JP2023055088A - Mems type contact combustion type gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、MEMS型接触燃焼式ガスセンサに関する。 The present disclosure relates to a MEMS type catalytic combustion gas sensor.
接触燃焼式ガスセンサは、水素などの検知対象ガスと接触するガス反応部を備え、当該検知対象ガスが燃焼した燃焼熱による、ガス反応部の抵抗値の変化を測定することにより、検知対象ガスを検知する(例えば、下記特許文献1参照。)。
A catalytic combustion type gas sensor has a gas reaction part that comes into contact with a detection target gas such as hydrogen. (For example, see
上記のような接触燃焼式ガスセンサでは、小型化及び省電力化が要望されている。このような要望を満足すべく、微細加工が可能なMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を利用したMEMS型接触燃焼式ガスセンサの開発・実用化が行われている。 In the catalytic combustion type gas sensor as described above, there is a demand for miniaturization and power saving. In order to satisfy such demands, development and practical use of MEMS type catalytic combustion gas sensors using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology capable of microfabrication are being carried out.
ところが、上記のようなMEMS型接触燃焼式ガスセンサでは、検知対象ガスの燃焼(反応)によって生じる水に起因して当該検知対象ガスの検知精度が低下するという問題点を生じることがあった。 However, in the MEMS type catalytic combustion gas sensor as described above, there has been a problem that the detection accuracy of the detection target gas is lowered due to the water generated by the combustion (reaction) of the detection target gas.
具体的にいえば、MEMS型接触燃焼式ガスセンサを構成した場合、その小型化に伴って在来の接触燃焼式ガスセンサに比べて発熱部が微小となり、微小な発熱部の近くに存在する常温に近い部分では、水素の燃焼により生成した水蒸気が結露しやすくなることがあった。このため、従来のMEMS型接触燃焼式ガスセンサでは、水が付着することにより、ガス反応部の温度が低下して当該ガス反応部の抵抗値が変動することがあった。この結果、従来のMEMS型接触燃焼式ガスセンサでは、センサ出力が安定せずに、検知対象ガスの検知精度の低下を招くことがあった。 Specifically, when a MEMS-type catalytic combustion gas sensor is constructed, the heat-generating part becomes minute compared to the conventional catalytic combustion-type gas sensor due to its miniaturization. In close proximity, water vapor produced by the combustion of hydrogen was prone to condensation. For this reason, in the conventional MEMS type catalytic combustion type gas sensor, the adhesion of water may cause the temperature of the gas reaction portion to drop and the resistance value of the gas reaction portion to fluctuate. As a result, in the conventional MEMS type catalytic combustion type gas sensor, the sensor output is not stable, and the detection accuracy of the gas to be detected may be lowered.
本開示は、検知対象ガスの反応によって水が生じた場合でも、当該検知対象ガスの検知精度の低下を抑制することができるMEMS型接触燃焼式ガスセンサを提供することを目的とする。 An object of the present disclosure is to provide a MEMS-type catalytic combustion gas sensor capable of suppressing deterioration in detection accuracy of a detection target gas even when water is generated by reaction of the detection target gas.
上記の課題を解決するために、本開示の一側面に係るMEMS型接触燃焼式ガスセンサは、基板と、前記基板上に設けられる検出電極と、前記検出電極に接触するように前記基板上に設けられるガス反応部と、前記ガス反応部上に設けられる水飛散抑制層と、を備える、MEMS型接触燃焼式ガスセンサであって、検知対象ガスは、反応により水を発生させるガスを少なくとも1つ含み、前記水飛散抑制層は、前記検知対象ガスを透過させ、かつ、前記検知対象ガスに対して前記ガス反応部よりも活性が低い。 In order to solve the above problems, a MEMS catalytic combustion gas sensor according to one aspect of the present disclosure includes a substrate, a detection electrode provided on the substrate, and a detection electrode provided on the substrate so as to be in contact with the detection electrode. and a water-splash-suppressing layer provided on the gas reaction part, wherein the gas to be detected includes at least one gas that reacts to generate water. The water-scattering suppression layer is permeable to the detection target gas and has a lower activity with respect to the detection target gas than the gas reaction section.
上記構成によれば、水飛散抑制層は検知対象ガスに対してガス反応部よりも活性が低いので、水飛散抑制層はガス反応部よりも検知対象ガスの反応によって水が生じ難く、水の飛散を抑制することができる。これにより、検知対象ガスの反応によって水が生じた場合でも、生成された水を一度に蒸発させず、ガス反応部付近での結露量を抑えることができるため、当該検知対象ガスの検知精度の低下を抑制することができるMEMS型接触燃焼式ガスセンサを構成することができる。 According to the above configuration, the water-splashing suppression layer has a lower activity with respect to the gas to be detected than the gas reaction part. Scattering can be suppressed. As a result, even if water is generated by the reaction of the detection target gas, the generated water does not evaporate all at once, and the amount of condensation near the gas reaction part can be suppressed. It is possible to configure a MEMS type catalytic combustion gas sensor capable of suppressing the deterioration.
前記検知対象ガスは、水素であってもよい。この場合、水素をより高濃度まで検知することができる。 The gas to be detected may be hydrogen. In this case, hydrogen can be detected up to a higher concentration.
本開示の一態様によれば、検知対象ガスの反応によって水が生じた場合でも、当該検知対象ガスの検知精度の低下を抑制することができるMEMS型接触燃焼式ガスセンサを提供することができる。 According to one aspect of the present disclosure, it is possible to provide a MEMS catalytic combustion gas sensor capable of suppressing deterioration in detection accuracy of a detection target gas even when water is produced by reaction of the detection target gas.
〔実施形態1〕
<MEMS型接触燃焼式ガスセンサ1の概略構成>
以下、本開示の実施形態1のMEMS型接触燃焼式ガスセンサ1について、図1から図3を用いて詳細に説明する。図1は、本開示の実施形態1に係るMEMS型接触燃焼式ガスセンサ1を示す平面図である。図2は、図1のII-II線断面図である。図3は、上記MEMS型接触燃焼式ガスセンサ1に含まれた検出回路の構成例を示す回路図である。
[Embodiment 1]
<Schematic Configuration of MEMS Type Catalytic
A MEMS catalytic
図1及び図2において、本実施形態のMEMS型接触燃焼式ガスセンサ1は、検知対象ガスを検知する検知素子10と、検知素子10の検出結果を補償する補償素子20とを備える。検知対象ガスは、検知素子10に含まれたガス反応部13での反応(燃焼)によって水を発生し得る、ガスを少なくとも1つ含んでいる。具体的にいえば、検知対象ガスは、水素、メタン、イソブタン、エタン、プロパンなどの水素原子を含んだ可燃性ガスである。
1 and 2, the MEMS type catalytic
<検出回路の構成>
また、本実施形態のMEMS型接触燃焼式ガスセンサ1は、例えば、ブリッジ回路を含んだ検出回路を備える。すなわち、本実施形態の検出回路は、図3に示すように、検知素子10、補償素子20、抵抗71、及び抵抗72を有するブリッジ回路と、当該ブリッジ回路に電力供給を行う電源73と、当該ブリッジ回路の電圧を検知してMEMS型接触燃焼式ガスセンサ1のセンシング結果として出力するための電圧計74とを備える。
<Structure of detection circuit>
Further, the MEMS type catalytic
また、本実施形態では、検知素子10に対して電源73から間欠的に電力供給が行われ、電力供給を受けた検知素子10は、検知対象ガスが燃焼し易い所定の燃焼温度(例えば、300℃~700℃)で維持されるようになっている。また、補償素子20は、検知対象ガスの燃焼以外の温度変化(例えば、周囲温度の変化)を基に、検知素子10の抵抗値の変化を補償する。
Further, in the present embodiment, power is intermittently supplied from the
また、本実施形態では、検知素子10と補償素子20とは同じ抵抗値に設定されている。それゆえ、検知対象ガスがMEMS型接触燃焼式ガスセンサ1の周囲に存在しない場合には、上記ブリッジ回路は平衡状態となり、電圧計74の出力(つまり、センシング結果)は検知対象ガスが存在しないことを示す0の値となる。
Further, in this embodiment, the
一方、検知対象ガスが存在する場合には、検知素子10の温度が上記燃焼に伴い上昇し、当該検知素子10の抵抗値もまた大きい値となる。このため、上記検出回路では、そのブリッジ回路の平衡がくずれて、電圧計74の出力は、検知対象ガスの濃度に比例して、0の値よりも大きくなる。これにより、本実施形態のMEMS型接触燃焼式ガスセンサ1では、検知対象ガスの濃度を検知することができる。
On the other hand, when the gas to be detected exists, the temperature of the
<MEMS型接触燃焼式ガスセンサ1の要部構成>
図1及び図2に示すように、本実施形態のMEMS型接触燃焼式ガスセンサ1は、例えば、シリコンで構成された基板30と、基板30上に形成された絶縁膜40と、基板30に形成された凹部31上で支持される検知素子10と、基板30に形成された凹部32上で支持される補償素子20とを備える。
<Main Configuration of MEMS Type Catalytic
As shown in FIGS. 1 and 2, the MEMS-type catalytic
絶縁膜40は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタル、またはこれらの積層膜を用いて構成されており、凹部31及び凹部32の各表面を除いた、基板30での検知対象ガスの曝露面(図2の上面)側に形成されている。
The
<検知素子10の構成>
検知素子10は、検知素子10を支持する第1支持部11と、第1支持部11に設けられるヒーター配線12と、ヒーター配線12の上方で当該ヒーター配線12に接触するように設けられる上記ガス反応部13と、ガス反応部13上に設けられる水飛散抑制層14と、を備える。
<Structure of Detecting
The
第1支持部11は、図1及び図2に示すように、複数、例えば、4つの架橋部15を介して、凹部31の上方で中空に浮かんだ状態で基板30に取り付けられている。すなわち、4つの架橋部15の各一端部は第1支持部11に連結され、4つの架橋部15の各他端部は基板30に連結されている。このように第1支持部11が、基板30に対して離間されることにより、ヒーター配線12で生じた熱が基板30に放熱されることを抑制することができ、ガス反応部13での温度低下を抑えて、MEMS型接触燃焼式ガスセンサ1の省電力化を図ることができる。
As shown in FIGS. 1 and 2 , the
第1支持部11及び架橋部15は、例えば、絶縁膜40と同様に、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタル、またはこれらの積層膜を用いて構成されている。
The first supporting
ヒーター配線12は、例えば、プラチナ等の貴金属線材を用いて構成されており、上記ブリッジ回路(図3)での検出電極を兼用している。つまり、ヒーター配線12は、上記電源73からの電力に応じてガス反応部13を加熱するとともに、ガス反応部13でのヒーター配線12による加熱及び検知対象ガスとの燃焼による、温度上昇に応じて抵抗値が変化する。そして、ヒーター配線12の抵抗値の変化が、検知対象ガスの濃度の検知の検知データとして用いられる。
The
具体的にいえば、ヒーター配線12では、その一端部及び他端部が架橋部15上に設けられた薄膜配線51及び52にそれぞれ接続されている。また、薄膜配線51は、ブリッジ回路(図3)での検知素子10と抵抗72との接続点に繋がれる電極パッド61に接続されている。また、薄膜配線52は、上記ブリッジ回路での検知素子10と補償素子20との接続点に繋がれる電極パッド62に接続されている。
Specifically, one end and the other end of the
電極パッド61及び62は、図示しないリード線を介してそれぞれ電源73の一端及び電圧計74の一端に接続されている。これにより、検知素子10では、電源73からの電力供給が行われるとともに、被検知対象ガスの濃度検知が可能となる。
The
ガス反応部13は、例えば、アルミナまたはシリカアルミナ等を用いる担体に、例えば、パラジウムまたはプラチナ等の水素などの検知対象ガスに対して活性を有する貴金属触媒を担持して構成される。このようにガス反応部13は、検知対象ガスと反応して燃焼する貴金属触媒を含んでいる。また、ガス反応部13は、例えば、塗布法により、上記貴金属触媒が担持された担体を第1支持部11上に設けた後、例えば、電気炉にて焼成することにより、当該第1支持部11上に形成される。
The
水飛散抑制層14は、例えば、アルミナ、酸化スズ、またはシリカアルミナ等の検知対象ガスに対して不活性な不活性材料を用いて構成されている。つまり、水飛散抑制層14は、ガス反応部13と異なり、検知対象ガスに対して活性を有する貴金属触媒を含んでおらず、検知対象ガスに対してガス反応部13よりも活性が低い。また、水飛散抑制層14は、例えば、塗布法により、上記不活性材料をガス反応部13上に設けた後、例えば、電気炉にて焼成することにより、当該ガス反応部13上に形成される。
The water
また、水飛散抑制層14は、ガス反応部13での検知対象ガスとの反応を阻害しないように、当該検知対象ガスを透過させるように構成されている。具体的には、水飛散抑制層14では、その膜厚が例えば、10~40μm程度とされている。また、水飛散抑制層14では、その比表面積が小さくされており(例えば、5m2/g以下とされており)、検知対象ガスの透過を許容するとともに、ガス反応部13で生じた水(水滴)の飛散を抑制するようになっている。
Moreover, the water-
また、検知素子10では、ガス反応部13及び水飛散抑制層14以外の構成がMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いて形成されている。
In addition, in the
<補償素子20の構成>
補償素子20は、補償素子20を支持する第2支持部21と、第2支持部21に設けられるヒーター配線22と、ヒーター配線22の上方で当該ヒーター配線22に接触するように設けられる補償部23と、を備える。
<Structure of Compensating
The compensating
第2支持部21は、図1及び図2に示すように、複数、例えば、4つの架橋部25を介して、凹部32の上方で中空に浮かんだ状態で基板30に取り付けられている。すなわち、4つの架橋部25の各一端部は第2支持部21に連結され、4つの架橋部25の各他端部は基板30に連結されている。このように第2支持部21が、基板30に対して離間されることにより、ヒーター配線22で生じた熱が基板30に放熱されることを抑制することができ、補償部23での温度低下を抑えて、MEMS型接触燃焼式ガスセンサ1の省電力化を図ることができる。
As shown in FIGS. 1 and 2 , the
第2支持部21及び架橋部25は、例えば、絶縁膜40と同様に、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタル、またはこれらの積層膜を用いて構成されている。
The second supporting
ヒーター配線22は、例えば、プラチナ等の貴金属線材を用いて構成されており、上記ブリッジ回路(図3)での補償用検出電極を兼用している。つまり、ヒーター配線22は、上記電源73からの電力に応じて補償部23を加熱するとともに、補償部23でのヒーター配線22による加熱による、温度上昇に応じて抵抗値が変化する。そして、ヒーター配線22の抵抗値の変化が、検知対象ガスの濃度の検知の際に補償用のデータとして用いられる。
The
具体的にいえば、ヒーター配線22では、その一端部及び他端部が架橋部25上に設けられた薄膜配線53及び54にそれぞれ接続されている。また、薄膜配線53は、ブリッジ回路(図3)での検知素子10と補償素子20との接続点に繋がれる電極パッド62に接続されている。また、薄膜配線54は、上記ブリッジ回路での補償素子20と抵抗71との接続点に繋がれる電極パッド63に接続されている。
Specifically, one end and the other end of the
電極パッド62及び63は、図示しないリード線を介してそれぞれ電圧計74の一端及び電源73の他端に接続されている。これにより、補償素子20では、電源73からの電力供給が行われるとともに、被検知対象ガスの濃度検知での補償が可能となる。
The
補償部23は、例えば、アルミナまたはシリカアルミナ等の検知対象ガスに対して不活性な不活性材料を用いて構成されており、パラジウムまたはプラチナ等の水素などの検知対象ガスに対して活性を有する貴金属触媒は含まれない。また、補償部23は、例えば、塗布法により、上記不活性材料を第2支持部21上に設けた後、例えば、電気炉にて焼成することにより、当該第2支持部21上に形成される。
The
また、補償素子20では、補償部23以外の構成がMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いて形成されている。
In the compensating
尚、上記の説明では、図2に示すように、ヒーター配線12及び22を露出させてガス反応部13及び補償部23にそれぞれ直接的に接触するように第1支持部11及び第2支持部21に設けた場合を例示して説明した。しかしながら、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、ヒーター配線12及び22をそれぞれ第1支持部11及び第2支持部21の内部に埋設する構成でもよい。
In the above description, as shown in FIG. 2, the
以上のように構成された本実施形態のMEMS型接触燃焼式ガスセンサ1では、検知素子10はガス反応部13とガス反応部13上に設けられる水飛散抑制層14とを備える。また、水飛散抑制層14は、検知対象ガスに対してガス反応部13よりも活性が低いので、水飛散抑制層14は、ガス反応部13よりも検知対象ガスの反応によって水が生じ難く、水の飛散を抑制することができる。これにより、本実施形態は、検知対象ガスの反応によって水が生じた場合でも、生成された水を一度に蒸発させず、ガス反応部13付近での結露量を抑えることができるため、当該検知対象ガスの検知精度の低下を抑制することができるMEMS型接触燃焼式ガスセンサ1を構成することができる。
In the MEMS-type catalytic
また、本実施形態では、水飛散抑制層14がガス反応部13で生じた水(水滴)の飛散を抑制するので、水滴が検知素子10の周辺領域に飛散するのを大幅に抑えることができる。この結果、本実施形態では、周辺領域に飛散した水滴に起因して、MEMS型接触燃焼式ガスセンサ1のセンシング結果(センサ出力)が変動するのを確実に抑えることが可能となる。
In addition, in the present embodiment, the water-splash-suppressing
また、本実施形態では、検知対象ガスとして水素を検知する。これにより、本実施形態では、水素をより高濃度まで検知することができる。 Further, in this embodiment, hydrogen is detected as the detection target gas. Thereby, in this embodiment, hydrogen can be detected up to a higher concentration.
ここで、図4及び図5も参照して、本実施形態のMEMS型接触燃焼式ガスセンサ1の効果について具体的に説明する。図4は、比較例での検知結果例を示すグラフである。図5は、本実施形態1の検知結果例を示すグラフである。
Here, also referring to FIGS. 4 and 5, the effect of the MEMS type catalytic
まず、比較例では、本実施形態品と異なり、検知素子において、ガス反応部のみ形成され、水飛散抑制層が形成されていない。このため、比較例では、ガス反応部での水素(検知対象ガス)との反応(燃焼)によって生じた水が検知素子の周辺領域に飛散するのを抑えることができない。この結果、比較例では、図4のグラフに示すように、そのセンサ出力が安定せずに大きく変動するものとなった。 First, in the comparative example, unlike the product of the present embodiment, only the gas reaction portion is formed in the sensing element, and the water-splash-suppressing layer is not formed. For this reason, in the comparative example, it is not possible to prevent water generated by the reaction (combustion) with hydrogen (detection target gas) in the gas reaction section from scattering in the peripheral region of the detection element. As a result, in the comparative example, as shown in the graph of FIG. 4, the sensor output was not stable and fluctuated greatly.
一方、本実施形態品では、水飛散抑制層14により、検知素子10の周辺領域への水の飛散が抑えられているので、図5のグラフに示すように、そのセンサ出力は変動せずに、一定値で安定した値となった。すなわち、本実施形態品では、例えば、100%LELにて示すように、水素濃度が4%である場合に、センサ出力は約80の値で保持されていた。このように、本実施形態品では、水素を高精度に検知できることが実証された。
On the other hand, in the product of the present embodiment, the water
〔実施形態2〕
本開示の実施形態2について、図6を用いて具体的に説明する。図6は、本開示の実施形態2に係るMEMS型接触燃焼式ガスセンサの要部構成を示す断面図である。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。
[Embodiment 2]
Embodiment 2 of the present disclosure will be specifically described with reference to FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view showing a main configuration of a MEMS catalytic combustion gas sensor according to Embodiment 2 of the present disclosure. For convenience of description, members having the same functions as those of the members described in the above embodiments are denoted by the same reference numerals, and description thereof will not be repeated.
本実施形態2と上記実施形態1との主な相違点は、ガス反応部83の周囲に堤防窓85を設けた点である。
The main difference between the second embodiment and the first embodiment is that a
本実施形態のMEMS型接触燃焼式ガスセンサ1では、図6に示すように、検知素子80は、第1支持部81と、第1支持部81に設けられるヒーター配線82と、ヒーター配線82の上方で当該ヒーター配線82に接触するように設けられるガス反応部83と、ガス反応部83上に設けられる水飛散抑制層84と、を備える。
In the MEMS type catalytic
また、本実施形態では、図示しない略円形の窓を有する、堤防窓85がガス反応部83外周部と当接して当該ガス反応部83を囲むように第1支持部81上に設けられている。この堤防窓85は、例えば、第1支持部81と同一材料でMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いて構成されている。
Further, in the present embodiment, a
また、本実施形態では、堤防窓85を設けることにより、より均一な膜厚で水飛散抑制層84を形成することができる。すなわち、堤防窓85がガス反応部83の外周部を囲むことにより、水飛散抑制層84の端部の膜厚を当該水飛散抑制層84の中央部の膜厚と均一となるように堤防窓85上に当該端部を形成することが容易に可能となるからである。
In addition, in this embodiment, by providing the
以上の構成により、本実施形態では、上記実施形態1と同様な効果を奏する。また、より均一な膜厚で水飛散抑制層84を形成することができるので、検知素子80の周辺領域への水の飛散をより確実に抑えることが可能となり、MEMS型接触燃焼式ガスセンサ1のセンサ出力が変動するのをより確実に抑えることができる。
With the above configuration, the present embodiment has the same effects as those of the first embodiment. In addition, since the water-splashing
本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, but can be modified in various ways within the scope of the claims, and can be obtained by appropriately combining technical means disclosed in different embodiments. is also included in the technical scope of the present invention.
1 MEMS型接触燃焼式ガスセンサ
12、82 ヒーター配線(検出電極)
13、83 ガス反応部
14、84 水飛散抑制層
30 基板
1 MEMS type catalytic combustion
13, 83
Claims (2)
検知対象ガスは、反応により水を発生させるガスを少なくとも1つ含み、
前記水飛散抑制層は、前記検知対象ガスを透過させ、かつ、前記検知対象ガスに対して前記ガス反応部よりも活性が低いことを特徴とする、MEMS型接触燃焼式ガスセンサ。 A MEMS, comprising: a substrate; a sensing electrode provided on the substrate; a gas reaction section provided on the substrate so as to be in contact with the detection electrode; and a water splash suppression layer provided on the gas reaction section. A type catalytic combustion gas sensor,
The gas to be detected includes at least one gas that reacts to generate water,
The MEMS type catalytic combustion gas sensor, wherein the water scattering suppression layer is permeable to the detection target gas and has a lower activity with respect to the detection target gas than the gas reaction section.
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