JP4073353B2 - 半導体ガスセンサのガス測定方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電池駆動を念頭においた低消費電力型薄膜ガスセンサ、特にその駆動方法の改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にガスセンサはガス漏れ警報器などの用途に用いられ、或る特定ガス、例えばＣＯ，ＣＨ₄，Ｃ₃Ｈ₈，Ｃ₂Ｈ₅ＯＨ等に選択的に感応するデバイスであり、その性格上から高感度，高選択性，高応答性，高信頼性，低消費電力が必要不可欠である。ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的としたものと、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的としたもの、または、両方の機能を併せ持ったものなどがあるが、いずれもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くはない。そう言った事情から普及率の向上を図るべく、設置性の改善、具体的には電池駆動とし、コードレス化することが望まれている。
【０００３】
電池駆動を実現するためには、低消費電力化が最も重要である。そのために、測定周期に合わせて間欠運転を行なうことで、低消費電力化を実施している。
その具体例として、例えば本出願人等が特願２００２−０６３２２４号として先に出願した、図５のような構造の半導体ＣＯセンサを駆動する場合について説明する。なお、同図に示すものは、薄膜状の支持膜の外周または両端部をＳｉ基板１により支持し、外周部または両端部が厚く、中央部が薄く形成されたダイアフラム様の支持基板上に薄膜のヒーター層３を形成し、この薄膜のヒーター層３を電気絶縁層４で覆い、その上にガス感知膜用の電極６を形成し、さらに半導体薄膜によりガス感知膜７を形成したものである。８は選択燃焼層を示す。
【０００４】
このような半導体ＣＯセンサでは、例えば１５０ｓ周期の間欠運転を実施するが、ＣＯガス検知のためには、先ずセンサをｈｉｇｈ状態（ハイ状態：約４５０℃）で２００ｍｓ間加熱し、センサ表面のクリーニングを実施してセンサを初期状態にする。次いで、センサをｌｏｗ状態（ロー状態：約１００℃以下）に下げ、例えば５００ｍｓ後にセンサ抵抗を測定する。そのために、図６のようにｈｉｇｈの時にヒーターに３０ｍＷのパワーを投入し、ｌｏｗの時には４．５ｍＷを投入する。
【０００５】
このときの雰囲気が空気だけの場合とＣＯが１００，３００，５００ｐｐｍ、水素１０００ｐｐｍ、メタン２０００ｐｐｍのときの抵抗変化を図７に示す。なお、横軸は時間軸（ｓ）を示し、縦軸は抵抗値（Ω）で、例えば「１Ｅ＋２」は「１０²」を示す。
同図からも明らかなように、空気だけの場合には高抵抗を示すが、ＣＯ濃度が高いほどセンサ抵抗は低くなるので、センサ抵抗が設定値より下がることで、所定の濃度を越えたＣＯガスの存在を検知する。しかしながら、水素ガスやメタンガスが存在しても、センサ抵抗が下がる。そこで、ガス選択性を確保できるｌｏｗ投入後２００ｍｓ以上経過後のセンサ抵抗を測定する。
【０００６】
ところが、ｌｏｗ投入後の時間を十分に取ると、ガス濃度の依存性（ガス濃度勾配）が少なくなる傾向にある。図８にパルス駆動中の▲１▼ＣＯ濃度勾配（ＣＯ３００ｐｐｍと５００ｐｐｍの時のセンサ抵抗比）、▲２▼水素選択性（水素１０００ｐｐｍとＣＯ１００ｐｐｍの時のセンサ抵抗比）、および▲３▼メタン選択性（メタン２０００ｐｐｍとＣＯ１００ｐｐｍの時のセンサ抵抗比）をそれぞれ示すように、濃度勾配と選択性はトレードオフの関係にある。つまり、▲２▼，▲３▼で選択比を１．０以上確保できるのは０．２秒以降であり、▲１▼でＣＯ濃度勾配を１．５以上確保できるのは０．２２秒以内である（図８では、これを期間ｔとして示す。また、図８はこのような期間がｈｉｇｈの期間には無いことを示している）。そこで、実際は濃度勾配を犠牲として、図７のように測定タイミングをｌｏｗ投入後４００〜５００ｍｓの間に設定している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の方法では濃度勾配と選択性をともに満足できないと言う問題がある。
したがって、この発明の課題は、ガス選択性とガス濃度依存性とを同時に満足し得るようにすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、ダイアフラム様支持基板の上部に半導体薄膜からなるガス感知膜を備えた半導体ガスセンサをクリーニングすることを目的として一定時間高温状態に保持した後、ガス検知を目的とする低温状態に移行させる半導体ガスセンサのガス測定方法において、
前記センサ抵抗の１回目の測定を、ガス検知を目的とする低温状態に移行した後０．３秒以内に行ない、２回目の測定を、１回目の測定から０．０２秒以上遅れて行ない、測定したセンサ抵抗の変化割合からＣＯとＣＯ以外のガス種を判定することを特徴とする。
【０００９】
また、請求項２の発明では、ダイアフラム様支持基板の上部に半導体薄膜からなるガス感知膜を備えた半導体ガスセンサをクリーニングすることを目的として一定時間高温状態に保持した後、ガス検知を目的とする低温状態に移行させる半導体ガスセンサのガス測定方法において、
前記センサ抵抗の１回目の測定を、クリーニングを目的とする高温の状態で行ない、２回目と３回目の測定を、ガス検知を目的とする低温状態に移行した後に行ない、１回目と２回目のセンサ抵抗の変化割合からＣＯとＣＯ以外のガス種を判定し、３回目の測定で得られた抵抗値からガス濃度を判定することを特徴とする。
上記請求項１または２の発明においては、前記ＣＯ以外のガス種は水素，メタンであることができ（請求項３）、請求項２の発明においては、前記２回目の測定を、ガス検知を目的とする低温状態に移行した後０．１秒以内に行なうことができる（請求項４の発明）。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示すフローチャートである。
図示のように、先ずステップＳ１でパワーをｈｉｇｈからｌｏｗへ移行した後０．０４秒に第１回目のセンサ抵抗測定を行ない、次いで０．２秒後に第２回目のセンサ抵抗測定を行なう。これは、センサ抵抗の過渡応答が図７のように、パワーをｈｉｇｈからｌｏｗへ移行した後、ＣＯガスの存在下では高抵抗を示し、０．０４秒〜０．０６秒の間で極大値を示し、その後は下がり始める。また、水素ガスの存在下では０．０２秒後に極大値を示すが、ＣＯガスほどの変化は示さない。一方、メタンガスの存在下ではこのような極大値は示さずに、一定値に漸近する。
【００１１】
ステップＳ２では第１回目と第２回目のセンサ抵抗の変化割合またはセンサ抵抗比Ｒｇ（０．２ｓ）／Ｒｇ（０．０４ｓ）を求め、この割合または比が或る値例えば０．５を越えたら、メタンや水素などの可燃性ガスありと判断する（ステップＳ８参照）。上記比が０．５に満たない場合はＣＯであるとしてステップＳ３に進み、０．２秒後のセンサ抵抗Ｒｇ（０．２ｓ）が１０ｋΩを越えるかどうかを判断し、ＹＥＳのときは空気は清浄であると判断する（ステップＳ５参照）。ＮＯのときはステップＳ４に進み、センサ抵抗Ｒｇ（０．２ｓ）が２．５ｋΩを越えるかどうかを判断し、ＹＥＳのときは空気は汚れている可能性があると判断する（ステップＳ６参照）。ＮＯのときは、ステップＳ７で換気の必要ありと判断する。
【００１２】
上記センサ抵抗比Ｒｇ（０．２ｓ）／Ｒｇ（０．０４ｓ）を、ガス濃度との関係でプロットした結果を図２に示す。各ガスの濃度比がそれぞれ１００倍近くもあり、十分な選択性を有することが分かる。図２は上記抵抗の変化割合または抵抗比が、０．５あたりを境にしてＣＯか水素，メタンかの判別ができることを示している。なお、縦軸の例えば１ｅ−２は「１０^-2」を示す。
【００１３】
また、ＣＯ以外のメタンや水素ガスがある場合には、別のセンサでメタンガスの漏洩を検知するか、または、この発明によるセンサのｈｉｇｈの時のセンサ抵抗からメタンガスの有無を検知しても良い。なお、第１回目の測定時間を変更してみると、ｌｏｗ後０．３秒以上経過するとＣＯが５００ｐｐｍ以上の高濃度では時間に対する抵抗変化が減少するので、メタンや水素ガスの識別が難しくなる。また、１回目と２回目の測定間隔は２０ｍｓ以下だと変化量が少なく、ノイズの影響により変化量を測定することが困難になるので、２０ｍｓ（０．０２ｓ）以上の間隔を確保することが望ましい。
【００１４】
図３はこの発明の第２の実施の形態を示すフローチャートである。
これは、ｈｉｇｈ状態の２００ｍｓが終わる直前のセンサ抵抗と、ｌｏｗ移行後のセンサ抵抗との比較からガス種を判別する例である。
具体的には、２００ｍｓのｈｉｇｈ状態が終了する０．０４秒前に第１回目の測定を行ない、次にｌｏｗ状態移行後の０．０３秒経過してから第２回目の測定を行なう。ステップＳ１では、第１回目と第２回目のセンサ抵抗比Ｒｇ（−０．０４ｓ）／Ｒｇ（０．０３ｓ）を求め、この値が或る値例えば０．１を越えたら、メタンなど可燃性ガスありと判断する（ステップＳ９参照）。
【００１５】
２回の測定からガス種を判別し、ｌｏｗ状態移行後の０．２秒経過してから第３回目の測定（ステップＳ３参照）を行ない、ＣＯ濃度の検出を行なう。こうする代わりに、第１，第２，第３の測定後に、ガス種の判定およびＣＯ濃度の検出判定を行なっても良い。また、２回目の測定をｌｏｗ移行後０．１秒以上経過してから行なうと、ＣＯと他のガスとの選択性が不明確になるので、０．１秒以内とすることが望ましい。第３回目の測定は濃度勾配が得られれば良く、第２回目の測定を第３回目の測定に兼ねても良い。なお、ステップＳ４以降の動作は図１のステップＳ３以降の動作と同じなので、説明は省略する。
【００１６】
上記センサ抵抗比Ｒｇ（−０．０４ｓ）／Ｒｇ（０．０３ｓ）を、ガス濃度との関係でプロットした結果を図４に示す。同図は上記抵抗の変化割合または抵抗比が１ｅ−１、すなわち１０^-1＝０．１あたりを境にしてＣＯか水素，メタンかの判別ができることを示している。
【００１７】
【発明の効果】
この発明によれば、ｈｉｇｈ状態とｌｏｗ状態におけるセンサ抵抗の変化比または変化割合からガス種を判定するようにしたので、ガス濃度勾配を確保でき、安定な計測が可能となる利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示すフローチャートである。
【図２】図１の場合のガス濃度に対するセンサ抵抗比を示す特性図である。
【図３】この発明の第２の実施の形態を示すフローチャートである。
【図４】図３の場合のガス濃度に対するセンサ抵抗比を示す特性図である。
【図５】半導体ガスセンサの提案例を示す断面図である。
【図６】従来のセンサ駆動方法説明図である。
【図７】半導体ガスセンサの抵抗変化説明図である。
【図８】ＣＯ濃度勾配の過渡変化説明図である。
【符号の説明】
１…Ｓｉ基板（ダイアフラム）、２…支持層、３…ヒーター層、４…絶縁層、５…接合層、６…感知膜電極、７…感知膜。

Claims (4)

1. ダイアフラム様支持基板の上部に半導体薄膜からなるガス感知膜を備えた半導体ガスセンサをクリーニングすることを目的として一定時間高温状態に保持した後、ガス検知を目的とする低温状態に移行させる半導体ガスセンサのガス測定方法において、
   前記センサ抵抗の１回目の測定を、ガス検知を目的とする低温状態に移行した後０．３秒以内に行ない、２回目の測定を、１回目の測定から０．０２秒以上遅れて行ない、測定したセンサ抵抗の変化割合からＣＯとＣＯ以外のガス種を判定することを特徴とする半導体ガスセンサのガス測定方法。
2. ダイアフラム様支持基板の上部に半導体薄膜からなるガス感知膜を備えた半導体ガスセンサをクリーニングすることを目的として一定時間高温状態に保持した後、ガス検知を目的とする低温状態に移行させる半導体ガスセンサのガス測定方法において、
   前記センサ抵抗の１回目の測定を、クリーニングを目的とする高温の状態で行ない、２回目と３回目の測定を、ガス検知を目的とする低温状態に移行した後に行ない、１回目と２回目のセンサ抵抗の変化割合からＣＯとＣＯ以外のガス種を判定し、３回目の測定で得られた抵抗値からガス濃度を判定することを特徴とする半導体ガスセンサのガス測定方法。
3. 前記ＣＯ以外のガス種は水素，メタンであることを特徴とする請求項１または２に記載のガス測定方法。
4. 前記２回目の測定を、ガス検知を目的とする低温状態に移行した後０．１秒以内に行なうことを特徴とする請求項２に記載の半導体ガスセンサのガス測定方法。

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