JP5467775B2 - ガスセンサの性能評価方法 - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサの性能評価方法に係り、特に、検知対象ガスと燃焼する検出素子と、検知対象ガスと燃焼しない比較素子と、から構成されるガスセンサの性能評価方法に関するものである。
上述したガスセンサを組み込んだガス検出装置として、例えば図６に示されたものが一般的に知られている。同図に示すように、ガス検出装置１０は、検出素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒから構成されたガスセンサ２を有している。上記検出素子Ｒｓは、検知対象ガスとの燃焼を促進する触媒（例えばパラジウム（Ｐｄ））を担持した担体（例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3））から成る触媒担体層２１と、この触媒担体層２１に覆われた白金ヒータ２２と、から構成されている。比較素子Ｒｒは、検知対象ガスに対して不感となる材料（例えばＡｌ2Ｏ3）のみからなる担体層２３と、この担体層２３に覆われた白金ヒータ２４と、から構成されている。
上記検出素子Ｒｓの白金ヒータ２２と、比較素子Ｒｒの白金ヒータ２４とは、検知対象ガスのない空気中（エアベース）では等しい抵抗値になるように設けられている。上述した検出素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒは、互いに並列配置され、固定抵抗Ｒ１、Ｒ２、可変抵抗Ｒｖと共にブリッジ回路Ｂを構成している。このブリッジ回路Ｂには、駆動回路５からパルス電圧が供給されている。よって、パルス電圧がＨレベルのときに、検出素子Ｒｓが加熱されて検知対象ガスが燃焼する。
以上の構成によれば、ブリッジ回路Ｂは検知対象ガスのない空気中では平衡状態となり、中点電位差Ｖ０が０となる。これに対して、検知対象ガスを含む空気中では検知対象ガスとの燃焼熱により検出素子Ｒｓの温度が上昇し、これに伴って検出素子Ｒｓの白金ヒータ２２の抵抗値が増加する。一方、比較素子Ｒｒは検知対象ガスと燃焼しないため、検出素子Ｒｓの温度より低くなる。このため、ブリッジ回路Ｂは不平衡状態となり、中点電位差Ｖ０が発生する。この中点電位差Ｖ０が、検知対象ガスの濃度に応じたセンサ出力となる。
しかしながら、上述したガス検出装置１０においては、検出素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの形状の製造時におけるばらつきや、構造、材料等の違いにより、素子の熱特性（熱容量、熱伝導率、放熱特性）に差異が生じて、検出素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの熱的バランスが均等でない場合がある。このように熱的バランスが均等でないガスセンサ２を組み込んだブリッジ回路Ｂに対して上述したようにパルス電圧を供給すると、エアベースであってもその過渡期の中点電位差Ｖ０に大きな変位が発生する。
即ち、エアベースにおいて上述したように検出素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとで熱特性（熱容量、熱伝導率、放熱特性）が異なるブリッジ回路Ｂに対してパルス電圧を供給すると、図７（Ｂ）に示すように、検出素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの両端電圧の立ち上がり時間が互いに異なる。このため、図７（Ｃ）に示すように、過渡期の中点電位差Ｖ０に大きな変位が発生してしまう。
中点電位差Ｖ０は後段の図示しない増幅回路で設定されたゲインで増幅される。このため、熱的バランスが悪く過渡期における中点電位差Ｖ０の変位が大きいほど、増幅回路の出力が飽和しないように増幅回路のゲインを低く設定する必要があり、感度が悪くなる。そこで、熱的バランスの良いガスセンサ２を設計する必要があるが、従来ではガスセンサ２の熱的バランスを簡単に評価する方法が提案されていなかった。
そこで、本発明は、簡単に検出素子と比較素子との熱的バランスを評価することができるガスセンサの性能評価方法を提供することを課題とする。
上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明は、検知対象ガスと燃焼する検出素子と、前記検知対象ガスと燃焼しない比較素子と、から構成されるガスセンサの性能評価方法であって、前記検出素子及び前記比較素子を含むブリッジ回路に交流電圧を供給する第１工程と、前記検出素子又は前記比較素子の何れか一方の温度が予め定めた値になるように前記交流電圧の大きさを調整する第３工程と、前記交流電圧を供給したときの前記ブリッジ回路の中点電位差が最小になるように前記ブリッジ回路を構成する可変抵抗を調整する第４工程と、前記可変抵抗を調整した後に前記検出素子及び前記比較素子の何れか一方の温度が前記予め定めた値になるように前記交流電圧の大きさを再び調整する第５工程と、前記交流電圧を供給したときの前記ブリッジ回路の中点電位差の大きさに基づいて前記ガスセンサを評価する第２工程と、を順次行うことを特徴とするガスセンサの性能評価方法に存する。
以上説明したように請求項１記載の発明によれば、交流電圧をブリッジ回路に供給することによりブリッジ回路からは過渡期の中点電位差が常に出力される。この過渡期の中点電位差は検出素子と比較素子との熱的バランスが崩れているほど大きくなるので、交流電圧を供給されているときの中点電位差の大きさによってガスセンサの評価を行うことができる。従って、ブリッジ回路に交流電圧を供給するだけで簡単に検出素子と比較素子との熱的バランスを評価することができる。
また、請求項１記載の発明によれば、交流電圧を供給したときのブリッジ回路の中点電位差が最小になるようにブリッジ回路を構成する可変抵抗を調整することにより、エアベースにおいてブリッジ回路を最も平衡状態に近く設定できる。よって、この状態で発生する中点電位差は検出素子と比較素子との熱的バランスの違いによるものだけである。また、可変抵抗を調整した後に検出素子及び比較素子の温度が第３工程と同じ予め定めた値になるように交流電圧を調整することにより、可変抵抗を調整したことによって生じた検出素子及び比較素子の温度変化分を予め定めた値に戻すことができる。従って、より一層正確に検出素子と比較素子との熱的バランスを評価することができる。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ガスセンサの性能評価装置１（以下単に性能評価装置１）は、ガスセンサ２を組み込んだブリッジ回路Ｂと、交流電源３と、出力手段としてのマルチメータ４と、を備える。ガスセンサ２は、図１に示すように、検出素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒから構成されている。上記検出素子Ｒｓは、触媒担体層２１と、白金ヒータ２２と、から構成されている。触媒担体層２１は、検知対象ガスとの燃焼を促進する触媒（例えばパラジウム（Ｐｄ））を担持した担体（アルミナ（Ａｌ2Ｏ3））から成る。白金ヒータ２２は、温度に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体であり、上記触媒担体層２１に覆われている。
上記比較素子Ｒｒは、担体層２３と、白金ヒータ２４と、から構成されている。担体層２３は、検知対象ガスに対して不感となる材料（例えばアルミナ（Ａｌ2Ｏ3））のみから構成される。白金ヒータ２４は、温度に応じて抵抗値が変化する測温抵抗体であり、上記担体層２３に覆われている。
詳しくは、図２（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、このガスセンサ２は、シリコン（Ｓｉ）ウエハ２５の上に、酸化シリコン（ＳｉＯ2）膜２６ａ、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜２６ｂ及び酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）膜２６ｃからなる絶縁薄膜が成膜され、その上に、検出素子Ｒｓとしての触媒担体層２１及び白金ヒータ２２、比較素子Ｒｒとしての担体層２３及び白金ヒータ２４が形成されている。また、図２（Ｃ）に示すように、異方性エッチングして凹部２７及び２８を形成して、それぞれ薄膜ダイヤフラムＤｓ及びＤｒを形成することにより熱容量を小さくしている。
白金ヒータ２２及び２４は、図１に示すように、固定抵抗Ｒ１及びＲ２と可変抵抗Ｒｖと共にブリッジ回路Ｂを構成している。そして、このブリッジ回路Ｂにおいて、可変抵抗Ｒｖの可動端子と、検出素子Ｒｒ及び比較素子Ｒｓの接続点と、の間には交流電源３からの交流電圧が供給されている。また、固定抵抗Ｒ１及び比較素子Ｒｒの接続点と、固定抵抗Ｒ２及び検出素子Ｒｓの接続点と、の間に発生する中点電位差Ｖ０は、マルチメータ４に接続されている。このマルチメータ４は、接続された中点電位差Ｖ０の実効値を表示する。
次に、上述した構成の性能評価装置１を用いた性能評価方法について説明する。まず、評価者が、交流電源３を操作して交流電圧をブリッジ回路Ｂに供給する。その後、比較素子Ｒｒの両端電圧を計測して、図３に示すように、交流電圧の最大値で比較素子Ｒｒの温度が例えば４００℃、交流電圧の最小値で比較素子Ｒｒの温度が例えば２００℃になるように交流電圧の大きさを調整する。その後、マルチメータ４に表示された中点電位差Ｖ０の実効値を見ながらその実効値が最低電位となるように可変抵抗Ｒｖの調整を行う。これにより、中点電位Ｖ０に発生する電圧を検出素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの熱的バランスのばらつきのみに起因させることができる。
次に、この可変抵抗Ｒｖの調整により検出素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒの温度が変化するため、再度、比較素子Ｒｒの両端電圧を計測して、交流電圧の最大値で比較素子Ｒｒの温度が４００℃、交流電圧の最小値で比較素子Ｒｒの温度が２００℃になるように交流電圧の大きさを調整する。この調整により、可変抵抗Ｒｖを調整したことによって生じた検出素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒの温度変化分をキャンセルすることができる。その後、マルチメータ４に表示された中点電位差Ｖ０の実効値を記録する。
互いに触媒担体層２１や担体層２３の塗布方法、塗布量が異なる試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６のガスセンサ２である標準品と、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の標準品の触媒担体層２１及び担体層２３の塗布前の白金ヒータ２２、２４のみの状態である理想品と、について、それぞれ上記性能評価方法を用いて中点電位差Ｖ０の実効値を記録した結果を図４に示す。触媒担体層２１及び担体層２３を塗布する前の白金ヒータ２２、２４のみの状態は検出素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとのばらつきが極めて小さいと考えられるため、原理確認のための理想品としている。
同図に示すように、理想品の中点電位Ｖ０の実効値が平均0.008ｍＶ程度の電位しか発生していないのに対して、標準品の中点電位Ｖ０の実効値は0.523ｍＶと数十倍の電位が発生した。また、理想品に対して標準品は試料毎の偏差も大きく触媒担体層２１や担体層２３の塗布量のばらつきを検出できていることが分かった。即ち、交流電圧をブリッジ回路Ｂに供給することによりブリッジ回路Ｂからは過渡期の中点電位差Ｖ０が常に出力され、この過渡期の中点電位差Ｖ０は検出素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの熱的バランスが崩れているほど大きくなることが分かった。
よって、上述した性能評価方法を実施することにより、標準試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６の中では試料Ｎｏ．６の中点電位差Ｖ０の実効値が一番小さく、検出素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの熱的バランスが一番良いことが分かる。一方、試料Ｎｏ．４の中点電位差Ｖ０の実効値が一番大きく、検出素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの熱的バランスが一番悪いことが分かる。
上述した性能評価方法によれば、検出素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒを互いに並列配置して設けたブリッジ回路Ｂに交流電圧を供給した後に、交流電圧を供給したときのブリッジ回路Ｂの中点電位差Ｖ０の大きさに基づいてガスセンサ２を評価している。これにより、ブリッジ回路Ｂに交流電圧を供給するだけで簡単に検出素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの熱的バランスを評価することができる。
また、上述した性能評価方法によれば、ブリッジ回路Ｂの中点電位差Ｖ０が最小になるようにブリッジ回路Ｂを構成する可変抵抗Ｒｖを調整することにより、エアベースにおいてブリッジ回路Ｂを最も平衡状態に近く設定できる。よって、この状態で発生する中点電位差Ｖ０は検出素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの熱的バランスの違いによるものだけである。また、可変抵抗Ｒｖを調整した後に検出素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒの温度が予め定めた値（例えば２００℃〜４００℃）になるように交流電圧を調整することにより、可変抵抗Ｒｖを調整したことによって生じた検出素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒの温度変化分を予め定めた値に戻すことができる。従って、より一層正確に検出素子Ｒｓと比較素子Ｒｒとの熱的バランスを評価することができる。
上述した性能評価方法を用いれば、出荷前に熱バランスの悪いガスセンサ２を容易に選別してはじくことができる。即ち、ガスセンサ２がガス検知器に組み込まれる前に熱バランスの悪いものをはじくことができるので、ガスセンサ２がガス検知器に組み込まれた後に規格外と判断される場合に比べて製造コストを低減できる。また、上述した性能評価方法を用いれば、触媒担体層２１や担体層２３の塗布方法、塗布量を調整して熱バランスの改善を行う際の評価が可能となり、簡単に熱バランスを改善したガスセンサ２を設計することができる。そして、これによりエアベースにおける過渡期の中点電位差Ｖ０を小さくすることができ、増幅回路のゲインを高い値に設定し、高感度なガス検知器を提供することができる。
なお、上述した実施形態によれば、出力手段として中点電位差Ｖ０の実効値を表示するマルチメータ４を用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。出力手段としては、例えば単に中点電位差Ｖ０を表示するものであっても良い。
また、上述した実施形態によれば、ブリッジ回路Ｂとしては図１に示すような構成のものを用いていたが、本発明はこれに限ったものではない。ブリッジ回路Ｂとしては、検出素子Ｒｓ及び比較素子Ｒｒを含んでいればよく、例えば、図５（Ａ）及び（Ｂ）に示すような構成であってもよい。
また、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
１ ガスセンサの性能評価装置
２ ガスセンサ
３ 交流電源
４ マルチメータ（出力手段）
Ｂ ブリッジ回路
Ｒｓ 検出素子
Ｒｒ 比較素子
Ｒｖ 可変抵抗
Ｖ０ 中点電位差
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Claims (1)
- 検知対象ガスと燃焼する検出素子と、前記検知対象ガスと燃焼しない比較素子と、から構成されるガスセンサの性能評価方法であって、
前記検出素子及び前記比較素子を含むブリッジ回路に交流電圧を供給する第１工程と、
前記検出素子又は前記比較素子の何れか一方の温度が予め定めた値になるように前記交流電圧の大きさを調整する第３工程と、
前記交流電圧を供給したときの前記ブリッジ回路の中点電位差が最小になるように前記ブリッジ回路を構成する可変抵抗を調整する第４工程と、
前記可変抵抗を調整した後に前記検出素子及び前記比較素子の何れか一方の温度が前記予め定めた値になるように前記交流電圧の大きさを再び調整する第５工程と、
前記交流電圧を供給したときの前記ブリッジ回路の中点電位差の大きさに基づいて前記ガスセンサを評価する第２工程と、
を順次行うことを特徴とするガスセンサの性能評価方法。
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