JP4184325B2 - 可燃性ガスセンサ - Google Patents

Description

本発明は、例えば石油化学工場等においてＣＯ、ＨＣ、ホルムアルデヒド、水素などの可燃性ガスによるガス爆発などの災害発生を未然に防止するために、測定対象ガスの温度を測定して該測定対象ガス中に含まれている可燃性ガスを検知するために用いられる可燃性ガスセンサに関する。

この種の可燃性ガスセンサとしては、サーミスタ、熱電対（サーモカップル）、アルミ測温抵抗体等の測温素子の表面に絶縁材を介して白金等の酸化触媒を設けた構造のものが汎用されているが、このような積層構造の汎用可燃性ガスセンサは、熱容量が大きいために、可燃性ガスの酸化熱による温度上昇が小さく、それゆえに、温度変化に対する電気出力信号も小さく、その結果、感度が低いものにならざるを得ないという難点がある。

このような汎用可燃性ガスセンサの難点に着目して、従来、ガラス等の絶縁性基板上に櫛歯状の熱電対パターンを被着形成し、この熱電対パターンの一端側部分（温接点部分）にアルミナ等の絶縁膜を介して白金、パラジウム等の触媒を含むアルミナ等による被膜を蒸着する一方、熱電対パターンの他端側部分を露出させて冷接点部分とした触媒燃焼式ガスセンサが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、可燃性ガスの一種であるホルムアルデヒドの濃度を測定するホルムアルデヒド濃度計として、例えば熱電対を用いてホルムアルデヒドを含む測定対象ガス自体の温度を測定する第１のセンサと、例えば熱電対を白金を主成分とする触媒で被覆してなり、この触媒による常温でのホルムアルデヒドの分解反応熱による温度上昇分を含む測定対象ガスの温度を測定する第２のセンサとを備え、これら第１及び第２のセンサの測定温度差に基づいてホルムアルデヒドの濃度を算出するように構成された触媒燃焼式のホルムアルデヒド濃度計も提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開平５−１０９０１号公報 特開２００３−２４０７４４公報

上記特許文献１に示されている従来の触媒燃焼式ガスセンサでは、可燃性ガスが白金等の触媒を含む被膜に接触することに伴う燃焼で被膜自身の温度を上昇させて熱電対パターンの温接点部分を高温化し、この高温温接点部分と低温状態にある冷接点部分との間に発生する熱起電力を測定することにより可燃性ガスの濃度を検出するものであって、可燃性ガスの燃焼による温度上昇と周囲温度との温度差を熱電対パターンで直接検出することによって周囲温度に対する補償回路が不必要となり、その分だけセンサ感度の向上が図れるものの、熱電対パターンと被膜との間に絶縁膜が存在することによって大型化しやすい上に、熱容量は依然として大きくて高速応答性に欠け、高感度化にも限界があるという問題があった。

また、上記特許文献２に示されている従来の触媒燃焼式ガスセンサは、常温で酸化分解反応を生じるのが主としてホルムアルデヒドであることを利用して、測定対象ガス自体の温度を測定する第１のセンサと、触媒酸化法によるホルムアルデヒドの分解反応熱による温度上昇分を含む測定対象ガスの温度を測定する第２のセンサとを対に設けて、それら両センサによる測定温度差をホルムアルデヒドの濃度に換算することで、測定対象ガス中に含まれている他のガスの影響を受けることなく、ホルムアルデヒド濃度を選択的かつ高精度に測定可能であるものの、このようなガスセンサは、測定対象ガス中に含まれている各種の可燃性ガスのうちホルムアルデヒド以外の可燃性ガスの濃度測定等には転用することができないばかりでなく、ホルムアルデヒドの測定にあたっても一対のセンサが必要で計測器の大型化、高価格化は避けられない。さらに、白金等の酸化触媒及び熱電対を組み合わせてなる第２のセンサに関しても、それの低熱容量化、周囲温度の影響低減による高感度化などの実現性は乏しいものであった。

本発明は上記のような実情に鑑みてなされたもので、その目的は、単一の測温素子のみを用いて小型化、低コスト化を図りつつ、熱容量を低減して高感度化及び高速応答化並びにガス種の選択化を容易に実現することができる可燃性ガスセンサを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明に係る可燃性ガスセンサは、半導体基板の中央部分に形成の空洞部を覆うように該半導体基板面上に成膜されたダイヤフラムの表面に測温素子が形成され、この測温素子で測定対象ガスの温度を測定することにより、測定対象ガス中に含まれている可燃性ガスを検知するように構成されている可燃性ガスセンサにおいて、前記半導体基板の空洞部内で前記測定素子の感熱部に対応するダイヤフラムの裏面に酸化触媒が担持されているとともに、前記半導体基板の裏面側に固着された平板の中央部に前記空洞部に連通接続される測定対象ガスの供給口が形成され、かつ、前記平板に前記半導体基板、ダイヤフラム、測温素子を包囲する断面コ字形の蓋体が取り付けられて密閉状態にパッケージ化されていることを特徴としている。

上記のような特徴構成を有する本発明の可燃性ガスセンサによれば、平板に形成の供給口を経て半導体基板中央部分の小さな空洞部内に流入した測定対象ガスがダイヤフラム裏面に担持されている酸化触媒に触れたとき、その測定対象ガス中に含まれている可燃性ガスが酸化されて測温素子の感熱部で集中的に反応熱を発生し、その反応熱を測温素子の感熱部の温度上昇分として温度を測定することが可能である上に、半導体基板面上に成膜したダイヤフラム上に測温素子を形成するといった薄膜化技術の採用により、測温素子の熱容量を小さくすることができる。したがって、周囲温度の変化にかかわらず、高速で大きな出力信号を得ることができ、薄膜による小型化、低コスト化を図りつつ、感度の向上及び応答性の高速化を達成することができる。加えて、酸化触媒を選定する等して測温素子による測定温度を調整することにより、測定対象ガス中の可燃性ガスのうちの検知ガス種を容易に選択して一台のセンサによる適用範囲を拡大することができるという効果を奏する。

本発明に係る可燃性ガスセンサにおいて、ダイヤフラム上に形成する測温素子としては、請求項２に記載のように、サーモパイル又はサーミスタボロメータのいずれを用いてもよい。

また、本発明に係る可燃性ガスセンサにおいて、請求項３に記載のように、前記半導体基板面若しくはダイヤフラム上に、前記酸化触媒を活性状態に維持可能なヒータを設けることが望ましい。この場合は、このヒータへの通電により触媒に付着した可燃性ガス以外の物質も燃焼させて該触媒自体を常に活性状態に確実に維持することができ、これによって、センサ感度及び応答性を一層向上することができる。

また、本発明に係る可燃性ガスセンサにおいて、請求項４に記載のように、前記半導体基板をその周囲の複数箇所に設けた脚台を介して前記平板に固着するとともに、前記断面コ字形の蓋体の上板部分に貫通孔を形成して、前記供給口を経て空洞部内に流入した測定対象ガスを半導体基板と脚体との間及び半導体基板の外側周囲並びに前記貫通孔を経て蓋体の外部へと導く測定対象ガスの流れ道を形成することが望ましい。この場合は、触媒による酸化反応を促進して測温素子の感熱部の温度上昇を速めることが可能であり、より高速応答性に優れたガスセンサを得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は本発明に係る可燃性ガスセンサ１の一例を示す縦断面図である。この可燃性ガスセンサ１は、半導体基板の一例として、厚みが約３００μｍのシリコン基板２の中央部分にエッチングにより空洞部３を形成し、この空洞部３を覆うようにシリコン基板２上に、例えばＳｉＯ₂ 薄膜やＳｉＮ薄膜等のダイヤフラム４を成膜し、このダイヤフラム４上に測温素子の一例として、ポリシリコンとアルミなど異種金属を接合してなり、温度変化に応じたゼーベック効果により熱起電力を発生し出力するサーモパイル５が形成されている。

このサーモパイル５の感熱部（つまり、温接点部）裏面に対応する前記空洞部３内におけるダイヤフラム４の裏面には、白金（Ｐｔ）やルテニウム（Ｒｕ）等の酸化触媒６が直接成膜により担持されているとともに、前記サーモパイル５周辺のシリコン基板２部分の表面には、酸化触媒６を活性状態に維持可能な電熱ヒータ７が付着されている。

上記構成の可燃性ガスセンサ１は、図２に示すように、その中央部に前記空洞部３に連通接続される測定対象ガスＧの供給口８が形成され、左右両側には前記電熱ヒータ７をヒータ用電源（図示省略する）に接続するリード線９，９を挿通保持する支持棒１０，１０が固定支持された平板１１上にシリコン基板２全面を接着し、この平板１１の上部を断面略コ字形の蓋体１２で閉鎖することにより、密閉状態にパッケージ化されている。

上記のごとくパッケージ化された可燃性ガスセンサ１は、前記支持棒１０，１０を介して測定部位または測定対象装置（図示省略）内の所定箇所に固定設置して用いられる。この固定設置状態において、測定対象ガスＧは平板１１に形成の供給口８を経て空洞部３内に流入し、これによって、測定対象ガスＧ中に含まれている可燃性ガスがダイヤフラム４裏面に担持されている酸化触媒６により酸化されてサーモパイル５の温接点部で集中的に反応熱を発生し、その反応熱をサーモパイル５の温接点部における温度上昇分として、冷接点部との間の温度差を測定することにより、可燃性ガスの濃度を選択的に検知（計測）することが可能である。

また、サーモパイル５をシリコン基板２上に成膜したダイヤフラム４上に形成するといった薄膜化技術の採用により、サーモパイル５の熱容量を小さくして、周囲温度の変化にかかわらず高速で大きな出力信号が得られので、センサ全体の小型化、低コスト化を図りつつ、感度の向上及び応答性の高速化を達成することができる。

さらに、酸化触媒６を選定する等してサーモパイル５による測定温度を調整することにより、測定対象ガス中の可燃性ガスのうちの検知ガス種を容易に選択し一台のセンサによる適用範囲を拡大することができる。

また、電熱ヒータ７に常時あるいは定期的に通電して酸化触媒６に付着した可燃性ガス以外の物質も燃焼させて該触媒６自体を常に活性状態に維持することによって、酸化触媒６による可燃性ガスの酸化反応がより促進され、これによって、センサ感度及び応答性を一層向上することができる。

図３は可燃性ガスセンサ１の他のパッケージ例を示す。この例では、シリコン基板２をその周囲の複数箇所に設けた脚台１３を介して平板１１上に固着するとともに、断面略コ字形の蓋体１２の上板部分にも貫通孔１４を形成することにより、図３の矢印で示すような測定対象ガスＧの流れ道を形成したものである。このパッケージ例の場合は、酸化触媒６による酸化反応が促進されて温度上昇速度が速いため、応答性を一層高速化することができる。

なお、上記実施の形態では、酸化触媒６をダイヤフラム４の裏面に直接担持させたもので説明したが、直接成膜による担持に代えて、Ｃｒ，Ｔｉ等の良熱伝導性金属材料を粉体や粒体あるいは粉粒体として添加含有させた接着層を介して成膜し担持させてもよい。

また、上記実施の形態では、測温素子として、サーモパイルを用いたもので説明したが、サーミスタボロメータを用いたものであっても、上述したものと同様に、熱容量を小さくして周囲温度の変化にかかわらず高速で大きな出力信号が得られ、センサ全体の小型化、低コスト化を図りつつ、センサ感度の向上及び応答性の高速化を達成することができる。

さらに、可燃性ガスセンサ１の手前に、例えば活性炭のような透過度に選択性のある吸着剤を配置し、この吸着剤を透過した可燃性ガスを検知させるように構成することにより、測定対象ガス中に含まれている他の可燃性ガスによる妨害を少なくして選択した可燃性ガスの測定精度を向上することが可能である。

本発明に係る可燃性ガスセンサの一例を示す縦断面図である。 同上可燃性ガスセンサのパッケージ例を示す縦断面図である。 同上可燃性ガスセンサの他のパッケージ例を示す縦断面図である。

符号の説明

１ 可燃性ガスセンサ
２ シリコン基板（半導体基板）
３ 空洞部
４ ダイヤフラム
５ サーモパイル（測温素子の一例）
６ 酸化触媒
７ 電熱ヒータ
８ 供給口
１１ 平板
１２ 蓋体
１３ 脚台
１４ 貫通孔

Claims (4)

1. 半導体基板の中央部分に形成の空洞部を覆うように該半導体基板面上に成膜されたダイヤフラムの表面に測温素子が形成され、この測温素子で測定対象ガスの温度を測定することにより、測定対象ガス中に含まれている可燃性ガスを検知するように構成されている可燃性ガスセンサにおいて、
   前記半導体基板の空洞部内で前記測定素子の感熱部に対応するダイヤフラムの裏面に酸化触媒が担持されているとともに、前記半導体基板の裏面側に固着された平板の中央部に前記空洞部に連通接続される測定対象ガスの供給口が形成され、かつ、前記平板に前記半導体基板、ダイヤフラム、測温素子を包囲する断面コ字形の蓋体が取り付けられて密閉状態にパッケージ化されていることを特徴とする可燃性ガスセンサ。
2. 前記測温素子が、サーモパイル若しくはサーミスタボロメータである請求項１に記載の可燃性ガスセンサ。
3. 前記半導体基板面若しくはダイヤフラム上に、前記酸化触媒を活性状態に維持可能なヒータが設けられている請求項１又は２に記載の可燃性ガスセンサ。
4. 前記半導体基板をその周囲の複数箇所に設けた脚台を介して前記平板に固着するとともに、前記断面コ字形の蓋体の上板部分に貫通孔を形成して、前記供給口を経て空洞部内に流入した測定対象ガスを半導体基板と脚体との間及び半導体基板の外側周囲並びに前記貫通孔を経て蓋体の外部へと導く測定対象ガスの流れ道が形成されている請求項１ないし３のいずれかに記載の可燃性ガスセンサ。

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