JPS6123505B2 - - Google Patents
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- JPS6123505B2 JPS6123505B2 JP3620983A JP3620983A JPS6123505B2 JP S6123505 B2 JPS6123505 B2 JP S6123505B2 JP 3620983 A JP3620983 A JP 3620983A JP 3620983 A JP3620983 A JP 3620983A JP S6123505 B2 JPS6123505 B2 JP S6123505B2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
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- G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
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- G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
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Description
【発明の詳細な説明】
この発明は、金属酸化物半導体の電気伝導度の
変化を利用したガス検出方法に関し、さらに詳細
にはCOやメタンを水素やイソブタンから区別し
て選択的に検出するようにしたガス検出方法に関
する。
変化を利用したガス検出方法に関し、さらに詳細
にはCOやメタンを水素やイソブタンから区別し
て選択的に検出するようにしたガス検出方法に関
する。
SnO2，ZnO，NiO等の金属酸化物半導体の電気
伝導度に変化からガスを検出する方法は広く用い
られている。また実公昭52−10396号は、金属酸
化物半導体の電気伝導度の変化により低濃度のガ
スを検出するとともに、ヒータ兼用の測温抵抗体
の出力から高濃度のガスを検出することを開示し
ている。
伝導度に変化からガスを検出する方法は広く用い
られている。また実公昭52−10396号は、金属酸
化物半導体の電気伝導度の変化により低濃度のガ
スを検出するとともに、ヒータ兼用の測温抵抗体
の出力から高濃度のガスを検出することを開示し
ている。
この発明は、ガス検出素子での接触燃焼による
温度変化を利用して、COとメタンとを選択的に
検出することを得ることを目的とする。
温度変化を利用して、COとメタンとを選択的に
検出することを得ることを目的とする。
この発明の特定ガス検出方法は、金属酸化物半
導体の電気伝導度の変化と、金属酸化物半導体を
加熱するためのヒータを兼用する測温抵抗体の温
度変化とからガスを検出する方法において、半導
体の電気伝導度の変化から各種ガスに非選択的な
出力を得ると共に、妨害ガスの接触燃焼による測
温抵抗体の温度変化から妨害ガス濃度に比例した
出力を得、半導体の出力を測温抵抗体の出力によ
り補償してCOとメタンと選択的に検出すること
を特徴とする。即ち測温抵抗体の出力は水素やイ
ソブタンの濃度に比例し、COやメタンの影響は
小さい（第２図ｂ参照）。そこで測温抵抗体の出
力を補償出力とすることにより、COやメタンを
選択的に検出することが出来る。
導体の電気伝導度の変化と、金属酸化物半導体を
加熱するためのヒータを兼用する測温抵抗体の温
度変化とからガスを検出する方法において、半導
体の電気伝導度の変化から各種ガスに非選択的な
出力を得ると共に、妨害ガスの接触燃焼による測
温抵抗体の温度変化から妨害ガス濃度に比例した
出力を得、半導体の出力を測温抵抗体の出力によ
り補償してCOとメタンと選択的に検出すること
を特徴とする。即ち測温抵抗体の出力は水素やイ
ソブタンの濃度に比例し、COやメタンの影響は
小さい（第２図ｂ参照）。そこで測温抵抗体の出
力を補償出力とすることにより、COやメタンを
選択的に検出することが出来る。
以下にこの発明の各実施例を説明する。
『ガス検出素子の構造』
第１図ａのガス検出素子２ａは、SnO2，ZnO
等のガス敏感性金属酸化物半導体４ａにコイル状
の電極６ａ，８ａを埋設したものである。電極６
ａ，８ａはPtやIr等の貴金属、あるいはIr−Pd合
金等で構成し、その一方あるいは双方をヒータ兼
用の測温抵抗体として兼用する。また金属酸化物
半導体４ａには、必要に応じてPt，Rh，Pd，Au
等の触媒を添加する。
等のガス敏感性金属酸化物半導体４ａにコイル状
の電極６ａ，８ａを埋設したものである。電極６
ａ，８ａはPtやIr等の貴金属、あるいはIr−Pd合
金等で構成し、その一方あるいは双方をヒータ兼
用の測温抵抗体として兼用する。また金属酸化物
半導体４ａには、必要に応じてPt，Rh，Pd，Au
等の触媒を添加する。
第１図ｂに、金属酸化物半導体４ｂに埋設した
中心電極８ｂの周囲をコイル状電極６ｂで囲つた
ガス検出素子２ｂの例を示す。そしてコイル状電
極６ｂをヒータ兼用の測温抵抗体として用いる。
中心電極８ｂの周囲をコイル状電極６ｂで囲つた
ガス検出素子２ｂの例を示す。そしてコイル状電
極６ｂをヒータ兼用の測温抵抗体として用いる。
第１図ｃに、アルミナ等の絶縁パイプ１０にヒ
ータ兼用の測温抵抗体１２を収容し、パイプ１０
の表面に一対の電極６ｃ，８ｃと金属酸化物半導
体４ｃを設けたガス検出素子２ｃを示す。
ータ兼用の測温抵抗体１２を収容し、パイプ１０
の表面に一対の電極６ｃ，８ｃと金属酸化物半導
体４ｃを設けたガス検出素子２ｃを示す。
なおここで電極６ｂ，６ｃ，８ｂ，８ｃは第１
図ａの場合と同様に、高温で安定で金属酸化物半
導体４ｂ，４ｃに悪影響を与えない貴金属系のも
のを用い、金属酸化物半導体４ｂ，４ｃとしては
SnO2やZnO等のガス敏感性のものを用いる。ま
た測温抵抗体にヒータをも兼用させたのは、測温
抵抗体の抵抗値が一般に小さいため発熱体として
用いるのが自然であること、および部品点数を小
さくすること、のためである。
図ａの場合と同様に、高温で安定で金属酸化物半
導体４ｂ，４ｃに悪影響を与えない貴金属系のも
のを用い、金属酸化物半導体４ｂ，４ｃとしては
SnO2やZnO等のガス敏感性のものを用いる。ま
た測温抵抗体にヒータをも兼用させたのは、測温
抵抗体の抵抗値が一般に小さいため発熱体として
用いるのが自然であること、および部品点数を小
さくすること、のためである。
『ガス検出素子の特性』
第１図ａのガス検出素子２ａにおいて、SnO2
に1wt％のPdを加えた金属酸化物半導体４ａと白
金コイルからなる電極６ａ，８ａを用いた際の特
性を第２図ａ，ｂに示す。第２図ａはガス中での
素子２ａの温度と電気伝導度の関係を示す。また
第２図ｂはガス中での温度と測温抵抗体兼用電極
６ａの抵抗変化率との関係を示す。なお測温抵抗
体６ａの温度変化は一般にガス濃度に比例する。
被検ガスを代表するものとしてCO200ppm（実
線ａ−１，ｂ−１）とメタン2000ppm（実線ａ
−３，ｂ−３）を、COに対する妨害ガスとして
H2500ppm（破線ａ−２，ｂ−２）を、メタンに
対する妨害ガスとしてイソブタン2000ppm（破
線ａ−４，ｂ−４）を、用いる。
に1wt％のPdを加えた金属酸化物半導体４ａと白
金コイルからなる電極６ａ，８ａを用いた際の特
性を第２図ａ，ｂに示す。第２図ａはガス中での
素子２ａの温度と電気伝導度の関係を示す。また
第２図ｂはガス中での温度と測温抵抗体兼用電極
６ａの抵抗変化率との関係を示す。なお測温抵抗
体６ａの温度変化は一般にガス濃度に比例する。
被検ガスを代表するものとしてCO200ppm（実
線ａ−１，ｂ−１）とメタン2000ppm（実線ａ
−３，ｂ−３）を、COに対する妨害ガスとして
H2500ppm（破線ａ−２，ｂ−２）を、メタンに
対する妨害ガスとしてイソブタン2000ppm（破
線ａ−４，ｂ−４）を、用いる。
COの検出について検討すると、CO中での電気
伝導度はH2中での値と酷似し、電気伝導度から
COを選択的に検出することは難しい。これに対
して金属酸化物半導体４ａや、電極６ａ，８ａで
の接触酸化による素子２ａの温度変化は、COと
H2とに対して異る挙動を示す。COへの着火温度
200℃弱で、H2への着火温度（約100℃）よりも
高い。200℃での測温抵抗体兼用電極６ａの抵抗
変化率は、CO200ppmに対して約0.25％、
H2500ppmに対して1.5％以上となり、H2に対し
て大きな抵抗変化率が得られる。H2の接触燃焼
量がCOの接触燃焼量に比べて大きい理由とし
て、分子量の差による拡散速度の差の寄与が考え
られるものの、その詳細は不明である。なお特に
限定するものではないが、ガス検出素子２ａの加
熱温度は、COに対しては、150〜350℃が好まし
い。これ以下の温度ではH2への接触酸化が遅い
ためH2とCOの区別が難しく、これ以上の温度で
はCOへの電気伝導度の変化が小さくなつてしま
うからである。
伝導度はH2中での値と酷似し、電気伝導度から
COを選択的に検出することは難しい。これに対
して金属酸化物半導体４ａや、電極６ａ，８ａで
の接触酸化による素子２ａの温度変化は、COと
H2とに対して異る挙動を示す。COへの着火温度
200℃弱で、H2への着火温度（約100℃）よりも
高い。200℃での測温抵抗体兼用電極６ａの抵抗
変化率は、CO200ppmに対して約0.25％、
H2500ppmに対して1.5％以上となり、H2に対し
て大きな抵抗変化率が得られる。H2の接触燃焼
量がCOの接触燃焼量に比べて大きい理由とし
て、分子量の差による拡散速度の差の寄与が考え
られるものの、その詳細は不明である。なお特に
限定するものではないが、ガス検出素子２ａの加
熱温度は、COに対しては、150〜350℃が好まし
い。これ以下の温度ではH2への接触酸化が遅い
ためH2とCOの区別が難しく、これ以上の温度で
はCOへの電気伝導度の変化が小さくなつてしま
うからである。
次にメタンをイソブタンと区別して検出する場
合について検討する。この場合も電気伝導度の変
化から両者を区別することは難しい。これに対し
て接触燃焼による温度変化はメタンとイソブタン
とで大きく異なる。メタンの着火点は500℃弱と
高く、接触燃焼による温度変化も小さい。これに
対してイソブタンの接触燃焼による温度変化は、
300℃で既に十分大きく、かつどの温度でもメタ
ンよりも大きい。なおメタン検出の際のガス検出
素子２ａの温度としては、350〜500℃が好まし
い。より低温ではメタンへの電気伝導度の変化が
小さく、より高温ではガス検出素子２ａの熱的劣
化が著しいためである。
合について検討する。この場合も電気伝導度の変
化から両者を区別することは難しい。これに対し
て接触燃焼による温度変化はメタンとイソブタン
とで大きく異なる。メタンの着火点は500℃弱と
高く、接触燃焼による温度変化も小さい。これに
対してイソブタンの接触燃焼による温度変化は、
300℃で既に十分大きく、かつどの温度でもメタ
ンよりも大きい。なおメタン検出の際のガス検出
素子２ａの温度としては、350〜500℃が好まし
い。より低温ではメタンへの電気伝導度の変化が
小さく、より高温ではガス検出素子２ａの熱的劣
化が著しいためである。
第２図ａ，ｂの結果を整理すると以下の様にな
る。
る。
ガス検出素子２ａの電気伝導度の変化から
は、ガスを選択的に検出することができない。
は、ガスを選択的に検出することができない。
接触燃焼による温度変化は、COやメタン等
のガス（被検ガス）に対して小さく、H2やイ
ソブタン等のガス（妨害ガス）に対して大き
い。従つて素子２ａの温度変化は妨害ガス濃度
を示すものと考えることができる。
のガス（被検ガス）に対して小さく、H2やイ
ソブタン等のガス（妨害ガス）に対して大き
い。従つて素子２ａの温度変化は妨害ガス濃度
を示すものと考えることができる。
電気伝導度による検出結果を温度変化による
検出結果で補償すれば、特定のガスのみを検出
することができる。
検出結果で補償すれば、特定のガスのみを検出
することができる。
なおここでは、特定の材料・構造のガス検出素
子２ａについて特性を説明したが、他のガス検出
素子２ｂ，２ｃでもほぼ同様の結果が得られた。
子２ａについて特性を説明したが、他のガス検出
素子２ｂ，２ｃでもほぼ同様の結果が得られた。
『出力回路例』
被検ガスあるいは妨害ガスの一方のみが存在
し、両者の共存がない場合に用いる検出回路例を
第３図に示す。ガス検出素子２ａの両電極に検出
用電源２２と負荷抵抗２４とを直列に接続する。
この発明では、ガス検出素子２ａの温度変化を出
力として利用するので、検出用電源２２による自
己発熱をできる限り小さく、例えば好ましくは
20mwatt以下で多くとも50mwatt以下に、する。
ガス検出素子２ａのヒータ兼用の測温抵抗体６ａ
に直列に温度検出抵抗２６を接続し、抵抗２８，
３０とともにブリツジ回路を構成させ、ヒータ用
電源３２から電力を供給する。ここでブリツジ回
路を用いるのはヒータ用電源３２の電源電圧変動
の影響を補償するためである。また周囲温度の変
動等の影響を補償するためには、温度検出抵抗２
６あるいは抵抗２８の抵抗温度係数及び放熱係数
をガス検出素子２ａのヒータ兼用の測温抵抗体６
ａと一致させれば良い。そのためには、例えばヒ
ータ兼用の測温抵抗体６ａと抵抗値と抵抗温度係
数が等しいコイルをアルミナやシリカ等の無機耐
火質で放熱係数が等しくなるように覆つて抵抗２
６，２８として用いれば良い。
し、両者の共存がない場合に用いる検出回路例を
第３図に示す。ガス検出素子２ａの両電極に検出
用電源２２と負荷抵抗２４とを直列に接続する。
この発明では、ガス検出素子２ａの温度変化を出
力として利用するので、検出用電源２２による自
己発熱をできる限り小さく、例えば好ましくは
20mwatt以下で多くとも50mwatt以下に、する。
ガス検出素子２ａのヒータ兼用の測温抵抗体６ａ
に直列に温度検出抵抗２６を接続し、抵抗２８，
３０とともにブリツジ回路を構成させ、ヒータ用
電源３２から電力を供給する。ここでブリツジ回
路を用いるのはヒータ用電源３２の電源電圧変動
の影響を補償するためである。また周囲温度の変
動等の影響を補償するためには、温度検出抵抗２
６あるいは抵抗２８の抵抗温度係数及び放熱係数
をガス検出素子２ａのヒータ兼用の測温抵抗体６
ａと一致させれば良い。そのためには、例えばヒ
ータ兼用の測温抵抗体６ａと抵抗値と抵抗温度係
数が等しいコイルをアルミナやシリカ等の無機耐
火質で放熱係数が等しくなるように覆つて抵抗２
６，２８として用いれば良い。
負荷抵抗２４への電圧を第１のスイツチング回
路３４に入力し、ガスの有無あるいはその濃度を
非選択的に検出し、許容濃度以上のガスがある場
合に信号を発するようにする。ブリツジ回路の出
力を増幅器３６により増幅し、第２のスイツチン
グ回路３８に入力する。第２のスイツチング回路
３８では、接触燃焼による素子２ａの温度上昇が
所定値以下の場合にのみ信号を発するようにす
る。第１および第２のスイツチング回路３４，３
８の出力をアンド回路４０に入力し、素子２ａの
電気伝導度の変化が所定値以上で接触燃焼による
温度上昇が所定値以下の場合にブザー４２を作動
させて報知を行う。なおブザー４２に代えてメー
タ等を用いる場合には、ヒータ兼用の測温抵抗体
６ａの温度変化により作動するスイツチング回路
を介して、負荷抵抗２４への出力を、直接または
増幅してメータ等に加えるようにすれば良い。
路３４に入力し、ガスの有無あるいはその濃度を
非選択的に検出し、許容濃度以上のガスがある場
合に信号を発するようにする。ブリツジ回路の出
力を増幅器３６により増幅し、第２のスイツチン
グ回路３８に入力する。第２のスイツチング回路
３８では、接触燃焼による素子２ａの温度上昇が
所定値以下の場合にのみ信号を発するようにす
る。第１および第２のスイツチング回路３４，３
８の出力をアンド回路４０に入力し、素子２ａの
電気伝導度の変化が所定値以上で接触燃焼による
温度上昇が所定値以下の場合にブザー４２を作動
させて報知を行う。なおブザー４２に代えてメー
タ等を用いる場合には、ヒータ兼用の測温抵抗体
６ａの温度変化により作動するスイツチング回路
を介して、負荷抵抗２４への出力を、直接または
増幅してメータ等に加えるようにすれば良い。
次に被検ガスと妨害ガスの共存が生じ得る場合
の検出回路例について説明する。この場合最も簡
単には、第３図の回路において第２のスイツチン
グ回路３８のスイツチングレベルを負荷抵抗２４
への電圧により変化させ、高濃度のガス中では接
触燃焼による温度上昇への許容幅を大きくしてや
れば良い。
の検出回路例について説明する。この場合最も簡
単には、第３図の回路において第２のスイツチン
グ回路３８のスイツチングレベルを負荷抵抗２４
への電圧により変化させ、高濃度のガス中では接
触燃焼による温度上昇への許容幅を大きくしてや
れば良い。
被検ガスと妨害ガスが共存し得る場合のさらに
精密な回路例を第４図に示す。検出用電源２２か
らの電流を演算増幅器４４により取り出し、べき
乗回路４６によりべき乗する。
精密な回路例を第４図に示す。検出用電源２２か
らの電流を演算増幅器４４により取り出し、べき
乗回路４６によりべき乗する。
一般に金属酸化物半導体４ａの電気伝導度はガ
ス濃度の0.5〜0.9乗に比例するので、べき乗によ
りガス濃度にほぼ比例した出力を得る。ヒータ兼
用の測温抵抗体６ａの温度変化は妨害ガス濃度に
比例する。差動増幅器４８により、べき乗回路４
６の出力から増幅器３６の出力を除き、被検ガス
濃度に比例した出力を得、これをメータ５０に加
える。
ス濃度の0.5〜0.9乗に比例するので、べき乗によ
りガス濃度にほぼ比例した出力を得る。ヒータ兼
用の測温抵抗体６ａの温度変化は妨害ガス濃度に
比例する。差動増幅器４８により、べき乗回路４
６の出力から増幅器３６の出力を除き、被検ガス
濃度に比例した出力を得、これをメータ５０に加
える。
検出回路の設計にあたつて重要なことは、金属
酸化物半導体４ａの電気伝導度は被検ガスと妨害
ガスの双方に対応し、接触燃焼による温度変化は
妨害ガス濃度に比例することである。温度変化に
よる信号を用いて妨害ガスの影響を補償する具体
的回路は、補償回路についての技術常識に沿つて
変形し得るものであり、個別の用途やガス検出素
子２ａ等の特性に応じて決定すべきものである。
酸化物半導体４ａの電気伝導度は被検ガスと妨害
ガスの双方に対応し、接触燃焼による温度変化は
妨害ガス濃度に比例することである。温度変化に
よる信号を用いて妨害ガスの影響を補償する具体
的回路は、補償回路についての技術常識に沿つて
変形し得るものであり、個別の用途やガス検出素
子２ａ等の特性に応じて決定すべきものである。
以上に説明したように、この発明では金属酸化
物半導体の電気伝導度の変化と接触燃焼による温
度上昇との関係を利用して、COとメタンとを選
択的に検出することができる。
物半導体の電気伝導度の変化と接触燃焼による温
度上昇との関係を利用して、COとメタンとを選
択的に検出することができる。
第１図ａはガス検出素子の構造例を示す断面
図、第１図ｂは他のガス検出素子の構造例を示す
断面図、第１図ｃは他の構造例を示す切り欠き図
である。第２図ａ，ｂはガス検出素子の特性図、
第３図、第４図は回路図である。 ２ａ，２ｂ，２ｃ……ガス検出素子、４ａ，４
ｂ，４ｃ……金属酸化物半導体、６ａ，６ｂ，１
２……ヒータ兼用の測温抵抗体、３４……第１の
スイツチング回路、３８……第２のスイツチング
回路、４０……アンド回路。
図、第１図ｂは他のガス検出素子の構造例を示す
断面図、第１図ｃは他の構造例を示す切り欠き図
である。第２図ａ，ｂはガス検出素子の特性図、
第３図、第４図は回路図である。 ２ａ，２ｂ，２ｃ……ガス検出素子、４ａ，４
ｂ，４ｃ……金属酸化物半導体、６ａ，６ｂ，１
２……ヒータ兼用の測温抵抗体、３４……第１の
スイツチング回路、３８……第２のスイツチング
回路、４０……アンド回路。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ 金属酸化物半導体の電気伝導度の変化と、前
記金属酸化物半導体を加熱するためのヒータを兼
用する測温抵抗体の温度変化とからガスを検出す
る方法において、 前記半導体の電気伝導度の変化から各種ガスに
非選択的な出力を得ると共に、 妨害ガスの接触燃焼による前記測温抵抗体の温
度変化から妨害ガス濃度に比例した出力を得、 前記半導体の出力を前記測温抵抗体の出力によ
り補償して特定のガスを検出することを特徴とす
る検出方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3620983A JPS58174839A (ja) | 1983-03-04 | 1983-03-04 | 特定ガス検出方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3620983A JPS58174839A (ja) | 1983-03-04 | 1983-03-04 | 特定ガス検出方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS58174839A JPS58174839A (ja) | 1983-10-13 |
| JPS6123505B2 true JPS6123505B2 (ja) | 1986-06-06 |
Family
ID=12463355
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3620983A Granted JPS58174839A (ja) | 1983-03-04 | 1983-03-04 | 特定ガス検出方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS58174839A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPS60114758A (ja) * | 1983-11-28 | 1985-06-21 | Fujikura Ltd | 加熱型センサの温度制御方法 |
| JP5517963B2 (ja) * | 2011-02-10 | 2014-06-11 | 富士電機株式会社 | ガス検知装置 |
-
1983
- 1983-03-04 JP JP3620983A patent/JPS58174839A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS58174839A (ja) | 1983-10-13 |
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