JP4445275B2

JP4445275B2 - ガス検知装置

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Publication number: JP4445275B2
Application number: JP2004014461A
Authority: JP
Inventors: 徹石地; 裕之松田
Original assignee: Riken Keiki KK
Current assignee: Riken Keiki KK
Priority date: 2004-01-22
Filing date: 2004-01-22
Publication date: 2010-04-07
Anticipated expiration: 2024-01-22
Also published as: JP2005207877A

Description

本発明は、例えば、複数のガス検知電極を具え、それぞれのガス検知電極に対して相互に干渉する複数種の検知対象ガスを同時に検知することができるガス検知装置に関する。

現在、半導体工場における半導体材料ガスやその他の毒性ガスを検知するに際しては、検知されるべき検知対象ガスの選択性に優れ、高感度で、かつ、高い精度で濃度を検出することができるなどの理由から、定電位電解式ガスセンサが広く利用されている。

このような定電位電解式ガスセンサのある種のものにおいては、互いに種類が異なる複数の検知対象ガスを同時に検知するための２以上の作用電極を備えてなり、例えば参照電極に対する各々の作用電極の電位状態が調整されることにより、各々の作用電極は互いに異なる検知対象ガスに感応する状態とされている。

而して、この種の定電位電解式ガスセンサにおいては、参照電極に対する各々の作用電極の電位状態の最適化を図った場合であっても、それぞれの作用電極についての検知対象ガスのみを検出することは困難であり、当該検知対象ガス以外のガスによる干渉を受けることが多いため、例えば、作用電極に係る出力値を検知対象ガス以外のガス（干渉ガス）による相互干渉による影響を考慮して補正することにより、被検ガスにおける目的とする検知対象ガスの濃度値を算出することが行われている。

しかしながら、通常、ガスセンサには、その感度特性にバラツキ（個体差）があり、或る検知対象ガスについて主感度を有する作用電極に対する干渉ガスによる影響の程度は、当該干渉ガスの種類によって一義的に決定されるものではないので、信頼性の高いガス検知を行うためには、検知対象ガスの濃度値を算出するための濃度演算手段の設定条件をガスセンサに固有の感度特性に応じて変更する必要がある。

本発明は、以上のような事情に基づいてなされたものであって、その目的は、互いに種類が異なる複数の検知対象ガスを検知するための複数の作用電極を具え、当該作用電極のそれぞれに対して相互干渉する複数の検知対象ガスの各々の濃度値を、精確に、かつ高い信頼性で得ることができ、従って、所期のガス検知を確実に行うことができるガス検知装置を提供することにある。

本発明のガス検知装置は、第１の検知対象ガスに主感度を有する第１の作用電極と、前記第１の検知対象ガスと種類が異なる第２の検知対象ガスに主感度を有する第２の作用電極とを具え、第１の作用電極が前記第２の検知対象ガスに対して干渉感度を有するとともに、第２の作用電極が前記第１の検知対象ガスに対して干渉感度を有するものであるガスセンサ本体と、このガスセンサ本体に設けられた、当該ガスセンサ本体に固有の感度情報が設定された記憶手段とを有する定電位電解型ガスセンサを具えてなり、
記憶手段に設定されたガスセンサ本体に固有の感度情報は、第１の作用電極についての主感度と干渉感度との感度比率、および第２の作用電極についての主感度と干渉感度との感度比率の両方であり、
供給される被検ガスにおける第１の検知対象ガスの濃度値を、前記第１の作用電極についての感度比率、および前記第２の作用電極についての感度比率を用いて、第１の作用電極の出力値および第２の作用電極の出力値に基づいて算出すると共に、第２の検知対象ガスの濃度値を、前記第１の作用電極についての感度比率、および第２の作用電極についての感度比率を用いて、第１の作用電極の出力値および第２の作用電極の出力値に基づいて算出する濃度演算手段を有することを特徴とする。

本発明のガス検知装置によれば、第１の作用電極の出力値および第２の作用電極の出力値が、個々の定電位電解式ガスセンサの感度特性のバラツキが補償された状態において、第１の作用電極についての相互干渉ガスである第２の検知対象ガスによる影響の程度および第２の作用電極についての相互干渉ガスである第１の検知対象ガスによる影響の程度が考慮されて、補正されるので、被検ガスにおける第１の検知対象ガスおよび第２の検知対象ガスの各々の濃度値を、精確に、かつ、高い信頼性で得ることができ、従って、所期のガス検知を確実に行うことができる。
しかも、ガスセンサ本体が当該ガスセンサ本体に固有の感度情報が設定された記憶手段が設けられたものであることにより、ガスセンサ本体の交換に伴って、検知対象ガスの濃度値を算出するための濃度演算手段の設定条件が新たなガスセンサ本体に固有の感度特性に応じたものにいわば自動的に変更されるので、ガスセンサ本体を交換する度毎に新たなガスセンサ本体に固有の感度情報を取得して設定条件を変更するなどの煩雑な操作が不要となり、高い利便性が得られる。

以下においては、例えば一酸化炭素ガス（ＣＯガス）および硫化水素ガス（Ｈ₂Ｓガス）の２種のガスを同時に検知する場合を例に挙げて、本発明について説明する。
図１は、本発明のガス検知装置の一例における構成の概略を示す説明図である。図１においては、便宜上、ガスセンサ本体とこのガスセンサ本体に設けられる回路基板とを同一平面上に示してある。

このガス検知装置は、第１の検知対象ガスであるＣＯガスについて主感度を有する第１の作用電極であるＣＯガス検知用作用電極２３と、第２の検知対象ガスであるＨ₂Ｓガスについて主感度を有する第２の作用電極であるＨ₂Ｓガス検知用作用電極２４との２つの作用電極を具えた定電位電解式ガスセンサ（以下、単に、「ガスセンサ」という。）１０と、このガスセンサ１０におけるＣＯガス検知用作用電極２３およびＨ₂Ｓガス検知用作用電極２４の各々に所定の大きさの電位を印加する印加電位制御手段と、ガスセンサ１０によるガス検知信号に基づいて、被検ガスにおけるＣＯガスの濃度値およびＨ₂Ｓガスの濃度値を算出する濃度演算手段４０と、算出されたＣＯガスの濃度値およびＨ₂Ｓガスの濃度値の各々を表示する濃度表示手段５０とを備えている。
ここに、ＣＯガス検知用作用電極２３は、第２の検知対象ガスであるＨ₂Ｓガスについて干渉感度を有し、Ｈ₂Ｓガス検知用作用電極２４は、第１の検知対象ガスであるＣＯガスについて干渉感度を有する。

ガスセンサ１０は、記憶手段１２を有する回路基板１１がガスセンサ本体２０に例えば一体的に設けられて構成されてなる、いわゆるインテリジェントセンサである。
ガスセンサ本体２０は、一端にガス透過口２１Ａを有し、このガス透過口２１Ａがガス透過性疎水隔膜２２により封止されて電解液が収容される電解液室Ｓが形成されるケーシング２１を備え、このケーシング２１内において、ＣＯガス検知用作用電極２３およびＨ₂Ｓガス検知用作用電極２４がガス透過性疎水隔膜２２の接液側の面（内面）に互いに離間して並ぶよう形成されていると共に対極２５および参照電極２６が当該作用電極２３、２４の各々と電解液を介して液密とされた状態で配置されて構成されている。
この例においては、ＣＯガス検知用作用電極２３およびＨ₂Ｓガス検知用作用電極２４の２つの作用電極が１つの参照電極２６により制御される構成とされており、これにより、ガスセンサ本体２０におけるガス検知電極の占める占有空間を小さくすることができ、小型のものとして構成することができる。

ＣＯガス検知用作用電極２３は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）よりなるガス透過性疎水隔膜２２の一面に電極部が形成されてなるシート状のものであり、参照電極２６に対する電位状態が調整されることにより、ＣＯガスについて主感度を有する状態に設定、すなわちＣＯガスが目的とする検知対象ガスとして設定されている。
電極部は、例えば白金、白金黒などの貴金属よりなる電極触媒を、例えば蒸着またはスパッタリングすることにより、あるいは電極触媒粉末をフッ素樹脂バインダーと混合して塗布、焼成することにより、形成することができる。

Ｈ₂Ｓガス検知用作用電極２４は、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）よりなるガス透過性疎水隔膜２２の一面に電極部が形成されてなるシート状のものであり、参照電極２６に対する電位状態が調整されることにより、Ｈ₂Ｓガスについて主感度を有する状態に設定、すなわちＨ₂Ｓガスが目的とする検知対象ガスとして設定されている。電極部は、例えば金、ルテニウム、酸化ルテニウム、イリジウムなどの貴金属よりなる電極触媒を、例えば蒸着またはスパッタリングすることにより、あるいは電極触媒粉末をフッ素樹脂バインダーと混合して塗布、焼成することにより、形成することができる。

対極２５および参照電極２６の各々は、いずれも、例えばポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などよりなるシートの一面に、例えば白金、金などの貴金属よりなる電極触媒を、例えば蒸着またはスパッタリングすることにより、あるいは電極触媒粉末をフッ素樹脂バインダーと混合して塗布、焼成することにより、形成することができる。

印加電位制御手段は、例えばデュアル方式のポテンショスタット３０よりなり、ＣＯガス検知用作用電極２３および参照電極２６の間、並びにＨ₂Ｓガス検知用作用電極２４および参照電極２６の間のそれぞれに、所定の大きさに制御された電位差を印加すると共に当該電極間の各々に生ずる電解電流値を検出して当該電解電流値に応じたガス検知信号を出力する機能を有する。

濃度演算手段４０は、被検ガスにおけるＣＯガスおよびＨ₂Ｓガスの各々の濃度値を、ポテンショスタット３０より出力されるＣＯガスおよびＨ₂Ｓガスの各々に係るガス検知信号に基づいて算出する機能を有し、具体的には、下記式（１）および式（２）による濃度算出回路を備え、この濃度算出回路によって、被検ガスにおけるＣＯガスおよびＨ₂Ｓガスの各々の濃度値が算出される。

上記式（１）および式（２）において、ＸはＣＯガスの濃度値、ＹはＨ₂Ｓガスの濃度値、ＣはＣＯガス検知用作用電極２３に係る出力値、ＨはＨ₂Ｓガス検知用作用電極２４に係る出力値を示す。
また、上記式（１）および式（２）において、Ａ₁〜Ａ₄は、いずれも、ガスセンサ本体２０に固有のガス干渉係数であり、上記式（１）におけるＡ₁およびＡ₂は、ＣＯガス検知用作用電極２３についての主感度と干渉感度との感度比率を示すとともに、上記式（２）におけるＡ₃およびＡ₄は、Ｈ₂Ｓガス検知用作用電極２４についての主感度と干渉感度との感度比率を示している。

ガス干渉係数Ａ₁およびＡ₃は、例えばＣＯガスについての濃度が既知のスパンガス（Ｙ＝０）を導入したときのＣＯガス検知用作用電極２３に係る出力値およびＨ₂Ｓガス検知用作用電極２４に係る出力値を上記式（１）および式（２）に代入することにより得ることができる。
また、ガス干渉係数Ａ₂およびＡ₄は、例えばＨ₂Ｓガスについての濃度が既知のスパンガス（Ｘ＝０）を導入したときのＣＯガス検知用作用電極２３に係る出力値およびＨ₂Ｓガス検知用作用電極２４に係る出力値を上記式（１）および式（２）に代入することにより得ることができる。
そして、これらガスセンサ本体２０に固有のガス干渉係数Ａ₁〜Ａ₄は、ガスセンサ１０における回路基板１１の記憶手段１２に設定されている。

以上において、本発明に係るガスセンサ１０に用いられる電解液としては、例えば、硫酸水溶液、リン酸水溶液、あるいは、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化リチウム（ＬｉＣｌ）などの中性水溶液、ナフィオン（商品名）などの固体高分子電解質またはプロピレンカーボネート系の有機電解質などを例示することができる。

上記のガス検知装置においては、次のようにしてＣＯガスおよびＨ₂Ｓガスの２つの検知対象ガスのガス検知が行われる。すなわち、被検ガスがガス透過口２１Ａよりガス透過性疎水隔膜２２を介してケーシング２１内に供給されると共に、ポテンショスタット３０により所定の大きさに制御された電圧がＣＯガス検知用作用電極２３、Ｈ₂Ｓガス検知用作用電極２４および対極２５の各々に印加されてＣＯガス検知用作用電極２３と対極２５との間、並びにＨ₂Ｓガス検知用作用電極２４と対極２５との間に、参照電極２６の電位状態を基準として所定の大きさの電位差が生じた状態とされ、ＣＯガス検知用作用電極２３と対極２５との間、並びにＨ₂Ｓガス検知用作用電極２４と対極２５との間に生ずる電解電流値の各々がポテンショスタット３０により検出される。
そして、記憶手段１２に設定されたガスセンサ本体２０に固有の感度情報であるガス干渉係数Ａ₁〜Ａ₄が濃度演算手段４０によって取得され（読み出され）、ポテンショスタット３０により検出された電解電流値に応じたＣＯガス検知用作用電極２３に係る出力値ＣおよびＨ₂Ｓガス検知用作用電極２４に係る出力値Ｈに基づいて、被検ガスにおけるＣＯガスおよびＨ₂Ｓガスの各々の濃度値が濃度演算手段４０によって算出され、その結果が濃度表示手段５０に出力される。

而して、上記構成のガス検知装置によれば、ガスセンサ１０に固有の感度情報であるガス干渉係数Ａ₁〜Ａ₄を用いた上記式（１）および式（２）による特定の濃度検出回路によって、ＣＯガス検知用作用電極２３に係る出力値ＣおよびＨ₂Ｓガス検知用作用電極２４に係る出力値Ｈが、ガスセンサ１０の感度特性のバラツキ（個体差）が補償された状態において、ＣＯガス検知用作用電極２３に対するＨ₂Ｓガスの相互干渉による影響の程度およびＨ₂Ｓガス検知用電極２４に対するＣＯガスの相互干渉による影響の程度が実質的に排除されるよう補正されるので、被検ガスにおけるＣＯガスの濃度値およびＨ₂Ｓガスの濃度値を、精確に、かつ、高い信頼性で得ることができ、従って、所期のガス検知を確実に行うことができる。
しかも、ガスセンサ本体２０が当該ガスセンサ本体２０に固有の感度情報が設定された記憶手段１２が一体的に設けられたものであることにより、ガスセンサ本体２０の交換に伴って、ＣＯガスおよびＨ₂Ｓガスの各々の濃度値を演算するための濃度演算手段４０における濃度算出回路の設定条件が新たなガスセンサ本体に固有の感度特性に応じたものにいわば自動的に変更されるので、ガスセンサ本体２０を交換する度毎に新たなガスセンサ本体に固有の感度情報を取得して設定条件を変更するなどの煩雑な操作が不要となり、高い利便性が得られる。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の態様に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、検知対象ガスの種類はＣＯガスおよびＨ₂Ｓガスに限定されるものではなく、例えばオゾンガス、二酸化窒素ガス、二酸化硫黄ガス、一酸化窒素ガス、ホスゲン、ＨＣｌ、半導体材料ガス（例えばＡｓＨ₃、ＰＨ₃、ＳｉＨ₄、Ｂ₂Ｈ₆、ＧｅＨ₄など）等を例示することができる。
検知対象ガスの数についても、２つに限定されるものではなく、目的に応じて、作用電極の数およびそれらの配置位置、並びに濃度演算手段（濃度算出回路）における設定条件（濃度算出式）を適宜に設定することができる。

さらに、ガスセンサ本体は、複数の作用電極、対極および参照電極が、各電極間のそれぞれに電解液保持部材が介在されて挟み込まれた状態で積層されて配置された構成のものであってもよい。
また、上記実施例においては、ポテンショスタット（電位制御装置）により電解電流の大きさを検知する構成とされているが、独立の電流計を別個に設け、これらの電流計によってそれぞれの作用電極に係る電解電流値を検知する構成とされていてもよい。

本発明のガス検知装置の一例における構成の概略を示す説明図である。

符号の説明

１０定電位電解式ガスセンサ
１１回路基板
１２記憶手段
２０ガスセンサ本体
２１ケーシング
２１Ａガス透過口
２２ガス透過性疎水隔膜
２３ＣＯガス検知用作用電極
２４Ｈ₂Ｓガス検知用作用電極
２５対極
２６参照電極
３０ポテンショスタット
４０濃度演算手段
５０濃度表示手段
Ｓ電解液室

Claims

第１の検知対象ガスに主感度を有する第１の作用電極と、前記第１の検知対象ガスと種類が異なる第２の検知対象ガスに主感度を有する第２の作用電極とを具え、第１の作用電極が前記第２の検知対象ガスに対して干渉感度を有するとともに、第２の作用電極が前記第１の検知対象ガスに対して干渉感度を有するものであるガスセンサ本体と、このガスセンサ本体に設けられた、当該ガスセンサ本体に固有の感度情報が設定された記憶手段とを有する定電位電解型ガスセンサを具えてなり、
記憶手段に設定されたガスセンサ本体に固有の感度情報は、第１の作用電極についての主感度と干渉感度との感度比率、および第２の作用電極についての主感度と干渉感度との感度比率の両方であり、
供給される被検ガスにおける第１の検知対象ガスの濃度値を、前記第１の作用電極についての感度比率、および前記第２の作用電極についての感度比率を用いて、第１の作用電極の出力値および第２の作用電極の出力値に基づいて算出すると共に、第２の検知対象ガスの濃度値を、前記第１の作用電極についての感度比率、および第２の作用電極についての感度比率を用いて、第１の作用電極の出力値および第２の作用電極の出力値に基づいて算出する濃度演算手段を有することを特徴とするガス検知装置。