JPWO2015087906A1 - ガス検出装置およびその方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ガス感知層と、触媒を担持した焼結材により構成され、前記ガス感知層を覆うように設けられる吸着層とを有するガス検出部と、
前記ガス検出部を加熱するヒーター層と、
前記ヒーター層を通電駆動し、また、前記ガス感知層からセンサ抵抗値を取得する駆動処理部と、
を備え、前記駆動処理部は、
前記ガス感知層に酸素が吸着される酸素吸着温度T0で酸素吸着時間t0にわたり前記ヒーター層を駆動する酸素吸着部と、
前記酸素吸着時間t0の経過後に、前記吸着層に目的ガスが吸着される目的ガス吸着温度T1で目的ガス吸着時間t1にわたり前記ヒーター層を駆動する目的ガス吸着部と、
前記目的ガス吸着時間t1の経過後に、前記吸着層に吸着された目的ガスが脱離して前記ガス感知層に移動する目的ガス脱離温度T2で目的ガス脱離時間t2にわたり前記ヒーター層を駆動する目的ガス脱離部と、
前記目的ガス脱離時間t2の経過後に、前記ガス感知層のセンサ抵抗値から目的ガスのガス濃度を算出する目的ガス濃度算出部と、
からなることを特徴とするガス検出装置とした。
前記目的ガス吸着時間t1は、前記酸素吸着時間t0、前記目的ガス脱離時間t2よりも長い時間であることを特徴とするガス検出装置とした。
前記酸素吸着温度T0、前記目的ガス吸着温度T1、前記目的ガス脱離温度T2は、T1<T2≦T0の関係があることを特徴とするガス検出装置とした。
前記目的ガス濃度算出部は、前記目的ガス脱離時間t2の経過後に、前記ガス感知層で目的ガスが検出される目的ガス検出温度T3で目的ガス検出時間t3にわたり前記ヒーター層を駆動し、前記目的ガス検出時間t3における前記ガス感知層のセンサ抵抗値から目的ガスのガス濃度を算出することを特徴とするガス検出装置とした。
前記目的ガス吸着時間t1は、前記酸素吸着時間t0、前記目的ガス脱離時間t2および前記目的ガス検出時間t3よりも長い時間であることを特徴とするガス検出装置とした。
前記酸素吸着温度T0、前記目的ガス吸着温度T1、前記目的ガス脱離温度T2、および、前記目的ガス検出温度T3は、T1<T3≦T2≦T0またはT1<T2≦T3≦T0の関係があることを特徴とするガス検出装置とした。
ガス感知層と前記ガス感知層を覆うように設けられており触媒を担持した焼結材の吸着層とからなるガス検出部を、前記ガス感知層に酸素が吸着される酸素吸着温度T0で酸素吸着時間t0にわたり加熱する酸素吸着工程と、
前記酸素吸着工程の終了後に、前記吸着層に目的ガスが吸着される目的ガス吸着温度T1で目的ガス吸着時間t1にわたり前記ガス検出部を加熱する目的ガス吸着工程と、
前記目的ガス吸着工程の終了後に、前記吸着層に吸着された目的ガスが脱離して前記ガス感知層に移動する目的ガス脱離温度T2で目的ガス脱離時間t2にわたり前記ガス検出部を加熱する目的ガス脱離工程と、
前記目的ガス脱離工程の終了後に、前記ガス感知層のセンサ抵抗値から目的ガスのガス濃度を算出する目的ガス濃度算出工程と、
からなることを特徴とするガス検出方法とした。
前記目的ガス吸着時間t1は、前記酸素吸着時間t0、前記目的ガス脱離時間t2よりも長い時間であることを特徴とするガス検出方法とした。
前記酸素吸着温度T0、前記目的ガス吸着温度T1、前記目的ガス脱離温度T2は、T1<T2≦T0の関係があることを特徴とするガス検出方法とした。
前記目的ガス濃度算出工程は、前記目的ガス脱離時間t2の経過後に、前記ガス感知層で目的ガスが検出される目的ガス検出温度T3で目的ガス検出時間t3にわたり前記ガス検出部を加熱し、前記目的ガス検出時間t3における前記ガス感知層のセンサ抵抗値から目的ガスのガス濃度を算出することを特徴とするガス検出方法とした。
前記目的ガス吸着時間t1は、前記酸素吸着時間t0、前記目的ガス脱離時間t2および前記目的ガス検出時間t3よりも長い時間であることを特徴とするガス検出方法とした。
前記酸素吸着温度T0、前記目的ガス吸着温度T1、前記目的ガス脱離温度T2、および、前記目的ガス検出温度T3は、T1<T3≦T2≦T0またはT1<T2≦T3≦T0の関係があることを特徴とするガス検出方法とした。
Si基板1はシリコン(Si)により形成され、ガス検出部5が直上に位置する箇所に貫通孔が形成される。
熱絶縁支持層2はこの貫通孔の開口部に張られてダイアフラム様に形成されており、Si基板1の上に設けられる。
熱酸化SiO2層2aは、熱絶縁層として形成され、ヒーター層3で発生する熱をSi基板1側へ熱伝導しないようにして熱容量を小さくする機能を有する。また、この熱酸化SiO2層2aは、プラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、後述するがプラズマエッチングによるSi基板1への貫通孔の形成を容易にする。
CVD−Si3N4層2bは、熱酸化SiO2層2aの上側に形成される。
CVD−SiO2層2cは、ヒーター層3との密着性を向上させるとともに電気的絶縁を確保する。CVD(化学気相成長法)によるSiO2層は内部応力が小さい。
電気絶縁層4は、電気的に絶縁を確保するスパッタSiO2層であり、熱絶縁支持層2およびヒーター層3を覆うように設けられる。電気絶縁層4は、ヒーター層3と感知層電極5bとの間に電気的な絶縁を確保する。また、電気絶縁層4は、ガス感知層5cとの密着性を向上させる。
感知層電極5bは、例えば、Pt膜(白金膜)またはAu膜(金膜)であり、ガス感知層5cの感知電極となるように左右一対に設けられる。
ガス感知層5cは、SnO2層であり、一対の感知層電極5bを渡されるように電気絶縁層4の上に形成される。ガス感知層5cは、本形態ではSnO2層として説明したが、SnO2以外にも、In2O3、WO3、ZnO、または、TiO2という金属酸化物を主成分とする薄膜の層としても良い。
まず、板状のシリコンウェハー(図示せず)に対して熱酸化法によりその片面(または表裏両面)に熱酸化を施し、熱酸化SiO2膜たる熱酸化SiO2層2aを形成する。そして、熱酸化SiO2層2aを形成した上面に、支持膜となるCVD−Si3N4膜をプラズマCVD法にて堆積させ、CVD−Si3N4層2bを形成する。そして、このCVD−Si3N4層2bの上面に、熱絶縁膜となるCVD−SiO2膜をプラズマCVD法にて堆積させ、CVD−SiO2層2cを形成する。
温度プロファイルである。さらに図3において、破線は酸素飽和する前の定常状態の温度プロファイルであり、また、実線は酸素飽和した後の瞬時の温度プロファイルである。
駆動処理部20は、ガス感知層5cに酸素が吸着される酸素吸着温度T0で酸素吸着時間t0にわたりヒーター層3を駆動する酸素吸着工程として機能する。駆動処理部20は、電流による駆動信号を流してヒーター層3のヒーター温度を一定時間(例えば0.6s)にわたり、高温状態(例えば320℃)に保持すると、図6で説明するように、ガス感知層5cに酸素を吸着させる。さらに吸着層5dにおいても触媒の酸化作用により、吸着層5dの表面に付着したガスを一旦燃焼させてクリーニングする。
実施例A,B,C,Fで、酸素吸着温度T0、目的ガス脱離温度T2、目的ガス検出温度T3を変化させた場合の影響を調べている。実施例Fのように、酸素吸着温度T0、目的ガス脱離温度T2、目的ガス検出温度T3が320℃のときに、感度が極大になっているが、これはエタノールの化学反応により決定されると考えられる。
本発明によれば、図2,図7に示した構造のガスセンサ10のガス感知層5の温度特性を十分に活かしたヒーター駆動パターンでヒーター層3を駆動し、目的ガスを吸着層5dに高濃度に吸着させてからガス感知層5c(SnO2層)と反応させるようにしたため、低濃度の目的ガスを検出できるようになった。
10,10’:ガスセンサ
1:Si基板
2:絶縁支持層
2a:熱酸化SiO2層
2b:CVD−Si3N4層
2c:CVD−SiO2層
3:ヒーター層
4:電気絶縁層
5:ガス検出部
5a:接合層
5b:感知層電極
5c:感知層(SnO2層)
5d:吸着層(PdO担持Al2O3焼結材)
6:貫通孔
7:キャビティ
20:駆動処理部
ガス感知層と、吸着層とを有するガス検出部と、
前記ガス検出部を加熱するヒーター層と、
前記ヒーター層を通電駆動し、また、前記ガス感知層からセンサ抵抗値を取得する駆動処理部と、
を備え、前記駆動処理部は、
前記吸着層がクリーニングされるとともに前記ガス感知層に酸素が吸着される酸素吸着温度T0で酸素吸着時間t0にわたり前記ヒーター層を駆動する酸素吸着部と、
前記酸素吸着時間t0の経過後に、前記ガス感知層の酸素の吸着が維持されるとともに前記吸着層で濃縮されつつ目的ガスが吸着される目的ガス吸着温度T1で目的ガス吸着時間t1にわたり前記ヒーター層を駆動する目的ガス吸着部と、
前記目的ガス吸着時間t1の経過後に、前記吸着層に吸着された目的ガスが脱離して前記ガス感知層に移動する目的ガス脱離温度T2で目的ガス脱離時間t2にわたり前記ヒーター層を駆動する目的ガス脱離部と、
前記目的ガス脱離時間t2の経過後に、前記ガス感知層のセンサ抵抗値から目的ガスのガス濃度を算出する目的ガス濃度算出部と、
からなることを特徴とするガス検出装置とした。
ガス感知層と吸着層とからなるガス検出部を、前記吸着層がクリーニングされるとともに前記ガス感知層に酸素が吸着される酸素吸着温度T0で酸素吸着時間t0にわたり加熱する酸素吸着工程と、
前記酸素吸着工程の終了後に、前記ガス感知層の酸素の吸着が維持されるとともに前記吸着層で濃縮されつつ目的ガスが吸着される目的ガス吸着温度T1で目的ガス吸着時間t1にわたり前記ガス検出部を加熱する目的ガス吸着工程と、
前記目的ガス吸着工程の終了後に、前記吸着層に吸着された目的ガスが脱離して前記ガス感知層に移動する目的ガス脱離温度T2で目的ガス脱離時間t2にわたり前記ガス検出部を加熱する目的ガス脱離工程と、
前記目的ガス脱離工程の終了後に、前記ガス感知層のセンサ抵抗値から目的ガスのガス濃度を算出する目的ガス濃度算出工程と、
からなることを特徴とするガス検出方法とした。
ガス感知層と、吸着層とを有するガス検出部と、
前記ガス検出部を加熱するヒーター層と、
前記ヒーター層を通電駆動し、また、前記ガス感知層からセンサ抵抗値を取得する駆動処理部と、
を備え、前記駆動処理部は、
前記吸着層がクリーニングされるとともに前記ガス感知層に酸素が吸着される酸素吸着温度T0で酸素吸着時間t0にわたり前記ヒーター層を駆動する酸素吸着部と、
前記酸素吸着時間t0の経過後に、前記吸着層に目的ガスが吸着される目的ガス吸着温度T1で、前記目的ガスの前記吸着層への吸着量が平衡に近くなるまで濃縮されつつ吸着し、かつ、前記ガス感知層から酸素が多く脱離しない目的ガス吸着時間t1にわたり前記ヒーター層を駆動する目的ガス吸着部と、
前記目的ガス吸着時間t1の経過後に、前記吸着層に吸着された目的ガスが脱離して前記ガス感知層に移動する目的ガス脱離温度T2で目的ガス脱離時間t2にわたり前記ヒーター層を駆動する目的ガス脱離部と、
前記目的ガス脱離時間t2の経過後に、前記ガス感知層のセンサ抵抗値から目的ガスのガス濃度を算出する目的ガス濃度算出部と、
からなることを特徴とするガス検出装置とした。
ガス感知層と吸着層とからなるガス検出部を、前記吸着層がクリーニングされるとともに前記ガス感知層に酸素が吸着される酸素吸着温度T0で酸素吸着時間t0にわたり加熱する酸素吸着工程と、
前記酸素吸着工程の終了後に、前記吸着層に目的ガスが吸着される目的ガス吸着温度T1で、前記目的ガスの前記吸着層への吸着量が平衡に近くなるまで濃縮されつつ吸着し、かつ、前記ガス感知層から酸素が多く脱離しない目的ガス吸着時間t1にわたり前記ガス検出部を加熱する目的ガス吸着工程と、
前記目的ガス吸着工程の終了後に、前記吸着層に吸着された目的ガスが脱離して前記ガス感知層に移動する目的ガス脱離温度T2で目的ガス脱離時間t2にわたり前記ガス検出部を加熱する目的ガス脱離工程と、
前記目的ガス脱離工程の終了後に、前記ガス感知層のセンサ抵抗値から目的ガスのガス濃度を算出する目的ガス濃度算出工程と、
からなることを特徴とするガス検出方法とした。
Claims (12)
- ガス感知層と、触媒を担持した焼結材により構成され、前記ガス感知層を覆うように設けられる吸着層とを有するガス検出部と、
前記ガス検出部を加熱するヒーター層と、
前記ヒーター層を通電駆動し、また、前記ガス感知層からセンサ抵抗値を取得する駆動処理部と、
を備え、前記駆動処理部は、
前記ガス感知層に酸素が吸着される酸素吸着温度T0で酸素吸着時間t0にわたり前記ヒーター層を駆動する酸素吸着部と、
前記酸素吸着時間t0の経過後に、前記吸着層に目的ガスが吸着される目的ガス吸着温度T1で目的ガス吸着時間t1にわたり前記ヒーター層を駆動する目的ガス吸着部と、
前記目的ガス吸着時間t1の経過後に、前記吸着層に吸着された目的ガスが脱離して前記ガス感知層に移動する目的ガス脱離温度T2で目的ガス脱離時間t2にわたり前記ヒーター層を駆動する目的ガス脱離部と、
前記目的ガス脱離時間t2の経過後に、前記ガス感知層のセンサ抵抗値から目的ガスのガス濃度を算出する目的ガス濃度算出部と、
からなることを特徴とするガス検出装置。 - 前記目的ガス吸着時間t1は、前記酸素吸着時間t0、前記目的ガス脱離時間t2よりも長い時間であることを特徴とする請求項1に記載のガス検出装置。
- 前記酸素吸着温度T0、前記目的ガス吸着温度T1、前記目的ガス脱離温度T2は、T1<T2≦T0の関係があることを特徴とする請求項1または2に記載のガス検出装置。
- 前記目的ガス濃度算出部は、前記目的ガス脱離時間t2の経過後に、前記ガス感知層で目的ガスが検出される目的ガス検出温度T3で目的ガス検出時間t3にわたり前記ヒーター層を駆動し、前記目的ガス検出時間t3における前記ガス感知層のセンサ抵抗値から目的ガスのガス濃度を算出することを特徴とする請求項1に記載のガス検出装置。
- 前記目的ガス吸着時間t1は、前記酸素吸着時間t0、前記目的ガス脱離時間t2および前記目的ガス検出時間t3よりも長い時間であることを特徴とする請求項4に記載のガス検出装置。
- 前記酸素吸着温度T0、前記目的ガス吸着温度T1、前記目的ガス脱離温度T2、および、前記目的ガス検出温度T3は、T1<T3≦T2≦T0またはT1<T2≦T3≦T0の関係があることを特徴とする請求項4または5に記載のガス検出装置。
- ガス感知層と前記ガス感知層を覆うように設けられており触媒を担持した焼結材の吸着層とからなるガス検出部を、前記ガス感知層に酸素が吸着される酸素吸着温度T0で酸素吸着時間t0にわたり加熱する酸素吸着工程と、
前記酸素吸着工程の終了後に、前記吸着層に目的ガスが吸着される目的ガス吸着温度T1で目的ガス吸着時間t1にわたり前記ガス検出部を加熱する目的ガス吸着工程と、
前記目的ガス吸着工程の終了後に、前記吸着層に吸着された目的ガスが脱離して前記ガス感知層に移動する目的ガス脱離温度T2で目的ガス脱離時間t2にわたり前記ガス検出部を加熱する目的ガス脱離工程と、
前記目的ガス脱離工程の終了後に、前記ガス感知層のセンサ抵抗値から目的ガスのガス濃度を算出する目的ガス濃度算出工程と、
からなることを特徴とするガス検出方法。 - 前記目的ガス吸着時間t1は、前記酸素吸着時間t0、前記目的ガス脱離時間t2よりも長い時間であることを特徴とする請求項7に記載のガス検出方法。
- 前記酸素吸着温度T0、前記目的ガス吸着温度T1、前記目的ガス脱離温度T2は、T1<T2≦T0の関係があることを特徴とする請求項7または8に記載のガス検出方法。
- 前記目的ガス濃度算出工程は、前記目的ガス脱離時間t2の経過後に、前記ガス感知層で目的ガスが検出される目的ガス検出温度T3で目的ガス検出時間t3にわたり前記ガス検出部を加熱し、前記目的ガス検出時間t3における前記ガス感知層のセンサ抵抗値から目的ガスのガス濃度を算出することを特徴とする請求項7または8に記載のガス検出方法。
- 前記目的ガス吸着時間t1は、前記酸素吸着時間t0、前記目的ガス脱離時間t2および前記目的ガス検出時間t3よりも長い時間であることを特徴とする請求項10に記載のガス検出方法。
- 前記酸素吸着温度T0、前記目的ガス吸着温度T1、前記目的ガス脱離温度T2、および、前記目的ガス検出温度T3は、T1<T3≦T2≦T0またはT1<T2≦T3≦T0の関係があることを特徴とする請求項10または11に記載のガス検出方法。
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