JPS5836735B2 - ガスケンシユツソウチ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、金属酸化物半導体素子を用いたガス検出装置
の改良に関するものである。

一般に、金属酸化物半導体から成るガス感応素子を用い
たガス検出装置は、上記金属酸化物半導体がガスを吸着
することによって抵抗値が変化することを利用し、その
ガス吸着による抵抗値を伺らかの電気的出力に替えて取
出すものであるが、従来のこの種のガス検出装置におい
ては、適当な温度に加熱された単一のガス感応素子を用
い、その素子の抵抗値変化を電気的に取出すにすぎなか
った。

しかしながら、このような検出装置においては、長期の
使用に伴うガス感応素子の経時変化によって素子の抵抗
値が変化した時には、ガス濃度に応じた正しい出力が得
られなくなる虞れがあり、極めて信頼性に乏しいもので
あった。

また、この種のガス検出装置の使用にあたり、雰囲気中
に、検出すべき還元性ガスの他に種類の異なる他の還元
性ガスが併存する場合、従来の装置では、上記他の還元
性ガスに対する感応がノイズとなって出力値に影響を与
え、検出したい特定ガスに対する正確な感度が得られな
くなるという欠点が除去できなかった。

本発明者は、上記従来の欠点を克服すべく種々の実験を
重ねた結果、以下の事実を確認した。

すなわち、まず第１に、主材料である金属酸化物に同一
素材を用い、添加物のみを変えることによってガス感度
特性を異ならしめた２種類のガス感応素子を同一形状、
大きさに或形すると、この２つの素子の経時変化による
抵抗値の変化率がほぼ等しくなり、よって、この２素子
の抵抗値の比は各素子自体の経時変化によっては変化し
ないこと、第２に、雰囲気中に検出したい特定ガスの外
に、これと異なるある種のノイズガスが併存することが
予想される場合に、２つの素子の種類の組合わせ及び両
素子温度を適宜選定することにより、ノイズガスに対し
てはこれに感応したときも両素子の抵抗値の比は変化を
示さないようにすることができることである。

このような実験の結果に基づくと、同一種類の金属酸化
物半導体を主材料として添加物のみが異なる２種類の素
子を用い、この２素子の種類や温度を適当に選択して両
素子の抵抗値の比に対応する出力を取出すことにより、
素子の経時変化の影響を避け、且つ、必要に応じノイズ
ガスによる影響を避けて特定ガスに対する選択的な検出
機能をも発揮せしめることができることとなる。

ただし、上記両素子を別体に形成した場合、上記両素子
にそれぞれ一対ずつの電極およびヒータを装備する必要
があるとともに、両素子がある程度の距離をおいて配置
される関係で、両素子においてガスに接触する時期にず
れが生じて、これによる誤動作が生じる虞れがある。

さらに、風等による影響についても両素子に差異が生じ
易く、また、両素子のヒータ電力にばらつきがあると、
これがそのまま温度のばらつきとしてあらわれ、これら
の原因によっても出力に誤差が生じ易い等の欠点がある
。

本発明はこれらの事情に鑑み、上記両素子に相当する２
つのガス感応部を一体化してガス検出素子を形成し、上
記両ガス感応部をほぼ均一加熱して、この状態で両ガス
感応部の抵抗値の比に対応した出力を得るようにするこ
とにより、特定ガスに対する選択的な検出機能を発揮さ
せることができ、しかも、両ガス感応部におけるガスへ
の接触時期のずれや温度条件のばらつきを防止すること
のできるガス検出装置を提供するものである。

すなわち、本発明は、少量の添加物を含む金属酸化物半
導体からなるガス検出素子に、第１の電極とその両側に
一定の間隔をおいて位置する第２および第３の電極とを
配設して、上記第１，第２電極間と第１，第３電極間と
にそれぞれガス感応部を形成し、該両ガス感応部は同一
種類の金属酸化物半導体を主材料として添加物のみを異
ならしめることにより、互いにガスに対しての感度特性
が異なるようにし、該両ガス感応部をほぼ均一に加熱す
るヒータを設け、該両ガス感応部を、両者の抵抗値の比
に対応した出力を得るようにした回路に組込んで或るガ
ス検出装置である。

以下、図面に依拠して本発明を詳述する。

第１図乃至第３図のグラフは、同一種類の金属酸化物半
導体を主材料として添加物のみを異ならしめた同形状、
大きさの２種類の素子を用いて行った実験の結果を示す
。

この実験においては、主材料のＳｎ０２に少量のＡｕを
添加したものと、同一主材料に少量のＰｄを添加したも
のを同一形状、大きさに或形した２種類の素子を実験試
料として用いている。

これらの各グラフについて詳しく説明すると、先ず、第
１図に示すグラフは、上記両素子の大気中及びイソブタ
ンｉｏｏｏｐｐｍ雰囲気中での通電初期における素子抵
抗値と、両素子をそれぞれ同一時間だけ連続通電した後
における上記各気体中での両素子の抵抗値を、種々の素
子温度において測定した結果を示すものであり、縦軸に
素子抵抗値を対数目盛でとり、横軸に素子温度をとって
上記各場合における温度に対応せしめた両素子それぞれ
の抵抗値特性を個々の曲線に表わしている。

すなわち、同グラフにおいて、実線で表わした各曲線は
、Ｓｎ０２にＡｕを添加した素子に関するものであり、
曲線Ａ１はこの素子の大気中における初期状態（経時変
化する前の状態）での素子抵抗値を素子温度に対応せし
めて示した抵抗値特性曲線、曲線Ａ１は大気中での一定
の連続通電時間経過後における同素子の温度に対応せし
めた抵抗値特性曲線、曲線Ａ２及びＡ２はそれぞれ同素
子のイソブタン１ｏｏｏｐｐｍ雰囲気中における初期状
態及び一定連続通電時間経過後の抵抗値特性曲線である
。

また、同グラフに破線で表わした各曲線はＳｎＯ２にＰ
ｄを添加したものであり、曲線Ｂ１及び曲線Ｂ１はそれ
ぞれ、この素子の大気中における初期状態及び一定連続
通電時間経過後の抵抗値特性曲線、曲線Ｂ２及びＢ２′
はそれぞれ、イソブタン１０００ｐＩ！ｌ雰囲気中にお
ける同素子の初期状態及び一定連続通電時間経過後の抵
抗値特性曲線である。

同グラフによれば、連続通電による大気中での経時変化
は、ＳｎＯ２にＡｕを添加した素子の場合は曲線Ａ１→
曲線Ａ１′の変動として表わされ、ＳｎＯ２にＰｄを添
加した素子の場合は曲線Ｂ１→曲線Ｂ１′の変動として
表わされるわけであるが、任意の設定温度Ｔにおける曲
線Ａ１，Ａ１′間の距離△Ａ１と、曲線Ｂ１，Ｂ１′の
距離ΔＢよとは、同一長さとなる。

これは、同グラフが縦軸に素子抵抗値を対数目盛でとっ
てあることから、実際には両素子の抵抗値の変化率、す
なわち経時変化の前後における両素子の抵抗値をＲａ１
，Ｒａ１’及び続通電経時後もかかる両素子の抵抗値の
比は変化しないことが解る。

さらに、両素子の経時変化による特性曲線の変動、すな
わち曲線Ａ１→Ａ１′，及びＢ１→Ｂ１′の各変動はグ
ラフ上平行移動を示し、これは何れの温度に設定した場
合でも各素子の抵抗値の変化率は同等であることを示す
。

従って、上記２つの素子を如何なる温度に設定した場合
も、両素子の比に対応した出力を取出すようにすれば、
この出力値は一定に保たれることとなるわけである。

尚、連続通電使用後、無通電状態で放置した場合の経時
変化においては、上述せる連続通電の場合とは逆に、両
素子の抵抗値特性曲線はＡ１′→Ａ１及びＢ１′→Ｂ１
というような移動を示すこととなるが、かかる経時変化
に対しでも両素子の比に対応する出力が一定に保たれる
ことに変わりはない。

また、イソブタンガスに感応した時の特性曲線の経時変
化をみた場合も、曲線Ａ２，Ａ２′間の距離ΔＡ２と、
曲線Ｂ２，８２′間の距離ΔＢ２とは同グラフ上におい
て同一長さ（すなわち、経時変化の前後における両素子
の抵抗値をＲａ２，Ｒａ２’及Ｒａ Ｒａ’ びＲｂ２，Ｒｂ２とするとー＝，）となり、Ｒｂ２Ｒｂ
２ 且つ、曲線Ａ２→Ａ２’、及びＢ２→Ｂ２′（無通電放
置の場合はＡ２′→Ａ２、及びＢ２′→Ｂ２ ）の各変
動はグラフ上平行移動を示すので、大気中における場合
と同様に、イソブタンガスに感応したときにも両素子の
比に対応した出力は各素子の経時変化を相殺した形で得
られることとなるわけである。

一方、同グラフにおいて、大気中での抵抗値特性に対す
るイソブタンガスに感応した時の抵抗値特性の変化のし
かたは両素子において顕著に相違するため、その出力値
は後述する特殊な場合を除き感応ガスに充分応答し、ガ
ス検出機能を有することは勿論である。

尚、上述せる実験例に示す試料に限らず、一般ｔこ、主
材料である金属酸化物が同一で、少量の添加物のみが異
なる同一形状、大きさの２種類の素子においては、この
両素子の経時変化は、同一主材料に依存してほぼ同程度
となることは上記実験データから演鐸的に類推されると
ころであり、且つ、実験的にも、このように主材料であ
る金属酸化物が同一で添加物のみが異なる２種類の素子
は、その形状、大きさが同一であれば、第１図に示すも
の以外でも同様の結果が得られることを確認している。

また、検出ガスの種類として、イソブタン以外のｃｏ、
アルコールその他種々の還元性ガスの場合も上述せる如
き２種類の素子の抵抗値の比に対応する出力が経時変化
を相殺した形で得られることに変わりがないことは、こ
れも実験的に確認せるところである。

第２図乃至第３図に示す実験データは、上述せる如き２
種類の素子の比に対応した出力は、両素子の設定温度等
を選定することによりガスに対する選択的な検出機能を
発揮し得ることを証明するものである。

すなわち、第２図のグラフは、前記２種類の素子の各種
ガス中での温度に対応せる各抵抗値特性曲線を示すもの
である。

同グラフも、縦軸に素子抵抗値を対数目盛でとり、横軸
に素子温度をとっている。

そして、同グラフに実線で示す各曲線は８１１０２にＡ
ｕを添加した素子に関するもので、曲線Ａ１は大気中、
曲線Ａ２はイソブタンに感応した時、曲線Ａ３はＣｏに
感応した時、曲線Ａ４はアルコールに感応した時の同素
子の温度に対してのそれぞれの抵抗値特性曲線を表わし
ており、また、同グラフに破線で示す各曲線はＳ ｎ０
２にＰｄを添加した素子に関するもので、曲線Ｂ１，Ｂ
２ ｐ Ｂ３ ｙ Ｂ４はそれぞれ，大気中及びイソブ
タン、Ｃｏ１アルコールの各ガスに感応した時の同素子
の温度に対する抵抗値特性曲線を表わしている。

同グラフから明らかなように、上記両素子のそれぞれに
おいて、ガス感応時の特性曲線の変化は各々のガスにつ
いて顕著に異なり、且つ、両素子の間でも著しい相違が
見られる。

従って、両素子の比も、各ガスに対してそれぞれ異なっ
た変化を示すこととなる。

この両素子の抵抗値比を、第２図に示す実験データに基
づき、大気中及び各ガスに感応した場合についてそれぞ
れ温度に対して求めたものが第３図に示すグラフである
。

同グラフにおいて、曲線Ｃ１は大気中における場合の同
一温度での両素子の抵抗値比を種々の設定温度に対して
求めた温度に対する抵抗値比の特性曲線であり、同様に
、曲線Ｃ２はイソブタンガスに感応した場合、曲線Ｃ３
はＣｏに感応した場合、曲線Ｃ４はアルコールに感応し
た場合のそれぞれの温度に対する抵抗値比の特性曲線で
ある。

同グラフから明らかなように、上記両素子をある特定温
度Ｔ１に設定すると、イソブタン及びＣｏに感応した時
にも、両素子の抵抗値の比はこれらに感応しない場合（
すなわち大気中における場合）と殆んど変わりがなく、
アルコールに感応した場合のみ顕著な変化がみられる。

従って、上記両素子をこの温度Ｔ１に設定した状態で両
素子の抵抗値比に対応した出力を増出すようにすると、
この出力値は、イソブタン、ｃｏ、アルコールの三者の
ガスのうち、アルコールのみに応答することとなり、以
って、雰囲気中に上記三者のガスが混入している場合で
もアルコールのみを選択的に検出することができるわけ
である。

同様に、上記両素子を別のある特定温度Ｔ２Ｇこ設定す
ると、両素子の抵抗値比に対応した出力はアルコールに
対しては応答せず，イソブタンとＣｏとを選択的に検出
し得ることとなる。

このように、各種ガスに対して予め両素子の抵抗値特性
を実験的に調べておくことにより、両素子の抵抗値比に
対応した出力が特定ガスに対して選択的ｌこ応答するよ
うに両素子の設定温度を求めることができるわけである
。

上記実験例では、還元性ガスとしてイソブタン、Ｃｏ１
アルコールの３種類のガスについて測定を行なっている
が、他の還元性ガスについても同様にして実験的に感応
時の特性を知ることができる。

また、上記２種類の素子以外でも両素子に共通する主材
料および両素子それぞれの添加物を選択することによっ
て２種類の素子の組合わせは種々得られ、これらについ
ても上記実験例と同様の測定を行なっておけば、特定ガ
スを選択的に検出するに適当な素子の種類の組合わせ及
び両素子の設定温度を適宜選択することができる。

尚、以上の如き方法であらゆる還元性ガスの中から特定
ガスのみを選択的に検出し、他のすべてのガスに感応し
ないようにすることは難しいが、実際の使用にあたって
は、使用される環境中に存在することが予想されるガス
の種類４ｔ用途によってある程度限定されるわけである
から、この数種類のガスの中から上記の如き方法で特定
ガスのみを選択的に検出することは容易に可能となる。

このように、主材料が同一で添加物が異なる２種類の素
子を用いて両者の抵抗値に対応する出力を取出すように
すれば、経時変化の影響を避け、かつ、選択的ガス検出
も可能となるわけであり、この場合に、別体に上記両素
子を形威しても実験的には充分な精度が得られる。

しかし、実用上は、使用場所においてガス濃度の位置的
および時間的ばらつきやヒータ電力のばらつきにより、
両素子を別体に形成すると前述のような欠点が生じる。

そこで、本発明では、上記両素子に相描するものを一体
化して構威しているのである。

第４図は本発明装置の具体的構造を示し、同図において
、ｌａ，１ｂは同一種類の金属酸化物半導体を主材料と
して添加物のみを異ならせた２つのガス感応部であって
、例えば８１１０２に少量のＡｕを添加したものと同一
主材料に少量のＰｄを添加したものとにより同一形状、
大きさに形成され、これらを接合、一体化することによ
りガス検出素子１を構威している。

このガス検出素子１における両ガス感応部１ａ，ｉｂの
境界部に第１の電極２が、また両側部にヒータを兼ねる
第２および第３の電極３ａ，３ｂが配設されている。

ヒータを兼ねる電極３ａ，３ｂはヒータ用電源４ａ，４
ｂｌこ接続され、両ガス感応部１ａ，ｌｂを同一温度ｋ
こ均一加熱するようｌこしている。

図例ではヒータと電極とを兼用させているが、これらは
別個に設けておいてもよい。

上記両ガス感応部１ａ，１ｂの抵抗値の比に対応した出
力を取出す回路としては、例えば一方のガス感応部１ａ
を入力抵抗とし、他方のガス感応部１ｂを帰還抵抗とし
て構或した演算幅器５を用いる。

６はかかる回路の電源で、一定の電圧Ｖｃを印加してい
る。

かかる回路構成によれば、一方のガス感応部１ａの抵抗
値をＲ１、他方のガス感応部１ｂの抵抗値をＲ２とする
と、出力電圧■０は、周知の如き演算増幅器の機能に基
づき、Ｖｏ一Ｒ２ −Ｖｃ という形で得られ、以って両素子ｌａ，Ｒ１ １ｂの抵抗値の比に対応した出力が得られることとなる
。

なお、両ガス感応部１ａ，Ｉｂの抵抗値の比に対応する
出力を取出す回路は、実施例に示す演算増幅器に限らず
、回路分野において知られる技術を任意に応用して設計
して差し支えない。

この装置を用いれば、その出力が経待変化の影響を受け
ずに一定に保たれることは、第１図の実験データに基づ
いて前に説明した通りである。

従って、検出すべきガスに対して出力値が充分応答変化
するようにさえ設定しておけば、素子の経時変化による
誤差をなくし、常にガス濃度に対して正確に応答する出
力値が得られる。

また、使用時の雰囲気中に、検出したいガス以外に他の
ある種の還元性ガスがノイズ的要素として含まれている
ことが予想される場合に、ノイズガスに対しては出力値
が応答せず、被検ガスにのみ出力値が応答変化するよう
に設定することが可能であることは、第２図及び第３図
の実験データに基づいて前述せるとおりである。

つまり、例えばこの装置をアルコールガス濃度検出用と
して用い、使用される環境中に他にＣｏ及びイソブタン
ガスがノイズとして混入していることが予想される場合
であって、上記両ガス感応部１ａ，１ｂとしてＳ ｎ０
２にＡｕを添加したものとＳ ｎ ０ ２にＰｄを添加
したものとを用いた場合、その温度を第３図のグラフ中
の温度Ｔ１に設定しておけばよい。

また、このようにガス検出が行われる場合に、前記両ガ
ス感応部１ａ，ｌｂが一体化されているため、雰囲気中
にガスが流入したとき両ガス感応部１ａ，１ｂがほぼ同
時にガスに触れ、ガスへの接触時期のずれ及びそれｌこ
よる誤動作が防止される。

さらに、風等の影響も両ガス感応部１ａ，１ｂが同時に
受けるため、殆ど出力に影響を及ぼすことがない。

また、両ガス感応部１ａ，１ｂに対するヒータ電力にず
れやばらつきがあっても、両ガス感応部ｌａ，ｌｂ間で
の熱の受け渡し作用が生じることにより、温度のばらつ
きを小さくし得、良好なガス検出作用を維持し得る。

叙上の如く、本発明の装置は、同一種類の金属酸化物半
導体を主材料として添加物のみを異ならしめた２つのガ
ス感応部をほぼ均一加熱し、両者の抵抗値の比に対応し
た出力を得るようにしているため、両ガス感応部の経時
変化が相殺され、経時変化による誤差をなくすることが
できるとともに、設定温度を適宜選定することにより、
ノイズガス（こよる影響を避けて被検ガスのみを選択的
に検出することも可能となる。

しかも、上記両ガス感応部を一体化し、均一加熱するよ
うにしているため、両ガス感応部のガスへの接触時期の
ずれ、風等の影響やヒータ電圧のずれによる温度条件の
ばらつき等も小さくし得、安定したガス検出作用が得ら
れるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図乃至第３図は本発明に必要な実験データを示すも
のであり、第１図はＳ ｎ ０ ２にＡｕを添加したも
のと、Ｓｎ０２にＰｄを添加したものとの２素子につい
ての経時変化前後における抵抗値特性を示す特性図、第
２図は上記２素子の各種ガスに感応した時の抵抗値特性
を示す特性図、第３図は上記２素子の抵抗値の比の特性
を示す特性図、また、第４図は本発明装置の実施例を示
す回路図である。 １・・・ガス検出素子、１ａ，ｌｂ・・・ガス感応部、
２・・・電極、３ａ，３ｂ・・・ヒータ兼電極、５・・
・増幅親

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 少量の添加物を含む金属酸化物半導体からなるガス
   検出素子に、第１の電極とその両側に一定の間隔をおい
   て位置する第２および第３の電極とを配設して、上記第
   １，第２電極間と第１，第３電極間とにそれぞれガス感
   応部を形或し、該両ガ各感応部は同一種類の金属酸化物
   半導体を主材料として添加物のみを異ならしめることに
   より、互いにガスに対しての感度特性が異なるようにし
   、該両ガス感応部をほぼ均一に加熱するヒータを設け、
   該両ガス感応部を、両者の抵抗値の比に対応した出力を
   得るようにした回路に組込んで或るガス検出装置。