ＮＯｘセンサおよび排気浄化システム
【課題】 １つのＮＯｘセンサを用いて、ハンドリング性よく、空間占有部を小さく、精度よく、かつ安価にＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求めることができるＮＯｘセンサを提供する。
【解決手段】 １つの基板１に配設され、第１の半導体材料１２を含み、所定温度において、ＮＯに対して第１の感度Ａmを、またＮＯ2に対して第１の感度Ａdをもつ第１のＮＯｘ検知部と、その基板に配設され、第１の半導体材料と異なる第２の半導体材料２２を含み、上記所定温度において、ＮＯに対して第２の感度Ｂmを、またＮＯ2に対して第２の感度Ｂdをもつ第２のＮＯｘ検知部とを備えることを特徴とする。
【解決手段】 １つの基板１に配設され、第１の半導体材料１２を含み、所定温度において、ＮＯに対して第１の感度Ａmを、またＮＯ2に対して第１の感度Ａdをもつ第１のＮＯｘ検知部と、その基板に配設され、第１の半導体材料と異なる第２の半導体材料２２を含み、上記所定温度において、ＮＯに対して第２の感度Ｂmを、またＮＯ2に対して第２の感度Ｂdをもつ第２のＮＯｘ検知部とを備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＯｘセンサおよび排気浄化システムに関し、より具体的には、自動車等の排気経路に取り付けられて、１つで精度よくＮＯ濃度とＮＯ2濃度とを測定できるＮＯｘセンサおよびそれを用いた排気浄化システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の高騰などによりディーゼルエンジン搭載の自動車が増加する傾向にあるが、廃ガス規制をクリアする必要があり、ディーゼルエンジンの排出ガスを低減する各種の触媒装置が開発されている。それらの触媒装置のなかで、尿素選択還元システムはＮＯおよびＮＯ2のＮＯxを、エンジンスピードが低い低温領域で効率よく窒素と水へと還元浄化するものとして推奨されている（非特許文献１）。これらの排気ガス浄化装置は、自動車エンジンの排気経路に取り付けられ、排気ガスを浄化するが、その排気経路の温度やＮＯｘ濃度を精度よく測定して、尿素の排気経路への噴射量の制御が必須となる。しかし、ＮＯｘは、ＮＯとＮＯ2とを合わせたものであり、浄化効率を最適化するためには、ＮＯ濃度とＮＯ2濃度とを個別に、またはそれらの比を知る必要がある。
【０００３】
上記のように、ＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求める方法として、次のものが提案されている。たとえば、排気ガス浄化システムに尿素選択還元システムを用い、その後段にＮＯｘセンサを設けることによって得たＮＯｘ（ＮＯとＮＯ2）濃度と、温度センサから得た温度とから、ＮＯとＮＯ2とを化学量論的に個別に割り出し、最適な尿素の噴射量を制御する装置が提案されている（特許文献１）。また、排気経路に、酸化触媒と、その後段に尿素選択還元装置とを配置して、尿素選択還元装置の前段で、酸化触媒の前後に配置した２つのＮＯｘセンサによって、ＮＯ濃度とＮＯ2濃度とを個別に割り出す方法の提案もある（特許文献２）。
【非特許文献１】平田公信ら，「大型車ディーゼルの尿素選択還元システム」，自動車技術，Vol.60,No.9,2006,pp28-33
【特許文献１】特開２００４−１００６９９号公報
【特許文献２】特開２００７−１００５０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の浄化装置のうち、温度とＮＯｘセンサとを用いて化学量論的にＮＯ濃度と、ＮＯｘ濃度とを求める方法では、ＮＯ濃度とＮＯ2濃度、またはこれらの比を精度よく求めることができない。また酸化触媒の前後にＮＯｘセンサを配置し、２つのＮＯｘセンサでＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求める方法では、ＮＯｘセンサが２つ必要であり、取り付け場所、配線等が嵩み、またコスト増をもたらす。
本発明は、１つのＮＯｘセンサを用いて、ハンドリング性よく、空間占有部を小さく、精度よく、かつ安価にＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求めることができるＮＯｘセンサおよびそれを用いた排気浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のＮＯｘセンサは、排気経路に取り付けられ、排気中のＮＯｘ濃度を測定するために用いられる。このＮＯｘセンサは、１つの基板と、１つの温度制御手段とを備える。そして、基板に配設され、第１の半導体材料を含み、所定温度において、ＮＯに対して第１のＮＯ感度Ａmを、またＮＯ2に対して第１のＮＯ2感度Ａdをもつ第１のＮＯｘ検知部と、その基板に配設され、第１の半導体材料と異なる第２の半導体材料を含み、上記所定温度において、ＮＯに対して第２のＮＯ感度Ｂmを、またＮＯ2に対して第２のＮＯ2感度Ｂdをもつ第２のＮＯｘ検知部とを備え、第１のＮＯｘ検知部および第２のＮＯｘ検知部によって、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を得ることを特徴とする。
【０００６】
ここで、ＮＯｘとは、ＮＯとＮＯ2という２種類の気体をさす用語である。ＮＯとＮＯ2とは、化学反応などで相互に変換したり、比較的、同様の特性を示すことが多いので、一緒に取り扱ったほうが便利であるため、両方のガス種をまとめてＮＯｘという用い方が普及している。ＮＯｘセンサは、ＮＯおよび／またはＮＯ2がセンサの反応部に吸着するなどして変化する電気的指標により、センシングし、その結果が現れるものである。したがって、ＮＯおよびＮＯ2の両方に反応して、その結果、電気的指標を変化させることにより、ＮＯおよびＮＯ2の両方の、上記反応部での反応の結果を検知することになる。
【０００７】
上記本発明のＮＯｘセンサでは、材料の異なる２つのＮＯｘ検知部を共通の１つの基板上に配設するので、１つのＮＯｘセンサを用いて、空間占有を抑制し、配線なども簡単に設けながら、精度よくかつ安価にＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求めることができる。ここで、「第１のＮＯｘ検知部および第２のＮＯｘ検知部によって、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を得る」とは、構成上、Ａm・Ｂd−Ｂm・Ａdがゼロでないこと、すなわちＡm・Ｂd−Ｂm・Ａd≠０であることと同じである。この両方濃度検知条件Ａm・Ｂd−Ｂm・Ａd≠０を満たすことによって、精度よく安価にＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求められる。精度についていえば、ほとんど同じ位置で同じタイミングでサンプリングするので、その位置のＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を個別に測定することができる。このため、サンプリングの場所が異なること、およびサンプリングの少しの時間的ずれに起因する測定誤差を気にする必要がなくなり、測定精度を質的に一段向上させることができる。
【０００８】
排気中のＮＯ濃度とＮＯ2濃度とを一定比率にすることは、たとえば低速走行などの低温域でＮＯｘを抑制する制御を効かす上で、必須であり、このために、ＮＯ濃度とＮＯ2濃度を両方とも知ることは、排気浄化上、不可欠となっている。自動車の排気経路のような狭隘で複雑な空間には、上記の構成の小型化され、簡単に配線可能なＮＯｘセンサは非常に大きな貢献をすることができる。
【０００９】
ＮＯまたはＮＯ2に対するに対する感度は、たとえば所定濃度のＮＯまたはＮＯ2中に半導体体材料を露出させたときの電気抵抗の変化率であり、純粋の大気（ＮＯｘをまったく含まない）中で上記ＮＯｘセンサに定電圧を印加し、定電流を流した状態において、所定濃度のＮＯまたはＮＯ2中に暴露したときの電流変化率などが対応する。なお、上記の基板は、ＮＯｘ検知部、温度制御手段たとえば制御装置付きヒータ、電流計、定電圧電源等とマイコン制御部とを接続する配線を設けた配線基板としてもよいし、単なる絶縁基板でもよい。２つのＮＯｘ検知部、温度制御手段のヒータには、当然ながら温度センサが配置される。
【００１０】
上記の所定温度において、第１のＮＯ感度Ａmおよび第１のＮＯ2感度Ａd、ならびに第２のＮＯ感度Ｂmおよび第２のＮＯ2感度Ｂdの４種類の感度のうち、１つだけがゼロ（感度がきわめて小さいかまたは感度がない）で、残りの３つが非ゼロ（感度あり）とすることができる。上記の構成において、１つだけゼロ感度をもつＮＯｘ検知部は、その所定温度ではＮＯ濃度のみか又はＮＯ2濃度のみを測定することになる。これによって即座にＮＯｘのうちの一方の濃度を測定できる。他方のＮＯｘ検知部では、同じ排気中のＮＯ濃度およびＮＯ2濃度から得られるＮＯｘ濃度を得るが、そのうちＮＯ濃度またはＮＯ2濃度は、上記のように既知なので、既知でないほうの濃度を即座に得ることができる。このような特別な場合も、両方濃度検知条件Ａm・Ｂd−Ｂm・Ａd≠０は満たされている。これによって、２つのＮＯｘ検知部から得られる濃度値に基づいて、精度よく迅速に、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を得ることができる。
【００１１】
上記の第１のＮＯｘ検知部は、（第１のｐ側電極／第１のｐ型半導体基板／第１のｎ型酸化物半導体／第１のｎ側電極）の第１積層体から構成され、また第２のＮＯｘ検知部は、第１積層体とは電気的に絶縁されていて、（第２のｐ側電極／第２のｐ型半導体基板／第２のｎ型酸化物半導体／第２のｎ側電極）の第２積層体から構成されることができる。この構造の一つの積層体（一つのＮＯｘ検知部）において、酸化物半導体の電気抵抗変化に基づいてＮＯｘ濃度を測定するが、ｐ型半導体基板とｎ型酸化物半導体とでｐｎ接合を形成し、そのｐｎ接合への順方向電圧印加状態で、ＮＯｘ吸着に起因する電流変化を測定することになる。このため、ｐｎ接合の順方向電圧と電流との関係における急峻な電流変化部分が、ＮＯｘ吸着でずれることを利用して、感度を非常に高めることができる。このようなＮＯｘ検知部を２つ、１つの共通の基板上に配置することで、小型化された構造で、測定精度を向上させることができる。
【００１２】
上記の第１のｎ型酸化物半導体をｎ型ＷＯ3とし、第２のｎ型酸化物半導体をｎ型Ｉｎ2Ｏ3とすることができる。これによって、精度よく、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を測定することができる。
【００１３】
上記の第１のｐ型半導体基板および第２のｐ型半導体基板を、共通の１つのｐ型半導体基板に設けられた第１領域および第２領域として、その第１領域および第２領域を、絶縁領域で電気的に絶縁することができる。これによって、小型化をさらに推進し、さらにｐ型半導体基板を２つ準備しないで済むので部品材料のハンドリング性を向上させて製造コストを削減することができる。
【００１４】
上記の第１のｐ型半導体基板および／または第２のｐ型半導体基板を、ｐ型ＳｉＣ基板またはｐ型ＡｌＮ基板とするのがよい。一般に、排気経路内は高温になる場合が多く、上記の半導体基板によって耐熱性を向上させることができる。ただし、温度がそれほど上昇しない排気経路の場合は、シリコン基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板など、使用実績が豊富な半導体基板を用いるのがよい。とくにシリコン基板は、経済性に大きな利点を有する。
【００１５】
本発明の排気浄化システムは、排気経路内の排気に作用してその排気を浄化するための排気浄化装置であって、上記のいずれか一つのＮＯｘセンサを排気経路に備えることを特徴とする。これによって、上記の各ＮＯｘセンサの特徴を備えるため、小型化した空間占有や簡単な配線構造で、精度よく安価に、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を得ることができる。
【００１６】
排気を浄化するためにアンモニアを還元剤としたＳＣＲ(Selective Catalytic Reduction)を用い、ＮＯｘセンサを、該ＳＣＲの前に位置させることができる。これによって、ディーゼルエンジン等の排気中のＮＯｘを効率よく浄化することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、１つのＮＯｘセンサを用いて、ハンドリング性よく、空間占有部を小さく、精度よく、かつ安価にＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるＮＯｘセンサ３０を示す図である。このＮＯｘセンサ３０は、第１のＮＯｘ検知部１０と、第２のＮＯｘ検知部２０とが、１つの基板１に搭載されていて、１つのＮＯｘセンサ３０としてハンドリングすることができる。第１のＮＯｘ検知部１０と、第２のＮＯｘ検知部２０とは、とくに断らない限り、電気的に分離されている。ＮＯｘには、上述のように、ＮＯおよびＮＯ2の両方が含まれている。このため、１つのＮＯｘ検知部だけでは、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度の両方を求めることはできない。しかし、本実施の形態のＮＯｘセンサ３０のように、２つの検知部１０，２０を、１つの基板１上に搭載することによって、小型化、部品ハンドリングの容易性または配線の簡単化など、自動車の排気経路のような狭隘で複雑な空間に配置するのに、非常に便利である。一般に、ＮＯｘセンサは、排気経路内が常温を大きく超える高温になるため、温度を一定にする目的で、またはセンサの感度を高めるため、温度制御手段のヒータ３を配置して、一定温度に保持することが行われる。ヒータ３は、１つでもよいし、２つ以上あってもよい。
【００１９】
図１において、第１のＮＯｘ検知部１０および第２のＮＯｘ検知部２０は、酸化物半導体１２，２２の材料が相違して点を除いて、構造が同じである。第１のＮＯｘ検知部１０および第２のＮＯｘ検知部２０は、つぎの積層構造を持つ。
第１のＮＯｘ検知部１０：
（ｐ側Ｎｉ電極１３／ｐ型半導体基板１１／ｎ型酸化物半導体（ＷＯ3）１２／ｎ側Ｐｔ電極１４）
第２のＮＯｘ検知部２０：
（ｐ側Ｎｉ電極２３／ｐ型半導体基板２１／ｎ型酸化物半導体（Ｉｎ2Ｏ3）２２／ｎ側Ｐｔ電極２４）
上記のｎ側Ｐｔ電極１４，２４は、非常に薄く、多孔質材料のように、ＮＯｘは拡散（往復）自由に、ｎ型酸化物半導体のＷＯ3またはＩｎ2Ｏ3の表面に接することができる。
【００２０】
第１および第２の検知部１０，２０では、ｎ型酸化物半導体１２，２２と、ｐ型半導体基板１１，２１とで、ｐｎ接合１９，２９を形成する。酸化物半導体ＷＯ3およびＩｎ2Ｏ3ともに、ＮＯｘを吸着して電気抵抗を変化させるので、ＮＯｘのセンサとして用いることはできるが、感度を向上させるためにはセンササイズを大きくする必要があり、小型でかつ高感度なセンサを実現するため、上記のようなｐｎ接合１９，２９を形成する。そして、そのｐｎ接合１９，２９に、定電圧電源１５，２５から一定電圧を、順方向に印加する。一般に、ｐｎ接合に順方向に電圧を印加するとき、その順方向電圧を高くすると、指数関数的に電流が大きくなる。すなわち電流変化率は、小さい比例乗数の線形の場合より大きい。上記の説明から分かるように、電流計１６，２６は個別に設けるか、または１個の電流計を用いた場合には、第１および第２のＮＯｘ検知部１０，２０間を切り換える切り換え部をもつ必要がある。しかし、定電圧電源１５，２５は、一つの定電圧電源に対して第１および第２のＮＯｘ検知部１０，２０を並列にして用いることができる。
【００２１】
酸化物半導体１２，２２では、ＮＯｘが吸着すると電気抵抗が変化するので、その電気抵抗が変化する結果、一定電圧を印加している状態では、電流が変化する。図１に示す構成においては、ＮＯｘの酸化物半導体１２，２２への吸着による電気抵抗の変化は、酸化物半導体１２，２２それ自体に印加される電圧が変化することを意味し、それは、ｐｎ接合１９，２９に印加される電圧が変化することを意味する。その結果、ＮＯｘの吸着の程度によって、順方向電流が大きく変化することになり、感度を向上させる。ｐｎ接合１９，２９を形成するためのｐ型半導体基板１１，２１には、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮなどどのような半導体基板を用いてもよい。排気経路が高温になる場合が多いので、耐熱性が高いワイドギャップのＳｉＣ、ＡｌＮなどの半導体基板を用いるのが好ましい。しかし、それほど高温にならない場合には、Ｓｉを用いるのが経済性の点から好ましい。
【００２２】
ある温度で、第１のＮＯｘ検知部１０および第２の検知部２０が、次のようなＮＯｘに対する感度を持つ。厳密なことをいえば、電流変化率から求める感度は、ＮＯ濃度、ＮＯ2濃度に依存して、線形でないかもしれないが、線形からのずれはわずかであり、線形としても、それほど大きな誤差にはならいない。したがって、下記の感度は、ＮＯ濃度等によらず定数とする。
（第１のＮＯｘ検知部１０）：ＮＯに対して第１のＮＯ感度Ａm
ＮＯ2に対して第１のＮＯ2感度Ａd
（第２のＮＯｘ検知部２０）：ＮＯに対して第２のＮＯ感度Ｂm
ＮＯ2に対して第２のＮＯ2感度Ｂd
今、第１のＮＯｘ検知部１０における上記電流変化率の値がＸ1であり、第２のＮＯｘ検知部２０における上記電流変化率の値がＸ2であったとする。この場合、両方の検知部において、ＮＯの吸着およびＮＯ2の吸着は、相互に影響を及ぼさず、互いに独立に吸着するものとする。ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度が低い場合には、この吸着独立条件は満たされている。この吸着独立条件の下に、排気中のＮＯ濃度をＭとし、ＮＯ2濃度をＤとすると、以下の連立方程式が成り立つ。
Ｘ1＝ＡmＭ＋ＡdＤ・・・・・（１）式
Ｘ2＝ＢmＭ＋ＢdＤ・・・・・（２）式
上記の連立方程式において、Ｘ1およびＸ2は、実測値である。また、Ａm、Ａd、Ｂm、Ｂdは、予めＮＯ濃度およびＮＯ2濃度が知れた気体を用いて得ておくことができ、既知である。そして、上記のｐｎ接合１９，２９の配設によって十分大きい感度とされている。したがって、上記の二元連立方程式は簡単に解くことができる。
【００２３】
上記の連立方程式に関連して強調しておきたいことは、２つの同種材料によるＮＯｘ検知部を、並べて配置しても意味がないことである。２つの同種材料のＮＯｘ検知部では、上記の（１）式および（２）式において、Ａm＝Ｂm、かつＡd＝Ｂdとなり、（１）式および（２）式は同じものになる。また、同じ半導体材料を用いて表面積のみを変化させた場合は、表面積の比率が変わり、Ａm＝ｋＢm、Ａd＝ｋＢdが成り立つが、この場合、ＮＯ濃度ＭおよびＮＯ2濃度Ｄを得ることはできない。要するに、Ａm・Ｂd−Ｂm・Ａd＝０となってしまい、上記の連立方程式を解くことはできず、したがって、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を個別に求めることはできない。相互に異なる材料のＮＯｘ検知部を２つ並べて配置することによって、はじめて、両方濃度検知条件Ａm・Ｂd−Ｂm・Ａd≠０が成り立ち、ＮＯ濃度ＭおよびＮＯ2濃度Ｄを個別に求めることが可能になる。
【００２４】
図１に示すＮＯｘセンサ３０の製造においては、ＳｉＣまたはＡｌＮなどのｐ型半導体基板１１，２１上に、ｎ型ＷＯ3１２またはｎ型Ｉｎ2Ｏ3をスパッタ成膜するのがよい。レーザや電子ビームをエネルギ源とする真空蒸着などを用いてもよい。次いで、Ｐｔ電極１４，２４をスパッタ成膜で成長させるのがよい。Ｎｉ電極もどのような方法で成膜してもよい。
【００２５】
図２は、第１のＮＯｘ検知部１０における感度Ａm、Ａdと温度との関係を示す図であり、また図３は、第２の検知部２０における感度Ｂm、Ｂdと温度との関係を示す図である。ただし、これらの感度は、ＮＯについては５０ｐｐｍの濃度での感度であり、ＮＯ2については２００ｐｐｍの濃度での感度である。したがって、図２および図３の電流変化率の値を用いて、上記の連立方程式を解いてＭおよびＤを求めた場合、ＮＯについては５０倍することで、実際のＮＯのｐｐｍ濃度とすることができ、ＮＯ2については２００倍することで、同様に実際のＮＯ2のｐｐｍ濃度とすることができる。
【００２６】
第１のＮＯｘ検知部１０の酸化物半導体ＷＯ3１２は、１００℃以下では感度がなく、２００℃程度から感度を持つ。そして、ＮＯに対する感度が、ＮＯ2に対する感度より大きい。一方、第２のＮＯｘ検知部２０の酸化物半導体Ｉｎ2Ｏ3２２では、ＮＯに対する感度Ｂmは全温度域でゼロとみてよい。とくに２００℃でＢmはゼロである。一方、ＮＯ2に対する感度Ｂdは、２００℃で０．２強である。今、ヒータ３を作動させて、第１および第２のＮＯｘ検知部１０，２０を２００℃にして測定したとする。この場合、上記の連立方程式の（２）式で、Ｂmをゼロとして、そのときの第２のＮＯｘ検知部２０の実測値から、直ちにＮＯ2濃度を知ることができる。すなわち、酸化物半導体にＩｎ2Ｏ3を用いた場合には、ＮＯｘ検知部は、ＮＯには感度がない、ＮＯ2検知部となる。第２のＮＯｘ検知部２０で即座に得たＮＯ2濃度Ｄを、連立方程式の（１）式に代入することで、第１のＮＯｘ検知部１０での実測値から、ＮＯ濃度Ｍを求めることができる。
【００２７】
本実施の形態におけるＮＯｘセンサ３０は、一つで、誤差要因となる異なる位置ではなく、同じ位置で同時にサンプリングして、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を精度よく測定しながら、小型化でき、ハンドリング性を大きく向上することができる。小型化の利点としては、さらに、車両のポンピングロスを少なくすることができ、エンジンの出力損失を小さくすることができる。このため、とくに自動車、なかでもディーゼルエンジン搭載車の排気経路に配置することによって、排気浄化装置の制御部に正確なＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を入力でき、排気浄化の促進に資することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるＮＯｘセンサ３０を示す図である。このＮＯｘセンサ３０では、共通の１つのｎ半導体基板１１を用い、絶縁分離帯３５によって、第１領域１１ａと第２領域１１ｂに、電気的に分離している点に特徴を有する。もう一つの特徴は、基板に配線基板５を用いている点にある。その他の、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度の測定原理等は、実施の形態１における説明と同じである。
【００２９】
絶縁分離帯３５は、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＡｌＮ基板等の場合は、フィールド酸化や、フィールド窒化によって形成するのがよい。これら酸化または窒化は、シリコンデバイスの作製において用いられたＬＯＣＯＳ(Local Oxidation of Silicon）のように、局所的に酸化または窒化するのがよい。これによって、一枚の半導体基板上に、異なる酸化物半導体を積層する処理を行うことで、ＮＯｘセンサ３０を作製できるので、処理工程が大幅に簡単化される。この結果、安価なＮＯｘセンサとすることができる。そして、小型化についても、各種半導体デバイスの作製において培った技術を用いて、大きく進展させることができる。そして、測定における場所のずれに起因する誤差の懸念についても、上記デバイス処理プロセスにより、ほとんど１点に近い範囲内での２点での測定位置を形成できるので、測定位置についての精度信頼性も高めることができる。すなわちまったく同じ位置のＮＯ濃度およびＮＯ2濃度といえるほどの精度信頼性を得ることができる。
【００３０】
さらに、配線基板５を用いることで、たとえば、図４に示すように、ｐ側電極のＮｉ電極１３，２３を、直接、配線基板５のパッドに半田バンプなどを用いて接続できる。このため、配線を引き回すことがなくなり、配線構造をスッキリさせることができ、ＮＯｘセンサの小型化にも有効である。なお、図４では、１つまたは２つ以上のヒータは配設されるが、記載は省略されている。
【００３１】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における排気浄化装置５０を説明するための図である。この排気浄化装置は、尿素を用いて排気中のＮＯｘを窒素ガス等に還元する尿素選択還元触媒装置（尿素ＳＣＲ装置）である。図５において、エンジン７１は、たとえばディーゼルエンジンである。このディーゼルエンジン７１は、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）７３が設けられ、また燃料噴射の制御のために制御装置（ＥＣＵ）７２が配置されている。制御装置（ＥＣＵ）７２は、尿素供給制御装置（ＥＣＵ）７５と共通化してもよい。ディーゼルエンジン７１からの排気経路において、ディーゼルエンジン７１に近い上流に酸化触媒（ＤＯＣ）７４を配置する。この酸化触媒７４は、ＮＯをＮＯ2に酸化する上で有効である。酸化触媒７４の下流に尿素選択還元触媒（ＳＣＲ）７８を設け、さらにその後段に、尿素から反応生成したアンモニアのスリップを防止するための酸化触媒７９が配置される。
【００３２】
尿素選択還元触媒７８の入口には、ＮＯｘセンサ３０と温度センサ４１とを配置し、ＮＯｘセンサ３０の２つのＮＯｘ検知部からの電流変化率は制御装置７５に読み出され、温度センサ４１からの温度データを下に、予め入力されている感度に基づいて、ＮＯ濃度とＮＯ2濃度とが算出される。このＮＯ濃度およびＮＯ2濃度に基づいて、尿素添加装置７６が作動して、尿素選択還元触媒の入口に位置する尿素噴射口からの尿素噴射量を制御する。尿素は、尿素タンク７７に貯留されている。
【００３３】
本実施の形態における排気浄化装置の尿素選択還元装置５０では、狭隘な箇所に２つの異なる材料のＮＯｘ検知部をもつので、その狭隘な場所におけるＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を同時に、個別に得ることができる。このため、正確なＮＯ濃度およびＮＯ2濃度に基づき、適切な尿素噴射制御や燃料噴射制御を行うことができ、排気浄化および燃費向上を改善することができる。
【００３４】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、一つのＮＯｘセンサで、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を精度よく、異なる箇所での誤差要因を排除しながら、小型化し、ハンドリング性を大きく向上することができる。このため、とくに自動車、なかでもディーゼルエンジン搭載車の排気経路に配置することによって、排気浄化装置の制御部に正確なＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を入力でき、排気浄化の促進に資することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるＮＯｘセンサを説明するための図である。
【図２】図１に示すＮＯｘセンサの第１のＮＯｘ検知部のＮＯおよびＮＯ2に対する感度と温度との関係を示す図である。
【図３】図１に示すＮＯｘセンサの第２のＮＯｘ検知部のＮＯおよびＮＯ2に対する感度と温度との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２におけるＮＯｘセンサを説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態３における排気浄化装置を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 絶縁性基板、３ ヒータ、５ 配線基板、１０ 第１のＮＯｘ検知部、２０ 第２のＮＯｘ検知部、１１，２１ ｐ型半導体基板、１１ａ 第１領域、１１ｂ 第２領域、１２，２２ ｎ型酸化物半導体、１３，２３ ｐ側電極、１４，２４ ｎ側電極、１５，２５ 定電圧電源、１６，２６ 電流計、１９，２９ ｐｎ接合、３０ ＮＯｘセンサ、３５ 絶縁分離帯、５０ 排気浄化装置。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＮＯｘセンサおよび排気浄化システムに関し、より具体的には、自動車等の排気経路に取り付けられて、１つで精度よくＮＯ濃度とＮＯ2濃度とを測定できるＮＯｘセンサおよびそれを用いた排気浄化システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
化石燃料の高騰などによりディーゼルエンジン搭載の自動車が増加する傾向にあるが、廃ガス規制をクリアする必要があり、ディーゼルエンジンの排出ガスを低減する各種の触媒装置が開発されている。それらの触媒装置のなかで、尿素選択還元システムはＮＯおよびＮＯ2のＮＯxを、エンジンスピードが低い低温領域で効率よく窒素と水へと還元浄化するものとして推奨されている（非特許文献１）。これらの排気ガス浄化装置は、自動車エンジンの排気経路に取り付けられ、排気ガスを浄化するが、その排気経路の温度やＮＯｘ濃度を精度よく測定して、尿素の排気経路への噴射量の制御が必須となる。しかし、ＮＯｘは、ＮＯとＮＯ2とを合わせたものであり、浄化効率を最適化するためには、ＮＯ濃度とＮＯ2濃度とを個別に、またはそれらの比を知る必要がある。
【０００３】
上記のように、ＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求める方法として、次のものが提案されている。たとえば、排気ガス浄化システムに尿素選択還元システムを用い、その後段にＮＯｘセンサを設けることによって得たＮＯｘ（ＮＯとＮＯ2）濃度と、温度センサから得た温度とから、ＮＯとＮＯ2とを化学量論的に個別に割り出し、最適な尿素の噴射量を制御する装置が提案されている（特許文献１）。また、排気経路に、酸化触媒と、その後段に尿素選択還元装置とを配置して、尿素選択還元装置の前段で、酸化触媒の前後に配置した２つのＮＯｘセンサによって、ＮＯ濃度とＮＯ2濃度とを個別に割り出す方法の提案もある（特許文献２）。
【非特許文献１】平田公信ら，「大型車ディーゼルの尿素選択還元システム」，自動車技術，Vol.60,No.9,2006,pp28-33
【特許文献１】特開２００４−１００６９９号公報
【特許文献２】特開２００７−１００５０８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の浄化装置のうち、温度とＮＯｘセンサとを用いて化学量論的にＮＯ濃度と、ＮＯｘ濃度とを求める方法では、ＮＯ濃度とＮＯ2濃度、またはこれらの比を精度よく求めることができない。また酸化触媒の前後にＮＯｘセンサを配置し、２つのＮＯｘセンサでＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求める方法では、ＮＯｘセンサが２つ必要であり、取り付け場所、配線等が嵩み、またコスト増をもたらす。
本発明は、１つのＮＯｘセンサを用いて、ハンドリング性よく、空間占有部を小さく、精度よく、かつ安価にＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求めることができるＮＯｘセンサおよびそれを用いた排気浄化システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のＮＯｘセンサは、排気経路に取り付けられ、排気中のＮＯｘ濃度を測定するために用いられる。このＮＯｘセンサは、１つの基板と、１つの温度制御手段とを備える。そして、基板に配設され、第１の半導体材料を含み、所定温度において、ＮＯに対して第１のＮＯ感度Ａmを、またＮＯ2に対して第１のＮＯ2感度Ａdをもつ第１のＮＯｘ検知部と、その基板に配設され、第１の半導体材料と異なる第２の半導体材料を含み、上記所定温度において、ＮＯに対して第２のＮＯ感度Ｂmを、またＮＯ2に対して第２のＮＯ2感度Ｂdをもつ第２のＮＯｘ検知部とを備え、第１のＮＯｘ検知部および第２のＮＯｘ検知部によって、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を得ることを特徴とする。
【０００６】
ここで、ＮＯｘとは、ＮＯとＮＯ2という２種類の気体をさす用語である。ＮＯとＮＯ2とは、化学反応などで相互に変換したり、比較的、同様の特性を示すことが多いので、一緒に取り扱ったほうが便利であるため、両方のガス種をまとめてＮＯｘという用い方が普及している。ＮＯｘセンサは、ＮＯおよび／またはＮＯ2がセンサの反応部に吸着するなどして変化する電気的指標により、センシングし、その結果が現れるものである。したがって、ＮＯおよびＮＯ2の両方に反応して、その結果、電気的指標を変化させることにより、ＮＯおよびＮＯ2の両方の、上記反応部での反応の結果を検知することになる。
【０００７】
上記本発明のＮＯｘセンサでは、材料の異なる２つのＮＯｘ検知部を共通の１つの基板上に配設するので、１つのＮＯｘセンサを用いて、空間占有を抑制し、配線なども簡単に設けながら、精度よくかつ安価にＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求めることができる。ここで、「第１のＮＯｘ検知部および第２のＮＯｘ検知部によって、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を得る」とは、構成上、Ａm・Ｂd−Ｂm・Ａdがゼロでないこと、すなわちＡm・Ｂd−Ｂm・Ａd≠０であることと同じである。この両方濃度検知条件Ａm・Ｂd−Ｂm・Ａd≠０を満たすことによって、精度よく安価にＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求められる。精度についていえば、ほとんど同じ位置で同じタイミングでサンプリングするので、その位置のＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を個別に測定することができる。このため、サンプリングの場所が異なること、およびサンプリングの少しの時間的ずれに起因する測定誤差を気にする必要がなくなり、測定精度を質的に一段向上させることができる。
【０００８】
排気中のＮＯ濃度とＮＯ2濃度とを一定比率にすることは、たとえば低速走行などの低温域でＮＯｘを抑制する制御を効かす上で、必須であり、このために、ＮＯ濃度とＮＯ2濃度を両方とも知ることは、排気浄化上、不可欠となっている。自動車の排気経路のような狭隘で複雑な空間には、上記の構成の小型化され、簡単に配線可能なＮＯｘセンサは非常に大きな貢献をすることができる。
【０００９】
ＮＯまたはＮＯ2に対するに対する感度は、たとえば所定濃度のＮＯまたはＮＯ2中に半導体体材料を露出させたときの電気抵抗の変化率であり、純粋の大気（ＮＯｘをまったく含まない）中で上記ＮＯｘセンサに定電圧を印加し、定電流を流した状態において、所定濃度のＮＯまたはＮＯ2中に暴露したときの電流変化率などが対応する。なお、上記の基板は、ＮＯｘ検知部、温度制御手段たとえば制御装置付きヒータ、電流計、定電圧電源等とマイコン制御部とを接続する配線を設けた配線基板としてもよいし、単なる絶縁基板でもよい。２つのＮＯｘ検知部、温度制御手段のヒータには、当然ながら温度センサが配置される。
【００１０】
上記の所定温度において、第１のＮＯ感度Ａmおよび第１のＮＯ2感度Ａd、ならびに第２のＮＯ感度Ｂmおよび第２のＮＯ2感度Ｂdの４種類の感度のうち、１つだけがゼロ（感度がきわめて小さいかまたは感度がない）で、残りの３つが非ゼロ（感度あり）とすることができる。上記の構成において、１つだけゼロ感度をもつＮＯｘ検知部は、その所定温度ではＮＯ濃度のみか又はＮＯ2濃度のみを測定することになる。これによって即座にＮＯｘのうちの一方の濃度を測定できる。他方のＮＯｘ検知部では、同じ排気中のＮＯ濃度およびＮＯ2濃度から得られるＮＯｘ濃度を得るが、そのうちＮＯ濃度またはＮＯ2濃度は、上記のように既知なので、既知でないほうの濃度を即座に得ることができる。このような特別な場合も、両方濃度検知条件Ａm・Ｂd−Ｂm・Ａd≠０は満たされている。これによって、２つのＮＯｘ検知部から得られる濃度値に基づいて、精度よく迅速に、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を得ることができる。
【００１１】
上記の第１のＮＯｘ検知部は、（第１のｐ側電極／第１のｐ型半導体基板／第１のｎ型酸化物半導体／第１のｎ側電極）の第１積層体から構成され、また第２のＮＯｘ検知部は、第１積層体とは電気的に絶縁されていて、（第２のｐ側電極／第２のｐ型半導体基板／第２のｎ型酸化物半導体／第２のｎ側電極）の第２積層体から構成されることができる。この構造の一つの積層体（一つのＮＯｘ検知部）において、酸化物半導体の電気抵抗変化に基づいてＮＯｘ濃度を測定するが、ｐ型半導体基板とｎ型酸化物半導体とでｐｎ接合を形成し、そのｐｎ接合への順方向電圧印加状態で、ＮＯｘ吸着に起因する電流変化を測定することになる。このため、ｐｎ接合の順方向電圧と電流との関係における急峻な電流変化部分が、ＮＯｘ吸着でずれることを利用して、感度を非常に高めることができる。このようなＮＯｘ検知部を２つ、１つの共通の基板上に配置することで、小型化された構造で、測定精度を向上させることができる。
【００１２】
上記の第１のｎ型酸化物半導体をｎ型ＷＯ3とし、第２のｎ型酸化物半導体をｎ型Ｉｎ2Ｏ3とすることができる。これによって、精度よく、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を測定することができる。
【００１３】
上記の第１のｐ型半導体基板および第２のｐ型半導体基板を、共通の１つのｐ型半導体基板に設けられた第１領域および第２領域として、その第１領域および第２領域を、絶縁領域で電気的に絶縁することができる。これによって、小型化をさらに推進し、さらにｐ型半導体基板を２つ準備しないで済むので部品材料のハンドリング性を向上させて製造コストを削減することができる。
【００１４】
上記の第１のｐ型半導体基板および／または第２のｐ型半導体基板を、ｐ型ＳｉＣ基板またはｐ型ＡｌＮ基板とするのがよい。一般に、排気経路内は高温になる場合が多く、上記の半導体基板によって耐熱性を向上させることができる。ただし、温度がそれほど上昇しない排気経路の場合は、シリコン基板、ＧａＡｓ基板、ＧａＮ基板など、使用実績が豊富な半導体基板を用いるのがよい。とくにシリコン基板は、経済性に大きな利点を有する。
【００１５】
本発明の排気浄化システムは、排気経路内の排気に作用してその排気を浄化するための排気浄化装置であって、上記のいずれか一つのＮＯｘセンサを排気経路に備えることを特徴とする。これによって、上記の各ＮＯｘセンサの特徴を備えるため、小型化した空間占有や簡単な配線構造で、精度よく安価に、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を得ることができる。
【００１６】
排気を浄化するためにアンモニアを還元剤としたＳＣＲ(Selective Catalytic Reduction)を用い、ＮＯｘセンサを、該ＳＣＲの前に位置させることができる。これによって、ディーゼルエンジン等の排気中のＮＯｘを効率よく浄化することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、１つのＮＯｘセンサを用いて、ハンドリング性よく、空間占有部を小さく、精度よく、かつ安価にＮＯ濃度とＮＯ2濃度を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１におけるＮＯｘセンサ３０を示す図である。このＮＯｘセンサ３０は、第１のＮＯｘ検知部１０と、第２のＮＯｘ検知部２０とが、１つの基板１に搭載されていて、１つのＮＯｘセンサ３０としてハンドリングすることができる。第１のＮＯｘ検知部１０と、第２のＮＯｘ検知部２０とは、とくに断らない限り、電気的に分離されている。ＮＯｘには、上述のように、ＮＯおよびＮＯ2の両方が含まれている。このため、１つのＮＯｘ検知部だけでは、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度の両方を求めることはできない。しかし、本実施の形態のＮＯｘセンサ３０のように、２つの検知部１０，２０を、１つの基板１上に搭載することによって、小型化、部品ハンドリングの容易性または配線の簡単化など、自動車の排気経路のような狭隘で複雑な空間に配置するのに、非常に便利である。一般に、ＮＯｘセンサは、排気経路内が常温を大きく超える高温になるため、温度を一定にする目的で、またはセンサの感度を高めるため、温度制御手段のヒータ３を配置して、一定温度に保持することが行われる。ヒータ３は、１つでもよいし、２つ以上あってもよい。
【００１９】
図１において、第１のＮＯｘ検知部１０および第２のＮＯｘ検知部２０は、酸化物半導体１２，２２の材料が相違して点を除いて、構造が同じである。第１のＮＯｘ検知部１０および第２のＮＯｘ検知部２０は、つぎの積層構造を持つ。
第１のＮＯｘ検知部１０：
（ｐ側Ｎｉ電極１３／ｐ型半導体基板１１／ｎ型酸化物半導体（ＷＯ3）１２／ｎ側Ｐｔ電極１４）
第２のＮＯｘ検知部２０：
（ｐ側Ｎｉ電極２３／ｐ型半導体基板２１／ｎ型酸化物半導体（Ｉｎ2Ｏ3）２２／ｎ側Ｐｔ電極２４）
上記のｎ側Ｐｔ電極１４，２４は、非常に薄く、多孔質材料のように、ＮＯｘは拡散（往復）自由に、ｎ型酸化物半導体のＷＯ3またはＩｎ2Ｏ3の表面に接することができる。
【００２０】
第１および第２の検知部１０，２０では、ｎ型酸化物半導体１２，２２と、ｐ型半導体基板１１，２１とで、ｐｎ接合１９，２９を形成する。酸化物半導体ＷＯ3およびＩｎ2Ｏ3ともに、ＮＯｘを吸着して電気抵抗を変化させるので、ＮＯｘのセンサとして用いることはできるが、感度を向上させるためにはセンササイズを大きくする必要があり、小型でかつ高感度なセンサを実現するため、上記のようなｐｎ接合１９，２９を形成する。そして、そのｐｎ接合１９，２９に、定電圧電源１５，２５から一定電圧を、順方向に印加する。一般に、ｐｎ接合に順方向に電圧を印加するとき、その順方向電圧を高くすると、指数関数的に電流が大きくなる。すなわち電流変化率は、小さい比例乗数の線形の場合より大きい。上記の説明から分かるように、電流計１６，２６は個別に設けるか、または１個の電流計を用いた場合には、第１および第２のＮＯｘ検知部１０，２０間を切り換える切り換え部をもつ必要がある。しかし、定電圧電源１５，２５は、一つの定電圧電源に対して第１および第２のＮＯｘ検知部１０，２０を並列にして用いることができる。
【００２１】
酸化物半導体１２，２２では、ＮＯｘが吸着すると電気抵抗が変化するので、その電気抵抗が変化する結果、一定電圧を印加している状態では、電流が変化する。図１に示す構成においては、ＮＯｘの酸化物半導体１２，２２への吸着による電気抵抗の変化は、酸化物半導体１２，２２それ自体に印加される電圧が変化することを意味し、それは、ｐｎ接合１９，２９に印加される電圧が変化することを意味する。その結果、ＮＯｘの吸着の程度によって、順方向電流が大きく変化することになり、感度を向上させる。ｐｎ接合１９，２９を形成するためのｐ型半導体基板１１，２１には、Ｓｉ、ＳｉＣ、ＡｌＮなどどのような半導体基板を用いてもよい。排気経路が高温になる場合が多いので、耐熱性が高いワイドギャップのＳｉＣ、ＡｌＮなどの半導体基板を用いるのが好ましい。しかし、それほど高温にならない場合には、Ｓｉを用いるのが経済性の点から好ましい。
【００２２】
ある温度で、第１のＮＯｘ検知部１０および第２の検知部２０が、次のようなＮＯｘに対する感度を持つ。厳密なことをいえば、電流変化率から求める感度は、ＮＯ濃度、ＮＯ2濃度に依存して、線形でないかもしれないが、線形からのずれはわずかであり、線形としても、それほど大きな誤差にはならいない。したがって、下記の感度は、ＮＯ濃度等によらず定数とする。
（第１のＮＯｘ検知部１０）：ＮＯに対して第１のＮＯ感度Ａm
ＮＯ2に対して第１のＮＯ2感度Ａd
（第２のＮＯｘ検知部２０）：ＮＯに対して第２のＮＯ感度Ｂm
ＮＯ2に対して第２のＮＯ2感度Ｂd
今、第１のＮＯｘ検知部１０における上記電流変化率の値がＸ1であり、第２のＮＯｘ検知部２０における上記電流変化率の値がＸ2であったとする。この場合、両方の検知部において、ＮＯの吸着およびＮＯ2の吸着は、相互に影響を及ぼさず、互いに独立に吸着するものとする。ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度が低い場合には、この吸着独立条件は満たされている。この吸着独立条件の下に、排気中のＮＯ濃度をＭとし、ＮＯ2濃度をＤとすると、以下の連立方程式が成り立つ。
Ｘ1＝ＡmＭ＋ＡdＤ・・・・・（１）式
Ｘ2＝ＢmＭ＋ＢdＤ・・・・・（２）式
上記の連立方程式において、Ｘ1およびＸ2は、実測値である。また、Ａm、Ａd、Ｂm、Ｂdは、予めＮＯ濃度およびＮＯ2濃度が知れた気体を用いて得ておくことができ、既知である。そして、上記のｐｎ接合１９，２９の配設によって十分大きい感度とされている。したがって、上記の二元連立方程式は簡単に解くことができる。
【００２３】
上記の連立方程式に関連して強調しておきたいことは、２つの同種材料によるＮＯｘ検知部を、並べて配置しても意味がないことである。２つの同種材料のＮＯｘ検知部では、上記の（１）式および（２）式において、Ａm＝Ｂm、かつＡd＝Ｂdとなり、（１）式および（２）式は同じものになる。また、同じ半導体材料を用いて表面積のみを変化させた場合は、表面積の比率が変わり、Ａm＝ｋＢm、Ａd＝ｋＢdが成り立つが、この場合、ＮＯ濃度ＭおよびＮＯ2濃度Ｄを得ることはできない。要するに、Ａm・Ｂd−Ｂm・Ａd＝０となってしまい、上記の連立方程式を解くことはできず、したがって、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を個別に求めることはできない。相互に異なる材料のＮＯｘ検知部を２つ並べて配置することによって、はじめて、両方濃度検知条件Ａm・Ｂd−Ｂm・Ａd≠０が成り立ち、ＮＯ濃度ＭおよびＮＯ2濃度Ｄを個別に求めることが可能になる。
【００２４】
図１に示すＮＯｘセンサ３０の製造においては、ＳｉＣまたはＡｌＮなどのｐ型半導体基板１１，２１上に、ｎ型ＷＯ3１２またはｎ型Ｉｎ2Ｏ3をスパッタ成膜するのがよい。レーザや電子ビームをエネルギ源とする真空蒸着などを用いてもよい。次いで、Ｐｔ電極１４，２４をスパッタ成膜で成長させるのがよい。Ｎｉ電極もどのような方法で成膜してもよい。
【００２５】
図２は、第１のＮＯｘ検知部１０における感度Ａm、Ａdと温度との関係を示す図であり、また図３は、第２の検知部２０における感度Ｂm、Ｂdと温度との関係を示す図である。ただし、これらの感度は、ＮＯについては５０ｐｐｍの濃度での感度であり、ＮＯ2については２００ｐｐｍの濃度での感度である。したがって、図２および図３の電流変化率の値を用いて、上記の連立方程式を解いてＭおよびＤを求めた場合、ＮＯについては５０倍することで、実際のＮＯのｐｐｍ濃度とすることができ、ＮＯ2については２００倍することで、同様に実際のＮＯ2のｐｐｍ濃度とすることができる。
【００２６】
第１のＮＯｘ検知部１０の酸化物半導体ＷＯ3１２は、１００℃以下では感度がなく、２００℃程度から感度を持つ。そして、ＮＯに対する感度が、ＮＯ2に対する感度より大きい。一方、第２のＮＯｘ検知部２０の酸化物半導体Ｉｎ2Ｏ3２２では、ＮＯに対する感度Ｂmは全温度域でゼロとみてよい。とくに２００℃でＢmはゼロである。一方、ＮＯ2に対する感度Ｂdは、２００℃で０．２強である。今、ヒータ３を作動させて、第１および第２のＮＯｘ検知部１０，２０を２００℃にして測定したとする。この場合、上記の連立方程式の（２）式で、Ｂmをゼロとして、そのときの第２のＮＯｘ検知部２０の実測値から、直ちにＮＯ2濃度を知ることができる。すなわち、酸化物半導体にＩｎ2Ｏ3を用いた場合には、ＮＯｘ検知部は、ＮＯには感度がない、ＮＯ2検知部となる。第２のＮＯｘ検知部２０で即座に得たＮＯ2濃度Ｄを、連立方程式の（１）式に代入することで、第１のＮＯｘ検知部１０での実測値から、ＮＯ濃度Ｍを求めることができる。
【００２７】
本実施の形態におけるＮＯｘセンサ３０は、一つで、誤差要因となる異なる位置ではなく、同じ位置で同時にサンプリングして、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を精度よく測定しながら、小型化でき、ハンドリング性を大きく向上することができる。小型化の利点としては、さらに、車両のポンピングロスを少なくすることができ、エンジンの出力損失を小さくすることができる。このため、とくに自動車、なかでもディーゼルエンジン搭載車の排気経路に配置することによって、排気浄化装置の制御部に正確なＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を入力でき、排気浄化の促進に資することができる。
【００２８】
（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態２におけるＮＯｘセンサ３０を示す図である。このＮＯｘセンサ３０では、共通の１つのｎ半導体基板１１を用い、絶縁分離帯３５によって、第１領域１１ａと第２領域１１ｂに、電気的に分離している点に特徴を有する。もう一つの特徴は、基板に配線基板５を用いている点にある。その他の、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度の測定原理等は、実施の形態１における説明と同じである。
【００２９】
絶縁分離帯３５は、Ｓｉ基板、ＳｉＣ基板、ＡｌＮ基板等の場合は、フィールド酸化や、フィールド窒化によって形成するのがよい。これら酸化または窒化は、シリコンデバイスの作製において用いられたＬＯＣＯＳ(Local Oxidation of Silicon）のように、局所的に酸化または窒化するのがよい。これによって、一枚の半導体基板上に、異なる酸化物半導体を積層する処理を行うことで、ＮＯｘセンサ３０を作製できるので、処理工程が大幅に簡単化される。この結果、安価なＮＯｘセンサとすることができる。そして、小型化についても、各種半導体デバイスの作製において培った技術を用いて、大きく進展させることができる。そして、測定における場所のずれに起因する誤差の懸念についても、上記デバイス処理プロセスにより、ほとんど１点に近い範囲内での２点での測定位置を形成できるので、測定位置についての精度信頼性も高めることができる。すなわちまったく同じ位置のＮＯ濃度およびＮＯ2濃度といえるほどの精度信頼性を得ることができる。
【００３０】
さらに、配線基板５を用いることで、たとえば、図４に示すように、ｐ側電極のＮｉ電極１３，２３を、直接、配線基板５のパッドに半田バンプなどを用いて接続できる。このため、配線を引き回すことがなくなり、配線構造をスッキリさせることができ、ＮＯｘセンサの小型化にも有効である。なお、図４では、１つまたは２つ以上のヒータは配設されるが、記載は省略されている。
【００３１】
（実施の形態３）
図５は、本発明の実施の形態３における排気浄化装置５０を説明するための図である。この排気浄化装置は、尿素を用いて排気中のＮＯｘを窒素ガス等に還元する尿素選択還元触媒装置（尿素ＳＣＲ装置）である。図５において、エンジン７１は、たとえばディーゼルエンジンである。このディーゼルエンジン７１は、排気ガス再循環装置（ＥＧＲ）７３が設けられ、また燃料噴射の制御のために制御装置（ＥＣＵ）７２が配置されている。制御装置（ＥＣＵ）７２は、尿素供給制御装置（ＥＣＵ）７５と共通化してもよい。ディーゼルエンジン７１からの排気経路において、ディーゼルエンジン７１に近い上流に酸化触媒（ＤＯＣ）７４を配置する。この酸化触媒７４は、ＮＯをＮＯ2に酸化する上で有効である。酸化触媒７４の下流に尿素選択還元触媒（ＳＣＲ）７８を設け、さらにその後段に、尿素から反応生成したアンモニアのスリップを防止するための酸化触媒７９が配置される。
【００３２】
尿素選択還元触媒７８の入口には、ＮＯｘセンサ３０と温度センサ４１とを配置し、ＮＯｘセンサ３０の２つのＮＯｘ検知部からの電流変化率は制御装置７５に読み出され、温度センサ４１からの温度データを下に、予め入力されている感度に基づいて、ＮＯ濃度とＮＯ2濃度とが算出される。このＮＯ濃度およびＮＯ2濃度に基づいて、尿素添加装置７６が作動して、尿素選択還元触媒の入口に位置する尿素噴射口からの尿素噴射量を制御する。尿素は、尿素タンク７７に貯留されている。
【００３３】
本実施の形態における排気浄化装置の尿素選択還元装置５０では、狭隘な箇所に２つの異なる材料のＮＯｘ検知部をもつので、その狭隘な場所におけるＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を同時に、個別に得ることができる。このため、正確なＮＯ濃度およびＮＯ2濃度に基づき、適切な尿素噴射制御や燃料噴射制御を行うことができ、排気浄化および燃費向上を改善することができる。
【００３４】
上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施の形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明によれば、一つのＮＯｘセンサで、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を精度よく、異なる箇所での誤差要因を排除しながら、小型化し、ハンドリング性を大きく向上することができる。このため、とくに自動車、なかでもディーゼルエンジン搭載車の排気経路に配置することによって、排気浄化装置の制御部に正確なＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を入力でき、排気浄化の促進に資することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるＮＯｘセンサを説明するための図である。
【図２】図１に示すＮＯｘセンサの第１のＮＯｘ検知部のＮＯおよびＮＯ2に対する感度と温度との関係を示す図である。
【図３】図１に示すＮＯｘセンサの第２のＮＯｘ検知部のＮＯおよびＮＯ2に対する感度と温度との関係を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態２におけるＮＯｘセンサを説明するための図である。
【図５】本発明の実施の形態３における排気浄化装置を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３７】
１ 絶縁性基板、３ ヒータ、５ 配線基板、１０ 第１のＮＯｘ検知部、２０ 第２のＮＯｘ検知部、１１，２１ ｐ型半導体基板、１１ａ 第１領域、１１ｂ 第２領域、１２，２２ ｎ型酸化物半導体、１３，２３ ｐ側電極、１４，２４ ｎ側電極、１５，２５ 定電圧電源、１６，２６ 電流計、１９，２９ ｐｎ接合、３０ ＮＯｘセンサ、３５ 絶縁分離帯、５０ 排気浄化装置。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
排気経路に取り付けられ、排気中のＮＯｘ濃度を測定するために用いられるＮＯｘセンサであって、
１つの基板と、
１つの温度制御手段と、
前記基板に配設され、第１の半導体材料を含み、所定温度において、ＮＯに対して第１のＮＯ感度Ａmを、またＮＯ2に対して第１のＮＯ2感度Ａdをもつ第１のＮＯｘ検知部と、
前記基板に配設され、前記第１の半導体材料と異なる第２の半導体材料を含み、前記所定温度において、ＮＯに対して第２のＮＯ感度Ｂmを、またＮＯ2に対して第２のＮＯ2感度Ｂdをもつ第２のＮＯｘ検知部とを備え、
前記第１のＮＯｘ検知部および第２のＮＯｘ検知部によって、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を得ることを特徴とする、ＮＯｘセンサ。
【請求項２】
前記所定温度において、前記第１のＮＯ感度Ａmおよび第１のＮＯ2感度Ａd、ならびに第２のＮＯ感度Ｂmおよび第２のＮＯ2感度Ｂdの４種類の感度のうち、１つだけがゼロで、残りの３つが非ゼロであることを特徴とする、請求項１に記載のＮＯｘセンサ。
【請求項３】
前記第１のＮＯｘ検知部は、（第１のｐ側電極／第１のｐ型半導体基板／第１のｎ型酸化物半導体／第１のｎ側電極）の第１積層体から構成され、また第２のＮＯｘ検知部は、前記第１積層体とは電気的に絶縁されていて、（第２のｐ側電極／第２のｐ型半導体基板／第２のｎ型酸化物半導体／第２のｎ側電極）の第２積層体から構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のＮＯｘセンサ。
【請求項４】
前記第１のｎ型酸化物半導体がｎ型ＷＯ3であり、前記第２のｎ型酸化物半導体がｎ型Ｉｎ2Ｏ3であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載のＮＯｘセンサ。
【請求項５】
前記第１のｐ型半導体基板および第２のｐ型半導体基板が、共通の１つのｐ型半導体基板に設けられた第１領域および第２領域であり、その第１領域および第２領域が、絶縁領域で電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載のＮＯｘセンサ。
【請求項６】
排気経路内の排気に作用してその排気を浄化するための排気浄化装置であって、請求項１〜５のいずれか一つに記載のＮＯｘセンサを前記排気経路に備えることを特徴とする、排気浄化システム。
【請求項７】
前記排気を浄化するためにアンモニアを還元剤としたＳＣＲ(Selective Catalytic Reduction)を用い、前記ＮＯｘセンサが、該ＳＣＲの前に位置することを特徴とする、請求項６に記載の排気浄化システム。
【請求項１】
排気経路に取り付けられ、排気中のＮＯｘ濃度を測定するために用いられるＮＯｘセンサであって、
１つの基板と、
１つの温度制御手段と、
前記基板に配設され、第１の半導体材料を含み、所定温度において、ＮＯに対して第１のＮＯ感度Ａmを、またＮＯ2に対して第１のＮＯ2感度Ａdをもつ第１のＮＯｘ検知部と、
前記基板に配設され、前記第１の半導体材料と異なる第２の半導体材料を含み、前記所定温度において、ＮＯに対して第２のＮＯ感度Ｂmを、またＮＯ2に対して第２のＮＯ2感度Ｂdをもつ第２のＮＯｘ検知部とを備え、
前記第１のＮＯｘ検知部および第２のＮＯｘ検知部によって、ＮＯ濃度およびＮＯ2濃度を得ることを特徴とする、ＮＯｘセンサ。
【請求項２】
前記所定温度において、前記第１のＮＯ感度Ａmおよび第１のＮＯ2感度Ａd、ならびに第２のＮＯ感度Ｂmおよび第２のＮＯ2感度Ｂdの４種類の感度のうち、１つだけがゼロで、残りの３つが非ゼロであることを特徴とする、請求項１に記載のＮＯｘセンサ。
【請求項３】
前記第１のＮＯｘ検知部は、（第１のｐ側電極／第１のｐ型半導体基板／第１のｎ型酸化物半導体／第１のｎ側電極）の第１積層体から構成され、また第２のＮＯｘ検知部は、前記第１積層体とは電気的に絶縁されていて、（第２のｐ側電極／第２のｐ型半導体基板／第２のｎ型酸化物半導体／第２のｎ側電極）の第２積層体から構成されることを特徴とする、請求項１または２に記載のＮＯｘセンサ。
【請求項４】
前記第１のｎ型酸化物半導体がｎ型ＷＯ3であり、前記第２のｎ型酸化物半導体がｎ型Ｉｎ2Ｏ3であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つに記載のＮＯｘセンサ。
【請求項５】
前記第１のｐ型半導体基板および第２のｐ型半導体基板が、共通の１つのｐ型半導体基板に設けられた第１領域および第２領域であり、その第１領域および第２領域が、絶縁領域で電気的に絶縁されていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つに記載のＮＯｘセンサ。
【請求項６】
排気経路内の排気に作用してその排気を浄化するための排気浄化装置であって、請求項１〜５のいずれか一つに記載のＮＯｘセンサを前記排気経路に備えることを特徴とする、排気浄化システム。
【請求項７】
前記排気を浄化するためにアンモニアを還元剤としたＳＣＲ(Selective Catalytic Reduction)を用い、前記ＮＯｘセンサが、該ＳＣＲの前に位置することを特徴とする、請求項６に記載の排気浄化システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２１０２９７（Ｐ２００９−２１０２９７Ａ）
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５１１７１（Ｐ２００８−５１１７１）
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２９日（２００８．２．２９）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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