にわずかな隙間ｈを設けて常時配置
しておくように示したが、劣化検出を行うときにのみ半
導体素子１２の表面に配置するようにしても良い。劣化
検出を行うときにのみ配置する場合は、プローブ２０は
わずかな隙間ｈを設けずに直接、半導体素子１２の表面
に当接させるようにすることができる。というのは、プ
ローブ２０を常時配置しておく場合にはシランの酸化物
である絶縁物が長期間に亙って堆積する空間的余裕をあ
らかじめ設けておくために隙間ｈが必要であるが、劣化
検出を行うときにのみ接続する場合には、そのような余
裕を設ける必要が無いからである。さらに、このように
プローブ２０を直接当接させる場合には、昇圧回路Ｔを
省略することも可能である。

【００１６】さらに、プローブ２０及び劣化判別回路Ｄ
Ｊの双方を、劣化検出を行うときにのみシランガス検出
器に接続するようにしても良い。その場合には、劣化検
出回路ＤＪをシランガス検出器に図示のように容易に接
続し得るように、シランガス検出器に適当な端子を設け
ておくと良い。

【００１７】

【発明の効果】以上、本発明によれば、金属酸化物の半
導体素子を加熱し該半導体素子の表面に対するガスの作
用に基づいて該ガスの存在を検出するようにしたガス検
出器において、半導体素子の表面に電極を設けると共
に、半導体素子及び電極間に電圧を印加し、両者間に流
れる電流の変化により金属酸化物半導体素子の表面の状
態を監視するようにしたので、ガス検出器の劣化を容易
に判別できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例によるガス検出器を示すブロ
ック図である。

【符号の説明】

１０ 基板 １２ 半導体素子 １６ ヒータ ２０ プローブ（電極） Ｓ 切換スイッチ Ｈ ヒータ回路 Ｄ 検出回路 ＤＪ 劣化判別回路 Ｔ 昇圧回路 Ｃ 判別回路

───────────────────────────────────────────────────── 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 G08B 17/10

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 金属酸化物の半導体素子を加熱し該半導
   体素子の表面に対するガスの作用に基づいて該ガスの存
   在を検出するようにしたガス検出器において、前記半導
   体素子の前記表面に配置される電極と、前記半導体素子
   及び前記電極間に電圧を印加する電圧印加手段と、該電
   圧印加手段により電圧が印加されたときに前記半導体素
   子の前記表面及び前記電極間に流れる電流の変化により
   前記金属酸化物半導体素子の前記表面の劣化を判別する
   劣化判別手段とを備えたガス検出器。
2. 【請求項２】 前記電極は、前記表面にわずかに隙間を
   設けて配置され、両者間に流れる前記電流はイオン電流
   である請求項１のガス検出器。
3. 【請求項３】 前記電極は、前記表面の劣化を判別する
   ときにのみ前記半導体素子の前記表面に当接して配置さ
   れる請求項１のガス検出器。