KR20020034980A - 가스검출센서 - Google Patents

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KR20020034980A
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다다히로 오미
오가와 슈우헤이
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Abstract

본 발명은 가스검출센서의 구조를 간소화함과 아울러 H2O나 O2의 존재하에 있어서 피검출가스 내의 가연성 가스의 농도나 가연성 가스를 함유한 피검출가스 내의 산소가스의 농도를 고정밀도로 검출할 수 있도록 하는 것을 주된 목적으로 하는 것이다. 상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 가연성 가스의 접촉반응에 의한 센서의 발열에 의해 가연성 가스의 검출신호를 발신하도록 한 가스검출센서에 있어서, 피검출가스가 접촉하는 가스접촉면에 백금코팅피막을 보유하는 다이어프램과, 상기 다이어프램의 가스비접촉면에 2가지의 이종금속의 일단측을 각각 근접시켜서 고착한 열전대로 이루어지고, 가연성 가스의 접촉반응에 의해 가열되는 제1검출센서와, 피검출가스가 접촉하는 가스접촉면을 갖는 다이어프램과, 상기 다이어프램의 가스비접촉면에 2가지의 이종금속의 일단측을 각각 근접시켜서 고착한 열전대로 이루어지고, 피검출가스의 온도를 검출하는 제2검출센서로 구성된다.

Description

가스검출센서{GAS DETECTION SENSOR}
가연성 가스의 검출센서로서는 종전부터 접촉반응식(또는 접촉연소식) 가스검출센서나 반도체식 가스검출센서, 열전도도식 가스검출센서가 널리 이용되고 있다. 그중에서도 접촉반응식 가스검출센서는 수명 및 안정성이 우수하기 때문에 수소가스 등의 검출에 수많이 사용되고 있다.
도 10은 종전의 접촉반응식 가스검출센서의 센서소자(A)의 일례를 나타내는 것이다. 이 센서소자(A)는 백금선(직경 약 20㎛)의 코일(B)에 촉매담체(C)로 되는 알루미나 또는 실리카알루미나와 고착제와의 혼합물을 소결하고, 이것에 백금 등의 촉매(D)를 담지시킴으로써 구성되어 있다.
상기 센서소자(A)의 사용시에는 도 11에 나타낸 바와 같이, 센서소자(A)와 불활성 물질을 소결시킨 온도보상소자(Ao)로 브리지회로를 조성하고, 미리 센서소자(A)에 적당한 전압을 가하여 이것을 약 250℃ 이상의 온도로 예열하여 둔다. 그리고, 이 예열된 센서소자(A)에 수소가스 등의 가연성 가스가 접촉되면 촉매(D)의촉매작용에 의해서 수소가스 등이 접촉반응을 일으켜 센서소자(A)가 가열된다. 이것에 의해서 센서소자(A)의 전기저항이 증대되는 결과, 브리지회로의 평형이 붕괴되어 전위차가 발생하고, 지시계(E)가 흔들린다. 이 지시계(E)의 흔들림의 크기로부터 센서소자(A)에 있어서의 발열량, 즉 피검출 가스내의 가연성 가스의 농도가 판독된다.
상기 도 10의 센서소자(A)는, (a) 가연성 가스에 대한 선택적으로 우수한 것, (b) 공존하는 H2O의 영향을 받기 어려운 것, (c) 폭발하한계에 가까운 가스농도(수소가스의 경우 1~4% 정도)의 측정에 적합한 것 등의 우수한 이점을 보유하고 있다.
그러나, 도 10의 센서소자(A)는 센서소자(A)의 온도를 항상 250℃ 이상으로 유지하지 않으면 안되고, 또한 가연성 가스의 검출중은 동작온도가 더욱 상승한다. 그 때문에 센서소자(A)가 가연성 가스에 대한 착화원이 되는 일이 있으므로, 안전성을 확보하기 위하여 200메시 정도의 금속망이나 소결금속 등으로써 센서소자(A)를 씌움으로써 센서소자(A)를 방폭구조로 할 필요가 있다. 즉, 도 10의 센서소자(A)에는 안전성의 점에 큰 문제가 있다.
또, 이 종류의 센서소자(A)는 상술한 바와 같이 촉매담체(C) 내에 촉매(D)를 담지하는 구성으로 되어 있기 때문에, 촉매활성의 안정성이라는 점에 기본적인 문제가 있다. 특히, 가연성 가스의 연소에 의한 촉매의 싱터나 가연성 가스의 불완전연소에 의해 발생한 카본의 촉매활성도에 미치는 영향은 아직 충분히 해석되어 있지 않고, 또, 고농도의 H2O나 O2의 공존하에서의 이 종의 센서소자(A)의 사용 실적은 거의 발견되지 않는다.
또한, 이 종의 센서소자(A)는 촉매담체(C)의 내부 세정이 곤란하고, 그 때문에 고청정도가 요구되는 반도체 제조프로세스에 있어서는 사용할 수 없다고 하는 문제가 있다.
이와 같이, 고농도의 H2O나 O2의 공존하에서의 접촉반응식 가연성 가스검출 센서소자(A)의 사용은, 신뢰성 등의 점에서 큰 문제가 남아 있다. 또, 이것은 반도체식 가연성 가스검출센서나 열전도도식 가연성 가스센서의 사용에 있어서도 마찬가지이다. 또한, 이 종의 센서소자(A)는 원리적으로는 가연성 가스중의 산소검출용 센서로서도 사용이 가능한 것이지만, 실현에는 상기 신뢰성 등의 문제때문에 실용화되어 있지 않고, 그 사용실적도 거의 발견되지 않는다.
즉, 종전의 접촉반응식 가연성 가스검출용 센서소자(A)는 사용시간의 경과와 아울러 촉매활성도, 즉 H2가스의 검출감도가 크게 저하되게 된다. 그때문에, 예컨대 반도체 제조용 수분발생 반응로의 수분취출라인 내에서의 미반응 수소가스의 농도 검출 등에는 신뢰성의 점에서 도저히 이용할 수 없다. 또한, 이것은 상기한 반도체식의 수소가스 검출용 센서나 열전도도식 수소가스 검출용 센서의 경우도 마찬가지인 것이 실험에 의해 확인되어 있다.
또, 반도체 제조용 수분발생로에 있어서는 수소가스가 과잉한 상태에서 수분을 발생시키는 사용방법을 하는 경우가 있고, 이 경우에는 수분취출라인 내의 수소를 함유한 발생수분 내의 미반응 산소가스의 농도를 검출할 필요가 있지만, 종전의 센서소자(A)는 이들 경우에 이용하는 것이 불가능하다.
한편, 본건 출원인은 종전의 접촉반응식 가연성 가스검출용 센서소자(A)의 문제점을 해결하는 것으로서, 먼저 도 12에 나타낸 바와 같은 구성의 가연성 가스검출기를 개발하고, 일본 특허출원 평9-186383호로서 이것을 공개하고 있다.
해당 가연성 가스검출기는 가연성 가스검출센서(20)와 검출기 본체(30) 등으로 형성되어 있고, 전자의 가연성 가스검출센서(20)는 백금코팅 촉매를 실시한 제1검출센서(21)와, 피검출가스의 온도를 검출하는 제2검출센서(22)와, 센서유지부(23) 등으로 형성되어 있다.
또, 후자의 검출기 본체(30)는 제1검출센서(21)로부터의 온도신호를 검지하는 제1온도검출기(31)와, 제2검출센서(22)로부터의 온도신호를 검지하는 제2온도검출기(32)와, 양자의 검출온도를 각각 표시하는 제1온도표시부(33) 및 제2온도표시부(34)와, 양자의 검출온도의 차를 검출하는 온도차 검출기(35)와, 검출기(35)로부터의 차온도를 표시하는 온도차 표시부(36) 등으로 구성되어 있다.
그리고, 상기 가연성 가스검출센서(20)는 보통 도 13에 나타낸 바와 같이 가스공급관(37)에 설치한 방폭용 금속메시체(38)를 구비한 T자형 분기관(39) 내로, 센서유지부(23)를 기밀형상으로 삽입부착함으로써 양 검출센서(21, 22)를 공급관(37) 내로 배치 고정한 상태에서 사용에 공급되고 있다.
해당 도 12 및 도 13에 나타낸 가연성 가스검출기는 응답성이나 가스농도의 검출정밀도에 우수하고, 또한 검출가스의 유량이 변한 경우에도 간단히 검출값의교정이 가능함과 동시에, 검출감도의 경년변화도 비교적 적다는 우수한 실용적 효용을 갖는 것이다.
그러나, 해당 가연성 가스검출기에도 해결해야 할 문제가 많아 남아 있고, 그중에서도 특히 해결이 시급한 문제는 배관로 내를 흐르는 고순도 가스의 오염 손상의 방지와, 검출정밀도의 안정성 확보와, 안전성 확보의 점이다.
즉, 고순도 가스 내로 삽입부착되는 제1검출센서(21) 및 제2검출센서(22)에는 열전대가 사용되어 있고, 또한 가연성 가스의 접촉반응에 의해서 가열되는 제1검출센서(21)의 외표면에는 TiN 등의 배리어피막을 통하여 백금촉매피막이 코팅되어 있다.
그런데, 열전대를 형성하는 금속(예를 들면 크로멜·알루멜)과 TiN 등의 배리어피막과의 사이의 고착력은 비교적 경년변화를 받기 쉽고, 그 결과 제1검출센서(21)의 백금촉매피막의 탈락에 의해서 고순도 가스가 오염 손상되거나, 혹은 백금촉매피막의 부분적인 박리에 의해서 촉매반응성이 저하되거나 하게 된다.
또, 제1검출센서(21)의 열전대로서 귀금속 계통의 것, 예컨대 백금·로듐계의 열전대를 사용하고, 유체 그 자체의 온도를 검출하기 위한 제2검출센서(22)의 쪽을 백금·로듐의 외표면을 TiN 등의 배리어피막에 의해서 씌우는 구성으로 한 가스검출센서의 경우에는, 경년변화에 의한 배리어피막의 박리탈락은 발생하지 않는다.
그러나, 귀금속계의 열전대는 비교적 고가인데다가 기계적 강도나 가공성의 점에도 문제가 있어, 실용화를 도모하기 어렵다는 문제가 있다.
본 발명은 가연성 가스나 가연성 가스 내의 산소가스 검출센서의 개량에 관한 것이고, 각종 생산장치나 생산설비의 안전확보나 반도체 제조용 순수 내의 수소가스, 반도체 제조용 가스내의 수소가스 검출 등에 이용되는 것에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 관한 가연성 가스의 검출센서를 사용한 가스검출기의 블록구성도,
도 2는 제1검출센서의 종단면도,
도 3은 제2검출센서의 종단면도,
도 4는 제1검출센서를 센서본체에 부착한 상태를 나타내는 종단면도,
도 5는 가연성 가스검출기의 검출기 본체의 다른 실시형태를 나타내는 블록선도,
도 6은 본 발명에 관한 검출센서의 H2농도와 센서출력온도와의 관계의 일례를 나타내는 선도,
도 7은 H2농도와 센서출력온도와의 관계의 일례를 나타내는 선도,
도 8은 O2농도와 센서출력온도와의 관계의 일례를 나타내는 선도,
도 9는 본 발명에 관한 검출센서의 응답성의 일례를 나타내는 선도,
도 11은 도 10의 센서소자를 사용한 가연성 가스검출기의 회로도,
도 12는 선출원에 관한 가연성 가스검출기의 전체 구성도,
도 13은 선출원에 관한 가연성 가스검출기의 부착상태를 나타내는 단면개요도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
A1·A2: 열전대용 금속 G : 피검출가스
1 : 가연성 가스검출기 2 : 검출센서
3 : 검출기 본체 3a : 제1온도검출기
3b : 제2온도검출기 3c : 제1온도표시부
3d : 제2온도표시부 3e : 온도차 검출기
3f : 온도차 표시부 4 : 접속용 케이블
4a·4b : 커넥터 5 : 제1검출센서
5a : 다이어프램 베이스 5b : 다이어프램
5c : 배리어피막 5d : 백금코팅피막
5e : 열전대 5e' : 시스체
5e" : 플랜지체 6 : 제2검출센서
7 : 센서본체 7a : 가스입구
7b : 가스출구 7c : 가스통로
7d : 제1검출센서 삽입구멍 7e : 제2검출센서 삽입구멍
7f : 배관접속용 부재 7g : 센서부착용 부재
7h : 센서부착용 볼트 8 : 열전대 유지체
9 : 시일링 10 : 전위차계
본 발명은 도 12에 나타낸 형식의 가스검출센서에 있어서의 상술한 바와 같은 문제, 즉 (a) 비금속계의 열전대를 사용한 경우에는 백금촉매피막과 열전대 형성재와의 사이의 고착력이 경년적으로 저하하고, 백금촉매피막의 박리에 의한 고순도 가스의 오염, 손상이나 촉매반응성의 저하가 발생하는 것, (b) 귀금속계의 열전대를 사용한 경우에는 가스검출센서의 제조비용의 인하를 도모하기 어려운 것, 및 (c) 센서의 가공이 곤란한데다가 기계적 강도도 비교적 낮아, 제조비용의 인하를 도모하기 어려운 것 등의 문제를 해결하고자 하는 것이다. 그리고, 본원발명은 고순도 가스의 오염, 손상이나 검출정밀도의 경년변화를 발생하지 않고, 안전성에도 우수하며, 더욱이 비교적 저렴하게 제조할 수 있도록 한 가스검출센서를 제공하는 것을 발명의 주된 목적으로 하는 것이다.
본원 발명자 등은 반도체의 제조에 사용되는 수분발생용 반응로의 개발을 오랜세월에 걸쳐 진행하고 있지만, 이 수분발생용 반응로의 개발 과정에 있어서, 스테인레스강제의 반응로 본체의 내벽면에 형성한 백금촉매층의 안정화, 즉 촉매성능의 경년변화의 방지에 성공을 하였다.
그래서, 본원 발명자 등은 수분발생 반응로에 있어서의 백금촉매층의 형성기술을 가연성 가스검출센서로 응용함으로써 촉매성능의 열화가 적고 신뢰성이 높으며, 또한 안전성이 우수한 가연성 가스검출센서를 저가로 얻을 수 있는 것을 착상하였다.
또, 본원 발명자등은 상술한 바와 같은 착상에 기초하여, 열전대의 변화에의해서 발생하는 출력의 변화를, 가연성 가스의 농도의 검출요소로 하는 것을 상정하고, 각종 형식의 열전대를 이용하여 가연성 가스검출센서로서의 모든 특성을 테스트함과 아울러, 그 결과에 대하여 상세한 검토를 하였다.
본원 발명은 상술한 바와 같은 과정을 거쳐 창작된 것으로, 청구항 1에 기재된 발명은, 가연성 가스의 접촉반응에 의한 센서의 발열에 의해 가연성 가스의 검출신호를 발신하도록 한 가스검출센서에 있어서, 유통되는 피검출가스가 접촉하는 가스접촉면에 백금코팅피막을 보유하는 다이어프램과, 상기 다이어프램의 가스접촉면과 반대측의 가스비접촉면에 2가지의 이종금속의 일단측을 각각 근접시켜서 고착한 열전대로 이루어지고, 가연성 가스의 접촉반응에 의해 가열되는 제1검출센서와, 유통되는 피검출가스가 접촉하는 가스접촉면을 갖는 다이어프램과, 상기 다이어프램의 가스접촉면과 반대측의 가스비접촉면의 2가지 이종금속의 일단측을 각각 근접시켜서 고착한 열전대로 이루어지고, 유통되는 피검출가스의 온도를 검출하는 제2검출센서를 발명의 기본구성으로 하는 것이다.
청구항 2의 발명은, 가연성 가스의 접촉반응에 의한 센서의 발열에 의해 가연성 피검출가스 내의 산소가스의 검출신호를 발신하도록 한 검출센서에 있어서, 유통되는 피검출가스가 접촉하는 가스접촉면에 백금코팅피막을 갖는 다이어프램과, 상기 다이어프램의 가스접촉면과 반대측의 가스비접촉면에 2가지의 이종금속 일단측을 각각 근접시켜서 고착한 열전대로 이루어지고, 유통되는 가연성 가스의 접촉반응에 의해 가열되는 제1검출센서와, 유통되는 피검출가스가 접촉하는 가스접촉면을 갖는 다이어프램과, 상기 다이어프램의 가스접촉면과 반대측의 가스비접촉면에2가지의 이종금속 일단측을 각각 근접시켜서 고착한 열전대로 이루어지고, 유통되는 피검출가스의 온도를 검출하는 제2검출센서를 발명의 기본구성으로 하는 것이다.
청구항 3의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2의 발명에 있어서, 제1검출센서 및 제2검출센서의 다이어프램을 스테인레스강제로 함과 아울러, 양 다이어프램의 가스접촉면에 배리어피막을 형성하도록 한 것이다.
청구항 4의 발명은, 청구항 3의 발명에 있어서 배리어피막을 산화물 또는 질화물로 이루어지는 배리어피막으로 한 것이다.
청구항 5의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2의 발명에 있어서 각 열전대를 크로멜·알루멜로 이루어지는 열전대로 한 것이다.
청구항 6의 발명은, 청구항 1 또는 청구항 2의 발명에 있어서, 피검출가스의 입구 및 출구와, 입구 및 출구를 연통하는 가스통로, 가스통로에 연통하는 제1검출센서 삽입구멍 및 제2검출센서 갑입구멍을 설치한 스테인레스강 센서본체의 상기 각 검출센서 삽입구멍 내로, 제1검출센서의 다이어프램 및 제2검출센서의 다이어프램을, 그 가스접촉면을 가스통로측으로 향하여 각각 삽입부착하고, 상기 각 삽입구멍을 내부로 삽입부착한 상기 각 다이어프램에 의해 기밀하게 밀봉하도록 한 것이다.
이하, 도면에 의거하여 본 발명의 실시형태를 설명한다.
도 1은 본 발명에 관한 가연성 가스의 검출센서(2)를 사용한 가연성 가스검출기의 블록구성도이고, 도 2는 제1가스검출센서(5)의 종단면도, 도 3은 제2가스검출센서(6)의 종단면도, 도 4는 가스검출센서(5)의 센서본체(7)로의 부착상태를 나타내는 부분확대단면도이다.
도 1을 참조하여, 본 발명에 관한 가연성 가스검출기(1)는 가연성 가스의 검출센서(2)와 검출기 본체(3) 양자의 사이를 연결하는 접속케이블(4)로 형성되어 있다.
상기 가연성 가스의 검출센서(2)는, 뒤에 서술하는 바와 같이 백금코팅 촉매피막을 구비한 제1검출센서(5)와, 피검출가스의 온도를 검출하는 제2검출센서(6)와 센서본체(7) 등으로 형성되어 있다.
또한, 센서본체(7)는 스테인레스강(SUS316L)에 의해 블록형상으로 형성되어 있고, 가연성 가스입구(7a), 가연성 가스출구(7b), 가연성 가스통로(7c), 제1검출센서 삽입구멍(7d), 제2검출센서 삽입구멍(7e) 등이 각각 형성되어 있다. 또한, 도 1에 있어서 7f는 배관접속용 부재, 7g는 센서부착용 부재, 7h는 센서부착용 볼트이다.
상기 검출기 본체(3)는 제1검출센서(5)로부터의 온도신호를 검지하는 제1온도검출기(3a)와, 제2검출센서(6)로부터의 온도신호를 검지하는 제2온도검출기(3b)와, 양자의 검출온도를 각각 표시하는 제1온도표시부(3c) 및 제2온도표시부(3d)와, 양자의 검출온도의 차를 검출하는 온도차 검출기(3e)와, 온도차 검출기(3e)로부터의 온도차를 표시하는 온도차 표시부(3f) 등으로 구성되어 있다.
또한, 상기 접속케이블(4)은 그 양단에 커넥터부(4a, 4b)가 설치되어 있어, 가연성 가스의 검출센서(2)와 검출기 본체(3) 사이를 전기적으로 착탈가능하게 연결한다.
또, 도 1의 실시형태에서는 검출기 본체(3)에 제1온도표시부(3c) 및 제2온도표시부(3d)를 구비하고, 양 검출센서(5, 6)의 검출온도를 각각 개별로 표시하도록하고 있지만, 온도차(가연성 가스농도)의 표시부(3f)만을 설치한 것이어도 좋고, 또는 온도차의 표시부(3f)에 가연성 가스농도 경보발신부(도시생략)를 구비한 것이어도 좋으며, 검출기 본체(3)의 구성은 어떠한 것이어도 된다.
상기 제1검출센서(5)는 도 2에 나타낸 바와 같이 스테인레스강(SUS316L)제의 다이어프램 베이스(5a)와, 이것과 일체적으로 형성된 다이어프램(5b)과, 다이어프램(5b)의 가스접촉면(외표면)에 형성된 배리어피막(5c)과, 배리어피막(5c)의 외표면에 형성된 백금코팅피막(5d)과, 다이어프램(5b)의 가스비접촉면(이면측)으로 각각 근접시켜서 2가지의 이종금속의 일단측을 고착한 열전대(5e)로 구성되어 있다.
또한, 도 2에 있어서, 8은 열전대의 유지체이고, 열전대(5e)의 시스체(5e')를 플랜지체(5e")를 통하여 유지 고정하는 것이다.
상기 다이어프램 베이스(5a)는 스테인레스강(SUS316L)에 의해 링형상으로 형성되어 있고, 그 외주면에는 밀봉용 링(도시하지 않음)의 결합단부(5a')가 형성되어 있다.
또, 상기 다이어프램(5b)은 다이어프램 베이스(5a)와 일체로 형성되어 있고, 두께 약 1㎜로 형성된 것에 랩핑(lapping)연마 등을 실시함으로써 두께 약 0.1~0.3㎜(내경 약 10~20㎜Φ)로 마무리 되어 있다.
상기 배리어피막(5c)은 TiN에 의해 형성되어 있고, 다이어프램(5b)의 가스접촉면에 두께 약 2㎛ 두께의 TiN피막이 형성되어 있다.
상기 배리어피막(5c)을 형성할 때에는, 우선 다이어프램(5b)의 외표면(가스접촉면)에 적절한 표면처리를 실시하고, 스테인레스강 표면에 자연형성되어 있는각종 금속의 산화막이나 부동태 막을 제거한다. 다음에 TiN에 의한 배리어피막(5c)의 형성을 행한다. 본 실시형태에 있어서는 이온플레이팅공법에 의해 두께 약 2㎛의 TiN피막을 형성하고 있다.
또한, 상기 배리어피막(5c)의 재질로서는 TiN 외에 TiC, TiCN, TiAlN 등의 질화막이나 Cr2, O3, SiO2등의 산화막을 사용하는 것이 가능하다. 또, 배리어피막(5c)의 두께는 0.1㎛~5㎛정도가 적당하다. 왜냐하면, 두께가 0.1㎛ 이하이면 배리어 기능이 충분히 발휘되지 않고, 또 역으로 두께가 5㎛를 초과하면 배리어피막 그 자체의 형성에 수고가 들고 또한 가열시의 팽창차 등이 원인이 되어 배리어피막의 박리 등을 발생할 우려가 있기 때문이다.
또한, 배리어피막(5c)의 형성방법으로서는, 상기 이온플레이팅공법 이외에, 이온스패터링법이나 진공증착법 등의 PVD법이나 화학증착법(CVD법), 고온프레스법, 용사법 등을 사용하는 것도 가능하다.
상기 제1검출센서(5)의 다이어프램(5b)의 가스접촉면에 설치한 백금코팅피막(5d)은 배리어피막(5c)의 윗쪽에 형성된 두께 약 0.2㎛정도의 백금피막이고, 상기 배리어피막(5c)의 형성이 종료되면 계속하여 그 위에 백금코팅피막(5d)을 형성한다. 본 실시형태에 있어서는 이온플레이팅공법에 의해 두께 약 0.2㎛의 백금코팅피막(5d)이 형성되어 있다.
상기 백금코팅피막(5d)의 두께는 0.1㎛~3㎛정도가 적당하다. 왜냐하면, 두께가 0.1㎛ 이하인 경우에는 장기에 걸쳐서 촉매활성을 발휘하는 것이 곤란하게 되고, 또 역으로 두께가 3㎛ 이상으로 되면, 백금코팅피막(5d)의 형성비가 고등한데다가 3㎛ 이상의 두께로 하여도 촉매활성도나 그 유지기간에 거의 차이가 없고, 또한 가열시에 팽창차 등에 의해서 박리를 발생할 우려가 있기 때문이다.
또, 백금코팅피막(5d)의 형성방법은, 이온플레이팅공법 이외에 이온스패터링법, 진공증착법, 화학증착법, 고온프레스법 등이 사용가능하고, 또한, 배리어피막(5c)이 TiN 등의 도전성이 있는 물질일 때에는 도금법도 사용가능하다.
상기 열전대(5e)는 2가지의 이종금속(A1·A2)으로 형성되어 있고, 양 금속(A1·A2)의 일단측은 다이어프램(5b)의 이면측(가스비접촉면)으로 근접상태(약 0.1~0.2㎜의 간격위치)로 고착되어 있고, 또, 양 금속(A1·A2)의 타단측은 시스체(5e')에 의해 보호된 상태로 외부로 인출되어 있다.
또한, 본 실시형태에 있어서는 열전대(5e)로서 비금속계의 알루멜·크로멜계 열전대(5e)가 이용되고 있다.
상기 열전대 유지체(8)는 열전대(5e)를 유지 고정하는 것이고, 열전대(5e)의 시스체(5e')에 설치한 플랜지체(5e")를 해당 유지체(8)에 고정함으로써 열전대(5e)의 시스체(5e')를 유지고정하는 구조로 하고 있다.
또한, 열전대 유지체(8)의 구성은 열전대(5e)의 시스체(5e')를 유지고정할 수 있는 것이면 어떠한 구조의 것이어도 좋은 것은 물론이다.
상기 제2검출센서(6)는 도 3에 나타낸 바와 같은 상기 제1검출센서(5)에서 백금코팅피막(5d)을 제거한 것만의 것으로, 그 외의 구성은 제1검출센서(5)와 동일하다. 즉, 도 3에 있어서 6a는 스테인레스강(SUS316L)제의 다이어프램 베이스, 6b는 다이어프램, 6c는 배리어피막, 6e는 열전대, 6e'는 시스체, 6e"는 플랜지체이고, 다이어프램(6b), 배리어피막(6c), 열전대(6e) 등은 제1검출센서(5)의 경우와 동일하다.
또한, 상기 도 2 및 도 3의 실시형태에 있어서는, 다이어프램(5b, 6b)을 다이어프램 베이스(5a, 6a)와 각각 일체적으로 형성하고 있지만, 다이어프램(5b, 6b)을 다이어프램 베이스(5a, 6a)와 별체로서 형성하고, 양자를 용접 등에 의해 고착하도록 하여도 된다.
또, 도 2 및 도 3의 실시형태에 있어서는, 다이어프램 베이스(5a, 6a) 및 열전대 유지체(8)를 각각 설치하는 구성으로 하고 있지만, 다이어프램(5b, 6b)을 상기 센서본체(7)의 각 센서 삽입구멍(7d, 7e) 내로 기밀형상으로 각각 삽입부착하여 고정할 수 있음과 아울러, 열전대(5e, 6e)를 견고하게 유지고정하는 것이 가능하면, 다이어프램 베이스(5a, 6a)나 열전대 유지체(8)를 제외한 구성으로 하여도 좋은 것은 물론이다.
또한, 도 2 및 도 3의 실시형태에 있어서는, 열전대(5e, 6e)로서 크로멜·알루멜(A1·A2)을 사용한 CA형 비금속계 열전대를 사용하고 있지만, 다른 동-콘스탄탄(CC형)이나 철-콘스탄탄(CI형) 등의 열전대를 사용하는 것도 물론 가능하다.
또, 본 실시형태에 있어서는, 도 1에 나타낸 바와 같이 센서본체(7)를 블록형상으로 형성하고, 제1검출센서(5)와 제2검출센서(6)를 직각형상으로 배치함과 아울러, 피검출가스(G)를 우선 제2검출센서(6)에 접촉시킨 후, 제1검출센서(5)로 접촉시키도록 하고 있지만, 이것과 역으로 피검출가스(G)를 먼저 제1검출선서(5)로 접촉시키고, 그 후에 제2검출센서(6)로 접촉시키도록 하는 것도 가능하다.
또한, 본 실시형태에 있어서는 도 1에 나타낸 바와 같이, 제1 및 제2검출센서(5, 6)로 피검출가스(G)의 흐름이 충돌하는 식의 형태로 양 검출센서(5, 6)를 배치하고 있지만, 양 검출센서를 일렬상으로 병설하고, 각 다이어프램(5b, 6b)의 가스접촉면을 따라서 피검출가스(G)가 흐르는 식의 배치로 하여도 좋은 것은 물론이다.
도 4는 상기 도 2에 나타낸 제1검출센서(5)를 센서본체(7)에 부착한 상태를 나타내는 확대부분 종단면도이고, 도 4에 있어서 9는 시일링, 7g는 센서고정 부재, 7h는 고정용 볼트이다. 제1검출센서(5)는 센서본체(7)의 제1검출센서 삽입구멍(7d) 내로 시일링(9)을 개설하여 삽입되고, 센서고정 부재(7g)에 의해 윗쪽으로부터 압압됨으로써 제1검출센서(5)의 다이어프램(5b)의 가스접촉면(즉 백금코팅피막(5d)을 형성한 외표면)을 가연성 가스통로(7c)측으로 노출시키고, 기밀형상으로 제1검출센서 삽입구멍(7d)을 밀봉한 상태로 센서본체(7)측으로 고착되어 있다.
다음에, 본 발명에 관한 가연성 가스검출기(1)의 동작에 대하여 설명한다.
도 1을 참조하여, 가연성 가스입구(7a)로부터 센서본체(7) 내로 유입된 피검출가스(G)는, 우선 제2검출센서(6)의 다이어프램(6b)으로 접촉하고, 계속하여 제1검출센서(5)측으로 향하여 유출된다.
상기 제2검출센서(6)의 다이어프램(6b)은 배리어피막(6c)을 통하여 피검출가스(G)의 온도와 거의 같은 온도로 가열된다. 즉, 열전대(6e)에 의해 피검출가스(G)의 온도가 검출되어 제2온도검출기(3b)로 입력된다.
또한, 다이어프램(6b) 및 배리어피막(6c)은 매우 얇은데다가 약 10~20㎜Φ정도의 면적을 보유하고 있기 때문에, 열전대(6e)에 의한 가스온도검출의 응답성은 후술하는 바와 같이 매우 높은 것이다.
또, 제2검출센서(6)의 다이어프램(6b)의 가스접촉면은 배리어피막(6c)에 의해 씌워져 있기 때문에 피검출가스(G) 내에 만일 H2등의 가연성 가스가 함유되어 있어도, 소위 접촉촉매활성에 의한 반응열은 전혀 발생하지 않고, 그 결과, 제2검출센서(6)는 항상 피검출가스(G)의 가스온도를 표시하게 된다.
또한, 상기 배리어피막(6c)에 의해 다이어프램(6b)으로부터 피검출가스(G) 내로의 소위 금속확산은 유효하게 방지됨과 아울러, 다이어프램(6b)을 형성하는 스테인레스의 촉매작용도 완전히 저지된다.
한편, 제2검출센서(6)를 통과한 가스(G)는, 계속하여 제1검출센서(5)의 방향으로 유출되고, 그 다이어프램(5b)의 가스접촉면으로 접촉된다.
해당 제1검출센서(5)의 다이어프램(5b)의 가스접촉면에는 상술한 바와 같이 백금코팅피막(5d)이 설치되어 있기 때문에, 만일 피검출가스(G) 내에 H2등의 가연성 가스가 함유되어 있으면, 백금코팅피막(5d)의 촉매작용에 의해서 H2가 활성화되어 소위 접촉반응이 일어남으로써 다이어프램(5b)이 가열된다.
또한, 다이어프램(5b)은 두께 0.2㎜정도로 매우 얇기 때문에 백금코팅피막(5d)과의 접촉촉매반응에 의해 발생한 열은 조기에 열전대(5e)에 의해서 검출되어 제1온도검출기(3a)로 입력되게 된다.
상기 제1온도검출기(3a)의 검출값과 제2온도검출기(3b)의 검출값의 차는, 온도차 검출기(3e)에 의해 검출되고, 양자의 온도차로부터 피검출가스 내의 가연성 가스농도가 온도차 표시부(가연성 가스농도 표시부)(3f)에 표시되게 된다.
또한, 도 1의 실시형태에 있어서는, 제1검출센서(5) 및 제2검출센서(6)의 각 열전대(5e, 6e)의 출력을 검출기 본체(3)의 제1온도검출기(3a) 및 제2온도검출기(3b)로 입력하고, 온도차 검출기(3e)에 의해서 양 검출기(3a, 3b)의 온도차를 검출하여, 해당 온도차를 가연성 가스농도로 환산하도록 하고 있다. 그러나, 검출기 본체(3)의 구성은 어떠한 형식의 것이어도 좋고, 예를 들면 도 5에 나타낸 바와 같이 제1검출센서(5)의 열전대 출력과 제2검출센서(6)의 열전대 출력을 각각 역극성으로 접속하고, 양 검출센서(5, 6)의 출력차를 전위차계(10)로 판독하여 해당 전위차계(10)의 판독을 피검출가스(G) 내의 가연성 가스농도로 직접적으로 환산하도록 하여도 된다.
실시예 1
도 6 및 도 7은, O2함유 가스 내의 H2농도와 제1검출센서(5) 및 제2검출센서(6)의 각 검출온도의 관계를 나타내는 실측도이다.
실시예 2
또, 도 8은 H2함유 가스 내의 O2농도와 양 검출센서(5, 6)의 각 검출온도의 관계를 나타낸 실측도이다.
또한, 제1실시예 및 제2실시예 모두, 시험에 사용한 제1검출센서(5)는 스테인레스강(SUS316L) 다이어프램(5b)의 두께 0.2㎜, 직경 20㎜Φ, 배리어피막(5c)은 TiN피막·두께 2.0㎛, 백금코팅피막(5d)의 두께 0.2㎛, 열전대(5e)는 알루멜·크로멜형, 크로멜선단과 알루멜선단의 다이어프램(5b)으로의 고착간격 0.2㎜로 각각 설정되어 있다. 또, 제2검출센서(6)는 상기 제1검출센서(5)로부터 백금코팅피막(5d)만을 제거한 것이다.
도 6 내지 도 8로부터 명백한 바와 같이, 제1검출센서(5)의 검출온도는 H2농도 또는 O2농도와 정비례의 관계를 보유하고 있고, 양 검출센서(5, 6)의 출력차(온도차)로부터 피검출가스(G) 내의 H2농도 또는 O2농도를 검출할 수 있는 것이 나타나 있다.
실시예 3
도 9는 가연성 가스검출기(1)의 응답성 시험의 결과를 나타낸 것이다. 제1실시예 및 제2실시예의 경우와 같은 제1 및 제2검출센서(5, 6)를 사용하여 N2800SCCM+O2200SCCM(가스온도 140℃)의 피검출가스(G)를 검출중에, 피검출가스(G) 내의 H2농도를 1.0%에서 4.0%로 급상승시킨 경우의, 양 검출센서(5, 6)의 온도검출 출력의 변화 상황을 나타낸 실측도이다.
도 9에서도 명백한 바와 같이, H2농도가 1.0%일 때의 제1검출센서(5)의 온도출력(약 190.4℃)이 약 2.3sec 동안에 304.25℃에 달하는 것을 알 수 있다.
또한, 같은 조건하에서 H2농도를 1%에서 3.0%, 2.0% 및 1.5%로 급상승시킨 경우에, 제1검출센서(5)의 온도검출 출력이 최종온도의 90%에 달하기까지의 시간은 각각 2.4sec, 2.6sec, 3.0sec이었다.
상기 도 9에서도 명백한 바와 같이, H2가스 농도가 급상승한 경우에는 2~3sec의 지연으로써 가스농도의 급상승을 검출할 수 있고, 해당 가스검출센서(2)는 높은 응답성을 갖는 것인 것이 확인되고 있다.
상기 도 6 내지 도 8에 있어서는, 가연성 가스로서 H2및 O2를 함유하는 피검출가스(G)를 사용하여, 이것의 H2농도 및 O2농도의 측정에 대하여 서술하였지만, 본건 발명에 관한 가스검출센서(2)는 백금코팅피막과 접촉하여 활성화되고, 이것에 의해서 연소되는 가스라면 어떠한 가연성 가스, 예를 들면 CO이어도 검출할 수 있고, 가연성 가스는 수소가스에 한정되는 것이 아닌 것은 물론이다.
또, 본 발명에 관한 가스검출센서는 상기 도 8에서도 명백한 바와 같이, 가연성 가스중의 산소농도의 검출용 센서로서도 이용할 수 있는 것은 물론이다.
청구항 1의 발명에 있어서는, 유통되는 피검출가스가 접촉하는 가스접촉면에 백금코팅피막을 갖는 다이어프램과, 다이어프램의 가스비접촉면에 2가지의 이종금속의 일단측을 각각 근접시켜서 고착한 열전대로 이루어지는 제1검출센서와, 이것과 동일구조로 백금코팅피막이 없는 제2검출센서로 가스검출센서를 구성하고 있다. 그 때문에, 본 발명에 의하면 구조가 매우 간단하고 또한 검출출력과 가연성 가스농도가 매우 리니어한 관계에 있는 가연성 가스검출센서가 얻어지고, 또, 본 발명의 가연성 가스검출센서는 반도체 제조장치용 수분발생 반응로로부터 꺼내진 발생수분중에 잔류하는 수소가스 등의 검출에 매우 유용하다.
마찬가지로, 청구항 2의 발명에 있어서는, 가연성가스를 함유하는 피검출가스 내의 산소가스농도를 고정밀도로 검출할 수 있고, 수분발생 반응로로부터 꺼내진 발생수분중에 잔류하는 산소가스 등의 검출에 유용하다.
또, 본 발명에 있어서는, 각 검출센서의 다이어프램을 스테인레스강제로 하고, 또한, 그 가스접촉면에 TiN 등의 배리어피막을 형성하도록 하고 있다. 그리고, 배리어피막과 스테인레스강과의 고착력은 매우 높고, 또한 고착력의 경년변화가 거의 없는 것이 실증되어 있다. 그 결과, 본 발명에 관한 가스검출센서는 장기에 걸쳐서 백금코팅피막이 안정된 촉매활성을 유지함과 아울러, 백금코팅피막이나 배리어피막의 박리탈락이 발생하지 않아, 장기에 걸쳐 고정밀한 가스농도의 측정이 가능함과 아울러 고순도가스의 오염, 손실을 발생하는 일도 전혀 없다.
또한, 센서본체 내로 양 검출센서를 조합한 경우에 있어서도, 가스유로 내로 노출되는 것은 상기와 같이 다이어프램상에 설치한 매우 고착력이 강한 배리어피막 및 배리어피막과 백금코팅피막으로 이루어지는 피막층이다.
그 결과 다이어프램(5b)이 피검출가스의 유속에 의해서 손상을 받을 위험은 전혀 없어, 장기에 걸쳐서 안정된 고정밀도한 가스농도의 측정을 행할 수 있다. 게다가 구조가 매우 간단하기 때문에 소위 검출센서 내의 데드스페이스를 대폭으로 감소시킬 수 있고, 이것에 의해서 가스의 치환성이 향상된다.
본 발명은 상술한 바와 같이 우수한 실용적 효용을 갖는 것이다.

Claims (6)

  1. 가연성 가스의 접촉반응에 의한 센서의 발열에 의해 가연성 가스의 검출신호를 발신하도록 한 가스검출센서에 있어서, 유통되는 피검출가스가 접촉하는 가스접촉면에 백금코팅피막을 보유하는 다이어프램과, 상기 다이어프램의 가스접촉면과 반대측의 가스비접촉면에 2가지의 이종금속의 일단측을 각각 근접시켜서 고착한 열전대로 이루어지고, 가연성 가스의 접촉반응에 의해 가열되는 제1검출센서와, 유통되는 피검출가스가 접촉하는 가스접촉면을 갖는 다이어프램과, 상기 다이어프램의 가스접촉면과 반대측의 가스비접촉면에 2가지의 이종금속의 일단측을 각각 근접시켜서 고착한 열전대로 이루어지고, 유통되는 피검출가스의 온도를 검출하는 제2검출센서로 구성된 것을 특징으로 하는 가연성 가스의 가스검출센서.
  2. 가연성 가스의 접촉반응에 의한 센서의 발열에 의해 피검출가스 내의 산소가스의 검출신호를 발신하도록 한 검출센서에 있어서, 유통되는 피검출가스가 접촉하는 가스접촉면에 백금코팅피막을 갖는 다이어프램과, 상기 다이어프램의 가스접촉면과 반대측의 가스비접촉면에 2가지의 이종금속의 일단측을 각각 근접시켜서 고착한 열전대로 이루어지고, 가연성 가스의 접촉반응에 의해 가열되는 제1검출센서와, 유통되는 피검출가스가 접촉하는 가스접촉면을 갖는 다이어프램과, 상기 다이어프램의 가스접촉면과 반대측의 가스비접촉면에 2가지의 이종금속의 일단측을 각각 근접시켜서 고착한 열전대로 이루어지고, 유통되는 피검출가스의 온도를 검출하는 제2검출센서로 구성된 것을 특징으로 하는 가연성 가스 내에 존재하는 산소가스의 가스검출센서.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1검출센서 및 제2검출센서의 다이어프램을 스테인레스강제로 함과 동시에, 양 다이어프램의 가스접촉면에 배리어피막을 형성하도록 한 것을 특징으로 하는 가스검출센서.
  4. 제3항에 있어서, 배리어피막을 산화물 또는 질화물로 이루어지는 배리어피막으로 한 것을 특징으로 하는 가스검출센서.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각 열전대를 크로멜·알루멜로 이루어지는 열전대로 한 것을 특징으로 하는 가스검출센서.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 피검출가스의 입구 및 출구와, 입구 및 출구를 연통하는 가스통로와, 가스통로에 연통되는 제1검출센서 삽입구멍 및 제2검출센서 삽입구멍을 설치한 스테인레스강제 센서본체의 상기 각 검출센서 삽입구멍 내로, 제1검출센서의 다이어프램 및 제2검출센서의 다이어프램을, 그 가스접촉면을 가스통로측으로 대향시켜서 각각 삽입부착하고, 내부로 삽입부착한 상기 각 다이어프램에 의해 상기 각 삽입구멍을 기밀하게 밀봉하도록 한 것을 특징으로 하는 가스검출센서.
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