JP5483529B2 - ガスの濃度を測定する方法 - Google Patents

Description

本発明は、目標ガスの濃度を測定する方法に関するものであり、その場合にガスセンサが準備され、そのセンサ信号が目標ガス濃度に依存する。

この種の方法は、従来技術（例えば、特許文献１参照。）から知られている。その場合に、シリコン基板を有するガスセンサが準備され、その基板内に電界効果トランジスタが統合されている。電界効果トランジスタは、ゲート電極を有し、それがセンサ電極と導通接続されており、そのセンサ電極の上方にガスセンシティブな層が配置されており、その層は、エアギャップによってセンサ電極から隔てられており、かつエアギャップを介して容量的にセンサ電極に結合されている。ガスセンシティブな層の、センサ電極とは逆の後ろ側に、カバー電極が取り付けられている。ガスセンシティブな層の、センサ電極へ向いた表面領域が、目標ガスと接触され、その目標ガスは、表面領域が接触した場合に、その表面領域に吸着される。目標ガスの濃度が変化した場合に、ガスセンシティブな層の表面領域内の仕事関数が変化する。その場合に、センサ電極は、表面領域に容量的に結合されているので、ゲート電極における電位も変化する。電位変化に従って、電界効果トランジスタのドレイン端子とソース端子の間の電流の流れが制御される。この種のガスセンサにおいては、測定信号は、目標ガス濃度に対してほぼ対数的であり、即ち測定感度は、目標ガス濃度の増加に伴って減少する。測定信号は、更に、酸素の存在によって乱されることがあるので、この方法による比較的大きい目標ガス濃度の測定には、問題がある。

独国特許公報ＤＥ４３３３８７５Ｃ２

従って、本発明の課題は、高い測定精度を可能にする、目標ガスの濃度を測定する方法を提供することである。

この課題は、ガスセンサが準備され、第１のダイナミックレンジ内では、そのセンサ信号が一定の温度において目標ガス濃度に依存し、かつ第１のダイナミックレンジ内では第２のダイナミックレンジ内におけるよりも小さい測定感度を有し、第１及び第２のダイナミックレンジに対応づけられたガス濃度が温度に依存し、かつセンサ信号が目標ガス濃度に実質的に依存しないように、かつセンサ信号が第２のダイナミックレンジ内にあるように、ガスセンサの温度が制御され、かつガスセンサの温度が目標ガス濃度のための尺度であり、センサ信号がガスセンシティブな層の仕事関数の測定によって検出され、センサ信号が、エアギャップを通してガスセンシティブな層において容量的に測定され、ガスセンサがＳＧＦＥＴ、ＣＣＦＥＴ又はケルビンゾンデであることによって、解決される。

従って、好ましいやり方で、ガスセンサの作業点が、様々な目標ガス濃度においてそれぞれより大きい測定感度を有するダイナミックレンジ内へ置かれ、それによって様々な目標ガス濃度を同一の測定感度で測定することができる。その場合に温度の制御は、目標ガス濃度が変化した場合に、ガスセンサのセンサ信号がほぼその値を維持するように行われるので、その場合に目標ガス濃度は、調節された温度から求めることができる。ダイナミックレンジは、前もって実験的に測定し、及び/又は数学的モデルを用いて定めることができる。

本発明の好ましい形態において、温度は次のように、即ちガスセンサが、目標ガスについてガスセンサがその最大の感度を有する作業点において駆動されるように、制御される。その場合に目標ガス濃度は、更に正確に測定することができる。

ガスセンサの温度の制御が、求められた温度が予め定められた温度領域内にある場合にのみ行われ、かつこの温度領域の外部では、目標ガスの濃度が、ガスセンサのセンサ信号に従って定められると、効果的である。従って、ガスセンサが温度制御なしでも十分な測定精度を有し、及び/又はガスセンサの温度調節が複雑すぎる、目標ガス濃度領域内では、温度制御は、非作動にすることができる。それによって本方法は、より簡単に、かつより少ないエネルギ消費で実施することができる。

本発明の好ましい実施形態において、温度制御のために設けられた温度領域の外部では、温度は一定の温度値に調節される。それによって、温度制御が非作動にされた場合に、周囲温度の変動によってもたらされる、測定の不正確さが回避される。

温度制御のために設けられた温度領域が、６０℃の、特に７０℃の、そして場合によっては８０℃の上にあると、効果的である。その場合にガスセンサは、加熱によって簡単な方法で温度調節することができる。

好ましくは、センサ信号は、ガスセンシティブな層の仕事関数の測定によって検出される。その場合にガスセンシティブな層は、好ましくは目標ガスにとって不活性な、電気的に絶縁するコーティングによって被覆され、そのコーティングは、その濃度を測定すべき目標ガス及びそれとは異なる、表面領域において吸着可能な他のガスにとって、透過性である。コーティングは、目標ガスと他のガスについて、異なる拡散定数を有することができ、その場合に拡散定数、目標ガス及び他のガスは次のように、即ち他のガスが存在する時に目標ガスの濃度が予め定められた濃度しきい値を上回った場合に、目標ガスについてのガスセンサの感度が増大するように、互いに合わせて選択される。

センサ信号は、好ましくは、エアギャップを通して容量的にガスセンシティブな層において測定される。しかし、本発明に基づく方法において、センサ信号は、ガスセンシティブな層の電気的抵抗の測定によっても、検出することができる。その場合にガスセンシティブな層は、ガスにさらされた場合にその抵抗を変化させる、金属酸化物層とすることができる。

以下、図面を用いて本発明の実施例を詳細に説明する。

ＳＧＦＥＴを有するガスセンサを横断面で示しており、そのチャネル領域がエアギャップを介して、不働態コーティングを有するガスセンシティブな層に容量的に結合されている。 ＣＣＦＥＴを有するガスセンサを横断面で示しており、そのセンサ電極がエアギャップを介して、不働態コーティングを有するガスセンシティブな層に容量的に結合されている。 ケルビンゾンデとして形成されたガスセンサを横断面で示しており、ガスセンシティブな層が、不働態コーティングを有している。 ガスセンサの実施例のセンサ信号（上方のカーブ）と目標ガス濃度（下方のカーブ）のグラフ表示であって、その場合に 横軸上に時間ｔ、縦軸上の左に電位センサのセンサ信号の振幅Ｓ、右に目標ガス濃度ｋが記入されている。 図４と同様の表示であるが、ガスセンサの温度が、図４におけるよりも低い。 図５と同様の表示であるが、ガスセンサの温度が、図５におけるよりも低い。 ガスセンサの目標ガス濃度のためのしきい値のグラフ表示であって、その場合に横軸に温度、縦軸にしきい値が記入されている。 制御装置の図式的な表示である。

目標ガスの濃度を測定する方法において、ＳＧＦＥＴとして、ＣＣＦＥＴとして、或いはケルビンゾンデとして形成された、ガスセンサ１が準備される。

図１に明らかなように、ＳＧＦＥＴとして形成されたガスセンサは、基板２を有し、その中に電位センサ２７が統合されている。電位センサ２７は、ドレイン３とソース４を有しており、それらがｎドーピングされたトランジスタ凹部内に配置されている。ドレイン３とソース４は、例えば、ｐドーピングされたシリコンからなることができる。ドレイン３は、電気的な導体路を介して、図面には詳しく図示されていないドレイン端子と接続されている。同様に、ソース４は、ソース端子と接続されている。ドレイン３とソース４の間において、基板２内にチャネル領域５が形成されており、そのチャネル領域上に、ゲート誘電体として用いられる、電気的に絶縁する薄層酸化物が配置されている。

チャネル領域５の上方において、支持体部分６にガスセンシティブな層７が配置されており、その層は、好ましくは貴金属から、特に白金又はパラジウムからなり、かつエアギャップ８によってチャネル領域５から隔てられている。ガスセンシティブな層７の、チャネル領域５へ向いた表面領域９が、エアギャップ８を介してチャネル領域５に容量的に結合されている。

支持体部分６は、ガスセンシティブな層７の両側において、電気的な絶縁層１０を介して基板２と結合されている。図１においてはっきりと認識できるように、支持体部分６とガスセンシティブな層７が、浮遊ゲートを形成している。

エアギャップ８は、図面には詳しく図示されていない、少なくとも１つの開口部を介して、ガスセンサ１を取り巻く雰囲気と接続されている。この開口部を介して、ガスセンシティブな層７の表面領域９が、検出すべき目標ガス、即ち水素と、そして他のガス、即ち、例えば雰囲気内に含まれる酸素のような、エレクトロネガティブなガスと接触される。表面領域９と接触した場合に、目標ガスと他のガスが、表面領域９に吸着される。目標ガスを吸着した場合に、表面領域９内で仕事関数が変化し、それが、チャネル領域５内の電位の変化をもたらす。

図１に示す実施例において、チャネル領域５は開放して形成されており（ＩＳＦＥＴ）、薄層酸化物とエアギャップ８を介して直接ガスセンシティブな層７に容量的に結合されている。チャネル領域５が、エアギャップ８の、ガスセンシティブな層７と対向する側に配置されていることが、はっきりと認識できる。

図２に示す実施例においては、電界効果トランジスタは、ＣＣＦＥＴとして形成されており、チャネル領域５は、基板２内でガスセンシティブな層７の側方の隣に配置されており、かつゲート電極１１によって覆われている。ガスセンシティブな層７にチャネル領域５を容量的に結合するために、ゲート電極１１は、電気的な接続線１２を介してセンサ電極１３と接続されており、そのセンサ電極は、エアギャップ８の、ガスセンシティブな層７の表面領域９と対向する側において、基板２上にある絶縁層１０上に配置されている。絶縁層１０は、例えばＳｉＯ₂層であることができる。ＳＧＦＥＴの浮遊ゲートの構造は、図１における構造に相当する。

図３に示す実施例において、ガスセンサ１は、ケルビンゾンデとして形成されている。ガスセンシティブな層７は、電気的に導通する支持体１４上に配置されており、その、支持体１４とは逆の側に、表面領域９を有しており、その表面領域に目標ガスを吸着することができる。表面領域９は、エアギャップ８によって、電極１５から隔てられており、かつこの電極とともに電気的容量を形成する。

電極１５は、図面には詳しく図示されていないアクターを用いて、振動させることができる。その場合に、電極１５は、矢印Ｐｆに従って、交互にガスセンシティブな層７へ近づき、かつそこから離れるように運動する。電極１５と支持体１４ないしガスセンシティブな層７は、評価及び駆動装置１７の端子１６と接続されている。この評価及び駆動装置が、図３には詳しく図示されない電位センサを有しており、その電位センサが、ガスセンシティブな層７と電極１５の間の電圧を測定するために、端子１６と接続されている。評価及び駆動装置１７は、更に、電位センサと制御接続されている、変位可能な電圧源を有しており、その電圧源によって電位センサと電極１５及び／又は支持体１４の間にカウンター電圧が印加される。カウンター電位は、電位センサによって測定される電位が、平均でゼロに等しいように、選択される。

上述したガスセンサ１において、それぞれガスセンシティブな層７の表面領域９が、目標ガスにとって不活性の、電気的に絶縁するポリマーのコーティング１８によって一貫して覆われており、そのコーティングは、好ましくはポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）又はポリイミドからなる。コーティング１８は、ガスセンシティブな層７にしっかりと付着する。コーティング１８は、好ましくは０．５μｍと２．５μｍの間の、ほぼ一定の厚みを有する厚層として形成されている。

コーティング１８は、目標ガスについても、他のガスについても、透過性である。拡散定数、目標ガス及び他のガスは、他のガスが存在する時に目標ガスの濃度がしきい値１９を越えた場合に、目標ガスについてのガスセンサ１の感度が増加するように、互いに調整されている。しきい値１９の位置は、温度に依存している。

図４から６において、電位センサ２７のセンサ信号２０は、それぞれ一定の温度において、上方へ向かって濃度しきい値１９によって制限される、第１の濃度領域内にある目標ガス濃度２１において、まず目標ガス濃度２１とともにほぼ対数的に上昇することが、認識できる。第１の濃度領域内では、電位センサ２７のセンサ信号２０は、第１のダイナミックレンジ２９内にある。

その下方の端部が濃度しきい値に隣接し、かつ第１の濃度領域よりもずっと狭い、第２の濃度領域内で、一定の温度においてセンサ信号２０は、著しく上昇する。第２の濃度領域内で、センサ信号２０は、第２のダイナミックレンジ３０内にあり、その中でガスセンサ１の測定感度は、第１のダイナミックレンジ２９におけるよりも大きい。第２の濃度領域の上方に位置し、かつそれに隣接する第３の濃度領域内で、電位センサ２７のセンサ信号２０は、一定の温度において、第２の濃度領域に隣接する値において実質的に一定である。

図７に明らかなように、濃度しきい値１９は、ガスセンシティブな層７とコーティング１８から形成される層列の温度に依存しており、温度の上昇に伴って連続的に上昇する。その場合に上昇は、温度に伴ってほぼ指数的に行われる。場合によっては、濃度測定にとって重要な領域内で指数的上昇に、線形に近づけることができる。

図１−３に示すガスセンサは、それぞれ図８に図式的にのみ示される温度調節装置２２を有しており、それを用いてガスセンシティブな層７及びコーティング１８の温度を調節することができる。温度調節装置２２の制御入力が、制御装置の操作信号出力２３と接続されており、その制御装置は、ガスセンシティブな層７及びコーティング１８の温度をそれぞれ次のように、即ち電位センサ２７のセンサ信号２０が、実質的に目標ガス濃度２１に依存せず、かつ第２のダイナミックレンジ３０内にあるように、調節するために用いられる。

制御装置は、比較装置２４を有しており、その比較装置は、電位センサ２７と接続された実際値入力と、目標値発生器２５と接続された目標値入力とを有している。比較装置２４の出力は、制御器２６を介して操作信号出力２３と接続されている。目標値発生器２５を用いて、目標値２８が目標値入力へ印加され、その目標値は第２のダイナミックレンジ３０内に位置し、従って、目標ガス濃度２１が濃度しきい値１９の上方にある場合に、電位センサ２７のセンサ信号２０が有する値に相当する。

ガスセンサ１の第１の駆動種類において、制御器２６は温度調節装置２２をそれぞれ次のように、即ち電位センサ２７のセンサ信号２０と目標値２８の間に偏差が発生した場合に、ガスセンシティブな層７及びコーティング１８の温度が、偏差を減少させる方向に変化するように、制御する。電位センサ２７のセンサ信号２０が、目標値２８と一致した場合には、ガスセンシティブな層７及びコーティング１８の温度が、目標ガス濃度２１のための尺度である。

第２の駆動種類において、温度調節装置２２を用いて、ガスセンシティブな層７及びコーティング１８の温度が、一定の値に調節される。代替的に、第２の駆動種類においては温度調節装置２２をオフにすることができるので、その場合にガスセンサ１の温度は、周囲温度にほぼ相当する。第２の駆動種類は、制御器２６によって求められた温度が、予め定められた温度最小値を下回った場合に、常にアクティブである。これは、例えば約６０−８０℃とすることができる。

第２の駆動種類において、目標ガス濃度２１は、電位センサ２７のセンサ信号２０の信号値に従って、かつ、例えば特性曲線の形式で存在することができる特性量に従って、求められる。第２の駆動状態において、信号評価は、従来のガスセンサのそれに実質的に相当する。温度最小値を上回るとすぐに、調節された温度に従って目標ガス濃度２１を定めるために、第１の駆動種類へ切り替えられる。従って、第１の駆動種類は、目標ガス濃度２１が高い場合、第２の駆動種類は、目標ガス濃度２１が低い場合に、適用される。

第１の駆動種類は、好ましくは目標ガスの濃度が１％と４％の間にある場合に、選択される。然るべき濃度領域は、実験的に求めることができる。この領域において、温度と目標ガス濃度２１との間に、ほぼ指数的な関係が得られる。それによって、本発明に基づくガスセンサ１は、この濃度領域内では、従来のガスセンサに比較して著しく改良された解明を可能にする。

１ ガスセンサ
２ 基板
３ ドレイン
４ ソース
５ チャネル領域
６ 支持体部分
７ ガスセンシティブな層
８ エアギャップ
９ 表面領域
１０ 絶縁層
１１ ゲート電極
１２ 電気的な接続線
１３ センサ電極
１４ 支持体
１５ 電極
１６ 端子
１７ 駆動装置
１８ コーティング
１９ しきい値
２０ センサ信号
２１ 目標ガス濃度
２２ 温度調節装置
２３ 操作信号出力
２４ 比較装置
２５ 目標値発生器
２６ 制御器
２７ 電位センサ
２８ 目標値
２９ 第１のダイナミックレンジ
３０ 第２のダイナミックレンジ

Claims (7)

1. 目標ガスの濃度を測定する方法であって、
   ガスセンサ(1)が準備され、
   第１のダイナミックレンジ(29)内では、前記ガスセンサのセンサ信号(20)は、一定の温度において前記目標ガス濃度(21)に依存し、かつ第１のダイナミックレンジ内では、第２のダイナミックレンジ(30)内におけるよりも小さい測定感度を有し、
   前記第１及び第２のダイナミックレンジ(29, 30)に対応づけられたガス濃度が、温度に依存し、かつ
   前記センサ信号(20)が前記目標ガス濃度に実質的に依存しないように、かつ前記センサ信号(20)が前記第２のダイナミックレンジ(30)内にあるように、前記ガスセンサ(1)の温度が制御され、かつ
   前記ガスセンサ(1)の温度が前記目標ガス濃度(21)のための尺度であり、
   前記センサ信号(20)がガスセンシティブな層(7)の仕事関数の測定によって検出され、 前記センサ信号(20)が、エアギャップ(8)を通してガスセンシティブな層(7)において容量的に測定され、
   前記ガスセンサがＳＧＦＥＴ、ＣＣＦＥＴ又はケルビンゾンデであることを特徴とする目標ガスの濃度を測定する方法。
2. 前記目標ガスについて前記ガスセンサ(1)がその最大の感度を有する作業点において、前記ガスセンサ(1)が駆動されるように、前記温度が制御される、請求項１記載の方法。
3. 前記ガスセンサ(1)の温度の制御が、求められた温度が予め定められた温度領域内にある場合にのみ行われ、かつ前記温度領域にある場合にこの温度領域の外部では、前記目標ガスの濃度が、前記ガスセンサ(1)の前記センサ信号(20)に従って定められる、請求項１又は２記載の方法。
4. 前記温度制御のために設けられた温度領域の外部では、前記温度が、一定の温度に調節される、請求項１ないし３いずれか１項に記載の方法。
5. 前記温度制御のために設けられた温度領域が、６０℃の上にある、請求項１ないし４いずれか１項に記載の方法。
6. 前記温度制御のために設けられた温度領域が、７０℃の上にある、請求項１ないし４いずれか１項に記載の方法。
7. 前記温度制御のために設けられた温度領域が、８０℃の上にある、請求項１ないし４いずれか１項に記載の方法。

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