(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面上に配線されたヒータと、前記平面上に前記ヒータと重なるように設けられた触媒層と、を有する接触燃焼式ガスセンサにおいて、
前記ヒータが駆動されたときに前記触媒層表面の温度が均一になるように、前記ヒータは、前記触媒層表面の中央に近い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量が、前記触媒層表面の中央から遠い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量より小さく形成され、
前記ヒータの配線全体の平面視形状が、前記触媒層の平面視形状と略同一でかつ円形状に形成され、
前記ヒータが、渦巻き状に配線されている
ことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項２】
前記ヒータにおける前記触媒層表面の中央に近い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値が、前記触媒層表面の中央から遠い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値より低くなるように、前記ヒータが形成されていることを特徴とする請求項１に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項３】
前記ヒータにおける前記触媒層表面の中央に近い箇所に配線された部分の配線密度が、前記触媒層表面の中央から遠い箇所に配線された部分の配線密度より低くなるように、前記ヒータが形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒータと該ヒータに重ねて設けられた触媒層とを有する接触燃焼式ガスセンサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来知られている接触燃焼式ガスセンサは、例えば、感応素子と補償素子を有し、検出対象となるガスを感応素子の触媒作用により燃焼させ、この燃焼熱を白金コイルの抵抗値変化として捉えるように構成されている。検出対象となるガスのうちトルエンや酢酸、エタノール等のように、極性が大きく吸着力の大きなガスは、低温駆動時に、ガス分子が感応素子の触媒表面に吸着し、高温駆動時に、吸着したガスが瞬時に燃焼すると共に接触燃焼反応も同時に起こるので、センサ出力は、短時間でピークに達しその後徐々に減少するピーク波形（山形波形）を生じる。一方、メタンや水素、一酸化炭素等の無極性または極性の小さいガスは、吸着力も小さいので上記のような現象は起こらず、センサ出力は、定常値で安定するまで徐々に増加していく。
【０００３】
このように、トルエン等の特定種類のガスにおいて固有のピーク波形を呈することを利用して、接触燃焼式ガスセンサを用いてガス濃度の検出やガス種の分別などのガス検出を行うことができる。このような特定種類のガスの吸着現象を利用する接触燃焼式ガスセンサは、吸着燃焼式ガスセンサとも呼ばれている。
【０００４】
上述した接触燃焼式ガスセンサとして、例えば、特許文献１に開示されている従来の接触燃焼式ガスセンサ１１５は、図６に示すように、白金線からなるヒータ１４２と、パラジウムなどの触媒を担持した触媒層１４３と、を備えた感応素子１１１を有している。ヒータ１４２は、シリコンウェハ１４１に積層された多層絶縁膜１４８ａ、１４８ｂ、１４８ｃで形成されたダイヤフラムＤ上に、薄膜状の細線でつづら折れ状に配線されているとともに、その全長に亘って同じ幅で同じ厚みに形成され且つ並行する部分同士の間隔が同じになるように配線されている。また、前記触媒層１４３は、ヒータ１４２に熱的に接続されるように、該ヒータ１４２に重ねてダイヤフラムＤ上に形成されている。このような接触燃焼式ガスセンサ１１５は、触媒層１４３の表面１４３０の温度が検出対象ガスを吸着する低温（吸着温度）となるようにヒータ１４２に通電（即ち、低温駆動）され、つづいて、触媒層１４３の表面１４３０の温度が検出対象ガスを燃焼する高温（燃焼温度）となるようにヒータ１４２に通電（即ち、高温駆動）される。これにより、低温駆動時に触媒層表面１４３０に吸着した検出対象ガスが、高温駆動時に燃焼する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−８３９５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の接触燃焼式ガスセンサ１１５では、ヒータ１４２が通電されると、触媒層表面１４３０の中央付近の温度が触媒層表面１４３０の周縁付近の温度より高くなり、触媒層表面１４３０に温度ムラが生じてしまっていた。
【０００７】
これは、ヒータ１４２における触媒層表面１４３０の中央に近い箇所に配線された部分（以下、中央部分Ｈｃという）は、ヒータ１４２全体から見て内側寄りに配置されており、その周囲をヒータ１４２の他の部分に囲まれているので放熱しにくく、また、触媒層表面１４３０の中央から離れた箇所（即ち、触媒層表面１４３０の縁部に近い箇所）に配線された部分（以下、周縁部分Ｈｅという）は、ヒータ１４２全体から見て外側寄りに配置されており、ヒータ１４２外部に近いので放熱しやすく、そのため、ヒータ１４２の中央部分Ｈｃの温度が、ヒータ１４２の周縁部分Ｈｅより高温になるためである。さらに、この中央部分Ｈｃが高温になることにより、白金線の特性から中央部分Ｈｃの単位長さ当たりの抵抗値が上昇し、そして、白金線の発熱量Ｐは電流Ｉの２乗に抵抗値Ｒを乗じた値で示される（Ｐ＝Ｉ2Ｒ）ことから、単位長さ当たりの抵抗値が上昇すると発熱量が増加して、これに伴い、ヒータ１４２が配線された領域（ダイヤフラムＤ）における単位面積当たりの発熱量が増加して、中央部分Ｈｃがさらに高温になってしまうためである。
【０００８】
そして、触媒層表面１４３０に温度ムラが生じると、図７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、例えば、接触燃焼式ガスセンサ１１５が低温駆動されたとき、触媒層表面１４３０の中央部１４３０ａが吸着温度より高い温度となり検出対象ガスが燃焼して吸着することができず、この中央部１４３０ａより外側の環状部１４３０ｂ及び周縁部１４３０ｃが吸着温度となって検出対象ガスを吸着する。つづいて、この状態から接触燃焼式ガスセンサ１１５が高温駆動されると、中央部１４３０ａ及び環状部１４３０ｂが燃焼温度となり検出対象ガスを燃焼するが、この環状部１４３０ｂより外側の周縁部１４３０ｃは温度が上がりきらずに吸着温度のままとなり検出対象ガスを燃焼しない。そのため、環状部１４３０ｂに吸着した検出対象ガスのみが吸着燃焼され、つまり、触媒層表面１４３０の一部しか吸着燃焼に用いることができないので、検出対象ガスの吸着燃焼量が少なく、そのため、接触燃焼式ガスセンサ１１５の感度が低下して、検出精度が悪化してしまうという問題があった。また、上記は吸着燃焼における動作について説明したものであるが、接触燃焼における動作についても、高温駆動時に、周縁部１４３０ｃで検出対象ガスを燃焼しないので、検出対象ガスの接触燃焼量が少なく、上記と同様の問題があった。
【０００９】
また、低温駆動時に、触媒層表面１４３０の中央部１４３０ａも吸着温度となるように、そして、高温駆動時に、触媒層表面１４３０の周縁部１４３０ｃも燃焼温度となるように各駆動制御を行うことが考えられるが、そのためには、低温駆動時により低い温度に駆動し、そして、高温駆動時により高い温度に駆動する必要があるので、低温駆動時と高温駆動時との温度差が大きくなって温度の切り替えに時間がかかってしまい応答性が悪くなり、また、高温駆動時により高い温度に駆動するとその分消費電力が増加して、電池を電源としたガス検出装置などにおいて使用可能時間が短くなってしまう、などの別の問題があった。
【００１０】
本発明は、上記課題に係る問題を解決することを目的としている。即ち、本発明は、触媒層表面の温度がより高くなるようにヒータを駆動することなく、検出対象ガスの燃焼量を増加させて、感度を向上できる接触燃焼式ガスセンサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１に記載された発明は、上記目的を達成するために、平面上に配線されたヒータと、前記平面上に前記ヒータと重なるように設けられた触媒層と、を有する接触燃焼式ガスセンサにおいて、前記ヒータが駆動されたときに前記触媒層表面の温度が均一になるように、前記ヒータは、前記触媒層表面の中央に近い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量が、前記触媒層表面の中央から遠い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量より小さく形成され、前記ヒータの配線全体の平面視形状が、前記触媒層の平面視形状と略同一かつ円形状に形成され、前記ヒータが、渦巻き状に配線されていることを特徴とする接触燃焼式ガスセンサである。
【００１２】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記ヒータにおける前記触媒層表面の中央に近い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値が、前記触媒層表面の中央から遠い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値より低くなるように、前記ヒータが形成されていることを特徴とするものである。
【００１３】
請求項３に記載された発明は、請求項１又は２に記載された発明において、前記ヒータにおける前記触媒層表面の中央に近い箇所に配線された部分の配線密度が、前記触媒層表面の中央から遠い箇所に配線された部分の配線密度より低くなるように、前記ヒータが形成されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１に記載された発明によれば、接触燃焼式ガスセンサが備えるヒータが駆動されたときに触媒層表面の温度が均一になるように、ヒータは、触媒層表面の中央に近い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量が、触媒層表面の中央から遠い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量より小さく形成され、ヒータの配線全体の平面視形状が、触媒層の平面視形状と略同一に形成されているので、触媒層表面における温度ムラの発生を防ぐことができ、そのため、触媒層表面の温度がより高くなるようにヒータを駆動することなく、触媒層表面における検出対象ガスが燃焼する領域を広げて、検出対象ガスの燃焼量を増加させることができ、感度を向上させることができる。
【００１５】
請求項２に記載された発明によれば、ヒータにおける触媒層表面の中央に近い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値が、触媒層表面の中央から遠い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値より低くなるように、ヒータが形成されているので、ヒータの発熱量Ｐは、電流Ｉの２乗に抵抗値Ｒを乗じた値で示される（Ｐ＝Ｉ2Ｒ）ことから、単位長さ当たりの抵抗値が低くなるとその発熱量も小さくなり、そのため、ヒータにおける触媒層表面の中央に近い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量が、触媒層表面の中央から遠い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量より小さくなり、触媒層表面の中央付近の温度が触媒層表面の周縁付近の温度より高くなることを防ぐことができる。したがって、触媒層表面における温度ムラの発生を防いで触媒層表面の温度を均一にすることができ、これにより、触媒層表面における検出対象ガスが燃焼する領域を広げて、検出対象ガスの燃焼量を増加させることができ、感度を向上させることができる。また、ヒータがその全長にわたって均質の材料で構成されているとき、単位長さ当たりの抵抗値は断面積に反比例するので、触媒層表面の中央に近い箇所に配線されたヒータの線幅（又は厚み）が、触媒層表面の中央から遠い箇所に配線されたヒータの線幅（又は厚み）より大きくなるようにヒータを形成すればよく、形成容易な形状なので、接触燃焼式ガスセンサを容易に製造することができる。
【００１６】
請求項３に記載された発明によれば、ヒータにおける触媒層表面の中央に近い箇所に配線された部分の配線密度が、触媒層表面の中央から遠い箇所に配線された部分の配線密度より低くなるように、ヒータが形成されているので、ヒータにおける触媒層表面の中央に近い箇所に配線された部分の配線間隔を、触媒層表面の中央から遠い箇所に配線された部分の配線間隔より広げることにより、ヒータにおける触媒層表面の中央に近い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量が、触媒層表面の中央から遠い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量より小さくなり、触媒層表面の中央付近の温度が触媒層表面の周縁付近の温度より高くなることを防ぐことができる。したがって、触媒層表面における温度ムラの発生を防いで触媒層表面の温度を均一にすることができ、これにより、触媒層表面における検出対象ガスが燃焼する領域を広げて、検出対象ガスの燃焼量を増加させることができ、感度を向上させることができる。また、形成容易な形状なので、接触燃焼式ガスセンサを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ、本発明の一実施形態であるガスセンサユニットの平面図、背面図、及び、平面図におけるＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図２】図１（Ａ）のガスセンサユニットが備える感応素子について拡大した部分拡大図である。
【図３】（Ａ）は、図１のガスセンサユニットが備えるヒータに通電したときの触媒焼結体（触媒層）表面の温度分布を模式的に示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＸ−Ｘ線に沿う温度分布を模式的に示す図である。
【図４】図１のガスセンサユニットの変形例の構成を示す部分拡大図である。
【図５】図１のガスセンサユニットを備えるガス濃度検出装置の構成図である。
【図６】（Ａ）、（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ、従来の接触燃焼式ガスセンサの平面図、背面図、及び、平面図におけるＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図７】（Ａ）は、図６の接触燃焼式ガスセンサが備えるヒータに通電したときの触媒層表面の温度分布を模式的に示す図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＹ−Ｙ線に沿う温度分布を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明に係る接触燃焼式ガスセンサの一実施形態としてのガスセンサユニットについて、図１〜４の図面を参照して以下に説明する。
【００１９】
ガスセンサユニット１５は、図１に示すように、基板４１と、基板４１上にそれぞれ隣り合うように配設された感応素子１１、補償素子１２と、を備えている。
【００２０】
基板４１は、所定の結晶方位を有するシリコン単結晶からなる、厚さ４００μｍ程度の長方形板状の部材であり、その一方の平面（以下、上面という）に重ねて形成された多層絶縁膜４８と、その他方の平面（以下、下面という）に設けられた２つの開口部４６、４７と、を有している。
【００２１】
多層絶縁膜４８は、例えば、基板４１の上面に重ねて形成された酸化シリコン膜（ＳｉＯ2）４８ｃと、この酸化シリコン膜４８ｃに重ねて形成された窒化シリコン（ＳｉＮ）膜４８ｂと、この窒化シリコン膜４８ｂに重ねて形成された酸化ハフニウム（ＨｆＯ2）膜４８ａと、で構成されている。これらの絶縁膜は、例えば、ＰＶＤ（Ｐｈｉｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；物理蒸着）処理や、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏ；化学蒸着）処理等により基板４１に順次重ねて成膜されている。本実施形態において、酸化ハフニウム膜４８ａの厚さが３０ｎｍ程度、窒化シリコン膜４８ｂの厚さが２５０ｎｍ程度、酸化シリコン膜４８ｃの厚さが６００ｎｍ程度に形成されている。多層絶縁膜４８（即ち、基板４１の一方の平面）は、請求項中の平面に相当する。
【００２２】
開口部４６、４７は、異方性エッチングなどにより、基板４１を下面側から多層絶縁膜４８に至るまで掘り下げて形成された凹部である。この開口部４６、４７を形成することにより、多層絶縁膜４８からなるダイヤフラムＤｓ、Ｄｒが形成される。
【００２３】
感応素子１１は、ヒータ４２と、端子５１、５２と、触媒層としての触媒焼結体４３と、を有している。
【００２４】
ヒータ４２は、ダイヤフラムＤｓの上面（開口部４６と反対側の面）に設けられた白金線であって、通電することにより発熱するとともに、その温度に応じて自らの抵抗値が変化する部材である。ヒータ４２は、その一方の端部から、渦巻き状に巻いて内側に向かい、そして、中心部で折り返して、同様に渦巻き状に巻いて外側に向かい、この渦巻き状部分を挟んで上記一方の端部に対向するように配置された他方の端部に至るように配線されている。また、ヒータ４２は、その全長にわたり厚みが均一（２５０ｎｍ程度）で、且つ、その線幅が、渦巻きの外側から内側に向かうにしたがい徐々に大きくなるように（例えば、１２〜１８μｍ程度）形成されている。換言すると、ヒータ４２は、その断面積が、渦巻きの外側から内側に向かうにしたがい徐々に大きくなるように形成されている。
【００２５】
一般的に、導体の電気抵抗Ｒ［Ω］は、導体の長さをＬ［ｍ］、導体の断面積をＳ［ｍ2］、抵抗率をρ、とすると、次の式で表される。
Ｒ＝ρ（Ｌ／Ｓ）［Ω］
【００２６】
この式から明らかなように、導体は断面積が大きくなると抵抗値が低下するので、上記ヒータ４２は、渦巻きの外側から内側に向かうにしたがい、単位長さ当たりの抵抗値が徐々に低下し、即ち、ヒータ４２の中心に近い部分の単位長さ当たりの抵抗値が、ヒータ４２の中心から遠い部分の単位長さ当たりの抵抗値より低くなるように、ヒータ４２が形成されている。
【００２７】
なお、本実施形態では、ヒータ４２の線幅が、渦巻きの外側から内側に向かうにしたがい徐々に大きくなるように形成されているが、これに限定するものではなく、例えば、ヒータ４２が、その全長にわたり線幅が均一で、且つ、その厚みが、渦巻きの外側から内側に向かうにしたがい徐々に大きくなるように形成されている、又は、ヒータ４２の材料に含まれる電気抵抗性不純物が、渦巻きの外側から内側に向かうにしたがって徐々に少なくなるなど、ヒータ４２の中心に近い部分の単位長さ当たりの抵抗値が、ヒータ４２の中心から遠い部分の単位長さ当たりの抵抗値より低くなるように、ヒータ４２が形成されていれば、その構成は任意である。また、本実施形態では、ヒータ４２として白金を用いているが、これに限定するものではなく、例えば、タングステンなどの、抵抗温度係数が大きく、高温まで安定な金属又は化合物等であればどのようなものを用いても良い。
【００２８】
端子５１、５２は、多層絶縁膜４８上に略矩形状に形成された白金膜部であり、それぞれの間にヒータ４２を挟んで対向するように配置されるとともに、端子５１がヒータ４２の一方の端部に接続され、端子５２がヒータ４２の他方の端部に接続されている。端子５１、５２は、感応素子１１を、外部の電気回路に電気的に接続するためのものである。
【００２９】
上記ヒータ４２及び端子５１、５２は、多層絶縁膜４８に対してスパッタリングを行って白金膜を形成し、さらに、この白金膜上に、ヒータ４２及び端子５１、５２の形状に沿ってフォトリソグラフィーでパターニングを行ったあと、ドライエッチングを施して不要な白金膜を取り除くことにより、互いに一体に形成されている。
【００３０】
触媒焼結体４３は、請求項の触媒層に相当し、検出対象ガスの燃焼を促す触媒としてパラジウム化合物を混合したセラミック粉体のペーストを、ヒータ４２全体を覆うように多層絶縁膜４８（ダイヤフラムＤｓ）上に１〜４０μｍ程度の厚みをもって塗布して略半球体状に形成したあと、７００℃程度に加熱して焼結させたものである。触媒焼結体４３は、その表面４３０の中央がヒータ４２の中心部４２ａに重ねて配置され且つその表面４３０の外縁がヒータ４２の周縁部４２ｂより若干外側に配置されて、ヒータ４２と同心に重なるように設けられている。触媒焼結体４３は、ヒータ４２と熱的に接続されている。なお、本実施形態においては、触媒層である触媒焼結体４３に触媒物質を混合しているが、これに限定するものではなく、たとえば、セラミック粉体のみを略半球体状に形成し、その表面に触媒物質を塗布して、触媒膜を形成するなどしてもよい。
【００３１】
補償素子１２は、ヒータ４４と、端子５３、５４と、非触媒層としての焼結体４５と、を有している。ヒータ４４は、ダイヤフラムＤｒ上に設けられている以外は、上記ヒータ４２と同一であり、また、端子５３、５４は、ヒータ４４と一体に設けられている以外は上記端子５１、５２と同一であるので、これらの詳細説明は省略する。
【００３２】
焼結体４５は、セラミック粉体のみからなるペーストを、ヒータ４４全体を覆うように多層絶縁膜４８（ダイヤフラムＤｒ）上に１〜４０μｍ程度の厚みをもって塗布して、触媒焼結体４３と同一形状の半球体状に形成したあと、７００℃程度で加熱して焼結させたものである。焼結体４５は、その表面の中央がヒータ４４の中心部に重ねて配置され且つその表面の外縁がヒータ４４の周縁部より若干外側に配置されて、ヒータ４４と同心に重なるように設けられている。焼結体４５は、ヒータ４４と熱的に接続されている。
【００３３】
感応素子１１及び補償素子１２は、検出対象ガスを含まない雰囲気中において、低温駆動及び高温駆動されたのちにそれらの温度変化が収束した定常状態では、感応素子１１のヒータ４２と補償素子１２のヒータ４４とが同一の抵抗値となるように形成されている。
【００３４】
また、感応素子１１は触媒焼結体４３を備えているとともに、補償素子１２は焼結体４５を備えている（即ち、触媒を備えていない）ので、低温駆動されると、感応素子１１では検出対象ガスが触媒焼結体４３に吸着され、その一方で、補償素子１２では検出対象ガスが焼結体４５に吸着されず、そして、高温駆動されると、感応素子１１では触媒により検出対象ガスが燃焼し、その一方で、補償素子１２では検出対象ガスが燃焼しない。即ち、感応素子１１は検出対象ガスと感応し、補償素子１２は検出対象ガスと感応しない。
【００３５】
以上、説明したように、本実施形態によれば、触媒焼結体４３がこのヒータ４２と同心に重ねられているとともに、ヒータ４２の中心に近い部分の単位長さ当たりの抵抗値が、ヒータ４２の中心から遠い部分の単位長さ当たりの抵抗値より低くなるように、ヒータ４２が形成されており、つまり、ヒータ４２における触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値が、触媒焼結体４３の表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値より低くなるように、ヒータ４２が形成されている。
【００３６】
次に、上述したガスセンサユニット１５の本発明に係る作用について、図３（Ａ）、（Ｂ）を参照して説明する。感応素子１１のヒータ４２は、触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値が、触媒焼結体４３の表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値より低くなるように、形成されている。そして、ヒータ４２の発熱量Ｐは、電流Ｉの２乗に抵抗値Ｒを乗じた値で示される（Ｐ＝Ｉ2Ｒ）ことから、単位長さ当たりの抵抗値が低くなるとその発熱量も小さくなり、そのため、このヒータ４２に通電すると、触媒焼結体４３の表面４３０の中央付近の温度が触媒焼結体４３の表面４３０の周縁付近の温度より高くならずに、触媒焼結体４３の表面４３０全体が均一の温度となる。
【００３７】
これにより、例えば、ガスセンサユニット１５の感応素子１１が備えるヒータ４２に、触媒焼結体４３の表面温度が吸着温度になるように通電（低温駆動）すると、触媒焼結体４３の表面４３０全体が均一に吸着温度になり、また同様に、触媒焼結体４３の表面温度が燃焼温度になるように通電（高温駆動）すると、触媒焼結体４３の表面４３０全体が均一に燃焼温度になる。そのため、触媒焼結体４３の表面４３０全体で検出対象ガスを吸着するとともに、表面４３０全体で検出対象ガスを燃焼する。つまり、ヒータ４２が駆動されたときに触媒焼結体４３の表面４３０の温度が均一になるように、ヒータ４２は、触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分のダイヤフラムＤｓ（即ち、ヒータが配線された平面）における単位面積当たりの発熱量が、触媒焼結体４３の表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の前記単位面積当たりの発熱量より小さく形成されている。
【００３８】
以上より、本発明によれば、ヒータ４２における触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値が、触媒焼結体４３の表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値より低くなるように、ヒータ４２が形成されているので、ヒータ４２の発熱量Ｐは、電流Ｉの２乗に抵抗値Ｒを乗じた値で示される（Ｐ＝Ｉ2Ｒ）ことから、単位長さ当たりの抵抗値が低くなるとその発熱量も小さくなり、そのため、触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線されたヒータ４２の単位面積当たりの発熱量が、触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線されたヒータ４２の単位面積当たりの発熱量より小さくなり、触媒焼結体４３の表面４３０の中央付近の温度が触媒焼結体４３の表面４３０の周縁付近の温度より高くなることを防ぐことができる。したがって、触媒焼結体４３の表面４３０における温度ムラの発生を防いで触媒焼結体４３の表面４３０の温度を均一にすることができ、これにより、触媒焼結体４３の表面４３０の温度がより高く又はより低くなるようにヒータ４２を駆動することなく触媒焼結体４３の表面４３０における検出対象ガスが燃焼する領域を広げて、検出対象ガスの燃焼量を増加させることができ、感度を向上させることができる。
【００３９】
また、ヒータ４２は、触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分の線幅が、触媒焼結体４３の表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の線幅より大きくなるように形成されているので、形成容易な形状であり、そのため、ガスセンサユニット１５を容易に製造することができる。
【００４０】
本実施形態において、ヒータ４２における触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値が、触媒焼結体４３の表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の単位長さ当たりの抵抗値より低くなるように、ヒータ４２が形成されているものであったが、このように限定されるものではない。例えば、図４に示すガスセンサユニット１５Ａの感応素子１１Ａは、上述したヒータ４２に代えて、触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分の配線密度が、触媒焼結体４３の表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の配線密度より低くなるように形成された、ヒータ４２Ａが設けられている。
【００４１】
このガスセンサユニット１５Ａによれば、ヒータ４２Ａにおける触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分の配線密度が、触媒焼結体４３の表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の配線密度より低くなるように、ヒータ４２Ａが形成されているので、ヒータ４２Ａにおける触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分の配線間隔を、触媒焼結体４３の表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の配線間隔より広げることにより、触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線されたヒータ４２の単位面積当たりの発熱量が、触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線されたヒータ４２の単位面積当たりの発熱量より小さくなり、触媒焼結体４３の表面４３０の中央付近の温度が触媒焼結体４３の表面４３０の周縁付近の温度より高くなることを防ぐことができる。したがって、触媒焼結体４３の表面４３０における温度ムラの発生を防いで触媒焼結体３２の表面４３０の温度を均一にすることができ、これにより、触媒焼結体４３の表面４３０の温度がより高く又はより低くなるようにヒータ４２Ａを駆動することなく触媒焼結体４３の表面４３０における検出対象ガスが燃焼する領域を広げて、検出対象ガスの燃焼量を増加させることができ、感度を向上させることができる。また、ヒータ４２Ａが形成容易な形状なので、ガスセンサユニット１５Ａを容易に製造することができる。
【００４２】
または、上述したヒータ４２及び４２Ａの形状をそれぞれ組み合わせて、感応素子１１のヒータの形状としてもよい。具体的には、ヒータにおける触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分の断面積（即ち、線幅、厚み、又は、線幅及び厚み）が、表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の断面積より大きくなるように、且つ、ヒータにおける触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分の配線密度が、表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の配線密度より低くなるように、形成されているなど、ヒータ４２が駆動されたときに触媒焼結体４３の表面４３０の温度が均一になるように、ヒータ４２は、触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量が、触媒焼結体４３の表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量より小さく形成されているのであれば、このヒータの形状は任意である。なお、図１（Ａ）、図２、図４においては、説明の便宜上、触媒焼結体４３及び焼結体４５を透過して各ヒータを記載している。
【００４３】
次に、上述したガスセンサユニット１５を備えるガス濃度検出装置を、図５を参照して説明する。このガス濃度検出装置は、上述したガスセンサユニット１５を備えるとともに、該ガスセンサユニット１５を吸着燃焼式ガスセンサとして用いるものである。
【００４４】
ガス濃度検出装置１は、図５に示すように、ブリッジ回路２と、電圧供給源５と、計装アンプ６と、Ａ／Ｄコンバータ７と、マイクロコンピュータ６０と、図示しない気体収容室と、図示しない表示装置と、を備えている。
【００４５】
ブリッジ回路２は、第１固定抵抗器１３と、第２固定抵抗器１４と、上述したガスセンサユニット１５と、を備えている。そして、第２固定抵抗器１４と感応素子１１とを互いに直列接続することでセンサ回路部１０を構成し、第１固定抵抗器１３と補償素子１２とを互いに直列接続することでレファレンス回路部２０を構成している。また、センサ回路部１０とレファレンス回路部２０とを互いに並列接続することでブリッジ回路２を構成している。ブリッジ回路２における第１固定抵抗器１３と第２固定抵抗器１４とを接続する信号線は、電圧供給源５に接続されている。ブリッジ回路２における感応素子１１と補償素子１２とを接続する信号線は接地点（ＧＮＤ）に接続されている。
【００４６】
ガスセンサユニット１５が備える感応素子１１及び補償素子１２は、検出対象ガスを含む雰囲気中において、低温駆動されたのちに高温駆動されると、感応素子１１に吸着した検出対象ガスが爆発的に燃焼する。すると、この燃焼エネルギーにより感応素子１１の温度が補償素子１２の温度より高くなり、感応素子１１と補償素子１２とのそれぞれに検出対象ガスの濃度に応じた温度差が生じて、この温度差によって感応素子１１のヒータ４２と補償素子１２のヒータ４４との抵抗値に差が生じる。この抵抗値の差が、第２固定抵抗器１４及び感応素子１１間（即ち、センサ回路部１０の中点）と第１固定抵抗器１３及び補償素子１２間（即ち、レファレンス回路部２０の中点）との間、つまり、ブリッジ回路２における一対の中点間に、電位差として現れる。この一対の中点間の電位差を「中点電位差Ｖｃ」といい、この中点電位差Ｖｃに基づいてガス濃度が検出される。この中点電位差Ｖｃが、ガスセンサユニット１５の出力となる。
【００４７】
ガスセンサユニット１５は、図示しない気体収容室内に設置されている。この気体収容室には、検出対象ガスの濃度を検出する雰囲気（被検ガス）が、後述するマイクロコンピュータ６０の制御によって充填される。
【００４８】
第１固定抵抗器１３及び第２固定抵抗器１４は、予め定められた固定値の電気抵抗を生じる周知の電子部品である。第１固定抵抗器１３及び第２固定抵抗器１４は、複数の固定抵抗器を直列、並列、または、直列及び並列に組み合わせて構成してもよく、或いは、ガス濃度測定時に抵抗値を固定して用いるものであれば、例えば、平衡調整のためなどに抵抗値を変更できる、可変抵抗器であってもよい。第１固定抵抗器１３及び第２固定抵抗器１４は、検出対象ガスを含まない雰囲気中において、これら第１固定抵抗器１３、第２固定抵抗器１４及びガスセンサユニット１５で構成されたブリッジ回路２に電圧供給源５によって高温駆動電圧が供給されたときに、感応素子１１の温度及び補償素子１２の温度の変化が収束した定常状態で平衡となるように、即ち、一対の中点間に生じる中点電位差Ｖｃが０となるように、それぞれの抵抗値が定められている。本実施形態においては、第１固定抵抗器１３の抵抗値が２００Ω、第２固定抵抗器１４の抵抗値が２００Ωに設定されている。
【００４９】
感応素子１１の抵抗値をＲｓ、補償素子１２の抵抗値をＲｒ、第１固定抵抗器１３の抵抗値をＲ１、第２固定抵抗器１４の抵抗値をＲ２、ブリッジ回路２への供給電圧をＶｂｒｇ、とすると、上記中点電位差Ｖｃは、以下の式で表される。
【００５０】
Ｖｃ＝（（Ｒｓ／（Ｒ２＋Ｒｓ））−（Ｒｒ／（Ｒ１＋Ｒｒ）））×Ｖｂｒｇ
【００５１】
電圧供給源５は、ブリッジ回路２に所定の電圧を供給する電圧供給回路である。電圧供給源５は、後述するＭＰＵ６０に接続されるとともに、該ＭＰＵ６０からの電圧制御信号に応じて、感応素子１１の温度が検出対象ガスを吸着する低温（吸着温度、例えば、２００度）となる低温駆動電圧、及び、感応素子１１の温度が感応素子１１に吸着した検出対象ガスを燃焼させる高温（燃焼温度、例えば、４００度）となる高温駆動電圧、などのパルス状の供給電圧Ｖｂｒｇをブリッジ回路２に供給する。即ち、低温駆動制御として上記低温駆動電圧を供給し、高温駆動制御として上記高温駆動電圧を供給する。また、本実施形態では、電圧供給源によって電圧を供給して、接触燃焼式ガスセンサとしてのガスセンサユニット１５を駆動するものであるが、これに限らず、例えば、電流源などによって感応素子の温度が上記低温又は上記高温になるような電流を通電して、ガスセンサユニット１５を駆動するものであってもよい。
【００５２】
計装アンプ６は、差動入力・シングルエンド出力の平衡入力アンプであり、同相信号除去比（ＣＭＲＲ）を大きくとれるという特徴を有する周知の増幅器である。計装アンプ６は、それぞれ高インピーダンスの一対の差動入力端子に入力された信号の電位差を、所定の増幅率で増幅して出力する。計装アンプ６の差動入力端子の一方（Ｖ＋）には、センサ回路部１０の第２固定抵抗器１４及び感応素子１１間（中点）の信号線が接続されており、他方（Ｖ−）には、レファレンス回路部２０の第１固定抵抗器１３及び補償素子１２間（中点）の信号線が接続されている。つまり、計装アンプ６は、センサ回路部１０の中点の電位（以下、「第１電圧Ｖ１」という）と、レファレンス回路部２０の中点の電位（以下、「第２電圧Ｖ２」という）と、が入力されて、これら第１電圧Ｖ１と第２電圧Ｖ２の電位差（即ち、中点電位差Ｖｃ）を、所定の増幅率で増幅して出力端子から出力する。
【００５３】
Ａ／Ｄコンバータ７は、入力されたアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する周知のアナログ−デジタル変換器である。Ａ／Ｄコンバータ７の入力部には、計装アンプ６において増幅された中点電位差Ｖｃが入力される。また、Ａ／Ｄコンバータ７の出力部は、ＭＰＵ６０に接続されており、デジタル信号に変換された中点電位差ＶｃがＭＰＵ６０に向けて出力される。
【００５４】
マイクロコンピュータ（ＭＰＵ）６０は、周知のように、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）６１、ＣＰＵ６１のためのプログラムや各種パラメータを格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ６２、各種データを格納するとともにＣＰＵ６１の処理作業に必要な領域を有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ６３、及び、電力供給が断たれた場合でも、格納された各種データの保持が可能であり、ＣＰＵ６１の処理作業に必要な各種格納エリアを有するＥＥＰＲＯＭ６４等を備えている。
【００５５】
ＲＯＭ６２には、ＣＰＵ６１を、低温駆動手段、高温駆動手段、出力測定手段、ガス濃度検出手段などの各種手段として機能させるプログラムが予め記憶されている。ＣＰＵ６１は、ＲＯＭ６２に格納された各種プログラムを実行することにより、これら手段等として機能する。
【００５６】
ＭＰＵ６０は、図示しない入出力ポートや各種インタフェース機能を備えた外部接続部をさらに備えている。ＭＰＵ６０は、この外部接続部を介して、Ａ／Ｄコンバータ７及び電圧供給源５と接続されている。ＭＰＵ６０は、Ａ／Ｄコンバータ７からデジタル信号に変換された中点電位差Ｖｃを受信して、この中点電位差Ｖｃに基づいて、ガス濃度を検出する。ＭＰＵ６０は、処理に応じて、例えば、所定の低温駆動時間（吸着時間、非吸着時間）にわたって低温駆動電圧を供給（即ち、低温駆動制御）した後、所定の高温駆動時間（吸着燃焼時間、接触燃焼時間）にわたって高温駆動電圧を供給（即ち、高温駆動制御）するように、電圧供給源５に向けて電圧制御信号を送信する。
【００５７】
また、ＭＰＵ６０は、この外部接続部を介して、図示しない表示装置に接続されており、例えば、検出した検出対象ガスの濃度に関する情報を含む表示制御信号を、該表示装置に向けて送信する。そして、表示装置は、この表示制御信号に応じた情報、即ち、検出対象ガスの濃度などを表示する。また、ＭＰＵ６０は、この外部接続部を介して、ポンプなどを備えた気体収容室に接続されており、処理に応じて各種気体を該気体収容室に充填する。
【００５８】
次に、上述したガス濃度検出装置１における、ガス濃度検出動作の一例を説明する。
【００５９】
ガス濃度検出装置１は、気体収容室に被検ガスを充填した後、感応素子１１の温度が検出対象ガスを吸着する低温（吸着温度）となる低温駆動電圧を、該感応素子１１に検出対象ガスが吸着する所定の吸着時間にわたって供給し、続いて、感応素子１１の温度が検出対象ガスを燃焼する高温（燃焼温度）となる高温駆動電圧を、該感応素子１１に吸着した検出対象ガスが燃焼する所定の吸着燃焼時間にわたって供給し、このときの吸着燃焼時間におけるガスセンサユニット１５の出力の積分値（吸着燃焼積分値）を計測する。
【００６０】
続いて、上記低温駆動電圧を、該感応素子１１に検出対象ガスが吸着しない所定の非吸着時間（非吸着時間は吸着時間より短い）にわたって供給し、続いて、上記高温駆動電圧を、所定の接触燃焼時間（吸着燃焼時間と同じ長さ）にわたって供給し、このときの接触燃焼時間におけるガスセンサユニット１５の出力の積分値（接触燃焼積分値）を計測する。
【００６１】
そして、上記吸着燃焼積分値から上記接触燃焼積分値を差し引いた値をガス検出値（吸着ピーク積分値）として算出して、このガス検出値である吸着ピーク積分値と、予備計測などによって予め取得した吸着ピーク積分値と検出対象ガスの濃度との関係情報と、に基づいて、検出対象ガスの濃度を求める。
【００６２】
なお、感応素子に検出対象ガスが吸着するためには、相応の時間が必要である。そして、上述した感応素子に検出対象ガスが吸着する吸着時間とは、感応素子に検出対象ガスが吸着するのに十分な長さの時間のことであり、また、感応素子に検出対象ガスが吸着しない非吸着時間とは、上記吸着時間に満たない、感応素子に検出対象ガスが吸着するのに不十分な長さの時間のことである。
【００６３】
このように、検出対象ガスを吸着させたときの吸着燃焼出力（吸着燃焼積分値）から検出対象ガスを吸着させないときの接触燃焼出力（接触燃焼積分値）を差し引くことで、吸着した検出対象ガスに係るピーク出力のみをとりだすことができるので、検出対象ガスの吸着燃焼に係る特徴をより明確に得ることができる。
【００６４】
以上より、ガス濃度検出装置１によれば、ガスセンサユニット１５の感応素子１１が備えるヒータ４２が駆動されたときに触媒焼結体４３の表面４３０の温度が均一になるように、ヒータ４２は、触媒焼結体４３の表面４３０の中央に近い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量が、触媒焼結体４３の表面４３０の中央から遠い箇所に配線された部分の単位面積当たりの発熱量より小さく形成されているので、触媒焼結体４３の表面４３０における温度ムラの発生を防ぐことができ、そのため、触媒焼結体４３の表面４３０の温度がより高くなるようにヒータ４２を駆動することなく、触媒焼結体４３の表面４３０における検出対象ガスが燃焼する領域を広げて、検出対象ガスの燃焼量を増加させることができ、感度を向上させることができる。
【００６５】
上述したガス濃度検出装置１では、吸着燃焼式ガスセンサとしてのガスセンサユニット１５を備えるものであったが、これに限らず、非吸着燃焼を行う接触燃焼式ガスセンサを備えるものであってもよい。但し、この接触燃焼式ガスセンサの場合は、吸着燃焼しないので、吸着燃焼積分値は計測せずに上記接触燃焼積分値のみ計測して、この接触燃焼積分値から検出対象ガスの濃度を検出するようにする。
【００６６】
また、上述したガス濃度検出装置１では、検出対象ガスの濃度を検出するものであったが、これに限らず、成分不明の被検ガスに含まれるガスの種別を検出するガス種別検出装置など、他の種類のガス検出装置に適用してもよい。
【００６７】
なお、前述した実施形態は本発明の代表的な形態を示したに過ぎず、本発明は、実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の骨子を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。
【符号の説明】
【００６８】
１    ガス濃度検出装置（ガス検出装置）
２    ブリッジ回路
５    電圧供給源
６    計装アンプ
１１  感応素子
１２  補償素子
１５  ガスセンサユニット（接触燃焼式ガスセンサ、吸着燃焼式ガスセンサ）
４２、４４  ヒータ
４３  触媒焼結体（触媒層）
４５  焼結体
６０  ＭＰＵ
６１  ＣＰＵ
【図１】
0005436147.tif 000002
【図２】
0005436147.tif 000003
【図３】
0005436147.tif 000004
【図４】
0005436147.tif 000005
【図５】
0005436147.tif 000006
【図６】
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【図７】
0005436147.tif 000008