JPH11142356A - 半導体ガスセンサ - Google Patents

半導体ガスセンサ

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JPH11142356A
JPH11142356A JP9306154A JP30615497A JPH11142356A JP H11142356 A JPH11142356 A JP H11142356A JP 9306154 A JP9306154 A JP 9306154A JP 30615497 A JP30615497 A JP 30615497A JP H11142356 A JPH11142356 A JP H11142356A
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JP
Japan
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gas
sensitive body
gas sensor
filter layer
electrode
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JP9306154A
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English (en)
Inventor
Mariko Sugimura
真理子 杉村
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FIS Inc
Original Assignee
FIS Inc
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Abstract

(57)【要約】 【課題】消費電力を低減した半導体ガスセンサを提供す
る。 【解決手段】感ガス体1はSnO2 から略球状に形成さ
れ、その最大外形寸法は略0.8mmに形成されてい
る。コイル状のヒータ兼用電極2は白金からなり、感ガ
ス体1内に埋設される。また、白金電極4がヒータ兼用
電極2の中心を貫通するように感ガス体1内に埋設され
る。第1のフィルタ層5はAl2 3 にW、Mo、又は
Vのいずれかを添加して形成され、感ガス体1の表面に
形成される。第2のフィルタ層6はAl2 3 にPt又
はPdのいずれかを添加して形成され、第1のフィルタ
層5の表面に形成される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般家庭や工業分
野において少ない電力消費量で可燃性ガス、一酸化炭
素、二酸化炭素、及び悪臭成分ガスを検出する半導体ガ
スセンサに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来より、都市ガスやプロパンガスなど
の可燃性ガスのガス漏れを検知する家庭用ガス漏れ警報
器としては、酸化錫を主成分とする感ガス体を用いて感
ガス体表面に可燃性ガスが付着したことによる感ガス体
の抵抗変化から可燃性ガスを検知する半導体ガスセンサ
や、熱線型ガスセンサがあった。これらのガスセンサで
は、可燃性ガスを検知する感ガス体がヒータにより比較
的高温の一定温度に常時加熱された状態で使用されるの
で、大きな電力が必要であり、電池を電源として長時間
使用することはできなかった。この半導体ガスセンサの
センシング素子10は、図11に示すように、酸化錫
(SnO2 )を主成分とする感ガス体1と、感ガス体1
に埋設され感ガス体1を加熱するヒータコイル2と、感
ガス体1に埋設された電極4とから構成され、感ガス体
1表面に検知対象のガスが吸着するときの感ガス体1の
抵抗変化から検知対象のガスを検出している。
【0003】また、不完全燃焼によって発生する一酸化
炭素を検知する一酸化炭素警報器として、同様の半導体
ガスセンサがあり(特公昭53−43320号、実公平
2−20682号参照)、この種の半導体ガスセンサで
は、感ガス体に埋設してあるヒータに高低2段階の電力
を一定周期で交互に供給し、感ガス体の温度を高温状態
と低温状態とに交互に切り換えて、感ガス体が高温状態
で感ガス体表面に吸着した吸着ガスを取り除くクリーニ
ングを行い、その後感ガス体の温度が低温状態に切り換
わると、低温状態の最後(低温状態から再び高温状態に
切り換わる手前)で一酸化炭素の検出を行っていた。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】上記構成の半導体ガス
センサでは可燃性ガスを検出する場合、感ガス体1の温
度を約400℃近くまで常時加熱する必要があり、感ガ
ス体1を加熱するために約400mW程度の電力を必要
とする。したがって、半導体ガスセンサの電源に例えば
単3形乾電池2本を使用した場合、電池寿命が1日とも
たない。
【0005】そこで、半導体ガスセンサの消費電力を低
減するために、半導体ガスセンサを間欠的に動作させる
ことが考えられるが、この半導体ガスセンサは大型であ
り、感ガス体1の熱容量が大きいために、ヒータコイル
2に電力を供給してから感ガス体1の温度が高温(約4
00℃)の一定温度になるまでに約10秒が必要となる
(図8のロ)。したがって、この半導体ガスセンサを間
欠的に動作させた場合でも、ヒータコイル2に最低10
秒間は電力を供給する必要がある。ここで、約150秒
に1回の割合でガスの検知を行う場合、ヒータコイル2
に電力を供給しない時間は約140秒となり感ガス体1
を連続加熱した場合に比べて半導体ガスセンサの消費電
力は約15分の1に低減されるものの、電池を電源とし
て例えば1年程度の長期間にわたり半導体ガスセンサを
使用することはできなかった。
【0006】また、一酸化炭素を検知する半導体ガスセ
ンサの場合、感ガス体1の表面に吸着した一酸化炭素を
取り除くために感ガス体1の温度を高温にする状態と、
一酸化炭素を検知するために感ガス体1の温度を低温す
るする状態とを、交互に切り換えるために、ヒータコイ
ル2に供給する電力を大小2段階に切り換えているが、
感ガス体1の表面温度が高温時の約400℃から低温時
の約100℃まで低下して、略一定となるまでには約1
0秒以上かかる(図8のロ)。この時、感ガス体1の表
面温度が低下する間、感ガス体1の表面温度に応じて感
ガス体1表面と一酸化炭素との間に平衡状態が成立する
が、この平衡状態が成立するまでに比較的長い時間を必
要とするので、感ガス体1の表面温度が約100℃で略
一定となった後も100℃に低下するまでの途中の温度
で感ガス体1表面と一酸化炭素との間に形成された平衡
状態の影響が残る。したがって、感ガス体1の表面温度
が約400℃から低下し始めてから、表面温度が約10
0℃となり、感ガス体1表面と一酸化炭素との間に平衡
状態が形成するまで(すなわち、一酸化炭素の検出が可
能となるまで)に約90秒を必要とする。而して、一酸
化炭素を検出する周期は、感ガス体1を高温状態に加熱
する時間(約60秒)と、感ガス体1の温度を高温状態
から低温状態に低下させ一酸化炭素の検出が可能となる
までの時間(90秒)との和(約2分30秒)となり、
約2分30秒に1回しか一酸化炭素を検出することがで
きなかった。したがって、次回一酸化炭素を検出するま
でに約2分30秒のデッドタイムが発生するため、一酸
化炭素の検出が遅れる可能性があり、一酸化炭素のよう
に危険性の高いガスを検知する場合にはこの検知遅れが
問題となる。しかも、感ガス体1が大きく、その熱容量
が大きいために、ヒータコイル2の消費電力が大きくな
り、電池を電源としてこの半導体ガスセンサを長時間使
用することはできなかった。
【0007】また最近では、可燃性ガスを検知する半導
体ガスセンサと一酸化炭素を検知する半導体ガスセンサ
を2個組み込んだ警報器も用いられているが、一酸化炭
素を検知する半導体ガスセンサでは、一酸化炭素を検知
するまでに約2分30秒かかるためデッドタイムが長く
なり、しかも両センサ共に電力消費が大きいため、電池
を電源として使用することはできないという問題もあっ
た。さらに、1台の警報器にガスセンサを2個設けてい
るので、警報器の製造コストが上昇するという問題もあ
った。
【0008】さらに、可燃性ガスや一酸化炭素を検知す
る半導体ガスセンサとしては、長期的に特性が安定し、
検知対象以外のガス(通常、これらの所謂雑ガスとして
は水素が代表的なガス種である)に対しては極力感度が
低いことが望ましい。本発明は上記問題点に鑑みて為さ
れたものであり、その目的とするところは、小型で消費
電力が少なく、間欠駆動させることにより電池を電源と
して長時間使用でき、検知対象以外のガスに対する感度
を低減した半導体ガスセンサを提供することにあり、そ
のうえ経時特性を改善した半導体ガスセンサを提供する
ことにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1の発明では、ガスを吸着することによって
電気抵抗が変化する外形寸法が略0.8mm以下の略球
状の感ガス体と、感ガス体中に埋設されたコイル状の白
金からなるヒータ兼用電極と、ヒータ兼用電極のコイル
の中心を貫通するように感ガス体中に埋設された白金電
極と、感ガス体の表面に形成された雑ガスを除去するフ
ィルタ層とを備えており、ヒータ兼用電極のコイルの中
心を貫通するように白金電極を設けているので、ヒータ
兼用電極及び白金電極をまとまり良く配設して感ガス体
を小型化することができ、感ガス体の熱容量を小さくす
ることができ、しかもフィルタ層により雑ガスの影響を
低減することができる。
【0010】請求項2の発明では、請求項1の発明にお
いて、上記フィルタ層がSiO2 にW、Mo又はVのい
ずれかを添加して形成され、請求項3の発明では、上記
フィルタ層がAl2 3 にW、Mo又はVのいずれかを
添加して形成されているので、長期経時特性が改善され
るとともに、感ガス体の高温時に感ガス体の水素ガス感
度を低減することができる。
【0011】請求項4の発明では、請求項1の発明にお
いて、上記フィルタ層がSiO2 にPt又はPdのいず
れかを添加して形成され、請求項5の発明では、上記フ
ィルタ層がAl2 3 にPt又はPdのいずれかを添加
して形成されているので、感ガス体の低温時に感ガス体
の水素ガス感度を低減することができる。請求項6の発
明では、請求項2乃至5の発明において、上記フィルタ
層が請求項2又は3のフィルタ層と請求項4又は5のフ
ィルタ層との二重のフィルタ層からなっているので、長
期経時特性が改善されるとともに、感ガス体の高温時及
び低温時に感ガス体の水素ガス感度を低減することがで
きる。
【0012】請求項7の発明では、請求項1乃至6の発
明において、ヒータ兼用電極に高低2段階の電力を所定
の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
し、感ガス体の高温時に可燃性ガスを検出しているの
で、低消費電力でメタンガスやプロパンガスなどの可燃
性ガスを検出することができる。請求項8の発明では、
請求項1乃至6の発明において、ヒータ兼用電極に高低
2段階の電力を所定の周期で供給して感ガス体を高低2
段階の温度で加熱し、感ガス体の低温時に一酸化炭素、
二酸化炭素、及び悪臭成分ガスを検出しているので、ヒ
ータ兼用電極に高低2段階の電力を印加することによ
り、低消費電力で検知対象のガスを検出することができ
る。
【0013】請求項9の発明では、請求項1乃至6の発
明において、ヒータ兼用電極に高低2段階の電力を所定
の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
し、感ガス体の高温時に可燃性ガスを、感ガス体の低温
時に一酸化炭素、二酸化炭素、及び悪臭成分ガスを検出
しているので、1つの半導体ガスセンサで可燃性ガス、
一酸化炭素、二酸化炭素炭酸、及び悪臭成分ガスを検出
することができ、しかもヒータ兼用電極に供給する電力
を高低2段階に切り換えることにより、半導体ガスセン
サの消費電力をさらに低減することができる。
【0014】請求項10の発明では、請求項7乃至9の
発明において、上記高低2段階の電力がそれぞれ電力供
給のオン・オフ時の電力であるので、感ガス体の低温時
に電力供給を停止することにより、半導体ガスセンサの
消費電力をさらに低減することができる。請求項11の
発明では、請求項1乃至10の発明において、外部より
感ガス体に到るガス流路に、感ガス体に接触する気体か
らアルコール蒸気やシリコン蒸気を除去するフィルタを
設けており、請求項12の発明では、請求項11の発明
において、上記フィルタが活性炭又はシリカゲルのいず
れかからなり、請求項13の発明では、上記フィルタが
活性炭及びシリカゲルからなっているので、感ガス体に
雑ガスであるアルコール蒸気や被毒ガスであるシリコン
蒸気が付着するのを防止できる。
【0015】
【発明の実施の形態】本実施形態の半導体ガスセンサ
は、図2乃至図4に示すように、樹脂性のベース11
と、ベース11に埋設固定された電極ピン12と、電極
ピン12にヒータ兼用電極2及び白金電極4を介して電
気的に接続されたセンシング素子10と、ベース11に
冠着されたセンサカバー13とからなり、センサカバー
13の天井面にはステンレス製の金網14が設けられ、
金網14を介して外部よりガスがセンシング素子10に
導かれる。
【0016】センサシング素子10は、図1に示すよう
に、全長、全幅が夫々略0.8mmのSnO2 からなる
略球状の感ガス体1と、感ガス体1内に埋設されたコイ
ル状の白金からなるヒータ兼用電極2と、ヒータ兼用電
極2のコイル部を貫通するように感ガス体1内に埋設さ
れた白金からなる白金電極4と、感ガス体1の表面に形
成された第1のフィルタ層5と、第1のフィルタ層5の
表面に形成された第2のフィルタ層6とから構成され
る。尚、第1のフィルタ層5は例えばアルミナ(Al2
3 )にタングステン(W)、モリブデン(Mo)又は
バナジウム(V)などの第二成分を添加して形成され、
第2のフィルタ層6はAl2 3 に白金(Pt)又はパ
ラジウム(Pd)などの第二成分を添加して形成されて
いる。本実施形態では、第1及び第2のフィルタ層5,
6の母材としてAl2 3 を用いているがAl2 3
かわりにSiO2 を用いても良いし、第1及び第2のフ
ィルタ層5,6の内、いずれか一方のみを形成しても良
い。また、本実施形態では感ガス体1の外形寸法を略
0.8mmとしているが、感ガス体1の外形寸法を0.
8mmに限定する趣旨のものではなく、感ガス体1の外
径寸法が略0.4mm〜0.8mm以下であれば良い。
【0017】このように、白金電極4はヒータ兼用電極
2のコイルの中心を貫通するように配設されているの
で、ヒータ兼用電極2及び白金電極4をまとまり良く配
設することができ、従来の半導体ガスセンサに比べて、
感ガス体1の小型化を図ることができる。したがって、
感ガス体1の熱容量が小さくなり、感ガス体1を約40
0℃まで加熱するのに必要な電力は約120mWであ
り、従来の半導体ガスセンサの約3分の1である。
【0018】従来の半導体ガスセンサと本実施形態の半
導体ガスセンサを夫々間欠的に加熱して150秒に1回
の間隔で可燃性ガスを検出する場合、本センサでは感ガ
ス体1を高温に加熱するためにヒータ兼用電極2に電力
を供給する時間(加熱時間)は、図8のイに示すように
約0.8秒で充分であり(従来の半導体ガスセンサでは
約10秒)、ヒータ兼用電極2に供給する電力は約12
0mWであるので(従来の半導体ガスセンサでは約40
0mW)、1秒当たりの平均消費電力は従来の半導体ガ
スセンサの約40分の1の0.64mWに低減され、間
欠的に本センサを使用すれば電池を電源として長時間使
用することができる(表1参照)。
【0019】一方、従来の半導体ガスセンサと同様に、
この半導体ガスセンサを間欠的に加熱して、感ガス体1
の低温時に一酸化炭素を検出する場合にも、本センサで
は感ガス体1を高温に加熱するためにヒータ兼用電極2
に電力を供給する時間(加熱時間)は0.8秒で充分で
あり(従来の半導体ガスセンサでは約60秒)、本セン
サの1秒間当たりの平均消費電力(0.64mW)は、
従来の半導体ガスセンサの1秒間当たりの平均消費電力
(160mW)に比べて約250分の1以下に低減され
るので、電池を電源としてこの半導体ガスセンサを長時
間駆動することができる(表2参照)。
【0020】
【表1】
【0021】
【表2】
【0022】また、従来の半導体ガスセンサでは、感ガ
ス体1の温度を低温にしてから約90秒後に一酸化炭素
を検出しており、約150秒に1回の割合で一酸化炭素
を検出しているのに対して、この半導体ガスセンサでは
感ガス体1の熱時定数を小さくしているので、図5に示
すようにヒータ兼用電極2に印加する電圧を低くして、
感ガス体1の温度を低温状態に切り換えてから約1秒後
に一酸化炭素を検出できるので、不感時間は、感ガス体
1を高温に加熱する時間(約0.8秒)と、感ガス体1
の温度を低温に低下させる時間(約1秒)との和(約
1.8秒)になる。したがって、可燃性ガスを約150
秒に1回検出する場合、検出周期(約150秒)のうち
148.2秒間は一酸化炭素を検出することができる。
【0023】このように、本実施形態の半導体ガスセン
サでは、ヒータ兼用電極2に高低2段階の電力を交互に
印加することによって、感ガス体1の温度を高低2段階
に間欠的に加熱し、感ガス体1の高温時にメタンガスや
プロパンガス等の可燃性ガスを検出するとともに、感ガ
ス体1の低温時に一酸化炭素を検出することができるの
で、一つの半導体ガスセンサを用いて、可燃性ガスと一
酸化炭素の両方を検出することができる。また、この半
導体ガスセンサの消費電力は従来の半導体ガスセンサに
比べて大幅に低減されているので、商用電源を電源とし
て使用する場合にも、電源回路を小型化することがで
き、回路コストを低減し、半導体ガスセンサ全体を小型
化することができる。
【0024】ところで、可燃性ガスや一酸化炭素を検知
する半導体ガスセンサとしては、長期的に特性が安定
し、検知対象以外のガス(通常、これらの所謂雑ガスと
しては水素が代表的なガス種である)に対しては極力感
度が低いことが望ましい。そこで、本実施形態の半導体
ガスセンサでは、感ガス体1の表面に形成したアルミナ
よりなる第1のフィルタ層5に例えばWを添加してお
り、第1のフィルタ層により長期的にセンサ特性を安定
させることができるとともに、感ガス体1の温度が低温
状態(即ち一酸化炭素の検出時)で水素の感度を低減し
ている。また、第1のフィルタ層5の表面に形成したア
ルミナよりなる第2のフィルタ層6に例えばPtを添加
しており、感ガス体1の温度が高温状態(即ちメタンガ
スやプロパンガスなどの可燃性ガスの検出時)で雑ガス
(水素)の感度を低減している。したがって、第1及び
第2のフィルタ層5,6により、長期的にセンサ特性が
安定するとともに、感ガス体1の高温状態及び低温状態
で雑ガスの感度を低減することができる。尚、第1のフ
ィルタ層5にWのかわりにMo又はVを第二成分として
添加したものでも同様の効果を得ることができ、第2の
フィルタ層6にPtのかわりにPdを第二成分として添
加したものでも同様の効果を得ることができる。また、
第1及び第2のフィルタ層の材質がSiO2 の場合でも
同等の効果が得られる。
【0025】また、図6及び図7に示すように、内部に
活性炭よりなる外部フィルタ16が取り付けられた有底
円筒状のキャップ15をカバー13に冠着することによ
り、外部からセンシング素子10へガスが流入する経路
に外部フィルタ16を配置し、雑ガスであるアルコール
蒸気や被毒ガスであるシリコン蒸気を外部フィルタ16
で除去して、センシング素子10のアルコール感度を低
減するとともに、シリコン等の被毒物質からセンシング
素子10を保護して、センシング素子10がアルコール
やシリコンガスなどの影響を受けにくくすることができ
る。尚、外部フィルター16の材質を活性炭に限定する
趣旨のものではなく、外部フィルタ16の材質をシリカ
ゲル(SiO2 )としても良いし、活性炭及びシリカゲ
ルの組み合わせとしても良い。
【0026】この半導体ガスセンサを駆動する回路を図
9に示す。本回路では、交流電源電圧を一定の直流電圧
CCに定電圧回路50で変換したのち、この直流電圧V
CCをスイッチング素子Qとセンシング素子10のヒータ
兼用電極2との直列回路に印加するとともに、負荷抵抗
Rとセンシング素子10との直列回路に印加し、更にセ
ンシング素子10の検知状態の監視とヒータ兼用電極2
に印加する電圧のスイッチング制御とを行う信号処理部
60に印加している。
【0027】信号処理部60は、タイマ62と、センシ
ング素子10の高温状態期間と低温状態期間とをタイマ
62の計時出力により交互に設定し、且つ、高温状態期
間と低温状態期間とでそれぞれトランジスタQのオンデ
ューティを駆動回路63を通じて制御する機能、及び、
低温状態期間の所定タイミングで取り込んだセンシング
素子10の電圧値と予め設定してある基準値とから汚染
度が警報動作閾値を越えた時に警報制御出力回路67を
通じて外部に警報信号を出力する機能を備えた演算制御
回路64と、負荷抵抗Rの両端電圧をA/D変換するA
/D変換回路61と、デジタル変換された負荷抵抗の両
端電圧値をD/A変換し再度アナログ出力として外部に
出力するD/A変換回路65と、上記基準値や警報動作
閾値を格納するメモリ66よりなり、信号処理部60は
例えば1チップのマイクロコンピュータにから構成され
る。
【0028】ここに、警報制御出力回路67の警報信号
は警報表示用の発光ダイオード(LED)71や外付け
のブザー72の駆動制御等に用いられ、また換気装置等
の外部機器の制御のための接点出力となる。また、信号
処理部60の外付け回路として設けた温度補償回路80
はA/D変換される負荷抵抗Rの両端電圧をセンシング
素子10の温度特性に対応して補正し、温度の影響を無
くすためのものである。
【0029】ところで、感ガス体1の高温状態期間で
は、約0.9Vの電圧をヒータ兼用電極2に連続的に印
加した場合と略同じ温度(約400℃)で感ガス体1を
加熱できるように、駆動回路63がパルス信号でトラン
ジスタQをオンオフして、ヒータ兼用電極2に印加する
電圧の平均値が約0.9Vになるようにし、且つその期
間を約0.8秒としてある。
【0030】また、低温状態期間では、約0.2Vの電
圧をヒータ兼用電極2に連続的に印加した場合と略同じ
温度(約60℃)で感ガス体1を加熱できるように、駆
動回路63がパルス信号でトランジスタQをオンオフし
て、ヒータ兼用電極2に印加する電圧の平均値が約0.
2Vになるようにし、且つその期間を約149秒として
ある。
【0031】本回路では感ガス体1の高温状態と低温状
態とが交互に切り換えられ、感ガス体1の高温状態で
は、高温状態から低温状態に切り換わる時点(すなわち
0.8秒後)に演算制御回路64がA/D変換した負荷
抵抗Rの両端電圧を取り込み汚染度を判定するととも
に、警報動作閾値と比較して警報動作閾値を越えている
場合には警報信号を出力して、可燃性ガスの検出を行
う。また、感ガス体1の低温状態では、低温状態に切り
換わって約1秒が経過した時点から次に高温状態に切り
換わるまで逐次演算制御回路64がA/D変換した負荷
抵抗Rの両端電圧を取り込み汚染度を判定するととも
に、警報動作閾値と比較して警報動作閾値を越えている
場合には警報信号を出力して、一酸化炭素の検出を行
う。
【0032】このように検知対象のガス(一酸化炭素)
に応じて、低温状態の時間(0.8秒)と、トランジス
タQをオン・オフするパルス信号のオンデューティや周
期を設定することにより、短時間で確実に一酸化炭素を
検出することができる。図9の回路では、センシング素
子10のヒータ兼用電極2に印加する電圧をスイッチン
グ制御により設定しているが、図10の回路に示すよう
に、ヒータ兼用電極2に印加する電圧を連続制御により
設定しても良い。本回路では、定電圧回路50の出力端
間にヒータ兼用電極2とトランジスタQ2 との直列回路
を接続し、トランジスタQ2 の基準電圧を決めるオペア
ンプOPの非反転入力端の電圧値をトランジスタQ1
オン/オフで切り換えてトランジスタQ2 の基準電圧を
2段階に切り換えるようになっている。トランジスタQ
1 のオン/オフ制御は演算制御部64から駆動回路63
を介して出力される制御信号により行われ、トランジス
タQ1 をオンする期間とオフする期間とはそれぞれ感ガ
ス体1の高温状態期間と低温状態期間に対応しており、
その設定はタイマ62の計時出力に基づいて行われる。
【0033】而して、本回路においても検知対象のガス
が一酸化炭素の場合、図12に示すように、高温状態期
間を約0.8秒としてヒータ兼用電極2に印加する電圧
を約0.9Vに設定するとともに、低温状態期間を約1
49秒としてヒータ兼用電極2に印加する電圧を約0.
2Vに設定することにより、メタンガスやプロパンガス
などの可燃性ガスと弁別して一酸化炭素を短時間で検出
することができる。
【0034】尚、本実施形態では、ヒータ兼用電極2に
印加する電圧を高低2段階に切り換えて、感ガス体1の
温度を高温状態と低温状態に切り換えているが、ヒータ
兼用電極2への電力供給をオン・オフして、感ガス体1
の温度を高温と低温に切り換えるようにしても良く、感
ガス体1の低温時にヒータ兼用電極2への電力供給を停
止することにより、半導体ガスセンサの消費電力をさら
に低減することができる。
【0035】また、本実施形態では感ガス体1の低温時
に検出するガスとして一酸化炭素を例に説明を行った
が、検出対象のガスを一酸化炭素に限定する趣旨のもの
ではなく、二酸化炭素や、アンモニア、メルカプタンな
どの悪臭を発生するガスも検出可能である。
【0036】
【実施例】次に本発明の実施例をさらに詳細に説明す
る。 (実施例1)本実施例ではセンシング素子10の材質を
SnO2 としているが、SnO2 の調整方法について以
下に説明する。まず、SnCl4 の水溶液をNH4 で加
水分解してすず酸ゾルを得て、このすず酸ゾルを風乾後
に空気中おいて例えば550℃から700℃で約1時間
焼成してSnO2 を得る。このSnO2 に対してPdの
王水溶液を含浸させ、例えば500℃で空気中において
1時間焼成してPdをSnO2 に添加する。ここで、S
nO2 に添加したPdには、センシング素子10の各種
ガスに対する感度を適切にするとともに、各種ガスに対
する応答速度を改善する役割があり、用途によっては添
加しなくても良い。またPdの代わりにPt、Rh、A
uなどの貴金属を添加しても良い。
【0037】また、センシング素子10の濃度勾配を改
善するために、SnO2 よりなる感ガス体1と、感ガス
体1の表面に形成したアルミナよりなるフィルタ層にそ
れぞれ第二成分を添加してセンサ特性を測定した結果を
表3、表4に示す。ここに、感ガス体1に対する第二成
分の添加は、第二成分の既知濃度の水溶液を感ガス体に
対して所定量(SnO2 に対しては第二成分の分量が
0.1又は1.0モル%)をディッピング(浸漬)した
のち、約500℃で焼成して行った。また、フィルタ層
への第二成分の添加は、第二成分の既知濃度の水溶液を
アルミナに対して所定量(アルミナに対して第二成分の
分量が0.1又は1モル%)をディッピングしたのち、
約500℃で焼成し、バインダーと混合してペースト状
としたものを感ガス体1に塗布し、約500℃で焼成し
て行った。
【0038】表3、表4より、感ガス体1(SnO2
に第二成分を添加した場合に雑ガス(水素)の感度を低
減するものも見られたが、センシング素子10の抵抗値
が極端に大きくなったり、経時特性が悪化したりして、
実用となるものは見当たらなかった。一方、感ガス体1
の表面に形成したアルミナよりなるフィルタ層に第二成
分を添加したものの内、アルミナにタングステン
(W)、モリブデン(Mo)、バナジウム(V)を夫々
添加したものに(No5,6,9,10,13,1
4)、センシング素子10の経時特性を改善した効果が
見られる。また、アルミナに白金(Pt)又はパラジウ
ム(Pd)を夫々添加したものでは(No17,18,
21,22)、感ガス体1の温度が高温状態(即ちメタ
ンガスやプロパンガスなどの可燃性ガスの検出時)で雑
ガス(水素)の感度を低減する効果が見られる。また、
アルミナにW,Mo,Vを夫々添加したものでも(No
5,6,9,10,13,14)、感ガス体1の温度が
低温状態(即ち一酸化炭素の検出時)で水素の感度を低
減する効果が見られる。尚、フィルタ層の材質がSiO
2 の場合でも同等の効果が得られる。
【0039】ここで、表3及び表4中の高温CH4 抵抗
値とは、CH4 が1000ppmの時の高温状態の感ガ
ス体1の抵抗値(kΩ)であり、高温CH4 感度とは、
空気中においた時の高温状態の感ガス体1の抵抗値(k
Ω)をCH4 が1000ppmの時の抵抗値(kΩ)で
除した値であり、高温CH4 経時特性とは、CH4 が1
000ppmの状態で100日間放置した時の感ガス体
1の抵抗値(kΩ)を初期の抵抗値(kΩ)で除した値
であり、高温H2 感度とは、H2 が1000ppmの時
の高温状態の感ガス体1の抵抗値(kΩ)をCH4 が1
000ppmの時の抵抗値(kΩ)で除した値である。
また、低温CO抵抗値とは、CO2 が100ppmの時
の低温状態の感ガス体1の抵抗値(kΩ)であり、低温
CO経時特性とは、CO2 が100ppmの状態で10
0日間放置した時の低温状態の感ガス体1の抵抗値(k
Ω)を初期の抵抗値(kΩ)で除した値であり、低温H
2感度とは、H2 が1000ppmの時の低温状態の感
ガス体1の抵抗値(kΩ)をCO2 が100ppmの時
の抵抗値(kΩ)で除した値である。
【0040】
【表3】
【0041】
【表4】
【0042】(実施例2)実施例1では、感ガス体1の
表面にフィルタ層を1層のみ形成しているが、本実施例
では感ガス体1の表面にフィルタ層を2重に形成した場
合のセンサ特性を表5に示す。感ガス体1の表面にアル
ミナ(Al2 3 )にタングステン(W)を1モル%添
加したものを塗布して第1のフィルタ層5を形成し、ア
ルミナに白金(Pt)を1モル%添加したものを第1の
フィルタ層5の表面に塗布して、第2のフィルタ層6を
形成している。
【0043】表5より、第1及び第2のフィルタ層5,
6で夫々得られた特性が重畳した特性、すなわち感ガス
体1の温度が低温状態でも高温状態でも水素の感度が小
さく、高温状態におけるメタンガス(CH4 )の経時特
性及び低温状態における一酸化炭素(CO)の経時特性
とも良好であることがわかる。
【0044】
【表5】
【0045】
【発明の効果】上述のように、請求項1の発明は、ガス
を吸着することによって電気抵抗が変化する外形寸法が
略0.8mm以下の略球状の感ガス体と、感ガス体中に
埋設されたコイル状の白金からなるヒータ兼用電極と、
ヒータ兼用電極のコイルの中心を貫通するように感ガス
体中に埋設された白金電極と、感ガス体の表面に形成さ
れた雑ガスを除去するフィルタ層とを備えており、ヒー
タ兼用電極のコイルの中心を貫通するように白金電極を
設けているので、ヒータ兼用電極及び白金電極をまとま
り良く配設して感ガス体を小型化することができ、感ガ
ス体の熱容量を小さくすることができ、したがって、感
ガス体を加熱するのに必要な消費電力を低減することが
でき、電池を電源として半導体ガスセンサを長時間動作
させることができるという効果がある。そのうえ、フィ
ルタ層により雑ガスの影響を低減することができ、検知
対象のガスを正確に検出できるという効果がある。
【0046】請求項2の発明は、上記フィルタ層がSi
2 にW、Mo又はVのいずれかを添加して形成され、
請求項3の発明では、上記フィルタ層がAl2 3
W、Mo又はVのいずれかを添加して形成されているの
で、長期的にセンサ特性を安定させ、且つ、感ガス体の
高温時に感ガス体の水素ガス感度を低減することがで
き、検知対象である可燃性ガス以外の雑ガスの影響を低
減できるという効果がある。
【0047】請求項4の発明は、上記フィルタ層がSi
2 にPt又はPdのいずれかを添加して形成され、請
求項5の発明では、上記フィルタ層がAl2 3 にPt
又はPdのいずれかを添加して形成されているので、感
ガス体の低温時に感ガス体の水素ガス感度を低減するこ
とができ、検知対象のガス以外の雑ガスの影響を低減で
きるという効果がある。
【0048】請求項6の発明は、上記フィルタ層が請求
項2又は3のフィルタ層と請求項4又は5のフィルタ層
との二重のフィルタ層からなっているので、長期的にセ
ンサ特性を安定させ、且つ、感ガス体の高温時及び低温
時に感ガス体の水素ガス感度を低減することができ、検
知対象のガス以外の雑ガスの影響を低減できるという効
果がある。
【0049】請求項7の発明は、ヒータ兼用電極に高低
2段階の電力を所定の周期で供給して感ガス体を高低2
段階の温度で加熱し、感ガス体の高温時に可燃性ガスを
検出しているので、ヒータ兼用電極に供給する電力を高
低2段階に切り換えることによって、低消費電力でメタ
ンガスやプロパンガスなどの可燃性ガスを検出できると
いう効果がある。
【0050】請求項8の発明では、請求項1乃至6の発
明において、ヒータ兼用電極に高低2段階の電力を所定
の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
し、感ガス体の低温時に一酸化炭素、二酸化炭素、及び
悪臭成分ガスを検出しているので、ヒータ兼用電極に供
給する電力を高低2段階に切り換えることによって、低
消費電力で検知対象のガスを検出できるという効果があ
る。
【0051】請求項9の発明では、請求項1乃至6の発
明において、ヒータ兼用電極に高低2段階の電力を所定
の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
し、感ガス体の高温時に可燃性ガスを、感ガス体の低温
時に一酸化炭素、二酸化炭素、及び悪臭成分ガスを検出
しているので、1つの半導体ガスセンサで可燃性ガス、
一酸化炭素、二酸化炭素、悪臭成分ガスを検出すること
ができ、半導体ガスセンサの製造コストを低減できると
いう効果がある。しかも、ヒータ兼用電極に供給する電
力を高低2段階に切り換えているので、半導体ガスセン
サの消費電力をさらに低減できるという効果もある。
【0052】請求項10の発明では、請求項7乃至9の
発明において、上記高低2段階の電力がそれぞれ電力供
給のオン・オフ時の電力であるので、感ガス体の低温時
に電力供給を停止することにより、半導体ガスセンサの
消費電力をさらに低減できるという効果がある。請求項
11の発明は、外部より感ガス体に到るガス流路に、感
ガス体に接触する気体からアルコール蒸気やシリコン蒸
気を除去するフィルタを設けており、請求項12の発明
は、上記フィルタが活性炭又はシリカゲルのいずれかか
らなり、請求項13の発明は、上記フィルタが活性炭及
びシリカゲルからなっているので、感ガス体にアルコー
ル蒸気やシリコン蒸気が付着するのを防止でき、感ガス
体のアルコール感度を低減し、且つ、シリコンなどの被
毒物質から感ガス体を保護できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施形態の半導体ガスセンサのセンシング素
子を示す断面図である。
【図2】同上の半導体ガスセンサを示し、(a)は一部
破断せる正面図、(b)は一部破断せる上面図、(c)
は下面図である。
【図3】同上の半導体ガスセンサのカバーを外した状態
を示し、(a)は正面図、(b)は上面図である。
【図4】同上の半導体ガスセンサのカバーを示し、
(a)は一部破断せる正面図、(b)は上面図である。
【図5】同上の半導体ガスセンサの動作を示す図であ
る。
【図6】同上の半導体ガスセンサにキャップを冠着した
状態を示し、(a)は断面図、(b)は下面図である。
【図7】同上の半導体ガスセンサのキャップを示し、
(a)は正面図、(b)は下面図である。
【図8】同上の半導体ガスセンサの感ガス体の時間と温
度の関係を示す図である。
【図9】同上の駆動回路を示す回路図である。
【図10】同上の別の駆動回路を示す回路図である。
【図11】従来の半導体ガスセンサを示す斜視図であ
る。
【符号の説明】
1 感ガス体 2 ヒータ兼用電極 4 電極 5 第1のフィルタ層 6 第1のフィルタ層

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ガスを吸着することによって電気抵抗が変
    化する外形寸法が略0.8mm以下の略球状の感ガス体
    と、感ガス体中に埋設されたコイル状の白金からなるヒ
    ータ兼用電極と、ヒータ兼用電極のコイルの中心を貫通
    するように感ガス体中に埋設された白金電極と、感ガス
    体の表面に形成された雑ガスを除去するフィルタ層とを
    備えて成ることを特徴とする半導体ガスセンサ。
  2. 【請求項2】上記フィルタ層がSiO2 にW、Mo又は
    Vのいずれかを添加して形成されたことを特徴とする請
    求項1記載の半導体ガスセンサ。
  3. 【請求項3】上記フィルタ層がAl2 3 にW、Mo又
    はVのいずれかを添加して形成されたことを特徴とする
    請求項1記載の半導体ガスセンサ。
  4. 【請求項4】上記フィルタ層がSiO2 にPt又はPd
    のいずれかを添加して形成されたことを特徴とする請求
    項1記載の半導体ガスセンサ。
  5. 【請求項5】上記フィルタ層がAl2 3 にPt又はP
    dのいずれかを添加して形成されたことを特徴とする請
    求項1記載の半導体ガスセンサ。
  6. 【請求項6】上記フィルタ層が請求項2又は3のフィル
    タ層と請求項4又は5のフィルタ層との二重のフィルタ
    層からなることを特徴とする請求項2乃至5記載の半導
    体ガスセンサ。
  7. 【請求項7】ヒータ兼用電極に高低2段階の電力を所定
    の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
    し、感ガス体の高温時に可燃性ガスを検出することを特
    徴とする請求項1乃至6記載の半導体ガスセンサ。
  8. 【請求項8】ヒータ兼用電極に高低2段階の電力を所定
    の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
    し、感ガス体の低温時に一酸化炭素、二酸化炭素、及び
    悪臭成分ガスを検出することを特徴とする請求項1乃至
    6記載の半導体ガスセンサ。
  9. 【請求項9】ヒータ兼用電極に高低2段階の電力を所定
    の周期で供給して感ガス体を高低2段階の温度で加熱
    し、感ガス体の高温時に可燃性ガスを、感ガス体の低温
    時に一酸化炭素、二酸化炭素、及び悪臭成分ガスを検出
    することを特徴とする請求項1乃至6記載の半導体ガス
    センサ。
  10. 【請求項10】上記高低2段階の電力がそれぞれ電力供
    給のオン・オフ時の電力であることを特徴とする請求項
    7乃至9記載の半導体ガスセンサ。
  11. 【請求項11】外部より感ガス体に到るガス流路に、感
    ガス体に接触する気体からアルコール蒸気やシリコン蒸
    気を除去するフィルタを設けたことを特徴とする請求項
    1乃至10記載の半導体ガスセンサ。
  12. 【請求項12】上記フィルタが活性炭又はシリカゲルの
    いずれかからなることを特徴とする請求項11記載の半
    導体ガスセンサ。
  13. 【請求項13】上記フィルタが活性炭及びシリカゲルか
    らなることを特徴とする請求項11記載の半導体ガスセ
    ンサ。
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