JP6233882B2 - ガスセンサ検出装置 - Google Patents

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Description

この発明は、MEMSガスセンサを用いるガス検出装置に関する。
Si基板の空洞部上に設けたブリッジあるいはダイアフラムに、金属酸化物半導体膜とヒータとを設けた、MEMSガスセンサが知られている。そしてMEMSガスセンサでは、活性炭等のフィルタにより、検出対象外の雑ガス、例えばエタノール、被毒ガス、例えばシロキサン化合物、水蒸気、等の影響を和らげる。
特許文献1(JP2013-61227)は、フィルタを雑ガスが通過していることから、フィルタの劣化を検出することを提案している。
特許文献2(JP2012-247239)は、MEMSガスセンサの特性がエタノール等の雑ガスにより変化することを開示している。
特許文献3(JP2007-309715)は、ヒータを内蔵しているフィルタを複数設け、アクチュエータによりフィルタを回転させて、フィルタを順番に用いることを提案している。そして用いていないフィルタをヒータにより加熱することにより、フィルタを再生するとしている。
JP2013-61227 JP2012-247239 JP2007-309715
特許文献1では、フィルタが劣化すると、MEMSガスセンサの交換等が必要になる。この一方で、特許文献2に記載のように、フィルタが劣化し、雑ガスが金属酸化物半導体、酸化触媒等のガス検出材料に長時間接触すると、ガスセンサの性能が変化する。
特許文献3は、フィルタをアクチュエータで回転させるため大がかりで、MEMSガスセンサに適用することは難しい。
またフィルタをヒートクリーニングすると雑ガス等が脱離し、雑ガスは誤検出の原因となると共に、MEMSガスセンサの特性変化の原因となる。
この発明の課題は、フィルタのヒートクリーニングに伴う誤検出もMEMSガスセンサの特性変化も起こさずに、MEMSガスセンサのフィルタをヒートクリーニングすることにある。
この発明のガス検出装置は、
Si基板の空洞部上に設けられた架橋部もしくはダイアフラムに、ガス検出材料とヒータとが設けられているMEMSチップと、前記MEMSチップが固定されているハウジングと、前記ハウジングに収容されているフィルタと、加熱により前記フィルタをヒートクリーニングするフィルタ用ヒータ、とを有するMEMSガスセンサと、
前記MEMSチップのヒータに電力を供給することにより、前記ガス検出材料を室温から検出対象ガスの検出温度まで昇温させる、ヒータドライブと、
検出対象ガスの検出温度でのMEMSチップの出力から、ガスを検出するガス検出部と、
前記フィルタ用ヒータに電力を供給するヒートクリーニング制御部、とを有し、
フィルタのヒートクリーニング中は、検出対象ガスの検出温度まで前記ガス検出材料を昇温させないように、前記ヒータドライブが構成されている。
ガス検出材料は、膜状の金属酸化物半導体あるいはビーズ状もしくは厚膜状の酸化触媒である。特許文献2に記載のように、雑ガス中で検出対象ガスの検出温度へガス検出材料を昇温させると、ガス検出材料の特性変化の原因となる。これに対してこの発明では、フィルタのヒートクリーニング中は、検出対象ガスの検出温度までガス検出材料を昇温させないので、ヒートクリーニングによりフィルタから脱離したガスが、ガス検出材料の特性を変化させることがない。またヒートクリーニング中は検出対象ガスを検出しないので、脱離したガスによる誤検出も生じない。そしてフィルタを再生することにより、ガス検出装置の信頼性を増すことができる。なお検出対象ガスの検出温度は、メタンの場合400〜500℃程度、LPG、水素等の場合、300〜400℃程度である。金属酸化物半導体の場合、フィルタが劣化すると、被毒による検出対象ガスへの感度の低下、抵抗値のドリフト等が生じ、接触燃焼式ガスセンサの場合、フィルタが劣化すると、被毒による感度の低下が生じる。金属酸化物半導体は例えばSnO2であるが、WO3等、種類は任意である。
好ましくは、フィルタのヒートクリーニング中及びヒートクリーニング後の所定時間の間は、検出対象ガスの検出温度までガス検出材料を昇温させない。ヒートクリーニング時間は例えば1分〜1時間程度で、ヒートクリーニング温度は100〜250℃が好ましい。ヒートクリーニングの所定時間は、ヒートクリーニング中にフィルタから脱離しガス検出材料側へ拡散したガスが、フィルタに再度吸着あるいは吸収されるまでの時間で、例えば1分〜1時間程度が好ましい。なおヒートクリーニング後に、ガス検出材料を雑ガス、水蒸気等の検出に適した温度まで昇温させて、脱離したガスの濃度が低下したかどうかを確認した後に、検出対象ガスの検出を再開しても良い。この場合、所定時間は一定ではなく、脱離したガスの濃度が低下するまでの時間である。
好ましくは、フィルタのヒートクリーニング中またはヒートクリーニング後の所定時間の間に、ガスの検出温度よりも低く、かつフィルタから脱離してガス検出材料に付着したガスを分解させずに脱離させる温度へ、ガス検出材料を間欠的に昇温させる。例えばフィルタから脱離したシロキサンに対して、分解せずにガス検出材料から脱離させることが好ましい。またエタノール、トルエン等の雑ガスを、ガス検出材料中で分解して重合したりすることなしに、脱離させることが好ましい。水蒸気を100℃付近で穏やかにガス検出材料から蒸発させることが好ましい。
上記の処理はヒータドライブで行い、温度は例えば80〜150℃で、好ましくは80〜130℃である。省電力のため、この温度へ間欠的にガス検出材料を加熱し、例えば30秒〜10分毎に0.03秒〜1秒加熱するなどのように周期的に加熱する。あるいはまた1秒〜10秒程度、所定期間の後半に、即ちガス検出温度への再加熱の前に1回、ガス検出材料を加熱する。これらの中間として、ヒートクリーニング中ととその後の所定期間中とに、合計2〜数回程度、ガス検出材料を加熱しても良い。
ハウジングはセラミックハウジングで、セラミックハウジングに、MEMSチップとフィルタと、フィルタ用ヒータを構成する膜状の配線とが設けられている。このようにすると、ハウジングに、特にハウジングの内面に、印刷あるいはインクジェットプリントを施すことにより、簡単にフィルタ用ヒータを設けることができる。
好ましくは、ハウジングは、MEMSチップが取り付けられているベースと、ベースに固定されている筒状のカバーとから成り、カバーの内部にフィルタが収容され、フィルタ用ヒータはテープ状のヒータで、ヒータ線と、ヒータ線を収容する絶縁層と、絶縁層の一面に設けれられた粘着層とを有し、カバーの外周にテープ状のヒータが取り付けられている。カバーは熱伝導率が高い金属性が好ましく、カバーの外周にテープ状のヒータを貼り付けると、フィルタ用ヒータを実装することができる。
ヒートクリーニングは例えば定期的に行うが、金属酸化物半導体ガスセンサの場合、ガス検出装置のフィルタ劣化検出部により、金属酸化物半導体を温度変化させた際の、出力電圧の波形からヒートクリーニングの要否を判別できる。このようにすると、ヒートクリーニングの要否を判別して、不要なヒートクリーニングを行わないようにできる。
特に好ましくはガス検出装置のフィルタ劣化検出部は、ヒートクリーニング中に金属酸化物半導体を温度変化させた際の、出力電圧の波形から、フィルタの汚染量の多寡を判別する。そして汚染量が多い際にヒートクリーニング時間を長くするか、ヒートクリーニング温度を上昇させ、汚染量が少ない際にヒートクリーニング時間を短縮する。このようにすると、ヒートクリーニングのための消費電力を減少させることができる。
好ましくは、フィルタを繊維状活性炭とする。繊維状活性炭は吸着と脱着とが速いので、MEMSチップまで周囲の雰囲気が到着するまでの時間を短縮でき、かつ短時間の加熱で再生できる。そして再生して使用し、かつ吸着が速いので、繊維状活性炭は少量で良く、脱着が速いことと相俟って、再生時の消費電力を特に少なくできる。
実施例で用いるMEMSガスセンサとプリント基板との断面図 図1のMEMSガスセンサとプリント基板との平面図 第2のMEMSガスセンサの分解状態を示す図 第2のMEMSガスセンサの断面図 第3のMEMSガスセンサの分解状態を示す図 テープ状ヒータを示す図 テープ状ヒータの断面図 第4のMEMSガスセンサの分解状態を示す図 第4のMEMSガスセンサでのフィルタ用ヒータと、MEMSチップ及びベースの平面図 第5のMEMSガスセンサの断面図 第5のMEMSガスセンサの要部を示す図 第5のMEMSガスセンサでのフィルタチップの要部断面図 実施例のガス検出装置のブロック図 図13でのマイクロコンピュータのブロック図 実施例のガス検出装置の動作を示すフローチャート 接触燃焼式MEMSガスセンサでのMEMSチップの要部平面図
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
MEMSガスセンサ
図1,図2に、第1のMEMSガスセンサ2を示す。4はMEMSチップで、例えばSi基板の空洞上に設けた架橋部、あるいはダイアフラムに、膜状のヒータと、厚膜のSnO2膜とを設け、これらに各々電極を接続する。空洞を設けるには、架橋部側からアンダーカットエッチングしても、ダイアフラムの反対側からエッチングしても良い。金属酸化物半導体の種類は、SnO2に限らず任意である。
6はセラミックのベースで、パッド及び端面配線、裏面配線等の配線22を有し、パッドとMEMSチップ4を例えばワイヤ7で接続する。ワイヤ7に代えて、フリップチップ等により接続しても良い。ベース6の周囲に角筒状あるいは円筒状の壁8を設け、壁8を蓋10により封じ、蓋10上に角筒状あるいは円筒状等のカバー14を設ける。そして蓋10内の開口12と、カバー14の開口16とを介し、周囲の雰囲気をMEMSチップ4の周囲へ拡散させる。またカバー14の内部にフィルタ18を収容し、カバー14の例えば内周面15、あるいはカバー14の蓋の裏面17に、フィルタ用ヒータ20の膜状の配線パターンをインクジェットプリント、印刷等により設ける。ヒータ20の材質は例えば酸化ルテニウム、W、Ag-Pd、SiC、Ni-Cr、Fe-Al-Cr等とし、例えばフィルタ18を100〜250℃、好ましくは150〜200℃程度に加熱する。またヒータ20に例えばカバー14と壁8等に沿った端面配線24を接続する。
フィルタ18の材料は、粒状活性炭、粉末状活性炭、シート状のゼオライト、気体を選択的に透過させる合成樹脂、等任意であるが、好ましくは繊維状の活性炭とする。特に繊維状の活性炭を、カバー14の内部のフィルタ収容部の形状に応じて、成型したものが好ましい。そしてこのような成型済みのフィルタを用いる場合、蓋10は無くても良い。
繊維状の活性炭は吸着と脱着とが共に速く、これを従来のガスセンサに比べ少量用いてフィルタ18とすると、周囲雰囲気がMEMSチップ4に達するまでの拡散時間を短縮でき、また短時間で吸着した雑ガス、水蒸気等を脱着させて再生できるので、再生に要する電力を減少させることができる。プリント基板26には配線30を設け、バンプ28等を介して、配線22と端面配線24とに接続する。なお繊維状の活性炭を用いるとは、繊維状の活性炭を合成繊維等と混紡したもの等を用いることも含まれる。
フィルタ18の再生での加熱温度は例えば100〜250℃、好ましくは150〜200℃で、加熱時間は例えば1分〜1時間で、再生を定期的に行う場合、頻度は例えば1日1回〜1月に1回程度とする。電池の電力で再生する場合、加熱時間は1分〜10分が好ましく、再生は1週間に1回〜1月に1回が好ましい。このようにすると再生の回数が不足することがある。そこで、ガスセンサ2を温度変化させる際の出力波形から、雑ガスの有無、あるいは高湿の雰囲気のためフィルタ18の調湿能力が飽和したことを検出し、再生を行うことが好ましい。
図3〜図12に他のMEMSガスセンサを示し、図1,図2のMEMSガスセンサに関する記載は、特に断らない限り、他のMEMSガスセンサにもそのまま当てはまる。特に、
・ フィルタの材質に繊維状活性炭が好ましい点、
・ 100〜250℃、好ましくは150〜200℃で、1分〜1時間程度、フィルタを加熱して再生することが好ましい点、
・ フィルタの加熱(ヒートクリーニング)後に、1分〜1時間程度待機し、フィルタからMEMSチップ側へ移動したガスがフィルタに再吸着されるまで待機する点、
・ 80〜150℃、好ましくは80〜130℃の温度で、金属酸化物半導体からヒートクリーニング時に付着したガスを脱離させることが好ましい点、
・ 再生を定期的に行う場合、1日1回〜1月に1回程度が好ましい点、
・ 電池の電力で再生する場合、1分〜10分の加熱が好ましく、再生は1週間に1回〜1月に1回とし、ガスセンサ2を温度変化させる際の出力波形から、雑ガスの有無、あるいはフィルタ18の調湿能力が飽和したことを検出し、再生を行うことが好ましい。この点は、各MEMSガスセンサに共通である。ガスセンサ毎の相違は、MEMSガスセンサのハウジングと、フィルタ用ヒータの配置で、他の点は共通である。
図3,図4のMEMSガスセンサ40では、ベース42上にMEMSチップ4を取り付ける。蓋42と壁43とにより、MEMSチップ4の収容スペースとフィルタ18の収容スペースを設け、孔44,45により、周囲雰囲気をMEMSチップ4へ導入する。フィルタ18を加熱するためのフィルタ用ヒータ46を、印刷等により例えばベース46に配線し、端面配線47,48等により、MEMSチップ4とヒータ46とを図示しないプリント基板側へ接続する。
図5〜図7のMEMSガスセンサ60では、テープ状ヒータ70を例えば金属のカバー54に貼り付けて、フィルタ用ヒータとする。61はベースで、MEMSチップ4が例えばダイボンドされて、ステム62にワイヤ7で接続され、金属の筒状カバー64はベース61に例えばカシメられている。カバー64の上部に収容したフィルタ18を、押さえリング65で固定する。なおフィルタ18として、フェルト状の繊維状活性炭をカバー64の内部の形状に合わせて成型したものを用いると、押さえリング65は不要である。66はガス導入用の開口である。
テープ状ヒータ70の構造を図6,図7に示し、Ni-Cr、Fe-Al-Cr等のヒータ線72(例えば絶縁被覆済み)を、ガラス繊維シート等の絶縁層74内に配置し、粘着層73により、カバー64に貼り付ける。また絶縁層74の保護と、テープ状ヒータ70内の伝熱、及び輻射熱を低減するため、例えばAuメッキを施した金属層75を設ける。そしてヒータ線72の端部を図示しないプリント基板等に接続する。ヒータ線は絶縁被覆済みであるが、フィルタ18を150℃に加熱すると、300℃程度に昇温するので、絶縁被覆の信頼性に問題が生じる。そこで絶縁層74が必要で、金属層75は無くても良い。
図8,図9のMEMSガスセンサ90では、ベース91にMEMSチップ4を例えばダイボンドし、ステム62に配線する。伝熱性と比熱とを低くするため、合成樹脂あるいは多孔質のセラミック等の筒状カバー93をベース91に取り付け、カバー93の内部にフィルタ94を収容する。そしてコイル状のフィルタ用ヒータ92により、フィルタ94を再生する。なおステム62を、MEMSチップ4に4本、ヒータ92に2本で、例えば合計6本設ける。
図10〜図12のMEMSガスセンサ110では、MEMSチップ4上に、フィルタチップ112をマウントする。フィルタチップ112は、貫通孔115上にダイアフラム114を備え、ダイアフラム114には開口120が有る。ダイアフラム114上に、フィルタ用ヒータ118とフィルタ116とが有り、フィルタ116は繊維状の活性炭等でも良いが、好ましくは貴金属を担持しかつ高い酸化活性を有する空気浄化触媒とし、厚膜状である。このような空気浄化触媒には例えばホプカライト等があり、失活しやすいので、ヒータ118により再生する。またヒータ118は、例えばワイヤ7’、あるいは端面配線等により、MEMSチップ4側へ配線する。122はセラミックのベース、124はセラミックのカバーで、125は開口である。
なおフィルタチップ112の貫通孔115に開口120を設ける代わりに、ヒータ118とフィルタ126の成膜後に、ダイアフラム114を除去しても良い。フィルタ116は全体が貫通孔115に面する位置に有る必要はなく、貫通孔115から外れた位置まで広がっていても良い。貫通孔115から外れた位置では、フィルタ116を再生することは難しく、この部分は使い捨てのフィルタとして使用する。
ガス検出装置
図13〜図15にガス検出装置を示す。図13において、μ1はマイクロコンピュータで、T1〜T3はトランジスタ等のスイッチ、E1はリチウムイオン電池等の電池で、1次電池でも2次電池でも良い。ガス検出装置を携帯用とする場合、好ましくは2次電池を用い、不使用時に充電器E2から充電する。RHはMEMSチップ内のヒータで、金属酸化物半導体の加熱用であり、RSはガス検出用の金属酸化物半導体である。RLは負荷抵抗、RFはフィルタ用ヒータである。
図14はマイクロコンピュータμ1の構成を示し、ヒータドライブ151は、スイッチT1を制御し、ヒータRHへの電力を制御する。VCドライブ152は、スイッチT2を制御し、金属酸化物半導体RSと負荷抵抗RLとの直列片に検出電圧VCをパルス的に加える。ADコンバータ153は、負荷抵抗RLへの電圧等から、金属酸化物半導体RSの抵抗値等を、即ちMEMSガスセンサの出力を読み込む。MEMSガスセンサの金属酸化物半導体は、例えば30秒〜1分等の周期で、室温、雑ガスと水蒸気等の検出用の温度(例えば100〜250℃で、例えば40msec〜1sec)、メタン検出用の温度(例えば400〜500℃で例えば100msec)の順に温度変化する。ただし雑ガスと水蒸気等の検出用の温度は毎回経験させる必要はなく、例えば1時間に1回、あるいは1日に1回程度経験させても良い。ガス検出部154は、MEMSガスセンサの出力から検出対象ガスを検出し、例えば400〜500℃付近の出力からメタンを検出でき、300〜400℃付近の出力からLPG、水素等を検出できる。
フィルタ劣化検出部155は、例えば100〜250℃付近の出力波形から、フィルタを通過した雑ガス、及び金属酸化物半導体に多量の水蒸気が吸着していることを検出する。雑ガスがフィルタを通過すると、室温からこれらの温度に昇温させる際に、金属酸化物半導体RSの抵抗値は一端極小値を示した後に、再度増加するので、極小値の深さから雑ガスを検出できる。被毒ガスもしばしば同様にして検出できる。高湿雰囲気等で、多量の水蒸気が金属酸化物半導体に吸着すると、室温から100〜250℃程度に昇温させた際に、金属酸化物半導体RSの抵抗値は緩慢に低下して、温度上昇に伴う抵抗値の低下率が減少する。即ち、金属酸化物半導体の温度を室温から100〜250℃付近へ上昇させる際に、抵抗値の極小値が生じず、常湿の場合よりも抵抗が緩慢に減少する。なお100〜250℃付近の温度を特には作らず、室温から400〜500℃への温度上昇を緩やかにしても、同様にして雑ガス、被毒ガス、水蒸気を検出できる。
ヒートクリーニング制御部156は、例えば定期的に、フィルタ用ヒータを動作させ、ヒートクリーニングにより、フィルタを再生する。好ましくは、フィルタ劣化検出部155が、フィルタを通過した雑ガスあるいは水蒸気を検出した際に、ヒートクリーニングを行い、不要なヒートクリーニングを省略する。外部出力157は、検出対象ガス、例えばメタン、を検出したこと、電池E1の寿命が接近していること、フィルタが劣化し、ヒートクリーニング中もしくはヒートクリーニングから所定時間経過前でガスを検出できないこと、等を出力する。管理部158は、ガス検出装置に関するデータ、例えばガスの検出履歴、電池の起電力、ヒートクリーニングの回数、フィルタの劣化状況等を記憶し、ガス検出装置を管理する。
図15に、ガス検出装置の動作を示す。ステップ1で、MEMSチップのヒータを周期的に(例えば30秒周期)動作させ、例えば室温、雑ガスと水蒸気検出用の温度(100〜250℃)、メタンの検出用の温度(400〜500℃)の順に、金属酸化物半導体の温度を変化させる。なおLPG、水素を検出する場合、検出用の温度は例えば300〜400℃である。雑ガスと水蒸気検出用の温度(100〜250℃)は、毎サイクル、経験させる必要はなく、ヒートクリーニングの要否を判別するため、例えば1時間に1回〜1日に1回等の頻度で、複数周期毎に1回経験させても良い。ステップ2でメタン等の検出対象のガスを検出し、ガスが有れば外部へ出力する。
ステップ3で、雑ガスと水蒸気の検出用の温度(例えば100〜250℃)での、金属酸化物半導体の抵抗値の波形(MEMSガスセンサの出力波形)から、フィルタの劣化の有無を判断する。ステップ4で、前回のヒートクリーニングから所定時間以上使用したか否かを判断し、ステップ3でフィルタの劣化を検出した場合、もしくはステップ4で前回のヒートクリーニングから所定時間以上経過したことを検出した場合、ステップ5でフィルタが劣化している可能性が有り、ヒートクリーニングが必要とする。なおステップ3,4の双方ではなく、一方のみを実行しても良い。
ステップ6でフィルタをヒートクリーニングし、この間、ガスの検出を停止して、メタン検出用の温度に金属酸化物半導体を加熱しない。ヒートクリーニングにより雑ガスは脱離もしくは分解し、シロキサン等の被毒ガスは分解し、水蒸気は脱離する。そしてヒートクリーニングの間、MEMSチップのヒータをオフして、金属酸化物半導体を室温に保っても良い。しかし好ましくは、間欠的に100℃程度に、好ましくは80〜130℃、より広くは80〜150℃に間欠的に加熱して、フィルタから脱離したガスが、金属酸化物半導体に吸着することを防止する。この温度でフィルタから金属酸化物半導体に付着したガスは分解せずに脱離する。この温度へ、例えば30秒〜10分毎に0.03秒〜1秒間など、周期的に加熱しても良い。あるいはまた1秒〜10秒間程度、所定期間の後半に、即ちガス検出温度への再加熱の前に1回、ガス検出材料を加熱しても良い。これらの中間として、ヒートクリーニング中ととその後の所定期間中とに、合計2〜数回程度、ガス検出材料を加熱しても良い。
このようにすると、脱離した雑ガスが400〜500℃等の温度で不揮発性の化合物に変化することを防止でき、また脱離した被毒ガスが金属酸化物半導体中で分解して蓄積されることを防止できる。ヒートクリーニング時のフィルタの温度は例えば100〜250℃、好ましくは150〜200℃で、ヒートクリーニング時間は例えば1分〜1時間で、好ましくは1分〜10分である。
ヒートクリーニングの時間と温度は一定でも良いが、好ましくはステップ8でフィルタの汚染の程度を判別し、ステップ9でヒートクリーニングの時間と温度とを決定する。例えばヒートクリーニング時間を最低1分以上とし、温度を150℃以上とすると、ヒートクリーニングの開始から1分後にはフィルタから脱離した雑ガス、水蒸気等がMEMSチップの金属酸化物半導体に到達している。そこでステップ3と同様に、MEMSチップの金属酸化物半導体を室温から100〜250℃程度に昇温させ、この時のMEMSガスセンサの出力波形、即ち金属酸化物半導体の抵抗値の波形から、脱離した雑ガスの多寡、水蒸気の多寡を検出できる。なおこの処理を、脱離した雑ガス、水蒸気等が金属酸化物半導体に吸着することを防止するための加熱と兼用しても良い。フィルタから脱離する雑ガス及び水蒸気の多寡に応じて、ヒートクリーニング時間、ヒートクリーニング温度等を制御する。雑ガスもしくは水蒸気が多い場合、ヒートクリーニング時間を延長し、あるいはこれに加えてヒートクリーニング温度を増し、少ない場合、ヒートクリーニングを打ち切る。
ステップ10で、ヒートクリーニングを終了させる。この後も、例えば1分〜1時間程度、即ちフィルタから脱離してMEMSチップ側へ拡散したガスがフィルタに再吸着されるまでの時間、ガスの検出を停止して、メタン検出用の温度に金属酸化物半導体を加熱しない(ステップ11)。なおステップ3,8と同様にして雑ガスと水蒸気の多寡を判別し、フィルタから脱離してMEMSチップ側へ拡散したガスが、フィルタに再吸着あるいは再吸収されたことを確認した後に、検出対象ガスの検出を再開、即ち検出対象ガスの検出温度への加熱を再開しても良い。
ヒートクリーニングの間、及びヒートクリーニング終了後で、かつMEMSチップ側へ拡散したガスがフィルタに再吸着されるまでの間、ガスの検出を行わない。そこでヒートクリーニング中とその後の所定時間は、外部出力を介し、ヒートクリーニング中でガスを検出できない旨を、外部へ出力する。
なおガス検出装置が携帯用の場合、例えば不使用時に電池E1を充電器E2から充電し、これと同時にフィルタのヒートクリーニングを行うことが好ましい。
接触燃焼式MEMSガスセンサを用いる実施例
図16に、接触燃焼式MEMSガスセンサのMEMSチップ160を示す。チップ160の空洞162上に一対の架橋部164が設けられ、例えば4本あるいは2本等の脚163により支持されている。架橋部164にはPt膜等のヒータパターン166が設けられている。また架橋部164は開口168を備えて、ガスが架橋部164の裏面まで拡散しやすくしているが、開口168は設けなくても良い。そして一対の架橋部164の一方を、γ-Al2O3-Pd等の酸化触媒のビーズあるいは厚膜で被覆して検出片とし、他方をγ-Al2O3等の触媒活性の低いビーズあるいは厚膜で被覆して参照片とする。MEMSチップ160は図1〜図12の金属酸化物半導体ガスセンサと同様のハウジングに実装し、ヒータ付きのフィルタを備えるMEMS接触燃焼式ガスセンサとする。フィルタは繊維状活性炭が好ましく、フィルタとそのヒートクリーニングとに関する、MEMS金属酸化物半導体ガスセンサでの記載は、そのままMEMS接触燃焼式ガスセンサにも当てはまる。またヒートクリーニング中及びその後の所定時間の間、
・ 検出片と参照片をガス検出温度へ加熱せず、
・ 間欠的に80〜150℃、好ましくは80〜130℃で例えば100℃のガスの脱離温度へ加熱して、ヒートクリーニングによりフィルタから脱離し検出片と参照片に吸着したガスを、脱離させる、
点は図15と同様である。
MEMS接触燃焼式ガスセンサの場合、フィルタは被毒ガスから検出片の酸化触媒を保護する。仮にフィルタをシロキサン、トルエン等の被毒ガスが通過すると、メタン感度の低下等が生じる。またシロキサン等が有機溶媒と共に発生している場合、メタンの検出温度よりも低い250〜350℃程度で、有機溶媒の燃焼により、接触燃焼式ガスセンサから出力が生じるので、フィルタの汚染を検出することができる。
MEMS接触燃焼式ガスセンサのドライブでは、検出片と参照片との直列片と、一対の抵抗とでブリッジ回路を構成し、間欠的にヒータ電力を加える。例えば30秒周期で0.1秒〜0.3秒間、例えばメタンの検出温度(約500℃)へ、検出片と参照片を加熱する。そしてブリッジ回路の出力から、メタン等のガスを検出する。このため図13のスイッチT1により、ブリッジ回路に電力を間欠的に加える。定期的に、あるいはこれに加えて、メタンの検出温度よりも低い300〜350℃程度で、接触燃焼式ガスセンサから出力が生じた際に、フィルタをヒートクリーニングする。このため図14のマイクロコンピュータμ1と同様に、ヒートクリーニング部156と、フィルタ劣化検出部155とを設ける。またヒートクリーニング中及びその後の所定期間は、検出片と参照片とをメタンの検出温度へ加熱せずに、被毒ガスを分解せずに脱離させる温度(例えば80〜130℃)に間欠的に加熱し、フィルタから脱離したガスが酸化触媒に蓄積されないようにする。
2 MEMSガスセンサ
4 MEMSチップ
6 ベース
7 ワイヤ
8 壁
10 蓋
12,16 開口
14 カバー
18 フィルタ
20 フィルタ用ヒータ
22 配線
24 端面配線
26 プリント基板
28 バンプ
30 配線
40 MEMSガスセンサ
41 ベース
42 蓋
43 壁
44,45 孔
46 フィルタ用ヒータ
47,48 端面配線

60 MEMSガスセンサ
61 ベース
62 ステム
64 カバー
65 押さえリング
66 開口
70 テープ状ヒータ
72 ヒータ線
73 粘着層
74 絶縁層
75 金属層
90 MEMSガスセンサ
91 ベース
93 カバー
92 フィルタ用ヒータ
94 フィルタ
110 MEMSガスセンサ
112 フィルタチップ
114 ダイアフラム
115 貫通孔
116 フィルタ
118 フィルタ用ヒータ
120 開口

151 ヒータドライブ
152 VCドライブ
153 ADコンバータ
154 ガス検出部
155 フィルタ劣化検出部
156 ヒートクリーニング制御部
157 外部出力
158 管理部

160 MEMSチップ
162 空洞
163 脚
164 架橋部
166 ヒータパターン
168 開口

μ1 マイクロコンピュータ
E1 電池
E2 充電器
T1〜T3 スイッチ
RH ヒータ
RS 金属酸化物半導体
RL 負荷抵抗
RF フィルタ用ヒータ

Claims (7)

  1. Si基板の空洞部上に設けられた架橋部もしくはダイアフラムに、ガス検出材料とヒータとが設けられているMEMSチップと、前記MEMSチップが固定されているハウジングと、前記ハウジングに収容されているフィルタと、加熱により前記フィルタをヒートクリーニングするフィルタ用ヒータ、とを有するMEMSガスセンサと、
    前記MEMSチップのヒータに電力を供給することにより、前記ガス検出材料を室温から検出対象ガスの検出温度まで昇温させる、ヒータドライブと、
    検出対象ガスの検出温度でのMEMSチップの出力から、ガスを検出するガス検出部と、
    前記フィルタ用ヒータに電力を供給するヒートクリーニング制御部、とを有し、
    フィルタのヒートクリーニング中は、検出対象ガスの検出温度まで前記ガス検出材料を昇温させないように、前記ヒータドライブが構成されている、ガス検出装置。
  2. フィルタのヒートクリーニング中及びヒートクリーニング後の所定時間の間は、検出対象ガスの検出温度まで前記ガス検出材料を昇温させないように、前記ヒータドライブが構成されていることを特徴とする、請求項1のガス検出装置。
  3. フィルタのヒートクリーニング中またはヒートクリーニング後の前記所定時間の間に、ガスの検出温度よりも低く、かつフィルタから脱離してガス検出材料に付着したガスを脱離させる温度へ、前記ガス検出材料を間欠的に昇温させるように、前記ヒータドライブが構成されていることを特徴とする、請求項2のガス検出装置。
  4. 前記ハウジングはセラミックハウジングで、
    セラミックハウジングに、前記MEMSチップと前記フィルタと、前記フィルタ用ヒータを構成する膜状の配線とが設けられていることを特徴とする、請求項1〜3のいずれかのガス検出装置。
  5. 前記ハウジングは、前記MEMSチップが取り付けられているベースと、ベースに固定されている筒状のカバーとから成り、カバーの内部に前記フィルタが収容され、
    前記フィルタ用ヒータはテープ状のヒータで、ヒータ線と、ヒータ線を収容する絶縁層と、絶縁層の一面に設けれられた粘着層とを有し、前記カバーの外周に前記テープ状のヒータが取り付けられている、ことを特徴とする、請求項1〜3のいずれかのガス検出装置。
  6. 前記ガス検出材料は金属酸化物半導体で、金属酸化物半導体を温度変化させた際の出力電圧の波形からヒートクリーニングの要否を判別する、フィルタ劣化検出部を備えていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかのガス検出装置。
  7. フィルタ劣化検出部はさらに、ヒートクリーニング中に前記金属酸化物半導体を温度変化させた際の、前記出力電圧の波形から、フィルタの汚染量の多寡を判別するように構成され、
    汚染量が多い際にヒートクリーニング時間を長くするか、ヒートクリーニング温度を上昇させ、汚染量が少ない際にヒートクリーニング時間を短縮するようにされていることを特徴とする、請求項6のガス検出装置。
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