JP7203663B2 - gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、特定条件で対象ガスと接触することにより、ガス検知部の電気的特性が変化することを利用したガスセンサに関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a gas sensor that utilizes changes in the electrical characteristics of a gas detection part due to contact with a target gas under specific conditions.
対象ガスと接触することにより、対象ガスに応じた態様で電気的特性が変化するガスセンサと、ガスセンサを加熱するヒータ部位と、ヒータ部位による加熱を制御する加熱制御部と、ガスセンサの電気的特性を測定して対象ガスを検出するガス検出部とを有するガス検知装置が知られている。このようなガス検知装置においては、加熱制御部によりヒータ部位を制御することにより、対象ガスの種類に応じた適切な温度にガスセンサを加熱して、ガスセンサの電気的特性(電気抵抗値、電圧値など)に基づいて対象ガスを検出する。具体的には、複数の対象ガスそれぞれについて、特定の測定温度に加熱後、特定の時間経過後の電気抵抗値等の電気的特性を、対象ガスと関連付けてあらかじめ記憶しておき、温度を順に変更した際の電気的特性を測定し、温度に対する測定値と合致する対象ガスを検出する。 A gas sensor whose electrical characteristics change in a manner corresponding to the target gas upon contact with the target gas, a heater portion that heats the gas sensor, a heating control section that controls heating by the heater portion, and the electrical characteristics of the gas sensor. A gas detection device is known that has a gas detection unit that measures and detects a target gas. In such a gas detection device, the heater portion is controlled by the heating control section to heat the gas sensor to an appropriate temperature according to the type of target gas, and the electrical characteristics (electric resistance value, voltage value) of the gas sensor are measured. etc.). Specifically, for each of a plurality of target gases, after heating to a specific measurement temperature, the electrical characteristics such as the electrical resistance value after a specific time has passed are stored in advance in association with the target gas, and the temperatures are stored in order. Measure the electrical properties when changed, and detect the target gas that matches the measured value for temperature.
ガスセンサは、半導体基板上に設けられるガス検知部と、ガス検知部を加熱するヒータ部と、ガス検知部を覆う触媒部(ガス選択燃焼部)とを備える。ここで、触媒部は、7%のパラジウムが触媒として担持されたアルミナ焼結材である。 The gas sensor includes a gas detection section provided on a semiconductor substrate, a heater section that heats the gas detection section, and a catalyst section (gas selective combustion section) that covers the gas detection section. Here, the catalyst portion is an alumina sintered material supporting 7% palladium as a catalyst.
しかしながら、対象ガスとしてアセトン等の揮発性有機化合物(VOC)を低濃度で検知する場合、従来のガスセンサでは十分な感度が得られない場合がある。これは、貴金属触媒が高濃度に担持される触媒部を用いると、揮発性有機化合物が触媒部で燃焼しやすくなり、ガス検知部で検知することが困難になるためであると思われるとの知見を得るに至った。 However, when detecting low concentrations of volatile organic compounds (VOCs) such as acetone as the target gas, there are cases where sufficient sensitivity cannot be obtained with conventional gas sensors. This is thought to be because volatile organic compounds are more likely to burn in the catalyst part when a catalyst part carrying a high concentration of precious metal catalyst is used, making it difficult to detect with the gas detection part. I have come to know.
本発明は、対象ガスとして低濃度の揮発性有機化合物としてのアセトンを高感度に検出することを目的とする。 An object of the present invention is to detect acetone as a low-concentration volatile organic compound as a target gas with high sensitivity.
上記目的を達成するために、本発明の一実施形態に係るガスセンサは、所定の測定温度に加熱された際に対象ガスであるアセトンとの接触により電気的特性が変化するガス検知部と、前記ガス検知部を加熱するヒータ部と、前記ガス検知部を覆う触媒部とを備え、前記触媒部は、触媒金属として、パラジウム、イリジウム、白金、およびロジウムのうちの1または複数が組み合わされて担持され、前記触媒部における前記触媒金属の合計含有率が、0.1質量%以上3質量%以下である。 In order to achieve the above object, a gas sensor according to one embodiment of the present invention comprises a gas detection part whose electrical characteristics change upon contact with acetone, which is a target gas, when heated to a predetermined measurement temperature; A heater unit that heats a gas detection unit and a catalyst unit that covers the gas detection unit, and the catalyst unit supports a combination of one or more of palladium, iridium, platinum, and rhodium as a catalyst metal. and the total content of the catalyst metals in the catalyst portion is 0.1% by mass or more and 3% by mass or less.
このような構成により、触媒部での対象ガスのアセトンの燃焼が抑制され、対象ガスのアセトンの検出感度が向上し、低濃度の対象ガスを検出することが可能となる。 With such a configuration, the combustion of acetone , which is the target gas, is suppressed in the catalyst section, the detection sensitivity for acetone , which is the target gas, is improved, and it becomes possible to detect a low-concentration target gas.
また、前記触媒金属として、白金とイリジウムとが担持されることが好ましい。 Moreover, it is preferable that platinum and iridium are supported as the catalyst metal.
このような構成により、対象ガスとしてアセトンを検出する場合、効率的にアセトンの検出感度が向上し、低濃度のアセトンを検出することが可能となる。 With such a configuration, when detecting acetone as the target gas, the detection sensitivity of acetone is efficiently improved, and low-concentration acetone can be detected.
また、前記触媒部の担体は、遷移金属酸化物であることが好ましい。 Further, it is preferable that the carrier of the catalyst part is a transition metal oxide.
このような構成により、対象ガスの検出感度が効率的に向上し、低濃度の対象ガスを検出することが可能となる。 With such a configuration, the detection sensitivity of the target gas is efficiently improved, and it becomes possible to detect a low-concentration target gas.
本実施形態に係るガス検知装置100を図1に基づいて説明する。ガス検知装置100は、センサ素子20(ガスセンサの一例)と、加熱制御部12と、ガス検出部13(制御部の一例)と、温度検出部14(環境測定部の一例)とを有する。センサ素子20は、ガス検知部10と、触媒部11と、ヒータ部6とを少なくとも有している。
A
ガス検知装置100は、加熱制御部12によりヒータ部6への通電を行うことにより、ガス検知部10を対象ガスの種類に応じた適切な温度にまで加熱して、ガス検知部10の電気的特性(電気抵抗値、電圧値など)に基づいて、低濃度の揮発性有機化合物(VOC)を含む対象ガスを検出する。対象ガスに含まれる揮発性有機化合物は、アセトンである。また、対象ガスにおける揮発性有機化合物の濃度は、0.1ppm以上2.0ppm以下である。以下は、対象ガスとしてアセトンを検出する実施形態を例とした説明である。まず、具体的なセンサ素子20の構成が説明される。
The
(センサ素子)
センサ素子20は、シリコン基板1に支持されてダイアフラムを構成する。センサ素子20は、支持部5と、絶縁部7と、ガス検知部10と、触媒部11を有する。支持部5はシリコン基板1上に形成され、支持部5上にヒータ部6が形成される。絶縁部7は、ヒータ部6の全体を覆って支持部5上に形成される。絶縁部7の上に一対の接合部8が形成され、接合部8の上に電極部9が形成されている。絶縁部7の上の、一対の電極部9の間に、ガス検知部10が形成される。絶縁部7の上に、ガス検知部10を覆う形態にて、触媒部11が形成される。なお、センサ素子20は、ブリッジ構造をとっても良く、ヒータ部6は、電極として兼用されても良い。
(sensor element)
The
支持部5は、熱酸化膜2と、Si3N4膜3と、SiO2膜4とが順に積層されて形成されている。ヒータ部6は通電により発熱して、ガス検知部10および触媒部11を加熱する。
The support portion 5 is formed by laminating a thermal oxide film 2, a Si 3 N 4 film 3, and a SiO 2 film 4 in this order. The
ガス検知部10は、金属酸化物を主成分とする半導体の層である。例えば、ガス検知部10は、酸化スズ(SnO2)を主成分とする混合物である。ガス検知部10は、対象ガスとの接触により電気抵抗値が変化する。ガス検知部10は、厚さが0.2~1.6μm程度の薄膜としても良いし、1.6μmを越える厚さを有する膜(厚膜)としても良い。
The
触媒部11は、ヒータ部6により加熱されて高温となり、その温度において活性のある(燃焼する)ガスを燃焼させる。さらに、その温度では、対象ガスである不活性な可燃性ガスが透過・拡散されてガス検知部10へ到達される。これにより、加熱温度を適切に制御することによって可燃性ガスの検出精度が高められている。換言すれば触媒部11は、可燃性ガスであるアセトンを検出する際に、可能な限り対象ガス以外の水素ガス、アルコールガスなどの還元性ガス(非対象ガス)を燃焼させてガス検知部10に到達しないようにし、さらに、非対象ガスが到達したとしても、ガス検知部10における反応(燃焼)特性の温度依存性の相違による加熱時の電気特性の違いを利用してガス検知装置100にガス選択性を持たせる機能を有する。そのため、ガス検知部10は、触媒部11を透過・拡散した対象ガスである可燃性ガスとしてのアセトンを効率的に検出することができる。
The
触媒部11は、金属酸化物を主成分とする担体に、触媒金属を担持させて構成される。具体的には、触媒金属を担持した金属酸化物が、バインダーを介して互いに結合されて形成される。
The
可燃性ガスとしてのアセトンを検知する際には、触媒金属は、適切な加熱温度とすることによって対象ガスに対しては酸化除去能が小さく、対象ガスの検知に際して誤検知を引き起こし得る干渉ガス(エタノールやH2(水素)等の還元性ガスその他の雑ガス)に対する、酸化除去能が大きい触媒となる金属が用いられる。可燃性ガスとしてのアセトンを検知する際には、触媒金属としてパラジウム(Pd)、白金(Pt)、ロジウム(Rh)、イリジウム(Ir)等が使用可能であるが、例えば、パラジウム、白金、イリジウム、ロジウムのうち少なくとも一つを含むものが用いられる。 When detecting acetone as a combustible gas, the catalyst metal has a low oxidation removal ability for the target gas when heated to an appropriate heating temperature, and is an interference gas that can cause false detection when detecting the target gas. A metal is used as a catalyst having a high oxidation removal ability against (reducing gases such as ethanol and H2 (hydrogen) and other miscellaneous gases) . When detecting acetone as a combustible gas, palladium (Pd), platinum (Pt), rhodium (Rh), iridium (Ir), etc. can be used as catalyst metals. A material containing at least one of iridium and rhodium is used.
触媒金属を担持する担体としては、遷移金属酸化物等が用いられ、例えば、アルミナ(Al2O3)、酸化ジルコニウム(ZrO2)、酸化イットリウム(Y2O3)、酸化セリウム(CeO2)、酸化ランタン(La2O3)、酸化チタン(TiO2)、酸化ハフニウム(HfO2)、酸化ニオブ(Nb2O5)、または酸化タンタル(Ta2O5)が用いられる。 As the carrier for supporting the catalyst metal, transition metal oxides and the like are used, such as alumina ( Al2O3 ) , zirconium oxide ( ZrO2), yttrium oxide ( Y2O3 ), and cerium oxide ( CeO2). , lanthanum oxide (La 2 O 3 ), titanium oxide (TiO 2 ), hafnium oxide (HfO 2 ), niobium oxide (Nb 2 O 5 ), or tantalum oxide (Ta 2 O 5 ) are used.
担体を結合させるバインダーとしては、金属酸化物の微粉末、例えば酸化ジルコニウム、シリカ微粉末、シリカゾル、マグネシア等が用いられる。バインダーとしての微量の使用であれば、触媒部11の機能を阻害しない範囲で、アルミナ微粉末またはアルミナゾルを用いることも可能である。また、上述した触媒金属、担体としての金属酸化物、バインダーはいずれも、1種類を単独で使用してもよいし、2種以上を併用することもできる。
As the binder for binding the carrier, fine powders of metal oxides such as zirconium oxide, fine silica powder, silica sol, magnesia and the like are used. Alumina fine powder or alumina sol can also be used as long as it does not impede the function of the
触媒部11に含有される触媒金属の量は、触媒金属と担体の合計質量に対して3質量%以下することが好ましく、例えば1質量%以上3質量%以下、2質量%以上3質量%以下、0.1質量%以上3質量%以下、0.1質量%以上1質量%以下とすることがより好ましい。この場合、触媒金属として、白金とイリジウムとを用いることが好ましい。
The amount of the catalytic metal contained in the
(加熱制御部)
加熱制御部12は、ヒータ部6に対する通電制御を行い、ヒータ部6に通電してガス検知部10を加熱する加熱動作と、ヒータ部6に通電しない非加熱動作(ガス検知部10の加熱を停止する非加熱動作)とを行う。また加熱制御部12は、ヒータ部6に対する通電電圧または通電電流を制御することにより、ヒータ部6を設定された任意の温度に加熱することができる。
(heating controller)
The
具体的には加熱制御部12は、図示しない電池等の電源から電源供給を受け、センサ素子20のヒータ部6に通電して、センサ素子20を加熱する。加熱する温度、すなわちガス検知部10および触媒部11の到達温度は、例えばヒータ部6に印可する電圧を変更することにより制御される。
Specifically, the
(ガス検出部)
ガス検出部13は、ガス検知部10の電気的特性を測定して対象ガスを検出する。例えば、ガス検出部13は、一対の電極部9の間の電気抵抗値(電気的特性)を測定することにより、ガス検知部10の抵抗値を測定して、その変化から対象ガスの存在と対象ガスの濃度とを検出する。
(Gas detector)
The
温度検出部14は、ガス検知部10、または、ガス検知部10とその周辺の温度(以下、周辺温度と総称する)とを検出する。具体的には温度検出部14は、サーミスタ等の温度センサである。また、ヒータ部6の抵抗値を計測することによってヒータ部6の温度(ガス検知部10の温度とほぼ同等)を検出することもできる。温度検出部14によって検出された温度は、加熱制御部12へ送られる。
The
(対象ガスの検出)
以上の様に構成されたガス検知装置100における、対象ガスの検出の際の動作について説明する。以下に説明するガス検知装置では、アセトン検出用加熱動作が行われる。
(Detection of target gas)
The operation of the
アセトン検出用加熱動作は、加熱制御部12が、周辺温度に基づいてヒータ部6への通電を制御してヒータ部6を発熱させ、ガス検知部10および触媒部11をアセトンの測定温度であるアセトン検出用温度に加熱する動作である。アセトン検出用加熱動作は、アセトンの検出と共に、ガス検知部10の表面吸着物(水分、よごれなど)を加熱除去することができる。アセトン検出用温度は、150℃以上350℃以下の所定の温度である。例えばアセトン検出用温度は、300℃であり、この温度でアセトンの存在およびその濃度が検出される。
In the acetone detection heating operation, the
具体的には、加熱制御部12が、ヒータ部6への通電を制御して、ガス検知部10および触媒部11をアセトン検出用温度にし、0.05秒~0.5秒の間温度を保持する。この間にガス検出部13がガス検知部10の抵抗値を測定して、その値からアセトンの存在とその濃度とを検出する。また、この動作により、水素や一酸化炭素等が燃焼され、水分等のガス検知部10の表面吸着物が除去されて表面がクリーニングされ、周囲環境による表面の汚れによるアセトンの検出感度の変動が抑制される。
Specifically, the
アセトン検出用加熱動作において、加熱制御部12によるヒータ部6への通電は、温度検出部14が検出した周辺温度に基づいて行われる。具体的には加熱制御部12は、周辺温度に基づいてヒータ部6へ印加するヒータ駆動電圧VHを制御する。例えば、周辺温度20℃を基準温度として、周辺温度が高くなると相対的にヒータ駆動電圧VHが低く設定され、周辺温度が低くなると相対的にヒータ駆動電圧VHが高く設定される。つまり、周辺温度20℃を基準温度として、周辺温度が高くなると相対的にヒータ駆動のための電力が低くなるように制御され、周辺温度が低くなると相対的にヒータ駆動のための電力が高くなるように制御される。
In the acetone detection heating operation, the
本実施形態では、アセトン検出用加熱動作は、休止動作(ヒータ部6への通電を停止する動作)を挟んで繰り返し行われる。なお、それぞれの動作の時間は適宜設定・変更が可能であり、休止動作は省略することも可能である。 In this embodiment, the heating operation for detecting acetone is repeatedly performed with a resting operation (an operation of stopping the energization of the heater section 6). Note that the time for each operation can be appropriately set/changed, and the pause operation can be omitted.
上述のように、触媒部11における触媒金属の合計含有率を3質量%以下とすることにより、可燃性ガスとしてのアセトンの検出感度が向上し、低濃度の可燃性ガスを検出することが可能となる。鋭意研究の結果、これは、貴金属触媒が高濃度に担持されていると、対象ガスである可燃性ガスが触媒部11で燃焼しやすくなり、ガス検知部10による対象ガスの検知が困難となるためであるとの知見に至った。
As described above, by setting the total content of catalyst metals in the
以下、触媒金属の組み合わせと、組み合わされた1または複数の触媒金属の合計含有率による、アセトンの検出感度の差異について、図2~図5を用いて説明する。図2~図5は、触媒金属の種類と触媒金属の合計含有率とが異なる触媒部11を用いた場合に、濃度が1ppmのアセトン含有ガスとアセトンを含有しない(アセトン濃度が0ppm)ガスにおける、測定温度を300℃で保持した状態でのガス検知部10の電気抵抗値の時間変化を示す。なお、この場合の触媒部11の担体は、酸化ジルコニウム(ZrO2)である。
Differences in acetone detection sensitivity depending on the combination of catalytic metals and the total content of one or more combined catalytic metals will be described below with reference to FIGS. 2 to 5. FIG. 2 to 5 are graphs of acetone-containing gas with a concentration of 1 ppm and gas without acetone (acetone concentration of 0 ppm) when
まず、触媒部11における触媒金属として、1質量%の白金と2質量%のイリジウムとを含有する場合、図2に示すように、濃度が1ppmのアセトン含有ガスとアセトンを含有しないガスとの電気抵抗値の時間変化は、十分に差異があり、所定の経過時間における電気抵抗値からアセトンを検出することができる。
First, when 1% by mass of platinum and 2% by mass of iridium are contained as catalyst metals in the
これに対して、図3~図5に示すように、触媒部11における触媒金属として、2質量%の白金と2質量%のイリジウムとを含有する場合(比較例1:図3)、3質量%の白金と2質量%のイリジウムとを含有する場合(比較例2:図4)、従来一般的に用いられることが多い7質量%のパラジウムを含有する場合(比較例3:図5)、濃度が1ppmのアセトン含有ガスとアセトンを含有しないガスとの電気抵抗値の時間変化は、ほぼ同じとなる。 On the other hand, as shown in FIGS. 3 to 5, when 2% by mass of platinum and 2% by mass of iridium are contained as catalyst metals in the catalyst portion 11 (Comparative Example 1: FIG. 3), 3% by mass % of platinum and 2% by mass of iridium (Comparative Example 2: FIG. 4), and 7% by mass of palladium, which is commonly used in the past (Comparative Example 3: FIG. 5), The change over time in the electrical resistance value of the acetone-containing gas with a concentration of 1 ppm and the gas not containing acetone are approximately the same.
以上の結果、触媒部11における触媒金属の合計含有率を3質量%以下とすることにより、対象ガスとしてのアセトンの検出感度が向上し、測定温度を低くしても、低濃度の対象ガスを検出することが可能となる。
As a result of the above, by setting the total content of the catalyst metals in the
また、上記実施形態では、半導体からなるセンサ素子により対象ガスを検知する構成を例示したが、対象ガスの検知は、様々な構成のガスセンサにより行うことが可能である。 Further, in the above-described embodiments, the configuration in which the target gas is detected by the sensor element made of semiconductor was exemplified, but the target gas can be detected by gas sensors having various configurations.
6 ヒータ部
10 ガス検知部
11 触媒部
12 加熱制御部
13 ガス検出部
14 温度検出部
20 センサ素子(ガスセンサ)
100 ガス検知装置
6
100 gas detector
Claims (3)
前記ガス検知部を加熱するヒータ部と、
前記ガス検知部を覆う触媒部とを備え、
前記触媒部は、触媒金属として、パラジウム、イリジウム、白金、およびロジウムのうちの1または複数が組み合わされて担持され、前記触媒部における前記触媒金属の合計含有率が、0.1質量%以上3質量%以下であるガスセンサ。 a gas detector whose electrical characteristics change upon contact with the target gas, acetone, when heated to a predetermined measurement temperature;
a heater unit that heats the gas detection unit;
a catalyst unit covering the gas detection unit;
The catalyst part supports a combination of one or more of palladium, iridium, platinum, and rhodium as a catalyst metal, and the total content of the catalyst metal in the catalyst part is 0.1% by mass or more3 A gas sensor that is less than or equal to % by mass.
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