KR960009768B1 - 가연성 가스센서 - Google Patents

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야마다 미노루
다이낑 고오교오 가부시기가이샤
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Abstract

요약없음.

Description

가연성 가스센서
종전의 가연성 가스센서로서는 제13도에 표시한 바와 같이, SnO2등과 같이 가연성 가스에 감응하여 저항치가 변화하는 소자(21)에 대하여 직류전원(22) 및 전류계(23) 등을 직렬 접속함과 동시에, 상기 소자(21)를 약 100℃-400℃로 가열하는 히이터(24)에 대하여 전원(25)을 직렬접속한 구성이 제안되어 있다.
또한, 제14도에 표시한 바와 같이 케이싱(31)의 내부에 전해질로서 황산수용액(32)이 수용되어 있는 동시에 케이싱(31)의 소정위치에, 개구(33), (34) 및 가스투과성 폴리테트라플루오로에칠렌막(polytetrafluoroethylene film)(35), (36)이 마련되고, 다시, 상기 가스투과성 폴리테트라플루오로에칠렌막(35), (36)의 내면측 소정위치에 백금혹(platinum black)을 도포함으로서 형성된 작용전극(37), 대향전극(38) 및 참조전극(39)이 마련되어 있는 구성의 것(단, 상기한 작용전극(37)과 참조전극(39) 사이의 전위는 포텐서스태트(potentiostat) 회로(40)에 의하여 일정하게 유지됨)가 제안되어 있다.
또한, 전계효과 트랜지스터형(이하, FET형이라 함)의 수소 가스센서로서, 전계효과 트랜지스터의 게이트 전극을 팔라듐(palladium)(pd)으로 구성한 것이 제안되어 있다.
그러나, 상기 제13도의 구성의 가연성 가스센서에 있어서는, 가연성 가스입자의 흡착량에 대응하는 전류 신호를 생성하기 때문에, 가연성 가스입자가 어느 정도 흡착되어 포화되어 버리고, 계속적으로 가연성 가스 농도의 검출을 할 수가 없다는 문제가 있는 동시에, 가연성 가스의 존재를 검출하기 위한 소자(21)를 히이터(24)에 의하여, 약 100℃-400℃로 가열하는 것이 필수적이기 때문에, 구성이 복잡화할뿐만 아니라, 히이터(24)가 가스폭발을 유발하는 원인이 된다는 문제가 있다.
또한, 소자(21)의 제조 조건 등에 의하여, 비교적 큰 특성의 불균형 상태가 발생하기 쉬우며, 보상회로 등을 소자의 특성의 불균형 상태에 대응시켜, 조정하는 것이 필요하게 되므로, 가연성 가스센서 전체로서, 제조, 조정이 번잡화하다는 문제가 있다. 또, 가열하기 위하여 히이터에 통전할 필요가 있으므로 측정가능한 상태가 될 때까지 장시간을 필요로 할뿐만 아니라 소비전력이 현저히 증가한다는 문제가 있다.
또한 가스의 선택성이 불량하고, 수소가스, 탄화수소가스 등, 유사한 가연성 가스에 대하여 마찬가지로 감응되어 버린다는 문제가 있다. 예를들면 가연성 가스의 누출을 검출하기 위한 센서라도 술(sake)을 데웠을 경우에 발생하는 알콜가스에도 감응하게 되어, 가연성 가스의 누출을 검출한 것과 같은 상태를 야기시키게 된다는 문제가 있다.
한편, 상기 제14도에 표시한 구성의 가연성 가스센서에서, 가스투과성 폴리테트라플루오에칠렌막의 특성, 전극의 특성, 전극의 위치정밀도 등의 영향을 받아, 센서 전체로서의 특성이 불균형 상태가 되어 버리기 때문에, 이들 특성, 위치정밀도 등이 설정치에 합치하게 하지 않으면 안되며, 제조가 대단히 번잡함과 동시에 번잡하게 하여 제조하여도 특성이 균일한 것을 얻기가 거의 불가능하다는 문제가 있다.
또한, 반응속도가 가스투과성 폴리테트라플루오에칠렌막을 투과하는 가스농도에 영향받기 때문에, 너무 크게 할 수가 없다는 문제도 있다. 더욱이, 케이싱의 내부에 전해액을 수용하여 둘 것이 필요함으로, 장기간의 사용에서는 비교적 높은 확률로 전해액의 누출이 생기고, 가연성 가스의 검출에서의 신뢰성이 손상되어 버린다는 문제가 있다. 이점에 대하여는 가연성 가스센서를 휴대식인 것으로 한 경우에는, 특히 현저하게 됨으로, 전체로서의 소형화, 저렴화가 거의 불가능하게 되어 버린다.
또한, 상기 FET형의 수소센서에는 팔라듐(pd)의 촉매작용에 의하여, 분해형성된 H+이온이 게이트 전극에만 저류되기 때문에 순차로 축적되어 가는데 기인하는 수소 가스농도의 변화률을 측정할 수 있으며, 수소 가스농도의 절대치는 측정할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 상기 문제점을 감안하여 된 것으로, 구성의 간소화를 달성할 수 있는 동시에, 특성의 불균형 상태를 대폭으로 저감시키고, 또한, 가연성 가스의 선택성을 향상시킬 수 있으며, 장기간에 걸쳐 높은 측정 정밀도를 달성할 수가 있는 가연성 센서를 제공하는 것을 목적으로 한다.
발명의 개시
상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 가연성 가스센서는 절연기판(1)과, 이 절연기판(1)의 표면에 마련된 작용전극(2)과, 상기 절연판(1)의 표면에 마련된 상기 작용전극(2)에 대하여 미리 정해진 간격을 갖는 대향전극(4)과, 상기 작용전극(2) 및 대향전극(4) 위를 커버함과 동시에, 상기 작용전극(2) 및 대향전극(4)과, 일체가 되게 마련된 가스투과성 프로톤(proton) 전도체막(5)을 구비한다.
또, 본 발명의 가연성 가스센서는 절연기판(1)의 표면에 마련되고, 작용전극(2)과 대향전극(4)에 대하여 미리 정해진 간격을 갖는 참조전극(3)을 더 구비하고, 가스투과성 프로톤 전도체막(5)은 이 참조전극(3)을 더 커버함과 동시에 작용전극(2), 대향전극(4) 및 참조전극(3)을 일체가 되게 마련하는 것이다.
또한, 상기 대향전극이 작용전극과 참조전극 사이에 마련되어 있어도 좋고, 이 경우에는 상기 작용전극 및 대향전극이 다같이 백금족금속, 혹은 금으로 형성되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 상기 절연기판 표면에 작용전극 및 대향전극이 상호 소정의 위치관계를 유지한 상태로 마련되어 있는 동시에, 대향전극의 면적이 작용전극의 면적의 10배 이상으로 설정되어 있어도 좋고, 100배 이상으로 설정되어 있음이 바람직하다. 이상의 구성인 가연성 가스센서이면, 절연기판 표면에 마련된 작용전극과, 대향전극 사이에 바이어스를 준 상태에서 가스투과성 프로톤 전도체막을 통하여 가연성 가스가 작용전극의 표면에 유도된 경우에는, 작용전극의 표면에서 산화반응이 일어나고, 작용전극에 대하여 산화반응의 양에 대응하는 전류가 흘러들어감과 동시에, 산화반응의 결과, 생성된 프로톤이 대향전극으로 향하여 이동한다. 따라서, 산화반응의 결과 생성된 프로톤이 작용전극의 표면에 체류하는 것을 방지하고, 항상 가연성 가스의 양에 대응하는 전류신호를 얻을 수 있는 것이다. 그리하여, 상기 절연기판 표면에 작용전극, 참조전극 및 대향전극이 마련되어 있는 경우에도 작용전극과 참조전극 사이의 전위를 제어함으로서, 작용전극 표면에서의 전위의 변동을 방지할 수가 있으며, 이런 상태에서 상기와 같은 작용을 달성할 수가 있다. 이런 경우에, 상기 참조전극 및 대향전극이 작용전극을 중심으로 하는 동심원상으로 형성되어 있으면, 산화, 환원반응에 의한 영향이 작용전극에 대하여 국부적으로만 발생한 경우라 하더라도, 작용전극과, 참조전극의 사이의 전위의 제어를 신속하게, 그리고 확실하게 행할 수가 있다. 또한 상기 참조전극이 작용전극과 대향전극 사이에 마련되어 있는 경우에는, 작용전극과 참조전극 사이의 조정을 한층 신속하고, 또한 확실하게 행할 수가 있다. 그리하여, 상기 작용전극이 백금족금속 혹은 금으로 형성되어 있음과 동시에, 대향전극이 가연성 가스와 반응하지 않는 금속으로 형성되어 있는 경우에는, 고가의 백금족금속, 혹은 금의 양을 적게 하고, 전체로서 값싸게 할 수가 있다.
또한, 상기 대향전극이 작용전극과 참조전극 사이에 마련되어 있는 경우에는 대향전극의 전위변화에 대한 작용전극과 참조전극 사이의 전위제어의 응답성이 약간 저하하는 것이 되나, 비교적 고정밀도의 측정을 할 수가 있다. 특히, 상기 작용전극 및 대향전극이 다같이 백금족금속 혹은 금으로 형성되어 있는 경우에는, 대향전극의 전극특성을 은, 납과 같이 가연성 가스와 반응하지 않는 금속으로 형성한 경우와 비교하여, 향상시킬 수가 있기 때문에, 측정정밀도를 향상시킬 수 있는 동시에 고가인 백금족금속의 양을 필요최소량으로 억제할 수가 있다.
또한, 상기 절연기판 표면에 작용전극 및 대향전극이 서로서로 소정의 위치관계를 유지한 상태로 마련되어 있는 동시에, 대향전극의 면적이, 작용전극의 면적의 수 10배 이상으로 설정되어 있는 경우에는, 양전극의 면적비를 크게 하고 있는 것을 원인으로 하여, 작용전극의 표면의 전위를 참조전극을 마련한때와 같이 안정화되게 할 수가 있다.
또한, 본 발명의 가연성 가스센서는 전계효과 트랜지스터의 게이트전극 및 소오스전극의 한쪽을 백금족금속으로 구성함과 동시에, 다른쪽을 가연성 가스와 반응하지 않는 금속으로 구성하고, 상기 양 전극위를 커버함과 동시에, 상기 양전극과 일체로 형성된 가스투과성 프로톤 전도체막을 구비하게 된다.
상기 가연성 가스와 반응하지 않는 금속으로서는 은을 사용할 수가 있다. 이상과 같은 구성의 가연성 가스센서라 하면, 백금족금속으로 구성된 전극에 가스투과성 프로톤 전도체막을 통하여 가연성 가스가 유도되고, 백금족금속의 촉매작용에 의하여, 분해형성되어서 전자가 모이고, 분해형성된 프로톤은 예를들어, 안티몬산(antimonic acid), 린산 지르코늄(zirconium phosphate), 테트라플루오로에티렌과 퍼플르오로비닐에에텔(Perfluorovinyl ether)과의 중합체 등의 가스투과성 프로톤 전도체막을 통하여 자유롭게 전도되고, 상기 전자와의 재결합을 방지할 수 있는 동시에, 가연성 가스와 반응하지 않는 금속으로 구성된 전극의 전위를 가연성 가스의 농도로 영향됨 없이 소정의 전위를 유지할 수가 있다.
발명을 실시하기 위한 가장 좋은 형태
이하, 본 발명을 도시의 실시예에 따라 상세하게 설명한다. 제 1 도는 본 발명의 가연성 가스센서의 한 실시예를 보여주는 개략사시도, 제 2 도는 개략종단면도이고, 절연기판(1)의 표면에, 서로서로 소정의 위치관계를 유지시킨 상태에서, 작용전극(2), 참조전극(3) 및 대향전극(4)을 마련함과 동시에, 이들의 전극위를 일체적으로 커버하는 가스투과성 프로톤 전도체막(5)을 마련하고 있다.
더욱 상세하게 설명하면, 상기 절연기판(1)은, 예를들어 세라믹스재 기판이고, 상기 작용전극(2)은 백금족금속의 일종인 백금으로 형성된 박막전극이고, 상기 참조전극(3)은 측정대상으로 하는 가연성 가스와 반응하지 않으며, 즉 전위변화를 생기게 하지 않은 금속의 일종인 Ag로 형성된 박막전극이고, 상기 대향전극(4)은 일반적으로 사용되어 있는 전극금속으로 형서된 박막전극이고, 각각 배선패턴(6)을 개재하여 인출단자(7)와 접속되어 있다. 또한, 상기 가스투과성 프로톤 전도체막(5)으로서는 테트라플루오로에티렌과, 퍼플르오로설포닐플루오로라이드 비닐에에텔(Perfluorosulfonylfluoride vinyl ether)을 공중합시킴으로서 얻어진 것(상풍명 Nafion, 듀퐁사제)이 사용되어 있다. 그리하여, 출력단자를 대향전극용인 인출단자에 접속한 연산증폭기(8)의 반전입력단자를 참조전극용의 인출단자에 접속함과 동시에, 비반전입력단자를 직류전원(9)(기전력이 v에 설정되어 있음)을 개재하여 어스(10)에 접속하는 것으로서, 포텐시오스태트회로를 형성하고 있다.
또한, 비반전 입력단자를 어스(10)에 접속한 연산증폭기(11)의 반전입력단자를 작용전극용의 인출단자에 접속하고, 반전입력단자에 대하여 피이드백용 저항(12)을 개재하여 접속된 출력단자를 농도검출신호 끄집어 내기 단자로 하고 있다.
상기 구성의 가연성 가스센서의 동작은 다음과 같다.
제 2 도중, 화살표(A)로 표시한 바와 같이 측정가스로서의 CO 가스가 유도되는 경우에는, 프로톤 전도체막(5)을 통하여, Pt로 된 작용전극(2)에 도달하고, Pt의 촉매작용에 의하여 작용전극(2)의 표면에서,
CO+H2O→CO2+2H++2e
로 표시되는 반응이 진행되고, 프로톤(H+), 및 전자(e)가 생성된다. 따라서, 프로톤이 그대로 체류하면,
2H++1/2 O2+2e→H2O
로 표시되는 반응이 진행되며, 상기 작용전극(2)을 통하여, 전류가 유입하는 것은 없어진다고 생각되나, 프로톤 전도체막(5) 중에서 프로톤은 자유롭게 이동하기 때문에, 작용전극(2)의 표면에서 상기 환원반응이 진행되는 것을 효과적으로 저지하고, 작용전극(2)을 통하여 상기 산화반응에 양에 대응하는 전류의 유입을 출현할 수 있다.
또한, 프로톤 전도체막(5) 중을 이동한 프로톤은 대향전극(4)의 표면에서 상기 환원반응에 기여하고, 프로톤 전도체막(5)내에서 과잉으로 프로톤이 존재하는 상태를 확실하게 저지할 수가 있으며, 작용전극(2)의 표면에서의 가역반응이 진행되는 것을 확실하게 저지할 수가 있다. 그리하여, 상기 산화 환원반응을 진행하고 있는 사이에 대향전극(4)의 전위가 변화하고, 작용전극(2)과의 사이의 전위차가 변화하는 일이 있지만, 제 3 도에 표시한 바와 같이 포텐시오스탯트 회로에 의하여, 참조전극(3)의 전위를 자동적으로 변위시키고, 작용전극(2)과 참조전극(3) 사이의 전위차를 v로 유지하여 계속시킬 수가 있으므로, 작용전극(2)의 표면에서의 전위를 일정하게 유지한 상태에서, CO 가스농도에 대응하는 전류신호를 얻으며, 연산증폭기(11)에 의하여 전압신호로 변환함으로서, 고정밀도의 CO 가스농도 검출신호를 생성할 수가 있는 것이다. 또한, 이상에는 CO 가스가 작용전극(2)의 표면에 유도된 경우에 대하여 설명하였으나, H2가스가 유도된 경우에는,
H2→2H++2e, 2H++1/2 O2+2e→H2O
의 반응이 진행되고, CO 가스의 경우와 같이, 가스농도에 대응하는 전압신호를 생성할 수가 있다. 따라서, 측정대상 분위기중에 있는 CO 가스, 가스의 농도를 고정밀도로 측정할 수가 있다.
또한, 상기 구성의 가연성 가스센서는 박막형성 기술에 의하여 간단하게 제조할 수가 있을뿐 아니라, 제품간의 특성의 불균형성을 대단히 적게 할 수가 있고, 또한, 장시간에 걸쳐 안정된 특성을 유지시킬 수 있는 동시에, 전체로서 소형화할 수가 있으며, 더욱이 가격절감을 간단하게 달성할 수가 있다.
제 4 도는 가연성 가스센서의 다른 실시예를 보여주는 개략사시도이고, 상기 실시예와 상이한 점은 작용전극(2)을 직선상으로 형성하고, 참조전극(3) 및 대향전극(4)을 반타원상으로 형성한 점뿐이다. 따라서, 이 실시예인 경우에는 상기 실시예와 같은 동작을 시행케 할 수가 있다.
더욱 상세하게 설명하면, 이 실시예의 경우에는 참조전극(3)이 작용전극(2)과, 대향전극(4)의 사이에 마련되어 있는 동시에, 작용전극(2)의 과반부를 둘러싸고 있음로, 대향전극(4)의 전위변동에 대한 참조전극(3)의 전위추종 특성을 상기 실시예의 경우와 비교하여 대단히 향상시킬 수가 있으며, 가연성 가스농도의 측정정밀도를 대단히 향상시킬 수가 있다. 따라서, 가스투과성 프로톤 전도체막(5)의 이온전도률이 낮은 경우에도 참조전극(3)과 작용전극(2)의 사이의 전위차의 안정성을 향상시킬 수가 있고, 가연성 가스농도의 측정 정밀도를 높게 유지할 수가 있다.
제 5 도는 가연성 가스센서의 또다른 실시예를 보여주는 개략사시도이며, 상기 실시예와 상이되는 점은 참조전극(3) 및 대향전극(4)을 작용전극(2)을 중심으로 하는 동심원 모양으로 형성한 점뿐이다. 따라서, 이 실시예의 경우에는 참조전극(3)의 전위추종특성을 일층 향상시킬 수가 있으며, 가연성 가스농도의 측정정밀도를 일층 향상시킬 수가 있다. 또한, 상기 어느 실시예에서도 작용전극(2)으로서 Pt 이외의 백금족금속 혹은 Au로 형성된 것을 사용할 수가 있으며, 참조전극(3)으로서 Ag 이외의 가연성 가스에 의한 전극 변화가 없는 금속, 예를들어 Pb로 형성된 것을 사용할 수가 있고, 가스투과성 프로톤 전도체막(5)으로서 안티몬산·린산지르코늄(Ziroconium phosphate) 등으로 형성된 것을 사용할 수가 있다. 단, 프로톤 전도체막(5)으로서 상기 실시예에 표시한 바와 같이 테트라플르오로에티렌과, 퍼플르오로설포닐 플르오라이드 비닐에에텔(Perfluorosulfonyl fluoride vinyle ether)과의 공중합체를 플라즈마(plasma) 중합에 의하여 얻는것이 바람직하고, 진공중에서의 중합에 의하여 얻어지는 관계상 불순물의 혼입이 적음과 동시에 막질의 균열성이 높다는 유리한 점을 가지고 있고, 또한 막의 두께의 조성 및 중합도의 조정을 시행함으로서, 가연성 가스의 투과성을 임의로 설정할 수가 있다는 유리한 점을 가지고 있다.
제 6 도는 가연성 가스센서의 또다른 실시예를 보여주는 개략사시도이며, 제 5 도의 실시예와 상이한 점은 참조전극(3)과 대향전극(4)의 위치관계를 역으로 설정할 점뿐이다. 따라서, 이 실시예의 경우에도, 참조전극(3)의 전위가, 대향전극(4)의 전위변화에 추종하여 변화하고, 적용전극(2)과 참조전극(3) 사이에 전위차를 일정하게 유지한 상태에서 가연성 가스농도에 대응하는 전압신호를 출력할 수가 있다. 단, 이 실시예의 경우에는 제 5 도의 실시예의 경우와 비교하여, 참조전극(3)의 전위추종 특성이 약간 저하하는 것이 되는데, 전극특성이 우수한 Pt 전극을 대향전극으로 하여 사용하는 것으로서, 전위추종 특성의 저하를 억제하고, 그 정밀도의 가연성 가스농도의 측정을 할 수가 있다.
제 7 도는 가연성 가스센서의 또다른 실시예를 보여주는 개략사시도이고, 상기 실시예와 상이한 점은 절연 기판(1) 위에 Pt를 박막상태로 형성한 온도센서(13)를 마련한 점뿐이다. 따라서, 이 실시예의 경우에는 상기 실시예와 같이, 가연성 가스농도를 검출할 수가 있는 외에, 온도센서(13)에 의하여, 온도까지도 검출할 수가 있어, 이 결과, 가연성 가스농도 및 온도에 기본하여 화재경보 등의 용도에 적합한 센서가 된다. 또한, 이 실시예에서 온도센서(13)만을 마련하는 것이 아니고, 또한, 브릿지(Bridge)회로 등의 신호처리회로를 조합하는 것도 가능하고, 조합회로가 증가하여도 반도체 집적회로 기술을 사용함으로서, 제조공정의 복잡화를 최소할 필요케 할 수가 있다.
제 8 도는 또다른 실시예를 보여주는 개략사시도이고, 제 1 도의 실시예의 상이한 점은 참조전극(3)을 생략한 점, 대향전극(4)의 면적을 작용전극(2)의 약 100배로 설정한 점 및 연산증폭기(8)을 생략하고 직류전원(9)을 직접 대향전극(4)에 접속한 점 뿐이다. 따라서, 이 실시예의 경우에는 전극구성을 간소화할 수가 있으며, 또한, 대향전극(4)의 면적을 대단히 크게 한다는 이유로 작용전극의 표면전위를 안정화할 수가 있고, 고정밀도의 가연성 가스농도를 검지를 할 수가 있다.
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니고, 예를들어 제 1 도, 제 4 도에 각각 보여주는 가연성 가스센서에서 참조전극(3)과 대향전극(4)의 위치를 역으로 설정할 수가 있는 외에, 각 전극을 절연기판(1)에 대하여 묻어 넣은 상태로 마련할 수가 있고, 기타 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위내에서 여러가지 설계변경을 실행할 수가 있는 것이다.
이상과 같이, 본 발명에 의하여, 절연기판에 적어도 작용전극 및 대향전극을 형성하고, 이들을 일체적으로 커버하도록 프로톤 전도체막을 마련하는 것만으로 좋으니까, 불균형 상태가 없는 양호한 특성을 발휘시킬 수 있는 동시에, 장시간에 걸친 안정된 측정을 시행시킬 수 있고, 또한 간단하게 제조할 수가 있는 동시에, 전체로서 소형과 저가격화가 달성될 수 있다는 특유의 효과를 나타낸다.
제 9 도는 본 발명의 가연성 가스센서의 다른 실시예를 보여주는 개략도이고, P형 기판(51)의 표면소정 위치에 n형 소오스(source) 영역(52) 및 드레인(drain) 영역(53)과의 사이에 n형의 채널영역(54)를 형성하고, 상기 소오스영역(52)에 대응하는 부분을 제외하고, 상기 P형 기판(51)의 전표면을 절연막(55)으로 커버하고 있다. 그리하여, 상기 채널영역(54)에 대응시켜서 상기한 절연막(55)의 위에, 백금으로 된 게이트 전극(56)을 형성하고, 상기 소오스영역(52)과 접촉한 상태에서 은으로 된 소오스전극(57)을 형성하고, 또다시 상기 게이트전극(56), 소오스전극(57) 및 절연막(55)을 커버하도록 가스투과성 프로톤 전도체막으로서의 고체 전해질막(58)을 형성하고 있다. 또한, (59)는 직류전원, (60)은 전류계이고, 상기 소오스 영역(52)과 드레인영역(53) 사이에 직렬로 접속되어 있다.
상기 구성의 가연성 가스센서의 동작은 이하와 같다.
제 9 도중 화살표(A)로 표시한 바와 같이 측정가스로서의 수소가스가 유도된 경우에는, 고체 전해질막(58)을 통하여 백금으로 된 게이트전극(56)에 도달하고, 백금의 촉매작용에 의하여, 게이트전극(56)의 표면에서,
H2→2H++2e
2H++1/2 O2+2e→H2O
로 표시되는 반응이 진행되고, 또한, H+이온은, 고체 전해질막(58)중을 자유롭게 이동하기 때문에, 상기 가역반응이 빈발함없이, 고정 전해질막(58)을 통하여 게이트전극(56)에 도달하는 수소가스량이 증가함에 따라, 깊은 -(마이너스) 전위가 된다(제10도(A) 참조).
다른 한편으로, 소오스전극(57)에서는 은이 수소가스에 전혀 감응하지 않음으로, 수소가스의 농도가 변화하여도 소정의 전위에 유지되어 계속된다(제10도 (B) 참조). 따라서, 소오스, 게이트 양극간에는 수소가스의 농도에 따른 전위가 걸리게 되고, 소오스, 드레인 전극간에 일정한 전압을 가했을 경우에는 수소가스의 농도의 증가에 수반하는 전류특성을 나타내는 것이 된다(제10도 (C) 참조).
또한, 상기 동작을 진행하고 있는 동안, 게이트전극(56)의 근방에서, 발생된 H+이온은 낭비되는 일없이 보존되는 것이기 때문에, 측정기기로서 특히 고임피던스와 같은 것을 사용하는 것이 필요하지 않고, 보통의 전류계를 사용하여 정확한 수소가스의 농도를 측정할 수 있다. 또한, 이상에서는 수소가스의 농도측정에 대하여만 설명하고 있으나, 일산화 탄소가스의 농도 측정도 같은 모양으로 할 수가 있다. 즉, 일산화 탄소가스도 수소가스와 같이 가역반응을 진행하는 것으로, 구체적으로는,
CO+H2O→CO2+2H++2e
2H++1/2 O2+2e→H2O
이다.
따라서, 상기 반응에 의하여 생성되는 전자에 의하여 일산화탄소가스의 농도를 측정할 수가 있다.
제11도는 다른 실시예를 보여주는 개략도이고, 상기 실시예와 상이한 점은 게이트전극(56)을 은으로 구성하고, 소오스전극(57)을 백금으로 구성한 점뿐인 것이다. 따라서, 게이트전극(56)은 수소가스의 농도에 불구하고, 소정의 전위로 유지되고, 소오스전극(57)이 수소가스의 농도의 증가에 따라 깊은-전위가 된다. 그리하여, 소오스 게이트 양전극간에는 수소가스의 농도에 의존하여, 상기 실시예와 역으로 변화하는 전위가 걸리게 되어, 소오스, 드레인 전극간에 일정한 전위를 가한 경우에는, 수소가스의 농도의 증가에 수반하여 증가하는 전류특성을 나타내는 것이 된다(제12도 참조).
또한, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것이 아니고, 예를들어, 온전극에 대신하여 칼로멜(calomel)전극을 사용하는 것, 백금전극에 대신하여 다른 백금족금속으로 된 전극을 사용하는 것이 가능한 외에 고체 전해질막(58)의 가스투과성을 변화시켜서, 측정범위를 변화시키는 것, 측정범위를 변화시킨 가연성 가스센서를 복수개 병렬시켜서 마련하고, 도시하지 않은 스위치 등에 의하여 선택적으로 동작시키도록 하는 것 등이 가능하고, 그 외에 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위내에서 여러가지 설계변경을 시행할 수가 있다.
이상에서 명백한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 가연성 가스에 대응하는 전극과, 감응하지 않는 전극을 사용하여, 전계효과 트랜지스터를 구성함과 동시에, 표면을 가스투과성 프로톤 전도체막으로 커버되어 있음으로, 가스폭발의 위험을 확실하게 해소시킨 상태에서, 정확하게 가연성 가스농도의 측정을 할 수가 있다는 특유의 효과를 낸다.
산업상의 이용가능성
본 발명의 가연성 가스센서는 표면을 가스투과성 프로톤 전도체막으로 커버되어 있음으로, 소형 및 낮은 값으로 구성할 수 있고, 가스폭발의 위험을 확실하게 해소할 수 있고, 정확하게 가연성 가스농도의 측정을 할 수가 있으며, 따라서 화재경보기, 화학공업 등에 사용된다.
본 발명은 가연성 가스센서에 관한 것이다.
제 1 도는 본 발명의 가연성 가스센서의 한 실시예를 보여주는 개략사시도.
제 2 도는 상기한 실시예의 개략종단면도.
제 3 도는 작용전극과 참조전극 전위차를 일정하게 유지하는 동작을 설명하는 도면.
제 4 도에서 제 8 도까지는 각각 다른 실시예를 보여주는 개략사시도.
제 9 도는 본 발명의 또다른 실시예를 보여주는 개략도.
제10도(A), (B), (C)는 제 9 도의 실시예의 동작을 설명하는 특성도.
제11도는 다른 실시예를 보여주는 개략도.
제12도는 특성도.
제13도 및 제14도는 각각 종전의 가연성 가스센서를 보여주는 개략도.

Claims (12)

  1. 절연기판(1)과, 이 절연기판(1)의 표면에 마련한 작용전극(2)과, 상기 절연기판(1)의 표면에 마련되고, 상기 작용전극(2)에 대하여 미리 정해진 간격을 갖는 대향전극(4)과, 상기 작용전극(2) 및 대향전극(4) 위를 커버함과 동시에, 상기 작용전극(2) 및 대향전극(4)을 일체로 마련한 가스투과성 프로톤 전도체막(5)을 구비한 가연성 가스센서.
  2. 제 1 항에 있어서, 대향전극(4)의 면적이 작용전극(2)의 면적의 10배 이상으로 설정되어 있는 가연성 가스센서.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 가스투과성 프로톤 전도체막(5)을 절연기판(1)의 표면에 마련되고, 작용전극(2)과 대향전극(4)에 대하여 미리 정해진 간격을 갖는 참조전극(3)을 더 커버함과 동시에 상기 작용전극(2), 대향전극(4) 및 참조전극(3)을 일체가 되게 마련한 가연성 가스센서.
  4. 제 3 항에 있어서, 참조전극(3) 및 대향전극(4)의 작용전극(2)을 중심으로 하는 동심원 상태로 형성되어 있는 가연성 가스센서.
  5. 제 3 항에 있어서, 참조전극(3)이 작용전극(2)과 대향전극(4) 사이에 마련되어 있는 가연성 가스센서.
  6. 제 3 항에 있어서, 대향전극(4)이 작용전극(2)과 참조전극(3) 사이에 마련되어 있는 가연성 가스센서.
  7. 제 3 항에 있어서, 작용전극(2)에 백금족금속으로 형성되어 있는 동시에, 대향전극(4)이 가연성 가스와 반응하지 않는 금속으로 형성되어 있는 가연성 가스센서.
  8. 제 3 항에 있어서, 작용전극(2)의 금으로 형성되어 있는 동시에, 대향전극(4)이 가연성 가스와 반응하지 않는 금속으로 형성되어 있는 가연성 가스센서.
  9. 제 7 항에 있어서, 작용전극(2) 및 대향전극(4)이 다같이 백금족금속으로 형성되어 있는 가연성 가스센서.
  10. 제 8 항에 있어서, 작용전극(2) 및 대향전극(4)이 다같이 금으로 형성되어 있는 가연성 가스센서.
  11. 전계효과 트랜지스터의 게이트전극(56) 및 소오스전극(52)의 한쪽을 백금족금속으로 구성함과 동시에, 다른쪽을 가연성 가스와 반응하지 않는 금속으로 형성하고, 상기 양전극위를 커버함과 동시에, 상기 양전극과 일체가 되게 형성된 가스투과성 프로톤 전도체막(58)을 구비한 가연성 가스센서.
  12. 제11항에 있어서, 가연성 가스와 반응하지 않는 금속이 은으로 된 가연성 가스센서.
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