JP2017198604A - Gas sensor and gas detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスセンサ及びガス検出装置に関する。 The present invention relates to a gas sensor and a gas detection device.
従来から、ガス警報器等に設けられて、燃料用ガスや、燃料用ガスが不完全燃焼することで生じた一酸化炭素ガス等を検出するガスセンサが知られている。このようなガスセンサに用いられるガス検出素子は、例えば、湿度(水分)や環境由来のアルコール等の非検出対象ガスにも反応する場合がある。 2. Description of the Related Art Conventionally, a gas sensor is known that is provided in a gas alarm device or the like and detects fuel gas or carbon monoxide gas generated by incomplete combustion of the fuel gas. The gas detection element used for such a gas sensor may react also with non-detection object gas, such as humidity (water | moisture) and environmental origin alcohol, for example.
そこで、感応部と、非検出対象ガスを除去するシリカゲルフィルタと、雰囲気の温度上昇によりシリカゲルフィルタから放出される非検出対象ガスの感応部への流入を制限する流入制限板とを有する検知素子が知られている(例えば、特許文献1参照)。 Therefore, a sensing element having a sensitive part, a silica gel filter that removes the non-detection target gas, and an inflow restriction plate that restricts the inflow of the non-detection target gas released from the silica gel filter due to a rise in ambient temperature to the sensitive part. It is known (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記した特許文献1に係る検知素子では、流入制限板により非検出対象ガスと共に検出対象ガスの感応部への流入も制限されるため、検出対象ガスの検出感度が低下する可能性がある。
However, in the detection element according to
本発明は上記に鑑みてなされたものであって、ガスセンサにおいて検出対象ガスの検出感度を低下させることなく非検出対象ガスの影響を低減することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object thereof is to reduce the influence of a non-detection target gas without reducing the detection sensitivity of the detection target gas in a gas sensor.
本発明の一態様におけるガスセンサよれば、ガスが流通する開口が形成されているケースと、前記ケースに覆われて検出対象ガスを検出するガス検出素子と、前記開口と前記ガス検出素子との間に設けられて非検出対象ガスを吸着するフィルタ体と、を有し、前記フィルタ体は、前記ガス検出素子側よりも前記開口側の方が、ガス拡散性が高い。 According to the gas sensor of one aspect of the present invention, a case in which an opening through which gas flows is formed, a gas detection element that is covered by the case and detects a detection target gas, and between the opening and the gas detection element And a filter body that adsorbs a non-detection target gas, and the filter body has higher gas diffusibility on the opening side than on the gas detection element side.
本発明の実施形態によれば、ガスセンサにおいて検出対象ガスの検出感度を低下させることなく非検出対象ガスの影響を低減することができる。 According to the embodiment of the present invention, the influence of the non-detection target gas can be reduced without reducing the detection sensitivity of the detection target gas in the gas sensor.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
図1は、実施形態におけるガス検出装置100の構成を例示する図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a
図1に示されるように、ガス検出装置100は、ガスセンサ1、駆動部2、検出処理部3を有する。
As shown in FIG. 1, the
ガスセンサ1は、ガス検出素子10を有し、検出対象ガスを検出する。検出対象ガスは、例えば、燃料用ガス(主成分はメタン、プロパン、ブタン)、燃料用ガスが不完全燃焼時に発生する一酸化炭素ガス、水素ガス等である。駆動部2は、ガスセンサ1のガス検出素子10に接続されており、ガス検出素子10を駆動させる。検出処理部3は、ガスセンサ1のガス検出素子10に接続されており、ガス検出素子10から得られる検出信号に基づいて検出対象ガスの検出処理を行う。駆動部2及び検出処理部3が有する機能は、例えば、CPUがROMから読み出してRAMと協働して実行するプログラムや、複数の回路等により実現される。
The
なお、ガス検出装置100には、操作入力を行う操作入力部、検出処理部3による検出結果を表示する表示部、検出結果に応じて警報を発する音出力部等が設けられてもよい。
The
図2は、実施形態におけるガスセンサ1の断面概略図である。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the
図2に示されるように、ガスセンサ1は、ガス検出素子10、ケース20、フィルタ体40、リード端子50を有する。以下では、ガスセンサ1におけるケース20の開口21側を上、リード端子50側を下として説明する。
As shown in FIG. 2, the
ガス検出素子10は、段付き円板状のセンサベース11の上面に固定されている。ガス検出素子10の構成は後述する。リード端子50は、センサベース11から下方に突出し、ガス検出素子10と、ガス検出装置100の駆動部2及び検出処理部3とを接続する。
The
ケース20は、筒状に形成されており、下端側がセンサベース11の周縁に固定されてガス検出素子10の周囲を覆っている。ケース20の上端面には、ガスが流通する開口21が形成されており、例えば円形状である。ケース20は、例えば、直径が8mmであり、高さが13mmである。また、開口21の直径は、例えば、5mmである。
The
第1メッシュ31は、開口21を覆うようにケース20の内部に取り付けられている。第2メッシュ32は、第1メッシュ31の下方に所定の間隔を空けてケース20の内部に取り付けられている。第3メッシュ33は、第2メッシュの下方に所定の間隔を空けてケース20の内部に取り付けられている。第3メッシュ33は、防爆のために2重メッシュとなっている。
The
第1メッシュ31、第2メッシュ32、及び第3メッシュ33は、それぞれステンレス製のネットであり、第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bの押さえとして機能する。また、第2メッシュ32は、第1フィルタ40aと第2フィルタ40bとの仕切りとして機能する。
Each of the
フィルタ体40は、ケース20の開口21とガス検出素子10との間に設けられている。フィルタ体40は、開口21から流入する検出対象ガスを通過させ、非検出対象ガスを吸着する。フィルタ体40は、第1フィルタ40a、第2フィルタ40bを有する。
The
第1フィルタ40aは、第1メッシュ31と第2メッシュ32との間に設けられており、開口21から流入する検出対象ガスを通過させて非検出対象ガスを吸着する。第1フィルタ40aは、外径がケース20の内径に等しく無数の通気孔が形成されているフィルタケース(不図示)と、吸着材としてフィルタケースに充填されている粒状(粉状、球状、破砕状)の活性炭とを有する。第1フィルタ40aの厚さは、例えば、1mm〜3mmである。
The
第2フィルタ40bは、第1フィルタ40aの下側に積層されるように、第2メッシュ32と第3メッシュ33との間に設けられている。第2フィルタ40bは、開口21から流入する検出対象ガスを通過させ、第1フィルタ40aを通過した非検出対象ガスを吸着する。第2フィルタ40bは、外径がケース20の内径に等しく無数の通気孔が形成されているフィルタケース(不図示)と、吸着材としてフィルタケースに充填されている粒状(粉状、球状、破砕状)の活性炭とを有する。第2フィルタ40bの厚さは、例えば、1mm〜3mmである。
The
第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bに吸着材として設けられている活性炭は、気相においてファンデルワールス力による物理的吸着を行う。活性炭は、例えば、アルコール蒸気、シロキサン化合物、SOx、NOx、VOC類等といった非検出対象ガスを吸着し、燃料用ガスの主成分であるメタン、プロパン、ブタン、一酸化炭素、水素等の検出対象ガスは吸着しない。
The activated carbon provided as an adsorbent in the
このため、開口21からケース20の内部に流入した非検出対象ガスは、大部分が第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bに吸着し、ガス検出素子10に到達するのは極微量となる。また、開口21からケース20の内部に流入した検出対象ガスは、極微量が第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bに吸着するものの、大部分が第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bを通過してガス検出素子10に到達する。
For this reason, most of the non-detection target gas that has flowed into the
このように、ガスセンサ1では、第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bによって非検出対象ガスが除去されることで、ガス検出素子10が検出対象ガスを高精度に検出することが可能になっている。
As described above, in the
ここで、ガスセンサ1の周囲の温湿度等の環境が変化すると、第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bに吸着していた非検出対象ガスが脱離し、ガス検出素子10に到達する場合がある。ガス検出素子10の周囲において非検出対象ガスの濃度が上昇すると、ガス検出素子10が非検出対象ガスに反応して誤検出する可能性がある。
Here, when the environment such as temperature and humidity around the
そこで、本実施形態におけるガスセンサ1では、第1フィルタ40aのガス拡散性が、第2フィルタ40bのガス拡散性よりも高くなっている。このため、第2フィルタ40bから脱離した非検出対象ガスは、ガス拡散性が高い第1フィルタ40aを通じて開口21から外部に排出される。また、第1フィルタ40aから脱離した非検出対象ガスは、ガス拡散性が低い第2フィルタ40bには向かわずに開口21を通って外部に排出される。
Therefore, in the
このように、第1フィルタ40aのガス拡散性を第2フィルタ40bよりも高くすることで、第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bから脱離した非検出対象ガスは、ガス検出素子10側への放出が抑えられて開口21から外部に排出される。このため、第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bから脱離した非検出対象ガスによってガス検出素子10の検出精度が低下するのを抑えることができる。
In this way, by making the gas diffusivity of the
第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bのガス拡散性は、例えば、吸着剤として設けられている活性炭の粒径により調整できる。
The gas diffusibility of the
例えば、第1フィルタ40aの活性炭の平均粒径を、第2フィルタ40bの活性炭の平均粒径より大きくすることで、第1フィルタ40aのガス拡散性を第2フィルタ40bよりも高くすることができる。
For example, the gas diffusivity of the
また、例えば、第1フィルタ40aの活性炭の最小粒径を、第2フィルタ40bの活性炭の最大粒径より大きくすることで、第1フィルタ40aのガス拡散性を第2フィルタ40bよりも高くすることができる。例えば、第1フィルタ40aの活性炭の粒度分布を450μm〜550μmとし、第2フィルタ40bの活性炭の粒度分布を250μm〜350μmとする。このように粒度分布を変えることで、第1フィルタ40aのガス拡散性を第2フィルタ40bよりも高くすることができる。
Further, for example, by setting the minimum particle diameter of the activated carbon of the
上記したように、第1フィルタ40aのガス拡散性を第2フィルタ40bよりも高くすることで、第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bから脱離してガス検出素子10側に放出される非検出対象ガスを低減し、ガス検出素子10の検出精度を保つことができる。
As described above, by making the gas diffusibility of the
また、第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bにおける非検出対象ガスの拡散性は、例えば、各フィルタに充填されている活性炭の空隙率により調整できる。
Further, the diffusibility of the non-detection target gas in the
例えば、第1フィルタ40aの空隙率を、第2フィルタ40bの空隙率より大きくすることで、第1フィルタ40aの拡散性を第2フィルタ40bよりも高くすることができる。例えば、空隙率は吸着材を成形体にして加圧条件を変えることで任意に調製することができる。このように第1フィルタ40aの拡散性を第2フィルタ40bよりも高くすることで、上記したように第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bから脱離してガス検出素子10側に放出される非検出対象ガスを低減し、ガス検出素子10の検出精度を保つことができる。
For example, the diffusivity of the
なお、本実施形態におけるガスセンサ1では、フィルタ体40が第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bの2つのフィルタで構成されているが、3つ以上のフィルタで構成されてもよい。フィルタ体40が3つ以上のフィルタで構成される場合には、ケース20の開口21側ほど拡散性が高くなるように各フィルタの吸着材の粒径や、各フィルタの空隙率を調整する。また、フィルタ体40は、ケース20の開口21側がガス検出素子10側よりもガス拡散性が高くなるように形成された単一のフィルタであってもよい。例えば、フィルタ体40は、ガス検出素子10側からケース20の開口21に向かって徐々にガス拡散性が高くなるように形成された単一のフィルタであってもよい。
In addition, in the
また、第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bの吸着材は、活性炭に限られるものではなく、例えばシリカゲル等であってもよい。また、第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bは、それぞれ異なる吸着材で形成されてもよい。
Further, the adsorbent for the
図3は、実施形態におけるガス検出素子10の断面概略図である。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view of the
図3に示されるように、ガス検出素子10は、シリコン基板101、熱絶縁支持層102、ヒータ層103、電気絶縁層104、ガス検出部105を有する。なお、図3に示されているガス検出素子10は、説明のために各部の大きさや厚さが適宜変更されている。
As shown in FIG. 3, the
シリコン基板101は、ガス検出部105が設けられる部分に貫通孔が形成されている。
The
熱絶縁支持層102は、シリコン基板101の貫通孔の開口部を覆ってダイアフラム構造となるように、シリコン基板101の上面に形成されている。熱絶縁支持層102は、熱酸化SiO2層102a、CVD−Si3N4層102b、CVD−SiO2層102cの三層構造となっている。
The heat insulating
熱酸化SiO2層102aは、熱絶縁層であり、ヒータ層103において生じた熱をシリコン基板101に伝わりにくくする。また、熱酸化SiO2層102aは、プラズマエッチングに対して高い抵抗力を示し、プラズマエッチングによるシリコン基板101の貫通孔の形成を容易にする。
The thermally oxidized SiO 2 layer 102 a is a heat insulating layer and makes it difficult to transfer heat generated in the
CVD−Si3N4層102bは、熱酸化SiO2層102aの上側に形成されている。CVD−SiO2層102cは、電気絶縁層であり、CVD−Si3N4層102bの上側に形成されている。 The CVD-Si 3 N 4 layer 102b is formed above the thermally oxidized SiO 2 layer 102a. The CVD-SiO 2 layer 102c is an electrically insulating layer and is formed on the upper side of the CVD-Si 3 N 4 layer 102b.
ヒータ層103は、Pt−W膜であり、熱絶縁支持層102の上面に形成されている。ヒータ層103は、リード端子50を通じてガス検出装置100の駆動部2に接続され、駆動部2から給電されて発熱する。
The
電気絶縁層104は、熱絶縁支持層102の上面にヒータ層103を覆うように形成されている。電気絶縁層104は、ヒータ層103と感知層電極105bとの間を電気的に絶縁する。
The electrical
ガス検出部105は、一対の接合層105a、一対の感知層電極105b、ガス感知層105c、ガス選択燃焼層105dを有する。
The
接合層105aは、例えば、Ta膜(タンタル膜)又はTi膜(チタン膜)であり、電気絶縁層104の上面に形成されている。接合層105aは、感知層電極105bと電気絶縁層104との接合強度を高める。
The
感知層電極105bは、例えば、Pt膜(白金膜)又はAu膜(金膜)であり、リード端子50を通じてガス検出装置100の検出処理部3に接続されている。
The
ガス感知層105cは、SnO2層であり、一対の感知層電極105bの少なくとも一部を覆うように電気絶縁層104の上面に形成されている。なお、ガス感知層105cは、例えば、In2O3、WO3、ZnO、TiO2等の金属酸化物を主成分として形成されてもよい。
The
ガス選択燃焼層105dは、パラジウム(Pd)、白金(Pt)、又は酸化パラジウム(PdO)等の少なくとも一種の触媒を担持した焼結体であり、触媒担持Al2O3焼結材である。ガス選択燃焼層105dは、接合層105a、感知層電極105b、及びガス感知層105cを覆うように電気絶縁層104の上面に形成されている。
The gas
ガス選択燃焼層105dは、検出対象ガスよりも酸化活性の強い還元性の非検出対象ガスの燃焼反応を促進させることで、非検出対象ガスを酸化除去できる。ガス選択燃焼層105dによってガス感知層105cに到達する検出対象ガスの濃度が高まり、より高感度に検出を行うことが可能になる。なお、ガス選択燃焼層105dは、例えば、Cr2O3、Fe2O3、Ni2O3、ZrO2、SiO2、ゼオライト等の金属酸化物を主成分として形成されてもよい。
The gas
ガス感知層105cは、n型金属酸化物半導体のSnO2層であり、表面に酸素を吸着する。酸素は、電子受容性が強く負電荷吸着するため、ガス感知層105cの表面に吸着する際に、ガス感知層105c内から電子を取り込む。このため、ガス感知層105cは、表面に酸素が吸着すると内部の電子密度が減少し、導電率が低下して高抵抗化する。
The
酸素が吸着したガス感知層105cがヒータ層103により300℃〜500℃程度に加熱されると、検出対象ガスのCH4、H2、CO等の燃焼反応が起こる。これらの可燃性ガスの燃焼反応により、ガス感知層105cの表面に吸着している酸素(O2−)が消費され、吸着酸素にトラップされていた吸着酸素電子が自由電子としてガス感知層105c内に戻される。このため、ガス感知層105cは、内部の電子密度が増加し、導電率が増大して低抵抗化する。
When the
検出対象ガス(CH4、H2、CO)の燃焼反応式は以下の通りである。 The combustion reaction formula of the detection target gas (CH 4 , H 2 , CO) is as follows.
CH4+4O2−(ad)⇒CO2+2H2O+8e
H2+O2−(ad)⇒H2O+2e
CO+O2−(ad)⇒CO2+2e
ガス検出装置100の駆動部2は、ヒータ層103に間欠的に給電して、ガス感知層105cを所定の周期で加熱する。検出処理部3は、感知層電極105bを通じてガス感知層105cの電気抵抗値(以下、センサ抵抗値という)を検出信号として取得し、センサ抵抗値に基づいて検出対象ガスの濃度を求める。
CH 4 + 4O 2− (ad) ⇒CO 2 + 2H 2 O + 8e
H 2 + O 2− (ad) ⇒H 2 O + 2e
CO + O 2− (ad) ⇒CO 2 + 2e
The driving unit 2 of the
ガス選択燃焼層105dは、ガス感知層105cを覆い、ヒータ層103に加熱されて非検出対象ガスを燃焼することで、ガス感知層105cに到達する検出対象ガスの濃度を高める。ガス選択燃焼層105dは、例えば、高沸点の炭化水素系ガス、エタノールやVOC等の非検出対象ガスを選択的に燃焼し、CH4等の検出対象ガスは通過させる。
The gas
ガスセンサ1は、上記したように、第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bにおいて検出対象ガスを吸着除去する。また、第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bを通過した非検出対象ガスはガス選択燃焼層105dにおいて燃焼される。このため、ガスセンサ1は、ガス検出素子10のガス感知層105cに到達する非検出対象ガスが低減され、検出対象ガスを高精度に検出することが可能になっている。
As described above, the
以上で説明したように、本実施形態におけるガスセンサ1では、フィルタ体40によって非検出対象ガスが吸着除去される。また、フィルタ体40は、第1フィルタ40aのガス拡散性が第2フィルタ40bよりも高く、ケース20の開口21側がガス検出素子10側よりもガス拡散性が高い。このため、ガスセンサ1の周囲の温度上昇により第1フィルタ40a及び第2フィルタ40bから脱離した非検出対象ガスは、ガス検出素子10側への放出が抑えられてケース20の開口21から排気される。したがって、ガスセンサ1の周囲の温度変化による非検出対象ガスの影響が低減され、ガス検出素子10により検出対象ガスを高精度に検出することが可能になる。
As described above, in the
以上、実施形態に係るガスセンサ及びガス検出装置について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。 Although the gas sensor and the gas detection device according to the embodiments have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and improvements can be made within the scope of the present invention.
例えば、ガスセンサ1に設けられるガス検出素子10は、検出対象ガスを検出可能であれば、上記した実施形態とは異なる構成であってもよい。また、ガスセンサ1には、上記した実施形態におけるガス検出素子10とは異なる方式のガス検出素子が設けられてもよい。
For example, the
1 ガスセンサ
2 駆動部
3 検出処理部
10 ガス検出素子
20 ケース
21 開口
40 フィルタ体
40a 第1フィルタ
40b 第2フィルタ
100 ガス検出装置
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記ケースに覆われて検出対象ガスを検出するガス検出素子と、
前記開口と前記ガス検出素子との間に設けられて非検出対象ガスを吸着するフィルタ体と、を有し、
前記フィルタ体は、前記ガス検出素子側よりも前記開口側の方が、ガス拡散性が高い
ことを特徴とするガスセンサ。 A case in which an opening through which gas flows is formed;
A gas detection element that is covered by the case and detects a detection target gas;
A filter body that is provided between the opening and the gas detection element and adsorbs a non-detection target gas;
The gas sensor according to claim 1, wherein the filter body has a higher gas diffusibility on the opening side than on the gas detection element side.
前記第1フィルタは、前記第2フィルタよりもガス拡散性が高い
ことを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。 The filter body includes a first filter that adsorbs the non-detection target gas, and a second filter that is stacked on the gas detection element side of the first filter and adsorbs the non-detection target gas,
The gas sensor according to claim 1, wherein the first filter has higher gas diffusibility than the second filter.
前記第2フィルタは、前記非検出対象ガスを吸着する粒状の第2吸着材を含み、
前記第1吸着材の平均粒径は、前記第2吸着材の平均粒径よりも大きい
ことを特徴とする請求項2に記載のガスセンサ。 The first filter includes a granular first adsorbent that adsorbs the non-detection target gas,
The second filter includes a granular second adsorbent that adsorbs the non-detection target gas,
The gas sensor according to claim 2, wherein an average particle diameter of the first adsorbent is larger than an average particle diameter of the second adsorbent.
前記第2フィルタは、前記非検出対象ガスを吸着する粒状の第2吸着材を含み、
前記第1吸着材の最小粒径は、前記第2吸着材の最大粒径よりも大きい
ことを特徴とする請求項2に記載のガスセンサ。 The first filter includes a granular first adsorbent that adsorbs the non-detection target gas,
The second filter includes a granular second adsorbent that adsorbs the non-detection target gas,
The gas sensor according to claim 2, wherein a minimum particle size of the first adsorbent is larger than a maximum particle size of the second adsorbent.
前記第2フィルタは、前記非検出対象ガスを吸着する粒状の第2吸着材を含み、
前記第1フィルタの空隙率は、前記第2フィルタの空隙率よりも大きい
ことを特徴とする請求項2に記載のガスセンサ。 The first filter includes a granular first adsorbent that adsorbs the non-detection target gas,
The second filter includes a granular second adsorbent that adsorbs the non-detection target gas,
The gas sensor according to claim 2, wherein the porosity of the first filter is larger than the porosity of the second filter.
前記ガスセンサから得られる検出信号に基づいて前記検出対象ガスの検出処理を行う検出処理部と、を有する
ことを特徴とするガス検出装置。 A gas sensor according to any one of claims 1 to 6;
A gas detection apparatus comprising: a detection processing unit that performs detection processing of the detection target gas based on a detection signal obtained from the gas sensor.
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN110487966A (en) * | 2019-08-23 | 2019-11-22 | 中国科学院广州地球化学研究所 | A kind of integrated transducer terminal and its control method |
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