JP2018036062A - Gas detection element and gas detector - Google Patents
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Abstract
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
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
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.
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、制御部2、警報器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)、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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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 support layer 102 is formed on the upper surface of the
熱酸化SiO2層102aは、熱絶縁層である。熱酸化SiO2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
CVD−Si3N4層102bは、熱酸化SiO2層102aの上面側に積層されている。CVD−SiO2層102cは、電気絶縁層であり、CVD−Si3N4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−SiO2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
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
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
電気絶縁層106は、例えばSiO2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
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
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
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
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、SnO2、In2O3、WO3、ZnO、TiO2等の金属酸化物を主成分として形成される。
The
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Al2O3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
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、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107bは、例えば、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
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
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
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、CH4等の検出対象ガスは通過させる。
The gas
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
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
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
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
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
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
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
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
Claims (4)
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.
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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