JP7187139B2

JP7187139B2 - 接触燃焼式ガスセンサ

Info

Publication number: JP7187139B2
Application number: JP2017130628A
Authority: JP
Inventors: 泰成杠; 洋宮崎
Original assignee: New Cosmos Electric Co Ltd
Current assignee: New Cosmos Electric Co Ltd
Priority date: 2017-07-03
Filing date: 2017-07-03
Publication date: 2022-12-12
Anticipated expiration: 2037-07-03
Also published as: JP2019015521A

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。

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。

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。

そこで、微細加工が可能なＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ）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。

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）。

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。

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。

特開２００９－５８３８９号公報

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明の一実施形態に係る接触燃焼式ガスセンサが備えるガス検知素子の全体構成を示す平面図。図１におけるＡ―Ａ断面図。接触燃焼式ガスセンサが備えるブリッジ回路を示す概略図。従来のＭＥＭＳ型の接触燃焼式ガスセンサにおいて所定環境下における測定結果を示す図であり、（ａ）は水素曝露時のセンサ出力の応答波形を示す図、（ｂ）は高温・低湿環境下における水素曝露時のセンサ出力の応答波形を示す図。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

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接触燃焼式ガスセンサ。
前記検知素子は、前記基板に中空状態で支持される請求項１に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
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請求項１または２に記載の接触燃焼式ガスセンサ。
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請求項１～３の何れかに記載の接触燃焼式ガスセンサ。
ＭＥＭＳ技術により形成した請求項１～４の何れか一項に記載の接触燃焼式ガスセンサ。