JP7187139B2 - Catalytic combustion gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、可燃性ガスを検知する接触燃焼式ガスセンサに関する。 The present invention relates to a catalytic combustion gas sensor for detecting combustible gas.
焼結体のガス感応部を持つガスセンサは、半導体式・接触燃焼式・固体電解質などが公知である。これらは、通常、ガス感応部を300℃~700℃に維持した状態でガス検知を行うため、その消費電力は数百mW以上必要であった。 Gas sensors having a sintered body gas sensitive part are well known, such as semiconductor type, catalytic combustion type, and solid electrolyte type. Since these sensors normally detect gases while maintaining the gas sensing part at 300° C. to 700° C., power consumption of several hundred mW or more is required.
近年、電池でガスセンサを長期間駆動するという要望が高まっている。電池の電力消費を抑えると共に電池の交換の頻度をできるだけ少なくするには、ガスセンサの消費電力を低下させることが望ましい。 In recent years, there has been an increasing demand to drive gas sensors with batteries for a long period of time. It is desirable to reduce the power consumption of the gas sensor in order to reduce the power consumption of the battery and to reduce the frequency of battery replacement as much as possible.
そこで、微細加工が可能なMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を利用すれば、微小な部材を加工でき、小型化されて消費電力の低いガス検知素子を製造することができる。 Therefore, if MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology capable of microfabrication is used, minute members can be processed, and gas detection elements that are miniaturized and consume less power can be manufactured.
MEMS技術によって作製された被支持基板部を有するガス検知素子としては、例えば、吊橋型の接触燃焼式ガス検知素子が公知となっている(例えば、特許文献1参照)。 As a gas detection element having a supported substrate portion manufactured by MEMS technology, for example, a suspension bridge type contact combustion type gas detection element is known (see, for example, Patent Document 1).
このタイプの接触燃焼式のガス検知素子は、ガス感応部および加熱手段を設けた被支持基板部が複数の架橋部(被支持基板部及び架橋部を含めて「メンブレン」もしくは「ダイヤフラム」とも呼ばれる)によってシリコン基板等の支持基板部に空中に浮かぶように中空状態で支持されており、該支持基板部と被支持基板部との相互の熱伝達を抑えることができるため、熱絶縁性に優れる。これにより、吊橋型の接触燃焼式ガス検知素子では放熱による温度低下を防いで、低消費電力を実現することができる。 In this type of catalytic combustion type gas detection element, a supported substrate portion provided with a gas sensitive portion and a heating means has a plurality of bridging portions (both the supported substrate portion and the bridging portion are also called "membrane" or "diaphragm"). ) is supported in a hollow state so as to float in the air on a support substrate such as a silicon substrate, and the mutual heat transfer between the support substrate and the supported substrate can be suppressed, resulting in excellent thermal insulation. . As a result, the suspension bridge type catalytic combustion type gas detection element can prevent a temperature drop due to heat radiation, and can realize low power consumption.
接触燃焼式のガス検知素子は、可燃性ガスに対して燃焼反応する検知素子と燃焼反応しない補償素子の2つの素子を有しており、可燃性ガスが存在すると、検知素子側で燃焼するため検知素子温度は上昇し、検知素子の抵抗が増加する。この抵抗変化量を測定することにより、可燃性ガスを検知することができる。接触燃焼式のガス検知素子では、例えば、可燃性ガスの一例として水素が存在する場合、検知素子において燃焼して水が生成される。 A catalytic combustion type gas detection element has two elements, a detection element that reacts with combustion to combustible gas and a compensating element that does not react with combustion. The sensing element temperature increases and the resistance of the sensing element increases. Combustible gas can be detected by measuring the amount of change in resistance. In a catalytic combustion type gas detection element, for example, when hydrogen is present as an example of combustible gas, it is combusted in the detection element to produce water.
本発明者らは、例えば、MEMS技術によって従来よりも小型化された接触燃焼式のガス検知素子では、所定の水素ガス濃度において検知素子の周囲に燃焼によって生成する水滴が付着し、この水滴により検知素子の抵抗を変化させてしまい、検知素子の出力値にばらつきが生じる原因となることを突き止めた。これは、上述したように低消費電力のために小型化された接触燃焼式のガス検知素子に特有の問題である。そのため、接触燃焼式のガス検知素子においては可燃性ガスの燃焼により生成する水の影響を抑制する技術が望まれている。 The present inventors have found that, for example, in a catalytic combustion type gas detection element that is made smaller than before by MEMS technology, water droplets generated by combustion adhere around the detection element at a predetermined hydrogen gas concentration, and the water droplets The inventors have found that the resistance of the sensing element is changed, which causes variations in the output value of the sensing element. This is a problem peculiar to catalytic combustion type gas detection elements that are miniaturized for low power consumption as described above. Therefore, in the catalytic combustion type gas detection element, a technique for suppressing the influence of water generated by combustion of combustible gas is desired.
そこで、本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、可燃性ガスの燃焼により生成する水の影響を抑制することができる接触燃焼式ガスセンサを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a catalytic combustion gas sensor capable of suppressing the influence of water generated by combustion of combustible gas.
本発明の解決しようとする課題は以上の如くであり、次にこの課題を解決するための手段を説明する。 The problems to be solved by the present invention are as described above, and the means for solving the problems will now be described.
即ち、本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいては、可燃性ガスの燃焼熱に応じて抵抗値 が変化する検知素子と、前記可燃性ガスの燃焼によって生成される水を加熱によって除去する加熱除去手段と、前記検知素子が支持される基板と、を備え、前記検知素子は、ガス感応部と当該ガス感応部を加熱するための加熱手段とを有し、前記加熱除去手段は、前記基板に設けられるものである。 That is, the catalytic combustion type gas sensor of the present invention comprises a sensing element whose resistance value changes according to the combustion heat of the combustible gas, and a heating removing means for removing the water produced by the combustion of the combustible gas by heating. and a substrate on which the sensing element is supported, the sensing element having a gas sensing portion and heating means for heating the gas sensing portion, and the heating and removing means being provided on the substrate. It is a thing.
このような構成によれば、可燃性ガスとして、例えば、水素等の可燃性ガスが燃焼して生成する水を除去手段により除去することができるため、水による悪影響を抑制し、可燃性ガスを正確に検知することができる。また、基板上に生成する水を効率的に除去することができる。また、簡単な構成で水を除去することができる。 According to such a configuration, as a combustible gas, for example, water generated by combustion of a combustible gas such as hydrogen can be removed by the removing means, so that the adverse effect of water is suppressed and the combustible gas is removed. can be detected accurately. Also, water generated on the substrate can be removed efficiently. Also, water can be removed with a simple configuration.
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいては、前記検知素子は、前記基板に中空状態で支持されるものである。 Also, in the catalytic combustion gas sensor of the present invention, the sensing element is supported in a hollow state by the substrate.
このような構成によれば、中空状態で検知素子が支持されることで、熱絶縁に優れる。 According to such a configuration, excellent thermal insulation is achieved by supporting the sensing element in a hollow state.
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいては、前記検知素子と並列に接続される補償素子をさらに備え、前記除去手段は、少なくとも前記検知素子の周囲に設けられるものである。 Also, the catalytic combustion gas sensor of the present invention further comprises a compensating element connected in parallel with the detecting element, and the removing means is provided at least around the detecting element.
このような構成によれば、少なくとも可燃性ガスの燃焼により水が生成する検知素子に除去手段を設けることで、効率的に水を除去できる。 According to such a configuration, at least water can be removed efficiently by providing the removal means to the detection element in which water is generated by combustion of the combustible gas.
また、本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいては、前記除去手段は、前記基板における前記可燃性ガスの曝露面側に配置されるものである。 Further, in the catalytic combustion gas sensor of the present invention, the removal means is arranged on the side of the substrate exposed to the combustible gas.
このような構成によれば、基板において可燃性ガスの燃焼により水が生成し易い側となる、可燃性ガスの曝露面側に除去手段を設けることで、効率的に水を除去することができる。 According to such a configuration, water can be removed efficiently by providing the removal means on the side of the substrate exposed to the combustible gas, which is the side on which water is likely to be generated by combustion of the combustible gas. .
本発明の接触燃焼式ガスセンサにおいては、MEMS技術により形成したものである。 The catalytic combustion gas sensor of the present invention is formed by MEMS technology.
このような構成によれば、微細加工が可能なMEMS技術を適用するため、極めて小さな検知素子の製造が可能となる。これにより、平均消費電力の少ない接触燃焼式ガスセンサを得ることができる。 According to such a configuration, since the MEMS technology capable of microfabrication is applied, it is possible to manufacture an extremely small sensing element. As a result, a catalytic combustion gas sensor with low average power consumption can be obtained.
本発明によれば、可燃性ガスとして、例えば、水素等の可燃性ガスが燃焼して生成する水を除去手段により除去することができるため、水による悪影響を抑制し、可燃性ガスを正確に検知することができる。 According to the present invention, as a combustible gas, for example, water generated by combustion of a combustible gas such as hydrogen can be removed by the removing means, so that the adverse effect of water is suppressed and the combustible gas is accurately removed. can be detected.
次に、本発明の一実施形態である接触燃焼式ガスセンサ100について図を参照しながら説明する。
Next, a catalytic
接触燃焼式ガスセンサ100は、可燃性ガスを検知する接触燃焼式ガス検知素子60を備えたガスセンサであり、MEMS技術により形成された小型のガスセンサである。
なお、本実施形態における可燃性ガスとは、燃焼反応によって水が生成するガスのことであり、例えば、水素、メタン、イソブタン、エタン、プロパン等が挙げられる。
The catalytic
In addition, the combustible gas in the present embodiment is a gas in which water is produced by a combustion reaction, and examples thereof include hydrogen, methane, isobutane, ethane, and propane.
接触燃焼式ガスセンサ100は、図3に示すように、被検知ガスである水素ガスなどの可燃性ガスを燃焼させて検知する検知素子1と、環境の変化等、可燃性ガスの燃焼以外の温度変化に基づく、検知素子1の抵抗値の変化を補正する補償素子2と、固定抵抗R1、R2とを有し、これらによりブリッジ回路を構成している。検知素子1は、可燃性ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する。検知素子1と補償素子2とは、並列に接続されてブリッジ回路を構成している。ブリッジ回路は、電源Eによって常時所定の電流を供給し、可燃性ガスが接触燃焼し易い温度に検知素子1を保持している。
As shown in FIG. 3, the catalytic combustion
検知素子1と補償素子2とは、抵抗値が等しくなるように設定してある。このため、可燃性ガスが存在しない場合には、ブリッジ回路は平衡状態となり、センサ出力Vは生じない。一方、可燃性ガスが存在すると、その燃焼によって検知素子1の温度が上昇して抵抗値が大きくなるため、ブリッジ回路の平衡がくずれ、センサ出力Vが生じる。このセンサ出力Vは可燃性ガスの濃度に比例するため、この接触燃焼式ガスセンサ100により空気中の可燃性ガスの濃度を測定することができる。
The
接触燃焼式ガス検知素子60は、図2に示すように、シリコン(Si)基板31と、このシリコン基板31上に形成された絶縁膜Fと、この絶縁膜F上に離間して配置される検知素子1及び補償素子2と、検知素子1及び補償素子2の周囲に配置されるヒーター40を有する。
As shown in FIG. 2, the catalytic combustion type
シリコン基板31は、検知素子1及び補償素子2を支持するための基板である。シリコン基板31には、検知素子1及び補償素子2のそれぞれに対応する位置に凹状で一対の空間Sが設けられている。
A
絶縁膜Fは、薄膜状の1つの絶縁性部材を所定のパターン形状で加工した部材であり、シリコン基板31上に取り付けられる。絶縁膜Fは、ガス感応部11及び加熱手段12を設けるための上面視矩形状の被支持基板部10と、一端が被支持基板部10に連結される複数(本実施形態では4本)の架橋部20と、当該架橋部20の他端が連結される支持基板部30とで構成されている。被支持基板部10は、複数の架橋部20によってシリコン基板31の空間Sの上方に配置され、支持基板部30に吊橋状に保持される。これにより、検知素子1は、空間Sの上方に位置した状態、すなわち、シリコン基板31に中空状態で支持される。
なお、被支持基板部10の上面視の形状は、本実施形態に限らず、円形・楕円形などの形状でもよい。
また、例えば被支持基板部10を正方形とした場合、一辺のサイズは100~200μmである。
The insulating film F is a member obtained by processing one thin-film insulating member into a predetermined pattern shape, and is attached on the
The shape of the supported
Further, for example, when the supported
検知素子1は、ガス感応部11と、当該ガス感応部11を加熱するためのPt等の貴金属線からなる加熱手段12とを有している。ガス感応部11は、加熱手段12を覆って焼結させた金属酸化物を主成分とする焼結体である。ガス感応部11は、触媒担体に貴金属触媒を担持して構成される。貴金属触媒としては、白金、パラジウム等を使用することができる。触媒担体としては、特に限定されないが、例えばアルミナ、シリカアルミナ等を使用することができる。
The
補償素子2は、検知素子1と略同じ構成であり、検知素子1のガス感応部11において貴金属触媒を含まない構成となる補償部13を有している。すなわち、補償部13は、検知素子1で用いられるものと同じ触媒担体のみで構成されている。
The compensating
加熱手段12は、ブロック回路における検出電極と兼用となっている。加熱手段12は、架橋部20・20上に形成される薄膜配線14を介して支持基板部30上に配置されたパッド51、52、53に接続され、パッド51、52、53にはリード(図示せず)がワイヤボンディングされる。当該リード及び薄膜配線14を介して、ガス感応部11が感知した信号は接触燃焼式ガスセンサ100の制御部(図示せず)に送信されるとともに、電源Eにより加熱手段12に電力を供給することができる。
なお、接触燃焼式ガスセンサ100の制御部により、可燃性ガスの存在が確認された後に、一定時間ヒーター40を駆動するように制御して、消費電力を抑えるように構成してもよい。
The heating means 12 also serves as a detection electrode in the block circuit. The heating means 12 is connected to
The control unit of the catalytic combustion
被支持基板部10、加熱手段12、及びガス感応部11は、順に積層され、積層体を構成している。当該積層体のうち、ガス感応部11を除いた各構成はMEMS技術を利用して作製している。MEMS技術は、超微小構造の電子機器システムの製造技術である。当該技術により微細な回路の加工を行うことができる。当該積層体は、MEMS技術を利用して公知の方法により形成できる。
The supported
ヒーター40は、シリコン基板31の可燃性ガスの曝露面側に設けられ、可燃性ガスの燃焼反応によって生成される水を除去する除去手段である。具体的には、ヒーター40は、白金薄膜からなる加熱手段であり、検知素子1及び補償素子2のそれぞれの周囲に所定のパターンで形成され、検知素子1及び補償素子2のそれぞれの周囲を所定の温度に加熱することで水を気化して除去するものである。本実施形態におけるヒーター40は、シリコン基板31の上端面においてパッド51、52、53が配置された部分を除く部分に主に配置されている。
なお、ヒーター40は、検知素子1及び補償素子2のそれぞれの周囲を加熱できるものであれば、本実施形態のパターン形状に限らず、どのようなパターン形状であってもよい。例えば、検知素子1及び補償素子2のそれぞれの周囲において比較的低温となり易い部分にヒーターを部分的に設ける構成としてもよい。
また、ヒーター40は、少なくとも燃焼反応により水が生成する検知素子1の周囲に設ければよい。
また、ヒーター40による加熱温度は、水が気化する温度以上であればよく、例えば、80℃以上が好ましい。
また、ヒーター40による加熱温度は、上記のとおり水が気化する温度以上であればよいが、省電力の観点から、加熱温度はできるだけ低いほうが好ましい。
また、ヒーター40が配置される範囲は、省電力の観点から、できるだけ狭い範囲であるほうが好ましい。
また、ヒーター40による加熱は、常時加熱しても、所定間隔毎に加熱(間欠的に加熱)してもよいが、省電力の観点からは水素などの可燃性ガスが検出された場合(水が生じる可能性が高い場合)のみ加熱を行うようにしてもよい。
The
Note that the
Moreover, the
Moreover, the heating temperature by the
As described above, the heating temperature of the
Moreover, the range in which the
Heating by the
また、ヒーター40の他に水を除去する除去手段としては、例えば、シリコン基板31表面に撥水処理を施してもよく、当該撥水処理とヒーター40を組み合わせた構成であってもよい。
In addition to the
次に、従来のMEMS型の接触燃焼式ガスセンサを用いて高濃度の可燃性ガスを曝露した際の測定結果について説明する。
なお、図4に示すグラフは、縦軸が従来の接触燃焼式ガスセンサのセンサ出力(mV)であり、横軸が時間(sec.)であり、ガス感応部の温度を300℃に維持して爆発下限界(LEL)までの可燃性ガスの濃度を所定時間経過毎に増加させていったものである。
Next, measurement results when a conventional MEMS-type catalytic combustion gas sensor is used and exposed to a high-concentration combustible gas will be described.
In the graph shown in FIG. 4, the vertical axis is the sensor output (mV) of the conventional catalytic combustion type gas sensor, and the horizontal axis is time (sec.). The concentration of combustible gas up to the lower explosive limit (LEL) is increased every time a predetermined time elapses.
従来のMEMS型の接触燃焼式ガスセンサに所定環境下(設定環境条件:20℃/60%RH)で高濃度水素を曝露させた場合、応答波形が乱れる現象が観察された(図4(a)参照)。しかし、この応答波形の乱れは高温・低湿(設定環境条件:80℃/0%RH)の環境下で測定することによって、図4(b)に示すように改善されることが分かった。高濃度の水素を従来のMEMS型の接触燃焼式ガスセンサに曝露させた場合、検知素子の燃焼反応により検知素子の周囲に水が生成していることを確認できている。これらの現象は水素の燃焼によって生成される水が検知素子の周囲に吸着・脱離(気化)した際の吸着・蒸発熱によるものと推測される。 When a conventional MEMS-type catalytic combustion gas sensor was exposed to high-concentration hydrogen under a predetermined environment (set environmental conditions: 20°C/60% RH), a phenomenon was observed in which the response waveform was disturbed (Fig. 4(a)). reference). However, it was found that the disturbance of the response waveform was improved as shown in FIG. It has been confirmed that when a conventional MEMS type catalytic combustion gas sensor is exposed to high-concentration hydrogen, water is generated around the sensing element due to the combustion reaction of the sensing element. These phenomena are presumed to be due to heat of adsorption/evaporation when water generated by combustion of hydrogen is adsorbed/desorbed (vaporized) around the sensing element.
本実施形態に係る接触燃焼式ガス検知素子60においては、検知素子1及び補償素子2の周囲を覆うようにヒーター40を所定のパターンで形成することにより、生成した水の吸着を妨げ、高濃度水素曝露時の応答波形の乱れを解決することができる。
In the catalytic combustion type
以上のように、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、可燃性ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する検知素子1と、可燃性ガスの燃焼によって生成される水を除去する除去手段と、を備えたものである。これにより、可燃性ガスとして、例えば、水素等の可燃性ガスが燃焼して生成する水を除去手段により除去することができるため、水による悪影響を抑制し、可燃性ガスを正確に検知することができる。
As described above, the catalytic
また、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、検知素子1が支持されるシリコン基板31をさらに備え、除去手段がシリコン基板31に設けられるものである。これにより、シリコン基板31上に生成する水を効率的に除去することができる。
Further, the catalytic
また、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、検知素子1がシリコン基板31に中空状態で支持されるものであるため、熱絶縁に優れる。
In addition, the catalytic
また、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、検知素子1と並列に接続される補償素子2をさらに備え、除去手段は、少なくとも検知素子1の周囲に設けられるものである。これにより、少なくとも可燃性ガスの燃焼により水が生成する検知素子1に除去手段を設けることで、効率的に水を除去できる。
Further, the catalytic combustion
また、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、除去手段が加熱により水を除去するヒーター40である。これにより、簡単な構成で水を除去することができる。
Further, in the catalytic
また、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、除去手段がシリコン基板31における前記可燃性ガスの曝露面側に配置されるものである。
Further, in the catalytic combustion
このような構成によれば、シリコン基板31において可燃性ガスの燃焼により水が生成し易い側となる、可燃性ガスの曝露面側に除去手段を設けることで、効率的に水を除去することができる。
According to such a configuration, water can be efficiently removed by providing the removal means on the side of the
また、本実施形態の接触燃焼式ガスセンサ100は、MEMS技術により形成したものである。これにより、微細加工が可能なMEMS技術を適用するため、極めて小さな接触燃焼式ガス検知素子60の製造が可能となる。これにより、平均消費電力の少ない接触燃焼式ガスセンサ100を得ることができる。
Further, the catalytic
本発明は、可燃性ガスの燃焼熱に応じて抵抗値が変化する検知素子を備えた接触燃焼式ガスセンサに利用できる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can be used for a catalytic combustion gas sensor provided with a sensing element whose resistance value changes according to the combustion heat of combustible gas.
1 検知素子
31 シリコン基板
40 ヒーター
60 接触燃焼式ガス検知素子
100 接触燃焼式ガスセンサ
Claims (5)
前記可燃性ガスの燃焼によって生成される水を加熱によって除去する加熱除去手段と、
前記検知素子が支持される基板と、 を備え、
前記検知素子は、ガス感応部と当該ガス感応部を加熱するための加熱手段とを有し、
前記加熱除去手段は、前記基板に設けられる 接触燃焼式ガスセンサ。 a sensing element whose resistance value changes according to the combustion heat of the combustible gas;
Water generated by combustion of the combustible gasHeat removal means for removal by heatingWhen,
a substrate on which the sensing element is supported; with
The sensing element has a gas sensing portion and heating means for heating the gas sensing portion,
The heating removal means is provided on the substrate. Catalytic combustion gas sensor.
前記除去手段は、少なくとも前記検知素子の周囲に設けられる請求項1または2に記載の接触燃焼式ガスセンサ。 further comprising a compensating element connected in parallel with the sensing element;
3. The catalytic combustion gas sensor according to claim 1 , wherein said removing means is provided at least around said sensing element.
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