JPH11142356A - Semiconductor gas sensor - Google Patents
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- JPH11142356A JPH11142356A JP9306154A JP30615497A JPH11142356A JP H11142356 A JPH11142356 A JP H11142356A JP 9306154 A JP9306154 A JP 9306154A JP 30615497 A JP30615497 A JP 30615497A JP H11142356 A JPH11142356 A JP H11142356A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、一般家庭や工業分
野において少ない電力消費量で可燃性ガス、一酸化炭
素、二酸化炭素、及び悪臭成分ガスを検出する半導体ガ
スセンサに関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a semiconductor gas sensor for detecting flammable gas, carbon monoxide, carbon dioxide, and odorous component gas with low power consumption in general household and industrial fields.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来より、都市ガスやプロパンガスなど
の可燃性ガスのガス漏れを検知する家庭用ガス漏れ警報
器としては、酸化錫を主成分とする感ガス体を用いて感
ガス体表面に可燃性ガスが付着したことによる感ガス体
の抵抗変化から可燃性ガスを検知する半導体ガスセンサ
や、熱線型ガスセンサがあった。これらのガスセンサで
は、可燃性ガスを検知する感ガス体がヒータにより比較
的高温の一定温度に常時加熱された状態で使用されるの
で、大きな電力が必要であり、電池を電源として長時間
使用することはできなかった。この半導体ガスセンサの
センシング素子10は、図11に示すように、酸化錫
(SnO2 )を主成分とする感ガス体1と、感ガス体1
に埋設され感ガス体1を加熱するヒータコイル2と、感
ガス体1に埋設された電極4とから構成され、感ガス体
1表面に検知対象のガスが吸着するときの感ガス体1の
抵抗変化から検知対象のガスを検出している。2. Description of the Related Art Conventionally, as a household gas leak alarm for detecting a gas leak of a flammable gas such as a city gas or a propane gas, a gas-sensitive body mainly composed of tin oxide is used. There are a semiconductor gas sensor that detects a combustible gas from a change in resistance of a gas-sensitive body due to the adhesion of a combustible gas to a gas sensor, and a hot wire gas sensor. In these gas sensors, a large amount of electric power is required because the gas sensing element that detects the flammable gas is constantly heated to a relatively high temperature by a heater, and the battery is used for a long time. I couldn't do that. As shown in FIG. 11, a sensing element 10 of this semiconductor gas sensor includes a gas-sensitive body 1 containing tin oxide (SnO 2 ) as a main component, and a gas-sensitive body 1.
A heater coil 2 embedded in the gas-sensitive body 1 for heating the gas-sensitive body 1 and an electrode 4 embedded in the gas-sensitive body 1. The gas to be detected is detected from the resistance change.
【0003】また、不完全燃焼によって発生する一酸化
炭素を検知する一酸化炭素警報器として、同様の半導体
ガスセンサがあり(特公昭53−43320号、実公平
2−20682号参照)、この種の半導体ガスセンサで
は、感ガス体に埋設してあるヒータに高低2段階の電力
を一定周期で交互に供給し、感ガス体の温度を高温状態
と低温状態とに交互に切り換えて、感ガス体が高温状態
で感ガス体表面に吸着した吸着ガスを取り除くクリーニ
ングを行い、その後感ガス体の温度が低温状態に切り換
わると、低温状態の最後(低温状態から再び高温状態に
切り換わる手前)で一酸化炭素の検出を行っていた。As a carbon monoxide alarm for detecting carbon monoxide generated by incomplete combustion, there is a similar semiconductor gas sensor (see JP-B-53-43320 and JP-B-2-20682). In a semiconductor gas sensor, two levels of power are alternately supplied at regular intervals to a heater embedded in a gas-sensitive body, and the temperature of the gas-sensitive body is alternately switched between a high-temperature state and a low-temperature state. Cleaning is performed to remove the adsorbed gas adsorbed on the surface of the gas-sensitive body at a high temperature, and then the temperature of the gas-sensitive body is switched to a low-temperature state. Detecting carbon oxide.
【0004】[0004]
【発明が解決しようとする課題】上記構成の半導体ガス
センサでは可燃性ガスを検出する場合、感ガス体1の温
度を約400℃近くまで常時加熱する必要があり、感ガ
ス体1を加熱するために約400mW程度の電力を必要
とする。したがって、半導体ガスセンサの電源に例えば
単3形乾電池2本を使用した場合、電池寿命が1日とも
たない。In the case of detecting a combustible gas in the semiconductor gas sensor having the above structure, it is necessary to constantly heat the temperature of the gas-sensitive body 1 to about 400 ° C. Requires about 400 mW of power. Therefore, when, for example, two AA batteries are used as the power supply of the semiconductor gas sensor, the battery life is less than one day.
【0005】そこで、半導体ガスセンサの消費電力を低
減するために、半導体ガスセンサを間欠的に動作させる
ことが考えられるが、この半導体ガスセンサは大型であ
り、感ガス体1の熱容量が大きいために、ヒータコイル
2に電力を供給してから感ガス体1の温度が高温(約4
00℃)の一定温度になるまでに約10秒が必要となる
(図8のロ)。したがって、この半導体ガスセンサを間
欠的に動作させた場合でも、ヒータコイル2に最低10
秒間は電力を供給する必要がある。ここで、約150秒
に1回の割合でガスの検知を行う場合、ヒータコイル2
に電力を供給しない時間は約140秒となり感ガス体1
を連続加熱した場合に比べて半導体ガスセンサの消費電
力は約15分の1に低減されるものの、電池を電源とし
て例えば1年程度の長期間にわたり半導体ガスセンサを
使用することはできなかった。In order to reduce the power consumption of the semiconductor gas sensor, it is conceivable to operate the semiconductor gas sensor intermittently. However, since the semiconductor gas sensor is large and the heat capacity of the gas-sensitive body 1 is large, a heater is required. After power is supplied to the coil 2, the temperature of the gas-sensitive body 1 becomes high (about 4
It takes about 10 seconds to reach a constant temperature of (00 ° C.) (b in FIG. 8). Therefore, even if this semiconductor gas sensor is operated intermittently, at least 10
Power must be supplied for seconds. Here, when gas is detected at a rate of about once every 150 seconds, the heater coil 2
The time when power is not supplied to the gas sensing body 1 is about 140 seconds.
Although the power consumption of the semiconductor gas sensor is reduced to about one-fifteenth as compared with the case where is continuously heated, the semiconductor gas sensor cannot be used for a long time of about one year using a battery as a power source, for example.
【0006】また、一酸化炭素を検知する半導体ガスセ
ンサの場合、感ガス体1の表面に吸着した一酸化炭素を
取り除くために感ガス体1の温度を高温にする状態と、
一酸化炭素を検知するために感ガス体1の温度を低温す
るする状態とを、交互に切り換えるために、ヒータコイ
ル2に供給する電力を大小2段階に切り換えているが、
感ガス体1の表面温度が高温時の約400℃から低温時
の約100℃まで低下して、略一定となるまでには約1
0秒以上かかる(図8のロ)。この時、感ガス体1の表
面温度が低下する間、感ガス体1の表面温度に応じて感
ガス体1表面と一酸化炭素との間に平衡状態が成立する
が、この平衡状態が成立するまでに比較的長い時間を必
要とするので、感ガス体1の表面温度が約100℃で略
一定となった後も100℃に低下するまでの途中の温度
で感ガス体1表面と一酸化炭素との間に形成された平衡
状態の影響が残る。したがって、感ガス体1の表面温度
が約400℃から低下し始めてから、表面温度が約10
0℃となり、感ガス体1表面と一酸化炭素との間に平衡
状態が形成するまで(すなわち、一酸化炭素の検出が可
能となるまで)に約90秒を必要とする。而して、一酸
化炭素を検出する周期は、感ガス体1を高温状態に加熱
する時間(約60秒)と、感ガス体1の温度を高温状態
から低温状態に低下させ一酸化炭素の検出が可能となる
までの時間(90秒)との和(約2分30秒)となり、
約2分30秒に1回しか一酸化炭素を検出することがで
きなかった。したがって、次回一酸化炭素を検出するま
でに約2分30秒のデッドタイムが発生するため、一酸
化炭素の検出が遅れる可能性があり、一酸化炭素のよう
に危険性の高いガスを検知する場合にはこの検知遅れが
問題となる。しかも、感ガス体1が大きく、その熱容量
が大きいために、ヒータコイル2の消費電力が大きくな
り、電池を電源としてこの半導体ガスセンサを長時間使
用することはできなかった。In the case of a semiconductor gas sensor for detecting carbon monoxide, the temperature of the gas-sensitive body 1 is increased to remove carbon monoxide adsorbed on the surface of the gas-sensitive body 1.
In order to alternately switch between a state in which the temperature of the gas-sensitive body 1 is lowered to detect carbon monoxide and the state in which the temperature is lowered, the power supplied to the heater coil 2 is switched between large and small stages.
The surface temperature of the gas-sensitive body 1 decreases from about 400 ° C. at a high temperature to about 100 ° C. at a low temperature and becomes approximately 1 ° C. until it becomes substantially constant.
It takes more than 0 seconds (b in FIG. 8). At this time, while the surface temperature of the gas-sensitive body 1 decreases, an equilibrium state is established between the surface of the gas-sensitive body 1 and carbon monoxide according to the surface temperature of the gas-sensitive body 1, and this equilibrium state is established. Since it takes a relatively long time to perform the process, after the surface temperature of the gas-sensitive body 1 becomes substantially constant at about 100 ° C., the surface temperature of the gas-sensitive body 1 is reduced to 100 ° C. The effect of the equilibrium formed with the carbon oxide remains. Therefore, after the surface temperature of the gas-sensitive body 1 starts to decrease from about 400 ° C., the surface temperature becomes about 10 ° C.
It takes about 90 seconds until the temperature reaches 0 ° C. and an equilibrium state is formed between the surface of the gas sensing element 1 and carbon monoxide (that is, until carbon monoxide can be detected). Thus, the period for detecting carbon monoxide is determined by the time required to heat the gas-sensitive body 1 to a high temperature state (about 60 seconds) and the temperature of the gas-sensitive body 1 from a high temperature state to a low temperature state to reduce the carbon monoxide. It becomes the sum (about 2 minutes and 30 seconds) of the time (90 seconds) until detection becomes possible,
Carbon monoxide could only be detected about once every 2 minutes 30 seconds. Therefore, a dead time of about 2 minutes and 30 seconds occurs before the next detection of carbon monoxide, which may delay the detection of carbon monoxide, and detects a highly dangerous gas such as carbon monoxide. In this case, the detection delay becomes a problem. In addition, since the gas sensing element 1 is large and its heat capacity is large, the power consumption of the heater coil 2 is large, and it has not been possible to use the semiconductor gas sensor using a battery as a power source for a long time.
【0007】また最近では、可燃性ガスを検知する半導
体ガスセンサと一酸化炭素を検知する半導体ガスセンサ
を2個組み込んだ警報器も用いられているが、一酸化炭
素を検知する半導体ガスセンサでは、一酸化炭素を検知
するまでに約2分30秒かかるためデッドタイムが長く
なり、しかも両センサ共に電力消費が大きいため、電池
を電源として使用することはできないという問題もあっ
た。さらに、1台の警報器にガスセンサを2個設けてい
るので、警報器の製造コストが上昇するという問題もあ
った。[0007] Recently, an alarm which incorporates two semiconductor gas sensors for detecting flammable gas and two for detecting carbon monoxide has been used. However, a semiconductor gas sensor for detecting carbon monoxide has been used. It took about 2 minutes and 30 seconds to detect carbon, so the dead time was long, and the power consumption of both sensors was large, so that there was a problem that a battery could not be used as a power source. Further, since two gas sensors are provided in one alarm device, there is a problem that the manufacturing cost of the alarm device increases.
【0008】さらに、可燃性ガスや一酸化炭素を検知す
る半導体ガスセンサとしては、長期的に特性が安定し、
検知対象以外のガス(通常、これらの所謂雑ガスとして
は水素が代表的なガス種である)に対しては極力感度が
低いことが望ましい。本発明は上記問題点に鑑みて為さ
れたものであり、その目的とするところは、小型で消費
電力が少なく、間欠駆動させることにより電池を電源と
して長時間使用でき、検知対象以外のガスに対する感度
を低減した半導体ガスセンサを提供することにあり、そ
のうえ経時特性を改善した半導体ガスセンサを提供する
ことにある。Further, as a semiconductor gas sensor for detecting a flammable gas or carbon monoxide, its characteristics are stable for a long time,
It is desirable that the sensitivity be as low as possible with respect to gases other than the detection target (generally, hydrogen is a typical gas type as these so-called miscellaneous gases). The present invention has been made in view of the above-described problems, and has as its object the purpose of being small in size, consuming less power, being able to use a battery as a power source for a long time by intermittently driving, and preventing gas other than the detection target. It is an object of the present invention to provide a semiconductor gas sensor with reduced sensitivity, and to provide a semiconductor gas sensor with improved aging characteristics.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1の発明では、ガスを吸着することによって
電気抵抗が変化する外形寸法が略0.8mm以下の略球
状の感ガス体と、感ガス体中に埋設されたコイル状の白
金からなるヒータ兼用電極と、ヒータ兼用電極のコイル
の中心を貫通するように感ガス体中に埋設された白金電
極と、感ガス体の表面に形成された雑ガスを除去するフ
ィルタ層とを備えており、ヒータ兼用電極のコイルの中
心を貫通するように白金電極を設けているので、ヒータ
兼用電極及び白金電極をまとまり良く配設して感ガス体
を小型化することができ、感ガス体の熱容量を小さくす
ることができ、しかもフィルタ層により雑ガスの影響を
低減することができる。In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, there is provided a substantially spherical gas-sensitive body having an outer dimension of about 0.8 mm or less, whose electrical resistance changes by adsorbing a gas. And a heater electrode made of coil-shaped platinum embedded in the gas-sensitive body, a platinum electrode embedded in the gas-sensitive body so as to penetrate the center of the coil of the heater / electrode, and a surface of the gas-sensitive body And a filter layer for removing miscellaneous gas formed in the heater electrode, and the platinum electrode is provided so as to penetrate the center of the coil of the heater / electrode. The size of the gas-sensitive body can be reduced, the heat capacity of the gas-sensitive body can be reduced, and the effect of miscellaneous gases can be reduced by the filter layer.
【0010】請求項2の発明では、請求項1の発明にお
いて、上記フィルタ層がSiO2 にW、Mo又はVのい
ずれかを添加して形成され、請求項3の発明では、上記
フィルタ層がAl2 O3 にW、Mo又はVのいずれかを
添加して形成されているので、長期経時特性が改善され
るとともに、感ガス体の高温時に感ガス体の水素ガス感
度を低減することができる。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the invention, the filter layer is formed by adding any of W, Mo or V to SiO 2. Since it is formed by adding any of W, Mo and V to Al 2 O 3 , the long-term aging characteristics are improved, and the hydrogen gas sensitivity of the gas-sensitive body can be reduced at a high temperature of the gas-sensitive body. it can.
【0011】請求項4の発明では、請求項1の発明にお
いて、上記フィルタ層がSiO2 にPt又はPdのいず
れかを添加して形成され、請求項5の発明では、上記フ
ィルタ層がAl2 O3 にPt又はPdのいずれかを添加
して形成されているので、感ガス体の低温時に感ガス体
の水素ガス感度を低減することができる。請求項6の発
明では、請求項2乃至5の発明において、上記フィルタ
層が請求項2又は3のフィルタ層と請求項4又は5のフ
ィルタ層との二重のフィルタ層からなっているので、長
期経時特性が改善されるとともに、感ガス体の高温時及
び低温時に感ガス体の水素ガス感度を低減することがで
きる。According to a fourth aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the filter layer is formed by adding either Pt or Pd to SiO 2, and in the fifth aspect of the present invention, the filter layer is formed of Al 2 Since it is formed by adding either Pt or Pd to O 3 , the sensitivity of the gas-sensitive body to hydrogen gas can be reduced at a low temperature of the gas-sensitive body. According to the invention of claim 6, in the invention of claims 2 to 5, the filter layer comprises a double filter layer of the filter layer of claim 2 or 3 and the filter layer of claim 4 or 5. The long-term aging characteristics can be improved, and the sensitivity of the gas-sensitive material to hydrogen gas can be reduced at high and low temperatures.
【0012】請求項7の発明では、請求項1乃至6の発
明において、ヒータ兼用電極に高低2段階の電力を所定
の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
し、感ガス体の高温時に可燃性ガスを検出しているの
で、低消費電力でメタンガスやプロパンガスなどの可燃
性ガスを検出することができる。請求項8の発明では、
請求項1乃至6の発明において、ヒータ兼用電極に高低
2段階の電力を所定の周期で供給して感ガス体を高低2
段階の温度で加熱し、感ガス体の低温時に一酸化炭素、
二酸化炭素、及び悪臭成分ガスを検出しているので、ヒ
ータ兼用電極に高低2段階の電力を印加することによ
り、低消費電力で検知対象のガスを検出することができ
る。According to a seventh aspect of the present invention, in the first to sixth aspects of the present invention, two-level electric power is supplied to the heater / electrode at a predetermined cycle to heat the gas-sensitive body at two-level temperatures, Since the flammable gas is detected when the temperature of the gas body is high, flammable gas such as methane gas and propane gas can be detected with low power consumption. In the invention of claim 8,
In the invention according to any one of claims 1 to 6, electric power of two levels is supplied to the heater / electrode at a predetermined cycle so that the gas-sensitive body is raised and lowered.
Heat at the temperature of the stage, carbon monoxide when the gas sensitive body is low temperature,
Since carbon dioxide and odorous component gases are detected, by applying two levels of power to the heater / electrode, the gas to be detected can be detected with low power consumption.
【0013】請求項9の発明では、請求項1乃至6の発
明において、ヒータ兼用電極に高低2段階の電力を所定
の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
し、感ガス体の高温時に可燃性ガスを、感ガス体の低温
時に一酸化炭素、二酸化炭素、及び悪臭成分ガスを検出
しているので、1つの半導体ガスセンサで可燃性ガス、
一酸化炭素、二酸化炭素炭酸、及び悪臭成分ガスを検出
することができ、しかもヒータ兼用電極に供給する電力
を高低2段階に切り換えることにより、半導体ガスセン
サの消費電力をさらに低減することができる。According to a ninth aspect of the present invention, in the first to sixth aspects of the present invention, two-level power is supplied to the heater / electrode at a predetermined cycle to heat the gas-sensitive body at two-level temperature, Since a flammable gas is detected at a high temperature of a gas body, and carbon monoxide, carbon dioxide, and a malodorous component gas are detected at a low temperature of the gas-sensitive body, the flammable gas,
It is possible to detect carbon monoxide, carbon dioxide, carbon dioxide, and a malodorous component gas, and to further reduce the power consumption of the semiconductor gas sensor by switching the power supplied to the electrode serving also as a heater in two levels, high and low.
【0014】請求項10の発明では、請求項7乃至9の
発明において、上記高低2段階の電力がそれぞれ電力供
給のオン・オフ時の電力であるので、感ガス体の低温時
に電力供給を停止することにより、半導体ガスセンサの
消費電力をさらに低減することができる。請求項11の
発明では、請求項1乃至10の発明において、外部より
感ガス体に到るガス流路に、感ガス体に接触する気体か
らアルコール蒸気やシリコン蒸気を除去するフィルタを
設けており、請求項12の発明では、請求項11の発明
において、上記フィルタが活性炭又はシリカゲルのいず
れかからなり、請求項13の発明では、上記フィルタが
活性炭及びシリカゲルからなっているので、感ガス体に
雑ガスであるアルコール蒸気や被毒ガスであるシリコン
蒸気が付着するのを防止できる。According to a tenth aspect of the present invention, in the seventh to ninth aspects of the present invention, the power supply is stopped when the gas sensitive body is at a low temperature because the power in the two levels is power when the power supply is turned on and off. By doing so, the power consumption of the semiconductor gas sensor can be further reduced. According to an eleventh aspect of the present invention, in the first to tenth aspects, a filter for removing alcohol vapor or silicon vapor from a gas in contact with the gas-sensitive body is provided in the gas passage from the outside to the gas-sensitive body. According to a twelfth aspect of the present invention, in the eleventh aspect, the filter is made of either activated carbon or silica gel. In a thirteenth aspect, the filter is made of activated carbon and silica gel. It is possible to prevent alcohol vapor as miscellaneous gas and silicon vapor as poisoning gas from adhering.
【0015】[0015]
【発明の実施の形態】本実施形態の半導体ガスセンサ
は、図2乃至図4に示すように、樹脂性のベース11
と、ベース11に埋設固定された電極ピン12と、電極
ピン12にヒータ兼用電極2及び白金電極4を介して電
気的に接続されたセンシング素子10と、ベース11に
冠着されたセンサカバー13とからなり、センサカバー
13の天井面にはステンレス製の金網14が設けられ、
金網14を介して外部よりガスがセンシング素子10に
導かれる。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS A semiconductor gas sensor according to this embodiment has a resin base 11 as shown in FIGS.
And an electrode pin 12 embedded and fixed in the base 11, a sensing element 10 electrically connected to the electrode pin 12 via the heater electrode 2 and the platinum electrode 4, and a sensor cover 13 mounted on the base 11. A stainless steel wire mesh 14 is provided on the ceiling surface of the sensor cover 13,
Gas is guided from outside to the sensing element 10 via the wire mesh 14.
【0016】センサシング素子10は、図1に示すよう
に、全長、全幅が夫々略0.8mmのSnO2 からなる
略球状の感ガス体1と、感ガス体1内に埋設されたコイ
ル状の白金からなるヒータ兼用電極2と、ヒータ兼用電
極2のコイル部を貫通するように感ガス体1内に埋設さ
れた白金からなる白金電極4と、感ガス体1の表面に形
成された第1のフィルタ層5と、第1のフィルタ層5の
表面に形成された第2のフィルタ層6とから構成され
る。尚、第1のフィルタ層5は例えばアルミナ(Al2
O3 )にタングステン(W)、モリブデン(Mo)又は
バナジウム(V)などの第二成分を添加して形成され、
第2のフィルタ層6はAl2 O3 に白金(Pt)又はパ
ラジウム(Pd)などの第二成分を添加して形成されて
いる。本実施形態では、第1及び第2のフィルタ層5,
6の母材としてAl2 O3 を用いているがAl2 O3 の
かわりにSiO2 を用いても良いし、第1及び第2のフ
ィルタ層5,6の内、いずれか一方のみを形成しても良
い。また、本実施形態では感ガス体1の外形寸法を略
0.8mmとしているが、感ガス体1の外形寸法を0.
8mmに限定する趣旨のものではなく、感ガス体1の外
径寸法が略0.4mm〜0.8mm以下であれば良い。As shown in FIG. 1, the sensing element 10 includes a substantially spherical gas-sensitive body 1 made of SnO 2 having a total length and a total width of about 0.8 mm, and a coil-like body embedded in the gas-sensitive body 1. A heater / electrode 2 made of platinum, a platinum electrode 4 made of platinum embedded in the gas-sensitive body 1 so as to penetrate the coil portion of the heater / electrode 2, and a second electrode formed on the surface of the gas-sensitive body 1. The first filter layer 5 includes a first filter layer 5 and a second filter layer 6 formed on the surface of the first filter layer 5. The first filter layer 5 is made of, for example, alumina (Al 2
O 3 ) to which a second component such as tungsten (W), molybdenum (Mo) or vanadium (V) is added,
The second filter layer 6 is formed by adding a second component such as platinum (Pt) or palladium (Pd) to Al 2 O 3 . In the present embodiment, the first and second filter layers 5, 5
Although Al 2 O 3 is used as the base material for SiO 6 , SiO 2 may be used instead of Al 2 O 3 , and only one of the first and second filter layers 5 and 6 is formed. You may. Further, in the present embodiment, the outer dimension of the gas-sensitive body 1 is set to approximately 0.8 mm, but the outer dimension of the gas-sensitive body 1 is set to 0.1 mm.
The size is not limited to 8 mm, but may be any value as long as the outer diameter of the gas-sensitive body 1 is approximately 0.4 mm to 0.8 mm or less.
【0017】このように、白金電極4はヒータ兼用電極
2のコイルの中心を貫通するように配設されているの
で、ヒータ兼用電極2及び白金電極4をまとまり良く配
設することができ、従来の半導体ガスセンサに比べて、
感ガス体1の小型化を図ることができる。したがって、
感ガス体1の熱容量が小さくなり、感ガス体1を約40
0℃まで加熱するのに必要な電力は約120mWであ
り、従来の半導体ガスセンサの約3分の1である。As described above, since the platinum electrode 4 is disposed so as to pass through the center of the coil of the heater / electrode 2, the heater / electrode 2 and the platinum electrode 4 can be disposed in a united manner. Compared to semiconductor gas sensors
The size of the gas sensing body 1 can be reduced. Therefore,
The heat capacity of the gas-sensitive body 1 is reduced, and
The power required to heat to 0 ° C. is about 120 mW, about one third that of a conventional semiconductor gas sensor.
【0018】従来の半導体ガスセンサと本実施形態の半
導体ガスセンサを夫々間欠的に加熱して150秒に1回
の間隔で可燃性ガスを検出する場合、本センサでは感ガ
ス体1を高温に加熱するためにヒータ兼用電極2に電力
を供給する時間(加熱時間)は、図8のイに示すように
約0.8秒で充分であり(従来の半導体ガスセンサでは
約10秒)、ヒータ兼用電極2に供給する電力は約12
0mWであるので(従来の半導体ガスセンサでは約40
0mW)、1秒当たりの平均消費電力は従来の半導体ガ
スセンサの約40分の1の0.64mWに低減され、間
欠的に本センサを使用すれば電池を電源として長時間使
用することができる(表1参照)。When the conventional semiconductor gas sensor and the semiconductor gas sensor of the present embodiment are intermittently heated to detect flammable gas once every 150 seconds, the present sensor heats the gas-sensitive body 1 to a high temperature. Therefore, the time (heating time) for supplying electric power to the heater / electrode 2 is sufficiently about 0.8 seconds as shown in FIG. 8A (about 10 seconds in the conventional semiconductor gas sensor). Is about 12
0 mW (about 40 m in the case of a conventional semiconductor gas sensor).
(0 mW), the average power consumption per second is reduced to 0.64 mW, which is about 1/40 of that of the conventional semiconductor gas sensor. If this sensor is used intermittently, the battery can be used as a power source for a long time ( See Table 1).
【0019】一方、従来の半導体ガスセンサと同様に、
この半導体ガスセンサを間欠的に加熱して、感ガス体1
の低温時に一酸化炭素を検出する場合にも、本センサで
は感ガス体1を高温に加熱するためにヒータ兼用電極2
に電力を供給する時間(加熱時間)は0.8秒で充分で
あり(従来の半導体ガスセンサでは約60秒)、本セン
サの1秒間当たりの平均消費電力(0.64mW)は、
従来の半導体ガスセンサの1秒間当たりの平均消費電力
(160mW)に比べて約250分の1以下に低減され
るので、電池を電源としてこの半導体ガスセンサを長時
間駆動することができる(表2参照)。On the other hand, like the conventional semiconductor gas sensor,
This semiconductor gas sensor is intermittently heated to produce a gas-sensitive body 1.
In the case where carbon monoxide is detected at a low temperature of the sensor, the sensor also serves to heat the gas-sensitive body 1 to a high temperature.
The time (heating time) for supplying power to the sensor is 0.8 seconds (about 60 seconds for a conventional semiconductor gas sensor), and the average power consumption per second (0.64 mW) of the sensor is:
Since the average power consumption per second (160 mW) of the conventional semiconductor gas sensor is reduced to about 1/250 or less, the semiconductor gas sensor can be driven for a long time using a battery as a power source (see Table 2). .
【0020】[0020]
【表1】 [Table 1]
【0021】[0021]
【表2】 [Table 2]
【0022】また、従来の半導体ガスセンサでは、感ガ
ス体1の温度を低温にしてから約90秒後に一酸化炭素
を検出しており、約150秒に1回の割合で一酸化炭素
を検出しているのに対して、この半導体ガスセンサでは
感ガス体1の熱時定数を小さくしているので、図5に示
すようにヒータ兼用電極2に印加する電圧を低くして、
感ガス体1の温度を低温状態に切り換えてから約1秒後
に一酸化炭素を検出できるので、不感時間は、感ガス体
1を高温に加熱する時間(約0.8秒)と、感ガス体1
の温度を低温に低下させる時間(約1秒)との和(約
1.8秒)になる。したがって、可燃性ガスを約150
秒に1回検出する場合、検出周期(約150秒)のうち
148.2秒間は一酸化炭素を検出することができる。In the conventional semiconductor gas sensor, carbon monoxide is detected about 90 seconds after the temperature of the gas-sensitive body 1 is lowered, and is detected once every about 150 seconds. On the other hand, in this semiconductor gas sensor, since the thermal time constant of the gas-sensitive body 1 is reduced, the voltage applied to the heater / electrode 2 is reduced as shown in FIG.
Since carbon monoxide can be detected about one second after the temperature of the gas sensing element 1 is switched to a low temperature state, the dead time is determined by the time required to heat the gas sensing element 1 to a high temperature (about 0.8 seconds) and the time required for gas sensing. Body 1
(Approximately 1.8 seconds) with the time (approximately 1 second) for lowering the temperature of the device to a low temperature. Therefore, a flammable gas of about 150
In the case of detecting once per second, carbon monoxide can be detected for 148.2 seconds in the detection cycle (about 150 seconds).
【0023】このように、本実施形態の半導体ガスセン
サでは、ヒータ兼用電極2に高低2段階の電力を交互に
印加することによって、感ガス体1の温度を高低2段階
に間欠的に加熱し、感ガス体1の高温時にメタンガスや
プロパンガス等の可燃性ガスを検出するとともに、感ガ
ス体1の低温時に一酸化炭素を検出することができるの
で、一つの半導体ガスセンサを用いて、可燃性ガスと一
酸化炭素の両方を検出することができる。また、この半
導体ガスセンサの消費電力は従来の半導体ガスセンサに
比べて大幅に低減されているので、商用電源を電源とし
て使用する場合にも、電源回路を小型化することがで
き、回路コストを低減し、半導体ガスセンサ全体を小型
化することができる。As described above, in the semiconductor gas sensor of the present embodiment, the temperature of the gas-sensitive body 1 is intermittently heated in two steps of high and low by alternately applying electric power of two steps in high and low to the heater / electrode 2. A flammable gas such as methane gas or propane gas can be detected when the gas-sensitive body 1 is at a high temperature, and carbon monoxide can be detected when the gas-sensitive body 1 is at a low temperature. And carbon monoxide can be detected. Also, since the power consumption of this semiconductor gas sensor is significantly reduced as compared with the conventional semiconductor gas sensor, even when a commercial power supply is used as a power supply, the power supply circuit can be downsized and the circuit cost can be reduced. In addition, the entire semiconductor gas sensor can be reduced in size.
【0024】ところで、可燃性ガスや一酸化炭素を検知
する半導体ガスセンサとしては、長期的に特性が安定
し、検知対象以外のガス(通常、これらの所謂雑ガスと
しては水素が代表的なガス種である)に対しては極力感
度が低いことが望ましい。そこで、本実施形態の半導体
ガスセンサでは、感ガス体1の表面に形成したアルミナ
よりなる第1のフィルタ層5に例えばWを添加してお
り、第1のフィルタ層により長期的にセンサ特性を安定
させることができるとともに、感ガス体1の温度が低温
状態(即ち一酸化炭素の検出時)で水素の感度を低減し
ている。また、第1のフィルタ層5の表面に形成したア
ルミナよりなる第2のフィルタ層6に例えばPtを添加
しており、感ガス体1の温度が高温状態(即ちメタンガ
スやプロパンガスなどの可燃性ガスの検出時)で雑ガス
(水素)の感度を低減している。したがって、第1及び
第2のフィルタ層5,6により、長期的にセンサ特性が
安定するとともに、感ガス体1の高温状態及び低温状態
で雑ガスの感度を低減することができる。尚、第1のフ
ィルタ層5にWのかわりにMo又はVを第二成分として
添加したものでも同様の効果を得ることができ、第2の
フィルタ層6にPtのかわりにPdを第二成分として添
加したものでも同様の効果を得ることができる。また、
第1及び第2のフィルタ層の材質がSiO2 の場合でも
同等の効果が得られる。By the way, as a semiconductor gas sensor for detecting flammable gas or carbon monoxide, the characteristics are stable for a long time, and gases other than the gas to be detected (generally, hydrogen is a typical gas type for these so-called miscellaneous gases). Is preferably as low as possible. Therefore, in the semiconductor gas sensor of the present embodiment, for example, W is added to the first filter layer 5 made of alumina formed on the surface of the gas-sensitive body 1, and the first filter layer stabilizes the sensor characteristics for a long time. In addition, the sensitivity of hydrogen is reduced when the temperature of the gas-sensitive body 1 is low (that is, at the time of detecting carbon monoxide). Further, for example, Pt is added to the second filter layer 6 made of alumina formed on the surface of the first filter layer 5, so that the temperature of the gas-sensitive body 1 is high (that is, flammable gas such as methane gas or propane gas). At the time of gas detection) to reduce the sensitivity of miscellaneous gas (hydrogen). Therefore, the first and second filter layers 5 and 6 can stabilize the sensor characteristics for a long period of time and reduce the sensitivity of miscellaneous gases in the high-temperature state and low-temperature state of the gas-sensitive body 1. The same effect can be obtained by adding Mo or V as the second component instead of W to the first filter layer 5, and the second filter layer 6 can be formed by adding Pd instead of Pt to the second component. The same effect can be obtained even if added as a. Also,
The same effect can be obtained even when the material of the first and second filter layers is SiO 2 .
【0025】また、図6及び図7に示すように、内部に
活性炭よりなる外部フィルタ16が取り付けられた有底
円筒状のキャップ15をカバー13に冠着することによ
り、外部からセンシング素子10へガスが流入する経路
に外部フィルタ16を配置し、雑ガスであるアルコール
蒸気や被毒ガスであるシリコン蒸気を外部フィルタ16
で除去して、センシング素子10のアルコール感度を低
減するとともに、シリコン等の被毒物質からセンシング
素子10を保護して、センシング素子10がアルコール
やシリコンガスなどの影響を受けにくくすることができ
る。尚、外部フィルター16の材質を活性炭に限定する
趣旨のものではなく、外部フィルタ16の材質をシリカ
ゲル(SiO2 )としても良いし、活性炭及びシリカゲ
ルの組み合わせとしても良い。As shown in FIGS. 6 and 7, a bottomed cylindrical cap 15 having an external filter 16 made of activated carbon is mounted on the cover 13 so that the sensing element 10 can be externally connected to the sensing element 10. An external filter 16 is disposed in the path through which the gas flows, and alcohol vapor as a miscellaneous gas and silicon vapor as a poisoning gas are removed from the external filter 16.
To reduce the alcohol sensitivity of the sensing element 10 and protect the sensing element 10 from poisonous substances such as silicon, so that the sensing element 10 is hardly affected by alcohol, silicon gas, or the like. The material of the external filter 16 is not limited to activated carbon, and the material of the external filter 16 may be silica gel (SiO 2 ) or a combination of activated carbon and silica gel.
【0026】この半導体ガスセンサを駆動する回路を図
9に示す。本回路では、交流電源電圧を一定の直流電圧
VCCに定電圧回路50で変換したのち、この直流電圧V
CCをスイッチング素子Qとセンシング素子10のヒータ
兼用電極2との直列回路に印加するとともに、負荷抵抗
Rとセンシング素子10との直列回路に印加し、更にセ
ンシング素子10の検知状態の監視とヒータ兼用電極2
に印加する電圧のスイッチング制御とを行う信号処理部
60に印加している。FIG. 9 shows a circuit for driving the semiconductor gas sensor. In this circuit, the constant voltage circuit 50 converts the AC power supply voltage into a constant DC voltage V CC ,
CC is applied to the series circuit of the switching element Q and the heater electrode 2 of the sensing element 10, and is applied to the series circuit of the load resistor R and the sensing element 10. Further, the detection state of the sensing element 10 is monitored and the heater is also used. Electrode 2
Is applied to a signal processing unit 60 that performs switching control of the voltage applied to the power supply.
【0027】信号処理部60は、タイマ62と、センシ
ング素子10の高温状態期間と低温状態期間とをタイマ
62の計時出力により交互に設定し、且つ、高温状態期
間と低温状態期間とでそれぞれトランジスタQのオンデ
ューティを駆動回路63を通じて制御する機能、及び、
低温状態期間の所定タイミングで取り込んだセンシング
素子10の電圧値と予め設定してある基準値とから汚染
度が警報動作閾値を越えた時に警報制御出力回路67を
通じて外部に警報信号を出力する機能を備えた演算制御
回路64と、負荷抵抗Rの両端電圧をA/D変換するA
/D変換回路61と、デジタル変換された負荷抵抗の両
端電圧値をD/A変換し再度アナログ出力として外部に
出力するD/A変換回路65と、上記基準値や警報動作
閾値を格納するメモリ66よりなり、信号処理部60は
例えば1チップのマイクロコンピュータにから構成され
る。The signal processing section 60 alternately sets the high-temperature state period and the low-temperature state period of the timer 62 and the sensing element 10 by the time output of the timer 62, and sets the transistor in the high-temperature state period and the low-temperature state period, respectively. A function of controlling the on-duty of Q through the drive circuit 63, and
A function of outputting an alarm signal to the outside through the alarm control output circuit 67 when the degree of contamination exceeds the alarm operation threshold from the voltage value of the sensing element 10 taken at a predetermined timing during the low temperature state period and a preset reference value. Provided with an arithmetic control circuit 64 and an A / D converter for A / D converting the voltage across the load resistor R.
/ D conversion circuit 61, D / A conversion circuit 65 for D / A converting the voltage value between both ends of the digitally converted load resistance and outputting the analog output again as an analog output, and a memory for storing the reference value and the alarm operation threshold value The signal processing unit 60 comprises, for example, a one-chip microcomputer.
【0028】ここに、警報制御出力回路67の警報信号
は警報表示用の発光ダイオード(LED)71や外付け
のブザー72の駆動制御等に用いられ、また換気装置等
の外部機器の制御のための接点出力となる。また、信号
処理部60の外付け回路として設けた温度補償回路80
はA/D変換される負荷抵抗Rの両端電圧をセンシング
素子10の温度特性に対応して補正し、温度の影響を無
くすためのものである。Here, the alarm signal of the alarm control output circuit 67 is used for drive control of a light emitting diode (LED) 71 for displaying an alarm and an external buzzer 72, and for controlling external devices such as a ventilator. Contact output. A temperature compensation circuit 80 provided as an external circuit of the signal processing unit 60
Is for correcting the voltage across the load resistor R to be A / D converted in accordance with the temperature characteristic of the sensing element 10 to eliminate the influence of temperature.
【0029】ところで、感ガス体1の高温状態期間で
は、約0.9Vの電圧をヒータ兼用電極2に連続的に印
加した場合と略同じ温度(約400℃)で感ガス体1を
加熱できるように、駆動回路63がパルス信号でトラン
ジスタQをオンオフして、ヒータ兼用電極2に印加する
電圧の平均値が約0.9Vになるようにし、且つその期
間を約0.8秒としてある。By the way, during the high temperature state of the gas sensing element 1, the gas sensing element 1 can be heated at substantially the same temperature (about 400 ° C.) as when a voltage of about 0.9 V is continuously applied to the heater / electrode 2. As described above, the drive circuit 63 turns on / off the transistor Q with a pulse signal so that the average value of the voltage applied to the heater / cumulative electrode 2 is about 0.9 V, and the period is about 0.8 seconds.
【0030】また、低温状態期間では、約0.2Vの電
圧をヒータ兼用電極2に連続的に印加した場合と略同じ
温度(約60℃)で感ガス体1を加熱できるように、駆
動回路63がパルス信号でトランジスタQをオンオフし
て、ヒータ兼用電極2に印加する電圧の平均値が約0.
2Vになるようにし、且つその期間を約149秒として
ある。Further, in the low temperature state period, the driving circuit is designed to heat the gas-sensitive body 1 at substantially the same temperature (about 60 ° C.) as when a voltage of about 0.2 V is continuously applied to the heater / electrode 2. 63 turns on / off the transistor Q in response to the pulse signal, and the average value of the voltage applied to the heater / cumulative electrode 2 is about 0.
2 V, and the period is set to about 149 seconds.
【0031】本回路では感ガス体1の高温状態と低温状
態とが交互に切り換えられ、感ガス体1の高温状態で
は、高温状態から低温状態に切り換わる時点(すなわち
0.8秒後)に演算制御回路64がA/D変換した負荷
抵抗Rの両端電圧を取り込み汚染度を判定するととも
に、警報動作閾値と比較して警報動作閾値を越えている
場合には警報信号を出力して、可燃性ガスの検出を行
う。また、感ガス体1の低温状態では、低温状態に切り
換わって約1秒が経過した時点から次に高温状態に切り
換わるまで逐次演算制御回路64がA/D変換した負荷
抵抗Rの両端電圧を取り込み汚染度を判定するととも
に、警報動作閾値と比較して警報動作閾値を越えている
場合には警報信号を出力して、一酸化炭素の検出を行
う。In the present circuit, the high-temperature state and the low-temperature state of the gas-sensitive body 1 are alternately switched. In the high-temperature state of the gas-sensitive body 1, at the time of switching from the high-temperature state to the low-temperature state (ie, after 0.8 seconds). The arithmetic and control circuit 64 takes in the voltage between both ends of the load resistor R which has been A / D converted, determines the degree of contamination, and outputs a warning signal when the measured value exceeds the warning operation threshold by comparing with the warning operation threshold. Detects volatile gases. In the low-temperature state of the gas sensing element 1, the voltage between both ends of the load resistor R, which is sequentially A / D-converted by the arithmetic and control circuit 64, from the time when about 1 second has elapsed after switching to the low-temperature state to the next high-temperature state. In addition to the determination of the contamination degree, the alarm signal is compared with the alarm operation threshold, and if the alarm operation threshold is exceeded, an alarm signal is output to detect carbon monoxide.
【0032】このように検知対象のガス(一酸化炭素)
に応じて、低温状態の時間(0.8秒)と、トランジス
タQをオン・オフするパルス信号のオンデューティや周
期を設定することにより、短時間で確実に一酸化炭素を
検出することができる。図9の回路では、センシング素
子10のヒータ兼用電極2に印加する電圧をスイッチン
グ制御により設定しているが、図10の回路に示すよう
に、ヒータ兼用電極2に印加する電圧を連続制御により
設定しても良い。本回路では、定電圧回路50の出力端
間にヒータ兼用電極2とトランジスタQ2 との直列回路
を接続し、トランジスタQ2 の基準電圧を決めるオペア
ンプOPの非反転入力端の電圧値をトランジスタQ1 の
オン/オフで切り換えてトランジスタQ2 の基準電圧を
2段階に切り換えるようになっている。トランジスタQ
1 のオン/オフ制御は演算制御部64から駆動回路63
を介して出力される制御信号により行われ、トランジス
タQ1 をオンする期間とオフする期間とはそれぞれ感ガ
ス体1の高温状態期間と低温状態期間に対応しており、
その設定はタイマ62の計時出力に基づいて行われる。As described above, the gas to be detected (carbon monoxide)
By setting the low-temperature state (0.8 seconds) and the on-duty and cycle of the pulse signal for turning on and off the transistor Q, carbon monoxide can be reliably detected in a short time. . In the circuit of FIG. 9, the voltage applied to the heater / electrode 2 of the sensing element 10 is set by switching control. As shown in the circuit of FIG. 10, the voltage applied to the heater / electrode 2 is set by continuous control. You may. In this circuit, connects the series circuit of a heater combined electrode 2 and the transistor Q 2 between the output terminal of the constant voltage circuit 50, the transistor voltage value of the non-inverting input terminal of the operational amplifier OP which determines the reference voltage of the transistor Q 2 Q so that the switch the reference voltage of the transistor Q 2 in two stages by switching at 1 on / off. Transistor Q
The on / off control of 1 is performed by the arithmetic control unit 64 and the drive circuit 63
Performed by a control signal output through the corresponds to the period and the off period and the high temperature period of each sense gas body 1 to the low-temperature state period to turn on the transistor Q 1,
The setting is performed based on the time output of the timer 62.
【0033】而して、本回路においても検知対象のガス
が一酸化炭素の場合、図12に示すように、高温状態期
間を約0.8秒としてヒータ兼用電極2に印加する電圧
を約0.9Vに設定するとともに、低温状態期間を約1
49秒としてヒータ兼用電極2に印加する電圧を約0.
2Vに設定することにより、メタンガスやプロパンガス
などの可燃性ガスと弁別して一酸化炭素を短時間で検出
することができる。In this circuit, when the gas to be detected is carbon monoxide, as shown in FIG. 12, the high temperature state period is set to about 0.8 seconds, and the voltage applied to the heater / electrode 2 is set to about 0 seconds. .9V and the low temperature state period is about 1
The voltage applied to the heater / electrode 2 is set to about 0.
By setting the voltage to 2 V, carbon monoxide can be detected in a short time by discriminating from combustible gases such as methane gas and propane gas.
【0034】尚、本実施形態では、ヒータ兼用電極2に
印加する電圧を高低2段階に切り換えて、感ガス体1の
温度を高温状態と低温状態に切り換えているが、ヒータ
兼用電極2への電力供給をオン・オフして、感ガス体1
の温度を高温と低温に切り換えるようにしても良く、感
ガス体1の低温時にヒータ兼用電極2への電力供給を停
止することにより、半導体ガスセンサの消費電力をさら
に低減することができる。In the present embodiment, the voltage applied to the heater / electrode 2 is switched between high and low to change the temperature of the gas sensitive body 1 between the high temperature state and the low temperature state. Turn on / off the power supply, and
May be switched between a high temperature and a low temperature, and the power consumption of the semiconductor gas sensor can be further reduced by stopping the power supply to the heater electrode 2 when the gas sensitive body 1 is at a low temperature.
【0035】また、本実施形態では感ガス体1の低温時
に検出するガスとして一酸化炭素を例に説明を行った
が、検出対象のガスを一酸化炭素に限定する趣旨のもの
ではなく、二酸化炭素や、アンモニア、メルカプタンな
どの悪臭を発生するガスも検出可能である。In this embodiment, carbon monoxide has been described as an example of a gas to be detected when the temperature of the gas-sensitive body 1 is low. However, the gas to be detected is not limited to carbon monoxide. It is also possible to detect gases that emit odors, such as carbon, ammonia, and mercaptans.
【0036】[0036]
【実施例】次に本発明の実施例をさらに詳細に説明す
る。 (実施例1)本実施例ではセンシング素子10の材質を
SnO2 としているが、SnO2 の調整方法について以
下に説明する。まず、SnCl4 の水溶液をNH4 で加
水分解してすず酸ゾルを得て、このすず酸ゾルを風乾後
に空気中おいて例えば550℃から700℃で約1時間
焼成してSnO2 を得る。このSnO2 に対してPdの
王水溶液を含浸させ、例えば500℃で空気中において
1時間焼成してPdをSnO2 に添加する。ここで、S
nO2 に添加したPdには、センシング素子10の各種
ガスに対する感度を適切にするとともに、各種ガスに対
する応答速度を改善する役割があり、用途によっては添
加しなくても良い。またPdの代わりにPt、Rh、A
uなどの貴金属を添加しても良い。Next, embodiments of the present invention will be described in more detail. (Embodiment 1) In this embodiment, the material of the sensing element 10 is SnO 2 , but a method of adjusting SnO 2 will be described below. First, an aqueous solution of SnCl 4 is hydrolyzed with NH 4 to obtain a stannic acid sol. The stannic acid sol is air-dried and calcined in air at, for example, 550 ° C. to 700 ° C. for about 1 hour to obtain SnO 2 . This SnO 2 is impregnated with an aqueous solution of Pd, and calcined at 500 ° C. for 1 hour in air to add Pd to SnO 2 . Where S
Pd added to nO 2 has a role of improving the sensitivity of the sensing element 10 to various gases and improving the response speed to various gases, and may not be added depending on the application. Also, instead of Pd, Pt, Rh, A
A noble metal such as u may be added.
【0037】また、センシング素子10の濃度勾配を改
善するために、SnO2 よりなる感ガス体1と、感ガス
体1の表面に形成したアルミナよりなるフィルタ層にそ
れぞれ第二成分を添加してセンサ特性を測定した結果を
表3、表4に示す。ここに、感ガス体1に対する第二成
分の添加は、第二成分の既知濃度の水溶液を感ガス体に
対して所定量(SnO2 に対しては第二成分の分量が
0.1又は1.0モル%)をディッピング(浸漬)した
のち、約500℃で焼成して行った。また、フィルタ層
への第二成分の添加は、第二成分の既知濃度の水溶液を
アルミナに対して所定量(アルミナに対して第二成分の
分量が0.1又は1モル%)をディッピングしたのち、
約500℃で焼成し、バインダーと混合してペースト状
としたものを感ガス体1に塗布し、約500℃で焼成し
て行った。To improve the concentration gradient of the sensing element 10, a second component is added to each of the gas-sensitive body 1 made of SnO 2 and the filter layer made of alumina formed on the surface of the gas-sensitive body 1. Tables 3 and 4 show the measurement results of the sensor characteristics. Here, the addition of the second component to the gas-sensitive body 1 is performed by adding an aqueous solution of a known concentration of the second component to the gas-sensitive body in a predetermined amount (for SnO 2 , the amount of the second component is 0.1 or 1) (0.0 mol%), followed by baking at about 500 ° C. The addition of the second component to the filter layer was performed by dipping an aqueous solution of a known concentration of the second component into alumina in a predetermined amount (the amount of the second component was 0.1 or 1 mol% with respect to alumina). Later
The paste was baked at about 500 ° C., mixed with a binder to form a paste, applied to the gas-sensitive body 1, and baked at about 500 ° C.
【0038】表3、表4より、感ガス体1(SnO2 )
に第二成分を添加した場合に雑ガス(水素)の感度を低
減するものも見られたが、センシング素子10の抵抗値
が極端に大きくなったり、経時特性が悪化したりして、
実用となるものは見当たらなかった。一方、感ガス体1
の表面に形成したアルミナよりなるフィルタ層に第二成
分を添加したものの内、アルミナにタングステン
(W)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)を夫々
添加したものに(No5,6,9,10,13,1
4)、センシング素子10の経時特性を改善した効果が
見られる。また、アルミナに白金(Pt)又はパラジウ
ム(Pd)を夫々添加したものでは(No17,18,
21,22)、感ガス体1の温度が高温状態(即ちメタ
ンガスやプロパンガスなどの可燃性ガスの検出時)で雑
ガス(水素)の感度を低減する効果が見られる。また、
アルミナにW,Mo,Vを夫々添加したものでも(No
5,6,9,10,13,14)、感ガス体1の温度が
低温状態(即ち一酸化炭素の検出時)で水素の感度を低
減する効果が見られる。尚、フィルタ層の材質がSiO
2 の場合でも同等の効果が得られる。As shown in Tables 3 and 4, gas-sensitive body 1 (SnO 2 )
In some cases, the sensitivity of the miscellaneous gas (hydrogen) was reduced when the second component was added, but the resistance value of the sensing element 10 became extremely large or the temporal characteristics deteriorated.
Nothing useful was found. On the other hand, the gas sensing body 1
Of the filter layers made of alumina formed on the surface of alumina and added with the second component, those obtained by adding tungsten (W), molybdenum (Mo), and vanadium (V) to alumina respectively (Nos. 5, 6, 9, and 10) , 13,1
4) The effect of improving the aging characteristics of the sensing element 10 is obtained. Further, in the case of adding platinum (Pt) or palladium (Pd) to alumina, respectively (Nos. 17, 18,
21 and 22), the effect of reducing the sensitivity of miscellaneous gas (hydrogen) can be seen when the temperature of the gas sensing element 1 is high (that is, when detecting a combustible gas such as methane gas or propane gas). Also,
Even when W, Mo, and V are added to alumina (No.
5, 6, 9, 10, 13, 14), the effect of reducing the sensitivity of hydrogen is obtained when the temperature of the gas-sensitive body 1 is low (that is, at the time of detecting carbon monoxide). The material of the filter layer is SiO
In the case of 2 , the same effect can be obtained.
【0039】ここで、表3及び表4中の高温CH4 抵抗
値とは、CH4 が1000ppmの時の高温状態の感ガ
ス体1の抵抗値(kΩ)であり、高温CH4 感度とは、
空気中においた時の高温状態の感ガス体1の抵抗値(k
Ω)をCH4 が1000ppmの時の抵抗値(kΩ)で
除した値であり、高温CH4 経時特性とは、CH4 が1
000ppmの状態で100日間放置した時の感ガス体
1の抵抗値(kΩ)を初期の抵抗値(kΩ)で除した値
であり、高温H2 感度とは、H2 が1000ppmの時
の高温状態の感ガス体1の抵抗値(kΩ)をCH4 が1
000ppmの時の抵抗値(kΩ)で除した値である。
また、低温CO抵抗値とは、CO2 が100ppmの時
の低温状態の感ガス体1の抵抗値(kΩ)であり、低温
CO経時特性とは、CO2 が100ppmの状態で10
0日間放置した時の低温状態の感ガス体1の抵抗値(k
Ω)を初期の抵抗値(kΩ)で除した値であり、低温H
2感度とは、H2 が1000ppmの時の低温状態の感
ガス体1の抵抗値(kΩ)をCO2 が100ppmの時
の抵抗値(kΩ)で除した値である。[0039] Here, the hot CH 4 resistance values in Table 3 and in Table 4, a CH 4 is sensitive resistance value of the gas body 1 of high-temperature state when 1000 ppm (kW), the hot CH 4 Sensitivity ,
The resistance value (k) of the gas-sensitive body 1 in a high-temperature state when placed in air
The Omega) is a value obtained by dividing the resistance value (kW) at the time of CH 4 is 1000 ppm, the hot CH 4 aging characteristics, CH 4 is 1
Sensitive resistance value of the gas body 1 when allowed to stand for 100 days in a state of 000ppm is a value obtained by dividing the (kW) in the initial resistance value (kW), and the high temperature H 2 sensitivity, high temperature when H 2 is 1000ppm The resistance value (kΩ) of the gas-sensitive body 1 in the state is 1 for CH 4.
It is a value divided by the resistance value (kΩ) at 000 ppm.
Further, the low-temperature CO resistance, a CO 2 is sensitive resistance value of the gas body 1 of the low-temperature state when the 100ppm (kW), in the low-temperature CO aging characteristics, CO 2 is 100ppm state 10
Resistance (k) of the gas-sensitive body 1 in a low temperature state when left for 0 days
Ω) divided by the initial resistance value (kΩ).
2 Sensitivity is a value obtained by dividing the resistance value (kΩ) of the gas sensing element 1 in a low temperature state when H 2 is 1000 ppm by the resistance value (kΩ) when CO 2 is 100 ppm.
【0040】[0040]
【表3】 [Table 3]
【0041】[0041]
【表4】 [Table 4]
【0042】(実施例2)実施例1では、感ガス体1の
表面にフィルタ層を1層のみ形成しているが、本実施例
では感ガス体1の表面にフィルタ層を2重に形成した場
合のセンサ特性を表5に示す。感ガス体1の表面にアル
ミナ(Al2 O3 )にタングステン(W)を1モル%添
加したものを塗布して第1のフィルタ層5を形成し、ア
ルミナに白金(Pt)を1モル%添加したものを第1の
フィルタ層5の表面に塗布して、第2のフィルタ層6を
形成している。(Embodiment 2) In the first embodiment, only one filter layer is formed on the surface of the gas-sensitive body 1, but in this embodiment, the filter layer is formed on the surface of the gas-sensitive body 1 twice. Table 5 shows the sensor characteristics in the case of performing the above. The surface of the gas-sensitive body 1 is coated with alumina (Al 2 O 3 ) in which tungsten (W) is added at 1 mol% to form a first filter layer 5, and platinum (Pt) is added to alumina at 1 mol% The addition is applied to the surface of the first filter layer 5 to form the second filter layer 6.
【0043】表5より、第1及び第2のフィルタ層5,
6で夫々得られた特性が重畳した特性、すなわち感ガス
体1の温度が低温状態でも高温状態でも水素の感度が小
さく、高温状態におけるメタンガス(CH4 )の経時特
性及び低温状態における一酸化炭素(CO)の経時特性
とも良好であることがわかる。According to Table 5, the first and second filter layers 5 and 5
6, the characteristics obtained by superimposing the characteristics obtained in step 6, ie, the sensitivity of hydrogen is low regardless of whether the temperature of the gas-sensitive body 1 is low or high, and the aging characteristics of methane gas (CH 4 ) at high temperatures and carbon monoxide at low temperatures It can be seen that the temporal characteristics of (CO) are also good.
【0044】[0044]
【表5】 [Table 5]
【0045】[0045]
【発明の効果】上述のように、請求項1の発明は、ガス
を吸着することによって電気抵抗が変化する外形寸法が
略0.8mm以下の略球状の感ガス体と、感ガス体中に
埋設されたコイル状の白金からなるヒータ兼用電極と、
ヒータ兼用電極のコイルの中心を貫通するように感ガス
体中に埋設された白金電極と、感ガス体の表面に形成さ
れた雑ガスを除去するフィルタ層とを備えており、ヒー
タ兼用電極のコイルの中心を貫通するように白金電極を
設けているので、ヒータ兼用電極及び白金電極をまとま
り良く配設して感ガス体を小型化することができ、感ガ
ス体の熱容量を小さくすることができ、したがって、感
ガス体を加熱するのに必要な消費電力を低減することが
でき、電池を電源として半導体ガスセンサを長時間動作
させることができるという効果がある。そのうえ、フィ
ルタ層により雑ガスの影響を低減することができ、検知
対象のガスを正確に検出できるという効果がある。As described above, according to the first aspect of the present invention, there is provided a substantially spherical gas-sensitive body having an outer dimension of about 0.8 mm or less whose electric resistance changes by adsorbing a gas, and a gas-sensitive body. A heater / electrode made of buried coil-shaped platinum;
A platinum electrode buried in the gas-sensitive body so as to penetrate the center of the coil of the heater / electrode, and a filter layer for removing various gases formed on the surface of the gas-sensitive body are provided. Since a platinum electrode is provided so as to penetrate the center of the coil, the heater electrode and the platinum electrode can be arranged in a unitary manner to reduce the size of the gas-sensitive body, thereby reducing the heat capacity of the gas-sensitive body. Therefore, the power consumption required to heat the gas-sensitive body can be reduced, and the semiconductor gas sensor can be operated for a long time using the battery as a power supply. In addition, the effect of the extraneous gas can be reduced by the filter layer, and the gas to be detected can be accurately detected.
【0046】請求項2の発明は、上記フィルタ層がSi
O2 にW、Mo又はVのいずれかを添加して形成され、
請求項3の発明では、上記フィルタ層がAl2 O3 に
W、Mo又はVのいずれかを添加して形成されているの
で、長期的にセンサ特性を安定させ、且つ、感ガス体の
高温時に感ガス体の水素ガス感度を低減することがで
き、検知対象である可燃性ガス以外の雑ガスの影響を低
減できるという効果がある。According to a second aspect of the present invention, the filter layer is made of Si.
Formed by adding any of W, Mo or V to O 2 ,
According to the third aspect of the present invention, since the filter layer is formed by adding any of W, Mo and V to Al 2 O 3 , the sensor characteristics are stabilized for a long time, and the high temperature Sometimes, the sensitivity of the gaseous substance to hydrogen gas can be reduced, and the effect of other gases other than the flammable gas to be detected can be reduced.
【0047】請求項4の発明は、上記フィルタ層がSi
O2 にPt又はPdのいずれかを添加して形成され、請
求項5の発明では、上記フィルタ層がAl2 O3 にPt
又はPdのいずれかを添加して形成されているので、感
ガス体の低温時に感ガス体の水素ガス感度を低減するこ
とができ、検知対象のガス以外の雑ガスの影響を低減で
きるという効果がある。According to a fourth aspect of the present invention, the filter layer is made of Si.
The filter layer is formed by adding either Pt or Pd to O 2, and the filter layer is formed by adding Pt or Pd to Al 2 O 3 .
Or Pd is added, so that the sensitivity of the gas-sensitive body to hydrogen gas can be reduced at a low temperature of the gas-sensitive body, and the effect of miscellaneous gases other than the detection target gas can be reduced. There is.
【0048】請求項6の発明は、上記フィルタ層が請求
項2又は3のフィルタ層と請求項4又は5のフィルタ層
との二重のフィルタ層からなっているので、長期的にセ
ンサ特性を安定させ、且つ、感ガス体の高温時及び低温
時に感ガス体の水素ガス感度を低減することができ、検
知対象のガス以外の雑ガスの影響を低減できるという効
果がある。According to a sixth aspect of the present invention, since the filter layer comprises a double filter layer of the second or third filter layer and the fourth or fifth filter layer, the sensor characteristics can be improved over a long period of time. There is an effect that hydrogen gas sensitivity of the gas-sensitive body can be reduced at the time of stabilization and at the time of high temperature and low temperature of the gas-sensitive body, and the influence of miscellaneous gases other than the detection target gas can be reduced.
【0049】請求項7の発明は、ヒータ兼用電極に高低
2段階の電力を所定の周期で供給して感ガス体を高低2
段階の温度で加熱し、感ガス体の高温時に可燃性ガスを
検出しているので、ヒータ兼用電極に供給する電力を高
低2段階に切り換えることによって、低消費電力でメタ
ンガスやプロパンガスなどの可燃性ガスを検出できると
いう効果がある。According to a seventh aspect of the present invention, two-level power is supplied to the heater / electrode at a predetermined cycle so that the gas sensitive body is raised and lowered in two steps.
Since the flammable gas is detected when the temperature of the gas-sensitive body is high, the power supplied to the electrode serving as a heater is switched between high and low levels to reduce flammable gas such as methane gas and propane gas with low power consumption. There is an effect that a volatile gas can be detected.
【0050】請求項8の発明では、請求項1乃至6の発
明において、ヒータ兼用電極に高低2段階の電力を所定
の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
し、感ガス体の低温時に一酸化炭素、二酸化炭素、及び
悪臭成分ガスを検出しているので、ヒータ兼用電極に供
給する電力を高低2段階に切り換えることによって、低
消費電力で検知対象のガスを検出できるという効果があ
る。According to an eighth aspect of the present invention, in the first to sixth aspects of the present invention, two-level power is supplied to the heater electrode at a predetermined cycle to heat the gas-sensitive body at two levels of temperature. Since carbon monoxide, carbon dioxide, and odorous component gases are detected when the temperature of the gas body is low, the gas to be detected can be detected with low power consumption by switching the power supplied to the electrode serving as a heater in two stages, high and low. This has the effect.
【0051】請求項9の発明では、請求項1乃至6の発
明において、ヒータ兼用電極に高低2段階の電力を所定
の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
し、感ガス体の高温時に可燃性ガスを、感ガス体の低温
時に一酸化炭素、二酸化炭素、及び悪臭成分ガスを検出
しているので、1つの半導体ガスセンサで可燃性ガス、
一酸化炭素、二酸化炭素、悪臭成分ガスを検出すること
ができ、半導体ガスセンサの製造コストを低減できると
いう効果がある。しかも、ヒータ兼用電極に供給する電
力を高低2段階に切り換えているので、半導体ガスセン
サの消費電力をさらに低減できるという効果もある。According to a ninth aspect of the present invention, in the first to sixth aspects of the present invention, two-level electric power is supplied to the heater electrode at a predetermined cycle to heat the gas-sensitive body at the two-level temperature. Since a flammable gas is detected at a high temperature of a gas body, and carbon monoxide, carbon dioxide, and a malodorous component gas are detected at a low temperature of the gas-sensitive body, the flammable gas,
Carbon monoxide, carbon dioxide, and odorous component gases can be detected, and the production cost of the semiconductor gas sensor can be reduced. In addition, since the power supplied to the heater / electrode is switched between high and low, the power consumption of the semiconductor gas sensor can be further reduced.
【0052】請求項10の発明では、請求項7乃至9の
発明において、上記高低2段階の電力がそれぞれ電力供
給のオン・オフ時の電力であるので、感ガス体の低温時
に電力供給を停止することにより、半導体ガスセンサの
消費電力をさらに低減できるという効果がある。請求項
11の発明は、外部より感ガス体に到るガス流路に、感
ガス体に接触する気体からアルコール蒸気やシリコン蒸
気を除去するフィルタを設けており、請求項12の発明
は、上記フィルタが活性炭又はシリカゲルのいずれかか
らなり、請求項13の発明は、上記フィルタが活性炭及
びシリカゲルからなっているので、感ガス体にアルコー
ル蒸気やシリコン蒸気が付着するのを防止でき、感ガス
体のアルコール感度を低減し、且つ、シリコンなどの被
毒物質から感ガス体を保護できるという効果がある。According to a tenth aspect of the present invention, in the seventh to ninth aspects of the present invention, since the power in the two levels is the power when the power supply is turned on and off, the power supply is stopped when the temperature of the gas sensitive body is low. By doing so, there is an effect that the power consumption of the semiconductor gas sensor can be further reduced. The invention according to claim 11 is provided with a filter for removing alcohol vapor or silicon vapor from a gas in contact with the gas-sensitive body in a gas flow path from the outside to the gas-sensitive body. The filter is made of either activated carbon or silica gel. According to the invention of claim 13, since the filter is made of activated carbon and silica gel, it is possible to prevent alcohol vapor or silicon vapor from adhering to the gas-sensitive material, This has the effect of reducing the alcohol sensitivity and protecting the gas-sensitive material from poisonous substances such as silicon.
【図1】本実施形態の半導体ガスセンサのセンシング素
子を示す断面図である。FIG. 1 is a sectional view showing a sensing element of a semiconductor gas sensor according to an embodiment.
【図2】同上の半導体ガスセンサを示し、(a)は一部
破断せる正面図、(b)は一部破断せる上面図、(c)
は下面図である。2A and 2B show the semiconductor gas sensor according to the first embodiment, in which FIG. 2A is a partially broken front view, FIG. 2B is a partially broken top view, and FIG.
Is a bottom view.
【図3】同上の半導体ガスセンサのカバーを外した状態
を示し、(a)は正面図、(b)は上面図である。3A and 3B show a state where a cover of the semiconductor gas sensor is removed, and FIG. 3A is a front view and FIG. 3B is a top view.
【図4】同上の半導体ガスセンサのカバーを示し、
(a)は一部破断せる正面図、(b)は上面図である。FIG. 4 shows a cover of the semiconductor gas sensor according to the first embodiment;
(A) is a front view which can be partially broken, and (b) is a top view.
【図5】同上の半導体ガスセンサの動作を示す図であ
る。FIG. 5 is a diagram showing an operation of the semiconductor gas sensor according to the first embodiment.
【図6】同上の半導体ガスセンサにキャップを冠着した
状態を示し、(a)は断面図、(b)は下面図である。FIGS. 6A and 6B show a state in which a cap is mounted on the semiconductor gas sensor of the above, wherein FIG. 6A is a sectional view and FIG. 6B is a bottom view.
【図7】同上の半導体ガスセンサのキャップを示し、
(a)は正面図、(b)は下面図である。FIG. 7 shows a cap of the semiconductor gas sensor according to the first embodiment;
(A) is a front view, (b) is a bottom view.
【図8】同上の半導体ガスセンサの感ガス体の時間と温
度の関係を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a relationship between time and temperature of a gas-sensitive body of the semiconductor gas sensor according to the first embodiment.
【図9】同上の駆動回路を示す回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram showing a driving circuit of the above.
【図10】同上の別の駆動回路を示す回路図である。FIG. 10 is a circuit diagram showing another driving circuit of the above.
【図11】従来の半導体ガスセンサを示す斜視図であ
る。FIG. 11 is a perspective view showing a conventional semiconductor gas sensor.
1 感ガス体 2 ヒータ兼用電極 4 電極 5 第1のフィルタ層 6 第1のフィルタ層 REFERENCE SIGNS LIST 1 gas-sensitive body 2 heater / electrode 4 electrode 5 first filter layer 6 first filter layer
Claims (13)
化する外形寸法が略0.8mm以下の略球状の感ガス体
と、感ガス体中に埋設されたコイル状の白金からなるヒ
ータ兼用電極と、ヒータ兼用電極のコイルの中心を貫通
するように感ガス体中に埋設された白金電極と、感ガス
体の表面に形成された雑ガスを除去するフィルタ層とを
備えて成ることを特徴とする半導体ガスセンサ。1. A heater / electrode comprising a substantially spherical gas-sensitive body having an outer dimension of about 0.8 mm or less whose electric resistance changes by adsorbing a gas, and a coil-shaped platinum buried in the gas-sensitive body. And a platinum electrode buried in the gas-sensitive body so as to penetrate the center of the coil of the heater / electrode, and a filter layer for removing miscellaneous gases formed on the surface of the gas-sensitive body. Semiconductor gas sensor.
Vのいずれかを添加して形成されたことを特徴とする請
求項1記載の半導体ガスセンサ。2. The semiconductor gas sensor according to claim 1, wherein said filter layer is formed by adding one of W, Mo and V to SiO 2 .
はVのいずれかを添加して形成されたことを特徴とする
請求項1記載の半導体ガスセンサ。3. The semiconductor gas sensor according to claim 1, wherein said filter layer is formed by adding any of W, Mo and V to Al 2 O 3 .
のいずれかを添加して形成されたことを特徴とする請求
項1記載の半導体ガスセンサ。4. The method according to claim 1, wherein the filter layer is made of Pt or Pd on SiO 2.
The semiconductor gas sensor according to claim 1, wherein the semiconductor gas sensor is formed by adding any one of the following.
dのいずれかを添加して形成されたことを特徴とする請
求項1記載の半導体ガスセンサ。5. The method according to claim 1, wherein said filter layer is made of Pt or Pt on Al 2 O 3.
2. The semiconductor gas sensor according to claim 1, wherein said semiconductor gas sensor is formed by adding any of d.
タ層と請求項4又は5のフィルタ層との二重のフィルタ
層からなることを特徴とする請求項2乃至5記載の半導
体ガスセンサ。6. A semiconductor gas sensor according to claim 2, wherein said filter layer comprises a double filter layer of the filter layer of claim 2 or 3 and the filter layer of claim 4 or 5.
の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
し、感ガス体の高温時に可燃性ガスを検出することを特
徴とする請求項1乃至6記載の半導体ガスセンサ。7. A two-step power supply to a heater-and-electrode at a predetermined cycle to heat a gas-sensitive body at a two-step temperature and to detect a flammable gas at a high temperature of the gas-sensitive body. The semiconductor gas sensor according to claim 1, wherein
の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
し、感ガス体の低温時に一酸化炭素、二酸化炭素、及び
悪臭成分ガスを検出することを特徴とする請求項1乃至
6記載の半導体ガスセンサ。8. A gas-sensitive body is heated at a two-step temperature by supplying electric power in two steps to a heater / electrode at a predetermined cycle, and carbon monoxide, carbon dioxide, and odor are emitted when the gas-sensitive substance is at a low temperature. 7. The semiconductor gas sensor according to claim 1, wherein a component gas is detected.
の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
し、感ガス体の高温時に可燃性ガスを、感ガス体の低温
時に一酸化炭素、二酸化炭素、及び悪臭成分ガスを検出
することを特徴とする請求項1乃至6記載の半導体ガス
センサ。9. A two-step electric power is supplied to a heater-and-electrode at a predetermined cycle to heat a gas-sensitive body at a two-step high and low temperature. 7. The semiconductor gas sensor according to claim 1, wherein carbon monoxide, carbon dioxide, and malodorous component gas are detected at a low temperature.
給のオン・オフ時の電力であることを特徴とする請求項
7乃至9記載の半導体ガスセンサ。10. The semiconductor gas sensor according to claim 7, wherein the two levels of power are power when power is turned on and off.
ガス体に接触する気体からアルコール蒸気やシリコン蒸
気を除去するフィルタを設けたことを特徴とする請求項
1乃至10記載の半導体ガスセンサ。11. A filter according to claim 1, wherein a filter for removing alcohol vapor or silicon vapor from a gas in contact with the gas-sensitive body is provided in a gas flow path from the outside to the gas-sensitive body. Semiconductor gas sensor.
いずれかからなることを特徴とする請求項11記載の半
導体ガスセンサ。12. The semiconductor gas sensor according to claim 11, wherein said filter is made of either activated carbon or silica gel.
らなることを特徴とする請求項11記載の半導体ガスセ
ンサ。13. The semiconductor gas sensor according to claim 11, wherein said filter is made of activated carbon and silica gel.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP9306154A JPH11142356A (en) | 1997-11-07 | 1997-11-07 | Semiconductor gas sensor |
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Publications (1)
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