(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合ガスからなる可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することにより可燃性ガスを検量する接触燃焼式ガスセンサであって、
基板上に形成され前記可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータと、
このヒータ上に形成され且つこのヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層と、
前記ヒータから順番に遠ざかるように配置され且つ前記可燃性ガスの燃焼熱を検出する複数のサーモパイルと、
を備えたことを特徴とする接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項２】
前記複数のサーモパイルのそれぞれのサーモパイルは、温接点及び冷接点を有する熱電対を複数個有し、この複数個の熱電対が直列に接続されてなることを特徴とする請求項１記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項３】
前記触媒層は、前記サーモパイルを構成する熱電対の温接点と前記ヒータとを覆うように形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項４】
前記基板は、所定の厚さのダイアフラムを有し、前記サーモパイルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及び前記ヒータは、前記ダイアラム上に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項５】
前記サーモパイルの冷接点は、前記ダイアフラムを除く領域に形成されていることを特徴とする請求項４記載の接触燃焼式ガスセンサ。
【請求項６】
基板上に形成され可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータ、このヒータ上に形成され且つこのヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層、及び前記ヒータから順番に遠ざかるように配置され且つ前記可燃性ガスの燃焼熱を検出する複数のサーモパイルを有する接触燃焼式ガスセンサと、
この接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させるヒータ駆動手段と、
前記接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記複数のサーモパイルの各サーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得る演算手段と、
この演算手段で得られた演算出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別するガス識別手段と、
を備えることを特徴とするガス検出装置。
【請求項７】
基板上に形成され可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータ、このヒータ上に形成され且つこのヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層、及び前記ヒータから順番に遠ざかるように配置され且つ前記可燃性ガスの燃焼熱を検出する１つまたは複数のサーモパイルを有する接触燃焼式ガスセンサと、
この接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させるヒータ駆動手段と、
前記ヒータ、一端が前記ヒータの一端に接続された第１の比較素子、一端が前記ヒータの他端に接続された第２の比較素子、一端が前記第２の比較素子の他端に接続され且つ他端が前記第１の比較素子の他端に接続された第３の比較素子により構成されるブリッジ回路と、
このブリッジ回路に有する前記第１の比較素子の一端と前記第３の比較素子の一端との相互間に流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記複数のサーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得る演算手段と、
この演算手段で得られた演算出力及び前記電流検出手段で検出された電流出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別するガス識別手段と、
を備えることを特徴とするガス検出装置。
【請求項８】
前記演算手段は、前記複数のサーモパイルの内の隣接する２つのサーモパイルからの２つの出力の差を算出する減算回路を有し、
前記ガス識別手段は、前記減算回路で算出された２つの出力の差に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とする請求項６または請求項７記載のガス検出装置。
【請求項９】
ヒータと触媒層と前記ヒータから順番に遠ざかるように配置された複数のサーモパイルとを有する接触燃焼式ガスセンサの前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させ、
前記触媒層が前記ヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスを燃焼させ、前記複数のサーモパイルが前記可燃性ガスの燃焼熱を検出し、
前記複数のサーモパイルの各サーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得て、
得られた演算出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とするガス検出方法。
【請求項１０】
ヒータ、一端が前記ヒータの一端に接続された第１の比較素子、一端が前記ヒータの他端に接続された第２の比較素子、一端が前記第２の比較素子の他端に接続され且つ他端が前記第１の比較素子の他端に接続された第３の比較素子により構成されるブリッジ回路を備え、
前記ヒータと触媒層と前記ヒータから順番に遠ざかるように配置された１つまたは複数のサーモパイルとを有する接触燃焼式ガスセンサの前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させ、
前記触媒層が前記ヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスを燃焼させ、前記１つまたは複数のサーモパイルが前記可燃性ガスの燃焼熱を検出し、
前記ブリッジ回路に有する前記第１の比較素子の一端と前記第３の比較素子の一端との相互間に流れる電流を検出し、
前記複数のサーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得て、
得られた演算出力及び検出された電流出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とするガス検出方法。
【請求項１１】
前記複数のサーモパイルの内の隣接する２つのサーモパイルからの２つの出力の差を算出し、
算出された２つの出力の差に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とする請求項９または請求項１０記載のガス検出方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ヒータとガス検知素子とで可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することにより可燃性ガスを検量する接触燃焼式ガスセンサ及びこの接触燃焼式ガスセンサを用いて可燃性ガスのガス種を識別するガス検出方法及びその装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の接触燃焼式ガスセンサとしては、例えば、特開平１１ー６８１１号公開公報に記載された接触燃焼式ガスセンサが知られている。この公報に記載された従来の接触燃焼式ガスセンサの構成図を図１３に示す。
【０００３】
この接触燃焼式ガスセンサは、図１３（ａ）に示すように、基板１１２上に所定の厚さで形成されたダイアフラム１２３上にガス検知素子１３０と補償素子３２１，３２２，３２３とが隣接して設けられ、ガス検知素子１３０と補償素子３２１，３２２，３２３とで可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することにより可燃性ガスを検量する。
【０００４】
ガス検知素子１３０は、図１３（ａ），図１３（ｂ）に示すように、ダイアフラム１２３上に形成され可燃性ガスの燃焼を促すための白金からなるヒータ１１８、このヒータ１１８に熱的に接触して設けられた熱伝導層としてのアルミナ１２２、このアルミナ１２２を介して伝導されたヒータ１１８の発熱量に応じて発熱して可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用するパラジウム触媒層１２４を有している。
【０００５】
ヒータ１１８は、酸化膜１１４、五酸化タンタル１１６に接触した状態で、酸化膜１１４、五酸化タンタル１１６上に積層され、ヒータ１１８上に熱的に接触した状態でアルミナ１２２が積層され、このアルミナ１２２上に熱的に接触してパラジウム触媒層１２４が積層されている。
【０００６】
このようなガス検知素子１３０を設け、且つ基板１１２よりも実効的に熱容量の小さいダイアフラム１２３上にヒータ１１８を設けることにより、ヒータ１１８が生成する発熱量が基板１１２中に熱拡散する現象を回避できるため、ヒータ１１８が生成する発熱量を効率よく、しかも短時間でパラジウム触媒層１２４に伝導でき、これによって、高感度で且つ高速に可燃性ガスを燃焼させることができる。
【０００７】
また、アルミナ１２２を設けることにより、ヒータ１１８が生成する発熱量を効率よくしかも短時間でパラジウム触媒層１２４に伝導させることができるため、これによって、高感度で且つ高速に可燃性ガスを燃焼させることができる。さらに、可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用するパラジウム触媒層１２４を設けることにより、十分なガス検知感度を実現することができる。
【０００８】
図１４は、図１３に示す従来の接触燃焼式ガスセンサをブリッジ回路に組み込んだ場合のガス検出回路の回路構成図である。図１４に示すように、ガス検出回路４００は、３個の補償素子３２１，３２２，３２３とガス検知素子１３０を用いて構成したホイートストーンブリッジに、電源１３６と電流検出手段１３８を組み込んだ回路構成を有している。
【０００９】
このガス検出回路４００では、ガス検知素子１３０と補償素子３２１，３２２，３２３とで可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱に起因して発生するガス検知素子１３０の抵抗値変化、及び補償素子３２１，３２２，３２３の抵抗値変化をホイートストーンブリッジとこれに接続された電流検出手段１３８によって検出することにより、可燃性ガスを検量することができる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１３に示す従来の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置にあっては、水素、一酸化炭素、メタン等の混合ガスからなる可燃性ガスのガス種を識別する場合に、ガス検知素子をシリコーン蒸気処理して、混合ガスの中から水素ガスのみを選択的に検出したり、接触燃焼式ガスセンサを活性炭フィルター等で覆うことにより、ガスを選択的に検出していた。このため、数種類のガスを選択的に検出するためにはガスセンサが複数個設けなければならず、構成が複雑になるとともに高価なものとなっていた。
【００１１】
また、図１４に示すように、レファレンス（比較素子、この比較素子は図１４では補償素子に対応する。）を組み込んだブリッジ回路を用いていたため、ガス検出装置の構成が複雑になっていた。
【００１２】
本発明は、可燃性の混合ガスからガス種を識別することができ、しかも簡単な構成で且つ安価な接触燃焼式ガスセンサ並びにガス検出方法及びその装置を提供することを課題とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成とした。請求項１の発明は、混合ガスからなる可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することにより可燃性ガスを検量する接触燃焼式ガスセンサであって、基板上に形成され前記可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータと、このヒータ上に形成され且つこのヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層と、前記ヒータから順番に遠ざかるように配置され且つ前記可燃性ガスの燃焼熱を検出する複数のサーモパイルとを備えたことを特徴とする。
【００１４】
請求項１の発明によれば、基板上に形成されたヒータが発熱すると、ヒータ上に形成された触媒層が、ヒータの発熱量に応じて発熱して触媒として作用するので、可燃性ガスが燃焼する。このとき、複数のサーモパイルがヒータから順番に遠ざかるように配置されている。このため、ヒータから離れるほど触媒層の温度が低くなるので、ヒータに最も近い位置に配置されたサーモパイルは、高温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、また、ヒータからより遠ざかって配置されたサーモパイルは、低温で燃焼するガスの燃焼熱を検出する。従って、複数のサーモパイルからの出力を演算処理すれば、可燃性の混合ガスからガス種を識別することができ、しかも１つのガスセンサで済むから、簡単な構成で且つ安価な接触燃焼式ガスセンサを提供することができる。
【００１５】
請求項２の発明は、請求項１記載の接触燃焼式ガスセンサにおいて、前記複数のサーモパイルのそれぞれのサーモパイルは、温接点及び冷接点を有する熱電対を複数個有し、この複数個の熱電対が直列に接続されてなることを特徴とする。
【００１６】
請求項２の発明によれば、請求項１記載の効果に加え、それぞれのサーモパイルが、複数個の熱電対を直列に接続してなるため、熱電対の数に比例してさらに大きなセンサ出力を得ることができる。
【００１７】
請求項３の発明は、請求項１または請求項２記載の接触燃焼式ガスセンサにおいて、前記触媒層が、前記サーモパイルを構成する熱電対の温接点と前記ヒータとを覆うように形成されていることを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明によれば、請求項１または請求項２記載の効果に加え、触媒層が、サーモパイルを構成する熱電対の温接点とヒータとを覆うように形成されているため、ヒータの発熱が効率よく短時間で触媒層に伝導されて可燃性ガスが燃焼し、その燃焼熱が熱電対の温接点に伝導されるから、冷接点と温接点との熱容量の差を大きくすることができる。これによって、熱電対の起電力を大きくすることができるので、より大きなセンサ出力を得ることができる。
【００１９】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の接触燃焼式ガスセンサにおいて、前記基板が、所定の厚さのダイアフラムを有し、前記サーモパイルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及び前記ヒータは、前記ダイアラム上に形成されていることを特徴とする。
【００２０】
請求項４の発明によれば、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の効果に加え、基板が、所定の厚さのダイアフラムを有し、サーモパイルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及びヒータは、ダイアラム上に形成されているので、サーモパイル及びヒータの熱容量を小さくすることができる。これによって、ヒータの発熱量が基板中に熱拡散する現象を回避できるため、ヒータの発熱量を効率よくしかも短時間で触媒層に伝導でき、これによって、サーモパイルからさらに大きなセンサ出力を得ることができる。
【００２１】
請求項５の発明は、請求項４記載の接触燃焼式ガスセンサにおいて、前記サーモパイルの冷接点が、前記ダイアフラムを除く領域に形成されていることを特徴とする。
【００２２】
請求項５の発明によれば、請求項４記載の効果に加え、サーモパイルの冷接点が、ダイアフラムを除く領域に形成されているので、熱電対の冷接点と温接点との熱容量の差を大きくすることができる。これによって、熱電対の起電力を大きくすることができるので、より大きなセンサ出力を得ることができる。
【００２３】
請求項６の発明のガス検出装置は、基板上に形成され可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータ、このヒータ上に形成され且つこのヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層、及び前記ヒータから順番に遠ざかるように配置され且つ前記可燃性ガスの燃焼熱を検出する複数のサーモパイルを有する接触燃焼式ガスセンサと、この接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させるヒータ駆動手段と、前記接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記複数のサーモパイルの各サーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得る演算手段と、この演算手段で得られた演算出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別するガス識別手段とを備えることを特徴とする。
【００２４】
請求項６の発明のガス検出装置によれば、ヒータ駆動手段が接触燃焼式ガスセンサに設けられたヒータに電流を流すと、ヒータが加熱して、ヒータ上に形成された触媒層が、ヒータの発熱量に応じて発熱して触媒として作用するので、可燃性ガスが燃焼する。このとき、複数のサーモパイルがヒータから順番に遠ざかるように配置されている。このため、ヒータから離れるほど触媒層の温度が低くなるので、ヒータに最も近い位置に配置されたサーモパイルは、高温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、また、ヒータからより遠ざかって配置されたサーモパイルは、低温で燃焼するガスの燃焼熱を検出する。
【００２５】
そして、演算手段は、複数のサーモパイルの各サーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得て、ガス識別手段は、演算手段で得られた演算出力に基づいて混合ガスのガス種を識別する。従って、可燃性の混合ガスからガス種を識別することができる。
【００２６】
請求項７の発明のガス検出装置は、基板上に形成され可燃性ガスの燃焼を促すためのヒータ、このヒータ上に形成され且つこのヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する触媒層、及び前記ヒータから順番に遠ざかるように配置され且つ前記可燃性ガスの燃焼熱を検出する１つまたは複数のサーモパイルを有する接触燃焼式ガスセンサと、この接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させるヒータ駆動手段と、前記ヒータ、一端が前記ヒータの一端に接続された第１の比較素子、一端が前記ヒータの他端に接続された第２の比較素子、一端が前記第２の比較素子の他端に接続され且つ他端が前記第１の比較素子の他端に接続された第３の比較素子により構成されるブリッジ回路と、このブリッジ回路に有する前記第１の比較素子の一端と前記第３の比較素子の一端との相互間に流れる電流を検出する電流検出手段と、前記接触燃焼式ガスセンサに設けられた前記複数のサーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得る演算手段と、この演算手段で得られた演算出力及び前記電流検出手段で検出された電流出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別するガス識別手段とを備えることを特徴とする。
【００２７】
請求項７の発明によれば、ヒータの加熱により可燃性ガスが燃焼すると、ヒータ温度が変化し、ヒータ温度の変化に伴ってヒータ抵抗が変化する。このため、ブリッジ回路に有する第１の比較素子の一端と第３の比較素子の一端との相互間に流れる電流を電流検出手段により検出し、電流検出手段で検出された電流出力に基づいて、ガス識別手段が混合ガスのガス種を識別する。すなわち、ヒータを用いて、高温で燃焼するガスのガス種を識別することができるとともに、複数のサーモパイルからの出力に基づいて、低温及び中温で燃焼するガスのガス種を識別することができる。
【００２８】
請求項８の発明の前記演算手段は、請求項６または請求項７記載のガス検出装置において、前記複数のサーモパイルの内の隣接する２つのサーモパイルからの２つの出力の差を算出する減算回路を有し、前記ガス識別手段は、前記減算回路で算出された２つの出力の差に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とする。
【００２９】
請求項８の発明によれば、請求項６または請求項７記載の効果に加え、減算回路が、複数のサーモパイルの内の隣接する２つのサーモパイルからの２つの出力の差を算出し、ガス識別手段は、減算回路で算出された２つの出力の差に基づいて、混合ガスのガス種を識別する。従って、可燃性の混合ガスのガス種を精度良く識別することができる。
【００３０】
請求項９の発明のガス検出方法は、ヒータと触媒層と前記ヒータから順番に遠ざかるように配置された複数のサーモパイルとを有する接触燃焼式ガスセンサの前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させ、前記触媒層が前記ヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスを燃焼させ、前記複数のサーモパイルが前記可燃性ガスの燃焼熱を検出し、前記複数のサーモパイルの各サーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得て、得られた演算出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とする。
【００３１】
請求項１０の発明のガス検出方法は、ヒータ、一端が前記ヒータの一端に接続された第１の比較素子、一端が前記ヒータの他端に接続された第２の比較素子、一端が前記第２の比較素子の他端に接続され且つ他端が前記第１の比較素子の他端に接続された第３の比較素子により構成されるブリッジ回路を備え、前記ヒータと触媒層と前記ヒータから順番に遠ざかるように配置された１つまたは複数のサーモパイルとを有する接触燃焼式ガスセンサの前記ヒータに電流を流すことにより前記ヒータを加熱させ、前記触媒層が前記ヒータの発熱量に応じて発熱して前記可燃性ガスを燃焼させ、前記１つまたは複数のサーモパイルが前記可燃性ガスの燃焼熱を検出し、前記ブリッジ回路に有する前記第１の比較素子の一端と前記第３の比較素子の一端との相互間に流れる電流を検出し、前記複数のサーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得て、得られた演算出力及び検出された電流出力に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とする。
【００３２】
請求項１１の発明のガス検出方法は、請求項９または請求項１０記載のガス検出方法において、前記複数のサーモパイルの内の隣接する２つのサーモパイルからの２つの出力の差を算出し、算出された２つの出力の差に基づいて、前記混合ガスのガス種を識別することを特徴とする。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の接触燃焼式ガスセンサ並びにガス検出方法及びその装置の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
【００３４】
（第１の実施の形態）
図１は第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの上面図である。図２は第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの断面図である。図３は第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサに設けられたサーモパイルの断面図及び上面図である。図４は第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置の回路構成図である。図５は第１の実施の形態のガス検出方法を示すフローチャートである。図６は第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの印加電圧とセンサ出力との関係を示す図である。なお、図２に示す断面図は、図１に示すＡ−Ａ間の断面図である。
【００３５】
接触燃焼式ガスセンサ１は、図１に示すように、シリコン単結晶からなるＳｉ基板２を有し、このＳｉ基板２の裏面には異方性エッチングにより形成されたダイアフラム３が形成されている。
【００３６】
このダイアフラム３上には、可燃性ガスの燃焼を促すための白金等からなるマイクロヒータ４が形成されており、このマイクロヒータ４の長手方向のヒータパターン両側の近傍には、第１のサーモパイル５ａ及び第４のサーモパイル８ａが配置されている。
【００３７】
第２のサーモパイル５ｂは、第１のサーモパイル５ａよりもマイクロヒータ４からさらに遠ざかって配置され且つ第１のサーモパイル５ａと略平行に配置されている。第３のサーモパイル５ｃは、第２のサーモパイル５ｂよりもマイクロヒータ４からさらに遠ざかって配置されている。
【００３８】
第５のサーモパイル８ｂは、第４のサーモパイル８ａよりもマイクロヒータ４からさらに遠ざかって配置され且つ第４のサーモパイル８ａと略平行に配置されている。第６のサーモパイル８ｃは、第５のサーモパイル８ｂよりもマイクロヒータ４からさらに遠ざかって配置されている。
【００３９】
また、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれは、可燃性ガスの燃焼熱を検出するもので、熱電対の冷接点を除く部分がダイアフラム３上に配置されている。マイクロヒータ４は、図１に示すように、複数のヒータパターンが互いに略平行且つジグザグ状に配設されてなる。
【００４０】
また、図１に示すように、マイクロヒータ４には、駆動電流が供給される白金パッド６ａ1，６ａ2が接続されている。第１のサーモパイル５ａには、第１のサーモパイル５ａからの第１のセンサ出力を外部に出力する白金パッド７ａ1，７ａ2が接続され、第２のサーモパイル５ｂには、第２のサーモパイル５ｂからの第２のセンサ出力を外部に出力する白金パッド７ｂ1，７ｂ2が接続され、第３のサーモパイル５ｃには、第３のサーモパイル５ｃからの第３のセンサ出力を外部に出力する白金パッド７ｃ1，７ｃ2が接続されている。
【００４１】
また、第４のサーモパイル８ａには、第４のサーモパイル８ａからの第４のセンサ出力を外部に出力する白金パッド９ａ1，９ａ2が接続され、第５のサーモパイル８ｂには、第５のサーモパイル８ｂからの第５のセンサ出力を外部に出力する白金パッド９ｂ1，９ｂ2が接続され、第６のサーモパイル８ｃには、第６のサーモパイル８ｃからの第６のセンサ出力を外部に出力する白金パッド９ｃ1，９ｃ2が接続されている。
【００４２】
また、図２に示すように、ダイアフラム３上にはダイアフラム３に接触して酸化シリコン２３ａが形成され、この酸化シリコン２３ａ上には酸化シリコン２３ａに接触して窒化シリコン２３ｂが形成されている。この窒化シリコン２３ｂ上には窒化シリコン２３ｂに接触して酸化ハフニウム２３ｃが形成され、この酸化ハフニウム２３ｃ上には酸化ハフニウム２３ｃに接触してマイクロヒータ４が形成され、このマイクロヒータ４上にはマイクロヒータ４に接触してパラジウム等の触媒層２９が形成されている。
【００４３】
触媒層２９は、マイクロヒータ４の発熱量に応じて発熱して可燃性ガスの燃焼に対して触媒として作用する。また、この触媒層２９は、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれの温接点３１及びマイクロヒータ４を覆うように形成されている。酸化シリコン２３ａ、窒化シリコン２３ｂ、及び酸化ハフニウム２３ｃは、マイクロヒータ４の発熱量を効率良くしかも短時間で触媒層２９に伝導させるよう作用する。
【００４４】
マイクロヒータ４は、白金の他に、抵抗温度係数が大きく、高温まで熱的に安定な金属または化合物であれば良く、例えば、タングステンを用いることもできる。
【００４５】
一方、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれは、図２及び図３に示すように、Ｓｉ基板２の表面及びダイアフラム３上にこれらに接触して形成されたｐ++−Ｓｉ２１、このｐ++−Ｓｉ２１上にｐ++−Ｓｉ２１に接触して形成された絶縁膜２３、この絶縁膜２３上に絶縁膜２３に接触して形成された白金やアルミニウム等の金属膜２５、この金属膜２５上に金属膜２５に接触して形成された酸化シリコン等の保護膜２７を有して構成されている。この保護膜２７には凹部が形成され、この凹部が後述する温接点３１と冷接点３３とに対応している。前記絶縁膜２３としては、酸化シリコン２３ａ、窒化シリコン２３ｂ、及び酸化ハフニウム２３ｃである。
【００４６】
第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれは、図３に示すように、温接点３１と冷接点３３を有する熱電対から構成されており、マイクロヒータ４の発熱により燃焼した可燃性ガスの燃焼熱を検出し、温接点３１と冷接点３３との温度差から熱起電力が発生することにより、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃがこれらに対して第１乃至第６のセンサ出力を出力するようになっている。冷接点３３は、Ｓｉ基板２（厚さ約４００μｍ）上のダイアフラム３を形成していない部分に設けられ、温接点３１は、ダイアフラム３上に形成されている。
【００４７】
また、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれは、図３（ｂ）に示すように、複数個の熱電対を有し、隣接する２つの熱電対において、一方の熱電対の温接点３１と他方の熱電対の冷接点３３とがアルミニウム、白金等の金属膜２５により接続されている。すなわち、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれの複数個の熱電対が直列に接続されている。
【００４８】
なお、前述したサーモパイルの熱電対の材料として、前述した白金・ｐ++−Ｓｉ以外に、例えば、銅・コンスタンタン（使用温度が−２００℃〜＋３５０℃）、鉄・コンスタンタン（使用温度が−２００℃〜＋８００℃）、クロメル・コンスタンタン（使用温度が−２００℃〜＋８００℃）、クロメル・アルメル（使用温度が−２００℃〜＋１２００℃）、白金ロジウム・白金（使用温度が０℃〜＋１６００℃）を用いることもできる。
【００４９】
ここで、コンスタンタンは、銅（Ｃｕ）と鉄（Ｆｅ）との合金であり、クロメルは、クロム（Ｃｒ）とニッケル（Ｎｉ）との合金であり、アルメルは、アルミニウム（Ａｌ）とニッケル（Ｎｉ）とマンガン（Ｍｎ）とシリコン（Ｓｉ）との合金である。
【００５０】
次に、図４を参照して第１の実施の形態のガス検出装置の構成について説明する。なお、図４では、第１乃至第３のサーモパイル５ａ〜５ｃのみを示したが、第４乃至第６のサーモパイル８ａ〜８ｃについても第１乃至第３のサーモパイル５ａ〜５ｃと同様であるので、ここでは、省略した。
【００５１】
ガス検出装置は、前記接触燃焼式ガスセンサ１、コントローラ４１、接触燃焼式ガスセンサ１に有するマイロヒータ４を駆動することによりマイクロヒータ４を加熱させるヒータ駆動回路４９を有している。コントローラ４１は、パルス駆動信号を発生しパルス駆動信号をヒータ駆動回路４９に出力するパルス発生器４３、第１乃至第３のサーモパイル５ａ〜５ｃからの出力を演算処理する演算回路４５、この演算回路４５の演算出力に基づいて、可燃性の混合ガスのガス種を識別するガス識別部４７を有している。
【００５２】
演算回路４５は、第２のサーモパイル５ｂからの出力から第３のサーモパイル５ｃからの出力を減算して第１の減算出力を得る第１の減算回路５１、第１のサーモパイル５ａからの出力から第２のサーモパイル５ｂからの出力を減算して第２の減算出力を得る第２の減算回路５３を有している。ガス識別部４７は、第３のサーモパイル５ｃからの出力、第１の減算回路５１からの第１の減算出力、及び第２の減算回路５３からの第２の減算出力に基づいて、可燃性の混合ガスのガス種を識別する。
【００５３】
次に、このように構成された第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置の動作を図５に示すガス検出方法のフローチャートを参照しながら説明する。ここでは、水素、一酸化炭素、メタンからなる混合ガスから選択的にガスを検出してガス種を識別する場合について説明する。
【００５４】
まず、接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置の動作に先立って、図６に示す印加電圧に対するセンサ出力を説明する。マイクロヒータ４へ印加されるパルス駆動信号の印加電圧が低い場合（印加電圧範囲ａの場合）には、温度が低く、低い温度で燃焼する水素Ｈ2の第３のセンサ出力が得られる。すなわち、マイクロヒータ４から最も遠い第３及び第６のサーモパイル５ｃ，８ｃは、温度が低く、この第３及び第６のサーモパイル５ｃ，８ｃからは、低い温度で燃焼する水素Ｈ2の第３のセンサ出力が得られるようになっている。
【００５５】
また、マイクロヒータ４へ印加される印加電圧が中程度である場合（印加電圧範囲ｂの場合）には、温度が中程度であり、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された第２のセンサ出力が得られる。すなわち、マイクロヒータ４から中程度に遠い第２及び第５のサーモパイル５ｂ，８ｂは、温度が中程度であり、この第２及び第５のサーモパイル５ｂ，８ｂからは、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された第２のセンサ出力が得られるようになっている。
【００５６】
さらに、マイクロヒータ４へ印加される印加電圧が高い場合（印加電圧範囲ｃの場合）には、温度が高く、高い温度で燃焼するメタンＣＨ4と中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された第１のセンサ出力が得られる。すなわち、マイクロヒータ４に最も近い第１及び第４のサーモパイル５ａ，８ａは、温度が高く、この第１及び第４のサーモパイル５ａ，８ａからは、高い温度で燃焼するメタンＣＨ4と中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された第１のセンサ出力が得られるようになっている。
【００５７】
次に、接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置の動作を説明する。ヒータ駆動回路４９が、パルス発生器４３からのパルス駆動信号によりマイクロヒータ４を駆動すると、マイクロヒータ４が、加熱を開始し（ステップＳ１１）、マイクロヒータ４から発生した熱は、触媒層２９に伝導され、触媒層２９がマイクロヒータ４の発熱量に応じて発熱して触媒として作用するので、可燃性ガスが燃焼する（ステップＳ１３）。
【００５８】
すると、可燃性ガスの燃焼熱が、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃのそれぞれの温接点３１に伝達される。また、それぞれのサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃの冷接点３３は、Ｓｉ基板２上にあるので、基板温度になっている。それぞれの温接点３１は、ダイアフラム３上にあるので、伝達された熱により加熱され、Ｓｉ基板温度よりも温度が上昇する。そして、それぞれのサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃは、温接点３１と冷接点３３の温度差より熱起電力を発生し、第１乃至第６のサーモパイル５ａ〜５ｃ，８ａ〜８ｃがこれらに対して第１乃至第６のセンサ出力を出力する（ステップＳ１５）。
【００５９】
このとき、第１乃至第３のサーモパイル５ａ〜５ｃ、第４乃至第６のサーモパイル８ａ〜８ｃがマイクロヒータ４から順番に遠ざかるように配置されている。このため、マイクロヒータ４から離れるほど触媒層２９の温度が低くなるので、マイクロヒータ４に最も近い位置に配置された第１のサーモパイル５ａ及び第４のサーモパイル８ａは、高温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、第１のセンサ出力を出力する。この第１のセンサ出力は、図６に示すように、高い温度で燃焼するメタンＣＨ4と中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成されたセンサ出力である。
【００６０】
また、マイクロヒータ４から第１のサーモパイル５ａ及び第４のサーモパイル８ａよりも遠ざかって配置された第２のサーモパイル５ｂ及び第５のサーモパイル８ｂは、中温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、第２のセンサ出力を出力する。この第２のセンサ出力は、図６に示すように、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成されたセンサ出力である。
【００６１】
さらに、マイクロヒータ４から第２のサーモパイル５ｂ及び第５のサーモパイル８ｂよりも遠ざかって配置された第３のサーモパイル５ｃ及び第６のサーモパイル８ｃは、低温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、第３のセンサ出力を出力する。この第３のセンサ出力は、図６に示すように、低い温度で燃焼する水素Ｈ2のセンサ出力である。
【００６２】
このため、ガス識別部４７は、第３のサーモパイル５ｃからの第３のセンサ出力に基づいて、混合ガスから水素Ｈ2を識別することができる。この場合、図６に示すように、第３のセンサ出力が約６００ｍＶ程度であれば、水素Ｈ2を識別することができる。
【００６３】
次に、第１の減算回路５１が第２のサーモパイル５ｂからの第２のセンサ出力と第３のサーモパイル５ｃからの第３のセンサ出力とを入力し、第２のサーモパイル５ｂからの第２のセンサ出力から第３のサーモパイル５ｃからの第３のセンサ出力を減算して、第１の減算出力を得る（ステップＳ１７）。
【００６４】
第２のセンサ出力は、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された出力であり、第３のセンサ出力は、低い温度で燃焼する水素Ｈ2のセンサ出力であるため、第１の減算出力は、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯの出力となる。
【００６５】
このため、ガス識別部４７は、第１の減算回路５１からの第１の減算出力に基づいて、混合ガスから一酸化炭素ＣＯを識別することができる。この場合、図６に示すように、第１の減算出力が約２００ｍＶ程度であれば、一酸化炭素ＣＯを識別することができる。
【００６６】
さらに、第２の減算回路５３が第１のサーモパイル５ａからの第１のセンサ出力と第２のサーモパイル５ｂからの第２のセンサ出力とを入力し、第２のサーモパイル５ｂからの第２のセンサ出力から第１のサーモパイル５ａからの第１のセンサ出力を減算して、第２の減算出力を得る（ステップＳ１９）。
【００６７】
第１のセンサ出力は、高い温度で燃焼するメタンＣＨ4と中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された出力であり、第２のセンサ出力は、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された出力であるため、第２の減算出力は、高い温度で燃焼するメタンＣＨ4の出力となる。
【００６８】
このため、ガス識別部４７は、第２の減算回路５３からの減算出力に基づいて、混合ガスからメタンＣＨ4を識別することができる（ステップＳ２１）。この場合、図６に示すように、第２の減算出力が約１００ｍＶ程度であれば、メタンＣＨ4を識別することができる。
【００６９】
このように、第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ並びにガス検出方法及びその装置によれば、可燃性の混合ガスからガス種を識別することができ、従来のような複数のセンサを設けることなく、１つのガスセンサで済むから、簡単な構成で且つ安価な接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置を提供することができる。
【００７０】
なお、第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサでは、マイクロヒータ４の片側に３つのサーモパイルを配置したが、マイクロヒータ４の片側に２つのサーモパイルを配置してもよく、あるいは４つ以上のサーモパイルを配置してもよい。２つのサーモパイルを配置した場合には、２種類のガスを識別することができ、４つ以上のサーモパイルを配置した場合には、さらに多くのガスを識別することができる。
【００７１】
また、接触燃焼式ガスセンサにはサーモパイルを用いているので、可燃性ガスに対してより大きなセンサ出力を得ることができ、これによって、低濃度の可燃性ガスや一酸化炭素（ＣＯ）等の感度の低い可燃性ガスに対してガス検知感度を向上することができる。また、サーモパイルが、複数個の熱電対を直列に接続してなるため、熱電対の数に比例して大きなセンサ出力を得ることができる。
【００７２】
さらに、センサ出力が大きいため、従来のようなレファレンス（補償素子）を用いたブリッジ回路も不要となり、より構成が簡単で安価となる。また、マイクロヒータ４とサーモパイルとが別々に設けられ、サーモパイルは、温接点３１と冷接点３３の温度差により熱起電力を発生するため、マイクロヒータ４の経時劣化により抵抗値が変動しても、マイクロヒータ４の経時劣化による抵抗値変動の影響を受けなくなる。これによって、センサ出力変動がより小さくなる。
【００７３】
さらに、触媒層２９が、サーモパイルの熱電対の温接点３１とマイクロヒータ４とを覆うように形成されているため、マイクロヒータ４の発熱が効率よく短時間で触媒層２９に伝導されて可燃性ガスが燃焼し、その燃焼熱が熱電対の温接点３１に伝導されるから、冷接点３３と温接点３１との熱容量の差を大きくすることができる。これによって、大きなセンサ出力を得ることができる。
【００７４】
また、サーモパイルの熱電対の冷接点３３を除く部分及びマイクロヒータ４は、ダイアラム３上に形成されているので、サーモパイル及びマイクロヒータ４の熱容量を小さくすることができる。これによって、マイクロヒータ４の発熱量が基板中に熱拡散する現象を回避できるため、マイクロヒータ４の発熱量を効率よくしかも短時間で触媒層２９に伝導でき、これによって、高感度で且つ高速にガスを燃焼させることができるとともに、さらにサーモパイルから大きなセンサ出力を得ることができる。
【００７５】
また、サーモパイルのそれぞれの冷接点３３が、ダイアフラム３を除く領域に形成されているので、熱電対の冷接点３３と温接点３１との熱容量の差を大きくすることができる。これによって、熱電対の起電力を大きくすることができるので、より大きなセンサ出力を得ることができる。
【００７６】
さらに、絶縁膜である窒化シリコン２３ｂ上に形成され且つ窒化シリコン２３ｂ及びマイクロヒータ４に接触した状態で配置された酸化ハフニウム膜２３ｃを形成したので、高温における白金からなるマイクロヒータ４と下地膜である窒化シリコン２３ｂとの密着性が向上し、マイクロヒータ４の白金の剥離をなくすことができるとともに、センサの経時劣化特性及びセンサの破壊耐久特性を向上することができる。
【００７７】
（第２の実施の形態）
次に、本発明の第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置について説明する。図７は第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの上面図である。図８は第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置の回路構成図である。図９は第２の実施の形態のガス検出方法を示すフローチャートである。
【００７８】
第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ１ａは、第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ１に対して、図７に示すように、第１のサーモパイル５ａ及び第４のサーモパイル８ａを取り除き、この第１のサーモパイル５ａ及び第４のサーモパイル８ａに代えて、マイクロヒータ４を用いて高温で燃焼するメタン等のガスを識別し、第２のサーモパイル５ｂ及び第５のサーモパイル８ｂで中程度の温度で燃焼するガスを識別し、第３のサーモパイル５ｃ及び第６のサーモパイル８ｃで低温で燃焼するガスを識別するようにしたことを特徴とする。
【００７９】
このため、マイクロヒータ４の一端に接続される白金パッド６ｂ2にはレファレンス抵抗１８が接続され、レファレンス抵抗１８には白金パッド６ｂ3が接続され、この白金パッド６ｂ3が接地されている。
【００８０】
また、図８に示すガス検出装置において、マイクロヒータ４の他端には白金パッド６ｂ1を介してレファレンス抵抗５５の一端が接続され、このレファレンス抵抗５５の他端にはレファレンス抵抗５７の一端が接続され、レファレンス抵抗５７の他端は、接地されている。これらマイクロヒータ４、レファレンス抵抗１８，５５，５７でブリッジ回路を構成している。レファレンス抵抗１８とレファレンス抵抗５７との間にはこの間を流れる電流を検出する電流検出回路５９が設けられている。
【００８１】
また、ガス識別部４７ａは、電流検出回路５９で検出された電流出力に基づいて、混合ガスのガス種を識別する。演算回路４５ａは、第１の減算回路５１のみを有する。
【００８２】
なお、第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置のその他の構成は、第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置の構成と同一構成であり、同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００８３】
次に、このように構成された第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置の動作を図９に示すガス検出方法のフローチャートを参照しながら説明する。
【００８４】
まず、ヒータ駆動回路４９が、パルス発生器４３からのパルス駆動信号によりマイクロヒータ４を駆動すると、マイクロヒータ４が加熱されて（ステップＳ５１）、可燃性ガスが燃焼する（ステップＳ５３）。すると、マイクロヒータ４の温度が変化し、ヒータ温度の変化に伴ってヒータ抵抗が変化する（ステップＳ５５）。このため、ブリッジ回路に有するレファレンス抵抗１８とレファレンス抵抗５７との相互間に流れる電流を電流検出回路５９により検出する（ステップＳ５７）。
【００８５】
そして、電流検出回路５９で検出された電流出力に基づいて、ガス識別部４７ａが混合ガスのガス種を識別する（ステップＳ６３）。すなわち、マイクロヒータ４を用いて、マイクロヒータ４の近傍であって高温で燃焼するメタン等のガスのガス種を識別することができる。
【００８６】
一方、第２及び第３のサーモパイル５ｂ，５ｃが、第２及び第３のセンサ出力を出力すると（ステップＳ５９）、第１の減算回路５１は、第２のサーモパイル５ｂからの第２のセンサ出力から第３のサーモパイル５ｃからの第３のセンサ出力を減算して、第１の減算出力を得る（ステップＳ６１）。そして、ガス識別部４７ａは、第１の減算回路５１からの第１の減算出力に基づいて、混合ガスから一酸化炭素ＣＯを識別することができる（ステップＳ６３）。また、ガス識別部４７ａは、第３のサーモパイル５ｃからの第３のセンサ出力に基づいて、混合ガスから水素Ｈ2を識別することができる。
【００８７】
このように、第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置によれば、マイクロヒータ４を用いて、高温で燃焼するガスのガス種を識別することができるとともに、第２及び第３のサーモパイル５ｂ，５ｃ、第５及び第６のサーモパイル８ｂ，８ｃからの出力に基づいて、低温及び中温で燃焼するガスのガス種を識別することができる。従って、第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置においても、第１の実施の形態の効果と同様な効果が得られる。
【００８８】
なお、第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサでは、マイクロヒータ４の片側に２つのサーモパイルを配置したが、マイクロヒータ４の片側に１つのサーモパイルを配置してもよい。この場合には、マイクロヒータ４を用いて例えば、メタンを識別し、１つのサーモパイルで一酸化炭素等を識別してもよい。また、マイクロヒータ４の片側に３つ以上のサーモパイルを配置しても良い。このようにすれば、さらに多くのガスを識別することができる。
【００８９】
（第３の実施の形態）
次に、本発明の第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置について説明する。この第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置は、第１及び第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置を創作するに先立って、創作されたものである。
【００９０】
第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置は、ヒータに印加するパルス駆動電圧を周期的に変化させることによりガス検知素子の温度を制御し、ガス検知素子が低い電圧のときに低温で燃焼するガスを検知し、高い電圧のときに高温で燃焼するガスを検知することを特徴とする。
【００９１】
図１０は第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置の回路構成図である。図１１は第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサのガス検知素子を３つの温度で周期的に変化させるためのパルス電圧を示すタイミングチャートである。図１２は第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの印加電圧とセンサ出力との関係を示す図である。
【００９２】
この接触燃焼式ガスセンサは、図１３に示すようなガスセンサであり、ガス検知素子１３０、補償素子３２１，３２２，３２３とを有し、ガス検知素子１３０と補償素子３２１，３２２，３２３とで可燃性ガスを燃焼する際に発生する燃焼熱を検出することにより可燃性ガスを検量する。ガス検知素子１３０、補償素子３２１，３２２，３２３のそれぞれは、ヒータ１１８を有する。
【００９３】
ガス検知素子１３０、補償素子３２１，３２２，３２３とでブリッジ回路を構成し、このブリッジ回路の補償素子３２２と補償素子３２１との間に流れる電流を検出し検出された電流出力をセンサ出力としてメモリ４４に出力する電流検出回路１３８が設けられている。
【００９４】
また、図１０に示すガス検出装置において、コントローラ４１ｂは、第１のパルス電圧Ｖｃ（図１１に示す例ではパルス電圧が約１．６Ｖ）有する一定周期の第１のパルス駆動信号を発生する第１のパルス発生器４３ａ、第２のパルス電圧Ｖｂ（図１１に示す例ではパルス電圧が約１．０Ｖ）を有する一定周期の第２のパルス駆動信号を発生する第２のパルス発生器４３ｂ、第３のパルス電圧Ｖａ（図１１に示す例ではパルス電圧が約０．６Ｖ）を有する一定周期の第３のパルス駆動信号を発生する第３のパルス発生器４３ｃを有している。
【００９５】
第１のパルス電圧Ｖｃは、図１２に示す印加電圧範囲ｃに対応し、第２のパルス電圧Ｖｂは、図１２に示す印加電圧範囲ｂに対応し、第３のパルス電圧Ｖａは、図１２に示す印加電圧範囲ａに対応している。マイクロヒータ４へ印加されるパルス駆動信号の印加電圧が低い場合（印加電圧範囲ａの場合）には、温度が低く、低い温度で燃焼する水素Ｈ2の第３のセンサ出力が得られる。
【００９６】
また、マイクロヒータ４へ印加される印加電圧が中程度である場合（印加電圧範囲ｂの場合）には、温度が中程度であり、中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された第２のセンサ出力が得られる。さらに、マイクロヒータ４へ印加される印加電圧が高い場合（印加電圧範囲ｃの場合）には、温度が高く、高い温度で燃焼するメタンＣＨ4と中程度の温度で燃焼する一酸化炭素ＣＯと低い温度で燃焼する水素Ｈ2とが合成された第１のセンサ出力が得られる。
【００９７】
また、コントローラ４１ｂは、第１乃至第３のパルス発生器４３ａ〜４３ｃを順番に選択して図１１に示すようにパルス電圧を周期的に変化させたパルス駆動信号をヒータ駆動回路４９に出力するスイッチング回路４２、パルス電圧を周期的に変化させたパルス駆動信号の各パルス電圧に対応して、電流検出回路１３８から順番に出力される各センサ出力を格納するメモリ４４、各センサ出力を演算することにより演算出力を得る演算回路４５ｂ、演算出力に基づいて、可燃性ガスのガス種を識別するガス識別部４７ｂを有している。
【００９８】
演算回路４５ｂは、第１の減算回路５１ｂ、第２の減算回路５３を有している。第１の減算回路５１ｂは、パルス駆動信号の第２のパルス電圧Ｖｂに対応して電流検出回路１３８から出力される第２のセンサ出力から、第３のパルス電圧Ｖａに対応して電流検出回路１３８から出力される第３のセンサ出力を減算して、第１の減算出力を得る。第２の減算回路５３ｂは、パルス駆動信号の第１のパルス電圧Ｖｃに対応して電流検出回路１３８から出力される第１のセンサ出力から、第２のパルス電圧Ｖｂに対応して電流検出回路１３８から出力される第２のセンサ出力を減算して、第２の減算出力を得る。
【００９９】
ガス識別部４７ｂは、第３のパルス電圧Ｖａに対応して電流検出回路１３８から出力される第３のセンサ出力、第１の減算出力、及び第２の減算出力に基づいて、可燃性ガスのガス種を識別する。
【０１００】
次に、このように構成された第３の実施の形態のガス検出装置の動作を説明する。まず、スイッチング回路４２が、順番に、第１のパルス発生器４３ａ、第２のパルス発生器４３ｂ、第３のパルス発生器４３ｃを選択すると、図１１に示すように、パルス電圧Ｖｃ、パルス電圧Ｖｂ、パルス電圧Ｖａの順番でパルス電圧が周期的に変化したパルス駆動信号がヒータ駆動回路４９に出力され、ヒータ駆動回路４９は、このパルス駆動信号により、印加電圧１．６Ｖ，１．０Ｖ，０．６Ｖで周期的に間欠駆動する。なお、例えば、３０秒毎に１回１００ｍｓで駆動する。
【０１０１】
すると、ヒータ１１８により可燃性ガスが燃焼し、可燃性ガスの燃焼熱によりガス検知素子１３０、補償素子３２１，３２２，３２３の抵抗値がそれぞれ変化する。このとき、電流検出回路１３８により補償素子３２２と補償素子３２１との間に流れる電流を検出し、そのセンサ出力をメモリ４４に順番に記憶する。
【０１０２】
ガス識別部４７ｂは、第３のパルス電圧Ｖａに対応して電流検出回路１３８から出力される第３のセンサ出力に基づいて、混合ガスから水素を識別することができる。
【０１０３】
また、第１の減算回路５１ｂは、パルス駆動信号の第２のパルス電圧Ｖｂに対応して電流検出回路１３８から出力される第２のセンサ出力から、第３のパルス電圧Ｖａに対応して電流検出回路１３８から出力される第３のセンサ出力を減算して、第１の減算出力を得る。ガス識別部４７ｂは、第１の減算出力に基づいて、混合ガスから一酸化炭素を識別することができる。
【０１０４】
さらに、第２の減算回路５３ｂは、パルス駆動信号の第１のパルス電圧Ｖｃに対応して電流検出回路１３８から出力される第１のセンサ出力から、第２のパルス電圧Ｖｂに対応して電流検出回路１３８から出力される第２のセンサ出力を減算して、第２の減算出力を得る。ガス識別部４７ｂは、第２の減算出力に基づいて、混合ガスからメタンを識別することができる。このように第３の実施の形態のガス検出装置によれば、混合ガスからメタン、一酸化炭素、水素を識別することができる。
【０１０５】
このように、第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置によれば、ヒータに印加するパルス駆動電圧を周期的に変化させることによりガス検知素子の温度を制御し、ガス検知素子が低い電圧のときに低温で燃焼するガスを検知し、高い電圧のときに高温で燃焼するガスを検知することができる。
【０１０６】
ここで、第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置と、第１及び第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置を比較すると、第１及び第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサ及びガス検出装置は、マイクロヒータのパルス駆動電圧を周期的に変化させることなく、異なる燃焼温度の可燃性ガスを識別することができる。従って、第１及び第２の実施の形態のガス検出装置は、第３の実施の形態のガス検出装置に設けられた第１乃至第３のパルス発生器４３ａ〜４３ｃを設ける必要がなくなり、ガス検出装置の回路構成が簡単で安価となった。
【０１０７】
また、図１２に示す第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力を図６に示す第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力と比較すると、第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力の方が、非常に大きいことがわかる。すなわち、第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサでは、サーモパイルを用いたので、各種の可燃性ガスに対して大きなセンサ出力を得ることができる。
【０１０８】
なお、本発明は前述した第１乃至第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサに限定されるものではない。第１及び第２の実施の形態では、水素、一酸化炭素、メタンの混合ガスからガス種を識別したが、本発明は、例えば、エタノール、イソブタン（ｉ−Ｃ4Ｈ10）等のガスを識別することもできる。この場合、エタノールは、図６の印加電圧範囲ａにおいてセンサ出力が得られ且つこのセンサ出力が水素のセンサ出力よりも大きいので、第３のサーモパイル５ｃからのセンサ出力に基づいて混合ガスからエタノールを識別することができる。
【０１０９】
また、イソブタンは、図６の印加電圧範囲ｂにおいてセンサ出力が得られ且つこのセンサ出力が一酸化炭素のセンサ出力よりも大きいので、第２のサーモパイル５ｂからのセンサ出力に基づいて混合ガスからイソブタンを識別することができる。
【０１１０】
また、第１及び第２の実施の形態では、第１乃至第６のサーモパイルの６つのサーモパイルをマイクロヒータ４を挟んで両側に設けたが、例えば、３つのサーモパイルをマイクロヒータ４の片側に設けても良い。
【０１１１】
また、第１及び第２の実施の形態では、マイクロヒータ４の周辺に第１乃至第６のサーモパイルを配置したが、これに限定されるものではなく、例えば、マイクロヒータ４上に絶縁膜２３を介して例えば、第１乃至第６のサーモパイルを配置しても、第１及び第２実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの効果と同様な効果が得られる。このほか、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で、種々変形して実施可能であるのは勿論である。
【０１１２】
【発明の効果】
請求項１の発明の接触燃焼式ガスセンサによれば、複数のサーモパイルがヒータから順番に遠ざかるように配置されているため、ヒータから離れるほど触媒層の温度が低くなるので、ヒータに最も近い位置に配置されたサーモパイルは、高温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、また、ヒータからより遠ざかって配置されたサーモパイルは、低温で燃焼するガスの燃焼熱を検出する。従って、複数のサーモパイルからの出力を演算処理すれば、可燃性の混合ガスからガス種を識別することができ、しかも１つのガスセンサで済むから、簡単な構成で且つ安価な接触燃焼式ガスセンサを提供することができる。
【０１１３】
請求項２の発明の接触燃焼式ガスセンサによれば、請求項１記載の効果に加え、それぞれのサーモパイルが、複数個の熱電対を直列に接続してなるため、熱電対の数に比例してさらに大きなセンサ出力を得ることができる。
【０１１４】
請求項３の発明の接触燃焼式ガスセンサによれば、請求項１または請求項２記載の効果に加え、触媒層が、サーモパイルを構成する熱電対の温接点とヒータとを覆うように形成されているため、ヒータの発熱が効率よく短時間で触媒層に伝導されて可燃性ガスが燃焼し、その燃焼熱が熱電対の温接点に伝導されるから、冷接点と温接点との熱容量の差を大きくすることができる。これによって、熱電対の起電力を大きくすることができるので、より大きなセンサ出力を得ることができる。
【０１１５】
請求項４の発明の接触燃焼式ガスセンサによれば、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の効果に加え、基板が、所定の厚さのダイアフラムを有し、サーモパイルを構成する熱電対の冷接点を除く部分及びヒータは、ダイアラム上に形成されているので、サーモパイル及びヒータの熱容量を小さくすることができる。これによって、ヒータの発熱量が基板中に熱拡散する現象を回避できるため、ヒータの発熱量を効率よくしかも短時間で触媒層に伝導でき、これによって、サーモパイルからさらに大きなセンサ出力を得ることができる。
【０１１６】
請求項５の発明の接触燃焼式ガスセンサによれば、請求項４記載の効果に加え、サーモパイルの冷接点が、ダイアフラムを除く領域に形成されているので、熱電対の冷接点と温接点との熱容量の差を大きくすることができる。これによって、熱電対の起電力を大きくすることができるので、より大きなセンサ出力を得ることができる。
【０１１７】
請求項６の発明のガス検出装置によれば、複数のサーモパイルがヒータから順番に遠ざかるように配置されているため、ヒータから離れるほど触媒層の温度が低くなるので、ヒータに最も近い位置に配置されたサーモパイルは、高温で燃焼するガスの燃焼熱を検出し、また、ヒータからより遠ざかって配置されたサーモパイルは、低温で燃焼するガスの燃焼熱を検出する。演算手段は、複数のサーモパイルの各サーモパイルからの出力を演算することにより演算出力を得て、ガス識別手段は、演算手段で得られた演算出力に基づいて混合ガスのガス種を識別する。従って、可燃性の混合ガスからガス種を識別することができる。
【０１１８】
請求項７の発明によれば、ヒータの加熱により可燃性ガスが燃焼すると、ヒータ温度が変化し、ヒータ温度の変化に伴ってヒータ抵抗が変化する。このため、ブリッジ回路に有する第１の比較素子の一端と第３の比較素子の一端との相互間に流れる電流を電流検出手段により検出し、電流検出手段で検出された電流出力に基づいて、ガス識別手段が混合ガスのガス種を識別する。すなわち、ヒータを用いて、高温で燃焼するガスのガス種を識別することができるとともに、複数のサーモパイルからの出力に基づいて、低温及び中温で燃焼するガスのガス種を識別することができる。
【０１１９】
請求項８の発明によれば、請求項６または請求項７記載の効果に加え、減算回路が、複数のサーモパイルの内の隣接する２つのサーモパイルからの２つの出力の差を算出し、ガス識別手段は、減算回路で算出された２つの出力の差に基づいて、混合ガスのガス種を識別する。従って、可燃性の混合ガスのガス種を精度良く識別することができる。
【０１２０】
請求項９の発明のガス検出方法によれば、請求項６の発明のガス検出装置の効果と同様な効果が得られる。請求項１０の発明のガス検出方法によれば、請求項７の発明のガス検出装置の効果と同様な効果が得られる。請求項１１の発明のガス検出方法によれば、請求項８の発明のガス検出装置の効果と同様な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの上面図である。
【図２】第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの断面図である。
【図３】第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサに設けられたサーモパイルの断面図及び上面図である。
【図４】第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置の回路構成図である。
【図５】第１の実施の形態のガス検出方法を示すフローチャートである。
【図６】第１の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの印加電圧とセンサ出力との関係を示す図である。
【図７】第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの上面図である。
【図８】第２の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置の回路構成図である。
【図９】第２の実施の形態のガス検出方法を示すフローチャートである。
【図１０】第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検出装置の回路構成図である。
【図１１】第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサのガス検知素子を３つの温度で周期的に変化させるためのパルス電圧を示すタイミングチャートである。
【図１２】第３の実施の形態の接触燃焼式ガスセンサの印加電圧とセンサ出力との関係を示す図である。
【図１３】従来の接触燃焼式ガスセンサの構成図である。
【図１４】図１３に示す従来の接触燃焼式ガスセンサをブリッジ回路に組み込んだ場合のガス検出回路の回路構成図である。
【符号の説明】
１，１ａ  接触燃焼式ガスセンサ
２  Ｓｉ基板
３  ダイアフラム
４  マイクロヒータ
５ａ〜５ｃ  第１乃至第３のサーモパイル
８ａ〜８ｃ  第４乃至第６のサーモパイル
１８，５５，５７  レファレンス抵抗
２１  Ｐ++−Ｓｉ
２３ａ  酸化シリコン
２３ｂ  窒化シリコン
２３ｃ  酸化ハフニウム
２５  金属膜
２７  保護膜
２９  触媒層
３１  温接点
３３  冷接点
４１  コントローラ
４２  スイッチング回路
４３  パルス発生器
４３ａ〜４３ｃ  第１乃至第３のパルス発生器
４４  メモリ
４５  演算回路
４７  ガス識別部
４９  ヒータ駆動回路
５１  第１の減算回路
５３  第２の減算回路
【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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