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公開番号2025168958
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-11-12
出願番号2024073857
出願日2024-04-30
発明の名称ガスセンサ
出願人株式会社日立ハイテク
代理人ポレール弁理士法人
主分類G01N 27/12 20060101AFI20251105BHJP(測定;試験)
要約【課題】ガス中に含まれる不純物の濃度を高感度に計測することができ、良好なリフレッシュ特性を有するガスセンサを提供する。
【解決手段】本発明によるガスセンサは、検知対象雰囲気に含まれる不純物の濃度を計測するガスセンサ素子と、内部にガスセンサ素子を備えるとともに、内部の空間と外部の空間とを接続するガス流路を備えるチャンバと、チャンバの壁面に設けられて、検知対象雰囲気に含まれる主成分のガスをチャンバの内部から外部または外部から内部へ選択的に透過させる電気化学ポンプと、ガスセンサ素子を加熱する第1のヒータと、電気化学ポンプを加熱する第2のヒータとを備える。電気化学ポンプは、チャンバの内部に位置する第1の電極と、チャンバの外部に位置する第2の電極と、第1の電極と第2の電極に接するイオン伝導体層を備え、第2の電極の電位を基準に第1の電極の電位を正または負とすることで、主成分のガスを選択的に透過させる。
【選択図】図4A
特許請求の範囲【請求項１】
検知対象雰囲気に含まれる不純物の濃度を計測するガスセンサ素子と、
内部に前記ガスセンサ素子を備えるとともに、内部の空間と外部の空間とを接続するガス流路を備えるチャンバと、
前記チャンバの壁面に設けられており、前記検知対象雰囲気に含まれる主成分のガスを、前記チャンバの内部から外部へまたは前記チャンバの外部から内部へ選択的に透過させる電気化学ポンプと、
前記ガスセンサ素子を加熱して前記ガスセンサ素子の温度を制御する第１のヒータと、
前記電気化学ポンプを加熱して前記電気化学ポンプの温度を制御する第２のヒータと、
を備え、
前記電気化学ポンプは、
前記チャンバの内部に位置し、前記チャンバの内部の空間に露出する第１の電極と、
前記チャンバの外部に位置し、前記チャンバの外部の空間に露出する第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極の間に位置して前記第１の電極と前記第２の電極に接するイオン伝導体層と、
を備え、
前記第２の電極の電位を基準に前記第１の電極の電位を正電位または負電位とすることで、前記主成分のガスを選択的に透過させる、
ことを特徴とするガスセンサ。
続きを表示（約 930 文字）【請求項２】
前記電気化学ポンプが、前記第２のヒータで加熱され、前記主成分のガスを前記チャンバの内部から外部へ透過させることで、前記チャンバの内部の前記不純物の濃度を高くすると、前記ガスセンサ素子は、前記第１のヒータで加熱されて前記不純物の濃度を計測し、
前記電気化学ポンプが、前記第２のヒータで加熱され、前記主成分のガスを前記チャンバの外部から内部へ透過させることで、前記チャンバの内部の前記不純物の濃度を低くすると、前記ガスセンサ素子は、前記第１のヒータで加熱されて前記ガスセンサ素子から前記不純物を除去するリフレッシュ動作を行う、
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項３】
前記ガスセンサ素子の温度を計測する温度計部を備え、
前記温度計部は、ダイオードを備える、
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項４】
前記チャンバは、金属または金属酸化物で構成されている、
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項５】
前記チャンバは、積層された絶縁膜で構成されている、
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項６】
前記ガスセンサ素子は、前記チャンバの内部の空間において、前記ガス流路でのガスの流れ方向で、前記ガス流路と前記電気化学ポンプの間に位置する、
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項７】
前記ガスセンサ素子は、シリコンまたは炭化ケイ素で構成された半導体基板を備える、
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項８】
前記ガスセンサ素子は、電界効果トランジスタで構成されたガスセンサ素子である、
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項９】
前記ガスセンサ素子は、ＭＯＳキャパシタまたはダイオードで構成されたガスセンサ素子である、
請求項１に記載のガスセンサ。
【請求項１０】
前記ガス流路は、前記ガス流路を加熱して前記ガス流路の温度を制御する第３のヒータを備える、
請求項１に記載のガスセンサ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ガスセンサに関し、特に、ガス中に含まれる不純物成分の濃度を計測するガスセンサに関する。
続きを表示（約 1,400 文字）【背景技術】
【０００２】
脱炭素社会の実現に向けて、化石燃料の代わりに水素やカーボンニュートラルなバイオ燃料を用いて発電する技術が注目を集めている。水素を用いた発電デバイスには、固体高分子形燃料電池（ＰＥＦＣ）が知られている。ＰＥＦＣは、燃料水素中に含まれる被毒性不純物により劣化するので、燃料水素中に含まれる不純物を検出する技術が必要である。
【０００３】
特許文献１には、固体高分子形燃料電池を利用したセンサで水素中の不純物を計測する技術が開示されている。
【０００４】
特許文献２には、ガスの測定に用いるセンサの例が開示されている。特許文献２は、雰囲気中の水素濃度に応じて素子のしきい値電圧が変化する現象を利用して水素濃度を計測するセンサ、例えば、電界効果型トランジスタ素子、静電容量素子、及びダイオード素子を用いた仕事関数型センサを開示している。
【０００５】
特許文献３、４、５には、雰囲気中の特定の成分を検出する技術が開示されている。これらは、例えば車載用の排気ガスセンサの１つであるＮＯｘセンサに用いられる技術を開示し、窒素酸化物（ＮＯｘ）のセンシングに際して妨害ガスとなる一酸化炭素と炭化水素などを、雰囲気中の酸素と反応させて不活性化して妨害ガスではないようにするとともに、残った妨害ガスである酸素を除去し、この後にＮＯｘをセンシングする方法を開示している。酸素の除去には、酸素イオン導電体であるジルコニアを用いた酸素イオンポンプが用いられている。ＮＯｘのセンシングには、特許文献３では酸素イオンポンプと類似する素子が用いられており、特許文献４、５では仕事関数型ガスセンサが用いられている。
【０００６】
特許文献６には、特許文献１と同様の水素イオン、つまりプロトンの導電体を用いたデバイスについての技術が開示されている。但し、特許文献６に開示されたデバイスは、固体電解質層に含まれるプロトンの量に応じて屈折率が変化する現象を利用した光学デバイスであり、ガスセンサではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
特開２０１１－１９８７２９号公報
特開２０１８－７２１４６号公報
特開平８－２７１４７６号公報
特開２０１８－１７３３２２号公報
特開２０１９－９０７４３号公報
特表２０２０－５２４３０７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
水素などのベースガス中に含まれる不純物成分の濃度を計測するセンサには、高感度の計測が要求される。センサが不純物により被毒すると、センサの素子が劣化し、高感度の計測が困難になる。このため、センサが不純物により被毒する場合には、必要に応じて、不純物によって被毒したセンサの素子から不純物を除去するリフレッシュ動作を行わなければならない。
【０００９】
特許文献１から６に記載されている技術では、高感度な不純物の計測とリフレッシュ動作を両立させることが困難である。
【００１０】
特許文献１に記載の技術では、被毒性不純物により劣化するＰＥＦＣをセンサに用いるので、不純物の種類によっては、計測後にセンサが劣化して回復しない恐れがある。特許文献２、６に記載の技術では、ガス中の不純物のセンシングを考慮していない。
（【００１１】以降は省略されています）

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