JPH01203955A - 発熱触媒反応によるガス検出用センサ装置 - Google Patents
発熱触媒反応によるガス検出用センサ装置Info
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- JPH01203955A JPH01203955A JP31605088A JP31605088A JPH01203955A JP H01203955 A JPH01203955 A JP H01203955A JP 31605088 A JP31605088 A JP 31605088A JP 31605088 A JP31605088 A JP 31605088A JP H01203955 A JPH01203955 A JP H01203955A
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
- G01N25/20—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
- G01N25/22—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures
- G01N25/28—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly
- G01N25/30—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on combustion or catalytic oxidation, e.g. of components of gas mixtures the rise in temperature of the gases resulting from combustion being measured directly using electric temperature-responsive elements
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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。
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、加熱可能の触媒層を備えガスセンサとして
作用する第1トランジスタを含み、発熱触媒反応により
ガスを検出するセンサ装置に関するものである。
作用する第1トランジスタを含み、発熱触媒反応により
ガスを検出するセンサ装置に関するものである。
熱量計原理に基づいて作用するセンサをガス分析に使用
することは例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第35
19397号公報により公知である。これらのセンサは
温度感応性のセンサ素子を含み、これらの素子は周囲に
対して熱絶縁された構成であり、ガスに触れる表面に触
媒層が設けられている。触媒層としては被検出ガスが表
面において例えば空気中の酸素と発熱触媒反応を行うも
のが選ばれる。多くの場合触媒反応には触媒が特定の基
本温度にあることが必要である。白金触媒は例えば水素
の燃焼に好適である。白金又は白金・ロジウムの触媒は
200ないし250°Cの温度において酸素添加により
NH,からのNOの形成に適している。NOはAlz
Ox −3ing −ゲルの触媒に接して100″C
で燃焼してNO□となる。
することは例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第35
19397号公報により公知である。これらのセンサは
温度感応性のセンサ素子を含み、これらの素子は周囲に
対して熱絶縁された構成であり、ガスに触れる表面に触
媒層が設けられている。触媒層としては被検出ガスが表
面において例えば空気中の酸素と発熱触媒反応を行うも
のが選ばれる。多くの場合触媒反応には触媒が特定の基
本温度にあることが必要である。白金触媒は例えば水素
の燃焼に好適である。白金又は白金・ロジウムの触媒は
200ないし250°Cの温度において酸素添加により
NH,からのNOの形成に適している。NOはAlz
Ox −3ing −ゲルの触媒に接して100″C
で燃焼してNO□となる。
COはパラジウム触媒に接して150 ’C以下の温度
で酸化されCO,となる。
で酸化されCO,となる。
上記の原理に基づいて動作するガスセンサは[ペリスタ
(Pellistor) Jという商品名で公知である
(英国のイングリッシュ・エレクトリック・パルプ・カ
ンパニー (English Electric Va
lve Co、)のデータシート参照)、この「ペリス
タ」は表面に多孔質のセラミックペレットが焼結されて
いる白金抵抗線から構成され、セラミックベレットには
触媒がとりつけられている。被検出ガスの触媒燃焼によ
り白金抵抗線の抵抗に測定可能の変化が起こる。これ以
外のセンサも上記会社のデータ・シートその他によって
公知である。
(Pellistor) Jという商品名で公知である
(英国のイングリッシュ・エレクトリック・パルプ・カ
ンパニー (English Electric Va
lve Co、)のデータシート参照)、この「ペリス
タ」は表面に多孔質のセラミックペレットが焼結されて
いる白金抵抗線から構成され、セラミックベレットには
触媒がとりつけられている。被検出ガスの触媒燃焼によ
り白金抵抗線の抵抗に測定可能の変化が起こる。これ以
外のセンサも上記会社のデータ・シートその他によって
公知である。
この種のセンサの製作は半導体技術によるのがを利であ
ることは例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第351
9397号公報に記載されている。
ることは例えばドイツ連邦共和国特許出願公開第351
9397号公報に記載されている。
触媒層を備えるトランジスタをガスセンサとして使用す
ることはr19B6年第2回化学センサ国際会議報告(
Proc、 of the 5econd 1nter
national+aeetiB on che++1
cal 5ensors) J 235ページ以下の記
載により公知である。トランジスタはその高い温度感性
により特に温度センサとして好適であり、トランジスタ
のベースとエミッタの間に接続された可変抵抗によって
温度センサの電気的動作点を広い温度範囲で一定に保持
することができる。触媒層は一般に100°C以上の動
作温度を必要とするから、動作温度を確保するため外部
加熱部が設けられる。この外部加熱部は一般に広い場所
を必要とするが、これは多(の応用分野において妨げに
なる。
ることはr19B6年第2回化学センサ国際会議報告(
Proc、 of the 5econd 1nter
national+aeetiB on che++1
cal 5ensors) J 235ページ以下の記
載により公知である。トランジスタはその高い温度感性
により特に温度センサとして好適であり、トランジスタ
のベースとエミッタの間に接続された可変抵抗によって
温度センサの電気的動作点を広い温度範囲で一定に保持
することができる。触媒層は一般に100°C以上の動
作温度を必要とするから、動作温度を確保するため外部
加熱部が設けられる。この外部加熱部は一般に広い場所
を必要とするが、これは多(の応用分野において妨げに
なる。
この発明の目的は、コンパクト構成のセンサ装置を提供
することである。
することである。
この目的はこの発明により冒頭に挙げた種類のセンサ装
置において、触媒層の加熱源として放熱トランジスタを
設けることによって達成される。
置において、触媒層の加熱源として放熱トランジスタを
設けることによって達成される。
特許請求の範囲の請求項2によるセンサ装置は、所要場
所が特に狭いという利点を示す。
所が特に狭いという利点を示す。
特許請求の範囲の請求項3によるセンサ装置には、ガス
センサと加熱素子が1つの集積構成部品を構成するとい
う利点がある。この装置は半導体技術により特に廉価に
製作される。
センサと加熱素子が1つの集積構成部品を構成するとい
う利点がある。この装置は半導体技術により特に廉価に
製作される。
特許請求の範囲の請求項4によるセンサ装置は、ガスセ
ンサから熱絶縁されている基準素子を含む。
ンサから熱絶縁されている基準素子を含む。
これによりガスの検出に際して例えば周囲温度の変化に
起因する効果を補償することが可能となる。
起因する効果を補償することが可能となる。
この集積構成も半導体技術により特に廉価に製作するこ
とができる。
とができる。
特許請求の範囲の請求項5によるセンサ装置には温度セ
ンサが含まれる。これにより測定中センサ装置の絶対温
度を監視し、加熱によるセンサ装置の破損を避けること
ができる。この集積構成も半導体技術により廉価に製作
される。
ンサが含まれる。これにより測定中センサ装置の絶対温
度を監視し、加熱によるセンサ装置の破損を避けること
ができる。この集積構成も半導体技術により廉価に製作
される。
〔実施例)
図面に示した実施例についてこの発明を更に詳細に説明
する。
する。
第1図にはガス検出の外に加熱素子としても使用される
第1トランジスタ20が示されている。
第1トランジスタ20が示されている。
このトランジスタはエミッタ1、ベース2およびコレク
タ3を備えるバイポーラ・トランジスタであって、絶縁
II*4を介して基板5に吊り下げ形にとりつけられて
いる。絶!i膜4は例えば5iaNsから成り、厚さは
約0.5μ謡であって第1トランジスタ20を確実に基
板5から熱絶縁する。第1トランジスタ20にはエミッ
タ接触6とベース接触7があり、これらの接触は例えば
アルミニウムである。第1トランジスタ20は例えばシ
リコン上に形成される。この場合トランジスタは100
°Cと250°Cの間の温度においての動作に適してい
る。更に窩い温度においての動作に対してはバンドギャ
ップの広い半導体材料、例えばGaAsのトランジスタ
が好適モある。第1トランジスタ20の背面にはコレク
タ接触8が設けられる。コレクタ接触8はコレクタ3、
従って第1トランジスタ20と基板5の間の結合を構成
するのであるから、できるだけ熱伝導度の低い材料で作
られ、第1トランジスタ20の熱絶縁を阻害しないよう
にしなければならない、他方コレクタ接触8は導電材料
で作られる必要がある。コレクタ接触8は例えば熱伝導
がアルミニウムの約1/15であるチタンで作られる。
タ3を備えるバイポーラ・トランジスタであって、絶縁
II*4を介して基板5に吊り下げ形にとりつけられて
いる。絶!i膜4は例えば5iaNsから成り、厚さは
約0.5μ謡であって第1トランジスタ20を確実に基
板5から熱絶縁する。第1トランジスタ20にはエミッ
タ接触6とベース接触7があり、これらの接触は例えば
アルミニウムである。第1トランジスタ20は例えばシ
リコン上に形成される。この場合トランジスタは100
°Cと250°Cの間の温度においての動作に適してい
る。更に窩い温度においての動作に対してはバンドギャ
ップの広い半導体材料、例えばGaAsのトランジスタ
が好適モある。第1トランジスタ20の背面にはコレク
タ接触8が設けられる。コレクタ接触8はコレクタ3、
従って第1トランジスタ20と基板5の間の結合を構成
するのであるから、できるだけ熱伝導度の低い材料で作
られ、第1トランジスタ20の熱絶縁を阻害しないよう
にしなければならない、他方コレクタ接触8は導電材料
で作られる必要がある。コレクタ接触8は例えば熱伝導
がアルミニウムの約1/15であるチタンで作られる。
エミッタ接触6とベース接触7の上には触媒層9が設け
られる。この触媒層は厚さが例えば約100ないし15
0nmであって、例えばパラジウム又は白金から成る。
られる。この触媒層は厚さが例えば約100ないし15
0nmであって、例えばパラジウム又は白金から成る。
これより薄い約10nmまての接触層を使用することも
可能である。
可能である。
ガスセンサとして操作する際にはトランジスタのエミッ
タ・ベース回路に例えば電圧印加の形で電源14を通し
て電力が供給される(第2図)。
タ・ベース回路に例えば電圧印加の形で電源14を通し
て電力が供給される(第2図)。
エミッタ接触6は抵抗R,と電流計!、を介して電源に
結ばれる。第1トランジスタ20はこの電力によって加
熱される。電力の大きさは第1トランジスタ従って触媒
層が所望の動作温度に達するように選定される。これに
より所定のエミッタ電流が設定され、この電流は電流計
1.で測定される。 Mt検出ガスは第1図に矢印lO
で示した方向において触媒層9に作用する。触媒層の表
面で被検出ガスは発熱触媒反応を行う、この反応により
熱が発生し、第1トランジスタ20を更に加熱する。第
1トランジスタのこの加熱によりエミッタ電流が変化し
、電流計■、に記録される。このエミッタ電流の所定値
からの変移から第1トランジスタの温度従ってガスの種
類が求められる。抵抗R9は負帰還として作用するが、
この負帰還はエミッタ接触を熱の逆再生による破壊から
保護する点で重要である。
結ばれる。第1トランジスタ20はこの電力によって加
熱される。電力の大きさは第1トランジスタ従って触媒
層が所望の動作温度に達するように選定される。これに
より所定のエミッタ電流が設定され、この電流は電流計
1.で測定される。 Mt検出ガスは第1図に矢印lO
で示した方向において触媒層9に作用する。触媒層の表
面で被検出ガスは発熱触媒反応を行う、この反応により
熱が発生し、第1トランジスタ20を更に加熱する。第
1トランジスタのこの加熱によりエミッタ電流が変化し
、電流計■、に記録される。このエミッタ電流の所定値
からの変移から第1トランジスタの温度従ってガスの種
類が求められる。抵抗R9は負帰還として作用するが、
この負帰還はエミッタ接触を熱の逆再生による破壊から
保護する点で重要である。
トランジスタがガスセンサとしてだけ操作されるときは
、第3図に示すようにエミッタ接触6とベース接触7の
間に可調整抵抗R,が接続される。
、第3図に示すようにエミッタ接触6とベース接触7の
間に可調整抵抗R,が接続される。
電源■から第1トランジスタ20に電流が流れる。
トランジスタの温度に応じてエミッタ接触6とコレクタ
接触8の間に所定の電圧値が設定される。
接触8の間に所定の電圧値が設定される。
可調整抵抗R3の種々の抵抗値に対するエミッタ接触6
とコレクタ接触8の間の電圧Uと第1トランジスタ20
の温度Tとの関係を第4図に示す。
とコレクタ接触8の間の電圧Uと第1トランジスタ20
の温度Tとの関係を第4図に示す。
U (T)曲線は極めて急激な立ち上がりを示す。
この曲線は電流供給を一定にして抵抗R3の値を変える
か、あるいは抵抗R8を一定値0Ωとして電流供給量を
上昇させることにより、広い温度範囲に亘って移動させ
ることができる。
か、あるいは抵抗R8を一定値0Ωとして電流供給量を
上昇させることにより、広い温度範囲に亘って移動させ
ることができる。
第5図の実施例では放熱トランジスタ11と第1トラン
ジスタ20が集積された構成となっている。第1トラン
ジスタ20は触媒層9を備える。
ジスタ20が集積された構成となっている。第1トラン
ジスタ20は触媒層9を備える。
放熱トランジスタ11は第1トランジスタ20と同じ構
成のものとするのが有利である。この場合両方のトラン
ジスタを1つの工程で作ることができる。放熱トランジ
スタ11と第1トランジスタ20は絶縁膜4によって基
板5から熱絶縁されている。動作中放熱トランジスタ1
1にはそれ自体で第1トランジスタ20と触媒層9を所
望動作温度に加熱する電力が加えられる。被検出ガスが
触媒層9に作用すると第1トランジスタ20の動作点が
変化し、ガス種を決定することができる。トランジスタ
ならびに絶縁膜4、基板5および触媒N9の構成は第1
図で説明した通りである。
成のものとするのが有利である。この場合両方のトラン
ジスタを1つの工程で作ることができる。放熱トランジ
スタ11と第1トランジスタ20は絶縁膜4によって基
板5から熱絶縁されている。動作中放熱トランジスタ1
1にはそれ自体で第1トランジスタ20と触媒層9を所
望動作温度に加熱する電力が加えられる。被検出ガスが
触媒層9に作用すると第1トランジスタ20の動作点が
変化し、ガス種を決定することができる。トランジスタ
ならびに絶縁膜4、基板5および触媒N9の構成は第1
図で説明した通りである。
第6図に示した別の実施例では、第1トランジスタ20
と放熱トランジスタ11が集積構成となり更に温度セン
サ13が設けられる。この温度センサも同じくトランジ
スタである。これらの構成要素も絶縁膜4によって熱絶
縁されて基板5に吊り下げ形に取りつけられている。各
トランジスタの構成は第1図について説明した通りであ
る。
と放熱トランジスタ11が集積構成となり更に温度セン
サ13が設けられる。この温度センサも同じくトランジ
スタである。これらの構成要素も絶縁膜4によって熱絶
縁されて基板5に吊り下げ形に取りつけられている。各
トランジスタの構成は第1図について説明した通りであ
る。
基板5には更に別の絶縁膜4′が設けられ、基準トラン
ジスタ12、第2放熱トランジスタ11’および第2温
度センサ13’がこの絶縁膜を介して基板5に取りつけ
られる。第2放熱トランジスタ11′と第1放熱トラン
ジスタ11は同じ構成であり、第2温度センサ13′と
第xi度センサ13も同じ構成である。基準トランジス
タ12は触媒層を持たない点を除いて第1トランジスタ
20と同じ構成である。総てのトランジスタを1つの工
程で製作することは推賞に値いする。
ジスタ12、第2放熱トランジスタ11’および第2温
度センサ13’がこの絶縁膜を介して基板5に取りつけ
られる。第2放熱トランジスタ11′と第1放熱トラン
ジスタ11は同じ構成であり、第2温度センサ13′と
第xi度センサ13も同じ構成である。基準トランジス
タ12は触媒層を持たない点を除いて第1トランジスタ
20と同じ構成である。総てのトランジスタを1つの工
程で製作することは推賞に値いする。
このセンサ装置の動作中放熱トランジスタ11と11′
には第1トランジスタ20と触媒層9ならびに第1温度
センサ13又は基準トランジスタ12と第2温度センサ
13゛を要求された温度に加熱する電力が導かれる。温
度センサ13によって装置の絶対温度が監視される。被
検出ガスが装置に作用すると触媒層9の表面で発熱反応
が起こる。その結果として第1トランジスタ20が加熱
されその動作点が移動する。触媒層がないだけでその他
の点では第1トランジスタ20と同じ構成である基準ト
ランジスタ12はその動作点を不動に保つ、従って第1
トランジスタ20の動作点の移動を基準トランジスタ1
2の動作点に対する比率として測定することができる。
には第1トランジスタ20と触媒層9ならびに第1温度
センサ13又は基準トランジスタ12と第2温度センサ
13゛を要求された温度に加熱する電力が導かれる。温
度センサ13によって装置の絶対温度が監視される。被
検出ガスが装置に作用すると触媒層9の表面で発熱反応
が起こる。その結果として第1トランジスタ20が加熱
されその動作点が移動する。触媒層がないだけでその他
の点では第1トランジスタ20と同じ構成である基準ト
ランジスタ12はその動作点を不動に保つ、従って第1
トランジスタ20の動作点の移動を基準トランジスタ1
2の動作点に対する比率として測定することができる。
この相対測定によって絶対測定で可能であるよりも遥か
に小さい動作点移動も記録される。
に小さい動作点移動も記録される。
第1図は触媒層を備えるトランジスタの断面図、第2図
はガスセンサと同時に加熱素子として使用されるトラン
ジスタの接続図、第3図はガスセンサとして使用される
トランジスタの接続図、第4図はトランジスタの温度依
存性を表すグラフ、第5図は加熱素子としてのトランジ
スタとガス検出用のトランジスタを絶縁層内に含む装置
の平面図、第6図はガス検出用のトランジスタと加熱素
子と温度センサを含み更に基準素子が設けられている装
置の平面図である。 4.4′・・・絶縁膜 5・・・基板 9・・・触媒層 11.11′・・・放熱トランジスタ 12・・・基準トランジスタ 13.13′・・・温度センサ 20・・・第1トランジスタ FIGll。 IG 3 IG 4 T[0C]
はガスセンサと同時に加熱素子として使用されるトラン
ジスタの接続図、第3図はガスセンサとして使用される
トランジスタの接続図、第4図はトランジスタの温度依
存性を表すグラフ、第5図は加熱素子としてのトランジ
スタとガス検出用のトランジスタを絶縁層内に含む装置
の平面図、第6図はガス検出用のトランジスタと加熱素
子と温度センサを含み更に基準素子が設けられている装
置の平面図である。 4.4′・・・絶縁膜 5・・・基板 9・・・触媒層 11.11′・・・放熱トランジスタ 12・・・基準トランジスタ 13.13′・・・温度センサ 20・・・第1トランジスタ FIGll。 IG 3 IG 4 T[0C]
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1)加熱可能の触媒層を備え、発熱触媒反応によりガス
を検出する第1トランジスタ(20)を含むセンサ装置
において、触媒層(9)の加熱源として放熱トランジス
タが設けられていることを特徴とするガス検出用センサ
装置。 2)第1トランジスタ(20)が放熱トランジスタとし
て設けられていることを特徴とする請求項1記載のセン
サ装置。 3)第1トランジスタ(20)と放熱トランジスタ(1
1)が1つの半導体基板(5)上の集積構造として実現
され熱絶縁されていることを特徴とする請求項1記載の
センサ装置。 4)集積構造に更に1つの第2トランジスタ(12)が
含まれ、このトランジスタが第1トランジスタ(20)
から熱絶縁され、第1トランジスタと同じ構成であるが
触媒層を欠き基準素子として使用されることを特徴とす
る請求項3記載のセンサ装置。 5)集積構造が更に温度センサとして使用される第3ト
ランジスタ(13)を含むことを特徴とする請求項3又
は4記載のセンサ装置。
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE3743400 | 1987-12-21 | ||
DE3743400.4 | 1987-12-21 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH01203955A true JPH01203955A (ja) | 1989-08-16 |
Family
ID=6343188
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP31605088A Pending JPH01203955A (ja) | 1987-12-21 | 1988-12-14 | 発熱触媒反応によるガス検出用センサ装置 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP0321785A3 (ja) |
JP (1) | JPH01203955A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010029805A1 (ja) * | 2008-09-12 | 2010-03-18 | 国立大学法人岡山大学 | ガスセンサ |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE4008150A1 (de) * | 1990-03-14 | 1991-09-19 | Fraunhofer Ges Forschung | Katalytischer gassensor |
DE19645694C2 (de) * | 1996-11-06 | 2002-10-24 | Deutsch Zentr Luft & Raumfahrt | Sensor zur Messung der Zusammensetzung von Wasserstoff-Sauerstoff-Gasgemischen |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
FR2159781A5 (ja) * | 1971-11-12 | 1973-06-22 | Dusserre Pierre | |
GB8303298D0 (en) * | 1983-02-07 | 1983-03-09 | Gen Electric Co Plc | Temperature sensors |
DE3519397A1 (de) * | 1985-05-30 | 1986-12-04 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Sensor fuer gasanalyse bzw. -detektion |
-
1988
- 1988-12-07 EP EP19880120461 patent/EP0321785A3/de not_active Withdrawn
- 1988-12-14 JP JP31605088A patent/JPH01203955A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2010029805A1 (ja) * | 2008-09-12 | 2010-03-18 | 国立大学法人岡山大学 | ガスセンサ |
JP2010066234A (ja) * | 2008-09-12 | 2010-03-25 | Okayama Univ | ガスセンサ |
US8283704B2 (en) | 2008-09-12 | 2012-10-09 | National University Corporation Okayama University | Gas sensor |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP0321785A3 (de) | 1991-04-03 |
EP0321785A2 (de) | 1989-06-28 |
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