JP4870577B2 - 集積された基準素子を組み込んだガスセンサー - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、ガス流内の成分の存在を検出するセンサーに関する。より詳細には、本発明は、水素ガスセンサーの構成、及び、ガス流の成分をモニターし、測定するための電子回路に関する。

発明の背景
ガスセンサーシステム全体の精度に与えるいくつかの要因のうち、温度、電圧、ドリフト、周波数、ノイズは主たる要因である。ガス感知システムを設計する目的は、ガスセンサーの精度に対するこれらの要因の影響を減少又は除去することである。

一般的には、この目的は、検出回路で用いられる電子素子の許容度を強化することによって達成される。また、精密な基準素子を用いた、ブリッジ回路が使用される。

精密な素子のコストは、設計に負の影響を与える。更には、十分に高精密な装置が、製品の要求を満たすのに有効でない場合もある。

発明の概要
本ガスセンサーの設計は、ガス感知素子と同じ基板上に、ガス感知素子と同じ、若しくは類似の形式及び形状の基準素子を組みこんでいる。ガス検出回路は、ガス感知素子と基準素子の両方を作動させ、素子間の電圧差を測定する。この電圧差は、ガスの濃度に比例し、温度、電圧差、ドリフト、周波数、ノイズ、及び／又は他の類似の要因における変化に本質的に影響されない。

ガス流の組成を感知するシステムは、
（ａ）熱伝導性で、電気的に絶縁性の回路基板 ；
（ｂ）前記基板に取り付けられ、前記成分を感知することができるガス感知素子；
（ｃ）前記基板に取り付けら、ガス感知素子と一致した電気的特性を持ち、前記成分に対して反応しない基準素子；及び
（ｄ）ガス感知素子と基準素子を相互接続し、前記素子の両方を作動させ、前記素子間の電圧差を測定する回路、を備える。
動作上、前記電圧差は、ガス流内の成分の濃度に比例する。

好適なシステムでは、前記ガス流の成分は、水素である。

好適なシステムでは、前記ガス感知素子と前記基準素子のそれぞれは、前記ガス流の成分に対してさらされると、変化する電気的性質を有する材料を備える。前記ガス感知素子と前記基準素子のそれぞれは、ゲートで制御された金属ゲート金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）の固体状態装置で実現できる。ＭＯＳ装置は、ＭＯＳキャパシタ、又はＭＯＳトランジスタで実現できる。

前記ガス感知ＭＯＳ装置の金属ゲートは、パラジウムとパラジウム合金からなるグループから選択された金属を備えることが好ましい。パラジウム合金は、パラジウム／ニッケル、パラジウム／金及びパラジウム／銀からなるグループから選択されることが好ましい。

前記基準素子ＭＯＳ装置の金属ゲートは、ガス流の成分に関して不活性の金属を備えることが好ましい。好ましい不活性金属は、金である。

前記基準素子ＭＯＳ装置の金属ゲートは、ガス流の成分に関して不活性でないが不動化された金属を備えることが好ましい。前記不活性でない金属は、不活性のコーティング材料の付着により不動化されることが好ましい。

好適なシステムでは、前記基板は、シリコン含有材料を備える。

前記ガス感知素子と前記基準素子は、トランジスタ、ダイオードからなるグループから選ぶことも可能である。前記トランジスタは、ｐ−ｎ−ｐトランジスタ及び電界効果トランジスタからなるグループから選ぶことができる。

ガス流の成分を検知する方法は、
（ａ）熱伝導性で電気的に絶縁性である回路基板上に、前記成分を感知することができるガス感知素子を取り付け；
（ｂ）前記回路基板上に、ガス感知素子と一致した電気的特性を持ち、かつ、上記成分に反応せず、かつ、本質的に、上記成分に反応する素子と同じ組成と構造を有する基準素子を取り付け；
（ｃ）電子回路で、前記ガス感知素子と前記基準素子とを相互接続し；
（ｄ）前記電子回路を通じて、前記ガス感知素子と前記基準素子の両方を作動させ；
（ｅ）前記電子回路を通じて、前記ガス流の成分の濃度に比例する、前記ガス感知素子と前記基準素子の素子間の電圧差を測定する、ことを備える。

好適な実施例の詳細な説明
図１を見ると、ガス感知システムの回路の実施例は、基準素子を用いており、ガス流内の水素の濃度を感知及び測定するために図示されたような機能を持っている。励起回路１１０は、センサー１２２内に示されるガス検知素子と基準素子を作動させるために、電気信号１１２、１１４を発生する。励起回路１１０へ入力されるフィードバック信号１４２ｂは、センサー１２２のガス検知素子からの出力が基準素子の出力と等しくなるように、ガス検知素子への信号１１４を調整する。更に、基準素子への入力信号を安定化させるための、基準素子に対するプログラム化可能な調整装置もある。基準素子とガス検知素子からの出力１２４、１２６は、それぞれ、信号処理と差の増幅のセクション１３０への入力である。信号処理は、ノイズ除去や、誤差増幅器に要求されるような信号の変換又は調整を含む。ループ補償と誤差増幅のセクション１４０は、ループの安定化のための追加の信号処理を提供する。出力信号１４２は、ガス流の成分の濃度に比例し、そして、信号１４２ｂを通じて励起回路１１０にフィードバックされ、信号１４２ａを通じて、センサー１２２からの較正された出力を通知するための他の電子素子に送られる。

（図２Ａと図２Ｂからなる）図２は、集積された基準素子を組み込んだ本ガス感知システムの詳細な回路図である。

更に、本ガス感知システムは、センサーを一定の温度に保つために、ヒーターや温度感知装置のような他の素子を含むことができる。例えば、抵抗、ダイオード、及び／又は他のトランジスタ又は半導体装置のような他のガス感知素子も含むことができ、それらと関連する対応した基準素子がある場合もない場合もある。本基準素子は、本質的にガスに反応しないように作られていることを除いて、ガス感知素子と同じプロセス、材料、構成で作られることが好ましい。それゆえ、基準素子は、本質的にガス感知素子と同じ程度で、温度、電圧、ドリフト、周波数、ノイズや他の要因に影響される。基準素子とガス感知素子の間の差異は、主として、ガス濃度の作用である。

好適なシステムにおいては、精度の高い基準素子が、ガス感知素子と同じ基板に置かれている。通常、従来技術の解決手法は、集積された基準素子は含んでいなかった。

好適な基準素子は、金属被覆法で、パラジウムーニッケル合金より、本質的に水素に反応しない金属（例えば、金）を用いることにより、本質的に水素ガスに反応しないように作られる。更に、基準素子は、少しは水素に反応するけれども、水素が基準素子の金属に反応する事を防ぐコーティング（例えばSiO₂）を用いる事によって水素への反応を除感された材料でも良い。

ガス感知素子と基準素子は、シリコン上の金属(ＭＯＳ)キャパシタであることが好ましい。なお、ＭＯＳ装置は、キャパシタの形に制限されず、ｐ−ｎ−ｐトランジスタ、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）又は、ダイオードの形態でも良い。

ガス検出回路は、基準キャパシタの容量に合わせるために、ガス感知キャパシタのバイアス電圧を調整する。

ガス感知キャパシタのバイアス電圧の変化がガス濃度に比例する。通常は、従来技術の解決手法は、容量を計測した。

本ガス検出回路は、一緒に加えた時にキャンセルする相補的な方形波（又は、他の交流（ＡＣ）波形）の信号により、基準キャパシタとガス感知キャパシタを作動させる。制御ループは、出力の総和に対する、最小振幅を維持するように、ガス感知キャパシタのバイアス電圧を与える。

本装置の他の実施例は、出力の総和を最小にするバイアス電圧を用いないが、単純に電圧差を測定する。

ここで述べられた解決法は、水素ガスを感知するために作られ、試験された。ガス感知素子と基準素子の好適な実施例は、ＭＯＳキャパシタとして実現される。この水素感知キャパシタを有するガス検出回路の試験は、装置が10ppm以下の水素の濃度を検出できることを示した。更に、試験は、センサーが、温度、電圧、周波数、ノイズの変化に対しても良好に作動することを示した。

本装置は、水素を感知するための好適な実施例の形で実現されたが、この分野の技術に熟練した人は、一般に、水素、及び／又は水素以外を含むガス流、液体流、同伴ガス及び／又は固体を含む液体流、同伴液体及び／又は固体を液体含むガス流、を含む流体流の存在、成分量を感知及び／又は検出するように、実現又は容易に変更できることが、理解されるであろう。更に、本装置の態様は、個体の孔及び／又は格子構造に存在する流体の成分の存在及び／又は量を感知及び／又は検出するように実現又は容易に変更できる。

本解決法は、従来に比べて正確性が低い素子を用いて、感知システム全体としての同様もしくは類似の精度を達成することができるため、全体として、通常の従来技術より低いコストですむ効果を有する。

本解決法においては、正確な基準素子がガス感知素子の特性に適合するため、通常の従来技術のガス感知装置と比較して全体としてより高い正確性を達成する。

本発明の特定の方法、素子、実施例及び適用を示し、記載したが、本技術分野、とりわけ前出の技術分野に熟練した者によって変形例が実現できるので、本発明がそれらに限定されないことが当然理解されるであろう。

図1は、集積された基準素子を組み込んだ、本ガス感知システムの電子回路を実現する機能の概略流図である。 図２Ａは、集積された基準素子を組み込んだ本ガス感知システムの詳細な回路図である。 図２Ｂは、集積された基準素子を組み込んだ本ガス感知システムの詳細な回路図である。

Claims (11)

1. ガス流内の水素を感知するシステムであって、
   （ａ）熱伝導性があり、電気的に絶縁性である回路基板、
   （ｂ）前記基板に取り付けられる金属ゲート金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）ガス感知素子であって、バイアス電圧がかけられた容量を有するＭＯＳキャパシタを備え、前記ガス流内の前記水素を感知することができるＭＯＳガス感知素子、
   （ｃ）前記基板に取り付けられる金属ゲート金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）基準素子であって、容量を有するＭＯＳキャパシタを備え、前記ガス感知素子と一致した電気的特性を持ち、前記金属ゲートが前記ガス流内の前記水素に対して不活性の金属を有するＭＯＳ基準素子、及び
   （ｄ）相互接続した前記ガス感知素子と前記基準素子を相補ＡＣ波形を使用して駆動し、前記ガス感知素子と前記基準素子からの信号の和を増幅して出力を生成し、前記出力を前記ガス感知素子の前記バイアス電圧としてフィードバックする制御ループを有し、前記制御ループは前記ガス感知素子と前記基準素子からの信号の前記和の振幅を小さくするように動作する電子回路を備え、
   前記ガス流内の前記水素の濃度は、前記制御ループの出力に比例するシステム。
2. 前記ガス感知素子は、前記ガス流内の前記水素にさらされると変化する電気的性質を有する材料を備える請求項１記載のシステム。
3. 前記ＭＯＳガス感知素子の前記金属ゲートが、パラジウムとパラジウム合金からなるグループから選択された金属を備える請求項１記載のシステム。
4. 前記不活性の金属が、金である請求項１記載のシステム。
5. 前記基板が、シリコンを含む材料を備える請求項１記載のシステム。
6. ガス流内の水素を感知する方法であって、
   （ａ）金属ゲート金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）水素感知素子であって、バイアス電圧がかけられた容量を有するＭＯＳキャパシタを備え、前記ガス流内の前記水素を感知することができるＭＯＳ水素感知素子を、熱伝導性で、電気的に絶縁性体である基板上に取り付け、
   （ｂ）金属ゲート金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）基準素子であって、容量を有するＭＯＳキャパシタを備え、前記水素感知素子と一致した電気的特性を持ち、前記ガス流内の前記水素に反応せず、本質的に前記水素感知素子と同じ組成及び構造を有するＭＯＳ基準素子を、前記基板に取り付け、
   （ｃ）電子回路内で、前記水素感知素子と前記基準素子とを相互接続し、
   （ｄ）相互接続した前記ガス感知素子と前記基準素子を相補ＡＣ波形を使用して駆動し、前記ガス感知素子と前記基準素子からの信号の和を増幅して出力を生成し、前記出力を前記ガス感知素子の前記バイアス電圧としてフィードバックする制御ループを形成し、前記制御ループは前記ガス感知素子と前記基準素子からの信号の前記和の振幅を小さくするように動作し、
   （ｅ）前記ガス流内の前記水素の濃度に比例する関係を有する前記制御ループの出力測定する、ことを備える方法。
7. ガス流内の水素を感知するシステムであって、
   （ａ）熱伝導性があり、電気的に絶縁性である回路基板、
   （ｂ）前記基板に取り付けられる金属ゲート金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）ガス感知素子であって、バイアス電圧がかけられた容量を有するＭＯＳキャパシタを備え、前記ガス流内の前記水素を感知することができるＭＯＳガス感知素子、
   （ｃ）前記基板に取り付けられる金属ゲート金属酸化膜半導体（ＭＯＳ）基準素子であって、容量を有するＭＯＳキャパシタを備え、前記ガス感知素子と一致した電気的特性を持ち、前記金属ゲートが前記ガス流内の前記水素に対して不活性でない金属を有するＭＯＳ基準素子、及び
   （ｄ）前記ガス感知素子と前記基準素子を相互接続し、相互接続した前記ガス感知素子と前記基準素子を相補ＡＣ波形を使用して駆動し、前記ガス感知素子と前記基準素子からの信号の和を増幅して出力を生成し、前記出力を前記ガス感知素子の前記バイアス電圧としてフィードバックする制御ループを有し、前記制御ループは前記ガス感知素子と前記基準素子からの信号の前記和の振幅を小さくするように動作する電子回路を備え、
   前記ガス流内の前記水素の濃度は、前記制御ループの出力に比例するシステム。
8. 前記ガス感知素子および前記基準素子のそれぞれは、前記ガス流内の前記水素にさらされると変化する電気的な特性を有する材料を備える請求項７記載のシステム。
9. 前記ＭＯＳガス感知素子の前記金属ゲートが、パラジウムとパラジウム合金からなるグループから選択された金属を備える請求項７記載のシステム。
10. 前記パラジウム合金が、パラジウム／ニッケル、パラジウム／金、パラジウム／銀からなるグループから選択された金属を備える請求項９記載のシステム。
11. 前記基板が、シリコンを含む材料を備える請求項７記載のシステム。

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