JP2023127408A - ガスセンサ - Google Patents
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Abstract
【課題】検出するガス種の選択性を高め、ガス濃度測定の精度を高めると共に、小型化、低コスト化を実現するガスセンサを提供すること。【解決手段】空洞部92を有する基板90と、空洞部92の上方に第1検知部12および第2検知部201a,202a,201b,202bを有する膜状素子1と、を有するガスセンサ100である。第1検知部および第2検知部は、感応膜と、検知電極12,221とを有する。第1検知部と第2検知部の少なくとも一方には、感応膜と熱的に接続してある触媒部16が形成してある。第1検知部および第2検知部を加熱可能なヒータ配線32は、絶縁膜により第1検知部および第2検知部と絶縁されている。膜状素子は、第1検知部を有する内周部2と、第2検知部を有する外周部3とを有する。内周部は、内側梁部4a~4dを介して外周部に支持されており、外周部は、外側梁部5a~5dを介して基板に支持されている。【選択図】図1
Description
本発明は、ガスセンサに関する。
特許文献1では、検出温度を変更することで、異なるガス種を検出するガスセンサが開示されている。しかしながら、このようなガスセンサでは、時間に対する環境変化による誤差が大きいなどといった課題があった。これに対して、特許文献2では、ガス種に対して異なる感度を持つ複数の素子を併用することで、検出するガス種の選択性を高め、ガス濃度測定の精度を高めることを可能にしている。
しかしながら、複数の素子を併用する場合には、製品コストの増大や製品の大型化といった新たな課題を有する。
本発明は、上記の実情を鑑みてなされ、その目的は、検出するガス種の選択性を高め、ガス濃度測定の精度を高めると共に、小型化、低コスト化を実現するガスセンサを提供することである。
上記目的を達成するために、本発明に係るコイル装置は、
空洞部を有する基板と、
前記空洞部の上方に第1検知部および第2検知部を有する膜状素子と、を有するガスセンサであって、
前記第1検知部および前記第2検知部は、感応膜と、前記感応膜に電気的に接続された検知電極とを有し、
前記第1検知部と前記第2検知部の少なくとも一方には、前記感応膜と熱的に接続してある触媒部が形成してあり、
前記膜状素子は、前記第1検知部および前記第2検知部を加熱可能なヒータ配線と、前記ヒータ配線を前記第1検知部および前記第2検知部から絶縁する絶縁膜とを有し、
前記膜状素子は、前記第1検知部を有する内周部と、前記第2検知部を有する外周部とを有し、
前記内周部は、内側梁部を介して前記外周部に支持されており、
前記外周部は、外側梁部を介して前記基板に支持されている。
空洞部を有する基板と、
前記空洞部の上方に第1検知部および第2検知部を有する膜状素子と、を有するガスセンサであって、
前記第1検知部および前記第2検知部は、感応膜と、前記感応膜に電気的に接続された検知電極とを有し、
前記第1検知部と前記第2検知部の少なくとも一方には、前記感応膜と熱的に接続してある触媒部が形成してあり、
前記膜状素子は、前記第1検知部および前記第2検知部を加熱可能なヒータ配線と、前記ヒータ配線を前記第1検知部および前記第2検知部から絶縁する絶縁膜とを有し、
前記膜状素子は、前記第1検知部を有する内周部と、前記第2検知部を有する外周部とを有し、
前記内周部は、内側梁部を介して前記外周部に支持されており、
前記外周部は、外側梁部を介して前記基板に支持されている。
このように構成することで、内周部と外周部の二重構造となる。たとえば、内周部では触媒作用による温度変化を計測し、外周部では熱伝導による温度変化を計測することができる。このように、異なる感度を持つ第1検知部と第2検知部がガスセンサに2重構造で搭載されるため、ガスセンサの小型化、低コスト化を実現する。また、触媒作用による温度変化と、熱伝導などによる触媒とは異なる温度変化の計測を同時に行うことができるため、時間に対する誤差を生じさせず、ガス選択性が高く、精度の高いガス濃度測定を行うことが可能になる。
好ましくは、前記外周部では、前記感応膜が分割されて配置されている。このように構成することで、外周部において、第2検知部を直列・並列を組み合わせて接続させることが可能となり、素子の抵抗をガス検知のために適切な値に制御することができる。
好ましくは、前記内周部の外縁と、前記外周部の内縁との間には、開口部が形成してある。このように構成することで、開口部が内周部と外周部とを分断し、内周部と外周部との間での熱の移動が制限される。そのため、内周部と外周部との間での熱の干渉が抑えられた精度の高いガス検知が可能となる。
好ましくは、前記第1検知部は、前記触媒部での反応に基づく信号を出力し、前記第2検知部は、前記第1検知部とは異なる検知原理による信号を出力し、
前記第1検知部および第2検知部の前記信号を用いた判定結果により、ガス種およびガス濃度を判断する。
前記第1検知部および第2検知部の前記信号を用いた判定結果により、ガス種およびガス濃度を判断する。
このように一つの膜状素子内に複数の検知部を構成することで、検出距離、検出時間、ヒータ温度条件、素子形状バラツキなどによる誤差を低減させることが可能になり、ガス検知の精度を高めることができる。
前記感応膜は、サーミスタ膜であってもよい。サーミスタ膜を感応膜として用いることで、高い出力値を得ることができる。
また、前記感応膜は、白金抵抗体であってもよい。白金抵抗体を感応膜として用いることで、濃度変化に対して直進性の高い感度の変化が得られるため、ガス検知の精度を高めることが可能となる。
以下、本発明を、図面に示す実施形態に基づき説明する。
第1実施形態
図2Aに示すように、ガスセンサ100は、複数の膜を積層して形成された膜状素子1と、空洞部92を有する基板90とを有する。膜状素子1は、固定部8で基板90の上面94に固定されている。
図2Aに示すように、ガスセンサ100は、複数の膜を積層して形成された膜状素子1と、空洞部92を有する基板90とを有する。膜状素子1は、固定部8で基板90の上面94に固定されている。
図1に示すように、基板の外縁90aは、略正方形状である。図2Aに示すように、空洞部92は、基板90の上面94から下面96まで貫通している。基板の空洞部92は、Z軸方向に延びる略円形状の内面93を有する。本実施形態では、ガスセンサ100は、X軸に沿う線Lを対称軸として対称な構成を有する。
図2Aに示すように、膜状素子1は、Z軸方向の最下層となる下地絶縁膜60を有する。また、膜状素子1は、下地絶縁膜60のZ軸方向上方に、ヒータ30、中間絶縁膜70、第1検知電極12、第2検知電極221、上部絶縁膜80を有する。図1に示すように、上部絶縁膜80の上面には、第1感応膜14、第2感応膜24a1,24a2,24b1,24b2が形成してあり、第1感応膜14の上面には、触媒部16が配置してある。
図1に示すように、膜状素子1の上面には、一対の第1検知部用パッド41a,41b、一対の第2検知部用パッド42a,42bおよび、一対のヒータ用パッド43a,43bを介して、第1検知電極、第2検知電極およびヒータを、図示しない外部回路に電気的に接続できるようになっている。これらのパッドの表面は表面酸化の影響を受けにくいAuであることが望ましい。第1検知部用パッド41a,第2検知部用パッド42aおよびヒータ用パッド43aが、X軸に沿って並んで配置してある。それぞれ対をなすパッドが、線Lを対称軸として対称に配置されている。対をなすパッドは、どちらを外部回路の陰極または陽極に接続してもよいが、本明細書では、便宜上、第1検知部用パッド41a,第2検知部用パッド42aおよびヒータ用パッド43aが配置してあるY軸の一方を陽極側と称し、他方を陰極側と称することがある。
なお、図面において、膜の積層方向がZ軸であり、X軸、Y軸、Z軸は、互いに垂直である。また、明細書において、Z軸に沿って、基板が配置してある方向を「下」と称し、膜状素子が配置される方向を「上」と称することがある。
図2Aに示すように、膜状素子1は、内周部2と、外周部3と、固定部8とを有する。固定部8は、基板の上面に固定してある。固定部8の外縁8aは、下地絶縁膜60、中間絶縁膜70、上部絶縁膜80によって形成されており、図1に示すように、X軸またはY軸と平行な4つの縁辺を有し、略長方形の平面視形状を有する。
内周部2の外縁2aは、Z軸に沿って見た平面視で略円形状である。外周部3は、内周部3の外縁3aを囲うリング形状を有する。図2Aに示すように、内周部2および外周部3は、基板90の空洞部92の一部を覆うように配置してある。外周部3の外縁3aおよび内縁3bは、下地絶縁膜60、中間絶縁膜70、上部絶縁膜80によって形成されている。なお、明細書において、内周部2のZ軸に沿う中心線Oに近い方向を「内」と称し、遠い方向を「外」と称することがある。
図1に示すように、固定部8の内縁8aと、外周部3の外縁3aとの間にはZ軸に沿って貫通する開口部7が形成してある。外側梁部5aおよび外側梁部5bが、固定部8の内縁8bから、Y軸に沿って外周部3を挟むように延在しており、外周部3の外縁3aに繋がっている。また、外側梁部5cおよび外側梁部5dが、固定部8の内縁8bから、X軸に沿って外周部3を挟むように延在しており、外周部3の外縁3aに繋がっている。外周部3は、外側梁部5a~5dの4か所で固定部8の内縁8aに支持されている。
外周部3の内縁3bと、内周部2の外縁2aとの間には、Z軸に沿って貫通する開口部6が形成してある。内側梁部4aおよび内側梁部4bが、外周部3の内縁3bから、Y軸に沿って内周部2を挟むように延在しており、内周部2の外縁2aに繋がっている。また、内側梁部4cおよび内側梁部4dが、外周部3の内縁3bから、X軸に沿って内周部2を挟むように延在しており、内周部2の外縁2aに繋がっている。内周部2は、内側梁部4a~4dの4か所で外周部3の内縁3bに支持されている。
なお、外側梁部および内側梁部の本数および形成位置は、図1に示す様態に限定されない。たとえば、外側梁部および内側梁部は、それぞれ少なくとも2本形成してあればよく、外側梁部および内側梁部の数が多いほど、外周部3および内周部2の機械的強度が向上する傾向となる。ただし、外側梁部の数が多いと、外周部3の熱が外側梁部を介して固定部8に伝達され易くなる。また、内側梁部の数が多いと、内周部2の熱が内側梁部を介して外周部3に伝達されやすくなる。そのため、外側梁部および内側梁部の数は、それぞれ2~4本であることが好ましく、4本であることがより好ましい。
なお、ガスセンサ100における内周部2の外縁2a、外周部3の内縁3b、外周部3の外縁3aおよび空洞部92の内面93は、Z軸に沿う方向から見た平面視で略円形状を有し、内周部2の外縁2aの直径は、外周部3の内縁3bよりも小さく、外周部3の外縁3aの直径は、空洞部92の内面93の直径よりも小さい。ただし、内周部2、外周部3および空洞部92の形状は、外側梁部および内側梁部によるエアブリッジを形成できる形状であればこれに限定されない。たとえば、内周部2、外周部3および空洞部92の形状は、長方形、多角形、円形、楕円形などの平面視形状を有していてもよい。
図2Cに示すように、基板90の上面94には、下地絶縁膜60が形成してある。下地絶縁膜60のZ軸方向の下面は、XY平面に沿って同一平面上にあり、固定部、第2梁部、外周部、第1梁部および内周部のZ軸方向の下面を形成している。
図2A、図2Bおよび図2Cに示すように、下地絶縁膜60のZ軸に沿って上側には、ヒータ30が形成してある。図5に示すように、ヒータ30は、X軸に沿う線Lを対称軸として対称な形状を有する。ヒータ30は、配線部32と端部34a,34bを有する。端部34a,34bは配線部32で枝分かれせずに繋がっており、陽極側の端部34aから陰極側の端部34bに電流を流すことができるようになっている。
配線部32は、主部320、第2加熱部322および第1加熱部321を有する。主部320は、固定部に配置されており、第2加熱部322は、外周部に配置されている。主部320と第2加熱部322とは、外側梁部5dにおいて連結している。第1加熱部321は、内周部に配置されている。第1加熱部321と第2加熱部322とは、内側梁部4dにおいて連結している。
ヒータ30は、端部34a,34bを除き、Z軸方向上側を中間絶縁膜で覆われており、第1検知部および第2検知部から絶縁されている。ヒータ30の端部34a,34bのZ軸方向上側には、図2Bに示す接続部材35が配置してある。接続部材35は、第1検知電極および第2検知電極と同じ材料で形成してあるが、第1検知電極12または第2検知電極221とは別の材料で形成してもよい。
図2A、図2Bおよび図2Cに示すように、中間絶縁膜70の上面には、第1検知電極12および第2検知電極221が形成してある。第1検知電極12および第2検知電極221は、同じ材料で形成してあるが、別の材料で形成してもよい。
図3Aに示すように、第2検知電極221は、端部227a,227b、第2検知電極引出部221a,221bおよび対向部223a,223bを有する。第2検知電極221は、X軸に沿う線Lを対称軸として対称な構成を有する。以下、構成を理解するために必要がある場合を除き、陽極側の説明を省略する。
端部227bは、固定部に配置してあり、第2検知電極引出部221bの主部221b0と繋がっている。第2検知電極引出部221bは、外側梁部5bを通り、外周部3に延びている。第2検知電極引出部221bは、外周部3において、第1分枝部221b1と第2分枝部221b2に分岐している。また、外周部3には、対向部223bが配置されている。
第1分枝部221b1は、第2感応膜24b1の下面と電気的に接続し第2検知部201bを構成している。対向部223bの第1部分223b1は、第2感応膜24b1の下面と電気的に接続し第2検知部201bを構成している。また、対向部223bの第1部分223b1は、分枝部221b1よりも内側に配置してある。
また、第2分枝部221b2は、第2感応膜24b2の下面と電気的に接続し第2検知部202bを構成している。対向部223bの第2部分223b2は、第2感応膜24b1の下面と電気的に接続し第2検知部202bを構成している。対向部223bの第2部分223b2は、分枝部221b2よりも内側に配置してある。
第2検知電極引出部221bと、対向部223bとは第2感応膜24b1,24b2を介して電気的に接続されている。また、対向部223aの第2部分223a2は、対向部223bの第2部分223b2と繋がっている。
第2検知電極は、一部を除きZ軸方向上側を上部絶縁膜で覆われている。図2Aに示すように、第2検知電極は、第1分枝部221b1,第2分枝部221b2、対向部の第1部分223b1および第2部分223b2において、第2感応膜24b1,24b2と接触する部分の上面には、上部絶縁膜80が形成されていない。また、図2Bに示すように、第2検知部用パッド42bと接触する端部227bは、上部絶縁膜80で覆われていない。
図4に示すように、第1検知電極12は、端部127a,127b、第1検知電極引出部12a,12bを有する。第1検知電極12は、X軸に沿う線Lを対称軸として対称な構成を有する。以下、構成を理解するために必要がある場合を除き、陽極側の説明を省略する。
端部127bは、固定部に配置してあり、第1検知電極引出部12bの主部12b0と繋がっている。第1検知電極引出部12bは、外側梁部5c、外周部3、内側梁部4cを通り内周部2に延びている。第1検知電極引出部12bは、内周部2において、所定のパターンの接触部12b1を形成している。
接触部12b1は、第1感応膜14の下面と電気的に接続し第1検知部12を構成している。接触部12a1と、接触部12b1とは第1感応膜14を介して電気的に接続されている。
図2Cに示すように、第1検知電極引出部12a,12bにおいて、第1検知部12は、第1感応膜14と接触する部分は上部絶縁膜80で覆われていない。また、図2Bに示すように、第1検知部用パッド41bと接触する端部127bは、上部絶縁膜80で覆われていない。
図1に示すように、外周部3には、第2検知部を構成する第2感応膜24a1,24a2,24b1,24b2が形成してある。第2感応膜24a1,24a2,24b1,24b2は、それぞれ、下面において、第2検知電極引出部および対向部と電気的に接続している。
また、内周部2には、第1検知部を構成する第1感応膜14が形成してある。第1感応膜14は、下面において、第1検知引出部と電気的に接続している。第1感応膜14の上面には、第1検知部を構成する触媒部16が配置してあり、触媒部16と第1感応膜14と熱的に接続している。
次に、基板90や膜状素子1に含まれる各膜の材質等について詳述する。
基板90は、膜状素子1を支持できる程度の機械的強度を有し、かつ、エッチング等の微細加工に適した材料で構成すればよく、基板90の材質は、特に限定されない。たとえば、基板90として、フェライト基板、シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、ガラス基板等シリコン単結晶基板、サファイア単結晶基板、セラミック基板、石英基板、もしくは、ガラス基板等を用いることができる。
下地絶縁膜60、中間絶縁膜70および上部絶縁膜80は、いずれも、絶縁性を有していればよく、その材質は特に限定されない。たとえば、これら下地絶縁膜60、中間絶縁膜70および上部絶縁膜80の材質は、酸化シリコンもしくは窒化シリコンなどとすることができ、酸化シリコンであることが好ましい。なお、下地絶縁膜60、中間絶縁膜70および上部絶縁膜80は、機械的強度と内部応力の制御により構成される。酸化シリコンのみだと、強度は高まるが内部応力が大きくなり素子の破壊が起こりやすくなるため、窒化シリコンと併用して応力を制御しながら構成することが望ましい。
下地絶縁膜60は、基板90とヒータ30との間の絶縁性を十分に確保でき、かつ、空洞部92を形成する際のエッチング停止層として機能する程度の厚みであればよく、下地絶縁膜60の厚みは、特に限定されない。たとえば、下地絶縁膜60の厚みは、0.1~2.0μm程度とすることが好ましい。
中間絶縁膜70は、ヒータ30を確実に覆うことができ、かつ、層間の絶縁性を十分に確保できる程度の厚みであればよく、中間絶縁膜70の厚みは、特に限定されない。たとえば、中間絶縁膜70は、0.1~1.0μm程度の厚みとすることが好ましい。また、上部絶縁膜80は、第1検知電極12及び第2検知電極221を確実に覆うことができ、かつ、層間の絶縁性を十分に確保できる程度の厚みであればよく、上部絶縁膜80の厚みは、特に限定されない。たとえば、上部絶縁膜80は、0.1~2.0μm程度の厚みとすることが好ましい。
ヒータ30は、導電性を有し、かつ、比較的高融点の材料で構成してあることが好ましい。このような材料として、たとえば、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、NiCr(Ni、Cr)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、または、上記の元素のうち1種以上を含む合金が例示される。上記の材料のなかでも、白金は、ヒータとしての劣化が小さいため、ヒータ30は、白金で構成することが好ましい。ヒータ30を白金材料で構成する場合、下地絶縁膜60に対するヒータ30の密着性を向上させるために、下地絶縁膜60と白金材料との間にチタン(Ti)等の密着層を形成することが好ましい。
第1検知電極12および第2検知電極221は、いずれも、導電性を有し、かつ、比較的高融点の材料で構成してあることが好ましい。第1検知電極12および第2検知電極221についても、ヒータ30と同様に、モリブデン(Mo)、白金(Pt)、銅(Cu)、タングステン(W)、タンタル(Ta)、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、または、上記の元素のうち1種以上を含む合金で構成することができ、白金で構成することが好ましい。
第1感応膜14および第2感応膜24a1,24a2,24b1,24b2は、温度によって抵抗値が変化する材質で構成すればよい。たとえば、第1感応膜14および第2感応膜24a1,24a2,24b1,24b2は、サーミスタ膜、または白金膜等とすることができ、サーミスタ膜であることが好ましい。また、サーミスタ膜の構成材料としては、Ni、Mn、Co、Feなどの複合金属酸化物等が挙げられる。第1感応膜14および第2感応膜24a1,24a2,24b1,24b2の材質および厚みは、いずれも、検知部の初期抵抗値に影響する要素である。そのため、第1感応膜14および第2感応膜24a1,24a2,24b1,24b2の材質および厚みは、検知対象ガスの種類やガスセンサ100の用途を鑑みて、所望の初期抵抗値となるように、適宜設定すればよい。
触媒部16は、その表面に接触したガスを反応させる作用を有し、反応熱により温度が変化する材質で構成すればよい。触媒部16は、一酸化炭素、水素、メタン、メタノールを検知する観点からはPt担持Al2O3を用いることができる。触媒部16としては、その他に、たとえば、貴金属としてはPd、Rh、Ru、Inなど、担体としてはSiO2、SnO2、Ce2O3、Zr2O3、Y2O3などが挙げられる。そのため、触媒部16の材質および厚みは、検知対象ガスの種類やガスセンサ100の用途を鑑みて、所望の初期抵抗値となるように、適宜設定すればよい。
図2Aに示すように、本実施形態では、第1検知部および第2検知部は、第1検知部および第2検知部を加熱可能なヒータ30を有する。ヒータ30は、検知電極および感応膜と絶縁している。ヒータ30は、第1検知部および第2検知部を、好ましくは100℃~500℃、より好ましくは200℃~350℃の所定温度に加熱することができる。したがって、検知部において、ガス種またはガスの濃度に応じた適切な温度での検知が可能となる。
図3Aに示すように、本実施形態では、第2検知電極引出部221bおよび対向部223bは、第2感応膜24b1,24b2を介して電気的に接続している。第2検知電極引出部221aおよび対向部223aは、第2感応膜24a1,24a2を介して電気的に接続している。また、対向部223bと対向部223aは繋がっている。
第2検知部用パッド間を陽極側から陰極側に流す電流は、第2検知電極引出部221aから並列に配置されている第2感応膜24a1,24a2を通り、対向部223aに流れる。さらに、電流は、対向部223aと繋がっている対向部223bから第2感応膜24b1,24b2を通り、第2検知電極221bに流れる。したがって、第2検知部用パッド間を流れる電流と電圧から、第2感応膜24a1,24a2,24b1,24b2の抵抗を検出することができる。第2感応膜24a1,24a2,24b1,24b2は、ガスの接触により抵抗が変化する。第2感応膜24a1,24a2,24b1,24b2において、抵抗の変化は、ガス種およびガスの濃度により特性があり、接触したガス種およびガスの濃度を検出することができる。
図2Cに示すように、本実施形態では、第1感応膜14には触媒部16が熱的に接続してある。また、第1検知電極引出部12bおよび第1検知電極引出部12aは、第1感応膜14を介して電気的に接続しており、それぞれ直接には接続していない。
第1検知部用パッド間を陽極側から陰極側に流す電流は、図4に示す第1検知電極引出部12aから第1感応膜14を通り、第1検知電極引出部12bに流れる。したがって、第1検知部用パッド間を流れる電流と電圧から、第1感応膜14の抵抗を検出することができる。図2Cに示す触媒部16に伝わるガスの反応熱(燃焼熱)は、第1感応膜14に伝達し、第1感応膜14の抵抗が変化する。第1感応膜14において、抵抗の変化は、ガス種およびガスの濃度により特性があり、反応しているガス種およびガスの濃度を検出することができる。
図1に示すように、本実施形態では、内周部2は、内側梁部4a~4dを介して外周部3に支持されており、外周部3は、外側梁部5a~5dを介して基板に支持されている。内周部2には、第1検知部10が配置されており、外周部3には、第2検知部201a,202a,201b,202bが配置されている。
したがって、膜状素子1は、一つの素子において、触媒作用による温度変化と、熱伝導による温度変化を計測することができるため、ガスセンサの小型化、低コスト化を実現する。また、触媒作用による温度変化と、熱伝導による温度変化の計測を同時に行うことができるため、時間に対する誤差を生じさせず、ガス選択性が高く、精度の高いガス濃度測定を行うことが可能になる。
図1に示すように、本実施形態では、内周部2の外縁2aと、外周部3の内縁3bとの間には、開口部6が形成してある。開口部6は、幅W1の隙間を有する。幅W1の長さは、内周部2と外周部3との間での熱の移動が制限される程度の長さであればよく、幅W1の長さは、たとえば10~100μmであることが好ましい。この隙間が梁部で架橋されたエアブリッジ構造を有することによって、内周部2と外周部3との間での熱の干渉が抑えられた精度の高いガス検知が可能となる。
図1に示すように、本実施形態では、外周部3の外縁3aと、固定部8の内縁8bとの間には、開口部7が形成してある。開口部7は、幅W2の隙間を有する。幅W2の長さは、膜状素子1の機械的強度を確保できるように決定すればよい。たとえば20~150μmであることが好ましい。この隙間が梁部で架橋されたエアブリッジ構造を有することによって、ヒータにより検知部を加熱する際に、少ない消費電力で効率よく加熱することができる。
本実施形態では、第1検知部では、触媒部を介して伝わるガスの反応熱による抵抗値の変化を信号として出力し、第2検知部では、第2感応膜にガスが接触したことによる抵抗値の変化を信号として出力している。このように異なる検出原理による信号の判定結果により、ガス種およびガス濃度を算出するため、検出距離、検出時間、ヒータ温度条件、素子形状バラツキなどによる誤差を低減させることが可能になり、ガス検知の精度を高めることができる。
本実施形態では、第1感応膜および第2感応膜は、サーミスタ膜や白金抵抗体で形成することができる。サーミスタ膜を感応膜として用いることで、高い出力値を得ることができる。白金抵抗体を感応膜として用いることで、濃度に対する抵抗変化の高い直線性が得られるため、ガス検知の精度を高めることが可能となる。
第2実施形態
以下、図3Bに基づいて、第2実施形態に係るガスセンサについて説明する。本実施形態に係るガスセンサは、図3Bに示す、第2検知電極222が、第1の実施形態と異なる以外は、第1の実施形態と同様であり、同様の符号を使用し、共通する構成及び作用効果については説明を省略する。
以下、図3Bに基づいて、第2実施形態に係るガスセンサについて説明する。本実施形態に係るガスセンサは、図3Bに示す、第2検知電極222が、第1の実施形態と異なる以外は、第1の実施形態と同様であり、同様の符号を使用し、共通する構成及び作用効果については説明を省略する。
図3Bに示すように、第2検知電極222は、X軸に沿う線Lを対称軸として対称な構成を有する。以下、構成を理解するために必要がある場合を除き、陽極側の説明を省略する。
本実施形態では、第2検知電極222の第2検知電極引出部222bは、外側梁部5bを通り、外周部3に延び、分岐せずに、第2検知部201bを構成している。第2検知電極引出部222bは、第2感応膜24b1の下面と電気的に接続している。
対向部224bの第1部分224b1は、第2感応膜24b1の下面と電気的に接続し第2検知部201bを構成している。対向部224bの第1部分224b1は、第2検知電極引出部222bよりも内側に配置してある。対向部224bの第2部分224b2は、第2感応膜24b2の下面と電気的に接続し第2検知部202bを構成している。
さらに、第2検知電極222は、中間対向部225a,225bを有する。中間対向部225bは、対向部224bの第2部分224b2よりも外側に配置してある。中間対向部225bは、第2感応膜24b2の下面と電気的に接続し第2検知部202bを構成している。
第2検知電極引出部222bと、対向部224bとは第2感応膜24b1を介して電気的に接続されている。対向部224bと、中間対向部225bとは第2感応膜24b2を介して電気的に接続されている。また、中間対向部225aは、中間対向部225bと繋がっている。
このように構成することで、陽極側の端部227aから陰極側の端部227bまで、第2感応膜24a1,24a2,24b2,24b1が、この順に直列に配置される。そのため、本実施形態の第2検知電極222を用いれば、第1実施形態のような並列に配置された感応膜よりも第2検知部全体での抵抗を高めることも可能である。
なお、本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々に改変することができる。
たとえば、内周部の検知部には触媒部を形成せずに、外周部の検知部に触媒部を配置してもよい。また外周部に種類の異なる触媒部を設けてもよい。
また、陰極側および陽極側の一方の第2検知部を並列に構成し、他方の第2検知部を第2実施形態のような直列に構成してあってもよい。このように、並列の第2検知部との組み合わせにより、素子の抵抗をガス検知のために適切に制御することも可能になる。
第1実施形態に係るガスセンサ100について、ガスの濃度と各検知部での抵抗値の変化を、一酸化炭素、水素、メタン、メタノールの気体に関して、ガス濃度に対する感度と、ヒータ温度に対する感度について評価試験を行った。評価試験では、ガスセンサ100をセルの中に配置し、セルの中にガスを導入していない状態の各検知部の抵抗値と、セルの中にガスを導入した場合の各検知部の抵抗値との変化量を測定した。
(ガス濃度)
ガスセンサ100を配置したセルに、各種ガスの濃度を変えて導入し、それぞれの場合での各検知部の抵抗の変化量を測定した。評価試験において、ヒータの温度は、200℃~350℃の間で略一定になるように制御した。内周部2に配置してあり、触媒部を有する第1検知部での評価結果のグラフを図6に示す。また、外周部3に配置してある触媒部を有しない第2検知部での評価結果のグラフを図7に示す。図6および図7において、グラフの横軸は、ガスの濃度を示し、縦軸は、検知部での抵抗値の変化量を示している。
ガスセンサ100を配置したセルに、各種ガスの濃度を変えて導入し、それぞれの場合での各検知部の抵抗の変化量を測定した。評価試験において、ヒータの温度は、200℃~350℃の間で略一定になるように制御した。内周部2に配置してあり、触媒部を有する第1検知部での評価結果のグラフを図6に示す。また、外周部3に配置してある触媒部を有しない第2検知部での評価結果のグラフを図7に示す。図6および図7において、グラフの横軸は、ガスの濃度を示し、縦軸は、検知部での抵抗値の変化量を示している。
図6に示すように、触媒部を有する第1検知部では、水素および一酸化炭素は、抵抗値を低下させる応答を示し、メタノールは、微量であるが抵抗値を低下させる応答を示した。メタンは、微量であるが抵抗値を高める応答を示した。いずれのガスにおいても、濃度が高いほど抵抗の変化が高く、抵抗値の変化は略直線であった。いずれのガス濃度においても、抵抗値の変化量は、高い方から順にメタン、メタノール、一酸化炭素、水素であった。
図7に示すように、触媒部を有しない第2検知部では、メタノールおよび水素は、抵抗値を高める応答を示し、メタンおよび一酸化炭素は、ほとんど応答を示さなかった。いずれの気体においても、ガス濃度が高いほど抵抗値の変化が高く、抵抗の変化は略直線であった。いずれのガス濃度においても、抵抗値の変化量は、高い方から順にメタノール、水素、メタン、一酸化炭素であった。
したがって、ガスセンサ100では、第1検知部と第2検知部でガス種ごとに異なる応答を示すことから各検知部での結果を組み合わせれば、ガス種を特定することが可能である。また、各検知部での抵抗値の変化量が濃度に対して直線的に変化していることから、ガス濃度を割り出すことも可能である。
(ヒータ温度)
ガスセンサ100を配置したセルに、各種ガスを導入し、ヒータ30の温度を変えた場合での各検知部の抵抗の変化量を測定した。評価試験において、導入したガスはいずれも100,300,500ppmの3点であった。内周部2に配置してあり、触媒部を有する第1検知部での評価結果のグラフを図8に示す。また、外周部3に配置してある触媒部を有しない第2検知部での評価結果のグラフを図9に示す。図8および図9において、グラフの横軸は、ヒータ温度を示し、縦軸は、検知部での抵抗値の変化量を示している。
ガスセンサ100を配置したセルに、各種ガスを導入し、ヒータ30の温度を変えた場合での各検知部の抵抗の変化量を測定した。評価試験において、導入したガスはいずれも100,300,500ppmの3点であった。内周部2に配置してあり、触媒部を有する第1検知部での評価結果のグラフを図8に示す。また、外周部3に配置してある触媒部を有しない第2検知部での評価結果のグラフを図9に示す。図8および図9において、グラフの横軸は、ヒータ温度を示し、縦軸は、検知部での抵抗値の変化量を示している。
図8に示すように、触媒部を有する第1検知部では、一酸化炭素および水素は、ヒータ温度が200℃の場合において、抵抗値を低下させる応答を示した。一酸化炭素および水素は、いずれのヒータ温度でも抵抗値を低下させる応答をしており、ヒータ温度を高めるに従い抵抗値は小さくなっており、いずれの温度でも水素の方が一酸化炭素よりも抵抗値は小さかった。メタンおよびメタノールは、ヒータ温度が200℃の場合において、抵抗値を高める応答を示した。メタンは、いずれのヒータ温度でも抵抗値を高める応答をしており、ヒータ温度を高めるに従い抵抗値が小さくなっていた。また、メタノールは、ヒータ温度が250℃、300℃、350℃の場合において、抵抗値を低下させる応答を示した。
図9に示すように、触媒部を有しない第2検知部では、いずれのヒータ温度においても、抵抗値を高める応答をしていた。いずれのガスでも、ヒータ温度を高めるに従い、抵抗値の変化量を低下させていた。メタノールおよび水素は、濃度が高いほど抵抗値の変化量が大きく、抵抗の変化は略直線であった。
ヒータ温度を変化させることで、ガス種ごとで各検知部において検出される抵抗値の変化量の変動の仕方が異なることから、各ガス種の抵抗値の変化量とヒータ温度の関係を予め測定しておくことで、ガス種の特定を行うことも可能である。
たとえば、第1検知部では、水素および一酸化炭素はいずれも抵抗値を低下させる応答を示したのに対して、第2検知部では、水素は抵抗値を高め、一酸化炭素はほとんど応答を示さないという挙動が異なる検出結果を得ることができる。そのたため、両検知部での結果により、ガスセンサが検出したガスが水素か一酸化炭素かを特定することができる。
100…ガスセンサ
1…膜状素子
2…内周部
2a…外縁
3…外周部
3a…外縁
3b…内縁
4a,4b.4c,4d…内側梁部
5a,5b.5c,5d…外側梁部
6,7…開口部
8…固定部
8a…外縁
8b…内縁
10…第1検知部
12…第1検知電極
12a,12b…第1検知電極引出部
12a0,12b0…主部
12a1,12b1…接触部
127a,127b…端部
14…第1感応膜
16…触媒部
201a,202a,201b,202b…第2検知部
221,222…第2検知電極
221a,221b,222a,222b…第2検知電極引出部
221a0,221b0…主部
221a1,221b1…第1分枝部
221a2,221b2…第2分枝部
223a,223b,224a,224b…対向部
223a1,223b1,224a1,224b1…第1部分
223a2,223b2,224a2,224b2…第2部分
225a,225b…中間対向部
227a,227b…端部
24a1,24a2,24b1,24b2…第2感応膜
30…ヒータ
32…配線部
320…主部
321…第1加熱部
322…第2加熱部
34a,34b…端部
35…接続部材
41a,41b…第1検知部用パッド
42a,42b…第2検知部用パッド
43a,43b…ヒータ用パッド
60…下地絶縁膜
70…中間絶縁膜
80…上部絶縁膜
90…基板
90a…外縁
92…空洞部
93…内面
94…上面
96…下面
1…膜状素子
2…内周部
2a…外縁
3…外周部
3a…外縁
3b…内縁
4a,4b.4c,4d…内側梁部
5a,5b.5c,5d…外側梁部
6,7…開口部
8…固定部
8a…外縁
8b…内縁
10…第1検知部
12…第1検知電極
12a,12b…第1検知電極引出部
12a0,12b0…主部
12a1,12b1…接触部
127a,127b…端部
14…第1感応膜
16…触媒部
201a,202a,201b,202b…第2検知部
221,222…第2検知電極
221a,221b,222a,222b…第2検知電極引出部
221a0,221b0…主部
221a1,221b1…第1分枝部
221a2,221b2…第2分枝部
223a,223b,224a,224b…対向部
223a1,223b1,224a1,224b1…第1部分
223a2,223b2,224a2,224b2…第2部分
225a,225b…中間対向部
227a,227b…端部
24a1,24a2,24b1,24b2…第2感応膜
30…ヒータ
32…配線部
320…主部
321…第1加熱部
322…第2加熱部
34a,34b…端部
35…接続部材
41a,41b…第1検知部用パッド
42a,42b…第2検知部用パッド
43a,43b…ヒータ用パッド
60…下地絶縁膜
70…中間絶縁膜
80…上部絶縁膜
90…基板
90a…外縁
92…空洞部
93…内面
94…上面
96…下面
Claims (6)
- 空洞部を有する基板と、
前記空洞部の上方に第1検知部および第2検知部を有する膜状素子と、を有するガスセンサであって、
前記第1検知部および前記第2検知部は、感応膜と、前記感応膜に電気的に接続された検知電極とを有し、
前記第1検知部と前記第2検知部の少なくとも一方には、前記感応膜と熱的に接続してある触媒部が形成してあり、
前記膜状素子は、前記第1検知部および前記第2検知部を加熱可能なヒータ配線と、前記ヒータ配線を前記第1検知部および前記第2検知部から絶縁する絶縁膜とを有し、
前記膜状素子は、前記第1検知部を有する内周部と、前記第2検知部を有する外周部とを有し、
前記内周部は、内側梁部を介して前記外周部に支持されており、
前記外周部は、外側梁部を介して前記基板に支持されているガスセンサ。 - 前記外周部では、前記感応膜が分割されて配置されている請求項1に記載のガスセンサ。
- 前記内周部の外縁と、前記外周部の内縁との間には、開口部が形成してある請求項1または2に記載のガスセンサ。
- 前記第1検知部は、前記触媒部での反応に基づく信号を出力し、前記第2検知部は、前記第1検知部とは異なる検知原理による信号を出力し、
前記第1検知部および第2検知部の前記信号を用いた判定結果により、ガス種およびガス濃度を判断する請求項1~3のいずれかに記載のガスセンサ。 - 前記感応膜は、サーミスタ膜である請求項1~4のいずれかに記載のガスセンサ。
- 前記感応膜は、白金抵抗体である請求項1~4のいずれかに記載のガスセンサ。
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