JP4329944B2 - 半導体ガスセンサの駆動方法 - Google Patents

Description

この発明は、電池駆動を念頭においた低消費電力型半導体ガスセンサ、特にその駆動方法に関する。

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、或る特定のガス、例えばＣＯ，ＣＨ₄，Ｃ₃Ｈ₈，ＣＨ₃ＯＨ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するものと、燃焼機器の不完全燃焼ガス検知を目的とするもの、または両方の機能を併せ持ったものなどがあるが、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はない。このような事情から、普及率の向上を図るべく、設置性の改善、具体的には電池駆動とし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。そのために、検知周期に合わせて間欠駆動を行なうことで、低消費電力化を実現している。
その具体例として、例えば図４のような構造の半導体ＣＯセンサを駆動する場合について説明する。なお、同図に示すものは、薄膜状の支持膜の外周または両端部をＳｉ基板１により支持し、外周部または両端部が厚く、中央部が薄く形成されたダイアフラム様の支持基板上に薄膜のヒーター３を形成し、この薄膜のヒーター３を電気絶縁膜４で覆い、その上にガス感知膜用の電極６を形成し、さらに半導体薄膜によりガス感知膜７を形成したものである。

このような半導体ＣＯセンサでは、例えば１５０ｓの間欠運転を実施するが、ＣＯガス検知のためには、先ずセンサをｈｉｇｈ状態（ハイ状態：約４５０℃）で２００ｍｓ間加熱し、センサ表面のクリーニングを実施してセンサを初期状態にする。次いで、センサをｌｏｗ状態（ロー状態：１００℃以下）に下げ、例えば４００ｍｓ後にセンサ抵抗を測定して、ＣＯガスが所定のガス濃度を越えて存在しているかどうかを判断する。

そのために、図５のようにｈｉｇｈの時はヒーターに例えば３０ｍＷのパワーを投入し、ｌｏｗの時には４．５ｍＷを投入する。なお、これと同様の駆動方法は、例えば特許文献１に記載されている。
このときの実際の温度変化を、図６に示す。ｈｉｇｈの時にヒーターに３０ｍＷのパワーを投入しても、温度が４５０℃になるのに約５０ｍＳの時間を要し、パワーを３０ｍＷから４．５ｍＷに減らしてｌｏｗ状態に移行させようとしても、温度が安定するのに約１００ｍＳの時間を要することを示している。なお、このときのセンサの過渡応答特性を図７に示す。

特開２００１−１９４３３０号公報

しかし、以上のような方法には、まだ改良の余地がある。
すなわち、この発明の課題は、無駄なヒーター加熱を避け、さらなる低消費電力化を図り、感度を向上させることにある。

このような課題を解決するため、この発明では、半導体ガスセンサを高温にし当該半導体ガスセンサ表面のクリーニングを実施した後、前記半導体ガスセンサを低温に下げガスを検知する半導体ガスセンサの駆動方法であって、
前記半導体ガスセンサを加熱するヒーターへパワーを供給するに当たり、前記半導体ガスセンサを一定時間高温のｈｉｇｈ状態とし、当該ｈｉｇｈ状態に引き続き、前記ヒーターへのパワー供給を一時的に遮断してｏｆｆ状態とし、前記半導体ガスセンサの温度が前記低温より下降した後に、ヒーターへのパワー供給を再び行ない、再び前記低温まで上昇させ、一定時間だけ前記低温を保持するｌｏｗ状態とすることを特徴とする。

この発明によれば、センサ（ヒーター）を駆動するに当たり、ｈｉｇｈ状態とｌｏｗ状態との間にｏｆｆの状態を設けることにより、低消費電力化が可能となり迅速な検知が可能になる利点に加え、感度も向上させることができる。

図１はこの発明の実施の形態を説明する説明図で、上記ｏｆｆ時間を１５０ｍＳにした点が特徴である。
図１のように駆動した場合のセンサの温度変化を図２に示す。
図２に示すように、ｈｉｇｈからｌｏｗへの移行に際し、温度がｌｏｗ状態での定常的な温度よりも一旦下がった後に、ｌｏｗ状態の温度に到達する点が特徴である。センサ温度がｌｏｗの設定温度（１００℃以下）よりも低くなる時間が或る一定値（この例では、約１５０ｍＳ）以上になると、耐湿性や安定性に問題が生じるので、この時間は或る一定値以下となるようにすることが望ましい。

図１のように駆動したときのセンサの過渡応答特性を、図３に示す。
いま、例えば１００ｐｐｍ，３００ｐｐｍ，５００ｐｐｍの各抵抗値（濃度）の差（または比）について、図３を従来の図７と比較すると、図７ではその差が小さいのに対し、図３ではその差がやや大きくなっている。このことは、濃度勾配値が大きく、したがって感度が高くなっていることを示す。つまり、図１のように駆動すると、消費電力が低減できるだけでなく、感度も向上できることになる。

なお、この発明は上記のようなCOガスセンサに限らず、半導体ガスセンサ一般に適用することができる。

この発明の実施の形態を説明するための説明図である。 図１のように駆動した場合のセンサの温度変化図である。 図１のように駆動した場合のセンサの過渡応答図である。 半導体ガスセンサの一般的な例を示す断面図である。 従来のセンサ駆動パターン図である。 図５のように駆動した場合のセンサの温度変化図である。 図５のように駆動した場合のセンサの過渡応答図である。

符号の説明

１…Ｓｉ基板（ダイアフラム）、２…支持層、３…ヒーター、４…絶縁膜、５…接合層、６…感知膜電極、７…感知膜

Claims (1)

1. 半導体ガスセンサを高温にし当該半導体ガスセンサ表面のクリーニングを実施した後、前記半導体ガスセンサを低温に下げガスを検知する半導体ガスセンサの駆動方法であって、
   前記半導体ガスセンサを加熱するヒーターへパワーを供給するに当たり、前記半導体ガスセンサを一定時間高温のｈｉｇｈ状態とし、当該ｈｉｇｈ状態に引き続き、前記ヒーターへのパワー供給を一時的に遮断してｏｆｆ状態とし、前記半導体ガスセンサの温度が前記低温より下降した後に、ヒーターへのパワー供給を再び行ない、再び前記低温まで上昇させ、一定時間だけ前記低温を保持するｌｏｗ状態とすることを特徴とする半導体ガスセンサの駆動方法。

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