JPWO2019244475A1 - ガス検出装置とガス検出方法 - Google Patents
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Abstract
基板のキャビテイに設けた絶縁膜上に、金属酸化物半導体とヒータを設けたMEMSガスセンサを用いる。駆動回路により、所定の周期でかつ所定のパルス幅でヒータを動作させることにより、金属酸化物半導体を加熱する。湿度の検出手段により雰囲気が高湿であることを検出すると、駆動回路はヒータの動作を停止させるかあるいは周期を延長する。
Description
この発明はガス検出装置とガス検出方法に関する。
金属酸化物半導体を用いたMEMSガスセンサは湿度の影響を受けやすいことが知られている（特許文献１：JP6274649B）。MEMSガスセンサでは、金属酸化物半導体を例えば所定の周期で一定の時間だけ加熱し、加熱時の金属酸化物半導体の抵抗値からガスを検出する。加熱の初期に金属酸化物半導体の抵抗値は急激に低下する。そしてJP6274649Bでは、高湿中で抵抗値の低下が遅く、中低湿で抵抗値の低下が速いことから、湿度をガスセンサの信号から検出する。
長期間高湿中に置かれると、空気中の金属酸化物半導体の抵抗値もガス中の抵抗値も増加する。そこでJP6274649Bでは、高湿中でかつ空気中の抵抗値が増加すると、ガス検出用の閾値を低下させる。
JP6274649Bのようにすると、高湿中でもガスを検出できるが、高湿雰囲気の影響をガスセンサが受けることは防止できない。この発明は、金属酸化物半導体を用いるMEMSガスセンサへの高湿雰囲気の影響を防止することを課題とする。
この発明のガス検出装置は、基板のキャビテイに設けた絶縁膜上に、金属酸化物半導体とヒータを設けたMEMSガスセンサと、
所定の周期でかつ所定のパルス幅で前記ヒータを動作させることにより、前記金属酸化物半導体を加熱する駆動回路と、
雰囲気の湿度を検出する湿度の検出手段とを備え、
前記駆動回路は、湿度の検出手段により雰囲気が高湿であることを検出すると、前記ヒータを動作させないかあるいは前記周期を延長する。
所定の周期でかつ所定のパルス幅で前記ヒータを動作させることにより、前記金属酸化物半導体を加熱する駆動回路と、
雰囲気の湿度を検出する湿度の検出手段とを備え、
前記駆動回路は、湿度の検出手段により雰囲気が高湿であることを検出すると、前記ヒータを動作させないかあるいは前記周期を延長する。
この発明のガス検出方法では、基板のキャビテイに設けた絶縁膜上に、金属酸化物半導体とヒータを設けたMEMSガスセンサを用い、
駆動回路により、所定の周期でかつ所定のパルス幅で前記ヒータを動作させることにより、前記金属酸化物半導体を加熱し、
湿度の検出手段により雰囲気の湿度を検出し、
かつ、湿度の検出手段により雰囲気が高湿であることを検出すると、前記駆動回路により、前記ヒータの動作を停止させるかあるいは前記周期を延長する。
駆動回路により、所定の周期でかつ所定のパルス幅で前記ヒータを動作させることにより、前記金属酸化物半導体を加熱し、
湿度の検出手段により雰囲気の湿度を検出し、
かつ、湿度の検出手段により雰囲気が高湿であることを検出すると、前記駆動回路により、前記ヒータの動作を停止させるかあるいは前記周期を延長する。
高湿雰囲気でのMEMSガスセンサの挙動を図５〜図９に示す。金属酸化物半導体の種類はSnO2で、常時は0.5秒周期で0.1秒間ヒータを動作させる。高湿中（50℃,90%RH）でガスセンサの動作条件を変えないと、図７に示すように、金属酸化物半導体の抵抗値が増加し、ガス感度も低下する。なおこのことは、金属酸化物半導体の種類を変えても、あるいはガスセンサの動作周期と加熱のパルス幅を変えても変わらない。また湿度の検出手段は、MEMSガスセンサとは別体の湿度センサ、あるいはMEMSガスセンサ自体である。MEMSガスセンサ自体を湿度の検出手段とする場合について説明する。駆動回路により金属酸化物半導体をパルス的に加熱すると、金属酸化物半導体の抵抗値は急激に低下する。ここで、湿度が高いと抵抗値が低下する時定数が長く、湿度が低いと時定数が短い。そこでこの時定数から湿度を検出することができる。この発明で雰囲気が高湿であることを検出するのは、雰囲気が高湿になることにより、ガスセンサが影響を受けることを防止するためである。従って、高湿かどうかの厳密な閾値が有るわけではない。実用的には、MEMSガスセンサ自体から得た湿度の信号、あるいは湿度センサの出力が所定の条件を充たせば、高湿とする。
これに対して、高湿中でガスセンサの駆動を停止する（ヒータを動作させず、金属酸化物半導体を周囲温度に放置する）と、抵抗値は安定でガス感度も安定である（図５）。またヒータの動作周期を60秒（図８）あるいは120秒（図９）にすると、抵抗値のドリフトもガス感度のドリフトも小さくなる。なお高湿中でヒータを連続的に動作させると、抵抗値もガス感度も安定になるが（図６）、消費電力が大きいため、実用的ではない。
好ましくは、前記駆動回路は、湿度の検出手段により雰囲気が高湿であることを検出すると、前記ヒータを動作させず、ガスの検出を中止するように構成されている。高湿中で金属酸化物半導体の加熱を停止することにより、ガスセンサへの湿度の影響を防止できる（図５参照）。
また好ましくは、前記駆動回路は、湿度の検出手段により雰囲気が高湿であることを検出すると、前記パルス幅を変えずに、前記周期を10倍以上延長し、より長い時間間隔でガスを検出するように構成されている。周期を延長すると、言い換えると金属酸化物半導体を加熱する頻度を小さくすると、ガスセンサへの湿度の影響が小さくなる（図８，図９参照）。そして周期は好ましくは常時の50倍以上に延長する。周期を延長した場合も、ヒータを同じパルス幅で動作させるので、常時と同様にただしより長い周期でガスを検出できる。
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
図１〜図９に実施例のガス検出装置とガス検出方法を示す。図１はMEMSガスセンサ２の例を示し、４はシリコン等の基板、６はキャビテイ、８は絶縁膜でダイアフラム状でもブリッジ状でも良い。絶縁膜８上に厚膜の金属酸化物半導体１０が設けられ、ヒータ１２により金属酸化物半導体１０を加熱し、電極１４により金属酸化物半導体１０の抵抗値を取り出せるようにする。なお電極１４を設けず、ヒータ１２と金属酸化物半導体１０の並列抵抗を出力としても良い。金属酸化物半導体１０は例えばSnO2であるが、WO3,In2O3等、種類は任意である。MEMSガスセンサ２には、上記の他に、ハウジング、活性炭等のフィルタ等を設ける。
図２はガス検出装置の構成を示し、ＩＣ２０が、ガスセンサ２と、例えば相対湿度を検出する湿度センサ３０，及び温度センサ３２を駆動し、出力部３８からセンサ信号を出力する。なお湿度センサ３０を備えていない場合、特許文献１に記載のように、ガスセンサ２の信号から相対湿度を検出できる。またガス検出装置は例えば電池電源で動作する。ガスセンサドライブ２４はスイッチ２１をオン/オフし、ヒータ１２を制御する。またガスセンサドライブ２４は、金属酸化物半導体１０に接続した抵抗２２に加わる電圧をＡＤ変換し、ガスを検出する。湿度センサドライブ３４は、湿度センサ３０の出力から相対湿度、あるいは絶対湿度を検出する。温度センサドライブ３６は、温度センサ３２の出力から、温度を検出する。ガス検出装置は例えば携帯電子機器に搭載され、周囲のガスの検出、匂いの検出等の用途に用いられる。
図３は実施例のガス検出方法を示す。湿度センサの出力から周囲の雰囲気が高湿（例えば相対湿度が80%以上）か否かを検出する。高湿中では、ガスセンサ２の駆動を停止し、金属酸化物半導体１０を室温に放置する。そして雰囲気が高湿でなくなると、ガスセンサ２の駆動を再開する。高湿中で無い場合、所定の周期でガスセンサ２を駆動する。
図４にガスセンサ２の駆動パターンを示す。周期Ｔでガスセンサ２を駆動し、１周期に１回パルス幅τだけヒータ１２を加熱し、金属酸化物半導体１０を動作温度に加熱する。周期Ｔは例えば0.2秒以上60秒以下で、好ましくは0.2秒以上10秒以下で、実施例では0.5秒である。またパルス幅τは例えば0.03秒以上１秒以下で、実施例では0.1秒であり、実施例ではヒータ１４を0.1秒間加熱し、0.4秒間休止する。そして金属酸化物半導体１０はヒータ１２により最高温度で例えば300〜450℃に加熱され、加熱時の金属酸化物半導体１０の抵抗値からエタノール、VOC、水素、匂い物質等を検出する。
高湿中で加熱を停止する代わりに、加熱周期Ｔを延長しても良い。例えば加熱周期Ｔを常時の10倍以上、好ましくは50倍以上延長し、ここで好ましくは加熱周期の延長時もパルス幅τは変化させない。そして加熱周期Ｔは好ましくは30秒以上とし、より好ましくは50秒以上とする。なお加熱周期の上限に意味はない。また中低温で高湿である場合よりも、高温高湿である場合に、より速やかにガスセンサ２の加熱を停止するようにしても良い。例えば中低温（30℃未満）では相対湿度が90%以上でガスセンサ２の加熱を停止し、高温（30℃以上）では相対湿度が80%以上でガスセンサ２の加熱を停止しても良い。また高温高湿では直ちにガスセンサ２の加熱を停止し、中低温で高湿では高湿が所定の期間（例えば1日）以上継続するとガスセンサ２の加熱を停止しても良い。
図５〜図９に高温高湿中（50℃,90%RH）45日間の、ガスセンサ２の抵抗値とガス感度の推移を示す。各図において、（Ａ）は空気中の金属酸化物半導体１０の抵抗値（Rair）の推移を、（ｂ）は10ppmのエタノールへの感度（Rgas/Rair）の推移を示す。各図でのガスセンサ２の加熱周期を表１に示す。ガスセンサ２の加熱を停止した図５を除き、金属酸化物半導体１０の最高温度は400℃であった。なお高湿であればガスセンサ２は湿度の影響を受けるが、高温高湿の方が中低温で高湿よりも湿度の影響が大きい。
表１
ガスセンサの加熱周期
図５ 加熱停止
図６ 連続的に加熱
図７ 常時と同じく、T=0.5秒 τ=0.1秒
図８ T= 60秒 τ=0.1秒
図９ T=120秒 τ=0.1秒
ガスセンサの加熱周期
図５ 加熱停止
図６ 連続的に加熱
図７ 常時と同じく、T=0.5秒 τ=0.1秒
図８ T= 60秒 τ=0.1秒
図９ T=120秒 τ=0.1秒
図５，図６では、ガスセンサ２は高湿雰囲気の影響を実質的に受けなかった。ただしガスセンサ２を連続的に加熱することは、電池を電源とすることから非実用的である。加熱周期Ｔが0.5秒と短い図７では、10〜20日程度の間に空気中の抵抗値が増加し、ガス感度も低下した。加熱周期Ｔを60秒（図８）あるいは120秒（図９）とすると、1ヶ月半の間にガス感度がやや低下したが、0.5秒周期で駆動した図７に比べ湿度の影響は遙かに小さかった。
図５，図８，図９と、図７とを比較すると、ガスセンサ２の加熱周期を高湿中で長くすること、好ましくは加熱を停止し周期を無限大にすることにより、湿度の影響を小さくできることが分かる。
２ MEMSガスセンサ
４ 基板
６ キャビティ
８ 絶縁膜
１０ 金属酸化物半導体
１２ ヒータ
１４ 電極
２０ ＩＣ
２１ スイッチ
２２ 抵抗
２４ ガスセンサドライブ
３０ 湿度センサ
３２ 温度センサ
３４ 湿度センサドライブ
３６ 温度センサドライブ
３８ 出力部
Ｔ 加熱周期
τ パルス幅
４ 基板
６ キャビティ
８ 絶縁膜
１０ 金属酸化物半導体
１２ ヒータ
１４ 電極
２０ ＩＣ
２１ スイッチ
２２ 抵抗
２４ ガスセンサドライブ
３０ 湿度センサ
３２ 温度センサ
３４ 湿度センサドライブ
３６ 温度センサドライブ
３８ 出力部
Ｔ 加熱周期
τ パルス幅
Claims (6)
- 基板のキャビテイに設けた絶縁膜上に、金属酸化物半導体とヒータを設けたMEMSガスセンサと、
所定の周期でかつ所定のパルス幅で前記ヒータを動作させることにより、前記金属酸化物半導体を加熱する駆動回路と、
雰囲気の湿度を検出する湿度の検出手段とを備え、
前記駆動回路は、湿度の検出手段により雰囲気が高湿であることを検出すると、前記ヒータを動作させないかあるいは前記周期を延長するように構成されている、ガス検出装置。 - 前記駆動回路は、湿度の検出手段により雰囲気が高湿であることを検出すると、前記ヒータを動作させず、ガスの検出を中止するように構成されていることを特徴とする、請求項１のガス検出装置。
- 前記駆動回路は、湿度の検出手段により雰囲気が高湿であることを検出すると、前記パルス幅を変えずに、前記周期を10倍以上延長し、より長い時間間隔でガスを検出するように構成されていることを特徴とする、請求項１のガス検出装置。
- 前記湿度の検出手段は、前記MEMSガスセンサとは別体の湿度センサであることを特徴とする、請求項１のガス検出装置。
- 前記湿度の検出手段は、前記駆動回路により前記金属酸化物半導体を加熱した際の、金属酸化物半導体の抵抗値が低下する時定数により湿度を検出することを特徴とする、請求項１のガス検出装置。
- 基板のキャビテイに設けた絶縁膜上に、金属酸化物半導体とヒータを設けたMEMSガスセンサを用い、
駆動回路により、所定の周期でかつ所定のパルス幅で前記ヒータを動作させることにより、前記金属酸化物半導体を加熱し、
湿度の検出手段により雰囲気の湿度を検出し、
かつ、湿度の検出手段により雰囲気が高湿であることを検出すると、前記駆動回路により、前記ヒータの動作を停止させるかあるいは前記周期を延長する、ガス検出方法。
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