JP7126238B2 - Combustible gas analysis method - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサ群及び可燃性ガスの分析方法に関する。 The present invention relates to a gas sensor group and a combustible gas analysis method.
生活環境には、様々なニオイ成分が存在する。これらのニオイ成分の殆どは、極微量の有機分子であり、揮発性有機化合物(VOC)と呼ばれる。VOCには、様々な性質を有する化合物が存在する。室内には、建材、内装、家具等からの放散、居住者による化粧品、芳香剤等の使用等により、合計で数十から百数十ppbに相当する様々な低濃度のVOCが存在する。このため、特定のVOCを検知する生活環境には、通常、一定濃度の水蒸気と、低濃度の揮発性不純物が存在する。 Various odor components exist in the living environment. Most of these odor components are very small amounts of organic molecules and are called volatile organic compounds (VOC). VOCs include compounds with various properties. Various low-concentration VOCs, equivalent to several tens to hundreds of ppb in total, exist indoors due to emissions from building materials, interior decoration, furniture, etc., and use of cosmetics, air fresheners, etc. by residents. For this reason, a certain concentration of water vapor and a low concentration of volatile impurities are usually present in a living environment in which a particular VOC is detected.
例えば、医療分野において、呼気中に含まれるVOCは、口臭、代謝、疾患との関連性が指摘されており、呼気中のVOCと、健康状態に相関があるとされている。また、食品分野において、食品から発するニオイに相当するVOCと、鮮度や品質に相関があるとされている。このため、特定のVOCのモニタリングは、健康状態や食品の管理に有効である。ただし、特定のVOCは、室内で検知されることになり、室内には、揮発性不純物が存在するため、揮発性不純物に影響されずに、特定のVOCを検知する必要がある。 For example, in the medical field, it has been pointed out that VOCs contained in exhaled breath are related to bad breath, metabolism, and diseases, and that VOCs in exhaled breath are correlated with health conditions. In the field of foods, it is said that there is a correlation between VOCs, which correspond to odors emitted from foods, and freshness and quality. Therefore, monitoring specific VOCs is useful for health and food management. However, specific VOCs are detected indoors, and volatile impurities are present indoors. Therefore, it is necessary to detect specific VOCs without being affected by volatile impurities.
その一方、VOCに代表される可燃性ガスを検知するため、金属酸化物n型半導体による半導体式ガスセンサが従来から利用されている。半導体式センサは、価格やランニングコストが低い。代表的な半導体式ガスセンサは、酸化スズセンサであり、感応部を構成する酸化スズ粒子の表面に大気中の酸素が吸着し、キャリア電子が吸着酸素に補足されることで、粒界のポテンシャル障壁が増大し、粒界の電気抵抗が増大する。このため、酸化スズ粒子の表面に可燃性ガスが到達し、表面の吸着酸素を消費することで、粒界のポテンシャル障壁が減少し、電気抵抗が減少する。ここで、酸化スズセンサは、所謂、粒界応答型半導体式ガスセンサに分類される。 On the other hand, in order to detect combustible gases represented by VOC, a semiconductor gas sensor using a metal oxide n-type semiconductor has been conventionally used. Semiconductor sensors are inexpensive and have low running costs. A typical semiconductor-type gas sensor is a tin oxide sensor. Oxygen in the air is adsorbed on the surface of the tin oxide particles that make up the sensitive part, and carrier electrons are captured by the adsorbed oxygen. increases, increasing the electrical resistance of grain boundaries. Therefore, the combustible gas reaches the surface of the tin oxide particles and consumes the oxygen adsorbed on the surface, thereby reducing the potential barrier of the grain boundary and reducing the electrical resistance. Here, the tin oxide sensor is classified as a so-called grain boundary responsive semiconductor gas sensor.
しかしながら、粒界応答型半導体式ガスセンサは、その性質上、ガス選択性を発現するのが難しい。 However, it is difficult for the grain boundary responsive semiconductor gas sensor to exhibit gas selectivity due to its nature.
このような状況で、揮発性不純物を含む室内で、特定の可燃性ガスを検知することが可能なガスセンサ群を開発することが望まれている。 Under these circumstances, it is desired to develop a group of gas sensors capable of detecting specific combustible gases in a room containing volatile impurities.
そこで、半導体式ガスセンサを代表とするガスセンサを複数有するガスセンサ群から得られるシグナルの主成分分析等の統計解析を実施する方法が検討されている。 Therefore, methods of performing statistical analysis such as principal component analysis of signals obtained from a gas sensor group having a plurality of gas sensors typified by semiconductor gas sensors have been studied.
個々のガスセンサで、特定の可燃性ガスのみを検知するのは、その性質上、難しいが、複数のガスセンサから得られるシグナルの統計解析を実施すると、一定の傾向が得られる(例えば、特許文献1~3参照)。 Due to its nature, it is difficult to detect only a specific combustible gas with individual gas sensors. 3).
しかしながら、揮発性不純物を含む加湿空気中の可燃性ガスを充分に分離検知することができない。 However, it is not possible to sufficiently separate and detect combustible gases in humidified air containing volatile impurities.
特許文献4には、複数種の粒界応答型の半導体式ガスセンサと、1種以上のバルク応答型の半導体式ガスセンサを有するガスセンサ群が開示されている。
一般に、ガスセンサ群を小型化することが望まれている。ここで、ガスセンサ群を小型化するためには、ガスセンサ群を構成する複数のガスセンサを同一の基板上に配置することが考えられるが、このためには、複数のガスセンサの駆動温度が近いことが好ましい。 Generally, it is desired to miniaturize the gas sensor group. Here, in order to reduce the size of the gas sensor group, it is conceivable to dispose the plurality of gas sensors constituting the gas sensor group on the same substrate. preferable.
しかしながら、バルク応答型の半導体式ガスセンサは、一般に、粒界応答型の半導体式ガスセンサよりも駆動温度が高いため、ガスセンサ群を小型化しにくい。 However, the bulk-response semiconductor gas sensor is generally driven at a higher temperature than the grain-boundary-response semiconductor gas sensor, making it difficult to reduce the size of the gas sensor group.
本発明の一態様は、小型化しやすく、揮発性不純物を含む加湿空気中の可燃性ガスを充分に分離検知することが可能なガスセンサ群を提供することを目的とする。 An object of one aspect of the present invention is to provide a gas sensor group that can be easily miniaturized and that can sufficiently separate and detect combustible gases in humidified air containing volatile impurities.
本発明の一態様は、複数種のn型半導体型の半導体式ガスセンサ素子と、1種以上のp型半導体型の半導体式ガスセンサ素子を有し、前記n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子のうちの少なくとも1種と、前記p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子のうちの少なくとも1種が同一の基板上に配置されているガスセンサを含み、前記基板の下面には、ヒータパターンが形成され、前記ヒータパターンは、その一部に発熱する発熱箇所を有し、前記n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子及び前記p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子のうち、最適温度の高い前記半導体式ガスセンサ素子は、前記基板の前記発熱箇所の真上に配置され、最適温度の低い前記半導体式ガスセンサ素子は、前記基板の前記発熱箇所から外れた箇所に配置され、可燃性ガスの検知に用いられるガスセンサ群を用いて、可燃性ガスを分析する方法であって、前記複数種のn型半導体型の半導体式ガスセンサ素子と、前記1種以上のp型半導体型の半導体式ガスセンサ素子が1種以上の可燃性ガスを検知して応答した応答値を得る工程と、前記複数種のn型半導体型の半導体式ガスセンサ素子と、前記1種以上のp型半導体型の半導体式ガスセンサ素子の前記応答値を主成分分析する工程と、を含み、前記応答値を主成分分析することにより得られる、前記n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子の固有ベクトルは、第1主成分の軸に平行方向を示し、前記p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子の固有ベクトルは、第2主成分の軸に平行方向を示す。
One aspect of the present invention has a plurality of types of n-type semiconductor semiconductor gas sensor elements and one or more types of p-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements, and the n-type semiconductor type semiconductor gas sensor element includes: a gas sensor in which at least one of the p-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements and at least one of the p-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements are arranged on the same substrate; a heater pattern is formed on the lower surface of the substrate; The heater pattern has a heat generating portion that generates heat in a part thereof, and the semiconductor gas sensor element having the highest optimum temperature among the n-type semiconductor gas sensor element and the p-type semiconductor semiconductor gas sensor element. is arranged directly above the heat-generating portion of the substrate, and the semiconductor gas sensor element having a low optimum temperature is arranged away from the heat-generating portion of the substrate, and is used for detecting combustible gas. , wherein the plurality of n-type semiconductor semiconductor gas sensor elements and the one or more p-type semiconductor semiconductor gas sensor elements contain at least one combustible gas sensor element. a step of detecting a gas and obtaining a response value; , wherein the eigenvector of the n-type semiconductor type semiconductor gas sensor element obtained by principal component analysis of the response value indicates a direction parallel to the axis of the first principal component, and the p The eigenvector of the semiconducting gas sensor element of the semiconducting type indicates a direction parallel to the axis of the second principal component .
本発明の一態様により、小型化しやすく、揮発性不純物を含む加湿空気中の可燃性ガスを充分に分離検知することが可能なガスセンサ群を提供することができる。 According to one aspect of the present invention, it is possible to provide a gas sensor group that can be easily miniaturized and that can sufficiently separate and detect combustible gases in humidified air containing volatile impurities.
次に、本発明を実施するための形態を説明する。 Next, the form for implementing this invention is demonstrated.
[ガスセンサ群]
本実施形態のガスセンサ群は、可燃性ガスの検知に用いられ、複数種のn型半導体型の半導体式ガスセンサ素子と、1種以上のp型半導体型の半導体式ガスセンサ素子を有する。本実施形態のガスセンサ群は、検知原理の異なる粒界応答型の半導体式ガスセンサ素子を用いることで、後述する主成分分析の精度を向上させることができる。また、本実施形態のガスセンサ群は、n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子と、p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子の駆動温度の差が小さく、同一の基板上に配置することができる。
[Gas sensor group]
The gas sensor group of the present embodiment is used for detecting combustible gas, and has a plurality of types of n-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements and one or more types of p-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements. The gas sensor group of the present embodiment uses grain boundary responsive semiconductor gas sensor elements with different detection principles, thereby improving the accuracy of principal component analysis, which will be described later. In addition, in the gas sensor group of the present embodiment, the n-type semiconductor type semiconductor gas sensor element and the p-type semiconductor type semiconductor gas sensor element have a small difference in driving temperature, and can be arranged on the same substrate.
本願明細書及び特許請求の範囲において、可燃性ガスを、気体として存在し得る物質であり、半導体式ガスセンサ素子で検知することが可能なガスと定義する。即ち、可燃性ガスは、後述する半導体式ガスセンサ素子を構成する金属酸化物(粒子)の表面で酸化することが可能な物質である。 In the specification and claims of this application, combustible gas is defined as a substance that can exist as a gas and that can be detected by a semiconductor gas sensor element. That is, the combustible gas is a substance that can be oxidized on the surface of the metal oxide (particles) constituting the semiconductor type gas sensor element, which will be described later.
可燃性ガスとしては、VOC等の有機化合物、硫化水素、水素、一酸化炭素等の無機化合物が挙げられる。 Combustible gases include organic compounds such as VOCs, and inorganic compounds such as hydrogen sulfide, hydrogen, and carbon monoxide.
VOCとしては、脂肪族炭化水素、芳香族炭化水素、エステル、アルコール、アルデヒド、ケトン、テルペン、ハロゲン化炭化水素等が挙げられる。中でも、ノナナール、デカン、アセトン、アセトイン等の患者の呼気に含まれる成分が好ましい。アセトイン、ノナナール、デカンは肺がん患者の呼気に、アセトンは糖尿病患者の呼気に相関があると報告されている。以下に報告例を示す:アセトイン(G. Songa, et al., Lung Cancer 67 (2010) 227-231)、ノナナール(P. Fuchs et al., Int. J. Cancer 126 (2010) 2663-2670.)、デカン(D. Poli et al., Respiratory Research 6 (2005) 71-80.)、アセトン(C. Wang, et al., IEEE Sens. J. 10 (2010) 54-63.)
本実施形態において、n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子は、n型半導体の金属酸化物粒子で感応部が構成されている。金属酸化物粒子の表面に、大気中の酸素が吸着してキャリア電子を補足することで、金属酸化物粒子の粒界の自由電子濃度が減少し、電気抵抗が増大した状態になる。金属酸化物粒子の表面に可燃性ガスが到達して酸化すると、その過程で表面の吸着酸素を消費するため、粒界の自由電子濃度が増大し、電気抵抗が減少した状態になる。電気抵抗の減少量は、到達する可燃性ガスの種類や濃度に依存する。このため、金属酸化物粒子の表面は、酸素だけでなく水分子も吸着する。大気中の湿度が変化すると、金属酸化物粒子の表面に吸着する水分子の量が変化し、金属酸化物粒子の表面に吸着する酸素分子の量に影響を与える。その結果、n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子は、湿度の変化の影響を受けやすい。
VOCs include aliphatic hydrocarbons, aromatic hydrocarbons, esters, alcohols, aldehydes, ketones, terpenes, halogenated hydrocarbons and the like. Among them, nonanal, decane, acetone, acetoin, and other components contained in patient's breath are preferred. It has been reported that acetoin, nonanal, and decane are correlated with lung cancer patient's breath, and acetone with diabetes patient's breath. Examples reported are: acetoin (G. Songa, et al., Lung Cancer 67 (2010) 227-231), nonanal (P. Fuchs et al., Int. J. Cancer 126 (2010) 2663-2670. ), Decane (D. Poli et al., Respiratory Research 6 (2005) 71-80.), Acetone (C. Wang, et al., IEEE Sens. J. 10 (2010) 54-63.)
In the present embodiment, the semiconductor gas sensor element of the n-type semiconductor type has a sensing portion made of metal oxide particles of the n-type semiconductor. Oxygen in the air is adsorbed on the surface of the metal oxide particles to supplement carrier electrons, thereby reducing the concentration of free electrons at the grain boundaries of the metal oxide particles and increasing the electrical resistance. When the combustible gas reaches the surface of the metal oxide particles and oxidizes them, the adsorbed oxygen on the surfaces is consumed in the process, so that the concentration of free electrons at the grain boundaries increases and the electrical resistance decreases. The amount of decrease in electrical resistance depends on the type and concentration of the combustible gas that reaches it. Therefore, the surface of the metal oxide particles adsorbs not only oxygen but also water molecules. When the atmospheric humidity changes, the amount of water molecules adsorbed on the surface of the metal oxide particles changes, which affects the amount of oxygen molecules adsorbed on the surface of the metal oxide particles. As a result, the n-type semiconductor type semiconductor gas sensor element is susceptible to changes in humidity.
本実施形態において、p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子は、p型半導体の金属酸化物粒子で感応部が構成されている。金属酸化物粒子の表面に、大気中の酸素が吸着してキャリア電子を補足することで、金属酸化物粒子の粒界の正孔濃度が増大し、電気抵抗が減少した状態になる。金属酸化物粒子の表面に可燃性ガスが到達して酸化すると、その過程で表面の吸着酸素を消費するため、粒界の正孔濃度が減少し、電気抵抗が増大した状態になる。電気抵抗の減少量は、到達する可燃性ガスの種類や濃度に依存する。金属酸化物粒子の表面における酸素のやりとりが電気抵抗に影響を与えることは、n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子と類似するが、p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子は、水分子よりも酸素分子の方が吸着されやすいので、p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子は、湿度の変化の影響を受けにくい。 In the present embodiment, the p-type semiconductor type semiconductor gas sensor element has a sensing portion made of p-type semiconductor metal oxide particles. Oxygen in the air is adsorbed on the surface of the metal oxide particles to supplement carrier electrons, thereby increasing the hole concentration at the grain boundaries of the metal oxide particles and reducing the electrical resistance. When the combustible gas reaches the surface of the metal oxide particles and oxidizes them, the adsorbed oxygen on the surfaces is consumed in the process, so that the hole concentration at the grain boundaries decreases and the electrical resistance increases. The amount of decrease in electrical resistance depends on the type and concentration of the combustible gas that reaches it. The effect of the exchange of oxygen on the surface of the metal oxide particles on the electrical resistance is similar to that of the n-type semiconductor type semiconductor gas sensor element. Molecules are more likely to be adsorbed, so the p-type semiconductor type semiconductor gas sensor element is less susceptible to changes in humidity.
p型半導体型の金属酸化物は、ランタン鉄酸化物(LaFeO3)であることが好ましい。これにより、p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子の駆動温度と、n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子の駆動温度の差を特に小さくすることができる。 The p-type semiconducting metal oxide is preferably lanthanum iron oxide (LaFeO 3 ). As a result, the difference between the drive temperature of the p-type semiconductor type semiconductor gas sensor element and the drive temperature of the n-type semiconductor type semiconductor gas sensor element can be particularly reduced.
なお、p型半導体型の金属酸化物粒子に、貴金属触媒粒子が担持されることで、可燃性ガスに対する応答特性を制御することができる。 It should be noted that the response characteristics to the combustible gas can be controlled by supporting the noble metal catalyst particles on the p-type semiconductor metal oxide particles.
貴金属としては、特に限定されないが、白金、パラジウム、金、銀、ロジウム、ルテニウム等が挙げられ、2種以上併用してもよい。これらの中でも、白金、金、パラジウムの併用が好ましい。 Examples of noble metals include, but are not limited to, platinum, palladium, gold, silver, rhodium, ruthenium, and the like, and two or more of them may be used in combination. Among these, combined use of platinum, gold and palladium is preferred.
本実施形態のガスセンサ群は、n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子のうちの少なくとも1種と、p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子のうちの少なくとも1種が同一の基板上に配置されているガスセンサを含む。 In the gas sensor group of the present embodiment, at least one of the n-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements and at least one of the p-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements are arranged on the same substrate. Includes gas sensor.
このとき、ガスセンサは、基板を直接加熱することが可能なヒータを有することが好ましい。これにより、同一の基板上に配置されている半導体式ガスセンサ素子を駆動することができる。 At this time, the gas sensor preferably has a heater capable of directly heating the substrate. As a result, the semiconductor gas sensor elements arranged on the same substrate can be driven.
[可燃性ガスの分析方法]
本実施形態の可燃性ガスの分析方法は、本実施形態のガスセンサ群を用いて、可燃性ガスを分析する方法であり、複数種のn型半導体型の半導体式ガスセンサ素子と、1種以上のp型半導体型の半導体式ガスセンサ素子が1種以上の可燃性ガスを検知して応答した応答値を得る工程を含む。
[Method for analyzing combustible gas]
The combustible gas analysis method of the present embodiment is a method of analyzing combustible gas using the gas sensor group of the present embodiment. A p-type semiconductor type semiconductor gas sensor element detects one or more combustible gases and obtains a response value in response.
本実施形態の可燃性ガスの分析方法は、複数種のn型半導体型の半導体式ガスセンサ素子と、1種以上のp型半導体型の半導体式ガスセンサ素子の応答値から成るデータを主成分分析する工程をさらに含むことが好ましい。これにより、加湿空気中の1種以上の可燃性ガスを充分に分離検知することができる。 In the combustible gas analysis method of the present embodiment, principal component analysis is performed on data consisting of response values of a plurality of types of n-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements and one or more types of p-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements. It is preferable to further include a step. As a result, one or more combustible gases in the humidified air can be sufficiently separated and detected.
本実施形態の可燃性ガスの分析方法は、例えば、医療分野では、呼気を検知することにより、健康状態を管理するシステム、食品分野では、食品を管理するシステムに適用することができる。 The combustible gas analysis method of the present embodiment can be applied to, for example, a health management system in the medical field and a food management system in the food field by detecting breath.
以下に、本発明の実施例を説明するが、本発明は、以下の実施例によって、何ら限定されるものではない。 Examples of the present invention are described below, but the present invention is not limited to the following examples.
[実施例1]
実施例1では、6種のn型半導体型の半導体式ガスセンサ素子(2種のSnO2+M(SnO2+M(1)、SnO2+M(2))、ZnO、ZnO+M、FeZrO、FeZrO+M)と、2種のp型半導体型の半導体式ガスセンサ素子(LaFeO3、LaFeO3+M)の合計8種のガスセンサ素子を用いた。具体的には、上面に櫛型電極を4個、下面にヒータパターンを有するガスセンサ用の基板(図1、2参照)2枚に、それぞれ異なる4個の半導体式ガスセンサ素子を搭載した小型のガスセンサ2個からなるガスセンサ群を作製した。
[Example 1]
In Example 1, six types of n-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements (two types of SnO 2 +M (SnO 2 +M(1), SnO 2 +M(2)), ZnO, ZnO+M, FeZrO, FeZrO+M), A total of eight types of gas sensor elements including two types of p-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements (LaFeO 3 and LaFeO 3 +M) were used. Specifically, a compact gas sensor in which four different semiconductor gas sensor elements are mounted on two gas sensor substrates (see FIGS. 1 and 2) having four comb-shaped electrodes on the upper surface and a heater pattern on the lower surface. A gas sensor group consisting of two pieces was produced.
以下、用いた8種のガスセンサ素子について説明する。 The eight types of gas sensor elements used are described below.
SnO2+M(1)、SnO2+M(2)は、それぞれ産業技術総合研究所で作製した、Pt、Pd及びAuが各1質量%添加されているSnO2を感応部とするガスセンサ素子である(Sens. Actuators B 187(2013)135-141参照)。ここで、様々なVOCに対して、一定の感度を示すようにするため、SnO2にPt、Pd及びAuを添加して高度化している。SnO2+M(1)、SnO2+M(2)は、製法を調整することにより、感応部の厚さが異なる。SnO2+M(1)、SnO2+M(2)の感応部の厚さを直接測定することはできないが、同様の製法で作製したSnO2+M(1)、SnO2+M(2)の厚さは、それぞれ4.6μm及び2.8μmであった。このため、SnO2+M(1)、SnO2+M(2)は、応答特性が異なる。なお、SnO2+M(1)、SnO2+M(2)は、上記文献に記載されている方法に従って作製した。 SnO 2 +M(1) and SnO 2 +M(2) are gas sensor elements having SnO 2 as a sensitive part to which 1 mass % each of Pt, Pd and Au are added, respectively, manufactured by the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology. (See Sens. Actuators B 187 (2013) 135-141). Here, Pt, Pd and Au are added to SnO 2 to improve it so that it exhibits a certain sensitivity to various VOCs. SnO 2 +M(1) and SnO 2 +M(2) differ in the thickness of the sensing part by adjusting the manufacturing method. Although the thickness of the sensitive part of SnO 2 +M(1) and SnO 2 +M(2) cannot be directly measured, the thickness of SnO 2 +M(1) and SnO 2 +M(2) produced by the same manufacturing method were 4.6 μm and 2.8 μm, respectively. Therefore, SnO 2 +M(1) and SnO 2 +M(2) have different response characteristics. SnO 2 +M(1) and SnO 2 +M(2) were prepared according to the method described in the above literature.
ZnO、ZnO+Mは、それぞれ産業技術総合研究所で作製した、ZnOを感応部とするガスセンサ素子、Pt、Pd及びAuが各1質量%添加されているZnOを感応部とするガスセンサ素子である。ここで、ZnOは、酸化セリウム粒子の製法(Sensors 2015, 15, 9427-9437参照)を参考にして、硝酸亜鉛水溶液に水酸化ナトリウム水溶液を滴下して水酸化亜鉛の沈殿物を得た後、カーボンパウダーと均一に混合し、焼成することで、作製した。ZnO+Mは、SnO2+Mと同様にして、作製した。 ZnO and ZnO+M are a gas sensor element with ZnO as a sensitive part and a gas sensor element with ZnO as a sensitive part to which 1 mass % each of Pt, Pd and Au are added, respectively, which were produced by the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology. Here, ZnO is obtained by adding an aqueous sodium hydroxide solution dropwise to an aqueous zinc nitrate solution to obtain a precipitate of zinc hydroxide, with reference to the method for producing cerium oxide particles (see Sensors 2015, 15, 9427-9437). It was prepared by uniformly mixing with carbon powder and firing. ZnO+M was prepared in the same manner as SnO 2 +M.
FeZnO、FeZnO+Mは、それぞれ産業技術総合研究所で作製した、Fe2O3とZnOの混合物を感応部とするガスセンサ素子、Pt、Pd及びAuが各1質量%添加されている、Fe2O3とZnOの混合物を感応部とするガスセンサ素子である。ここで、FeZnOは、酸化セリウム粒子の製法(Sensors 2015, 15, 9427-9437参照)を参考にして、硝酸鉄と硝酸ジルコニルの混合水溶液にアンモニア水を滴下して混合水酸化物の沈殿物を得た後、カーボンパウダーを均一に混合し、焼成することで、作製した。FeZnO+Mは、SnO2+Mと同様にして、作製した。 FeZnO and FeZnO+M are gas sensor elements each having a sensitive part made of a mixture of Fe 2 O 3 and ZnO , manufactured by the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology. and ZnO as a sensitive part. Here, FeZnO is prepared by dropping ammonia water into a mixed aqueous solution of iron nitrate and zirconyl nitrate to form a mixed hydroxide precipitate, referring to the method for producing cerium oxide particles (see Sensors 2015, 15, 9427-9437). After obtaining, carbon powder was uniformly mixed and fired to produce. FeZnO+M was prepared in the same manner as SnO 2 +M.
LaFeO3、LaFeO3+Mは、それぞれ産業技術総合研究所で作製した、LaFeO3を感応部とするガスセンサ素子、Pt、Pd及びAuが各1質量%添加されているLaFeO3を感応部とするガスセンサ素子である。ここで、LaFeO3は、酸化セリウム粒子の製法(Sensors 2015, 15, 9427-9437参照)を参考にして、硝酸鉄と硝酸ランタンの混合水溶液にアンモニア水を滴下して混合水酸化物の沈殿物を得た後、カーボンパウダーを均一に混合し、焼成することで、作製した。LaFeO3+Mは、SnO2+Mと同様にして、作製した。LaFeO3、LaFeO3+Mは、可燃性ガスの存在下で電気抵抗が増大する応答を示すことから、p型半導体型の半導体式センサに分類される。 LaFeO 3 and LaFeO 3 +M are respectively gas sensor elements having LaFeO 3 as a sensing element and a gas sensor having LaFeO 3 as a sensing element to which 1% by mass each of Pt, Pd and Au are added, both of which were manufactured by the National Institute of Advanced Industrial Science and Technology. element. Here, LaFeO 3 is obtained by adding ammonia water dropwise to a mixed aqueous solution of iron nitrate and lanthanum nitrate, with reference to the method for producing cerium oxide particles (see Sensors 2015, 15, 9427-9437) to obtain a mixed hydroxide precipitate. After obtaining, carbon powder was uniformly mixed and baked. LaFeO 3 +M was prepared in the same manner as SnO 2 +M. LaFeO 3 and LaFeO 3 +M are classified as p-type semiconductor type semiconductor sensors because they exhibit a response in which electrical resistance increases in the presence of combustible gas.
以上の8種のガスセンサ素子は、基板の最高温度が概ね300℃となるように駆動させた。図2に示す基板の下面のヒータパターンは、白金の厚膜であり、図中、左から3mm程度を境に、左側のパターンは、右側の2本の太い配線よりも配線が細くなっており、電流密度が増大するため、左のパターンは発熱する。なお、右側の2本の細い配線は、4端子法で電圧を制御する配線である。図1に示す基板の上面の4個の櫛型電極は、左側の2個の櫛型電極が発熱箇所の真上になり、右側の2個の櫛型電極が発熱箇所から外れた箇所にある。これにより、駆動温度に差をつけることができ、最適温度の高いガスセンサ素子を左側に、最適温度の低いガスセンサ素子を右側に配置することで、同一の基板に最適温度の異なるガスセンサ素子を配置することができる。 The eight types of gas sensor elements described above were driven so that the maximum temperature of the substrate was about 300.degree. The heater pattern on the lower surface of the substrate shown in FIG. 2 is a thick film of platinum. In the drawing, the pattern on the left is thinner than the two thick wires on the right with a border of about 3 mm from the left. , the pattern on the left heats up because the current density increases. Note that the two thin wires on the right side are wires for controlling the voltage by the four-terminal method. Of the four comb-shaped electrodes on the upper surface of the substrate shown in FIG. 1, the two comb-shaped electrodes on the left are directly above the heat-generating locations, and the two comb-shaped electrodes on the right are located away from the heat-generating locations. . As a result, the driving temperature can be differentiated, and by arranging the gas sensor element with the higher optimum temperature on the left side and the gas sensor element with the lower optimum temperature on the right side, the gas sensor elements with different optimum temperatures can be arranged on the same substrate. be able to.
図3に、本実施例で使用した計測システムのガスフロー図を示す。 FIG. 3 shows a gas flow diagram of the measurement system used in this example.
2個のガスセンサは、ガス雰囲気の制御が可能なセンサ室1に入れて密閉した。
The two gas sensors were placed in a
次に、センサ室1へ流すガスについて具体的に説明する。
Next, the gas that flows into the
まず、計測中のセンサ室1に流す窒素・酸素混合ガスの総流量は、常に500mL/minとなるようにした。次に、計測中のセンサ室1に流す窒素と酸素の体積比は、常に4:1となるようにした。即ち、窒素の流量は、400mL/minとなり、酸素の流量は100mL/minとなる。このうち、窒素は、200mL/minを蒸留水の入った水バブラー2に通じ、酸素は、全量の100mL/minを蒸留水の入った水バブラー2に通じた。ここで、水バブラー2は、水温が常に20℃となるように制御した。即ち、窒素200mL/min及び酸素100mL/minは、水蒸気で飽和されており、乾燥状態の窒素200mL/minと混合されて、センサ室1に到達するため、センサ室1に到達した時の窒素・酸素混合ガスの湿度は、20℃換算で60%RHに相当する(以下、これを合成空気と表記する)。
First, the total flow rate of the nitrogen-oxygen mixed gas flowing into the
本実施例で用いたターゲットVOCは、アセトイン、ノナナール、デカン、アセトンの4種であり、センサ室1に到達した時の濃度が1ppmとなるように調整した。
The four target VOCs used in this example were acetoin, nonanal, decane, and acetone, and were adjusted so that the concentration when reaching the
これらのターゲットVOCは、窒素ベースのガスボンベからのガス、又は、溶媒からガスを作製するガス発生器3としての、パーミエーター(ガステック社製)に窒素ガスを通じて作製した。具体的には、アセトンが前者に該当し、アセトイン、ノナナール、デカンが後者に該当する。これらのターゲットVOCを流す際には、流したガスの流量に相当する分、乾燥状態の窒素の流量を減じることで、ガスの総流量500mL/min、窒素と酸素の体積比4:1を常に維持した。
These target VOCs were produced by passing nitrogen gas through a gas from a nitrogen-based gas cylinder or a permeator (manufactured by Gastech) as a
主成分分析は、ガスセンサの応答値Sを用いた。なお、n型半導体型の半導体式センサ素子の応答値Sは、式
S=Ra/Rg
(式中、Raは、合成空気を流したときのガスセンサの電気抵抗であり、Rgは、1ppmのターゲットVOCを含む合成空気を流したときのガスセンサの電気抵抗である。)
により定義される。
The principal component analysis used the response value S of the gas sensor. The response value S of the semiconductor type sensor element of the n-type semiconductor type is expressed by the formula S=Ra/Rg
(Wherein, Ra is the electrical resistance of the gas sensor when synthetic air is flowed, and Rg is the electrical resistance of the gas sensor when synthetic air containing 1 ppm target VOC is flowed.)
defined by
n型半導体型の半導体式センサ素子は、ターゲットVOCに対して、電気抵抗が減少する応答を示すのに対し、p型半導体型の半導体式センサ素子は、ターゲットVOCに対して、電気抵抗が増大する応答を示す。そのため、p型半導体型の半導体式センサ素子の応答値Sは、式
S=Rg/Ra
により定義される。
The n-type semiconductor sensor element responds with a decrease in electrical resistance to the target VOC, whereas the p-type semiconductor sensor element exhibits an increase in electrical resistance to the target VOC. indicates the response to Therefore, the response value S of the semiconductor sensor element of the p-type semiconductor type is expressed by the formula S=Rg/Ra
defined by
8種の半導体式ガスセンサ素子を用いて、4種のターゲットVOCをそれぞれ2回計測した。得られた64個の応答値Sを用いて主成分分析を実施した。 Four types of target VOCs were each measured twice using eight types of semiconductor type gas sensor elements. A principal component analysis was performed using the 64 response values S obtained.
図4に、第1主成分及び第2主成分による主成分得点と固有ベクトルを示す。各軸に各主成分の寄与率を示す。 FIG. 4 shows principal component scores and eigenvectors of the first principal component and the second principal component. Each axis shows the contribution rate of each principal component.
図4から、第2主成分までの累積寄与率が87.8%であることがわかる。これは、半導体式ガスセンサ素子8種のうち、7.024種分(=8種×0.878)の価値が集約されていることを示す。図4に示す通り、アセトイン、ノナナール、デカン、アセトンの間の主成分得点が分離されており、充分に分離検知できることがわかる。 From FIG. 4, it can be seen that the cumulative contribution rate up to the second principal component is 87.8%. This indicates that the value of 7.024 types (=8 types×0.878) out of the 8 types of semiconductor gas sensor elements is concentrated. As shown in FIG. 4, the principal component scores among acetoin, nonanal, decane, and acetone are separated, and it can be seen that they can be sufficiently separated and detected.
なお、図4中の矢印が示す各半導体式ガスセンサ素子の固有ベクトル(ただし、ZnOとSnO2+M(2)の矢印は重なっている)に着目すると、n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子に分類される6種の固有ベクトルは、概ね第1主成分の軸に平行方向か、やや右肩下がりの方向に平行である。これに対し、p型半導体の半導体式センサ素子に分類される2種の固有ベクトルは、n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子の固有ベクトルに対し、概ね直交する方向で第2主成分の軸に概ね平行方向を示している。このことから、第2主成分の軸方向の分解能は、概ねp型半導体型の半導体式センサ素子が担っており、主成分得点の分離性の向上に寄与していると考えられる。 Note that when focusing on the eigenvector of each semiconductor gas sensor element indicated by the arrow in FIG. 4 (however, the arrows of ZnO and SnO 2 +M(2) overlap), it can be classified as an n-type semiconductor type semiconductor gas sensor element. The six types of eigenvectors are generally parallel to the axis of the first principal component, or parallel to the direction slightly downward to the right. On the other hand, the two types of eigenvectors classified as semiconductor sensor elements of p-type semiconductor are substantially parallel to the axis of the second principal component in a direction substantially perpendicular to the eigenvector of the semiconductor gas sensor element of n-type semiconductor. showing direction. From this, it is considered that the resolution in the axial direction of the second principal component is generally provided by the p-type semiconductor type semiconductor sensor element, which contributes to the improvement of the separability of the principal component scores.
[比較例1]
比較例1では、6種のn型半導体型の半導体式ガスセンサ素子(SnO2+Mの2種、ZnO、ZnO+M、FeZrO、FeZrO+M)を用いた。なお、比較例1は、実施例1から、p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子を除去したものに相当する。
[Comparative Example 1]
In Comparative Example 1, six types of n-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements (two types of SnO 2 +M, ZnO, ZnO+M, FeZrO, and FeZrO+M) were used. Comparative Example 1 corresponds to Example 1 with the p-type semiconductor type semiconductor gas sensor element removed.
図5に、第1主成分及び第2主成分による主成分得点と固有ベクトルを示す。各軸に各主成分の寄与率を示す。 FIG. 5 shows principal component scores and eigenvectors of the first principal component and the second principal component. Each axis shows the contribution rate of each principal component.
図5から、第2主成分までの累積寄与率が94.8%であることがわかる。これは、ガスセンサ6種のうち、5.688種分(=6種×0.948)の価値が集約されていることを示す。また、図5から、実施例1(図4参照)と比較して、アセトンの主成分得点(▽)とノナナールの主成分得点(□)が近接していることがわかる。具体的には、アセトンとノナナールの主成分得点の第2主成分が、図4では正負に分かれていたが、図5では共に負であり、値もほぼ同一である。これは、実施例1で概ね第2主成分の軸方向の分解能を担っていたp型半導体型の半導体式ガスセンサの情報が失われたことに由来していると考えられる。 It can be seen from FIG. 5 that the cumulative contribution rate up to the second principal component is 94.8%. This indicates that the values of 5.688 types (= 6 types x 0.948) of the 6 types of gas sensors are aggregated. In addition, it can be seen from FIG. 5 that the principal component score (▽) of acetone and the principal component score (□) of nonanal are close to each other as compared with Example 1 (see FIG. 4). Specifically, although the second principal components of the principal component scores of acetone and nonanal were divided into positive and negative in FIG. 4, they are both negative in FIG. 5, and the values are almost the same. This is thought to be due to the fact that the information of the p-type semiconductor type semiconductor gas sensor, which was mainly responsible for the resolution of the second principal component in the axial direction in Example 1, was lost.
1 センサ室
2 水バブラー
3 ガス発生器
4 弁
5 ニードル弁を有する流量計
6 三方弁
7 クロスオーバー四方弁
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子のうちの少なくとも1種と、前記p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子のうちの少なくとも1種が同一の基板上に配置されているガスセンサを含み、
前記基板の下面には、ヒータパターンが形成され、
前記ヒータパターンは、その一部に発熱する発熱箇所を有し、
前記n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子及び前記p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子のうち、最適温度の高い前記半導体式ガスセンサ素子は、前記基板の前記発熱箇所の真上に配置され、最適温度の低い前記半導体式ガスセンサ素子は、前記基板の前記発熱箇所から外れた箇所に配置され、
可燃性ガスの検知に用いられるガスセンサ群を用いて、可燃性ガスを分析する方法であって、
前記複数種のn型半導体型の半導体式ガスセンサ素子と、前記1種以上のp型半導体型の半導体式ガスセンサ素子が1種以上の可燃性ガスを検知して応答した応答値を得る工程と、
前記複数種のn型半導体型の半導体式ガスセンサ素子と、前記1種以上のp型半導体型の半導体式ガスセンサ素子の前記応答値を主成分分析する工程と、
を含み、
前記応答値を主成分分析することにより得られる、前記n型半導体型の半導体式ガスセンサ素子の固有ベクトルは、第1主成分の軸に平行方向を示し、前記p型半導体型の半導体式ガスセンサ素子の固有ベクトルは、第2主成分の軸に平行方向を示すことを特徴とする可燃性ガスの分析方法。 having a plurality of types of n-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements and at least one type of p-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements,
a gas sensor in which at least one of the n-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements and at least one of the p-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements are arranged on the same substrate;
A heater pattern is formed on the lower surface of the substrate,
The heater pattern has a heat generating portion that generates heat in a part thereof,
Of the n-type semiconductor type semiconductor gas sensor element and the p-type semiconductor type semiconductor gas sensor element, the semiconductor type gas sensor element having a higher optimum temperature is arranged directly above the heat generating portion of the substrate, and is the semiconductor type gas sensor element having a low coefficient of
A method for analyzing combustible gas using a group of gas sensors used for detecting combustible gas,
a step of obtaining a response value in response to detection of one or more combustible gases by the plurality of n-type semiconductor semiconductor gas sensor elements and the one or more p-type semiconductor semiconductor gas sensor elements ;
a step of principal component analysis of the response values of the plurality of types of n-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements and the one or more types of p-type semiconductor type semiconductor gas sensor elements ;
including
The eigenvector of the n-type semiconductor type semiconductor gas sensor element obtained by principal component analysis of the response value indicates a direction parallel to the axis of the first principal component, and the eigenvector of the p-type semiconductor type semiconductor gas sensor element is A combustible gas analysis method, wherein the eigenvector indicates a direction parallel to the axis of the second principal component .
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