JP6410542B2 - ガスセンサおよびガス検出器 - Google Patents

Description

本発明は、基板に設けられたガス感応体と、検知対象ガスが前記ガス感応体に接触したことを検知する検知部と、ガス感応体を加熱する加熱部とを有するガスセンサおよびガス検出器に関する。

省電力化、小型化のため、ＭＥＭＳ技術（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）を利用したガスセンサが開発されている。そのようなガスセンサには、ガス感応体と検知部（電極）と加熱部（ヒータ）とが基板に設けられて、その基板が複数の架橋部により宙吊りの状態で支持されたものがある。このタイプのガスセンサは、その宙吊り構造により基板から熱が逃げにくいため、省電力の面で有利である。

特許文献１のガスセンサでは、薄膜ヒータのオンオフに伴いベースに働く熱応力を緩和するために、センサ中央の孔の一方で他方に比べて薄膜ヒータの配線が１本少なくされ、かつ、ダミーの配線が少なくとも１本設けられている。

特開２０１２−９８２３２号公報

従来のガスセンサは、短期的な湿度変化の影響を受けて出力が変動したり、長期の使用により感度が低下する問題があった。発明者は鋭意検討の末、これらの問題の原因が、基板上のガス感応体の温度不均一に起因すると思い至った。

例えば上述の宙吊り構造のガスセンサでは、基板を支持する複数の架橋部のうち、ヒータへ給電する配線が設けられた架橋部（第１架橋部）は、通電による配線の発熱やヒータからの熱伝導によって温度が上昇する。一方、そのような配線が設けられていない架橋部（第２架橋部）では、第１架橋部のような温度上昇はみられない。すると、第２架橋部を通じた熱の流出が大きくなるため、第２架橋部と基板との接続部ではガス感応体の温度が他の場所よりも低くなる。

また宙吊り構造でなくても、省電力化のため基板の熱的絶縁性を考慮した構造のガスセンサにおいては、基板の構造・形状や基板周辺の回路要素の配置等により、基板上のガス感応体に温度の高い部位と低い部位が生じる場合がある。

ガス感応体としては酸化スズ等の酸化物半導体やガスに対する触媒活性をもつ物質が用いられるが、低温の部位では湿度による感度変化が大きかったり、湿度により徐々に影響を受けて感度が低下するものと考えられる。

なお小型のガスセンサにおいては、さらなる消費電力の低減のためパルス駆動、すなわちヒータへの通電とガス検知とが間欠的に行われる場合がある。このような場合には上述の問題がより顕著に現れると考えられる。すなわちガス感応体は大部分の期間で常温であり、空気中の水分に晒される。この間にガス感応体に付着した水分は、加熱期間中に放出される筈であるが、上述の低温部分においては放出が十分でなく、徐々に水分が蓄積して感度低下を引き起こすと考えられる。

本発明は上述の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサと、そのガスセンサを用いたガス検出器を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明に係るガスセンサの特徴構成は、基板に設けられたガス感応体と、検知対象ガスが前記ガス感応体に接触したことを検知する検知部と、測定時に前記ガス感応体を所定の検知温度以上に加熱する加熱部とを有するガスセンサであって、前記基板は、前記基板の接続端部に接続された架橋部によって支持基板に支持されており、前記検知部は前記ガス感応体に設けられた一対の電極を有し、前記検知部は一対の前記電極の間の抵抗値の変化に基づいて前記検知対象ガスを検知し、前記ガス感応体は、測定時に前記検知温度以上の温度となる適温部位と、測定時に前記検知温度未満の温度となる低温部位とを有し、前記架橋部は、前記加熱部に給電する給電線が設けられた第１架橋部と、前記給電線が設けられない第２架橋部とを有し、前記低温部位には、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極が配置されないことを特徴とする点にある。
また、前記接続端部のうち、前記第２架橋部が接続される第２接続端部が前記低温部位に接触していると好ましい。

上記の特徴構成によれば、検知部はガス感応体に設けられた一対の電極を有し、検知部は一対の電極の間の抵抗値の変化に基づいて検知対象ガスを検知し、ガス感応体は、測定時に検知温度以上の温度となる適温部位と、測定時に検知温度未満の温度となる低温部位とを有し、低温部位には、一対の電極のうち少なくとも一方の電極が配置されないので、低温部位のガス感応体は一方の電極までの距離が適温部位に比べて大きくなる。すると、本発明のガスセンサにおいて検知部は一対の電極の間の抵抗値の変化に基づいて検知対象ガスを検知するところ、検知出力に対する低温部位の寄与は、適温部位に比べて小さくなる。

説明を追加すると、本発明のガスセンサにおいて一対の電極の間の抵抗値は、一方の電極からガス感応体の一部分を通って他方の電極に至る全ての経路の抵抗値を用いて、それらの並列の合成抵抗で与えられる。すなわち、電極間抵抗値Ｒは各経路抵抗値ｒｉを用いて次のように計算される。
１／Ｒ＝１／ｒ１＋１／ｒ２＋１／ｒ３＋・・・・ （式１）
ここで経路抵抗値ｒｉが大きくなると、１／ｒｉの値は小さくなるので、ｒｉの値が変化したときにＲに与える影響度は小さくなる。

低温部位に少なくとも一方の電極が配置されないことで、低温部位のガス感応体は、一方の電極までの距離が（適温部位に比べて）大きくなる。すると、低温部位を通る経路の抵抗値は（適温部位に比べて）大きくなるので、低温部位の抵抗値が変化したときに電極間抵抗値に与える影響度は小さくなる。すなわち、検知対象ガスがガス感応体の低温部位に接触した場合の検知部の出力変化（電極間抵抗値の変化）は、適温部位に比べて小さくなる。

すなわち上記の特徴構成によれば、一対の電極のうち少なくとも一方の電極が低温部位に配置されないことにより、検知部による検知出力に対する低温部位の寄与が、適温部位に比べて小さくなる。したがって、低温部位において湿度による感度変化や長期的な感度低下が生じたとしても、ガスセンサの出力に対する影響を小さくすることができ、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサを実現することができる。

なお上記の特徴構成により、電極間抵抗値Ｒは増加することになるので、検知対象ガスに対する感度自体は小さくなる可能性がある。しかしながら上記の特徴構成により、センサ出力に対する低温部位の寄与度を小さくすることができ、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下を抑制することができる。
加えて、基板は、基板の接続端部に接続された架橋部によって支持基板に支持されており、架橋部は、加熱部に給電する給電線が設けられた第１架橋部と、給電線が設けられない第２架橋部とを有しているので、上述の宙吊り構造のガスセンサとなる。よって、基板から熱が逃げにくいため、省電力の面で有利である。
更に、基板の接続端部のうち、第２架橋部が接続される第２接続端部が低温部位に接触していると、第２架橋部により熱が流出して低温部位のガス感応体がより低温となっても、ガス感応体の低温部位が検知部の検知結果に及ぼす影響が小さくなっているので、低温部位において湿度による感度変化や長期的な感度低下が生じたとしても、ガスセンサの出力に対する影響を小さくすることができ、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサを実現することができる。

上記目的を達成するための本発明に係るガスセンサの特徴構成は基板に設けられたガス感応体と、検知対象ガスが前記ガス感応体に接触したことを検知する検知部と、測定時に前記ガス感応体を所定の検知温度以上に加熱する加熱部とを有するガスセンサであって、前記基板は、前記基板の接続端部に接続された架橋部によって支持基板に支持されており、前記検知部は前記ガス感応体に設けられた一対の電極を有し、前記検知部は一対の前記電極の間の抵抗値の変化に基づいて前記検知対象ガスを検知し、前記ガス感応体は、測定時に前記検知温度以上の温度となる適温部位と、測定時に前記検知温度未満の温度となる低温部位とを有し、前記架橋部は、前記加熱部に給電する給電線が設けられた第１架橋部と、前記給電線が設けられない第２架橋部とを有し、前記基板には、一方の前記電極からの距離と他方の前記電極からの距離との和が所定の測定寄与距離以下となる部位である測定寄与部位が存在し、前記測定寄与部位が平面視において前記低温部位と重複して設けられないことを特徴とする点にある。
また、前記接続端部のうち、前記第２架橋部が接続される第２接続端部が前記低温部位に接触していると好ましい。

上記の特徴構成によれば、検知部はガス感応体に設けられた一対の電極を有し、検知部は一対の電極の間の抵抗値の変化に基づいて検知対象ガスを検知し、ガス感応体は、測定時に検知温度以上の温度となる適温部位と、測定時に検知温度未満の温度となる低温部位とを有し、基板には、一方の電極からの距離と他方の電極からの距離との和が所定の測定寄与距離以下となる部位である測定寄与部位が存在し、測定寄与部位が平面視において低温部位と重複して設けられないので、ガス感応体の低温部位から検知部の検知結果に及ぼす影響が小さくなる。

測定寄与部位は、一方の電極からの距離と他方の電極からの距離との和が所定の測定寄与距離以下となる基板上の部位であり、一対の電極の形状および配置によって定まる部位である。上述の通り、電極からの距離に応じて電極間抵抗値Ｒすなわち検知部の検知結果に及ぼす影響度合いが変化するので、測定寄与部位に位置するガス感応体は、それ以外の部位に位置するガス感応体に比べて検知部の検知結果への寄与が大きい。

すなわち、測定寄与部位が平面視において低温部位と重複して設けられないことにより、ガス感応体の低温部位が検知部の検知結果に及ぼす影響を小さくできる。したがって、低温部位において湿度による感度変化や長期的な感度低下が生じたとしても、ガスセンサの出力に対する影響を小さくすることができ、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサを実現することができる。

ここで測定寄与部位はできるだけ大きくする方が、検知対象ガスに対するガスセンサの感度を大きくできると考えられる。しかしながら上記の特徴構成により、センサ出力に対する低温部位の寄与度を小さくすることができ、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下を抑制することができる。
加えて、基板は、基板の接続端部に接続された架橋部によって支持基板に支持されており、架橋部は、加熱部に給電する給電線が設けられた第１架橋部と、給電線が設けられない第２架橋部とを有しているので、上述の宙吊り構造のガスセンサとなる。よって、基板から熱が逃げにくいため、省電力の面で有利である。
更に、基板の接続端部のうち、第２架橋部が接続される第２接続端部が低温部位に接触していると、第２架橋部により熱が流出して低温部位のガス感応体がより低温となっても、ガス感応体の低温部位が検知部の検知結果に及ぼす影響が小さくなっているので、低温部位において湿度による感度変化や長期的な感度低下が生じたとしても、ガスセンサの出力に対する影響を小さくすることができ、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサを実現することができる。

上記目的を達成するための本発明に係るガスセンサの特徴構成は、基板に設けられたガス感応体と、検知対象ガスが前記ガス感応体に接触したことを検知する検知部と、測定時に前記ガス感応体を所定の検知温度以上に加熱する加熱部とを有するガスセンサであって、前記基板に、前記検知部と前記加熱部とを兼ねる導電体である検知加熱部が設けられ、前記ガス感応体は、測定時に前記検知温度以上の温度となる適温部位と、測定時に前記検知温度未満の温度となる低温部位とを有し、前記低温部位に前記検知加熱部が配置されないことを特徴とする点にある。

上記の特徴構成によれば、ガス感応体は、測定時に検知温度以上の温度となる適温部位と、測定時に検知温度未満の温度となる低温部位とを有し、低温部位に検知加熱部が配置されないので、低温部位が検知加熱部の検知結果に及ぼす影響を小さくすることができる。したがって、低温部位において湿度による感度変化や長期的な感度低下が生じたとしても、ガスセンサの出力に対する影響を小さくすることができ、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサを実現することができる。

ここで検知加熱部は基板の全面に配置する方が、検知対象ガスに対するガスセンサの感度を大きくできると考えられる。しかしながら上記の特徴構成により、センサ出力に対する低温部位の寄与度を小さくすることができ、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下を抑制することができる。

本発明に係るガスセンサの別の特徴構成は、前記基板は、前記基板の接続端部に接続された架橋部によって支持基板に支持されており、前記架橋部は、前記加熱部に給電する給電線が設けられた第１架橋部と、前記給電線が設けられない第２架橋部とを有し、前記接続端部のうち、前記第２架橋部が接続される第２接続端部が前記低温部位に接触している点にある。

上記の特徴構成によれば、基板は、基板の接続端部に接続された架橋部によって支持基板に支持されており、架橋部は、加熱部に給電する給電線が設けられた第１架橋部と、給電線が設けられない第２架橋部とを有し、接続端部のうち、第２架橋部が接続される第２接続端部が低温部位に接触しているので、上述の宙吊り構造のガスセンサとなる。第２架橋部により熱が流出して低温部位のガス感応体がより低温となっても、ガス感応体の低温部位が検知部の検知結果に及ぼす影響が小さくなっているので、低温部位において湿度による感度変化や長期的な感度低下が生じたとしても、ガスセンサの出力に対する影響を小さくすることができ、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサを実現することができる。

本発明に係るガスセンサの別の特徴構成は、前記ガス感応体が酸化物半導体を主成分とする点にある。

上記の特徴構成によれば、ガス感応体が酸化物半導体を主成分とするので、高感度なガス感応体を用いつつ短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサを実現できる。酸化物半導体としては、例えば、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化鉄などの遷移金属酸化物や酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化インジウム、酸化スズ、酸化アンチモン等の金属酸化物を用いることができる。

本発明に係るガスセンサの別の特徴構成は、前記検知温度が３５０℃以上５５０℃以下である点にある。

上記の特徴構成によれば、検知温度が３５０℃以上５５０℃以下であるので、ガス感応体の温度を高くしてセンサ感度を高く保ちつつ、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサを実現できる。

上記目的を達成するための本発明に係るガス検出器の特徴構成は、上述のガスセンサと前記ガスセンサの出力に基づいて前記検知対象ガスに関係したガス情報を出力する出力部を有することを特徴とする。

上記の特徴構成によれば、上述のガスセンサと前記ガスセンサの出力に基づいて前記検知対象ガスに関係したガス情報を出力する出力部を有するので、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制され、信頼性の高いガス検出器を実現することができる。

ガスセンサの構造を示す斜視図 ガスセンサの構造を示す断面図 第１実施形態に係る半導体式ガスセンサの上面図 第１実施形態に係る半導体式ガスセンサの上面図 第２実施形態に係る熱線型半導体式ガスセンサの上面図 第３実施形態に係る半導体式ガスセンサの上面図 比較例の半導体式ガスセンサの上面図 短期湿度影響の試験結果を示すグラフ 長期湿度影響の試験結果を示すグラフ 長期湿度影響の試験結果を示すグラフ

＜第１実施形態＞
まず図１および図２を用いて第１実施形態に係る半導体式ガスセンサ１ａ（ガスセンサ１）の構造と動作を説明する。図１の斜視図に示す通り、半導体式ガスセンサ１ａでは、ガス感応体５０が上面に設けられた基板１０が、第１架橋部２１と第２架橋部２２とによって宙吊りの状態で、支持基板２に支持される。基板１０の下側は空洞部３となっている。半導体式ガスセンサ１ａは、その構造全体がＭＥＭＳ技術により形成されている。例えば支持基板２にはシリコンが用いられる。

図２は図１のII−IIによる断面図である。図２に示す通り、基板１０は、ベース１１と、ベース１１の上に順に積層された薄膜状のヒータ３０および絶縁層１２とからなる。そして基板１０の上に一対の電極４１、４２（検知部４０）とガス感応体５０とが積層されている。例えばベース１１および絶縁層１２にはＳｉＯ₂が、ヒータ３０および電極４１、４２には白金等が用いられる。ガス感応体５０には、その電気抵抗値が検知対象ガスの存在や濃度により変化する酸化物半導体を主成分とするものが用いられる。酸化物半導体としては、例えば、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化鉄などの遷移金属酸化物や酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化インジウム、酸化スズ、酸化アンチモン等の金属酸化物を用いることができる。特に、酸化スズ、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタン等を主成分とするのが好適である。

一対の電極４１、４２は櫛歯状に形成されており、一方の電極の櫛歯の隙間に、他方の電極の櫛歯が入り込む態様で、一定の間隔を空けて配置されている。

ヒータ３０は、第１架橋部２１に設けられた給電線２３を通じて給電され、発熱し、ガス感応体５０を所定の検知温度以上に加熱する。加熱されたガス感応体５０は、検知対象ガスと接触すると抵抗値が変化する。一対の電極４１と４２は、ガス感応体５０に接触した状態で対向して配置されており、ガス感応体５０の抵抗値が変化すると、電極４１と電極４２の間の抵抗値が変化する。その抵抗値変化は、第２架橋部２２に設けられた検知線２４を通じて外部に取り出され、図示しない検出回路等により半導体式ガスセンサ１ａの出力に変換される。なお上述の加熱・検出の動作は、省電力の目的のため、いわゆる間欠駆動またはパルス駆動にて行われ、２０秒から６０秒程度の所定の間隔で、１００μｓｅｃ〜１００ｍｓｅｃ程度の極めて短い時間で行われる。例えば３０秒の間隔をおいて１００ｍｓｅｃの間行われる。また、上述の検知温度は、ガス感応体５０として用いる材料に応じて定まり、３５０℃から５５０℃の範囲で設定される。例えばガス感応体５０に酸化スズを用いてメタンガスを検知する場合、検知温度は４００℃〜５００℃とするのが適切である。

次に図３および図４を用いて、基板１０の適温部位１６、低温部位１７、測定寄与部位１８について説明する。

図３は、基板１０の上に一対の電極４１、４２およびガス感応体５０が配置された状態の上面図である。基板１０は、その四隅が第１架橋部２１と第２架橋部２２とに接続されている。詳しくは、基板１０の対角線上に位置する２か所の第１接続端部１３にて第１架橋部２１と基板１０とが接続され、基板１０の対角線上に位置する２か所の第２接続端部１４にて第２架橋部２２と基板１０とが接続されている。

上述の通り、第１架橋部２１にはヒータ３０と接続されて給電する給電線２３が配置されている。第２架橋部２２には電極４１、４２と接続される検知線２４が配置されている。ここでヒータ３０に通電してガス感応体５０を加熱する際、第１架橋部２１は、給電線２３自体の発熱や、ヒータ３０から給電線２３への熱伝導によって温度が上昇する。

一方、第２架橋部２２には給電線２３のように発熱する物体が配置されないため、第１架橋部２１のような温度上昇はみられない。すると、第２架橋部２２を通じた基板１０から支持基板２への熱の流出が大きくなる。その結果、第２架橋部２２が接続されている基板１０の第２接続端部１４の近傍には、上述の検知温度に達しない部位が生じる。このように、ヒータ３０に通電加熱された際に検知温度未満の温度となる部位を低温部位１７とよぶ。これに対し、基板１０の中央部や、第１架橋部２１が接続されている基板１０の第１接続端部１３の近傍は、ヒータ３０に加熱されて検知温度以上の温度となる。この検知温度以上の温度となる部位を適温部位１６とよぶ。

図４に示すとおり、第１実施形態に係る半導体式ガスセンサ１ａは、上述の低温部位１７に一対の電極４１、４２のうち少なくとも一方の電極が配置されないよう構成されている。詳しくは、電極４１の櫛歯状電極の先端部４１１は、電極４１の他の櫛歯状電極よりも短く形成されているので、上面視で右下に位置する低温部位１７には電極４１は配置されていない。同様に、電極４２の櫛歯状電極の先端部４２１は、電極４２の他の櫛歯状電極よりも短く形成されているので、上面視で左上に位置する低温部位１７には電極４２は配置されていない。

すると、低温部位１７のガス感応体５０は一方の電極までの距離が適温部位１６に比べて大きくなる。すると、半導体式ガスセンサ１ａは一対の電極４１、４２の間の抵抗値の変化に基づいて検知対象ガスを検知するところ、検知出力に対する低温部位１７の寄与は、適温部位１６に比べて小さくなる。

説明を追加すると、半導体式ガスセンサ１ａにおいて一対の電極４１、４２の間の抵抗値は、一方の電極からガス感応体５０の一部分を通って他方の電極に至る全ての経路の抵抗値を用いて、それらの並列の合成抵抗で与えられる。すなわち、電極間抵抗値Ｒは各経路抵抗値ｒｉを用いて次のように計算される。
１／Ｒ＝１／ｒ１＋１／ｒ２＋１／ｒ３＋・・・・ （式１）
ここで経路抵抗値ｒｉが大きくなると、１／ｒｉの値は小さくなるので、ｒｉの値が変化したときにＲに与える影響度は小さくなる。

低温部位１７に少なくとも一方の電極が配置されないことで、低温部位１７のガス感応体５０は、一方の電極までの距離が（適温部位１６に比べて）大きくなる。すると、低温部位１７を通る経路の抵抗値は（適温部位１６に比べて）大きくなるので、低温部位１７の抵抗値が変化したときに電極間抵抗値に与える影響度は小さくなる。すなわち、検知対象ガスがガス感応体５０の低温部位１７に接触した場合の検知部の出力変化（電極間抵抗値の変化）は、適温部位１６に比べて小さくなる。

また第１実施形態に係る半導体式ガスセンサ１ａでは、一方の電極４１からの距離と他方の電極４２からの距離との和が所定の測定寄与距離以下となる部位である測定寄与部位１８が、基板１０の平面視において低温部位１７と重複して設けられていない。測定寄与部位１８は図４において一点鎖線の斜線部で示されている。

測定寄与部位１８は、一方の電極４１からの距離と他方の電極４２からの距離との和が所定の測定寄与距離以下となる基板上の部位であり、一対の電極４１、４２の形状および配置によって定まる部位である。上述の通り、電極からの距離に応じて電極間抵抗値Ｒすなわち検知部４０の検知結果に及ぼす影響度合いが変化するので、測定寄与部位１８に位置するガス感応体５０は、それ以外の部位に位置するガス感応体５０に比べて検知部４０の検知結果への寄与が大きい。

すなわち、測定寄与部位１８が平面視において低温部位１７と重複して設けられないことにより、ガス感応体５０の低温部位１７が検知部４０の検知結果に及ぼす影響を小さくできる。したがって、低温部位１７において湿度による感度変化や長期的な感度低下が生じたとしても、半導体式ガスセンサ１ａの出力に対する影響を小さくすることができ、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制された半導体式ガスセンサ１ａを実現することができる。

＜第２実施形態＞
図５を用いて第２実施形態に係る熱線型半導体式ガスセンサ（ガスセンサ１）について説明する。図５は熱線型半導体式ガスセンサ（ガスセンサ１）の基板１０の上面図である。なお、第１実施形態と共通する構成については説明を省略する。

第１実施形態では、ガス感応体５０として電気抵抗値が検知対象ガスの存在や濃度により変化する半導体材料が用いられ、その抵抗値変化を一対の電極４１、４２で検出した。第２実施形態の熱線型半導体式ガスセンサでは、ガス感応体５０に同様の半導体材料を用いて、検知対象ガスの接触によるガス感応体５０の抵抗値変化を、ガス感応体５０に接触して設けられる抵抗体４３（検知加熱部）の抵抗値変化として検出する。

抵抗体４３は、図５に示すように、基板１０の四隅の一つから対角までに亘って、蛇行しながら一繋がりに設けられている。抵抗体４３は、上述の通りガス感応体５０の抵抗値変化を検知する検知部４０としての機能と、ガス感応体５０を加熱する加熱部としての機能とを有する。抵抗体４３には、例えば白金、タングステン、金などが用いられる。

抵抗体４３は、給電検知線２５を通じて給電され、発熱し、ガス感応体５０を加熱する。そして抵抗体４３の抵抗値変化は、給電検知線２５を通じて外部に取り出され、図示しない検出回路等により接触燃焼式ガスセンサの出力に変換される。すなわち、給電検知線２５は、第１実施形態の給電線２３と検知線２４の機能を有する。

図５に示すとおり、基板１０は、その四隅が第１架橋部２１と第２架橋部２２とに接続されている。詳しくは、基板１０の対角線上に位置する２か所の第１接続端部１３にて第１架橋部２１と基板１０とが接続され、基板１０の対角線上に位置する２か所の第２接続端部１４にて第２架橋部２２と基板１０とが接続されている。

第２実施形態では、第１架橋部２１には抵抗体４３と接続されて給電する給電検知線２５が配置されている。第２架橋部２２には、第１実施形態と異なり、検知線２４は配置されない。抵抗体４３に通電してガス感応体５０を加熱する際、第１架橋部２１は、給電検知線２５自体の発熱や、抵抗体４３から給電検知線２５への熱伝導によって温度が上昇する。一方、第２架橋部２２には温度上昇は見られず、第２架橋部２２を通じた熱の流出が大きくなる。その結果、第２架橋部２２が接続されている基板１０の第２接続端部１４の近傍には、上述の検知温度に達しない部位が生じる。このように、ヒータ３０に通電加熱された際に検知温度未満の温度となる部位を低温部位１７とよぶ。これに対し、基板１０の中央部や、第１架橋部２１が接続されている基板１０の第１接続端部１３の近傍は、ヒータ３０に加熱されて検知温度以上の温度となる。この検知温度以上の温度となる部位を適温部位１６とよぶ。

図５に示すとおり、第２実施形態の熱線型半導体式ガスセンサでは、上述の低温部位１７に抵抗体４３が配置されないよう構成されている。

すると、低温部位１７のガス感応体５０に検知対象ガスが接触し抵抗値変化が生じたとしても、それによる抵抗体４３の抵抗値変化は、適温部位１６のガス感応体５０によるものに比べて小さくなる。つまり、検知出力に対する低温部位１７の寄与は、適温部位１６に比べて小さくなる。

すなわち、低温部位１７に抵抗体４３（検知加熱部）が設けられないことにより、ガス感応体５０の低温部位１７が抵抗体４３（検知加熱部）の検知結果に及ぼす影響を小さくできる。したがって、低温部位１７において湿度による感度変化や長期的な感度低下が生じたとしても、半導体式ガスセンサ１ａの出力に対する影響を小さくすることができ、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサ１を実現することができる。

＜第３実施形態＞
図６を用いて第３実施形態に係る半導体式ガスセンサ（ガスセンサ１）について説明する。なお、第１実施形態と共通する構成については説明を省略する。

上述の第１実施形態では、一対の電極４１、４２のうち少なくとも一方の電極が低温部位１７に配置されないよう構成することにより、ガス感応体５０の低温部位１７が検知部４０の検知結果に及ぼす影響を小さくして、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制された半導体式ガスセンサ１ａを実現している。

第３実施形態では、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下をさらに抑制するため、第1実施形態の構成に加えて以下の構成をとる。基板１０の接続端部のうち、第２架橋部２２が接続される第２接続端部１４には、ガス感応体５０に覆われていないガス感応体非被覆領域１５が形成される。そしてガス感応体非被覆領域１５にはアルミナ５１が配置される。すると、基板１０の上に設けられるガス感応体５０のうち、ヒータ３０によって加熱された際に低温となる部位（低温部位１７）に設けられるガス感応体５０が小さくなる。すると、検知部によるセンサ出力に対する、上述の低温となる部位からの寄与がより小さくなるので、湿度の影響を受けにくくなる。よって、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサを実現することができる。なお、ガス感応体非被覆領域１５は、図６のように低温部位１７全体にわたって設けてもよいし、低温部位１７よりも小さい領域に設けてもよい。

図６に示すように、第３実施形態では、第２接続端部１４にガス感応体非被覆領域１５が設けられ、ガス感応体非被覆領域１５にアルミナ５１が設けられる。ガス感応体非被覆領域１５には、検知対象ガスに対する感応性がガス感応体５０よりも小さいガス低感応体を被覆形成してもよいし、検知対象ガスに対する感応性を有さないガス不感応体を形成してもよい。これにより、基板１０の低温部位１７からのセンサ出力への寄与をガス低感応体またはガス不感応体の存在により効果的に低減しつつ、基板１０をガス低感応体またはガス不感応体で覆うことにより基板１０や検知部４０の腐食・劣化を抑制して耐環境性に優れたガスセンサを実現できる。

また、ガス感応体非被覆領域１５には、ガス感応体５０よりも電気抵抗が大きい高抵抗体を被覆形成してもよい。これにより、基板１０の低温部位１７からのセンサ出力への寄与を高抵抗体の存在により効果的に低減しつつ、基板１０を高抵抗体で覆うことにより基板１０や検知部４０の腐食・劣化を抑制して耐環境性に優れたガスセンサを実現できる。また、基板のガス感応体非被覆領域がガス低感応体またはガス不感応体で覆われているので、ガス感応体非被覆領域からの放熱が抑制され、基板を適温に保ち、検知対象ガスの検出を安定して行うことができる。

アルミナ５１は、検知対象ガスに対する感応性を有さないガス不感応体である。またアルミナ５１は、ガス感応体５０よりも電気抵抗が大きい高抵抗体である。なお、アルミナ５１に換えて、検知対象ガスに対する感応性がガス感応体５０よりも小さいガス低感応体をガス感応体非被覆領域１５に設けてもよい。ガス低感応体には、検知対象ガスに対する感応性を有する酸化物半導体中の添加元素の含有量を小さくして検知対象ガスに対する感応性を小さくした材料を用いてもよい。また、アルミナ５１に換えて絶縁性の酸化物、例えばジルコニア、マグネシア、チタニア等の金属酸化物やシリカを用いてもよい。

＜第４実施形態＞
上述のガスセンサ１と、ガスセンサ１の出力に基づいて検知対象ガスに関係したガス情報を出力する出力部とを用いて、ガス検出器を構成することができる。
ガスセンサ１は、基板１０の低温部位１７に一対の電極４１、４２のうち少なくとも一方の電極が配置されない構成となっているので、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサ１となっている。これに、ガスセンサ１の出力に基づいて検知対象ガスに関係したガス情報を出力する出力部を組み合わせてガス検出器を構成すると、短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制され、信頼性の高いガス検出器を実現することができる。

出力部は、ガスセンサ１の出力をガス濃度に変換する。詳しくは、ガスセンサ１の検知部４０からの出力値である抵抗値を、ホイートストンブリッジ回路とＡ／Ｄ変換器を用いてデジタルデータに変換し、ガスセンサ１の感度特性に基づいてガス濃度に変換する。

出力部は更に、得られたガス濃度を予め設定された閾値と比較し、ガス濃度が閾値を超えた場合に、検知対象ガスが検知された旨の警報（ガス情報）を出力する。ガス情報としての警報は、単に検知対象ガスの有無を情報でもよいし、ガスの濃度の情報を含んでもよい。また警報は、音や光を発するものでもよく、他の機器への報知でもよい。

＜別実施形態＞
上述の各実施形態では、２つの第１架橋部２１と２つの第２架橋部２２、すなわち４つの架橋部で基板１０を支持する形態としたが、架橋部の数は５本以上でもよいし、３本あるいは２本でもよい。架橋部が２つの場合は、１つの第１架橋部２１に給電線２３を設け、１つの第２架橋部２２が基板１０に接続される第２接続端部１４にガス感応体非被覆領域１５が設けられる。

＜短期湿度影響と長期湿度影響の試験結果＞
以下、第１実施形態に係る実施例と比較例についての短期湿度影響・長期湿度影響の試験結果を示す。

＜実施例：第１実施形態＞
支持基板２にシリコンを用いて、ベース１１と第１架橋部２１と第２架橋部２２と絶縁層１２とをＳｉＯ₂で形成し、ヒータ３０と電極４１、４２とを白金パターンにて形成し、ガス感応体５０として酸化スズを用いて、上述の第１実施形態に係る実施例の試験サンプルを作成した。

＜比較例＞
比較例の試験サンプルとして、図７に示すように、電極４１の先端部４１１および電極４２の先端部４２１が低温部位１７に配置された形態の試験サンプルを作成した。その他の構成は実施例と同様とした。

＜短期湿度影響＞
試験サンプルを相対湿度５％、６５％、９０％の環境下におき、空気中における抵抗値Ｒａとメタン３０００ｐｐｍにおける抵抗値Ｒｍを測定した。メタン（３０００ｐｐｍ）感度Ｓ（以下「感度Ｓ」と省略して記す。感度Ｓ＝Ｒａ／Ｒｍ）の相対湿度に対する依存性を実施例と比較例とで比較した。比較結果を図８に示す。

比較例は、相対湿度５％においては感度Ｓは５９と高いが、相対湿度６５％においては感度Ｓが急激に低下して１２となり、相対湿度９０％ではさらに下がって感度Ｓは６となった。

一方、実施例は、相対湿度５％においては感度Ｓは３９となり、比較例より低くなった。しかし相対湿度６５％で感度Ｓは２２、相対湿度９５％で感度Ｓは１６となり、比較例に比べて高い感度となった。また、相対湿度５％の感度を基準とした高い湿度での感度の低下量は、比較例に比べて実施例は小さくなった。すなわち実施例は、比較例に比べて短期間の湿度依存性が小さく抑制されている。

＜長期湿度影響＞
試験サンプルを４５日間、温度５０℃、相対湿度９０％の環境下におき、空気中における抵抗値Ｒａとメタン３０００ｐｐｍにおける抵抗値Ｒｍを測定して、感度Ｓを算出した。測定開始時の感度Ｓを初期値として、初期値との変化率を図９に示す。

また、センサ出力が閾値を超えてガス警報器として警報を発するメタンガスの濃度（警報濃度）を測定した。警報濃度の推移を図１０に示す。

比較例は、試験日数が経過するにつれて感度Ｓが低下し、試験開始から４５日経過時点では、試験開始時の感度の０．６倍にまで低下した。また警報濃度については、試験日数が経過するにつれて増加し、試験開始時はメタンガス濃度が３０００ｐｐｍで警報を発していたのが、４５日経過時点ではメタンガス濃度が５４００ｐｐｍまで増加しないと警報を発しない状態となった。

一方実施例では、試験日数が経過しても感度Ｓに大きな低下は見られず、試験開始から４５日経過しても、試験開始時の感度とほぼ同じ感度を保っていた。また警報濃度についても大きな上昇は見られず、試験開始から４５日経過してもメタンガス濃度が３０００ｐｐｍで警報を発する状態であった。すなわち実施例は、比較例に比べて長期的な感度低下が抑制されている。

なお、上記実施形態（別実施形態を含む、以下同じ）で開示される構成は、矛盾が生じない限り、他の実施形態で開示される構成と組み合わせて適用することが可能であり、また、本明細書において開示された実施形態は例示であって、本発明の実施形態はこれに限定されず、本発明の目的を逸脱しない範囲内で適宜改変することが可能である。

短期的な湿度依存性と長期的な感度低下が抑制されたガスセンサとして有効に利用可能である。

１ ：ガスセンサ
１ａ ：半導体式ガスセンサ
２ ：支持基板
３ ：空洞部
１０ ：基板
１１ ：ベース
１２ ：絶縁層
１６ ：適温部位
１７ ：低温部位
１８ ：測定寄与部位
２１ ：第１架橋部
２２ ：第２架橋部
２３ ：給電線
２４ ：検知線
２５ ：給電検知線（給電線）
３０ ：ヒータ
４０ ：検知部
４１ ：電極
４２ ：電極
４３ ：抵抗体（給電検知部）
５０ ：ガス感応体

Claims (8)

1. 基板に設けられたガス感応体と、検知対象ガスが前記ガス感応体に接触したことを検知する検知部と、測定時に前記ガス感応体を所定の検知温度以上に加熱する加熱部とを有するガスセンサであって、
   前記基板は、前記基板の接続端部に接続された架橋部によって支持基板に支持されており、
   前記検知部は前記ガス感応体に設けられた一対の電極を有し、前記検知部は一対の前記電極の間の抵抗値の変化に基づいて前記検知対象ガスを検知し、
   前記ガス感応体は、測定時に前記検知温度以上の温度となる適温部位と、測定時に前記検知温度未満の温度となる低温部位とを有し、
   前記架橋部は、前記加熱部に給電する給電線が設けられた第１架橋部と、前記給電線が設けられない第２架橋部とを有し、
   前記低温部位には、前記一対の電極のうち少なくとも一方の電極が配置されないことを特徴とするガスセンサ。
2. 基板に設けられたガス感応体と、検知対象ガスが前記ガス感応体に接触したことを検知する検知部と、測定時に前記ガス感応体を所定の検知温度以上に加熱する加熱部とを有するガスセンサであって、
   前記基板は、前記基板の接続端部に接続された架橋部によって支持基板に支持されており、
   前記検知部は前記ガス感応体に設けられた一対の電極を有し、前記検知部は一対の前記電極の間の抵抗値の変化に基づいて前記検知対象ガスを検知し、
   前記ガス感応体は、測定時に前記検知温度以上の温度となる適温部位と、測定時に前記検知温度未満の温度となる低温部位とを有し、
   前記架橋部は、前記加熱部に給電する給電線が設けられた第１架橋部と、前記給電線が設けられない第２架橋部とを有し、
   前記基板には、一方の前記電極からの距離と他方の前記電極からの距離との和が所定の測定寄与距離以下となる部位である測定寄与部位が存在し、前記測定寄与部位が平面視において前記低温部位と重複して設けられないことを特徴とするガスセンサ。
3. 前記接続端部のうち、前記第２架橋部が接続される第２接続端部が前記低温部位に接触している請求項１又は２に記載のガスセンサ。
4. 基板に設けられたガス感応体と、検知対象ガスが前記ガス感応体に接触したことを検知する検知部と、測定時に前記ガス感応体を所定の検知温度以上に加熱する加熱部とを有するガスセンサであって、
   前記基板に、前記検知部と前記加熱部とを兼ねる導電体である検知加熱部が設けられ、
   前記ガス感応体は、測定時に前記検知温度以上の温度となる適温部位と、測定時に前記検知温度未満の温度となる低温部位とを有し、
   前記低温部位に前記検知加熱部が配置されないことを特徴とするガスセンサ。
5. 前記基板は、前記基板の接続端部に接続された架橋部によって支持基板に支持されており、
   前記架橋部は、前記加熱部に給電する給電線が設けられた第１架橋部と、前記給電線が設けられない第２架橋部とを有し、
   前記接続端部のうち、前記第２架橋部が接続される第２接続端部が前記低温部位に接触している請求項４に記載のガスセンサ。
6. 前記ガス感応体が酸化物半導体を主成分とする請求項１〜５のいずれか１項に記載のガスセンサ。
7. 前記検知温度が３５０℃以上５５０℃以下である請求項１〜６のいずれか１項に記載のガスセンサ。
8. 請求項１〜７のいずれか１項に記載のガスセンサと、前記ガスセンサの出力に基づいて前記検知対象ガスに関係したガス情報を出力する出力部とを有するガス検出器。

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