JP2018036062A - Gas detection element and gas detector - Google Patents

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純一 駒田
鈴木 卓弥
Takuya Suzuki
卓弥 鈴木
稔貴 古田
Toshitaka Furuta
稔貴 古田
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a gas detection element which is joined to a wiring more strongly and can stably detect a detection target gas.SOLUTION: The gas detection element includes: a gas sensing layer 107b having electric characteristics which vary by contacting with a detection target gas; an electrode 107a connected to the gas sensing layer; and sensing electrode layers 108 and 109 on the surface of the electrode, to which the wiring is connected.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、ガス検出素子及びガス検出装置に関する。   The present invention relates to a gas detection element and a gas detection device.

従来から、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検出素子が知られている。このようなガス検出素子として、検知対象ガスの濃度に応じて抵抗値が変化するガス感応部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)。   Conventionally, a gas detection element that detects fuel gas, carbon monoxide gas generated by incomplete combustion of the fuel gas, and the like is known. As such a gas detection element, a detection element having a gas sensitive part whose resistance value changes according to the concentration of the detection target gas is known (see, for example, Patent Document 1).

特許文献1に係る検知素子では、ガス感応部に接続されている一対の電極に電圧を印加して求められるガス感応部の抵抗値変化に基づいて、検知対象ガスの濃度を測定することができる。   In the detection element according to Patent Document 1, the concentration of the detection target gas can be measured based on a change in the resistance value of the gas sensitive part obtained by applying a voltage to a pair of electrodes connected to the gas sensitive part. .

特開平10−197470号公報JP-A-10-197470

特許文献1に係る検知素子では、電極に接続される配線を通じてガス感応部に電圧が印加される。ここで、電極と配線との接合強度が低いと、微小な衝撃や振動等により電極と配線との接合界面が剥離し、ガス感応部の抵抗値が変動してガス濃度の測定精度が低下する可能性がある。また、電極と配線とが完全に剥離して断線し、検知対象ガスを検出できなくなる可能性がある。   In the sensing element according to Patent Document 1, a voltage is applied to the gas sensitive part through wiring connected to the electrode. Here, if the bonding strength between the electrode and the wiring is low, the bonding interface between the electrode and the wiring is peeled off due to a minute impact, vibration, etc., and the resistance value of the gas sensitive part fluctuates and the measurement accuracy of the gas concentration decreases. there is a possibility. Further, there is a possibility that the electrode and the wiring are completely separated and disconnected, and the detection target gas cannot be detected.

本発明は上記に鑑みてなされたものであって、配線との接合強度が向上して検出対象ガスを安定して検出可能なガス検出素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a gas detection element capable of detecting a detection target gas stably by improving the bonding strength with a wiring.

本発明の一態様におけるガス検出素子によれば、検出対象ガスとの接触により電気的特性が変化するガス感知層と、前記ガス感知層に接続されている電極と、前記電極の表面に形成されて配線が接合される感知電極層と、を有する。   According to the gas detection element of one aspect of the present invention, the gas detection layer is formed on the surface of the gas sensing layer whose electrical characteristics change by contact with the detection target gas, the electrode connected to the gas sensing layer, and the electrode. And a sensing electrode layer to which the wiring is bonded.

本発明の実施形態によれば、配線との接合強度が向上して検出対象ガスを安定して検出可能なガス検出素子が提供される。   According to the embodiment of the present invention, a gas detection element capable of detecting a detection target gas stably by improving the bonding strength with a wiring is provided.

実施形態におけるガス検出装置の概略構成を例示する図である。It is a figure which illustrates schematic structure of the gas detection apparatus in embodiment. 実施形態におけるガスセンサの断面概略図である。It is a section schematic diagram of a gas sensor in an embodiment. 実施形態におけるガス検出素子の断面概略図である。It is a section schematic diagram of a gas detection element in an embodiment.

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 gas detection device 100 according to the embodiment.

図1に示されるように、ガス検出装置100は、ガスセンサ1、制御部2、警報器3を有する。   As shown in FIG. 1, the gas detection device 100 includes a gas sensor 1, a control unit 2, and an alarm device 3.

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)、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。   The gas sensor 1 includes a gas detection element 10 and detects a detection target gas. The detection target gas is, for example, fuel gas (main component is methane), carbon monoxide gas, hydrogen gas, or the like generated when the fuel gas is incompletely burned.

制御部2は、駆動部21及び検出部22を有し、ガスセンサ1に接続されている。制御部2が有する各部の機能は、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 control unit 2 includes a drive unit 21 and a detection unit 22 and is connected to the gas sensor 1. The function of each unit included in the control unit 2 is realized by, for example, a program that the CPU reads from the ROM and executes in cooperation with the RAM, a plurality of circuits, and the like.

駆動部21は、ガス検出素子10のヒータ層に通電して発熱させることでガス感知層を加熱し、ガス感知層の電気的特性変化に基づいて検出対象ガスを検出できるようにガス検出素子10を駆動させる。   The drive unit 21 heats the gas sensing layer by energizing the heater layer of the gas sensing element 10 to generate heat, and the gas sensing element 10 can detect the detection target gas based on a change in electrical characteristics of the gas sensing layer. Drive.

検出部22は、ガス検出素子10のガス感知層の電気的特性の変化を検出し、ガスセンサ1の周囲雰囲気における検出対象ガスの濃度を検出する。より具体的には、検出部22は、ガス検出素子10のガス感知層の抵抗値に基づいて検出対象ガスの濃度を検出する。また、検出部22は、検出対象ガスの濃度が所定値以上の場合に、検出信号を警報器3に送信する。   The detection unit 22 detects a change in electrical characteristics of the gas sensing layer of the gas detection element 10 and detects the concentration of the detection target gas in the ambient atmosphere of the gas sensor 1. More specifically, the detection unit 22 detects the concentration of the detection target gas based on the resistance value of the gas sensing layer of the gas detection element 10. The detection unit 22 transmits a detection signal to the alarm device 3 when the concentration of the detection target gas is equal to or higher than a predetermined value.

警報器3は、制御部2に接続されており、検出部22から検出信号を受信した場合に音を発したりランプを点灯させたりすることで、検出対象ガスが検出されたことを報知する。   The alarm device 3 is connected to the control unit 2, and notifies that the detection target gas has been detected by emitting a sound or turning on a lamp when a detection signal is received from the detection unit 22.

なお、ガス検出装置100には、操作入力を行う操作入力部、制御部2の検出部22による検出結果を表示する表示部等が設けられてもよい。   In addition, the gas detection apparatus 100 may be provided with an operation input unit that performs an operation input, a display unit that displays a detection result by the detection unit 22 of the control unit 2, and the like.

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 gas sensor 1 according to the embodiment.

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12、フィルタ体18、リード端子19を有する。以下では、ガスセンサ1におけるケース12の開口13側を上、リード端子19側を下として説明するが、ガスセンサ1の取り付け姿勢を限定するものではない。   As shown in FIG. 2, the gas sensor 1 includes a gas detection element 10, a case 12, a filter body 18, and lead terminals 19. In the following description, the opening 13 side of the case 12 in the gas sensor 1 is described as the upper side, and the lead terminal 19 side is the lower side, but the mounting posture of the gas sensor 1 is not limited.

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の構成については後述する。リード端子19は、センサベース11から下方に突出するように設けられており、不図示の配線により上端がガス検出素子10に接続されている。制御部2が設けられているプリント基板にリード端子19が接合されることで、ガスセンサ1のガス検出素子10と、制御部2の駆動部21及び検出部22とが接続される。   The gas detection element 10 is fixed to the upper surface of a stepped disk-shaped sensor base 11. The configuration of the gas detection element 10 will be described later. The lead terminal 19 is provided so as to protrude downward from the sensor base 11, and its upper end is connected to the gas detection element 10 by a wiring (not shown). By joining the lead terminal 19 to the printed circuit board on which the control unit 2 is provided, the gas detection element 10 of the gas sensor 1 and the drive unit 21 and the detection unit 22 of the control unit 2 are connected.

ケース12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12の上壁には、ガスが流通する開口13が形成されている。   The case 12 is formed in a cylindrical shape, and the lower end side is fixed to the periphery of the sensor base 11 and covers the periphery of the gas detection element 10. An opening 13 through which gas flows is formed in the upper wall of the case 12.

第1メッシュ15は、開口13を塞ぐようにケース12の内部に取り付けられている。第2メッシュ16は、第1メッシュ15の下方に所定の間隔を空けてケース12の内部に取り付けられている。第3メッシュ17は、第2メッシュ16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17は、防爆のために2重メッシュとなっている。   The first mesh 15 is attached to the inside of the case 12 so as to close the opening 13. The second mesh 16 is attached to the inside of the case 12 with a predetermined interval below the first mesh 15. The third mesh 17 is attached to the inside of the case 20 with a predetermined interval below the second mesh 16. The third mesh 17 is a double mesh for explosion protection.

第1メッシュ15、第2メッシュ16、及び第3メッシュ17は、それぞれステンレス製のネットであり、第1フィルタ18a及び第2フィルタ18bの押さえとして機能する。また、第2メッシュ16は、第1フィルタ18aと第2フィルタ18bの仕切りとして機能する。   Each of the first mesh 15, the second mesh 16, and the third mesh 17 is a stainless steel net, and functions as a presser for the first filter 18a and the second filter 18b. The second mesh 16 functions as a partition between the first filter 18a and the second filter 18b.

フィルタ体18は、ケース12の開口13とガス検出素子10との間に設けられている。フィルタ体18は、開口13から流入する検出対象ガスをガス検出素子10側に通過させ、非検出対象ガスを吸着する。フィルタ体18は、第1フィルタ18a及び第2フィルタ18bを有する。   The filter body 18 is provided between the opening 13 of the case 12 and the gas detection element 10. The filter body 18 allows the detection target gas flowing from the opening 13 to pass to the gas detection element 10 side, and adsorbs the non-detection target gas. The filter body 18 includes a first filter 18a and a second filter 18b.

第1フィルタ18aは、第1メッシュ15と第2メッシュ16との間に設けられており、開口13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18aは、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。   The first filter 18a is provided between the first mesh 15 and the second mesh 16, and allows the detection target gas flowing from the opening 13 to pass therethrough and adsorbs the non-detection target gas. The first filter 18a has a filter case (not shown) in which an infinite number of air holes are formed, and granular (powder, spherical, crushed) activated carbon filled in the filter case as an adsorbent.

第2フィルタ18bは、第1フィルタ18aの下側に積層されるように、第2メッシュ16と第3メッシュ17との間に設けられている。第2フィルタ18bは、開口13から流入する検出対象ガスを通過させ、第1フィルタ18aを通過した非検出対象ガスを吸着する。第2フィルタ18bは、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。   The second filter 18b is provided between the second mesh 16 and the third mesh 17 so as to be stacked below the first filter 18a. The second filter 18b passes the detection target gas flowing from the opening 13 and adsorbs the non-detection target gas that has passed through the first filter 18a. The second filter 18b has a filter case (not shown) in which an infinite number of air holes are formed, and granular (powder, spherical, crushed) activated carbon filled in the filter case as an adsorbent.

第1フィルタ18a及び第2フィルタ18b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 first filter 18a and the second filter 18b performs physical adsorption by van der Waals force in the gas phase. Activated carbon adsorbs non-detection target gases such as alcohol vapor, siloxane compounds, SOx, NOx, VOCs, etc., and detection targets such as methane, propane, butane, carbon monoxide, and hydrogen, which are the main components of fuel gas Gas does not adsorb.

このため、開口13からケース12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18a及び第2フィルタ18b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13からケース12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18a及び第2フィルタ18bに吸着するものの、大部分が第1フィルタ18a及び第2フィルタ18b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 case 12 from the opening 13 is adsorbed by the first filter 18 a and the second filter 18 b and reaches the gas detection element 10 in a very small amount. In addition, the detection target gas that has flowed into the case 12 through the opening 13 is adsorbed by the first filter 18a and the second filter 18b, but most of the detection target gas passes through the first filter 18a and the second filter 18b. The gas detection element 10 is reached.

このように、ガスセンサ1では、第1フィルタ18a及び第2フィルタ18bが非検出対象ガスを除去することで、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 gas sensor 1, the first filter 18a and the second filter 18b remove the non-detection target gas, so that the gas detection element 10 can detect the detection target gas with high accuracy.

なお、本実施形態におけるガスセンサ1では、フィルタ体18が第1フィルタ18a及び第2フィルタ18bの2つのフィルタで構成されているが、1つ又は3つ以上のフィルタで構成されてもよい。また、第1フィルタ18a及び第2フィルタ18b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18a及び第2フィルタ18bには、それぞれ異なる吸着材が用いられてもよい。   In addition, in the gas sensor 1 in this embodiment, the filter body 18 is comprised by two filters, the 1st filter 18a and the 2nd filter 18b, However, You may be comprised by 1 or 3 or more filters. Further, the adsorbent for the first filter 18a and the second filter 18b is not limited to activated carbon, and may be silica gel, for example. Further, different adsorbents may be used for the first filter 18a and the second filter 18b, respectively.

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 gas detection element 10 in the embodiment.

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106、ガス検出部107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 gas detection element 10 includes a silicon substrate 101, a thermal insulation support layer 102, a heater layer 103, an electrical insulation layer 106, and a gas detection unit 107. Note that the size and thickness of each part of the gas detection element 10 shown in FIG. 3 are appropriately changed for the sake of explanation.

シリコン基板101は、ガス検出部107に対応する部分に貫通孔101aが形成されている。   In the silicon substrate 101, a through hole 101 a is formed in a portion corresponding to the gas detection unit 107.

熱絶縁支持層102は、シリコン基板101の貫通孔101a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SiO層102a、CVD−Si層102b、CVD−SiO層102cの三層構造となっている。 The heat insulating support layer 102 is formed on the upper surface of the silicon substrate 101 so as to cover the through hole 101a of the silicon substrate 101 and to have a diaphragm structure. The thermally insulating support layer 102 has a three-layer structure of a thermally oxidized SiO 2 layer 102a, a CVD-Si 3 N 4 layer 102b, and a CVD-SiO 2 layer 102c.

熱酸化SiO層102aは、熱絶縁層である。熱酸化SiO層102aにより、ヒータ層103において生じた熱がシリコン基板101に伝わりにくくなる。また、熱酸化SiO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101aの形成を容易にする。 The thermally oxidized SiO 2 layer 102a is a heat insulating layer. The thermal oxide SiO 2 layer 102 a makes it difficult for heat generated in the heater layer 103 to be transmitted to the silicon substrate 101. Further, the thermally oxidized SiO 2 layer 102a exhibits high resistance to plasma etching, and facilitates formation of the through hole 101a of the silicon substrate 101 by plasma etching.

CVD−Si層102bは、熱酸化SiO層102aの上面側に積層されている。CVD−SiO層102cは、電気絶縁層であり、CVD−Si層102bの上面側に積層されている。 The CVD-Si 3 N 4 layer 102b is stacked on the upper surface side of the thermally oxidized SiO 2 layer 102a. The CVD-SiO 2 layer 102c is an electrically insulating layer and is laminated on the upper surface side of the CVD-Si 3 N 4 layer 102b.

ヒータ層103は、Ta/PtW/Ta膜であり、スパッタリングによりCVD−SiO層102cの上面にTa膜、PtW膜、及びTa膜がこの順に連続成膜されることで形成されている。 The heater layer 103 is a Ta / PtW / Ta film, and is formed by continuously forming a Ta film, a PtW film, and a Ta film in this order on the upper surface of the CVD-SiO 2 layer 102c by sputtering.

ヒータ層103の表面には、配線が接合されるヒータ電極層105が形成されている。ヒータ電極層105には、例えばワイヤボンディングにより配線が接合される。ヒータ層103とヒータ電極層105との間には、ヒータ層103とヒータ電極層105とを接合するヒータ中間層104が形成されている。   On the surface of the heater layer 103, a heater electrode layer 105 to which wiring is bonded is formed. For example, wires are bonded to the heater electrode layer 105 by wire bonding. A heater intermediate layer 104 that joins the heater layer 103 and the heater electrode layer 105 is formed between the heater layer 103 and the heater electrode layer 105.

ヒータ層103は、ヒータ電極層105に接合される配線やリード端子19等を通じて制御部2の駆動部21に接続され、駆動部21から通電されて発熱することでガス検出部107を加熱する。   The heater layer 103 is connected to the drive unit 21 of the control unit 2 through the wiring joined to the heater electrode layer 105, the lead terminal 19 and the like, and heats the gas detection unit 107 when energized from the drive unit 21 to generate heat.

電気絶縁層106は、例えばSiO膜であり、ヒータ層103、ヒータ中間層104、及びヒータ電極層105を覆うように熱絶縁支持層102の上面に形成されている。電気絶縁層106には、例えばフォトリソグラフィにより配線とヒータ電極層105との接合部分に開口106aが形成されている。 The electrical insulating layer 106 is, for example, a SiO 2 film, and is formed on the upper surface of the thermal insulating support layer 102 so as to cover the heater layer 103, the heater intermediate layer 104, and the heater electrode layer 105. In the electrical insulating layer 106, an opening 106a is formed at a joint portion between the wiring and the heater electrode layer 105, for example, by photolithography.

ガス検出部107は、一対の電極107a、ガス感知層107b、ガス選択燃焼層107cを有する。   The gas detection unit 107 includes a pair of electrodes 107a, a gas sensing layer 107b, and a gas selective combustion layer 107c.

電極107aは、Ta/Pt膜であり、スパッタリングにより電気絶縁層106の上面にTa膜、Pt膜がこの順に連続成膜されることで形成されている。Ta膜により、Pt膜と電気絶縁層106との接合強度が高められている。   The electrode 107a is a Ta / Pt film, and is formed by continuously forming a Ta film and a Pt film in this order on the upper surface of the electrical insulating layer 106 by sputtering. The bonding strength between the Pt film and the electrical insulating layer 106 is increased by the Ta film.

電極107aの表面には、配線が接合される感知電極層109が形成されている。感知電極層109には、例えばワイヤボンディングにより配線が接合される。電極107aと感知電極層109との間には、電極107aと感知電極層109とを接合する感知中間層108が形成されている。電極107aは、感知電極層109に接合される配線やリード端子19等を通じて制御部2の検出部22に接続されている。   A sensing electrode layer 109 to which the wiring is bonded is formed on the surface of the electrode 107a. For example, wiring is bonded to the sensing electrode layer 109 by wire bonding. A sensing intermediate layer 108 that joins the electrode 107 a and the sensing electrode layer 109 is formed between the electrode 107 a and the sensing electrode layer 109. The electrode 107 a is connected to the detection unit 22 of the control unit 2 through a wiring joined to the sensing electrode layer 109, the lead terminal 19, and the like.

ガス感知層107bは、各電極107aの少なくとも一部を覆うように電気絶縁層106の上面に形成されている。なお、ガス感知層107bは、例えば、SnO、In、WO、ZnO、TiO等の金属酸化物を主成分として形成される。 The gas sensing layer 107b is formed on the upper surface of the electrical insulating layer 106 so as to cover at least a part of each electrode 107a. The gas sensing layer 107b is formed, for example, using a metal oxide such as SnO 2 , In 2 O 3 , WO 3 , ZnO, or TiO 2 as a main component.

ガス選択燃焼層107cは、例えば、Pd、PdO、Pt等の少なくとも一種の触媒を担持した焼結体である。ガス選択燃焼層107cは、例えば、触媒担持Al焼結体であり、ガス感知層107bを覆うように形成されている。 The gas selective combustion layer 107c is a sintered body supporting at least one kind of catalyst such as Pd, PdO, or Pt. The gas selective combustion layer 107c is, for example, a catalyst-supported Al 2 O 3 sintered body, and is formed so as to cover the gas sensing layer 107b.

ガス選択燃焼層107c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、被検出対象ガスを酸化除去できる。ガス選択燃焼層107cによってガス感知層107bに到達する検出対象ガスの濃度が高まり、より高感度に検出対象ガスの検出を行うことが可能になる。なお、ガス選択燃焼層107cは、例えば、Cr、Fe、Ni、ZrO、SiO、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 selective combustion layer 107c can oxidize and remove the detection target gas by accelerating the combustion reaction of the reducing non-detection target gas having a higher oxidation activity than the detection target gas. The concentration of the detection target gas that reaches the gas sensing layer 107b is increased by the gas selective combustion layer 107c, and the detection target gas can be detected with higher sensitivity. Note that the gas selective combustion layer 107c may be formed using, for example, a metal oxide such as Cr 2 O 3 , Fe 2 O 3 , Ni 2 O 3 , ZrO 2 , SiO 2 , or zeolite as a main component.

ガス感知層107bは、例えば、n型金属酸化物半導体のSnO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107bの表面に吸着する際に、ガス感知層107b内から電子を取り込む。このため、ガス感知層107b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 gas sensing layer 107b is, for example, an SnO 2 layer of an n-type metal oxide semiconductor and adsorbs oxygen on the surface. Oxygen has a strong electron-accepting property and adsorbs negative charges, so when oxygen is adsorbed on the surface of the gas sensing layer 107b, it takes in electrons from the gas sensing layer 107b. For this reason, when oxygen is adsorbed on the surface of the gas sensing layer 107b, the internal electron density decreases, the conductivity decreases, and the resistance increases.

酸素が吸着したガス感知層107b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CH、H、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107b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107b内に戻される。このため、ガス感知層107b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 gas sensing layer 107b to which oxygen is adsorbed is heated to about 300 ° C. to 500 ° C. by the heater layer 103, a combustion reaction such as CH 4 , H 2 , and CO of the detection target gas occurs. By the combustion reaction of these combustible gases, oxygen (O 2− ) adsorbed on the surface of the gas sensing layer 107b is consumed, and the adsorbed oxygen electrons trapped in the adsorbed oxygen become free electrons in the gas sensing layer 107b. Returned to For this reason, the gas sensing layer 107b increases in internal electron density, increases in conductivity, and decreases in resistance.

検出対象ガス(CH、H、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.

CH+4O2−(ad)⇒CO+2HO+8e
+O2−(ad)⇒HO+2e
CO+O2−(ad)⇒CO+2e
ガス検出装置100の駆動部21は、ヒータ電極層105に接合されている配線を通じてヒータ層103に間欠的に通電することで、ガス感知層107bを所定の周期で加熱する。検出部22は、感知電極層109に接合されている配線を通じてガス感知層107bの電気的特性として抵抗値を検出し、検出した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 drive unit 21 of the gas detection device 100 heats the gas sensing layer 107b at a predetermined cycle by energizing the heater layer 103 intermittently through the wiring joined to the heater electrode layer 105. The detection unit 22 detects a resistance value as an electrical characteristic of the gas sensing layer 107b through a wiring joined to the sensing electrode layer 109, and obtains the concentration of the detection target gas based on the detected resistance value.

ガス選択燃焼層107cは、ガス感知層107b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107b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107c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、CH等の検出対象ガスは通過させる。 The gas selective combustion layer 107c covers the gas sensing layer 107b and is heated by the heater layer 103 to burn the non-detection target gas, thereby increasing the concentration of the detection target gas reaching the gas sensing layer 107b. The gas selective combustion layer 107c selectively burns a high-boiling point hydrocarbon gas, a non-detection target gas such as ethanol or VOC, and allows a detection target gas such as CH 4 to pass therethrough.

本実施形態におけるガスセンサ1では、上記したように、フィルタ体18において非検出対象ガスが吸着除去されるが、フィルタ体18を通過した非検出対象ガスはガス選択燃焼層107c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107b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。   In the gas sensor 1 according to the present embodiment, as described above, the non-detection target gas is adsorbed and removed by the filter body 18, but the non-detection target gas that has passed through the filter body 18 is burned in the gas selective combustion layer 107c. For this reason, in the gas sensor 1, the non-detection target gas reaching the gas sensing layer 107b of the gas detection element 10 is reduced, and the detection target gas can be detected with high accuracy.

また、本実施形態におけるガス検出素子10では、ヒータ層103の表面に配線が接合されるヒータ電極層105が形成されている。また、電極107aの表面に配線が接合される感知電極層109が形成されている。配線が接合されるヒータ電極層105及び感知電極層109は、例えば、配線材料と合金を形成可能な材料で形成することが好ましい。例えば、配線材料がAuの場合には、ヒータ電極層105及び感知電極層109として、Au膜、Pt膜、Au合金膜等を形成する。配線材料がCuの場合には、ヒータ電極層105及び感知電極層109として、Cu膜、Cu合金膜等を形成する。また、配線材料がAlの場合には、ヒータ電極層105及び感知電極層109として、Al膜、AlSi膜、Al合金膜等を形成する。ヒータ電極層105、感知電極層109、及び配線材料には、接合強度及び熱伝導率が高いAuを用いることが好ましい。また、Cuを用いることでコストを低減することができる。   Moreover, in the gas detection element 10 in this embodiment, the heater electrode layer 105 to which wiring is joined is formed on the surface of the heater layer 103. In addition, a sensing electrode layer 109 is formed on the surface of the electrode 107a to which wiring is bonded. The heater electrode layer 105 and the sensing electrode layer 109 to which the wiring is joined are preferably formed of a material capable of forming an alloy with the wiring material, for example. For example, when the wiring material is Au, an Au film, a Pt film, an Au alloy film, or the like is formed as the heater electrode layer 105 and the sensing electrode layer 109. When the wiring material is Cu, a Cu film, a Cu alloy film, or the like is formed as the heater electrode layer 105 and the sensing electrode layer 109. When the wiring material is Al, an Al film, an AlSi film, an Al alloy film, or the like is formed as the heater electrode layer 105 and the sensing electrode layer 109. For the heater electrode layer 105, the sensing electrode layer 109, and the wiring material, it is preferable to use Au having high bonding strength and thermal conductivity. Moreover, cost can be reduced by using Cu.

また、ヒータ中間層104及び感知中間層108は、例えば、Ti膜、Cr膜、Ni膜、Ta膜等である。ヒータ中間層104により、ヒータ層103とヒータ電極層105とが接合される。同様に、感知中間層108により、電極107aと感知電極層109とが接合される。   The heater intermediate layer 104 and the sensing intermediate layer 108 are, for example, a Ti film, a Cr film, a Ni film, a Ta film, or the like. The heater layer 103 and the heater electrode layer 105 are joined by the heater intermediate layer 104. Similarly, the electrode 107 a and the sensing electrode layer 109 are joined by the sensing intermediate layer 108.

本実施形態におけるガス検出素子10では、上記したように、ヒータ電極層105を介してヒータ層103と配線とが接続される。また、感知電極層109を介して電極107aと配線とが接続される。ヒータ電極層105及び感知電極層109を、それぞれヒータ層103及び電極107aよりも配線との接合強度が高い材料を用いて形成することで、配線と、ヒータ層103及び電極107aとの接続信頼性を高めることができる。   In the gas detection element 10 in the present embodiment, the heater layer 103 and the wiring are connected via the heater electrode layer 105 as described above. Further, the electrode 107 a and the wiring are connected through the sensing electrode layer 109. By forming the heater electrode layer 105 and the sensing electrode layer 109 using a material having higher bonding strength to the wiring than the heater layer 103 and the electrode 107a, respectively, the connection reliability between the wiring and the heater layer 103 and the electrode 107a is achieved. Can be increased.

このため、衝撃や振動等による配線とヒータ電極層105との剥離や断線等が低減し、安定的にヒータ層103に通電してガス感知層107bを所望の温度に加熱することができる。また、同様に配線と感知電極層109との剥離や断線等が低減し、ガス感知層107bにおける抵抗変化の検出結果に基づいて、安定的に且つ高精度に検出対象ガスの濃度を検出することが可能になっている。   For this reason, separation or disconnection between the wiring and the heater electrode layer 105 due to impact or vibration is reduced, and the gas sensing layer 107b can be heated to a desired temperature by energizing the heater layer 103 stably. Similarly, the separation and disconnection between the wiring and the sensing electrode layer 109 can be reduced, and the concentration of the detection target gas can be detected stably and with high accuracy based on the detection result of the resistance change in the gas sensing layer 107b. Is possible.

以上で説明したように、本実施形態におけるガス検出素子10によれば、配線との接合強度が向上して安定的に検出対象ガスを検出することが可能になる。   As described above, according to the gas detection element 10 in the present embodiment, the bonding strength with the wiring is improved, and the detection target gas can be stably detected.

以上、実施形態に係るガス検出素子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 detection element 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、ヒータ中間層104及びヒータ電極層105は、ヒータ層103の上面全体に設けられなくてもよく、配線との接合部に電極パッドとして部分的に形成されてもよい。同様に、感知中間層108及び感知電極層109は、電極107aの上面全体に設けられなくてもよく、配線との接合部に電極パッドとして部分的に形成されてもよい。   For example, the heater intermediate layer 104 and the heater electrode layer 105 do not have to be provided on the entire upper surface of the heater layer 103, and may be partially formed as electrode pads at the junction with the wiring. Similarly, the sensing intermediate layer 108 and the sensing electrode layer 109 may not be provided on the entire upper surface of the electrode 107a, and may be partially formed as an electrode pad at a junction with the wiring.

1 ガスセンサ
2 制御部
10 ガス検出素子
21 駆動部
22 検出部
100 ガス検出装置
103 ヒータ層
104 ヒータ中間層
105 ヒータ電極層
107 ガス検出部
107a 電極
107b ガス感知層
107c ガス選択燃焼層
108 感知中間層
109 感知電極層
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Gas sensor 2 Control part 10 Gas detection element 21 Drive part 22 Detection part 100 Gas detection apparatus 103 Heater layer 104 Heater intermediate layer 105 Heater electrode layer 107 Gas detection part 107a Electrode 107b Gas sensing layer 107c Gas selective combustion layer 108 Sensing intermediate layer 109 Sensing electrode layer

Claims (4)

検出対象ガスとの接触により電気的特性が変化するガス感知層と、
前記ガス感知層に接続されている電極と、
前記電極の表面に形成されて配線が接合される感知電極層と、を有する
ことを特徴とするガス検出素子。
A gas sensing layer whose electrical characteristics change upon contact with the gas to be detected;
An electrode connected to the gas sensing layer;
And a sensing electrode layer formed on a surface of the electrode to which wiring is joined.
前記検出対象ガスを選択的に検出できるように前記ガス感知層を加熱するヒータ層と、
前記ヒータ層の表面に形成されて配線が接合されるヒータ電極層と、を有する
ことを特徴とする請求項1に記載のガス検出素子。
A heater layer that heats the gas sensing layer so that the detection target gas can be selectively detected;
The gas detection element according to claim 1, further comprising: a heater electrode layer formed on a surface of the heater layer to which wiring is joined.
前記電極と前記感知電極層との間には、前記電極と前記感知電極層とを接合する感知中間層が形成されており、
前記ヒータ層と前記ヒータ電極層との間には、前記ヒータ層と前記ヒータ電極層とを接合するヒータ中間層が形成されている
ことを特徴とする請求項2に記載のガス検出素子。
Between the electrode and the sensing electrode layer, a sensing intermediate layer that joins the electrode and the sensing electrode layer is formed,
The gas detection element according to claim 2, wherein a heater intermediate layer that joins the heater layer and the heater electrode layer is formed between the heater layer and the heater electrode layer.
請求項1から3の何れか一項に記載のガス検出素子と、
前記ガス感知層の電気的特性の変化に基づいて前記検出対象ガスを検出する検出部と、を有する
ことを特徴とするガス検出装置。
A gas detection element according to any one of claims 1 to 3,
A gas detection apparatus comprising: a detection unit that detects the detection target gas based on a change in electrical characteristics of the gas sensing layer.
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