JP6873160B2 - 気体検出装置、気体検出システム、燃料電池自動車、及び気体検出方法 - Google Patents
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Description
本発明者らが鋭意検討を行なった結果、従来の気体センサにおいて、以下のような問題があることを見出した。
[気体センサの構成]
第1の実施形態に係る気体センサは、抵抗膜(金属酸化物層)と金属膜とが積層されてなる金属−絶縁膜−金属(MIM)構造の気体センサである。当該気体センサは、抵抗膜内に形成される局所領域での自己発熱と気体感応性とを利用することにより、ヒータで加熱することなく、水素含有ガスを検出することができる。ここで、水素含有ガスとは、水素原子を有する分子からなる気体の総称であり、一例として、水素、メタン、アルコールなどを含み得る。
次に、図4A〜図4Gを参照しながら、気体センサ100の製造方法の一例について説明する。
図5は、第1の実施形態の変形例に係る気体センサの一構成例を示す断面図である。以下、第1の実施形態の気体センサ100と異なる点についてのみ説明する。
図8Aは、第1の実施形態の変形例に係る気体センサ200を含む気体検出装置1010の一例を示す回路図である。
図8Bは、気体センサ200を低抵抗状態から高抵抗状態へリセットすることができる気体検出装置の一例を示す回路図である。図9は、リセット動作の前後における気体センサ200を流れる電流を示す図である。
図10は、本実施形態にかかる気体検出方法を説明するための図である。
次に、第2の実施形態について説明する。図12は、本実施形態における気体検出方法を説明するための図である。
次に、第3の実施形態について説明する。図14は、本実施形態にかかる気体検出装置の一例を示す回路図である。
次に、第4の実施形態について、図15を用いて説明する。図15は、本実施形態に係る気体センサシステム700の構成の一例を示す模式図である。
次に、第5の実施形態について、図16を用いて説明する。図16は、本実施形態に係る燃料電池自動車800の一構成例を示す模式図である。
図5に示されるように、気体センサ200は、第1の電極103と、第1の電極103上に配置された抵抗膜204と、抵抗膜204の上に配置された第2の電極106とを備える。抵抗膜204は、本開示の「金属酸化物層」の一例である。抵抗膜204は、第1の金属酸化物層204aと、第2の金属酸化物層204bとを含む。抵抗膜204は、局所領域105と、局所領域105を囲むバルク領域とを含む。ここで、「局所領域105を囲む」とは、局所領域105の外周面を全て囲むことに限定されない。図5において、バルク領域とは、第2の金属酸化物層204bのうち、局所領域105以外の領域である。局所領域105の酸素不足度は、バルク領域の酸素不足度よりも大きい。第1の金属酸化物層204aの酸素不足度は、バルク領域の酸素不足度よりも大きい。図5において、局所領域105は、第2の電極106に接し、第2の金属酸化物層204bを貫通し、かつ、第1の電極103に接していない。
本開示の一態様に係る気体検出装置は、気体センサと、前記気体センサに所定の電圧を印加する電源回路と、前記気体の漏洩の有無を判断する判断部とを備え、前記気体センサは、第1の電極と、第2の電極と、前記第1の電極及び前記第2の電極の間に配置され、バルク領域と、前記バルク領域に囲まれ、かつ、前記バルク領域よりも大きい酸素不足度を有する局所領域とを含む金属酸化物層と、前記第1の電極、前記第2の電極、及び前記金属酸化物層を覆い、かつ、前記第2の電極の主面の一部を露出させる開口を有する絶縁膜と、を備え、前記金属酸化物層は、第1の電圧が印加されることによって低抵抗状態から高抵抗状態に遷移し、かつ、前記第1の電圧とは異なる第2の電圧が印加されることによって前記高抵抗状態から前記低抵抗状態に遷移する、可逆的な抵抗変化特性を有し、前記金属酸化物層の抵抗値は、水素原子を含有する気体が前記第2の電極に接したときに減少し、前記電源回路は、前記第1の電圧を生成する第1の電源回路と、前記金属酸化物層の前記抵抗値の測定するための検知電圧を生成する第2の電源回路と、を備え、前記金属酸化物層を流れる電流が所定の値以上である場合に、前記第1の電源回路により、前記第1の電極及び前記第2の電極の間に前記第1の電圧を印加して前記金属酸化物層を前記高抵抗状態に再設定するリセットを行い、前記判断部は、最初の前記リセット後に行われる前記リセットの、当該リセットが行われる状態に応じて、前記気体の漏洩が有ると判断する。
101 基板
102 絶縁膜
103 第1の電極
104、204 抵抗膜
105 局所領域
106 第2の電極
107 絶縁膜
107a 開口
107b ビアホール
108 ビア
109 配線
204a 第1の金属酸化物層
204b 第2の金属酸化物層
300 マスク
408 導体膜
700 気体センサシステム
710 ICカード
720 無線I/F回路
730 気体検出装置
740 アンテナ
750 リーダライタ(アクセス装置)
800 燃料電池自動車
810 客室
820 荷室
830 ガスタンク室
831 燃料タンク
840 配管
850 燃料電池室
851 燃料電池
860 モータ室
861 モータ
900 評価システム
910 密閉容器
911 水素ボンベ
912 窒素ボンベ
913、914 導入弁
915 排気弁
920 検知電源(第2の電源回路)
930 電流測定器
940 リセット電源(第1の電源回路)
950 切り替えスイッチ
955 時間設定器
960 カウンタ
970 報知器
980 切替器
1010、1020、1030 気体検出装置
1011 測定回路
1012、1022 電源回路
1023、1033 制御回路(判断部)
Claims (18)
- 気体センサと、前記気体センサに所定の電圧を印加する電源回路と、気体の漏洩の有無を判断する判断部とを備え、
前記気体センサは、
第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極及び前記第2の電極の間に配置され、バルク領域と、前記バルク領域に囲まれ、かつ、前記バルク領域よりも大きい酸素不足度を有する局所領域とを含む金属酸化物層と、
前記第1の電極、前記第2の電極、及び前記金属酸化物層を覆い、かつ、前記第2の電極の主面の一部を露出させる開口を有する絶縁膜と、を備え、
前記金属酸化物層は、第1の電圧が印加されることによって低抵抗状態から高抵抗状態に遷移し、かつ、前記第1の電圧とは異なる第2の電圧が印加されることによって前記高抵抗状態から前記低抵抗状態に遷移する、可逆的な抵抗変化特性を有し、
前記金属酸化物層の抵抗値は、水素原子を含有する気体が前記第2の電極に接したときに減少し、
前記電源回路は、
前記第1の電圧を生成する第1の電源回路と、
前記金属酸化物層の前記抵抗値の測定するための検知電圧を生成する第2の電源回路と、を備え、
前記金属酸化物層を流れる電流が所定の値以上である場合に、前記第1の電源回路により、前記第1の電極及び前記第2の電極の間に前記第1の電圧を印加して前記金属酸化物層を前記高抵抗状態に再設定するリセットを行い、
前記判断部は、最初の前記リセット後に行われる前記リセットの、当該リセットが行われる状態に応じて、前記気体の漏洩が有ると判断する、
気体検出装置。 - 前記判断部は、
最初の前記リセットが行われた後次の前記リセットが行われるまでの待ち時間を設定する時間設定器を有し、
前記時間設定器において設定された前記待ち時間内に再度前記リセットが行われたときに、前記気体の漏洩が有ると判断する、
請求項1に記載の気体検出装置。 - 前記判断部は、
最初の前記リセットが行われた後に行われる前記リセットの回数をカウントするカウンタを有し、
前記カウンタでカウントされた前記リセットの回数が、最初の前記リセットが行われた後所定の期間内に所定の回数以上であるときに、前記気体の漏洩が有ると判断する、
請求項1に記載の気体検出装置。 - 前記所定の回数は、1以上である、
請求項3に記載の気体検出装置。 - 前記判断部は、さらに、前記所定の回数が0であるときに気体の漏洩が有ると判断する第1のモードと、前記所定の回数が1以上であるときに気体の漏洩が有ると判断する第2のモードとを切り替える切替器を有する、
請求項3に記載の気体検出装置。 - 電流測定器をさらに備え、
前記電流測定器は、前記第1の電源回路が前記第1の電極及び前記第2の電極の間に前記検知電圧を印加しているときに、前記第1の電極及び前記第2の電極の間を流れる電流値を前記金属酸化物層を流れる電流として測定する、
請求項1〜5のいずれか一項に記載の気体検出装置。 - 前記検知電圧の絶対値は、前記第1の電圧の絶対値よりも小さい、
請求項1〜6のいずれか一項に記載の気体検出装置。 - 前記電源回路は、前記気体センサを前記第1の電源回路及び前記第2の電源回路のいずれに接続させるかを切り替えるスイッチをさらに備える、
請求項1〜7のいずれか一項に記載の気体検出装置。 - 前記第2の電極の前記主面の前記一部は、前記気体が接触できるように構成されている、
請求項1〜8のいずれか一項に記載の気体検出装置。 - 前記金属酸化物層は、第1の電極に接し、前記バルク領域よりも大きい酸素不足度を有する第1の金属酸化物層と、第2の電極に接し、かつ、前記バルク領域を含む第2の金属酸化物層とを備え、
前記局所領域は、前記第2の電極に接し、かつ、前記第2の金属酸化物層を貫通する、
請求項1〜9のいずれか一項に記載の気体検出装置。 - 前記第2の電極は、前記気体に含まれる分子から前記水素原子を解離させる、
請求項1〜10のいずれか一項に記載の気体検出装置。 - 前記第2の電極は、白金、パラジウム、及び、イリジウムからなる群から選択される少なくとも1種を含有する、
請求項1〜11のいずれか一項に記載の気体検出装置。 - 前記金属酸化物層は、遷移金属酸化物及びアルミニウム酸化物の少なくとも一方を含有する、
請求項1〜12のいずれか一項に記載の気体検出装置。 - 前記遷移金属酸化物は、タンタル酸化物、ハフニウム酸化物、又はジルコニウム酸化物である、
請求項13に記載の気体検出装置。 - 請求項1〜14のいずれか一項に記載の気体検出装置と、
前記気体検出装置と接続され、かつ外部の機器と無線通信可能な無線インタフェース回路と、
前記気体検出装置における金属酸化物層の抵抗値を、前記無線インタフェース回路を介して、無線通信により取得するアクセス装置と、
を備える気体検出システム。 - 客室と、
水素ガスのタンクが配置されたガスタンク室と、
燃料電池が配置された燃料電池室と、
請求項1〜14のいずれか一項に記載の気体検出装置と、
を備え、
前記気体検出装置が、前記ガスタンク室内及び前記燃料電池室内のうちの少なくとも一方に配置されている、
燃料電池自動車。 - 気体センサを用いた気体検出方法であって、
前記気体センサは、
第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極及び前記第2の電極の間に配置され、バルク領域と、前記バルク領域に囲まれ、かつ、前記バルク領域よりも大きい酸素不足度を有する局所領域とを含む金属酸化物層と、
前記第1の電極、前記第2の電極、及び前記金属酸化物層を覆い、かつ、前記第2の電極の主面の一部を露出させる開口を有する絶縁膜と、を備え、
前記気体検出方法は、
前記金属酸化物層の抵抗値の減少を検知することによって、水素原子を含有する気体を検知するステップと、
前記気体を検知した後、前記第1の電極及び前記第2の電極の間に所定の電圧を印加して、前記金属酸化物層の前記抵抗値を増大させる最初のリセットを行うステップと、
前記最初のリセットを行った後、所定の期間内に再度前記リセットが行われたときに、前記気体の漏洩が有ると判断するステップを含む、
気体検出方法。 - 気体センサを用いた気体検出方法であって、
前記気体センサは、
第1の電極と、
第2の電極と、
前記第1の電極及び前記第2の電極の間に配置され、バルク領域と、前記バルク領域に囲まれ、かつ、前記バルク領域よりも大きい酸素不足度を有する局所領域とを含む金属酸化物層と、
前記第1の電極、前記第2の電極、及び前記金属酸化物層を覆い、かつ、前記第2の電極の主面の一部を露出させる開口を有する絶縁膜と、を備え、
前記気体検出方法は、
前記金属酸化物層の抵抗値の減少を検知することによって、水素原子を含有する気体を検知するステップと、
前記気体を検知した後、前記第1の電極及び前記第2の電極の間に所定の電圧を印加して、前記金属酸化物層の前記抵抗値を増大させる最初のリセットを行うステップと、
前記最初のリセットを行った後、所定の期間内に所定の回数再度前記リセットが行われたときに、前記気体の漏洩が有ると判断するステップを含む、
気体検出方法。
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