JP6679859B2 - Gas detector - Google Patents
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Description
本発明は、低消費電力型のガス検知装置に関する。 The present invention relates to a low power consumption type gas detection device.
ガス検知装置は、一般的にガス漏れ警報器等の用途に用いられる。このガス検知装置に用いられるガスセンサは、ある特定ガス、例えば、CO,CH4,C3H8,CH3OH等の還元性ガスに選択的に感応するデバイスであり、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、低消費電力が必要不可欠である。 Gas detectors are generally used for gas leak alarms and the like. The gas sensor used in this gas detection device is a device that is sensitive to a specific gas, for example, a reducing gas such as CO, CH 4 , C 3 H 8 , and CH 3 OH, and has high sensitivity and high selectivity. High responsiveness, high reliability, and low power consumption are essential.
ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガスの検知を目的としたもの、燃焼機器の不完全燃焼ガスの検知を目的としたもの、または、これら両方の機能を併せ持ったもの等があるが、何れもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。設置性の問題の一つは、100V交流電源を使用するため、ガス漏れ警報器の周囲に電源を必要とする点である。また、停電などの非常時には使用できないという問題があった。そこで、ガス漏れ警報器の普及率向上の観点から、設置性の改善、具体的には、ガス漏れ警報器を電池駆動としてコードレス化することが望まれている。 By the way, gas leak alarms widely used for home use include those for the purpose of detecting combustible gas for city gas and propane gas, those for the purpose of detecting incomplete combustion gas of combustion equipment, Alternatively, there is a device having both of these functions, but the diffusion rate is not so high due to problems of cost and installability. One of the installation problems is that a 100V AC power source is used, and therefore a power source is required around the gas leak alarm. In addition, there is a problem that it cannot be used in an emergency such as a power failure. Therefore, from the viewpoint of improving the diffusion rate of the gas leak alarm device, it is desired to improve the installability, and more specifically, to make the gas leak alarm device battery-less and cordless.
電池駆動を実現するためには低消費電力化が最も重要である。しかしながら、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでCH4、C3H8等を検知する場合は、ガス感知部を400℃〜500℃の高温に加熱して検知する必要がある。低消費電力で高温に加熱するため、微細加工プロセスを用いてダイヤフラム構造等の高断熱・低熱容量構造としたガスセンサを、検知周期に合わせて加熱する間欠運転が行われる。 Low power consumption is the most important factor in realizing battery operation. However, when detecting the CH 4, C 3 H 8, etc. in the gas sensor of the catalytic combustion type, semiconductor type, it is necessary to detect by heating the gas sensing portion to a high temperature of 400 ° C. to 500 ° C.. In order to heat to a high temperature with low power consumption, an intermittent operation is performed in which a gas sensor having a highly adiabatic / low heat capacity structure such as a diaphragm structure is heated according to a detection cycle by using a microfabrication process.
さて、このようなガスセンサに対し、ガス検出に影響を与える物質を除去するため温度を切り換える温度制御が行われる。このような温度制御が行われる装置に関連する先行技術としては、例えば、特許文献1(特許第4450773号公報)に記載のものが知られている。特許文献1の薄膜ガスセンサでは、特に水蒸気ガスを除去するようにヒータ層を駆動する温度制御が行われる。
Now, for such a gas sensor, temperature control is performed to switch the temperature in order to remove a substance that affects gas detection. As a prior art related to an apparatus in which such temperature control is performed, for example, one described in Patent Document 1 (Japanese Patent No. 4450773) is known. In the thin-film gas sensor of
また、このような温度制御が行われる装置に関連する他の先行技術としては、例えば、特許文献2(特開2012−172973号公報)に記載のものが知られている。特許文献2の可燃性ガス検出装置では、特に被毒ガスを除去するようにヒータ層を駆動する温度制御が行われる。
Further, as another prior art related to an apparatus in which such temperature control is performed, for example, one described in Patent Document 2 (JP 2012-172973 A) is known. In the flammable gas detection device of
環境中のガス成分として、塗料等に含まれる有機溶剤や、灯油等の燃料系のガスが含まれる。例えば、オクタンやテトラヒドロフラン等である。オクタンは、燃焼熱5501kJ/mol(48.3kJ/g)であり、また、テトラヒドロフランは、燃焼熱2530kJ/mol(35.1kJ/g)であり、燃焼熱が極めて高い。このような燃焼熱が過度に高いガス成分(以下、本明細書中で過燃焼性ガスという)が、ガス検知部に影響を与えることがあり、ガス検出に影響を与える物質であることが知見された。 Gas components in the environment include organic solvents contained in paints and the like, and fuel system gases such as kerosene. For example, octane and tetrahydrofuran. Octane has a combustion heat of 5501 kJ / mol (48.3 kJ / g), and tetrahydrofuran has a combustion heat of 2530 kJ / mol (35.1 kJ / g), which is extremely high. It has been found that such a gas component having an excessively high heat of combustion (hereinafter referred to as overcombustible gas in the present specification) may affect the gas detection unit and is a substance that affects gas detection. Was done.
この理由について説明する。薄膜ガスセンサは、特許文献1の図7にも示すようにガス選択燃焼層が設けられている。CH4,C3H8,CO等の検知対象ガスを通過・拡散させるため、このガス選択燃焼層は、一般的に多孔質体であるγ−Al2O3等で形成されている。さらに、検知対象ガスではない妨害ガスを効率よく燃焼除去するため、貴金属触媒(例えばPtやPd)を担持することが多い。
The reason for this will be described. The thin film gas sensor is provided with a gas selective combustion layer as shown in FIG. 7 of
また、SnO2であるガス感知層も多孔質体や柱状構造体を採用し、比表面積を増大させて検知感度を高めている。これらの構成を採用することで検知対象ガスとの接触面積を増加させ、検知感度を高めている。 Further, the gas sensing layer made of SnO 2 also employs a porous body or a columnar structure to increase the specific surface area and enhance the detection sensitivity. By adopting these configurations, the contact area with the gas to be detected is increased and the detection sensitivity is improved.
このような多孔質体や柱状構造体では、開口径が数nm〜数μmの細孔が多数存在する。この細孔では、次式で表される毛管凝縮により水、妨害ガスや検知対象ガスが吸着される傾向を有する。 In such a porous body or columnar structure, a large number of pores having an opening diameter of several nm to several μm exist. In the pores, water, interfering gas, and gas to be detected tend to be adsorbed by capillary condensation represented by the following formula.
さて、環境中に存在する過燃焼性ガスが、前述のような多孔質体のガス感知層やガス選択燃焼層の微細孔に毛管凝縮により多量に吸着することがある。この場合、ヒータON(通電)により400℃〜500℃の高温に加熱すると、微細孔に吸着していた過燃焼性ガスが燃焼し、高い燃焼熱により薄膜ガスセンサのガス感知層やガス選択燃焼層がガス検知温度以上に過昇温となり、熱劣化により正常な検知特性が得られなくなることが考えられる。 Now, a large amount of overcombustible gas existing in the environment may be adsorbed to the fine pores of the gas sensing layer or the gas selective combustion layer of the porous body as described above by capillary condensation. In this case, when the heater is turned on (energized) to heat it to a high temperature of 400 ° C. to 500 ° C., the overcombustible gas adsorbed in the fine pores burns, and the high combustion heat causes the gas sensing layer and the gas selective combustion layer of the thin film gas sensor. It is conceivable that the temperature rises above the gas detection temperature and that normal detection characteristics cannot be obtained due to thermal deterioration.
このような過燃焼性ガスが存在する環境下でも、薄膜ガスセンサのガス感知層やガス選択燃焼層の過昇温を防止したいという課題が知見された。この際、電池駆動を実現するため低消費電力で過昇温を防止する必要があったが、過昇温を防止する温度制御を行うという課題については着目されていなかった。 It has been found that there is a problem to prevent excessive temperature rise of the gas sensing layer and the gas selective combustion layer of the thin film gas sensor even in the environment where such overcombustible gas exists. At this time, it was necessary to prevent excessive temperature rise with low power consumption in order to realize battery driving, but no attention was paid to the problem of performing temperature control to prevent excessive temperature rise.
特許文献1には、水分除去とガス検知との両方を行いつつ低消費電力駆動を実現する先行技術が開示されているが、過昇温防止についてまで考慮したものではない。
また、特許文献2には、被毒ガスの除去とガス検知との両方を行いつつ低消費電力駆動を実現する先行技術が開示されているが、やはり過昇温防止についてまで考慮したものではない。
In addition,
そこで、本発明は上記した課題を解決しようとするものであり、その目的は、過昇温による影響を排除し、信頼性を高めるとともに高精度な検知を実現するガス検知装置を提供することにある。 Therefore, the present invention is intended to solve the above problems, and an object thereof is to provide a gas detection device that eliminates the influence of excessive temperature rise, enhances reliability, and realizes highly accurate detection. is there.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、多孔質体または柱状構造体により形成されて検知対象ガスを感知するガス感知層、多孔質体により形成されて妨害ガスを燃焼除去するガス選択燃焼層、および、前記ガス感知層と前記ガス選択燃焼層とを加熱するヒータ層を有するガス検知部と、
前記ヒータ層を、前記検知対象ガスを検知する通常駆動パターンまたは前記ガス検知部の過昇温を防止する過昇温対策駆動パターンにより通電駆動するヒータ層駆動部と、
前記ヒータ層の温度に基づいて前記ガス感知層または前記ガス選択燃焼層の過昇温を検知する過昇温検知部と、
前記過昇温検知部により過昇温が検出されたときに前記ヒータ層駆動部の駆動パターンを前記通常駆動パターンから前記過昇温対策駆動パターンに変更させる駆動切換部と、
を備え、
前記過昇温対策駆動パターンは、前記ガス検知部の温度を低くし、過燃焼性ガスを気化除去または燃焼除去するパターンであることを特徴とする。
In order to solve the above problems, the invention according to
A heater layer drive unit that energizes and drives the heater layer by a normal drive pattern for detecting the detection target gas or a drive pattern for preventing excessive temperature rise of the gas detection unit,
An overheating detection unit that detects an overheating of the gas sensing layer or the gas selective combustion layer based on the temperature of the heater layer,
A drive switching unit that changes the drive pattern of the heater layer drive unit from the normal drive pattern to the drive pattern against excessive temperature rise when the excessive temperature rise detection unit detects an excessive temperature rise;
Equipped with
The drive pattern against excessive temperature rise is a pattern in which the temperature of the gas detection unit is lowered to vaporize or combust and remove the overcombustible gas.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載のガス検知装置において、前記過昇温対策駆動パターンは、前記検知対象ガスの検知温度より低い温度であり、かつ、過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度にて所定の過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする。
請 Motomeko according to a second aspect of the present invention, in the gas detection apparatus according to
請求項3に係る発明は、請求項1に記載のガス検知装置において、前記過昇温対策駆動パターンは、前記ヒータ層の通電駆動を一時停止し、その後前記検知対象ガスの検知温度より低い温度であり、かつ、過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度にて所定の過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする。
請 Motomeko according to third invention, in the gas detection apparatus according to
請求項4に係る発明は、請求項2または3に記載のガス検知装置において、前記過昇温対策駆動パターンは、所定パルス幅のくり返しパルスにより前記過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする。
The invention according to 請 Motomeko 4, in the gas detection apparatus according to
請求項5に係る発明は、請求項1に記載のガス検知装置において、前記過昇温対策駆動パターンは、前記ヒータ層の通電駆動を停止するパターンであることを特徴とする。
請 Motomeko according to 5 the invention is the gas detector according to
請求項6に係る発明は、請求項1に記載のガス検知装置において、前記過昇温対策駆動パターンは、前記ガス検知部の温度を前記検知対象ガスのガス検知温度に近づける電力で前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする。
請 Motomeko according to sixth invention, in the gas detection apparatus according to
請求項7に係る発明は、請求項1〜6の何れか一項に記載のガス検知装置において、前記過昇温検知部は、前記ヒータ層の電気特性値を取得するヒータ層電気特性測定部と、 前記電気特性値に基づき前記ヒータ層の温度を算出するヒータ層温度算出部と、からなることを特徴とする。
The invention according to 請 Motomeko 7, the gas detection apparatus according to any one of
請求項8に係る発明は、多孔質体または柱状構造体により形成されて検知対象ガスを感知するガス感知層、および前記ガス感知層を加熱するヒータ層を有するガス検知部と、
前記ヒータ層を、前記検知対象ガスを検知する通常駆動パターンと前記検知対象ガスの検知温度より低い温度にて過燃焼性ガスを除去する過燃焼性ガス除去パターンと前記ガス検知部の過昇温を防止する過昇温対策駆動パターンとにより通電駆動するヒータ層駆動部と、
前記ヒータ層の温度に基づいて前記ガス感知層の過昇温を検知する過昇温検知部と、
前記過燃焼性ガス除去パターンによる通電駆動後に、前記通常駆動パターンにより通電駆動を行わせ、前記通常駆動パターンにおいて、前記過昇温検知部により過昇温が検知されたときに前記ヒータ層駆動部の駆動パターンを前記通常駆動パターンから前記過昇温対策駆動パターンに変更させる駆動切換部と、
を備え、
前記過昇温対策駆動パターンは、前記ガス検知部の温度を低くし、過燃焼性ガスを気化除去または燃焼除去するパターンであることを特徴とする。
The invention according to claim 8 is a gas detection part having a gas sensing layer formed of a porous body or a columnar structure for sensing a gas to be sensed, and a heater layer for heating the gas sensing layer,
The heater layer has a normal drive pattern for detecting the detection target gas, an overcombustible gas removal pattern for removing the overcombustible gas at a temperature lower than the detection temperature of the detection target gas, and an excessive temperature rise of the gas detection unit. A heater layer drive section that is energized and driven by a drive pattern for preventing excessive temperature rise ,
An overheating detection unit that detects an overheating of the gas sensing layer based on the temperature of the heater layer,
The energization drive is performed by the normal drive pattern after the energization drive by the overcombustible gas removal pattern, and the heater layer drive unit is operated when the excessive temperature rise detection unit detects the excessive temperature rise in the normal drive pattern. A drive switching unit for changing the drive pattern of the normal drive pattern from the drive pattern against excessive temperature rise,
Equipped with
The excessive temperature rise measures driving pattern, the temperature of the gas sensing portion is lowered, and wherein the pattern der Rukoto to vaporize remove or burn off excessive combustible gases.
請求項9に係る発明は、請求項8に記載のガス検知装置において、前記過燃焼性ガス除去パターンは、前記検知対象ガスの検知温度より低い温度であり、かつ、過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度にて所定の過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする。 The invention according to claim 9 is the gas detection device according to claim 8, wherein the overcombustible gas removal pattern has a temperature lower than a detection temperature of the detection target gas, and the overcombustible gas is removed. The heater layer is energized for a predetermined overcombustible gas removal time at the overcombustible gas removal temperature .
請求項10に係る発明は、請求項8に記載のガス検知装置において、前記過燃焼性ガス除去パターンは、所定パルス幅のくり返しパルスにより所定の過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the gas detection device according to the eighth aspect, the overburning gas removal pattern is energized to drive the heater layer for a predetermined overburning gas removal time by a repeating pulse having a predetermined pulse width. It is characterized in that it is a pattern.
請求項11に係る発明は、請求項9または10に記載のガス検知装置において、前記過燃焼性ガス除去パターンは、ガス検知開始から所定の初期期間にわたって前記過燃焼性ガス除去時間を長くするパターンであることを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、過昇温による影響を排除し、信頼性を高めるとともに高精度な検知を実現するガス検知装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a gas detection device that eliminates the influence of excessive temperature rise, enhances reliability, and realizes highly accurate detection.
以下、本発明を実施するための第1形態のガス検知装置1について図を参照しつつ説明する。ガス検知装置1は、図1で示すように、ガスセンサ10と、駆動制御・信号処理部20と、を備えている。駆動制御・信号処理部20がガスセンサ10を駆動制御するとともに、ガスセンサ10からの検知信号を受信し、ガスの有無を検知する装置である。
Hereinafter, a
続いて、ガスセンサ10の詳細について説明する。
ガスセンサ10は、薄膜型半導体式のセンサであって、図2の断面図で示すように構成されるものであり、さらにシリコン基板(以下Si基板)11、熱絶縁支持層12、ヒータ層13、電気絶縁層14、ガス検知部15を備える。なお、図2は薄膜型半導体式のガスセンサの構成をあくまで概念的に見やすく示したもので、各部の大きさや厚さ等は厳密なものではない。
Next, details of the
The
続いて各部構成について説明する。
Si基板11はシリコン(Si)により形成され、ガス検知部15が直上に位置する箇所に貫通孔が形成される。
Subsequently, the configuration of each part will be described.
The
熱絶縁支持層12はこの貫通孔の開口部に張られてダイヤフラムに形成されており、Si基板11の上に設けられる。
The heat insulating
熱絶縁支持層12は、詳しくは、Si基板11の上側に、熱酸化SiO2層121、CVD−Si3N4層122、CVD−SiO2層123という三層構造を形成したものであり、ダイヤフラム構造となっている。
Specifically, the heat insulating
熱酸化SiO2層121は、熱絶縁層として形成され、ヒータ層13で発生する熱をSi基板11側へ熱伝導しないようにして熱容量を小さくする機能を有する。また、この熱酸化SiO2層121は、プラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、後述するがプラズマエッチングによるSi基板11への貫通孔の形成を容易にする。
The thermally oxidized SiO 2 layer 121 is formed as a heat insulating layer and has a function of preventing heat generated in the
CVD−Si3N4層122は、熱酸化SiO2層121の上側に形成される。
CVD−SiO2層123は、ヒータ層13との密着性を向上させるとともに電気的絶縁を確保する。CVD(化学気相成長法)によるSiO2層は内部応力が小さい。
The CVD-Si 3 N 4 layer 122 is formed on the upper side of the thermally oxidized SiO 2 layer 121.
The CVD-SiO 2 layer 123 improves the adhesion with the
ヒータ層13は、薄膜状のPt−W膜やNi−Cr膜により形成されており、熱絶縁支持層12のほぼ中央の上面に設けられる。また、電力供給ラインも形成される。この電力供給ラインは、図1,図2で示すようにヒータ層駆動部22に接続される。ヒータ層駆動部22は、ヒータ層13をヒータ駆動する。また、このヒータ層13は本発明のヒータ層温度測定部の具体例であるヒータ層電気特性測定部23と電気的に接続されており、ヒータ層電気特性測定部23がヒータ層13の電気抵抗を測定する。
The
電気絶縁層14は、電気的に絶縁を確保するスパッタSiO2層であり、熱絶縁支持層12およびヒータ層13を覆うように設けられる。電気絶縁層14は、ヒータ層13と感知層電極152との間に電気的な絶縁を確保する。また、電気絶縁層14は、後述するガス感知層153との密着性を向上させる。
The electrically insulating
ガス検知部15は、この電気絶縁層14の上側に設けられており、一対の接合層151、一対の感知層電極152、ガス感知層153、ガス選択燃焼層154を備える。
The
接合層151は、例えば、Ta膜(タンタル膜)またはTi膜(チタン膜)であり、電気絶縁層14の上に左右一対に設けられる。この接合層151は、感知層電極152と電気絶縁層14との間に介在して接合強度を高めている。
The bonding layers 151 are, for example, a Ta film (tantalum film) or a Ti film (titanium film), and are provided on the electrical insulating
感知層電極152は、例えば、Pt膜(白金膜)またはAu膜(金膜)であり、ガス感知層153の感知用の電極となるように左右一対に設けられる。
The
ガス感知層153は、Sbをドープした二酸化スズ層(以下、SnO2層)であり、一対の感知層電極152を渡されるように電気絶縁層14の上に形成される。ガス感知層153は、本形態ではSnO2層として説明したが、SnO2以外にも、金属酸化物であるIn2O3、WO3、ZnO、または、TiO2という金属酸化物を主成分とする薄膜の層としても良い。
The
ガス選択燃焼層154は、電気絶縁層14、接合層151、一対の感知層電極152、および、ガス感知層153の表面を覆うように設けられる。このガス選択燃焼層154は、酸化パラジウム(PdO)等の貴金属触媒を担持した焼結体であり、先に説明したように触媒担持Al2O3焼結材である。
The gas
Al2O3は多孔質体であるため、孔を通過するガスが貴金属触媒に接触する機会を増加させる。そして、検知対象ガスよりも酸化活性の強い還元性ガス(妨害ガス)の燃焼反応を促進し、検知対象ガスの選択性が高まる。つまり、検知対象ガスに対して妨害ガスを酸化除去できる。 Since Al 2 O 3 is a porous body, it increases the chance that the gas passing through the pores will come into contact with the noble metal catalyst. Then, the burning reaction of the reducing gas (interfering gas) having a stronger oxidizing activity than the gas to be detected is promoted, and the selectivity of the gas to be detected is increased. That is, the interfering gas can be oxidized and removed from the gas to be detected.
なお、ガス選択燃焼層154は、このAl2O3以外にも、Cr2O3、Fe2O3、Ni2O3、ZrO2、SiO2、または、ゼオライトという金属酸化物を主成分としても良い。また、貴金属触媒として、酸化パラジウム(PdO)以外にも、白金(Pt)やパラジウム(Pd)を採用しても良い。
In addition to the Al 2 O 3 , the gas
このようなガス検知部15(詳しくは感知層電極152を介してガス感知層153)はガス検知信号処理部24と電気的に接続されており、駆動制御・信号処理部20がガス感知層153のセンサ抵抗値を読み出す。
The gas detection unit 15 (specifically, the
このようなガスセンサ10は、ダイヤフラム構造を採用して高断熱,低熱容量の構造としている。また、ガスセンサ10は、感知層電極152、ガス感知層153、ガス選択燃焼層154、ヒータ層13の各構成要素をMEMS(微小電気機械システム)等の技術により熱容量を小さくしている。これにより、ガス検知温度T1への温度変化が速くなり、短パルスでガス検知が可能となる。したがって、低消費電力となる。
Such a
続いて、図2に断面構造を示した本形態のガスセンサ10、および、ガス検知装置1の製造方法について概略説明する。まず、板状のシリコンウェハー(図示せず)に対して熱酸化法によりその片面(または表裏両面)に熱酸化を施し、熱酸化SiO2膜たる熱酸化SiO2層121を形成する。
Next, a method for manufacturing the
そして、熱酸化SiO2層121を形成した上面に、支持膜となるCVD−Si3N4膜をプラズマCVD法にて堆積させ、CVD−Si3N4層122を形成する。そして、このCVD−Si3N4層122の上面に、熱絶縁膜となるCVD−SiO2膜をプラズマCVD法にて堆積させ、CVD−SiO2層123を形成する。 Then, a CVD-Si 3 N 4 film serving as a support film is deposited on the upper surface on which the thermally-oxidized SiO 2 layer 121 is formed by a plasma CVD method to form a CVD-Si 3 N 4 layer 122. Then, on the upper surface of the CVD-Si 3 N 4 layer 122, a CVD-SiO 2 film serving as a heat insulating film is deposited by a plasma CVD method to form a CVD-SiO 2 layer 123.
さらに、CVD−SiO2層123の上面に、Pt−W膜(またはNi−Cr膜)をスパッタリング法により蒸着させ、ヒータ層13を形成する。そして、このCVD−SiO2層123とヒータ層13との上面に、スパッタSiO2膜をスパッタリング法により蒸着させ、スパッタSiO2層である電気絶縁層14を形成する。
Further, a Pt—W film (or Ni—Cr film) is vapor-deposited on the upper surface of the CVD-SiO 2 layer 123 by a sputtering method to form the
この電気絶縁層14の上に、一対の接合層151、一対の感知層電極152を形成する。成膜はRFマグネトロンスパッタリング装置を用いて通常のスパッタリング法により行う。成膜条件は接合層(TaあるいはTi)151、感知層電極(PtあるいはAu)152ともに同じで、Arガス(アルゴンガス)圧力1Pa、基板温度300℃、RFパワー2W/cm2、膜厚は接合層151/感知層電極152=500Å/2000Åである。これら一対の感知層電極152は、ガス感知層153から電気信号を取り出す電極である。
A pair of
一対の感知層電極152に渡されるとともに、電気絶縁層14の上に、SnO2膜がスパッタリング法により蒸着され、ガス感知層153が形成される。この成膜はRFマグネトロンスパッタリング装置を用い、反応性スパッタリング法によって行う。ターゲットにはSbを0.1wt%含有するSnO2を用いる。成膜条件はAr+O2ガス圧力2Pa、基板温度150〜300℃、RFパワー2W/cm2、膜厚400nmである。ガス感知層153は、平面視で一辺が50μm程度の角状に形成される。
While passing to the pair of
続いてガス選択燃焼層154を形成する。ガス選択燃焼層154は、PdOを7.0wt%添加したγ−アルミナ(平均粒径2〜3μm)にジエチレングリコールモノエチルエーテルを同重量、さらにシリカゾルバインダを5〜20wt%添加してペーストを生成する。そして、厚さ約30μmでスクリーン印刷により形成する。その後にこの膜を500℃で12時間焼成する。ガス選択燃焼層154は、ガス感知層153を十分覆い尽くすように、直径をガス感知層153の外周部よりも大きくする。もしくはガス感知層153の上面に、ガス選択燃焼層154を同一の大きさで積層するように形成しても良い。ガス選択燃焼層154は、平面視で直径200μm程度の円状に形成されるのが好ましい。
Subsequently, the gas
最後にシリコンウェハー(図示せず)の裏面からエッチングによりシリコンを除去する微細加工プロセスを行い、貫通孔を有するSi基板11を形成する。最終的にダイヤフラム構造のガスセンサ10になる。なお、このヒータ層13がヒータ層駆動部22やヒータ層電気特性測定部23に、および、感知層電極152がガス検知信号処理部24に、それぞれ電気的に接続される。ガスセンサ10の製造方法はこのようなものとなる。
Finally, a fine processing process of removing silicon from the back surface of a silicon wafer (not shown) by etching is performed to form a
続いて、駆動制御・信号処理部20について説明する。駆動制御・信号処理部20は、図1で示すように、中央処理部21、ヒータ層駆動部22、ヒータ層電気特性測定部23、ガス検知信号処理部24、記憶部25、警報表示部26、警報音出力部27、外部出力部28、電源部29を備えている。
Next, the drive control /
中央処理部21は、ヒータ層駆動部22、ヒータ層電気特性測定部23、ガス検知信号処理部24、記憶部25、警報表示部26、警報音出力部27、外部出力部28と接続される。中央処理部21は、マイクロコンピュータ等のCPUおよびその周辺部によって構成されており、ヒータ層駆動手段211、都市ガス検知手段212、COガス検知手段213、ヒータ層温度算出手段214、過昇温検知手段215、駆動切換手段216、補正手段217、判定手段218、表示制御手段219、出力制御手段220の各機能をハードウェアならびにソフトウェアにより実現し、各種の制御や信号処理を行う。
The
ヒータ層駆動部22は、電源部29から供給された電力を、ガスを精度よく検知するためのヒータ層駆動電力に変換し、ヒータ層13を通電により駆動する回路部である。ヒータ層駆動部22は、中央処理部21内のヒータ層駆動手段211により各種制御が行われる。
The heater
例えば、ヒータ層駆動時には、図3で示すような通常駆動パターンにて駆動される。通常駆動パターンでは、ガス検知時間(ヒータオン時間)t1を500ms、ガス検知周期tdを60sというくり返しパルス状に通電する。これら駆動の詳細については後述する検知処理にて説明する。 For example, when the heater layer is driven, the heater layer is driven in the normal drive pattern as shown in FIG. In the normal drive pattern, the gas detection time (heater on time) t 1 is 500 ms and the gas detection period t d is 60 s, and the current is energized in a repeating pulse form. The details of these drives will be described in the detection process described later.
ヒータ層電気特性測定部23は、ヒータ層13の抵抗や電圧などの電気特性値を検出する手段からなり、検出信号を中央処理部21へ送信する。後述するが中央処理部21のヒータ層温度算出手段214は、ヒータ層13の電気特性値、主にヒータ層13の抵抗値に基づいて後述する手法によりガスセンサ温度とほぼ等しいヒータ層温度を計測する。このヒータ層温度の算出の際に記憶部25にアクセスし、後述する各種データを取得する。
The heater layer electric
ガス検知信号処理部24は、一対の感知層電極152を介してガス感知層153と接続されており、検知対象ガスを感知したガス感知層153のセンサ抵抗値を検知する。このセンサ抵抗値に基づいて中央処理部21内の都市ガス検知手段212およびCOガス検知手段213により、都市ガス及びCOガスを検知し、センサ出力として補正手段217へ送る。なお、都市ガス検知手段212およびCOガス検知手段213以外に、各種ガスを検知するような他の手段を採用できる。
The gas detection
なお、ヒータ層電気特性測定部23、および、ガス検知信号処理部24からの出力はアナログ信号であるため、中央処理部21はこれらのアナログ信号をディジタル信号に変換するA/D変換部(図示せず)を備えている。
Since the outputs from the heater layer electrical
記憶部25は、中央処理部21に接続されて各種データの読み出しや書き込みがなされる。記憶部25は、各種の警報を発生するための閾値等の設定値や図示しない環境センサが取得する周囲温度・周囲湿度に応じた補正値等やガス検知装置1が警報を発した時の状態データ等の履歴データを記憶している。
The
中央処理部21では、非通電時のヒータ層温度算出手段214で取得した温度を周囲温度として、補正手段217が補正値を算出し、都市ガス検知手段212及びCOガス検知手段213のセンサ出力に対してこの補正値を用いて補正を行い、この補正されたセンサ出力を判定手段218へ送る。判定手段218は補正されたセンサ出力に基づいて検知対象ガスの有無を判定する。また、例えば、図示しない環境センサ(例えば、温度計、湿度計、気圧計など)からの出力に基づいて補正を行うようにしても良い。補正については適宜選択可能である。このような補正により周囲環境の影響を極力排除した精度の高いガス検知を行っている。
In the
なお、補正しない方式を採用しても良い。この場合に、補正手段217をなくして、都市ガス検知手段212及びCOガス検知手段213のセンサ出力に対して判定手段218が判定を行うようにしても良い。 A method without correction may be adopted. In this case, the correction means 217 may be omitted and the determination means 218 may determine the sensor outputs of the city gas detection means 212 and the CO gas detection means 213.
中央処理部21の判定手段218は、ガスが検知されたと判定した場合に表示制御手段219を介して警報表示部26に警報表示させる制御を行い、また、出力制御手段220を介して警報音出力部27や外部出力部28に出力するように制御を行う。
When the
警報表示部26は、例えばLED、ランプ、LCDなどの表示部とそのドライバで構成されており、異常検知時等に警報を表示することが可能である。中央処理部21では、判定手段218の出力を受けた表示制御手段219が、都市ガス、または、COガスが検知されて異常が発生したとする検知内容を警報表示する制御を警報表示部26に対して行う。
The
警報音出力部27は、例えばスピーカとそのドライバで構成されており、警報音や音声としてスピーカ等により出力することが可能である。中央処理部21では、判定手段218の出力を受けた出力制御手段220が、都市ガス、または、COガスが検知されて異常が発生したとする検知内容を警報音出力する制御を警報音出力部27に対して行う。
The alarm
外部出力部28は、例えば接点部や通信部などであって、警報を外部へ出力することが可能である。中央処理部21では、判定手段218の出力を受けた出力制御手段220が、都市ガス、または、COガスが検知されて異常が発生したとする検知内容を電圧等や通信信号の出力信号として外部へ出力する制御を外部出力部28に対して行う。
The
電源部29は、中央処理部21、ヒータ層駆動部22、ヒータ層電気特性測定部23、ガス検知信号処理部24、記憶部25、警報表示部26、警報音出力部27、外部出力部28に図示しない回路で接続されており、これらに対して電力を供給する。この電源部29は、内蔵される乾電池や充電池などの消耗電池を想定しているが、AC100V等の商用電源と定電圧部により構成しても良い。ガス検知装置1の全体構成はこのようなものである。
The
続いて、ガス検知装置1によるガス検知動作について説明する。ガス検知装置1の全体の制御は、中央処理部21が司る。図2で示すように、細線で示された導線を通じてヒータ層駆動部22からの駆動信号がガスセンサ10のヒータ層13に入力されてヒータ層駆動を行う。
Next, the gas detection operation of the
中央処理部21はガス感知層153やガス選択燃焼層154に過昇温が生じているか否かについて判断し、過昇温が生じていない場合は図3で示したような通常駆動パターンで駆動するが、過昇温が生じている場合には後述する過昇温対策駆動パターンで駆動する。この図3の通常駆動パターンは、ガス検知を一単位とし、この一単位をガス検知周期tdで繰り返し出現させるパターンである。なお、後述する第2,第3,第4形態でも同様に過昇温対策駆動パターンを用いて駆動する。
The
過昇温の有無の判断について説明する。まず、温度の検出原理について説明するため、温度とヒータ層抵抗との関係について説明する。図2で示した構造のガスセンサ10を高温炉に入れてガスセンサ10の周囲の温度を上げ、ヒータ層13のヒータ層抵抗値の変化を測定した。図4のヒータ層抵抗値の変化で示すように、0から約500℃の温度範囲においてヒータ層抵抗値は温度に対してほぼ線形に変化している。周囲温度が上がるにつれてヒータ層抵抗値も上がり、また、周囲温度が下がるにつれてヒータ層抵抗値も下がる。この傾向は複数(図4では8個)のサンプルから確認された。
The determination of the presence or absence of excessive temperature rise will be described. First, in order to explain the principle of temperature detection, the relationship between temperature and heater layer resistance will be described. The
このような傾向から、ガス感知層153やガス選択燃焼層154が温度変化するにつれて周囲温度が変化することになり、従ってヒータ層抵抗値にも影響する、換言すればヒータ層抵抗値の変化でガス感知層153やガス選択燃焼層154の温度を検出できることが推察される。ヒータ層抵抗値を監視することにより、ガス感知層153やガス選択燃焼層154の温度の変化が把握可能である。
From such a tendency, the ambient temperature changes as the temperature of the
続いて、ガス検知時の一連の動作について説明する。まず、過燃焼性ガスがない場合の通常駆動パターンについて説明する。この過燃焼性ガスとは、先に説明したが、過度に燃焼熱の高いガスであり、例えばオクタン(燃焼熱5501kJ/mol(48.3kJ/g))や、テトラヒドロフラン(燃焼熱2530kJ/mol(35.1kJ/g))などが該当する。 Next, a series of operations at the time of gas detection will be described. First, a normal drive pattern when there is no overcombustible gas will be described. As described above, the overcombustible gas is a gas having an excessively high heat of combustion, such as octane (heat of combustion 5501 kJ / mol (48.3 kJ / g)) or tetrahydrofuran (heat of combustion 2530 kJ / mol ( 35.1 kJ / g)) and the like are applicable.
この通常駆動パターンであるが、ヒータ層13により、例えば、図3で示すように、ガス検知(on)と通電停止(off)とのくり返しパルス駆動となる。このガス検知では、詳しくはガス検知温度T1(例えば450℃)の高温になる電力でガス検知時間t1(例えば500ms)にわたり通電されて、ヒータ層13が加熱され、ガス感知層153やガス選択燃焼層154が温度上昇する。このような通常駆動パターンでは、所定のガス検知周期td(例えば60s)で繰り返しパルスが出現する。
Although this normal drive pattern is used, the
ここで高温時のガス選択燃焼層154は、CO、H2等の還元性ガスその他の雑ガスを燃焼させるが、CH4、C3H8等の可燃性ガスを通過させる。可燃性ガスはガス選択燃焼層154内で拡散して高温の状態のガス感知層153に到達してガス感知層153のSnO2と反応し、SnO2のセンサ抵抗値を変化させる。このセンサ抵抗値の変化を検知してガス機器などのガス漏れ時に発生する特に都市ガス(CH4、C3H8等の可燃性ガス)の有無を検知する。一対の感知層電極152によりガス感知層153のセンサ抵抗値がガス検知信号処理部24により測定される(High−Off方式)。
Here, the gas
なお、ガス検知ではこのHigh−Off方式に変わる他の方式を採用しても良い。不完全燃焼(CO)を検知する場合、一旦、ヒータ層13の温度を50〜500msの一定期間にわたり高温(High400〜500℃)にし、ガス感知層153のクリーニングを行う。そして、低温(Low約100℃)に降温して不完全燃焼(CO)の検知を行う。これにより、CO感度およびガス選択性が高くなることが知られている(High−Low−Off方式)。
It should be noted that in gas detection, another method may be adopted instead of the High-Off method. When incomplete combustion (CO) is detected, the temperature of the
また、High状態で、クリーニングのみならずCH4、C3H8等の可燃性ガス検知も行い、Low状態でのCO等の不完全燃焼ガスの検知と合わせ、ワンセンサで可燃性ガス・不完全燃焼ガスの両方を検知できるガスセンサとしても良い。 In addition, not only cleaning but also combustible gas detection such as CH 4 and C 3 H 8 in the High state, combined with detection of incomplete combustion gas such as CO in the Low state, combustible gas A gas sensor that can detect both combustion gas may be used.
続いて、通常駆動パターンによる可燃性ガスおよび/または不完全燃焼ガスのガス検知について説明する。
図1に示す中央処理部21のヒータ層駆動手段211は、ヒータ層駆動部22を駆動してガス検知温度となるようにヒータ層13を加熱駆動する手段として機能しガス検知がなされる。
Next, the gas detection of the combustible gas and / or the incomplete combustion gas by the normal drive pattern will be described.
The heater
図1に示すガス検知と同時に平行して中央処理部21のヒータ層温度算出手段214はヒータ層電気特性測定部23が検知する電気特性値からヒータ層温度を算出する手段として機能する。このようなヒータ層温度の算出はガス検知時間t1の期間中では連続してくり返し行われているものとする。例えば5ms毎にヒータ層温度が出力されている。
In parallel with the gas detection shown in FIG. 1, the heater layer temperature calculating means 214 of the
続いて電気特性値の具体例であるヒータ層抵抗値を用いるヒータ層温度の算出をどのように行うかについて説明する。
ヒータ層電気特性測定部23は、図2で示すように、細線で示された導線を通じてヒータ層13からヒータ層抵抗値を測定するようになされており、シャント抵抗を備える。このシャント抵抗は、あらかじめ抵抗値が把握されており、ヒータ層13と直列に接続されている。さらにヒータ層13の両端電圧とシャント抵抗の両端電圧が計測できるように回路構成されている。
Next, how to calculate the heater layer temperature using the heater layer resistance value, which is a specific example of the electrical characteristic value, will be described.
As shown in FIG. 2, the heater layer electrical
ガス検知中であり、ヒータ層13に所定電圧が印加されてガス検知温度T1となっている。この状態で、ヒータ層13の両端電圧を測定すると同時に直列に配置したシャント抵抗の両端電圧値も測定する。これら両端電圧値が中央処理部21へ送られ、ヒータ層温度算出手段214にて演算処理される。
During the gas detection, a predetermined voltage is applied to the
ヒータ層温度算出手段214では、測定したシャント抵抗の両端電圧値と直列に配置した既知のシャント抵抗値とから電流を算出する。そして、この電流と、読取ったヒータ層13の両端電圧とからヒータ層抵抗値を算出する。そして、算出したヒータ層13のヒータ層抵抗値を用い、ヒータ層温度算出手段214は、以下の式からヒータ層13の温度Tを算出する。このように、ヒータ層温度の変化は、間接的に、ヒータ層抵抗の変化またはヒータ層電圧の変化、ヒータシャント電圧の変化またはヒータ電流の変化としてとらえることも可能である。
The heater layer temperature calculation means 214 calculates the current from the measured voltage value across the shunt resistance and the known shunt resistance value arranged in series. Then, the heater layer resistance value is calculated from this current and the read voltage across the
[数2]
R/R0=αT+1
ここで、T:ヒータ層温度
R:温度Tでのヒータ層抵抗値
R0:基準温度でのヒータ層抵抗値(例えば基準温度0℃等)
α:ヒータ層の抵抗温度係数
[Equation 2]
R / R 0 =
Here, T: heater layer temperature R: heater layer resistance value at temperature T R 0 : heater layer resistance value at reference temperature (for example,
α: Temperature coefficient of resistance of heater layer
ここに、基準温度でのヒータ層抵抗値R0の値は予め計測により求められている。またヒータ層の抵抗温度係数αの値は、センサ毎に決定される値である。なお、薄膜センサを作成するウェハーごとのバラつきは少ないので、1枚のウェハーから取れる薄膜センサでは同じ値を与えても良い。あるいは、1ロットで複数のウェハーを流す場合には、同じロットの薄膜センサに同じ値を与えてもよい。 Here, the value of the heater layer resistance value R 0 at the reference temperature is previously obtained by measurement. The value of the temperature coefficient of resistance α of the heater layer is a value determined for each sensor. It should be noted that since there is little variation between wafers on which thin film sensors are made, the same value may be given to thin film sensors that can be obtained from one wafer. Alternatively, when a plurality of wafers are flown in one lot, the same value may be given to the thin film sensors of the same lot.
これら基準温度でのヒータ層抵抗値R0やヒータ層13の抵抗温度係数αは記憶部25に記憶されており、また、ヒータ層温度Tでのヒータ層抵抗値Rはヒータ層電気特性測定部23を通じて取得されるので、上記数2によりヒータ層13の温度Tが算出される。このヒータ層13の温度がガス感知層153やガス選択燃焼層154の温度とみなされる。
The heater layer resistance value R 0 and the resistance temperature coefficient α of the
中央処理部21の過昇温検知手段215は、ヒータ層温度算出手段214で算出したヒータ層温度に基づいてガス感知層の過昇温の有無を検知する手段として機能する。ヒータ層温度が予め設定された上限温度Texを超える場合にガス感知層153の過昇温を検知する。例えば、450℃に加熱するため上限温度Texを455℃(+5℃)と設定した場合であってヒータ層温度(つまりセンサ温度)が450℃であった場合には、上限温度Texを超えていないので過昇温がないと判定する。
The excessive temperature
中央処理部21の駆動切換手段216は、過昇温検知手段215での過昇温が生じていないという判断を受けて、切換を行わず、そのまま通常駆動パターンで駆動する。
The drive switching means 216 of the
中央処理部21の都市ガス検知手段212やCOガス検知手段213は、ガス検知信号処理部24を経由して高温時のガス感知層153のセンサ抵抗値から検知対象ガスの有無を検出する手段として機能する。過昇温が生じていないときのヒータ層13の通常駆動パターンは、図3に示されるように、くり返しパルス状であってヒータ層13の駆動がガス検知時間t1の最後まで行われるパターンである。これはヒータ層13によりガス検知温度T1(450℃)の高温にガス検知時間t1(500ms)にわたり加熱されるガス検知がガス検知周期td(例えば60s)毎に繰り返し出現するパターンである。450℃の高温に加熱された状態でガス感知層153が検知対象ガスに接触し、ガス感知層153の変化するセンサ抵抗値を細線で示された導線を通じてガス検知信号処理部24が検知信号として出力することで検知対象ガスの有無を検知する。
過昇温がない場合はこのようにヒータ層13が駆動される。
The city gas detection means 212 and the CO gas detection means 213 of the
When there is no excessive temperature rise, the
続いて、過燃焼性ガスによる過昇温がある場合について説明する。まず、図1に示す中央処理部21のヒータ層駆動手段211は、ヒータ層駆動部22を駆動してガス検知温度となるようにヒータ層13を加熱駆動する手段として機能する。最初は、通常駆動パターンと同様に、図3に示すように、ヒータ層13により例えばガス検知温度T1(例えば450℃)の高温でヒータ層駆動時間(ガス検知時間)t1(例えば500ms)にわたり加熱される。
Next, a case where there is an excessive temperature rise due to the overcombustible gas will be described. First, the heater
そして、ガス検知と同時に平行して図1に示す中央処理部21のヒータ層温度算出手段214はヒータ層電気特性測定部23が検知する電気特性値から上記のようにヒータ層温度を算出する手段として機能する。このようなヒータ層温度の算出はガス検知時間t1の間で連続してくり返し行われているものとする。例えば5ms毎にヒータ層温度が出力されている。
In parallel with the gas detection, the heater layer temperature calculating means 214 of the
図1に示す中央処理部21の過昇温検知手段215は、ヒータ層温度算出手段214で算出したヒータ層温度に基づいてガス感知層153の過昇温の有無を検知する手段として機能する。ここで、図5に示すように、ヒータ層温度が予め設定された上限温度Texを超える場合にガス感知層153の過昇温を検知する。図5では、ヒータ層温度450℃となるように加熱するため上限温度を455℃(+5℃)と設定した場合であってヒータ層温度(つまりセンサ温度)が460℃であった場合には、上限温度Texを超えるため過昇温があると判定している。
The excessive temperature rise detection means 215 of the
中央処理部21の駆動切換手段216は、過昇温検知手段215での過昇温があるという判断を受けてヒータ層駆動部22の駆動パターンを通常駆動パターンから過昇温対策駆動パターンへ変更するように、ヒータ層駆動手段211での駆動を切り換える手段として機能する。この場合、ヒータ層温度が図5に示すような過昇温対策駆動パターンを含むように駆動される。これは図5で示す過昇温検知(ガス検知停止)の時点で行われることになる。
The
本形態での過昇温対策駆動パターンは、過昇温したガス感知層153およびガス選択燃焼層154の温度を低くし、その後の過昇温の原因となる過燃焼性ガスを気化除去または燃焼除去するものである。つまり、中央処理部21のヒータ層駆動手段211は、図5で示すように、ガス検知時間t1の途中であっても、ガス検知をしばらく一時停止してヒータ層温度を下げ、その後にガス検知温度T1よりも低い温度であって過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度T0で、過燃焼性ガス除去時間t0にわたりヒータ層13を加熱駆動するように、ヒータ層駆動部22を制御する手段として機能する。なお、一時停止を行わなくても良く、中央処理部21のヒータ層駆動手段211は、ガス検知時間t1の途中で直ちにガス検知温度T1よりも低い温度であって過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度T0で、過燃焼性ガス除去時間t0にわたりヒータ層13を加熱駆動するように、ヒータ層駆動部22を制御する手段として機能するようにしても良い。
The drive pattern against excessive temperature rise in this embodiment lowers the temperature of the excessively heated
ここにガス検知温度T1、および、過燃焼性ガス除去温度T0とした場合に、T0<T1の条件を満たす。このような過燃焼性ガス除去温度T0で、吸着した過燃焼性ガスを除去することが可能である。なお、過燃焼性ガスを除去できる温度であれば良いので、過燃焼性ガス除去温度T0は300℃に限定されるものではない。除去したい過燃焼性ガスの種類により温度を適宜決定すればよい。 When the gas detection temperature T 1 and the overcombustible gas removal temperature T 0 are set here, the condition of T 0 <T 1 is satisfied. It is possible to remove the adsorbed overcombustible gas at such an overcombustible gas removal temperature T 0 . Note that the temperature T 0 at which the overcombustible gas is removed is not limited to 300 ° C., as long as it is a temperature at which the overcombustible gas can be removed. The temperature may be appropriately determined according to the type of overcombustible gas to be removed.
この図5の過昇温対策駆動パターンの過燃焼性ガス除去では、ヒータ層13が、過燃焼性ガス除去温度T0(例えば300℃)で過燃焼性ガス除去時間t0(例えば5s)にわたり加熱するが、この際に、ガス感知層153およびガス選択燃焼層154の過燃焼性ガスが比較的低温で加熱されることになり、過燃焼性ガスが低温で気化して拡散除去される。また、燃焼除去した場合でもセンサ劣化温度よりも低温のためセンサが劣化する問題は無い。
この場合、ガス検知装置1としては、過昇温検知が所定回数を超えたら外気が汚れている等のアラームを出すなどにより、周囲に報告する。
In the removal of the overcombustible gas in the drive pattern for overheating control in FIG. 5, the
In this case, the
このようにして過燃焼性ガスが除去された後に、図1に示す中央処理部21のヒータ層駆動手段211は、通常駆動パターンで駆動することになり、再び図3で示すようなガス検知温度T1となるようにヒータ層13を加熱駆動する手段として機能する。以下、先の説明と同様にヒータ層温度算出手段214、過昇温検知手段215、駆動切換手段216と機能させ、過昇温が解消されていない場合は、過昇温対策駆動パターンへ再度変更して過燃焼性ガス除去を再度行ってガス感知層153およびガス選択燃焼層154を劣化させることなくガス検知を行う。ガス検知はこのようにして行われる。
After the overcombustible gas is removed in this way, the heater layer drive means 211 of the
続いて、このようなガス検知装置1の過燃焼性ガス除去能力の検証結果について説明する。過燃焼性ガスの一例であるテトラヒドロフランにガスセンサを曝露したときの挙動について検証する。まず、テトラヒドロフランに曝露する前のガスセンサ10のヒータ層温度の時間変化を検証する。続いてテトラヒドロフラン10ppm中に24時間を曝露した後のガスセンサ10のヒータ層温度の時間変化を検証する。この際、過燃焼性ガス曝露前と曝露後とのガスセンサで共に過燃焼性ガス除去を行わずにガス検知のためのヒータ層駆動のみを行い、ヒータ層温度の時間変化を検証する。図6は、このような条件におけるガスセンサ10のヒータ層温度の挙動を、過燃焼性ガス曝露前と曝露後とで比較して示している。
Subsequently, a verification result of the overcombustible gas removing ability of the
過燃焼性ガス曝露前で過燃焼性ガスの吸着がない正常なガスセンサ10のヒータ層温度の時間変化は、図6の実線で示すように、設定した検知温度と同じ450℃に約200ms程度で達し、500msまで維持している。一方、過燃焼性ガス曝露後で過燃焼性ガスの吸着があるガスセンサ10のヒータ層温度の時間変化は、図6の一点鎖線で示すように、検知温度である450℃に200ms程度で達した後で更に昇温し、500ms時には、550℃まで到達している。これは、設定ヒータ層温度の450℃を超える温度であり、過燃焼性ガス曝露後のガスセンサ10では過昇温が生じている。
As shown by the solid line in FIG. 6, the time-dependent change in the heater layer temperature of the
このような過昇温を解決する本発明のガス検知装置1による改善例を説明する。過燃焼性ガス曝露により、過燃焼性ガスがガス感知層153やガス選択燃焼層154に付着した場合、図6の一点鎖線で示すように昇温するため、過昇温があると判定される。そこで、図5で示すような過昇温対策駆動パターンに切り換わり、過燃焼性ガス除去が開始される。
An example of improvement by the
図7はテトラヒドロフラン10ppm中に24時間にわたり曝露されたガスセンサ10に対し、300℃に加熱して過燃焼性ガス除去を行う際のヒータ層温度の挙動であるが、特に300℃以上の過昇温は認められない。そして、図8はこの過燃焼性ガス除去後であって、450℃に加熱するガス検知中のヒータ層温度の挙動であるが、特に450℃以上の過昇温は認められない。これは、先に説明の図6の実線で示した過燃焼性ガス曝露前の正常なヒータ層温度の時間変化と同様の傾向である。本発明のガス検知装置1によれば、過昇温が生じた場合に直ちにガス感知層153およびガス選択燃焼層154の温度を低下させ、続いて過燃焼性ガス除去によりガス感知層153およびガス選択燃焼層154に吸着される過燃焼性ガスを除去し、その後にガス検知を行うというものであり、過昇温による影響の排除を実現している。
FIG. 7 shows the behavior of the heater layer temperature when the
続いて第2形態について説明する。先に図1〜図8を用いて説明した第1形態と比較すると、第2形態は、図1,図2で示したガス検知装置1の構成が同じであり、さらに過昇温がないときは先に図3を用いて説明した通常駆動パターンで検知を行う点も同じであるが、過昇温対策駆動パターンのみが相違している。第2形態の構成は、先に説明した第1形態の構成と同じであるとして同じ符号を付すとともに、重複する説明を省略し、相違する過昇温対策駆動パターンのみ説明する。
Next, the second mode will be described. Compared with the first embodiment described above with reference to FIGS. 1 to 8, the second embodiment has the same configuration of the
先に説明した第1形態の過昇温対策駆動パターンでは、図5で示すように、過昇温検知時に通電を止めてガス検知を停止し、ガス検知温度T1より低温の過燃焼性ガス除去温度T0(例えば300℃)で過燃焼性ガス除去時間t0(例えば5s)にわたり連続して加熱している。しかしながら、第2形態の過昇温対策駆動パターンでは、図9に示すように、過燃焼性ガス除去時において、例えば過燃焼性ガス除去温度T0(300℃)でパルス幅t3(500ms)のパルスをn回(例えば6回)出現させるパルス駆動を採用している。このような形態としても本発明の趣旨を逸脱することなく、過燃焼性ガス除去が行われる。なお、過燃焼性ガス除去時間t0、パルス幅t3やパルス回数は実情に応じて適宜選択することができる。また、このパルスは同じパルスが連続するものでなくても良く、それぞれパルス幅が異なるパルスであったり、最初だけ温度が低いパルスであって順次温度が上昇するようなパルスであったりしてもよく、各種バリエーションを選択できる。このような形態としても良い。 In the above-described drive pattern for preventing excessive temperature rise of the first embodiment, as shown in FIG. 5, when the excessive temperature rise is detected, the energization is stopped to stop the gas detection, and the overflammable gas temperature lower than the gas detection temperature T 1 is reached. The heating is continuously performed at the removal temperature T 0 (for example, 300 ° C.) for the overcombustible gas removal time t 0 (for example, 5 s). However, in the excessive temperature rise countermeasure drive pattern of the second embodiment, as shown in FIG. 9, at the time of removing the overcombustible gas, for example, the pulse width t 3 (500 ms) at the overcombustible gas removal temperature T 0 (300 ° C.). The pulse drive that causes the pulse of n to appear n times (for example, 6 times) is adopted. Even in such a form, the overcombustible gas is removed without departing from the spirit of the present invention. The overcombustible gas removal time t 0 , the pulse width t 3 and the number of pulses can be appropriately selected according to the actual situation. Further, this pulse does not have to be the same pulse in succession, and may have different pulse widths, or may be a pulse whose temperature is initially low and the temperature increases sequentially. Well, you can choose various variations. Such a form may be adopted.
続いて第3形態について説明する。先に図1〜図8を用いて説明した第1形態と比較すると、第3形態は、図1,図2で示したガス検知装置1の構成が同じであり、さらに過昇温がないときは先に図3を用いて説明した通常駆動パターンで検知が行う点も同じであるが、過昇温対策駆動パターンのみが相違している。第3形態の構成は、先に説明した第1形態の構成と同じであるとして同じ符号を付すとともに、重複する説明を省略し、過昇温対策駆動パターンのみ説明する。この過昇温対策駆動パターンは、図5で説明したガス検知停止のみを行うものであり、簡易に過燃焼性ガスの除去を行うパターンである。
Next, the third mode will be described. Compared to the first embodiment described above with reference to FIGS. 1 to 8, the third embodiment has the same configuration of the
先に説明した第1形態の過昇温対策駆動パターンでは、図5で示すように、過昇温検知時に通電を止めてガス検知停止し、過燃焼性ガス除去温度T0(例えば300℃)で過燃焼性ガス除去時間t0(例えば5s)にわたり連続して加熱している。しかしながら、第3形態の過昇温対策駆動パターンでは、ガス検知時間t1の途中であっても過昇温の検知後直ちにヒータ層駆動を停止し、そして、過燃焼性ガス除去は行わないでしばらく停止したままのパターンである。その後に図3に示すような通常の駆動パターンに復帰する。 In the above-described drive pattern against excessive temperature rise of the first embodiment, as shown in FIG. 5, when the excessive temperature rise is detected, the energization is stopped and the gas detection is stopped, and the overcombustible gas removal temperature T 0 (for example, 300 ° C.) The heating is continuously performed for the overcombustible gas removal time t 0 (for example, 5 s). However, in the excessive heating countermeasure drive pattern of the third embodiment, the heater layer driving is stopped immediately after detecting the excessive heating even during the gas detection time t 1 , and the overburning gas is not removed. It is a pattern that has been stopped for a while. After that, the normal drive pattern as shown in FIG. 3 is restored.
この場合は、図1の中央処理部21の駆動切換手段216は、過昇温検知手段215での過昇温が生じているという判断を受けて、過昇温対策駆動パターンへ変更し、ヒータ層駆動を停止するようにヒータ層駆動手段211の駆動の切換を行う。このようにすることで、ヒータ層駆動停止により過燃焼が直ちに無くなって、ヒータ層13や過昇温が生じているガス感知層153およびガス選択燃焼層154が破壊されるような事態が回避される。そして、続くガス検知時に再度過昇温が起こった場合でも同様にヒータ層駆動を停止するというヒータ層駆動を行う。以下、過昇温がなくなるまで繰り返される。その後は、図3に示すような通常の駆動パターンが維持される。
In this case, the drive switching means 216 of the
続いて第4形態について説明する。先に図1〜図8を用いて説明した第1形態と比較すると、第4形態は、図1,図2で示したガス検知装置1の構成が同じであり、さらに過昇温がないときは先に図3を用いて説明した通常駆動パターンで検知が行われる点も同じであるが、過昇温対策駆動パターンは相違している。第4形態の構成は、先に説明した第1形態の構成と同じであるとして同じ符号を付すとともに、重複する説明を省略し、相違する過昇温対策駆動パターンのみ説明する。
Then, a 4th form is demonstrated. Compared with the first embodiment described above with reference to FIGS. 1 to 8, the fourth embodiment has the same configuration of the
先に説明した第1形態の過昇温対策駆動パターンでは、図5で示すように、過昇温検知時に通電を止めてガス検知停止し、その後に過燃焼性ガス除去温度T0(例えば300℃)で過燃焼性ガス除去時間t0(例えば5s)にわたり連続して加熱している。しかしながら、第4形態の過昇温対策駆動パターンでは、図10で示すように、ガス検知時間t1の途中であっても過昇温の検知後直ちにヒータ層13へ供給する電力を少なくするヒータ層駆動を行ってヒータ層13の温度をセンサ劣化温度以下である通常のガス検知温度T1へ近づけるというものであり、この際に過燃焼性ガス除去が行われる。
In the above-described drive pattern for preventing excessive temperature rise of the first embodiment, as shown in FIG. 5, the energization is stopped at the time of detecting the excessive temperature rise to stop the gas detection, and then the overcombustible gas removal temperature T 0 (for example, 300 (° C), the heating is continuously performed for the overcombustible gas removal time t 0 (for example, 5 s). However, in the excessive temperature rise countermeasure drive pattern of the fourth embodiment, as shown in FIG. 10, the heater that reduces the power supplied to the
過昇温を検知した場合は、図1の中央処理部21の駆動切換手段216は、過昇温検知手段215での過昇温が生じているという判断を受けて、電力を少なくする過昇温対策駆動パターンへ変更し、電力を少なくするようなヒータ層駆動とするヒータ層駆動手段211の駆動の切換を行う。ガス検知時間t1経過後にガス検知を実施する。
When the excessive temperature rise is detected, the
続くガス検知時に再度過昇温が起こった場合でも同様に電力を少なくするヒータ層駆動を行う。以下、過昇温がなくなるまで繰り返される。その後は、図3に示すような通常の駆動パターンが維持される。そして、所定回数を超えて過昇温対策駆動パターンを実行しても過昇温が検知される場合、アラームを出す。 Even if the temperature rises again during the subsequent gas detection, the heater layer is driven to reduce the power in the same manner. The process is repeated until the excessive temperature rise is eliminated. After that, the normal drive pattern as shown in FIG. 3 is maintained. If the excessive temperature rise is detected even after the excessive temperature rise countermeasure drive pattern is executed over the predetermined number of times, an alarm is issued.
図11に過昇温対策駆動の有無によるヒータ層温度の挙動の比較を示す。テトラヒドロフラン10ppm中に24時間センサチップが曝露された後、通電を開始する。過昇温判定温度を検知温度の+5℃とすると、時間tAで455℃を超える。この場合にヒータ層への印加電力を下げないと図11の一点鎖線で示すように500℃を超えて過昇温が生ずるが、ヒータ層への印加電力を下げると、図11の実線で示すように温度を450℃程度に維持でき、これにより、過昇温を防止する。 FIG. 11 shows a comparison of the behavior of the heater layer temperature with and without driving against excessive temperature rise. After the sensor chip has been exposed to 10 ppm of tetrahydrofuran for 24 hours, energization is started. Assuming that the excessive temperature rise determination temperature is + 5 ° C. of the detection temperature, it exceeds 455 ° C. at time t A. In this case, if the power applied to the heater layer is not reduced, an excessive temperature rise occurs above 500 ° C. as indicated by the dashed line in FIG. 11, but if the power applied to the heater layer is reduced, it is indicated by the solid line in FIG. Thus, the temperature can be maintained at about 450 ° C., which prevents excessive temperature rise.
このようなヒータ層駆動停止により過燃焼の影響が低減され、ヒータ層13や過昇温が生じているガス感知層153およびガス選択燃焼層154が破壊されるような事態が回避される。また、電力を下げたときでも過燃焼性ガスが燃焼し、過燃焼性ガス除去も行われる。
By stopping the driving of the heater layer, the influence of over-combustion is reduced, and the situation in which the
続いて第5形態について図12,図13,図14を参照しつつ説明する。図12,図13の第5形態のガス検知装置2は、先に図1〜図8を用いて説明した第1形態のガス検知装置1の構成のうちヒータ層電気特性測定部23、ヒータ層温度算出手段214、過昇温検知手段215、駆動切換手段216を取り去り、ヒータ層駆動手段211を変更した点が相違する。以下、このヒータ層駆動手段211およびその駆動パターンについて説明し、他の構成については同じ符号を付すとともに重複する説明を省略する。この第5形態は、先に説明した第1,第2,第3,第4形態で用いた過昇温対策駆動パターンに切り換えるのではなく駆動パターンに過燃焼対策駆動パターンを含むものとした(図14)。
Next, the fifth mode will be described with reference to FIGS. 12, 13, and 14. The
図12に示す中央処理部21のヒータ層駆動手段211は、詳しくは、過燃焼性ガス除去駆動手段211aとガス検知駆動手段211bとして機能する。
まず、過燃焼性ガス除去駆動手段211aでは、図14で示すように、ガス検知温度T1(後述)より低い温度であって過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度T0で、過燃焼性ガス除去時間t0にわたりヒータ層13を加熱駆動するように、ヒータ層駆動部22を制御する。ヒータ層13が、過燃焼性ガス除去温度T0(例えば300℃)で過燃焼性ガス除去時間t0(例えば5s)にわたり加熱する。
Specifically, the heater layer driving means 211 of the
First, in the overcombustible gas removal driving means 211a, as shown in FIG. 14, at the overcombustible gas removal temperature T 0 at which the overcombustible gas is removed at a temperature lower than the gas detection temperature T 1 (described later). The heater
この際に、ガス感知部15のガス感知層153およびガス選択燃焼層154の過燃焼性ガスが比較的低温で加熱されることになり、ガス感知層153およびガス選択燃焼層154の細孔内で毛管凝縮効果により付着する過燃焼性ガスは、急激に高温になることなく気化して拡散除去される。また、ガス選択燃焼層154の外側周囲における過燃焼性ガスも急激に高温になることなく気化して拡散除去される。ここで過燃焼性ガス除去温度T0は気化時にガス感知層153およびガス選択燃焼層154が劣化しないような温度となる。燃焼除去した場合でもセンサ劣化温度よりも低温のためセンサが劣化する問題は無い。
At this time, the overcombustible gas in the
続いてガス検知駆動手段211bでは、過燃焼性ガスが除去された後にガス検知温度T1でヒータ層13を加熱駆動するように、ヒータ層駆動部22を制御する。ヒータ層13により例えばガス検知温度T1(例えば450℃)の高温でガス検知時間t1(例えば500ms)にわたり加熱される。
Subsequently, the gas
ここで高温時のガス選択燃焼層154は、CO、H2等の還元性ガスその他の雑ガスを燃焼させるが、CH4、C3H8等の可燃性ガスを通過させる。可燃性ガスはガス選択燃焼層154内を拡散して高温の状態のガス感知層153に到達してガス感知層153のSnO2と反応し、SnO2のセンサ抵抗値を変化させる。このセンサ抵抗値の変化を検知してガス機器などのガス漏れ時に発生する特に都市ガス(CH4、C3H8等の可燃性ガス)の有無を検知する。一対の感知層電極152によりガス感知層153のセンサ抵抗値がガス検知信号処理部24により測定される(High−Off方式)。
Here, the gas
なお、ガス検知ではHigh−Off方式に変わり、上記のようなHigh−Low−Off方式や、Low状態でのCO等の不完全燃焼ガスの検知と合わせ、ワンセンサで可燃性ガス・不完全燃焼ガスの両方を検知する方式を採用しても良い。そして、このような駆動パターンでは、過燃焼性ガス除去、および、ガス検知からなる一単位が、所定のガス検知周期td(例えば60s)で繰り返し出現する。このようなガス検知装置2も、過燃焼性ガス除去により吸着される過燃焼性ガスが除去され、過昇温の防止が実現されている。
In gas detection, instead of the High-Off method, the high-low-off method and the detection of incomplete combustion gas such as CO in a low state as described above are combined with one sensor to combustible gas / incomplete combustion gas. A method of detecting both of these may be adopted. Then, in such a drive pattern, one unit consisting of removal of overcombustible gas and gas detection repeatedly appears at a predetermined gas detection cycle t d (for example, 60 s). In such a
続いて第6形態について説明する。先に図12,図13,図14を用いて説明した第5形態と比較すると、第6形態は、図12,図13で示したガス検知装置2と構成が同じであるが、駆動パターンのみが相違する。第6形態の構成は、先に説明した第5形態の構成と同じであるとして同じ符号を付すとともに、重複する説明を省略し、相違する駆動パターンのみ説明する。
Next, the sixth mode will be described. Compared to the fifth embodiment described above with reference to FIGS. 12, 13, and 14, the sixth embodiment has the same configuration as the
先に説明した第5形態では、図14で示すように過燃焼性ガス除去温度T0(例えば300℃)で過燃焼性ガス除去時間t0(例えば5s)にわたり連続して加熱している。しかしながら、第6形態では、図15に示すように過燃焼性ガス除去時において、例えば過燃焼性ガス除去温度T0(300℃)でパルス幅t3(500ms)のパルスを1周期でn回(図15では6回)行うパルス駆動を採用している。このような形態としても本発明の趣旨を逸脱することなく、過燃焼性ガス除去が行われる。なお、過燃焼性ガス除去時間t0、パルス幅t3やパルス回数は実情に応じて適宜選択することができる。また、このパルスは同じパルスでなくても良く、それぞれのパルス幅が異なるものであったり、最初だけ温度が低いパルスであって順次温度が上昇するようなパルスであったりしてもよく、各種バリエーションを選択できる。これにより、電力消費を少なくし、電池駆動を念頭においた低消費電力型のガス検知装置とすることができる。このような形態としても良い。 In the fifth embodiment described above, as shown in FIG. 14, heating is continuously performed at the overcombustible gas removal temperature T 0 (for example, 300 ° C.) for the overcombustible gas removal time t 0 (for example, 5 s). However, in the sixth embodiment, as shown in FIG. 15, when removing the overcombustible gas, for example, a pulse having a pulse width t 3 (500 ms) at the overcombustible gas removal temperature T 0 (300 ° C.) is n times in one cycle. Pulse drive is performed (6 times in FIG. 15). Even in such a form, the overcombustible gas is removed without departing from the spirit of the present invention. The overcombustible gas removal time t 0 , the pulse width t 3 and the number of pulses can be appropriately selected according to the actual situation. Further, this pulse does not have to be the same pulse, may have different pulse widths, or may be a pulse whose temperature is initially low and the temperature is gradually increased. You can select variations. As a result, it is possible to obtain a low power consumption type gas detection device which consumes less power and is driven by a battery. Such a form may be adopted.
続いて第7形態について説明する。先に図12,図13,図14,図15を用いて説明した第5,第6形態と比較すると、第7形態は、図12,図13,図14,図15で示したガス検知装置2と構成が同じであるが、ガス検知開始当初の駆動パターンのみが相違する。第7形態の構成は、先に説明した第5,第6形態の構成と同じであるとして同じ符号を付すとともに、重複する説明を省略し、駆動パターンのみ説明する。この第7形態では、第5,第6形態において、さらに、過燃焼性ガス除去駆動手段211aでは、ガス検知開始から所定の初期期間にわたり過燃焼性ガス除去時間t0を長くする点にある。この初期期間の経過後では通常の過燃焼性ガス除去時間t0に戻す。 Then, a 7th form is demonstrated. Compared to the fifth and sixth embodiments described above with reference to FIGS. 12, 13, 14, and 15, the seventh embodiment is the gas detection device shown in FIGS. 12, 13, 14, and 15. Although the configuration is the same as that of No. 2, only the drive pattern at the beginning of gas detection is different. The configuration of the seventh mode is the same as the configuration of the fifth and sixth modes described above, the same reference numerals are given, the duplicate description will be omitted, and only the drive pattern will be described. The seventh mode is different from the fifth and sixth modes in that the overcombustible gas removal driving means 211a extends the overcombustible gas removal time t 0 over a predetermined initial period from the start of gas detection. After the lapse of this initial period, the normal over-combustible gas removal time t 0 is restored.
長期保管等で無通電期間が長く、過燃焼性ガスの吸着量が多いと考えられる場合は、通電開始直後の初期期間では、過燃焼性ガス除去時間t0を長くすることで、過燃焼性ガスを確実に除去する。これは第5,第6形態で適用可能である。例えば通常では、ヒータ層13が、過燃焼性ガス除去温度T0(例えば300℃)で過燃焼性ガス除去時間t0(例えば5s)にわたり加熱するが、ガス検知開始から所定の初期期間のうちは、ヒータ層13が、過燃焼性ガス除去温度T0(例えば300℃)で過燃焼性ガス除去時間t0(例えば10s)にわたり加熱するというものである。これにより過燃焼性ガスの除去能力を高めることができる。このような駆動パターンを採用することができる。
When it is considered that the non-energization period is long and the amount of adsorption of the over-combustible gas is large due to long-term storage, etc., the over-combustibility gas removal time t 0 is increased in the initial period immediately after the start of energization. Make sure to remove the gas. This is applicable in the fifth and sixth forms. For example, normally, the
続いて第8形態について説明する。先に図12,図13,図14,図15を用いて説明した第5,第6,第7形態と比較すると、第8形態は、図12,図13で示した発明の構成と同じであるが、ガス検知開始当初から所定期間経過後の駆動パターンのみが相違する。第8形態の構成は、先に説明した第5,第6,第7形態の構成と同じであるとして同じ符号を付すとともに、重複する説明を省略し、駆動パターンのみ説明する。第8形態では、第5,第6,第7形態において、さらに、過燃焼性ガス除去駆動手段211aでは、ガス検知開始から所定の駆動期間経過後に過燃焼性ガス除去時間t0を短縮する点にある。 Next, the eighth mode will be described. Compared with the fifth, sixth, and seventh modes described above with reference to FIGS. 12, 13, 14, and 15, the eighth mode has the same configuration as that of the invention shown in FIGS. However, only the drive pattern after the lapse of a predetermined period from the beginning of gas detection is different. Since the configuration of the eighth mode is the same as the configurations of the fifth, sixth, and seventh modes described above, the same reference numerals are given, redundant description will be omitted, and only the drive pattern will be described. In the eighth mode, in addition to the fifth, sixth, and seventh modes, the overcombustible gas removal drive means 211a further shortens the overcombustible gas removal time t 0 after a predetermined drive period has elapsed from the start of gas detection. It is in.
複数回にわたり過燃焼性ガス除去が行われた後ならば、過燃焼性ガス除去時間t0を短くしても、過燃焼性ガスを充分に除去できる。これにより、電力消費を少なくし、電池駆動を念頭においた低消費電力型のガス検知装置とすることができる。これは第5,第6,第7形態で適用可能である。例えば通常では、ヒータ層13が、過燃焼性ガス除去温度T0(例えば300℃)で過燃焼性ガス除去時間t0(例えば5s)にわたり加熱するが、ガス検知開始から所定の駆動期間経過後ではヒータ層13が、過燃焼性ガス除去温度T0(例えば300℃)で過燃焼性ガス除去時間t0(例えば3s)にわたり加熱するというものである。このような駆動パターンを採用することができる。
After the overcombustible gas is removed a plurality of times, the overcombustible gas can be sufficiently removed even if the overcombustible gas removal time t 0 is shortened. As a result, it is possible to obtain a low power consumption type gas detection device which consumes less power and is driven by a battery. This is applicable in the fifth, sixth and seventh forms. For example, normally, the
また、第5,第6,第7,第8形態において、過燃焼性ガス除去駆動手段211aは、一のガス検知周期tdにおいて、過燃焼性ガス除去温度T0(例えば300℃)で過燃焼性ガス除去時間t0(例えば5s)にわたり加熱する過燃焼性ガス除去駆動を一回行う。しかしながら、この過燃焼性ガス除去駆動を複数のガス検知周期tdの経過毎に一回というように間欠的に行う(例えば図16)ようにしても良い。 In addition, in the fifth, sixth, seventh, and eighth modes, the overcombustible gas removal driving means 211a operates at the overcombustible gas removal temperature T 0 (for example, 300 ° C.) in one gas detection cycle t d . Overcombustible gas removal drive for heating for the combustible gas removal time t 0 (for example, 5 s) is performed once. However, this overcombustible gas removal drive may be performed intermittently, such as once for each elapse of a plurality of gas detection periods t d (for example, FIG. 16).
続いて第9形態について説明する。あらかじめ定められたサイクルで過燃焼性ガス除去駆動を行っていたとしても、過燃焼性ガスが過剰に付着した場合には、所定サイクルの、過燃焼性ガス除去駆動だけでは除去できない場合もある。そこで、通常は定期的に過燃焼性ガス除去駆動を行い、その後に再度過昇温を検知した場合にも過燃焼性ガス除去駆動を行う。この第9形態では先に図1,図2で示す構成を有する。そして、通常は、図14,図15,図16を用いて第5,第6,第7,第8形態として説明した通常パターンで駆動される。この駆動時に上記したように過昇温の有無を検知する。過昇温がなければそのまま通常パターンでの駆動を続ける。しかしながら、過昇温があった場合は図5,図9,図10で示したような過燃焼性ガス除去パターンに切り換える。そして、通常パターンに戻るが再度過昇温があった場合は過燃焼性ガス除去パターンに切り換える。以下、これら通常パターンと過昇温対策駆動パターンによる駆動を、所定回数を超えて実行しても過昇温が検知される場合、アラームを出す。このような形態としても良い。 Next, the ninth mode will be described. Even if the overcombustible gas removal drive is performed in a predetermined cycle, if the overcombustible gas excessively adheres, it may not be removed only by the overcombustible gas removal drive in a predetermined cycle. Therefore, normally, the overcombustible gas removing drive is performed regularly, and the overcombustible gas removing drive is also performed when the excessive temperature rise is detected again thereafter. The ninth mode has the configuration shown in FIGS. Then, normally, it is driven in the normal pattern described as the fifth, sixth, seventh, and eighth modes with reference to FIGS. 14, 15, and 16. During this driving, the presence or absence of excessive temperature rise is detected as described above. If there is no excessive temperature rise, drive in the normal pattern is continued. However, if there is an excessive temperature rise, the pattern is switched to the overcombustible gas removal pattern as shown in FIGS. 5, 9 and 10. Then, the pattern returns to the normal pattern, but if the excessive temperature rise occurs again, the pattern is switched to the overcombustible gas removal pattern. Hereinafter, if the excessive temperature rise is detected even after the driving by the normal pattern and the excessive temperature rise countermeasure driving pattern is executed a predetermined number of times, an alarm is issued. Such a form may be adopted.
続いて本発明の第10形態について図を参照しつつ説明する。先に説明した第1〜第9形態と比較すると、本形態は、ガスセンサとして図17に示すようなブリッジ構造のガスセンサ10’を採用したものである。この図17は、ガスセンサの構成をあくまで概念的に見やすく示したもので、各部の大きさや厚さ等は厳密なものではない。 Next, a tenth embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. When the first to ninth forms described earlier on purpose comparison, the present embodiment is obtained by employing the gas sensor 10 'of the bridge structure as shown in FIG. 17 as a gas sensor. FIG. 17 conceptually shows the configuration of the gas sensor in an easy-to-see manner, and the size and thickness of each part are not strict.
このブリッジ構造でもダイヤフラム構造と同様に高断熱,低熱容量の構造となり、ガスセンサとして採用できる。ガスセンサ10’は、Si基板11、熱絶縁支持層12、ヒータ層13、電気絶縁層14、ガス検知部15、貫通孔16、キャビティ17を備える。なお、先の図2を用いて説明したガスセンサ10と同じ構成であるSi基板11、熱絶縁支持層12、ヒータ層13、電気絶縁層14、ガス検知部15については、同じ符号を付すとともに重複する説明を省略する。
Similar to the diaphragm structure, this bridge structure also has a structure with high heat insulation and low heat capacity, and can be used as a gas sensor. The
ガスセンサ10’は、先に説明したようなSi基板11、熱絶縁支持層12、ヒータ層13、電気絶縁層14、ガス検知部15を形成し、その後に4本のブリッジと中央のステージを残すように上側からウェットエッチングを行い、図17(b)のA−A断面図、図17(c)のB−B断面図で示すように、四角錐または図示しないが四角錐台形のキャビティ17を形成する。このようなガスセンサ10’に対して、先に説明したようなヒータ駆動を行って、ガスを検出するガス検出装置としても良い。
The
以上、本発明のガス検知装置について図を参照しつつ説明した。なお、先に説明した第1〜第10形態では何れもガス選択燃焼層154を備える構成であるものとして説明したが、このガス選択燃焼層154がないようなガス検知部15であっても良い。この場合も、多孔質であるガス感知層153があればガス検知は可能であり、また、多孔質であるガス感知層153は過燃焼性ガスを吸着するため、同様の効果が見込める。このようなガス選択燃焼層154がない構成を採用しても良い。
The gas detector of the present invention has been described above with reference to the drawings. Although the first to tenth embodiments described above are all described as being configured to include the gas
以上説明したこれらガス検知装置によれば、過昇温による影響を排除し、信頼性を高めるとともに高精度な検知を実現する。 According to these gas detection devices described above, the influence of excessive temperature rise is eliminated, reliability is increased, and highly accurate detection is realized.
本発明のガス検知装置は、特にガス漏れ警報器等の用途に適用することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The gas detection device of the present invention can be applied to applications such as gas leak alarms.
1,2:ガス検知装置
10,10’:ガスセンサ
11:Si基板
12:熱絶縁支持層
121:熱酸化SiO2層
122:CVD−Si3N4層
123:CVD−SiO2層
13:ヒータ層
14:電気絶縁層
15:ガス検知部
151:接合層
152:感知層電極
153:ガス感知層
154:ガス選択燃焼層
16:貫通孔
17:キャビティ
20,20’:駆動制御・信号処理部
21:中央処理部
211:ヒータ層駆動手段
211a:過燃焼性ガス除去駆動手段
211b:ガス検知駆動手段
212:都市ガス検知手段
213:COガス検知手段
214:ヒータ層温度算出手段
215:過昇温検知手段
216:駆動切換手段
217:補正手段
218:判定手段
219:表示制御手段
220:出力制御手段
22:ヒータ層駆動部
23:ヒータ層電気特性測定部
24:ガス検知信号処理部
25:記憶部
26:警報表示部
27:警報音出力部
28:外部出力部
29:電源部
1,2:
Claims (11)
前記ヒータ層を、前記検知対象ガスを検知する通常駆動パターンまたは前記ガス検知部の過昇温を防止する過昇温対策駆動パターンにより通電駆動するヒータ層駆動部と、
前記ヒータ層の温度に基づいて前記ガス感知層または前記ガス選択燃焼層の過昇温を検知する過昇温検知部と、
前記過昇温検知部により過昇温が検出されたときに前記ヒータ層駆動部の駆動パターンを前記通常駆動パターンから前記過昇温対策駆動パターンに変更させる駆動切換部と、
を備え、
前記過昇温対策駆動パターンは、前記ガス検知部の温度を低くし、過燃焼性ガスを気化除去または燃焼除去するパターンであることを特徴とするガス検知装置。 A gas sensing layer formed of a porous body or a columnar structure for sensing a gas to be detected, a gas selective combustion layer formed of a porous body for burning and removing an interfering gas, and the gas sensing layer and the gas selective combustion a gas detector having a heater layer for heating a layer,
A heater layer drive unit that energizes and drives the heater layer by a normal drive pattern for detecting the detection target gas or a drive pattern for preventing excessive temperature rise of the gas detection unit,
An overheating detection unit that detects an overheating of the gas sensing layer or the gas selective combustion layer based on the temperature of the heater layer,
A drive switching unit that changes the drive pattern of the heater layer drive unit from the normal drive pattern to the drive pattern against excessive temperature rise when the excessive temperature rise detection unit detects an excessive temperature rise;
Equipped with
The gas detection device, wherein the drive pattern against excessive temperature rise is a pattern for lowering the temperature of the gas detection unit to vaporize or combust and remove the overcombustible gas.
前記ヒータ層を、前記検知対象ガスを検知する通常駆動パターンと前記検知対象ガスの検知温度より低い温度にて過燃焼性ガスを除去する過燃焼性ガス除去パターンと前記ガス検知部の過昇温を防止する過昇温対策駆動パターンとにより通電駆動するヒータ層駆動部と、
前記ヒータ層の温度に基づいて前記ガス感知層の過昇温を検知する過昇温検知部と、
前記過燃焼性ガス除去パターンによる通電駆動後に、前記通常駆動パターンにより通電駆動を行わせ、前記通常駆動パターンにおいて、前記過昇温検知部により過昇温が検知されたときに前記ヒータ層駆動部の駆動パターンを前記通常駆動パターンから前記過昇温対策駆動パターンに変更させる駆動切換部と、
を備え、
前記過昇温対策駆動パターンは、前記ガス検知部の温度を低くし、過燃焼性ガスを気化除去または燃焼除去するパターンであることを特徴とするガス検知装置。 A gas sensing layer having a porous body or a columnar structure and sensing a gas to be sensed, and a gas sensing part having a heater layer for heating the gas sensing layer;
The heater layer has a normal drive pattern for detecting the detection target gas, an overcombustible gas removal pattern for removing the overcombustible gas at a temperature lower than the detection temperature of the detection target gas, and an excessive temperature rise of the gas detection unit. A heater layer drive section that is energized and driven by a drive pattern for preventing excessive temperature rise ,
An overheating detection unit that detects an overheating of the gas sensing layer based on the temperature of the heater layer,
The energization drive is performed by the normal drive pattern after the energization drive by the overcombustible gas removal pattern, and the heater layer drive unit is operated when the excessive temperature rise detection unit detects the excessive temperature rise in the normal drive pattern. A drive switching unit for changing the drive pattern of the normal drive pattern from the drive pattern against excessive temperature rise,
Equipped with
The excessive temperature rise measures driving pattern, the temperature of the gas sensing portion is lowered, the gas detection apparatus, wherein a pattern der Rukoto to vaporize remove or burn off excessive combustible gases.
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