JP5961016B2 - ガス検知装置 - Google Patents

Description

本発明は、電池駆動を念頭においた低消費電力型のガス検知装置に関する。

一般的にガスセンサは、ガス漏れ警報器などの用途に用いられ、ある特定ガス、例えば、CO(一酸化炭素)、CH₄(メタン)、C₃H₈(ジメチルメタン（プロパン）)、CH₃OH(メタノール)等に選択的に感応するデバイスであり、その性格上、高感度、高選択性、高応答性、高信頼性、低消費電力が必要不可欠である。

ところで、家庭用として普及しているガス漏れ警報器には、都市ガス用やプロパンガス用の可燃性ガス検知を目的としたものと、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的としたもの、または、両方の機能を合わせ持ったものなどがある。しかし、いずれもコストや設置性の問題から普及率はそれほど高くない。このため普及率の向上をはかるべく、設置性の改善、具体的には、電池駆動としてコードレス化することが望まれている。

電池駆動を実現するためには低消費電力化が最も重要であるが、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでは、400〜500℃の高温に加熱して検知する必要がある。低消費電力化には、図５に示されるような微細加工プロセスを用いたダイヤフラム構造などの高断熱・低熱容量の構造とした薄膜ガスセンサを用いて低消費電力化を図る提案がなされている。

図５は下記特許文献１に記載された薄膜ガスセンサの断面構造を示す図である。図５において薄膜ガスセンサは、シリコン支持基板１上に、検出対象ガスとの接触により電気抵抗値が変化するガス検知層10、ガス検知層10を加熱するヒータ層６を少なくとも備えてなるセンサ素子20と、ヒータ層６への通電駆動を断続的に行ってガス検知層10の温度を低温状態と高温状態との間で変化させる通電駆動手段12と、高温状態に変化したときのガス検知層10の電気抵抗値に基づいて、検出対象ガスを検出するガス検出手段13とを備えたガス検知装置100であって、通電駆動手段12によるヒータ層６への通電駆動の開始から電気抵抗値が安定化するまでの電気抵抗値の低下状態に基づいて、ガス検知層10が異常状態であると判定する異常状態検出手段14を備えて構成されている。

このような薄膜式ガスセンサによりCH₄(メタン)、C₃H₈（プロパン）等の可燃性ガスを検出する場合、ヒータ層６の温度を50〜500msの一定時間、高温（High：400〜500℃）に保持し、感知層電極９により感知層10の抵抗値を測定し、その変化からCH₄(メタン)、C₃H₈（プロパン）等の可燃性ガス濃度を検出する（いわゆるHigh−Off駆動方式）。これは、高温時の選択触媒層11において、CO(一酸化炭素)、H₂(水素)等の還元性ガスその他の雑ガスを燃焼させ、不活性なCH₄(メタン)、C₃H₈（プロパン）等の可燃性ガスが選択触媒層11を透過して拡散し、検知層10に到達して検知層10のSnO₂(酸化スズ)と反応し、SnO₂の抵抗値が変化することを利用してガス機器などのガス漏れ時に発生するCH₄(メタン)、C₃H₈（プロパン）等の可燃性ガスの濃度を検出する。

また、CO(一酸化炭素)の不完全燃焼を検知する場合、一旦、ヒータ層６の温度を50〜500msの一定期間、高温（High：400〜500℃）に保持し、センサ素子20のクリーニングを行ってから、低温（Low：約100℃）に降温して検知する、いわゆるHigh−Low−Off駆動を行うことで、CO感度および選択性が高くなるのを利用することが知られている。

また高温（High：400〜500℃）の状態で、クリーニングのみならずCH₄(メタン)検知も行い、低温（Low：約100℃）の状態でのCO検知と合わせ、ワンセンサ(one-sensor)でメタン・COの両方を検知できるセンサも存在する。

ところが、これらのヒータ駆動方式は、(１)薄膜ガスセンサのヒータ温度をHigh−Offに所定の周期（例えば60秒周期）で繰り返す、または、(２)薄膜ガスセンサのヒータ温度をHigh−Low−Offに所定の周期（例えば150秒周期）で繰り返す、というように低消費電力化を実現するためにヒータの駆動を間欠運転する必要がある。

特開2009-210343号公報（図１）

メタンセンサのようなガスセンサの設置環境の雰囲気においては、検知対象ガス及び酸素、窒素、炭酸ガス、水蒸気などのガス種が共存する。更に微量ではあるが前記以外のガスであって、ガスセンサにとって悪影響を及ぼす干渉ガス(ガスセンサが抵抗変化し恰も検出対象ガスが存在するかのように振舞って誤検出を誘発するガス)など、種々のガス成分が一時的に共存する場合がある。そのためガスセンサにおいては干渉ガスの影響を防止するため、例えば図６に示すようにガスセンサ(薄膜ガスセンサチップ)31のガス導入口（キャップ30の外気に接する部分に設けられたキャップ開口部SUSネット33と選択燃焼層32の間）にフィルタとして、活性炭吸着層34を設けて干渉ガスを吸着除去するよう構成している。

上記のような対策で干渉ガスの影響を防止しているが、それらの干渉ガス等が高濃度で長期共存するような環境でガスセンサ(薄膜ガスセンサチップ)を使用すると、徐々に特性が変化する可能性がある。具体的には、想定以上の高濃度の干渉ガスにさらされることにより、活性炭吸着層34での干渉ガスの吸着量が飽和し、干渉ガスが活性炭吸着層34を透過してフィルタパッケージ内に徐々に浸入し、空気中抵抗値の低下を引き起こし、ひいては、ガス漏れしていないにも関わらず誤検出を誘発する可能性がある。このような状況では、ガス検知装置の機能が損なわれることとなり、保安機器としての基準を満たさなくなるという問題が生じてしまう。

そこで本発明は、ガス検知装置としての機能を失う前に、フィルタパッケージの劣化を診断し、ガス検知装置の予防保全を行うことを目的とするものである。

上記課題を解決するために本発明は、ガスセンサの設置環境の雰囲気において検知対象ガス以外の異種ガスを判別する異種ガス判別手段を設け、該異種ガス判別手段により検知対象外のガスであるにもかかわらず、センサから得られる電気的特性が所定の値を割った場合にフィルタパッケージが劣化したと診断するようにしたものである。

本発明によれば、ガス検知装置としての機能を失う前に、フィルタパッケージの劣化を診断し、ガス検知装置の予防保全を行うことが可能となる。

本発明の実施形態に係るガス検知装置に用いる薄膜ガスセンサの断面構造を示す図である。 本発明の実施形態に係るガス検知装置に用いる薄膜ガスセンサへの通電時の電気抵抗値変化と通電時間の関係を示す図（その１）である。 本発明の実施形態に係るガス検知装置に用いる薄膜ガスセンサへの通電時の電気抵抗値変化と通電時間の関係を示す図（その２））である。 本発明の実施形態に係るガス検知装置に用いる薄膜ガスセンサへの通電時の電気抵抗値変化と通電時間の関係（高濃度）を示す図（その３）である。 従来の薄膜ガスセンサの断面構造を示す図である。 従来のガスセンサ（含むパッケージ）の取付状態を示す断面模式図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係るガス検知装置に用いる薄膜ガスセンサの断面構造を示す図である。図１においてガス検知装置500は、センサ素子50、通電駆動手段60、ガス検出手段61、異種ガス判別手段62、不図示の報知手段、不図示の電池（例．リチウムイオン電池）、などを備えて構成されている。そして、センサ素子50を、薄膜ガスセンサで構成するようにし、該薄膜ガスセンサは、両面に熱酸化膜が付いたシリコンウェハー51上に、後でダイヤフラム構造にする支持層／熱絶縁層52としてSi₃N₄(窒化シリコン)とSiO₂(シリカ)膜を順次プラズマＣＶＤ法にて形成する。その上にNi-Cr合金からなるヒータ層53、SiO₂絶縁層54を、順にスパッタ法で形成する。そしてその上に接合層55、感知層電極56、感知層57を形成する。成膜はＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、通常のスパッタリング法によって行う。成膜条件は、接合層（Ta(タンタル)あるいはTi(チタン)）55、感知層電極（Pt(白金)あるいはAu(金)）56とも同じで、Arガス圧力１Pa、基板温度300℃、ＲＦパワー ２W／cm²、膜厚は接合層55／感知層電極56＝500Å／2000Åである。

次いで、ガスを感知するガス感知層59を成膜する。本発明の実施形態では、ガス感知層59を、Sb(アンチモニー)をドープしたSnO₂(酸化スズ)の感知層57と、Al2O3(アルミナ)にPd(パラジウム)を触媒として担持した焼結材で構成された選択燃焼層58で構成する。選択燃焼層58は、スクリーン印刷法により塗布した後、500℃で１時間以上焼成する。選択燃焼層58の大きさは、感知層57を十分に覆うことができる大きさとする。最後にシリコンウェハー51の裏面からエッチングによりシリコンを除去し、ダイヤフラム構造を実現している。

このようにして形成されたセンサ素子50、すなわち薄膜ガスセンサ、のヒータ層53及びガス感知層59へ、通電駆動手段60から所定の周期（ここでは30s）に一回パルス状（ここでは200ms）に通電し、ガス感知層59が高温（ヒータ温度450℃）となる通電時の各雰囲気ガス中でのセンサの電気抵抗値の変化を感知層電極56で検出した結果を図２に示す。これによると、通電時間(横軸)と電気抵抗値(縦軸)との関係は、メタン(CH₄)ガス72，73の場合、時間が経過するに従い、電気抵抗値が減少し、所定の値に安定する軌跡を描くものであり、一方、メタン以外の干渉ガス（ここではエタノール74）の場合、時間が経過するに従い、電気抵抗値が一旦低下し、所定の極小値を経て増加に転じる軌跡を描くものである。この傾向は後述するように、ヒータ温度により異なり、ヒータ温度を変えることにより、正確かつ簡便にガス種の判定をすることができる。

具体的には図３に示すように、ヒータ温度350℃以下では、メタンガス72，73の場合と、メタン以外の干渉ガス（ここではエタノール74）で、時間が経過するに従い、電気抵抗値が減少する特性が大きく異なることが観て取れる。すなわちヒータ温度350℃以下では、メタン以外の干渉ガス（ここではエタノール74）の場合、時間が経過するに従い、電気抵抗値が減少し、所定の値に安定する軌跡を描くものであり、一方、メタンガス72，73の場合、時間が経過するに従い、電気抵抗値が減少し、所定の値に安定する軌跡を描くものの、450℃時のメタン4000ppm（図２の73）中の電気抵抗値までは低下しない。更に、そのヒータ温度でのメタンガス中抵抗値とメタン以外の干渉ガス（ここではエタノール）中の抵抗値との比（Resistance-value in メタン/ Resistance-value in 干渉ガス）で約５〜９倍あり、メタン以外の干渉ガス（ここではエタノール74）の選択性が十分にあるといえる。

このことから、メタン(CH₄)をガス検出手段61で検知する際の検知時のヒータ温度（ここでは450℃）以外で当該ヒータ温度より低い温度でガス感知層59を駆動することにより、メタンガス以外の干渉ガス（ここではエタノール）が存在することを異種ガス判別手段62で判別することができる。

一方、メタン以外の干渉ガス（エタノールやイソプロピルアルコール）の濃度が高濃度で存在する場合には、警報を発する所定の値（たとえばメタン2000ppm中抵抗値）以下に、センサ抵抗値が低下し、メタンが漏れていないにもかかわらず警報を発するといった、ガス検知装置としての機能を損なってしまうことがある。

具体的には、図４に示すようにエタール6000ppm（図中の75）中の雰囲気にガス感知層59がさらされた場合には、メタン2000ppm（図中の72）抵抗値より低下してしまう。
このような状況に陥らないよう、ガスセンサには干渉ガスの影響を防止するため、上述した図６の説明のようにガスセンサ（薄膜ガスセンサチップ31）のガス導入口にフィルタとして、活性炭吸着層34を設けて干渉ガスを吸着除去しているが、この活性炭吸着層34の吸着能力を超えるような、想定外の干渉ガス濃度で長時間さらされた場合、干渉ガスがガスセンサ（薄膜ガスセンサチップ31）に到達する可能性があり、ひいては図４のメタン2000ppm（図中の72）抵抗値より低下してしまうような状況になり得る。

そこで、図１に示したセンサ素子50を図６に示すようなキャップ30内に収納し、フィルタとして活性炭吸着層34を設けたフィルタパッケージの劣化を診断する方法としては、メタン以外の干渉ガスの存在を検知するために通電駆動手段60から例えば、ヒータ温度350℃、パルス幅200msを一定の周期（例えば30s毎）で故障診断用に追加し、そのときのセンサ抵抗値を異種ガス判別手段62で故障診断用の所定の値（例えばヒータ温度350℃でのエタノール4000ppm（図３の74）中抵抗値）以下である場合に、センサが、高濃度の干渉ガスにさらされてフィルタパッケージが劣化したと診断することができる。

メタン以外の干渉ガスの存在を検知するために通電駆動手段60から例えば、ヒータ温度150℃、パルス幅200msを一定の周期（例えば30s毎）で故障診断用に追加し、そのときのセンサ抵抗値を異種ガス判別手段62で故障診断用の所定の値（例えばヒータ温度150℃でのエタノール4000ppm（図３の74）中抵抗値）以下である場合に、センサが、高濃度の干渉ガスにさらされてフィルタパッケージが劣化したと診断することができる。

このように、ヒータ温度を検出対象ガスであるメタン(CH₄)検知時のヒータ温度（ここでは450℃）より下げることにより、フィルタパッケージの劣化を診断する際の故障診断用パルスの電力を抑えることができる。

更に、メタン以外の一過性の干渉ガスが存在する場合には、フィルタパッケージの劣化を報知しないための工夫として、通電駆動手段６０がある一定回数以上（例えばパルス幅200msを一定の周期（例えば30s毎）で240回以上計数して２時間経過）連続して上記した実施例１及び２に示したようなフィルタパッケージの劣化を検知した場合に、フィルタパッケージの劣化を報知させることで、例えば調理時の一過性のエタノールに暴露した場合には報知せず、一過性を排除して完全にフィルタパッケージ性能が低下した場合にのみ報知することができる。

なお、上述した本発明の実施例に挙げた故障診断時のヒータ温度、パルス幅、周期、等を変えたとしても、本発明精神が及ぶ領域を超えたことにならないことを付言する。

50 センサ素子
51 シリコンウェハー
52 支持層／熱絶縁層
53 ヒーター層
54 絶縁層
55 接合層
56 感知層電極
57 感知層
58 選択燃焼層
59 ガス感知層
60 通電駆動手段
61 ガス検出手段
62 異種ガス判別手段
500 ガス検知装置

Claims (4)

1. 検出対象ガスとの接触により電気的特性が変化するガス検知層、及び前記ガス検知層を加熱するヒータ層を少なくとも備えてなるガスセンサ素子と、前記ヒータ層へ所定の周期で通電を行って、前記ガス検知層の温度を変化させる通電駆動手段と、前記ヒータ層への通電時の前記ガス検知層の電気的特性に基づいて、前記検出対象ガスを検出するガス検出手段を備えて前記検出対象ガスの検出を行うガス検知装置において、
   ガス導入口にフィルタとして活性炭吸着層を設け、内部にセンサ素子を収納したフィルタパッケージを有し、
   前記通電駆動手段から前記ヒータ層への通電を前記検知対象のガスを検知するために設定するヒータ温度より低くなるよう設定して通電した時の前記ガス検知層の電気的特性に基づいて、前記ガス検知層の雰囲気中に存在する異種ガスを判別する異種ガス判別手段を備え、
   前記通電駆動手段から、故障診断用に前記ヒータ層へ所定のパルス幅信号を一定の周期で通電し、その時のセンサ抵抗値が故障診断用の所定の値以下である場合に、前記異種ガス判別手段が、前記フィルタパッケージの劣化を診断することを特徴とするガス検知装置。
2. 前記通電駆動手段から、故障診断用に前記ヒータ層へ所定のパルス幅信号を一定の周期で出力し、その時のセンサ抵抗値が故障診断用の所定の値以下であるか否かを前記異種ガス判別手段が判別するためのヒータ温度を、前記検知対象ガスのヒータ温度未満の所定の値になるように設定したことを特徴とする請求項１に記載のガス検知装置。
3. 前記通電駆動手段から、故障診断用に前記ヒータ層へ所定のパルス幅信号を一定の周期で出力し、その時のセンサ抵抗値が故障診断用の所定の値以下であり、かつ、前記異種ガス判別手段が、ある一定回数以上連続して前記センサ抵抗値が故障診断用の所定の値以下を計測した場合、前記フィルタパッケージの劣化を診断することを特徴とする請求項１に記載のガス検知装置。
4. 前記通電駆動手段から前記ヒータ層へ通電して故障診断する場合、前記検知対象外のガスを検知する場合に設定する前記ヒータ温度は、前記検知対象のガスを検知する場合に設定するヒータ温度より低い150℃〜350℃であることを特徴とする請求項１に記載のガス検知装置。