(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質体または柱状構造体により形成されて検知対象ガスを感知するガス感知層、多孔質体により形成されて妨害ガスを燃焼除去するガス選択燃焼層、および、前記ガス感知層と前記ガス選択燃焼層とを加熱するヒータ層を有するガス検知部と、
前記ヒータ層を、前記検知対象ガスを検知する通常駆動パターンまたは前記ガス検知部の過昇温を防止する過昇温対策駆動パターンにより通電駆動するヒータ層駆動部と、
前記ヒータ層の温度に基づいて前記ガス感知層または前記ガス選択燃焼層の過昇温を検知する過昇温検知部と、
前記過昇温検知部により過昇温が検出されたときに前記ヒータ層駆動部の駆動パターンを前記通常駆動パターンから前記過昇温対策駆動パターンに変更させる駆動切換部と、
を備え、
前記過昇温対策駆動パターンは、前記ガス検知部の温度を低くし、過燃焼性ガスを気化除去または燃焼除去するパターンであることを特徴とするガス検知装置。
【請求項２】
前記過昇温対策駆動パターンは、前記検知対象ガスの検知温度より低い温度であり、かつ、過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度にて所定の過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターン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。
【請求項３】
前記過昇温対策駆動パターンは、前記ヒータ層の通電駆動を一時停止し、その後前記検知対象ガスの検知温度より低い温度であり、かつ、過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度にて所定の過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターン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。
【請求項４】
前記過昇温対策駆動パターンは、所定パルス幅のくり返しパルスにより前記過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする請求項２または３に記載のガス検知装置。 
【請求項５】
前記過昇温対策駆動パターンは、前記ヒータ層の通電駆動を停止するパターン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。 
【請求項６】
前記過昇温対策駆動パターンは、前記ガス検知部の温度を前記検知対象ガスのガス検知温度に近づける電力で前記ヒータ層を通電駆動するパターン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。 
【請求項７】
前記過昇温検知部は、 前記ヒータ層の電気特性値を取得するヒータ層電気特性測定部と、 前記電気特性値に基づき前記ヒータ層の温度を算出するヒータ層温度算出部と、からなることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載のガス検知装置。
【請求項８】
多孔質体または柱状構造体により形成されて検知対象ガスを感知するガス感知層、および前記ガス感知層を加熱するヒータ層を有するガス検知部と、
前記ヒータ層を、前記検知対象ガスを検知する通常駆動パターンと前記検知対象ガスの検知温度より低い温度にて過燃焼性ガスを除去する過燃焼性ガス除去パターンと前記ガス検知部の過昇温を防止する過昇温対策駆動パターンとにより通電駆動するヒータ層駆動部と、
前記ヒータ層の温度に基づいて前記ガス感知層の過昇温を検知する過昇温検知部と、
前記過燃焼性ガス除去パターンによる通電駆動後に、前記通常駆動パターンにより通電駆動を行わせ、前記通常駆動パターンにおいて、前記過昇温検知部により過昇温が検知されたときに前記ヒータ層駆動部の駆動パターンを前記通常駆動パターンから前記過昇温対策駆動パターンに変更させる駆動切換部と、
を備え、
前記過昇温対策駆動パターンは、前記ガス検知部の温度を低くし、過燃焼性ガスを気化除去または燃焼除去するパターンであることを特徴とするガス検知装置。
【請求項９】
前記過燃焼性ガス除去パターンは、前記検知対象ガスの検知温度より低い温度であり、かつ、過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度にて所定の過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする請求項８に記載のガス検知装置。
【請求項１０】
前記過燃焼性ガス除去パターンは、所定パルス幅のくり返しパルスにより所定の過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする請求項８に記載のガス検知装置。
【請求項１１】
前記過燃焼性ガス除去パターンは、ガス検知開始から所定の初期期間にわたって前記過燃焼性ガス除去時間を長くするパターンであることを特徴とする請求項９または１０に記載のガス検知装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低消費電力型のガス検知装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガス検知装置は、一般的にガス漏れ警報器等の用途に用いられる。このガス検知装置に用いられるガスセンサは、ある特定ガス、例えば、ＣＯ，ＣＨ４，Ｃ３Ｈ８，ＣＨ３ＯＨ等の還元性ガスに選択的に感応するデバイスであり、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。
【０００３】
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の検知を目的としたもの、燃焼機器の不完全燃焼ガスの検知を目的としたもの、または、これら両方の機能を併せ持ったもの等があるが、何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。設置性の問題の一つは、１００Ｖ交流電源を使用するため、ガス漏れ警報器の周囲に電源を必要とする点である。また、停電などの非常時には使用できないという問題があった。そこで、ガス漏れ警報器の普及率向上の観点から、設置性の改善、具体的には、ガス漏れ警報器を電池駆動としてコードレス化することが望まれている。
【０００４】
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。しかしながら、接触燃焼式や半導体式のガスセンサでＣＨ４、Ｃ３Ｈ８等を検知する場合は、ガス感知部を４００℃〜５００℃の高温に加熱して検知する必要がある。低消費電力で高温に加熱するため、微細加工プロセスを用いてダイヤフラム構造等の高断熱・低熱容量構造としたガスセンサを、検知周期に合わせて加熱する間欠運転が行われる。
【０００５】
さて、このようなガスセンサに対し、ガス検出に影響を与える物質を除去するため温度を切り換える温度制御が行われる。このような温度制御が行われる装置に関連する先行技術としては、例えば、特許文献１（特許第４４５０７７３号公報）に記載のものが知られている。特許文献１の薄膜ガスセンサでは、特に水蒸気ガスを除去するようにヒータ層を駆動する温度制御が行われる。
【０００６】
また、このような温度制御が行われる装置に関連する他の先行技術としては、例えば、特許文献２（特開２０１２−１７２９７３号公報）に記載のものが知られている。特許文献２の可燃性ガス検出装置では、特に被毒ガスを除去するようにヒータ層を駆動する温度制御が行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第４４５０７７３号公報（段落［００４４］，［００５９］，［００６０］、図１，図５，図６）
【特許文献２】特開２０１２−１７２９７３号公報（段落［００１７］、図３，図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
環境中のガス成分として、塗料等に含まれる有機溶剤や、灯油等の燃料系のガスが含まれる。例えば、オクタンやテトラヒドロフラン等である。オクタンは、燃焼熱５５０１ｋＪ／ｍｏｌ（４８．３ｋＪ／ｇ）であり、また、テトラヒドロフランは、燃焼熱２５３０ｋＪ／ｍｏｌ（３５．１ｋＪ／ｇ）であり、燃焼熱が極めて高い。このような燃焼熱が過度に高いガス成分（以下、本明細書中で過燃焼性ガスという）が、ガス検知部に影響を与えることがあり、ガス検出に影響を与える物質であることが知見された。
【０００９】
この理由について説明する。薄膜ガスセンサは、特許文献１の図７にも示すようにガス選択燃焼層が設けられている。ＣＨ４，Ｃ３Ｈ８，ＣＯ等の検知対象ガスを通過・拡散させるため、このガス選択燃焼層は、一般的に多孔質体であるγ−Ａｌ２Ｏ３等で形成されている。さらに、検知対象ガスではない妨害ガスを効率よく燃焼除去するため、貴金属触媒（例えばＰｔやＰｄ）を担持することが多い。
【００１０】
また、ＳｎＯ２であるガス感知層も多孔質体や柱状構造体を採用し、比表面積を増大させて検知感度を高めている。これらの構成を採用することで検知対象ガスとの接触面積を増加させ、検知感度を高めている。
【００１１】
このような多孔質体や柱状構造体では、開口径が数ｎｍ〜数μｍの細孔が多数存在する。この細孔では、次式で表される毛管凝縮により水、妨害ガスや検知対象ガスが吸着される傾向を有する。
【００１２】
【数１】
0006679859.tif 000002
【００１３】
さて、環境中に存在する過燃焼性ガスが、前述のような多孔質体のガス感知層やガス選択燃焼層の微細孔に毛管凝縮により多量に吸着することがある。この場合、ヒータＯＮ（通電）により４００℃〜５００℃の高温に加熱すると、微細孔に吸着していた過燃焼性ガスが燃焼し、高い燃焼熱により薄膜ガスセンサのガス感知層やガス選択燃焼層がガス検知温度以上に過昇温となり、熱劣化により正常な検知特性が得られなくなることが考えられる。
【００１４】
このような過燃焼性ガスが存在する環境下でも、薄膜ガスセンサのガス感知層やガス選択燃焼層の過昇温を防止したいという課題が知見された。この際、電池駆動を実現するため低消費電力で過昇温を防止する必要があったが、過昇温を防止する温度制御を行うという課題については着目されていなかった。
【００１５】
特許文献１には、水分除去とガス検知との両方を行いつつ低消費電力駆動を実現する先行技術が開示されているが、過昇温防止についてまで考慮したものではない。
また、特許文献２には、被毒ガスの除去とガス検知との両方を行いつつ低消費電力駆動を実現する先行技術が開示されているが、やはり過昇温防止についてまで考慮したものではない。
【００１６】
そこで、本発明は上記した課題を解決しようとするものであり、その目的は、過昇温による影響を排除し、信頼性を高めるとともに高精度な検知を実現するガス検知装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、多孔質体または柱状構造体により形成されて検知対象ガスを感知するガス感知層、多孔質体により形成されて妨害ガスを燃焼除去するガス選択燃焼層、および、前記ガス感知層と前記ガス選択燃焼層とを加熱するヒータ層を有するガス検知部と、
前記ヒータ層を、前記検知対象ガスを検知する通常駆動パターンまたは前記ガス検知部の過昇温を防止する過昇温対策駆動パターンにより通電駆動するヒータ層駆動部と、
前記ヒータ層の温度に基づいて前記ガス感知層または前記ガス選択燃焼層の過昇温を検知する過昇温検知部と、
前記過昇温検知部により過昇温が検出されたときに前記ヒータ層駆動部の駆動パターンを前記通常駆動パターンから前記過昇温対策駆動パターンに変更させる駆動切換部と、
を備え、
前記過昇温対策駆動パターンは、前記ガス検知部の温度を低くし、過燃焼性ガスを気化除去または燃焼除去するパターンであることを特徴とする。
【００１８】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載のガス検知装置において、前記過昇温対策駆動パターンは、前記検知対象ガスの検知温度より低い温度であり、かつ、過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度にて所定の過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする。
【００１９】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載のガス検知装置において、前記過昇温対策駆動パターンは、前記ヒータ層の通電駆動を一時停止し、その後前記検知対象ガスの検知温度より低い温度であり、かつ、過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度にて所定の過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする。
【００２０】
請求項４に係る発明は、請求項２または３に記載のガス検知装置において、前記過昇温対策駆動パターンは、所定パルス幅のくり返しパルスにより前記過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする。
【００２１】
請求項５に係る発明は、請求項１に記載のガス検知装置において、前記過昇温対策駆動パターンは、前記ヒータ層の通電駆動を停止するパターンであることを特徴とする。
【００２２】
請求項６に係る発明は、請求項１に記載のガス検知装置において、前記過昇温対策駆動パターンは、前記ガス検知部の温度を前記検知対象ガスのガス検知温度に近づける電力で前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする。
【００２３】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６の何れか一項に記載のガス検知装置において、前記過昇温検知部は、前記ヒータ層の電気特性値を取得するヒータ層電気特性測定部と、 前記電気特性値に基づき前記ヒータ層の温度を算出するヒータ層温度算出部と、からなることを特徴とする。
【００２４】
請求項８に係る発明は、多孔質体または柱状構造体により形成されて検知対象ガスを感知するガス感知層、および前記ガス感知層を加熱するヒータ層を有するガス検知部と、
前記ヒータ層を、前記検知対象ガスを検知する通常駆動パターンと前記検知対象ガスの検知温度より低い温度にて過燃焼性ガスを除去する過燃焼性ガス除去パターンと前記ガス検知部の過昇温を防止する過昇温対策駆動パターンとにより通電駆動するヒータ層駆動部と、
前記ヒータ層の温度に基づいて前記ガス感知層の過昇温を検知する過昇温検知部と、
前記過燃焼性ガス除去パターンによる通電駆動後に、前記通常駆動パターンにより通電駆動を行わせ、前記通常駆動パターンにおいて、前記過昇温検知部により過昇温が検知されたときに前記ヒータ層駆動部の駆動パターンを前記通常駆動パターンから前記過昇温対策駆動パターンに変更させる駆動切換部と、
を備え、
前記過昇温対策駆動パターンは、前記ガス検知部の温度を低くし、過燃焼性ガスを気化除去または燃焼除去するパターンであることを特徴とする。
【００２５】
請求項９に係る発明は、請求項８に記載のガス検知装置において、前記過燃焼性ガス除去パターンは、前記検知対象ガスの検知温度より低い温度であり、かつ、過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度にて所定の過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする。
【００２６】
請求項１０に係る発明は、請求項８に記載のガス検知装置において、前記過燃焼性ガス除去パターンは、所定パルス幅のくり返しパルスにより所定の過燃焼性ガス除去時間にわたり前記ヒータ層を通電駆動するパターンであることを特徴とする。
【００２７】
請求項１１に係る発明は、請求項９または１０に記載のガス検知装置において、前記過燃焼性ガス除去パターンは、ガス検知開始から所定の初期期間にわたって前記過燃焼性ガス除去時間を長くするパターンであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、過昇温による影響を排除し、信頼性を高めるとともに高精度な検知を実現するガス検知装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明を実施するための第１，第２，第３，第４形態のガス検知装置のブロック構成図である。
【図２】本発明を実施するための第１，第２，第３，第４形態のガス検知装置のガスセンサの断面図である。
【図３】第１形態のヒータ層駆動パターンの説明図である。
【図４】高温炉での外部加熱によるガスセンサのヒータ層抵抗変化を示す特性図である。
【図５】過燃焼性ガス検知時のヒータ層の過昇温対策駆動パターンの説明図である。
【図６】過燃焼性ガス（テトラヒドロフラン）曝露前後のヒータ層温度の時間変化を説明する特性図である。
【図７】過燃焼性ガス除去時のヒータ層温度の時間変化を説明する特性図である。
【図８】過燃焼性ガス除去後ヒータ層駆動時のヒータ層温度の時間変化を説明する特性図である。
【図９】第２形態のヒータ層駆動パターンの説明図である。
【図１０】第３形態のヒータ層駆動パターンの説明図である。
【図１１】過燃焼性ガス（テトラヒドロフラン）曝露後であって過燃焼対策駆動前後のヒータ層温度の時間変化を説明する特性図である。
【図１２】本発明を実施するための第５，第６形態のガス検知装置のブロック構成図である。
【図１３】本発明を実施するための第５，第６形態のガス検知装置のガスセンサの断面図である。
【図１４】第５形態のヒータ層の通常駆動パターンの説明図である。
【図１５】第６形態のヒータ層の通常駆動パターンの説明図である。
【図１６】第５，第６，第７，第８形態の改良形態のヒータ層の通常駆動パターンの説明図である。
【図１７】本発明を実施するための第１０の形態のガス検出装置のガスセンサの説明図であり、図１７（ａ）はガスセンサの平面図、図１７（ｂ）はガスセンサのＡ−Ａ断面図、図１７（ｃ）はガスセンサのＢ−Ｂ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明を実施するための第１形態のガス検知装置１について図を参照しつつ説明する。ガス検知装置１は、図１で示すように、ガスセンサ１０と、駆動制御・信号処理部２０と、を備えている。駆動制御・信号処理部２０がガスセンサ１０を駆動制御するとともに、ガスセンサ１０からの検知信号を受信し、ガスの有無を検知する装置である。
【００３２】
続いて、ガスセンサ１０の詳細について説明する。
ガスセンサ１０は、薄膜型半導体式のセンサであって、図２の断面図で示すように構成されるものであり、さらにシリコン基板（以下Ｓｉ基板）１１、熱絶縁支持層１２、ヒータ層１３、電気絶縁層１４、ガス検知部１５を備える。なお、図２は薄膜型半導体式のガスセンサの構成をあくまで概念的に見やすく示したもので、各部の大きさや厚さ等は厳密なものではない。
【００３３】
続いて各部構成について説明する。
Ｓｉ基板１１はシリコン（Ｓｉ）により形成され、ガス検知部１５が直上に位置する箇所に貫通孔が形成される。
【００３４】
熱絶縁支持層１２はこの貫通孔の開口部に張られてダイヤフラムに形成されており、Ｓｉ基板１１の上に設けられる。
【００３５】
熱絶縁支持層１２は、詳しくは、Ｓｉ基板１１の上側に、熱酸化ＳｉＯ２層１２１、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層１２２、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層１２３という三層構造を形成したものであり、ダイヤフラム構造となっている。
【００３６】
熱酸化ＳｉＯ２層１２１は、熱絶縁層として形成され、ヒータ層１３で発生する熱をＳｉ基板１１側へ熱伝導しないようにして熱容量を小さくする機能を有する。また、この熱酸化ＳｉＯ２層１２１は、プラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、後述するがプラズマエッチングによるＳｉ基板１１への貫通孔の形成を容易にする。
【００３７】
ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層１２２は、熱酸化ＳｉＯ２層１２１の上側に形成される。
ＣＶＤ−ＳｉＯ２層１２３は、ヒータ層１３との密着性を向上させるとともに電気的絶縁を確保する。ＣＶＤ（化学気相成長法）によるＳｉＯ２層は内部応力が小さい。
【００３８】
ヒータ層１３は、薄膜状のＰｔ−Ｗ膜やＮｉ−Ｃｒ膜により形成されており、熱絶縁支持層１２のほぼ中央の上面に設けられる。また、電力供給ラインも形成される。この電力供給ラインは、図１，図２で示すようにヒータ層駆動部２２に接続される。ヒータ層駆動部２２は、ヒータ層１３をヒータ駆動する。また、このヒータ層１３は本発明のヒータ層温度測定部の具体例であるヒータ層電気特性測定部２３と電気的に接続されており、ヒータ層電気特性測定部２３がヒータ層１３の電気抵抗を測定する。
【００３９】
電気絶縁層１４は、電気的に絶縁を確保するスパッタＳｉＯ２層であり、熱絶縁支持層１２およびヒータ層１３を覆うように設けられる。電気絶縁層１４は、ヒータ層１３と感知層電極１５２との間に電気的な絶縁を確保する。また、電気絶縁層１４は、後述するガス感知層１５３との密着性を向上させる。
【００４０】
ガス検知部１５は、この電気絶縁層１４の上側に設けられており、一対の接合層１５１、一対の感知層電極１５２、ガス感知層１５３、ガス選択燃焼層１５４を備える。
【００４１】
接合層１５１は、例えば、Ｔａ膜（タンタル膜）またはＴｉ膜（チタン膜）であり、電気絶縁層１４の上に左右一対に設けられる。この接合層１５１は、感知層電極１５２と電気絶縁層１４との間に介在して接合強度を高めている。
【００４２】
感知層電極１５２は、例えば、Ｐｔ膜（白金膜）またはＡｕ膜（金膜）であり、ガス感知層１５３の感知用の電極となるように左右一対に設けられる。
【００４３】
ガス感知層１５３は、Ｓｂをドープした二酸化スズ層（以下、ＳｎＯ２層）であり、一対の感知層電極１５２を渡されるように電気絶縁層１４の上に形成される。ガス感知層１５３は、本形態ではＳｎＯ２層として説明したが、ＳｎＯ２以外にも、金属酸化物であるＩｎ２Ｏ３、ＷＯ３、ＺｎＯ、または、ＴｉＯ２という金属酸化物を主成分とする薄膜の層としても良い。
【００４４】
ガス選択燃焼層１５４は、電気絶縁層１４、接合層１５１、一対の感知層電極１５２、および、ガス感知層１５３の表面を覆うように設けられる。このガス選択燃焼層１５４は、酸化パラジウム（ＰｄＯ）等の貴金属触媒を担持した焼結体であり、先に説明したように触媒担持Ａｌ２Ｏ３焼結材である。
【００４５】
Ａｌ２Ｏ３は多孔質体であるため、孔を通過するガスが貴金属触媒に接触する機会を増加させる。そして、検知対象ガスよりも酸化活性の強い還元性ガス（妨害ガス）の燃焼反応を促進し、検知対象ガスの選択性が高まる。つまり、検知対象ガスに対して妨害ガスを酸化除去できる。
【００４６】
なお、ガス選択燃焼層１５４は、このＡｌ２Ｏ３以外にも、Ｃｒ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、Ｎｉ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＳｉＯ２、または、ゼオライトという金属酸化物を主成分としても良い。また、貴金属触媒として、酸化パラジウム（ＰｄＯ）以外にも、白金（Ｐｔ）やパラジウム（Ｐｄ）を採用しても良い。
【００４７】
このようなガス検知部１５（詳しくは感知層電極１５２を介してガス感知層１５３）はガス検知信号処理部２４と電気的に接続されており、駆動制御・信号処理部２０がガス感知層１５３のセンサ抵抗値を読み出す。
【００４８】
このようなガスセンサ１０は、ダイヤフラム構造を採用して高断熱，低熱容量の構造としている。また、ガスセンサ１０は、感知層電極１５２、ガス感知層１５３、ガス選択燃焼層１５４、ヒータ層１３の各構成要素をＭＥＭＳ（微小電気機械システム）等の技術により熱容量を小さくしている。これにより、ガス検知温度Ｔ１への温度変化が速くなり、短パルスでガス検知が可能となる。したがって、低消費電力となる。
【００４９】
続いて、図２に断面構造を示した本形態のガスセンサ１０、および、ガス検知装置１の製造方法について概略説明する。まず、板状のシリコンウェハー（図示せず）に対して熱酸化法によりその片面（または表裏両面）に熱酸化を施し、熱酸化ＳｉＯ２膜たる熱酸化ＳｉＯ２層１２１を形成する。
【００５０】
そして、熱酸化ＳｉＯ２層１２１を形成した上面に、支持膜となるＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４膜をプラズマＣＶＤ法にて堆積させ、ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層１２２を形成する。そして、このＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層１２２の上面に、熱絶縁膜となるＣＶＤ−ＳｉＯ２膜をプラズマＣＶＤ法にて堆積させ、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層１２３を形成する。
【００５１】
さらに、ＣＶＤ−ＳｉＯ２層１２３の上面に、Ｐｔ−Ｗ膜（またはＮｉ−Ｃｒ膜）をスパッタリング法により蒸着させ、ヒータ層１３を形成する。そして、このＣＶＤ−ＳｉＯ２層１２３とヒータ層１３との上面に、スパッタＳｉＯ２膜をスパッタリング法により蒸着させ、スパッタＳｉＯ２層である電気絶縁層１４を形成する。
【００５２】
この電気絶縁層１４の上に、一対の接合層１５１、一対の感知層電極１５２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て通常のスパッタリング法により行う。成膜条件は接合層（ＴａあるいはＴｉ）１５１、感知層電極（ＰｔあるいはＡｕ）１５２ともに同じで、Ａｒガス（アルゴンガス）圧力１Ｐａ、基板温度３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ２、膜厚は接合層１５１／感知層電極１５２＝５００Å／２０００Åである。これら一対の感知層電極１５２は、ガス感知層１５３から電気信号を取り出す電極である。
【００５３】
一対の感知層電極１５２に渡されるとともに、電気絶縁層１４の上に、ＳｎＯ２膜がスパッタリング法により蒸着され、ガス感知層１５３が形成される。この成膜はＲＦマグネトロンスパッタリング装置を用い、反応性スパッタリング法によって行う。ターゲットにはＳｂを０．１ｗｔ％含有するＳｎＯ２を用いる。成膜条件はＡｒ＋Ｏ２ガス圧力２Ｐａ、基板温度１５０〜３００℃、ＲＦパワー２Ｗ／ｃｍ２、膜厚４００ｎｍである。ガス感知層１５３は、平面視で一辺が５０μｍ程度の角状に形成される。
【００５４】
続いてガス選択燃焼層１５４を形成する。ガス選択燃焼層１５４は、ＰｄＯを７．０ｗｔ％添加したγ−アルミナ（平均粒径２〜３μｍ）にジエチレングリコールモノエチルエーテルを同重量、さらにシリカゾルバインダを５〜２０ｗｔ％添加してペーストを生成する。そして、厚さ約３０μｍでスクリーン印刷により形成する。その後にこの膜を５００℃で１２時間焼成する。ガス選択燃焼層１５４は、ガス感知層１５３を十分覆い尽くすように、直径をガス感知層１５３の外周部よりも大きくする。もしくはガス感知層１５３の上面に、ガス選択燃焼層１５４を同一の大きさで積層するように形成しても良い。ガス選択燃焼層１５４は、平面視で直径２００μｍ程度の円状に形成されるのが好ましい。
【００５５】
最後にシリコンウェハー（図示せず）の裏面からエッチングによりシリコンを除去する微細加工プロセスを行い、貫通孔を有するＳｉ基板１１を形成する。最終的にダイヤフラム構造のガスセンサ１０になる。なお、このヒータ層１３がヒータ層駆動部２２やヒータ層電気特性測定部２３に、および、感知層電極１５２がガス検知信号処理部２４に、それぞれ電気的に接続される。ガスセンサ１０の製造方法はこのようなものとなる。
【００５６】
続いて、駆動制御・信号処理部２０について説明する。駆動制御・信号処理部２０は、図１で示すように、中央処理部２１、ヒータ層駆動部２２、ヒータ層電気特性測定部２３、ガス検知信号処理部２４、記憶部２５、警報表示部２６、警報音出力部２７、外部出力部２８、電源部２９を備えている。
【００５７】
中央処理部２１は、ヒータ層駆動部２２、ヒータ層電気特性測定部２３、ガス検知信号処理部２４、記憶部２５、警報表示部２６、警報音出力部２７、外部出力部２８と接続される。中央処理部２１は、マイクロコンピュータ等のＣＰＵおよびその周辺部によって構成されており、ヒータ層駆動手段２１１、都市ガス検知手段２１２、ＣＯガス検知手段２１３、ヒータ層温度算出手段２１４、過昇温検知手段２１５、駆動切換手段２１６、補正手段２１７、判定手段２１８、表示制御手段２１９、出力制御手段２２０の各機能をハードウェアならびにソフトウェアにより実現し、各種の制御や信号処理を行う。
【００５８】
ヒータ層駆動部２２は、電源部２９から供給された電力を、ガスを精度よく検知するためのヒータ層駆動電力に変換し、ヒータ層１３を通電により駆動する回路部である。ヒータ層駆動部２２は、中央処理部２１内のヒータ層駆動手段２１１により各種制御が行われる。
【００５９】
例えば、ヒータ層駆動時には、図３で示すような通常駆動パターンにて駆動される。通常駆動パターンでは、ガス検知時間（ヒータオン時間）ｔ１を５００ｍｓ、ガス検知周期ｔｄを６０ｓというくり返しパルス状に通電する。これら駆動の詳細については後述する検知処理にて説明する。
【００６０】
ヒータ層電気特性測定部２３は、ヒータ層１３の抵抗や電圧などの電気特性値を検出する手段からなり、検出信号を中央処理部２１へ送信する。後述するが中央処理部２１のヒータ層温度算出手段２１４は、ヒータ層１３の電気特性値、主にヒータ層１３の抵抗値に基づいて後述する手法によりガスセンサ温度とほぼ等しいヒータ層温度を計測する。このヒータ層温度の算出の際に記憶部２５にアクセスし、後述する各種データを取得する。
【００６１】
ガス検知信号処理部２４は、一対の感知層電極１５２を介してガス感知層１５３と接続されており、検知対象ガスを感知したガス感知層１５３のセンサ抵抗値を検知する。このセンサ抵抗値に基づいて中央処理部２１内の都市ガス検知手段２１２およびＣＯガス検知手段２１３により、都市ガス及びＣＯガスを検知し、センサ出力として補正手段２１７へ送る。なお、都市ガス検知手段２１２およびＣＯガス検知手段２１３以外に、各種ガスを検知するような他の手段を採用できる。
【００６２】
なお、ヒータ層電気特性測定部２３、および、ガス検知信号処理部２４からの出力はアナログ信号であるため、中央処理部２１はこれらのアナログ信号をディジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換部（図示せず）を備えている。
【００６３】
記憶部２５は、中央処理部２１に接続されて各種データの読み出しや書き込みがなされる。記憶部２５は、各種の警報を発生するための閾値等の設定値や図示しない環境センサが取得する周囲温度・周囲湿度に応じた補正値等やガス検知装置１が警報を発した時の状態データ等の履歴データを記憶している。
【００６４】
中央処理部２１では、非通電時のヒータ層温度算出手段２１４で取得した温度を周囲温度として、補正手段２１７が補正値を算出し、都市ガス検知手段２１２及びＣＯガス検知手段２１３のセンサ出力に対してこの補正値を用いて補正を行い、この補正されたセンサ出力を判定手段２１８へ送る。判定手段２１８は補正されたセンサ出力に基づいて検知対象ガスの有無を判定する。また、例えば、図示しない環境センサ（例えば、温度計、湿度計、気圧計など）からの出力に基づいて補正を行うようにしても良い。補正については適宜選択可能である。このような補正により周囲環境の影響を極力排除した精度の高いガス検知を行っている。
【００６５】
なお、補正しない方式を採用しても良い。この場合に、補正手段２１７をなくして、都市ガス検知手段２１２及びＣＯガス検知手段２１３のセンサ出力に対して判定手段２１８が判定を行うようにしても良い。
【００６６】
中央処理部２１の判定手段２１８は、ガスが検知されたと判定した場合に表示制御手段２１９を介して警報表示部２６に警報表示させる制御を行い、また、出力制御手段２２０を介して警報音出力部２７や外部出力部２８に出力するように制御を行う。
【００６７】
警報表示部２６は、例えばＬＥＤ、ランプ、ＬＣＤなどの表示部とそのドライバで構成されており、異常検知時等に警報を表示することが可能である。中央処理部２１では、判定手段２１８の出力を受けた表示制御手段２１９が、都市ガス、または、ＣＯガスが検知されて異常が発生したとする検知内容を警報表示する制御を警報表示部２６に対して行う。
【００６８】
警報音出力部２７は、例えばスピーカとそのドライバで構成されており、警報音や音声としてスピーカ等により出力することが可能である。中央処理部２１では、判定手段２１８の出力を受けた出力制御手段２２０が、都市ガス、または、ＣＯガスが検知されて異常が発生したとする検知内容を警報音出力する制御を警報音出力部２７に対して行う。
【００６９】
外部出力部２８は、例えば接点部や通信部などであって、警報を外部へ出力することが可能である。中央処理部２１では、判定手段２１８の出力を受けた出力制御手段２２０が、都市ガス、または、ＣＯガスが検知されて異常が発生したとする検知内容を電圧等や通信信号の出力信号として外部へ出力する制御を外部出力部２８に対して行う。
【００７０】
電源部２９は、中央処理部２１、ヒータ層駆動部２２、ヒータ層電気特性測定部２３、ガス検知信号処理部２４、記憶部２５、警報表示部２６、警報音出力部２７、外部出力部２８に図示しない回路で接続されており、これらに対して電力を供給する。この電源部２９は、内蔵される乾電池や充電池などの消耗電池を想定しているが、ＡＣ１００Ｖ等の商用電源と定電圧部により構成しても良い。ガス検知装置１の全体構成はこのようなものである。
【００７１】
続いて、ガス検知装置１によるガス検知動作について説明する。ガス検知装置１の全体の制御は、中央処理部２１が司る。図２で示すように、細線で示された導線を通じてヒータ層駆動部２２からの駆動信号がガスセンサ１０のヒータ層１３に入力されてヒータ層駆動を行う。
【００７２】
中央処理部２１はガス感知層１５３やガス選択燃焼層１５４に過昇温が生じているか否かについて判断し、過昇温が生じていない場合は図３で示したような通常駆動パターンで駆動するが、過昇温が生じている場合には後述する過昇温対策駆動パターンで駆動する。この図３の通常駆動パターンは、ガス検知を一単位とし、この一単位をガス検知周期ｔｄで繰り返し出現させるパターンである。なお、後述する第２，第３，第４形態でも同様に過昇温対策駆動パターンを用いて駆動する。
【００７３】
過昇温の有無の判断について説明する。まず、温度の検出原理について説明するため、温度とヒータ層抵抗との関係について説明する。図２で示した構造のガスセンサ１０を高温炉に入れてガスセンサ１０の周囲の温度を上げ、ヒータ層１３のヒータ層抵抗値の変化を測定した。図４のヒータ層抵抗値の変化で示すように、０から約５００℃の温度範囲においてヒータ層抵抗値は温度に対してほぼ線形に変化している。周囲温度が上がるにつれてヒータ層抵抗値も上がり、また、周囲温度が下がるにつれてヒータ層抵抗値も下がる。この傾向は複数（図４では８個）のサンプルから確認された。
【００７４】
このような傾向から、ガス感知層１５３やガス選択燃焼層１５４が温度変化するにつれて周囲温度が変化することになり、従ってヒータ層抵抗値にも影響する、換言すればヒータ層抵抗値の変化でガス感知層１５３やガス選択燃焼層１５４の温度を検出できることが推察される。ヒータ層抵抗値を監視することにより、ガス感知層１５３やガス選択燃焼層１５４の温度の変化が把握可能である。
【００７５】
続いて、ガス検知時の一連の動作について説明する。まず、過燃焼性ガスがない場合の通常駆動パターンについて説明する。この過燃焼性ガスとは、先に説明したが、過度に燃焼熱の高いガスであり、例えばオクタン（燃焼熱５５０１ｋＪ／ｍｏｌ（４８．３ｋＪ／ｇ））や、テトラヒドロフラン（燃焼熱２５３０ｋＪ／ｍｏｌ（３５．１ｋＪ／ｇ））などが該当する。
【００７６】
この通常駆動パターンであるが、ヒータ層１３により、例えば、図３で示すように、ガス検知（ｏｎ）と通電停止（ｏｆｆ）とのくり返しパルス駆動となる。このガス検知では、詳しくはガス検知温度Ｔ１（例えば４５０℃）の高温になる電力でガス検知時間ｔ１（例えば５００ｍｓ）にわたり通電されて、ヒータ層１３が加熱され、ガス感知層１５３やガス選択燃焼層１５４が温度上昇する。このような通常駆動パターンでは、所定のガス検知周期ｔｄ（例えば６０ｓ）で繰り返しパルスが出現する。
【００７７】
ここで高温時のガス選択燃焼層１５４は、ＣＯ、Ｈ２等の還元性ガスその他の雑ガスを燃焼させるが、ＣＨ４、Ｃ３Ｈ８等の可燃性ガスを通過させる。可燃性ガスはガス選択燃焼層１５４内で拡散して高温の状態のガス感知層１５３に到達してガス感知層１５３のＳｎＯ２と反応し、ＳｎＯ２のセンサ抵抗値を変化させる。このセンサ抵抗値の変化を検知してガス機器などのガス漏れ時に発生する特に都市ガス（ＣＨ４、Ｃ３Ｈ８等の可燃性ガス）の有無を検知する。一対の感知層電極１５２によりガス感知層１５３のセンサ抵抗値がガス検知信号処理部２４により測定される（Ｈｉｇｈ−Ｏｆｆ方式）。
【００７８】
なお、ガス検知ではこのＨｉｇｈ−Ｏｆｆ方式に変わる他の方式を採用しても良い。不完全燃焼（ＣＯ）を検知する場合、一旦、ヒータ層１３の温度を５０〜５００ｍｓの一定期間にわたり高温（Ｈｉｇｈ４００〜５００℃）にし、ガス感知層１５３のクリーニングを行う。そして、低温（Ｌｏｗ約１００℃）に降温して不完全燃焼（ＣＯ）の検知を行う。これにより、ＣＯ感度およびガス選択性が高くなることが知られている（Ｈｉｇｈ−Ｌｏｗ−Ｏｆｆ方式）。
【００７９】
また、Ｈｉｇｈ状態で、クリーニングのみならずＣＨ４、Ｃ３Ｈ８等の可燃性ガス検知も行い、Ｌｏｗ状態でのＣＯ等の不完全燃焼ガスの検知と合わせ、ワンセンサで可燃性ガス・不完全燃焼ガスの両方を検知できるガスセンサとしても良い。
【００８０】
続いて、通常駆動パターンによる可燃性ガスおよび／または不完全燃焼ガスのガス検知について説明する。
図１に示す中央処理部２１のヒータ層駆動手段２１１は、ヒータ層駆動部２２を駆動してガス検知温度となるようにヒータ層１３を加熱駆動する手段として機能しガス検知がなされる。
【００８１】
図１に示すガス検知と同時に平行して中央処理部２１のヒータ層温度算出手段２１４はヒータ層電気特性測定部２３が検知する電気特性値からヒータ層温度を算出する手段として機能する。このようなヒータ層温度の算出はガス検知時間ｔ１の期間中では連続してくり返し行われているものとする。例えば５ｍｓ毎にヒータ層温度が出力されている。
【００８２】
続いて電気特性値の具体例であるヒータ層抵抗値を用いるヒータ層温度の算出をどのように行うかについて説明する。
ヒータ層電気特性測定部２３は、図２で示すように、細線で示された導線を通じてヒータ層１３からヒータ層抵抗値を測定するようになされており、シャント抵抗を備える。このシャント抵抗は、あらかじめ抵抗値が把握されており、ヒータ層１３と直列に接続されている。さらにヒータ層１３の両端電圧とシャント抵抗の両端電圧が計測できるように回路構成されている。
【００８３】
ガス検知中であり、ヒータ層１３に所定電圧が印加されてガス検知温度Ｔ１となっている。この状態で、ヒータ層１３の両端電圧を測定すると同時に直列に配置したシャント抵抗の両端電圧値も測定する。これら両端電圧値が中央処理部２１へ送られ、ヒータ層温度算出手段２１４にて演算処理される。
【００８４】
ヒータ層温度算出手段２１４では、測定したシャント抵抗の両端電圧値と直列に配置した既知のシャント抵抗値とから電流を算出する。そして、この電流と、読取ったヒータ層１３の両端電圧とからヒータ層抵抗値を算出する。そして、算出したヒータ層１３のヒータ層抵抗値を用い、ヒータ層温度算出手段２１４は、以下の式からヒータ層１３の温度Ｔを算出する。このように、ヒータ層温度の変化は、間接的に、ヒータ層抵抗の変化またはヒータ層電圧の変化、ヒータシャント電圧の変化またはヒータ電流の変化としてとらえることも可能である。
【００８５】
［数２］
Ｒ／Ｒ０＝αＴ＋１
ここで、Ｔ：ヒータ層温度
Ｒ：温度Ｔでのヒータ層抵抗値
Ｒ０：基準温度でのヒータ層抵抗値（例えば基準温度０℃等）
α：ヒータ層の抵抗温度係数
【００８６】
ここに、基準温度でのヒータ層抵抗値Ｒ０の値は予め計測により求められている。またヒータ層の抵抗温度係数αの値は、センサ毎に決定される値である。なお、薄膜センサを作成するウェハーごとのバラつきは少ないので、１枚のウェハーから取れる薄膜センサでは同じ値を与えても良い。あるいは、１ロットで複数のウェハーを流す場合には、同じロットの薄膜センサに同じ値を与えてもよい。
【００８７】
これら基準温度でのヒータ層抵抗値Ｒ０やヒータ層１３の抵抗温度係数αは記憶部２５に記憶されており、また、ヒータ層温度Ｔでのヒータ層抵抗値Ｒはヒータ層電気特性測定部２３を通じて取得されるので、上記数２によりヒータ層１３の温度Ｔが算出される。このヒータ層１３の温度がガス感知層１５３やガス選択燃焼層１５４の温度とみなされる。
【００８８】
中央処理部２１の過昇温検知手段２１５は、ヒータ層温度算出手段２１４で算出したヒータ層温度に基づいてガス感知層の過昇温の有無を検知する手段として機能する。ヒータ層温度が予め設定された上限温度Ｔｅｘを超える場合にガス感知層１５３の過昇温を検知する。例えば、４５０℃に加熱するため上限温度Ｔｅｘを４５５℃（＋５℃）と設定した場合であってヒータ層温度（つまりセンサ温度）が４５０℃であった場合には、上限温度Ｔｅｘを超えていないので過昇温がないと判定する。
【００８９】
中央処理部２１の駆動切換手段２１６は、過昇温検知手段２１５での過昇温が生じていないという判断を受けて、切換を行わず、そのまま通常駆動パターンで駆動する。
【００９０】
中央処理部２１の都市ガス検知手段２１２やＣＯガス検知手段２１３は、ガス検知信号処理部２４を経由して高温時のガス感知層１５３のセンサ抵抗値から検知対象ガスの有無を検出する手段として機能する。過昇温が生じていないときのヒータ層１３の通常駆動パターンは、図３に示されるように、くり返しパルス状であってヒータ層１３の駆動がガス検知時間ｔ１の最後まで行われるパターンである。これはヒータ層１３によりガス検知温度Ｔ１（４５０℃）の高温にガス検知時間ｔ１（５００ｍｓ）にわたり加熱されるガス検知がガス検知周期ｔｄ（例えば６０ｓ）毎に繰り返し出現するパターンである。４５０℃の高温に加熱された状態でガス感知層１５３が検知対象ガスに接触し、ガス感知層１５３の変化するセンサ抵抗値を細線で示された導線を通じてガス検知信号処理部２４が検知信号として出力することで検知対象ガスの有無を検知する。
過昇温がない場合はこのようにヒータ層１３が駆動される。
【００９１】
続いて、過燃焼性ガスによる過昇温がある場合について説明する。まず、図１に示す中央処理部２１のヒータ層駆動手段２１１は、ヒータ層駆動部２２を駆動してガス検知温度となるようにヒータ層１３を加熱駆動する手段として機能する。最初は、通常駆動パターンと同様に、図３に示すように、ヒータ層１３により例えばガス検知温度Ｔ１（例えば４５０℃）の高温でヒータ層駆動時間（ガス検知時間）ｔ１（例えば５００ｍｓ）にわたり加熱される。
【００９２】
そして、ガス検知と同時に平行して図１に示す中央処理部２１のヒータ層温度算出手段２１４はヒータ層電気特性測定部２３が検知する電気特性値から上記のようにヒータ層温度を算出する手段として機能する。このようなヒータ層温度の算出はガス検知時間ｔ１の間で連続してくり返し行われているものとする。例えば５ｍｓ毎にヒータ層温度が出力されている。
【００９３】
図１に示す中央処理部２１の過昇温検知手段２１５は、ヒータ層温度算出手段２１４で算出したヒータ層温度に基づいてガス感知層１５３の過昇温の有無を検知する手段として機能する。ここで、図５に示すように、ヒータ層温度が予め設定された上限温度Ｔｅｘを超える場合にガス感知層１５３の過昇温を検知する。図５では、ヒータ層温度４５０℃となるように加熱するため上限温度を４５５℃（＋５℃）と設定した場合であってヒータ層温度（つまりセンサ温度）が４６０℃であった場合には、上限温度Ｔｅｘを超えるため過昇温があると判定している。
【００９４】
中央処理部２１の駆動切換手段２１６は、過昇温検知手段２１５での過昇温があるという判断を受けてヒータ層駆動部２２の駆動パターンを通常駆動パターンから過昇温対策駆動パターンへ変更するように、ヒータ層駆動手段２１１での駆動を切り換える手段として機能する。この場合、ヒータ層温度が図５に示すような過昇温対策駆動パターンを含むように駆動される。これは図５で示す過昇温検知（ガス検知停止）の時点で行われることになる。
【００９５】
本形態での過昇温対策駆動パターンは、過昇温したガス感知層１５３およびガス選択燃焼層１５４の温度を低くし、その後の過昇温の原因となる過燃焼性ガスを気化除去または燃焼除去するものである。つまり、中央処理部２１のヒータ層駆動手段２１１は、図５で示すように、ガス検知時間ｔ１の途中であっても、ガス検知をしばらく一時停止してヒータ層温度を下げ、その後にガス検知温度Ｔ１よりも低い温度であって過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度Ｔ０で、過燃焼性ガス除去時間ｔ０にわたりヒータ層１３を加熱駆動するように、ヒータ層駆動部２２を制御する手段として機能する。なお、一時停止を行わなくても良く、中央処理部２１のヒータ層駆動手段２１１は、ガス検知時間ｔ１の途中で直ちにガス検知温度Ｔ１よりも低い温度であって過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度Ｔ０で、過燃焼性ガス除去時間ｔ０にわたりヒータ層１３を加熱駆動するように、ヒータ層駆動部２２を制御する手段として機能するようにしても良い。
【００９６】
ここにガス検知温度Ｔ１、および、過燃焼性ガス除去温度Ｔ０とした場合に、Ｔ０＜Ｔ１の条件を満たす。このような過燃焼性ガス除去温度Ｔ０で、吸着した過燃焼性ガスを除去することが可能である。なお、過燃焼性ガスを除去できる温度であれば良いので、過燃焼性ガス除去温度Ｔ０は３００℃に限定されるものではない。除去したい過燃焼性ガスの種類により温度を適宜決定すればよい。
【００９７】
この図５の過昇温対策駆動パターンの過燃焼性ガス除去では、ヒータ層１３が、過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（例えば３００℃）で過燃焼性ガス除去時間ｔ０（例えば５ｓ）にわたり加熱するが、この際に、ガス感知層１５３およびガス選択燃焼層１５４の過燃焼性ガスが比較的低温で加熱されることになり、過燃焼性ガスが低温で気化して拡散除去される。また、燃焼除去した場合でもセンサ劣化温度よりも低温のためセンサが劣化する問題は無い。
この場合、ガス検知装置１としては、過昇温検知が所定回数を超えたら外気が汚れている等のアラームを出すなどにより、周囲に報告する。
【００９８】
このようにして過燃焼性ガスが除去された後に、図１に示す中央処理部２１のヒータ層駆動手段２１１は、通常駆動パターンで駆動することになり、再び図３で示すようなガス検知温度Ｔ１となるようにヒータ層１３を加熱駆動する手段として機能する。以下、先の説明と同様にヒータ層温度算出手段２１４、過昇温検知手段２１５、駆動切換手段２１６と機能させ、過昇温が解消されていない場合は、過昇温対策駆動パターンへ再度変更して過燃焼性ガス除去を再度行ってガス感知層１５３およびガス選択燃焼層１５４を劣化させることなくガス検知を行う。ガス検知はこのようにして行われる。
【００９９】
続いて、このようなガス検知装置１の過燃焼性ガス除去能力の検証結果について説明する。過燃焼性ガスの一例であるテトラヒドロフランにガスセンサを曝露したときの挙動について検証する。まず、テトラヒドロフランに曝露する前のガスセンサ１０のヒータ層温度の時間変化を検証する。続いてテトラヒドロフラン１０ｐｐｍ中に２４時間を曝露した後のガスセンサ１０のヒータ層温度の時間変化を検証する。この際、過燃焼性ガス曝露前と曝露後とのガスセンサで共に過燃焼性ガス除去を行わずにガス検知のためのヒータ層駆動のみを行い、ヒータ層温度の時間変化を検証する。図６は、このような条件におけるガスセンサ１０のヒータ層温度の挙動を、過燃焼性ガス曝露前と曝露後とで比較して示している。
【０１００】
過燃焼性ガス曝露前で過燃焼性ガスの吸着がない正常なガスセンサ１０のヒータ層温度の時間変化は、図６の実線で示すように、設定した検知温度と同じ４５０℃に約２００ｍｓ程度で達し、５００ｍｓまで維持している。一方、過燃焼性ガス曝露後で過燃焼性ガスの吸着があるガスセンサ１０のヒータ層温度の時間変化は、図６の一点鎖線で示すように、検知温度である４５０℃に２００ｍｓ程度で達した後で更に昇温し、５００ｍｓ時には、５５０℃まで到達している。これは、設定ヒータ層温度の４５０℃を超える温度であり、過燃焼性ガス曝露後のガスセンサ１０では過昇温が生じている。
【０１０１】
このような過昇温を解決する本発明のガス検知装置１による改善例を説明する。過燃焼性ガス曝露により、過燃焼性ガスがガス感知層１５３やガス選択燃焼層１５４に付着した場合、図６の一点鎖線で示すように昇温するため、過昇温があると判定される。そこで、図５で示すような過昇温対策駆動パターンに切り換わり、過燃焼性ガス除去が開始される。
【０１０２】
図７はテトラヒドロフラン１０ｐｐｍ中に２４時間にわたり曝露されたガスセンサ１０に対し、３００℃に加熱して過燃焼性ガス除去を行う際のヒータ層温度の挙動であるが、特に３００℃以上の過昇温は認められない。そして、図８はこの過燃焼性ガス除去後であって、４５０℃に加熱するガス検知中のヒータ層温度の挙動であるが、特に４５０℃以上の過昇温は認められない。これは、先に説明の図６の実線で示した過燃焼性ガス曝露前の正常なヒータ層温度の時間変化と同様の傾向である。本発明のガス検知装置１によれば、過昇温が生じた場合に直ちにガス感知層１５３およびガス選択燃焼層１５４の温度を低下させ、続いて過燃焼性ガス除去によりガス感知層１５３およびガス選択燃焼層１５４に吸着される過燃焼性ガスを除去し、その後にガス検知を行うというものであり、過昇温による影響の排除を実現している。
【０１０３】
続いて第２形態について説明する。先に図１〜図８を用いて説明した第１形態と比較すると、第２形態は、図１，図２で示したガス検知装置１の構成が同じであり、さらに過昇温がないときは先に図３を用いて説明した通常駆動パターンで検知を行う点も同じであるが、過昇温対策駆動パターンのみが相違している。第２形態の構成は、先に説明した第１形態の構成と同じであるとして同じ符号を付すとともに、重複する説明を省略し、相違する過昇温対策駆動パターンのみ説明する。
【０１０４】
先に説明した第１形態の過昇温対策駆動パターンでは、図５で示すように、過昇温検知時に通電を止めてガス検知を停止し、ガス検知温度Ｔ１より低温の過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（例えば３００℃）で過燃焼性ガス除去時間ｔ０（例えば５ｓ）にわたり連続して加熱している。しかしながら、第２形態の過昇温対策駆動パターンでは、図９に示すように、過燃焼性ガス除去時において、例えば過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（３００℃）でパルス幅ｔ３（５００ｍｓ）のパルスをｎ回（例えば６回）出現させるパルス駆動を採用している。このような形態としても本発明の趣旨を逸脱することなく、過燃焼性ガス除去が行われる。なお、過燃焼性ガス除去時間ｔ０、パルス幅ｔ３やパルス回数は実情に応じて適宜選択することができる。また、このパルスは同じパルスが連続するものでなくても良く、それぞれパルス幅が異なるパルスであったり、最初だけ温度が低いパルスであって順次温度が上昇するようなパルスであったりしてもよく、各種バリエーションを選択できる。このような形態としても良い。
【０１０５】
続いて第３形態について説明する。先に図１〜図８を用いて説明した第１形態と比較すると、第３形態は、図１，図２で示したガス検知装置１の構成が同じであり、さらに過昇温がないときは先に図３を用いて説明した通常駆動パターンで検知が行う点も同じであるが、過昇温対策駆動パターンのみが相違している。第３形態の構成は、先に説明した第１形態の構成と同じであるとして同じ符号を付すとともに、重複する説明を省略し、過昇温対策駆動パターンのみ説明する。この過昇温対策駆動パターンは、図５で説明したガス検知停止のみを行うものであり、簡易に過燃焼性ガスの除去を行うパターンである。
【０１０６】
先に説明した第１形態の過昇温対策駆動パターンでは、図５で示すように、過昇温検知時に通電を止めてガス検知停止し、過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（例えば３００℃）で過燃焼性ガス除去時間ｔ０（例えば５ｓ）にわたり連続して加熱している。しかしながら、第３形態の過昇温対策駆動パターンでは、ガス検知時間ｔ１の途中であっても過昇温の検知後直ちにヒータ層駆動を停止し、そして、過燃焼性ガス除去は行わないでしばらく停止したままのパターンである。その後に図３に示すような通常の駆動パターンに復帰する。
【０１０７】
この場合は、図１の中央処理部２１の駆動切換手段２１６は、過昇温検知手段２１５での過昇温が生じているという判断を受けて、過昇温対策駆動パターンへ変更し、ヒータ層駆動を停止するようにヒータ層駆動手段２１１の駆動の切換を行う。このようにすることで、ヒータ層駆動停止により過燃焼が直ちに無くなって、ヒータ層１３や過昇温が生じているガス感知層１５３およびガス選択燃焼層１５４が破壊されるような事態が回避される。そして、続くガス検知時に再度過昇温が起こった場合でも同様にヒータ層駆動を停止するというヒータ層駆動を行う。以下、過昇温がなくなるまで繰り返される。その後は、図３に示すような通常の駆動パターンが維持される。
【０１０８】
続いて第４形態について説明する。先に図１〜図８を用いて説明した第１形態と比較すると、第４形態は、図１，図２で示したガス検知装置１の構成が同じであり、さらに過昇温がないときは先に図３を用いて説明した通常駆動パターンで検知が行われる点も同じであるが、過昇温対策駆動パターンは相違している。第４形態の構成は、先に説明した第１形態の構成と同じであるとして同じ符号を付すとともに、重複する説明を省略し、相違する過昇温対策駆動パターンのみ説明する。
【０１０９】
先に説明した第１形態の過昇温対策駆動パターンでは、図５で示すように、過昇温検知時に通電を止めてガス検知停止し、その後に過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（例えば３００℃）で過燃焼性ガス除去時間ｔ０（例えば５ｓ）にわたり連続して加熱している。しかしながら、第４形態の過昇温対策駆動パターンでは、図１０で示すように、ガス検知時間ｔ１の途中であっても過昇温の検知後直ちにヒータ層１３へ供給する電力を少なくするヒータ層駆動を行ってヒータ層１３の温度をセンサ劣化温度以下である通常のガス検知温度Ｔ１へ近づけるというものであり、この際に過燃焼性ガス除去が行われる。
【０１１０】
過昇温を検知した場合は、図１の中央処理部２１の駆動切換手段２１６は、過昇温検知手段２１５での過昇温が生じているという判断を受けて、電力を少なくする過昇温対策駆動パターンへ変更し、電力を少なくするようなヒータ層駆動とするヒータ層駆動手段２１１の駆動の切換を行う。ガス検知時間ｔ１経過後にガス検知を実施する。
【０１１１】
続くガス検知時に再度過昇温が起こった場合でも同様に電力を少なくするヒータ層駆動を行う。以下、過昇温がなくなるまで繰り返される。その後は、図３に示すような通常の駆動パターンが維持される。そして、所定回数を超えて過昇温対策駆動パターンを実行しても過昇温が検知される場合、アラームを出す。
【０１１２】
図１１に過昇温対策駆動の有無によるヒータ層温度の挙動の比較を示す。テトラヒドロフラン１０ｐｐｍ中に２４時間センサチップが曝露された後、通電を開始する。過昇温判定温度を検知温度の＋５℃とすると、時間ｔＡで４５５℃を超える。この場合にヒータ層への印加電力を下げないと図１１の一点鎖線で示すように５００℃を超えて過昇温が生ずるが、ヒータ層への印加電力を下げると、図１１の実線で示すように温度を４５０℃程度に維持でき、これにより、過昇温を防止する。
【０１１３】
このようなヒータ層駆動停止により過燃焼の影響が低減され、ヒータ層１３や過昇温が生じているガス感知層１５３およびガス選択燃焼層１５４が破壊されるような事態が回避される。また、電力を下げたときでも過燃焼性ガスが燃焼し、過燃焼性ガス除去も行われる。
【０１１４】
続いて第５形態について図１２，図１３,図１４を参照しつつ説明する。図１２，図１３の第５形態のガス検知装置２は、先に図１〜図８を用いて説明した第１形態のガス検知装置１の構成のうちヒータ層電気特性測定部２３、ヒータ層温度算出手段２１４、過昇温検知手段２１５、駆動切換手段２１６を取り去り、ヒータ層駆動手段２１１を変更した点が相違する。以下、このヒータ層駆動手段２１１およびその駆動パターンについて説明し、他の構成については同じ符号を付すとともに重複する説明を省略する。この第５形態は、先に説明した第１，第２，第３，第４形態で用いた過昇温対策駆動パターンに切り換えるのではなく駆動パターンに過燃焼対策駆動パターンを含むものとした（図１４）。
【０１１５】
図１２に示す中央処理部２１のヒータ層駆動手段２１１は、詳しくは、過燃焼性ガス除去駆動手段２１１ａとガス検知駆動手段２１１ｂとして機能する。
まず、過燃焼性ガス除去駆動手段２１１ａでは、図１４で示すように、ガス検知温度Ｔ１（後述）より低い温度であって過燃焼性ガスが除去される過燃焼性ガス除去温度Ｔ０で、過燃焼性ガス除去時間ｔ０にわたりヒータ層１３を加熱駆動するように、ヒータ層駆動部２２を制御する。ヒータ層１３が、過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（例えば３００℃）で過燃焼性ガス除去時間ｔ０（例えば５ｓ）にわたり加熱する。
【０１１６】
この際に、ガス感知部１５のガス感知層１５３およびガス選択燃焼層１５４の過燃焼性ガスが比較的低温で加熱されることになり、ガス感知層１５３およびガス選択燃焼層１５４の細孔内で毛管凝縮効果により付着する過燃焼性ガスは、急激に高温になることなく気化して拡散除去される。また、ガス選択燃焼層１５４の外側周囲における過燃焼性ガスも急激に高温になることなく気化して拡散除去される。ここで過燃焼性ガス除去温度Ｔ０は気化時にガス感知層１５３およびガス選択燃焼層１５４が劣化しないような温度となる。燃焼除去した場合でもセンサ劣化温度よりも低温のためセンサが劣化する問題は無い。
【０１１７】
続いてガス検知駆動手段２１１ｂでは、過燃焼性ガスが除去された後にガス検知温度Ｔ１でヒータ層１３を加熱駆動するように、ヒータ層駆動部２２を制御する。ヒータ層１３により例えばガス検知温度Ｔ１（例えば４５０℃）の高温でガス検知時間ｔ１（例えば５００ｍｓ）にわたり加熱される。
【０１１８】
ここで高温時のガス選択燃焼層１５４は、ＣＯ、Ｈ２等の還元性ガスその他の雑ガスを燃焼させるが、ＣＨ４、Ｃ３Ｈ８等の可燃性ガスを通過させる。可燃性ガスはガス選択燃焼層１５４内を拡散して高温の状態のガス感知層１５３に到達してガス感知層１５３のＳｎＯ２と反応し、ＳｎＯ２のセンサ抵抗値を変化させる。このセンサ抵抗値の変化を検知してガス機器などのガス漏れ時に発生する特に都市ガス（ＣＨ４、Ｃ３Ｈ８等の可燃性ガス）の有無を検知する。一対の感知層電極１５２によりガス感知層１５３のセンサ抵抗値がガス検知信号処理部２４により測定される（Ｈｉｇｈ−Ｏｆｆ方式）。
【０１１９】
なお、ガス検知ではＨｉｇｈ−Ｏｆｆ方式に変わり、上記のようなＨｉｇｈ−Ｌｏｗ−Ｏｆｆ方式や、Ｌｏｗ状態でのＣＯ等の不完全燃焼ガスの検知と合わせ、ワンセンサで可燃性ガス・不完全燃焼ガスの両方を検知する方式を採用しても良い。そして、このような駆動パターンでは、過燃焼性ガス除去、および、ガス検知からなる一単位が、所定のガス検知周期ｔｄ（例えば６０ｓ）で繰り返し出現する。このようなガス検知装置２も、過燃焼性ガス除去により吸着される過燃焼性ガスが除去され、過昇温の防止が実現されている。
【０１２０】
続いて第６形態について説明する。先に図１２，図１３，図１４を用いて説明した第５形態と比較すると、第６形態は、図１２，図１３で示したガス検知装置２と構成が同じであるが、駆動パターンのみが相違する。第６形態の構成は、先に説明した第５形態の構成と同じであるとして同じ符号を付すとともに、重複する説明を省略し、相違する駆動パターンのみ説明する。
【０１２１】
先に説明した第５形態では、図１４で示すように過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（例えば３００℃）で過燃焼性ガス除去時間ｔ０（例えば５ｓ）にわたり連続して加熱している。しかしながら、第６形態では、図１５に示すように過燃焼性ガス除去時において、例えば過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（３００℃）でパルス幅ｔ３（５００ｍｓ）のパルスを１周期でｎ回（図１５では６回）行うパルス駆動を採用している。このような形態としても本発明の趣旨を逸脱することなく、過燃焼性ガス除去が行われる。なお、過燃焼性ガス除去時間ｔ０、パルス幅ｔ３やパルス回数は実情に応じて適宜選択することができる。また、このパルスは同じパルスでなくても良く、それぞれのパルス幅が異なるものであったり、最初だけ温度が低いパルスであって順次温度が上昇するようなパルスであったりしてもよく、各種バリエーションを選択できる。これにより、電力消費を少なくし、電池駆動を念頭においた低消費電力型のガス検知装置とすることができる。このような形態としても良い。
【０１２２】
続いて第７形態について説明する。先に図１２，図１３，図１４，図１５を用いて説明した第５，第６形態と比較すると、第７形態は、図１２，図１３，図１４，図１５で示したガス検知装置２と構成が同じであるが、ガス検知開始当初の駆動パターンのみが相違する。第７形態の構成は、先に説明した第５，第６形態の構成と同じであるとして同じ符号を付すとともに、重複する説明を省略し、駆動パターンのみ説明する。この第７形態では、第５，第６形態において、さらに、過燃焼性ガス除去駆動手段２１１ａでは、ガス検知開始から所定の初期期間にわたり過燃焼性ガス除去時間ｔ０を長くする点にある。この初期期間の経過後では通常の過燃焼性ガス除去時間ｔ０に戻す。
【０１２３】
長期保管等で無通電期間が長く、過燃焼性ガスの吸着量が多いと考えられる場合は、通電開始直後の初期期間では、過燃焼性ガス除去時間ｔ０を長くすることで、過燃焼性ガスを確実に除去する。これは第５，第６形態で適用可能である。例えば通常では、ヒータ層１３が、過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（例えば３００℃）で過燃焼性ガス除去時間ｔ０（例えば５ｓ）にわたり加熱するが、ガス検知開始から所定の初期期間のうちは、ヒータ層１３が、過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（例えば３００℃）で過燃焼性ガス除去時間ｔ０（例えば１０ｓ）にわたり加熱するというものである。これにより過燃焼性ガスの除去能力を高めることができる。このような駆動パターンを採用することができる。
【０１２４】
続いて第８形態について説明する。先に図１２，図１３，図１４，図１５を用いて説明した第５，第６，第７形態と比較すると、第８形態は、図１２，図１３で示した発明の構成と同じであるが、ガス検知開始当初から所定期間経過後の駆動パターンのみが相違する。第８形態の構成は、先に説明した第５，第６，第７形態の構成と同じであるとして同じ符号を付すとともに、重複する説明を省略し、駆動パターンのみ説明する。第８形態では、第５，第６，第７形態において、さらに、過燃焼性ガス除去駆動手段２１１ａでは、ガス検知開始から所定の駆動期間経過後に過燃焼性ガス除去時間ｔ０を短縮する点にある。
【０１２５】
複数回にわたり過燃焼性ガス除去が行われた後ならば、過燃焼性ガス除去時間ｔ０を短くしても、過燃焼性ガスを充分に除去できる。これにより、電力消費を少なくし、電池駆動を念頭においた低消費電力型のガス検知装置とすることができる。これは第５，第６，第７形態で適用可能である。例えば通常では、ヒータ層１３が、過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（例えば３００℃）で過燃焼性ガス除去時間ｔ０（例えば５ｓ）にわたり加熱するが、ガス検知開始から所定の駆動期間経過後ではヒータ層１３が、過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（例えば３００℃）で過燃焼性ガス除去時間ｔ０（例えば３ｓ）にわたり加熱するというものである。このような駆動パターンを採用することができる。
【０１２６】
また、第５，第６，第７，第８形態において、過燃焼性ガス除去駆動手段２１１ａは、一のガス検知周期ｔｄにおいて、過燃焼性ガス除去温度Ｔ０（例えば３００℃）で過燃焼性ガス除去時間ｔ０（例えば５ｓ）にわたり加熱する過燃焼性ガス除去駆動を一回行う。しかしながら、この過燃焼性ガス除去駆動を複数のガス検知周期ｔｄの経過毎に一回というように間欠的に行う（例えば図１６）ようにしても良い。
【０１２７】
続いて第９形態について説明する。あらかじめ定められたサイクルで過燃焼性ガス除去駆動を行っていたとしても、過燃焼性ガスが過剰に付着した場合には、所定サイクルの、過燃焼性ガス除去駆動だけでは除去できない場合もある。そこで、通常は定期的に過燃焼性ガス除去駆動を行い、その後に再度過昇温を検知した場合にも過燃焼性ガス除去駆動を行う。この第９形態では先に図１，図２で示す構成を有する。そして、通常は、図１４，図１５，図１６を用いて第５，第６，第７，第８形態として説明した通常パターンで駆動される。この駆動時に上記したように過昇温の有無を検知する。過昇温がなければそのまま通常パターンでの駆動を続ける。しかしながら、過昇温があった場合は図５，図９，図１０で示したような過燃焼性ガス除去パターンに切り換える。そして、通常パターンに戻るが再度過昇温があった場合は過燃焼性ガス除去パターンに切り換える。以下、これら通常パターンと過昇温対策駆動パターンによる駆動を、所定回数を超えて実行しても過昇温が検知される場合、アラームを出す。このような形態としても良い。
【０１２８】
続いて本発明の第１０形態について図を参照しつつ説明する。先に説明した第１〜第９形態と比較すると、本形態は、ガスセンサとして図１７に示すようなブリッジ構造のガスセンサ１０’を採用したものである。この図１７は、ガスセンサの構成をあくまで概念的に見やすく示したもので、各部の大きさや厚さ等は厳密なものではない。
【０１２９】
このブリッジ構造でもダイヤフラム構造と同様に高断熱，低熱容量の構造となり、ガスセンサとして採用できる。ガスセンサ１０’は、Ｓｉ基板１１、熱絶縁支持層１２、ヒータ層１３、電気絶縁層１４、ガス検知部１５、貫通孔１６、キャビティ１７を備える。なお、先の図２を用いて説明したガスセンサ１０と同じ構成であるＳｉ基板１１、熱絶縁支持層１２、ヒータ層１３、電気絶縁層１４、ガス検知部１５については、同じ符号を付すとともに重複する説明を省略する。
【０１３０】
ガスセンサ１０’は、先に説明したようなＳｉ基板１１、熱絶縁支持層１２、ヒータ層１３、電気絶縁層１４、ガス検知部１５を形成し、その後に４本のブリッジと中央のステージを残すように上側からウェットエッチングを行い、図１７（ｂ）のＡ−Ａ断面図、図１７（ｃ）のＢ−Ｂ断面図で示すように、四角錐または図示しないが四角錐台形のキャビティ１７を形成する。このようなガスセンサ１０’に対して、先に説明したようなヒータ駆動を行って、ガスを検出するガス検出装置としても良い。
【０１３１】
以上、本発明のガス検知装置について図を参照しつつ説明した。なお、先に説明した第１〜第１０形態では何れもガス選択燃焼層１５４を備える構成であるものとして説明したが、このガス選択燃焼層１５４がないようなガス検知部１５であっても良い。この場合も、多孔質であるガス感知層１５３があればガス検知は可能であり、また、多孔質であるガス感知層１５３は過燃焼性ガスを吸着するため、同様の効果が見込める。このようなガス選択燃焼層１５４がない構成を採用しても良い。
【０１３２】
以上説明したこれらガス検知装置によれば、過昇温による影響を排除し、信頼性を高めるとともに高精度な検知を実現する。
【産業上の利用可能性】
【０１３３】
本発明のガス検知装置は、特にガス漏れ警報器等の用途に適用することができる。
【符号の説明】
【０１３４】
１，２：ガス検知装置
１０，１０’：ガスセンサ
１１：Ｓｉ基板
１２：熱絶縁支持層
１２１：熱酸化ＳｉＯ２層
１２２：ＣＶＤ−Ｓｉ３Ｎ４層
１２３：ＣＶＤ−ＳｉＯ２層
１３：ヒータ層
１４：電気絶縁層
１５：ガス検知部
１５１：接合層
１５２：感知層電極
１５３：ガス感知層
１５４：ガス選択燃焼層
１６：貫通孔
１７：キャビティ
２０，２０’：駆動制御・信号処理部
２１：中央処理部
２１１：ヒータ層駆動手段
２１１ａ：過燃焼性ガス除去駆動手段
２１１ｂ：ガス検知駆動手段
２１２：都市ガス検知手段
２１３：ＣＯガス検知手段
２１４：ヒータ層温度算出手段
２１５：過昇温検知手段
２１６：駆動切換手段
２１７：補正手段
２１８：判定手段
２１９：表示制御手段
２２０：出力制御手段
２２：ヒータ層駆動部
２３：ヒータ層電気特性測定部
２４：ガス検知信号処理部
２５：記憶部
２６：警報表示部
２７：警報音出力部
２８：外部出力部
２９：電源部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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