JP2015004537A - Gas detection element driving method and gas detection device - Google Patents
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本発明は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子の駆動方法および当該ガス検知素子を備えたガス検知装置に関する。 The present invention relates to a method for driving a gas detection element having a gas sensitive portion that is in contact with a gas to be detected, the main component of which is a metal oxide that covers and sinters a noble metal wire, and a gas detection device including the gas detection element. About.
焼結体のガス感応部を持つガス検知素子は、例えば半導体式が公知である。このようなガス検知素子は、通常、ガス感応部を300℃〜700℃に維持した状態でガス検知を行うため、その消費電力は数百mW以上必要であった。 As a gas detection element having a gas sensitive part of a sintered body, for example, a semiconductor type is known. Since such a gas detection element normally performs gas detection in a state where the gas sensitive part is maintained at 300 ° C. to 700 ° C., the power consumption is required to be several hundred mW or more.
近年、電池でガスセンサを長期間駆動するという要望が高まっている。電池代を抑えると共に電池の交換の頻度をできるだけ少なくするには、ガスセンサの消費電力を低下させるのが望ましい。
微細加工が可能なMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を利用すれば、微小な部材を加工でき、小型化されて消費電力の低いガス検知素子を製造することができる。この小型化したガス検知素子をパルス駆動して間欠的にガス検知することで、平均消費電力をさらに低下させることができる。MEMS技術を利用することでガス検知素子を大量生産できるため、ガス検知素子のコストダウンを実現できる。
In recent years, there is an increasing demand for driving gas sensors with batteries for a long period of time. In order to reduce the battery cost and reduce the frequency of battery replacement as much as possible, it is desirable to reduce the power consumption of the gas sensor.
By utilizing MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology capable of microfabrication, a minute member can be processed, and a gas detection element that is reduced in size and consumes less power can be manufactured. The average power consumption can be further reduced by pulse-driving this downsized gas detection element to detect gas intermittently. Since the gas detection elements can be mass-produced by using the MEMS technology, the cost of the gas detection elements can be reduced.
しかし、このようなガス検知素子の実用化には、耐熱衝撃性・耐久性などの特性を向上させることが必要である。
MEMS技術によって作製された被支持基板部を有するガス検知素子としては、特許文献1に示されるものがある。このタイプの素子は、ガス感応部および加熱手段を設けた被支持基板部が複数の架橋部によって支持基板部に支持してあり、熱絶縁に優れる。
However, in order to put such a gas detection element into practical use, it is necessary to improve characteristics such as thermal shock resistance and durability.
As a gas detection element having a supported substrate portion manufactured by MEMS technology, there is one disclosed in Patent Document 1. In this type of element, a supported substrate portion provided with a gas sensitive portion and a heating means is supported on a supporting substrate portion by a plurality of bridging portions, and is excellent in thermal insulation.
このガス検知素子に対して、室温と駆動温度(例えば500℃)とに亘って熱サイクルを作用させると、ガス検知素子には熱衝撃が繰返し与えられることになる。この熱衝撃は、ガス検知素子を構成する部材の熱劣化の原因となる。 When a thermal cycle is applied to the gas detection element over a room temperature and a driving temperature (for example, 500 ° C.), a thermal shock is repeatedly applied to the gas detection element. This thermal shock causes thermal deterioration of members constituting the gas detection element.
例えばメタン検知用センサの場合、500℃程度の高温まで基板の温度を昇温する必要があるため、当該メタン検知用センサは、基板の耐熱性を図ることが重要である。例えば特許文献1に記載のMEMS型センサは、連続して電圧を印加した場合は基板の耐久性は低いため、断続して電圧を印加して長寿命化を図っている。しかし、メタン検知用センサのように基板を高温にする必要がある場合、高温に対する更なる対策が必要であった。 For example, in the case of a sensor for detecting methane, it is necessary to raise the temperature of the substrate to a high temperature of about 500 ° C. Therefore, it is important for the sensor for detecting methane to improve the heat resistance of the substrate. For example, the MEMS type sensor described in Patent Document 1 has a low substrate durability when a voltage is continuously applied, and thus the voltage is intermittently applied to extend the life. However, when the substrate needs to be heated like a methane detection sensor, further measures against the high temperature are necessary.
また、2端子型の熱線形半導体式センサの場合、DC電圧印加によるガス検知素子の温度分布は、プラス側の半導体部分が高く、マイナス側の半導体部分では低くなっており、ガス検知素子内に温度差が生じている。これにより、当該熱線形半導体式センサを長期使用することによってプラス側の半導体部分において粒成長が発生しやすくなり、また、貴金属触媒などがガス検知素子全体に均一に添加されていても、プラス側の半導体部分における凝集が起こり易くなっていた。そのため、当該熱線形半導体式センサを長期使用することによって触媒活性が劣化し、ガス検知感度が変化する一因となっていた。 In the case of a two-terminal type thermal linear semiconductor sensor, the temperature distribution of the gas detection element due to DC voltage application is high in the semiconductor part on the positive side and low in the semiconductor part on the negative side. There is a temperature difference. As a result, by using the thermal linear semiconductor sensor for a long time, grain growth is likely to occur in the semiconductor portion on the plus side, and even if a precious metal catalyst or the like is uniformly added to the entire gas sensing element, the plus side Aggregation in the semiconductor portion of this was likely to occur. Therefore, long-term use of the thermal linear semiconductor sensor has deteriorated the catalyst activity, which has been a factor in changing the gas detection sensitivity.
従って、本発明の目的は、高温使用および長期使用における耐久性を向上させ、かつガス検知感度を安定させることができるガス検知素子の駆動方法およびガス検知装置を提供することにある。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a gas detection element driving method and a gas detection device capable of improving durability in high temperature use and long-term use and stabilizing gas detection sensitivity.
上記目的を達成するための本発明に係るガス検知素子の駆動方法の第一特徴手段は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加する点にある。 The first characteristic means of the driving method of the gas detection element according to the present invention for achieving the above object is a gas sensitive part mainly comprising a metal oxide covered and sintered over a noble metal wire and in contact with the gas to be detected. The point is that the polarity is switched and applied to the gas detection element provided with the desired timing.
電圧印加によるガス検知素子の温度分布は、通常、プラス側の半導体部分が高く、マイナス側の半導体部分では低くなっている。そのため、仮にガス検知素子に対して極性を固定して駆動電圧を印加した場合、ガス検知素子の温度分布がガス検知素子の一方の側のみに偏るため、ガス検知素子において偏って加熱された部位は熱によって劣化し易くなる。
一方、本手段のように、ガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加することにより、ガス検知素子の温度分布がガス検知素子の一方の側のみに偏るのを防止することができる。そのため、ガス検知素子において偏って加熱される部位は発生し難くなり、ガス検知素子が熱によって劣化するのを未然に防止できる。よって、本発明のガス検知素子の駆動方法では、当該ガス検知素子を高温使用および長期使用した場合であっても優れた耐久性を有するものとなる。
The temperature distribution of the gas detection element by voltage application is usually high in the positive semiconductor part and low in the negative semiconductor part. For this reason, if a driving voltage is applied with the polarity fixed to the gas detection element, the temperature distribution of the gas detection element is biased only to one side of the gas detection element. Is easily deteriorated by heat.
On the other hand, as in the present means, by applying the polarity to the gas detection element at a desired timing, it is possible to prevent the temperature distribution of the gas detection element from being biased to only one side of the gas detection element. Can do. Therefore, it is difficult to generate a part that is heated unevenly in the gas detection element, and it is possible to prevent the gas detection element from being deteriorated by heat. Therefore, the gas detection element driving method of the present invention has excellent durability even when the gas detection element is used at a high temperature and for a long time.
また、本手段では、ガス検知素子の温度分布がガス検知素子の一方の側のみに偏るのを防止することができるため、粒成長の偏りも防止することができる。 In addition, in this means, it is possible to prevent the temperature distribution of the gas detection element from being biased toward only one side of the gas detection element, and thus it is possible to prevent uneven grain growth.
さらに、後述の実施例で示したように、本手段では、ガス検知素子を高温使用および長期使用した場合であっても、ガス検知感度の変化を抑制できるため、安定したガス検知を行なうことができる。 Furthermore, as shown in the examples described later, this means can suppress a change in gas detection sensitivity even when the gas detection element is used at a high temperature and for a long period of time, so that stable gas detection can be performed. it can.
本発明に係るガス検知素子の駆動方法の第二特徴手段は、所定の時間毎に極性を入れ替える点にある。 The 2nd characteristic means of the drive method of the gas detection element which concerns on this invention exists in the point which replaces polarity every predetermined time.
本手段によれば、周期的にガス検知素子に印加する印加電圧の極性を反転するため、ガス検知素子において偏って加熱された部位がより発生し難くなる。そのため、ガス検知素子が熱によって劣化するのを効果的に防止できる。 According to the present means, since the polarity of the applied voltage periodically applied to the gas detection element is reversed, it is more difficult to generate an unevenly heated portion in the gas detection element. Therefore, it is possible to effectively prevent the gas detection element from being deteriorated by heat.
本発明に係るガス検知素子の駆動方法の第三特徴手段は、パルス電流を供して実行する点にある。 The third characteristic means of the driving method of the gas detection element according to the present invention is that it is executed by supplying a pulse current.
本手段によれば、パルス駆動して間欠的にガス検知することができるため、平均消費電力を低下させることができる。 According to this means, it is possible to intermittently detect the gas by pulse driving, so that the average power consumption can be reduced.
本発明に係るガス検知装置の第一特徴構成は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子と、前記ガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加する極性反転手段と、前記ガス検知素子に対してパルス電流を供する電流発生装置と、を備えた点にある。 A first characteristic configuration of a gas detection device according to the present invention includes a gas detection element having a gas sensitive portion that is in contact with a gas to be detected, the main component being a metal oxide that covers and sinters a noble metal wire, and the gas. A polarity inversion means for switching the polarity at a desired timing and applying it to the detection element, and a current generator for supplying a pulse current to the gas detection element are provided.
本構成によれば、ガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加することにより、ガス検知素子の温度分布がガス検知素子の一方の側のみに偏るのを防止することができる。そのため、ガス検知素子において偏って加熱される部位は発生し難くなり、ガス検知素子が熱によって劣化するのを未然に防止できる。よって、本発明のガス検知装置では、当該ガス検知素子を高温使用および長期使用した場合であっても優れた耐久性を有するものとなる。 According to this configuration, it is possible to prevent the temperature distribution of the gas detection element from being biased toward only one side of the gas detection element by switching the polarity and applying the gas detection element at a desired timing. . Therefore, it is difficult to generate a part that is heated unevenly in the gas detection element, and it is possible to prevent the gas detection element from being deteriorated by heat. Therefore, the gas detection device of the present invention has excellent durability even when the gas detection element is used at a high temperature and for a long time.
さらに、本発明のガス検知装置では、ガス検知素子の温度分布がガス検知素子の一方の側のみに偏るのを防止することができるため、粒成長の偏りも防止することができ、ガス検知素子を高温使用および長期使用した場合であっても、ガス検知感度の変化を抑制できる。 Furthermore, in the gas detection device of the present invention, it is possible to prevent the temperature distribution of the gas detection element from being biased to only one side of the gas detection element. Even when the gas is used at a high temperature and for a long time, the change in gas detection sensitivity can be suppressed.
本発明に係るガス検知装置の第二特徴構成は、前記ガス感応部を被支持基板部に形成し、前記被支持基板部をMEMS技術により形成した点にある。 The second characteristic configuration of the gas detector according to the present invention is that the gas sensitive part is formed on a supported substrate part, and the supported substrate part is formed by a MEMS technique.
本構成によれば、微細加工が可能なMEMS技術を適用するため、極めて小さなガス検知素子の製造が可能となる。これにより、平均消費電力の少ないガス検知素子を得ることができる。 According to this configuration, since the MEMS technology capable of microfabrication is applied, it is possible to manufacture an extremely small gas detection element. Thereby, a gas detection element with little average power consumption can be obtained.
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
本発明のガス検知素子の駆動方法は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加するように駆動する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The method for driving a gas detection element according to the present invention has a desired timing for a gas detection element having a gas sensitive part that is mainly composed of a metal oxide covered with a noble metal wire and is in contact with a gas to be detected. And drive so that the polarity is changed.
本方法は、図1〜2に示したガス検知装置Yにより実施することができる。本実施形態では、ガス感応部11を被支持基板部10に形成し、当該被支持基板部10をMEMS技術により形成してある態様について説明する。
即ち、ガス検知素子Xは、ガス感応部11を設けた被支持基板部10が支持基板部30に支持してある。これら被支持基板部10・支持基板部30は1つの部材で構成してあり、別のSi基材31に取り付けてある。
This method can be implemented by the gas detection device Y shown in FIGS. In the present embodiment, a mode in which the gas
That is, in the gas detection element X, the supported
被支持基板部10の上には絶縁膜13が形成してあり、ガス感応部11・検出電極(貴金属線材:ヒータ兼用)12が積層された積層体Aを形成してある。尚、被支持基板部10が絶縁膜の機能を有する場合は、当該絶縁膜13は設けなくてもよい。積層体Aのうち、ガス感応部11を除いた各構成はMEMS技術を利用して作製してある。MEMS技術は、超微小構造の電子機器システムの製造技術である。当該技術により微細な回路の加工を行うことができる。積層体Aは、MEMS技術を利用して公知の方法により形成できる。
An
ガス検知素子Xはリード線aにより極性反転手段40と接続し、当該極性反転手段40はリード線bにより電流発生装置50と接続している。
The gas detection element X is connected to the polarity inversion means 40 by a lead wire a, and the polarity inversion means 40 is connected to the
極性反転手段40は、電流発生装置50にて印加される駆動電圧の極性を所望のタイミングで反転させる機能を有するものであれば、どのような態様であってもよい。
The polarity inversion means 40 may be in any form as long as it has a function of inverting the polarity of the drive voltage applied by the
電圧印加によるガス検知素子Xの温度分布は、通常、プラス側の半導体部分が高く、マイナス側の半導体部分では低くなっている。そのため、仮にガス検知素子Xに対して極性を固定して駆動電圧を印加した場合、ガス検知素子Xの温度分布がガス検知素子Xの一方の側のみに偏るため、ガス検知素子Xにおいて偏って加熱された部位は熱によって劣化し易くなる。
一方、本構成のように、ガス検知素子Xに対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加することにより、ガス検知素子Xの温度分布がガス検知素子Xの一方の側のみに偏るのを防止することができる。そのため、ガス検知素子Xにおいて偏って加熱される部位は発生し難くなり、ガス検知素子Xが熱によって劣化するのを未然に防止できる。よって、本発明のガス検知素子Xの駆動方法では、当該ガス検知素子Xを高温使用および長期使用した場合であっても優れた耐久性を有するものとなる。
The temperature distribution of the gas detection element X by voltage application is usually high in the positive semiconductor part and low in the negative semiconductor part. Therefore, if the driving voltage is applied with the polarity fixed to the gas detection element X, the temperature distribution of the gas detection element X is biased only to one side of the gas detection element X, and thus the gas detection element X is biased. The heated part is easily deteriorated by heat.
On the other hand, the temperature distribution of the gas detection element X is biased to only one side of the gas detection element X by applying the polarity to the gas detection element X at a desired timing as in this configuration. Can be prevented. Therefore, it is difficult to generate a portion that is heated unevenly in the gas detection element X, and it is possible to prevent the gas detection element X from being deteriorated by heat. Therefore, the driving method of the gas detection element X of the present invention has excellent durability even when the gas detection element X is used at a high temperature and for a long time.
極性反転のタイミングは、所定の時間毎(例えば30秒〜10分毎)に反転が行われるよう制御するのがよい。本構成では、周期的にガス検知素子Xに印加する印加電圧の極性を反転するため、ガス検知素子Xにおいて偏って加熱された部位がより発生し難くなる。そのため、ガス検知素子Xが熱によって劣化するのを効果的に防止できる。 The timing of polarity inversion is preferably controlled so that the inversion is performed every predetermined time (for example, every 30 seconds to 10 minutes). In this configuration, since the polarity of the applied voltage that is periodically applied to the gas detection element X is reversed, a part that is biased and heated in the gas detection element X is less likely to occur. Therefore, it is possible to effectively prevent the gas detection element X from being deteriorated by heat.
電流発生装置50は、バッテリーからの電力供給を受けると、これをパルス電流に変換して供給するように構成するとよい。本構成のようにパルス電流を供してガス検知素子Xを印加することにより、パルス駆動して間欠的にガス検知することができるため、平均消費電力を低下させることができる。
The
〔実施例1〕
本発明の実施例について説明する。
本発明のガス検知装置Xの耐久性を調べた。即ち、ガス検知素子Xに対して、パルス電圧(印加周期0.3秒、印加時間0.1秒)を印加し、極性を入れ替えて駆動した場合の被支持基板部10の耐久性を評価した。ガス検知素子Xに対する印加時の温度は550℃であった。この調査では、通常使用時に比べて100倍加速印加を行い、25のガス検知装置において断線が発生するまでに要する日数を調べた。結果を図3に示した。
[Example 1]
Examples of the present invention will be described.
The durability of the gas detector X of the present invention was examined. That is, the durability of the supported
この結果、従来のガス検知装置(極性を反転しない)では、30日経過後より断線が発生したが、本発明のガス検知装置では、80日経過後より断線が発生したことが確認できた。即ち、本発明のガス検知素子の駆動方法では、2.7倍程度、耐久性が向上したものと認められた。 As a result, in the conventional gas detection device (the polarity is not reversed), disconnection occurred after 30 days, but in the gas detection device of the present invention, it was confirmed that disconnection occurred after 80 days. That is, it was recognized that the durability of the gas detection element driving method of the present invention was improved by about 2.7 times.
〔実施例2〕
本発明のガス検知装置Xのガス検知感度の安定性を調べた。本実施例では、ガス検知素子Xに対して、通常使用時に比べて10倍加速印加(印加周期3秒、印加時間0.1秒)を行い、メタンガスおよび水素ガスに対する警報濃度がどのように変化するかを評価した。結果を図4((a)従来のガス検知装置(b)本発明のガス検知装置)に示した。
[Example 2]
The stability of the gas detection sensitivity of the gas detector X of the present invention was examined. In this embodiment, 10 times acceleration application (application period 3 seconds, application time 0.1 seconds) is applied to the gas detection element X as compared with the normal use, and how the alarm concentrations for methane gas and hydrogen gas change. Evaluated what to do. The results are shown in FIG. 4 ((a) conventional gas detection device (b) gas detection device of the present invention).
この結果、従来のガス検知装置では、印加日数が経過してもメタンガスの警報濃度は殆ど変化しないが、水素ガスの警報濃度は200日経過後には半分程度まで徐々に低下した。一方、本発明のガス検知装置では、印加日数が経過しても、メタンガスの警報濃度は殆ど変化せず、水素ガスの警報濃度は、15%程度の減少幅に抑制できることが判明した。
このようにガス検知素子の駆動方法では、高温使用および長期使用した場合であってもガス検知感度を安定させることができるものと認められた。
As a result, in the conventional gas detection device, the alarm concentration of methane gas hardly changed even after the number of days applied, but the alarm concentration of hydrogen gas gradually decreased to about half after 200 days. On the other hand, in the gas detector of the present invention, it was found that the alarm concentration of methane gas hardly changed even when the number of applied days passed, and the alarm concentration of hydrogen gas could be suppressed to a decrease of about 15%.
As described above, in the method of driving the gas detection element, it was recognized that the gas detection sensitivity can be stabilized even when used at a high temperature and for a long period of time.
〔別実施の形態〕
本発明のガス検知素子の駆動方法およびガス検知装置は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を有するガス検知素子であれば、上述した態様に限定されるものではない。例えば、ガス検知素子として、白金・白金−ロジウム合金等の貴金属線材に、酸化インジウム・酸化タングステン・酸化スズ等の金属酸化物を主成分とする金属酸化物半導体を塗布して覆い、乾燥後焼結成形してあるガス感応部を備えた熱線型半導体式センサなどが使用できる。
[Another embodiment]
The gas detection element driving method and the gas detection device of the present invention is a gas detection element having a gas sensitive portion that is mainly composed of a metal oxide covered with a noble metal wire and is in contact with the gas to be detected. It is not limited to the above-described embodiment. For example, as a gas detection element, a metal oxide semiconductor mainly composed of a metal oxide such as indium oxide, tungsten oxide or tin oxide is coated on a noble metal wire such as platinum, platinum-rhodium alloy, etc. A hot-wire semiconductor sensor having a gas-sensitive part that has been formed can be used.
本発明は、貴金属線材を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とし、被検知ガスと接触するガス感応部を設けたガス検知素子の駆動方法および当該ガス検知素子を備えたガス検知装置に利用できる。 The present invention relates to a method for driving a gas detection element having a gas sensitive portion that is in contact with a gas to be detected, the main component of which is a metal oxide that covers and sinters a noble metal wire, and a gas detection device including the gas detection element. Available to:
X ガス検知素子
10 被支持基板部
11 ガス感応部
40 極性反転手段
50 電流発生装置
X
Claims (5)
前記ガス検知素子に対して、所望のタイミングで極性を入れ替えて印加する極性反転手段と、
前記ガス検知素子に対してパルス電流を供する電流発生装置と、を備えたガス検知装置。 A gas detection element comprising a metal oxide that covers and sinters a noble metal wire as a main component, and is provided with a gas sensitive portion that comes into contact with the gas to be detected;
Polarity reversing means for switching and applying the polarity at a desired timing to the gas detection element;
And a current generator that provides a pulse current to the gas detection element.
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