JP3765951B2 - Contact combustion type gas sensor, gas detection method and apparatus - Google Patents

Contact combustion type gas sensor, gas detection method and apparatus Download PDF

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【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒータとガス検知素子とで可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することにより可燃性ガスを検量する接触燃焼式ガスセンサ及びこの接触燃焼式ガスセンサを用いて可燃性ガスのガス種を識別するガス検出方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の接触燃焼式ガスセンサとしては、例えば、特開平１１ー６８１１号公開公報に記載された接触燃焼式ガスセンサが知られている。この公報に記載された従来の接触燃焼式ガスセンサの構成図を図１３に示す。
【０００３】
この接触燃焼式ガスセンサは、図１３（ａ）に示すように、基板１１２上に所定の厚さで形成されたダイアフラム１２３上にガス検知素子１３０と補償素子３２１，３２２，３２３とが隣接して設けられ、ガス検知素子１３０と補償素子３２１，３２２，３２３とで可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することにより可燃性ガスを検量する。
【０００４】
ガス検知素子１３０は、図１３（ａ），図１３（ｂ）に示すように、ダイアフラム１２３上に形成され可燃性ガスの燃焼を促すための白金からなるヒータ１１８、このヒータ１１８に熱的に接触して設けられた熱伝導層としてのアルミナ１２２、このアルミナ１２２を介して伝導されたヒータ１１８の発熱量に応じて発熱して可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用するパラジウム触媒層１２４を有している。
【０００５】
ヒータ１１８は、酸化膜１１４、五酸化タンタル１１６に接触した状態で、酸化膜１１４、五酸化タンタル１１６上に積層され、ヒータ１１８上に熱的に接触した状態でアルミナ１２２が積層され、このアルミナ１２２上に熱的に接触してパラジウム触媒層１２４が積層されている。
【０００６】
このようなガス検知素子１３０を設け、且つ基板１１２よりも実効的に熱容量の小さいダイアフラム１２３上にヒータ１１８を設けることにより、ヒータ１１８が生成する発熱量が基板１１２中に熱拡散する現象を回避できるため、ヒータ１１８が生成する発熱量を効率よく、しかも短時間でパラジウム触媒層１２４に伝導でき、これによって、高感度で且つ高速に可燃性ガスを燃焼させることができる。
【０００７】
また、アルミナ１２２を設けることにより、ヒータ１１８が生成する発熱量を効率よくしかも短時間でパラジウム触媒層１２４に伝導させることができるため、これによって、高感度で且つ高速に可燃性ガスを燃焼させることができる。さらに、可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用するパラジウム触媒層１２４を設けることにより、十分なガス検知感度を実現することができる。
【０００８】
図１４は、図１３に示す従来の接触燃焼式ガスセンサをブリッジ回路に組み込んだ場合のガス検出回路の回路構成図である。図１４に示すように、ガス検出回路４００は、３個の補償素子３２１，３２２，３２３とガス検知素子１３０を用いて構成したホイートストーンブリッジに、電源１３６と電流検出手段１３８を組み込んだ回路構成を有している。
【０００９】
このガス検出回路４００では、ガス検知素子１３０と補償素子３２１，３２２，３２３とで可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱に起因して発生するガス検知素子１３０の抵抗値変化、及び補償素子３２１，３２２，３２３の抵抗値変化をホイートストーンブリッジとこれに接続された電流検出手段１３８によって検出することにより、可燃性ガスを検量することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１３に示す従来の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置にあっては、水素、一酸化炭素、メタン等の混合ガスからなる可燃性ガスのガス種を識別する場合に、ガス検知素子をシリコーン蒸気処理して、混合ガスの中から水素ガスのみを選択的に検出したり、接触燃焼式ガスセンサを活性炭フィルター等で覆うことにより、ガスを選択的に検出していた。このため、数種類のガスを選択的に検出するためにはガスセンサが複数個設けなければならず、構成が複雑になるとともに高価なものとなっていた。
【００１１】
また、図１４に示すように、レファレンス（比較素子、この比較素子は図１４では補償素子に対応する。）を組み込んだブリッジ回路を用いていたため、ガス検出装置の構成が複雑になっていた。
【００１２】
本発明は、可燃性の混合ガスからガス種を識別することができ、しかも簡単な構成で且つ安価な接触燃焼式ガスセンサ並びにガス検出方法及びその装置を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成とした。請求項１の発明は、混合ガスからなる可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することにより可燃性ガスを検量する接触燃焼式ガスセンサであって、基板上に形成され前記可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータと、このヒータ上に形成され且つこのヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層と、前記ヒータから順番に遠ざかるように配置され且つ前記可燃性ガスの燃焼熱を検出する複数のサーモパイルとを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項１の発明によれば、基板上に形成されたヒータが発熱すると、ヒータ上に形成された触媒層が、ヒータの発熱量に応じて発熱して触媒として作用するので、可燃性ガスが燃焼する。このとき、複数のサーモパイルがヒータから順番に遠ざかるように配置されている。このため、ヒータから離れるほど触媒層の温度が低くなるので、ヒータに最も近い位置に配置されたサーモパイルは、高温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、また、ヒータからより遠ざかって配置されたサーモパイルは、低温で燃焼するガスの燃焼熱を検出する。従って、複数のサーモパイルからの出力を演算処理すれば、可燃性の混合ガスからガス種を識別することができ、しかも１つのガスセンサで済むから、簡単な構成で且つ安価な接触燃焼式ガスセンサを提供することができる。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１記載の接触燃焼式ガスセンサにおいて、前記複数のサーモパイルのそれぞれのサーモパイルは、温接点及び冷接点を有する熱電対を複数個有し、この複数個の熱電対が直列に接続されてなることを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明によれば、請求項１記載の効果に加え、それぞれのサーモパイルが、複数個の熱電対を直列に接続してなるため、熱電対の数に比例してさらに大きなセンサ出力を得ることができる。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の接触燃焼式ガスセンサにおいて、前記触媒層が、前記サーモパイルを構成する熱電対の温接点と前記ヒータとを覆うように形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明によれば、請求項１または請求項２記載の効果に加え、触媒層が、サーモパイルを構成する熱電対の温接点とヒータとを覆うように形成されているため、ヒータの発熱が効率よく短時間で触媒層に伝導されて可燃性ガスが燃焼し、その燃焼熱が熱電対の温接点に伝導されるから、冷接点と温接点との熱容量の差を大きくすることができる。これによって、熱電対の起電力を大きくすることができるので、より大きなセンサ出力を得ることができる。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の接触燃焼式ガスセンサにおいて、前記基板が、所定の厚さのダイアフラムを有し、前記サーモパイルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及び前記ヒータは、前記ダイアラム上に形成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の効果に加え、基板が、所定の厚さのダイアフラムを有し、サーモパイルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及びヒータは、ダイアラム上に形成されているので、サーモパイル及びヒータの熱容量を小さくすることができる。これによって、ヒータの発熱量が基板中に熱拡散する現象を回避できるため、ヒータの発熱量を効率よくしかも短時間で触媒層に伝導でき、これによって、サーモパイルからさらに大きなセンサ出力を得ることができる。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項４記載の接触燃焼式ガスセンサにおいて、前記サーモパイルの冷接点が、前記ダイアフラムを除く領域に形成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項５の発明によれば、請求項４記載の効果に加え、サーモパイルの冷接点が、ダイアフラムを除く領域に形成されているので、熱電対の冷接点と温接点との熱容量の差を大きくすることができる。これによって、熱電対の起電力を大きくすることができるので、より大きなセンサ出力を得ることができる。
【００２３】
請求項６の発明のガス検出装置は、基板上に形成され可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータ、このヒータ上に形成され且つこのヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層、及び前記ヒータから順番に遠ざかるように配置され且つ前記可燃性ガスの燃焼熱を検出する複数のサーモパイルを有する接触燃焼式ガスセンサと、この接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させるヒータ駆動手段と、前記接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記複数のサーモパイルの各サーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得る演算手段と、この演算手段で得られた演算出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別するガス識別手段とを備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項６の発明のガス検出装置によれば、ヒータ駆動手段が接触燃焼式ガスセンサに設けられたヒータに電流を流すと、ヒータが加熱して、ヒータ上に形成された触媒層が、ヒータの発熱量に応じて発熱して触媒として作用するので、可燃性ガスが燃焼する。このとき、複数のサーモパイルがヒータから順番に遠ざかるように配置されている。このため、ヒータから離れるほど触媒層の温度が低くなるので、ヒータに最も近い位置に配置されたサーモパイルは、高温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、また、ヒータからより遠ざかって配置されたサーモパイルは、低温で燃焼するガスの燃焼熱を検出する。
【００２５】
そして、演算手段は、複数のサーモパイルの各サーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得て、ガス識別手段は、演算手段で得られた演算出力に基づいて混合ガスのガス種を識別する。従って、可燃性の混合ガスからガス種を識別することができる。
【００２６】
請求項７の発明のガス検出装置は、基板上に形成され可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータ、このヒータ上に形成され且つこのヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層、及び前記ヒータから順番に遠ざかるように配置され且つ前記可燃性ガスの燃焼熱を検出する１つまたは複数のサーモパイルを有する接触燃焼式ガスセンサと、この接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させるヒータ駆動手段と、前記ヒータ、一端が前記ヒータの一端に接続された第１の比較素子、一端が前記ヒータの他端に接続された第２の比較素子、一端が前記第２の比較素子の他端に接続され且つ他端が前記第１の比較素子の他端に接続された第３の比較素子により構成されるブリッジ回路と、このブリッジ回路に有する前記第１の比較素子の一端と前記第３の比較素子の一端との相互間に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記複数のサーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得る演算手段と、この演算手段で得られた演算出力及び前記電流検出手段で検出された電流出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別するガス識別手段とを備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項７の発明によれば、ヒータの加熱により可燃性ガスが燃焼すると、ヒータ温度が変化し、ヒータ温度の変化に伴ってヒータ抵抗が変化する。このため、ブリッジ回路に有する第１の比較素子の一端と第３の比較素子の一端との相互間に流れる電流を電流検出手段により検出し、電流検出手段で検出された電流出力に基づいて、ガス識別手段が混合ガスのガス種を識別する。すなわち、ヒータを用いて、高温で燃焼するガスのガス種を識別することができるとともに、複数のサーモパイルからの出力に基づいて、低温及び中温で燃焼するガスのガス種を識別することができる。
【００２８】
請求項８の発明の前記演算手段は、請求項６または請求項７記載のガス検出装置において、前記複数のサーモパイルの内の隣接する２つのサーモパイルからの２つの出力の差を算出する減算回路を有し、前記ガス識別手段は、前記減算回路で算出された２つの出力の差に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とする。
【００２９】
請求項８の発明によれば、請求項６または請求項７記載の効果に加え、減算回路が、複数のサーモパイルの内の隣接する２つのサーモパイルからの２つの出力の差を算出し、ガス識別手段は、減算回路で算出された２つの出力の差に基づいて、混合ガスのガス種を識別する。従って、可燃性の混合ガスのガス種を精度良く識別することができる。
【００３０】
請求項９の発明のガス検出方法は、ヒータと触媒層と前記ヒータから順番に遠ざかるように配置された複数のサーモパイルとを有する接触燃焼式ガスセンサの前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させ、前記触媒層が前記ヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスを燃焼させ、前記複数のサーモパイルが前記可燃性ガスの燃焼熱を検出し、前記複数のサーモパイルの各サーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得て、得られた演算出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とする。
【００３１】
請求項１０の発明のガス検出方法は、ヒータ、一端が前記ヒータの一端に接続された第１の比較素子、一端が前記ヒータの他端に接続された第２の比較素子、一端が前記第２の比較素子の他端に接続され且つ他端が前記第１の比較素子の他端に接続された第３の比較素子により構成されるブリッジ回路を備え、前記ヒータと触媒層と前記ヒータから順番に遠ざかるように配置された１つまたは複数のサーモパイルとを有する接触燃焼式ガスセンサの前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させ、前記触媒層が前記ヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスを燃焼させ、前記１つまたは複数のサーモパイルが前記可燃性ガスの燃焼熱を検出し、前記ブリッジ回路に有する前記第１の比較素子の一端と前記第３の比較素子の一端との相互間に流れる電流を検出し、前記複数のサーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得て、得られた演算出力及び検出された電流出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とする。
【００３２】
請求項１１の発明のガス検出方法は、請求項９または請求項１０記載のガス検出方法において、前記複数のサーモパイルの内の隣接する２つのサーモパイルからの２つの出力の差を算出し、算出された２つの出力の差に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の接触燃焼式ガスセンサ並びにガス検出方法及びその装置の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００３４】
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの上面図である。図２は第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの断面図である。図３は第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサに設けられたサーモパイルの断面図及び上面図である。図４は第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置の回路構成図である。図５は第１の実施の形態のガス検出方法を示すフローチャートである。図６は第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの印加電圧とセンサ出力との関係を示す図である。なお、図２に示す断面図は、図１に示すＡ−Ａ間の断面図である。
【００３５】
接触燃焼式ガスセンサ１は、図１に示すように、シリコン単結晶からなるＳｉ基板２を有し、このＳｉ基板２の裏面には異方性エッチングにより形成されたダイアフラム３が形成されている。
【００３６】
このダイアフラム３上には、可燃性ガスの燃焼を促すための白金等からなるマイクロヒータ４が形成されており、このマイクロヒータ４の長手方向のヒータパターン両側の近傍には、第１のサーモパイル５ａ及び第４のサーモパイル８ａが配置されている。
【００３７】
第２のサーモパイル５ｂは、第１のサーモパイル５ａよりもマイクロヒータ４からさらに遠ざかって配置され且つ第１のサーモパイル５ａと略平行に配置されている。第３のサーモパイル５ｃは、第２のサーモパイル５ｂよりもマイクロヒータ４からさらに遠ざかって配置されている。
【００３８】
第５のサーモパイル８ｂは、第４のサーモパイル８ａよりもマイクロヒータ４からさらに遠ざかって配置され且つ第４のサーモパイル８ａと略平行に配置されている。第６のサーモパイル８ｃは、第５のサーモパイル８ｂよりもマイクロヒータ４からさらに遠ざかって配置されている。
【００３９】
また、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれは、可燃性ガスの燃焼熱を検出するもので、熱電対の冷接点を除く部分がダイアフラム３上に配置されている。マイクロヒータ４は、図１に示すように、複数のヒータパターンが互いに略平行且つジグザグ状に配設されてなる。
【００４０】
また、図１に示すように、マイクロヒータ４には、駆動電流が供給される白金パッド６ａ1，６ａ2が接続されている。第１のサーモパイル５ａには、第１のサーモパイル５ａからの第１のセンサ出力を外部に出力する白金パッド７ａ1，７ａ2が接続され、第２のサーモパイル５ｂには、第２のサーモパイル５ｂからの第２のセンサ出力を外部に出力する白金パッド７ｂ1，７ｂ2が接続され、第３のサーモパイル５ｃには、第３のサーモパイル５ｃからの第３のセンサ出力を外部に出力する白金パッド７ｃ1，７ｃ2が接続されている。
【００４１】
また、第４のサーモパイル８ａには、第４のサーモパイル８ａからの第４のセンサ出力を外部に出力する白金パッド９ａ1，９ａ2が接続され、第５のサーモパイル８ｂには、第５のサーモパイル８ｂからの第５のセンサ出力を外部に出力する白金パッド９ｂ1，９ｂ2が接続され、第６のサーモパイル８ｃには、第６のサーモパイル８ｃからの第６のセンサ出力を外部に出力する白金パッド９ｃ1，９ｃ2が接続されている。
【００４２】
また、図２に示すように、ダイアフラム３上にはダイアフラム３に接触して酸化シリコン２３ａが形成され、この酸化シリコン２３ａ上には酸化シリコン２３ａに接触して窒化シリコン２３ｂが形成されている。この窒化シリコン２３ｂ上には窒化シリコン２３ｂに接触して酸化ハフニウム２３ｃが形成され、この酸化ハフニウム２３ｃ上には酸化ハフニウム２３ｃに接触してマイクロヒータ４が形成され、このマイクロヒータ４上にはマイクロヒータ４に接触してパラジウム等の触媒層２９が形成されている。
【００４３】
触媒層２９は、マイクロヒータ４の発熱量に応じて発熱して可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する。また、この触媒層２９は、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれの温接点３１及びマイクロヒータ４を覆うように形成されている。酸化シリコン２３ａ、窒化シリコン２３ｂ、及び酸化ハフニウム２３ｃは、マイクロヒータ４の発熱量を効率良くしかも短時間で触媒層２９に伝導させるよう作用する。
【００４４】
マイクロヒータ４は、白金の他に、抵抗温度係数が大きく、高温まで熱的に安定な金属または化合物であれば良く、例えば、タングステンを用いることもできる。
【００４５】
一方、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれは、図２及び図３に示すように、Ｓｉ基板２の表面及びダイアフラム３上にこれらに接触して形成されたｐ++−Ｓｉ２１、このｐ++−Ｓｉ２１上にｐ++−Ｓｉ２１に接触して形成された絶縁膜２３、この絶縁膜２３上に絶縁膜２３に接触して形成された白金やアルミニウム等の金属膜２５、この金属膜２５上に金属膜２５に接触して形成された酸化シリコン等の保護膜２７を有して構成されている。この保護膜２７には凹部が形成され、この凹部が後述する温接点３１と冷接点３３とに対応している。前記絶縁膜２３としては、酸化シリコン２３ａ、窒化シリコン２３ｂ、及び酸化ハフニウム２３ｃである。
【００４６】
第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれは、図３に示すように、温接点３１と冷接点３３を有する熱電対から構成されており、マイクロヒータ４の発熱により燃焼した可燃性ガスの燃焼熱を検出し、温接点３１と冷接点３３との温度差から熱起電力が発生することにより、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃがこれらに対して第１乃至第６のセンサ出力を出力するようになっている。冷接点３３は、Ｓｉ基板２（厚さ約４００μｍ）上のダイアフラム３を形成していない部分に設けられ、温接点３１は、ダイアフラム３上に形成されている。
【００４７】
また、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれは、図３（ｂ）に示すように、複数個の熱電対を有し、隣接する２つの熱電対において、一方の熱電対の温接点３１と他方の熱電対の冷接点３３とがアルミニウム、白金等の金属膜２５により接続されている。すなわち、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれの複数個の熱電対が直列に接続されている。
【００４８】
なお、前述したサーモパイルの熱電対の材料として、前述した白金・ｐ++−Ｓｉ以外に、例えば、銅・コンスタンタン（使用温度が−２００℃〜＋３５０℃）、鉄・コンスタンタン（使用温度が−２００℃〜＋８００℃）、クロメル・コンスタンタン（使用温度が−２００℃〜＋８００℃）、クロメル・アルメル（使用温度が−２００℃〜＋１２００℃）、白金ロジウム・白金（使用温度が０℃〜＋１６００℃）を用いることもできる。
【００４９】
ここで、コンスタンタンは、銅（Ｃｕ）と鉄（Ｆｅ）との合金であり、クロメルは、クロム（Ｃｒ）とニッケル（Ｎｉ）との合金であり、アルメルは、アルミニウム（Ａｌ）とニッケル（Ｎｉ）とマンガン（Ｍｎ）とシリコン（Ｓｉ）との合金である。
【００５０】
次に、図４を参照して第１の実施の形態のガス検出装置の構成について説明する。なお、図４では、第１乃至第３のサーモパイル５ａ〜５ｃのみを示したが、第４乃至第６のサーモパイル８ａ〜８ｃについても第１乃至第３のサーモパイル５ａ〜５ｃと同様であるので、ここでは、省略した。
【００５１】
ガス検出装置は、前記接触燃焼式ガスセンサ１、コントローラ４１、接触燃焼式ガスセンサ１に有するマイロヒータ４を駆動することによりマイクロヒータ４を加熱させるヒータ駆動回路４９を有している。コントローラ４１は、パルス駆動信号を発生しパルス駆動信号をヒータ駆動回路４９に出力するパルス発生器４３、第１乃至第３のサーモパイル５ａ〜５ｃからの出力を演算処理する演算回路４５、この演算回路４５の演算出力に基づいて、可燃性の混合ガスのガス種を識別するガス識別部４７を有している。
【００５２】
演算回路４５は、第２のサーモパイル５ｂからの出力から第３のサーモパイル５ｃからの出力を減算して第１の減算出力を得る第１の減算回路５１、第１のサーモパイル５ａからの出力から第２のサーモパイル５ｂからの出力を減算して第２の減算出力を得る第２の減算回路５３を有している。ガス識別部４７は、第３のサーモパイル５ｃからの出力、第１の減算回路５１からの第１の減算出力、及び第２の減算回路５３からの第２の減算出力に基づいて、可燃性の混合ガスのガス種を識別する。
【００５３】
次に、このように構成された第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置の動作を図５に示すガス検出方法のフローチャートを参照しながら説明する。ここでは、水素、一酸化炭素、メタンからなる混合ガスから選択的にガスを検出してガス種を識別する場合について説明する。
【００５４】
まず、接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置の動作に先立って、図６に示す印加電圧に対するセンサ出力を説明する。マイクロヒータ４へ印加されるパルス駆動信号の印加電圧が低い場合（印加電圧範囲ａの場合）には、温度が低く、低い温度で燃焼する水素Ｈ2の第３のセンサ出力が得られる。すなわち、マイクロヒータ４から最も遠い第３及び第６のサーモパイル５ｃ，８ｃは、温度が低く、この第３及び第６のサーモパイル５ｃ，８ｃからは、低い温度で燃焼する水素Ｈ2の第３のセンサ出力が得られるようになっている。
【００５５】
また、マイクロヒータ４へ印加される印加電圧が中程度である場合（印加電圧範囲ｂの場合）には、温度が中程度であり、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された第２のセンサ出力が得られる。すなわち、マイクロヒータ４から中程度に遠い第２及び第５のサーモパイル５ｂ，８ｂは、温度が中程度であり、この第２及び第５のサーモパイル５ｂ，８ｂからは、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された第２のセンサ出力が得られるようになっている。
【００５６】
さらに、マイクロヒータ４へ印加される印加電圧が高い場合（印加電圧範囲ｃの場合）には、温度が高く、高い温度で燃焼するメタンＣＨ4と中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された第１のセンサ出力が得られる。すなわち、マイクロヒータ４に最も近い第１及び第４のサーモパイル５ａ，８ａは、温度が高く、この第１及び第４のサーモパイル５ａ，８ａからは、高い温度で燃焼するメタンＣＨ4と中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された第１のセンサ出力が得られるようになっている。
【００５７】
次に、接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置の動作を説明する。ヒータ駆動回路４９が、パルス発生器４３からのパルス駆動信号によりマイクロヒータ４を駆動すると、マイクロヒータ４が、加熱を開始し（ステップＳ１１）、マイクロヒータ４から発生した熱は、触媒層２９に伝導され、触媒層２９がマイクロヒータ４の発熱量に応じて発熱して触媒として作用するので、可燃性ガスが燃焼する（ステップＳ１３）。
【００５８】
すると、可燃性ガスの燃焼熱が、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれの温接点３１に伝達される。また、それぞれのサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃの冷接点３３は、Ｓｉ基板２上にあるので、基板温度になっている。それぞれの温接点３１は、ダイアフラム３上にあるので、伝達された熱により加熱され、Ｓｉ基板温度よりも温度が上昇する。そして、それぞれのサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃは、温接点３１と冷接点３３の温度差より熱起電力を発生し、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃがこれらに対して第１乃至第６のセンサ出力を出力する（ステップＳ１５）。
【００５９】
このとき、第１乃至第３のサーモパイル５ａ〜５ｃ、第４乃至第６のサーモパイル８ａ〜８ｃがマイクロヒータ４から順番に遠ざかるように配置されている。このため、マイクロヒータ４から離れるほど触媒層２９の温度が低くなるので、マイクロヒータ４に最も近い位置に配置された第１のサーモパイル５ａ及び第４のサーモパイル８ａは、高温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、第１のセンサ出力を出力する。この第１のセンサ出力は、図６に示すように、高い温度で燃焼するメタンＣＨ4と中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成されたセンサ出力である。
【００６０】
また、マイクロヒータ４から第１のサーモパイル５ａ及び第４のサーモパイル８ａよりも遠ざかって配置された第２のサーモパイル５ｂ及び第５のサーモパイル８ｂは、中温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、第２のセンサ出力を出力する。この第２のセンサ出力は、図６に示すように、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成されたセンサ出力である。
【００６１】
さらに、マイクロヒータ４から第２のサーモパイル５ｂ及び第５のサーモパイル８ｂよりも遠ざかって配置された第３のサーモパイル５ｃ及び第６のサーモパイル８ｃは、低温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、第３のセンサ出力を出力する。この第３のセンサ出力は、図６に示すように、低い温度で燃焼する水素Ｈ2のセンサ出力である。
【００６２】
このため、ガス識別部４７は、第３のサーモパイル５ｃからの第３のセンサ出力に基づいて、混合ガスから水素Ｈ2を識別することができる。この場合、図６に示すように、第３のセンサ出力が約６００ｍＶ程度であれば、水素Ｈ2を識別することができる。
【００６３】
次に、第１の減算回路５１が第２のサーモパイル５ｂからの第２のセンサ出力と第３のサーモパイル５ｃからの第３のセンサ出力とを入力し、第２のサーモパイル５ｂからの第２のセンサ出力から第３のサーモパイル５ｃからの第３のセンサ出力を減算して、第１の減算出力を得る（ステップＳ１７）。
【００６４】
第２のセンサ出力は、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された出力であり、第３のセンサ出力は、低い温度で燃焼する水素Ｈ2のセンサ出力であるため、第１の減算出力は、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯの出力となる。
【００６５】
このため、ガス識別部４７は、第１の減算回路５１からの第１の減算出力に基づいて、混合ガスから一酸化炭素ＣＯを識別することができる。この場合、図６に示すように、第１の減算出力が約２００ｍＶ程度であれば、一酸化炭素ＣＯを識別することができる。
【００６６】
さらに、第２の減算回路５３が第１のサーモパイル５ａからの第１のセンサ出力と第２のサーモパイル５ｂからの第２のセンサ出力とを入力し、第２のサーモパイル５ｂからの第２のセンサ出力から第１のサーモパイル５ａからの第１のセンサ出力を減算して、第２の減算出力を得る（ステップＳ１９）。
【００６７】
第１のセンサ出力は、高い温度で燃焼するメタンＣＨ4と中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された出力であり、第２のセンサ出力は、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された出力であるため、第２の減算出力は、高い温度で燃焼するメタンＣＨ4の出力となる。
【００６８】
このため、ガス識別部４７は、第２の減算回路５３からの減算出力に基づいて、混合ガスからメタンＣＨ4を識別することができる（ステップＳ２１）。この場合、図６に示すように、第２の減算出力が約１００ｍＶ程度であれば、メタンＣＨ4を識別することができる。
【００６９】
このように、第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ並びにガス検出方法及びその装置によれば、可燃性の混合ガスからガス種を識別することができ、従来のような複数のセンサを設けることなく、１つのガスセンサで済むから、簡単な構成で且つ安価な接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置を提供することができる。
【００７０】
なお、第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサでは、マイクロヒータ４の片側に３つのサーモパイルを配置したが、マイクロヒータ４の片側に２つのサーモパイルを配置してもよく、あるいは４つ以上のサーモパイルを配置してもよい。２つのサーモパイルを配置した場合には、２種類のガスを識別することができ、４つ以上のサーモパイルを配置した場合には、さらに多くのガスを識別することができる。
【００７１】
また、接触燃焼式ガスセンサにはサーモパイルを用いているので、可燃性ガスに対してより大きなセンサ出力を得ることができ、これによって、低濃度の可燃性ガスや一酸化炭素（ＣＯ）等の感度の低い可燃性ガスに対してガス検知感度を向上することができる。また、サーモパイルが、複数個の熱電対を直列に接続してなるため、熱電対の数に比例して大きなセンサ出力を得ることができる。
【００７２】
さらに、センサ出力が大きいため、従来のようなレファレンス（補償素子）を用いたブリッジ回路も不要となり、より構成が簡単で安価となる。また、マイクロヒータ４とサーモパイルとが別々に設けられ、サーモパイルは、温接点３１と冷接点３３の温度差により熱起電力を発生するため、マイクロヒータ４の経時劣化により抵抗値が変動しても、マイクロヒータ４の経時劣化による抵抗値変動の影響を受けなくなる。これによって、センサ出力変動がより小さくなる。
【００７３】
さらに、触媒層２９が、サーモパイルの熱電対の温接点３１とマイクロヒータ４とを覆うように形成されているため、マイクロヒータ４の発熱が効率よく短時間で触媒層２９に伝導されて可燃性ガスが燃焼し、その燃焼熱が熱電対の温接点３１に伝導されるから、冷接点３３と温接点３１との熱容量の差を大きくすることができる。これによって、大きなセンサ出力を得ることができる。
【００７４】
また、サーモパイルの熱電対の冷接点３３を除く部分及びマイクロヒータ４は、ダイアラム３上に形成されているので、サーモパイル及びマイクロヒータ４の熱容量を小さくすることができる。これによって、マイクロヒータ４の発熱量が基板中に熱拡散する現象を回避できるため、マイクロヒータ４の発熱量を効率よくしかも短時間で触媒層２９に伝導でき、これによって、高感度で且つ高速にガスを燃焼させることができるとともに、さらにサーモパイルから大きなセンサ出力を得ることができる。
【００７５】
また、サーモパイルのそれぞれの冷接点３３が、ダイアフラム３を除く領域に形成されているので、熱電対の冷接点３３と温接点３１との熱容量の差を大きくすることができる。これによって、熱電対の起電力を大きくすることができるので、より大きなセンサ出力を得ることができる。
【００７６】
さらに、絶縁膜である窒化シリコン２３ｂ上に形成され且つ窒化シリコン２３ｂ及びマイクロヒータ４に接触した状態で配置された酸化ハフニウム膜２３ｃを形成したので、高温における白金からなるマイクロヒータ４と下地膜である窒化シリコン２３ｂとの密着性が向上し、マイクロヒータ４の白金の剥離をなくすことができるとともに、センサの経時劣化特性及びセンサの破壊耐久特性を向上することができる。
【００７７】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置について説明する。図７は第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの上面図である。図８は第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置の回路構成図である。図９は第２の実施の形態のガス検出方法を示すフローチャートである。
【００７８】
第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ１ａは、第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ１に対して、図７に示すように、第１のサーモパイル５ａ及び第４のサーモパイル８ａを取り除き、この第１のサーモパイル５ａ及び第４のサーモパイル８ａに代えて、マイクロヒータ４を用いて高温で燃焼するメタン等のガスを識別し、第２のサーモパイル５ｂ及び第５のサーモパイル８ｂで中程度の温度で燃焼するガスを識別し、第３のサーモパイル５ｃ及び第６のサーモパイル８ｃで低温で燃焼するガスを識別するようにしたことを特徴とする。
【００７９】
このため、マイクロヒータ４の一端に接続される白金パッド６ｂ2にはレファレンス抵抗１８が接続され、レファレンス抵抗１８には白金パッド６ｂ3が接続され、この白金パッド６ｂ3が接地されている。
【００８０】
また、図８に示すガス検出装置において、マイクロヒータ４の他端には白金パッド６ｂ1を介してレファレンス抵抗５５の一端が接続され、このレファレンス抵抗５５の他端にはレファレンス抵抗５７の一端が接続され、レファレンス抵抗５７の他端は、接地されている。これらマイクロヒータ４、レファレンス抵抗１８，５５，５７でブリッジ回路を構成している。レファレンス抵抗１８とレファレンス抵抗５７との間にはこの間を流れる電流を検出する電流検出回路５９が設けられている。
【００８１】
また、ガス識別部４７ａは、電流検出回路５９で検出された電流出力に基づいて、混合ガスのガス種を識別する。演算回路４５ａは、第１の減算回路５１のみを有する。
【００８２】
なお、第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置のその他の構成は、第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置の構成と同一構成であり、同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００８３】
次に、このように構成された第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置の動作を図９に示すガス検出方法のフローチャートを参照しながら説明する。
【００８４】
まず、ヒータ駆動回路４９が、パルス発生器４３からのパルス駆動信号によりマイクロヒータ４を駆動すると、マイクロヒータ４が加熱されて（ステップＳ５１）、可燃性ガスが燃焼する（ステップＳ５３）。すると、マイクロヒータ４の温度が変化し、ヒータ温度の変化に伴ってヒータ抵抗が変化する（ステップＳ５５）。このため、ブリッジ回路に有するレファレンス抵抗１８とレファレンス抵抗５７との相互間に流れる電流を電流検出回路５９により検出する（ステップＳ５７）。
【００８５】
そして、電流検出回路５９で検出された電流出力に基づいて、ガス識別部４７ａが混合ガスのガス種を識別する（ステップＳ６３）。すなわち、マイクロヒータ４を用いて、マイクロヒータ４の近傍であって高温で燃焼するメタン等のガスのガス種を識別することができる。
【００８６】
一方、第２及び第３のサーモパイル５ｂ，５ｃが、第２及び第３のセンサ出力を出力すると（ステップＳ５９）、第１の減算回路５１は、第２のサーモパイル５ｂからの第２のセンサ出力から第３のサーモパイル５ｃからの第３のセンサ出力を減算して、第１の減算出力を得る（ステップＳ６１）。そして、ガス識別部４７ａは、第１の減算回路５１からの第１の減算出力に基づいて、混合ガスから一酸化炭素ＣＯを識別することができる（ステップＳ６３）。また、ガス識別部４７ａは、第３のサーモパイル５ｃからの第３のセンサ出力に基づいて、混合ガスから水素Ｈ2を識別することができる。
【００８７】
このように、第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置によれば、マイクロヒータ４を用いて、高温で燃焼するガスのガス種を識別することができるとともに、第２及び第３のサーモパイル５ｂ，５ｃ、第５及び第６のサーモパイル８ｂ，８ｃからの出力に基づいて、低温及び中温で燃焼するガスのガス種を識別することができる。従って、第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置においても、第１の実施の形態の効果と同様な効果が得られる。
【００８８】
なお、第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサでは、マイクロヒータ４の片側に２つのサーモパイルを配置したが、マイクロヒータ４の片側に１つのサーモパイルを配置してもよい。この場合には、マイクロヒータ４を用いて例えば、メタンを識別し、１つのサーモパイルで一酸化炭素等を識別してもよい。また、マイクロヒータ４の片側に３つ以上のサーモパイルを配置しても良い。このようにすれば、さらに多くのガスを識別することができる。
【００８９】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置について説明する。この第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置は、第１及び第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置を創作するに先立って、創作されたものである。
【００９０】
第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置は、ヒータに印加するパルス駆動電圧を周期的に変化させることによりガス検知素子の温度を制御し、ガス検知素子が低い電圧のときに低温で燃焼するガスを検知し、高い電圧のときに高温で燃焼するガスを検知することを特徴とする。
【００９１】
図１０は第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置の回路構成図である。図１１は第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサのガス検知素子を３つの温度で周期的に変化させるためのパルス電圧を示すタイミングチャートである。図１２は第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの印加電圧とセンサ出力との関係を示す図である。
【００９２】
この接触燃焼式ガスセンサは、図１３に示すようなガスセンサであり、ガス検知素子１３０、補償素子３２１，３２２，３２３とを有し、ガス検知素子１３０と補償素子３２１，３２２，３２３とで可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することにより可燃性ガスを検量する。ガス検知素子１３０、補償素子３２１，３２２，３２３のそれぞれは、ヒータ１１８を有する。
【００９３】
ガス検知素子１３０、補償素子３２１，３２２，３２３とでブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路の補償素子３２２と補償素子３２１との間に流れる電流を検出し検出された電流出力をセンサ出力としてメモリ４４に出力する電流検出回路１３８が設けられている。
【００９４】
また、図１０に示すガス検出装置において、コントローラ４１ｂは、第１のパルス電圧Ｖｃ（図１１に示す例ではパルス電圧が約１．６Ｖ）有する一定周期の第１のパルス駆動信号を発生する第１のパルス発生器４３ａ、第２のパルス電圧Ｖｂ（図１１に示す例ではパルス電圧が約１．０Ｖ）を有する一定周期の第２のパルス駆動信号を発生する第２のパルス発生器４３ｂ、第３のパルス電圧Ｖａ（図１１に示す例ではパルス電圧が約０．６Ｖ）を有する一定周期の第３のパルス駆動信号を発生する第３のパルス発生器４３ｃを有している。
【００９５】
第１のパルス電圧Ｖｃは、図１２に示す印加電圧範囲ｃに対応し、第２のパルス電圧Ｖｂは、図１２に示す印加電圧範囲ｂに対応し、第３のパルス電圧Ｖａは、図１２に示す印加電圧範囲ａに対応している。マイクロヒータ４へ印加されるパルス駆動信号の印加電圧が低い場合（印加電圧範囲ａの場合）には、温度が低く、低い温度で燃焼する水素Ｈ2の第３のセンサ出力が得られる。
【００９６】
また、マイクロヒータ４へ印加される印加電圧が中程度である場合（印加電圧範囲ｂの場合）には、温度が中程度であり、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された第２のセンサ出力が得られる。さらに、マイクロヒータ４へ印加される印加電圧が高い場合（印加電圧範囲ｃの場合）には、温度が高く、高い温度で燃焼するメタンＣＨ4と中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された第１のセンサ出力が得られる。
【００９７】
また、コントローラ４１ｂは、第１乃至第３のパルス発生器４３ａ〜４３ｃを順番に選択して図１１に示すようにパルス電圧を周期的に変化させたパルス駆動信号をヒータ駆動回路４９に出力するスイッチング回路４２、パルス電圧を周期的に変化させたパルス駆動信号の各パルス電圧に対応して、電流検出回路１３８から順番に出力される各センサ出力を格納するメモリ４４、各センサ出力を演算することにより演算出力を得る演算回路４５ｂ、演算出力に基づいて、可燃性ガスのガス種を識別するガス識別部４７ｂを有している。
【００９８】
演算回路４５ｂは、第１の減算回路５１ｂ、第２の減算回路５３を有している。第１の減算回路５１ｂは、パルス駆動信号の第２のパルス電圧Ｖｂに対応して電流検出回路１３８から出力される第２のセンサ出力から、第３のパルス電圧Ｖａに対応して電流検出回路１３８から出力される第３のセンサ出力を減算して、第１の減算出力を得る。第２の減算回路５３ｂは、パルス駆動信号の第１のパルス電圧Ｖｃに対応して電流検出回路１３８から出力される第１のセンサ出力から、第２のパルス電圧Ｖｂに対応して電流検出回路１３８から出力される第２のセンサ出力を減算して、第２の減算出力を得る。
【００９９】
ガス識別部４７ｂは、第３のパルス電圧Ｖａに対応して電流検出回路１３８から出力される第３のセンサ出力、第１の減算出力、及び第２の減算出力に基づいて、可燃性ガスのガス種を識別する。
【０１００】
次に、このように構成された第３の実施の形態のガス検出装置の動作を説明する。まず、スイッチング回路４２が、順番に、第１のパルス発生器４３ａ、第２のパルス発生器４３ｂ、第３のパルス発生器４３ｃを選択すると、図１１に示すように、パルス電圧Ｖｃ、パルス電圧Ｖｂ、パルス電圧Ｖａの順番でパルス電圧が周期的に変化したパルス駆動信号がヒータ駆動回路４９に出力され、ヒータ駆動回路４９は、このパルス駆動信号により、印加電圧１．６Ｖ，１．０Ｖ，０．６Ｖで周期的に間欠駆動する。なお、例えば、３０秒毎に１回１００ｍｓで駆動する。
【０１０１】
すると、ヒータ１１８により可燃性ガスが燃焼し、可燃性ガスの燃焼熱によりガス検知素子１３０、補償素子３２１，３２２，３２３の抵抗値がそれぞれ変化する。このとき、電流検出回路１３８により補償素子３２２と補償素子３２１との間に流れる電流を検出し、そのセンサ出力をメモリ４４に順番に記憶する。
【０１０２】
ガス識別部４７ｂは、第３のパルス電圧Ｖａに対応して電流検出回路１３８から出力される第３のセンサ出力に基づいて、混合ガスから水素を識別することができる。
【０１０３】
また、第１の減算回路５１ｂは、パルス駆動信号の第２のパルス電圧Ｖｂに対応して電流検出回路１３８から出力される第２のセンサ出力から、第３のパルス電圧Ｖａに対応して電流検出回路１３８から出力される第３のセンサ出力を減算して、第１の減算出力を得る。ガス識別部４７ｂは、第１の減算出力に基づいて、混合ガスから一酸化炭素を識別することができる。
【０１０４】
さらに、第２の減算回路５３ｂは、パルス駆動信号の第１のパルス電圧Ｖｃに対応して電流検出回路１３８から出力される第１のセンサ出力から、第２のパルス電圧Ｖｂに対応して電流検出回路１３８から出力される第２のセンサ出力を減算して、第２の減算出力を得る。ガス識別部４７ｂは、第２の減算出力に基づいて、混合ガスからメタンを識別することができる。このように第３の実施の形態のガス検出装置によれば、混合ガスからメタン、一酸化炭素、水素を識別することができる。
【０１０５】
このように、第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置によれば、ヒータに印加するパルス駆動電圧を周期的に変化させることによりガス検知素子の温度を制御し、ガス検知素子が低い電圧のときに低温で燃焼するガスを検知し、高い電圧のときに高温で燃焼するガスを検知することができる。
【０１０６】
ここで、第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置と、第１及び第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置を比較すると、第１及び第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置は、マイクロヒータのパルス駆動電圧を周期的に変化させることなく、異なる燃焼温度の可燃性ガスを識別することができる。従って、第１及び第２の実施の形態のガス検出装置は、第３の実施の形態のガス検出装置に設けられた第１乃至第３のパルス発生器４３ａ〜４３ｃを設ける必要がなくなり、ガス検出装置の回路構成が簡単で安価となった。
【０１０７】
また、図１２に示す第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力を図６に示す第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力と比較すると、第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力の方が、非常に大きいことがわかる。すなわち、第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサでは、サーモパイルを用いたので、各種の可燃性ガスに対して大きなセンサ出力を得ることができる。
【０１０８】
なお、本発明は前述した第１乃至第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサに限定されるものではない。第１及び第２の実施の形態では、水素、一酸化炭素、メタンの混合ガスからガス種を識別したが、本発明は、例えば、エタノール、イソブタン（ｉ−Ｃ4Ｈ10）等のガスを識別することもできる。この場合、エタノールは、図６の印加電圧範囲ａにおいてセンサ出力が得られ且つこのセンサ出力が水素のセンサ出力よりも大きいので、第３のサーモパイル５ｃからのセンサ出力に基づいて混合ガスからエタノールを識別することができる。
【０１０９】
また、イソブタンは、図６の印加電圧範囲ｂにおいてセンサ出力が得られ且つこのセンサ出力が一酸化炭素のセンサ出力よりも大きいので、第２のサーモパイル５ｂからのセンサ出力に基づいて混合ガスからイソブタンを識別することができる。
【０１１０】
また、第１及び第２の実施の形態では、第１乃至第６のサーモパイルの６つのサーモパイルをマイクロヒータ４を挟んで両側に設けたが、例えば、３つのサーモパイルをマイクロヒータ４の片側に設けても良い。
【０１１１】
また、第１及び第２の実施の形態では、マイクロヒータ４の周辺に第１乃至第６のサーモパイルを配置したが、これに限定されるものではなく、例えば、マイクロヒータ４上に絶縁膜２３を介して例えば、第１乃至第６のサーモパイルを配置しても、第１及び第２実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの効果と同様な効果が得られる。このほか、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、種々変形して実施可能であるのは勿論である。
【０１１２】
【発明の効果】
請求項１の発明の接触燃焼式ガスセンサによれば、複数のサーモパイルがヒータから順番に遠ざかるように配置されているため、ヒータから離れるほど触媒層の温度が低くなるので、ヒータに最も近い位置に配置されたサーモパイルは、高温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、また、ヒータからより遠ざかって配置されたサーモパイルは、低温で燃焼するガスの燃焼熱を検出する。従って、複数のサーモパイルからの出力を演算処理すれば、可燃性の混合ガスからガス種を識別することができ、しかも１つのガスセンサで済むから、簡単な構成で且つ安価な接触燃焼式ガスセンサを提供することができる。
【０１１３】
請求項２の発明の接触燃焼式ガスセンサによれば、請求項１記載の効果に加え、それぞれのサーモパイルが、複数個の熱電対を直列に接続してなるため、熱電対の数に比例してさらに大きなセンサ出力を得ることができる。
【０１１４】
請求項３の発明の接触燃焼式ガスセンサによれば、請求項１または請求項２記載の効果に加え、触媒層が、サーモパイルを構成する熱電対の温接点とヒータとを覆うように形成されているため、ヒータの発熱が効率よく短時間で触媒層に伝導されて可燃性ガスが燃焼し、その燃焼熱が熱電対の温接点に伝導されるから、冷接点と温接点との熱容量の差を大きくすることができる。これによって、熱電対の起電力を大きくすることができるので、より大きなセンサ出力を得ることができる。
【０１１５】
請求項４の発明の接触燃焼式ガスセンサによれば、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の効果に加え、基板が、所定の厚さのダイアフラムを有し、サーモパイルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及びヒータは、ダイアラム上に形成されているので、サーモパイル及びヒータの熱容量を小さくすることができる。これによって、ヒータの発熱量が基板中に熱拡散する現象を回避できるため、ヒータの発熱量を効率よくしかも短時間で触媒層に伝導でき、これによって、サーモパイルからさらに大きなセンサ出力を得ることができる。
【０１１６】
請求項５の発明の接触燃焼式ガスセンサによれば、請求項４記載の効果に加え、サーモパイルの冷接点が、ダイアフラムを除く領域に形成されているので、熱電対の冷接点と温接点との熱容量の差を大きくすることができる。これによって、熱電対の起電力を大きくすることができるので、より大きなセンサ出力を得ることができる。
【０１１７】
請求項６の発明のガス検出装置によれば、複数のサーモパイルがヒータから順番に遠ざかるように配置されているため、ヒータから離れるほど触媒層の温度が低くなるので、ヒータに最も近い位置に配置されたサーモパイルは、高温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、また、ヒータからより遠ざかって配置されたサーモパイルは、低温で燃焼するガスの燃焼熱を検出する。演算手段は、複数のサーモパイルの各サーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得て、ガス識別手段は、演算手段で得られた演算出力に基づいて混合ガスのガス種を識別する。従って、可燃性の混合ガスからガス種を識別することができる。
【０１１８】
請求項７の発明によれば、ヒータの加熱により可燃性ガスが燃焼すると、ヒータ温度が変化し、ヒータ温度の変化に伴ってヒータ抵抗が変化する。このため、ブリッジ回路に有する第１の比較素子の一端と第３の比較素子の一端との相互間に流れる電流を電流検出手段により検出し、電流検出手段で検出された電流出力に基づいて、ガス識別手段が混合ガスのガス種を識別する。すなわち、ヒータを用いて、高温で燃焼するガスのガス種を識別することができるとともに、複数のサーモパイルからの出力に基づいて、低温及び中温で燃焼するガスのガス種を識別することができる。
【０１１９】
請求項８の発明によれば、請求項６または請求項７記載の効果に加え、減算回路が、複数のサーモパイルの内の隣接する２つのサーモパイルからの２つの出力の差を算出し、ガス識別手段は、減算回路で算出された２つの出力の差に基づいて、混合ガスのガス種を識別する。従って、可燃性の混合ガスのガス種を精度良く識別することができる。
【０１２０】
請求項９の発明のガス検出方法によれば、請求項６の発明のガス検出装置の効果と同様な効果が得られる。請求項１０の発明のガス検出方法によれば、請求項７の発明のガス検出装置の効果と同様な効果が得られる。請求項１１の発明のガス検出方法によれば、請求項８の発明のガス検出装置の効果と同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの上面図である。
【図２】第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの断面図である。
【図３】第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサに設けられたサーモパイルの断面図及び上面図である。
【図４】第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置の回路構成図である。
【図５】第１の実施の形態のガス検出方法を示すフローチャートである。
【図６】第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの印加電圧とセンサ出力との関係を示す図である。
【図７】第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの上面図である。
【図８】第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置の回路構成図である。
【図９】第２の実施の形態のガス検出方法を示すフローチャートである。
【図１０】第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置の回路構成図である。
【図１１】第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサのガス検知素子を３つの温度で周期的に変化させるためのパルス電圧を示すタイミングチャートである。
【図１２】第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの印加電圧とセンサ出力との関係を示す図である。
【図１３】従来の接触燃焼式ガスセンサの構成図である。
【図１４】図１３に示す従来の接触燃焼式ガスセンサをブリッジ回路に組み込んだ場合のガス検出回路の回路構成図である。
【符号の説明】
１，１ａ 接触燃焼式ガスセンサ
２ Ｓｉ基板
３ ダイアフラム
４ マイクロヒータ
５ａ〜５ｃ 第１乃至第３のサーモパイル
８ａ〜８ｃ 第４乃至第６のサーモパイル
１８，５５，５７ レファレンス抵抗
２１ Ｐ++−Ｓｉ
２３ａ 酸化シリコン
２３ｂ 窒化シリコン
２３ｃ 酸化ハフニウム
２５ 金属膜
２７ 保護膜
２９ 触媒層
３１ 温接点
３３ 冷接点
４１ コントローラ
４２ スイッチング回路
４３ パルス発生器
４３ａ〜４３ｃ 第１乃至第３のパルス発生器
４４ メモリ
４５ 演算回路
４７ ガス識別部
４９ ヒータ駆動回路
５１ 第１の減算回路
５３ 第２の減算回路[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a contact combustion type gas sensor for calibrating combustible gas by detecting combustion heat generated when a combustible gas is burned by a heater and a gas detection element, and a combustible gas using the contact combustion type gas sensor. The present invention relates to a gas detection method and apparatus for identifying a gas type.
[0002]
[Prior art]
As a conventional catalytic combustion type gas sensor, for example, a catalytic combustion type gas sensor described in JP-A-11-6811 is known. FIG. 13 shows a configuration diagram of a conventional catalytic combustion type gas sensor described in this publication.
[0003]
In this contact combustion type gas sensor, as shown in FIG. 13A, a gas detection element 130 and compensation elements 321, 322, and 323 are adjacent to each other on a diaphragm 123 formed on a substrate 112 with a predetermined thickness. The combustible gas is calibrated by detecting combustion heat generated when the combustible gas is burned by the gas detection element 130 and the compensation elements 321, 322, and 323.
[0004]
As shown in FIGS. 13 (a) and 13 (b), the gas detection element 130 is formed on a diaphragm 123 and made of platinum for promoting combustion of combustible gas. Alumina 122 as a heat conductive layer provided in contact with the palladium catalyst layer 124 that generates heat according to the amount of heat generated by the heater 118 conducted through the alumina 122 and acts as a catalyst for combustion of combustible gas. have.
[0005]
The heater 118 is laminated on the oxide film 114 and tantalum pentoxide 116 in contact with the oxide film 114 and tantalum pentoxide 116, and alumina 122 is laminated on the heater 118 in thermal contact with the alumina 118. A palladium catalyst layer 124 is laminated in thermal contact with 122.
[0006]
By providing such a gas detection element 130 and providing the heater 118 on the diaphragm 123 having an effective heat capacity smaller than that of the substrate 112, a phenomenon in which the amount of heat generated by the heater 118 is thermally diffused into the substrate 112 can be avoided. Therefore, the calorific value generated by the heater 118 can be efficiently conducted to the palladium catalyst layer 124 in a short time, and thus the combustible gas can be burned with high sensitivity and high speed.
[0007]
Further, by providing the alumina 122, the calorific value generated by the heater 118 can be efficiently conducted to the palladium catalyst layer 124 in a short time, so that the combustible gas is burned with high sensitivity and high speed. be able to. Furthermore, by providing the palladium catalyst layer 124 that acts as a catalyst for the combustion of combustible gas, sufficient gas detection sensitivity can be realized.
[0008]
FIG. 14 is a circuit configuration diagram of a gas detection circuit when the conventional catalytic combustion gas sensor shown in FIG. 13 is incorporated in a bridge circuit. As shown in FIG. 14, the gas detection circuit 400 is a circuit in which a power source 136 and a current detection means 138 are incorporated in a Wheatstone bridge configured using three compensation elements 321, 322, and 323 and a gas detection element 130. It has a configuration.
[0009]
In this gas detection circuit 400, the resistance change of the gas detection element 130 generated due to the combustion heat generated when the gas detection element 130 and the compensation elements 321, 322, and 323 burn the combustible gas, and the compensation By detecting the change in the resistance value of the elements 321, 322 and 323 by the Wheatstone bridge and the current detecting means 138 connected thereto, the combustible gas can be calibrated.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the gas detection device using the conventional catalytic combustion type gas sensor shown in FIG. 13, the gas detection is performed when the gas type of the combustible gas composed of the mixed gas such as hydrogen, carbon monoxide, methane is identified. The element was treated with silicone vapor, and only hydrogen gas was selectively detected from the mixed gas, or the gas was selectively detected by covering the catalytic combustion type gas sensor with an activated carbon filter or the like. For this reason, in order to selectively detect several types of gases, a plurality of gas sensors must be provided, which makes the configuration complicated and expensive.
[0011]
Further, as shown in FIG. 14, since a bridge circuit incorporating a reference (a comparison element, which corresponds to a compensation element in FIG. 14) is used, the configuration of the gas detection device is complicated.
[0012]
It is an object of the present invention to provide a catalytic combustion type gas sensor, a gas detection method, and an apparatus thereof that can identify a gas type from a combustible mixed gas and that have a simple configuration and are inexpensive.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has the following configuration in order to solve the above problems. The invention of claim 1 is a contact combustion type gas sensor for calibrating combustible gas by detecting combustion heat generated when combustible gas composed of a mixed gas is combusted. A heater for encouraging gas combustion, a catalyst layer formed on the heater and generating heat in accordance with the amount of heat generated by the heater and acting as a catalyst for combustion of the combustible gas, and in order from the heater And a plurality of thermopiles that are arranged to be away from each other and detect the combustion heat of the combustible gas.
[0014]
According to the invention of claim 1, when the heater formed on the substrate generates heat, the catalyst layer formed on the heater generates heat according to the amount of heat generated by the heater and acts as a catalyst. Burn. At this time, it arrange | positions so that several thermopile may keep away from a heater in order. For this reason, since the temperature of the catalyst layer decreases as the distance from the heater increases, the thermopile disposed at the closest position to the heater detects the heat of combustion of the gas that burns at a high temperature and is disposed further away from the heater. The thermopile detects the heat of combustion of the gas that burns at a low temperature. Therefore, if the outputs from a plurality of thermopiles are processed, the gas type can be identified from the flammable gas mixture, and only one gas sensor is required. can do.
[0015]
The invention according to claim 2 is the catalytic combustion type gas sensor according to claim 1, wherein each thermopile of the plurality of thermopiles includes a plurality of thermocouples each having a hot junction and a cold junction. It is characterized by being connected in series.
[0016]
According to the invention of claim 2, in addition to the effect of claim 1, since each thermopile is formed by connecting a plurality of thermocouples in series, a larger sensor output is proportional to the number of thermocouples. Obtainable.
[0017]
According to a third aspect of the present invention, in the catalytic combustion type gas sensor according to the first or second aspect, the catalyst layer is formed so as to cover a hot junction of a thermocouple constituting the thermopile and the heater. It is characterized by.
[0018]
According to the invention of claim 3, in addition to the effect of claim 1 or 2, the catalyst layer is formed so as to cover the hot junction of the thermocouple constituting the thermopile and the heater. Since heat generation is efficiently conducted in a short time to the catalyst layer, combustible gas burns, and the combustion heat is conducted to the hot junction of the thermocouple, it is possible to increase the difference in heat capacity between the cold junction and the hot junction. it can. Thereby, since the electromotive force of the thermocouple can be increased, a larger sensor output can be obtained.
[0019]
According to a fourth aspect of the present invention, in the catalytic combustion type gas sensor according to any one of the first to third aspects, the substrate has a diaphragm having a predetermined thickness, and the thermocouple that constitutes the thermopile is cooled. The portion excluding the contact and the heater are formed on the dialam.
[0020]
According to the invention of claim 4, in addition to the effect of any one of claims 1 to 3, the substrate has a diaphragm having a predetermined thickness, and the cold junction of the thermocouple constituting the thermopile is provided. Since the removed portion and the heater are formed on the diaphragm, the heat capacity of the thermopile and the heater can be reduced. As a result, it is possible to avoid the phenomenon in which the heat generation amount of the heater diffuses into the substrate, so that the heat generation amount of the heater can be conducted efficiently and in a short time to the catalyst layer, thereby obtaining a larger sensor output from the thermopile. it can.
[0021]
According to a fifth aspect of the present invention, in the catalytic combustion type gas sensor according to the fourth aspect, the cold junction of the thermopile is formed in a region excluding the diaphragm.
[0022]
According to the invention of claim 5, in addition to the effect of claim 4, the thermopile cold junction is formed in the region excluding the diaphragm, so that the difference in heat capacity between the cold junction and the hot junction of the thermocouple is increased. can do. Thereby, since the electromotive force of the thermocouple can be increased, a larger sensor output can be obtained.
[0023]
A gas detection device according to a sixth aspect of the present invention is a heater formed on a substrate for urging combustion of a combustible gas, and formed on the heater and generates heat according to the amount of heat generated by the heater to generate the combustible gas. A catalytic combustion gas sensor having a catalyst layer that acts as a catalyst for combustion, a plurality of thermopiles that are arranged in order away from the heater and that detects the combustion heat of the combustible gas, and the catalytic combustion gas sensor A calculation for obtaining a calculation output by calculating the output from each thermopile of the plurality of thermopiles provided in the catalytic combustion type gas sensor, and heater driving means for heating the heater by flowing a current to the heater provided Means and a gas identification means for identifying the gas type of the mixed gas based on the calculation output obtained by the calculation means. And it features.
[0024]
According to the gas detection device of the sixth aspect of the present invention, when the heater driving means applies a current to the heater provided in the contact combustion type gas sensor, the heater is heated, and the catalyst layer formed on the heater is Since it generates heat according to the amount of generated heat and acts as a catalyst, the combustible gas burns. At this time, it arrange | positions so that several thermopile may keep away from a heater in order. For this reason, since the temperature of the catalyst layer decreases as the distance from the heater increases, the thermopile disposed at the closest position to the heater detects the heat of combustion of the gas that burns at a high temperature and is disposed further away from the heater. The thermopile detects the heat of combustion of the gas that burns at a low temperature.
[0025]
Then, the calculation means obtains a calculation output by calculating the output from each thermopile of the plurality of thermopiles, and the gas identification means identifies the gas type of the mixed gas based on the calculation output obtained by the calculation means. . Therefore, the gas type can be identified from the combustible mixed gas.
[0026]
A gas detection device according to a seventh aspect of the present invention is a heater formed on a substrate for promoting combustion of a combustible gas, and formed on the heater and generates heat in accordance with the amount of heat generated by the heater to generate the combustible gas. A catalytic combustion gas sensor having a catalyst layer acting as a catalyst for combustion, and one or more thermopiles arranged sequentially away from the heater and detecting the combustion heat of the combustible gas, and the catalytic combustion Heater driving means for heating the heater by flowing an electric current to the heater provided in the gas sensor, the heater, a first comparison element having one end connected to one end of the heater, and one end being the other end of the heater A second comparison element connected to the third comparison element, one end connected to the other end of the second comparison element and the other end connected to the other end of the first comparison element. A bridge circuit formed, current detection means for detecting a current flowing between one end of the first comparison element and one end of the third comparison element included in the bridge circuit, and the catalytic combustion gas sensor. Based on the calculation output obtained by calculating outputs from the plurality of thermopiles provided, the calculation output obtained by the calculation means, and the current output detected by the current detection means, the mixed gas And a gas identification means for identifying the gas type.
[0027]
According to the invention of claim 7, when the combustible gas is combusted by the heating of the heater, the heater temperature is changed, and the heater resistance is changed with the change of the heater temperature. For this reason, the current flowing between the one end of the first comparison element and the one end of the third comparison element in the bridge circuit is detected by the current detection means, and based on the current output detected by the current detection means, The gas identification means identifies the gas type of the mixed gas. That is, using the heater, it is possible to identify the gas type of the gas that burns at high temperature, and it is possible to identify the gas type of the gas that burns at low temperature and medium temperature based on the outputs from the plurality of thermopiles.
[0028]
According to an eighth aspect of the present invention, in the gas detection device according to the sixth or seventh aspect, the calculating means includes a subtracting circuit that calculates a difference between two outputs from two adjacent thermopiles of the plurality of thermopiles. And the gas identifying means identifies a gas type of the mixed gas based on a difference between the two outputs calculated by the subtracting circuit.
[0029]
According to the invention of claim 8, in addition to the effect of claim 6 or claim 7, the subtracting circuit calculates a difference between two outputs from two adjacent thermopiles among the plurality of thermopiles, thereby identifying the gas. The means identifies the gas type of the mixed gas based on the difference between the two outputs calculated by the subtraction circuit. Therefore, the gas type of the combustible mixed gas can be accurately identified.
[0030]
According to a ninth aspect of the present invention, there is provided a gas detection method comprising: heating a heater by passing an electric current through the heater of a catalytic combustion gas sensor having a heater, a catalyst layer, and a plurality of thermopiles arranged in order away from the heater. The catalyst layer generates heat according to the amount of heat generated by the heater to burn the combustible gas, the plurality of thermopiles detect the heat of combustion of the combustible gas, and the thermopile from each thermopile A calculation output is obtained by calculating an output, and a gas type of the mixed gas is identified based on the obtained calculation output.
[0031]
According to a tenth aspect of the present invention, there is provided a gas detection method comprising: a heater; a first comparison element having one end connected to one end of the heater; a second comparison element having one end connected to the other end of the heater; Comprising a bridge circuit constituted by a third comparison element connected to the other end of the two comparison elements and the other end connected to the other end of the first comparison element, from the heater, the catalyst layer, and the heater The heater of the catalytic combustion type gas sensor having one or more thermopiles arranged so as to move away from each other is heated by passing current through the heater, and the catalyst layer generates heat according to the amount of heat generated by the heater. The combustible gas is burned, the one or more thermopiles detect the combustion heat of the combustible gas, and one end of the first comparison element and one of the third comparison elements included in the bridge circuit And detecting the current flowing between them and calculating the output from the plurality of thermopiles, obtaining a calculation output, and based on the obtained calculation output and the detected current output, the gas type of the mixed gas It is characterized by identifying.
[0032]
A gas detection method according to an eleventh aspect of the invention is the gas detection method according to the ninth or tenth aspect, wherein a difference between two outputs from two adjacent thermopiles of the plurality of thermopiles is calculated. Further, the gas type of the mixed gas is identified based on a difference between the two outputs.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of a catalytic combustion gas sensor, a gas detection method, and an apparatus therefor according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
[0034]
(First embodiment)
FIG. 1 is a top view of the catalytic combustion type gas sensor according to the first embodiment. FIG. 2 is a sectional view of the catalytic combustion type gas sensor according to the first embodiment. FIG. 3 is a cross-sectional view and a top view of a thermopile provided in the catalytic combustion type gas sensor according to the first embodiment. FIG. 4 is a circuit configuration diagram of a gas detection apparatus using the catalytic combustion type gas sensor according to the first embodiment. FIG. 5 is a flowchart showing the gas detection method according to the first embodiment. FIG. 6 is a diagram showing the relationship between the applied voltage and the sensor output of the catalytic combustion type gas sensor according to the first embodiment. The cross-sectional view shown in FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA shown in FIG.
[0035]
As shown in FIG. 1, the catalytic combustion type gas sensor 1 has a Si substrate 2 made of silicon single crystal, and a diaphragm 3 formed by anisotropic etching is formed on the back surface of the Si substrate 2.
[0036]
On the diaphragm 3, a microheater 4 made of platinum or the like for urging combustion of combustible gas is formed. In the vicinity of both sides of the heater pattern in the longitudinal direction of the microheater 4, a first thermopile 5a is formed. And the 4th thermopile 8a is arrange | positioned.
[0037]
The second thermopile 5b is arranged further away from the microheater 4 than the first thermopile 5a and is arranged substantially parallel to the first thermopile 5a. The third thermopile 5c is arranged further away from the microheater 4 than the second thermopile 5b.
[0038]
The fifth thermopile 8b is arranged further away from the microheater 4 than the fourth thermopile 8a and is arranged substantially parallel to the fourth thermopile 8a. The sixth thermopile 8c is arranged farther from the microheater 4 than the fifth thermopile 8b.
[0039]
Each of the first to sixth thermopiles 5 a to 5 c and 8 a to 8 c detects the combustion heat of the combustible gas, and a portion excluding the cold junction of the thermocouple is disposed on the diaphragm 3. As shown in FIG. 1, the microheater 4 is formed by arranging a plurality of heater patterns in a substantially parallel and zigzag manner.
[0040]
Further, as shown in FIG. 1, the microheater 4 is supplied with a platinum pad 6a to which a drive current is supplied. 1 , 6a 2 Is connected. The first thermopile 5a has a platinum pad 7a for outputting the first sensor output from the first thermopile 5a to the outside. 1 7a 2 Is connected to the second thermopile 5b, and a platinum pad 7b for outputting the second sensor output from the second thermopile 5b to the outside. 1 7b 2 Is connected to the third thermopile 5c, and a platinum pad 7c for outputting the third sensor output from the third thermopile 5c to the outside. 1 7c 2 Is connected.
[0041]
The fourth thermopile 8a has a platinum pad 9a that outputs the fourth sensor output from the fourth thermopile 8a to the outside. 1 9a 2 Is connected to the fifth thermopile 8b, the platinum pad 9b for outputting the fifth sensor output from the fifth thermopile 8b to the outside. 1 9b 2 Is connected to the sixth thermopile 8c, and a platinum pad 9c for outputting the sixth sensor output from the sixth thermopile 8c to the outside. 1 , 9c 2 Is connected.
[0042]
As shown in FIG. 2, a silicon oxide 23a is formed on the diaphragm 3 in contact with the diaphragm 3, and a silicon nitride 23b is formed on the silicon oxide 23a in contact with the silicon oxide 23a. A hafnium oxide 23c is formed on the silicon nitride 23b in contact with the silicon nitride 23b. A microheater 4 is formed on the hafnium oxide 23c in contact with the hafnium oxide 23c. A catalyst layer 29 of palladium or the like is formed in contact with the heater 4.
[0043]
The catalyst layer 29 generates heat according to the amount of heat generated by the microheater 4 and acts as a catalyst for combustion of the combustible gas. The catalyst layer 29 is formed so as to cover the hot junctions 31 and the microheaters 4 of the first to sixth thermopiles 5a to 5c and 8a to 8c. The silicon oxide 23a, the silicon nitride 23b, and the hafnium oxide 23c act to conduct the heat generated by the microheater 4 to the catalyst layer 29 efficiently and in a short time.
[0044]
In addition to platinum, the microheater 4 may be any metal or compound having a large resistance temperature coefficient and being thermally stable up to a high temperature. For example, tungsten may be used.
[0045]
On the other hand, each of the first to sixth thermopiles 5a to 5c, 8a to 8c is formed on the surface of the Si substrate 2 and the diaphragm 3 so as to be in contact therewith, as shown in FIGS. ++ -Si21, this p ++ -P on Si21 ++ An insulating film 23 formed in contact with Si 21, a metal film 25 such as platinum or aluminum formed on the insulating film 23 in contact with the insulating film 23, and a metal film 25 on the metal film 25 And a protective film 27 made of silicon oxide or the like. A recess is formed in the protective film 27, and the recess corresponds to a hot junction 31 and a cold junction 33 described later. The insulating film 23 is silicon oxide 23a, silicon nitride 23b, and hafnium oxide 23c.
[0046]
Each of the first to sixth thermopiles 5a to 5c and 8a to 8c is composed of a thermocouple having a hot junction 31 and a cold junction 33 as shown in FIG. By detecting the combustion heat of the combustible gas and generating a thermoelectromotive force from the temperature difference between the hot junction 31 and the cold junction 33, the first to sixth thermopiles 5a to 5c and 8a to 8c respond to these. First to sixth sensor outputs are output. The cold junction 33 is provided on a portion of the Si substrate 2 (thickness of about 400 μm) where the diaphragm 3 is not formed, and the hot junction 31 is formed on the diaphragm 3.
[0047]
Each of the first to sixth thermopiles 5a to 5c and 8a to 8c has a plurality of thermocouples as shown in FIG. 3 (b), and one of the two adjacent thermocouples has one thermocouple. The pair of hot junctions 31 and the cold junction 33 of the other thermocouple are connected by a metal film 25 such as aluminum or platinum. That is, the plurality of thermocouples of the first to sixth thermopiles 5a to 5c and 8a to 8c are connected in series.
[0048]
As the thermopile thermocouple material described above, the above-mentioned platinum / p ++ In addition to Si, for example, copper / constantan (use temperature is −200 ° C. to + 350 ° C.), iron / constantan (use temperature is −200 ° C. to + 800 ° C.), chromel constantan (use temperature is −200 ° C. to + 800 ° C.) ), Chromel alumel (use temperature is −200 ° C. to + 1200 ° C.), platinum rhodium · platinum (use temperature is 0 ° C. to + 1600 ° C.).
[0049]
Here, constantan is an alloy of copper (Cu) and iron (Fe), chromel is an alloy of chromium (Cr) and nickel (Ni), and alumel is aluminum (Al) and nickel (Ni). ), Manganese (Mn), and silicon (Si).
[0050]
Next, the configuration of the gas detection device according to the first embodiment will be described with reference to FIG. In FIG. 4, only the first to third thermopiles 5a to 5c are shown, but the fourth to sixth thermopiles 8a to 8c are the same as the first to third thermopiles 5a to 5c. It is omitted here.
[0051]
The gas detection device has a heater driving circuit 49 that heats the micro heater 4 by driving the catalytic heater gas sensor 1, the controller 41, and the myo heater 4 included in the catalytic combustion gas sensor 1. The controller 41 generates a pulse drive signal and outputs the pulse drive signal to the heater drive circuit 49, an arithmetic circuit 45 for arithmetically processing the outputs from the first to third thermopiles 5a to 5c, and the arithmetic circuit A gas identification unit 47 for identifying the gas type of the combustible mixed gas based on the calculation output of 45 is provided.
[0052]
The arithmetic circuit 45 subtracts the output from the third thermopile 5c from the output from the second thermopile 5b to obtain a first subtracted output, and obtains the first subtracted circuit 51 from the output from the first thermopile 5a. A second subtracting circuit 53 is provided to obtain a second subtracted output by subtracting the output from the second thermopile 5b. Based on the output from the third thermopile 5 c, the first subtraction output from the first subtraction circuit 51, and the second subtraction output from the second subtraction circuit 53, the gas identification unit 47 is flammable. Identify the gas type of the mixed gas.
[0053]
Next, the operation of the catalytic combustion type gas sensor and the gas detection device of the first embodiment configured as described above will be described with reference to the flowchart of the gas detection method shown in FIG. Here, a case where gas is selectively detected from a mixed gas composed of hydrogen, carbon monoxide, and methane to identify a gas type will be described.
[0054]
First, prior to the operation of the catalytic combustion gas sensor and the gas detection device, the sensor output with respect to the applied voltage shown in FIG. 6 will be described. When the applied voltage of the pulse drive signal applied to the microheater 4 is low (in the applied voltage range a), the temperature is low, and hydrogen H burns at a low temperature. 2 The third sensor output is obtained. That is, the third and sixth thermopiles 5c, 8c farthest from the microheater 4 have a low temperature, and the third and sixth thermopiles 5c, 8c have hydrogen H that burns at a low temperature. 2 The third sensor output can be obtained.
[0055]
Further, when the applied voltage applied to the micro heater 4 is medium (in the case of the applied voltage range b), the temperature is medium, and the carbon monoxide CO that burns at a medium temperature and the low temperature. Burning hydrogen H 2 A second sensor output is obtained by combining. That is, the second and fifth thermopiles 5b and 8b that are moderately far from the microheater 4 have a medium temperature, and the second and fifth thermopiles 5b and 8b burn at a medium temperature. Carbon monoxide CO and hydrogen H that burns at low temperatures 2 A second sensor output obtained by combining and is obtained.
[0056]
Furthermore, when the applied voltage applied to the microheater 4 is high (in the applied voltage range c), the temperature is high and methane CH burns at a high temperature. Four And carbon monoxide CO burning at medium temperature and hydrogen H burning at low temperature 2 A first sensor output obtained by combining and is obtained. That is, the first and fourth thermopiles 5a and 8a closest to the microheater 4 have a high temperature, and the first and fourth thermopiles 5a and 8a have a methane CH that burns at a high temperature. Four And carbon monoxide CO burning at medium temperature and hydrogen H burning at low temperature 2 A first sensor output obtained by combining and is obtained.
[0057]
Next, operations of the catalytic combustion type gas sensor and the gas detection device will be described. When the heater drive circuit 49 drives the microheater 4 by the pulse drive signal from the pulse generator 43, the microheater 4 starts heating (step S11), and the heat generated from the microheater 4 is applied to the catalyst layer 29. Conducted and the catalyst layer 29 generates heat according to the amount of heat generated by the microheater 4 and acts as a catalyst, so that the combustible gas burns (step S13).
[0058]
Then, the combustion heat of the combustible gas is transmitted to the hot junction 31 of each of the first to sixth thermopiles 5a to 5c and 8a to 8c. Moreover, since the cold junction 33 of each thermopile 5a-5c, 8a-8c exists on the Si substrate 2, it has become substrate temperature. Since each hot junction 31 is on the diaphragm 3, it is heated by the transmitted heat, and the temperature rises higher than the Si substrate temperature. And each thermopile 5a-5c, 8a-8c generate | occur | produces a thermoelectromotive force from the temperature difference of the hot junction 31 and the cold junction 33, and 1st thru | or 6th thermopile 5a-5c, 8a-8c with respect to these The first to sixth sensor outputs are output (step S15).
[0059]
At this time, the 1st thru | or 3rd thermopile 5a-5c and the 4th thru | or 6th thermopile 8a-8c are arrange | positioned so that it may keep away from the microheater 4 in order. For this reason, since the temperature of the catalyst layer 29 becomes lower as the distance from the microheater 4 increases, the first thermopile 5a and the fourth thermopile 8a arranged closest to the microheater 4 burn gas that burns at a high temperature. Heat is detected and a first sensor output is output. This first sensor output, as shown in FIG. 6, is methane CH that burns at a high temperature. Four And carbon monoxide CO burning at medium temperature and hydrogen H burning at low temperature 2 Is a combined sensor output.
[0060]
In addition, the second thermopile 5b and the fifth thermopile 8b, which are arranged farther from the micro heater 4 than the first thermopile 5a and the fourth thermopile 8a, detect the combustion heat of the gas combusted at medium temperature, 2 sensor output is output. As shown in FIG. 6, the second sensor output includes carbon monoxide CO that burns at a medium temperature and hydrogen H that burns at a low temperature. 2 Is a combined sensor output.
[0061]
Further, the third thermopile 5c and the sixth thermopile 8c arranged farther from the microheater 4 than the second thermopile 5b and the fifth thermopile 8b detect the combustion heat of the gas combusted at a low temperature, and 3 sensor output is output. As shown in FIG. 6, the third sensor output represents hydrogen H that burns at a low temperature. 2 Sensor output.
[0062]
For this reason, the gas identification unit 47 generates hydrogen H from the mixed gas based on the third sensor output from the third thermopile 5c. 2 Can be identified. In this case, as shown in FIG. 6, if the third sensor output is about 600 mV, hydrogen H 2 Can be identified.
[0063]
Next, the first subtracting circuit 51 inputs the second sensor output from the second thermopile 5b and the third sensor output from the third thermopile 5c, and receives the second sensor output from the second thermopile 5b. The first sensor output is obtained by subtracting the third sensor output from the third thermopile 5c from the sensor output (step S17).
[0064]
The second sensor output consists of carbon monoxide CO burning at medium temperature and hydrogen H burning at low temperature. 2 And the third sensor output is hydrogen H that burns at a low temperature. 2 Therefore, the first subtraction output is an output of carbon monoxide CO that burns at a medium temperature.
[0065]
Therefore, the gas identification unit 47 can identify carbon monoxide CO from the mixed gas based on the first subtraction output from the first subtraction circuit 51. In this case, as shown in FIG. 6, if the first subtraction output is about 200 mV, carbon monoxide CO can be identified.
[0066]
Further, the second subtracting circuit 53 inputs the first sensor output from the first thermopile 5a and the second sensor output from the second thermopile 5b, and the second sensor from the second thermopile 5b. The first sensor output from the first thermopile 5a is subtracted from the output to obtain a second subtracted output (step S19).
[0067]
The first sensor output is methane CH that burns at high temperature. Four And carbon monoxide CO burning at medium temperature and hydrogen H burning at low temperature 2 And the second sensor output includes carbon monoxide CO that burns at a medium temperature and hydrogen H that burns at a low temperature. 2 And the second subtracted output is methane CH that burns at a high temperature. Four Output.
[0068]
For this reason, the gas identification unit 47 converts the methane CH from the mixed gas based on the subtraction output from the second subtraction circuit 53. Four Can be identified (step S21). In this case, as shown in FIG. 6, if the second subtraction output is about 100 mV, methane CH Four Can be identified.
[0069]
As described above, according to the catalytic combustion type gas sensor, gas detection method, and apparatus thereof according to the first embodiment, the gas type can be identified from the combustible mixed gas, and a plurality of conventional sensors are provided. Since only one gas sensor is required, it is possible to provide an inexpensive catalytic combustion gas sensor and gas detection device with a simple configuration.
[0070]
In the contact combustion type gas sensor of the first embodiment, three thermopiles are arranged on one side of the microheater 4, but two thermopiles may be arranged on one side of the microheater 4, or four or more thermopiles are arranged. A thermopile may be arranged. When two thermopiles are arranged, two types of gases can be identified, and when four or more thermopiles are arranged, more gases can be identified.
[0071]
In addition, since a thermopile is used for the catalytic combustion type gas sensor, a larger sensor output can be obtained for the combustible gas, which makes it possible to obtain a low concentration of combustible gas, carbon monoxide (CO), and other sensitivities. The gas detection sensitivity can be improved for low combustible gas. Further, since the thermopile is formed by connecting a plurality of thermocouples in series, a large sensor output can be obtained in proportion to the number of thermocouples.
[0072]
Furthermore, since the sensor output is large, a conventional bridge circuit using a reference (compensation element) is not required, and the configuration is simpler and less expensive. Further, the microheater 4 and the thermopile are provided separately, and the thermopile generates a thermoelectromotive force due to a temperature difference between the hot junction 31 and the cold junction 33, so that even if the resistance value fluctuates due to the deterioration of the microheater 4 with time. The micro heater 4 is not affected by fluctuations in resistance value due to deterioration over time. Thereby, sensor output fluctuation becomes smaller.
[0073]
Further, since the catalyst layer 29 is formed so as to cover the hot junction 31 of the thermopile thermocouple and the microheater 4, the heat generated by the microheater 4 is efficiently conducted to the catalyst layer 29 in a short time and is combustible. Since the gas burns and the combustion heat is conducted to the hot junction 31 of the thermocouple, the difference in heat capacity between the cold junction 33 and the hot junction 31 can be increased. Thereby, a large sensor output can be obtained.
[0074]
Further, since the portion of the thermopile excluding the cold junction 33 and the microheater 4 are formed on the dialam 3, the heat capacity of the thermopile and the microheater 4 can be reduced. As a result, it is possible to avoid the phenomenon that the amount of heat generated by the microheater 4 is diffused into the substrate, so that the amount of heat generated by the microheater 4 can be conducted efficiently and in a short time to the catalyst layer 29. In addition, the gas can be burned and a large sensor output can be obtained from the thermopile.
[0075]
Further, since each cold junction 33 of the thermopile is formed in a region excluding the diaphragm 3, the difference in heat capacity between the cold junction 33 and the hot junction 31 of the thermocouple can be increased. Thereby, since the electromotive force of the thermocouple can be increased, a larger sensor output can be obtained.
[0076]
Further, since the hafnium oxide film 23c formed on the silicon nitride 23b as an insulating film and disposed in contact with the silicon nitride 23b and the microheater 4 is formed, the microheater 4 made of platinum and the base film are formed at a high temperature. Adhesiveness with a certain silicon nitride 23b is improved, platinum peeling of the microheater 4 can be eliminated, and the deterioration with time characteristic of the sensor and the breakdown durability characteristic of the sensor can be improved.
[0077]
(Second Embodiment)
Next, a catalytic combustion gas sensor and a gas detection device according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 is a top view of the catalytic combustion type gas sensor according to the second embodiment. FIG. 8 is a circuit configuration diagram of a gas detection apparatus using the catalytic combustion type gas sensor according to the second embodiment. FIG. 9 is a flowchart showing a gas detection method according to the second embodiment.
[0078]
As shown in FIG. 7, the catalytic combustion type gas sensor 1a of the second embodiment removes the first thermopile 5a and the fourth thermopile 8a as compared to the catalytic combustion type gas sensor 1 of the first exemplary embodiment. Instead of the first thermopile 5a and the fourth thermopile 8a, the microheater 4 is used to identify gas such as methane that burns at a high temperature, and the second thermopile 5b and the fifth thermopile 8b are medium. The gas combusting at the temperature is identified, and the gas combusting at a low temperature is identified by the third thermopile 5c and the sixth thermopile 8c.
[0079]
For this reason, the platinum pad 6b connected to one end of the microheater 4 2 The reference resistor 18 is connected to the platinum pad 6b. Three Is connected to the platinum pad 6b. Three Is grounded.
[0080]
Further, in the gas detection device shown in FIG. 8, the other end of the micro heater 4 has a platinum pad 6b. 1 One end of the reference resistor 55 is connected to the other end of the reference resistor 55, the other end of the reference resistor 55 is connected to the other end of the reference resistor 55, and the other end of the reference resistor 57 is grounded. These micro heater 4 and reference resistors 18, 55, 57 constitute a bridge circuit. Between the reference resistor 18 and the reference resistor 57, a current detection circuit 59 for detecting a current flowing between the reference resistor 18 and the reference resistor 57 is provided.
[0081]
The gas identification unit 47a identifies the gas type of the mixed gas based on the current output detected by the current detection circuit 59. The arithmetic circuit 45 a has only the first subtraction circuit 51.
[0082]
The other configurations of the catalytic combustion type gas sensor and gas detection device of the second embodiment are the same as the configurations of the catalytic combustion type gas sensor and gas detection device of the first embodiment, The same reference numerals are given and detailed description thereof is omitted.
[0083]
Next, the operation of the catalytic combustion type gas sensor and the gas detection device of the second embodiment configured as described above will be described with reference to the flowchart of the gas detection method shown in FIG.
[0084]
First, when the heater drive circuit 49 drives the microheater 4 with a pulse drive signal from the pulse generator 43, the microheater 4 is heated (step S51), and the combustible gas burns (step S53). Then, the temperature of the microheater 4 changes, and the heater resistance changes with the change of the heater temperature (step S55). Therefore, the current detection circuit 59 detects the current flowing between the reference resistor 18 and the reference resistor 57 included in the bridge circuit (step S57).
[0085]
Then, based on the current output detected by the current detection circuit 59, the gas identification unit 47a identifies the gas type of the mixed gas (step S63). That is, by using the microheater 4, it is possible to identify a gas type of a gas such as methane that burns at a high temperature in the vicinity of the microheater 4.
[0086]
On the other hand, when the second and third thermopiles 5b and 5c output the second and third sensor outputs (step S59), the first subtraction circuit 51 outputs the second sensor output from the second thermopile 5b. Is subtracted from the third sensor output from the third thermopile 5c to obtain a first subtracted output (step S61). And the gas identification part 47a can identify carbon monoxide CO from mixed gas based on the 1st subtraction output from the 1st subtraction circuit 51 (step S63). Further, the gas identification unit 47a generates hydrogen H from the mixed gas based on the third sensor output from the third thermopile 5c. 2 Can be identified.
[0087]
As described above, according to the catalytic combustion type gas sensor and gas detection device of the second embodiment, the microheater 4 can be used to identify the gas type of the gas combusted at a high temperature, and the second and second types. Based on the outputs from the three thermopiles 5b and 5c and the fifth and sixth thermopiles 8b and 8c, the gas type of the gas combusted at the low and medium temperatures can be identified. Therefore, also in the catalytic combustion type gas sensor and gas detection device of the second embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained.
[0088]
In the contact combustion gas sensor according to the second embodiment, two thermopiles are arranged on one side of the microheater 4, but one thermopile may be arranged on one side of the microheater 4. In this case, for example, methane may be identified using the microheater 4, and carbon monoxide or the like may be identified by one thermopile. Further, three or more thermopiles may be arranged on one side of the micro heater 4. In this way, more gas can be identified.
[0089]
(Third embodiment)
Next, a catalytic combustion type gas sensor and a gas detection device according to a third embodiment of the present invention will be described. The catalytic combustion gas sensor and gas detection device of the third embodiment were created prior to the creation of the catalytic combustion gas sensor and gas detection device of the first and second embodiments.
[0090]
The catalytic combustion type gas sensor and gas detection device of the third embodiment controls the temperature of the gas detection element by periodically changing the pulse drive voltage applied to the heater, and the gas detection element is at a low voltage. It is characterized by detecting a gas combusting at a low temperature and detecting a gas combusting at a high temperature at a high voltage.
[0091]
FIG. 10 is a circuit configuration diagram of a gas detection apparatus using the catalytic combustion type gas sensor of the third embodiment. FIG. 11 is a timing chart showing pulse voltages for periodically changing the gas detection element of the catalytic combustion type gas sensor according to the third embodiment at three temperatures. FIG. 12 is a diagram showing the relationship between the applied voltage and the sensor output of the catalytic combustion type gas sensor according to the third embodiment.
[0092]
This contact combustion type gas sensor is a gas sensor as shown in FIG. 13 and includes a gas detection element 130 and compensation elements 321, 322 and 323, and the gas detection element 130 and the compensation elements 321, 322 and 323 are combustible. The combustible gas is calibrated by detecting the combustion heat generated when the gas is burned. Each of the gas detection element 130 and the compensation elements 321, 322, and 323 includes a heater 118.
[0093]
The gas detection element 130 and the compensation elements 321, 322, and 323 constitute a bridge circuit, a current flowing between the compensation element 322 and the compensation element 321 of the bridge circuit is detected, and the detected current output is stored as a sensor output. A current detection circuit 138 that outputs to 44 is provided.
[0094]
Further, in the gas detection device shown in FIG. 10, the controller 41b generates a first pulse drive signal having a fixed period and having a first pulse voltage Vc (the pulse voltage is about 1.6 V in the example shown in FIG. 11). A first pulse generator 43a, a second pulse generator 43b for generating a second pulse drive signal having a constant cycle having a second pulse voltage Vb (in the example shown in FIG. 11, the pulse voltage is about 1.0 V), A third pulse generator 43c that generates a third pulse drive signal having a fixed period and having a third pulse voltage Va (in the example shown in FIG. 11, the pulse voltage is about 0.6 V) is provided.
[0095]
The first pulse voltage Vc corresponds to the applied voltage range c shown in FIG. 12, the second pulse voltage Vb corresponds to the applied voltage range b shown in FIG. 12, and the third pulse voltage Va is shown in FIG. Corresponds to the applied voltage range a shown in FIG. When the applied voltage of the pulse drive signal applied to the microheater 4 is low (in the applied voltage range a), the temperature is low, and hydrogen H burns at a low temperature. 2 The third sensor output is obtained.
[0096]
Further, when the applied voltage applied to the micro heater 4 is medium (in the case of the applied voltage range b), the temperature is medium, and the carbon monoxide CO that burns at a medium temperature and the low temperature. Burning hydrogen H 2 A second sensor output is obtained by combining. Furthermore, when the applied voltage applied to the microheater 4 is high (in the applied voltage range c), the temperature is high and methane CH burns at a high temperature. Four And carbon monoxide CO burning at medium temperature and hydrogen H burning at low temperature 2 A first sensor output obtained by combining and is obtained.
[0097]
Further, the controller 41b sequentially selects the first to third pulse generators 43a to 43c and outputs a pulse drive signal in which the pulse voltage is periodically changed to the heater drive circuit 49 as shown in FIG. The switching circuit 42, a memory 44 for storing each sensor output sequentially output from the current detection circuit 138, and each sensor output corresponding to each pulse voltage of the pulse drive signal whose pulse voltage is periodically changed Thus, a calculation circuit 45b for obtaining a calculation output and a gas identification unit 47b for identifying the gas type of the combustible gas based on the calculation output are provided.
[0098]
The arithmetic circuit 45 b includes a first subtraction circuit 51 b and a second subtraction circuit 53. The first subtracting circuit 51b has a current detection circuit corresponding to the third pulse voltage Va from the second sensor output output from the current detection circuit 138 corresponding to the second pulse voltage Vb of the pulse drive signal. The third sensor output output from 138 is subtracted to obtain a first subtracted output. The second subtracting circuit 53b has a current detection circuit corresponding to the second pulse voltage Vb from the first sensor output output from the current detection circuit 138 corresponding to the first pulse voltage Vc of the pulse drive signal. The second sensor output output from 138 is subtracted to obtain a second subtracted output.
[0099]
Based on the third sensor output, the first subtraction output, and the second subtraction output that are output from the current detection circuit 138 corresponding to the third pulse voltage Va, the gas identification unit 47b generates a combustible gas. Identify the gas type.
[0100]
Next, the operation of the gas detection device of the third embodiment configured as described above will be described. First, when the switching circuit 42 sequentially selects the first pulse generator 43a, the second pulse generator 43b, and the third pulse generator 43c, as shown in FIG. 11, the pulse voltage Vc and the pulse voltage are selected. A pulse drive signal in which the pulse voltage is periodically changed in the order of Vb and pulse voltage Va is output to the heater drive circuit 49. The heater drive circuit 49 receives the applied voltage of 1.6V, 1.0V, Periodic drive intermittently at 0.6V. In addition, for example, it is driven at 100 ms once every 30 seconds.
[0101]
Then, the combustible gas is combusted by the heater 118, and the resistance values of the gas detection element 130 and the compensation elements 321, 322, and 323 are changed by the combustion heat of the combustible gas. At this time, a current flowing between the compensation element 322 and the compensation element 321 is detected by the current detection circuit 138 and the sensor output is stored in the memory 44 in order.
[0102]
The gas identification unit 47b can identify hydrogen from the mixed gas based on the third sensor output output from the current detection circuit 138 corresponding to the third pulse voltage Va.
[0103]
Further, the first subtraction circuit 51b generates a current corresponding to the third pulse voltage Va from the second sensor output output from the current detection circuit 138 corresponding to the second pulse voltage Vb of the pulse drive signal. The third sensor output outputted from the detection circuit 138 is subtracted to obtain a first subtraction output. The gas identification unit 47b can identify carbon monoxide from the mixed gas based on the first subtraction output.
[0104]
Further, the second subtraction circuit 53b generates a current corresponding to the second pulse voltage Vb from the first sensor output output from the current detection circuit 138 corresponding to the first pulse voltage Vc of the pulse drive signal. The second sensor output output from the detection circuit 138 is subtracted to obtain a second subtracted output. The gas identification unit 47b can identify methane from the mixed gas based on the second subtraction output. Thus, according to the gas detector of the third embodiment, methane, carbon monoxide, and hydrogen can be identified from the mixed gas.
[0105]
As described above, according to the catalytic combustion type gas sensor and the gas detection device of the third embodiment, the temperature of the gas detection element is controlled by periodically changing the pulse drive voltage applied to the heater, and the gas detection element It is possible to detect a gas that burns at a low temperature when the voltage is low, and a gas that burns at a high temperature when the voltage is high.
[0106]
Here, when the catalytic combustion type gas sensor and gas detection device of the third embodiment are compared with the catalytic combustion type gas sensor and gas detection device of the first and second embodiments, the first and second embodiments are compared. The contact combustion type gas sensor and gas detection device of the embodiment can discriminate combustible gases having different combustion temperatures without periodically changing the pulse driving voltage of the micro heater. Therefore, in the gas detection devices of the first and second embodiments, it is not necessary to provide the first to third pulse generators 43a to 43c provided in the gas detection device of the third embodiment. The circuit configuration of the detection device is simple and inexpensive.
[0107]
Further, when the sensor output of the catalytic combustion type gas sensor of the third embodiment shown in FIG. 12 is compared with the sensor output of the catalytic combustion type gas sensor of the first embodiment shown in FIG. It can be seen that the sensor output of the catalytic combustion type gas sensor is much larger. In other words, since the thermopile is used in the contact combustion type gas sensor of the first embodiment, a large sensor output can be obtained for various combustible gases.
[0108]
The present invention is not limited to the contact combustion type gas sensor of the first to third embodiments described above. In the first and second embodiments, the gas species is identified from the mixed gas of hydrogen, carbon monoxide, and methane. However, the present invention is not limited to, for example, ethanol, isobutane (i-C Four H Ten ) Etc. can also be identified. In this case, since ethanol has a sensor output in the applied voltage range a in FIG. 6 and this sensor output is larger than the sensor output of hydrogen, ethanol is mixed from the mixed gas based on the sensor output from the third thermopile 5c. Can be identified.
[0109]
Further, since isobutane has a sensor output in the applied voltage range b in FIG. 6 and this sensor output is larger than the sensor output of carbon monoxide, isobutane is extracted from the mixed gas based on the sensor output from the second thermopile 5b. Can be identified.
[0110]
In the first and second embodiments, six thermopiles of the first to sixth thermopiles are provided on both sides of the microheater 4. For example, three thermopiles are provided on one side of the microheater 4. May be.
[0111]
In the first and second embodiments, the first to sixth thermopiles are arranged around the microheater 4. However, the present invention is not limited to this. For example, the insulating film 23 is formed on the microheater 4. For example, even if the first to sixth thermopiles are arranged via the above, the same effect as that of the catalytic combustion type gas sensor of the first and second embodiments can be obtained. In addition, it is needless to say that various modifications can be made without departing from the technical idea of the present invention.
[0112]
【The invention's effect】
According to the catalytic combustion type gas sensor of the first aspect of the invention, since the plurality of thermopiles are arranged so as to move away from the heater in order, the temperature of the catalyst layer decreases as the distance from the heater increases. The arranged thermopile detects the combustion heat of the gas combusting at a high temperature, and the thermopile arranged farther from the heater detects the combustion heat of the gas combusting at a low temperature. Therefore, if the outputs from a plurality of thermopiles are processed, the gas type can be identified from the flammable gas mixture, and only one gas sensor is required. can do.
[0113]
According to the catalytic combustion type gas sensor of the invention of claim 2, in addition to the effect of claim 1, each thermopile is formed by connecting a plurality of thermocouples in series, so that it is proportional to the number of thermocouples. A larger sensor output can be obtained.
[0114]
According to the catalytic combustion type gas sensor of the invention of claim 3, in addition to the effect of claim 1 or 2, the catalyst layer is formed so as to cover the hot junction of the thermocouple and the heater constituting the thermopile. Therefore, the heat generated by the heater is efficiently conducted in a short time to the catalyst layer and the combustible gas burns, and the combustion heat is conducted to the hot junction of the thermocouple, so the difference in heat capacity between the cold junction and the hot junction Can be increased. Thereby, since the electromotive force of the thermocouple can be increased, a larger sensor output can be obtained.
[0115]
According to the catalytic combustion type gas sensor of the invention of claim 4, in addition to the effect of any one of claims 1 to 3, the substrate has a diaphragm having a predetermined thickness, and forms a thermopile. Since the portion excluding the pair of cold junctions and the heater are formed on the diaphragm, the heat capacity of the thermopile and the heater can be reduced. As a result, it is possible to avoid the phenomenon in which the heat generation amount of the heater diffuses into the substrate, so that the heat generation amount of the heater can be conducted efficiently and in a short time to the catalyst layer, thereby obtaining a larger sensor output from the thermopile. it can.
[0116]
According to the catalytic combustion type gas sensor of the fifth aspect of the invention, in addition to the effect of the fourth aspect, since the cold junction of the thermopile is formed in a region excluding the diaphragm, the cold junction of the thermocouple and the hot junction The difference in heat capacity can be increased. Thereby, since the electromotive force of the thermocouple can be increased, a larger sensor output can be obtained.
[0117]
According to the gas detection device of the sixth aspect of the present invention, since the plurality of thermopiles are arranged so as to be sequentially away from the heater, the temperature of the catalyst layer decreases as the distance from the heater increases. The formed thermopile detects the heat of combustion of the gas that burns at a high temperature, and the thermopile disposed further away from the heater detects the heat of combustion of the gas that burns at a low temperature. The calculation means obtains a calculation output by calculating the output from each thermopile of the plurality of thermopiles, and the gas identification means identifies the gas type of the mixed gas based on the calculation output obtained by the calculation means. Therefore, the gas type can be identified from the combustible mixed gas.
[0118]
According to the invention of claim 7, when the combustible gas is combusted by the heating of the heater, the heater temperature is changed, and the heater resistance is changed with the change of the heater temperature. For this reason, the current flowing between the one end of the first comparison element and the one end of the third comparison element in the bridge circuit is detected by the current detection means, and based on the current output detected by the current detection means, The gas identification means identifies the gas type of the mixed gas. That is, using the heater, it is possible to identify the gas type of the gas that burns at high temperature, and it is possible to identify the gas type of the gas that burns at low temperature and medium temperature based on the outputs from the plurality of thermopiles.
[0119]
According to the invention of claim 8, in addition to the effect of claim 6 or claim 7, the subtracting circuit calculates a difference between two outputs from two adjacent thermopiles among the plurality of thermopiles, thereby identifying the gas. The means identifies the gas type of the mixed gas based on the difference between the two outputs calculated by the subtraction circuit. Therefore, the gas type of the combustible mixed gas can be accurately identified.
[0120]
According to the gas detection method of the ninth aspect of the invention, the same effect as that of the gas detection device of the sixth aspect of the invention can be obtained. According to the gas detection method of the tenth aspect of the invention, the same effect as that of the gas detection device of the seventh aspect of the invention can be obtained. According to the gas detection method of the eleventh aspect of the invention, the same effect as that of the gas detection device of the eighth aspect of the invention can be obtained.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a top view of a catalytic combustion gas sensor according to a first embodiment.
FIG. 2 is a cross-sectional view of the catalytic combustion type gas sensor according to the first embodiment.
FIGS. 3A and 3B are a cross-sectional view and a top view of a thermopile provided in the catalytic combustion gas sensor according to the first embodiment. FIGS.
FIG. 4 is a circuit configuration diagram of a gas detection apparatus using the catalytic combustion type gas sensor according to the first embodiment.
FIG. 5 is a flowchart showing a gas detection method according to the first embodiment.
FIG. 6 is a diagram illustrating a relationship between an applied voltage and a sensor output of the catalytic combustion type gas sensor according to the first embodiment.
FIG. 7 is a top view of a catalytic combustion gas sensor according to a second embodiment.
FIG. 8 is a circuit configuration diagram of a gas detection apparatus using a catalytic combustion gas sensor according to a second embodiment.
FIG. 9 is a flowchart showing a gas detection method according to the second embodiment.
FIG. 10 is a circuit configuration diagram of a gas detection device using a catalytic combustion gas sensor according to a third embodiment.
FIG. 11 is a timing chart showing pulse voltages for periodically changing the gas detection element of the catalytic combustion gas sensor according to the third embodiment at three temperatures.
FIG. 12 is a diagram illustrating a relationship between an applied voltage and a sensor output of a catalytic combustion gas sensor according to a third embodiment.
FIG. 13 is a configuration diagram of a conventional catalytic combustion type gas sensor.
14 is a circuit configuration diagram of a gas detection circuit when the conventional catalytic combustion type gas sensor shown in FIG. 13 is incorporated in a bridge circuit.
[Explanation of symbols]
1,1a Contact combustion type gas sensor
2 Si substrate
3 Diaphragm
4 Micro heater
5a to 5c 1st to 3rd thermopile
8a to 8c 4th to 6th thermopile
18, 55, 57 Reference resistance
21 P ++ -Si
23a Silicon oxide
23b Silicon nitride
23c Hafnium oxide
25 Metal film
27 Protective film
29 Catalyst layer
31 Hot junction
33 Cold junction
41 controller
42 Switching circuit
43 Pulse generator
43a to 43c first to third pulse generators
44 memory
45 Arithmetic circuit
47 Gas identification part
49 Heater drive circuit
51 First subtraction circuit
53 Second subtraction circuit

Claims (11)

混合ガスからなる可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することにより可燃性ガスを検量する接触燃焼式ガスセンサであって、
基板上に形成され前記可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータと、
このヒータ上に形成され且つこのヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層と、
前記ヒータから順番に遠ざかるように配置され且つ前記可燃性ガスの燃焼熱を検出する複数のサーモパイルと、
を備えたことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。A catalytic combustion type gas sensor for calibrating combustible gas by detecting combustion heat generated when combustible gas composed of mixed gas is burned,
A heater formed on a substrate for promoting combustion of the combustible gas;
A catalyst layer formed on the heater and generating heat according to the amount of heat generated by the heater and acting as a catalyst for combustion of the combustible gas;
A plurality of thermopiles arranged in order away from the heater and detecting the combustion heat of the combustible gas;
A contact combustion type gas sensor comprising: 前記複数のサーモパイルのそれぞれのサーモパイルは、温接点及び冷接点を有する熱電対を複数個有し、この複数個の熱電対が直列に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の接触燃焼式ガスセンサ。2. The catalytic combustion according to claim 1, wherein each of the plurality of thermopiles has a plurality of thermocouples each having a hot junction and a cold junction, and the plurality of thermocouples are connected in series. Gas sensor. 前記触媒層は、前記サーモパイルを構成する熱電対の温接点と前記ヒータとを覆うように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の接触燃焼式ガスセンサ。The catalytic combustion gas sensor according to claim 1 or 2, wherein the catalyst layer is formed so as to cover a hot junction of a thermocouple constituting the thermopile and the heater. 前記基板は、所定の厚さのダイアフラムを有し、前記サーモパイルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及び前記ヒータは、前記ダイアラム上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の接触燃焼式ガスセンサ。The said board | substrate has a diaphragm of predetermined thickness, and the part except the cold junction of the thermocouple which comprises the said thermopile, and the said heater are formed on the said diaphragm. 4. The catalytic combustion type gas sensor according to any one of items 3. 前記サーモパイルの冷接点は、前記ダイアフラムを除く領域に形成されていることを特徴とする請求項４記載の接触燃焼式ガスセンサ。5. The catalytic combustion type gas sensor according to claim 4, wherein the cold junction of the thermopile is formed in a region excluding the diaphragm. 基板上に形成され可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータ、このヒータ上に形成され且つこのヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層、及び前記ヒータから順番に遠ざかるように配置され且つ前記可燃性ガスの燃焼熱を検出する複数のサーモパイルを有する接触燃焼式ガスセンサと、
この接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させるヒータ駆動手段と、
前記接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記複数のサーモパイルの各サーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得る演算手段と、
この演算手段で得られた演算出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別するガス識別手段と、
を備えることを特徴とするガス検出装置。A heater formed on the substrate for promoting combustion of combustible gas, a catalyst layer formed on the heater and generating heat according to the amount of heat generated by the heater and acting as a catalyst for combustion of the combustible gas; And a contact combustion type gas sensor having a plurality of thermopiles arranged in order to be away from the heater and detecting the combustion heat of the combustible gas;
Heater driving means for heating the heater by passing an electric current through the heater provided in the catalytic combustion type gas sensor;
Calculation means for obtaining a calculation output by calculating an output from each thermopile of the plurality of thermopiles provided in the catalytic combustion type gas sensor;
Gas identifying means for identifying the gas type of the mixed gas based on the calculated output obtained by the calculating means;
A gas detection device comprising: 基板上に形成され可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータ、このヒータ上に形成され且つこのヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層、及び前記ヒータから順番に遠ざかるように配置され且つ前記可燃性ガスの燃焼熱を検出する１つまたは複数のサーモパイルを有する接触燃焼式ガスセンサと、
この接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させるヒータ駆動手段と、
前記ヒータ、一端が前記ヒータの一端に接続された第１の比較素子、一端が前記ヒータの他端に接続された第２の比較素子、一端が前記第２の比較素子の他端に接続され且つ他端が前記第１の比較素子の他端に接続された第３の比較素子により構成されるブリッジ回路と、
このブリッジ回路に有する前記第１の比較素子の一端と前記第３の比較素子の一端との相互間に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記複数のサーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得る演算手段と、
この演算手段で得られた演算出力及び前記電流検出手段で検出された電流出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別するガス識別手段と、
を備えることを特徴とするガス検出装置。A heater formed on the substrate for promoting combustion of combustible gas, a catalyst layer formed on the heater and generating heat according to the amount of heat generated by the heater and acting as a catalyst for combustion of the combustible gas; And a contact combustion type gas sensor which is arranged in order away from the heater and has one or more thermopiles for detecting the combustion heat of the combustible gas;
Heater driving means for heating the heater by passing an electric current through the heater provided in the catalytic combustion type gas sensor;
The heater, a first comparison element having one end connected to one end of the heater, a second comparison element connected to the other end of the heater, and one end connected to the other end of the second comparison element And a bridge circuit constituted by a third comparison element having the other end connected to the other end of the first comparison element;
Current detection means for detecting a current flowing between one end of the first comparison element and one end of the third comparison element included in the bridge circuit;
Calculation means for obtaining a calculation output by calculating outputs from the plurality of thermopiles provided in the catalytic combustion type gas sensor;
Gas identifying means for identifying the gas type of the mixed gas based on the calculated output obtained by the calculating means and the current output detected by the current detecting means;
A gas detection device comprising: 前記演算手段は、前記複数のサーモパイルの内の隣接する２つのサーモパイルからの２つの出力の差を算出する減算回路を有し、
前記ガス識別手段は、前記減算回路で算出された２つの出力の差に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とする請求項６または請求項７記載のガス検出装置。The arithmetic means has a subtraction circuit that calculates a difference between two outputs from two adjacent thermopiles of the plurality of thermopiles,
The gas detection device according to claim 6 or 7, wherein the gas identification means identifies a gas type of the mixed gas based on a difference between two outputs calculated by the subtraction circuit. ヒータと触媒層と前記ヒータから順番に遠ざかるように配置された複数のサーモパイルとを有する接触燃焼式ガスセンサの前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させ、
前記触媒層が前記ヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスを燃焼させ、前記複数のサーモパイルが前記可燃性ガスの燃焼熱を検出し、
前記複数のサーモパイルの各サーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得て、
得られた演算出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とするガス検出方法。The heater is heated by passing an electric current through the heater of a catalytic combustion type gas sensor having a heater, a catalyst layer, and a plurality of thermopiles arranged in order away from the heater,
The catalyst layer generates heat in accordance with the amount of heat generated by the heater and burns the combustible gas; and the plurality of thermopiles detect combustion heat of the combustible gas;
By calculating the output from each thermopile of the plurality of thermopile to obtain a calculation output,
A gas detection method for identifying a gas type of the mixed gas based on an obtained calculation output. ヒータ、一端が前記ヒータの一端に接続された第１の比較素子、一端が前記ヒータの他端に接続された第２の比較素子、一端が前記第２の比較素子の他端に接続され且つ他端が前記第１の比較素子の他端に接続された第３の比較素子により構成されるブリッジ回路を備え、
前記ヒータと触媒層と前記ヒータから順番に遠ざかるように配置された１つまたは複数のサーモパイルとを有する接触燃焼式ガスセンサの前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させ、
前記触媒層が前記ヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスを燃焼させ、前記１つまたは複数のサーモパイルが前記可燃性ガスの燃焼熱を検出し、
前記ブリッジ回路に有する前記第１の比較素子の一端と前記第３の比較素子の一端との相互間に流れる電流を検出し、
前記複数のサーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得て、
得られた演算出力及び検出された電流出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とするガス検出方法。A heater, a first comparison element having one end connected to one end of the heater, a second comparison element connected to the other end of the heater, one end connected to the other end of the second comparison element; A bridge circuit composed of a third comparison element having the other end connected to the other end of the first comparison element;
Heating the heater by passing an electric current through the heater of a catalytic combustion gas sensor having the heater, the catalyst layer, and one or more thermopiles arranged in order away from the heater;
The catalyst layer generates heat in accordance with the amount of heat generated by the heater and burns the combustible gas, and the one or more thermopiles detect the combustion heat of the combustible gas;
Detecting a current flowing between one end of the first comparison element and one end of the third comparison element included in the bridge circuit;
By calculating the output from the plurality of thermopile to obtain a calculation output,
A gas detection method comprising identifying a gas type of the mixed gas based on an obtained calculation output and a detected current output. 前記複数のサーモパイルの内の隣接する２つのサーモパイルからの２つの出力の差を算出し、
算出された２つの出力の差に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とする請求項９または請求項１０記載のガス検出方法。Calculating a difference between two outputs from two adjacent thermopiles of the plurality of thermopiles;
The gas detection method according to claim 9 or 10, wherein a gas type of the mixed gas is identified based on a difference between two calculated outputs.
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