JP5169622B2 - 薄膜ガスセンサのガス検出方法およびガス検知装置 - Google Patents
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Description
COセンサの場合、一旦、センサをHigh状態(約400℃)に昇温し、センサのクリーニングを行ってから、Low状態(約100℃)に降温し検知を行う、いわゆるHigh−Low駆動することで、CO感度および選択性が高くなることが知られている。
またHigh状態で、クリーニングのみならずメタン検知も行い、Low状態でのCO検知と合わせ、ワンセンサでメタン・COの両方を検知できるセンサも存在する(例えば、非特許文献1を参照)。
本発明によれば、High駆動でCOの予備検知を行い、COが存在する可能性がある場合にだけ本検知に移行するため、無駄なヒータ駆動が無くなり、消費電力を低減することができる。
まずHigh状態では、いずれのガス中でも0.1秒程度でほぼ定常状態に至り、応答が速いことがわかる。
一方、Low状態では応答が遅く、CO500ppm中のセンサ抵抗は時間経過に対し単調に減少し、High駆動開始から0.5秒(Low駆動開始から0.3秒)経過後には、水素1000ppm中、メタン4000ppm中の抵抗値がCO500ppm中のセンサ抵抗値よりも半桁以上高くなり、CO感度および選択性が得られる。
予備検知は、センサ抵抗値が設定した閾値未満であるか否かを判定することにより行うことができる。設定すべき閾値としては、要求されるCOの検出限界濃度や、メタンガスあるいは水素ガスとの選択性がHigh駆動において要求されるか否かによって適宜、相応しい値を設定する。
予備検知のためにセンサ抵抗値を測定するタイミングとしては、例えば、ヒータのHigh駆動開始から0.1秒の間のいずれかの時点、より好ましくは、High駆動開始後、0.01秒〜0.06秒の間のいずれかの時点とすることができる。
本検知においてセンサ抵抗値を測定するタイミングとしては、例えば、ヒータのLow駆動開始から0.4秒以降のいずれかの時点、より好ましくは、0.6秒以降のいずれかの時点とすることができる。
なお、測定タイミングの上限は、検出ガスの選択性と電池の消費電力とを勘案して相応しい時間に設定すればよい。つまり、検出時間を長くすればガスの検出精度が向上する一方、電池寿命が短くなる。逆に検出時間を短くすれば電池寿命が長くなる反面、ガスの検出精度が低下する。
前記CO検知に適した駆動パターンとして、ヒータへ通電する電流を減らす等によって、前記ガスセンサの温度を前記予備検知の温度より低い室温(−10〜50℃)から150℃の間のいずれかの温度に保つ駆動パターンを採用することができる。
また前記CO検知に適した駆動パターンとして、図4に示すように前記ヒータを一旦停止し(S4−1)、その後室温から150℃の間のいずれかの温度に保つ(S4−2)駆動パターンも採用することができる。かかるパターンによれば、予備検知から本検知への切替に対するガス検知装置の過渡応答が早くなり、その分だけ予備検知終了後の検知時間を短縮することができ、低消費電力化につながる。
なお本検知を室温で行う場合、ヒータを切って室温に達した後、検知を行えばよい。
本発明のガス感知装置は、低消費電力化を図るために、昇温のためのヒータ53と、それと電気的に絶縁された抵抗体膜57および必要に応じて抵抗体膜57の表面に配置され、特定のガスを選択的に燃焼することができる選択燃焼層58を薄膜状に形成し、その周囲が基板により支持されるダイヤフラム構造とすると好ましい。ダイヤフラム構造とすることで、センサ、特に抵抗体膜57の低熱容量化を図ることができ、ガス感知装置の低消費電力化が達成される。
抵抗体の温度に対する外部環境の影響を最小限にするため、また、ヒータによる抵抗体の加熱をより効果的にするために、本発明のガス感知装置は、ヒータと外部環境との間であって、ヒータと抵抗体との熱的な接触を妨げない位置に、熱絶縁膜52を含むと好ましい。例えば、熱絶縁膜52は、ヒータ53と外部環境との間であって、ヒータに関して抵抗体膜57と反対の側に配置されると好ましい。特に限定されるものではないが、熱絶縁膜52として、Si3N4、SiO2を用いることができる。
本発明のガス感知装置はさらに、ヒータと電気的に接続し、該ヒータに流れる電流を少なくとも2段階に切替え可能で、前記抵抗体の温度を少なくとも2段階に調節することができる温度制御手段と、前記少なくとも2段階の各温度において、前記抵抗体の電気抵抗の値を測定することができる電気抵抗測定手段とを備えたものである。温度制御手段は、特に限定されるものではなく、任意の手段で温度を制御することができる。また、電気抵抗手段は、特に限定されるものではなく、任意の手段で電気抵抗を測定することができる。
52 支持膜および熱絶縁膜
53 ヒータ層
54 電気絶縁層
55 接合層
56 感知膜電極
57 抵抗体(SnO2)
58 選択燃焼層
S0 開始
S1 ヒータHigh駆動
S2 感知層抵抗測定
S3 予備検知
S4 ヒータLow駆動またはヒータOff
S4−1 ヒータOff
S4−2 ヒータLow駆動
S5 感知層抵抗測定
S6 本検知
S7 ヒータOff
S8 終了
Claims (8)
- ヒータを内蔵し間欠的に駆動する半導体式ガスセンサを用いた一酸化炭素の検出方法であって、
前記ヒータを駆動させて前記ガスセンサの温度を第1の温度に一定時間保ち、その時のガスセンサの電気抵抗値の変化から一酸化炭素の予備検知を行い、
前記予備検知の結果によって、一酸化炭素[CO]が存在する可能性がある場合は、ガスセンサの温度を前記第1の温度より低い第2の温度にして一酸化炭素の本検知を行い、
前記一酸化炭素の存在可能性が無い場合は、前記ヒータの駆動を停止することよりなる薄膜ガスセンサのガス検出方法。 - 前記半導体式ガスセンサがn型半導体式ガスセンサであり、前記予備検知において、前記ガスセンサの電気抵抗値が設定した閾値未満であれば本検知に移行し、設定した閾値以上であれば前記ヒータの駆動を止めることを特徴とする請求項1に記載の薄膜ガスセンサのガス検出方法。
- 前記第1の温度が、300℃〜500℃であることを特徴とする請求項1または2に記載の薄膜ガスセンサのガス検出方法。
- 前記第2の温度が、室温から150℃であることを特徴とする請求項1に記載の薄膜ガスセンサのガス検出方法。
- 前記本検知開始時にヒータが一旦停止し、その後前記ガスセンサの温度が第2の温度に達するまでヒータを駆動させることを特徴とする請求項1に記載の薄膜ガスセンサのガス検出方法。
- ヒータと、
n型半導体からなる抵抗体であって、該抵抗体の温度に応じて電気抵抗の値が変化する抵抗体と、
前記ヒータと電気的に接続し、該ヒータに流れる電流を少なくとも2段階に切替えることで、前記抵抗体の温度を少なくとも2段階に調節することができる温度制御手段と、
前記少なくとも2段階の各温度において、前記抵抗体の電気抵抗の値を測定することができる電気抵抗測定手段と、
前記電気抵抗測定手段から前記抵抗体の抵抗値を取得し、設定した閾値未満であれば前記温度制御手段に指示してヒータに流れる電流を切替え、設定した閾値以上であれば前記温度制御手段を介したヒータへの通電を止める判定手段とを備えた一酸化炭素ガス感知装置。 - 前記半導体式ガスセンサがp型半導体式ガスセンサであり、前記予備検知において、前記ガスセンサの電気抵抗値が設定した閾値以上であれば本検知に移行し、設定した閾値未満であれば前記ヒータの駆動を止めることを特徴とする請求項1に記載の薄膜ガスセンサのガス検出方法。
- 前記第1の温度が、300℃〜500℃であることを特徴とする請求項7に記載の薄膜ガスセンサのガス検出方法。
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