特開 2023-55088 ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023055088

(43)【公開日】2023-04-17

(54)【発明の名称】ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/16 20060101AFI20230410BHJP

   G01N 25/22 20060101ALI20230410BHJP

【ＦＩ】

G01N27/16 B

G01N25/22

【審査請求】未請求

【請求項の数】2

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021164205

(22)【出願日】2021-10-05

(71)【出願人】

【識別番号】000190301

【氏名又は名称】新コスモス電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】宮崎 洋

(72)【発明者】

【氏名】奥田 和冶

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼島 裕正

【テーマコード（参考）】

2G040

2G060

【Ｆターム（参考）】

2G040AB09

2G040AB16

2G040BA04

2G040BA23

2G040CA02

2G040DA02

2G040DA12

2G040DA22

2G040EA02

2G040EB02

2G040FA10

2G040GA05

2G060AA02

2G060AB03

2G060AB17

2G060AB18

2G060AE19

2G060AF09

2G060BA03

2G060BB03

2G060BB04

2G060HB06

2G060JA01

2G060KA01

(57)【要約】

【課題】検知対象ガスの反応によって水が生じた場合でも、当該検知対象ガスの検知精度の低下を抑制することができるＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサを提供する。
【解決手段】ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ（１）は、ガス反応部（１３）と、ガス反応部（１３）上に設けられる水飛散抑制層（１４）と、を備える。水飛散抑制層（１４）は、検知対象ガスを透過させ、かつ、検知対象ガスに対してガス反応部（１３）よりも活性が低い。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、前記基板上に設けられる検出電極と、前記検出電極に接触するように前記基板上に設けられるガス反応部と、前記ガス反応部上に設けられる水飛散抑制層と、を備える、ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサであって、
検知対象ガスは、反応により水を発生させるガスを少なくとも１つ含み、
前記水飛散抑制層は、前記検知対象ガスを透過させ、かつ、前記検知対象ガスに対して前記ガス反応部よりも活性が低いことを特徴とする、ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ。

【請求項2】

前記検知対象ガスは、水素であることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサに関する。

【背景技術】

【0002】

接触燃焼式ガスセンサは、水素などの検知対象ガスと接触するガス反応部を備え、当該検知対象ガスが燃焼した燃焼熱による、ガス反応部の抵抗値の変化を測定することにより、検知対象ガスを検知する（例えば、下記特許文献１参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００９-００２８８８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上記のような接触燃焼式ガスセンサでは、小型化及び省電力化が要望されている。このような要望を満足すべく、微細加工が可能なＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用したＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサの開発・実用化が行われている。

【0005】

ところが、上記のようなＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサでは、検知対象ガスの燃焼（反応）によって生じる水に起因して当該検知対象ガスの検知精度が低下するという問題点を生じることがあった。

【0006】

具体的にいえば、ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサを構成した場合、その小型化に伴って在来の接触燃焼式ガスセンサに比べて発熱部が微小となり、微小な発熱部の近くに存在する常温に近い部分では、水素の燃焼により生成した水蒸気が結露しやすくなることがあった。このため、従来のＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサでは、水が付着することにより、ガス反応部の温度が低下して当該ガス反応部の抵抗値が変動することがあった。この結果、従来のＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサでは、センサ出力が安定せずに、検知対象ガスの検知精度の低下を招くことがあった。

【0007】

本開示は、検知対象ガスの反応によって水が生じた場合でも、当該検知対象ガスの検知精度の低下を抑制することができるＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の課題を解決するために、本開示の一側面に係るＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサは、基板と、前記基板上に設けられる検出電極と、前記検出電極に接触するように前記基板上に設けられるガス反応部と、前記ガス反応部上に設けられる水飛散抑制層と、を備える、ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサであって、検知対象ガスは、反応により水を発生させるガスを少なくとも１つ含み、前記水飛散抑制層は、前記検知対象ガスを透過させ、かつ、前記検知対象ガスに対して前記ガス反応部よりも活性が低い。

【0009】

上記構成によれば、水飛散抑制層は検知対象ガスに対してガス反応部よりも活性が低いので、水飛散抑制層はガス反応部よりも検知対象ガスの反応によって水が生じ難く、水の飛散を抑制することができる。これにより、検知対象ガスの反応によって水が生じた場合でも、生成された水を一度に蒸発させず、ガス反応部付近での結露量を抑えることができるため、当該検知対象ガスの検知精度の低下を抑制することができるＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサを構成することができる。

【0010】

前記検知対象ガスは、水素であってもよい。この場合、水素をより高濃度まで検知することができる。

【発明の効果】

【0011】

本開示の一態様によれば、検知対象ガスの反応によって水が生じた場合でも、当該検知対象ガスの検知精度の低下を抑制することができるＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本開示の実施形態１に係るＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサを示す平面図である。

【図2】図１のII－II線断面図である。

【図3】上記ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサに含まれた検出回路の構成例を示す回路図である。

【図4】比較例での検知結果例を示すグラフである。

【図5】本実施形態１の検知結果例を示すグラフである。

【図6】本開示の実施形態２に係るＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサの要部構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

〔実施形態１〕
＜ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１の概略構成＞
以下、本開示の実施形態１のＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１について、図１から図３を用いて詳細に説明する。図１は、本開示の実施形態１に係るＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１を示す平面図である。図２は、図１のII－II線断面図である。図３は、上記ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１に含まれた検出回路の構成例を示す回路図である。

【0014】

図１及び図２において、本実施形態のＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１は、検知対象ガスを検知する検知素子１０と、検知素子１０の検出結果を補償する補償素子２０とを備える。検知対象ガスは、検知素子１０に含まれたガス反応部１３での反応（燃焼）によって水を発生し得る、ガスを少なくとも１つ含んでいる。具体的にいえば、検知対象ガスは、水素、メタン、イソブタン、エタン、プロパンなどの水素原子を含んだ可燃性ガスである。

【0015】

＜検出回路の構成＞
また、本実施形態のＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１は、例えば、ブリッジ回路を含んだ検出回路を備える。すなわち、本実施形態の検出回路は、図３に示すように、検知素子１０、補償素子２０、抵抗７１、及び抵抗７２を有するブリッジ回路と、当該ブリッジ回路に電力供給を行う電源７３と、当該ブリッジ回路の電圧を検知してＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１のセンシング結果として出力するための電圧計７４とを備える。

【0016】

また、本実施形態では、検知素子１０に対して電源７３から間欠的に電力供給が行われ、電力供給を受けた検知素子１０は、検知対象ガスが燃焼し易い所定の燃焼温度（例えば、３００℃～７００℃）で維持されるようになっている。また、補償素子２０は、検知対象ガスの燃焼以外の温度変化（例えば、周囲温度の変化）を基に、検知素子１０の抵抗値の変化を補償する。

【0017】

また、本実施形態では、検知素子１０と補償素子２０とは同じ抵抗値に設定されている。それゆえ、検知対象ガスがＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１の周囲に存在しない場合には、上記ブリッジ回路は平衡状態となり、電圧計７４の出力（つまり、センシング結果）は検知対象ガスが存在しないことを示す０の値となる。

【0018】

一方、検知対象ガスが存在する場合には、検知素子１０の温度が上記燃焼に伴い上昇し、当該検知素子１０の抵抗値もまた大きい値となる。このため、上記検出回路では、そのブリッジ回路の平衡がくずれて、電圧計７４の出力は、検知対象ガスの濃度に比例して、０の値よりも大きくなる。これにより、本実施形態のＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１では、検知対象ガスの濃度を検知することができる。

【0019】

＜ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１の要部構成＞
図１及び図２に示すように、本実施形態のＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１は、例えば、シリコンで構成された基板３０と、基板３０上に形成された絶縁膜４０と、基板３０に形成された凹部３１上で支持される検知素子１０と、基板３０に形成された凹部３２上で支持される補償素子２０とを備える。

【0020】

絶縁膜４０は、例えば、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタル、またはこれらの積層膜を用いて構成されており、凹部３１及び凹部３２の各表面を除いた、基板３０での検知対象ガスの曝露面（図２の上面）側に形成されている。

【0021】

＜検知素子１０の構成＞
検知素子１０は、検知素子１０を支持する第１支持部１１と、第１支持部１１に設けられるヒーター配線１２と、ヒーター配線１２の上方で当該ヒーター配線１２に接触するように設けられる上記ガス反応部１３と、ガス反応部１３上に設けられる水飛散抑制層１４と、を備える。

【0022】

第１支持部１１は、図１及び図２に示すように、複数、例えば、４つの架橋部１５を介して、凹部３１の上方で中空に浮かんだ状態で基板３０に取り付けられている。すなわち、４つの架橋部１５の各一端部は第１支持部１１に連結され、４つの架橋部１５の各他端部は基板３０に連結されている。このように第１支持部１１が、基板３０に対して離間されることにより、ヒーター配線１２で生じた熱が基板３０に放熱されることを抑制することができ、ガス反応部１３での温度低下を抑えて、ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１の省電力化を図ることができる。

【0023】

第１支持部１１及び架橋部１５は、例えば、絶縁膜４０と同様に、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタル、またはこれらの積層膜を用いて構成されている。

【0024】

ヒーター配線１２は、例えば、プラチナ等の貴金属線材を用いて構成されており、上記ブリッジ回路（図３）での検出電極を兼用している。つまり、ヒーター配線１２は、上記電源７３からの電力に応じてガス反応部１３を加熱するとともに、ガス反応部１３でのヒーター配線１２による加熱及び検知対象ガスとの燃焼による、温度上昇に応じて抵抗値が変化する。そして、ヒーター配線１２の抵抗値の変化が、検知対象ガスの濃度の検知の検知データとして用いられる。

【0025】

具体的にいえば、ヒーター配線１２では、その一端部及び他端部が架橋部１５上に設けられた薄膜配線５１及び５２にそれぞれ接続されている。また、薄膜配線５１は、ブリッジ回路（図３）での検知素子１０と抵抗７２との接続点に繋がれる電極パッド６１に接続されている。また、薄膜配線５２は、上記ブリッジ回路での検知素子１０と補償素子２０との接続点に繋がれる電極パッド６２に接続されている。

【0026】

電極パッド６１及び６２は、図示しないリード線を介してそれぞれ電源７３の一端及び電圧計７４の一端に接続されている。これにより、検知素子１０では、電源７３からの電力供給が行われるとともに、被検知対象ガスの濃度検知が可能となる。

【0027】

ガス反応部１３は、例えば、アルミナまたはシリカアルミナ等を用いる担体に、例えば、パラジウムまたはプラチナ等の水素などの検知対象ガスに対して活性を有する貴金属触媒を担持して構成される。このようにガス反応部１３は、検知対象ガスと反応して燃焼する貴金属触媒を含んでいる。また、ガス反応部１３は、例えば、塗布法により、上記貴金属触媒が担持された担体を第１支持部１１上に設けた後、例えば、電気炉にて焼成することにより、当該第１支持部１１上に形成される。

【0028】

水飛散抑制層１４は、例えば、アルミナ、酸化スズ、またはシリカアルミナ等の検知対象ガスに対して不活性な不活性材料を用いて構成されている。つまり、水飛散抑制層１４は、ガス反応部１３と異なり、検知対象ガスに対して活性を有する貴金属触媒を含んでおらず、検知対象ガスに対してガス反応部１３よりも活性が低い。また、水飛散抑制層１４は、例えば、塗布法により、上記不活性材料をガス反応部１３上に設けた後、例えば、電気炉にて焼成することにより、当該ガス反応部１３上に形成される。

【0029】

また、水飛散抑制層１４は、ガス反応部１３での検知対象ガスとの反応を阻害しないように、当該検知対象ガスを透過させるように構成されている。具体的には、水飛散抑制層１４では、その膜厚が例えば、１０～４０μｍ程度とされている。また、水飛散抑制層１４では、その比表面積が小さくされており（例えば、５ｍ²／ｇ以下とされており）、検知対象ガスの透過を許容するとともに、ガス反応部１３で生じた水（水滴）の飛散を抑制するようになっている。

【0030】

また、検知素子１０では、ガス反応部１３及び水飛散抑制層１４以外の構成がＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて形成されている。

【0031】

＜補償素子２０の構成＞
補償素子２０は、補償素子２０を支持する第２支持部２１と、第２支持部２１に設けられるヒーター配線２２と、ヒーター配線２２の上方で当該ヒーター配線２２に接触するように設けられる補償部２３と、を備える。

【0032】

第２支持部２１は、図１及び図２に示すように、複数、例えば、４つの架橋部２５を介して、凹部３２の上方で中空に浮かんだ状態で基板３０に取り付けられている。すなわち、４つの架橋部２５の各一端部は第２支持部２１に連結され、４つの架橋部２５の各他端部は基板３０に連結されている。このように第２支持部２１が、基板３０に対して離間されることにより、ヒーター配線２２で生じた熱が基板３０に放熱されることを抑制することができ、補償部２３での温度低下を抑えて、ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１の省電力化を図ることができる。

【0033】

第２支持部２１及び架橋部２５は、例えば、絶縁膜４０と同様に、酸化シリコン、窒化シリコン、酸化タンタル、またはこれらの積層膜を用いて構成されている。

【0034】

ヒーター配線２２は、例えば、プラチナ等の貴金属線材を用いて構成されており、上記ブリッジ回路（図３）での補償用検出電極を兼用している。つまり、ヒーター配線２２は、上記電源７３からの電力に応じて補償部２３を加熱するとともに、補償部２３でのヒーター配線２２による加熱による、温度上昇に応じて抵抗値が変化する。そして、ヒーター配線２２の抵抗値の変化が、検知対象ガスの濃度の検知の際に補償用のデータとして用いられる。

【0035】

具体的にいえば、ヒーター配線２２では、その一端部及び他端部が架橋部２５上に設けられた薄膜配線５３及び５４にそれぞれ接続されている。また、薄膜配線５３は、ブリッジ回路（図３）での検知素子１０と補償素子２０との接続点に繋がれる電極パッド６２に接続されている。また、薄膜配線５４は、上記ブリッジ回路での補償素子２０と抵抗７１との接続点に繋がれる電極パッド６３に接続されている。

【0036】

電極パッド６２及び６３は、図示しないリード線を介してそれぞれ電圧計７４の一端及び電源７３の他端に接続されている。これにより、補償素子２０では、電源７３からの電力供給が行われるとともに、被検知対象ガスの濃度検知での補償が可能となる。

【0037】

補償部２３は、例えば、アルミナまたはシリカアルミナ等の検知対象ガスに対して不活性な不活性材料を用いて構成されており、パラジウムまたはプラチナ等の水素などの検知対象ガスに対して活性を有する貴金属触媒は含まれない。また、補償部２３は、例えば、塗布法により、上記不活性材料を第２支持部２１上に設けた後、例えば、電気炉にて焼成することにより、当該第２支持部２１上に形成される。

【0038】

また、補償素子２０では、補償部２３以外の構成がＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて形成されている。

【0039】

尚、上記の説明では、図２に示すように、ヒーター配線１２及び２２を露出させてガス反応部１３及び補償部２３にそれぞれ直接的に接触するように第１支持部１１及び第２支持部２１に設けた場合を例示して説明した。しかしながら、本実施形態はこれに限定されるものではなく、例えば、ヒーター配線１２及び２２をそれぞれ第１支持部１１及び第２支持部２１の内部に埋設する構成でもよい。

【0040】

以上のように構成された本実施形態のＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１では、検知素子１０はガス反応部１３とガス反応部１３上に設けられる水飛散抑制層１４とを備える。また、水飛散抑制層１４は、検知対象ガスに対してガス反応部１３よりも活性が低いので、水飛散抑制層１４は、ガス反応部１３よりも検知対象ガスの反応によって水が生じ難く、水の飛散を抑制することができる。これにより、本実施形態は、検知対象ガスの反応によって水が生じた場合でも、生成された水を一度に蒸発させず、ガス反応部１３付近での結露量を抑えることができるため、当該検知対象ガスの検知精度の低下を抑制することができるＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１を構成することができる。

【0041】

また、本実施形態では、水飛散抑制層１４がガス反応部１３で生じた水（水滴）の飛散を抑制するので、水滴が検知素子１０の周辺領域に飛散するのを大幅に抑えることができる。この結果、本実施形態では、周辺領域に飛散した水滴に起因して、ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１のセンシング結果（センサ出力）が変動するのを確実に抑えることが可能となる。

【0042】

また、本実施形態では、検知対象ガスとして水素を検知する。これにより、本実施形態では、水素をより高濃度まで検知することができる。

【0043】

ここで、図４及び図５も参照して、本実施形態のＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１の効果について具体的に説明する。図４は、比較例での検知結果例を示すグラフである。図５は、本実施形態１の検知結果例を示すグラフである。

【0044】

まず、比較例では、本実施形態品と異なり、検知素子において、ガス反応部のみ形成され、水飛散抑制層が形成されていない。このため、比較例では、ガス反応部での水素（検知対象ガス）との反応（燃焼）によって生じた水が検知素子の周辺領域に飛散するのを抑えることができない。この結果、比較例では、図４のグラフに示すように、そのセンサ出力が安定せずに大きく変動するものとなった。

【0045】

一方、本実施形態品では、水飛散抑制層１４により、検知素子１０の周辺領域への水の飛散が抑えられているので、図５のグラフに示すように、そのセンサ出力は変動せずに、一定値で安定した値となった。すなわち、本実施形態品では、例えば、１００％ＬＥＬにて示すように、水素濃度が４％である場合に、センサ出力は約８０の値で保持されていた。このように、本実施形態品では、水素を高精度に検知できることが実証された。

【0046】

〔実施形態２〕
本開示の実施形態２について、図６を用いて具体的に説明する。図６は、本開示の実施形態２に係るＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサの要部構成を示す断面図である。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を繰り返さない。

【0047】

本実施形態２と上記実施形態１との主な相違点は、ガス反応部８３の周囲に堤防窓８５を設けた点である。

【0048】

本実施形態のＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１では、図６に示すように、検知素子８０は、第１支持部８１と、第１支持部８１に設けられるヒーター配線８２と、ヒーター配線８２の上方で当該ヒーター配線８２に接触するように設けられるガス反応部８３と、ガス反応部８３上に設けられる水飛散抑制層８４と、を備える。

【0049】

また、本実施形態では、図示しない略円形の窓を有する、堤防窓８５がガス反応部８３外周部と当接して当該ガス反応部８３を囲むように第１支持部８１上に設けられている。この堤防窓８５は、例えば、第１支持部８１と同一材料でＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて構成されている。

【0050】

また、本実施形態では、堤防窓８５を設けることにより、より均一な膜厚で水飛散抑制層８４を形成することができる。すなわち、堤防窓８５がガス反応部８３の外周部を囲むことにより、水飛散抑制層８４の端部の膜厚を当該水飛散抑制層８４の中央部の膜厚と均一となるように堤防窓８５上に当該端部を形成することが容易に可能となるからである。

【0051】

以上の構成により、本実施形態では、上記実施形態１と同様な効果を奏する。また、より均一な膜厚で水飛散抑制層８４を形成することができるので、検知素子８０の周辺領域への水の飛散をより確実に抑えることが可能となり、ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ１のセンサ出力が変動するのをより確実に抑えることができる。

【0052】

本発明は前述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0053】

１ ＭＥＭＳ型接触燃焼式ガスセンサ
１２、８２ ヒーター配線（検出電極）
１３、８３ ガス反応部
１４、８４ 水飛散抑制層
３０ 基板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】