JPH0915226A - シランセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体式センサによる素子のシランガスに対
するシランセンサとして用いる場合に、素子の劣化を確
実に検出する。 【構成】 環境中のシラン系ガスを検出するためのセン
サ部２内の酸化第二スズを主材とする半導体式センサを
用いたシラン素子と、シラン素子の抵抗値に基づいてマ
イコン４による環境中のシラン系ガスの存在を判別する
警報判別手段および抵抗値がシラン素子の初期抵抗より
も高く設定される劣化判別値を越えるときにシラン素子
の劣化を判別する劣化判別手段とを有するシランセンサ
１である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、環境中のシラン系ガス
を検出して警報するシランセンサに関し、特にシランセ
ンサ使用中における素子の経時変化による劣化を判別す
るシランセンサに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】一般の可燃性ガス検知用として半導体式
センサは広く利用されている。一方、近年特殊ガスにつ
いてその危険性が注目され、特殊ガスに対しては、半導
体式ガスセンサよりも定電位電解式センサが多く利用さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】半導体式センサは、定
電位電解式センサに比べ、低濃度のガス検知が難しい点
と、長期にわたる安定性がない点が指摘されている。

【０００４】したがって、本発明は、半導体式センサに
よる素子のシランガスに対する応答特性および低濃度シ
ランガス中での長時間連続曝露による経時変化の加速試
験等を行った結果から、シランセンサとして用いる場合
に、素子の劣化を確実に検出することを提案するもので
ある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、環境中のシラ
ン系ガスを検出するための酸化第二スズを主材とする半
導体式センサを用いたシラン素子と、該シラン素子の抵
抗値に基づいて上記環境中のシラン系ガスの存在を判別
する警報判別手段と、該抵抗値が上記シラン素子の初期
抵抗よりも高く設定される劣化判別値を越えるときに上
記シラン素子の劣化を判別する劣化判別手段と、を有す
ることを特徴とするものである。

【０００６】さらに、劣化判別手段の劣化判別値は、記
憶手段に直接格納された劣化判別値、または、記憶手段
に格納されたシラン素子の初期抵抗に基づいて算出した
ものを使用するものである。

【０００７】

【作用】酸化第二スズを主材とする半導体式センサは、
通常の可燃性ガス用の場合とは逆に、シランガス中にお
いては素子の抵抗値が高くなり、応答速度も遅くなる。
したがって、シランセンサの場合には、半導体式センサ
のよる素子の初期抵抗から高い位置に劣化判別値を設定
し、素子の抵抗値が判別値を越えるときに素子が劣化し
たと判別することができる。

【０００８】

【実施例】図１は、本発明の一実施例を示す構成図であ
る。１はポータブル型のシランセンサ、２は環境中のシ
ラン系ガスを検出する酸化第二スズの平板にスクリーン
印刷法により厚膜形成し焼結したシラン素子を備えたセ
ンサ部、３はセンサ部２に接続されたインターフェー
ス、４はインターフェース３を介してセンサ部２の検出
出力がＡＤ変換されて取り込まれて種々の演算処理を行
うマイクロプロセッサユニット（以下、マイコン）であ
る。ここで、センサ部２のシラン素子には後述する実験
例に示すようにヒータ膜を有するものである。

【０００９】マイコン４は、演算処理を行う判別手段と
しての演算部４１と、インターフェース３を介してセン
サ部２から供給されてくる検出出力をＡＤ変換するＡＤ
変換部４２と、演算部４１に接続され、後述の動作が予
め格納されているＲＯＭ４３と、演算部４１に接続され
たタイマ４４と、演算処理の際に使用されるＲＡＭ４５
とを有する。

【００１０】このＲＡＭ４５は、作業領域と、警報時の
内容を格納する状態領域と、シランセンサの設定状態に
ついての内容を格納するデータ領域等を有する。

【００１１】また、マイコン４は、後述の電源回路の状
態を監視する情報を取り込むためのＡＤ変換部４６と、
外部のパソコンへ演算部４１からのデータを送出した
り、逆にパソコンのデータを入力するＵＡＲＴ部４８と
をさらに有する。

【００１２】６は、シラン系ガス検出時に点灯する警報
灯や素子の劣化時に点灯される異常灯等、複数の発光ダ
イオードにより構成される表示灯部である。

【００１３】７は演算部４１と相互接続された記憶手段
としてのＥＥＰＲＯＭであって、ここには、警報判別値
ＡＲＭや劣化判別値ＤＲＭ等が格納されている。

【００１４】９は演算部４１に接続され警報を発するブ
ザー、１０は移報接点部、１１は電源回路、１２は各部
に安定した電源電圧を供給する可変型の電圧調整器、１
３はセンサ部２内のヒータ膜（図示せず）に安定した電
圧を供給する電圧調整器、１４はＵＡＲＴ部４８に接続
された出力端子であって、詳細には示さないがＲＳ２３
２Ｃレベル変換器を介してパソコンが接続される。ま
た、１８は電源回路がＡＣアダプタとして作動するとき
外部の商用電源が接続される電源端子である。

【００１５】次に、動作について説明する。まず、全体
の動作について図２を参照して概略的に説明する。

【００１６】電源投入時、まずステップＳ１において初
期設定のルーチンを行う。次いで、ステップＳ２におい
てウォームアップとして、センサ部２内のシラン素子が
安定するまでの時間として３分間待機する（ＳＴＡＮＤ
ＢＹ状態）。そして、ステップＳ２で３分間経過すると
シラン系ガスの検出動作に入る（ＲＥＡＤＹ状態）。

【００１７】まず、ステップＳ５においてサンプリング
のルーチンが行われ、センサ部２で検出された出力電圧
値ＥをＡＤ変換して取り込み、出力電圧値Ｅを次式によ
って測定抵抗値Ｚｎとする。

【００１８】 Ｚｎ＝Ｒ（Ｖ−Ｅ）／Ｅ （１） なお、Ｒは半導体式センサと直列に設けられる固定抵抗
の抵抗値、Ｖは供給される電源電圧値であり、製造時に
ＥＥＰＲＯＭ７にデータ設定される。そして、ステップ
Ｓ６において判別処理のルーチンが行われ、この測定抵
抗値Ｚｎを警報判別値ＡＲＭと比較される。

【００１９】そして、ステップＳ９において、設定され
た待ち時間を経て（ＷＡＩＴ状態）、経過すると（ＳＴ
ＡＲＴ）上記の動作を繰り返す。この待ち時間は例えば
１秒毎になるように設定されている。また、待ち時間に
ステップＳ７において設定入力があると、ステップＳ８
において設定処理のルーチンを行う。この設定入力処理
は、ウォームアップの待機中にも可能であり、ステップ
Ｓ３およびＳ４において行うことができる。

【００２０】次に、ステップＳ１の初期設定のルーチン
について説明する。電源投入後、マイコン４の動作に必
要な各部の確認を行って、ＥＥＰＲＯＭ７から予め設定
されているデータを読み込む。そして、データが正常で
あればＲＡＭ４５のデータ領域に書き込み、動作中はＲ
ＡＭ４５から必要なデータを読み出す。また、ＥＥＰＲ
ＯＭ７のデータは、サムチェック等の読み出し状態の確
認とともに、数値が所定の範囲内であるかをチェックし
て誤ったデータの判別が行われる。そして、初期設定が
不良の場合には誤報を防止する観点からセンサ１の動作
を停止する。

【００２１】次に、ステップＳ５のサンプリングのルー
チンについて説明する。図３のステップＳ１５におい
て、まず、センサ部２で検出される出力電圧値ＥをＡＤ
変換器４２を介して取り込む。次に、ステップＳ１６に
おいて、ＲＡＭ４５のデータ領域から固定抵抗の抵抗値
Ｒ、電源電圧値Ｖを読み込み、上記式１のよって出力電
圧値Ｅを測定抵抗値Ｚｎに変換する。この変換された測
定抵抗値Ｚｎに基づいて後述する判別処理のルーチンに
おいて警報や素子の劣化等を判別する。

【００２２】次に、ステップＳ６の判別処理のルーチン
について説明する。図４のステップＳ２１において、ま
ず、ＲＡＭ４５から平均抵抗値Ｚｎｃを読み出して測定
抵抗値Ｚｎから検出感度を表すＳＮ比Ｓｎを次式によっ
て算出する。

【００２３】 Ｓｎ＝Ｚｎｃ／Ｚｎ （２） そして、ステップＳ２２において警報判別値ＡＲＭを読
み出し、ステップＳ２３において、ＳＮ比Ｓｎと警報判
別値ＡＲＭとを比較する。そして、ＳＮ比Ｓｎが警報判
別値ＡＲＭを越えるときには、環境中にシラン系ガスが
存在するとして、ステップＳ２４においてＲＡＭ４５に
発報状態にあることを格納して警報を発する。本実施例
のシランセンサ１の場合、警報動作はブザー９を鳴動さ
せて、警報灯点灯制御を表示灯部６に対して行うことに
なるが、外部の監視盤等に移報出力して警報する場合に
は、ブザー９を停止させて端子１５に移報信号線を接続
して移報接点部１０に対して出力制御させればよい。

【００２４】ここで、ＲＡＭ４５に例えば３０分間のト
レンド情報を示すため順次データを格納していくトレン
ド格納領域を設けてもよい。この領域において格納され
るデータは一番古いデータを削除しながら格納していく
ことにより、常に最近３０分のデータを保持することが
可能である。

【００２５】そして、ステップＳ２５において係数ｔを
インクリメントするとともに測定抵抗値Ｚｎを合計値Σ
Ｚｎに加算して、ステップＳ２６において係数ｔと定数
Ｔを比較する。定数Ｔは例えば３０分を計測するための
数値であり、係数ｔは１秒毎に設定されているので、定
数Ｔは１８００となる。ステップＳ２６において係数ｔ
が定数Ｔと同じになると、ステップＳ２７に進み、合計
値ΣＺｎを係数ｔで除算して平均抵抗値Ｚｎｃを算出す
る。そして、ステップＳ２８においてＲＡＭ４５から劣
化判別値ＤＲＭを読み出して、ステップＳ２９において
平均抵抗値Ｚｎｃと比較する。そして、平均抵抗値Ｚｎ
ｃが劣化判別値ＤＲＭよりも大きいときには、センサ部
２内のシラン素子が劣化したとして、ステップＳ３０に
おいてＲＡＭ４５に劣化状態にあることを格納して劣化
警報を発する。発報状態の警報と同様に、本実施例のシ
ランセンサ１の場合、劣化警報動作はブザー９を断続鳴
動させて、異常灯点灯制御をＬＥＤ６に対して行うこと
になり、外部の監視盤等に移報する場合には、ブザー９
を停止させて端子１５、１６に移報信号線を接続して移
報接点部１０に対して出力制御させればよい。ここで、
ＲＡＭ４５に発報状態が格納されていると、警報動作し
ているブザー９を断続鳴動させることは不具合なので、
発報状態の各動作を優先させる。

【００２６】また、ステップＳ３１において、平均抵抗
値Ｚｎｃを所定値Ｃと比較して、所定値Ｃを越えないと
きには、ステップＳ３２においてＲＡＭ４５内の平均抵
抗値Ｚｎｃの更新を行う。この平均抵抗値Ｚｎｃの更新
は、半導体式センサの抵抗値の変動に対して（初期抵抗
値Ｚｎ０に対して上昇すると考えられる）警報判別値Ａ
ＲＭを適正なＳＮ比の値とするため変動に合わせて更新
する。また、ステップＳ３１において所定値Ｃを越える
ときには、上記警報判別値ＡＲＭの補正は行わない。す
なわち、経時的な抵抗値の変化以外に、実際にセンサ部
２がシラン系ガスを検出しているときに、警報判別値を
随時補正すると、抵抗変化に追従して失報することが考
えられる。それ以外にも外部からのノイズ要因で抵抗値
を変動させている場合もあり、一律に警報判別値を補正
することは好ましくない。

【００２７】そして、ステップＳ３３において合計値Σ
Ｚｎと係数ｔをクリアして、ステップ３４においてＡＤ
変換器４６を介して取り込んだ電源電圧を監視するバッ
テリーチェック処理を行って、リターンする。

【００２８】次に、ステップＳ４、Ｓ８の設定処理のル
ーチンを説明する。設定処理はシランセンサ１のシラン
検出に必要なデータを設定するときに主に使用され、Ｕ
ＡＲＴ部４８を介して接続された外部のパソコンからＥ
ＥＰＲＯＭ７へのデータ入力を行う。ＥＥＰＲＯＭ７に
は、固定抵抗の抵抗値Ｒや電源電圧値Ｖ等の測定のため
のデータ（測定データ）、警報判別値ＡＲＭや劣化判別
値ＤＲＭ、初期抵抗値Ｚｎ０等の判別のためのデータ
（判別データ）、ブザー出力や移報接点出力の要否等の
警報のためのデータ（設定データ）等が入力される。ま
た、この外部のパソコンからの上記サンプリングの制御
をマイコン４に行わせ、測定抵抗値ＺｎまたはＳＮ比Ｓ
ｎをアナログ出力させることもできる。

【００２９】上記実施例において、センサ部２の劣化判
別には、測定抵抗値Ｚｎの平均値Ｚｎｃを用いている
が、測定抵抗値Ｚｎを劣化判別値ＤＲＭと直接比較して
もよい。また、平均値に限らず、その他の加工値を用い
てもよい。そして判別するタイミングも３０分毎に限ら
ず、常時比較してもよく、１日１回であってもよい。上
記実施例では、劣化判別のタイミングを平均抵抗値Ｚｎ
ｃの更新のタイミングと合わせることにより、複数タイ
ミングをとるような煩雑な処理を必要としない。

【００３０】また、図１の構成に基づく上記実施例で
は、マイコン４を中心にしてソフト的に劣化判別を行っ
ているが、ハード構成を用いて行ってもよく、例えば、
後述するシラン素子のような回路構成によるセンサ部の
出力を同様に取り出すものとし、その出力電圧を抵抗分
割による基準電圧と比較するコンパレータによる比較回
路を２つ、定電圧下に設ければよい。それらの一方は、
出力電圧が基準電圧を越えるときにシラン系ガスを検出
したとするものであり、他方は、出力電圧が基準電圧を
下回るときにシラン素子の劣化を検出したとするもので
ある。そしてこれらの比較回路の出力は、ブザーや発光
ダイオード、移報回路等を個別等選択制御させればよ
い。

【００３１】［実験例］以下に、上記実施例に使用され
る半導体式のシランセンサについての応答特性および低
濃度シランガスへの連続曝露による経時変化を検討し
た。

【００３２】実験方法について、シラン素子は、酸化第
二スズ粉末にコロイダルシリカの焼結助材、グリコール
の粘度調整材を添加混合し、原料ペーストとして、平板
状のアルミナ基板上にスクリーン印刷法により厚膜成形
し乾燥後焼成してシラン素子とした。図５に示すよう
に、シラン素子Ｒｓに固定抵抗ＲＬと直流電源Ｖを接続
して、固定抵抗ＲＬの両端の電圧を出力として測定し
た。また、シラン素子Ｒｓが設けられるアルミナ基板背
面に白金によるヒータ膜を形成して、シラン素子Ｒｓと
は別途安定的にヒータ電圧を供給した。この測定回路
は、上記実施例のセンサ部２と同じ構成であり、上記出
力電圧をＡＤ変換してマイコン４内へ取り込む。そし
て、素子温度３３０℃で０．５Ｌ／ｍｉｎ乾燥空気また
は窒素気流中にシランガスを混入した。低濃度シランガ
ス連続曝露試験は、シラン濃度５ｐｐｍ中に８時間毎に
７回曝露させた。

【００３３】（１）シランガス検知特性 乾燥空気中および窒素中におけるシランガス５ｐｐｍに
対するシラン素子Ｒｓの出力の時間変化を図６および図
７に示す。いずれの雰囲気中でもシランガス導入時には
ほぼ同様の応答を示したが、窒素中ではパージによるシ
ラン濃度の低下には出力は応答せず、空気パージに切り
換えることにより出力が低下、回復した。

【００３４】（２）センサ感度の濃度依存性 乾燥空気中に導入したシランガス濃度によるセンサ感度
の変化を図８に示す。感度は乾燥空気中でのシラン素子
Ｒｓの抵抗値Ｒ０とガス中での抵抗値ＲｇとのＳＮ比Ｒ
０／Ｒｇで表している。センサ感度は約１〜１０ｐｐｍ
の間でほぼ直線を示し、通常の警報濃度５ｐｐｍでもＲ
０／Ｒｇが約８という値を示し、警報用として十分な感
度を有していると考えられる。

【００３５】（３）低濃度シランガス連続曝露試験 連続曝露試験を行う前と後のシランガス５ｐｐｍに対す
るシラン素子Ｒｓの時間変化を図９に示す。５６時間の
曝露により乾燥空気中での抵抗値、シランガス中での抵
抗値とも高くなるとともに、シランガスに対する応答速
度も遅くなった。このことから、シランガス中での半導
体式の素子の劣化は、通常の可燃性ガスセンサの抵抗値
が減少する方向とは逆になっていることがわかる。そし
て、連続曝露の３回目以降に抵抗値がはっきりと高くな
り、それとともに応答速度も遅くなる傾向が見られた。
したがって、シラン素子の劣化は、抵抗値が所定レベル
以上になることを監視することにより、自動検出が可能
と考えられる。

【００３６】

【発明の効果】以上のように、本発明は、環境中のシラ
ン系ガスを検出するための酸化第二スズを主材とする半
導体式センサを用いたシラン素子と、該シラン素子の抵
抗値に基づいて上記環境中のシラン系ガスの存在を判別
する警報判別手段と、該抵抗値が上記シラン素子の初期
抵抗よりも高く設定される劣化判別値を越えるときに上
記シラン素子の劣化を判別する劣化判別手段と、を有す
るものであり、半導体式センサによる素子をシラン系ガ
スに対するセンサとして用いる場合に、素子の劣化を確
実に検出することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示すブロック回路図。

【図２】図１の一実施例の全体的な動作を示すフローチ
ャート。

【図３】図１の一実施例のサンプリングの動作を示すフ
ローチャート。

【図４】図１の一実施例の判別処理の動作を示すフロー
チャート。

【図５】実験例の測定回路図。

【図６】乾燥空気中におけるシランガスに対する出力の
時間変化を示す図

【図７】窒素中におけるシランガスに対する出力の時間
変化を示す図。

【図８】乾燥空気中に導入したシランガス濃度によるセ
ンサ感度の変化を示す図。

【図９】連続曝露試験を行う前と後のシランガスに対す
る時間変化を示す図。

【符号の説明】

１ シランセンサ ２ センサ部（シラン素子） ４ マイコン（警報判別部および劣化判別部） ７ ＥＥＰＲＯＭ（記憶手段）

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 環境中のシラン系ガスを検出するシラン
   素子と、 該シラン素子の抵抗値に基づいて上記環境中のシラン系
   ガスの存在を判別する警報判別手段と、 該抵抗値が上記シラン素子の初期抵抗よりも高く設定さ
   れる劣化判別値を越えるときに上記シラン素子の劣化を
   判別する劣化判別手段と、 を有することを特徴とするシランセンサ。
2. 【請求項２】 劣化判別値が格納される記憶手段を有す
   る請求項１のシランセンサ。
3. 【請求項３】 初期抵抗が格納される記憶手段を有し、
   劣化判別手段は、該記憶手段の初期抵抗に基づいて劣化
   判別値を算出するものである請求項１のシランセンサ。
4. 【請求項４】 シラン素子が酸化第二スズを主材とする
   半導体式素子である請求項１のシランセンサ。