JP2019015521A - Contact combustion type gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、可燃性ガスを検知する接触燃焼式ガスセンサに関する。 The present invention relates to a contact combustion type gas sensor that detects a combustible gas.
焼結体のガス感応部を持つガスセンサは、半導体式・接触燃焼式・固体電解質などが公知である。これらは、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 sensor having a gas sensitive part of a sintered body, a semiconductor type, a catalytic combustion type, a solid electrolyte, and the like are known. These usually perform gas detection in a state where the gas sensitive part is maintained at 300 ° C. to 700 ° C., so that 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。電池の電力消費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ことが望ましい。 In recent years, there is an increasing demand for driving gas sensors with batteries for a long period of time. In order to suppress the power consumption of the battery and reduce the frequency of battery replacement as much as possible, it is desirable to reduce the power consumption of the gas sensor.
そこで、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。 Therefore, if a MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology capable of microfabrication is used, a minute member can be processed, and a gas detection element that is reduced in size and consumes less power can be manufactured.
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、例えば、吊橋型の接触燃焼式ガス検知素子が公知となっている(例えば、特許文献1参照)。 As a gas detection element having a supported substrate portion manufactured by the MEMS technology, for example, a suspension bridge type catalytic combustion type gas detection element is known (for example, see Patent Document 1).
このタイプの接触燃焼式のガス検知素子は、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(被支持基板部及び架橋部を含めて「メンブレン」もしくは「ダイヤフラム」とも呼ばれる)によってシリコン基板等の支持基板部に空中に浮かぶように中空状態で支持されており、該支持基板部と被支持基板部との相互の熱伝達を抑えることができるため、熱絶縁性に優れる。これにより、吊橋型の接触燃焼式ガス検知素子では放熱による温度低下を防いで、低消費電力を実現することができる。 In this type of catalytic combustion type gas detection element, a supported substrate portion provided with a gas sensitive portion and a heating means is called a plurality of bridge portions (including a supported substrate portion and a bridge portion, also referred to as “membrane” or “diaphragm”). ) Is supported in a hollow state so that it floats in the air on a supporting substrate portion such as a silicon substrate, and mutual heat transfer between the supporting substrate portion and the supported substrate portion can be suppressed, so that heat insulation is excellent. . As a result, the suspension bridge type catalytic combustion type gas detection element can prevent a temperature drop due to heat dissipation and realize low power consumption.
接触燃焼式のガス検知素子は、可燃性ガスに対して燃焼反応する検知素子と燃焼反応しない補償素子の2つの素子を有しており、可燃性ガスが存在すると、検知素子側で燃焼するため検知素子温度は上昇し、検知素子の抵抗が増加する。この抵抗変化量を測定することにより、可燃性ガスを検知することができる。接触燃焼式のガス検知素子では、例えば、可燃性ガスの一例として水素が存在する場合、検知素子において燃焼して水が生成される。 The contact combustion type gas detection element has two elements, a detection element that performs a combustion reaction with respect to the combustible gas and a compensation element that does not perform the combustion reaction, and if there is a combustible gas, it burns on the detection element side. The sensing element temperature increases and the resistance of the sensing element increases. By measuring this resistance change amount, combustible gas can be detected. In the contact combustion type gas detection element, for example, when hydrogen is present as an example of a combustible gas, the detection element burns to generate water.
本発明者らは、例えば、MEMS技術によって従来よりも小型化された接触燃焼式のガス検知素子では、所定の水素ガス濃度において検知素子の周囲に燃焼によって生成する水滴が付着し、この水滴により検知素子の抵抗を変化させてしまい、検知素子の出力値にばらつきが生じる原因となることを突き止めた。これは、上述したように低消費電力のために小型化された接触燃焼式のガス検知素子に特有の問題である。そのため、接触燃焼式のガス検知素子においては可燃性ガスの燃焼により生成する水の影響を抑制する技術が望まれている。 For example, in the catalytic combustion type gas detection element that has been reduced in size by the MEMS technology, water droplets generated by combustion adhere to the periphery of the detection element at a predetermined hydrogen gas concentration. It has been found that the resistance of the sensing element is changed, causing variations in the output value of the sensing element. This is a problem peculiar to the catalytic combustion type gas detection element reduced in size for low power consumption as described above. Therefore, a technology for suppressing the influence of water generated by combustion of combustible gas is desired in the catalytic combustion type gas detection element.
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、可燃性ガスの燃焼により生成する水の影響を抑制することができる接触燃焼式ガスセンサを提供することを目的とする。 Then, this invention is made | formed in view of the said subject, and it aims at providing the contact combustion type gas sensor which can suppress the influence of the water produced | generated by combustion of combustible gas.
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。 The problem to be solved by the present invention is as described above. Next, means for solving the problem will be described.
即ち、本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいては、可燃性ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する検知素子と、前記可燃性ガスの燃焼によって生成される水を除去する除去手段と、を備えたものである。 That is, the catalytic combustion type gas sensor of the present invention comprises a detection element whose resistance value changes according to the combustion heat of the combustible gas, and a removing means for removing water generated by the combustion of the combustible gas. It is a thing.
このような構成によれば、可燃性ガスとして、例えば、水素等の可燃性ガスが燃焼して生成する水を除去手段により除去することができるため、水による悪影響を抑制し、可燃性ガスを正確に検知することができる。 According to such a configuration, as the flammable gas, for example, water generated by combustion of flammable gas such as hydrogen can be removed by the removing means. It can be detected accurately.
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいては、前記検知素子が支持される基板をさらに備え、前記除去手段は、前記基板に設けられるものである。 The contact combustion gas sensor of the present invention further includes a substrate on which the detection element is supported, and the removing means is provided on the substrate.
このような構成によれば、基板上に生成する水を効率的に除去することができる。 According to such a structure, the water produced | generated on a board | substrate can be removed efficiently.
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいては、前記検知素子は、前記基板に中空状態で支持されるものである。 In the catalytic combustion gas sensor of the present invention, the detection element is supported by the substrate in a hollow state.
このような構成によれば、中空状態で検知素子が支持されることで、熱絶縁に優れる。 According to such a configuration, since the detection element is supported in a hollow state, the thermal insulation is excellent.
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいては、前記検知素子と並列に接続される補償素子をさらに備え、前記除去手段は、少なくとも前記検知素子の周囲に設けられるものである。 The catalytic combustion type gas sensor of the present invention further includes a compensation element connected in parallel with the detection element, and the removing means is provided at least around the detection element.
このような構成によれば、少なくとも可燃性ガスの燃焼により水が生成する検知素子に除去手段を設けることで、効率的に水を除去できる。 According to such a configuration, it is possible to efficiently remove water by providing the removing means at least on the detection element that generates water by the combustion of the combustible gas.
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいては、前記除去手段は、加熱により水を除去するヒーターであるものである。 In the catalytic combustion gas sensor of the present invention, the removing means is a heater that removes water by heating.
このような構成によれば、簡単な構成で水を除去することができる。 According to such a configuration, water can be removed with a simple configuration.
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいては、前記除去手段は、前記基板における前記可燃性ガスの曝露面側に配置されるものである。 In the catalytic combustion type gas sensor of the present invention, the removing means is arranged on the exposed surface side of the combustible gas in the substrate.
このような構成によれば、基板において可燃性ガスの燃焼により水が生成し易い側となる、可燃性ガスの曝露面側に除去手段を設けることで、効率的に水を除去することができる。 According to such a configuration, water can be efficiently removed by providing the removing means on the exposed surface side of the combustible gas, which is the side where water is easily generated by the combustion of the combustible gas in the substrate. .
本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいては、MEMS技術により形成したものである。 The catalytic combustion type gas sensor of the present invention is formed by MEMS technology.
このような構成によれば、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接触燃焼式ガスセンサを得ることができる。 According to such a configuration, since the MEMS technology capable of fine processing is applied, it is possible to manufacture an extremely small sensing element. Thereby, a contact combustion type gas sensor with low average power consumption can be obtained.
本発明によれば、可燃性ガスとして、例えば、水素等の可燃性ガスが燃焼して生成する水を除去手段により除去することができるため、水による悪影響を抑制し、可燃性ガスを正確に検知することができる。 According to the present invention, as the flammable gas, for example, water generated by combustion of a flammable gas such as hydrogen can be removed by the removing means. Can be detected.
次に、本発明の一実施形態である接触燃焼式ガスセンサ100について図を参照しながら説明する。
Next, a catalytic combustion
接触燃焼式ガスセンサ100は、可燃性ガスを検知する接触燃焼式ガス検知素子60を備えたガスセンサであり、MEMS技術により形成された小型のガスセンサである。
なお、本実施形態における可燃性ガスとは、燃焼反応によって水が生成するガスのことであり、例えば、水素、メタン、イソブタン、エタン、プロパン等が挙げられる。
The catalytic combustion
In addition, the combustible gas in this embodiment is the gas which water produces | generates by a combustion reaction, for example, hydrogen, methane, isobutane, ethane, propane etc. are mentioned.
接触燃焼式ガスセンサ100は、図3に示すように、被検知ガスである水素ガスなどの可燃性ガスを燃焼させて検知する検知素子1と、環境の変化等、可燃性ガスの燃焼以外の温度変化に基づく、検知素子1の抵抗値の変化を補正する補償素子2と、固定抵抗R1、R2とを有し、これらによりブリッジ回路を構成している。検知素子1は、可燃性ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する。検知素子1と補償素子2とは、並列に接続されてブリッジ回路を構成している。ブリッジ回路は、電源Eによって常時所定の電流を供給し、可燃性ガスが接触燃焼し易い温度に検知素子1を保持している。
As shown in FIG. 3, the contact combustion
検知素子1と補償素子2とは、抵抗値が等しくなるように設定してある。このため、可燃性ガスが存在しない場合には、ブリッジ回路は平衡状態となり、センサ出力Vは生じない。一方、可燃性ガスが存在すると、その燃焼によって検知素子1の温度が上昇して抵抗値が大きくなるため、ブリッジ回路の平衡がくずれ、センサ出力Vが生じる。このセンサ出力Vは可燃性ガスの濃度に比例するため、この接触燃焼式ガスセンサ100により空気中の可燃性ガスの濃度を測定することができる。
The
接触燃焼式ガス検知素子60は、図2に示すように、シリコン(Si)基板31と、このシリコン基板31上に形成された絶縁膜Fと、この絶縁膜F上に離間して配置される検知素子1及び補償素子2と、検知素子1及び補償素子2の周囲に配置されるヒーター40を有する。
As shown in FIG. 2, the catalytic combustion type
シリコン基板31は、検知素子1及び補償素子2を支持するための基板である。シリコン基板31には、検知素子1及び補償素子2のそれぞれに対応する位置に凹状で一対の空間Sが設けられている。
The
絶縁膜Fは、薄膜状の1つの絶縁性部材を所定のパターン形状で加工した部材であり、シリコン基板31上に取り付けられる。絶縁膜Fは、ガス感応部11及び加熱手段12を設けるための上面視矩形状の被支持基板部10と、一端が被支持基板部10に連結される複数(本実施形態では4本)の架橋部20と、当該架橋部20の他端が連結される支持基板部30とで構成されている。被支持基板部10は、複数の架橋部20によってシリコン基板31の空間Sの上方に配置され、支持基板部30に吊橋状に保持される。これにより、検知素子1は、空間Sの上方に位置した状態、すなわち、シリコン基板31に中空状態で支持される。
なお、被支持基板部10の上面視の形状は、本実施形態に限らず、円形・楕円形などの形状でもよい。
また、例えば被支持基板部10を正方形とした場合、一辺のサイズは100〜200μmである。
The insulating film F is a member obtained by processing a thin insulating member in a predetermined pattern shape, and is attached on the
Note that the shape of the supported
For example, when the supported
検知素子1は、ガス感応部11と、当該ガス感応部11を加熱するためのPt等の貴金属線からなる加熱手段12とを有している。ガス感応部11は、加熱手段12を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とする焼結体である。ガス感応部11は、触媒担体に貴金属触媒を担持して構成される。貴金属触媒としては、白金、パラジウム等を使用することができる。触媒担体としては、特に限定されないが、例えばアルミナ、シリカアルミナ等を使用することができる。
The
補償素子2は、検知素子1と略同じ構成であり、検知素子1のガス感応部11において貴金属触媒を含まない構成となる補償部13を有している。すなわち、補償部13は、検知素子1で用いられるものと同じ触媒担体のみで構成されている。
The
加熱手段12は、ブロック回路における検出電極と兼用となっている。加熱手段12は、架橋部20・20上に形成される薄膜配線14を介して支持基板部30上に配置されたパッド51、52、53に接続され、パッド51、52、53にはリード(図示せず)がワイヤボンディングされる。当該リード及び薄膜配線14を介して、ガス感応部11が感知した信号は接触燃焼式ガスセンサ100の制御部(図示せず)に送信されるとともに、電源Eにより加熱手段12に電力を供給することができる。
なお、接触燃焼式ガスセンサ100の制御部により、可燃性ガスの存在が確認された後に、一定時間ヒーター40を駆動するように制御して、消費電力を抑えるように構成してもよい。
The heating means 12 is also used as a detection electrode in the block circuit. The heating means 12 is connected to
In addition, after confirming presence of combustible gas by the control part of the contact combustion
被支持基板部10、加熱手段12、及びガス感応部11は、順に積層され、積層体を構成している。当該積層体のうち、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いる。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。当該積層体は、MEMS技術を利用して公知の方法により形成できる。
The supported
ヒーター40は、シリコン基板31の可燃性ガスの曝露面側に設けられ、可燃性ガスの燃焼反応によって生成される水を除去する除去手段である。具体的には、ヒーター40は、白金薄膜からなる加熱手段であり、検知素子1及び補償素子2のそれぞれの周囲に所定のパターンで形成され、検知素子1及び補償素子2のそれぞれの周囲を所定の温度に加熱することで水を気化して除去するものである。本実施形態におけるヒーター40は、シリコン基板31の上端面においてパッド51、52、53が配置された部分を除く部分に主に配置されている。
なお、ヒーター40は、検知素子1及び補償素子2のそれぞれの周囲を加熱できるものであれば、本実施形態のパターン形状に限らず、どのようなパターン形状であってもよい。例えば、検知素子1及び補償素子2のそれぞれの周囲において比較的低温となり易い部分にヒーターを部分的に設ける構成としてもよい。
また、ヒーター40は、少なくとも燃焼反応により水が生成する検知素子1の周囲に設ければよい。
また、ヒーター40による加熱温度は、水が気化する温度以上であればよく、例えば、80℃以上が好ましい。
また、ヒーター40による加熱温度は、上記のとおり水が気化する温度以上であればよいが、省電力の観点から、加熱温度はできるだけ低いほうが好ましい。
また、ヒーター40が配置される範囲は、省電力の観点から、できるだけ狭い範囲であるほうが好ましい。
また、ヒーター40による加熱は、常時加熱しても、所定間隔毎に加熱(間欠的に加熱)してもよいが、省電力の観点からは水素などの可燃性ガスが検出された場合(水が生じる可能性が高い場合)のみ加熱を行うようにしてもよい。
The
The
The
Moreover, the heating temperature by the
Further, the heating temperature by the
In addition, the range in which the
Heating by the
また、ヒーター40の他に水を除去する除去手段としては、例えば、シリコン基板31表面に撥水処理を施してもよく、当該撥水処理とヒーター40を組み合わせた構成であってもよい。
In addition to the
次に、従来のMEMS型の接触燃焼式ガスセンサを用いて高濃度の可燃性ガスを曝露した際の測定結果について説明する。
なお、図4に示すグラフは、縦軸が従来の接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力(mV)であり、横軸が時間(sec.)であり、ガス感応部の温度を300℃に維持して爆発下限界(LEL)までの可燃性ガスの濃度を所定時間経過毎に増加させていったものである。
Next, measurement results when a high-concentration combustible gas is exposed using a conventional MEMS-type catalytic combustion gas sensor will be described.
In the graph shown in FIG. 4, the vertical axis represents the sensor output (mV) of a conventional catalytic combustion gas sensor, the horizontal axis represents time (sec.), And the temperature of the gas sensitive part is maintained at 300 ° C. The concentration of the combustible gas up to the lower explosion limit (LEL) is increased every elapse of a predetermined time.
従来のMEMS型の接触燃焼式ガスセンサに所定環境下(設定環境条件:20℃/60%RH)で高濃度水素を曝露させた場合、応答波形が乱れる現象が観察された(図4(a)参照)。しかし、この応答波形の乱れは高温・低湿(設定環境条件:80℃/0%RH)の環境下で測定することによって、図4(b)に示すように改善されることが分かった。高濃度の水素を従来のMEMS型の接触燃焼式ガスセンサに曝露させた場合、検知素子の燃焼反応により検知素子の周囲に水が生成していることを確認できている。これらの現象は水素の燃焼によって生成される水が検知素子の周囲に吸着・脱離(気化)した際の吸着・蒸発熱によるものと推測される。 When high-concentration hydrogen was exposed to a conventional MEMS-type catalytic combustion gas sensor in a predetermined environment (set environmental condition: 20 ° C./60% RH), a phenomenon in which the response waveform was disturbed was observed (FIG. 4A). reference). However, it was found that the disturbance of the response waveform can be improved as shown in FIG. 4B by measuring in an environment of high temperature and low humidity (setting environment condition: 80 ° C./0% RH). When high-concentration hydrogen is exposed to a conventional MEMS type catalytic combustion gas sensor, it has been confirmed that water is generated around the sensing element due to the combustion reaction of the sensing element. These phenomena are presumed to be due to the heat of adsorption / evaporation when water generated by hydrogen combustion is adsorbed / desorbed (vaporized) around the sensing element.
本実施形態に係る接触燃焼式ガス検知素子60においては、検知素子1及び補償素子2の周囲を覆うようにヒーター40を所定のパターンで形成することにより、生成した水の吸着を妨げ、高濃度水素曝露時の応答波形の乱れを解決することができる。
In the catalytic combustion type
以上のように、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、可燃性ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する検知素子1と、可燃性ガスの燃焼によって生成される水を除去する除去手段と、を備えたものである。これにより、可燃性ガスとして、例えば、水素等の可燃性ガスが燃焼して生成する水を除去手段により除去することができるため、水による悪影響を抑制し、可燃性ガスを正確に検知することができる。
As described above, the catalytic combustion
また、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、検知素子1が支持されるシリコン基板31をさらに備え、除去手段がシリコン基板31に設けられるものである。これにより、シリコン基板31上に生成する水を効率的に除去することができる。
The catalytic
また、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、検知素子1がシリコン基板31に中空状態で支持されるものであるため、熱絶縁に優れる。
Further, the catalytic combustion
また、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、検知素子1と並列に接続される補償素子2をさらに備え、除去手段は、少なくとも検知素子1の周囲に設けられるものである。これにより、少なくとも可燃性ガスの燃焼により水が生成する検知素子1に除去手段を設けることで、効率的に水を除去できる。
Further, the catalytic
また、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、除去手段が加熱により水を除去するヒーター40である。これにより、簡単な構成で水を除去することができる。
Moreover, the contact combustion
また、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、除去手段がシリコン基板31における前記可燃性ガスの曝露面側に配置されるものである。
Further, in the catalytic combustion
このような構成によれば、シリコン基板31において可燃性ガスの燃焼により水が生成し易い側となる、可燃性ガスの曝露面側に除去手段を設けることで、効率的に水を除去することができる。
According to such a configuration, the water can be efficiently removed by providing the removing means on the exposed surface side of the combustible gas, which is the side where water is easily generated by the combustion of the combustible gas in the
また、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、MEMS技術により形成したものである。これにより、微細加工が可能なMEMS技術を適用するため、極めて小さな接触燃焼式ガス検知素子60の製造が可能となる。これにより、平均消費電力の少ない接触燃焼式ガスセンサ100を得ることができる。
Moreover, the catalytic combustion
本発明は、可燃性ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する検知素子を備えた接触燃焼式ガスセンサに利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a contact combustion type gas sensor including a detection element whose resistance value changes according to the combustion heat of combustible gas.
1 検知素子
31 シリコン基板
40 ヒーター
60 接触燃焼式ガス検知素子
100 接触燃焼式ガスセンサ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記可燃性ガスの燃焼によって生成される水を除去する除去手段と、を備えた接触燃焼式ガスセンサ。 A sensing element whose resistance value changes according to the combustion heat of the combustible gas;
A contact combustion type gas sensor comprising: removal means for removing water generated by combustion of the combustible gas.
前記除去手段は、前記基板に設けられる請求項1に記載の接触燃焼式ガスセンサ。 A substrate on which the sensing element is supported;
The catalytic combustion gas sensor according to claim 1, wherein the removing unit is provided on the substrate.
前記除去手段は、少なくとも前記検知素子の周囲に設けられる請求項1〜3の何れか一項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。 A compensation element connected in parallel with the sensing element;
The catalytic combustion gas sensor according to any one of claims 1 to 3, wherein the removing means is provided at least around the sensing element.
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