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