(57)【要約】【課題】基板の温度勾配を小さくすることができるとともに、構造を簡素化することが可能な半導体式ガスセンサを提供する。【解決手段】この半導体式ガスセンサ１００は、基板１と、基板１上に配置され、被検知ガスに接触する感応部２と、基板１上に配置され、感応部２を加熱する第１ヒータ３および第２ヒータ４と、を備え、第２ヒータ４は、検知電極として機能するように構成されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に配置され、被検知ガスに接触する感応部と、
前記基板上に配置され、前記感応部を加熱する複数のヒータと、を備え、
前記ヒータは、検知電極として機能するように構成されている、半導体式ガスセンサ。
【請求項２】
前記感応部は、１つ設けられており、
前記複数のヒータは、１つの前記感応部に対して形成されている、請求項１に記載の半導体式ガスセンサ。
【請求項３】
前記基板は、表面上に前記ヒータが形成される絶縁膜を含む、請求項１または２に記載の半導体式ガスセンサ。
【請求項４】
前記複数のヒータには、それぞれの一端および他端に接続される給電線が設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体式ガスセンサ。
【請求項５】
前記基板は、前記複数のヒータおよび前記感応部が配置される配置部を含み、
前記複数のヒータは、前記給電線が接続される第１接続部を有する第１ヒータと、前記給電線が接続される第２接続部を有する第２ヒータとを含み、
前記第１接続部および前記第２接続部は、前記配置部の互いに対向する縁部近傍に配置され、
前記第１ヒータおよび前記第２ヒータは、それぞれ、少なくとも、前記第１接続部および前記第２接続部から給電されるように構成されている、請求項４に記載の半導体式ガスセンサ。
【請求項６】
前記複数のヒータに対して、電圧を印加する印加手段をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体式ガスセンサ。
【請求項７】
前記印加手段は、前記複数のヒータに対して、互いに重ならない異なるタイミングにより、パルス電圧を印加するように構成されている、請求項６に記載の半導体式ガスセンサ。
【請求項８】
基板上に、複数のヒータを備える半導体式ガスセンサのガス検知方法において、
前記複数のヒータにより感応部を加熱するステップと、
前記複数のヒータにより加熱された前記感応部の電気抵抗の変化に基づいて、検知電極として機能する前記ヒータにより被検知ガスを検知するステップとを備える、ガス検知方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、半導体式ガスセンサおよびガス検知方法に関し、特に、感応部を備える半導体式ガスセンサおよび感応部を用いるガス検知方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、感知物質（感応部）を備える半導体式ガスセンサが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
上記特許文献１には、基板と、基板上に配置される感知物質（感応部）と、基板上に配置され、感応部を加熱する複数のヒータと、複数のヒータから離間して基板上に配置される感知電極（検知電極）とを備える半導体式ガスセンサが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第６００１１２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、従来より、感応部を備える半導体式ガスセンサの分野では、ヒータの感応部に覆われる正極側の部分が、ヒータの感応部に覆われる負極側の部分よりも高温になり、ヒータが配置される基板に温度勾配が生じることが知られている。また、基板の温度勾配が大きくなると、基板にひずみが生じ、半導体式ガスセンサの機械的強度が劣化することが知られている。そのため、基板の温度勾配を小さくすることが望まれている。この点、上記特許文献１に開示された半導体式ガスセンサでは、複数のヒータを備えているため、複数のヒータにより基板上の複数箇所から感応部を加熱することによって、基板の温度勾配を小さくすることが可能である。
【０００６】
しかしながら、上記特許文献１に開示された半導体式ガスセンサでは、ヒータと感知電極（検知電極）とが別個に設けられているため、構造が複雑化しているという問題点がある。そのため、構造を簡素化するとともに、基板の温度勾配を小さくすることが望まれている。
【０００７】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、基板の温度勾配を小さくすることができるとともに、構造を簡素化することが可能な半導体式ガス検知素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明の第１の局面による半導体式ガスセンサは、基板と、基板上に配置され、被検知ガスに接触する感応部と、基板上に配置され、感応部を加熱する複数のヒータと、を備え、ヒータは、検知電極として機能するように構成されている。
【０００９】
この発明の第１の局面による半導体式ガスセンサでは、上記のように、感応部を加熱し、検知電極として機能する複数のヒータを設ける。これにより、基板上の複数のヒータにより、基板上の複数箇所から感応部を加熱することができるので、基板の温度勾配を小さくすることができる。また、ヒータが検知電極としても機能するので、ヒータと検知電極とを別々に設ける場合よりも構造を簡素化することができる。以上により、基板の温度勾配を小さくすることができるとともに、構造を簡素化することができる。
【００１０】
上記第１の局面による半導体式ガスセンサにおいて、好ましくは、感応部は、１つ設けられており、複数のヒータは、１つの感応部に対して形成されている。このように構成すれば、構造を簡素化することができる。
【００１１】
上記第１の局面による半導体式ガスセンサにおいて、好ましくは、基板は、表面上にヒータが形成される絶縁膜を含む。このように構成すれば、絶縁膜により基板とヒータとを容易に電気的に絶縁することができる。
【００１２】
上記第１の局面による半導体式ガスセンサにおいて、好ましくは、複数のヒータには、それぞれの一端および他端に接続される給電線が設けられている。このように構成すれば、給電線ごとに独立して電源部に接続することが可能になるので、各給電線を介して、複数のヒータごとに異なるタイミングで給電を行うことができる。
【００１３】
上記第１の局面による半導体式ガスセンサにおいて、好ましくは、基板は、複数のヒータおよび感応部が配置される配置部を含み、複数のヒータは、給電線が接続される第１接続部を有する第１ヒータと、給電線が接続される第２接続部を有する第２ヒータとを含み、第１接続部および第２接続部は、配置部の互いに対向する縁部近傍に配置され、第１ヒータおよび第２ヒータは、それぞれ、少なくとも、第１接続部および第２接続部から給電されるように構成されている。このように構成すれば、第１ヒータに給電する第１接続部、および、第２ヒータに給電する第２接続部が、配置部の互いに対向する縁部近傍に配置されるので、配置部上において、第１接続部と第２接続部とが近傍に配置される場合と比較して、基板の温度勾配をより小さくすることができる。
【００１４】
上記第１の局面による半導体式ガスセンサにおいて、好ましくは、複数のヒータに対して、電圧を印加する印加手段をさらに備える。このように構成すれば、印加手段により、複数のヒータにそれぞれ電圧を印加して感応部を加熱することができる。
【００１５】
この場合において、好ましくは、印加手段は、複数のヒータに対して、互いに重ならない異なるタイミングにより、パルス電圧を印加するように構成されている。このように構成すれば、印加手段は、複数のヒータに対して互いに重ならない異なるタイミングによりパルス電圧を印加するので、互いに重なるタイミングでパルス電圧を印加する場合と比較して、最大消費電力を小さくすることができる。このため、電池などの電源部により給電を行う場合には、電源部を小型化することができる。
【００１６】
この発明の第２の局面によるガス検知方法は、基板上に、検知電極として機能する複数のヒータを備える半導体式ガスセンサのガス検知方法において、複数のヒータにより感応部を加熱するステップと、複数のヒータにより加熱された感応部の電気抵抗の変化に基づいて、検知電極として機能するヒータにより被検知ガスを検知するステップとを備える。
【００１７】
この発明の第２の局面によるガス検知方法では、上記のように、検知電極として機能する複数のヒータにより感応部を加熱するステップを設ける。これにより、基板上の複数のヒータにより、基板上の複数箇所から感応部を加熱することができるので、基板の温度勾配を小さくすることができる。また、ヒータが検知電極としても機能するので、ヒータと検知電極とを別々に設ける場合よりもガス検知素子の構造を簡素化することができる。以上により、基板の温度勾配を小さくすることができるとともに、ガス検知素子の構造を簡素化することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、上記のように、基板の温度勾配を小さくすることができるとともに、構造を簡素化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の一実施形態による半導体式ガスセンサの全体構成を示した分解斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態による半導体式ガスセンサの第１ヒータおよび第２ヒータを示した平面図である。
【図３】図２の５００−５００線に沿った断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による半導体式ガスセンサの回路図である。
【図５】本発明の一実施形態による半導体式ガスセンサによる電圧印加パターンを示した図である。
【図６】本発明の一実施形態による半導体式ガスセンサによる電圧印加パターンの他の例を示した図である。
【図７】本発明の実施例および比較例に用いる感応部を備えない半導体式ガスセンサの第１ヒータおよび第２ヒータを示した平面図である。
【図８】比較例による半導体式ガスセンサの熱耐久性を確認する加速試験の結果について説明するためのグラフである。
【図９】本発明の実施例による半導体式ガスセンサの熱耐久性を確認する加速試験の結果について説明するためのグラフである。
【図１０】本発明の一実施形態の第１変形例による半導体式ガスセンサの回路図である。
【図１１】本発明の一実施形態の第２変形例による半導体式ガスセンサの回路図である。
【図１２】本発明の一実施形態の第１および第２変形例による半導体式ガスセンサによる第１の電圧印加パターンを示した図である。
【図１３】本発明の一実施形態の第１および第２変形例による半導体式ガスセンサによる第２の電圧印加パターンを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を具現化した実施形態を図面に基づいて説明する。
【００２１】
図１〜図６を参照して、本発明の一実施形態による半導体式ガスセンサ１００の構成について説明する。
【００２２】
（半導体式ガスセンサの構成）
図１に示すように、半導体式ガスセンサ１００は、ガス検知素子１００ａと、ガス検知素子１００ａに電圧を印加する印加手段１００ｂとを備えている。ガス検知素子１００ａは、基板１と、感応部２と、感応部２を加熱する複数のヒータとを備えている。複数のヒータは、第１ヒータ３と、第２ヒータ４とを含んでいる。第１ヒータ３および第２ヒータ４は、特許請求の範囲の「ヒータ」の一例である。
【００２３】
半導体式ガスセンサ１００のガス検知素子１００ａは、超微細構造の電子部品の製造技術であるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により形成されている。すなわち、ガス検知素子１００ａは、半導体製造プロセスなどに基づき形成される極めて小型の素子（ＭＥＭＳセンサ）である。ガス検知素子１００ａに含まれる基板１の後述する被支持部１１ａ（図２参照）は、たとえば、一辺の大きさＬが約０．１ｍｍの矩形（略正方形）の平板形状を有している。なお、被支持部１１ａは、特許請求の範囲の「配置部」の一例である。
【００２４】
ガス検知素子１００ａは、印加手段１００ｂに接続され、印加手段１００ｂにより電圧が印加される（電流が供給される）ように構成されている。印加手段１００ｂは、所定時間毎（１つの周期）の一部の期間内に、ガス検知素子１００ａに対して電圧を印加するように構成されている。たとえば、印加手段１００ｂは、３０秒毎に（３０秒周期で）約０．１秒だけガス検知素子１００ａにパルス電流を供給するように構成されている。
【００２５】
（基板の構成）
図１に示すように、基板１は、基板１の一方表面側に設けられる絶縁膜１１と、絶縁膜１１を接触状態で支持する支持基板部１２とを含んでいる。絶縁膜１１は、たとえば、二酸化ケイ素により形成されている。支持基板部１２は、たとえば、シリコン（ケイ素）を主成分とする材料により形成されている。
【００２６】
絶縁膜１１は、矩形状の被支持部１１ａと、被支持部１１ａを支持する支持部１１ｂと、被支持部１１ａおよび支持部１１ｂを囲むように配置される枠部１１ｃとを含んでいる。被支持部１１ａには、支持部１１ｂの一端が接続されている。また、支持部１１ｂの他端は、枠部１１ｃに接続されている。被支持部１１ａ、支持部１１ｂおよび枠部１１ｃは、一体的に形成されている。
【００２７】
ここで、以下の説明では、基板１の厚み方向をＡ方向とし、Ａ方向のうち支持基板部１２から絶縁膜１１に向かう方向をＡ１方向とし、Ａ１方向の逆方向をＡ２方向とする。また、図２に示すように、Ａ方向に直交し、基板１の被支持部１１ａの互いに対向する一対の一方端面１０ａが延びる方向をＢ方向とする。また、Ａ方向に直交し、基板１の被支持部１１ａの互いに対向する一対の他方端面１０ｂが延びる方向をＣ方向とする。すなわち、Ａ方向およびＢ方向に直交する方向をＣ方向とする。なお、Ｂ方向およびＣ方向は、基板１の表面に沿った方向である。
【００２８】
図１に示すように、被支持部１１ａには、一方表面側（以下に説明するＡ１方向側）に、感応部２と、第１ヒータ３および第２ヒータ４とが、被支持部１１ａに対して接触状態で配置されている。また、被支持部１１ａは、平面視において（Ａ方向から見て）、矩形形状を有している。支持基板部１２には、被支持部１１ａが設けられた範囲、および、被支持部１１ａが設けられた範囲を囲む所定範囲において、Ａ２方向に窪む凹部１２ａが設けられている。すなわち、被支持部１１ａと支持基板部１２とは、Ａ方向に離間して配置されている。
【００２９】
複数の支持部１１ｂは、平面視において（Ａ方向から見て）、それぞれ、被支持部１１ａを中心とする同一方向（Ａ１方向側から見て反時計回り方向）に折れ曲がるＬ字形状を有している。また、支持部１１ｂは、複数（４個）設けられている。また、複数の支持部１１ｂは、それぞれの内側の一端が矩形形状の被支持部１１ａの互いに異なる隅部（角部）に接続されている。また、互いに隣接する支持部１１ｂの間には、それぞれ貫通穴１１０が設けられている。貫通穴１１０は、互いに隣接する２つの支持部１１ｂの縁部と、被支持部１１ａの縁部と、枠部１１ｃの内側の縁部とにより形成されている。また、複数の支持部１１ｂは、それぞれの外側（被支持部１１ａに接続される側とは逆側）の一端が、枠部１１ｃを介して、支持基板部１２に固定されている。複数の支持部１１ｂには、リード線３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂが、それぞれ、Ａ１方向側に接触状態で配置されている。なお、リード線３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂは、特許請求の範囲の「給電線」の一例である。
【００３０】
枠部１１ｃは、被支持部１１ａおよび支持部１１ｂを内側に配置する矩形の環状形状を有している。また、枠部１１ｃのＡ１方向側の表面には、第１ヒータ３の後述する平坦部３３ａ、３３ｂ、および、第２ヒータ４の後述する平坦部４３ａ、４３ｂが接触状態で配置されている。
【００３１】
支持基板部１２は、凹部１２ａにより、被支持部１１ａから離間して配置されている。すなわち、支持基板部１２は、複数の支持部１１ｂにより被支持部１１ａを浮いた状態で支持している。
【００３２】
（感応部の構成）
図１に示す感応部２は、金属酸化物半導体により形成されている。金属酸化物半導体の材質としては、たとえば、酸化スズや、酸化インジウム、酸化亜鉛などを用いることが可能であるが、特にこれらに限定されるものではない。感応部２は、第１ヒータ３および第２ヒータ４により加熱されることによって、感応部２に接触する雰囲気ガスに含まれる被検知ガスと反応して、抵抗値を変化させる特性を有している。半導体式ガスセンサ１００は、この感応部２の特性を利用して、被検知ガスを検知するように構成されている。
【００３３】
図２に示すように、感応部２は、第１ヒータ３の後述するヒータ部３１と、第２ヒータ４の後述するヒータ部４１との全体を被覆するように配置されている。また、感応部２は、概して、平面視において（Ａ方向から見て）、被支持部１１ａの外縁（一対の一方端面１０ａおよび一対の他方端面１０ｂ）に沿った矩形形状に形成されている。なお、図１および図２では、便宜的に、ヒータ部３１とヒータ部４１とにそれぞれハッチングを付しているが、図１および図２のハッチングは、断面を示すものではない。
【００３４】
図３に示すように、感応部２は、ヒータ部３１の上面（Ａ１側の面）およびヒータ部４１の上面（Ａ１側の面）に接触するとともに、ヒータ部３１とヒータ部４１との間の隙間に入り込むように配置（充填）されている。感応部２は、ヒータ部３１とヒータ部４１との間の隙間では、絶縁膜１１に接触している。
【００３５】
（第１ヒータおよび第２ヒータの構成）
図１に示す第１ヒータ３および第２ヒータ４の材質としては、たとえば、白金や金などを用いることが可能であるが、特にこれらに限定されるものではない。第１ヒータ３および第２ヒータ４は、最も温度が高くなる部分が、感応部２により被検知ガスを検知可能となる所定温度になるように、印加手段１００ｂにより電圧が印加（給電）される。たとえば、第１ヒータ３および第２ヒータ４は、最も温度が高くなる部分が５００℃となるように印加手段１００ｂにより電圧が印加（給電）される。また、第１ヒータ３および第２ヒータ４は、１つの感応部２に対して形成されている。つまり、第１ヒータ３および第２ヒータ４は、共通の感応部２のうちの、それぞれ異なる部分に設けられている。また、第１ヒータ３および第２ヒータは、少なくとも一方が検知電極として機能するように構成されている。なお、接続部Ｄ１は、特許請求の範囲の「第１接続部」の一例である。また、接続部Ｅ１は、特許請求の範囲の「第２接続部」の一例である。
【００３６】
第１ヒータ３は、ヒータ部３１と、リード線３２ａおよび３２ｂと、平坦部３３ａおよび３３ｂとを含んでいる。ヒータ部３１と、リード線３２ａおよび３２ｂと、平坦部３３ａおよび３３ｂとは、薄板状の金属層として一体的に形成されている。第１ヒータ３は、絶縁膜１１上（Ａ１方向側の表面上）に、絶縁膜１１と接触状態で配置されている。
【００３７】
図２に示すように、ヒータ部３１は、所定パターンの線状（ライン状）形状に形成されている。詳細には、ヒータ部３１は、Ｂ方向およびＣ方向に交互に蛇行する蛇行形状（ミアンダ形状）を有している。また、ヒータ部３１は、リード線３２ａおよび３２ｂよりも細く形成されており、リード線３２ａおよび３２ｂよりも電気抵抗が大きくなるように構成されている。また、ヒータ部３１は、第１ヒータ３のうち、概して、Ａ方向において、基板１の被支持部１１ａと重なる部分である。また、ヒータ部３１は、一方端部にリード線３２ａが接続される接続部Ｄ１を有している。また、ヒータ部３１は、他方端部にリード線３２ｂが接続される接続部Ｄ２を有している。
【００３８】
リード線３２ａの接続部Ｄ１側とは逆側の端部（外側の端部）は、平坦部３３ａに接続されている。また、リード線３２ｂの接続部Ｄ２側とは逆側の端部（外側の端部）は、平坦部３３ｂ（図２参照）に接続されている。半導体式ガスセンサ１００（図１参照）は、リード線３２ａを介して接続部Ｄ１側からヒータ部３１に電流を供給（給電）するように構成されている。つまり、ヒータ部３１の接続部Ｄ１側は、印加手段１００ｂの後述する電源部５１の正極側に接続されている。また、ヒータ部３１の接続部Ｄ２側は、印加手段１００ｂの電源部５１の負極側に接続されている。また、リード線３２ａおよびリード線３２ｂは、互いに異なる支持部１１ｂ上に、支持部１１ｂに接触状態で配置されている。
【００３９】
図３に示す平坦部３３ａおよび３３ｂは、絶縁膜１１（枠部１１ｃ（図１参照））上（Ａ１方向側の表面上）に、絶縁膜１１に接触状態で配置されている。平坦部３３ａおよび３３ｂは、矩形形状を有している。平坦部３３ａおよび３３ｂは、第１ヒータ３を絶縁膜に対して固定する部分である。
【００４０】
図１に示す第２ヒータ４は、基本的に第１ヒータ３と同様の構成を備えている。このため、以下、簡単に第２ヒータ４について説明する。
【００４１】
第２ヒータ４は、ヒータ部４１と、リード線４２ａおよび４２ｂと、平坦部４３ａおよび４３ｂとを含んでいる。第２ヒータ４は、絶縁膜１１（枠部１１ｃ）上（Ａ１方向側の表面上）に、接触状態で配置されている。
【００４２】
図２に示すように、ヒータ部４１は、第２ヒータ４のうち、概して、Ａ方向において、基板１の被支持部１１ａと重なる部分である。また、ヒータ部４１は、Ｂ方向およびＣ方向に交互に蛇行する蛇行形状（ミアンダ形状）を有している。また、ヒータ部４１は、一方端部にリード線４２ａが接続される接続部Ｅ１を有している。また、ヒータ部４１は、他方端部にリード線４２ｂが接続される接続部Ｅ２を有している。
【００４３】
リード線４２ａの接続部Ｅ１側とは逆側の端部（外側の端部）は、平坦部４３ａに接続されている。また、リード線４２ｂの接続部Ｅ２側とは逆側の端部（外側の端部）は、平坦部４３ｂに接続されている。半導体式ガスセンサ１００は、リード線４２ａを介して、接続部Ｅ１側からヒータ部４１に電流を供給（給電）するように構成されている。つまり、ヒータ部４１の接続部Ｅ１側は、印加手段１００ｂの後述する電源部５１の正極側に接続されている。また、ヒータ部４１の接続部Ｅ２側は、印加手段１００ｂの電源部５１の負極側に接続されている。また、リード線４２ａおよびリード線４２ｂは、リード線３２ａおよびリード線３２ｂが配置されていない互いに異なる支持部１１ｂ上に、支持部１１ｂに接触状態で配置されている。
【００４４】
図３に示す平坦部４３ａおよび４３ｂは、絶縁膜１１（枠部１１ｃ（図１参照））上（Ａ１方向側の表面上）に、接触状態で取り付けられている。
【００４５】
図２に示すように、第１ヒータ３および第２ヒータ４は、同一形状を有している。また、第１ヒータ３は、平面視において（Ａ方向から見て）、被支持部１１ａの中心に対して１８０度回転させた場合に、第２ヒータ４に重なる位置に配置されている。すなわち、第１ヒータ３は、第２ヒータ４に対して、回転対称（１８０度回転対称）となる位置に配置されている。また、ヒータ部３１およびヒータ部４１は、蛇行形状を有する部分が互いに噛み合うように対向して配置されている。また、ヒータ部３１およびヒータ部４１は、Ｂ方向において、略全域でオーバーラップしている。また、ヒータ部３１およびヒータ部４１は、Ｃ方向において、接続部Ｄ１およびＤ２を含むヒータ部３１の一端と、接続部Ｅ１およびＥ２を含むヒータ部４１の一端とを除く略全域でオーバーラップしている。また、第１ヒータ３および第２ヒータ４は、感応部２が設けられる領域（被支持部１１ａ）の略全域にわたって設けられている。
【００４６】
リード線３２ａが接続される接続部Ｄ１と、リード線４２ａが接続される接続部Ｅ１とは、被支持部１１ａの互いに対向する縁部近傍に配置されている。詳細には、接続部Ｄ１と接続部Ｅ１とは、被支持部１１ａの互いに対向する１組の対角近傍にそれぞれ配置されている。より詳細には、接続部Ｄ１は、被支持部１１ａのＢ１方向側、かつ、Ｃ１方向側の隅部（角部）に配置されている。接続部Ｅ１は、被支持部１１ａのＢ２方向側、かつ、Ｃ２方向側の隅部に配置されている。要するに、接続部Ｄ１と接続部Ｅ１とは、被支持部１１ａの最も離間した位置の近傍にそれぞれ配置されている。
【００４７】
リード線３２ｂが接続される接続部Ｄ２と、リード線４２ｂが接続される接続部Ｅ２とは、接続部Ｄ１および接続部Ｅ１が配置されておらず、被支持部１１ａの互いに対向する１組の対角近傍に、それぞれ配置されている。なお、一般的に、ヒータ部３１およびヒータ部４１は、給電される側（後述する接続部Ｄ１および接続部Ｅ１）が最も高温になる。そのため、半導体式ガスセンサ１００では、被支持部１１ａの最も離れた対角部が高温になり、全体として基板１（被支持部１１ａ）の温度勾配が均一化される。より詳細には、接続部Ｄ２は、被支持部１１ａのＢ１方向側、かつ、Ｃ２方向側の隅部に配置されている。接続部Ｅ２は、被支持部１１ａのＢ２方向側、かつ、Ｃ１方向側の隅部に配置されている。
【００４８】
図４に示す印加手段１００ｂは、第１ヒータ３および第２ヒータ４に対して電圧を印加するように構成されている。印加手段１００ｂは、第１ヒータ３および第２ヒータ４に給電する電源部５１と、第１ヒータ３（ヒータ部３１）に直列に接続される第１スイッチ５２ａと、第２ヒータ４（ヒータ部４１）に直列に接続される第２スイッチ５２ｂと、制御部５３とを備えている。電源部５１は、蓄電池や商用電源などから構成することができる。電源部５１は、たとえば、小型のリチウムイオン電池である。
【００４９】
第１ヒータ３と第２ヒータ４とが、それぞれ第１スイッチ５２ａと第２スイッチ５２ｂとを介して、互いに独立して電力供給を受けられるように、電源部５１に接続されている。すなわち、第１スイッチ５２ａをオンすることにより、接続部Ｄ１を介してヒータ部３１（第１ヒータ３）に給電され、第２スイッチ５２ｂをオンすることにより、接続部Ｅ１を介してヒータ部４１（第２ヒータ４）に給電される。
【００５０】
制御部５３は、第１スイッチ５２ａおよび第２スイッチ５２ｂのオン、オフを所定のタイミングで個別に切り替える制御を行うように構成されている。
【００５１】
印加手段１００ｂは、制御部５３により第１スイッチ５２ａおよび第２スイッチ５２ｂのオン、オフを切り替えることによって、第１ヒータ３および第２ヒータ４に対して、互いに重ならない異なるタイミングにより、パルス電圧を印加するように構成されている。また、印加手段１００ｂは、制御部５３により第１スイッチ５２ａおよび第２スイッチ５２ｂのオン、オフを切り替えることによって、第１ヒータ３および第２ヒータ４に対して、交互にパルス電圧を印加するように構成されている。また、印加手段１００ｂは、制御部５３により第１スイッチ５２ａおよび第２スイッチ５２ｂのオン、オフを切り替えることによって、第１ヒータ３および第２ヒータ４に対して、互いに略同じ時間幅のパルス電圧を印加するように構成されている。
【００５２】
（半導体式ガスセンサの回路構成）
次に、図４を参照して、半導体式ガスセンサ１００の回路構成の例について説明する。なお、半導体式ガスセンサ１００の回路構成は、一例であり、以下で説明する構成に限定されるものではない。
【００５３】
半導体式ガスセンサ１００の回路は、電源部５１と、素子抵抗Ｒと、固定抵抗Ｒ１と、固定抵抗Ｒ２と、第１スイッチ５２ａと、第２スイッチ５２ｂと、電圧計Ｖｍ１と、電圧計Ｖｍ２とを備えている。
【００５４】
固定抵抗Ｒ１と第１スイッチ５２ａとは、直列に接続されている。また、電圧計Ｖｍ１は、固定抵抗Ｒ１間の電圧を測定可能なように、固定抵抗Ｒ１に並列に接続されている。固定抵抗Ｒ１は、ヒータ部３１に直列に接続されている。
【００５５】
固定抵抗Ｒ２と第２スイッチ５２ｂとは、直列に接続されている。また、電圧計Ｖｍ２は、固定抵抗Ｒ２間の電圧を測定可能なように、固定抵抗Ｒ２に並列に接続されている。固定抵抗Ｒ２は、ヒータ部４１に直列に接続されている。
【００５６】
素子抵抗Ｒは、感応部２と、ヒータ部３１と、ヒータ部４１との合成抵抗であり、可変抵抗である。素子抵抗Ｒ（ヒータ部３１）は、接続部Ｄ１に接続されるリード線３２ａを介して正極側の電源部５１に接続されるとともに、接続部Ｄ２に接続されるリード線３２ｂを介して負極側の電源部５１に接続されている。また、素子抵抗Ｒ（ヒータ部４１）は、接続部Ｅ１に接続されるリード線４２ａを介して正極側の電源部５１に接続されるとともに、接続部Ｅ２に接続されるリード線４２ｂを介して負極側の電源部５１に接続されている。
【００５７】
（印加手段による電圧印加パターン、および、被検知ガスのガス検知方法）
図４に示す制御部５３は、第１スイッチ５２ａと、第２スイッチ５２ｂとのオン、オフを切り替えることによって、所定周期ごとに第１ヒータ３および第２ヒータ４に対して、パルス電圧を印加する制御を行うように構成されている。なお、以下の図５および図６についての説明では、図４も合わせて参照するものとする。
【００５８】
印加手段１００ｂ（制御部５３）は、図５に示すように、第１ヒータ３および第２ヒータ４に対して、互いに略重ならないタイミングで、順番に、パルス電圧を印加する制御を行うように構成されている。また、第１ヒータ３および第２ヒータ４に対して、略連続するタイミングで、パルス電圧を印加する制御を行うように構成されている。詳細には、印加手段１００ｂ（制御部５３）は、時間幅Ｓ１秒の１周期ごとに、ｔ１秒間（ｔ１×２＜Ｓ１）だけ第１スイッチ５２ａのオン状態を継続するとともに、第１スイッチ５２ａをオフにするのと略同時に、第２スイッチ５２ｂオンにして、ｔ１秒間だけ第２スイッチ５２ｂのオン状態を継続する制御を行うように構成されている。ｔ１は、第１ヒータ３および第２ヒータ４に印加するパルス電圧のパルス幅である。
【００５９】
印加手段１００ｂ（制御部５３）は、１周期ごとに、第１ヒータ３および第２ヒータ４の両方に対して、１回ずつパルス電圧を印加する制御を行うように構成されている。また、半導体式ガスセンサ１００は、時間幅Ｓ１秒の１周期に１回だけ被検知ガスの検知を行うように構成されている。
【００６０】
電圧計Ｖｍ２は、連続して印加される複数のパルス電圧の最後に、すなわち、第２スイッチ５２ｂがオフになる直前に、ヒータ部４１に直列に接続される固定抵抗Ｒ２間の電圧を測定するように構成されている。つまり、ヒータ部４１（第２ヒータ４）は、検知電極として機能する。これにより、半導体式ガスセンサ１００は、被検知ガスによる素子抵抗Ｒの抵抗値の変化を取得して、被検知ガスを検知するように構成されている。一例ではあるが、一周期の時間幅Ｓ１が３０秒に設定され、ｔ１が０．０５秒に設置される。
【００６１】
すなわち、接続部Ｄ１からの給電の後、略連続して接続部Ｅ１からの給電を行う。そして、所定時間後に、再び、接続部Ｄ１からの給電の後、略連続して接続部Ｅ１からの給電を行う。このように、所定周期ごとに、接続部Ｄ１、Ｅ１の順に給電を繰り返し行う。
【００６２】
被検知ガスのガス検知方法は、第１ヒータ３および第２ヒータ４に対して印加手段１００ｂにより電圧を印加することによって、第１ヒータ３および第２ヒータ４を加熱するステップと、第１ヒータ３および第２ヒータ４により加熱された感応部２の電気抵抗の変化に基づいて、検知電極として機能する第２ヒータ４（ヒータ部４１）により被検知ガスを検知するステップとを備えている。
【００６３】
また、連続してパルス電圧を印加させない電圧印加パターンの他の例として、たとえば、図６に示すように、制御部５３は、ｔ２秒間の第１スイッチ５２ａのオン状態、および、ｔ２秒間の第２スイッチ５２ｂのオン状態を、所定時間間隔ｔ３をあけて交互に繰り返す制御を行うように構成されている。なお、時間幅Ｓ２秒の１周期ごとに、第１スイッチ５２ａおよび第２スイッチ５２ｂのオン状態が１回ずつ交互に繰り返される。一例ではあるが、一周期の時間幅Ｓ２が３０秒に設定され、ｔ２が０．１秒に設置される。ｔ２は、第１ヒータ３および第２ヒータ４に印加するパルス電圧のパルス幅である。また、半導体式ガスセンサ１００は、時間幅Ｓ２秒の１周期に１回だけ被検知ガスの検知を行うように構成されている。
【００６４】
電圧計Ｖｍ１は、第１ヒータ３に対して印加されるパルス電圧の最後に、すなわち、第１スイッチ５２ａがオフになる直前に、ヒータ部３１に直列に接続される固定抵抗Ｒ１間の電圧を測定するように構成されている。また、電圧計Ｖｍ２は、第２ヒータ４に対して印加されるパルス電圧の最後に、すなわち、第２スイッチ５２ｂがオフになる直前に、ヒータ部４１に直列に接続される固定抵抗Ｒ２間の電圧を測定するように構成されている。すなわち、他の例では、ヒータ部３１（第１ヒータ３）およびヒータ部４１（第２ヒータ４）が、それぞれ、検知電極として機能する。
【００６５】
（本実施形態の効果）
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。
【００６６】
本実施形態では、上記のように、感応部２を加熱し、検知電極として機能する複数のヒータ（第１ヒータ３および第２ヒータ４）を設ける。これにより、基板１（被支持部１１ａ）上の複数のヒータにより、基板１（被支持部１１ａ）上の複数箇所から感応部２を加熱することができるので、基板１（被支持部１１ａ）の温度勾配を小さくすることができる。また、ヒータ（第１ヒータ３および第２ヒータ４の少なくとも一方）が検知電極としても機能するので、ヒータと検知電極とを別々に設ける場合よりも構造を簡素化することができる。以上により、基板１（被支持部１１ａ）の温度勾配を小さくすることができるとともに、構造を簡素化することができる。
【００６７】
また、本実施形態では、上記のように、感応部２を、１つ設け、複数のヒータ（第１ヒータ３および第２ヒータ４）を、１つの感応部２に対して形成する。これにより、構造を簡素化することができる。
【００６８】
また、本実施形態では、上記のように、基板１に、表面上に第１ヒータ３および第２ヒータ４が形成される絶縁膜１１を設ける。これにより、絶縁膜１１により基板１と第１ヒータ３および第２ヒータ４とを容易に電気的に絶縁することができる。
【００６９】
また、本実施形態では、上記のように、複数のヒータ（第１ヒータ３および第２ヒータ４）に、それぞれの一端および他端に接続されるリード線３２ａ、３２ｂおよびリード線４２ａ、４２ｂが設ける。これにより、リード線３２ａ、３２ｂおよびリード線４２ａ、４２ｂごとに独立して電源部５１に接続することが可能になるので、各給リード線３２ａ、３２ｂおよびリード線４２ａ、４２ｂを介して、ヒータ（第１ヒータ３および第２ヒータ４）ごとに異なるタイミングで給電を行うことができる。
【００７０】
また、本実施形態では、上記のように、基板１に、複数のヒータ（第１ヒータ３および第２ヒータ４）および感応部２を配置する被支持部１１ａを設け、第１ヒータ３に、リード線３２ａが接続される接続部Ｄ１を設け、第２ヒータ４に、リード線４２ａが接続される接続部Ｅ１を設け、接続部Ｄ１および接続部Ｅ１を、被支持部１１ａの互いに対向する縁部近傍に配置し、第１ヒータ３および第２ヒータ４を、それぞれ、接続部Ｄ１および接続部Ｅ１から給電されるように構成する。これにより、第１ヒータ３に給電する接続部Ｄ１、および、第２ヒータ４に給電する接続部Ｅ１が、被支持部１１ａの互いに対向する縁部近傍に配置されるので、被支持部１１ａ上において、接続部Ｄ１と接続部Ｅ１とが近傍に配置される場合と比較して、基板１（被支持部１１ａ）の温度勾配をより小さくすることができる。
【００７１】
また、本実施形態では、上記のように、複数のヒータ（第１ヒータ３および第２ヒータ４）に対して、電圧を印加する印加手段１００ｂを設ける。これにより、印加手段１００ｂにより、複数のヒータにそれぞれ電圧を印加して感応部２を加熱することができる。
【００７２】
また、本実施形態では、上記のように、印加手段１００ｂを、複数のヒータ（第１ヒータ３および第２ヒータ４）に対して、互いに重ならない異なるタイミングにより、パルス電圧を印加するように構成する。これにより、印加手段１００ｂは、複数のヒータに対して互いに重ならない異なるタイミングによりパルス電圧を印加するので、互いに重なるタイミングでパルス電圧を印加する場合と比較して、最大消費電力を小さくすることができる。このため、電池などの電源部５１により給電を行う場合には、電源部５１を小型化することができる。
【００７３】
（実施例）
次に、図７〜図９を参照して、本発明の実施例および比較例について説明する。
【００７４】
実施例では、図１に示す半導体式ガスセンサ１００から感応部２を取り除いた構成、すなわち、図７に示す構成を用いて繰り返し電圧を印加（給電）することにより、ヒータ部３１またはヒータ部４１の少なくとも一方が断線するまでの経過時間（経過日数）を測定した。測定は、断線後に改めて新しいものを用意し、合計５０個に対して行った。
【００７５】
具体的には、図５に示すように、０．３秒周期で（Ｓ１＝０．３）、接続部Ｄ１を介して０．１秒間（ｔ１＝０．１）だけヒータ部３１に給電するとともに、互いに重ならない異なるタイミングで、接続部Ｅ１を介して０．１秒間（ｔ１＝０．１）だけヒータ部４１に給電した。つまり、０．３秒間のうち、０．１秒だけは、ヒータ部３１およびヒータ部４１に給電しない。このような給電により、第１ヒータ３および第２ヒータ４は、最も温度が高くなる部分（接続部Ｄ１、接続部Ｅ１）が約５５０℃になる。このように、熱耐久性を確認するために、通常の使用状況よりも過酷な使用状況で試験（加速試験）を行い、ヒータ部３１またはヒータ部４１の少なくとも一方が断線するまでの経過時間（経過日数）を測定した。
【００７６】
比較例では、トータルの給電時間を実施例と合せるために、０．３秒周期で（０．３秒毎に）、接続部Ｄ１を介して０．２秒間（ｔ１×２）だけヒータ部３１に給電した。つまり、ヒータ部３１にのみ給電し、接続部Ｅ１を介してヒータ部４１に給電しない。そして、ヒータ部３１が断線するまでの経過時間（経過日数）を測定した。測定は、断線後に改めて新しいものを用意し、合計５０個に対して行った。
【００７７】
要するに、実施例では、２箇所からヒータ（ヒータ部３１およびヒータ部４１）に給電を行い、比較例では、１箇所からヒータ（ヒータ部４１）に給電を行った。
【００７８】
＜比較例の測定結果＞
図８に示すように、比較例では、１５日以上２０日未満で断線したものが９個、２０日以上２５日未満で断線したものが２５個、２５日以上３０日未満で断線したものが１２個、３０日以上３５日未満で断線したものが４個という結果になった。平均して約２３．６日で断線するという結果になった。
＜実施例の測定結果および評価＞
図９に示すように、実施例では、４０日以上４５日未満で断線したものが３個、４５日以上５０日未満で断線したものが１４個、５０日以上５５日未満で断線したものが１９個、５５日以上６０日未満で断線したものが１２個、６０日以上６５日未満で断線したものが２個という結果になった。平均して約５２．１日で断線するという結果になった。
【００７９】
実施例の方が比較例よりも、２倍以上断線までに日数を要することが分かった。すなわち、実施例の構成を用いて、個々のヒータの加熱時間を短くして２箇所から感応部２を加熱する構成の方が、基板１（被支持部１１ａ）の温度勾配を小さくすることができ、繰り返しの熱応力を緩和できるので、ガス検知素子１００ａ（図１参照）の寿命が長くなると考えられる。
【００８０】
（変形例）
なお、今回開示された実施形態および実施例は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態および実施例の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。
【００８１】
たとえば、上記実施形態では、図２に示すように、第１ヒータ３（第２ヒータ４）に対して、ヒータ部３１（ヒータ部４１）の一方端部側である接続部Ｄ１（接続部Ｅ１）側のみから給電した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、図１０に示す第１変形例の半導体式ガスセンサ２００のように、電源部５１に、電源部５１の極性を入れ換えることが可能な極性反転手段５１０を設けて、ヒータ部３１（ヒータ部４１）に対して、ヒータ部３１（ヒータ部４１）の他方端部側である接続部Ｄ２（接続部Ｅ２）側からも給電するように構成してもよい。なお、極性反転手段５１０は、極性反転スイッチなどを含む。
【００８２】
また、極性反転手段５１０を用いることなく、図１１に示す第２変形例の半導体式ガスセンサ３００のように、電源部５１とは極性が逆向きの電源部５１ａを、電源部５１に対して並列に接続することにより、第１ヒータ３（第２ヒータ４）に対して、ヒータ部３１（ヒータ部４１）の他方端部側である接続部Ｄ２（接続部Ｅ２）側からも給電するように構成してもよい。
【００８３】
半導体式ガスセンサ２００および半導体式ガスセンサ３００のように、第１ヒータ３および第２ヒータ４に対して、極性を反転して給電することによって、基板１（図１参照）上において感応部２を加熱する箇所を分散することができるので、基板１（被支持部１１ａ（図１参照））の温度勾配をより小さくすることができる。
【００８４】
なお、一例ではあるが、図１０に示す半導体式ガスセンサ２００および図１１に示す半導体式ガスセンサ３００では、以下のような２つのパターン（第１の電圧印加パターン、第２の電圧印加パターン）により電圧を印加することが可能である。
【００８５】
第１の電圧印加パターンとして、図１２に示すように、接続部Ｄ１からの給電の後、略連続して接続部Ｅ１からの給電を行う。そして、所定時間後に、極性を入れ換えて給電を行う。具体的には、接続部Ｄ２からの給電の後、略連続して接続部Ｅ２からの給電を行う。このように、所定周期ごとに、接続部Ｄ１、Ｅ１、Ｄ２、Ｅ２の順に給電を繰り返し行う。図１０および図１１に示す電圧計Ｖｍ２は、連続して印加される複数のパルス電圧の最後に、すなわち、接続部Ｅ１および接続部Ｅ２からの給電がオフになる直前に、ヒータ部４１に直列に接続される固定抵抗Ｒ２間の電圧を測定するように構成されている。要するに、ヒータ部４１が検知電極として機能する。
【００８６】
第２の電圧印加パターンとして、図１３に示すように、接続部Ｄ１からの給電を行い、所定時間経過後に、極性を入れ換えて接続部Ｄ２からの給電を行う。そして、所定時間経過後に、接続部Ｅ１からの給電を行い、所定時間経過後に、極性を入れ換えて接続部Ｅ２からの給電を行う。このように、所定周期ごとに、接続部Ｄ１、Ｄ２、Ｅ１、Ｅ２の順に給電を繰り返し行う。図１０および図１１に示す電圧計Ｖｍ１は、ヒータ部３１に印加されるパルス電圧の最後に、すなわち、接続部Ｄ１およびＤ２からの給電がオフになる直前に、ヒータ部３１に直列に接続される固定抵抗Ｒ１間の電圧を測定するように構成されている。また、電圧計Ｖｍ２は、ヒータ部４１に印加されるパルス電圧の最後に、すなわち、接続部Ｅ１およびＥ２からの給電がオフになる直前に、ヒータ部４１に直列に接続される固定抵抗Ｒ２間の電圧を測定するように構成されている。要するに、ヒータ部３１およびヒータ部４１が検知電極として機能する。
【００８７】
また、上記実施形態では、ヒータを２つ設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ヒータを３つ以上設けてもよい。
【００８８】
また、上記実施形態では、印加手段が、複数のヒータに対して、互いに重ならない異なるタイミングにより、パルス電圧を印加するように構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、複数のヒータに対して、互いに重なるタイミングによりパルス電圧を印加してもよい。
【００８９】
また、上記実施形態では、ヒータを蛇行形状に形成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、ヒータを直線状やＬ字状に形成してもよい。
【００９０】
また、上記実施形態では、本発明の配置部である被支持部を矩形形状に形成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、たとえば、被支持部を円形形状に形成してもよい。
【００９１】
また、上記実施形態では、第１ヒータおよび第２ヒータに印加するパルス電圧のパルス幅を同じにした例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第１ヒータおよび第２ヒータに印加するパルス電圧のパルス幅を異ならせてもよい。
【符号の説明】
【００９２】
１  基板
２  感応部
３  第１ヒータ（ヒータ）
４  第２ヒータ（ヒータ）
１１  絶縁膜
１１ａ  被支持部（配置部）
３２ａ、３２ｂ、４２ａ、４２ｂ  リード線（給電線）
１００、２００、３００  半導体式ガスセンサ
１００ｂ、２００ｂ、３００ｂ  印加手段
Ｄ１  第１接続部
Ｅ１  第２接続部
【図１】
2019002878.tif 000003
【図２】
2019002878.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2019002878.tif 000007
【図６】
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【図７】
2019002878.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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