JP2813424B2 - Electrochemical gas sensor device - Google Patents
Electrochemical gas sensor deviceInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電気化学式ガスセンサ装置に関し、詳し
くは、電気化学反応を利用して、大気中のガス等を検出
するガスセンサ装置に関するものである。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrochemical gas sensor device, and more particularly, to a gas sensor device that detects an atmospheric gas or the like using an electrochemical reaction.
電気化学反応を利用したガスセンサの基本的な構造と
しては、複数の電極をイオン伝導体すなわち電解質でつ
ないで電気化学的な反応を起こさせるようになってい
る。イオン伝導体の材料としては、従来、液体電解質や
ゲル状電解質を用いていたが、液漏れや溶媒の蒸発が生
じるために、素子の耐久性や信頼性に劣るという問題が
あった。このような問題点を解決するために、無機ある
いは有機の固体電解質を用いたガスセンサの開発が進め
られた。As a basic structure of a gas sensor utilizing an electrochemical reaction, a plurality of electrodes are connected with an ion conductor, that is, an electrolyte, to cause an electrochemical reaction. Conventionally, a liquid electrolyte or a gel electrolyte has been used as a material for the ion conductor. However, there has been a problem that the durability and reliability of the element are poor due to liquid leakage and evaporation of the solvent. In order to solve such problems, development of a gas sensor using an inorganic or organic solid electrolyte has been promoted.
無機物の固体電解質としては、β−アルミナ、ナシコ
ン、リシコン、安定化ジルコニア等がある。しかし、こ
れらの無機物からなる固定電解質では、常温におけるイ
ンピーダンスが高いため、常温ではイオンが伝導し難い
状態になる。したがって、一般には、前記のような無機
物固体電解質は加熱してインピーダンスが低い状態にし
て利用するが、このことはガスセンサの消費電力が大き
くなることを意味しており、実用上好ましくない。Examples of the inorganic solid electrolyte include β-alumina, NASICON, lithicon, and stabilized zirconia. However, a fixed electrolyte made of these inorganic substances has a high impedance at room temperature, so that ions do not easily conduct at room temperature. Therefore, in general, the above-mentioned inorganic solid electrolyte is heated and used in a state of low impedance, which means that the power consumption of the gas sensor increases, which is not practically preferable.
有機物の固体電解質としては、ポリスチレンスルホネ
ート、ポリビニルスルホネート、パーフルオロスルホネ
ートポリマー、パーフルオロカルボキシレートポリマー
等のカチオン交換樹脂に属するポリマーがある。これら
の樹脂のうち、パーフルオロスルホネートポリマーが、
実用的に最も適したものとして広く使用されており、例
えば、ナフィオン(商品名、デュポン社製)と呼ばれる
ものがある。Examples of the organic solid electrolyte include polymers belonging to a cation exchange resin such as polystyrene sulfonate, polyvinyl sulfonate, perfluorosulfonate polymer, and perfluorocarboxylate polymer. Of these resins, the perfluorosulfonate polymer is
It is widely used as the most practically suitable one, and for example, there is one called Nafion (trade name, manufactured by DuPont).
上記パーフルオロスルネートポリマーが好ましい理由
は、カチオンの解離度が大きいこと、すなわちインピー
ダンスが小さいこと、あるいは、熱的、電気化学的に比
較的安定であること等である。また、パーフルオロスル
ホネートポリマーは、溶媒に可溶であるため、溶液をキ
ャスティングすることによって、絶緑基板や電極の上に
容易にパーフルオロスルホネートポリマーからなる固体
電解質層を形成することができる。このことは、ガスセ
ンサの製造が容易であることを意味している。The reason why the perfluorosulfonate polymer is preferable is that the degree of dissociation of the cation is large, that is, the impedance is small, or that it is relatively thermally and electrochemically stable. Further, since the perfluorosulfonate polymer is soluble in a solvent, a solid electrolyte layer made of the perfluorosulfonate polymer can be easily formed on a green substrate or an electrode by casting the solution. This means that the manufacture of the gas sensor is easy.
上記のようなパーフルオロスルホネートポリマーを電
解質に用いた電気化学式カスセンサでは、パーフルオロ
スルホネートポリマーの物性値が、温度や湿度等の環境
条件に依存して大きく変動し、また、経時時にも変化す
る。そのため、センサの感度にも、環境条件による変動
や経時変化を生じ、正確な検出結果が得られないという
問題があった。In an electrochemical scum sensor using a perfluorosulfonate polymer as an electrolyte as described above, the physical property value of the perfluorosulfonate polymer greatly varies depending on environmental conditions such as temperature and humidity, and also changes over time. For this reason, there has been a problem that the sensitivity of the sensor also fluctuates due to environmental conditions and changes with time, and an accurate detection result cannot be obtained.
すなわち、電極間をつなぐ電解質であるパーフルオロ
スルホネートポリマーのインピーダンスやガス透過性等
の物性値は、ガスセンサの感度に非常に大きな影響を与
えるため、環境条件や経時による物性の変動が、そのま
まセンサ感度の変化となって表れるのである。In other words, physical properties such as impedance and gas permeability of the perfluorosulfonate polymer, which is an electrolyte connecting the electrodes, have a great effect on the sensitivity of the gas sensor. It appears as a change.
しかし、ガスセンサとしては、前記のような温度や湿
度の変動あるいは時間の経過に関わらず、一定濃度のガ
スに対して常に一定の感度を示さなければ、正確な検知
情報が得られず、センサとしての機能を充分に果たすこ
とが出来ない。そのため、環境条件や経時によるセンサ
感度の変化を補正して、正確な検出結果が得られるよう
にすることが望まれていた。However, as a gas sensor, accurate detection information cannot be obtained unless a constant sensitivity is exhibited for a gas of a constant concentration regardless of the fluctuation of the temperature and humidity or the passage of time as described above. Function cannot be performed sufficiently. Therefore, it has been desired to correct a change in sensor sensitivity due to environmental conditions and aging so as to obtain an accurate detection result.
そこで、本願発明者らは、センサ内にガスセンサ本体
とは別に湿度センサを組み込んで、湿度変化に対する感
度補正ができるようにした電気化学式ガスセンサを発明
し、先に特願平2−79804号にて特許出願している。し
かし、このセンサの場合、ガスセンサ本体とは構造や動
作の異なる湿度センサを組み込んでいるために、制御回
路等の構造が複雑になって、装置全体の外形寸法も大き
くなり、コストが高くつく問題がある。また、湿度によ
るセンサ感度の変動は補正できるが、湿度以外の温度そ
の他の環境条件に対する感度補正はできない。Therefore, the present inventors have invented an electrochemical gas sensor in which a humidity sensor is incorporated in the sensor separately from the gas sensor main body so that sensitivity can be corrected for a change in humidity. We have applied for a patent. However, in the case of this sensor, since a humidity sensor having a different structure and operation from the gas sensor body is incorporated, the structure of the control circuit and the like becomes complicated, and the external dimensions of the entire device become large, resulting in a high cost. There is. In addition, fluctuations in sensor sensitivity due to humidity can be corrected, but sensitivity cannot be corrected for temperature and other environmental conditions other than humidity.
なお、異なる環境条件毎に、それぞれの環境条件の変
動を検知するセンサを組み込んでおけば、それぞれの環
境条件に対する感度補正ができるが、環境条件の数だけ
異なるセンサを組み込むのでは、センサの構造が極めて
複雑になり、コストも非常に高くつくことになる。In addition, if a sensor that detects the change of each environmental condition is installed for each different environmental condition, the sensitivity can be corrected for each environmental condition. Would be very complex and very expensive.
さらに、従来のガスセンサでは、センサ素子の経時的
な感度変化を補正することはできなかった。Further, in the conventional gas sensor, it is not possible to correct a change in sensitivity of the sensor element over time.
環境条件の変動または経時に伴う電解質の特性変化に
よるセンサの感度補正が必要なのは、前記したパーフル
オロスルホネートポリマーを用いた場合だけでなく、各
種の固体電解質あるいは液体電解質を用いた場合でも同
様である。The need to correct the sensitivity of the sensor due to changes in the characteristics of the electrolyte due to fluctuations in environmental conditions or aging is not limited to the case where the above-described perfluorosulfonate polymer is used, and the same applies when various solid electrolytes or liquid electrolytes are used. .
そこで、この発明の課題は、環境条件の変動および経
時に対する感度補正を、簡単かつ確実に行うことができ
る電気化学式ガスセンサ装置を提供することにある。SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an electrochemical gas sensor device that can easily and reliably perform sensitivity correction with respect to changes in environmental conditions and aging.
上記課題を解決する、この発明にかかる電気化学式ガ
スセンサ装置は、複数の電極を電解質でつないで検知用
を行わせる電気化学ガスセンサを備えた装置であって、
使用環境に一定の濃度で存在する基準ガスを検知する基
準ガス用センサと、前記基準ガスと同じ使用環境中に含
まれ基準ガスとは異なるガス成分であって検知対象とな
る対象ガスを検知する対象ガス用センサとを備え、さら
に、基準ガス用センサの出力信号をもとに対象ガス用セ
ンサの出力信号を補正する感度補正手段を備えている。To solve the above problems, an electrochemical gas sensor device according to the present invention is a device including an electrochemical gas sensor that performs detection by connecting a plurality of electrodes with an electrolyte,
A reference gas sensor for detecting a reference gas present at a certain concentration in a use environment, and a target gas to be detected which is a gas component different from the reference gas and contained in the same use environment as the reference gas. A target gas sensor; and a sensitivity correction means for correcting the output signal of the target gas sensor based on the output signal of the reference gas sensor.
電極は、金、白金その他の通常の電極材料からなり、
作用極、対極、参照極等と呼ばれ、それぞれの機能に対
応した形状や配置構造を有する複数の電極を1組にし
て、絶縁基板等の支持部材に支持させておく。そして、
これらの電極の上およびその間をパーフルオロスルホネ
ートポリマー等の高分子固体電解質あるいは無機固体電
解質で覆ったり、液体やゲル状の電解質と電極を接触さ
せたりして、電極同士が電解質でつながれた状態にして
ガスセンサを構成する。これらのガスセンサの基本的な
構造については、従来の通常の電気化学式ガスセンサと
同様の構造が採用できる。The electrodes are made of gold, platinum and other common electrode materials,
A plurality of electrodes, which are called a working electrode, a counter electrode, a reference electrode, and the like and have a shape and an arrangement structure corresponding to each function, are supported as a set by a support member such as an insulating substrate. And
The electrodes are connected to each other by covering the electrodes and between them with a solid polymer electrolyte such as a perfluorosulfonate polymer or an inorganic solid electrolyte, or by contacting the electrodes with a liquid or gel electrolyte. To form a gas sensor. The basic structure of these gas sensors can be the same as that of a conventional ordinary electrochemical gas sensor.
この発明では、一つの装置内に、前記のようなガスセ
ンサを複数組備えている。まず、基準ガス用センサとし
て、使用環境に一定の濃度で存在する基準ガスを検知す
るためのガスセンサを備えている。基準ガスとしては、
例えば、大気中で使用する場合には、酸素ガスが前記の
ような条件を満たし、好ましいものとなるが、酸素ガス
以外の大気成分を用いることもでき、使用環境が違え
ば、その環境に対応した基準ガスを選択すればよい。基
準ガス用センサでは、上記のような基準ガスを検知でき
るように、作用極と参照極の間にかける印加電圧等を設
定しておく。つぎに、対象ガス用センサとして、検知対
象となる対象ガスを検知するためのガスセンサを備えて
いる。検知対象となるガスは、一酸化炭素、アルコー
ル、硫化水素その他、各種のガスがあり、検知対象とな
るガスの種類に合わせて、作用極と参照極の間にかける
印加電圧等を設定しておく。基準ガス用センサと対象ガ
ス用センサは、感度特性が同一もしくはほぼ同等になる
ように、電極や電解質の材料や構造を設定しておくこと
が好ましい。そのためには、基準ガス検知部と対象ガス
検知部とが、全く同一の寸法形状および材料からなるも
のを用いればよいが、両方の感度特性に一定の相関関係
があって実質的に同等の感度特性が発揮できれば、それ
ぞれの検知部の機能や検知するガスの種類等に合わせ
て、電極の材料等が一部異なるものを採用することもで
きる。According to the present invention, a plurality of gas sensors as described above are provided in one device. First, as a reference gas sensor, a gas sensor for detecting a reference gas existing at a certain concentration in a use environment is provided. As the reference gas,
For example, when used in the atmosphere, oxygen gas satisfies the above-mentioned conditions and is preferable.However, air components other than oxygen gas can be used. The selected reference gas may be selected. In the reference gas sensor, an applied voltage or the like applied between the working electrode and the reference electrode is set so that the above-described reference gas can be detected. Next, a gas sensor for detecting a target gas to be detected is provided as a target gas sensor. The gas to be detected includes carbon monoxide, alcohol, hydrogen sulfide, and other various gases.The voltage applied between the working electrode and the reference electrode is set according to the type of the gas to be detected. deep. It is preferable that the materials and structures of the electrodes and the electrolyte are set so that the sensitivity characteristics of the sensor for the reference gas and the sensor for the target gas are the same or substantially equal. For this purpose, the reference gas detection unit and the target gas detection unit may be made of exactly the same dimensions and material, but both have a certain correlation in their sensitivity characteristics and have substantially the same sensitivity. If the characteristics can be exhibited, it is also possible to adopt a material in which the materials of the electrodes are partially different in accordance with the function of each detection unit, the type of gas to be detected, and the like.
対象ガス用センサおよび基準ガス用センサには、通常
の電気化学式ガスセンサと同様に、電圧を印加する電源
回路や作用極と対極の間を流れる電流を検出する検出回
路等からなる電子回路が接続される。これらの電子回路
は、前記したセンサ部分を形成する絶縁基板とは別の基
板上に形成しておき、リード線等でつないでもよいし、
同一基板上にセンサ部分と電子回路部分の両方を形成し
ておいてもよい。An electronic circuit including a power supply circuit for applying a voltage and a detection circuit for detecting a current flowing between the working electrode and the counter electrode is connected to the sensor for the target gas and the sensor for the reference gas, similarly to a normal electrochemical gas sensor. You. These electronic circuits may be formed on a separate substrate from the insulating substrate forming the above-described sensor portion, and may be connected with a lead wire or the like,
Both the sensor portion and the electronic circuit portion may be formed on the same substrate.
上記電子回路の一部に、基準ガス用センサの出力信号
をもとに対象ガス用センサの出力信号を補正する感度補
正回路を組み込んでおく等して感度補正手段を設けてお
く。感度補正手段としては、対象ガス用センサの出力信
号から環境条件や経時の影響を除いて、対象ガスの正確
な検知情報を出力できるように信号を処理できれば、任
意の電子回路等で構成することができ、具体的には、予
め基準ガス用センサと対象ガス用センサの感度特性を測
定して、基準ガス用センサと対象ガス用センサの感度特
性の相関関係を求め、この相関関係をもとにして適切な
感度補正が行われるように感度補正回路を設計しておけ
ばよい。A sensitivity correction means is provided in a part of the electronic circuit, for example, by incorporating a sensitivity correction circuit for correcting the output signal of the target gas sensor based on the output signal of the reference gas sensor. As sensitivity correction means, any electronic circuit or the like can be used as long as the signal can be processed so that accurate detection information of the target gas can be output from the output signal of the target gas sensor, excluding the influence of environmental conditions and aging. Specifically, the sensitivity characteristics of the reference gas sensor and the target gas sensor are measured in advance, and the correlation between the sensitivity characteristics of the reference gas sensor and the target gas sensor is determined. The sensitivity correction circuit may be designed so that appropriate sensitivity correction is performed.
電気化学式ガスセンサにおいては、ガス成分が作用極
と電解質との界面で電気化学反応を起こすことによっ
て、ガス成分を検出する。したがって、センサ感度が変
化する原因としては、ガス成分が作用極と電解質の界面
まで到達する速度が変化すること、電気化学反応の反応
速度が変化すること、反応でできた生成物が対極まで移
動する速度が変化すること等があり、これらの現象の発
生やその進行は、電極や電解質の構成によって決まって
くる。したがって、電極や電解質の構成をほぼ同じにし
ておく等により、基準ガス用センサの感度特性を対象ガ
ス用センサの感度特性とほぼ同等にすることが可能であ
る。このようにすれば、対象ガス用センサと基準ガス用
センサは、種々の環境条件の変動や経時に伴うセンサ感
度の変化が同じように生じる。言い換えれば、対象ガス
用センサと基準ガス用センサは、センサ感度の変化に一
定の相関関係を有することになる。In an electrochemical gas sensor, a gas component is detected by causing an electrochemical reaction at an interface between a working electrode and an electrolyte. Therefore, changes in sensor sensitivity include changes in the rate at which gas components reach the interface between the working electrode and the electrolyte, changes in the reaction rate of the electrochemical reaction, and the reaction products moving to the counter electrode. The occurrence and progress of these phenomena are determined by the configuration of the electrodes and the electrolyte. Therefore, the sensitivity characteristics of the reference gas sensor can be made substantially equal to the sensitivity characteristics of the target gas sensor by making the configuration of the electrodes and the electrolyte substantially the same. In this manner, the sensor for the target gas and the sensor for the reference gas have the same change in the sensor sensitivity over time due to changes in various environmental conditions and aging. In other words, the target gas sensor and the reference gas sensor have a certain correlation with the change in sensor sensitivity.
基準ガス用センサでは、使用環境に一定濃度で存在す
る基準ガスを検知するので、この一定濃度の基準ガスに
対する基準ガス用センサの出力信号を継続的に監視して
おけば、基準ガス用センサの出力信号は、センサ感度の
変化を表すことになり、環境条件や経時によってセンサ
感度がどのように変化するのかを知ることができる。基
準ガス用センサにおけるセンサ感度の変化は、前記した
ように、対象ガス用センサにおけるセンサ感度の変化と
相関関係があるので、基準ガス用センサにおける出力信
号をもとにして対象ガス用センサの出力信号を補正すれ
ば、対象ガス用センサの出力信号から、環境条件や経時
によるセンサ感度の変化の影響を取り除いて、対象ガス
に対する正確な検知情報を得ることができる。Since the reference gas sensor detects a reference gas present at a constant concentration in the usage environment, if the output signal of the reference gas sensor for the reference gas having the constant concentration is continuously monitored, the reference gas sensor can be used. The output signal indicates a change in the sensor sensitivity, and it is possible to know how the sensor sensitivity changes due to environmental conditions and aging. As described above, since the change in the sensor sensitivity of the reference gas sensor is correlated with the change in the sensor sensitivity of the target gas sensor, the output of the target gas sensor is determined based on the output signal of the reference gas sensor. If the signal is corrected, accurate detection information on the target gas can be obtained from the output signal of the target gas sensor by removing the influence of changes in sensor sensitivity due to environmental conditions and aging.
ついで、この発明の実施例について、図面を参照しな
がら以下に詳しく説明する。Next, embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.
第1図および第2図は電気化学式ガスセンサ装置の模
式的構造を示しており、対象ガス用センサAと基準ガス
用センサBの2組の、全く同一構造のガスセンサを備え
ている。すなわち、それぞれのガスセンサA,Bは、絶縁
基板10,12の表面に、白金や金その他の電極材料からな
る複数組の電極が形成されている。電極は、検知対象ガ
スを検知するための作用極20,50、対極30,60および参照
極40,70のそれぞれ3本の矩形状電極からなる。電極の
形成はスパッタや蒸着等の通常の電極形成手段が利用さ
れ、各電極の構造は通常のガスセンサと同様でよい。FIG. 1 and FIG. 2 show a schematic structure of an electrochemical gas sensor device, which includes two sets of gas sensors having exactly the same structure, a target gas sensor A and a reference gas sensor B. That is, in each of the gas sensors A and B, a plurality of sets of electrodes made of platinum, gold, and other electrode materials are formed on the surfaces of the insulating substrates 10 and 12. The electrodes consist of three rectangular electrodes, each of a working electrode 20, 50 for detecting a gas to be detected, counter electrodes 30, 60, and reference electrodes 40, 70. The electrodes are formed by a normal electrode forming means such as sputtering or vapor deposition, and the structure of each electrode may be the same as that of a normal gas sensor.
両センサA,Bの電極20〜40および電極50〜70には、そ
れぞれの上および間を覆って、パーフルオロスルホネー
トポリマー等からなる固体電解質層80,82が形成されて
いる。固体電解質層80,82の材料や形成手段は、通常の
ガスセンサと同様でよい。各電極20〜70の一端は、固体
電解質層80,82の外部まで延長されて露出しており、外
部回路への接続用端子部22,32,42,52,62,72となってい
る。このようにして、全く同じ電極構造および電解質の
構造を備えた基準ガス用センサBと対象ガス用センサA
が並んで設けられている。On the electrodes 20 to 40 and the electrodes 50 to 70 of both sensors A and B, solid electrolyte layers 80 and 82 made of perfluorosulfonate polymer or the like are formed so as to cover above and between them. The materials and forming means of the solid electrolyte layers 80 and 82 may be the same as those of a normal gas sensor. One end of each of the electrodes 20 to 70 is extended and exposed to the outside of the solid electrolyte layers 80 and 82, and serves as a terminal portion 22, 32, 42, 52, 62, 72 for connection to an external circuit. In this way, the reference gas sensor B and the target gas sensor A having exactly the same electrode structure and electrolyte structure
Are provided side by side.
対象ガス用センサAは、各端子部22〜42にリード線10
2を介して検出回路部100が接続されており、検出回路部
100は感度補正回路部120に接続されている。基準ガス用
センサBは、各端子部22〜42にリード線104を介して検
出回路部110が接続されており、検出回路部110は前記感
度補正回路部120に接続されている。検出回路部100,110
は、通常のガスセンサと同様に、対象ガス用センサAお
よび基準ガス用センサBに電源を供給したり、作用極20
と対極30または作用極50と対極60の間を流れる電流を検
知したりして、得られた検出信号を感度補正回路部120
へと出力する。感度補正回路部120では、基準ガス用セ
ンサBからの出力信号をもとにして、対象ガス用センサ
Aの出力信号を補正し、環境条件や経時によるセンサ感
度の変動の影響を除いた対象ガスの正確な検知情報を出
力する。感度補正回路120は、各種計測装置やセンサ装
置に利用されているのと同様の適当な電子回路により構
成されている。The sensor A for the target gas has a lead wire 10 connected to each terminal 22 to 42.
2 is connected to the detection circuit unit 100 via the detection circuit unit.
100 is connected to the sensitivity correction circuit unit 120. In the reference gas sensor B, a detection circuit section 110 is connected to each of the terminal sections 22 to 42 via a lead wire 104, and the detection circuit section 110 is connected to the sensitivity correction circuit section 120. Detection circuit 100, 110
Supplies power to the target gas sensor A and the reference gas sensor B as well as the normal gas sensor,
And the current flowing between the working electrode 50 and the working electrode 50 and the counter electrode 60, and the obtained detection signal is
Output to The sensitivity correction circuit section 120 corrects the output signal of the target gas sensor A based on the output signal from the reference gas sensor B, and removes the influence of the target gas excluding the influence of the sensor sensitivity fluctuation due to environmental conditions and aging. Output accurate detection information. The sensitivity correction circuit 120 is configured by an appropriate electronic circuit similar to that used in various measuring devices and sensor devices.
以上のような構造を有するガスセンサ装置の対象ガス
用センサAにおけるセンサ作用を説明する。検知対象ガ
スのガス成分は、固体電解質層80の表面から内部を透過
して作用極20に到達し、ここで電気化学反応を起こす。
対極30では、上記作用極20と対になる反応が起きる。そ
の結果、作用極20と対極30の間に検知電流が流れて、ガ
ス成分の検知および定量が行える。参照極40は、作用極
20の電位を一定に維持するための基準としての機能を果
たす。すなわち、作用極20の電位を、検知対象となるガ
ス成分に対応して、一定の電位に維持しておくことによ
って、目的とする対象ガスのみを検知できるようにす
る。このようなセンサ作用は、通常のガスセンサの場合
と全く同様である。但し、対象ガス用センサAの出力信
号は、温度や湿度等の環境条件の変動あるいは経時に伴
うセンサ感度の変化の影響を含んでおり、このままで
は、対象ガスの正確な検知情報とは言えない。A description will be given of the sensor operation of the target gas sensor A of the gas sensor device having the above-described structure. The gas component of the gas to be detected penetrates the inside from the surface of the solid electrolyte layer 80 and reaches the working electrode 20, where an electrochemical reaction occurs.
At the counter electrode 30, a reaction that forms a pair with the working electrode 20 occurs. As a result, a detection current flows between the working electrode 20 and the counter electrode 30, and detection and quantification of gas components can be performed. Reference electrode 40 is the working electrode
Serves as a reference to keep the potential of 20 constant. That is, by maintaining the potential of the working electrode 20 at a constant potential corresponding to the gas component to be detected, only the target gas of interest can be detected. Such a sensor operation is exactly the same as that of a normal gas sensor. However, the output signal of the target gas sensor A includes the influence of fluctuations in environmental conditions such as temperature and humidity or changes in sensor sensitivity over time, and cannot be said to be accurate detection information of the target gas as it is. .
ついで、基準ガス用センサBにおける感度補正作用に
ついて説明する。基準ガス検知部Bでは、固体電解質層
82の表面から内部を透過して作用極50に基準ガスである
酸素が到達し、ここで電気化学反応を起こす。対極60
は、上記作用極50と対になる反応が起こり、作用極50と
対極60の間に酸素検知電流が流れるのである。なお、こ
の基準ガス検知部Bでは、作用極50の電位を、参照極70
を基準にして、酸素に対応する一定の電位に維持してお
き、酸素のみを検知できるようにしておく。すなわち、
対象ガス用センサAと基準ガス用センサBでは、作用極
20と50の電位設定が異なるだけで、電気化学反応や検知
電流が流れる原理作用は全く同じである。このようにし
て得られた基準ガス用センサBの出力信号にも、温度や
湿度等の環境条件の変動あるいは経時に伴うセンサ感度
の変化の影響を含んでいる。Next, the sensitivity correction operation of the reference gas sensor B will be described. In the reference gas detector B, the solid electrolyte layer
Oxygen as a reference gas reaches the working electrode 50 through the inside of the surface 82 and reaches the working electrode 50, where an electrochemical reaction occurs. Counter electrode 60
As a result, a reaction that forms a pair with the working electrode 50 occurs, and an oxygen detection current flows between the working electrode 50 and the counter electrode 60. In the reference gas detecting section B, the potential of the working electrode 50 is
Is maintained at a constant potential corresponding to oxygen, so that only oxygen can be detected. That is,
In the target gas sensor A and the reference gas sensor B, the working electrode
The only difference between the potential settings of 20 and 50 is that the principle of the flow of the electrochemical reaction and detection current is exactly the same. The output signal of the reference gas sensor B obtained in this manner also includes the influence of changes in environmental conditions such as temperature and humidity or changes in sensor sensitivity over time.
酸素は、大気中に常に一定濃度で存在しているので、
センサ感度の変化がなければ、基準ガス用センサBでは
常に一定の検知電流すなわち出力信号が得られるはずで
ある。しかし、前記したように、基準ガス用センサBの
センサ感度は環境条件や経時によって変化するので、出
力信号も変化する。すなわち、この基準ガス用センサB
における出力信号の変化は、センサ感度の変化をそのま
ま表していることになる。したがって、基準ガス用セン
サBにおける出力信号を常時モニターしておき、この基
準ガス用センサBの出力信号すなわちセンサ感度の変化
量をもとにして、対象ガス用センサAの出力信号を補正
すれば、対象ガス用センサAの出力信号からセンサ感度
の変化の影響のみを取り除くことができる。具体的に
は、例えば、対象ガス用センサAの出力値から基準ガス
用センサBの出力値を差し引いたり、基準ガス用センサ
Bの出力値に適当は係数をかけてから対象ガス用センサ
Aの出力値を割ったり差し引いたりする等、適当な演算
処理を行えばよく、このような演算処理を前記感度補正
回路120で実行させればよいのである。Oxygen is always present at a constant concentration in the atmosphere,
If the sensor sensitivity does not change, the reference gas sensor B should always obtain a constant detection current, that is, an output signal. However, as described above, since the sensor sensitivity of the reference gas sensor B changes with environmental conditions and aging, the output signal also changes. That is, this reference gas sensor B
The change of the output signal in the above indicates the change of the sensor sensitivity as it is. Therefore, the output signal of the reference gas sensor B is constantly monitored, and the output signal of the target gas sensor A is corrected based on the output signal of the reference gas sensor B, that is, the amount of change in the sensor sensitivity. In addition, only the influence of the change in the sensor sensitivity can be removed from the output signal of the target gas sensor A. Specifically, for example, the output value of the reference gas sensor B is subtracted from the output value of the target gas sensor A, or the output value of the reference gas sensor B is multiplied by an appropriate coefficient before the output value of the target gas sensor A. Appropriate arithmetic processing such as dividing or subtracting the output value may be performed, and such arithmetic processing may be performed by the sensitivity correction circuit 120.
つぎに、上記した構造の電気化学式ガスセンサ装置を
製造して、環境条件の変動や経時に伴う感度変化を測定
した結果について説明する。Next, a description will be given of a result of manufacturing an electrochemical gas sensor device having the above-described structure and measuring a change in environmental conditions and a change in sensitivity over time.
−実施例1− 絶縁基板10,12の材料として、それぞれ10mm角のガラ
ス板を用いた。但し、基板と電極との密着性を上げるた
めに、ガラス板の上にスパッタリングで厚さ2000Å程度
のポリシリコン層を形成した。この絶縁基板10,12の上
にスパッタリングで白金からなる作用極20,50、対極30,
60および金からなる参照極40,70をそれぞれ作製した。
その後、パーフルオロスルホネートポリマーを5重量%
含む溶液を、各電極20〜40,50〜70および絶縁基板10,12
の上にキャスティングすることにより、厚さ3μmの固
体電解質層80,82を形成した。-Example 1-10 mm square glass plates were used as the materials of the insulating substrates 10 and 12, respectively. However, in order to increase the adhesion between the substrate and the electrode, a polysilicon layer having a thickness of about 2000 mm was formed on the glass plate by sputtering. Working electrodes 20 and 50 made of platinum by sputtering, counter electrodes 30 and
Reference electrodes 40 and 70 made of 60 and gold, respectively, were produced.
Thereafter, 5% by weight of perfluorosulfonate polymer was added.
Containing solution, each electrode 20-40, 50-70 and insulating substrate 10,12
The solid electrolyte layers 80 and 82 having a thickness of 3 μm were formed by casting on the substrate.
このようにして製造された対象ガス用センサAおよび
基準ガス用センサBを組み合わせたセンサ装置が、対象
ガスに対するセンサ機能および感度補正機能を有してい
ることを確認するために、一酸化炭素と酸素に対するセ
ンサ感度の変化を測定した。In order to confirm that the sensor device combining the target gas sensor A and the reference gas sensor B manufactured in this way has a sensor function and a sensitivity correction function for the target gas, carbon monoxide and carbon monoxide were used. The change in sensor sensitivity to oxygen was measured.
測定には、第3図に示す試験装置を用いた。測定用チ
ェンバー90内にセンサ装置を収容し、各電極20…の端子
部22…をリード線91を介して、対象ガス用センサと基準
ガス用センサのそれぞれのポテンショスタット92,93に
接続した。各ポテンショスタット92,93には、それぞれ
レコーダ94,95が接続されている。For the measurement, a test device shown in FIG. 3 was used. The sensor device was housed in the measurement chamber 90, and the terminal portions 22 of the electrodes 20 were connected to the potentiostats 92 and 93 of the target gas sensor and the reference gas sensor via lead wires 91. Recorders 94 and 95 are connected to the potentiostats 92 and 93, respectively.
上記のような試験装置を用い、一酸化炭素を検知する
対象ガス用センサAの作用極20と参照極40の間の印加電
圧を0.45Vに設定し、酸素を検知する基準ガス用センサ
Bの作用極50と参照極70の間の印加電圧を−0.4Vに設定
した。そして、基準ガス用センサBの作用極50と対極60
の間を流れる酸素検知電流は、レコーダ95で常時監視し
ておく。また、チェンバー90内の雰囲気を、空気のみの
状態から一酸化炭素を1000ppm含む空気に置き換え、そ
の際に対象ガス用センサAの作用極20と対極30の間を流
れる一酸化炭素検知電流をレコーダ94で測定した。チェ
ンバー90内に、一定時間毎に一酸化炭素を供給したり、
湿度や温度を様々に変えたりしながら測定を繰り返し
た。Using the test apparatus as described above, the applied voltage between the working electrode 20 and the reference electrode 40 of the target gas sensor A for detecting carbon monoxide is set to 0.45 V, and the reference gas sensor B for detecting oxygen is set. The applied voltage between the working electrode 50 and the reference electrode 70 was set to -0.4V. The working electrode 50 and the counter electrode 60 of the reference gas sensor B
The oxygen detection current flowing between them is constantly monitored by the recorder 95. Further, the atmosphere in the chamber 90 is replaced with air containing 1000 ppm of carbon monoxide from the state of only air, and the carbon monoxide detection current flowing between the working electrode 20 and the counter electrode 30 of the target gas sensor A at this time is recorded. Measured at 94. In the chamber 90, carbon monoxide is supplied at regular intervals,
The measurement was repeated with various changes in humidity and temperature.
第4図は湿度を変化させた場合の測定結果、第5図は
温度を変化させた場合の測定結果、第8図は経時変化を
示す測定結果であり、何れの場合も、対象ガス用センサ
Aにおける一酸化炭素に対する感度特性と、基準ガス用
センサBにおける酸素に対する感度特性とは、同じよう
な傾向を示しており、一定の相関関係があることが判
る。上記試験における対象ガス用センサAと基準ガス用
センサBの感度の比率等から感度補正係数その他の条件
を決めて感度補正回路部120を設計したところ、環境条
件や経時に関わらず、一定量の一酸化炭素に対しては常
に一定の出力信号が得られた。このことから、基準ガス
用センサBの出力信号をもとにして、対象ガス用センサ
Aの出力信号を補正すれば、温度や湿度および経時によ
る感度変化の影響を除いた、対象ガスの正確な検知情報
が得られることが実証された。FIG. 4 shows the measurement results when the humidity was changed, FIG. 5 shows the measurement results when the temperature was changed, and FIG. 8 shows the measurement results showing the change over time. In each case, the sensor for the target gas was used. The sensitivity characteristic to carbon monoxide in A and the sensitivity characteristic to oxygen in the reference gas sensor B show a similar tendency, and it is understood that there is a certain correlation. The sensitivity correction circuit unit 120 was designed by determining the sensitivity correction coefficient and other conditions from the ratio of the sensitivity of the target gas sensor A and the reference gas sensor B in the above test. A constant output signal was always obtained for carbon monoxide. From this, if the output signal of the target gas sensor A is corrected based on the output signal of the reference gas sensor B, an accurate detection of the target gas, excluding the influence of the sensitivity change due to temperature, humidity, and aging, is performed. It was demonstrated that detection information could be obtained.
−実施例2− 前記実施例1において、基準ガス用センサBにおける
作用極50の材料として金を用いた以外は、実施例1と同
様の工程を経てセンサ装置を製造した。-Example 2 A sensor device was manufactured through the same steps as in Example 1 except that gold was used as the material of the working electrode 50 in the sensor B for reference gas.
このようにして製造されたセンサ装置についても、前
記実施例1と同様の測定を行った。第6図、第7図およ
び第9図にその測定結果を示している。実施例2の場合
は、実施例1に比べて基準ガス用センサBの酸素に対す
るセンサ感度が低いが、感度変化の挙動は、対象ガス用
センサにおける一酸化炭素に対するセンサ感度の感度変
化の挙動と同様であり、このセンサ装置の場合も、基準
ガス用センサBの検知出力をもとにして感度補正できる
ことが判る。The same measurement as in Example 1 was performed on the sensor device manufactured as described above. FIG. 6, FIG. 7, and FIG. 9 show the measurement results. In the case of the second embodiment, the sensor sensitivity for oxygen of the reference gas sensor B is lower than that of the first embodiment, but the behavior of the sensitivity change is different from that of the sensor sensitivity for carbon monoxide in the target gas sensor. Similarly, in the case of this sensor device, it can be seen that the sensitivity can be corrected based on the detection output of the reference gas sensor B.
以上に述べた、この発明にかかる電気化学式ガスセン
サ装置によれば、通常のガスセンサと同様の対象ガス用
センサに加えて、使用環境に一定の濃度で存在する基準
ガスを検知する基準ガス用センサを備えていることによ
り、対象ガス用センサの出力信号を感度補正し、環境条
件や経時に伴うセンサ感度の変化の影響を取り除いて、
対象ガスの正確な検知情報を得ることができる。しか
も、基準ガス用センサと対象ガス用センサの感度特性の
間に相関関係のある全ての環境条件に対して同時にかつ
自動的に感度補正を行うことが可能になる。その結果、
使用環境や時間経過に関わらず常に一定の感度を有し、
環境依存性や経時変化のない信頼性の高いガスセンサ装
置を提供できることになる。According to the electrochemical gas sensor device according to the present invention described above, in addition to a target gas sensor similar to a normal gas sensor, a reference gas sensor that detects a reference gas present at a certain concentration in a use environment is provided. By providing the sensor, the sensitivity of the output signal of the target gas sensor is corrected, and the effects of changes in sensor sensitivity over time and environmental conditions are removed.
Accurate detection information of the target gas can be obtained. In addition, sensitivity correction can be performed simultaneously and automatically for all environmental conditions having a correlation between the sensitivity characteristics of the reference gas sensor and the target gas sensor. as a result,
Always has a certain sensitivity regardless of the use environment and time lapse,
A highly reliable gas sensor device that does not depend on the environment or change over time can be provided.
さらに、基準ガス用センサと対象ガス用センサは基本
的な構造が同じで、共通の製造工程で製造でき、使用時
の作動や制御も共通に行えるので、ガスセンサとは別に
湿度センサ等を組み込むのに比べて、はるかに製造が簡
単になり、製造が容易になって製造コストも削減され、
センサ装置全体を小型化することが可能になる。Furthermore, since the basic structure of the sensor for reference gas and the sensor for target gas are the same, they can be manufactured in a common manufacturing process, and operation and control during use can be performed in common. Is much simpler to manufacture, easier to manufacture, lowers manufacturing costs,
It is possible to reduce the size of the entire sensor device.
第1図はこの発明の実施例を示すセンサ装置の全体構成
図、第2図はセンサ部分の端面図、第3図はセンサ感度
の試験装置の概略構成図、第4図は湿度変化に対する測
定結果を示すグラフ図、第5図は温度変化に対する測定
結果を示すグラフ図、第6図は別の実施例の湿度変化に
対する測定結果を示すグラフ図、第7図は温度変化に対
する測定結果を示すグラフ図、第8図および第9図はそ
れぞれ経時変化に対する測定結果を示すグラフ図であ
る。 A……対象ガス用センサ、B……基準ガス用センサ、1
0,12……絶縁基板、20,30,40,50,60,70……電極、80,82
……固体電解質、100,110……検出回路部、120……感度
補正回路部FIG. 1 is an overall configuration diagram of a sensor device showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is an end view of a sensor portion, FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a sensor sensitivity test device, and FIG. FIG. 5 is a graph showing the result of measurement with respect to temperature change, FIG. 6 is a graph showing the result of measurement with respect to humidity change of another embodiment, and FIG. 7 is a graph showing the result of measurement with respect to temperature change. 8 and 9 are graphs showing measurement results with time. A: Target gas sensor, B: Reference gas sensor, 1
0,12 …… insulating substrate, 20,30,40,50,60,70 …… electrodes, 80,82
…… Solid electrolyte, 100,110 …… Detection circuit part, 120 …… Sensitivity correction circuit part
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/26──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G01N 27/26
Claims (1)
行わせる電気化学式ガスセンサを備えた装置であって、
使用環境に一定の濃度で存在する基準ガスを検知する基
準ガス用センサと、前記基準ガスと同じ使用環境に含ま
れ基準ガスとは異なるガス成分であって検知対象となる
対象ガスを検知する対象ガス用センサとを備え、さら
に、基準ガス用センサの出力信号をもとに対象ガス用セ
ンサの出力信号を補正する感度補正手段を備えている電
気化学式ガスセンサ装置。1. An apparatus provided with an electrochemical gas sensor for performing a detecting action by connecting a plurality of electrodes with an electrolyte,
A reference gas sensor for detecting a reference gas present at a certain concentration in a use environment, and a target for detecting a target gas to be detected which is a gas component contained in the same use environment as the reference gas and different from the reference gas. An electrochemical gas sensor device comprising: a gas sensor; and sensitivity correction means for correcting the output signal of the target gas sensor based on the output signal of the reference gas sensor.
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