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

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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