JP6274649B2 - ガス検出装置 - Google Patents

Description

この発明は、MEMS型の金属酸化物半導体ガスセンサを有するガス検出装置に関する。この発明は特に、中高湿環境によるガスセンサの特性変動の補正に関する。

特許文献１（特開2013-61227）は、SnO₂等のガス感応層をPd-Al₂O₃等の選択燃焼層で被覆した、MEMS型の金属酸化物半導体ガスセンサを開示している。ガスセンサは周期的にメタンの検出温度である500℃付近に加熱され、他の期間は室温に保たれる。そしてこのようなガスセンサは、電池駆動のガス警報器等に利用できる。

特許文献２（特開2007-279061）は、MEMS型の金属酸化物半導体ガスセンサが、高温高湿雰囲気を30日程度連続して経験すると、CO中の抵抗値が増加することがある、としている。そして特許文献２は、金属酸化物半導体であるSnO₂薄膜にPdを担持させると、上記の抵抗値の増加（ドリフト）を抑制できるとしている。

特許文献３（特公昭61-6933）は、ガスセンサの出力への０点補正を行うことを開示している。

特開2013-61227 特開2007-279061 特公昭61-6933

特許文献２は、SnO₂-Pd系の金属酸化物半導体を用いることにより、高湿雰囲気中での抵抗値のドリフトを抑制できるとしている。しかし発明者の経験では、金属酸化物半導体の組成を選んでも、高湿中でのドリフトを充分に抑制することは困難であった。またドリフトは、高湿雰囲気で著しいが、中湿雰囲気でも起こることがある。
特許文献３のようにガスセンサへの０点補正を行うと、高湿中でのドリフトの影響を補正できるが、ガスセンサの抵抗値が増加するのは高湿雰囲気の影響とは限らない。無制限に抵抗値を補正すると、誤検出する、あるいは検出対象ガスを見逃すおそれがある。

この発明の課題は、中高湿雰囲気であることを確認しながら、ガスの検出レベルを補正することにより、中高湿雰囲気を経験したことによる抵抗値変動の影響を、的確に補正することにある。

この発明のガス検出装置は、Siチップの空洞部上の架橋部もしくはダイアフラムに、ガスにより抵抗値が変化する膜状の金属酸化物半導体と、金属酸化物半導体を加熱する膜状のヒータ、とが設けられ、かつフィルタを有するMEMS金属酸化物半導体ガスセンサと、
ヒータへ電力を供給し、金属酸化物半導体を室温からガスの検出温度へ加熱するヒータドライブと、
金属酸化物半導体に直列に接続されている負荷抵抗と、
金属酸化物半導体と負荷抵抗との直列片に検出電圧を加えるVcドライブと、
負荷抵抗に加わる電圧もしくは金属酸化物半導体に加わる電圧をAD変換することにより、金属酸化物半導体の抵抗値を表すセンサ出力をサンプリングする、ADコンバータと、
空気中での抵抗値の初期値を記憶するメモリと、
周囲の相対湿度が低湿ではないことを判別する湿度判別手段と、
空気中の抵抗値に対応する基準値を更新する基準値更新部と、
前記検出温度で、所定濃度の検出対象ガス中での、金属酸化物半導体の抵抗値を表す警報レベルを増加させる警報レベル発生部、
とを有し、
前記基準値更新部は、低湿ではない際の空気中の抵抗値が基準値よりも大きいと、基準値を増加させるように、基準値を更新し、
前記警報レベル発生部は、基準値と空気中での抵抗値の初期値との比に応じて、警報レベルを増加させる。

この発明では、空気中での金属酸化物半導体の抵抗値が増加していることと、周囲の湿度が低湿ではないことの双方に基づいて、警報レベルを増加させる。このため、湿度により金属酸化物半導体の抵抗値が増加した時に、的確に警報レベルを増加させることができる。なおセンサ出力は金属酸化物半導体の抵抗値でも、負荷抵抗への電圧自体等でも良い。同様に警報レベルは金属酸化物半導体の抵抗値でも、負荷抵抗への電圧等でも良い。この発明では、警報レベルは、抵抗値が増すと増加し、減ると減少するものとして示す。湿度は相対湿度で、金属酸化物半導体が経験している湿度である。この発明では、金属酸化物半導体は常時は室温におかれ、間欠的に短時間加熱されるので、金属酸化物半導体に影響するのは絶対湿度ではなく、相対湿度である。低湿と中高湿との境界は適宜に定めればよいが、例えば湿度50%未満を低湿、50%以上で80%未満を中湿、80%以上を高湿とする。なお、高湿でのみ警報レベルの増加を許すようにしても良い。

好ましくは、湿度判別手段は、金属酸化物半導体を室温から昇温させた際に、金属酸化物半導体の抵抗値が減少する時定数が、所定時間以上であることから、低湿ではないことを判別するように構成されている。

金属酸化物半導体の温度を室温等からガスの検出温度へ昇温させると、金属酸化物半導体の抵抗値が減少する。抵抗値が減少する時定数は周囲の湿度の影響を受け、湿度が増すと時定数が長くなる。図６は室温から250℃へ昇温させた際の抵抗値の波形を、図７は室温から500℃へ昇温させた際の抵抗値の波形を示し、図６，図７のいずれでも湿度と共に時定数が長くなっている。湿度が低いと、時定数が短くなることの他に、抵抗値が極小値を示した後に再度増加する現象が見られ、高湿ではこの現象は見られず、中湿ではこの現象は見られないか弱くなる。そこで抵抗値の極小の有無と、その後の増加率とから、低湿かそうでないかを確認することもできる。ただし抵抗値の極小は、エタノール等の雑ガス中でも発生するので、時定数を用いずに、極小値の有無のみから低湿か否かを判別することは、好ましくない。

また好ましくは、ガス検出装置は周囲の湿度を検出する湿度センサを備えている。湿度センサは、MEMS金属酸化物半導体ガスセンサのSiチップ上に、感湿膜を設けたものでも良い。このようにすると、湿度センサを追加することにより、周囲の雰囲気が低湿か、中高湿かを判別できる。

あるいは好ましくは、ガス検出装置は季節を判別するためのタイマから成るカレンダーを備えている。即ち、タイマにより季節を判別すると、梅雨〜夏期は高湿期で、太平洋側では秋〜春は乾燥期（低湿期）、日本海側では秋と春は低湿期、等のように、季節により低湿かそうでないかを推定できる。

特に好ましくは、警報レベルの初期値を記憶するメモリを備え、空気中での金属酸化物半導体の抵抗値が増加したため警報レベルを増加させた後に、空気中での金属酸化物半導体の抵抗値が減少している際に、警報レベルを初期値以上に保つように、警報レベル発生部が構成されている。

警報レベルを初期値未満にすると、検出対象ガスを見逃す可能性が生じる。そこで警報レベルを初期値以上に保つことにより、検出対象ガスを見逃すように補正することが無くなる。なお警報レベルの初期値を記憶するとは、初期値自体を記憶することの他に、実施例での基準値の初期値R0等、警報レベルに換算し得る値を記憶することを含んでいる。

実施例のガス検出装置のブロック図 MEMS金属酸化物半導体ガスセンサのブロック図 マイクロコンピュータのブロック図 ガス検出装置の初期設定を示すフローチャート 警報レベルの補正を示すフローチャート 25℃の空気中で、金属酸化物半導体を室温から250℃へ昇温させた際の、相対湿度毎の抵抗値の波形を示す特性図 25℃の空気中で、金属酸化物半導体を室温から500℃へ昇温させた際の、中湿と高湿での抵抗値の波形を示す特性図 湿度による金属酸化物半導体の抵抗値の変化を、模式的に示す図 空気中の抵抗値に基づく基準値RSTDと、警報レベルRbの推移を示す図

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に実施例を示す。図１はガス検出装置を示し、E1は電源の電池で、１次電池でも２次電池でも良く、T1、T2はトランジスタ等のスイッチ、SはMEMS金属酸化物半導体ガスセンサで、RLは負荷抵抗、μ1はマイクロコンピュータである。

図２に、MEMS金属酸化物半導体ガスセンサS（以下ガスセンサS）を、ハウジング等を省略して示す。Fはフィルタで、繊維状活性炭、粒状活性炭、シリカゲル、ゼオライト等から成り、エタノール等の雑ガス、シロキサン等の被毒ガスを吸着すると共に、水蒸気を吸着ないしは吸収して、金属酸化物半導体の周囲での湿度の変動を和らげる。フィルタFにPt等の酸化触媒を担持させ、雑ガスを酸化し、かつ被毒ガスを分解するようにしても良い。

１はSiチップで、空洞部２上に絶縁膜から成る架橋部３が設けられ、架橋部３上にPt膜等のヒータ４と、SnO₂の厚膜等の金属酸化物半導体５と、金属酸化物半導体５に接続した図示しない電極等が設けられている。なおSnO₂に代えて、In₂O₃、WO₃等の他の金属酸化物半導体を用いても良く、また金属酸化物半導体５にPt,Pd等の貴金属触媒を担持させても良い。金属酸化物半導体５を、厚膜に代えて薄膜とし、図示しない酸化触媒膜で被覆しても良い。さらにSiチップを金属酸化物半導体５の反対側からエッチングした貫通孔上にダイアフラムを設けて、ダイアフラム上にヒータ４と金属酸化物半導体５等を設けても良い。なお発明者の経験では、SnO₂の厚膜への添加物を選んでも、中高湿によるドリフトを解消することはできなかった。

図３はマイクロコンピュータμ1を示し、１２はヒータドライブでスイッチT1を制御して、ヒータ４へ電力を供給する。Vcドライブ１４はスイッチT2を制御して、金属酸化物半導体５と負荷抵抗RLの直列片に検出電圧Vcを加える。ADコンバータ１６は例えば負荷抵抗RLへの電圧をAD変換し、ガスセンサSの出力VRLとする。波形解析部１８は、室温から昇温させる際の金属酸化物半導体５の抵抗値Rsの時定数から、湿度の程度を例えば低湿と、中高湿の２段階、あるいは低湿あるいは中湿と、高湿の２段階等に判別する。

基準値更新部２０は、空気中での金属酸化物半導体５の抵抗値に対応する基準値RSTDを更新する。更新は例えば１時間に１回〜１月に１回、好ましくは１日に１回〜１月に１回程度の頻度で行い、湿度が中高湿で低湿ではなく、かつ空気中での抵抗値Ｒairが基準値RSTDよりも大きい時に、基準値RSTDを増加させる。空気中での抵抗値は湿度、雑ガス等により変動する。複数回サンプリングした抵抗値の内で、抵抗値が大きいものをサンプリングして、空気中での抵抗値Rairとする。例えば１日に２５６回程度ランダムにサンプリングした抵抗値の内で、抵抗値が高いものを６４個取り出し、これらの平均値を空気中での抵抗値Rairとする。あるいは前記の複数個の抵抗値の内で、高抵抗側から所定の順位、例えば上位10%目の抵抗値等を、空気中での抵抗値Rairとしても良い。

空気中での抵抗値Rairが基準値RSTDよりも大きいときに、基準値RSTDを増加させる。ここで古い基準値RSTDoと定数Ｋ（Ｋは正で、例えば0.1〜0.5程度）とにより、新しい基準値RSTDｎを （Rair-RSTDo）・Ｋ＋RSTDo とする等により、基準値RSTDが空気中での抵抗値Rairの増加に遅れながら追随するようにすることが好ましい。これによって空気中での抵抗値Rairの一時的な変動の影響を小さくできる。また中高湿での金属酸化物半導体の抵抗値の増加は例えば１月以上の時定数で進行するが、Ｋの値を選ぶことにより、基準値を更新する速度を、中高湿での金属酸化物半導体の抵抗値の増加に見合ったものにし、一時的な抵抗値の変動の影響を小さくすることができる。

警報レベル発生部２２は、基準値RSTDに合わせて、警報レベルRb（金属酸化物半導体５の抵抗値換算）を発生させる。ここではガス洩れに相当する濃度のメタンを検出対象とし、初期値Raよりも警報レベルRbを低下させることは行わない。

ガス検出部２４は、メタンの検出温度（500℃付近）での金属酸化物半導体の抵抗値が警報レベル以下であることから、ガス漏れを検出する。外部出力は、ブザー、LED、ネットワーク等を介して、ガス検出装置の状態とガス漏れの有無等を外部へ出力する。不揮発性メモリ２８は、空気中での抵抗値の初期値R0と警報レベルの初期値Ra等を記憶する。ガス検出部２４は、ガスセンサの出力を図示しないサーミスタ等により、周囲温度に応じて補正しても良い。

なお波形解析部１８により湿度を判別する代わりに、図示しない湿度センサと、湿度センサドライブ３０とにより、湿度を判別しても良い。またガス検出装置の初期設定時等から休まずに動作するタイマを備えるカレンダー部３２により、湿度が低湿か否かを判別しても良い。湿度センサドライブ３０あるいはカレンダー部３２を設ける場合、波形解析部１８は不要である。しかし湿度センサドライブ３０を設けると、湿度センサとそのドライブとが必要になり、カレンダー部３２を設けると、初期設定から実際の使用開始までの間も電池E1の電力を消費する。

ガス検出装置の動作は例えば30秒周期で、その内の100msecの間、ヒータに電力を加えて、メタンの検出温度へ昇温させ、他は室温に放置する。なおメタンの検出温度へ昇温させる前に、湿度の検出温度（例えば150〜300℃）へ昇温させても良い。また湿度の検出温度へは、例えば空気中の抵抗値をサンプリングする際にのみ昇温させ、あるいは１日１回程度昇温させても良く、メタンの検出温度で湿度を判別し、250℃程度（湿度の検出温度）への昇温を省略しても良い。そしてVcドライブ１４は、ガスセンサの出力VRLを読み込むときに検出電圧Vcを加える。

図４は、ガス検出装置の初期設定を示す。ステップ１で、空気中の抵抗値の初期値R0を読み込み、ステップ２で、検出温度での警報濃度のガス（メタン）中の抵抗値を読み込み、これらを不揮発性メモリに記憶する。

図５〜図９に警報レベルRbの補正を示し、ガス検出装置は初期設定済みとする。ステップ１１で空気中の抵抗値Rairをサンプリングし、ステップ１２で、昇温時に金属酸化物半導体の抵抗値が減少する時定数から、低湿と中高湿とを判別する。

図６は室温から250℃へ金属酸化物半導体を昇温させた際の抵抗値の波形を示し、図７は室温から500℃へ金属酸化物半導体を昇温させた際の抵抗値の波形を示す。いずれの図でも、湿度が低いほど、抵抗値が減少する時定数が短く、かつ抵抗値のアンダーシュートが見られる。なお金属酸化物半導体の種類はSnO₂-（Pt-Pd）である。

そこでアンダーシュートの程度、即ち抵抗の極小値の深さ、極小値からの抵抗の増加率等により、低湿であることを確認することが好ましい（ステップ１３）。なおステップ１１〜１３は３０秒周期に行う必要はなく、またステップ１２、１３を実行する頻度はステップ１１の実行頻度よりも低くても良く、ステップ１３は省略可能である。

図８は、金属酸化物半導体の抵抗値への湿度の影響を示す。湿度に対して短期的には可逆に応答し、湿度が増すと金属酸化物半導体の抵抗値が減少し、増加すると抵抗値が減少する。しかし湿度の高い状態が長期間続くと、金属酸化物半導体の抵抗値が増加する。

現在の基準値RSTDとサンプリングした空気中の抵抗値Rairとを比較し（ステップ１４）、 Rair＞Ｋ1・RSTD （Ｋ1は１よりも大きな定数）の場合、基準値RSTDを増加させ、
Rair＜Ｋ2・RSTD （Ｋ2は１未満の正の定数）の場合、基準値RSTDを減少させ、
Rairがこれらの中間の抵抗値の場合、基準値RSTDを変更しない（ステップ１５，１６）。ステップ１４〜１６は３０秒周期で行う必要はなく、例えば１日１回〜１月に１回、より広くは１時間に１回〜１月に１回程度行えばよい。そして基準値RSTDに合わせて警報レベルRbを補正し、例えばRSTD／Rb＝R0／Raとなるように補正する。ただし補正の手法は任意である。ここにR0は空気中の抵抗値の初期値、Raは警報レベルの初期値である。なお警報レベルRbは警報レベルの初期値Ra未満にはしない。図９に示すように、RbをRaよりも増加させた後に、RSTDが低下した場合、Rbはそのままにして低下させ無くても、あるいはRaまでの範囲で低下させても良い。

実施例では以下の効果が得られる。
1) 中高湿での金属酸化物半導体の抵抗値のドリフトを補正できる。
2) 湿度が低湿ではないことを判別して補正するので、低湿中で何からの原因で抵抗値がドリフトしても、補正することは無い。
3) 湿度センサ等は不要で、MEMS金属酸化物半導体ガスセンサの信号を用いて、湿度が低湿ではないことを判別できる。
4) 補正は抵抗値の増加を補正する側に行うので、誤検出の原因となる可能性はあるが、検出対象ガスを見逃す原因とはならない。

S MEMS金属酸化物半導体ガスセンサ
E1 電池
T1,T2 スイッチ
RL 負荷抵抗
μ１ マイクロコンピュータ
F フィルタ

１ Siチップ
２ 空洞部
３ 架橋部
４ ヒータ
５ 金属酸化物半導体
１２ ヒータドライブ
１４ Vcドライブ
１６ ADコンバータ
１８ 波形解析部
２０ 基準値更新部
２２ 警報レベル発生部
２４ ガス検出部
２６ 外部出力
２８ 不揮発性メモリ
３０ 湿度センサドライブ
３２ カレンダー部

Claims (5)

1. Siチップの空洞部上の架橋部もしくはダイアフラムに、ガスにより抵抗値が変化する膜状の金属酸化物半導体と、前記金属酸化物半導体を加熱する膜状のヒータ、とが設けられ、かつフィルタを有するMEMS金属酸化物半導体ガスセンサと、
   前記ヒータへ電力を供給し、前記金属酸化物半導体を室温からガスの検出温度へ加熱するヒータドライブと、
   前記金属酸化物半導体に直列に接続されている負荷抵抗と、
   前記金属酸化物半導体と負荷抵抗との直列片に検出電圧を加えるVcドライブと、
   前記負荷抵抗に加わる電圧もしくは前記金属酸化物半導体に加わる電圧をAD変換することにより、前記金属酸化物半導体の抵抗値を表すセンサ出力をサンプリングする、ADコンバータと、
   空気中での抵抗値の初期値を記憶するメモリと、
   周囲の相対湿度が低湿ではないことを判別する湿度判別手段と、
   空気中の抵抗値に対応する基準値を更新する基準値更新部と、
   前記検出温度で、所定濃度の検出対象ガス中での、金属酸化物半導体の抵抗値を表す警報レベルを増加させる警報レベル発生部、
   とを有し、
   前記基準値更新部は、低湿ではない際の空気中の抵抗値が基準値よりも大きいと、基準値を増加させるように、基準値を更新し、
   前記警報レベル発生部は、基準値と空気中での抵抗値の初期値との比に応じて、警報レベルを増加させるガス検出装置。
2. 前記湿度判別手段は、前記金属酸化物半導体を室温から昇温させた際に、金属酸化物半導体の抵抗値が減少する時定数が、所定時間以上であることから、低湿ではないことを判別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。
3. 周囲の相対湿度を検出する湿度センサを備えていることを特徴とする、請求項１のガス検出装置。
4. 季節を判別するためのタイマから成るカレンダーを備えていることを特徴とする、請求項１のガス検出装置。
5. 警報レベルの初期値を記憶するメモリを備え、
   空気中での前記金属酸化物半導体の抵抗値が増加したため警報レベルを増加させた後に、空気中での前記金属酸化物半導体の抵抗値が減少している際に、警報レベルを初期値以上に保つように、前記警報レベル発生部が構成されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかのガス検出装置。

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