JP2020106482A - Diaphragm type gas sensor and sensor unit - Google Patents

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Abstract

To provide a diaphragm type gas sensor and a sensor unit utilizing an electrochemical technique, with which it is possible to improve the long-term stability of sensitivity and reduce the variation of sensitivity in initial stages and during maintenance work.SOLUTION: A diaphragm type gas sensor 100 for detecting a detection object gas in a sample gas utilizing an electrochemical technique, comprises: a container 1; a working electrode 2; a diaphragm 5; a reinforcing member 6 for suppressing the elongation of the diaphragm 5 and arranged in adjacency to the diaphragm 5 on the side of the diaphragm 5 opposite the working electrode 2; a spacer 7 arranged in adjacency to the diaphragm 5 and the working electrode 2 on the working electrode 2 side of the diaphragm 5, which an electrolyte solution S is permeable; and a holding members 9, 10 for holding the diaphragm 5 in the container 1 while the diaphragm 5 is pressed toward the working electrode 2 via the spacer 7.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、サンプルガス中の検出対象ガスを検出するための電気化学的手法を利用した隔膜式ガスセンサ、及びこれを備えたセンサユニットに関するものである。 The present invention relates to a diaphragm-type gas sensor using an electrochemical method for detecting a gas to be detected in a sample gas, and a sensor unit including the same.

従来、例えば半導体製造工程や各種工業における排出気体などのサンプルガス中の検出対象ガスの濃度測定や漏洩検知などのために、電気化学的手法を利用した隔膜式ガスセンサが広く用いられている(特許文献1)。このような隔膜式ガスセンサとしては、定電位電解式、ガルバニ電池式などの電気化学反応による電流の測定に基づくものが広く用いられており、検出対象ガスとしては例えばアンモニア(NH)、シアン化水素(HCN)、塩化水素(HCl)、フッ化水素(HF)、アルシン(AsH)、ホスフィン(PH)、ジボラン(B)などの毒性ガスが挙げられる。 BACKGROUND ART Conventionally, a diaphragm-type gas sensor using an electrochemical method has been widely used, for example, for measuring the concentration of a detection target gas in a sample gas such as an exhaust gas in a semiconductor manufacturing process or various industries and for detecting leaks (Patent Reference 1). As such a diaphragm type gas sensor, those based on the measurement of the electric current by an electrochemical reaction such as a constant potential electrolysis type and a galvanic cell type are widely used, and as the gas to be detected, for example, ammonia (NH 3 ) and hydrogen cyanide ( HCN), hydrogen chloride (HCl), hydrogen fluoride (HF), arsine (AsH 3 ), phosphine (PH 3 ), diborane (B 2 H 3 ), and other toxic gases.

図6(a)は、従来の隔膜式ガスセンサ100の一例の概略断面図である。本例では、隔膜式ガスセンサ100は3極のものであるが、他に2極のものもある。隔膜式ガスセンサ100は、図中下方端部に開口部1aを備えた、電解液Sを収容する容器1を有する。また、隔膜式ガスセンサ100は、作用極2と、対極3と、参照極4と、を有する。また、隔膜式ガスセンサ100は、開口部1aを封止するように容器1に取り付けられた、液体の透過を阻止するとともに検出対象ガスを透過させることが可能な隔膜5を有する。隔膜5は、容器1の図中下方端部の取付部1bの端面1cとの間にOリング8を挟むようにして、容器1に取り付けられる。本例では、隔膜5を載置した環状の押さえ部材9を、袋ナット状の取付部材10と容器1の取付部1bとの間に挟むようにして、取付部材10を容器1の取付部1bに螺合することで、隔膜5を容器1に取り付けている。また、図中では模式的に示されているが、このとき隔膜5を作用極2の表面に密着させることで、容器1の内部の電解液Sが隔膜5と作用極2の表面との間に浸透して、隔膜5と作用極2の表面との間に電解液層Saが形成される。そして、参照極4の電位に対して所定の範囲の電位に維持された作用極2と電解液Sとの界面で、隔膜5を透過した検出対象ガスが電解されることで作用極2と対極3との間に生じる電流が、測定回路(図示せず)で測定される。これによって、検出対象ガスの濃度測定又は検知が行われる。なお、隔膜5としては、ガス透過性を有する高分子膜、又は多孔性高分子膜等が用いられる。例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、FEP(四フッ化エチレン・六フッ化エチレン共重合体)などのフッ素樹脂製の高分子膜、又はPTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)などの多孔性高分子膜などである。 FIG. 6A is a schematic sectional view of an example of a conventional diaphragm type gas sensor 100. In this example, the diaphragm-type gas sensor 100 has a three-pole type, but there are also two-pole type. The diaphragm-type gas sensor 100 has a container 1 containing an electrolytic solution S, which has an opening 1a at a lower end in the figure. The diaphragm gas sensor 100 also has a working electrode 2, a counter electrode 3, and a reference electrode 4. Further, the diaphragm gas sensor 100 has a diaphragm 5 which is attached to the container 1 so as to seal the opening 1a and which is capable of blocking the permeation of the liquid and permeating the gas to be detected. The diaphragm 5 is attached to the container 1 such that the O-ring 8 is sandwiched between the diaphragm 5 and the end surface 1c of the attachment portion 1b at the lower end of the container 1 in the figure. In this example, the annular pressing member 9 on which the diaphragm 5 is placed is sandwiched between the cap nut-shaped mounting member 10 and the mounting portion 1b of the container 1, and the mounting member 10 is screwed onto the mounting portion 1b of the container 1. The diaphragm 5 is attached to the container 1 by combining. Further, although schematically shown in the figure, at this time, by bringing the diaphragm 5 into close contact with the surface of the working electrode 2, the electrolytic solution S inside the container 1 is separated between the diaphragm 5 and the surface of the working electrode 2. And penetrates into the membrane to form an electrolyte layer Sa between the diaphragm 5 and the surface of the working electrode 2. Then, at the interface between the working electrode 2 and the electrolytic solution S, which are maintained at a potential within a predetermined range with respect to the potential of the reference electrode 4, the detection target gas that has passed through the diaphragm 5 is electrolyzed, so that the working electrode 2 and the counter electrode The current generated between the sensor and the sensor 3 is measured by a measuring circuit (not shown). Thereby, the concentration measurement or detection of the gas to be detected is performed. As the diaphragm 5, a polymer film having gas permeability, a porous polymer film, or the like is used. For example, a polymer film made of fluororesin such as PTFE (polytetrafluoroethylene) or FEP (tetrafluoroethylene/hexafluoroethylene copolymer), or PTFE (polytetrafluoroethylene) or PVDF (polyvinylidene fluoride). Such as a porous polymer membrane.

図6(b)は、上記従来の隔膜式ガスセンサ100がフローセル200に取り付けられて構成されたセンサユニット300の概略断面図である。隔膜式ガスセンサ100は、図6(b)に示すように、例えば半導体製造工程の排出気体の処理装置などの測定対象環境より配管などを介してサンプルガスが導入されるフローセル200に取り付けられて用いられる場合がある。フローセル200は、サンプルガスを収容するチャンバー201と、チャンバー201にサンプルガスを導入するための導入口202と、チャンバー201からサンプルガスを排出するための排出口203と、を有する。 FIG. 6B is a schematic cross-sectional view of a sensor unit 300 in which the conventional diaphragm type gas sensor 100 is attached to a flow cell 200. As shown in FIG. 6B, the diaphragm type gas sensor 100 is used by being attached to a flow cell 200 into which a sample gas is introduced from a measurement target environment such as an exhaust gas processing apparatus in a semiconductor manufacturing process through a pipe or the like. May be The flow cell 200 has a chamber 201 for containing the sample gas, an inlet 202 for introducing the sample gas into the chamber 201, and an outlet 203 for discharging the sample gas from the chamber 201.

上述のような構成の隔膜式ガスセンサ100は、隔膜5の交換、電解液Sの補充や交換などを適宜行うことにより、初期性能が回復する。そのため、比較的ランニングコストを低く抑えることができるという利点がある。 In the diaphragm type gas sensor 100 having the above-described configuration, the initial performance is restored by appropriately replacing the diaphragm 5, replenishing or replacing the electrolytic solution S, and the like. Therefore, there is an advantage that the running cost can be kept relatively low.

特許第5688955号公報Patent No. 5688955

しかしながら、上述のような構成の従来の隔膜式ガスセンサには、以下のような改善すべき課題がある。 However, the conventional diaphragm-type gas sensor having the above-mentioned configuration has the following problems to be improved.

従来の隔膜式ガスセンサ100では、長期間使用した場合などに、隔膜5が伸びることがある。そして、隔膜5が作用極2の表面から離れて電解液層Saが厚くなったり、逆に隔膜5が作用極2の表面に張り付いて電解液層Saが無くなったりすることがある。このように電解液層Saの厚さが変化すると、隔膜式ガスセンサ100の感度の低下などが発生する。この現象は、隔膜式ガスセンサ100が測定対象環境に配管などを介して接続されたフローセル200に取り付けられて用いられる場合などに顕著となる。つまり、この場合、隔膜式ガスセンサ100の隔膜5は、フローセル200に接続された配管内の圧力条件に常にさらされることになる。上述のように、隔膜5は、例えばPTFEなどで形成された薄い樹脂フィルムであるため、圧力負荷がある場合には経時的に変形してしまうことがある。特に、隔膜5の材料として多用されるPTFEは、非常に塑性変形しやすい性質を持っている。例えば、隔膜式ガスセンサ100の容器1の内部に対してフローセル200のチャンバー201の内部が負圧になっている状態で隔膜式ガスセンサ100が用いられる場合には、隔膜5が伸びて作用極2の表面から離れるように変形しやすい。また、逆に、隔膜式ガスセンサ100の容器1の内部に対してフローセル200のチャンバー201の内部が正圧になっている状態で隔膜式ガスセンサ100が用いられる場合には、隔膜5が伸びて作用極2の表面に張り付いてしまうことがある。 In the conventional diaphragm-type gas sensor 100, the diaphragm 5 may stretch when it is used for a long period of time. Then, the diaphragm 5 may be separated from the surface of the working electrode 2 to thicken the electrolytic solution layer Sa, or conversely, the diaphragm 5 may stick to the surface of the working electrode 2 and the electrolytic solution layer Sa may be lost. When the thickness of the electrolytic solution layer Sa changes in this way, the sensitivity of the diaphragm type gas sensor 100 is lowered. This phenomenon becomes remarkable when the diaphragm gas sensor 100 is used by being attached to the flow cell 200 connected to the measurement target environment via a pipe or the like. That is, in this case, the diaphragm 5 of the diaphragm gas sensor 100 is always exposed to the pressure condition in the pipe connected to the flow cell 200. As described above, since the diaphragm 5 is a thin resin film made of, for example, PTFE, it may be deformed with time when a pressure load is applied. In particular, PTFE, which is often used as a material for the diaphragm 5, has a property of being very easily plastically deformed. For example, when the diaphragm-type gas sensor 100 is used in a state where the inside of the chamber 201 of the flow cell 200 is in a negative pressure with respect to the inside of the container 1 of the diaphragm-type gas sensor 100, the diaphragm 5 is extended and the working electrode 2 is extended. Easily deforms away from the surface. On the contrary, when the diaphragm type gas sensor 100 is used in a state where the inside of the chamber 201 of the flow cell 200 has a positive pressure with respect to the inside of the container 1 of the diaphragm type gas sensor 100, the diaphragm 5 extends and acts. It may stick to the surface of pole 2.

また、従来の隔膜式ガスセンサ100では、電解液層Saの電解液Sが蒸発して減少し、電解液層Saの厚さが変化することで、隔膜式ガスセンサ100の感度の低下などが発生することがある。この現象も、隔膜式ガスセンサ100がフローセル200に取り付けられて用いられる場合などに顕著となる。つまり、隔膜式ガスセンサ100の容器1の内部に対してフローセル200のチャンバー201の内部が負圧とされ、サンプルガスの湿度が低い場合などに、電解液層Saの電解液Sが隔膜5を通して蒸発して減少しやすくなる。 Further, in the conventional diaphragm type gas sensor 100, the electrolytic solution S of the electrolytic solution layer Sa is evaporated and reduced, and the thickness of the electrolytic solution layer Sa is changed, so that the sensitivity of the diaphragm type gas sensor 100 is lowered. Sometimes. This phenomenon also becomes noticeable when the diaphragm gas sensor 100 is attached to the flow cell 200 for use. That is, when the inside of the chamber 201 of the flow cell 200 has a negative pressure with respect to the inside of the container 1 of the diaphragm type gas sensor 100 and the humidity of the sample gas is low, the electrolytic solution S of the electrolytic solution layer Sa evaporates through the diaphragm 5. Then, it is easy to decrease.

さらに、従来の隔膜式ガスセンサ100では、隔膜5の作用極2に対する押し付け強さの違いにより、電解液層Saの厚さが変化しやすく、隔膜式ガスセンサ100の感度が変化しやすい。例えば、図6(a)に示すように取付部材10を容器1の取付部1bに螺合することで隔膜5を作用極2の表面に密着させ、隔膜5と作用極2の表面との間に電解液層Saを形成する場合、取付部材10の締め付け量(角度)の違いによって、電解液層Saの厚さが変化して、隔膜式ガスセンサ100の感度が変化することがある。 Further, in the conventional diaphragm type gas sensor 100, the thickness of the electrolytic solution layer Sa is likely to change and the sensitivity of the diaphragm type gas sensor 100 is likely to change due to the difference in pressing strength of the diaphragm 5 against the working electrode 2. For example, as shown in FIG. 6A, the attachment member 10 is screwed onto the attachment portion 1b of the container 1 to bring the diaphragm 5 into close contact with the surface of the working electrode 2 and to provide a space between the diaphragm 5 and the surface of the working electrode 2. When the electrolytic solution layer Sa is formed on, the thickness of the electrolytic solution layer Sa may change depending on the tightening amount (angle) of the mounting member 10, and the sensitivity of the diaphragm gas sensor 100 may change.

このように、従来の隔膜式ガスセンサ100では、隔膜5の伸び、電解液Sの蒸発、隔膜5の押し付け強さの違いといった要因が単独で又は複合的に働いて、隔膜式ガスセンサ100の短期的な感度の安定性(隔膜5の交換直後の感度の安定性など)、及び長期的な感度の安定性(隔膜5の新品時から交換直前までの感度の安定性など)に影響しやすい。 As described above, in the conventional diaphragm-type gas sensor 100, factors such as the elongation of the diaphragm 5, the evaporation of the electrolytic solution S, and the difference in the pressing strength of the diaphragm 5 act independently or in combination, and the diaphragm-type gas sensor 100 is short-term. The stability of the sensitivity (such as the stability of the sensitivity immediately after the replacement of the diaphragm 5) and the long-term stability of the sensitivity (such as the stability of the sensitivity from the time when the diaphragm 5 is new to the time immediately before replacement) are easily affected.

したがって、本発明の目的は、感度の長期的な安定性を向上させることができるとともに、初期及び保守作業(隔膜の交換、電解液の補充や交換など)の際の感度のバラツキを低減させることのできる電気化学的手法を利用した隔膜式ガスセンサ及びセンサユニットを提供することである。 Therefore, an object of the present invention is to improve the long-term stability of sensitivity and to reduce the variation in sensitivity during initial and maintenance work (replacement of diaphragm, replenishment or replacement of electrolyte, etc.). (EN) Provided are a diaphragm type gas sensor and a sensor unit using an electrochemical method that can be performed.

上記目的は本発明に係る隔膜式ガスセンサ及びセンサユニットにて達成される。要約すれば、本発明は、電気化学的手法を利用してサンプルガス中の検出対象ガスを検出するための隔膜式ガスセンサにおいて、電解液を収容する、開口部を備えた容器と、前記開口部に隣接して前記容器に設けられた、検出対象ガスを検出するための作用極と、前記開口部を封止するように前記容器に取り付けられた、検出対象ガスを透過させることが可能な隔膜と、前記隔膜の前記作用極とは反対側において前記隔膜に隣接して配置された、前記隔膜の伸びを抑制するための補強部材と、前記隔膜の前記作用極側において前記隔膜及び前記作用極に隣接して配置された、前記電解液が浸透可能なスペーサと、前記スペーサを介して前記隔膜を前記作用極に向けて押圧した状態で前記隔膜を前記容器に保持する保持部材と、を有することを特徴とする隔膜式ガスセンサである。 The above object is achieved by the diaphragm type gas sensor and the sensor unit according to the present invention. In summary, the present invention relates to a diaphragm gas sensor for detecting a gas to be detected in a sample gas using an electrochemical method, and a container having an opening for accommodating an electrolytic solution, and the opening. And a working electrode for detecting the gas to be detected, which is provided adjacent to the container, and a diaphragm, which is attached to the container so as to seal the opening, and is permeable to the gas to be detected. A reinforcing member disposed adjacent to the diaphragm on the side opposite to the working electrode of the diaphragm, and a reinforcing member for suppressing extension of the diaphragm, and the diaphragm and the working electrode on the working electrode side of the diaphragm. A spacer that is permeable to the electrolytic solution, and a holding member that holds the diaphragm in the container in a state in which the diaphragm is pressed toward the working electrode via the spacer. This is a diaphragm-type gas sensor.

本発明の他の態様によると、上記本発明の隔膜式ガスセンサと、前記隔膜式ガスセンサの前記隔膜に隣接してサンプルガスを収容する空間を形成するフローセルであって、前記空間にサンプルガスを導入する導入部及び前記空間からサンプルガスを排出する排出部を備えたフローセルと、を有することを特徴とするセンサユニットが提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a diaphragm gas sensor according to the present invention, and a flow cell that forms a space for accommodating a sample gas adjacent to the diaphragm of the diaphragm gas sensor, the sample gas being introduced into the space. And a flow cell having a discharge part for discharging the sample gas from the space.

本発明によれば、電気化学的手法を利用した隔膜式ガスセンサ及びセンサユニットにおいて、感度の長期的な安定性を向上させることができるとともに、初期及び保守作業(隔膜の交換、電解液の補充や交換など)の際の感度のバラツキを低減させることができる。 According to the present invention, it is possible to improve the long-term stability of sensitivity in a diaphragm-type gas sensor and a sensor unit using an electrochemical method, and to perform initial and maintenance work (replacement of the diaphragm, replenishment of electrolyte solution, It is possible to reduce variations in sensitivity when exchanging).

隔膜式ガスセンサ及びセンサユニット(3極式)の一実施例の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of one Example of a diaphragm type gas sensor and a sensor unit (3 pole type). 隔膜式ガスセンサ及びセンサユニット(2極式)の一実施例の概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of one Example of a diaphragm type gas sensor and a sensor unit (two pole type). 一実施例の隔膜式ガスセンサにおける隔膜、補強部材、スペーサを示す模式的な平面図及び斜視図である。FIG. 3 is a schematic plan view and a perspective view showing a diaphragm, a reinforcing member, and a spacer in the diaphragm gas sensor of one example. 実施例の効果を示すグラフである。It is a graph which shows the effect of an Example. 実施例の効果を示すグラフである。It is a graph which shows the effect of an Example. 従来の隔膜式ガスセンサ及びセンサユニットの概略断面図である。It is a schematic sectional drawing of the conventional diaphragm type gas sensor and a sensor unit.

以下、本発明に係る隔膜式ガスセンサ及びセンサユニットを図面に則して更に詳しく説明する。 Hereinafter, the diaphragm gas sensor and the sensor unit according to the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.

[実施例1]
1.隔膜式ガスセンサの構成
図1(a)は、本実施例の隔膜式ガスセンサ100の概略断面図である。本実施例の隔膜式ガスセンサ100は、3極式のものである。なお、図1(a)において、図6(a)を参照して説明した従来の隔膜式ガスセンサのものと同一又は対応する機能あるいは構成を有する要素には同じ符号を付している。
[Example 1]
1. Configuration of Diaphragm Gas Sensor FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the diaphragm gas sensor 100 of this embodiment. The diaphragm type gas sensor 100 of the present embodiment is of a three-pole type. In FIG. 1A, elements having the same or corresponding functions or configurations as those of the conventional diaphragm gas sensor described with reference to FIG. 6A are designated by the same reference numerals.

隔膜式ガスセンサ100は、電解液Sを収容する容器1を有する。容器1は、図中下方端部に開口部1aを有する。また、隔膜式ガスセンサ100は、検出対象ガスを検出するための作用極2と、作用極2との間で電流を流すための対極3と、作用極2の電位を制御するための参照極4と、を有する。作用極2は、支持体11に支持されて、開口部1aに隣接して配置されている。また、隔膜式ガスセンサ100は、開口部1aを封止するように容器1に取り付けられた、液体の透過を阻止するとともに検出対象ガスを透過させることが可能な隔膜5を有する。容器1と隔膜5とによって、内部に電解液Sを収容する室(検出槽)1fが形成される。 The diaphragm type gas sensor 100 has a container 1 for containing an electrolytic solution S. The container 1 has an opening 1a at the lower end in the figure. Further, the diaphragm gas sensor 100 includes a working electrode 2 for detecting a gas to be detected, a counter electrode 3 for passing a current between the working electrode 2, and a reference electrode 4 for controlling the potential of the working electrode 2. And. The working electrode 2 is supported by the support 11 and is disposed adjacent to the opening 1a. Further, the diaphragm gas sensor 100 has a diaphragm 5 which is attached to the container 1 so as to seal the opening 1a and which is capable of blocking the permeation of the liquid and permeating the gas to be detected. The container 1 and the diaphragm 5 form a chamber (detection tank) 1f for containing the electrolytic solution S therein.

容器1は、概略、段付き円筒形状を有しており、図中上方の大径部と図中下方の小径部とを有し、図中下方の小径部が隔膜5を取り付けるための取付部1bとされており、この取付部1bの図中下方端部に平面視略円形の開口部1aが形成されている。隔膜5は、取付部1bの平面視略円形の端面1cとの間にシール部材としてのOリング8を挟むようにして、容器1に取り付けられる。なお、シール部材は、Oリング8に限定されるものではなく、パッキンなどであってもよい。また、容器1には、圧補償部である圧補償口1eが設けられており、この圧補償口1eには、液密状態を維持するようにして、ガス透過性の圧補償膜を備えた圧補償ビス12が螺合される。 The container 1 has a generally stepped cylindrical shape, and has a large diameter portion on the upper side in the drawing and a small diameter portion on the lower side in the drawing, and the mounting portion for the small diameter portion on the lower side in the drawing to attach the diaphragm 5. 1b, and an opening 1a having a substantially circular shape in plan view is formed at the lower end of the mounting portion 1b in the figure. The diaphragm 5 is attached to the container 1 such that the O-ring 8 as a seal member is sandwiched between the diaphragm 5 and the end surface 1c of the attachment portion 1b which is substantially circular in plan view. The seal member is not limited to the O-ring 8 and may be packing or the like. Further, the container 1 is provided with a pressure compensating port 1e which is a pressure compensating portion, and the pressure compensating port 1e is provided with a gas permeable pressure compensating film so as to maintain a liquid tight state. The pressure compensation screw 12 is screwed.

隔膜式ガスセンサ100は更に、隔膜5の作用極2とは反対側において隔膜5に隣接して配置された、隔膜5の伸びを抑制するための補強部材6と、隔膜5の作用極2側において隔膜5及び作用極2に隣接して配置された、電解液Sが浸透可能なスペーサ7と、を有する。本実施例では、環状(本実施例では円環状)の押さえ部材9に形成された平面視略円形の押さえ開口部9aの縁に補強部材6が載置され、この補強部材6の作用極2側に隔膜5が配置され、更にこの隔膜5の作用極2側にスペーサ7が載置される。また、この補強部材6、隔膜5及びスペーサ7が配置された押さえ部材9が、袋ナット状の取付部材10に形成された平面視略円形の取付部材開口部10aの縁部に載置される。そして、取付部材10の内周に形成されたネジ10b及び容器1の取付部1bの外周に形成されたねじ1dを介して、取付部材10が容器1の取付部1bに螺合される。これにより、隔膜5及び補強部材6が、Oリング8を介して容器1に向けて押圧された状態で容器1に取り付けられ、容器1の内部の電解液Sが漏れないように隔膜5によって開口部1aが液密状態に封止される。また、これにより、隔膜5はスペーサ7を介して作用極2に向けて押圧される。このとき、容器1の内部の電解液Sが、隔膜5と作用極2の表面との間に挟持されるようにして配置されたスペーサ7に浸透して、隔膜5と作用極2の表面との間に電解液層Saが形成される。これにより、対極3及び参照極4は、容器1の内部の電解液Sを介して作用極2と電気的に接続される。本実施例では、押さえ部材9及び取付部材10が、スペーサ7を介して隔膜5を作用極2に向けて押圧した状態で隔膜5を容器1に保持する保持部材として機能する。補強部材6、スペーサ7については、後述して更に説明する。 The diaphragm-type gas sensor 100 further includes a reinforcing member 6 disposed adjacent to the diaphragm 5 on the side opposite to the working electrode 2 of the diaphragm 5, and a reinforcing member 6 for suppressing the elongation of the diaphragm 5, and on the working electrode 2 side of the diaphragm 5. And a spacer 7 which is disposed adjacent to the diaphragm 5 and the working electrode 2 and through which the electrolytic solution S can penetrate. In this embodiment, the reinforcing member 6 is placed on the edge of the pressing opening 9a formed in the annular (annular in this embodiment) pressing member 9 and having a substantially circular shape in plan view, and the working electrode 2 of the reinforcing member 6 is placed. The diaphragm 5 is arranged on the side, and the spacer 7 is placed on the working electrode 2 side of the diaphragm 5. Further, the pressing member 9 on which the reinforcing member 6, the diaphragm 5 and the spacer 7 are arranged is placed on the edge of the mounting member opening 10a formed in the cap nut-shaped mounting member 10 and having a substantially circular shape in plan view. .. Then, the mounting member 10 is screwed into the mounting portion 1b of the container 1 via the screw 10b formed on the inner periphery of the mounting member 10 and the screw 1d formed on the outer periphery of the mounting portion 1b of the container 1. As a result, the diaphragm 5 and the reinforcing member 6 are attached to the container 1 in a state of being pressed toward the container 1 via the O-ring 8, and are opened by the diaphragm 5 so that the electrolytic solution S inside the container 1 does not leak. The portion 1a is sealed in a liquid tight state. Further, as a result, the diaphragm 5 is pressed toward the working electrode 2 via the spacer 7. At this time, the electrolytic solution S inside the container 1 permeates into the spacer 7 arranged so as to be sandwiched between the diaphragm 5 and the surface of the working electrode 2, so that the diaphragm 5 and the surface of the working electrode 2 are separated from each other. The electrolyte layer Sa is formed between the two. As a result, the counter electrode 3 and the reference electrode 4 are electrically connected to the working electrode 2 via the electrolytic solution S inside the container 1. In this embodiment, the pressing member 9 and the attachment member 10 function as a holding member that holds the diaphragm 5 in the container 1 in a state where the diaphragm 5 is pressed toward the working electrode 2 via the spacer 7. The reinforcing member 6 and the spacer 7 will be further described later.

作用極2、対極3、参照極4は、液密状態を維持するようにして容器1の外部に引き出されて、リード線を介してポテンショスタット回路とされる測定回路(図示せず)に接続される。そして、参照極4の電位に対して作用極2の電位が所定の範囲の電位に維持された状態で、隔膜5を透過した検出対象ガスが作用極2と電解液Sとの界面で電解されると、検出対象ガスの濃度に対応した電流が作用極2と対極3との間に生じる。この電流が測定回路で測定される。これによって、検出対象ガスの濃度測定又は検知が行われる。 The working electrode 2, the counter electrode 3, and the reference electrode 4 are drawn out of the container 1 so as to maintain a liquid-tight state, and connected to a measurement circuit (not shown) which is a potentiostat circuit via a lead wire. To be done. Then, the detection target gas that has permeated the diaphragm 5 is electrolyzed at the interface between the working electrode 2 and the electrolytic solution S while the potential of the working electrode 2 is maintained within a predetermined range with respect to the potential of the reference electrode 4. Then, a current corresponding to the concentration of the gas to be detected is generated between the working electrode 2 and the counter electrode 3. This current is measured by the measuring circuit. Thereby, the concentration measurement or detection of the gas to be detected is performed.

隔膜式ガスセンサ100は、作用極2、対極3及び参照極4の材料、電解液Sの組成、作用極2の電位などを適宜設定することで、種々の検出対象ガスの検出に適用することができる。隔膜式ガスセンサ100は、これらに限定されるものではないが、例えば塩素(Cl)、臭素(Br)、フッ素(F)、アンモニア(NH)、塩化水素(HCl)、フッ化水素(HF)、シラン(SiH)、シアン化水素(HCN)、アルシン(AsH)、ホスフィン(PH)、ジボラン(B)などの毒性ガスとされる広範囲の検出対象ガスの検出などに適用することができる。 The diaphragm gas sensor 100 can be applied to the detection of various detection target gases by appropriately setting the materials of the working electrode 2, the counter electrode 3, and the reference electrode 4, the composition of the electrolytic solution S, the potential of the working electrode 2, and the like. it can. The diaphragm type gas sensor 100 is not limited to these, for example, chlorine (Cl 2 ), bromine (Br 2 ), fluorine (F 2 ), ammonia (NH 3 ), hydrogen chloride (HCl), hydrogen fluoride. (HF), silane (SiH 4 ), hydrogen cyanide (HCN), arsine (AsH 3 ), phosphine (PH 3 ), diborane (B 2 H 3 ), etc. Can be applied.

例えば、検出対象ガスが塩化水素ガスである塩化水素ガスセンサの場合、隔膜式ガスセンサ100の構成は、次のように設定することができる。作用極2の材料としては、金、白金などが用いられる。また、対極3の材料としては、白金、銀、ヨウ化銀などが用いられる。また、参照極4の材料としては、銀・塩化銀(塩化銀メッキした銀)、銀・ヨウ化銀(ヨウ化銀メッキした銀)などが用いられる。また、電解液Sとしては、ヨウ化カリウム、ヨウ素酸カリウム水溶液を基本成分として、20〜80容量%のエチレングリコールを加えたものが用いられる。また、作用極2の電位は、参照極4に対して−300〜+300Vとされる。なお、上述のような3極式のセンサの場合には参照極が設けられるが、2極式のセンサの場合には、参照極4は省略される。図2(a)は、本発明を適用した2極式の隔膜式ガスセンサ100の一実施例の概略断面図である。図2(a)において、図1(a)に示す本実施例の3極式の隔膜式ガスセンサ100のものと同一又は対応する機能あるいは構成を有する要素には同じ符号を付している。 For example, in the case of a hydrogen chloride gas sensor in which the gas to be detected is hydrogen chloride gas, the configuration of the diaphragm gas sensor 100 can be set as follows. As the material of the working electrode 2, gold, platinum or the like is used. Moreover, as the material of the counter electrode 3, platinum, silver, silver iodide, or the like is used. As the material of the reference electrode 4, silver/silver chloride (silver plated with silver chloride), silver/silver iodide (silver plated with silver iodide), or the like is used. Further, as the electrolytic solution S, a solution in which 20 to 80% by volume of ethylene glycol is added as a basic component of an aqueous solution of potassium iodide and potassium iodate is used. The working electrode 2 has a potential of −300 to +300 V with respect to the reference electrode 4. Note that the reference electrode 4 is omitted in the case of the two-pole sensor, while the reference electrode is provided in the case of the three-pole sensor as described above. FIG. 2A is a schematic cross-sectional view of an embodiment of the bipolar membrane gas sensor 100 to which the present invention is applied. In FIG. 2A, elements having the same or corresponding functions or configurations as those of the three-electrode type diaphragm gas sensor 100 of the present embodiment shown in FIG. 1A are designated by the same reference numerals.

隔膜5は、検出対象ガスを透過させることが可能であること、また測定環境において長期にわたり組成が安定していることなどの観点から適宜選択することができる。隔膜5を構成する材料としては、フッ素樹脂、シリコーン樹脂、低密度ポリエチレンなどを用いることができる。フッ素樹脂としては、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン)、PFA(パーフルオロアルコキシフッ素樹脂)、FEP(四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体)及びETFE(エチレン・四フッ化エチレン共重合体)などを用いることができる。例えば、隔膜5としては、フッ素樹脂製の多孔性膜である、平均孔径が0.1μm〜5.0μmの細孔を有し、厚さが50μm〜300μmであるPTFE製の多孔性膜を好適に用いることができる。なお、隔膜5は、検出対象ガスを十分に透過させることが可能であれば、細孔があけられた多孔性のものでなくてもよい。 The diaphragm 5 can be appropriately selected from the viewpoints that it is possible to transmit the gas to be detected and that the composition is stable in the measurement environment for a long period of time. A fluororesin, a silicone resin, a low-density polyethylene or the like can be used as a material forming the diaphragm 5. As the fluororesin, PTFE (polytetrafluoroethylene), PFA (perfluoroalkoxy fluororesin), FEP (tetrafluoroethylene/hexafluoropropylene copolymer) and ETFE (ethylene/tetrafluoroethylene copolymer) Etc. can be used. For example, as the diaphragm 5, a PTFE porous film having a mean pore diameter of 0.1 μm to 5.0 μm and a thickness of 50 μm to 300 μm, which is a fluororesin porous film, is suitable. Can be used for. The diaphragm 5 does not have to be porous with pores provided that the gas to be detected can be sufficiently transmitted.

2.センサユニット
図1(b)は、本実施例の隔膜式ガスセンサ100がフローセル200に取り付けられて構成されたセンサユニット300の概略断面図である。なお、図1(b)において、図6(b)を参照して説明した従来のセンサユニットのものと同一又は対応する機能あるいは構成を有する要素には同じ符号を付している。
2. Sensor Unit FIG. 1B is a schematic cross-sectional view of a sensor unit 300 in which the diaphragm type gas sensor 100 of this embodiment is attached to a flow cell 200. In FIG. 1B, elements having the same or corresponding functions or configurations as those of the conventional sensor unit described with reference to FIG. 6B are designated by the same reference numerals.

本実施例の隔膜式ガスセンサ100は、図1(a)に示すように開放状態で室内環境中の検出対象ガスを検出するために用いられる他、図1(b)に示すようにフローセル200に取り付けられて、例えば半導体製造工程の排出気体の処理装置などの測定対象環境より配管などを介してフローセル200の内部に導入されたサンプルガス中の検出対象ガスを検出するために用いられる。センサユニット300は、隔膜式ガスセンサ100とフローセル200とを有して構成される。フローセル200は、隔膜式ガスセンサ100の隔膜5に隣接してサンプルガスを収容する空間であるチャンバー201と、チャンバー201にサンプルガスを導入するための導入部である導入口202と、チャンバー201からサンプルガスを排出するための排出部である排出口203と、を有する。本実施例では、隔膜式ガスセンサ100は、容器1の図中下方に取り付けられた取付部材10が、フローセル200のチャンバー201を形成する開口部に嵌合されることで、フローセル200に気密状態を維持するようにして取り付けられる。 The diaphragm-type gas sensor 100 of the present embodiment is used to detect a gas to be detected in the indoor environment in an open state as shown in FIG. 1(a), and also to a flow cell 200 as shown in FIG. 1(b). It is attached and used to detect the detection target gas in the sample gas introduced into the flow cell 200 from the measurement target environment such as an exhaust gas processing apparatus in a semiconductor manufacturing process through a pipe or the like. The sensor unit 300 has a diaphragm gas sensor 100 and a flow cell 200. The flow cell 200 includes a chamber 201 which is a space for accommodating the sample gas adjacent to the diaphragm 5 of the diaphragm gas sensor 100, an inlet 202 which is an inlet for introducing the sample gas into the chamber 201, and a sample from the chamber 201. And a discharge port 203 which is a discharge unit for discharging gas. In the present embodiment, the diaphragm-type gas sensor 100 keeps the flow cell 200 in an airtight state by fitting the attachment member 10 attached to the lower part of the container 1 in the drawing in the opening portion forming the chamber 201 of the flow cell 200. It is installed so as to maintain it.

このように隔膜式ガスセンサ100がフローセル200に取り付けられて用いられる場合、隔膜式ガスセンサ100の隔膜5は、フローセル200に接続された配管内の圧力条件にさらされる。サンプルガスの圧力が低い場合や、排出口203を介してサンプルガスをポンプで引く場合は、隔膜式ガスセンサ100の容器1の内部に対してフローセル200のチャンバー201の内部が負圧になる。前述のように、この場合、隔膜5が伸びて作用極2から離れるように変形しやすい。また、サンプルガスの圧力が高い場合や、導入口202を介してサンプルガスをポンプで押し込む場合は、隔膜式ガスセンサ100の容器1の内部に対してフローセル200のチャンバー201の内部が正圧になる。前述のように、この場合、隔膜5が伸びて作用極2の表面に張り付きやすい。 When the diaphragm gas sensor 100 is used by being attached to the flow cell 200 as described above, the diaphragm 5 of the diaphragm gas sensor 100 is exposed to the pressure condition in the pipe connected to the flow cell 200. When the pressure of the sample gas is low or when the sample gas is pumped through the discharge port 203, the inside of the chamber 201 of the flow cell 200 has a negative pressure with respect to the inside of the container 1 of the diaphragm gas sensor 100. As described above, in this case, the diaphragm 5 is likely to be stretched and deformed away from the working electrode 2. Further, when the pressure of the sample gas is high or when the sample gas is pushed by the pump through the inlet 202, the inside of the chamber 201 of the flow cell 200 has a positive pressure with respect to the inside of the container 1 of the diaphragm gas sensor 100. .. As described above, in this case, the diaphragm 5 tends to stretch and stick to the surface of the working electrode 2.

なお、図2(b)は、図2(a)に示す2極式の隔膜式ガスセンサ100がフローセル200に取り付けられて構成されたセンサユニット300の概略断面図である。図2(b)において、図1(b)に示すセンサユニット300のものと同一又は対応する機能あるいは構成を有する要素には同じ符号を付している。 Note that FIG. 2B is a schematic cross-sectional view of a sensor unit 300 configured by attaching the bipolar membrane gas sensor 100 shown in FIG. 2A to the flow cell 200. In FIG. 2B, elements having the same or corresponding functions or configurations as those of the sensor unit 300 shown in FIG. 1B are designated by the same reference numerals.

3.補強部材及びスペーサ
隔膜5の外側に補強部材6を配置することで、隔膜5を補強し、隔膜5が引き伸ばされることを抑制し、また隔膜5の変形を抑制することができる。また、隔膜5の内側に液体保持機能(保水機能)を有するスペーサ7を配置することで、隔膜5の押し付け強さによらず隔膜5と作用極2の表面との間の距離を略一定として電解液層Saの厚さを略一定とすることを可能とし、また隔膜5が作用極2の表面に張り付くことを抑制することができる。このように、隔膜5、及び作用極2と隔膜5との間の電解液層Saの寸法安定性を向上させることによって、隔膜式ガスセンサ100の短期的な感度の安定性、及び長期的な感度の安定性を向上させることができる。つまり、隔膜式ガスセンサ100の感度の長期的な安定性を向上させることができるとともに、隔膜式ガスセンサ100の初期及び保守作業(隔膜の交換、電解液の補充や交換など)の際の感度のバラツキを低減させることができる。補強部材6は、長期使用における隔膜5の伸びによる変形を抑制するのに特に効果的であるが、短期的な圧力変動による隔膜5の伸びによって電解液層Saの厚さが変動するのを抑制する効果もある。また、スペーサ7は、隔膜5を容器1に取り付けた際(初期)の隔膜5の押し付け強さによらずに電解液層Saの厚さを一定にし、また長期使用において電解液Sを保持して電解液層Saを維持するのに特に効果的であるが、長期使用において隔膜5が作用極2に張り付くのを抑制する効果もある。
3. Reinforcing member and spacer By arranging the reinforcing member 6 on the outer side of the diaphragm 5, it is possible to reinforce the diaphragm 5, prevent the diaphragm 5 from being stretched, and suppress deformation of the diaphragm 5. Further, by disposing the spacer 7 having a liquid retaining function (water retaining function) inside the diaphragm 5, the distance between the diaphragm 5 and the surface of the working electrode 2 is made substantially constant regardless of the pressing strength of the diaphragm 5. It is possible to make the thickness of the electrolytic solution layer Sa substantially constant, and to prevent the diaphragm 5 from sticking to the surface of the working electrode 2. As described above, by improving the dimensional stability of the diaphragm 5 and the electrolytic solution layer Sa between the working electrode 2 and the diaphragm 5, the stability of the short-term sensitivity and the long-term sensitivity of the diaphragm gas sensor 100 are improved. The stability of can be improved. That is, it is possible to improve the long-term stability of the sensitivity of the diaphragm gas sensor 100, and also the fluctuation of the sensitivity at the time of initial and maintenance work of the diaphragm gas sensor 100 (replacement of the diaphragm, replenishment or replacement of the electrolyte, etc.) Can be reduced. The reinforcing member 6 is particularly effective in suppressing the deformation of the diaphragm 5 due to the elongation during long-term use, but suppresses the fluctuation of the thickness of the electrolyte layer Sa due to the elongation of the diaphragm 5 due to the short-term pressure fluctuation. There is also an effect. Further, the spacer 7 makes the thickness of the electrolytic solution layer Sa constant regardless of the pressing strength of the diaphragm 5 when the diaphragm 5 is attached to the container 1 (initial stage), and holds the electrolytic solution S in long-term use. It is particularly effective in maintaining the electrolyte solution layer Sa, but also has an effect of suppressing the diaphragm 5 from sticking to the working electrode 2 during long-term use.

図3(a)は、本実施例における隔膜5、補強部材6、スペーサ7の配置関係を説明するための模式的な平面図である。また、図3(b)は、隔膜5、補強部材6及びスペーサ7の模式的な分解斜視図である。本実施例では、隔膜5、補強部材6及びスペーサ7は、平面視略円形であり、補強部材6は隔膜5と同等の外径を有し、スペーサ7は隔膜5よりも小さく作用極2よりも大きい外径を有する。なお、本実施例では、補強部材6は隔膜5と一体に形成されおり、スペーサ7は隔膜5とは別体として形成されている。 FIG. 3A is a schematic plan view for explaining the positional relationship among the diaphragm 5, the reinforcing member 6, and the spacer 7 in this embodiment. Further, FIG. 3B is a schematic exploded perspective view of the diaphragm 5, the reinforcing member 6, and the spacer 7. In this embodiment, the diaphragm 5, the reinforcing member 6 and the spacer 7 are substantially circular in a plan view, the reinforcing member 6 has the same outer diameter as the diaphragm 5, and the spacer 7 is smaller than the diaphragm 5 and smaller than the working electrode 2. Also has a large outer diameter. In this embodiment, the reinforcing member 6 is formed integrally with the diaphragm 5, and the spacer 7 is formed separately from the diaphragm 5.

補強部材6は、隔膜5の作用極2とは反対側の面に沿って配置され、隔膜5が伸びて変形することを抑制できるものであればよい。ただし、補強部材6は、隔膜5の面に沿わせて作用極2の表面に押圧できることが望まれるため、補強部材6を構成する材料は弾性を有する樹脂であることが望ましい。補強部材6としては、樹脂製の繊維で構成された、網目状構造又は不織布状構造を有するシートを用いることができる。 The reinforcing member 6 may be arranged along the surface of the diaphragm 5 on the side opposite to the working electrode 2 and can prevent the diaphragm 5 from being stretched and deformed. However, since it is desired that the reinforcing member 6 can be pressed against the surface of the working electrode 2 along the surface of the diaphragm 5, the material forming the reinforcing member 6 is preferably a resin having elasticity. As the reinforcing member 6, a sheet having a mesh structure or a non-woven structure made of resin fibers can be used.

ここで、網目状構造(ネット)は、一の方向及び該一の方向と交差する方向(直交する方向に限定されない)に延在する繊維(繊維束、糸を含む)によって構成されていればよい。網目状構造は、2方向に延在する繊維からなることに限定されるものではなく、3方向以上の互いに交差する繊維で構成されていてもよい。また、網目状構造は、典型的には、各方向に延在する繊維が熱的、機械的又は化学的な作用によって接着されたものであるが、織物であってもよい。また、不織布状構造は、繊維を織らずに構成されたものであればよい。不織布状構造は、典型的には繊維が絡み合わされて構成されたものであるが、繊維が熱的、機械的、又は化学的な作用によって接着されていてもよい。 Here, the net-like structure (net) may be constituted by fibers (including fiber bundles and yarns) extending in one direction and a direction intersecting with the one direction (not limited to the orthogonal direction). Good. The mesh structure is not limited to the fibers extending in two directions, and may be formed of fibers intersecting with each other in three or more directions. The network structure is typically a structure in which fibers extending in each direction are bonded by a thermal, mechanical or chemical action, but may be a woven fabric. Further, the non-woven fabric-like structure may be one that is configured without weaving fibers. The non-woven fabric structure is typically formed by intertwining fibers, but the fibers may be bonded by a thermal, mechanical, or chemical action.

補強部材6を構成する樹脂としては、ポリエステル(PET(ポリエチレンテレフタラート)など)、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを用いることができる。なお、補強部材6を構成する樹脂は、隔膜5を構成する樹脂よりも塑性変形しにくいものであることが好ましい。また、補強部材6は、隔膜5と一体に形成されていてもよいし、隔膜5とは別体で形成されていてもよい。補強部材6が隔膜5と一体化されている場合、その一体化は熱的、機械的又は化学的な作用によって行われていてよい。補強部材6の厚さは、1μm以上、500μm以下であることが好ましい。補強部材6の厚さが1μm未満であると、十分に隔膜5の伸びを抑制することが難しくなることがあり、補強部材6の厚さが500μmを超えると隔膜5の面に沿わせて配置することが難しくなることがある。補強部材6の厚さは、10μm以上、300μm以下であることがより好ましい。例えば、隔膜5と、樹脂製の繊維で構成された網目状構造のシートである補強部材6と、が一体に形成された強化膜として、多孔性のPTFEで構成された隔膜5とポリプロピレン繊維のネットで構成された補強部材6とが一体化されたサポーテッドPTFEタイプメンブレンフィルター(東洋濾紙株式会社製)を好適に用いることができる。また、隔膜5と、樹脂製の繊維で構成された不織布状構造のシートである補強部材6と、が一体に形成された強化膜として、PTFEタイプフィルター(杭州科百特濾過機材有限公司製)を好適に用いることができる。 As the resin forming the reinforcing member 6, polyester (PET (polyethylene terephthalate) or the like), polyimide, polycarbonate, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene or the like can be used. It is preferable that the resin forming the reinforcing member 6 is less likely to be plastically deformed than the resin forming the diaphragm 5. The reinforcing member 6 may be formed integrally with the diaphragm 5 or may be formed separately from the diaphragm 5. If the reinforcing member 6 is integrated with the diaphragm 5, the integration may be done by thermal, mechanical or chemical action. The thickness of the reinforcing member 6 is preferably 1 μm or more and 500 μm or less. When the thickness of the reinforcing member 6 is less than 1 μm, it may be difficult to suppress the elongation of the diaphragm 5 sufficiently, and when the thickness of the reinforcing member 6 exceeds 500 μm, the reinforcing member 6 is arranged along the surface of the diaphragm 5. It can be difficult to do. The thickness of the reinforcing member 6 is more preferably 10 μm or more and 300 μm or less. For example, the diaphragm 5 and the reinforcing member 6 which is a sheet having a mesh structure made of resin fibers are integrally formed as a reinforcing film, and the diaphragm 5 made of porous PTFE and the polypropylene fiber A supported PTFE type membrane filter (manufactured by Toyo Roshi Kaisha, Ltd.) in which the reinforcing member 6 composed of a net is integrated can be preferably used. Further, a PTFE type filter (manufactured by Hangzhou Kahyaku Special Equipment Co., Ltd.) is used as a reinforced membrane in which the diaphragm 5 and the reinforcing member 6 which is a non-woven sheet made of resin fibers are integrally formed. Can be preferably used.

スペーサ7は、隔膜5と作用極2との間に配置され、隔膜5と作用極2との間の距離を略一定に維持することができるとともに、電解液Sが浸透可能でありかつ保持することのできる液体保持機能(保水機能)を有するものであればよい。スペーサ7としては、樹脂製、セルロース製若しくはガラス製の繊維で構成された網目状構造若しくは不織布状構造を有するシートを用いることができる。また、スペーサ7としては、樹脂製、セルロース製若しくはガラス製の繊維で構成された濾材(濾紙)を用いてもよい。また、スペーサ7としては、樹脂で構成されたスポンジ若しくは多孔性フィルムを用いてもよい。スペーサ7を構成する樹脂としては、ポリエステル(PETなど)、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを用いることができる。また、スペーサ7は、隔膜5とは別体で形成されていてもよいし、隔膜5と一体に形成されていてもよい。スペーサ7が隔膜5と一体化されている場合、その一体化は熱的、機械的又は化学的な作用によって行われていてよい。スペーサ7の厚さは、1μm以上、100μm以下であることが好ましい。スペーサ7の厚さが1μm未満であると、電解液Sを十分に保持することが難しくなることがあり、スペーサ7の厚さが100μmを超えると隔膜5と作用極2とが離れすぎて隔膜式ガスセンサ100の応答速度が遅くなることがある。スペーサ7の厚さは、1μm以上、60μm以下であることがより好ましい。例えば、隔膜5とは別体で構成されたスペーサ7として、ポリエステル繊維で構成された不織布であるポリエステル不織布(バイリーン社製)を好適に用いることができる。 The spacer 7 is arranged between the diaphragm 5 and the working electrode 2 so that the distance between the diaphragm 5 and the working electrode 2 can be maintained substantially constant, and at the same time, the electrolytic solution S can penetrate and hold the electrolytic solution S. Any liquid having a liquid retaining function (water retaining function) that can be used may be used. As the spacer 7, a sheet having a mesh structure or a non-woven structure made of resin, cellulose or glass fibers can be used. As the spacer 7, a filter material (filter paper) made of resin, cellulose, or glass fiber may be used. Further, as the spacer 7, a sponge or a porous film made of resin may be used. As the resin forming the spacer 7, polyester (PET or the like), polyimide, polycarbonate, polyvinylidene fluoride, polyethylene, polypropylene or the like can be used. The spacer 7 may be formed separately from the diaphragm 5, or may be integrally formed with the diaphragm 5. If the spacer 7 is integrated with the diaphragm 5, the integration may be done by thermal, mechanical or chemical action. The thickness of the spacer 7 is preferably 1 μm or more and 100 μm or less. If the thickness of the spacer 7 is less than 1 μm, it may be difficult to sufficiently retain the electrolytic solution S. If the thickness of the spacer 7 exceeds 100 μm, the diaphragm 5 and the working electrode 2 are too far apart from each other. The response speed of the gas sensor 100 may slow down. The thickness of the spacer 7 is more preferably 1 μm or more and 60 μm or less. For example, as the spacer 7 formed separately from the diaphragm 5, a polyester non-woven fabric (manufactured by Vilene Co., Ltd.) which is a non-woven fabric composed of polyester fibers can be preferably used.

4.実験例
次に、実験例を用いて本実施例の効果について更に説明する。
4. Experimental Example Next, the effect of the present embodiment will be further described using an experimental example.

<実験例1>
本実施例の隔膜式ガスセンサ100を備えたセンサユニット300(図1(b))と、比較例としての従来の隔膜式ガスセンサ100を備えたセンサユニット300(図6(b))と、を用いて、隔膜式ガスセンサ100の指示値の経時変化を調べる実験を行った。
<Experimental Example 1>
A sensor unit 300 including the diaphragm gas sensor 100 of the present embodiment (FIG. 1B) and a sensor unit 300 including the conventional diaphragm gas sensor 100 as a comparative example (FIG. 6B) are used. Then, an experiment was conducted to examine the change with time of the indicated value of the diaphragm gas sensor 100.

本実験例では、フローセル200の排出口203に接続された吸引手段によって、吸引圧力を−5kPaとして大気(温度25℃、湿度30〜40%RH)を連続吸引して、チャンバー201の内部を隔膜式ガスセンサ100の容器1の内部に対して負圧とした。そして、適宜のタイミングで、一定濃度の検出対象ガスをチャンバー201に吸引する大気(サンプルガス)に導入して、検出対象ガスの濃度を測定した。 In the present experimental example, the atmosphere (temperature 25° C., humidity 30 to 40% RH) is continuously sucked at a suction pressure of −5 kPa by the suction means connected to the discharge port 203 of the flow cell 200, and the inside of the chamber 201 is separated by a diaphragm. A negative pressure was applied to the inside of the container 1 of the gas sensor 100. Then, at a proper timing, a detection target gas having a constant concentration was introduced into the atmosphere (sample gas) sucked into the chamber 201, and the concentration of the detection target gas was measured.

本実験例では、隔膜式ガスセンサ100を、検出対象ガスが塩化水素ガスである塩化水素ガスセンサ、検出対象ガスがアンモニアガスであるアンモニアガスセンサとして構成してそれぞれ同様の実験を行った。塩化水素ガスセンサとして構成する場合、本実施例、比較例のいずれにおいても、作用極2は金、対極3は銀、参照極4は銀とし、電解液Sはヨウ化カリウム、ヨウ素酸カリウム水溶液を基本成分として50容量%のエチレングリコールを加えたものとし、作用極2の電位を参照極4に対して+200Vとして作用極2と対極3との間に流れる電流を測定して、塩化水素ガス濃度指示値(ppm)に換算した。アンモニアガスセンサとして構成する場合、本実施例、比較例のいずれにおいても、作用極2は銀、対極3は銀、参照極4は銀とし、電解液Sは硝酸銀、酢酸塩水溶液を基本成分として50容量%のエチレングリコールを加えたものとし、作用極2の電位を参照極4に対して0Vとして作用極2と対極3との間に流れる電流を測定して、アンモニアガス濃度指示値(ppm)に換算した。 In the present experimental example, the diaphragm type gas sensor 100 was configured as a hydrogen chloride gas sensor whose detection target gas was hydrogen chloride gas and an ammonia gas sensor whose detection target gas was ammonia gas, and the same experiment was performed. When configured as a hydrogen chloride gas sensor, the working electrode 2 is gold, the counter electrode 3 is silver, the reference electrode 4 is silver, and the electrolytic solution S is potassium iodide or potassium iodate aqueous solution in any of the present examples and comparative examples. Assuming that 50% by volume of ethylene glycol was added as a basic component, the potential of the working electrode 2 was set to +200 V with respect to the reference electrode 4, and the current flowing between the working electrode 2 and the counter electrode 3 was measured to measure the hydrogen chloride gas concentration. It was converted to the indicated value (ppm). When configured as an ammonia gas sensor, the working electrode 2 is silver, the counter electrode 3 is silver, the reference electrode 4 is silver, the electrolytic solution S is silver nitrate, and the aqueous solution of acetate is 50 as a basic component in both the present example and the comparative example. Assuming that a volume% of ethylene glycol was added, the electric potential of the working electrode 2 was set to 0 V with respect to the reference electrode 4, and the current flowing between the working electrode 2 and the counter electrode 3 was measured to give an ammonia gas concentration indicating value (ppm). Converted to.

本実施例では、隔膜5及び補強部材6として、隔膜5と補強部材6とが一体に形成された強化膜である、サポーテッドPTFEタイプメンブレンフィルター(東洋濾紙株式会社製、品名J010A系、平均孔径0.10μm、PTFE膜の厚さ30μm、ネットの厚さ100μm)を用いた。このフィルターは、多孔性のPTFE膜(隔膜5)と、ポリプロピレン繊維のネット(補強部材6)とが一体化されたものである。また、本実施例では、このフィルターは直径が約22mmの円形であり、Oリング8の直径は約20.3mm、作用極2の直径は塩化水素ガスセンサでは約10mm、アンモニアガスセンサでは約8mmであった。また、本実施例では、スペーサ7として、ポリエステル繊維で構成された厚さ38μmの不織布であるポリエステル不織布(バイリーン社製)を用いた。本実施例では、このスペーサ7は直径が約13mmの円形である。 In the present embodiment, as the diaphragm 5 and the reinforcing member 6, a supported PTFE type membrane filter (manufactured by Toyo Roshi Kaisha, Ltd., product name J010A system, average pore diameter 0) is a reinforcing film in which the diaphragm 5 and the reinforcing member 6 are integrally formed. .10 μm, the thickness of the PTFE film was 30 μm, and the thickness of the net was 100 μm). In this filter, a porous PTFE membrane (diaphragm 5) and a polypropylene fiber net (reinforcing member 6) are integrated. Further, in this embodiment, this filter is a circular shape having a diameter of about 22 mm, the O-ring 8 has a diameter of about 20.3 mm, the working electrode 2 has a diameter of about 10 mm for the hydrogen chloride gas sensor and about 8 mm for the ammonia gas sensor. It was Further, in this example, as the spacer 7, a polyester non-woven fabric (manufactured by Vilene Co., Ltd.) which is a non-woven fabric composed of polyester fiber and having a thickness of 38 μm was used. In this embodiment, the spacer 7 is a circle having a diameter of about 13 mm.

また、比較例では、隔膜5として、多孔性のPTFE膜(住友電工社製、品名ポアフロン、孔径0.10μm、厚さ80μm)を用いた。比較例における隔膜5、Oリング8、作用極2のそれぞれの直径は、本実施例のものと実質的に同じである。 In addition, in the comparative example, a porous PTFE membrane (manufactured by Sumitomo Electric Co., Ltd., product name Poreflon, pore diameter 0.10 μm, thickness 80 μm) was used as the diaphragm 5. The respective diameters of the diaphragm 5, the O-ring 8 and the working electrode 2 in the comparative example are substantially the same as those in the present embodiment.

本実施例及び比較例の隔膜式ガスセンサ100を塩化水素ガスセンサとして構成した場合の結果を図4(a)、アンモニアガスセンサとして構成した場合の結果を図4(b)に示す。本実施例及び比較例のいずれについても2個の被検センサを用いた結果を示している。 FIG. 4A shows the result when the diaphragm type gas sensor 100 of the present example and the comparative example is configured as a hydrogen chloride gas sensor, and FIG. 4B shows the result when it is configured as an ammonia gas sensor. The results obtained by using two test sensors are shown for both the present example and the comparative example.

図4(a)、(b)からわかるように、比較例では、被検センサごとの指示値のばらつきが大きかった。これは、被検センサごとに電解液層Saの厚さが一定ではなかったことによるものと考えられる。また、比較例では、短期間で指示値がほぼゼロになるものがあった。これは、サンプルガスが比較的低湿度でありチャンバー201内が負圧であることにより電解液層Saの電解液Sが蒸発して減少したこと、及び、チャンバー201内が負圧であることにより隔膜5が伸びてたわみが生じたことにより、電解液層Saの厚さが変化したことによるものと考えられる。 As can be seen from FIGS. 4A and 4B, in the comparative example, there was a large variation in the indicated value for each sensor to be tested. It is considered that this is because the thickness of the electrolytic solution layer Sa was not constant for each test sensor. In addition, in the comparative example, there was a case where the indicated value became almost zero in a short period of time. This is because the sample gas has a relatively low humidity and the inside of the chamber 201 has a negative pressure so that the electrolytic solution S in the electrolytic solution layer Sa is evaporated and reduced, and the inside of the chamber 201 has a negative pressure. It is considered that this is because the thickness of the electrolytic solution layer Sa changed due to the expansion of the diaphragm 5 and the occurrence of bending.

これに対して、図4(a)、(b)からわかるように、本実施例では、被検センサごとの指示値のばらつきは小さかった。これは、隔膜5と作用極2の表面との間にスペーサ7を設けたことにより、隔膜5と作用極2との間の距離が略一定に保たれたことによるものと考えられる。また、本実施例では、経時的な指示値の変化も小さかった。これは、隔膜5の外側に補強部材6を設けたことにより、隔膜5が伸びてたわみが生じることを抑制できたこと、及びスペーサ7が電解液Sを保持して電解液層Saの電解液Sの蒸発による減少が抑制されたことによるものと考えられる。 On the other hand, as can be seen from FIGS. 4A and 4B, in the present embodiment, the variation in the indicated value for each sensor to be tested was small. It is considered that this is because the spacer 7 was provided between the diaphragm 5 and the surface of the working electrode 2, so that the distance between the diaphragm 5 and the working electrode 2 was kept substantially constant. Further, in this example, the change in the indicated value with time was small. This is because by providing the reinforcing member 6 on the outer side of the diaphragm 5, it is possible to suppress the diaphragm 5 from being stretched and bending, and the spacer 7 holds the electrolytic solution S and the electrolytic solution of the electrolytic solution layer Sa. It is considered that the decrease in S due to evaporation was suppressed.

<実験例2>
本実施例の隔膜式ガスセンサ100(図1(a))と、比較例としての従来の隔膜式ガスセンサ100(図6(a))と、を用いて、隔膜5の押し付け強さの違いによる隔膜式ガスセンサ100の指示値の変化を調べる実験を行った。
<Experimental example 2>
The diaphragm type gas sensor 100 of this embodiment (FIG. 1A) and the conventional diaphragm type gas sensor 100 (FIG. 6A) as a comparative example are used to separate the diaphragm 5 depending on the pressing strength of the diaphragm 5. An experiment was conducted to examine the change in the indicated value of the gas sensor 100.

本実験例では、本実施例及び比較例の隔膜式ガスセンサ100として、それぞれ実験例1において説明したものと実質的に同じ塩化水素ガスセンサを用いた。そして、本実施例及び比較例の隔膜式ガスセンサ100のそれぞれについて、取付部材10の締め付け起点からの締め付け量(角度)を0度〜210度の範囲で変化させ、検出対象ガスの濃度が一定の雰囲気中に被検センサを配置して、被検センサの出力(締め付け角度120〜150度の場合の出力に対する相対出力)を比較した。 In the present experimental example, as the diaphragm type gas sensor 100 of the present example and the comparative example, substantially the same hydrogen chloride gas sensors as those described in Experimental example 1 were used. Then, for each of the diaphragm-type gas sensors 100 of the present example and the comparative example, the tightening amount (angle) from the tightening starting point of the mounting member 10 is changed in the range of 0 degrees to 210 degrees so that the concentration of the gas to be detected is constant. The test sensor was arranged in the atmosphere, and the outputs of the test sensor (relative output to the output when the tightening angle was 120 to 150 degrees) were compared.

比較例の隔膜式ガスセンサ100についての結果を図5(a)、本実施例の隔膜式ガスセンサ100についての結果を図5(b)に示す。本実施例及び比較例のいずれについても3個の被検センサを用いた結果を示している。 The results for the diaphragm-type gas sensor 100 of the comparative example are shown in FIG. 5A, and the results for the diaphragm-type gas sensor 100 of the present embodiment are shown in FIG. 5B. The results obtained using three test sensors are shown for both the present example and the comparative example.

図5(a)からわかるように、比較例では、取付部材10の締め付け量(角度)、すなわち、隔膜5の押し付け強さの違いによって、隔膜式ガスセンサ100の出力に比較的大きなばらつきが生じた。これは、隔膜5の押し付け強さの違いによって、電解液層Saの厚さが異なってしまったためであると考えられる。 As can be seen from FIG. 5A, in the comparative example, the output of the diaphragm type gas sensor 100 has a relatively large variation due to the difference in the tightening amount (angle) of the mounting member 10, that is, the pressing strength of the diaphragm 5. .. It is considered that this is because the thickness of the electrolytic solution layer Sa was different due to the difference in pressing strength of the diaphragm 5.

これに対して、図5(b)に示すように、本実施例では、取付部材10の締め付け量(角度)、すなわち、隔膜5の押し付け強さの違いがあっても、隔膜式ガスセンサ100の出力の差は小さかった。そして、120度以上の締め付け角度とすることで、ほぼ一定の出力が得られた。これは、隔膜5と作用極2の表面との間にスペーサ7を設けたことにより、隔膜5の押し付け強さに違いがあっても、電解液層Saの厚さを略一定に保つことができたためであると考えられる。つまり、本実施例では、操作者の個人差によって隔膜5の押し付け強さが違っても、電解液層Saの厚さを略一定にして感度のバラツキを低減することができることがわかる。 On the other hand, as shown in FIG. 5B, in the present embodiment, even if there is a difference in the tightening amount (angle) of the mounting member 10, that is, the pressing strength of the diaphragm 5, the diaphragm gas sensor 100 of the diaphragm type gas sensor 100. The output difference was small. Then, by setting the tightening angle to 120 degrees or more, a substantially constant output was obtained. This is because the spacer 7 is provided between the diaphragm 5 and the surface of the working electrode 2, so that the thickness of the electrolytic solution layer Sa can be kept substantially constant even if the pressing strength of the diaphragm 5 is different. This is probably because it was done. That is, in the present embodiment, it is understood that even if the pressing strength of the diaphragm 5 varies depending on the operator's individual difference, it is possible to reduce the variation in sensitivity by making the thickness of the electrolytic solution layer Sa substantially constant.

5.効果
以上説明したように、本実施例によれば、隔膜5、及び作用極2と隔膜5との間の電解液層Saの寸法安定性を向上させることによって、隔膜式ガスセンサ100の短期的な感度の安定性、及び長期的な感度の安定性を向上させることができる。つまり、本実施例によれば、電気化学的手法を利用した隔膜式ガスセンサ100及びセンサユニット300において、感度の長期的な安定性を向上させることができるとともに、隔膜式ガスセンサ100の初期及び保守作業(隔膜の交換、電解液の補充や交換など)の際の感度のバラツキを低減させることができる。
5. Effect As described above, according to the present embodiment, the dimensional stability of the diaphragm 5 and the electrolytic solution layer Sa between the working electrode 2 and the diaphragm 5 is improved, so that the diaphragm gas sensor 100 in the short-term is improved. The stability of sensitivity and the stability of long-term sensitivity can be improved. That is, according to the present embodiment, in the diaphragm type gas sensor 100 and the sensor unit 300 using the electrochemical method, the long-term stability of the sensitivity can be improved, and the initial and maintenance work of the diaphragm type gas sensor 100 can be performed. It is possible to reduce variations in sensitivity during replacement of the diaphragm, replenishment or replacement of the electrolytic solution, and the like.

1 容器
2 作用極
3 対極
4 参照極
5 隔膜
6 補強部材
7 スペーサ
100 隔膜式ガスセンサ
200 フローセル
300 センサユニット
1 Container 2 Working Electrode 3 Counter Electrode 4 Reference Electrode 5 Diaphragm 6 Reinforcing Member 7 Spacer 100 Diaphragm Gas Sensor 200 Flow Cell 300 Sensor Unit

Claims (8)

電気化学的手法を利用してサンプルガス中の検出対象ガスを検出するための隔膜式ガスセンサにおいて、
電解液を収容する、開口部を備えた容器と、
前記開口部に隣接して前記容器に設けられた、検出対象ガスを検出するための作用極と、
前記開口部を封止するように前記容器に取り付けられた、検出対象ガスを透過させることが可能な隔膜と、
前記隔膜の前記作用極とは反対側において前記隔膜に隣接して配置された、前記隔膜の伸びを抑制するための補強部材と、
前記隔膜の前記作用極側において前記隔膜及び前記作用極に隣接して配置された、前記電解液が浸透可能なスペーサと、
前記スペーサを介して前記隔膜を前記作用極に向けて押圧した状態で前記隔膜を前記容器に保持する保持部材と、
を有することを特徴とする隔膜式ガスセンサ。
In the diaphragm type gas sensor for detecting the detection target gas in the sample gas using the electrochemical method,
A container having an opening for containing the electrolytic solution,
Provided in the container adjacent to the opening, a working electrode for detecting the gas to be detected,
A diaphragm that is attached to the container so as to seal the opening and is capable of transmitting a gas to be detected,
A reinforcing member arranged adjacent to the diaphragm on the side opposite to the working electrode of the diaphragm, for suppressing the elongation of the diaphragm,
A spacer, which is arranged adjacent to the diaphragm and the working electrode on the working electrode side of the diaphragm, and in which the electrolytic solution is permeable,
A holding member for holding the diaphragm in the container in a state in which the diaphragm is pressed toward the working electrode via the spacer;
A membrane-type gas sensor having:
前記補強部材は、樹脂製の繊維で構成された網目状構造又は不織布状構造を有するシートであることを特徴とする請求項1に記載の隔膜式ガスセンサ。 The diaphragm type gas sensor according to claim 1, wherein the reinforcing member is a sheet having a mesh structure or a non-woven structure made of resin fibers. 前記スペーサは、樹脂製、セルロース製若しくはガラス製の繊維で構成された網目状構造若しくは不織布状構造を有するシート、樹脂製、セルロース製若しくはガラス製の繊維で構成された濾材、又は、樹脂で構成されたスポンジ若しくは多孔性フィルムであることを特徴とする請求項1又は2に記載の隔膜式ガスセンサ。 The spacer is made of resin, a sheet having a mesh structure or a non-woven structure made of cellulose or glass fibers, a filter material made of resin, cellulose or glass fibers, or made of resin. The diaphragm type gas sensor according to claim 1 or 2, which is a sponge or a porous film. 前記樹脂は、ポリエステル、ポリイミド、ポリカーボネート、ポリフッ化ビニリデン、ポリエチレン及びポリプロピレンを含む群より選択されることを特徴とする請求項2又は3に記載の隔膜式ガスセンサ。 The diaphragm type gas sensor according to claim 2 or 3, wherein the resin is selected from the group including polyester, polyimide, polycarbonate, polyvinylidene fluoride, polyethylene, and polypropylene. 前記補強部材の厚さは1μm以上、500μm以下であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の隔膜式ガスセンサ。 The diaphragm-type gas sensor according to claim 1, wherein the reinforcing member has a thickness of 1 μm or more and 500 μm or less. 前記スペーサの厚さは1μm以上、100μm以下であることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の隔膜式ガスセンサ。 The diaphragm-type gas sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the spacer has a thickness of 1 µm or more and 100 µm or less. 前記隔膜は、フッ素樹脂、シリコーン樹脂及び低密度ポリエチレンを含む群から選択される樹脂で構成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載の隔膜式ガスセンサ。 7. The diaphragm type gas sensor according to claim 1, wherein the diaphragm is made of a resin selected from the group including a fluororesin, a silicone resin, and a low density polyethylene. 請求項1乃至7のいずれか一項に記載の隔膜式ガスセンサと、前記隔膜式ガスセンサの前記隔膜に隣接してサンプルガスを収容する空間を形成するフローセルであって、前記空間にサンプルガスを導入する導入部及び前記空間からサンプルガスを排出する排出部を備えたフローセルと、を有することを特徴とするセンサユニット。 It is a flow cell which forms the space which accommodates sample gas adjacent to the diaphragm of the diaphragm type gas sensor according to any one of claims 1 to 7, and introduces sample gas into the space. And a flow cell having a discharge part for discharging the sample gas from the space.
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