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JP2813423B2 - Electrochemical gas sensor - Google Patents

Electrochemical gas sensor

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Publication number
JP2813423B2
JP2813423B2 JP2153564A JP15356490A JP2813423B2 JP 2813423 B2 JP2813423 B2 JP 2813423B2 JP 2153564 A JP2153564 A JP 2153564A JP 15356490 A JP15356490 A JP 15356490A JP 2813423 B2 JP2813423 B2 JP 2813423B2
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gas
sensor
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sensitivity
electrodes
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謙之 ▲ど▼井
範行 山鹿
孝啓 井上
繁量 草薙
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Panasonic Electric Works Co Ltd
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Matsushita Electric Works Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、電気化学式ガスセンサに関し、詳しく
は、電気化学反応を利用して、大気中のガス等を検出す
るガスセンサに関するものである。
Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an electrochemical gas sensor, and more particularly, to a gas sensor that detects an atmospheric gas or the like using an electrochemical reaction.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

電気化学反応を利用してガスセンサの基本的な構造と
しては、複数の電極をイオン伝導体すなわち電解質でつ
ないで電気化学的な反応を起こさせるようになってい
る。イオン伝導体の材料としては、従来、液体電解質や
ゲル状電解質を用いていたが、液漏れや溶媒の蒸発が生
じるために、センサの耐久性や信頼性に劣るという問題
があった。このような問題点を解決するために、無機あ
るいは有機の固体電解質を用いたガスセンサの開発が進
められた。
As a basic structure of a gas sensor utilizing an electrochemical reaction, a plurality of electrodes are connected with an ion conductor, that is, an electrolyte to cause an electrochemical reaction. Conventionally, a liquid electrolyte or a gel electrolyte has been used as a material for the ion conductor. However, there has been a problem that the durability and reliability of the sensor are inferior due to liquid leakage and evaporation of the solvent. In order to solve such problems, development of a gas sensor using an inorganic or organic solid electrolyte has been promoted.

無機物の固体電解質としては、β−アルミナ、ナシコ
ン、リシコン、安定化ジルコニア等がある。しかし、こ
れらの無機物からなる固定電解質では、常温におけるイ
ンピーダンスが高いため、常温ではイオンが伝導し難い
状態になる。したがって、一般には、前記のような無機
物固体電解質は加熱してインピーダンスが低い状態にし
て利用するが、このことはガスセンサの消費電力が大き
くなることを意味しており、実用上好ましくない。
Examples of the inorganic solid electrolyte include β-alumina, NASICON, lithicon, and stabilized zirconia. However, a fixed electrolyte made of these inorganic substances has a high impedance at room temperature, so that ions do not easily conduct at room temperature. Therefore, in general, the above-mentioned inorganic solid electrolyte is heated and used in a state of low impedance, which means that the power consumption of the gas sensor increases, which is not practically preferable.

有機物の固体電解質としては、ポリスチレンスルホネ
ート、ポリビニルスルホネート、パーフルオロスルホネ
ートポリマー、パーフルオロカルボキシレートポリマー
等のカチオン交換樹脂に属するポリマーがある。これら
の樹脂のうち、パーフルオロスルホネートポリマーが、
実用的に最も適したものとして広く使用されており、例
えば、ナフィオン(商品名、ディポン社製)と呼ばれる
ものがある。
Examples of the organic solid electrolyte include polymers belonging to a cation exchange resin such as polystyrene sulfonate, polyvinyl sulfonate, perfluorosulfonate polymer, and perfluorocarboxylate polymer. Of these resins, the perfluorosulfonate polymer is
It is widely used as the most practically suitable one, and for example, there is a so-called Nafion (trade name, manufactured by Dipon).

上記パーフルオロスルホネートポリマーが好ましい理
由は、カチオンの解離度が大きいこと、すなわちインピ
ーダンスが小さいこと、あるいは、熱的、電気化学的に
比較的安定であること等である。また、パーフルオロス
ルホネートポリマーは、溶媒に可溶であるため、溶液を
キャスティングすることによって、絶縁基板や電極の上
に容易にパーフルオロスルホネートポリマーからなる固
体電解質層を形成することができる。このことは、ガス
センサの製造が容易であることを意味している。
The reason why the above perfluorosulfonate polymer is preferable is that the degree of dissociation of the cation is large, that is, the impedance is small, or it is relatively stable thermally and electrochemically. Further, since the perfluorosulfonate polymer is soluble in a solvent, a solid electrolyte layer made of the perfluorosulfonate polymer can be easily formed on an insulating substrate or an electrode by casting the solution. This means that the manufacture of the gas sensor is easy.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be solved by the invention]

上記のようなパーフルオロスルホネートポリマーを電
解質に用いた電気化学式ガスセンサでは、パーフルオロ
スルホネートポリマーの物性値が、温度や湿度等の環境
条件に依存して大きく変動し、また、経時的にも変化す
る。そのため、センサの感度にも、環境条件による変動
や経時変化を生じ、正確な検出結果が得られないという
問題があった。
In an electrochemical gas sensor using a perfluorosulfonate polymer as an electrolyte as described above, the physical property value of the perfluorosulfonate polymer greatly fluctuates depending on environmental conditions such as temperature and humidity, and also changes over time. . For this reason, there has been a problem that the sensitivity of the sensor also fluctuates due to environmental conditions and changes with time, and an accurate detection result cannot be obtained.

すなわち、電極間をつなぐ電解質であるパーフルオロ
スルホネートポリマーのインピーダンスやガス透過性等
の物性値は、ガスセンサの感度に非常に大きな影響を与
えるため、環境条件や経時による物性の変動が、そのま
まセンサ感度の変化となって表れるのである。
In other words, physical properties such as impedance and gas permeability of the perfluorosulfonate polymer, which is an electrolyte connecting the electrodes, have a great effect on the sensitivity of the gas sensor. It appears as a change.

しかし、ガスセンサとしては、前記のような温度や湿
度の変動あるいは時間の経過に関わらず、一定濃度のガ
スに対して常に一定の感度を示さなければ、正確な検知
情報が得られず、センサとしての機能を充分に果たすこ
とが出来ない。そのため、環境条件や経時によるセンサ
感度の変化を補正して、正確な検出結果が得られるよう
にすることが望まれていた。
However, as a gas sensor, accurate detection information cannot be obtained unless a constant sensitivity is exhibited for a gas of a constant concentration regardless of the fluctuation of the temperature and humidity or the passage of time as described above. Function cannot be performed sufficiently. Therefore, it has been desired to correct a change in sensor sensitivity due to environmental conditions and aging so as to obtain an accurate detection result.

そこで、本願発明者らは、センサ内にガスセンサ素子
とは別に湿度センサを組み込んで、湿度変化に対する感
度補正ができるようにした電気化学式ガスセンサを発明
し、先に特願平2−79804号にて特許出願している。し
かし、このセンサの場合、ガスセンサ素子とは構造や動
作の異なる湿度センサを組み込んでいるため、制御回路
等の構造が複雑になって、センサ全体の外形寸法も大き
くなり、コストが高くつく問題がある。また、湿度によ
るセンサ感度の変動は補正できるが、湿度以外の温度そ
の他の環境条件に対する感度補正はでない。
Therefore, the present inventors have invented an electrochemical gas sensor in which a humidity sensor is incorporated in the sensor separately from the gas sensor element so that sensitivity can be corrected for a change in humidity. We have applied for a patent. However, in the case of this sensor, since a humidity sensor having a different structure and operation from the gas sensor element is incorporated, the structure of the control circuit and the like becomes complicated, the external dimensions of the entire sensor become large, and the cost becomes high. is there. In addition, fluctuations in sensor sensitivity due to humidity can be corrected, but sensitivity correction for temperature and other environmental conditions other than humidity is not performed.

なお、異なる環境条件毎に、それぞれの環境条件の変
動を検知するセンサを組み込んでおけば、それぞれの環
境条件に対する感度補正ができるが、環境条件の数だけ
異なるセンサを組み込むのでは、センサの構造が極めて
複雑になり、コストも非常に高くつくことになる。
In addition, if a sensor that detects the change of each environmental condition is installed for each different environmental condition, the sensitivity can be corrected for each environmental condition. Would be very complex and very expensive.

さらに、従来のガスセンサでは、センサ素子の経時的
な感度変化を補正することはできなかった。
Further, in the conventional gas sensor, it is not possible to correct a change in sensitivity of the sensor element over time.

環境条件の変動または経時に伴う電解質の特性変化に
よるセンサの感度補正が必要なのは、前記したパーフル
オロスルホネートポリマーを用いた場合だけでなく、各
種の固体電解質あるいは液体電解質を用いた場合でも同
様である。
The need to correct the sensitivity of the sensor due to changes in the characteristics of the electrolyte due to fluctuations in environmental conditions or aging is not limited to the case where the above-described perfluorosulfonate polymer is used, and the same applies when various solid electrolytes or liquid electrolytes are used. .

そこで、この発明の課題は、環境条件の変動および経
時に対する感度補正を、簡単かつ確実に行うことができ
る電気化学式ガスセンサを提供することにある。
SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide an electrochemical gas sensor that can easily and reliably perform sensitivity correction with respect to changes in environmental conditions and aging.

〔課題を解決するための手段〕[Means for solving the problem]

上記課題を解決するため、この発明にかかる電気化学
式ガスセンサは、複数の電極を電解質でつないで検知作
用を行わせる電気化学式ガスセンサにおいて、一つの素
子内に、使用環境に一定の濃度で存在する基準ガスを検
知する1組の電極および電解質からなる基準ガス検知部
と、前記基準ガスと同じ使用環境中に含まれ基準ガスと
は異なるガス成分であって検知対象となる対象ガスを検
知する1組の電極および電解質からなる対象ガス検知部
とを備え、さらに、基準ガス検知部の出力信号をもとに
対象ガス検知部の出力信号を補正する感度補正手段を備
えている。
In order to solve the above problems, an electrochemical gas sensor according to the present invention is an electrochemical gas sensor that performs a detection action by connecting a plurality of electrodes with an electrolyte. A reference gas detection unit including a set of electrodes and an electrolyte for detecting a gas; and a set for detecting a target gas to be detected which is a gas component contained in the same use environment as the reference gas and different from the reference gas. And a target gas detector comprising an electrolyte and a sensitivity correction means for correcting the output signal of the target gas detector based on the output signal of the reference gas detector.

電極は、金、白金その他の通常の電極材料からなり、
作用極、対極、参照極等と呼ばれ、それぞれの機能に対
応した形状や配置構造を有する複数の電極を1組にし
て、絶縁基板等の支持部材を支持させておく。そして、
これらの電極の上およびその間をパーフルオロスルホネ
ートポリマー等の高分子固体電解質あるいは無機固体電
解質で覆ったり、液体やゲル状の電解質と電極を接触さ
せたりして、電極同士が電解質でつながれた状態にして
ガスセンサ素子を構成する。これらの、ガスセンサ素子
の基本的な構造については、従来の通常の電気化学式ガ
スセンサと同様の構造が採用できる。
The electrodes are made of gold, platinum and other common electrode materials,
A plurality of electrodes, which are called a working electrode, a counter electrode, a reference electrode, and the like and have a shape and an arrangement structure corresponding to each function, are set as a set to support a support member such as an insulating substrate. And
The electrodes are connected to each other by covering the electrodes and between them with a solid polymer electrolyte such as a perfluorosulfonate polymer or an inorganic solid electrolyte, or bringing the electrodes into contact with a liquid or gel electrolyte. To form a gas sensor element. The basic structure of these gas sensor elements can be the same as that of a conventional ordinary electrochemical gas sensor.

この発明では、一つの素子内に、前記のような電極組
からなる検知部を2組備えている。まず、基準ガス検知
部として、使用環境に一定の濃度で存在する基準ガスを
検知するための1組の電極を備えている。基準ガスとし
ては、例えば、大気中で使用する場合には、酸素ガスが
前記のような条件を満たし、好ましいものとなるが、酸
素ガス以外の大気成分を用いることもでき、使用環境が
違えば、その環境に対応した基準ガスを選択すればよ
い。基準ガス検知部では、上記のような基準ガスを検知
できるように、作用極と参照極の間にかける印加電圧等
を設定しておく。つぎに、対象ガス検知部として、検知
対象となる対象ガスを検知するための1組の電極を備え
ている。検知対象となるガスは、一酸化炭素、アルコー
ル、硫化水素その他、各種のガスであり、検知対象とな
るガスの種類に合わせて、作用極と参照極の間にかける
印加電圧等を設定しておく。基準ガス検知部と対象ガス
検知部は、感度特性が同一もしくはほぼ同等になるよう
に、電極や電解質の材料や構造を設定しておくことが好
ましい。そのためには、基準ガス検知部と対象ガス検知
部とが、全く同一の寸法形状および材料からなるものを
用いればよいが、両方の感度特性に一定の相関関係があ
って実質的に同等の感度特性が発揮できれば、それぞれ
の検知部の機能や検知するガスの種類等に合わせて、電
極の材料等が一部異なるものを採用することもできる。
According to the present invention, two sets of detection units each including the above-described electrode set are provided in one element. First, as a reference gas detection unit, a set of electrodes for detecting a reference gas existing at a certain concentration in a use environment is provided. As the reference gas, for example, when used in the atmosphere, oxygen gas satisfies the above-described conditions and is preferable, but air components other than oxygen gas can be used, and if the use environment is different, The reference gas corresponding to the environment may be selected. In the reference gas detection unit, an applied voltage and the like applied between the working electrode and the reference electrode are set so that the above-described reference gas can be detected. Next, a set of electrodes for detecting a target gas to be detected is provided as a target gas detection unit. The gas to be detected is carbon monoxide, alcohol, hydrogen sulfide, and other various gases, and the voltage applied between the working electrode and the reference electrode is set according to the type of the gas to be detected. deep. It is preferable that the materials and structures of the electrodes and the electrolyte are set so that the reference gas detection unit and the target gas detection unit have the same or substantially the same sensitivity characteristics. For this purpose, the reference gas detection unit and the target gas detection unit may be made of exactly the same dimensions and material, but both have a certain correlation in their sensitivity characteristics and have substantially the same sensitivity. If the characteristics can be exhibited, it is also possible to adopt a material in which the materials of the electrodes are partially different in accordance with the function of each detection unit, the type of gas to be detected, and the like.

対象ガス検知部および基準ガス検知部には、通常の電
気化学式ガスセンサと同様に、電圧を印加する電源回路
や作用極と対極の間を流れる電流を検出する検出回路等
からなる電子回路が接続される。これらの電子回路は、
前記したセンサ部分を形成する絶縁基板とは別の基板上
に形成しておき、リード線等でつないでもよいし、同一
基板上にセンサ部分と電子部分の両方を形成しておいて
もよい。
An electronic circuit including a power supply circuit for applying a voltage and a detection circuit for detecting a current flowing between the working electrode and the counter electrode are connected to the target gas detection unit and the reference gas detection unit, similarly to a normal electrochemical gas sensor. You. These electronic circuits are
The sensor part may be formed on a different substrate from the insulating substrate, and may be connected with a lead wire or the like, or both the sensor part and the electronic part may be formed on the same substrate.

上記電子回路の一部に、基準ガス検知部の出力信号を
もとに対象ガス検知部の出力信号を補正する感度補正回
路を組み込んでおく等して感度補正手段を設けておく。
感度補正手段としては、対象ガス検知部の出力信号から
環境条件や経時の影響を除いて、対象ガスの正確な検知
情報を出力できるように信号を処理できれば、任意の電
子回路等で構成することができ、具体的には、予め基準
ガス検知部に対象ガス検知部の感度特性を測定して、基
準ガス検知部と対象ガス検知部の感度特性の相関関係を
求め、この相関関係をもとにして適切な感度補正が行わ
れるように感度補正回路を設計しておけばよい。
A sensitivity correction unit is provided in a part of the electronic circuit, for example, by incorporating a sensitivity correction circuit for correcting the output signal of the target gas detection unit based on the output signal of the reference gas detection unit.
The sensitivity correction means may be configured with any electronic circuit or the like as long as the signal can be processed so that accurate detection information of the target gas can be output from the output signal of the target gas detection unit, excluding the influence of environmental conditions and aging. More specifically, the sensitivity characteristics of the target gas detector are measured in advance by the reference gas detector, and the correlation between the sensitivity characteristics of the reference gas detector and the target gas detector is obtained. The sensitivity correction circuit may be designed so that appropriate sensitivity correction is performed.

〔作用〕[Action]

電気化学式ガスセンサにおいては、ガス成分が作用極
と電解質との界面で電気化学反応を起こすことによっ
て、ガス成分を検出する。したがって、センサ感度が変
化する原因としては、ガス成分が作用極と電解質の界面
まで到達する速度が変化すること、電気化学反応の反応
速度が変化すること、反応でできた生成物が対極まで移
動する速度が変化すること等があり、これらの現象の発
生やその進行は、電極や電解質の構成によって決まって
くる。したがって、電極や電解質の構成をほぼ同じにし
ておく等により、基準ガス検知部の感度特性を対象ガス
検知部の感度特性とほぼ同等にすることが可能である。
このようにすれば、対象ガス検知部と基準ガス検知部
は、種々の環境条件の変動や経時に伴うセンサ感度の変
化が同じように生じる。言い換えれば、対象ガス検知部
と基準ガス検知部は、センサ感度の変化に一定の相関関
係を有することになる。
In an electrochemical gas sensor, a gas component is detected by causing an electrochemical reaction at an interface between a working electrode and an electrolyte. Therefore, changes in sensor sensitivity include changes in the rate at which gas components reach the interface between the working electrode and the electrolyte, changes in the reaction rate of the electrochemical reaction, and the reaction products moving to the counter electrode. The occurrence and progress of these phenomena are determined by the configuration of the electrodes and the electrolyte. Therefore, it is possible to make the sensitivity characteristics of the reference gas detection unit substantially equal to the sensitivity characteristics of the target gas detection unit by making the configurations of the electrodes and the electrolyte substantially the same.
In this way, the target gas detection unit and the reference gas detection unit have the same change in sensor sensitivity over time due to changes in various environmental conditions and aging. In other words, the target gas detector and the reference gas detector have a certain correlation with the change in sensor sensitivity.

基準ガス検知部では、使用環境に一定濃度で存在する
基準ガスを検知するので、この一定濃度の基準ガスに対
する基準ガス検知部の出力信号を継続的に監視しておけ
ば、基準ガス検知部の出力信号は、センサ感度の変化を
表すことになり、環境条件や経時によってセンサ感度が
どのように変化するのかを知ることができる。基準ガス
検知部におけるセンサ感度の変化は、前記したように、
対象ガス検知部におけるセンサ感度の変化と相関関係が
あるので、基準ガス検知部における出力信号をもとにし
て対象ガス検知部の出力信号を補正すれば、対象ガス検
知部の出力信号から、環境条件や経時によるセンサ感度
の変化の影響を取り除いて、対象ガスに対する正確な検
知情報を得ることができる。
The reference gas detector detects a reference gas present at a constant concentration in the usage environment. Therefore, if the output signal of the reference gas detector for the constant concentration of the reference gas is continuously monitored, the reference gas detector detects the reference gas. The output signal indicates a change in the sensor sensitivity, and it is possible to know how the sensor sensitivity changes due to environmental conditions and aging. The change in sensor sensitivity in the reference gas detector is, as described above,
Since there is a correlation with the change in the sensor sensitivity of the target gas detector, if the output signal of the target gas detector is corrected based on the output signal of the reference gas detector, the output signal of the target gas detector will be By removing the influence of changes in sensor sensitivity due to conditions and aging, accurate detection information for the target gas can be obtained.

〔実 施 例〕〔Example〕

ついで、この発明の実施例について、図面を参照しな
がら以下に詳しく説明する。
Next, embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

第1図および第2図は電気化学式ガスセンサの模式的
構造を示しており、絶縁基板10の表面に、白金や金その
他の電極材料からなる複数組の電極が形成されている。
すなわち、検知対象ガスを検知するための作用極20、対
極30および参照極40の3本の矩形状電極からなる対象ガ
ス用の電極組と、この電極組と対照的に向かい合うよう
に配置され、基準ガスである酸素を検知するための作用
極50、対極60および参照極70の3本の矩形状電極からな
る基準ガス用の電極組を備えている。電極の形成はスパ
ッタや蒸着等の通常の電極形成手段が利用され、各電極
の構造は通常のガスセンサと同様でよい。
1 and 2 show a schematic structure of an electrochemical gas sensor, in which a plurality of sets of electrodes made of platinum, gold or other electrode materials are formed on the surface of an insulating substrate 10. FIG.
That is, a working electrode 20, a counter electrode 30, and a reference electrode 40 for detecting the detection target gas, an electrode set for the target gas including three rectangular electrodes, and are disposed so as to face the electrode set in contrast to each other, An electrode set for a reference gas including three rectangular electrodes of a working electrode 50, a counter electrode 60, and a reference electrode 70 for detecting oxygen as a reference gas is provided. The electrodes are formed by a normal electrode forming means such as sputtering or vapor deposition, and the structure of each electrode may be the same as that of a normal gas sensor.

2組の電極20〜40と電極50〜70には、それぞれの上お
よび間を覆って、パーフルオロスルホネートポリマー等
からなる固体電解質層80、82が形成されている。固体電
解質層80と82とは、互いに分離して形成されている。固
体電解質層80、82の材料や形成材料は、通常のガスセン
サと同様でよい。各電極20〜70の一端は、固体電解質層
80、82の外部まで延長されて露出しており、外部回路へ
の接続用端子部22、32、42、52、62、72となっている。
このようにして、ひとつの絶緑基板10上に、全く構造の
同じ基準ガス検知部Bと対象ガス検知部Aとが並んで設
けられていることになる。
Solid electrolyte layers 80 and 82 made of a perfluorosulfonate polymer or the like are formed on the two sets of electrodes 20 to 40 and electrodes 50 to 70 so as to cover above and between them. The solid electrolyte layers 80 and 82 are formed separately from each other. The materials and forming materials of the solid electrolyte layers 80 and 82 may be the same as those of a normal gas sensor. One end of each electrode 20-70 is a solid electrolyte layer
It is extended and exposed to the outside of 80 and 82, and serves as terminal portions 22, 32, 42, 52, 62 and 72 for connection to an external circuit.
In this manner, the reference gas detection unit B and the target gas detection unit A having exactly the same structure are provided side by side on one green substrate 10.

対象ガス検知部Aは、各端子22〜42にリード線102を
介して検出回路部100が接続されており、検出回路部100
は感度補正回路部120に接続されている。基準ガス検知
部Bは、各端子部22〜42にリード線104を介して検出回
路部110が接続されており、検出回路部110は前記感度補
正回路部120に接続されている。検出回路部100,110は、
通常のガスセンサと同様に、対象ガス検知部Aおよび基
準ガス検知部Bに電源を供給したり、作用極20と対極30
または作用極50と対極60の間を流れる電流を検知したり
して、得られた検出信号を感度補正回路部120へと出力
する。感度補正回路部120では、基準ガス検知部Bから
出力信号をもとにして、対象ガス検知部Aの出力信号を
補正し、環境条件や経時によるセンサ感度の変動の影響
を除いた対象ガスの正確な検知情報を出力する。感度補
正回路120は、各種計測装置やセンサ装置に利用されて
いるのと同様の適当な電子回路により構成されている。
The target gas detection unit A has a detection circuit unit 100 connected to each of the terminals 22 to 42 via a lead wire 102.
Is connected to the sensitivity correction circuit unit 120. In the reference gas detection section B, a detection circuit section 110 is connected to each terminal section 22 to 42 via a lead wire 104, and the detection circuit section 110 is connected to the sensitivity correction circuit section 120. The detection circuit units 100 and 110
Similarly to a normal gas sensor, power is supplied to the target gas detection unit A and the reference gas detection unit B, and the working electrode 20 and the counter electrode 30 are supplied.
Alternatively, a current flowing between the working electrode 50 and the counter electrode 60 is detected, and the obtained detection signal is output to the sensitivity correction circuit unit 120. The sensitivity correction circuit section 120 corrects the output signal of the target gas detection section A based on the output signal from the reference gas detection section B, and removes the influence of the fluctuation of the sensor sensitivity due to environmental conditions and aging. Output accurate detection information. The sensitivity correction circuit 120 is configured by an appropriate electronic circuit similar to that used in various measuring devices and sensor devices.

以上のような構造を有するガスセンサのセンサ作用を
説明する。検知対象ガスのガス成分は、対象ガス検知部
Aで、固体電解質層80の表面から内部を透過して作用極
20に到達し、ここで電気化学反応を起こす。対極30で
は、上記作用極20と対になる反応が起きる。その結果、
作用極20と対極30の間に検知電流が流れて、ガス成分の
検知および定量が行える。参照極40は、作用極20の電位
を一定に維持するための基準としての機能を果たす。す
なわち、作用極20の電位を、検知対象となるガス成分に
対応して、一定の電位に維持しておくことによって、目
的とする対象ガスのみを検知できるようにする。このよ
うなセンサ作用は、通常のガスセンサの場合と全く同様
である。但し、対象ガス検知部Aの出力信号は、温度や
湿度等の環境条件の変動あるいは経時に伴うセンサ感度
の変化の影響を含んでおり、このままでは、対象ガスの
正確な検知情報とは言えない。
The sensor operation of the gas sensor having the above structure will be described. The gas component of the detection target gas passes through the inside from the surface of the solid electrolyte layer 80 to the working electrode in the target gas detection section A.
20 is reached, where the electrochemical reaction takes place. At the counter electrode 30, a reaction that forms a pair with the working electrode 20 occurs. as a result,
A detection current flows between the working electrode 20 and the counter electrode 30, and detection and quantification of gas components can be performed. The reference electrode 40 functions as a reference for maintaining the potential of the working electrode 20 constant. That is, by maintaining the potential of the working electrode 20 at a constant potential corresponding to the gas component to be detected, only the target gas of interest can be detected. Such a sensor operation is exactly the same as that of a normal gas sensor. However, the output signal of the target gas detection unit A includes the influence of changes in environmental conditions such as temperature and humidity or changes in sensor sensitivity over time, and cannot be said to be accurate detection information of the target gas as it is. .

ついて、センサの感度補正作用について説明する。基
準ガス検知部Bでは、固体電解質層82の表面から内部を
透過して作用極50に基準ガスである酸素が到達し、ここ
で電気化学反応を起こす。対極60は、上記作用極50と対
となる反応が起こり、作用極50と対極60の間に酸素検知
電流が流れるのである。なお、この基準ガス検知部Bで
は、作用極50の電位を、参照極70を基準にして、酸素に
対応する一定の電位に維持しておき、酸素のみを検知で
きるようにしておく。すなわち、対象ガス検知部Aと基
準ガス検知部Bでは、作用極20と50の電位設定が異なる
だけで、電気化学反応や検知電流が流れる原理作用は全
く同じである。このようにして得られた基準ガス検知部
Aの出力信号にも、温度や湿度等の環境条件の変動ある
いは経時に伴うセンサ感度の変化の影響を含んでいる。
Next, the sensitivity correction operation of the sensor will be described. In the reference gas detection section B, oxygen as a reference gas reaches the working electrode 50 through the surface of the solid electrolyte layer 82 and reaches the working electrode 50, where an electrochemical reaction occurs. In the counter electrode 60, a reaction that forms a pair with the working electrode 50 occurs, and an oxygen detection current flows between the working electrode 50 and the counter electrode 60. In the reference gas detection unit B, the potential of the working electrode 50 is maintained at a constant potential corresponding to oxygen with reference to the reference electrode 70, so that only oxygen can be detected. That is, in the target gas detection unit A and the reference gas detection unit B, only the potential settings of the working electrodes 20 and 50 are different, and the electrochemical reaction and the principle of the flow of the detection current are exactly the same. The output signal of the reference gas detection unit A thus obtained also includes the influence of fluctuations in environmental conditions such as temperature and humidity or changes in sensor sensitivity over time.

酸素は、大気中に常に一定濃度で存在しているので、
センサ感度の変化がなければ、基準ガス検知部Bでは常
に一定の検知電流すなわち出力信号が得られるはずであ
る。しかし、前記したように、基準ガス検知部Bのセン
サ感度は環境条件や経時によって変化するので、出力信
号も変化する。すなわち、この基準ガス検知部Bにおけ
る出力信号の変化は、センサ感度の変化をそのまま表し
ていることになる。したがって、基準ガス検知部Bにお
ける出力信号を常時モニターしておき、この基準ガス検
知部Bの出力信号すなわちセンサ感度の変化量をもとに
して、対象ガス検知部Aの出力信号を補正すれば、対象
ガス検知部Aの出力信号からセンサ感度の変化の影響の
みを取り除くことができる。具体的には、例えば、対象
ガス検知部Aの出力値から基準ガス検知部Bの出力値を
差し引いたり、基準ガス検知部Bの出力値に適当な係数
をかけてから対象ガス検知部Aの出力値を割ったり差し
引いたりする等、適当な演算処理を行えばよく、このよ
うな演算処理を前記感度補正回路120で実行させればよ
いのである。
Oxygen is always present at a constant concentration in the atmosphere,
If there is no change in the sensor sensitivity, the reference gas detector B should always obtain a constant detection current, that is, an output signal. However, as described above, since the sensor sensitivity of the reference gas detector B changes with environmental conditions and aging, the output signal also changes. That is, the change in the output signal in the reference gas detection unit B directly indicates the change in the sensor sensitivity. Therefore, if the output signal of the reference gas detection unit B is constantly monitored and the output signal of the target gas detection unit A is corrected based on the output signal of the reference gas detection unit B, that is, the amount of change in the sensor sensitivity. In addition, only the influence of the change in the sensor sensitivity can be removed from the output signal of the target gas detection unit A. Specifically, for example, the output value of the reference gas detection unit B is subtracted from the output value of the target gas detection unit A, or the output value of the reference gas detection unit B is multiplied by an appropriate coefficient. Appropriate arithmetic processing such as dividing or subtracting the output value may be performed, and such arithmetic processing may be performed by the sensitivity correction circuit 120.

つぎに、上記した構造の電気化学式ガスセンサを製造
して、環境条件の変動や経時に伴う感度変化を測定した
結果について説明する。
Next, the results of manufacturing an electrochemical gas sensor having the above-described structure and measuring a change in environmental conditions and a change in sensitivity over time will be described.

−実施例1− 絶縁基板10の材料として10mm角のガラス板を用いた。
但し、基板と電極との密着性を上げるために、ガラス板
の上にスパッタリング厚さ2000Å程度のポリシリコン層
を形成した。この絶縁基板10の上にスパッタリングで白
金からなる作用極20,50、対極30,60および金からなる参
照極40,70を作製した。その後、パーフルオロスルホネ
ートポリマーを5重量%含む溶液を、各電極20〜70およ
び絶縁基板10の上にキャスティングすることにより、厚
さ3μmの固体電解質層80,82を形成した。
-Example 1-A 10 mm square glass plate was used as a material of the insulating substrate 10.
However, in order to increase the adhesion between the substrate and the electrode, a polysilicon layer having a sputtering thickness of about 2000 mm was formed on the glass plate. Working electrodes 20, 50 made of platinum, counter electrodes 30, 60, and reference electrodes 40, 70 made of gold were formed on the insulating substrate 10 by sputtering. Thereafter, a solution containing 5% by weight of a perfluorosulfonate polymer was cast on each of the electrodes 20 to 70 and the insulating substrate 10 to form solid electrolyte layers 80 and 82 having a thickness of 3 μm.

このようにして製造されたセンサが、対象ガスに対す
るセンサ機能および感度補正機能を有していることを確
認するために、一酸化炭素と酸素に対するセンサ感度の
変化を測定した。
In order to confirm that the sensor manufactured in this way has a sensor function for a target gas and a sensitivity correction function, a change in sensor sensitivity to carbon monoxide and oxygen was measured.

測定には、第3図に示す試験装置を用いた。測定用チ
ェンバー90内にガスセンサを収容し、各電極20…の端子
部22…をリード線91を介して、対象ガス検知部用と基準
ガス検知部用のそれぞれのポテンショスタット92,93に
接続した。各ポテンショスタット92,93には、それぞれ
レコーダ94,95が接続されている。
For the measurement, a test device shown in FIG. 3 was used. The gas sensors were accommodated in the measuring chamber 90, and the terminal portions 22 of the electrodes 20 were connected to the respective potentiostats 92 and 93 for the target gas detecting portion and the reference gas detecting portion via lead wires 91. . Recorders 94 and 95 are connected to the potentiostats 92 and 93, respectively.

上記のような試験装置を用い、一酸化炭素を検知する
対象ガス検知部Aの作用極20と参照極40の間に印加電圧
を0.45Vに設定し、酸素を検知する基準ガス検知部Bの
作用極50と参照極70の間の印加電圧を−0.4Vに設定し
た。そして、基準ガス検知部Bの作用極50と対極60の間
を流れる酸素検知電流は、レコーダ95で常時監視した。
また、チェンバー90内の雰囲気を、空気のみの状態から
一酸化炭素を1000ppm含む空気に置き換え、その際に対
象ガス検知部Aの作用極20と対極30の間を流れる一酸化
炭素検知電流をレコーダ94で測定した。チェンバー90内
に、一定時間毎に一酸化炭素を供給したり、湿度や温度
を様々に変えたりしながら測定を繰り返した。
Using the test apparatus as described above, the applied voltage is set to 0.45 V between the working electrode 20 and the reference electrode 40 of the target gas detection section A for detecting carbon monoxide, and the reference gas detection section B for detecting oxygen. The applied voltage between the working electrode 50 and the reference electrode 70 was set to -0.4V. The oxygen detection current flowing between the working electrode 50 and the counter electrode 60 of the reference gas detection unit B was constantly monitored by the recorder 95.
In addition, the atmosphere in the chamber 90 is replaced with air containing 1000 ppm of carbon monoxide from the state of only air, and at that time, a carbon monoxide detection current flowing between the working electrode 20 and the counter electrode 30 of the target gas detection part A is recorded. Measured at 94. The measurement was repeated while supplying carbon monoxide to the chamber 90 at regular intervals and changing the humidity and temperature variously.

第4図は湿度を変化させた場合の測定結果、第5図は
温度を変化させた場合の測定結果、第8図は経時変化を
示す測定結果であり、何れの場合も、対象ガス検知部A
における一酸化炭素に対する感度特性と、基準ガス検知
部Bにおける酸素に対する感度特性とは、同じような傾
向を示しており、一定の相関関係があることが判る。上
記試験における対象ガス検知部Aと基準ガス検知部Bの
感度の比率等から感度補正係数その他の条件を決めて感
度補正回路部120を設計したところ、環境条件や経時に
関わらず、一定量の一酸化炭素に対しては常に一定の出
力信号が得られた。このことから、基準ガス検知部Bの
出力信号をもとにして、対象ガス検知部Aの出力信号を
補正すれば、温度や湿度および経時による感度変化の影
響を除いた、対象ガスの正確な検知情報を得られること
が実証された。
FIG. 4 shows the measurement results when the humidity was changed, FIG. 5 shows the measurement results when the temperature was changed, and FIG. 8 shows the measurement results showing the change over time. A
And the sensitivity characteristic for oxygen in the reference gas detector B show a similar tendency, and it can be seen that there is a certain correlation. The sensitivity correction circuit unit 120 was designed by determining the sensitivity correction coefficient and other conditions from the sensitivity ratio of the target gas detection unit A and the reference gas detection unit B in the above test. A constant output signal was always obtained for carbon monoxide. From this, if the output signal of the target gas detection unit A is corrected based on the output signal of the reference gas detection unit B, accurate detection of the target gas, excluding the effects of sensitivity changes due to temperature, humidity, and aging, can be performed. It was demonstrated that detection information could be obtained.

−実施例2− 前記実施例1において、基準ガス検知部Bにおける作
用極50の材料として金を用いた以外は、実施例1と同様
の工程を経てガスセンサを製造した。
-Example 2-A gas sensor was manufactured through the same steps as in Example 1 except that gold was used as the material of the working electrode 50 in the reference gas detection unit B.

このようにして製造されたガスセンサについても、前
記実施例1と同様の測定を行った。第6図、第7図およ
び第9図にその測定結果を示している。実施例2の場合
は、実施例1に比べて基準ガス検知部Bの酸素に対する
センサ感度が低いが、感度変化の挙動は、対象ガス検知
部における一酸化炭素に対するセンサ感度の感度変化の
挙動と同様であり、このガスセンサの場合も、基準ガス
検知部Bの検知出力をもとにして感度補正できることが
判る。
The same measurement as in Example 1 was performed on the gas sensor manufactured as described above. FIG. 6, FIG. 7, and FIG. 9 show the measurement results. In the case of the second embodiment, although the sensor sensitivity of the reference gas detection unit B to oxygen is lower than that of the first embodiment, the behavior of the sensitivity change is the same as that of the sensitivity change of the sensor sensitivity to carbon monoxide in the target gas detection unit. Similarly, in the case of this gas sensor, it can be seen that the sensitivity can be corrected based on the detection output of the reference gas detection unit B.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上に述べた、この発明にかかる電気化学式ガスセン
サによれば、通常のガスセンサと同様の対象ガス検知部
に加えて、使用環境に一定の濃度で存在する基準ガスを
検知する基準ガス検知部を備えていることにより、対象
ガス検知部の出力信号を感度補正し、環境条件や経時に
伴うセンサ感度の変化の影響を取り除いて、対象ガスの
正確な検知情報を得ることができる。しかも、基準ガス
検知部と対象ガス検知部の感度特性の間に相関関係のあ
る全ての環境条件に対して同時にかつ自動的に感度補正
を行うことが可能になる。その結果、使用環境や時間経
過に関わらず常に一定の感度を有し、環境依存性や経時
変化のない信頼性の高いガスセンサを提供できることに
なる。
According to the electrochemical gas sensor according to the present invention described above, in addition to the target gas detection unit similar to a normal gas sensor, the reference gas detection unit that detects a reference gas present at a certain concentration in the use environment is provided. By doing so, it is possible to correct the sensitivity of the output signal of the target gas detection unit, remove the effects of changes in sensor sensitivity over time and environmental conditions, and obtain accurate detection information of the target gas. In addition, it is possible to simultaneously and automatically perform sensitivity correction for all environmental conditions having a correlation between the sensitivity characteristics of the reference gas detection unit and the target gas detection unit. As a result, it is possible to provide a highly reliable gas sensor that has a constant sensitivity regardless of the use environment and the passage of time, and does not depend on the environment or change with time.

さらに、基準ガス検知部は、対象ガス検知部と同じ素
子内に設けられているので、基準ガス検知部を対象ガス
検知部と同じ製造工程で同時に作製することが可能であ
り、ガスセンサとは別に湿度センサ等を組み込むのに比
べて、はるかに構造が簡単になり、製造が容易になって
製造コストも削減され、センサ装置全体を小型化するこ
とが可能になる。
Furthermore, since the reference gas detection unit is provided in the same element as the target gas detection unit, the reference gas detection unit can be manufactured simultaneously in the same manufacturing process as the target gas detection unit, and separately from the gas sensor. Compared to incorporating a humidity sensor or the like, the structure becomes much simpler, the manufacturing becomes easier, the manufacturing cost is reduced, and the entire sensor device can be downsized.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図はこの発明の実施例を示すガスセンサの全体構成
図、第2図は検知部の断面図、第3図はセンサ感度の試
験装置の概略構成図、第4図は湿度変化に対する測定結
果を示すグラフ図、第5図は温度変化に対する測定結果
を示すグラフ図、第6図は別の実施例の湿度変化に対す
る測定結果を示すグラフ図、第7図は温度変化に対する
測定結果を示すグラフ図、第8図および第9図はそれぞ
れ経時変化に対する測定結果を示すグラフ図である。 A……対象ガス検知部、B……基準ガス検知部、10……
絶縁基板、20,30,40,50,60,70……電極、80,82……固体
電解質、100,110……検出回路部、120……感度補正回路
1 is an overall configuration diagram of a gas sensor showing an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view of a detection unit, FIG. 3 is a schematic configuration diagram of a sensor sensitivity test apparatus, and FIG. , FIG. 5 is a graph showing a measurement result with respect to a temperature change, FIG. 6 is a graph showing a measurement result with respect to a humidity change of another embodiment, and FIG. 7 is a graph showing a measurement result with respect to a temperature change. FIG. 8, FIG. 8 and FIG. 9 are graphs showing measurement results with respect to the change with time. A: Target gas detector, B: Reference gas detector, 10
Insulating substrate, 20, 30, 40, 50, 60, 70 ... electrodes, 80, 82 ... solid electrolyte, 100, 110 ... detection circuit section, 120 ... sensitivity correction circuit section

フロントページの続き (72)発明者 草薙 繁量 大阪府門真市大字門真1048番地 松下電 工株式会社内 (56)参考文献 特開 昭60−200160(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/26Continuation of the front page (72) Inventor Shigemasa Kusanagi 1048 Oji Kadoma, Kadoma City, Osaka Prefecture Matsushita Electric Works, Ltd. (56) References JP-A-60-200160 (JP, A) (58) Fields investigated .Cl. 6 , DB name) G01N 27/26

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】複数の電極を電解質でつないで検知作用を
行わせる電気化学式ガスセンサにおいて、一つの素子内
に、使用環境に一定の濃度で存在する基準ガスを検知す
る1組の電極および電解質からなる基準ガス検知部と、
前記基準ガスと同じ使用環境中に含まれ基準ガスとは異
なるガス成分であって検知対象となる対象ガスを検知す
る1組の電極および電解質からなる対象ガス検知部とを
備え、さらに、基準ガス検知部の出力信号をもとに対象
ガス検知部の出力信号を補正する感度補正手段を備えて
いることを特徴とする電気化学式ガスセンサ。
In an electrochemical gas sensor for performing a detecting action by connecting a plurality of electrodes with an electrolyte, a set of electrodes and an electrolyte for detecting a reference gas present at a certain concentration in a use environment in one element. A reference gas detector,
A target gas detector comprising a set of electrodes and an electrolyte for detecting a target gas to be detected, which is a gas component contained in the same use environment as the reference gas and different from the reference gas, further comprising: An electrochemical gas sensor comprising sensitivity correction means for correcting an output signal of a target gas detection unit based on an output signal of a detection unit.
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