JPH01127943A - 可燃性ガスセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 この発明は可燃性ガスセンサに関し、さらに詳細にいえ
ば、電界効果トランジスタ型の構成を採用した可燃性ガ
スセンサに関する。

〈従来の技術〉 従来から、可燃性ガスセンサとして、第６図にすように
、５００２等の如く可燃性ガスに感応して抵抗値が変化
する素子（２１）に対して直流電源（２２）、および電
流計等（２３）を直列接続するとともに、上記素子（２
１）を約１００℃〜４００℃に加熱するヒータ（２４）
に対して電源（２５）を直列接続した構成のもの、およ
び 第７図に示すように、ケーシング（３１）の内部に、電
解質としての硫酸水溶液（３２）が収容されているとと
もに、ケーシング（３１）の所定位置に、開口（３３Ｈ
３４）、およびガス透過性テフロン膜（３ｓ）（３６）
が設けられてあり、さらに、上記ガス透過性テフロン膜
（３５）（３６）の内面側所定位置に、白金黒を塗布す
ることにより形成された作用電極（３７）、対向電極（
３８）、および参照電極（３９）が設けられている構成
のものく但し、上記作用電極（３７）と参照電極（３９
）との間の電位はポテンシオスタット回路（４０）によ
り一定に保持される） が提供されていた。

〈発明が解決しようとする問題点〉 上記第６図の構成の可燃性２ガスセンサにおいては、可
燃性ガス粒子の吸着量に対応する電流信号を生成するよ
うにしているのであるから、可燃性ガス粒子がある程度
吸着されることにより飽和してしまい、継続的に可燃性
ガス濃度の検出を行なわせることができないという問題
がある。さらに、可燃性ガスの存在を検出するための素
子（２１）を、ヒータ（２４）により約１００℃〜４０
０℃に加熱することが必須であり、構成が複雑化するの
みならず、ヒータ（２４）がガス爆発を誘発する原因に
なるという問題がある。また、素子（２１）の製造条件
等によってかなり大きい特性のばらつきが発生し易（、
補償回路等を、素子の特性のばらつきに対応させて調整
することが必要になり、可燃性ガスセンサ全体として製
造、調整が繁雑化するという問題がある。ざらに、加熱
のためにヒータに通電する必要があるので、測定可能な
状態になるまでに長時間を必要とするのみならず、消費
電力が著しく増加してしまうという問題もある。

上記第７図に示す構成の司燃性ガスセンサにおいては、
ガス透過性テフロン膜の特性、電極の特性、電極の位置
Ｒ度等の影響を受けてセンサ全体としての特性がばらつ
いてしまうので、これらの特性、位置精度等が設定値に
合致するようにしなければならず、製造が著しく手間で
あるとともに、手間をかけて製造しても、特性が揃った
ものを得ることが殆ど不可能であるという問題がある。

また、反応速度が、ガス透過性テフロン膜を透過するガ
ス濃度に影響されることになり、余り人きくすることが
できないという問題もある。

さらに、ケーシングの内部に電解液を収容しておくこと
が必要なので、長期間の使用においては、かなり高い確
率で電解液の漏出が生じ、可燃性ガスの検出における信
頼性が損なわれてしまうという問題がある。この点につ
いては、口■燃性ガスセンサを携帯式のものとした場合
に特に顕著になるのであり、全体としての小形化、およ
び低コスト化が殆ど不可能になってしまう。

これらの問題点を解消するために、本件発明者は、第８
図に示ずように、電界効果トランジスタ型の構成を有す
る可燃性ガスセンサを考え、絶縁膜上に設けられるゲー
ト電極を白金で形成するとともに、ソース電極を銀で形
成し、両型極上を一体的に蔽うプロトン伝導体膜を段番
ブだ構成により可燃性ガスセンサを得た。

しかし、このような構成の可燃性ガスセンサにおいては
、使用に伴なって、プロトン伝導体膜中で自然拡散しな
いイオン、例えば、通常の雰囲気中に存在するＮａ＋等
、或は特定の雰囲気中に存在づるアルカリ土類金属イオ
ン等がゲート電極の近傍に付着し、蓄積された場合には
、これらのイオンの影響を受けてゲート電極電位の絶対
値レベルが変動するのであるから（第２図Ａ参照）、ゲ
ート電極電位に対応する電気信号に基いて可燃性ガス濃
度を検出する場合に、上記イオンの影響を受けて、可燃
性ガス濃度検出精度が低下してしまうことになるという
問題がある。そして、上記イオンに起因するゲート電極
電位の変化レベルは、雰囲気中におけるイオン温度、使
用期間等により変化するのであるから、全く知ることが
できず、上記変化レベルを補償することは不可能である
。

〈発明の目的〉 この発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであり、
構成の簡素化を達成することができるとともに、可燃性
ガス濃度のみを正確に検出することができる可燃性ガス
センサを提供することを目的としている。

く問題点を解決するための手段〉 上記の目的を達成するための、この発明の可燃性ガスセ
ンサは、第１の電界効果トランジスタと、第２の電界効
果トランジスタと、プロトン伝導体膜とを有している。

上記第１の電界効果トランジスタは、ゲート電極、およ
びソース電極の一方を可燃性ガスに対して触媒活性を有
する金属で形成しているとともに、他方を可燃性ガスに
対して不活性な金属で形成したものであり、上記第２の
電界効果トランジスタは、ゲート電極、およびソース電
極の双方を可燃性ガスに対して不活性な金属で形成した
ものであり、上記プロトン伝導体膜は、両電界効果トラ
ンジスタのゲート電極、および、ソース電極を一体的に
蔽うものである。

但し、上記可燃性ガスに対して触媒活性を有する金属が
白金族金属であり、可燃性ガスに対して不活性な金属が
銀であることが好ましい。

く作用〉 以上の構成の可燃性ガスセンサであれば、測定対象雰囲
気中に存在する可燃性ガス粒子が、プロトン伝導体膜を
通して両電界効果トランジスタのゲート電極、およびソ
ース電極に導かれる。

そして、可燃性ガスに対して触媒活性を有する金属で形
成された電極の表面においては、可燃性ガスの種類に対
応して、 Ｈ２→２Ｈ＋２０ ｃｏ＋　８２０−Ｃ（）２　＋　２　Ｈ＋　２６等の触
媒反応が行なわれ、触媒反応の結果生成されたプロトン
Ｈ＋のみが、プロトン伝導体膜を通って他方の電極に向
かって移動させられる。

したがって、第１の電界効果トランジスタのゲート電極
には、測定対象雰囲気中に存在する可燃性ガスの濃度に
対応する電子、或はプロトン、および自然拡散しないイ
オンが滞留することになり、ソース電極、およびドレイ
ン電極から、可燃性ガスの濃度、および付着、蓄積した
イオンの饋に対応する電気信号を取出すことができる。

逆に、第２の電界効果トランジスタにおいては、ゲート
電極、およびソース電極の何れもが可燃性ガスに対して
不活性な金属で形成されているのであるから、ゲート電
極の表面に可燃性ガスに起因する電子、或はプロトンの
何れも滞留せず、自然拡散しないイオンのみが滞留する
ことになり、ソース電極、およびドレイン電極から、付
着、蓄積したイオンの量に対応する電気信号を取出すこ
とができる。

そして、何れの電界効果トランジスタにおいても、ゲー
ト電極の近傍に付着、蓄積する、自然拡散しないイオン
の量は等しくなるのであるから、取出された電気信号同
士の差を算出すれば、可燃性ガス濃度のみに依存する電
気信号を得ることができ、したがって、この電気信号に
対して必要な処理を施すことにより、正確な可燃性ガス
濃度を得ることができる。

また、可燃性ガスに対して触媒活性を有する金属が白金
族金属であり、可燃性ガスに対して不活性な金属が銀で
ある場合には、触媒活性が高いので、高感度で可燃性ガ
ス濃度の検出を行なうことができる。

〈実施例〉 以下、実施例を示す添付図面によって詳細に説明する。

第１図はこの発明の可燃性ガスセンサの一実施例を示す
概略図であり、ｐ型基板（１）の表面所定位置にｎ型の
ソース領域（２１Ｈ２２）、およびドレイン領域（３１
Ｎ３２）を形成しているとともに、上記ソース領域（２
１）とドレイン類１ｉｉ！　（３１）との間、およびソ
ース領域（２２）とドレイン領域（３２）との間にそれ
ぞれｎ型のチャネル領域（４１Ｈ４２）を形成し、上記
ソース領域（２１）（２２）に対応する部分を除いて、
上記ｐ型基板（１）の全表面を絶縁膜（５）で被覆して
いる。

そして、上記チャネル領域（４１）に対応させて上記絶
縁膜（５）の上に白金からなるゲート電ｆｆｉ　（６１
’ｌを形成しているとともに、上記チャネル領域（４２
）に対応させて上記絶縁膜（５）の−ヒに銀からなるゲ
ート電極（６２）を形成している。また、上記ソース領
域（２１）（２２）と接触する状態で銀からなるソース
電極（７１Ｈ７２）を形成し、さらに、上記ゲート電極
（６１）（６２）、ソース電極（７１）（７２）、およ
び絶縁膜（５）の少なくとも画電極の間に位置する部分
を蔽うように、ガス透過性プロトン伝導体膜（８）を形
成している。

尚、（Ｉｔ）（１２）は直流電源、（１３）（１４）は
電流計であり、上記ソース領域（２１）とドレイン領域
（３１）との間、およびソース領域（２２）とドレイン
類［（３２）との間にそれぞれ直列に接続されている。

また、上記ガス透過性のプロトン伝導体ＩＩＩ　（８）
としては、テトラフルオロエチレンとパーフルオロスル
ホニルフルオライドビニルニーデルとを共重合させるこ
とにより得られたもの（商品名Ｎ　ａ　ｆ　ｉ　ｏ　ｎ
、デュポン社製）が使用されている。

上記の構成の可燃性ガスセンサの動作は次のとおりであ
る。

第１図中矢印Ａで示すように可燃性ガスとしてのＣＯＯ
２０導かれた場合には、プロトン伝導体ＦＪ　（８１を
通って、一方の電界効果トランジスタの・ゲート電極（
６１）に到達し、白金の触媒作用によりゲート電極（６
１）の表面において Ｃ０−１−Ｈ２ｏ→ＣＯ２＋２Ｈ＋＋２ｅで示される反
応が行なわれ、ブ「コドンＨ＋、および電子ｅが生成さ
れる。したがって、プロトンがそのままＲ留すれば、 ２１ゼ＋１／２０２＋２６−＋Ｈ２０ で示される反応が行なわれ１．Ｅ記ゲート１ｍ（６１）
の帯電向が消失してしまうと思われるが、プロトン伝導
体膜（８）中においてプロトンは自由に移動するので、
上記可逆反応が頻発することはなく、ゲート電極（６１
）を帯電状態に保持し続けることができるので、Ｃｏガ
ス濃度が増加するにつれて深い−電位になる（第２図Ｃ
中実線参照）。

他方、ソース電極（１１）においては、銀が可燃性ガス
に全く感応しないので、可燃性ガス濃度が変化しても、
所定の電位に保持され続ける（第２図Ｂ参照）。

したがって、ソース−ゲート電極間には、可燃性ガス濃
度に対応する電位がかかることになり、ソース−ドレイ
ン電極間に一定の電圧を印加した場合には、可燃性ガス
濃度の増加に伴なって減少する電流特性を示すことにな
る（第２図Ｃ中実線参照）。

また、上記動作を行なっている間、ゲート電極（６１）
の近傍において発生させられた電子は浪費されることな
く保存されるのであるから、測定機器として特に高イン
ピーダンスのものを使用することは必要でなく、通常の
電流計を使用して正確な可燃性ガス濃度の測定を行なう
ことができる。

また、以上には、ＣＯＯ２０ゲートＷｆｆｉ（６１）の
表面に導かれた場合について説明したが、Ｈ２ガスが導
かれた場合には、 Ｈ２→２Ｈ＋＋２ｅ ２Ｈ＋＋１／２０２＋２ｅ−＋Ｈ２０ の反応が行なわれ、ＣＯＯ２０場合と同様にトイ。

ガス濃度に対応する電気信号を生成することができる。

逆に、他方の電界効果トランジスタにおいては、ゲート
電極（６２）、およびソース電Ｆｉ（７２）の何れもが
可燃性ガスに対して不活性であるから、可燃性ガス濃度
の影響を受けることなく、所定のゲート電極電位に保持
され続け、可燃性ガス濃度の影響を受けない一定の電気
信号を生成することができる。

したがって、両電界効果トランジスタにより生成される
電気信号動作の差を算出することにより、可燃台ガス濃
度に対応する電気信号を得、可燃性ガス濃度の算出を行
なうことができる。

以上の説明は、測定対象雰囲気中に他のイオンが存在し
ない′ｇ！想的な状態に対応するものであるが、実際に
は、このような理想的な雰囲気は殆ど存在せず、通常は
かなりの母のＮａ＋イオンが存在している。そして、Ｎ
ａ４イオンは、プロトン伝導体膜（８）を通して電界効
果トランジスタの表面に侵入するのであるが、殆ど自然
拡散せｆｌそのまま滞留してしまう。

したがって、上記一方の電界効果トランジスタにおいて
は、可燃性ガス濃度に依存する量の電子ｅと、滞留する
Ｎａ＋イオンの量とに基いて定まるゲート電極電位（第
２図Ｃ中実線参照）が得られ、逆に、他方の電界効果ト
ランジスタにおいては、滞留するＮａ＋イオンの量とに
基いて定まるゲート電極電位（第２図Ｃ中実線参照）が
得られるのであるから、両電界効果トランジスタにおい
て、Ｎａ＋イオンの影響は等しく出現していることにな
り、両電界効果トランジスクにおいで生成される電気信
号同士の差を算出することにより、第２図Ｃ中実線で示
すように、可燃性ガス濃度の増加に伴なって減少する特
性を得ることができる。

以上の説明から明らかなように、一方の電界効果トラン
ジスタからは可燃性ガス濃度、および付着、蓄積したＮ
ａ＋イオン濃度に対応する電気信号が、他方の電界効果
トランジスタからは付着、蓄積したＮａ＋イオン濃度の
みに対応する電気信号がそれぞれ出力されるのであるか
ら、両電気信号の差を算出することにより可燃性ガス濃
度のみに対応する電気信号を得ることができ、この差信
号に基いて可燃性ガス濃度を算出することができる。

尚、以上の説明においては、Ｎａ＋イオンの影響につい
てのみ説明したが、特殊な雰囲気下においては、Ｎａ＋
イオン以外のイオン、例えば、アルカリ土類金属イオン
等が付着、蓄積することが考えられる。しかし、このよ
うな雰囲気下においても、両電界効果トランジスタによ
り生成される電気信号同士の差を算出することにより、
可燃性ガス濃度のみに依存する電気信号を得ることがで
きる。

第３図は他の実施例を示す概略図であり、上記実施例と
異なる点は、ゲート電極（６１）を銀で形成し、ソース
電極（７１）を白金で形成した点のみである。

したがって、ゲート電極（θ１）（６２）は可燃性ガス
濃度に影響されることなく、付着、蓄積したＮａ＋イオ
ン濃度の増加に伴なって十電位になり、ソース電極（７
１）が可燃性ガス濃度の増加に伴なって深い一電位にな
ろうとし、ソース電極（７２）が−定の電位に保持され
る。

そして、ソース−ゲート電極間には、ガス濃度に依存し
て上記実施例と逆に変化する電位がかかることになり、
ソース−ドレイン電極間に一定の電圧を印加した場合に
は、ガス濃度の増加に伴なって増加する電流特性を示す
ことになる（第４図参照）。

第５図はさらに他の実施例を示す電気回路図であり、両
電界効果トランジスタを形成したつ１ハ上に一体形成し
た抵抗（１５Ｎ１６）、定電流回路（１７）、および接
続線路により差動増幅回路を構成している。

したがって、この実施例の場合には、周辺回路部品の取
付けが不要になるので、全体として小形化を達成するこ
とができるとともに、ＩＣ製造ブ臼セスにおいて簡単に
製造することができるので、コストダウンを達成するこ
とができる。

尚、この発明は上記の実施例に限定されるものではなく
、例えば可燃性ガスに対して触媒活性を有する金属とし
て、白金以外の白金属金属、或は金を使用することが可
能であり、可燃性ガスに対して不活性な金属として、例
えば鉛を使用することが可能であり、プロトン伝導体膜
（８）としてアンチモン酸、リン酸ジルコニウム等で形
成されたものを使用することが可能である。

但し、プロトン伝導体膜（８）としては、上記実施例に
示す、テトラフルオロエチレンとパーフルオロスルホニ
ルフルオライドビニルエーテルとの共重合体をプラズマ
重合により得ることが好ましく、真空中での重合により
得られる関係上、不純物の混入が少ないとともに、膜質
の均一性が高いという利点を有しており、しかも、膜厚
の制御、および重合度の制御を行なうことにより、可燃
性ガス、および水素ガスの透過性を任意に設定すること
ができるという利点を有している。

〈発明の効果〉 以上のようにこの発明は、可燃性ガスに対して触ｇＸ活
性を有する電極と、上記ガスに対して不活性な電極とを
使用して構成された電界効果１−ランジスタと、上記ガ
スに対して不活性な電極のみを使用して構成された電界
効果トランジスタの表面をプロトン伝導体膜で蔽ってい
るので、プロトン伝導体膜中において自然拡散しないイ
オンによるゲート電極電位の変化を補償して、可燃性ガ
ス濃度のみに依存する電気信号を得ることができ、ひい
ては、可燃性ガス濃度のみを正確に検出することができ
るという特有の効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の可燃性ガスセンサの一実施例を示す
概略図、 第２図は可燃性ガスセンサの動作を説明する特性図、 第３図は他の実施例を示す概略図、 第４図は特性図、 第５図はさらに他の実施例を示す電気回路図、第６図、
および第７図は従来の可燃性ガスセンサを示す概略図 第８図は電界効果トランジスタ型可燃性ガスセンサの一
例を示す概略図。 （６１）（６２）・・・ゲート電極、（７１）（７２）
・・・ソース電極、（８）・・・プロトン伝導体膜 特許出願人　　ダイキン工業株式会社 代　　理　　人　　　弁理士　　津　　川　　友　　士
第５図 第７図 第６図 とコ 第８図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ゲート電極、およびソース電極の一方を可燃性ガス
   に対して触媒活性を有する金属で形成しているとともに
   、他方を可燃性ガスに対して不活性な金属で形成した第
   １の電界効果トランジスタと、ゲート電極、およびソー
   ス電極の双方を可燃性ガスに対して不活性な金属で形成
   した第２の電界効果トランジスタと、両電界効果トラン
   ジスタのゲート電極、およびソース電極を一体的に蔽う
   プロトン伝導体膜とを有していることを特徴とする可燃
   性ガスセンサ。 ２、可燃性ガスに対して触媒活性を有する金属が、白金
   族金属であり、可燃性ガスに対して不活性な金属が銀で
   ある上記特許請求の範囲第１項記載の可燃性ガスセンサ
   。