JPS61264246A - ガス検出方法 - Google Patents

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。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 この発明はｎ形金属酸化物半導体の抵抗値の変化を用い
たガス検出方法の改良に関し、とりわけ省電力形のガス
検出方法に関する。

〔従来技術〕

実公昭５６−１６５４０号は、金属酸化物半導体の多孔
質成形体中にコイル状のヒータ兼用電極を埋設するとと
もに、ヒータ兼用電極の中心に沿って検出電極を配置し
たガスセンサを開示する。

このガスセンサは全体の大きさをヒータコイルと同程度
にまで小形し得るので、省電力形のガスセンサに適して
いる。ここで検出電極の一方の端子は、全く用いられる
ことなく露出している。

ガスセンサの消費電力の大部分は、ヒータや電極線から
の熱伝導によるものであり、かつ検出装置の電力の多く
はガスセンサで用いられる。発明者は、検出電極の一方
の露出部をなくし、外部との接続は他方でのみ行うこと
とし、１０〜２０％の電力の節減に成功した。

ところでこのガスセンサの特性は、検出電極とヒータ兼
用電極間の電圧の印加方向によυ異なる。

検出電極からヒータ兼用電極へ検出電流を流すと、セン
サの特性は通常に予想されるものに等しく、特異な点は
無い。しかしヒータ兼用電極から検出電極へ電流を流す
と、電流には一種の慣性が伴い、電流の変化に時間を要
する。例えば印加電圧を変えた際に検出電流がそれに追
随するには時間が必要であり、またガスが発生した際に
検出電流が変化するにも時間が必要である。そしてこの
ことは、ガスへの検出遅れとなって現れる。

〔発明の課題〕

この発明は、ガスセンサの構造の改良による消費電力の
節減と、検出電流の方向性により生ずる特異な特性の除
去、とを目的とする。

〔発明の構成〕

この発明のガス検出方法では、ｎ形金属酸化物半導体の
多孔質成形体中に、コイル状のヒータ兼用電極を埋設し
、その内部の位置に検出電極を埋設してガスセンサとす
る。

ここで検出電極の一方の端部を成形体の内部または端部
付近に配置し、検出電極の露出部からの熱損失を抑制す
る。

ガスセンサには、検出電極からヒータ兼用電極へ向けて
検出電流を加える。検出電流の向きを逆転すると、電流
の値は異常な挙動を示す。

〔実施例〕

第１図のガスセンサ（２）において、（４）はＳ　ｎ　
０２　ｒＩｎ２０３　、ＺｎＯ，Ｆｅ２Ｏ３等のｎ形金
属酸化物半導体の多孔質成形体である。成形体（４）の
内部には、Ｐｔ　、　Ｉｒ　、Ａｕ　、あるいはＩ　ｒ
　−Ｐｄ合金等の貴金属のコイル状のヒータ兼用電極（
６）を埋設する。ヒータ兼用電極（６）の内部の位置に
は、同じく貴金属の検出電極（８）を埋設する。検出電
極（８）の先端は、図のように成形体（４）の端部から
かすかに露出するように、あるいは成形体（４）の内部
で終るように、配置する。すなわち検出電極（８）の先
端の露出部をなくし、熱損失を軽減する。

ここでは成形体（４）として、８ｎ０２に金属換算でＱ
、３ｗｔ％のＰｄを加えたものを用い、電極（６）。

（８）として線径２０μのＰｔ線を用いる。

第２図に検出回路の例を示す。なおここではセンサ（２
）の形状は模式的に示しである。ヒータ兼用電極（６）
の両端にヒータ電源（ＶＨ）を接続し、電極（６）　、
　（８）間に検出電源（Ｖｃ）と負荷抵抗（ＲＬ）の直
列片を接続する。そして負荷抵抗（ＲＬ）への印加電圧
（ＶＲＬ）　　を出力として用いる。ここで重要なこと
は、成形体（４）中を流れる検出電流が、検出電極（８
）からヒータ兼用電極（６）へ向けて流れるようにする
ことで有る。他の点は適宜に変形でき、ヒータ電源（Ｖ
Ｈ）の極性を反転させても、負荷抵抗（ＲＬ）に代え他
の電流検出手段を用いても良い。

さらに検出電源（Ｖｃ）はなくても良い。この場合はヒ
ータ電源（ＶＨ）の正端子からの電流は、負荷抵抗（Ｂ
、Ｌ）を介して、検出電極（８）からヒータ兼用電極（
６）へと流れる。まだ検出電源（ＶＣ）は交流でも良く
、その際にはダイオード等の適当なスイッチを介して、
検出電極（８）からヒータ兼用電極（６）へ流れる電流
を検出する。

消費電力について述べると、先の数値条件で、センサ（
２）を４５０°Ｃに加熱するに必要な電力は約１２０　
ｍｗａｔｔである。これに対して、検出電極（８）の先
端を成形体（４）から引き出し、電極（８）の両端を適
当なステム等に固定したものでは、必要な電力は１８０
ｍｗａｔｔである。なおセンサ（２）は他の点では全く
等しく、センサ（２）の温度は電極（６）の抵抗温度係
数から求めた。このことはセンサ（２）の熱損失の大部
分が、電極（６）　、　（８）からの熱伝導により生ず
ることを意味する。さらに、電極（６）　、　（８）の
線径を４０μとしたものでは、電極（８）の一端側の露
出部をなくすことにより、約２０％の消費電力をカット
できた。

第３図〜第９図により、検出電流の方向性によるセンサ
（２）の特性変化を説明する。センナ（２）として、先
の数値条件で示したものを３個、（ａ）　、　（ｂ）　
。

（Ｃ）、用い、第２図の電源（Ｖｃ）　、　（ＶＨ）の
配置での特性を正特性、電源（■ａ　）　＋　（Ｖ　Ｈ
）の極性を逆転した際の特性を逆特性とする。ヒータ電
源（Ｖｕ）は原則として０．８ｖとし、検出電源（Ｖｃ
）は原則として３■とする。各図の極線の時間軸は、図
示の便宜のため２分程度シフトして表示しである。

清浄空気中で６０分間隔で正特性から逆特性へと極性を
切シ換える（第３図）。出力（ＶｒｔＬ）の細体値は変
化しないはずである。しかし図示のように逆特性での出
ノＥ’　（ＶＲＬ）　　は低く、かつ定常値に達するの
に時間が必要である。

同じ測定を１，０００　ｐｌ）ｍ　のメタン中で行う（
第４図）。正特性で安定したセンサ（２）に対し、時刻
０にメタンを加え、以降６０分ごとに特性を変える。逆
特性での検出電流と正特性での検出電流は異なシ、逆特
性での定常値に安定するには時間が必要である。

第５図では、センサ（２）を逆特性に配置し、ヒータ電
源（Ｖａ）を常にオンし、検出電源（Ｖｃ）のみを６０
分毎にオン−オフする。電源（Ｖｃ）の値は、時刻３０
０分までは８Ｖ、１６０分以降は５ｖである。なお雰囲
気は清浄空気である。また電源（ＶＣ）をオフした時の
出力（ＶＲＬ）は、実際には０ではないが、図では省略
しである。

センサ（２）の温度は一定で有り、電源（Ｖｃ）をオン
すれば、検出電流は瞬間的に定常値に達するはずである
。しかし実際には、そうではない。定常値に達するまで
の時間は、電源（Ｖｃ）の出力を増すと短縮される（３
Ｖと５ｖの比較）。けれども電源（Ｖｃ）の出力をＩＯ
Ｖとすると、実施例のセンサ（２）では、抵抗値が見か
け上激減し、有意義な測定ができなかった。なお電源（
Ｖｃ）をＩＯＶとした際の、抵抗値の激減は正特性でも
共通で、原因は不明で有る。一応の推定としては、電極
（６）。

（８）が細く変形し易いことと関係するものと思われる
。

同じ測定を、ｉ、ｏ　ｏ　ｏ　ｐｐｍのメタン中で行う
（第６図）。この場合も電源（ＶＣ）の出力は、時刻３
００分までは３ｖで、３６０分以降は５Ｖである。

第７図に、正特性と逆特性での１，０００　ｐｌ）ｍの
メタンへの応答特性を示す。時刻０分、あるいは１２０
分にメタンを注入１７．６０分、または１８０分に電源
（ＶＣ）をオフする。なおヒータ電源（Ｖｌ−Ｉ）は常
にオンさせておき、センサ（２）の温度を一定とする。

逆特性での応答は、正特性にくらべて遅い。

逆特性でのガスへの応答は、メタンのみでなく、イソフ
リン−や水素、エタノーノペー酸化炭素％の任意のガス
に対して、正特性よシも遅い。センナ（ａ）　、　（ｂ
）を逆特性に、センサ（Ｃ）を正特性に配置し、時刻Ｏ
ＫＩ、Ｑ　Ｑ　Ｏｐｒ）ｍのインブタンを注入する。

逆特性での応答は遅い。なおこれは、センナ（ｂ）。

検出電流の向きによる特性の差は、検出電流の値を極く
小さくしても生ずる。第２図の回路において、電源（Ｖ
Ｃ）を出力を０とし、ヒータ電源（Ｖｎ）の正端子を抵
抗（几Ｌ）を介して電極（８）に接続したものを正特性
、負端子を抵抗（ＲＬ　）を介して検出電極（８）に接
続したものを逆特性とする。この場合、抵抗（几Ｌ）に
はわずかな出力が生ずる。

センサ（ａ）　、　（ｂ）を逆特性に、センサ（Ｃ）を
正特性に配置し、時刻０から１８０分までの間ｉ、ｏ　
ｏ　。

ｐｐｍのメタンにさらす（第９図）。逆特性ではオーバ
ーシュートが生ずるが、正特性では生じない。

ここでは５ｎ０２　　にＰｄ　を加えた金属酸化物半導
体について説明しだが、Ｐｄは正特性と逆特性の差には
ほとんど影響しない。また５ｎ０２をＩ　ｎ　２０３や
ＺｎＯに代えても、同様であった。他の添加物について
検討したが、一般には正特性と逆特性との差を大きくす
るものしか見つからなかった。

正特性と逆特性との差は、電極（８）の線径を増すと小
さくなり、実用上差が問題となるのは線径が４０μ以下
の場合である。

これらの現象の原因は全く不明である。ただ、ヒータ兼
用電極（６）は検出電極（８）にくらべ半導体との接触
面積が大きいこと、検出電極（８）の線径を増すと特性
差が小さくなること、から、半導体と検出電極の接触に
問題があるものと思われる。そして特性の差は、半導体
中の多数キャリアが電子であることから、半導体から電
極（８）への電子の移動は容易であるが、逆は難しいこ
とを示唆する。

そしてこのような異常な現象は、検出電極（８）からヒ
ータ兼用電極（６）へ向は検出電流を流せば解消される
。

〔発明の効果〕

この発明では、検出に必要な消費電力を節減できるとと
もに、検出電流の方向による異常現象をさけることがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例に用いるガスセンサの断面図、第２図は
実施例に用いる検出回路の回路図、第３図〜第９図は実
施例の特性図である。 （２）・・・ガスセンサ、　　　（４）・・・多孔質成
形体、（６）・・・ヒータ兼用電極、（８）・・・検出
電極、（ＶＨ）・・・ヒータ電源、　（Ｖｃ）・・・検
出電源。 特　許　出　願　人　　フイガロ技研株式会社第１図 第２図 Ｈ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガスにより抵抗値が変化するｎ形金属酸化物半導
   体の多孔質成形体中に、コイル状の貴金属からなるヒー
   タ兼用電極を埋設し、かつこのヒータ兼用電極のコイル
   部の内部の位置に貴金属からなる検出電極を埋設したガ
   スセンサの、検出電極の一方の端部を前記成形体の内部
   または端部付近に配置して、検出電極の露出部からの熱
   損失を抑制し、 かつ前記ガスセンサには検出電極からヒータ兼用電極に
   向けて検出電流を通し、 この検出電流の変化からガスを検出する、 ガス検出方法。