JP2005083950A - Voc sensor and voc detector - Google Patents

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Takahiko Sasahara
隆彦 笹原
Makoto Egashira
誠 江頭
Yasuhiro Shimizu
康博 清水
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a VOC sensor for detecting density of VOC (Volatile Organic Compound) with improved sensitivity. <P>SOLUTION: The VOC sensor has a sensitive element section Rs, having a heater 42 driven by a pulse with a specified period including an energization OFF period and an energization ON period, and a catalyst layer 43 made of a mesoporous material that is provided thermally in contact with the heater 42, thus obtaining sensor output according to VOC density, based on the resistance of the heater 42 that becomes a peak value immediately after starting the energization ON period. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、VOC(Volatile Organic Compound;揮発性有機化合物)センサおよびVOC検知装置に関するものである。   The present invention relates to a VOC (Volatile Organic Compound) sensor and a VOC detection device.

近年、新築された住宅等の建物は、高気密性および高断熱性を有する構造のものが多くなってきている。このような構造の建物では、天然建材に代えて合成樹脂等を主材とする新建材や内装材が、主として用いられる。ところが、これらの新建材や内装材等からVOCが多量に発生することが知られている。これらのVOCにより室内空気が汚染され、目、鼻、喉とへの刺激、頭痛、めまい等の多様な症状が生じる、いわゆる「シックハウス症候群」が問題となっている。   In recent years, buildings such as newly built houses have many structures having high airtightness and high heat insulation. In buildings with such a structure, new building materials and interior materials mainly made of synthetic resin or the like instead of natural building materials are mainly used. However, it is known that a large amount of VOC is generated from these new building materials and interior materials. The so-called “sick house syndrome”, in which indoor air is polluted by these VOCs and various symptoms such as irritation to eyes, nose and throat, headache, dizziness, etc., is a problem.

VOCは、ホルムアルデヒド、トルエン等を含む100種類以上の物質が確認されている。ホルムアルデヒドは、たとえば、合板、パーティクルボード、フローリング材、接着剤、防かび剤等に含まれている。トルエンは、たとえば、油性塗料、有機溶剤系接着剤等に含まれている。   As for VOC, more than 100 kinds of substances including formaldehyde, toluene and the like have been confirmed. Formaldehyde is contained in, for example, plywood, particle board, flooring material, adhesive, fungicide and the like. Toluene is contained in, for example, oil-based paints and organic solvent-based adhesives.

上述の建物では、これらの多種類にわたるVOC成分が混合されて部屋内に存在することから、個々のVOCガス濃度が人体に影響を与えるかどうかはもちろん、部屋全体のVOCの総量が人体に影響を与えるかどうかも問題になる。VOCの総量は、総揮発性有機化合物(TVOC)と呼ばれている。   In the above-mentioned building, these various types of VOC components are mixed and exist in the room. Therefore, not only whether the individual VOC gas concentration affects the human body, but the total amount of VOC in the entire room affects the human body. Whether or not to give will also be a problem. The total amount of VOC is called total volatile organic compound (TVOC).

たとえば、世界保健機構(WHO)では、室内のホルムアルデヒドの規制値を0.08ppmと定めており、日本の厚生労働省も、WHOの規制値に準じる基準値を含む「職域
における屋内空気中のホルムアルデヒド濃度低減のためのガイドライン」を2002年に発表している。このガイドラインの中では、事業者が講ずべき措置として、濃度測定を行うことがあげられている。
For example, the World Health Organization (WHO) has established a limit value of 0.08 ppm for indoor formaldehyde, and the Ministry of Health, Labor and Welfare in Japan has also included a reference value that complies with the WHO limit value. “Reduction Guidelines” was announced in 2002. In this guideline, it is mentioned that concentration measurement is one of the measures that operators should take.

しかしながら、VOCおよびTVOCは、その濃度が極めて微量であっても、人体に深刻な影響を及ぼすガスであるので、たとえば、完成後の新築建物において、VOCおよびTVOCのガス濃度が人体に影響を与える程度か否かを測定するセンサが熱望されているが、VOCおよびTVOCのガス濃度を感度良く短時問で検出できるセンサは未だ提案されていないのが現状である。   However, since VOC and TVOC are gases that have a serious effect on the human body even if their concentrations are extremely small, for example, the gas concentrations of VOC and TVOC affect the human body in a new building after completion. Although a sensor for measuring whether or not the temperature is high is eagerly desired, a sensor that can detect the gas concentrations of VOC and TVOC in a short time with high sensitivity has not yet been proposed.

そこで、本発明は、上述した従来の問題点に鑑み、極めて微量のVOCおよびTVOCを感度良く検出できるVOCセンサおよびVOC検知装置を提供することを目的としている。   Accordingly, in view of the above-described conventional problems, an object of the present invention is to provide a VOC sensor and a VOC detection device that can detect extremely small amounts of VOC and TVOC with high sensitivity.

請求項1記載の発明のVOCセンサは、通電オフ期間および通電オン期間を含む所定周期のパルスで駆動されるヒータと、前記ヒータに熱的に接触して設けられたメソポーラス材料からなる触媒層とを有する感応素子部を備え、前記通電オン期間の開始直後にピーク値となる前記ヒータの抵抗値に基づき、VOC濃度に応じたセンサ出力を得ることを特徴とする。   The VOC sensor according to the first aspect of the present invention includes a heater driven by a pulse having a predetermined cycle including an energization off period and an energization on period, and a catalyst layer made of a mesoporous material provided in thermal contact with the heater. And a sensor output corresponding to the VOC concentration is obtained based on the resistance value of the heater that becomes a peak value immediately after the start of the energization on period.

請求項2記載の発明のVOCセンサは、請求項1記載の特徴に加えて、前記メソポーラス材料はメソポーラスシリカであることを特徴とする。   The VOC sensor according to a second aspect of the invention is characterized in that, in addition to the feature of the first aspect, the mesoporous material is mesoporous silica.

請求項3記載の発明のVOCセンサは、通電オフ期間および通電オン期間を含む所定周期のパルスで駆動される第1のヒータ、および前記第1のヒータに熱的に接触して設けられた、パラジウム(Pd)等の白金族を担持したメソポーラスシリカからなる触媒層を有する感応素子部と、前記パルスで駆動される第2のヒータ、および前記第2のヒータに熱的に接触して設けられたメソポーラスシリカからなる層を有する補償素子部とを備え、前記通電オン期間中の前記第1および第2のヒータの抵抗値に基づき、VOC濃度に応じたセンサ出力を得ることを特徴とする。   The VOC sensor according to the invention of claim 3 is provided in thermal contact with the first heater driven by a pulse having a predetermined cycle including an energization off period and an energization on period, and the first heater. A sensitive element having a catalyst layer made of mesoporous silica supporting a platinum group such as palladium (Pd), the second heater driven by the pulse, and the second heater are provided in thermal contact with each other. And a compensation element portion having a layer made of mesoporous silica, and a sensor output corresponding to the VOC concentration is obtained based on the resistance values of the first and second heaters during the energization-on period.

請求項4記載の発明のVOC検知装置は、請求項1から3のいずれか1項に記載のVOCセンサと、前記VOCセンサを、所定の通電オフ期間及びオン期間を含む駆動パルスで駆動するセンサ駆動制御手段と、前記通電オン期間中の前記VOCセンサのセンサ出力の所定時間にわたる積分値を演算する積分値演算手段と、前記VOCに対応する前記所定時間にわたる積分値データを予め格納している格納手段と、前記積分値演算手段で演算された積分値と、前記積分値データとを比較する比較手段と、前記比較手段による比較結果に基づき、前記VOCを検知してその結果を出力する出力手段とを備えたことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a VOC detection device according to any one of the first to third aspects, and a sensor that drives the VOC sensor with a drive pulse including a predetermined energization off period and an on period. Drive control means, integral value computing means for computing an integral value over a predetermined time of the sensor output of the VOC sensor during the energization ON period, and integral value data over the predetermined time corresponding to the VOC are stored in advance. A storage means, a comparison means for comparing the integral value calculated by the integral value calculation means with the integral value data, and an output for detecting the VOC based on the comparison result by the comparison means and outputting the result Means.

請求項1記載の発明によれば、VOCまたはTVOCの検出時に大きなセンサ出力が得られ、たとえばシックハウス症候群の発症を引き起こす極低濃度(ppbレベル)のVOCまたはTVOC濃度の検知が可能となる高感度なVOCセンサが得られる。   According to the first aspect of the present invention, a large sensor output can be obtained when detecting VOC or TVOC, and for example, it is possible to detect a very low concentration (ppb level) VOC or TVOC concentration causing the onset of sick house syndrome. A VOC sensor can be obtained.

請求項2記載の発明によれば、メソポーラスシリカという触媒担体を用いることにより、VOCを吸着する能力が高くなり、高感度化が図れる。   According to the second aspect of the invention, by using a catalyst carrier called mesoporous silica, the ability to adsorb VOC is increased, and high sensitivity can be achieved.

請求項3記載の発明によれば、VOCまたはTVOCの検出時に、温度補償された大きなセンサ出力が得られる。   According to the third aspect of the present invention, a large sensor output compensated for temperature can be obtained when detecting VOC or TVOC.

請求項4記載の発明によれば、極低濃度(ppbレベル)のVOCまたはTVOC濃度の検知が可能となり、たとえば建物の室内のVOCまたはTVOC濃度を監視してシックハウス症候群の発症を回避することができ、社会的貢献度が大きい。   According to the fourth aspect of the present invention, it is possible to detect an extremely low concentration (ppb level) VOC or TVOC concentration, for example, by monitoring the VOC or TVOC concentration in a building room to avoid the onset of sick house syndrome. Yes, it has a great social contribution.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。図1(A)、(B)および(C)は、それぞれ、本発明によるVOCセンサの平面図、背面図、および平面図におけるA−A線断面図である。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings. 1A, 1B, and 1C are a plan view, a rear view, and a cross-sectional view taken along line AA of the VOC sensor according to the present invention, respectively.

図1(A)および(B)に示すように、本発明によるVOCセンサは、所定厚さ(たとえば、400μm程度)のシリコン(Si)ウェハ41上に、所定厚さ(たとえば、600nm程度)の酸化シリコン(SiO2 )膜48c、所定厚さ(たとえば、250nm程度)の窒化シリコン(SiN)膜48b、および所定厚さ(たとえば、30nm程度)の酸化ハフニウム(HfO2 )膜48aの絶縁薄膜が順次成膜され、多層絶縁膜が形成されている。 As shown in FIGS. 1A and 1B, a VOC sensor according to the present invention has a predetermined thickness (for example, about 600 nm) on a silicon (Si) wafer 41 having a predetermined thickness (for example, about 400 μm). An insulating thin film of a silicon oxide (SiO 2 ) film 48c, a silicon nitride (SiN) film 48b having a predetermined thickness (for example, about 250 nm), and a hafnium oxide (HfO 2 ) film 48a having a predetermined thickness (for example, about 30 nm). A multilayer insulating film is formed sequentially.

この多層絶縁膜上に、感応素子部Rsとして、所定厚さ(たとえば、250nm程度)の第1のヒータとしての白金(Pt)ヒータ42が形成されていると共に、この白金(Pt)ヒータ42と熱的に接触して、白金族、たとえばパラジウム(Pd)を担持したメソポーラス材料、たとえばメソポーラスシリカ(m−SiO2 )、からなる触媒層、つまりPd/m−SiO2 触媒層43が所定厚さ(たとえば、1〜40μm程度)で形成されている。 On this multilayer insulating film, a platinum (Pt) heater 42 as a first heater having a predetermined thickness (for example, about 250 nm) is formed as the sensitive element portion Rs, and the platinum (Pt) heater 42 A catalyst layer comprising a platinum group, for example, a mesoporous material carrying palladium (Pd), for example, mesoporous silica (m-SiO 2 ), ie, a Pd / m-SiO 2 catalyst layer 43 having a predetermined thickness, is in thermal contact. (For example, about 1 to 40 μm).

メソポーラス材料は、均一径の規則的な配列のメソ孔(直径1〜50nm)を持つ多孔質材料である。たとえば、メソポーラス材料の1つであるメソポーラスシリカ(m−SiO2 )は、約10Å以上の内径の中空を有する柱状構造物の集合体であり、その比表面積は最大で1500m2 /gに達する。 The mesoporous material is a porous material having regularly arranged mesopores (1 to 50 nm in diameter) having a uniform diameter. For example, mesoporous silica (m-SiO 2 ), which is one of mesoporous materials, is an aggregate of columnar structures having a hollow with an inner diameter of about 10 mm or more, and the specific surface area reaches 1500 m 2 / g at the maximum.

このメソポーラスシリカは、モービル オイル社の国際公開特許WO第91/11390号で最初に製造方法が提案されたものである。その製造方法は、シリカゾルに水酸化ナトリウム水溶液に溶解したn−ドデシルトリメチルアンモニウムクロリドおよび硫酸を少量ずつ交互に加えた後、pHを13.5に調整してゲル化し、これを室温で2時間撹拌後、オートクレーブ中で140℃、48時間静置して水熱合成を行い、生成物を濾過・水洗い・乾燥した後、550℃で数時間焼成して残留する有機物を除去することによって得ることができる。   This mesoporous silica was first proposed as a production method in International Publication WO 91/11390 of Mobile Oil. In the production method, n-dodecyltrimethylammonium chloride and sulfuric acid dissolved in an aqueous solution of sodium hydroxide in silica sol were alternately added little by little, then the pH was adjusted to 13.5 to gel, and this was stirred at room temperature for 2 hours. After that, it is left in an autoclave at 140 ° C. for 48 hours to carry out hydrothermal synthesis, and the product is filtered, washed with water, dried, and then fired at 550 ° C. for several hours to remove residual organic matter. it can.

また、多層絶縁膜上には、補償素子部Rrとして、所定厚さ(たとえば、250nm程度)の第2のヒータとしての白金(Pt)ヒータ44と、この白金(Pt)ヒータ44と熱的に接触して、メソポーラスシリカ(m−SiO2 )からなる層、すなわちSiO2 層45も形成されている。 Further, on the multilayer insulating film, as the compensation element portion Rr, a platinum (Pt) heater 44 as a second heater having a predetermined thickness (for example, about 250 nm), and the platinum (Pt) heater 44 are thermally connected. In contact therewith, a layer made of mesoporous silica (m-SiO 2 ), that is, an SiO 2 layer 45 is also formed.

また、図1(c)に示すように、シリコンウェハ41を異方性エッチングして凹部46および47を形成し、それにより、上述の各絶縁薄膜による薄膜ダイヤフラムDsおよびDrが形成されている。   Further, as shown in FIG. 1C, the silicon wafer 41 is anisotropically etched to form the recesses 46 and 47, thereby forming the thin film diaphragms Ds and Dr by the above-described insulating thin films.

次に、上述のVOCセンサの製造方法について説明する。   Next, a method for manufacturing the above VOC sensor will be described.

まず、厚さ400μmのシリコン(Si)ウェハ41を用意し、シリコン(Si)ウェハ41の表面に酸化処理を施して厚さ600nmの酸化シリコン(SiO2 )膜48cを成膜する。 First, a silicon (Si) wafer 41 having a thickness of 400 μm is prepared, and the surface of the silicon (Si) wafer 41 is oxidized to form a silicon oxide (SiO 2 ) film 48c having a thickness of 600 nm.

次に、スパッタ装置(図示しない)を用いて、酸化シリコン(SiO2 )膜48c上に厚さ250nmの窒化シリコン(SiN)膜48bを成膜し、続いて、窒化シリコン(SiN)膜48b上に厚さ30nmの酸化ハフニウム(HfO2 )膜48aを成膜し、多層絶縁膜を形成する。 Next, using a sputtering apparatus (not shown), a silicon nitride (SiN) film 48b having a thickness of 250 nm is formed on the silicon oxide (SiO 2 ) film 48c, and then on the silicon nitride (SiN) film 48b. Then, a hafnium oxide (HfO 2 ) film 48a having a thickness of 30 nm is formed to form a multilayer insulating film.

次に、多層絶縁膜上に、厚さ250nmの一対の白金(Pt)ヒータ42および44を形成する。次に、白金(Pt)ヒータ42上に、パラジウム(Pd)を担持したメソポーラスシリカ粒子(Pd/m−SiO2 )をスクリーン印刷で塗布し、厚さ1〜40μmのPd/m−SiO2 触媒層43を形成する。また、白金(Pt)ヒータ44上に、パラジウム(Pd)を担持しないメソポーラスシリカ粒子(m−SiO2 )をスクリーン印刷で塗布し、厚さ1〜40μmのm−SiO2 層45を形成する。 Next, a pair of platinum (Pt) heaters 42 and 44 having a thickness of 250 nm are formed on the multilayer insulating film. Next, on the platinum (Pt) heater 42, mesoporous silica particles (Pd / m-SiO 2 ) carrying palladium (Pd) are applied by screen printing, and a Pd / m-SiO 2 catalyst having a thickness of 1 to 40 μm. Layer 43 is formed. On the platinum (Pt) heater 44, mesoporous silica particles (m-SiO 2 ) not supporting palladium (Pd) are applied by screen printing to form an m-SiO 2 layer 45 having a thickness of 1 to 40 μm.

以上のようにして製造されたVOCセンサ40は、後述するように吸着燃焼式ガスセンサとして機能し、その触媒担体の比表面積は1500m2 /gであり、従来センサに用いた触媒担体の10倍である。そのため、VOCガス吸着量が増加し、吸着ガスの燃焼によって生じるセンサ出力も大きく増加し、感度が高くなる。 The VOC sensor 40 manufactured as described above functions as an adsorption combustion type gas sensor as will be described later, and the specific surface area of the catalyst carrier is 1500 m 2 / g, which is 10 times that of the catalyst carrier used in the conventional sensor. is there. Therefore, the amount of VOC gas adsorption increases, the sensor output generated by the combustion of the adsorption gas also greatly increases, and the sensitivity increases.

次に、本発明のVOCセンサ40を用いたガス検知装置について、図2から図4を参照しながら説明する。図2は、本発明のVOCセンサ40を用いたガス検知装置の構成例を示すブロック図、図3は、図2のガス検知装置で用いられる駆動パルスの波形例を示すタイミングチャート、図4は、通電オン期間におけるVOCセンサ40によるトルエン検知時のセンサ出力特性を示すグラフである。   Next, a gas detection apparatus using the VOC sensor 40 of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 is a block diagram showing a configuration example of a gas detection device using the VOC sensor 40 of the present invention, FIG. 3 is a timing chart showing a waveform example of a drive pulse used in the gas detection device of FIG. 2, and FIG. FIG. 6 is a graph showing sensor output characteristics when toluene is detected by the VOC sensor 40 during a power-on period. FIG.

ガス検知装置1は、コントローラ10と、駆動電源20と、出力手段30と、検出用のブリッジ回路を含むVOCセンサ40とから構成される。コントローラ10には、駆動電源20、出力手段30およびVOCガスセンサ40が接続されている。   The gas detection device 1 includes a controller 10, a drive power supply 20, an output unit 30, and a VOC sensor 40 including a detection bridge circuit. The controller 10 is connected to the drive power supply 20, the output means 30, and the VOC gas sensor 40.

ガス検知装置1では、図3に示すような駆動波形を有する駆動パルスが供給されて通電制御されたときのVOCセンサ40のセンサ出力に基づいて、所望のガス種が検知され出力される。この検知の原理は、VOCセンサ40のセンサ出力が、通電オン期間の開始時点からVOCの種類に応じた固有のピーク波形を呈することを利用するものである。   In the gas detection device 1, a desired gas type is detected and output based on the sensor output of the VOC sensor 40 when a drive pulse having a drive waveform as shown in FIG. The principle of this detection utilizes the fact that the sensor output of the VOC sensor 40 exhibits a unique peak waveform corresponding to the type of VOC from the start point of the energization on period.

詳しくは、図4に示すように、トルエン等のVOCのセンサ出力は、通電オン期間(200ミリ秒)の開始直後において最も顕著にピークが現れるので、ここでは、この現象を有効に利用するようにしている。すなわち、図3に示すように、駆動パルスにおける30秒の通電オフ期間後の200ミリ秒の通電オン期間において、VOCセンサ40からセンサ出力を取得するようにしている。通電オフ時間は、ppmレベルの測定では、10〜60秒程度であり、通電オン時間は、200ミリ秒程度が良好であることがわかっている。   Specifically, as shown in FIG. 4, the sensor output of a VOC such as toluene has a peak most noticeably immediately after the start of the energization on period (200 milliseconds), so that this phenomenon is used effectively here. I have to. That is, as shown in FIG. 3, the sensor output is acquired from the VOC sensor 40 in the energization on period of 200 milliseconds after the energization off period of 30 seconds in the drive pulse. It is known that the energization off time is about 10 to 60 seconds in the ppm level measurement, and the energization on time is about 200 milliseconds.

なお、図4の例では、VOCとして濃度100ppmのトルエンを検知した時のセンサ出力特性を例示するが、他のVOC、たとえば、エタノール、キシレン、ジエチルカーボネイト、ジメチルカーボネイト、酢酸およびホルムアルデヒド等においても、同様にピーク波形を呈することが知られている。   In the example of FIG. 4, sensor output characteristics when 100 ppm concentration of toluene is detected as VOC are exemplified, but in other VOCs such as ethanol, xylene, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, acetic acid and formaldehyde, Similarly, it is known to exhibit a peak waveform.

コントローラ10は、補正手段11、センサ駆動制御手段12、計時手段13、積分値演算手段14、格納手段15および比較手段16を含んで構成される。このコントローラ10は、演算部、記憶部等を有するマイクロコンピュータにて具現化可能である。   The controller 10 includes a correction unit 11, a sensor drive control unit 12, a time measurement unit 13, an integral value calculation unit 14, a storage unit 15, and a comparison unit 16. The controller 10 can be implemented by a microcomputer having a calculation unit, a storage unit, and the like.

補正手段11は、ブリッジ回路からの検出出力に所定の補正を施したものをセンサ出力として、積分値演算手段14に供給する。すなわち、VOCの存在しない環境においてブリッジ回路からの検出出力を初期検出出力として予め計測しておき、この初期検出出力を、実際にVOCが存在する環境においてブリッジ回路から得られる検出出力から減算したものを、センサ出力として積分値演算手段14へ出力する。なお、補正手段11とブリッジ回路との間には、増幅手段(図示しない)が挿入されていても良い。   The correction unit 11 supplies the detection output from the bridge circuit with a predetermined correction to the integral value calculation unit 14 as a sensor output. That is, the detection output from the bridge circuit is measured in advance as an initial detection output in an environment where no VOC exists, and this initial detection output is subtracted from the detection output obtained from the bridge circuit in an environment where the VOC actually exists. Is output to the integrated value calculation means 14 as a sensor output. An amplifying means (not shown) may be inserted between the correcting means 11 and the bridge circuit.

センサ駆動制御手段12は、ガス検知装置1の電源オンから所定のトリガーによる駆動停止の指示があるまでの間、VOCセンサ40に対して駆動電源20を、計時手段13から供給されるクロック信号を参照しつつ通電制御して、図3に示すような30秒の通電オフ期間と200ミリ秒の通電オン期間とで1周期が構成される駆動波形を有する駆動パルスを継続的に発生させる。なお、図3に示す駆動パルスにおいて、通電オフ期問に相当する駆動パルスのレベルは、必ずしもゼロである必要はない。すなわち、この駆動パルスは、積分値演算手段14で所望のセンサ出力が取得されやすいように、通電オフ期間においても直流バイアスが印加されることもある。   The sensor drive control unit 12 supplies the drive power source 20 to the VOC sensor 40 and the clock signal supplied from the time measuring unit 13 until the gas detection device 1 is powered on until an instruction to stop driving by a predetermined trigger is received. The energization control is performed with reference to continuously generate a drive pulse having a drive waveform in which one cycle is composed of an energization off period of 30 seconds and an energization on period of 200 milliseconds as shown in FIG. In the drive pulse shown in FIG. 3, the level of the drive pulse corresponding to the energization off period is not necessarily zero. That is, a DC bias may be applied to the drive pulse even during the energization off period so that a desired sensor output can be easily obtained by the integral value calculation means 14.

積分値演算手段14は、計時手段13から供給されるクロック信号を参照しつつ、通電オン期間時におけるVOCセンサ40のセンサ出力の所定時間にわたる積分値を演算する。詳しくは、積分値演算手段14は、検知すべきガスのピーク値に対応するタイミングを含む通電オン期間の所定時間にわたって、補正手段11からのセンサ出力をサンプリングすると共に、これらを積分する。   The integral value calculation means 14 calculates the integral value over a predetermined time of the sensor output of the VOC sensor 40 during the energization ON period while referring to the clock signal supplied from the time measuring means 13. Specifically, the integral value calculation means 14 samples the sensor output from the correction means 11 and integrates them over a predetermined time in the energization ON period including the timing corresponding to the peak value of the gas to be detected.

格納手段15には、被検知ガスに対応する上記所定時間にわたる積分値データが予め格納されている。詳しくは、被検知ガスに特有の積分値は、実験等により事前に取得可能なので、これが積分値データとして格納されている。比較手段16では、積分値演算手段14にて検知された積分値と、格納手段15に格納されている積分値データとが比較され、その比較結果が出力手段30に出力される。   The storage means 15 stores in advance the integrated value data over the predetermined time corresponding to the gas to be detected. Specifically, since the integral value specific to the gas to be detected can be acquired in advance by experiments or the like, this is stored as integral value data. In the comparison unit 16, the integration value detected by the integration value calculation unit 14 is compared with the integration value data stored in the storage unit 15, and the comparison result is output to the output unit 30.

出力手段30は、比較手段16による比較結果に基づき、被検知ガスを検知してその結果を出力する。この結果の出力は、たとえば、発光ダイオード等の可視信号による方法やブザー等の可聴信号による方法が想定される。あるいは、電話回線等の通信手段を利用した方法であってもよい。出力手段30は、これら可視または可聴信号を発生するデバイスおよびそのドライバ回路や通信装置等を含んで構成される。なお、コントローラ10に接続される駆動電源20は、周知の電池等や商用電源が利用可能である。   The output means 30 detects the gas to be detected based on the comparison result by the comparison means 16 and outputs the result. As the output of this result, for example, a method using a visible signal such as a light emitting diode or a method using an audible signal such as a buzzer is assumed. Alternatively, a method using communication means such as a telephone line may be used. The output unit 30 includes a device that generates these visible or audible signals, a driver circuit thereof, a communication device, and the like. As the drive power source 20 connected to the controller 10, a known battery or a commercial power source can be used.

VOCセンサ40は、センサ駆動制御手段12にて図3で示すような駆動パルスが供給されて間欠的に駆動する。このVOCセンサ40は、図1に示すように、感応素子部Rsおよび補償素子部Rrから構成されている。感応素子部Rsは、白金(Pt)ヒータ42およびPd/m−SiO2 触媒層43を含み、補償素子部Rrは、白金(Pt)ヒータ44およびm−SiO2 層45を含む。感応素子部Rsおよび補償素子部Rrは、固定抵抗R1およびR2と可変抵抗Rvと共にブリッジ回路を構成している。そして、このブリッジ回路において、感応素子部Rsおよび固定抵抗R1の接続点、並びに補償素子部Rrおよび固定抵抗R2の接続点には、コントローラ10のセンサ駆動制御手段からの駆動パルスが所定のインターバルで間欠的に供給される。また、感応素子部Rsおよび補償素子部Rrの接続点と、可変抵抗Rvの可動端子は、コントローラ10の補正手段11に接続され、それにより、VOC40のセンサ出力としての電圧値が補正手段11に供給される。 The VOC sensor 40 is intermittently driven by the driving pulse as shown in FIG. As shown in FIG. 1, the VOC sensor 40 includes a sensitive element portion Rs and a compensation element portion Rr. The sensitive element portion Rs includes a platinum (Pt) heater 42 and a Pd / m-SiO 2 catalyst layer 43, and the compensating element portion Rr includes a platinum (Pt) heater 44 and an m-SiO 2 layer 45. The sensitive element portion Rs and the compensation element portion Rr constitute a bridge circuit together with the fixed resistors R1 and R2 and the variable resistor Rv. In this bridge circuit, the drive pulse from the sensor drive control means of the controller 10 is at a predetermined interval at the connection point of the sensitive element unit Rs and the fixed resistor R1 and the connection point of the compensation element unit Rr and the fixed resistor R2. It is supplied intermittently. Further, the connection point of the sensitive element part Rs and the compensating element part Rr and the movable terminal of the variable resistor Rv are connected to the correction means 11 of the controller 10, whereby the voltage value as the sensor output of the VOC 40 is supplied to the correction means 11. Supplied.

このVOCセンサ40を使用するに際しては、まず、検出動作開始前に、補正手段11からのセンサ出力がゼロになるように、可変抵抗Rvを調整する。この調整後の状態において、トルエン等のVOCが感応素子部Rsに触れると、触媒作用により、感応素子部Rsの表面で酸化されて反応熱が生じる。この反応熱により、白金(Pt)ヒータ42の抵抗値が上昇し、この抵抗値の上昇によりブリッジ回路の平衡が崩れ、コントローラ10にセンサ出力が供給される。この場合、白金(Pt)ヒータ44は、周囲温度の変動による白金(Pt)ヒータ42の抵抗値の変動を相殺し、VOCの反応熱に起因する白金(Pt)ヒータ42の抵抗値の変動成分のみを取り出せるように温度補償する。   When using this VOC sensor 40, first, before starting the detection operation, the variable resistor Rv is adjusted so that the sensor output from the correction means 11 becomes zero. In this adjusted state, when a VOC such as toluene touches the sensitive element portion Rs, it is oxidized on the surface of the sensitive element portion Rs by the catalytic action to generate reaction heat. Due to this reaction heat, the resistance value of the platinum (Pt) heater 42 rises, and this rise in resistance value breaks the balance of the bridge circuit, and the sensor output is supplied to the controller 10. In this case, the platinum (Pt) heater 44 cancels out the variation in the resistance value of the platinum (Pt) heater 42 due to the variation in the ambient temperature, and the variation component of the resistance value of the platinum (Pt) heater 42 due to the reaction heat of the VOC. Compensate the temperature so that only

このような構成のガス検知装置1において、センサ駆動制御手段12に制御されて、図3に示すような駆動パルスが継続的に出力される。この駆動パルスにより、白金(Pt)ヒータ42および44は、通電オン期間(200ミリ秒)の開始時ほぼ瞬時にVOC検知に適する温度(約400度)まで加熱される。   In the gas detection device 1 having such a configuration, the drive pulses as shown in FIG. 3 are continuously output under the control of the sensor drive control means 12. With this drive pulse, the platinum (Pt) heaters 42 and 44 are heated to a temperature suitable for VOC detection (about 400 degrees) almost instantaneously at the start of the energization on period (200 milliseconds).

この加熱時、Pd/m−SiO2 触媒層43は、担体材料としてメソポーラスシリカ(m−SiO2 )というメソポーラス材料を使用しているため、高比表面積を有すると共に、VOCセンサ40の駆動温度(約400〜450℃)で高い熱的安定性を有する。すなわち、メソポーラスシリカ(m−SiO2 )は、温度が600℃くらいまで上昇してもメソ孔の崩壊が起こらないため、VOCセンサ40の繰り返し使用や長期の使用に十分に耐え得る。 During this heating, since the Pd / m-SiO 2 catalyst layer 43 uses a mesoporous material called mesoporous silica (m-SiO 2 ) as a support material, it has a high specific surface area and the driving temperature of the VOC sensor 40 ( High thermal stability at about 400-450 ° C). That is, mesoporous silica (m-SiO 2 ) does not collapse the mesopores even when the temperature rises to about 600 ° C., and can sufficiently withstand repeated use and long-term use of the VOC sensor 40.

そして、通電オフ期間(30秒)の間に触媒担体上へ吸着したVOCのガス分子が、通電オン期間(200ミリ秒)の開始と同時に燃焼される。このとき、Pd/m−SiO2 触媒層43は、吸着剤もしくは触媒担体としての機能に加えて、VOCガスの吸着−燃焼反応から得られる熱量を白金(Pt)ヒータ42へ伝導する良好な熱伝導体としても機能する。 The VOC gas molecules adsorbed onto the catalyst carrier during the energization off period (30 seconds) are combusted simultaneously with the start of the energization on period (200 milliseconds). At this time, the Pd / m-SiO 2 catalyst layer 43 has good function of conducting heat to the platinum (Pt) heater 42 from the adsorption-combustion reaction of the VOC gas in addition to the function as an adsorbent or catalyst carrier. It also functions as a conductor.

このガス分子の燃焼熱(反応熱)の伝導によって、白金(Pt)ヒータ42の抵抗変化が引き起こされる。これが、ブリッジ回路において電位差として検出される。このように、被検知ガスがVOCセンサ40にて検出されると、そのセンサ出力は、補正手段11を介して積分値演算手段14に与えられる。積分値演算手段14では、与えられたセンサ出力から積分値が演算され、演算された積分値が比較手段16に与えられて、格納手段15に格納される積分値データと比較される。そして、比較結果が出力手段30に出力されて、所定の出力方法で警報出力等が行われる。   Due to the conduction of the combustion heat (reaction heat) of the gas molecules, a resistance change of the platinum (Pt) heater 42 is caused. This is detected as a potential difference in the bridge circuit. As described above, when the gas to be detected is detected by the VOC sensor 40, the sensor output is given to the integrated value calculation means 14 via the correction means 11. In the integral value calculation means 14, an integral value is calculated from the given sensor output, and the calculated integral value is given to the comparison means 16 and compared with the integral value data stored in the storage means 15. Then, the comparison result is output to the output means 30, and alarm output or the like is performed by a predetermined output method.

このように、ピーク値を含むタイミング期間の積分値を利用してVOCを検知しているので、従来の接触式ガスセンサと比べてより大きなセンサ出力が得られると共に、検知に必要な値が安定的に得られるようになり、この結果、検出精度が大幅に向上する。   As described above, VOC is detected by utilizing the integrated value of the timing period including the peak value, so that a larger sensor output can be obtained and the value necessary for detection is stable compared to the conventional contact gas sensor. As a result, the detection accuracy is greatly improved.

また、VOCセンサ40の担体材料であるメソポーラス材料は、比表面積が大きければ大きいほど、VOCを吸着する能力が高く、比表面積の増加に比例して出力(感度)も大きくなる。   Further, the larger the specific surface area of the mesoporous material that is the carrier material of the VOC sensor 40, the higher the ability to adsorb VOC, and the output (sensitivity) increases in proportion to the increase in the specific surface area.

図5は、本発明によるVOCセンサのメソポーラス触媒担体の比表面積に対する濃度100ppmのトルエンの検知時の積分感度の関係を示すグラフである。ここで、積分感度とは、図4の波形の面積を積分した積分値である。このグラフから、メソポーラス触媒担体の比表面積の増加に比例して、積分感度(積分値)も大きくなることが分かる。また、VOCの種類等に起因する要求に応じて、500〜1500m2 /gの任意の比表面積を有するメソポーラス触媒担体を用いて高感度のVOCセンサが作製可能である。 FIG. 5 is a graph showing the relationship of integral sensitivity when detecting 100 ppm of toluene with respect to the specific surface area of the mesoporous catalyst support of the VOC sensor according to the present invention. Here, the integral sensitivity is an integral value obtained by integrating the area of the waveform in FIG. From this graph, it can be seen that the integral sensitivity (integral value) increases in proportion to the increase in the specific surface area of the mesoporous catalyst support. Moreover, according to the request | requirement resulting from the kind etc. of VOC, a highly sensitive VOC sensor is producible using the mesoporous catalyst support | carrier which has an arbitrary specific surface area of 500-1500 m < 2 > / g.

また、図6は、本発明のVOCセンサのトルエン濃度依存性を示すグラフである。特性Aは、本発明のVOCセンサのトルエン濃度に対する積分感度(a.u.)を示し、特性Bは、検出限界を示す。図6から、本発明のVOCセンサは、0.04ppm(40ppb)が限界値となり、検出限界が従来の吸着燃焼式ガスセンサに比べてかなり下がっており、感度が高くなっていることが分かる。   FIG. 6 is a graph showing the toluene concentration dependency of the VOC sensor of the present invention. Characteristic A indicates the integral sensitivity (au) with respect to the toluene concentration of the VOC sensor of the present invention, and characteristic B indicates the detection limit. FIG. 6 shows that the VOC sensor of the present invention has a limit value of 0.04 ppm (40 ppb), the detection limit is considerably lower than that of the conventional adsorption combustion type gas sensor, and the sensitivity is high.

ところで、人によって症状や発症するVOC濃度に差があるために、シックハウス症候群対策として、この範囲までのVOC濃度検知が必要であるという断定は難しい。しかし、たとえば、厚生労働省が室内空気質のガイドライン値を発表しているので、これを基準値とすることができる。下記表は、各揮発性有機化合物に対する室内濃度の指針値を示す。   By the way, since there are differences in symptoms and onset VOC concentrations depending on the person, it is difficult to determine that VOC concentration detection up to this range is necessary as a measure against sick house syndrome. However, for example, the Ministry of Health, Labor and Welfare has published a guideline value for indoor air quality, which can be used as a reference value. The table below shows guide values for indoor concentrations for each volatile organic compound.

Figure 2005083950
Figure 2005083950

各VOCによってガイドラインとして示される濃度値が異なるが、この値より濃いのか薄いのかを測定することができる。実際には、室内の空気は種々のVOCが混ざった状態であるので、個々のVOCを測定するのではなく、ナンバー14のTVOCを測定する。このTVOCは、室内の各VOCが全部でどのくらい存在するかをトルエン濃度として換算して示している。このガイドライン値0.1ppmを上回るか下回るかを正確に捉えるVOCセンサが必要である。   Although the concentration value shown as a guideline varies depending on each VOC, it can be measured whether it is darker or lighter than this value. Actually, since the room air is in a state where various VOCs are mixed, the number of TVOCs of number 14 is measured instead of measuring individual VOCs. This TVOC shows how much each VOC in the room exists in terms of toluene concentration. A VOC sensor that accurately captures whether this guideline value is above or below 0.1 ppm is required.

そこで、図2のガス検知装置において、格納手段15にTVOCのガイドライン値0.1ppmに対応する上記所定時間にわたる積分値データを予め格納しておく。そして、被比較手段16において、積分値演算手段14からの演算された積分値と、格納手段15に格納されている上述の積分値データが比較される。その比較結果が出力手段30に出力される。   Therefore, in the gas detection apparatus of FIG. 2, the integrated value data over the predetermined time corresponding to the TVOC guideline value of 0.1 ppm is stored in the storage means 15 in advance. Then, the compared means 16 compares the calculated integrated value from the integrated value calculating means 14 with the above-described integrated value data stored in the storage means 15. The comparison result is output to the output means 30.

たとえば、新築住宅の室内において、ガス検知装置1を使用し、積分値演算手段14からの演算された積分値が上述の積分値データを上回っていれば、警報出力等が行われ、室内のTVOCがガイドライン値を超えていることが、居住予定者に報知される。   For example, if the gas detector 1 is used in a room of a newly built house and the integrated value calculated from the integrated value calculating means 14 exceeds the above-described integrated value data, an alarm is output, and the indoor TVOC It is informed to the prospective resident that the value exceeds the guideline value.

その後、ある程度の日数の経過毎にガス検知装置1によるTVOCの測定を行い、積分値演算手段14からの演算された積分値が上述の積分値データを下回っていることが確認された時点で、TVOCによる悪影響はないと判断して、居住予定者は、新築住宅に居住を許されることになる。   Thereafter, the TVOC is measured by the gas detection device 1 every certain number of days, and when it is confirmed that the calculated integrated value from the integrated value calculating means 14 is lower than the above-described integrated value data. Judging that there is no adverse effect of TVOC, the prospective residence person is allowed to live in the new house.

このように、本発明によるVOCガスセンサを使うと、従来のガスセンサでは検知できなかった極低濃度(ppbレベル)のVOCまたはTVOC濃度の検知が可能な分解能を有しており、たとえば上述の室内のVOCまたはTVOC濃度を監視して、シックハウス症候群の発症を回避することができ、社会的貢献度が大きい。   As described above, when the VOC gas sensor according to the present invention is used, it has a resolution capable of detecting an extremely low concentration (ppb level) VOC or TVOC concentration that cannot be detected by a conventional gas sensor. VOC or TVOC concentration can be monitored to avoid the onset of sick house syndrome, and the social contribution is great.

以上の通り、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。   As described above, the embodiment of the present invention has been described. However, the present invention is not limited to this, and various modifications and applications are possible.

たとえば、上述のガス検知装置においては、積分値を利用して所望のVOCを検知する例を示したが、積分値に替えて、センサ出力のピーク値を利用して所望のVOCを検知するように構成することも可能である。この場合には、積分値演算手段14に代えて、ピーク値取得手段を備えると共に、格納手段15に、被検知ガスに対応する通電オン期間のピーク値データが予め格納されている。詳しくは、被検知ガスに特有のピーク値は、実験等により事前に取得可能なので、これがピーク値データとして格納されている。また、比較手段16では、ピーク値取得手段にて検知されたピーク値と、格納手段15に格納されるピーク値データとが比較されその結果が出力手段30に出力される。   For example, in the gas detection device described above, an example in which a desired VOC is detected using an integral value has been shown. However, instead of the integral value, a desired VOC is detected using a peak value of a sensor output. It is also possible to configure. In this case, instead of the integral value calculation means 14, a peak value acquisition means is provided, and peak value data of the energization on period corresponding to the gas to be detected is stored in the storage means 15 in advance. Specifically, since the peak value unique to the gas to be detected can be obtained in advance by experiments or the like, this is stored as peak value data. Further, the comparison unit 16 compares the peak value detected by the peak value acquisition unit with the peak value data stored in the storage unit 15 and outputs the result to the output unit 30.

なお、上記の説明では、VOCとしてトルエンを例に挙げているが、本発明は、トルエンのみの検知に限定されず、複数種のVOCでも同様に検知可能である。たとえば、エタノール、キシレン、ジエチルカーボネイト、ジメチルカーボネイト、酢酸およびホルムアルデヒドを含むVOCも検知可能である。これに伴い、通電オンオフ間隔、通電時間等も適宜変更可能である。   In the above description, toluene is used as an example of VOC. However, the present invention is not limited to detection of toluene alone, and can be similarly detected with a plurality of types of VOCs. For example, VOCs containing ethanol, xylene, diethyl carbonate, dimethyl carbonate, acetic acid and formaldehyde can also be detected. Accordingly, the energization on / off interval, the energization time, and the like can be appropriately changed.

また、担体材料として、メソポーラスシリカ以外の高比表面積を有するメソポーラス材料(たとえば、メソポーラスアルミナ(有機テンプレート等を用いて人工的に細孔構造を制御して製造した高比表面積アルミナ)、メソポーラスシリカアルミナ(骨格のシリカにアルミニウム元素を導入したもの)を用いても同様な効果が得られる。また、燃焼触媒はPdでなく、その他の白金族元素を添加しても同様な効果が得られる。   Further, as a support material, mesoporous materials having a high specific surface area other than mesoporous silica (for example, mesoporous alumina (a high specific surface area alumina manufactured by artificially controlling the pore structure using an organic template or the like), mesoporous silica alumina A similar effect can be obtained by using (aluminum element introduced into skeletal silica), and the combustion catalyst is not Pd but can be obtained by adding other platinum group elements.

また、本発明のVOCセンサは、担体に吸着する可燃性ガスであればVOC以外のガスの検知にも適用可能である。   In addition, the VOC sensor of the present invention can be applied to detection of gases other than VOC as long as it is a combustible gas adsorbed on a carrier.

(A)、(B)および(C)は、それぞれ、本発明によるVOCセンサの平面図、背面図、および平面図におけるA−A線断面図である。(A), (B), and (C) are the AA line sectional views in the top view, back view, and top view of the VOC sensor by the present invention, respectively. 本発明のVOCセンサ40を用いたガス検知装置の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the gas detection apparatus using the VOC sensor 40 of this invention. 図2のガス検知装置で用いられる駆動パルスの波形例を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows the waveform example of the drive pulse used with the gas detection apparatus of FIG. 通電オン期間におけるVOCセンサによるトルエン検知時のセンサ出力特性を示すグラフである。It is a graph which shows the sensor output characteristic at the time of toluene detection by the VOC sensor in an energization ON period. 本発明のVOCセンサのメソポーラス触媒担体の比表面積に対する100ppmトルエン感度の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship of the 100 ppm toluene sensitivity with respect to the specific surface area of the mesoporous catalyst support | carrier of the VOC sensor of this invention. 本発明のVOCセンサのトルエン濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the toluene concentration dependence of the VOC sensor of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

40 VOCセンサ
41 シリコンウェハ
42 白金(Pt)ヒータ
43 Pd/m−SiO2 触媒層
44 白金(Pt)ヒータ
45 m−SiO2
46 凹部
47 凹部
48a 酸化ハフニウム(HfO2 )膜
48b 窒化シリコン(SiN)膜
48c 酸化シリコン(SiO2 )膜
Ds 薄膜ダイヤフラム
Dr 薄膜ダイヤフラム
40 VOC sensor 41 Silicon wafer 42 Platinum (Pt) heater 43 Pd / m-SiO 2 catalyst layer 44 Platinum (Pt) heater 45 m-SiO 2 layer 46 Recess 47 Recess 48a Hafnium oxide (HfO 2 ) film 48b Silicon nitride (SiN) ) Film 48c Silicon oxide (SiO 2 ) film Ds Thin film diaphragm Dr Thin film diaphragm

Claims (4)

通電オフ期間および通電オン期間を含む所定周期のパルスで駆動されるヒータと、前記ヒータに熱的に接触して設けられたメソポーラス材料からなる触媒層とを有する感応素子部を備え、
前記通電オン期間の開始直後にピーク値となる前記ヒータの抵抗値に基づき、VOC濃度に応じたセンサ出力を得る
ことを特徴とするVOCセンサ。
A sensitive element unit having a heater driven by a pulse of a predetermined cycle including an energization off period and an energization on period, and a catalyst layer made of a mesoporous material provided in thermal contact with the heater;
A sensor output corresponding to a VOC concentration is obtained based on a resistance value of the heater that becomes a peak value immediately after the start of the energization on period.
前記メソポーラス材料はメソポーラスシリカである
ことを特徴とする請求項1記載のVOCセンサ。
The VOC sensor according to claim 1, wherein the mesoporous material is mesoporous silica.
通電オフ期間および通電オン期間を含む所定周期のパルスで駆動される第1のヒータ、および前記第1のヒータに熱的に接触して設けられた、パラジウム(Pd)等の白金族を担持したメソポーラスシリカからなる触媒層を有する感応素子部と、
前記パルスで駆動される第2のヒータ、および前記第2のヒータに熱的に接触して設けられたメソポーラスシリカからなる層を有する補償素子部とを備え、
前記通電オン期間中の前記第1および第2のヒータの抵抗値に基づき、VOC濃度に応じたセンサ出力を得る
ことを特徴とするVOCセンサ。
A first heater driven by a pulse having a predetermined period including an energization off period and an energization on period, and a platinum group such as palladium (Pd) provided in thermal contact with the first heater are supported. A sensitive element having a catalyst layer made of mesoporous silica;
A second heater driven by the pulse, and a compensation element portion having a layer made of mesoporous silica provided in thermal contact with the second heater,
A sensor output corresponding to a VOC concentration is obtained based on resistance values of the first and second heaters during the energization on period.
請求項1から3のいずれか1項に記載のVOCセンサと、
前記VOCセンサを、所定周期の通電オフ期間及びオン期間を含む駆動パルスで駆動するセンサ駆動制御手段と、
前記通電オン期間中の前記VOCセンサのセンサ出力の所定時間にわたる積分値を演算する積分値演算手段と、
前記VOCに対応する前記所定時間にわたる積分値データを予め格納している格納手段と、
前記積分値演算手段で演算された積分値と、前記積分値データとを比較する比較手段と、
前記比較手段による比較結果に基づき、前記VOCを検知してその結果を出力する出力手段と
を備えたことを特徴とするVOC検知装置。
The VOC sensor according to any one of claims 1 to 3,
Sensor drive control means for driving the VOC sensor with a drive pulse including an energization off period and an on period of a predetermined period;
Integral value calculating means for calculating an integral value over a predetermined time of the sensor output of the VOC sensor during the energization on period;
Storage means for previously storing integral value data over the predetermined time corresponding to the VOC;
A comparison means for comparing the integral value calculated by the integral value calculation means with the integral value data;
VOC detection apparatus comprising: output means for detecting the VOC based on a comparison result by the comparison means and outputting the result.
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