JP2019191123A - Chlorofluorocarbon gas sensor - Google Patents

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Abstract

To provide a chlorofluorocarbon gas sensor comprising a semiconductor type gas detection element which can accurately detect chlorofluorocarbon gas over a wide range of concentration.SOLUTION: A chlorofluorocarbon gas sensor comprising a semiconductor type gas detection element Rs comprises: a noble metal wire 1; a gas sensitive part 2 which covers the noble metal wire 1 and is formed by using a metal oxide semiconductor having tin oxide as a main component and Ce, WO, and Mo as additives; and a coil-shaped heater 3 for heating the gas sensitive part 2. In addition, it is provided with a protection layer 4 formed on an outer circumference of the gas sensitive part 2.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、フロンガスを検知する半導体式ガス検知素子を備えたフロンガスセンサに関する。   The present invention relates to a chlorofluorocarbon gas sensor including a semiconductor type gas detection element that detects chlorofluorocarbon gas.

従来より、焼結体のガス感応部を有するガスセンサとしては、接触燃焼式ガスセンサ、半導体式ガスセンサ、固体電解質式ガスセンサ等が知られている。   Conventionally, as a gas sensor having a gas sensing part of a sintered body, a contact combustion type gas sensor, a semiconductor type gas sensor, a solid electrolyte type gas sensor and the like are known.

例えば、半導体式ガスセンサとしては、フロンガスを検知するフロンガスセンサが知られている(例えば、特許文献1参照)。   For example, a CFC gas sensor that detects CFC gas is known as a semiconductor gas sensor (see, for example, Patent Document 1).

フロンガスを検知するに際しては、単に高感度化だけではなく、低濃度から高濃度に亘る広い濃度範囲(例えば、100ppm〜10000ppm)において精度良く検知可能なフロンガスセンサが望まれている。特に、従来のフロンガス対応のガスセンサでは高濃度領域においてはよい挙動を示さない。   When detecting chlorofluorocarbon gas, not only high sensitivity but also a chlorofluorocarbon gas sensor capable of detecting with high accuracy in a wide concentration range (for example, 100 ppm to 10000 ppm) from low concentration to high concentration is desired. In particular, a conventional gas sensor compatible with chlorofluorocarbon gas does not show a good behavior in a high concentration region.

特開2000−111507号公報JP 2000-111507 A

そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、広い濃度範囲においてフロンガスを精度良く検知可能な半導体式ガス検知素子を備えたフロンガスセンサを提供することを目的とする。   Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a Freon gas sensor including a semiconductor type gas detection element capable of accurately detecting Freon gas in a wide concentration range.

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 problems to be solved by the present invention are as described above. Next, means for solving the problems will be described.

即ち、本発明のフロンガスセンサは、半導体式ガス検知素子を備えたフロンガスセンサにおいて、貴金属線材と、前記貴金属線材を覆い、酸化スズを主成分としてCe、WO、Moを添加した金属酸化物半導体を用いて形成されるガス感応部と、前記ガス感応部を加熱する加熱部と、を備えるものである。 That is, the CFC gas sensor according to the present invention is a CFC gas sensor having a semiconductor type gas detection element. The metal oxide semiconductor includes a noble metal wire, the noble metal wire, and tin, oxide, and Ce, WO 3 , and Mo added thereto. A gas sensitive part formed by using and a heating part for heating the gas sensitive part.

また、本発明のフロンガスセンサは、前記ガス感応部の外周側に形成される保護層を設けたものである。   The CFC gas sensor of the present invention is provided with a protective layer formed on the outer peripheral side of the gas sensitive part.

また、本発明のフロンガスセンサは、前記保護層は、前記ガス感応部側に形成される第一保護層と、前記第一保護層の外周側に形成される第二保護層とからなり、前記第一保護層は、前記第二保護層よりも膜厚が薄く、かつ緻密な層であるものである。   Further, in the chlorofluorocarbon gas sensor of the present invention, the protective layer comprises a first protective layer formed on the gas sensitive part side and a second protective layer formed on the outer peripheral side of the first protective layer, The first protective layer is a dense layer that is thinner than the second protective layer.

また、本発明のフロンガスセンサは、前記Ceの含有量は、0.05wt%以上0.60wt%以下であるものである。   In the CFC gas sensor of the present invention, the Ce content is 0.05 wt% or more and 0.60 wt% or less.

また、本発明のフロンガスセンサは、前記WOの含有量は、0.5wt%以上5wt%以下であるものである。 Further, in the chlorofluorocarbon gas sensor of the present invention, the content of the WO 3 is 0.5 wt% or more and 5 wt% or less.

また、本発明のフロンガスセンサは、前記Moの含有量は、0.075wt%以上3wt%以下であるものである。   In the chlorofluorocarbon gas sensor of the present invention, the Mo content is 0.075 wt% or more and 3 wt% or less.

また、本発明のフロンガスセンサは、前記第一保護層の厚みは、10〜200nmであるものである。   In the chlorofluorocarbon gas sensor of the present invention, the thickness of the first protective layer is 10 to 200 nm.

また、本発明のフロンガスセンサは、前記第二保護層の厚みは、0.02〜0.40mmであるものである。   In the CFC gas sensor of the present invention, the thickness of the second protective layer is 0.02 to 0.40 mm.

また、本発明のフロンガスセンサは、前記第一保護層は、酸化アルミニウムを主成分とするものである。   In the Freon gas sensor of the present invention, the first protective layer is mainly composed of aluminum oxide.

また、本発明のフロンガスセンサは、前記第二保護層は、酸化アルミニウムを主成分とするものである。   In the Freon gas sensor of the present invention, the second protective layer is mainly composed of aluminum oxide.

本発明によれば、広い濃度範囲においてフロンガスを精度良く検知可能なフロンガスセンサを実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a Freon gas sensor capable of accurately detecting Freon gas in a wide concentration range.

本発明の一実施形態に係るブリッジ回路を有するフロンガスセンサを示す概略図。Schematic which shows the Freon gas sensor which has a bridge circuit which concerns on one Embodiment of this invention. 半導体ガス検知素子の構成を示す模式図。The schematic diagram which shows the structure of a semiconductor gas detection element. 被検知ガス濃度とガス感度との関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between to-be-detected gas concentration and gas sensitivity. 図3における実施例を拡大して示すグラフ。The graph which expands and shows the Example in FIG. Ce、WO、Moの各含有率を変えた場合における、R32(1000ppm)に対するガス感度特性を示すグラフ。Ce, in case of changing each content of WO 3, Mo, graph showing the sensitivity characteristics with respect to R32 (1000 ppm). Ce、WO、Moの各含有率を変えた場合における、R32(5000ppm)に対するガス感度特性を示すグラフ。Ce, in case of changing each content of WO 3, Mo, graph showing the sensitivity characteristics with respect to R32 (5000 ppm). Ce、WO、Moの各含有率を変えた場合における、R32(10000ppm)に対するガス感度特性を示すグラフ。Ce, in case of changing each content of WO 3, Mo, graph showing the sensitivity characteristics with respect to R32 (10000 ppm). R32に対するフロンガス感度比を示すグラフであり、(a)はR32のガス濃度が1000pm(5000ppm感度=100)のグラフ、(b)はR32のガス濃度が10000pm(5000ppm感度=100)のグラフ。It is a graph which shows the Freon gas sensitivity ratio with respect to R32, (a) is a graph with the gas concentration of R32 being 1000 pm (5000 ppm sensitivity = 100), (b) is a graph with the gas concentration of R32 being 10,000 pm (5000 ppm sensitivity = 100). R32(8000ppm)に対する各フロンガスセンサの応答時間を比較したグラフ。The graph which compared the response time of each freon gas sensor with respect to R32 (8000 ppm). 各フロンガスセンサのガス濃度依存性(n=3)を比較したグラフ。The graph which compared the gas concentration dependence (n = 3) of each Freon gas sensor. 図10に基づいてR32のガス濃度2000ppm=1として規格化したグラフ。11 is a graph normalized based on FIG. 10 with a gas concentration of R32 of 2000 ppm = 1. 実施例に係るフロンガスセンサの温度・湿度依存性を示すグラフ。The graph which shows the temperature and humidity dependence of the Freon gas sensor which concerns on an Example.

次に、本発明の一実施形態である半導体式ガス検知素子Rsを備えたフロンガスセンサ100について図を参照しながら説明する。   Next, a CFC gas sensor 100 including a semiconductor type gas detection element Rs according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

本実施形態に係るフロンガスセンサ100は、図1に示すように、半導体式ガス検知素子Rs、及び固定抵抗R0、R1、R2をブリッジ回路に組み込んで構成している。ブリッジ回路は電源Eによって常時または間欠的に通電し、半導体式ガス検知素子Rsが検知の際に適した温度となる。また、半導体式ガス検知素子Rsは被検知ガスが吸着すると抵抗値が変化する。このため、本実施形態に係るフロンガスセンサ100では、半導体式ガス検知素子Rsの抵抗値の変化を偏差電圧として取り出し、これをセンサ出力Vとすることで空気中の被検知ガスの濃度を測定することができる。   As shown in FIG. 1, the chlorofluorocarbon sensor 100 according to the present embodiment is configured by incorporating a semiconductor gas detection element Rs and fixed resistors R0, R1, and R2 into a bridge circuit. The bridge circuit is energized constantly or intermittently by the power supply E, and the semiconductor gas detection element Rs has a temperature suitable for detection. Further, the resistance value of the semiconductor gas detection element Rs changes when the gas to be detected is adsorbed. For this reason, in the chlorofluorocarbon gas sensor 100 according to the present embodiment, the change in the resistance value of the semiconductor gas detection element Rs is extracted as a deviation voltage, and this is used as the sensor output V to measure the concentration of the gas to be detected in the air. be able to.

本実施形態の半導体式ガス検知素子Rsは、図2に示すように、検出電極となる貴金属線材の一例であるコイル状の貴金属線1と、当該貴金属線1を覆うガス感応部2と、ガス感応部2を加熱する加熱部としてのコイル状ヒータ3と、当該ガス感応部2の外周側に形成される保護層4とを備える。ガス感応部2は、被検知ガスと接触自在に設けられ、略球形に形成される。
なお、貴金属線2は、コイル状ヒータ3を兼ねるものであり、これらは一体として構成されている。
As shown in FIG. 2, the semiconductor gas detection element Rs of the present embodiment includes a coiled noble metal wire 1 that is an example of a noble metal wire serving as a detection electrode, a gas sensitive portion 2 that covers the noble metal wire 1, and a gas A coiled heater 3 as a heating part for heating the sensitive part 2 and a protective layer 4 formed on the outer peripheral side of the gas sensitive part 2 are provided. The gas sensitive part 2 is provided so as to be in contact with the gas to be detected and is formed in a substantially spherical shape.
Note that the noble metal wire 2 also serves as the coil heater 3 and is configured as an integral unit.

貴金属線1及びコイル状ヒータ3の材質としては、例えば、白金、又は白金にロジウム等を添加したもの等を適宜選択して使用することができるが、これらに限定されるものではない。また、コイル状ヒータ3の線径、コイル径や巻き数等については図示したものに限らず必要に応じて適宜設定してよい。   As a material of the noble metal wire 1 and the coiled heater 3, for example, platinum or a material obtained by adding rhodium or the like to platinum can be appropriately selected and used. However, the material is not limited thereto. Further, the wire diameter, the coil diameter, the number of windings, and the like of the coiled heater 3 are not limited to those shown in the drawings, and may be appropriately set as necessary.

ガス感応部2は、例えば、酸化スズ等の金属酸化物を主成分として含むとともにCe(セリウム)、WO(酸化タングステン)、Mo(モリブデン)を添加した金属酸化物半導体を用いて形成することができる。ガス感応部2は、被検知ガスの種類によって任意に選択可能である。
なお、ガス感応部2の直径は、0.30〜0.60mmであることが好ましい。
The gas sensitive part 2 is formed using, for example, a metal oxide semiconductor containing a metal oxide such as tin oxide as a main component and adding Ce (cerium), WO 3 (tungsten oxide), and Mo (molybdenum). Can do. The gas sensitive part 2 can be arbitrarily selected according to the type of gas to be detected.
In addition, it is preferable that the diameter of the gas sensitive part 2 is 0.30-0.60 mm.

Ceの含有量は、0.05wt%以上0.60wt%以下であることが好ましい。より好ましくは、0.07wt%以上0.20wt%以下である。Ceの含有量を上記範囲内に設定することで、被検知ガスであるフロンガスの低濃度域(例えば、0〜1000ppm)と高濃度域(例えば10000ppm以上)とのフロンガス感度比が小さくなり(ガス感度曲線の直線性が優れ)、広い濃度範囲においてフロンガスを精度良く検知可能となる。   The Ce content is preferably 0.05 wt% or more and 0.60 wt% or less. More preferably, it is 0.07 wt% or more and 0.20 wt% or less. By setting the content of Ce within the above range, the freon gas sensitivity ratio between the low concentration region (for example, 0 to 1000 ppm) and the high concentration region (for example, 10,000 ppm or more) of the flon gas that is the gas to be detected becomes small (gas The linearity of the sensitivity curve is excellent), and chlorofluorocarbon gas can be detected accurately in a wide concentration range.

例えば、Ceの含有量がゼロである場合、フロンガスの低濃度域でガス感度が高いが、高濃度域での感度変化が小さく、使用に向かない。
また、Ceの含有量が1.0wt%である場合、フロンガスの低濃度域ではガス感度が低すぎ、フロンガスの高濃度域での感度差は大きい。フロンガス以外の可燃性ガスの場合では、さらにガス感度比が悪化する場合がある。
For example, when the content of Ce is zero, the gas sensitivity is high in the low concentration region of the chlorofluorocarbon gas, but the sensitivity change in the high concentration region is small and unsuitable for use.
When the Ce content is 1.0 wt%, the gas sensitivity is too low in the low concentration region of the Freon gas, and the sensitivity difference in the high concentration region of the Freon gas is large. In the case of combustible gas other than chlorofluorocarbon gas, the gas sensitivity ratio may be further deteriorated.

WOの含有量は、0.5wt%以上5wt%以下であることが好ましい。
WOの含有量が0.05wt%未満の場合、フロンガスに対する感度が十分に得られない。一方、WOの含有量が5wt%を超えると、フロンガスに対する感度が低下する。
また、Ceの場合と同様に、WOの含有量を上記範囲内に設定することで、被検知ガスであるフロンガスの低濃度域(例えば、0〜1000ppm)と高濃度域(例えば10000ppm以上)とのフロンガス感度比が小さくなり(ガス感度曲線の直線性が優れ)、広い濃度範囲においてフロンガスを精度良く検知可能となる。
The content of WO 3 is preferably 0.5 wt% or more and 5 wt% or less.
When the content of WO 3 is less than 0.05 wt%, sufficient sensitivity to Freon gas cannot be obtained. On the other hand, when the content of WO 3 exceeds 5 wt%, the sensitivity to Freon gas is lowered.
Further, as in the case of Ce, by setting the content of WO 3 within the above range, the low concentration region (for example, 0 to 1000 ppm) and the high concentration region (for example, 10,000 ppm or more) of the chlorofluorocarbon gas that is the detected gas. The chlorofluorocarbon gas sensitivity ratio becomes small (the linearity of the gas sensitivity curve is excellent), and chlorofluorocarbon gas can be detected with high accuracy in a wide concentration range.

Moの含有量は、0.075wt%以上3wt%以下であることが好ましい。
Moは含有量が0.075wt%未満の場合、フロンガスに対する感度が十分に得られない。一方、Moは含有量が3wt%を超えると、フロンガスに対する感度が低下するとともに、センサのフロンガス選択性が悪化する。
また、Moをガス感応部2に含有させることで温湿度変動によるAir値の変動を抑制することができる。
また、Ceの場合と同様に、Moの含有量を上記範囲内に設定することで、被検知ガスであるフロンガスの低濃度域(例えば、0〜1000ppm)と高濃度域(例えば10000ppm以上)とのフロンガス感度比が小さくなり(ガス感度曲線の直線性が優れ)、広い濃度範囲においてフロンガスを精度良く検知可能となる。
The Mo content is preferably 0.075 wt% or more and 3 wt% or less.
If the Mo content is less than 0.075 wt%, sufficient sensitivity to Freon gas cannot be obtained. On the other hand, when the Mo content exceeds 3 wt%, the sensitivity to the Freon gas decreases and the Freon gas selectivity of the sensor deteriorates.
Moreover, the fluctuation | variation of the Air value by a temperature / humidity fluctuation | variation can be suppressed by containing Mo in the gas sensitive part 2. FIG.
Similarly to the case of Ce, by setting the Mo content within the above range, a low concentration region (for example, 0 to 1000 ppm) and a high concentration region (for example, 10,000 ppm or more) of the chlorofluorocarbon gas that is the detected gas The freon gas sensitivity ratio becomes smaller (the linearity of the gas sensitivity curve is excellent), and the freon gas can be accurately detected in a wide concentration range.

保護層4は、ガス感応部2側に形成される第一保護層41と、第一保護層41の外周側に形成される第二保護層42とから構成される。第一保護層41は、第二保護層42よりも膜厚が薄く、かつ緻密な層である。   The protective layer 4 includes a first protective layer 41 formed on the gas sensitive part 2 side and a second protective layer 42 formed on the outer peripheral side of the first protective layer 41. The first protective layer 41 is a dense layer that is thinner than the second protective layer 42.

第一保護層41は、ガス感応部2の外周面に設けられる。第一保護層41は、無定形の酸化アルミニウム(Al)を含む被覆層である。第一保護層41の厚みと比表面積は、有機シリコーンガスを選択的に確実に吸着することができ、フロンガスセンサ100をシリコーン被毒に強いものとし(シリコーン耐久性向上)、第一保護層41のひび割れや剥離が生じ難く、なおかつ被検知ガスであるフロンガスが留まり難い厚みであれば特に限定されるものではないが、第一保護層41の厚みは、およそ10〜200nmに設定することが好ましく、より好ましくは20〜90nmである。 The first protective layer 41 is provided on the outer peripheral surface of the gas sensitive part 2. The first protective layer 41 is a coating layer containing amorphous aluminum oxide (Al 2 O 3 ). The thickness and specific surface area of the first protective layer 41 are capable of selectively adsorbing the organic silicone gas, making the Freon gas sensor 100 resistant to silicone poisoning (improving silicone durability), and the first protective layer 41. The thickness of the first protective layer 41 is preferably set to about 10 to 200 nm, although it is not particularly limited as long as it does not easily crack or peel off and the thickness of the fluorocarbon gas to be detected is difficult to stay. More preferably, it is 20-90 nm.

第一保護層41は、ガス感応部2の重量に対して0.02wt%以上0.6wt%以下であることが好ましい。
第一保護層41がガス感応部2の重量に対して0.02wt%未満である場合、保護層としてシリコーン耐久性を確保することができず、第一保護層41がガス感応部2の重量に対して0.6wt%を超えると緻密化が進みすぎるためフロンガスが感応部4内に進入できず、高濃度のフロンガスを検知する際に感度が低下してしまう。
The first protective layer 41 is preferably 0.02 wt% or more and 0.6 wt% or less with respect to the weight of the gas sensitive portion 2.
When the 1st protective layer 41 is less than 0.02 wt% with respect to the weight of the gas sensitive part 2, silicone durability cannot be ensured as a protective layer, and the 1st protective layer 41 is the weight of the gas sensitive part 2. On the other hand, if it exceeds 0.6 wt%, the densification proceeds too much, so that the chlorofluorocarbon gas cannot enter the sensitive portion 4, and the sensitivity is lowered when detecting the high concentration chlorofluorocarbon gas.

また、第一保護層41は、第二保護層42よりも緻密な層であり、すなわち、第二保護層42は、第一保護層41よりも隙間が大きいポーラス構造としている。上記の如く、第一保護層41の厚みと比表面積を設定することで、有機シリコーンガスを選択的に確実に吸着することができ、フロンガスセンサ100をシリコーン被毒に強いものとすることができる。   The first protective layer 41 is a denser layer than the second protective layer 42, that is, the second protective layer 42 has a porous structure with a larger gap than the first protective layer 41. As described above, by setting the thickness and specific surface area of the first protective layer 41, the organic silicone gas can be selectively and reliably adsorbed, and the Freon gas sensor 100 can be made resistant to silicone poisoning. .

第一保護層41は、無定形の酸化アルミニウムを主成分とするものであり、その他の成分として、結晶構造を有するα及びγ−酸化アルミニウムの少なくともいずれか一方を含むものであってもよい。また、無定形の酸化アルミニウムの表面にパラジウム(Pd)触媒等の金属触媒を担持させてもよい。   The first protective layer 41 is mainly composed of amorphous aluminum oxide, and may include at least one of α and γ-aluminum oxide having a crystal structure as other components. Further, a metal catalyst such as a palladium (Pd) catalyst may be supported on the surface of amorphous aluminum oxide.

本発明における無定形の酸化アルミニウムとは、α及びγ−酸化アルミニウムのような結晶構造を有しないものであって、その粒子が重合してできた糸状体が三次元的に絡み合うようにして羽毛状態を形成するものを言う。   Amorphous aluminum oxide in the present invention does not have a crystal structure like α and γ-aluminum oxide, and feathers are formed by three-dimensionally entwining filaments formed by polymerization of the particles. Say what forms the state.

第二保護層42は、第一保護層41の外周面に設けられる。第二保護層42は、酸化アルミニウム(アルミナ)、シリカアルミナ等を主成分とする金属酸化物の焼結体からなる被覆層であり、第一保護層41と比較して緻密ではない。第二保護層42は、第一保護層41の外周面に設けられることで、第一保護層41と第二保護層42との相乗効果として、ガス感応部2へ有機シリコーンガスが進入することを防ぎ、フロンガスセンサ100をシリコーン被毒に強いものとすることができる。第二保護層42の厚みは、0.02〜0.40mmに設定することが好ましく、より好ましくは0.05〜0.15nmである。   The second protective layer 42 is provided on the outer peripheral surface of the first protective layer 41. The second protective layer 42 is a coating layer made of a sintered body of a metal oxide mainly composed of aluminum oxide (alumina), silica alumina or the like, and is not denser than the first protective layer 41. As the second protective layer 42 is provided on the outer peripheral surface of the first protective layer 41, the organic silicone gas enters the gas sensitive part 2 as a synergistic effect of the first protective layer 41 and the second protective layer 42. This makes it possible to make the Freon gas sensor 100 resistant to silicone poisoning. The thickness of the second protective layer 42 is preferably set to 0.02 to 0.40 mm, more preferably 0.05 to 0.15 nm.

被検知ガスとしては、フロンガスの他に、例えば、メタンガス、液化石油ガス(LPG)、水素、一酸化炭素、硫化水素、フロンガス、アンモニア、その他の可燃性ガス、毒性ガス等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。本実施形態のフロンガスセンサ100では、主にフロンガスを検知することを特徴としているが、フロンガスの他に上記のようなガスを検知することが可能である。例えば、フロンガスセンサ100では、イソブタンガス等を検知することが可能であり、フロンガスセンサ100の定期校正の際には、フロンガスの替わりに入手が容易である濃度既知のイソブタンガスを校正用ガスとして用いることができる。   Examples of the gas to be detected include methane gas, liquefied petroleum gas (LPG), hydrogen, carbon monoxide, hydrogen sulfide, chlorofluorocarbon gas, ammonia, other flammable gases, toxic gases, etc. It is not limited to. The CFC gas sensor 100 of the present embodiment is mainly characterized by detecting CFC gas. However, in addition to CFC gas, it is possible to detect the above gas. For example, the chlorofluorocarbon gas sensor 100 can detect isobutane gas or the like, and at the time of periodic calibration of the chlorofluorocarbon gas sensor 100, isobutane gas having a known concentration that is easily available instead of chlorofluorocarbon gas is used as the calibration gas. be able to.

また、本実施形態におけるフロンガスとは、メタンやエタンなどの炭化水素の水素の一部あるいは全部をフッ素や塩素で置換した化合物を総称するものである。また、本実施形態におけるフロンガスとは、その用途の一例として代替冷媒として用いられる。フロン類の冷媒としては、例えば、ハイドロフルオロカーボンとフロオロカーボンがある。また、特定フロン(フロン11、フロン12、フロン113、フロン114、フロン115の5種類)に代わる代替フロンとしては、ハイドロクロロフルオロカーボン(HCFC)及びハイドロフルオロカーボン(HFC)がある。ハイドロフルオロカーボンとしては、ジフルオロメタン(R32)、ペンタフルオロエタン(R125)、1,1,1,2−テトラフルオロエタン(R134a)、1,1,2−トリフルオロエタン(R143)、1,1,1−トリフルオロエタン(R143a)、1,1−ジフルオロエタン(R152a)、モノフルオロエタン(R161)が挙げられる。また、フルオロカーボンとしては、オクタフルオロシクロブタン(C318)がある。これらの中で特に、1,1,1,2−テトラフルオロエタン(R134a)、1,1,1−トリフルオロエタン(R143a)、は、従来のジクロロジフルオロメタン(R12)に近い沸点を持っており、代替冷媒として好ましい。
なお、上記ハイドロクロロフルオロカーボンの一例として、クロロジフルオロメタン(R22)が含まれるが、これは代替冷媒としては用いられない。
また、後述するが、R404Aは、R125、R−134a、R−143aの3成分からなる擬似共沸混合冷媒である。R407Cは、R32、R125、R134aの3成分からなる非共沸混合冷媒である。R410Aは、R32とR125の2成分からなる擬似共沸混合冷媒である。
In addition, the chlorofluorocarbon gas in the present embodiment is a general term for compounds in which part or all of hydrocarbon hydrogen such as methane or ethane is substituted with fluorine or chlorine. Moreover, the chlorofluorocarbon in this embodiment is used as an alternative refrigerant as an example of its use. Examples of the chlorofluorocarbon refrigerants include hydrofluorocarbons and fluorocarbons. Hydrochlorofluorocarbons (HCFCs) and hydrofluorocarbons (HFCs) can be substituted for specific chlorofluorocarbons (Freon 11, Freon 12, Freon 113, Freon 114, and Freon 115). Examples of the hydrofluorocarbon include difluoromethane (R32), pentafluoroethane (R125), 1,1,1,2-tetrafluoroethane (R134a), 1,1,2-trifluoroethane (R143), 1,1, Examples thereof include 1-trifluoroethane (R143a), 1,1-difluoroethane (R152a), and monofluoroethane (R161). An example of the fluorocarbon is octafluorocyclobutane (C318). Among these, 1,1,1,2-tetrafluoroethane (R134a) and 1,1,1-trifluoroethane (R143a) have boiling points close to those of conventional dichlorodifluoromethane (R12). And is preferable as an alternative refrigerant.
Note that chlorodifluoromethane (R22) is included as an example of the hydrochlorofluorocarbon, but this is not used as an alternative refrigerant.
As will be described later, R404A is a pseudo-azeotropic refrigerant mixture composed of three components of R125, R-134a, and R-143a. R407C is a non-azeotropic refrigerant mixture composed of three components of R32, R125, and R134a. R410A is a pseudo-azeotropic refrigerant mixture composed of two components R32 and R125.

[ガスセンサ作製方法]
次に、半導体式ガス検知素子Rsの作製方法について説明する。
先ず、貴金属線1のコイル状ヒータ3に、金属酸化物半導体をエチレングリコール等の有機溶媒(バインダー)で混合したペースト状のものを塗布することで球状にし、550〜650℃(650℃付近)で焼成してガス感応部2を形成する。このとき例えば、貴金属線1の線径がおよそ10〜50μmであって、コイル状ヒータ3のコイル径が100〜500μmであり、コイルの巻き数が6〜20回である場合、ガス感応部2の球径はおよそ200〜1000μmである。
なお、本実施形態においては、線径20μmの白金線を用い、コイル径200μm、コイルの巻数9又は12回にしている。
[Gas sensor manufacturing method]
Next, a manufacturing method of the semiconductor gas detection element Rs will be described.
First, the coiled heater 3 of the noble metal wire 1 is formed into a spherical shape by applying a paste-like material in which a metal oxide semiconductor is mixed with an organic solvent (binder) such as ethylene glycol, and is 550 to 650 ° C. (around 650 ° C.). The gas sensitive part 2 is formed by baking. At this time, for example, when the diameter of the noble metal wire 1 is approximately 10 to 50 μm, the coil diameter of the coiled heater 3 is 100 to 500 μm, and the number of turns of the coil is 6 to 20 times, the gas sensitive part 2 The sphere diameter is approximately 200 to 1000 μm.
In the present embodiment, a platinum wire having a wire diameter of 20 μm is used, and the coil diameter is 200 μm and the number of coil turns is 9 or 12.

次に、「Al・XHO(X>1)」を含む乳白色のゾル溶液を水で希釈する。その希釈ゾル溶液の液滴をガス感応部2の外周面に滴下し、ガス感応部2の外周面を覆って乾燥させた後、550℃〜650℃(650℃付近)で焼成し、無定形Alの第一保護層41を形成する。 Next, a milky white sol solution containing “Al 2 O 3 .XH 2 O (X> 1)” is diluted with water. A droplet of the diluted sol solution is dropped on the outer peripheral surface of the gas sensitive portion 2, covered with the outer peripheral surface of the gas sensitive portion 2, dried, and then fired at 550 ° C. to 650 ° C. (near 650 ° C.) to be amorphous. A first protective layer 41 of Al 2 O 3 is formed.

次に、アルミナ等の金属酸化物と、エチレングリコール等の有機溶媒(バインダー)とを混合してペースト状にして、このペースト状にしたものを第一保護層41の外周面に、所定の球径になるように付着させた後、貴金属線1の自己加熱によって焼成して焼結体として形成させることにより半導体式ガス検知素子Rsを作製することができる。   Next, a metal oxide such as alumina and an organic solvent (binder) such as ethylene glycol are mixed to form a paste, and this paste is formed on the outer peripheral surface of the first protective layer 41 with predetermined spheres. After making it adhere so that it may become a diameter, semiconductor type gas detection element Rs is producible by baking by self-heating of noble metal wire 1 and forming as a sintered compact.

[実施例:ガス検知素子の作製]
白金線のコイル状ヒータ3の部分を酸化スズ中に埋設させて球状に成形する。そして、およそ650℃で2時間焼成してガス感応部2を形成した。
[Example: Production of gas detection element]
The coiled heater 3 portion of the platinum wire is embedded in tin oxide and formed into a spherical shape. And the gas sensitive part 2 was formed by baking at about 650 degreeC for 2 hours.

次に、上述したように、「Al・XHO(X>1)」を含む乳白色のゾル溶液を、水で希釈し、この希釈ゾル溶液の液滴を上述のガス感応部2の外周面に滴下して乾燥させた。最後に650℃付近で焼成して第一保護層41を形成した。なお、第一保護層41は、ガス感応部2の重量に対して0.02wt%以上0.6wt%以下となるように上記希釈ゾル液の濃度が調製される。 Next, as described above, a milky white sol solution containing “Al 2 O 3 .XH 2 O (X> 1)” is diluted with water, and droplets of the diluted sol solution are diluted with the above-described gas sensitive unit 2. It was dripped at the outer peripheral surface of and dried. Finally, the first protective layer 41 was formed by baking at around 650 ° C. Note that the concentration of the diluted sol solution is adjusted so that the first protective layer 41 is 0.02 wt% or more and 0.6 wt% or less with respect to the weight of the gas sensitive portion 2.

本実施例におけるガス検知素子として、第一保護層41の膜厚が30nmのものを作製した。   As the gas detection element in this example, a first protective layer 41 having a thickness of 30 nm was produced.

半導体式ガス検知素子Rsの第一保護層41の表面においては、無定形の酸化アルミニウムの粒子が重合してできた糸状体が、三次元的に互いに絡み合うようにして羽毛状態が形成される。   On the surface of the first protective layer 41 of the semiconductor gas sensing element Rs, a feather state is formed such that filaments formed by polymerizing amorphous aluminum oxide particles are entangled with each other three-dimensionally.

次に、アルミナ等の金属酸化物と、エチレングリコール等の有機溶媒(バインダー)とを混合してペースト状にして、このペースト状にしたものを第一保護層41の外周面に、所定の球径になるように付着させた後、貴金属線1の自己加熱によって焼成して焼結体として第二保護層42を形成させることにより半導体式ガス検知素子Rsを作製した。   Next, a metal oxide such as alumina and an organic solvent (binder) such as ethylene glycol are mixed to form a paste, and this paste is formed on the outer peripheral surface of the first protective layer 41 with predetermined spheres. After making it adhere so that it may become a diameter, it baked by the self-heating of the noble metal wire 1, and formed the 2nd protective layer 42 as a sintered compact, and produced semiconductor type gas detection element Rs.

また、比較例として、半導体式ガス検知素子Rsにおいて第一保護層41を設けていない構成の半導体式ガス検知素子(比較例1)と、保護層4(第一保護層41、第二保護層42)を設けていない半導体式ガス検知素子(比較例2)を作製した。   Further, as a comparative example, the semiconductor gas detection element (Comparative Example 1) having a configuration in which the first protective layer 41 is not provided in the semiconductor gas detection element Rs, and the protective layer 4 (first protective layer 41, second protective layer). A semiconductor gas detection element (Comparative Example 2) without 42) was produced.

[ガスセンサ評価]
図3、図4に、所定ガスのガス濃度とガス感度との関係を示す。
次に、上記実施例、及び比較例1、2に係る半導体式ガス検知素子を備えるフロンガスセンサを用いて、各種のフロンガス及び可燃性ガスに対するガス感度特性を調べた。試験対象のフロンガスとしては、R32、R407C、R134a、R404A、R410A、R22を選択した(図3における上段部分)。また、試験対象の可燃性ガスとしては、メタン、イソブタン、水素、一酸化炭素、エタノールを選択した(図3における下段部分。図3では、比較用にR32も加えている)。これらのガスについてのガス濃度とガス感度との関係を図3、図4に示す。図4に示す実施例によれば、実施例に係るフロンガスセンサでは、フロンガスの低濃度域(100ppm)と高濃度域(5000ppm以上)とのフロンガス感度比が小さくなり(ガス感度曲線の直線性が優れ)、広い濃度範囲においてフロンガスを検知可能であることが分かった。
また、図3、図4に示すように、実施例に係るフロンガスセンサは、検知ガス濃度として100〜10000ppmで各種フロンガス、及び各種可燃性ガスを検知することが可能である。
[Gas sensor evaluation]
3 and 4 show the relationship between the gas concentration of the predetermined gas and the gas sensitivity.
Next, gas sensitivity characteristics with respect to various types of chlorofluorocarbon gases and flammable gases were examined using the chlorofluorocarbon gas sensor provided with the semiconductor type gas detection elements according to the above-described examples and comparative examples 1 and 2. R32, R407C, R134a, R404A, R410A, and R22 were selected as the fluorocarbon gases to be tested (upper part in FIG. 3). In addition, methane, isobutane, hydrogen, carbon monoxide, and ethanol were selected as the combustible gases to be tested (lower part in FIG. 3; R32 is also added for comparison in FIG. 3). The relationship between the gas concentration and gas sensitivity for these gases is shown in FIGS. According to the embodiment shown in FIG. 4, in the chlorofluorocarbon gas sensor according to the embodiment, the chlorofluorocarbon gas sensitivity ratio between the low concentration region (100 ppm) and the high concentration region (5000 ppm or more) of the chlorofluorocarbon gas becomes small (the linearity of the gas sensitivity curve is reduced). It was found that CFCs can be detected in a wide concentration range.
As shown in FIGS. 3 and 4, the chlorofluorocarbon gas sensor according to the embodiment can detect various chlorofluorocarbon gases and various flammable gases at a detection gas concentration of 100 to 10,000 ppm.

図9に、R32(8000ppm)に対する実施例、及び比較例1、2に係るフロンガスセンサのそれぞれの応答時間を比較したグラフを示す。
図9に示すように、実施例、及び比較例1、2に係るフロンガスセンサにR32を複数回かけて応答時間の試験を行ったところ、比較例1に係るフロンガスセンサは応答速度が遅く、比較例2に係るフロンガスセンサは、感度が徐々に下がったのに対して、実施例に係るフロンガスセンサではこれらの欠点は見当たらなかった。
なお、図10には、実施例、及び比較例1、2に係るフロンガスセンサによるR32のガス濃度依存性(n=3)を示している。図10によれば、実施例に係るフロンガスセンサは、比較例1及び比較例2に係るフロンガスセンサに比べて、ガス濃度1000〜2000ppmにおけるガス濃度依存性が少なく、所定のガス濃度領域において検知感度のバランスが良いフロンガスセンサとなっている。
また、図11のグラフは、図10のグラフを用いて、R32のガス濃度2000ppm=1として規格化したものである。
In FIG. 9, the graph which compared each response time of the Example with respect to R32 (8000 ppm) and the Freon gas sensor which concerns on the comparative examples 1 and 2 is shown.
As shown in FIG. 9, when the response time test was performed by applying R32 to the Freon gas sensors according to the example and Comparative Examples 1 and 2 multiple times, the response speed of the Freon gas sensor according to Comparative Example 1 was slow. The CFC gas sensor according to Example 2 gradually decreased in sensitivity, whereas the CFC gas sensor according to Example 2 did not find these defects.
FIG. 10 shows the gas concentration dependency (n = 3) of R32 by the Freon gas sensors according to the example and the comparative examples 1 and 2. According to FIG. 10, the CFC gas sensor according to the example is less dependent on the gas concentration at a gas concentration of 1000 to 2000 ppm than the CFC gas sensor according to Comparative Example 1 and Comparative Example 2, and the detection sensitivity in a predetermined gas concentration region. This is a CFC gas sensor with a good balance.
Further, the graph of FIG. 11 is standardized using the graph of FIG. 10 as the gas concentration of R32 of 2000 ppm = 1.

[Ce、WO、Mo含有による感度への影響]
上述した実施例に係る半導体式ガス検知素子Rsにおいて、ガス感応部2におけるCe、WO、Moのそれぞれの含有率を変えて、フロンガスセンサを作製し、R32の各濃度(1000ppm、5000ppm、10000ppm)毎に対するガス感度特性を評価した(図5、図6、及び図7参照)。
[Influence on sensitivity due to Ce, WO 3 and Mo content]
In the semiconductor-type gas detection element Rs according to the above-described embodiment, a Freon gas sensor is manufactured by changing the contents of Ce, WO 3 , and Mo in the gas sensitive part 2, and each concentration of R32 (1000 ppm, 5000 ppm, 10000 ppm). ) Was evaluated for gas sensitivity characteristics (see FIGS. 5, 6, and 7).

図6によれば、Ceの含有率が増えることで、R32に対する感度は低下傾向となっている。Moは、含有率が0.15wt%において感度のピークがある。Moの含有率が多い場合(例えば0.75wt%以上の場合)、WOの含有率の違いによる感度のピークはなくなるが、Moを含有させていない場合、及び含有率が少ない場合は、WOの含有率が3〜5wt%において感度のピークが存在している。 According to FIG. 6, the sensitivity to R32 tends to decrease as the Ce content increases. Mo has a sensitivity peak at a content of 0.15 wt%. When the Mo content is high (for example, 0.75 wt% or more), the sensitivity peak due to the difference in WO 3 content disappears. However, when Mo is not contained, and when the content is low, WO A sensitivity peak exists when the content ratio of 3 is 3 to 5 wt%.

[フロンガス感度比]
上述した実施例に係る半導体式ガス検知素子Rsにおいて、ガス感応部2におけるCe、WO、Moのそれぞれの含有率を変えて、フロンガスセンサを作製し、フロンガス(R32)の低濃度域(例えば1000ppm)と高濃度域(例えば10000ppm)とのフロンガス感度比を比較した(図8参照)。図8においては、ガス濃度5000ppmにおける感度を100として、(a)はガス濃度5000ppmによる感度に対するガス濃度1000ppmの感度を示しており、(b)はガス濃度5000ppmによる感度に対するガス濃度10000ppmを示している。
[Freon gas sensitivity ratio]
In the semiconductor gas detection element Rs according to the above-described embodiment, a Freon gas sensor is manufactured by changing the respective contents of Ce, WO 3 , and Mo in the gas sensitive portion 2, and a low concentration region of the Freon gas (R 32) (for example, 1000 ppm) and a high-concentration region (for example, 10000 ppm) were compared for the Freon gas sensitivity ratio (see FIG. 8). In FIG. 8, assuming that the sensitivity at a gas concentration of 5000 ppm is 100, (a) shows the sensitivity at a gas concentration of 1000 ppm with respect to the sensitivity at a gas concentration of 5000 ppm, and (b) shows the gas concentration at 10,000 ppm with respect to the sensitivity at a gas concentration of 5000 ppm. Yes.

図8によれば、Moの含有率が低い場合(例えば、含有率ゼロ、0.075wt%の場合)、検知ガスであるフロンガス(R32)の低濃度域(例えば1000ppm)でのガス感度が低いが、高濃度領域(例えば5000〜10000ppm)の感度比は良好である(1000ppm未満の精度は良くない)。加えて、WOの添加による感度上昇が顕著である。この感度上昇は、特に、WOの含有率が3wt%付近がピークとなっている。フロンガスに対する応答性については、遅くなる(例えば、比較例1に係るフロンガスセンサ)。 According to FIG. 8, when the Mo content is low (for example, when the content is zero and 0.075 wt%), the gas sensitivity in the low concentration region (for example, 1000 ppm) of the fluorocarbon (R32) that is the detection gas is low. However, the sensitivity ratio in the high concentration region (for example, 5000 to 10000 ppm) is good (accuracy below 1000 ppm is not good). In addition, the increase in sensitivity due to the addition of WO 3 is remarkable. This increase in sensitivity has a peak especially when the content of WO 3 is around 3 wt%. The response to the chlorofluorocarbon becomes slow (for example, the chlorofluorocarbon sensor according to Comparative Example 1).

また、Moの含有率が多いほど、フロンガス(R32)の低濃度域の感度が出すぎているため、フロンガス(R32)の高濃度側の感度比が悪い。フロンガスに対する応答性は、Moの含有率が低い場合に比べて速い。   Also, the higher the Mo content, the more sensitive the low concentration region of the Freon gas (R32) is, so the sensitivity ratio on the high concentration side of the Freon gas (R32) is worse. Responsiveness to Freon gas is faster than when the Mo content is low.

[温度・湿度依存性調査]
次に、実施例に係るガス検知素子Rsを組み込んだガスセンサ100を用いて、温湿度変動に対する安定性を確認した。図12に示すように、温度を−20℃〜40℃、湿度を35%RH〜100%RHの範囲で変動させた際のガス感度特性を調査した。検知するガスとしては、R32の1000ppm、2000ppm、5000ppm、10000ppmの4種類と、Airである。結果としては、温湿度変動によらずセンサ出力は略一定の値を示した。具体的には、R32の場合、温度、湿度変動に対するガス感度差が非常に少なく、どのような環境でフロンガスセンサを使用した場合でも、感度変化が少なく、フロンガスセンサとして安定して使用可能である。一方、Airの場合は、温度、湿度が変動した際、空気中の水分吸着(高湿雰囲気)、水分脱離(低湿雰囲気)の影響がなく、出力変動がほとんどない。これは、Ce、WO、Moを所定量含有させてガス感応部2を構成したことによるものであり、ガスセンサ100は温湿度変動に対して非常に高い安定性を有していることが確認できた。
[Temperature / humidity dependency survey]
Next, stability against temperature and humidity fluctuations was confirmed using the gas sensor 100 incorporating the gas detection element Rs according to the example. As shown in FIG. 12, the gas sensitivity characteristics when the temperature was varied in the range of −20 ° C. to 40 ° C. and the humidity in the range of 35% RH to 100% RH were investigated. As the gas to be detected, four types of R32 of 1000 ppm, 2000 ppm, 5000 ppm, and 10000 ppm, and Air. As a result, the sensor output showed a substantially constant value regardless of temperature and humidity fluctuations. Specifically, in the case of R32, the gas sensitivity difference with respect to temperature and humidity fluctuations is very small, and even if the CFC gas sensor is used in any environment, the sensitivity change is small and it can be stably used as a CFC gas sensor. . On the other hand, in the case of Air, when temperature and humidity change, there is no influence of moisture adsorption (high humidity atmosphere) and moisture desorption (low humidity atmosphere) in the air, and there is almost no output fluctuation. This is because the gas sensitive part 2 is configured by containing a predetermined amount of Ce, WO 3 , and Mo, and it is confirmed that the gas sensor 100 has very high stability against temperature and humidity fluctuations. did it.

本発明は、フロンガスを検知するガスセンサ、これを用いた検査機器、警報機等に好適に利用することができる。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be suitably used for a gas sensor that detects chlorofluorocarbon gas, an inspection device using the same, an alarm device, and the like.

1 貴金属線
2 ガス感応部
3 コイル状ヒータ(加熱部)
4 保護層
41 第一保護層
42 第二保護層
100 フロンガスセンサ
Rs 半導体ガス検知素子
1 Precious metal wire 2 Gas sensitive part 3 Coiled heater (heating part)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 4 Protective layer 41 1st protective layer 42 2nd protective layer 100 Freon gas sensor Rs Semiconductor gas detection element

Claims (10)

半導体式ガス検知素子を備えたフロンガスセンサにおいて、
貴金属線材と、
前記貴金属線材を覆い、酸化スズを主成分としてCe、WO、Moを添加した金属酸化物半導体を用いて形成されるガス感応部と、
前記ガス感応部を加熱する加熱部と、を備えるフロンガスセンサ。
In chlorofluorocarbon gas sensors equipped with semiconductor gas detection elements,
Precious metal wire,
A gas sensitive part that is formed by using a metal oxide semiconductor that covers the noble metal wire and contains Ce, WO 3 , Mo as a main component of tin oxide;
A freon gas sensor comprising: a heating unit that heats the gas sensitive unit.
前記ガス感応部の外周側に形成される保護層を設けた請求項1に記載のフロンガスセンサ。   The Freon gas sensor according to claim 1, further comprising a protective layer formed on an outer peripheral side of the gas sensitive portion. 前記保護層は、
前記ガス感応部側に形成される第一保護層と、
前記第一保護層の外周側に形成される第二保護層とからなり、
前記第一保護層は、前記第二保護層よりも膜厚が薄く、かつ緻密な層である請求項2に記載のフロンガスセンサ。
The protective layer is
A first protective layer formed on the gas sensitive part side;
A second protective layer formed on the outer peripheral side of the first protective layer,
The fluorocarbon gas sensor according to claim 2, wherein the first protective layer is a dense layer that is thinner than the second protective layer.
前記Ceの含有量は、0.05wt%以上0.60wt%以w下である請求項1から請求項3の何れか一項に記載のフロンガスセンサ。   4. The CFC gas sensor according to claim 1, wherein the Ce content is 0.05 wt% or more and 0.60 wt% or less. 前記WOの含有量は、0.5wt%以上5wt%以下である請求項1から請求項4の何れか一項に記載のフロンガスセンサ。 5. The Freon gas sensor according to claim 1, wherein a content of the WO 3 is 0.5 wt% or more and 5 wt% or less. 前記Moの含有量は、0.075wt%以上3wt%以下である請求項1から請求項5の何れか一項に記載のフロンガスセンサ。   The Freon gas sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the Mo content is 0.075 wt% or more and 3 wt% or less. 前記第一保護層の厚みは、10〜200nmである請求項3から請求項6の何れか一項に記載のフロンガスセンサ。   The CFC gas sensor according to any one of claims 3 to 6, wherein the first protective layer has a thickness of 10 to 200 nm. 前記第二保護層の厚みは、0.02〜0.40mmである請求項3から請求項7の何れか一項に記載のフロンガスセンサ。   The CFC gas sensor according to any one of claims 3 to 7, wherein a thickness of the second protective layer is 0.02 to 0.40 mm. 前記第一保護層は、酸化アルミニウムを主成分とする請求項3から請求項8の何れか一項に記載のフロンガスセンサ。   The CFC gas sensor according to any one of claims 3 to 8, wherein the first protective layer contains aluminum oxide as a main component. 前記第二保護層は、酸化アルミニウムを主成分とする請求項3から請求項9の何れか一項に記載のフロンガスセンサ。   The CFC gas sensor according to any one of claims 3 to 9, wherein the second protective layer contains aluminum oxide as a main component.
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