JPH01316652A - ガス検出装置 - 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、金属酸化物半導体の抵抗値の変化を用いた
ガスの検出に関する。この発明は特に、用いるガスセン
サの消費電力の節減に関する。

［従来技術］ ガスセンサの消費電力の軽減は、ガスの検出の分野での
基本的課題の１つである。そして現在までの研究は、セ
ンサの小形化に向けられてきた。

しかしセンサの小形化には限界が有ることら事実である
。

発明片は、ガスセンサを極く短時間だけ間欠的に加熱し
、センサを動作させることを検討した。

モしてセンサの加熱時間を熱時定数以下として乙、ガス
を検出し得ることを見出した。そして加熱と加熱との間
隔はかなり長くても良いことを見出した。例えば熱時定
数１００　ｍ５ｅｃのガスセンサに対して、にの明細書
では、加熱開始から定常加熱温度の９０％までセンサが
昇温するのに必要な時間を熱時定数とする。）、毎秒１
回５　ｍ５ｅｃずつ加熱パルスを加えてらセンサは動作
した（第４図参照）。

この処置により、ガスセンサの消費電力は連続加熱の場
合に比べＩ　／　ｌ　ＯＯａ度に低下する。

［発明の課題１ この発明の課題は、ガスセンサの消費電力を節減する点
に有る。

［発明の構成と作用］ この発明では、ガスセンサのヒータにその熱時定数以下
の幅の加熱パルス、例えば熱時定数のｌ／２幅のパルス
を加え、センサを間欠的に加熱して使用する。パルスと
パルスとの間隔はセンサの熱時定数よりも長くし、好ま
しくは２倍以上、更に好ましくは５倍以」二とずろ。ま
た加熱パルスのデユーティ比は、Ｉ／１０以下、好まし
くは１／２０以下とする。

このような条件でもガスセンサは動作し、ガスを検出で
きる。そしてセンサの消費電力は、加熱時の電力と加熱
パルスの幅やデユーティ比で定まる。そこで１回の加熱
時間を熱時定数以下とし、デユーティ比を小さくすれば
、消費電力を減少さ仕ることができる。

加熱パルスの幅は熱時定数以下であり、センサは加熱温
度の定常値に達しない。しかしパルスの幅が一定であれ
ば、センサが到達する温度も一定であり、問題は生じな
い。そして幅が一定のパルスを形成することは容易であ
る。

［実施例］ ガスセンサの槽造例 実施例では、呑田らの開発した省電力形ガスセンサ（特
願昭６２−１７４，４２０号に記載）を利用した。この
ガスセンサの特徴は、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａ１合金線等の金属
発熱体の表面に、Ａ　ｌ　ｔ　Ｏ＊等の耐熱絶縁性被覆
を施し、金属酸化物半導体の担体とする点に有る。即ち
金属発熱体をヒータとし、絶縁性被覆上にガスにより抵
抗値が変化する金属酸化物半導体とそのｆｆ１１４とを
設ける。ヒータと金属酸化物半導体とは絶縁性被覆で絶
縁される。

実施例で用いたものでは、金属発熱体に線径２０μｍの
Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ合金線を用い、金属酸化物半導体は単
味のＳｎ０ｗ層とし、耐熱絶縁性被覆は約１μｍ厚のＡ
　ｌ　ｔ　Ｏａ膜とした。このセンサでは、３００℃へ
の連続加熱時の消費電力は７０　ｍＷａｔｔ。

印加電圧は約０．６Ｖ、発熱体の抵抗値は５Ωであった
。また熱時定数は１ｏＯｎｓｅｃである。ここで９０％
応答の熱時定数り月００ｍ５ｅｃであるので、ｌ／ｅま
での応答への熱時定数は約４０ｍ５ｅｃとなる。ここに
ｅは自然対数の底を現す。

このガスセンサは消費電力の小さなセンサの例として用
いたもので、これ以外にも任意のセンサを用い得る。例
えば発明者が提案した、ガラス薄膜トに、ヒータと金属
酸化物半導体層と、電極とを設けたものでも良い（特願
昭６２−５５９６号）。

第６図〜第８図に、実施例に用いたガスセンサ２を示す
。第６図において、４は線径２０μｍのＰｅ−Ｃｒ−Ａ
ｌ合金線（スエーデンのガブリウス社製のカンタル、カ
ンタルは商品名）からなる金属発熱体である。８は金属
発熱体４のほぼ全面に設けた耐熱絶縁性被覆で、アルミ
ナゾルの塗布と、８００℃での熱分解を１０回繰り返し
て厚さ約１７ｚｍのアルミナ被覆８とした。６は、５ｎ
Ｏｔや、ＩｎｔＯ３、ＺｎＯ等の金属酸化物半導体で、
ここではＳ　ｎ（ＯＣＨ３）３（０（ＣＨＪＰＮ　Ｈｔ
）、のイソブタノール溶液を滴下し、５００℃で熱分解
して、５ｎＯｔとした。

１０．１２はＡｕを真空蒸着した電極で、１４はアルミ
ナを用いた耐熱絶縁性基板である。また１６は空洞で、
ＳｎＯ，の熱分解時に、原料溶液が基板１４にふれるの
を防止するためのものである。

１８．２０．２２は金の印刷電極で、電極１８，２２に
金属発熱体４の両端を溶接すると共に、電極ｌＯを印刷
電極１８に、検出電極１２を印刷電極２０に、金ペース
ト２４で固定した。

第７図の拡大断面図や第８図の全体図において、３０は
外部ピンを兼用したリードフレームで、各リードフレー
ム３０と印刷電極＋８．２０．２２とをリード線て接続
する。また２６は金属発熱体４と印刷電極１８．２２と
の溶接部、２８はリードフレーム３０と基板１４とのグ
イボンディング層である。さらに３２は合成樹脂等のヘ
ース、３，１は合成樹脂等のカバーである。

ガスセンサの特性 第４図に、センサ２の加熱パルスの幅と抵抗値との関係
を示す。用いたセンサは前記のらのである。横軸は金属
発熱体４への印加電圧を、縦軸は加熱パルス終了直前の
金属酸化物半導体６の抵抗値を示す。なお雰囲気は２０
℃、湿度６５％、連続加熱時の温度は印加電圧０．６■
で約３００６Ｃである。加熱は、毎秒１回５　ｍ５ｅｃ
−１００ｍ５ｅｃ幅の加熱パルスにより行った。５　ｍ
５ｅｃ（熱時定数の１／２０）や１５ｍ５ｅｃ（熱時定
数の１５％）の加熱でら、センサは動作している。次に
熱時定数あるいはそのｌ　／　２　ｎ度の加熱パルス（
１００ｍｓｅｃや５０　ｍ５ｅｃ）では、連続加熱の場
合と特性はほとんど変わらない。また熱時定数よりも加
熱時間を十分に短くすると（５ｍ５ｅｃや１５ｍ５ｅｃ
）、センサへの印加電圧を連続加熱の場合よりやや高く
するのが好ましい。

第５図に、＋　ｏ　ｏ　ｐｐｍのエタノールへの応答特
性を示す。なお加熱条件は、毎秒１回幅５　ｍ５ｅｃで
電圧０．７Ｖのパルスを加えたものである。この例では
センサ２にＩＯＫΩの負荷抵抗と５Ｖの電源を接続して
、加熱パルス終了直後の負荷抵抗への両端間電圧をサン
プリングした。センサ２の応答は速く、実用に用いろこ
とができろ。

表目こ、６種の加熱条件と特性との関係を示す。

表−七＊ 連続加熱　　　　　２５０　　６．５　　５．０　　３
．０１００ｍｓｅｃ／ｓｅｃ　　　８００　１３　　　
７．０　　３．５５０ｍ５ｅｃ／ｓｅｅ　　　６００　
　８．０　　８．０　　４．０１５ｍ５ｅｃ／ｓｅｅ　
　　３５０　　６．０　　５．０　　３．５５ｍ５ｅｃ
／ｓｅｅ　　　３００　　４．０　　４．５　　４．５
１５ｍ５ｅｃ／１Ｏｓｅｃ　　３００　　４．５　　５
．０　　４．０１５ｍ５ｅｃ／ｌｌ１ｉｎ　　　４００
　　３．０　　６．０　　４．０１０　ｍ５ｅｃ／ｍｉ
ｎ＊　　　ｃｘｓ　　　Ｉ　ＯＭΩ　ＩＯＭΩ　ＩＭΩ
＊　ガス濃度は各ｌ　００　ｐｐｍ、感度は空気中とガ
ス中との抵抗値の比を示す、また最後の例では毎分１回
１０＋ｎ５ｅａのパルスで加熱し、次の加熱の直前の抵
抗値を測定、この例では空気中の抵抗値を測定できずガ
ス中での抵抗値を表示、 加熱電圧はいずれら０．７Ｖ、抵抗値はにΩ単位で表示
。

これらのデータから以下のことが明らかである。

１回の加熱時間を熱時定数の５０％（５０ｍ５ｅｃ／５
ｅｃ）、１５％（ｌ　５　ｍ５ｅｃ／　５ｅｅ）、５％
（５ｍ５ｅｃ／　５ｅｃ）のいずれとしてら、ガスを検
出できる。そして加熱と加熱との間隔は、１秒（熱時定
数の１０倍）から１分（熱時定数の６００倍）としてら
全く問題は生じない。そして熱時定数以下の加熱パルス
を加え、加熱パルスと加熱パルスとの間隔を大きくすれ
ば、センサ２の消費電力は急激に減少する。更にセンサ
２の応答速度は、最も過酷な条件（５ｍ５ｅｃ／ｓｅｃ
の加熱パルス）でも、問題はない。現在のところ全ての
データが満足な結果を示したので、加熱パルスの幅の下
限やパルス間隔の上限は明らかでない。推定と１２では
、加熱パルスの幅の下限に制約は７ｊ＜、パルスの間隔
の上限はＩＯ〜３０分程度であろう。

第９図に、ヒータ４に３，２Ｖの電圧を毎秒１回０　、
２　ｍ５ｅｃずつ加えた際の特性を示す。０．２１ｓｅ
ｃ／ｓｅｅの加熱パルスでもガスを検出できる。またセ
ンサ出力Ｖｏｕｔの応答には、加熱パルスに対する遅れ
が見られる。そして加熱パルスの終了後１０ｍ５ｅｃ程
度経過すると、センサ出力はパルス前の値に復帰する。

この結果は次のことを示唆する。

加熱パルスの幅を極端に短くすると、ヒータ４から金属
酸化物半導体６への熱伝導に時間を要すること等のため
、センサ出力の応答はパルスから遅れる。そしてこの領
域では、パルスの幅や電力よりも１回のパルス当たりの
エネルギーが重要である。逆に言えば、パルス幅の下限
には特に位味はなく、回路的に可能てヒータ４の耐圧が
許す範囲であれば良いことになる。この下限はＩμｓｅ
ｃ程度であろう。

加熱パルスの幅を熱時定数（１００ｍ５ｅｃ）より短く
”４゛ると、センサ２の温度が安定する萌に加熱パルス
が終了することになる。しかし実際には、このことは特
に問題にならない。センサ２の温度変化のパターンは、
電源電圧や発振回路０ｓｃｌ、０ｓｃ２の発振条件で定
まる。そこでこれらのものが安定であれば、加熱のパタ
ーンは一定で問題は生じない。安定な’［ｉＥｂを得る
ことや、安定な発振回路０ｓｃｌや０ｓｃ２を得ること
は極く容易である。

更に表１の最後のデータから明らかなように、加熱パル
スをセンサ２のヒートクリーニングに使用し、センサ２
の冷却後に検出を行っても良い。

以下に発明背が検討した具体的な回路例を、数値定数と
共に示す。

Ｋ道の回路例 第１図に、実施例の回路図を示す。図において、ｒ＞ｔ
＋は適宜の電源で、ここでは１．５ＶＸ２の３Ｖ７［ｉ
源とする。これは装置の電池使用を企図したものである
。０ｓｃｌは毎秒１回、幅１０ｍ５ｅｃのパルスを発す
る発振回路、０ｓｃ２は５００μ５ｅｃｆｉに幅２５μ
ｓｅｃのパルスを発する発振回路である。

そして発振回路０ｓｃｌの出力パルスをストローブ信号
として、発振回路０ｓｃ２を発振させる。０ｓｃ１．０
ｓｃ２によりパルス電源を構成する。しかし付帯回路に
マイクロコンピュータ等の論理回路を用いる場合、パル
ス電源はマイクロコンピュータ等の論理回路に内蔵させ
てら良い。

２は１１η記のガスセンサ、Ｔｒは金属発熱体４に接続
したトランジスタで、任きのスイッチに変更できろ。

Ｉｔ　Ｉはセンサ２の負荷抵抗で、その両端間電圧をセ
ンサ出力Ｖｏｕｔとする。

Ａ１．Ａ２は演算増幅器、Ｄ１〜Ｄ３はダイオード、Ｃ
Ｉはコンデンサ、Ｒ２−Ｒ４は１氏抗で、これらにより
ピークホールド回路を構成ずろ。即ち、出力Ｖｏｕｔの
ピークをコンデンサＣＩに蓄積し、これを演算増幅器Ａ
２から取り出す。Ｒ５は演算増幅ＷＡ２の出力抵抗、Ｍ
は検出結果を表示するためのメータである。負荷抵抗Ｒ
ＩからメータＭをガス検出手段とする。ここでピークホ
ールド回路を用いたのは、以下の理由による。センサ出
力ＶｏｕＬは加熱パルスに応じて変動する。そして通常
量も意味がある信号は、加熱パルス終了時付近のセンサ
温度が最も高い点での信号である。

そしてこの時、センサの温度依存性のため、出力Ｖｏｕ
ｔはピークを示す。そこでこのピークをとらえ、これを
ガス検出手段で処理するのである。またＶｏｕｔのピー
クの持続時間は一般に短く、ピークホールド回路でピー
クをボールドすることにより、信号処理を容易にするの
である。

第２図に、センサ出力Ｖｏｕｔのサンプリング時期を特
定した回路を示す。この回路では、発振回路Ｏｓｃ　ｌ
のストローブ信号の終了時点で、Ａ／Ｄ変換回路Ａ／Ｄ
をエノノトリガーする。なおＡｌ１）変換回路Ａ／Ｄに
は、サンプル７に−ルド回路を内蔵したしのが好ましい
。サンプルホールド回路を内蔵させないと、Ｖ　ｏｕｔ
のサンプリング時間が短いため、高速Ａ／Ｄ変換回路が
必要となる。このような回路は一般に高価である。そし
てＡ／Ｄ変換した出力を表示回路Ｄ　ｉｓｐ！ａｙに表
示し、Ａ／Ｄ変換回路の出力を制御出力Ｃｏｎｔｒｏｌ
として外部に取り出４−０この回路では、加熱パルス終
了時の金属酸化物半導体６の抵抗値を基に、ガスを検出
する。しかし出力のサンプリング時期は任意であり、例
えば加熱パルスの終了直前、あるいはセンサ２の冷却後
等としても良い。

第３図に、第１図の回路の動作を示す。発振回路０ｓｃ
ｌの出力パルスで発振回路０ｓｃ２を動作さけ、トラン
ジスタＴｒを介して金属発熱体４を加熱する。発振回路
０ｓｃ２のデユーティ比は１／２０、電源Ｅｂの出力は
３■なので、これは発振回路０ｓｃｌの出力パルス（幅
１０ｍ５ｅｃ）の間、０．７Ｖの電圧で金属発熱体４を
加熱することに等しい。

このようにするのは、０．７Ｖの電源よりら３Ｖや５■
等の電源の方か得やすいためである。発振回路０ｓｃｌ
の出力は毎秒１回幅１０ｍ５ｅｃのパルスであり、セン
サ２の消費電力は連続加熱の場合に比べｌ／１００程度
に減少する。

そして出力Ｖｏｕｔのピーク値（第１図の場合）、ある
いは特定のサンプリング時期（第２図の場合）での出力
ＶｏｕＬから、ガスを検出する。

［発明の効果］ この発明では、ガスセンサの消費電力を減少さけろこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の回路図、第２図は変形例の回路図、第
３図は実施例の動作波形図で、第３図１）は金属完熟体
への加熱パルス波形を、第３図２）はセンサ温度の波形
を、第３図３）はセンサ出力の波形を示す。第４図、第
５図は実施例の特性図である。 第６図は実施例に用いたガスセンサの要部正面図、第７
図は実施例に用いたガスセンサの要部拡大断面、第８図
は実施例に用いたガスセンサの断面図である。 第９図は、実施例の特性図である。 図において、２　ガスセンサ、 ・１　金属完熟体、６　金属酸化物半導体。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体を
   、ヒータにより加熱してガスを検出するようにしたガス
   検出装置において、 前記ヒータに加熱パルスを加えてガスセンサを間欠的に
   加熱するためのパルス電源を設け、かつ加熱パルスの幅
   をガスセンサの熱時定数よりも短くすると共に、加熱パ
   ルス間の間隔を熱時定数よりも長くし、更に加熱パルス
   のデューティ比を１／１０以下としたことを特徴とする
   、ガス検出装置。
2. （２）特許請求の範囲第１項記載のガス検出装置におい
   て、 前記加熱パルスの幅を熱時定数の１／２以下とし、かつ
   加熱パルスのデューティ比を１／２０以下としたことを
   特徴とする、ガス検出装置。