JP6213906B2 - Gas sensor - Google Patents
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本発明は、例えば二酸化炭素(CO2)やアンモニア(NH3)等のガスを検出するガスセンサおよびガスセンシング方法に関するものである。 The present invention relates to a gas sensor and a gas sensing method for detecting a gas such as carbon dioxide (CO 2 ) or ammonia (NH 3 ).
近年、環境モニタリングの要請から例えば二酸化炭素を検出するガスセンサの研究が行われている。この種のガスセンサとしては赤外光吸収型のガスセンサ(NDIR:Non dispersive infrared detector(非分散型赤外検出装置))が知られている(例えば、非特許文献1参照)。また、その他のガスセンサとしては、表面プラズモン共鳴(SPR:surface plasmon resonance)を利用したガスセンサも知られている(例えば、非特許文献2参照)。 In recent years, for example, a gas sensor for detecting carbon dioxide has been researched in response to a request for environmental monitoring. As this type of gas sensor, an infrared light absorption type gas sensor (NDIR: Non dispersive infrared detector) is known (for example, see Non-Patent Document 1). As another gas sensor, a gas sensor using surface plasmon resonance (SPR) is also known (see, for example, Non-Patent Document 2).
しかしながら、前者に示した赤外光吸収型のガスセンサでは、光吸収経路を設ける必要があることから、光学的システムが大型化してしまうという問題がある。 However, the infrared light absorption type gas sensor shown in the former has a problem that an optical system becomes large because it is necessary to provide a light absorption path.
また、後者の表面プラズモン共鳴を利用したガスセンサでは、光吸収経路を必要とせず、その分、小型化を図ることができるが、測定する屈折率が概ね分子量に比例することから、例えば二酸化炭素のような分子量の小さいガスを測定することは実用上困難である。 Further, the latter gas sensor using surface plasmon resonance does not require a light absorption path and can be reduced in size accordingly. However, since the refractive index to be measured is approximately proportional to the molecular weight, for example, carbon dioxide It is practically difficult to measure such a low molecular weight gas.
そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、小型化が実現可能であるとともに、分子量の小さいガスであっても検出可能で、且つ消費電力が少ない、汎用性の高いガスセンサおよびガスセンシング方法を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and the object thereof is to realize downsizing, detection of even a gas having a low molecular weight, and low power consumption. Another object of the present invention is to provide a highly versatile gas sensor and gas sensing method.
本願発明者らは、検出対象のガスを吸収することによって特性が変化するガス吸収体に着目して本願発明を完成するに至った。 The inventors of the present application have completed the present invention by paying attention to a gas absorber whose characteristics change by absorbing the gas to be detected.
すなわち、上記目的を達成するために、本発明に係るガスセンサは、
陽極および陰極と、
上記陽極の少なくとも一部分および上記陰極の少なくとも一部分を被覆しており、且つ、検出対象であるガスと接触することができるように配設された、当該ガスを吸収することによって伝導率が変化するガス吸収体と、
上記ガス吸収体を介した上記陽極と上記陰極との間のインピーダンスの値に基づいて上記ガスを検出する検出部と、
を備えていることを特徴としている。
That is, in order to achieve the above object, the gas sensor according to the present invention includes:
An anode and a cathode;
A gas that covers at least a part of the anode and at least a part of the cathode, and is disposed so as to be in contact with the gas to be detected, and whose conductivity is changed by absorbing the gas. An absorber,
A detection unit for detecting the gas based on an impedance value between the anode and the cathode via the gas absorber;
It is characterized by having.
上記構成によれば、ガス吸収体を例えば大気と接触させることによって大気中に含まれる検出対象のガスが、ガス吸収体に吸収される。ガス吸収体の伝導率は、検出対象のガスを吸収することによって変化する。そのため、ガス吸収体を陽極と陰極との間に介在させて、陽極と陰極との間のインピーダンスの値に基づいて検出対象のガスを検出することができる。 According to the said structure, the gas of the detection target contained in air | atmosphere is absorbed by the gas absorber by making a gas absorber contact the air | atmosphere, for example. The conductivity of the gas absorber changes by absorbing the gas to be detected. Therefore, the gas to be detected can be detected based on the impedance value between the anode and the cathode by interposing the gas absorber between the anode and the cathode.
この構成によれば、従来の赤外光吸収型のガスセンサのように光路長を長く確保する必要がないため、装置(ガスセンサ)を小型化することができる。 According to this configuration, it is not necessary to ensure a long optical path length unlike a conventional infrared light absorption type gas sensor, so that the apparatus (gas sensor) can be downsized.
また、上記構成によれば、検出対象のガスを吸収することによって伝導率が変化するガス吸収体を用いたガス検出であるため、二酸化炭素のような分子量の小さいガスであっても測定対象とすることが可能である。 Further, according to the above configuration, since gas detection is performed using a gas absorber whose conductivity is changed by absorbing the gas to be detected, even a gas having a low molecular weight such as carbon dioxide can be measured. Is possible.
また赤外光吸収型のガスセンサに比べて、光源を必要としないことから、消費電力の低減を実現することができる。また従来の赤外光吸収型のガスセンサは光源を使用するため、光源が計測可能な状態となるまで時間を要する。これに対して、本実施形態のガスセンサは光源が必要ないため、従来の赤外光吸収型のガスセンサよりも計測時間を短縮することができる。 Further, since no light source is required as compared with an infrared light absorption type gas sensor, power consumption can be reduced. In addition, since the conventional infrared light absorption type gas sensor uses a light source, it takes time until the light source becomes measurable. On the other hand, since the gas sensor of this embodiment does not require a light source, the measurement time can be shortened compared with the conventional infrared light absorption type gas sensor.
また、上記の構成によれば、構造的には電極対とガス吸収体とを具備することによってガスを検出することができるので、比較的安価なガスセンサを提供することができる。 Moreover, according to said structure, since gas can be detected structurally by providing an electrode pair and a gas absorber, a comparatively cheap gas sensor can be provided.
また、本発明に係るガスセンサの一形態は、上記の構成に加えて、
凹部が設けられた基部を更に備えており、
上記ガス吸収体は、上記凹部に充填されており、
上記陽極の少なくとも一部分および上記陰極の少なくとも一部分とは、上記凹部において離間した位置に配されていることが好ましい。
Moreover, in addition to said structure, one form of the gas sensor which concerns on this invention is
Further comprising a base provided with a recess,
The gas absorber is filled in the recess,
It is preferable that at least a part of the anode and at least a part of the cathode are arranged at positions separated from each other in the recess.
上記構成によれば、仮に平坦な基部の表面にガス吸収体をその表面張力を利用して液滴の状態で存在させた状態でその液滴内に陽極の少なくとも一部分と陰極の少なくとも一部分とを配するように構成した場合であっても、本発明に係るガスセンサとしての機能を実現することは可能である。しかしながら、液滴のままでは外部衝撃などを受けるなどしてセンサ機能を正常に維持することができない虞がある。これに対して、上記の構成のように、基部に設けた凹部にガス吸収体を充填することにより、ガス吸収体が基部の表面から突出することを防ぐことができ、耐衝撃性を比較的高めることができ、信頼性があるガスセンサを提供することができる。また、基部の表面から液滴が突出せずに、ガスセンサのガスと接触する側の表面の平坦性を維持することができる。 According to the above configuration, at least a portion of the anode and at least a portion of the cathode are placed in the liquid droplet in a state where the gas absorber is present in a liquid droplet state using the surface tension on the surface of the flat base. Even when configured to be arranged, the function as the gas sensor according to the present invention can be realized. However, there is a possibility that the sensor function cannot be maintained normally due to an external impact or the like if the liquid droplets remain. On the other hand, by filling the recess provided in the base with the gas absorber as in the above configuration, the gas absorber can be prevented from protruding from the surface of the base, and the impact resistance is relatively low. It is possible to provide a reliable gas sensor that can be enhanced. In addition, the droplets do not protrude from the surface of the base portion, and the flatness of the surface on the side in contact with the gas of the gas sensor can be maintained.
また、本発明に係るガスセンサの一形態は、上記の構成に加えて、
或る周波数をもつ信号を上記陽極および上記陰極に入力する入力部を更に備えており、
上記検出部は、上記或る周波数の信号に基づく上記インピーダンスの値に基づいてガスを検出する構成とすることができる。
Moreover, in addition to said structure, one form of the gas sensor which concerns on this invention is
An input unit for inputting a signal having a certain frequency to the anode and the cathode;
The detection unit may be configured to detect gas based on the impedance value based on the signal of the certain frequency.
また、本発明に係るガスセンサの一形態は、上記の構成に代えて、
少なくとも2種類の周波数をもつ信号を上記陽極および上記陰極に入力する入力部を更に備えており、
上記検出部は、各周波数の信号に基づく上記インピーダンスの値に基づいてガスを検出する構成となっていることが好ましい。
Moreover, instead of the above configuration, one form of the gas sensor according to the present invention is
An input unit for inputting signals having at least two frequencies to the anode and the cathode;
It is preferable that the detection unit be configured to detect gas based on the impedance value based on the signal of each frequency.
上記構成によれば、例えば2種類の周波数の信号を入力して各周波数の信号に基づく上記インピーダンスの値に基づいてガスを検出することにより、1種類の周波数のみを用いる場合と比較して検出精度の向上を実現することができる。具体的には、例えば後述するように各周波数の信号に基づくインピーダンス値の差分をとって、差分からガスの有無および濃度を検出する方法と、インピーダンスの増減割合からガスの有無および濃度を検出する方法と、2つの周波数からそれぞれインピーダンスを求め、ガスの有無および濃度を検出方法がある。ことができる。1種類の周波数を用いた場合であっても、インピーダンス値と、ガスの有無および/またはガスの濃度とを対応付けたデータを利用することによって検出可能であるが、複数のインピーダンス値を求めてこれらに基づいて結果を導き出すほうが、より正確な検出をおこなうことができる。 According to the above configuration, for example, by inputting two types of frequency signals and detecting the gas based on the impedance value based on the signals of the respective frequencies, detection is performed as compared with the case of using only one type of frequency. An improvement in accuracy can be realized. Specifically, as described later, for example, a difference between impedance values based on signals of respective frequencies is taken, a method for detecting the presence / absence and concentration of gas from the difference, and a presence / absence and concentration of gas are detected from the increase / decrease ratio of impedance There is a method and a method for detecting the presence and concentration of gas by obtaining impedance from two frequencies. be able to. Even when one type of frequency is used, detection is possible by using data in which the impedance value is associated with the presence / absence of gas and / or the concentration of gas, but a plurality of impedance values are obtained. More accurate detection can be performed by deriving the result based on these.
また、本発明に係るガスセンサの一形態は、上記の構成に加えて、
上記検出部は、或る周波数である第一の周波数をもつ信号を上記陽極および上記陰極に入力したときの第一の上記インピーダンスの値と、当該第一の周波数とは異なる第二の周波数をもつ信号を上記陽極および上記陰極に入力したときの第二の上記インピーダンスの値との差分あるいは増減率に基づいて上記ガスを検出する構成となっていることが好ましい。
Moreover, in addition to said structure, one form of the gas sensor which concerns on this invention is
The detection unit has a first impedance value when a signal having a first frequency, which is a certain frequency, is input to the anode and the cathode, and a second frequency different from the first frequency. It is preferable that the gas is detected based on a difference from a second impedance value or an increase / decrease rate when a signal having the same is input to the anode and the cathode.
上記構成によれば、1種類の周波数を用いてインピーダンスを計測する場合と比較して検出精度の向上を実現することができる。 According to the above configuration, detection accuracy can be improved as compared with the case where impedance is measured using one type of frequency.
また、本発明に係るガスセンサの一形態は、上記の構成に加えて、
上記陽極および上記陰極からなる対が複数あり、
上記入力部は、上記複数の対に、上記対同士で互いに異なる周波数をもつ信号を入力する構成となっていることが好ましい。
Moreover, in addition to said structure, one form of the gas sensor which concerns on this invention is
There are a plurality of pairs consisting of the anode and the cathode,
It is preferable that the input unit is configured to input signals having different frequencies from each other to the plurality of pairs.
上記構成によれば、例えば2種類の周波数のような複数の周波数の信号を入力して各周波数の信号に基づくガス検出を実現することができる。 According to the above configuration, for example, gas detection based on signals of each frequency can be realized by inputting signals of a plurality of frequencies such as two types of frequencies.
また、本発明に係るガスセンサの一形態は、上記の構成に加えて、
上記ガス吸収体における上記ガスと接触する側を覆って当該ガス吸収体を上記基部に保持させる保持手段を更に備えていることが好ましい。
Moreover, in addition to said structure, one form of the gas sensor which concerns on this invention is
It is preferable that the gas absorber further includes holding means for covering the side in contact with the gas and holding the gas absorber on the base.
上記構成によれば、保持手段によってガス吸収体における上記ガスと接触する側を覆うことによって、ガス吸収体を基部に安定して保持させることができ、例えば、保持手段を下方に向けて、本発明に係るガスセンサを室内の天井部分に取り付けることができるなど、ガス吸収体を保持した状態でガスセンサを所望の方向に向けて設置することを可能にする。 According to the above configuration, the gas absorber can be stably held at the base by covering the side of the gas absorber in contact with the gas by the holding means. The gas sensor according to the invention can be attached to a ceiling portion of the room, and the gas sensor can be installed in a desired direction while holding the gas absorber.
また、本発明に係るガスセンサの一形態は、上記の構成に加えて、
上記ガス吸収体は、液体またはゲルであり、
上記凹部には、地面側に向いて開口した開口部分と、天側に配設された天井面とが設けられており、
上記開口部分を覆って上記ガス吸収体を当該凹部に保持させる保持手段を更に備えており、
上記天井面は、一部分が上記開口部分に向けて隆起した隆起部を有しており、
上記隆起部に、上記陽極および上記陰極が配設されていることが好ましい。
Moreover, in addition to said structure, one form of the gas sensor which concerns on this invention is
The gas absorber is a liquid or a gel,
The concave portion is provided with an opening portion that opens toward the ground side, and a ceiling surface disposed on the top side,
A holding means for covering the opening and holding the gas absorber in the recess;
The ceiling surface has a raised portion that is partially raised toward the opening,
It is preferable that the anode and the cathode are disposed on the raised portion.
上記構成によれば、凹部に充填されているガス吸収体(液体)の液量が何らかの理由で減少して、液面が凹部の配設された天井面よりも下がった場合であっても、陽極および陰極は凹部の天井面よりも開口部分側に下がった位置に配設されているため、凹部の内部においてガス吸収体から陽極および陰極が直ぐに露出することはない。 According to the above configuration, even if the liquid level of the gas absorber (liquid) filled in the recesses is reduced for some reason and the liquid level is lower than the ceiling surface where the recesses are disposed, Since the anode and the cathode are disposed at a position lower than the ceiling surface of the recess toward the opening, the anode and the cathode are not immediately exposed from the gas absorber inside the recess.
また、上記構成によれば、陽極および陰極は凹部の天井面よりも開口部分側に近い位置にある。これにより、陽極および陰極が凹部の天井面と同じ位置(同じ高さ)に配設されている場合に比べて、ガス吸収体のガス接触面と、陽極および陰極との間の距離を短く構成することができる。そのため、比較的多量のガス吸収体が凹部に充填・保持された状態でありながら、反応速度(つまり、検出速度)を高めることができる。 Moreover, according to the said structure, an anode and a cathode exist in the position near the opening part side rather than the ceiling surface of a recessed part. This makes the distance between the gas contact surface of the gas absorber and the anode and cathode shorter than when the anode and cathode are disposed at the same position (the same height) as the ceiling surface of the recess. can do. Therefore, the reaction rate (that is, the detection rate) can be increased while a relatively large amount of the gas absorber is filled and held in the recess.
また、本発明に係るガスセンサの一形態は、上記の構成に加えて、
上記陽極および上記陰極は、当該陽極の端部と当該陰極の端部が対向して配設されていてもよい。
Moreover, in addition to said structure, one form of the gas sensor which concerns on this invention is
The anode and the cathode may be arranged such that the end of the anode and the end of the cathode are opposed to each other.
また、本発明に係るガスセンサの一形態は、上記の構成に加えて、
上記陽極および上記陰極はそれぞれ、複数の櫛歯部を有する櫛型電極であり、
上記陽極と上記陰極とのそれぞれの上記複数の櫛歯部が互いに噛み合う、あるいは、入れ子になるように配置されており、
上記ガス吸収体は、上記複数の櫛歯部が互いに噛み合う、あるいは、入れ子になった領域を覆っていることが好ましい。
Moreover, in addition to said structure, one form of the gas sensor which concerns on this invention is
Each of the anode and the cathode is a comb electrode having a plurality of comb teeth,
The plurality of comb teeth of each of the anode and the cathode mesh with each other, or are arranged so as to be nested,
It is preferable that the gas absorber covers a region where the plurality of comb teeth portions mesh with each other or are nested.
上記の発明によれば、ガス吸収体が、陽極および陰極の複数の櫛歯部が互いに噛み合う、あるいは、入れ子になった領域を覆っていることから、ガス吸収によるインピーダンス変化量を大きくすることができ、分解能を向上させることができる。 According to the invention described above, since the gas absorber covers a plurality of comb tooth portions of the anode and the cathode which are engaged with each other or nested, it is possible to increase the amount of impedance change due to gas absorption. And the resolution can be improved.
また、本発明に係るガスセンサの一形態は、上記の構成に加えて、
上記凹部は、当該凹部の開口部分から当該開口部分とは反対側に規定される当該凹部の底部に向けて、径が段階的に小さくなっている形状を有していることが好ましい。
Moreover, in addition to said structure, one form of the gas sensor which concerns on this invention is
It is preferable that the said recessed part has a shape where the diameter is gradually reduced toward the bottom part of the said recessed part prescribed | regulated on the opposite side to the said opening part from the opening part of the said recessed part.
上記の発明によれば、凹部の開口部分が凹部のなかで最も広く構成されていることから、比較的少量のガス吸収体充填量であってもガス接触面を広く確保することができることから、ガスを効果的に吸収し、反応速度を向上させることができる。 According to the above invention, since the opening portion of the recess is configured most widely among the recesses, it is possible to ensure a wide gas contact surface even with a relatively small amount of gas absorber filling, Gas can be absorbed effectively and the reaction rate can be improved.
また、本発明に係るガスセンサの一形態は、具体的には、上記ガス吸収体としてイオン液体を用いることができる。 Further, in one embodiment of the gas sensor according to the present invention, specifically, an ionic liquid can be used as the gas absorber.
また、本発明に係るガスセンシング方法は、上記目的を達成するために、
陽極の少なくとも一部分および陰極の少なくとも一部分を、検出対象であるガスを吸収することによって伝導率が変化するガス吸収体によって被覆したガスセンサを用いて、上記ガス吸収体を介した上記陽極と上記陰極との間のインピーダンスの値に基づいて上記ガスを検出する検出工程を含むことを特徴としている。
In order to achieve the above object, the gas sensing method according to the present invention provides:
Using the gas sensor in which at least a part of the anode and at least a part of the cathode are covered with a gas absorber whose conductivity is changed by absorbing the gas to be detected, the anode and the cathode through the gas absorber And a detection step of detecting the gas based on the impedance value between the two.
上記構成によれば、ガス吸収体を例えば大気と接触させることによって大気中に含まれる検出対象のガスが、ガス吸収体に吸収される。ガス吸収体は、検出対象のガスを吸収することによって伝導率が変化する。そのため、ガス吸収体を陽極と陰極との間に介在させて、陽極と陰極との間のインピーダンスを計測することにより、インピーダンスの変化を捉えて検出対象のガスを検出することができる。 According to the said structure, the gas of the detection target contained in air | atmosphere is absorbed by the gas absorber by making a gas absorber contact the air | atmosphere, for example. The gas absorber changes its conductivity by absorbing the gas to be detected. Therefore, by measuring the impedance between the anode and the cathode by interposing the gas absorber between the anode and the cathode, it is possible to detect the change in impedance and detect the gas to be detected.
この構成によれば、従来の赤外光吸収型のガスセンサのように光路長を長く確保する必要がないため、装置(ガスセンサ)を小型化することができる。 According to this configuration, it is not necessary to ensure a long optical path length unlike a conventional infrared light absorption type gas sensor, so that the apparatus (gas sensor) can be downsized.
また、上記構成によれば、検出対象のガスを吸収することによって伝導率が変化するガス吸収体を用いたガス検出であるため、二酸化炭素のような分子量の小さいガスであっても測定対象とすることが可能である。 Further, according to the above configuration, since gas detection is performed using a gas absorber whose conductivity is changed by absorbing the gas to be detected, even a gas having a low molecular weight such as carbon dioxide can be measured. Is possible.
また赤外光吸収型のガスセンサに比べて、光源を必要としないセンシング方法であることから、消費電力の低減を実現することができる。また従来の赤外光吸収型のガスセンサは光源を使用するため、光源が計測可能な状態となるまで時間を要する。これに対して、本実施形態のガスセンサは光源が必要ないため、従来の赤外光吸収型のガスセンサよりも計測時間を短縮することができる。 Moreover, since it is a sensing method that does not require a light source as compared with an infrared light absorption type gas sensor, a reduction in power consumption can be realized. In addition, since the conventional infrared light absorption type gas sensor uses a light source, it takes time until the light source becomes measurable. On the other hand, since the gas sensor of this embodiment does not require a light source, the measurement time can be shortened compared with the conventional infrared light absorption type gas sensor.
また、本発明に係るガスセンシング方法は、上記の構成に加えて、
上記検出工程では、或る周波数をもつ信号を上記陽極および上記陰極に入力したときの上記インピーダンスの値に基づいて上記ガスを検出することができる。
Further, the gas sensing method according to the present invention, in addition to the above configuration,
In the detection step, the gas can be detected based on the impedance value when a signal having a certain frequency is input to the anode and the cathode.
また、本発明に係るガスセンシング方法は、上記の構成に代えて、
上記検出工程では、少なくとも2種類の周波数をもつ信号を上記陽極および上記陰極に入力したときの当該周波数ごとの上記インピーダンスの値に基づいて上記ガスを検出することが好ましい。
In addition, the gas sensing method according to the present invention, instead of the above configuration,
In the detection step, the gas is preferably detected based on the impedance value for each frequency when signals having at least two types of frequencies are input to the anode and the cathode.
上記構成によれば、例えば2種類の周波数の信号を入力して各周波数の信号に基づく上記インピーダンスを計測することにより、1種類の周波数を用いてインピーダンスを計測する場合と比較して検出精度の向上を実現することができる。 According to the above configuration, for example, by inputting signals of two types of frequencies and measuring the impedance based on the signals of each frequency, the detection accuracy is higher than when impedance is measured using one type of frequency. Improvements can be realized.
具体的には、例えば後述するように各周波数の信号に基づくインピーダンス値の差分をとって、差分からガスの有無および濃度を検出することができる。1種類の周波数を用いた場合であっても、インピーダンス値と、ガスの有無および/またはガスの濃度とを対応付けたデータを利用することによって検出可能であるが、複数のインピーダンス値を求めてこれらに基づいて結果を導き出すほうが、より正確である。 Specifically, for example, as described later, the difference between the impedance values based on the signals of the respective frequencies can be taken, and the presence and concentration of the gas can be detected from the difference. Even when one type of frequency is used, detection is possible by using data in which the impedance value is associated with the presence / absence of gas and / or the concentration of gas, but a plurality of impedance values are obtained. It is more accurate to derive the results based on these.
また、本発明に係るガスセンサの一形態は、上記の構成に加えて、
上記検出工程では、或る周波数である第一の周波数をもつ信号を上記陽極および上記陰極に入力したときの第一の上記インピーダンスの値と、当該第一の周波数とは異なる第二の周波数をもつ信号を上記陽極および上記陰極に入力したときの第二の上記インピーダンスの値とに基づいて上記ガスを検出することが好ましい。
Moreover, in addition to said structure, one form of the gas sensor which concerns on this invention is
In the detection step, a first impedance value when a signal having a first frequency which is a certain frequency is input to the anode and the cathode, and a second frequency different from the first frequency are obtained. It is preferable to detect the gas based on the second impedance value when a signal having the same is input to the anode and the cathode.
上記構成によれば、例えば周波数ごとの信号に基づくインピーダンス値の差分をとって、差分からガスの有無および濃度を検出することができる。これにより、1種類の周波数のみを用いる場合と比較して検出精度の向上を実現することができる。 According to the above configuration, for example, a difference in impedance value based on a signal for each frequency can be taken, and the presence and concentration of gas can be detected from the difference. Thereby, improvement in detection accuracy can be realized as compared with the case where only one type of frequency is used.
本発明によれば、小型化を実現するとともに、分子量の小さいガスであっても検出可能で、消費電極が少ない、汎用性の高いガスセンサおよびガスセンサシング方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a highly versatile gas sensor and gas sensing method capable of downsizing and detecting even a gas having a low molecular weight, and having few consumption electrodes.
本願発明者らは、従来のガスセンサが抱える種々の問題を解決するべく鋭意検討の結果、ガス吸収体によるガスセンシングを見出して、本発明に至るまでに、ガス吸収体の誘電率がガス吸収による変化することを利用して、金属層の表面に配設したガス吸収体の誘電率の変化を当該金属層で生じる表面プラズモン共鳴現象を利用したガス検出をおこなうガスセンサを開発している。また、電極間に配したカーボンナノチューブと、ゲート絶縁層になるガス吸収体とを備えてガス吸収により当該ゲート絶縁層の状態が変化することを利用して、ソースドレイン電流の変化に基づいてガスを検出するガスセンサも開発している。開発したこれらのガスセンサは、小型で、且つ、二酸化炭素のような分子量の小さいガスを測定することができる点で、従来のガスセンサよりも優位であるものの、前者の表面プラズモン共鳴現象を利用したガスセンサは光源を使用するため消費電力が大きく、後者の電極間にカーボンナノチューブを配したガスセンサは、検出電流がnAオーダーと小さく、且つ、光源は使用しないものの、カーボンナノチューブのコストを考慮すると実用上での課題がある。そこで、本願発明者らは、ガス吸収体を備えたガスセンサについて更に鋭意検討し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive studies to solve various problems of conventional gas sensors, the present inventors have found gas sensing by a gas absorber, and until reaching the present invention, the dielectric constant of the gas absorber is due to gas absorption. Using this change, we have developed a gas sensor that performs gas detection using a surface plasmon resonance phenomenon in which a change in dielectric constant of a gas absorber disposed on the surface of the metal layer occurs in the metal layer. In addition, a gas nanotube based on a change in the source / drain current is obtained by using a carbon nanotube disposed between the electrodes and a gas absorber serving as a gate insulating layer, and utilizing the fact that the state of the gate insulating layer changes due to gas absorption. We are also developing a gas sensor that detects this. These developed gas sensors are small and can measure gases with low molecular weight such as carbon dioxide, but they are superior to conventional gas sensors. However, the gas sensors using the former surface plasmon resonance phenomenon Uses a light source and consumes a large amount of power. The gas sensor with carbon nanotubes arranged between the latter electrodes has a small detection current of nA order and does not use a light source, but considering the cost of carbon nanotubes, it is practical. There is a problem. Therefore, the inventors of the present application have further studied the gas sensor provided with the gas absorber and completed the present invention.
すなわち、本発明に係るガスセンサは、陽極および陰極を有した基部と、上記陽極の少なくとも一部分および上記陰極の少なくとも一部分を被覆しており、且つ、検出対象であるガスと接触することができるように配設された、当該ガスを吸収することによって伝導率が変化するガス吸収体と、上記ガス吸収体を介した上記陽極と上記陰極との間のインピーダンスの値に基づいてガスを検出する検出部とを備えている。 That is, the gas sensor according to the present invention covers a base having an anode and a cathode, at least a part of the anode and at least a part of the cathode, and can come into contact with a gas to be detected. A gas absorber whose conductivity is changed by absorbing the gas, and a detector that detects the gas based on the impedance value between the anode and the cathode via the gas absorber. And.
以下に、いくつかの実施形態および変形例を挙げて本発明に係るガスセンサを説明するが、これらの実施形態に示すガスセンサの構成はあくまで例示に過ぎず、これらの構成に本発明が限定されるものではない。 Hereinafter, the gas sensor according to the present invention will be described with some embodiments and modifications. However, the configuration of the gas sensor shown in these embodiments is merely an example, and the present invention is limited to these configurations. It is not a thing.
〔第1の実施形態〕
(1)第1の実施形態のガスセンサの構成
本発明に係るガスセンサの一実施形態(第1の実施形態)について、図1〜図15を用いて説明する。
[First Embodiment]
(1) Configuration of Gas Sensor of First Embodiment An embodiment (first embodiment) of a gas sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS.
図1は、図中の(a)が本発明の第1の実施形態に係るガスセンサの斜視図であり、図中の(b)がその分解図である。また、図2は、図1のガスセンサのA−A´矢視断面図である。 FIG. 1A is a perspective view of a gas sensor according to a first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is an exploded view thereof. 2 is a cross-sectional view of the gas sensor of FIG.
第1の実施形態のガスセンサ100は、図1の(a)に示すように、センサ部10と、検出部7とを備えている。
The
センサ部10は、図1の(b)に示すように、陽極2と陰極3とが形成された基部1と、イオン液体4(ガス吸収体)と、液体封止用有機高分子膜5(保持手段)と、保護メッシュ部材6(保持手段)とを備えている。
As shown in FIG. 1B, the
基部1は、図1および図2に示すように、片面に凹部1aが設けられている。凹部1aは側面と底面によって構成されており、側面は、基部1の片面に対して垂直であってもよいが、図2に示すように、基部1の片面に対して傾斜していてもよい。図1の(b)に示す凹部1aは円形であるが、本発明は凹部1aの形状は問わない。
As shown in FIG. 1 and FIG. 2, the
図2では、凹部1aの径は、開口部分(つまり凹部1aの側面と、凹部1aの周囲を構成する縁面との境界部分)の径が最も大きく、当該開口部分から凹部1aの底面に向かって、開口径が連続的に小さくなっている。基部1は、例えばシリコン、ガラスから構成することが可能である。
In FIG. 2, the diameter of the
基部1における凹部1aが設けられた側の面の、凹部1aの開口部分に隣接した縁面から、凹部1aを構成する側面および底面に沿って、後述するインピーダンス計測をおこなうための陽極2および陰極3としての金属層が形成されている。
陽極2および陰極3はそれぞれ、凹部1aの開口部分に隣接した縁面側にある第1の端部2a,3aと、凹部1aの底面側にある第2の端部2b,3bとを有している。第1の端部2a,3aには、配線が接続されており、当該配線は検出部7に接続されている。陽極2および陰極3の第2の端部2b,3b同士は、凹部1aの底面において所定の距離を隔てて対向している。第1の実施形態では、図1の(b)に示すように、陽極2と陰極3とは、凹部1aの開口部分の中心点を挟んで正対する位置に配設されている。しかしながら、本発明はこの配置に限定されるものではない。配線を介して検出部7に接続されている第1の端部2a,3aには、後述するように、検出部から所定の周波数の信号が入力する構成となっている。つまり、検出部7は当該信号の入力部も兼ねている。
Each of the
陽極2および陰極3の形成方法としては、マスクを用いたパターン形成が挙げられるがこれに限定されるものではない。陽極2および陰極3は、例えばチタン−アルミニウム合金(Ti-Al合金)から構成することができる。
Examples of a method for forming the
このように陽極2および陰極3が形成された基部1の凹部1aに、イオン液体4が充填されており、陽極2の少なくとも一部および陰極3の少なくとも一部、つまり凹部1aの側面と底面とに沿って配された部分が、イオン液体4によって覆われた状態を実現している。
In this way, the
イオン液体4は、凹部1aを完全に満たす液量、つまり凹部1aの開口部分に達する液量が用いられている。ただ、第1の実施形態のガスセンサ100のセンサ部10が図2の紙面下側が地面側で、紙面上側が天側になるように配設された状態でガスセンシングする態様である場合には、イオン液体4が凹部1aを完全に満たしている必要はない。しかしながら、ガスセンサ100のセンサ部10を設置する箇所が傾斜面であったり、設置した後で傾斜するような被設置面である場合は、陽極2および陰極3のいずれかがイオン液体4から露出してインピーダンス計測が困難になる虞があるため、これを回避するべく、第1の実施形態のようにイオン液体4は凹部1aを完全に満たしていることが好ましい。
As the
ここで、ガス吸収体としてのイオン液体4は、例えば[EMIM][BF4](1-エチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート)や、[BMIM][BF4](1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムテトラフルオロボラート)、[BMIM][PF6](1-ブチル-3-メチルイミダゾリウムヘキサフルオロホスファート)、[OMIM][Br](1-n-オクチル-3-メチルイミダゾリウムブロミド)の他、[Hmpy][Tf2N]、[Hmim][Tf2N]、[Bmim][Tf2N]、[C6H4F9mim][Tf2N]、[Amim][BF4]、[Pabim][BF4]、[Am-im][DCA]、[Am-im][BF4]、[BMIM][BF4]+PVDF、[C3NH2mim][CF6SO3]+PTFE、[C3NH2mim][Tf2N]+PTFE、[H2NC3H6mim][Tf2N]+cross-linked Nylon66、P[VBBI][BF4]、P[MABI][BF4]、P[VBBI][Tf2N]、P[VBTMA][BF4]、P[MATMA][BF4]等からなり、検出対象となるガスの種類に応じて当該ガスを吸収可能なイオン液体が適宜選定され得る。
Here, the
特に、例えば、二酸化炭素を検出可能なガスセンサ100とする場合には、二酸化炭素を吸収可能な[EMIM][BF4]、[EMIM][BF4]、[BMIM][BF4]、[BMIM][PF6]、[Hmpy][Tf2N]、[Hmim][Tf2N]、[Bmim][Tf2N]、[C6H4F9mim][Tf2N]、[Amim][BF4]、[Pabim][BF4]、[Am-im][DCA]、[Am-im][BF4]、[BMIM][BF4]+PVDF、[C3NH2mim][CF6SO3]+PTFE、[C3NH2mim][Tf2N]+PTFE、[H2NC3H6mim][Tf2N]+cross-linkedNylon66、P[VBBI][BF4]、P[MABI][BF4]、P[VBBI][Tf2N]、P[VBTMA][BF4]、P[MATMA][BF4]等をイオン液体4として用いる。
In particular, for example, when the
また、アンモニアを検出可能なガスセンサ100とする場合には、アンモニアが吸収可能な[EMIM][BF4]など、水を吸収するイオン液体全般をイオン液体4として用いる。
Further, when the
なお、イオン液体4には、PEI(ポリエチレンイミン)を添加してもよい。
Note that PEI (polyethyleneimine) may be added to the
なお、第1の実施形態では、ガス吸収体としてイオン液体4を適用した場合について述べているが、本発明はこれに限らず、例えばアルカリ金属およびアルカリ土類金属の水酸化物水溶液等その他種々のガス吸収体を適用してもよい。なお、ガス吸収体としてアルカリ金属およびアルカリ土類金属の水酸化物水溶液を用いた場合には、二酸化炭素を吸収することができるので、検出対象を二酸化炭素とするガスセンサを実現することができる。
In the first embodiment, the case where the
更に本発明に係るガスセンサは、水分を検出することも可能である。すなわち、湿度計としての用いることも可能である。 Furthermore, the gas sensor according to the present invention can also detect moisture. That is, it can be used as a hygrometer.
液体封止用有機高分子膜5は、図2に示すように、凹部1aがイオン液体4によって充填された状態の基部1の片面側に配設されている。液体封止用有機高分子膜5は、イオン液体4は透過しないがガスを透過する膜であり、具体的にはパリレン膜から構成することができる。液体封止用有機高分子膜5により覆うことによって、基部1(ガスセンサ100のセンサ部10)が振動したり傾斜したりした場合であっても、イオン液体4を安定して基部1の凹部1aに保持させ続けることができる。液体封止用有機高分子膜5は、イオン液体4を凹部1aに充填した後に形成してもよく、あるいは、イオン液体4の充填前に液体封止用有機高分子膜5によって凹部1aを被覆して、被覆後にイオン液体4を凹部1aに注入してもよい。イオン液体4の充填後に液体封止用有機高分子膜5を形成する場合には、液体封止用有機高分子膜5となる材料を例えばCVD(Chemical Vapor Deposition)法により形成することが可能である。
As shown in FIG. 2, the liquid-sealing
保護メッシュ部材6は、陽極2および陰極3が形成された基部1、イオン液体4、および、液体封止用有機高分子膜5を覆う蓋部材であり、保護メッシュ部材6は、外力が加わった場合に基部1、イオン液体4、液体封止用有機高分子膜5を保護する機能を有する。保護メッシュ部材6は、凹部1aに対向する領域がメッシュ構造を有しており、メッシュ構造が設けられている領域はイオン液体4配設側と外気側との間でガスが透過できる領域である。保護メッシュ部材6は、例えば基部1よりも径が僅かに大きく、且つ、基部1、金属層(陽極2および陰極3)、イオン液体4、液体封止用有機高分子膜5の堆積方向に沿った側面を有していてもよい。陽極2および陰極3が形成されイオン液体4を保持する基部1と、液体封止用有機高分子膜5と、保護メッシュ部材6とは、別部材の固定部品を用いて図1の(a)に示す状態としても良いし、あるいは、ネジ留めしてもよい。
The
なお、液体封止用有機高分子膜5および保護メッシュ部材6は、本発明に係るガスセンサのガスセンシング機能を実現する上での必須構成ではない。つまり、液体封止用有機高分子膜5および保護メッシュ部材6が配設されていなくても、ガスセンシング機能を実現することができる。ただし、イオン液体4を基部1に確実に保持する目的、イオン液体4に外部から異物が混入することを回避する目的、ガスセンサの外部衝撃を強化する目的で設けることが好ましい。また、液体封止用有機高分子膜5および保護メッシュ部材6は少なくとも一方だけであってもよい。保護メッシュ部材6のメッシュ穴の形状または開口径を調整することにより、液体封止用有機高分子膜5が無くとも、保護メッシュ部材6のみでイオン液体4を基部1に確実に保持することができる場合がある。具体的には、保護メッシュ部材6のメッシュ穴の開口径が100μm以下であれば、メッシュ穴とイオン液体4の表面張力との相互作用によりイオン液体4はメッシュ穴から流出せずに基部1に確実に保持される。
Note that the liquid sealing
検出部7は、配線を介して陽極2および陰極3の第1の端部2a,3aと接続しており、センシング時に、陽極2と陰極3とに信号を入力して、イオン液体4を介した陽極2と陰極3との間のインピーダンスを計測し、検出対象ガスの有無、および、検出対象ガスの濃度を検出する。以下に、本発明に係るガスセンサの原理について説明する。
The
(2)本発明に係るガスセンサの原理
図3は、本発明に係るガスセンサの原理を説明する図である。図3に示すガスセンサ100のセンサ部10は、原理を説明するために簡素化された構成を有しているが、本発明に係るガスセンサは、図3に示す構成であってもガスセンサとしての機能を果す。図3には、陽極2と陰極3とが形成された平板の基部1の表面に、イオン液体4の液滴が形成されている。図3に示す構成では図1および図2に示す液体封止用有機高分子膜5は配設されていない。
(2) Principle of Gas Sensor According to the Present Invention FIG. 3 is a diagram for explaining the principle of the gas sensor according to the present invention. The
イオン液体4は所定の伝導率を有している。そして、この伝導率はイオン液体に吸収されるガス(例えば二酸化炭素)が吸収されることによって変化する。本発明は、この伝導率の変化を、インピーダンスを計測することによって、インピーダンス値からイオン液体に吸収されたガス量、すなわち、計測対象の空間内のガス濃度値を求める。図3は二酸化炭素検出用のガスセンサを示しており、図3の左側は二酸化炭素濃度が低い空間内に設置されたガスセンサのイオン液体の状態を示し、図3の右側は左側よりも二酸化炭素濃度が高い空間内に設置されたガスセンサのイオン液体の状態を示している。右側のガスセンサのイオン液体には、二酸化炭素が多く吸収されている。イオン液体は、二酸化炭素の吸収量に応じて粘度が下がり、粘度が下がることによってイオンの移動度が高まって伝導率が上昇する。故に、検出部7が陽極と陰極との間に電圧をかけて電流(交流)を流してインピーダンス値を計測することによって、イオン液体の伝導率の変化を捉える。検出部には、インピーダンス値とガス濃度値とが予め対応付けられたデータが格納されている。そのため、インピーダンス値を求めればガス濃度値を算出することができる。
The
(3)検証試験
本発明に係るガスセンサの一実施例を用いて上述した原理に基づいたガス検出(ガスの有無およびガスの濃度特定)が可能であるか検証した。
(3) Verification Test Using one embodiment of the gas sensor according to the present invention, it was verified whether gas detection based on the above-described principle (gas presence / absence and gas concentration specification) was possible.
検証試験に使用したガスセンサについて、図4を用いて説明するが、基本的には図1〜3に示した構成に基づいている。図4の(a)は、検証試験に使用したガスセンサ100の斜視図であり、図4の(b)は、検証試験に用いた試験装置全体の構成を示す図である。なお、説明の便宜上、図4の(b)では、ガスセンサ100は図4の(a)のガスセンサ100のA−A´矢視断面図を示している。図4に示すガスセンサ100はCO2(二酸化炭素)センサとする。
The gas sensor used in the verification test will be described with reference to FIG. 4 and is basically based on the configuration shown in FIGS. FIG. 4A is a perspective view of the
図4の(b)に示す試験装置50は、内部にガスセンサ100を配置することができるチャンバ30と、チャンバ30内部の二酸化炭素濃度を変化させるためのCO2(二酸化炭素)ガス貯留部20とバルブ21、検出対象であるガスを積極的に含ませていない空気(外気)の吸排気バルブ40とを有する。ガスセンサ100は、先に説明した、液体セル電極からなる基部1、[EMIM][BF4]からなるイオン液体4、パリレン膜からなる液体封止用有機高分子膜5、および、保護メッシュ部材6に加え、Ti-Al合金から構成された陽極2と、Ti-Al合金から構成された陰極3とのそれぞれから延びる配線が接続されている検出部7を備えている。
The
用いた基部1は、開口部分から底面までが深さ約11mmで、開口部分の径が約25mm、底面の径が約15mmの凹部1aであって、凹部1aの深さの中間位置までは開口部分から径が連続的に狭くなり、中間位置から底面までは径が等しい形状を有しており、凹部1aの容量は1943mm3で、約2ccのイオン液体4が凹部1aを完全に満たしたガスセンサ100を使用した。
The
図4の(b)に示す試験装置50を用いて、二酸化炭素濃度を変えて、陽極2と陰極3とに配線を介して接続した検出部7によって、イオン液体4を介した陽極2と陰極3との間のインピーダンスを計測した。
Using the
計測は、検出部7から陽極2と陰極3とに周波数0.01Hzの信号を入力することにより行なった。計測は、ガスセンサ100をチャンバ30内に静置したままで、チャンバ30内の二酸化炭素濃度を0ppmから凡そ500ppm刻みで4000ppmまで、二酸化炭素濃度が低濃度から高濃度になるように変化させて行なった。また、チャンバ30内の濃度が所定の濃度になってから1分経過した時点での検出部7によってインピーダンスを計測した。
The measurement was performed by inputting a signal having a frequency of 0.01 Hz from the
計測結果を、図5に示す。図5に示すように、陽極2と陰極3とに周波数0.01Hzの信号を入力するとチャンバ30内の二酸化炭素濃度を高濃度になるにつれて、イオン液体4のインピーダンス値が低下することが示された。すなわち、チャンバ30内の二酸化炭素濃度を高濃度になるにつれて、イオン液体4の伝導率が上がった、つまりイオン液体4の粘度が下がったといえる。これは、チャンバ30内の二酸化炭素濃度が高くなるのに応じて、イオン液体4が多くの二酸化炭素を吸着したからであるといえる。
The measurement results are shown in FIG. As shown in FIG. 5, when a signal having a frequency of 0.01 Hz is input to the
以上の方法と同様にして、陽極2と陰極3とに周波数0.1Hzの信号を入力した場合と、陽極2と陰極3とに周波数1Hzの信号を入力した場合についても、二酸化炭素濃度別のインピーダンス特性を試験した。周波数0.1Hzの信号を入力した場合の結果を図6に、周波数1Hzの信号を入力した場合の結果を図7に示す。図5〜図7から、二酸化炭素濃度が高くなるにつれて、イオン液体4のインピーダンス値が低下することが示された。また、周波数0.01Hz、0.1Hz、1Hzのそれぞれの結果を1つに纏めた図8からわかるように、各結果は線形のインピーダンス特性を示しており、低周波のほうがZ値の変化の差異が明確であることが示された。
Similarly to the above method, the case where a signal with a frequency of 0.1 Hz is input to the
次に、図4の(b)に示した試験装置を用いて、二酸化炭素濃度(二酸化炭素濃度:0ppm、400ppm、1000ppm、1500ppm、2000ppm、2500ppm、3000ppm、3500ppm、4000ppm)を固定して、周波数を変えて、各二酸化炭素濃度におけるインピーダンス特性の変化を測定した。測定は、陽極2および陰極3に直流(DC)バイアス(1.8ボルト)をかけて行なった。その結果を図9に示す。図9から、二酸化炭素濃度によって或る周波数におけるインピーダンス値が互いに異なること、および、二酸化炭素濃度によってZ値に違いがあることが示された。
Next, the carbon dioxide concentration (carbon dioxide concentration: 0 ppm, 400 ppm, 1000 ppm, 1500 ppm, 2000 ppm, 2500 ppm, 3000 ppm, 3500 ppm, 4000 ppm) is fixed using the test apparatus shown in FIG. The impedance characteristics at each carbon dioxide concentration were measured. The measurement was performed by applying a direct current (DC) bias (1.8 volts) to the
以上の検証試験から、本実施形態のガスセンサを用いれば、検出対象のガスを吸収することによって伝導率が変化するガス吸収体を利用して、インピーダンスを計測することによって、検出対象のガスの有無および濃度を検出することができることがわかる。 From the above verification test, if the gas sensor of this embodiment is used, the presence or absence of the gas to be detected can be determined by measuring the impedance using a gas absorber whose conductivity changes by absorbing the gas to be detected. It can be seen that the concentration can be detected.
なお、インピーダンスを計測する方法以外にも、例えば検出作業の前後でのインピーダンスの変化量を求めることによりガス検知をおこなうことも可能である。すなわち、本発明は、インピーダンスを計測するかどうかには関わらず、(ガス吸収体を用いて)インピーダンス値に基づいたガス検出をおこなう点にある。 In addition to the method of measuring impedance, for example, gas detection can be performed by obtaining the amount of change in impedance before and after the detection operation. That is, the present invention is to perform gas detection based on an impedance value (using a gas absorber) regardless of whether impedance is measured.
なお、ガス吸収体は、液体に限らず、ゲル状のものや固体であっても可能である。例えば、イオン液体[BMIM][BF4](67%wt)にポリマーPVdF(HFP)(33%wt)を混ぜたものをガス吸収体として用いることができる。 The gas absorber is not limited to a liquid, and may be a gel or a solid. For example, an ionic liquid [BMIM] [BF 4 ] (67% wt) mixed with polymer PVdF (HFP) (33% wt) can be used as the gas absorber.
(4)ガスセンシング方法
図10は、第1の実施形態のガスセンサ100を用いたガスセンシング方法のフローチャートである。
(4) Gas Sensing Method FIG. 10 is a flowchart of a gas sensing method using the
第1の実施形態のガスセンサ100を所定の箇所に設置した状態で、センサ部10の陽極2と陰極3とに配線を介して接続した検出部7から、所定の周波数をもつ信号を陽極2および陰極3に入力する(ステップS1)。
In a state where the
続いて、イオン液体4を介した陽極2と陰極3との間のインピーダンスを計測する(ステップS2:検出工程)。
Subsequently, the impedance between the
続いて、ステップS2において計測されたインピーダンス値を、検出対象ガスの濃度とインピーダンス値とが予め対応付けられた対応データと照合して、ガス濃度を検出する(ステップS3:検出工程)。ここで、上記対応データは、例えば検出部7に配設したメモリに予め格納されたものを使用することができる。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、対応データを、センサ部10を用いてインピーダンス値を取得して作成してもよい。
Subsequently, the impedance value measured in step S2 is collated with corresponding data in which the concentration of the detection target gas and the impedance value are associated in advance to detect the gas concentration (step S3: detection step). Here, as the correspondence data, for example, data stored in advance in a memory provided in the
(5)第1の実施形態の作用効果
以上から、本実施形態のガスセンサを用いれば、検出対象のガスを吸収することによって伝導率が変化するガス吸収体を利用して、インピーダンスを計測するという比較的簡易な方法によって、検出対象のガスの有無および濃度を検出することができる。
(5) Effects of First Embodiment From the above, when the gas sensor of this embodiment is used, impedance is measured using a gas absorber whose conductivity changes by absorbing the gas to be detected. The presence and concentration of the detection target gas can be detected by a relatively simple method.
第1の実施形態の構成によれば、従来の赤外光吸収型のガスセンサのように光路長を長く確保する必要がないため、装置(ガスセンサ)を小型化することができ、且つ、二酸化炭素のような分子量の小さいガスを測定することが可能である。 According to the configuration of the first embodiment, it is not necessary to ensure a long optical path length unlike a conventional infrared light absorption type gas sensor, so that the apparatus (gas sensor) can be downsized, and carbon dioxide It is possible to measure a gas having a small molecular weight.
また赤外光吸収型のガスセンサに比べて、光源を必要としないことから、消費電力の低減を実現することができる。従来の赤外光吸収型のガスセンサは光源を使用するため、光源が計測可能な状態となるまで時間を要する。これに対して、第1の実施形態のガスセンサは光源が必要ないため、従来の赤外光吸収型のガスセンサよりも計測時間を短縮することができる。 Further, since no light source is required as compared with an infrared light absorption type gas sensor, power consumption can be reduced. Since the conventional infrared light absorption type gas sensor uses a light source, it takes time until the light source becomes measurable. On the other hand, since the gas sensor of the first embodiment does not require a light source, the measurement time can be shortened compared with the conventional infrared light absorption type gas sensor.
また、第1の実施形態のガスセンサは、ガス吸収体であるイオン液体が、基部に設けられた凹部に充填されている。ここで、仮に基部が、陽極と陰極が設けられた平坦な部材であって、且つ、その平坦な面にイオン液体をその表面張力を利用して液滴の状態で陽極と陰極とを覆うように形成した場合であっても、本発明に係るガスセンサとしての機能を実現することは可能である(図3参照)。しかしながら、液滴のままでは外部衝撃などを受けるなどしてセンサ機能を正常に維持することができない虞がある。これに対して、第1の実施形態のようにイオン液体が凹部に充填されていれば、イオン液体が基部の表面から突出することを防ぐことができ、耐衝撃性を比較的高めることができ、信頼性があるガスセンサを提供することができる。また、基部の表面からイオン液体の液滴が突出せずに、ガスセンサのガスと接触する側の表面の平坦性を維持することができる。 Moreover, the gas sensor of 1st Embodiment is filled with the ionic liquid which is a gas absorber in the recessed part provided in the base. Here, it is assumed that the base is a flat member provided with an anode and a cathode, and that the ionic liquid is applied to the flat surface so as to cover the anode and the cathode in the form of droplets using the surface tension. Even if it is formed, the function as the gas sensor according to the present invention can be realized (see FIG. 3). However, there is a possibility that the sensor function cannot be maintained normally due to an external impact or the like if the liquid droplets remain. On the other hand, if the ionic liquid is filled in the recess as in the first embodiment, the ionic liquid can be prevented from protruding from the surface of the base, and the impact resistance can be relatively improved. A reliable gas sensor can be provided. Further, the ionic liquid droplets do not protrude from the surface of the base, and the flatness of the surface of the gas sensor that comes into contact with the gas can be maintained.
(6)変形例
・変形例1(電極パターン)
上述した第1の実施形態では、図1の(b)に示すように陽極2および陰極3が第1の端部2a,3aから第2の端部2b,3bまでの間でほぼ等しい幅を有した帯状の形を有している。つまり、第2の端部2b,3bが、帯状の陽極2および陰極3の他の部分と同じ幅で構成されている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば第2の端部2b,3bが図11に示すような形状を有していても良い。
(6) Modifications Modification 1 (electrode pattern)
In the above-described first embodiment, as shown in FIG. 1B, the
図11は、本変形例1の陽極2および陰極3の第2の端部2b,3b、および、イオン液体4の形成位置を示した部分上面図である。図11に示す第2の端部2b,3bは、陽極2および陰極3における第2の端部2b,3b以外の部分よりも幅が広く構成されており、T字の頭部のような形状をしている。第2の端部2bと第2の端部3bとはT字の頭部同士を対向させて形成されており、このT字の第2の端部2bと第2の端部3bをイオン液体4が覆う構成となっている。これにより、図1の(b)に示す第2の端部2b,3bの形状の場合に比べて、電極自体の面積が大きくなることにより、インピーダンスが低下し、これに伴い、計測系のノイズの少ない低インピーダンス領域での計測が可能となる。
FIG. 11 is a partial top view showing the formation positions of the
・変形例2(電極パターン)
上述した第1の実施形態では、図1の(b)に示すように陽極2および陰極3が第1の端部2a,3aから第2の端部2b,3bまでの間でほぼ等しい幅を有した一本の帯状の形を有している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば第2の端部2b,3bが図12に示す形状を有していても良い。
・ Modification 2 (electrode pattern)
In the above-described first embodiment, as shown in FIG. 1B, the
図12は、本変形例2の陽極2および陰極3の第2の端部2b,3b、および、イオン液体4の形成位置を示した部分上面図である。図12に示す第2の端部2b,3bはそれぞれ、複数の櫛歯部2bb,3bbを有しており、陽極2の第2の端部2bの複数の櫛歯部2bbと、陰極3の第2の端部3bの複数の櫛歯部3bbとは互いに噛み合う、あるいは、入れ子になっている。そして、複数の櫛歯部同士が互いに噛み合う、あるいは、入れ子になっている領域をイオン液体4が覆う構成となっている。これにより、図1の(b)に示した第2の端部2bと第2の端部3bの形状の場合に比べて、電極自体の面積が大きくなることにより、インピーダンスが低下し、これに伴い、計測系のノイズの少ない低インピーダンス領域での計測が可能となる。
FIG. 12 is a partial top view showing the formation positions of the
・変形例3(電極パターン)
上述した第1の実施形態では、図1の(b)に示すように一本の帯状の陽極2および陰極3を用いてインピーダンスを計測している。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばインピーダンス計測用の電極が図13に示す構成であっても良い。
・ Modification 3 (electrode pattern)
In the first embodiment described above, impedance is measured using a single strip-
図13は、本変形例3のインピーダンス計測用の電極、および、イオン液体4の形成位置を示した部分上面図である。本変形例3のインピーダンス計測用の電極は、並列している複数の導電線9からなり、そのうちの一方の端の導電線が陽極2であり、他方の端の導電線が陰極3である。そして、図13のように、これら複数の導電線9がイオン液体によって直列に接続された状態となっている。複数の導電線は、Ti-Al合金から構成することができる。
FIG. 13 is a partial top view showing the impedance measurement electrodes and the formation positions of the
これにより、インピーダンス変化量を大きくすることができ、検出(分解)能を向上させることができる。 Thereby, the amount of impedance change can be increased, and the detection (decomposition) ability can be improved.
・変形例4(凹部の形状)
上述した第1の実施形態では、図2に示すように基部1に設けた凹部1aの形状は開口部分の径が底面の径よりもわずかに大きく構成され、且つ、陽極2および陰極3の第2の端部2b,3bが凹部1aの底面に沿って配された構成である。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図14に示す構成としても良い。
Modification 4 (recessed shape)
In the first embodiment described above, as shown in FIG. 2, the shape of the
図14は、本変形例4のガスセンサ100の断面図である。本変形例4では、基部1凹部1aの底面を更に深く掘り込んだ溝1bを設けており、溝1bの側面に陽極2および陰極3が配設されている。凹部1aの開口部分から底面までの深さは浅いが開口部分の径が広くガス検出時に空気と接触する面積が十分にある。一方、深さが浅く、且つ、その底面に設けられた溝1bは、凹部1aとは反対で開口部分から底面までの深さは深いものの開口部分の径が小さい。すなわち、溝部1bの幅と深さの比(アスペクト比)は、凹部1aの幅と深さの比(アスペクト比)よりも大きい。
FIG. 14 is a cross-sectional view of the
図14の構成とすることにより、陽極2および陰極3が凹部1aの開口部分から比較的浅い位置にあって、陽極2と陰極3との対向面積を広く確保でき、且つ、陽極2と陰極3との離間距離が短いことから、イオン液体4の液量を多くすることができつつ、反応速度を上げることができる。その他のメリットとして、複数の溝部を掘ることにより集積化が容易である。
With the configuration shown in FIG. 14, the
・変形例5(凹部の形状と電極の位置)
上述した第1の実施形態では、図2に示すように基部1に設けた凹部1aの形状は開口部分の径が底面の径よりもわずかに大きく構成され、且つ、当該底面は平坦である。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば図15に示す構成としても良い。
Modification 5 (recessed shape and electrode position)
In the first embodiment described above, as shown in FIG. 2, the shape of the
図15は、本変形例5のガスセンサ100の断面図である。本変形例5のガスセンサ100は、基部1に設けた凹部1aが、開口部分が地面側に向けて開口し、底面が天側になるように設置する態様を想定した構成である。本変形例5では、凹部1aの底面を凹部1aの天井面と記載する。
FIG. 15 is a cross-sectional view of the
本変形例5の特徴は、凹部1aの天井面の一部が開口部分に向かって隆起した隆起部を有しており、その隆起部の隆起端領域に陽極2および陰極3が配設されている点にある。凹部1aの開口部分には凹部1aに満たされたイオン液体4が流出しないように液体封止用有機高分子膜5が設けられている。
A feature of the
本変形例5の構成において、図15に示すように凹部1aの開口部分が地面側になって、凹部1aの天井面が天側になるようにガスセンサ100が設置され、何らかの理由で凹部1aを満たしたイオン液体4の液量が減ると、液位が下がって凹部1aの天井面がイオン液体4の液面(例えば図15の矢印で示す位置に液面がある)から露出した状態となる。しかしながら、本変形例5の構成によれば、陽極2および陰極3は凹部1aの天井面よりも下がった位置に配設されているため、陽極2および陰極3はイオン液体4の液面から露出することはない。このような構成とすることで、イオン液体4の液量が多少減ってもセンシング機能を維持することができるため、ガスセンサの長寿命化を図ることができる。
In the configuration of the fifth modification, as shown in FIG. 15, the
〔第2の実施形態〕
本発明に係るガスセンサの他の実施形態(第2の実施形態)について、図16〜図18を用いて説明する。なお、本実施形態では、上記第1実施形態との相違点について説明するため、説明の便宜上、第1の実施形態で説明した部材と同一の機能を有する部材には同一の部材番号を付し、その説明を省略する。
[Second Embodiment]
Another embodiment (second embodiment) of the gas sensor according to the present invention will be described with reference to FIGS. In the present embodiment, in order to explain differences from the first embodiment, members having the same functions as those described in the first embodiment are denoted by the same member numbers for convenience of explanation. The description is omitted.
(1)第2の実施形態のガスセンサの構成
図16は、本発明の第2の実施形態に係るガスセンサ100のセンサ部10´の構成の分解図である。
(1) Configuration of Gas Sensor of Second Embodiment FIG. 16 is an exploded view of the configuration of the
上述の第1の実施形態では、センサ部10(図1の(b)参照)に一対の電極(陽極2、陰極3)が設けられている。これに対して、第2の実施形態では、図16に示すように、センサ部10´には、陽極2および陰極3に加えて、もう一対の電極(陽極22、陰極33)が設けられている。
In the first embodiment described above, the sensor unit 10 (see FIG. 1B) is provided with a pair of electrodes (
また、第1の実施形態では、陽極2および陰極3に或る周波数の信号を入力して、インピーダンスを計測する。これに対して、第2の実施形態では、各電極対に、異なる周波数の信号を入力し、各周波数の信号に基づくインピーダンス計測をおこなってその差分を求めることによってガス濃度を検出するように検出部7´が構成されている。
In the first embodiment, a signal having a certain frequency is input to the
(2)ガスセンシング方法
図17は、第2の実施形態に係るガスセンサ100を用いたガスセンシング方法のフローチャートである。ガスセンシングの原理は、第1の実施形態において既に説明した内容と同一である。
(2) Gas Sensing Method FIG. 17 is a flowchart of a gas sensing method using the
第2の実施形態のガスセンサ100を所定の箇所に設置した状態で、検出部7´から配線を介して陽極2と陰極3とに、或る周波数である第一の周波数(例えば0.01Hz)をもつ信号を入力し、検出部7´から配線を介して陽極22と陰極33とに、第一の周波数とは異なる第二の周波数(例えば1Hz)をもつ信号を入力する(ステップS1´)。
In a state where the
続いて、イオン液体4を介した陽極2と陰極3との間のインピーダンスを計測するとともに、イオン液体4を介した陽極22と陰極33との間のインピーダンスを計測する(ステップS2:検出工程)。
Subsequently, the impedance between the
続いて、ステップS2において計測された第一の周波数に基づく第一のインピーダンス値と、第二の周波数に基づく第二のインピーダンス値との差分を求める(ステップS3´:検出工程)。 Subsequently, a difference between the first impedance value based on the first frequency measured in step S2 and the second impedance value based on the second frequency is obtained (step S3 ′: detection step).
続いて、ステップS3´において算出された差分値を、検出対象ガスの濃度と差分値とが予め対応付けられた対応データと照合して、ガス濃度を検出する(ステップ4:検出工程)。 Subsequently, the difference value calculated in step S3 ′ is collated with corresponding data in which the concentration of the detection target gas and the difference value are associated in advance to detect the gas concentration (step 4: detection process).
(3)第2の実施形態の作用効果
上記構成によれば、2種類の周波数の信号を入力して各周波数の信号に基づく上記インピーダンスを計測し、各周波数の信号に基づくインピーダンス値の差分をとって、差分からガスの有無および濃度を検出する。これにより、1種類の周波数を用いてガス検出を行なう場合(第1の実施形態の構成)と比較して、検出精度を向上させることができる。
(3) Effects of the Second Embodiment According to the above configuration, the impedance based on the signals of each frequency is measured by inputting signals of two types of frequencies and measuring the impedance based on the signals of each frequency. Thus, the presence or concentration of gas is detected from the difference. Thereby, compared with the case where gas detection is performed using one type of frequency (configuration of the first embodiment), detection accuracy can be improved.
なお、第2の実施形態では、各周波数の信号に基づくインピーダンス値の差分をとっているが、本発明は差分に限定されるものではなく、割合、%、増減率など、複数のインピーダンス値を比較するあらゆる方法を用いてガス検出をおこなうことができる。 In the second embodiment, the difference between the impedance values based on the signals of the respective frequencies is taken. However, the present invention is not limited to the difference, and a plurality of impedance values such as a ratio,%, and an increase / decrease rate are set. Gas detection can be performed using any method of comparison.
(4)変形例
・変形例1(電極パターン)
本発明は、上述した第2の実施形態の陽極2、22と陰極3、33の形成位置に限定されるものではなく、例えば図18に示すような形状を有していても良い。
(4) Modifications Modification 1 (electrode pattern)
The present invention is not limited to the formation positions of the
図18は、本変形例1における、一対の電極、およびもう一対の電極の配設位置と、イオン液体4の形成位置とを示した部分上面図である。図18に示すように、イオン液体4の被覆領域において、陽極2と陰極3と陽極22と陰極33とが並列に形成されている。このような電極構造において4端子法により計測することができる。この方法を用いることでイオン液体と金属電極間の接触抵抗を除去することが可能である。
FIG. 18 is a partial top view showing the arrangement positions of the pair of electrodes and another pair of electrodes and the formation position of the
・変形例2(インピーダンス計測方法)
上述した第2の実施形態では、一つの電極対に第一の周波数をもつ信号を入力し、別の一つの電極対に第二の周波数をもつ信号を入力している。つまり、周波数ごとに異なる電極に入力する構成である。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。
-Modification 2 (impedance measurement method)
In the second embodiment described above, a signal having the first frequency is input to one electrode pair, and a signal having the second frequency is input to another electrode pair. That is, it is the structure which inputs into a different electrode for every frequency. However, the present invention is not limited to this.
例えば、第一の周波数と第二の周波数とを合わせた信号を一つの電極対に入力し、当該一つの電極対から出力される信号を、フーリエ解析して片方の周波数の信号のみを取り出し、その周波数のインピーダンス値を求めることによって、上述の第1の実施形態と同じ手法でガス検出を行なうことが可能である。また、それぞれの周波数の信号を分けて取り出すことにより上述の第2の実施形態と同じ手法でガス検出を行なうことが可能である。 For example, a signal combining the first frequency and the second frequency is input to one electrode pair, and the signal output from the one electrode pair is subjected to Fourier analysis to extract only the signal of one frequency, By obtaining the impedance value of the frequency, it is possible to perform gas detection by the same method as in the first embodiment described above. Further, gas detection can be performed in the same manner as in the second embodiment described above by separately extracting signals of respective frequencies.
なお、本発明は上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、異なる実施形態または実施例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または実施例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, and various modifications can be made within the scope of the claims, and technical means disclosed in different embodiments or examples are appropriately combined. Embodiments or examples obtained in this manner are also included in the technical scope of the present invention.
本発明により、小型化を実現するとともに、分子量の小さいガスであっても検出可能で汎用性の高いガスセンサを提供することができるので、ガスセンサを搭載した環境モニタリング装置などに適用することが可能である。 According to the present invention, it is possible to provide a gas sensor that can be miniaturized and can detect even a gas having a low molecular weight and has high versatility. Therefore, the present invention can be applied to an environmental monitoring device equipped with a gas sensor. is there.
1 基部
1a 凹部
1b 溝部
2、22 陽極
2a 第1の端部
2b 第2の端部
2bb 櫛歯部
3、33 陰極
3a 第1の端部
3b 第2の端部
3bb 櫛歯部
4 イオン液体(ガス吸収体)
5 液体封止用有機高分子膜(保持手段)
6 保護メッシュ部材(保持手段)
7、7´ 検出部
9 導電線
10、10´ センサ部
20 ガス貯留部
21 バルブ
30 チャンバ
40 吸排気バルブ
50 試験装置
100 ガスセンサ
DESCRIPTION OF
5 Liquid polymer organic polymer film (holding means)
6 Protective mesh member (holding means)
7, 7 '
Claims (9)
上記陽極の少なくとも一部分および上記陰極の少なくとも一部分を被覆しており、且つ、検出対象であるガスと接触することができるように配設された、当該ガスを吸収することによって伝導率が変化するガス吸収体と、
上記ガス吸収体を介した上記陽極と上記陰極との間のインピーダンスの値に基づいて上記ガスを検出する検出部と、
凹部が設けられた基部と、を備えており、
上記凹部は、開口部から底面までの距離である深さ方向の長さよりも、当該深さ方向に垂直な方向の上記開口部における最小内寸の長さの方が長い形状であり、
上記ガス吸収体は、上記凹部に充填されており、
上記陽極の少なくとも一部分および上記陰極の少なくとも一部分とは、上記凹部において離間した位置に配されており、
上記陽極および上記陰極は、それぞれ、上記凹部の開口部に隣接した縁面に配置された第1の端部と、上記凹部内に配置された第2の端部とを有すると共に、
上記陽極および上記陰極は2組設けられており、4端子法により計測すべく、上記2組の陽極および陰極が並列に形成されていることを特徴とするガスセンサ。 An anode and a cathode;
A gas that covers at least a part of the anode and at least a part of the cathode, and is disposed so as to be in contact with the gas to be detected, and whose conductivity is changed by absorbing the gas. An absorber,
A detection unit for detecting the gas based on an impedance value between the anode and the cathode via the gas absorber;
A base provided with a recess,
The recess has a shape in which the length of the minimum inner dimension in the opening in the direction perpendicular to the depth direction is longer than the length in the depth direction which is the distance from the opening to the bottom surface,
The gas absorber is filled in the recess,
At least a portion of the anode and at least a portion of the cathode are disposed at positions spaced apart in the recess,
Each of the anode and the cathode has a first end disposed on an edge surface adjacent to the opening of the recess and a second end disposed in the recess ,
A gas sensor , wherein two sets of the anode and the cathode are provided, and the two sets of the anode and the cathode are formed in parallel for measurement by a four-terminal method .
上記検出部は、上記或る周波数の信号に基づく上記インピーダンスの値に基づいてガスを検出する構成となっていることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。 An input unit for inputting a signal having a certain frequency to the anode and the cathode;
The gas sensor according to claim 1, wherein the detection unit is configured to detect gas based on the impedance value based on the signal having the certain frequency.
上記検出部は、各周波数の信号に基づく上記インピーダンスの値に基づいてガスを検出する構成となっていることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。 An input unit for inputting signals having at least two frequencies to the anode and the cathode;
The gas sensor according to claim 1, wherein the detection unit is configured to detect gas based on the impedance value based on a signal of each frequency.
上記開口部分を覆って上記ガス吸収体を当該凹部に保持させる保持手段を更に備えており、
上記天井面は、一部分が上記開口部分に向けて隆起した隆起部を有しており、
上記隆起部に、上記陽極および上記陰極が配設されていることを特徴とする請求項1に記載のガスセンサ。 The concave portion is provided with an opening portion that opens toward the ground side, and a ceiling surface disposed on the top side,
A holding means for covering the opening and holding the gas absorber in the recess;
The ceiling surface has a raised portion that is partially raised toward the opening,
The gas sensor according to claim 1, wherein the anode and the cathode are disposed on the raised portion.
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