JP2981039B2 - Electrochemical gas sensor - Google Patents
Electrochemical gas sensorInfo
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Description
【0001】[0001]
【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。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 for detecting gas in the atmosphere using an electrochemical reaction.
【0002】[0002]
【従来の技術】電気化学反応を利用したガスセンサの基
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。2. Description of the Related Art 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.
【0003】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体電解質では、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。[0003] Examples of inorganic solid electrolytes include β-alumina, NASICON, lithicon, and stabilized zirconia.
However, solid electrolytes made of these inorganic substances have 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.
【0004】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、デュポン社製)
と呼ばれるものがある。[0004] Examples of organic solid electrolytes include polymers belonging to cation exchange resins such as polystyrene sulfonate, polyvinyl sulfonate, perfluorosulfonate polymer and perfluorocarboxylate polymer. Among these resins, perfluorosulfonate polymers are widely used as the most practically suitable ones, for example, Nafion (trade name, manufactured by DuPont)
There is something called.
【0005】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。[0005] The above-mentioned perfluorosulfonate polymer is preferred because the degree of dissociation of the cation is large, that is, the impedance is small, or it is relatively thermally and electrochemically stable. 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.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】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
物性値が経時的に変化していくために、センサの感度が
経時的に低下し、一定の期間でセンサとしての機能を発
揮できなくなり、いわゆる寿命がくる。ところが、従来
の電気化学式ガスセンサでは、使用中のガスセンサに寿
命が来たことを簡単に知ることができないという問題が
あった。In an electrochemical gas sensor using a perfluorosulfonate polymer as an electrolyte as described above, since the physical properties of the perfluorosulfonate polymer change with time, the sensitivity of the sensor increases with time. , And cannot function as a sensor for a certain period of time. However, the conventional electrochemical gas sensor has a problem that it is not easy to know that the gas sensor in use has reached the end of its life.
【0007】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、物性値の経時的変化は、そのまま
センサ感度の経時的変化となって表れるのである。そし
て、センサ感度が経時的に低下して、センサとして機能
するために必要な最低値以下の感度になってしまうと、
この時点でセンサの寿命が来たことになる。寿命の来て
いるガスセンサをそのまま使用し続けることは非常に危
険であり、寿命が来たことを速やかに知ることが要求さ
れる。That is, physical properties such as impedance and gas permeability of a perfluorosulfonate polymer, which is an electrolyte connecting the electrodes, greatly affect the sensitivity of the gas sensor. It appears as a change in sensitivity over time. Then, when the sensor sensitivity decreases over time and becomes lower than the minimum value required to function as a sensor,
At this point, the life of the sensor has come. It is extremely dangerous to continue using the gas sensor whose life has expired, and it is required to know immediately that the life has expired.
【0008】従来のガスセンサでは、定期的に一定濃度
の検知対象ガスを打ち込み、それに対するセンサ感度を
計測して、センサが十分に機能できるだけの感度を有し
ているかどうかを判断していた。しかし、このような方
法によるセンサの点検作業は、時間と労力が非常にかか
るとともに、一定期間を置いて実施する点検の間の時期
にセンサの寿命が来た場合には、それを知ることができ
ず、センサの寿命を迅速かつ確実に知るには不十分な方
法であった。In a conventional gas sensor, a gas to be detected having a constant concentration is periodically injected and the sensitivity of the sensor is measured to judge whether the sensor has sufficient sensitivity to function. However, the inspection work of the sensor by such a method is very time-consuming and labor-intensive, and when the life of the sensor comes at the time between the inspections to be performed after a certain period of time, it is possible to know that. It was not a sufficient method to quickly and reliably know the life of the sensor.
【0009】なお、電解質の経時変化によるセンサの寿
命は、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
解質を用いた場合にも同様にくるので、前記同様の問題
が存在していた。そこで、この発明の課題は、前記した
点検作業のような面倒な手間がかからず、センサ自身
に、常時、感度特性を検知して、寿命の来たことを自己
診断する機能を持たせ、センサの寿命を迅速かつ正確に
知ることのできる電気化学式ガスセンサを提供すること
にある。The life of the sensor due to the aging of the electrolyte is not limited to the case of using the above-mentioned perfluorosulfonate polymer, but is also the same when various solid electrolytes or liquid electrolytes are used. The problem existed. Therefore, an object of the present invention is to provide a function of detecting the sensitivity characteristic at all times and automatically performing a self-diagnosis of the end of the life without causing troublesome labor such as the inspection work described above, An object of the present invention is to provide an electrochemical gas sensor capable of quickly and accurately knowing the life of a sensor.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、この発明の電気化学式ガスセンサでは、複数の電極
を電解質でつないでなるガス検知部を備えた構成におい
て、感度の経時変化がほぼ同等であるガス検知部を2つ
備え、一方のガス検知部は検知対象ガスの測定用の検知
部であって、他方のガス検知部は使用環境に一定の濃度
で存在する基準ガスの測定用の検知部であり、前記他方
のガス検知部には、前記基準ガスに対する検知出力が定
められた範囲から外れると信号を発する寿命告知手段を
接続するようにしている。In order to solve the above-mentioned problems, in an electrochemical gas sensor according to the present invention, in a structure including a gas detecting section in which a plurality of electrodes are connected by an electrolyte, the change in sensitivity with time is substantially the same. some gas detector two <br/> provided, the one gas detector a detection unit for measuring the detection target gas and the other gas detector of the reference gas existing at a constant concentration in the use environment The other gas detector is connected to the other gas detector with a life notifying unit that issues a signal when the detection output for the reference gas is out of a predetermined range.
【0011】さらに、センサの寿命を迅速かつ正確に知
る上で、一方のガス検知部は検知対象ガスの測定を絶え
ず行う対象ガス専用の検知部であり、他方のガス検知部
は基準ガスの他に検知対象ガスの測定も行う検知部であ
って、前記他方のガス検知部には、常は検知対象ガスの
測定を行なわせ間欠的に前記基準ガスの測定を行わせる
測定ガス切替手段も接続するようにしたり、あるいは、
特に固体電解質が保護膜で覆われている場合、対極と作
用極が櫛形状で互いに入り込むようにして形成されてい
るようにすることは有効である。Further, in order to quickly and accurately know the life of the sensor, one of the gas detection units is a detection unit dedicated to the target gas that constantly measures the detection target gas, and the other gas detection unit is other than the reference gas. The other gas detector is also connected to a measurement gas switching unit that normally performs measurement of the gas to be detected and intermittently performs measurement of the reference gas. Or
In particular, when the solid electrolyte is covered with a protective film, it is effective that the counter electrode and the working electrode are formed so as to enter each other in a comb shape.
【0012】それに、一方の検知部と他方の検知部の感
度の経時変化を揃える上では、一方のガス検知部と他方
のガス検知部を同一構造としたり、あるいは、一方のガ
ス検知部と他方のガス検知部を同一基板上に設けたりす
ることは有効である。また、電解質が固体電解質である
ことも有用である。以下、この発明を具体的に説明す
る。In order to make the sensitivity of the one detecting unit and the other detecting unit uniform over time, the one gas detecting unit and the other gas detecting unit may have the same structure, or the one gas detecting unit and the other gas detecting unit may have the same structure. It is effective to provide the gas detection unit on the same substrate. It is also useful that the electrolyte is a solid electrolyte. Hereinafter, the present invention will be described specifically.
【0013】まず、電極は、作用極、対極、参照極等と
呼ばれる電極で1組を構成しており、これらの電極は、
普通、金、白金その他の通常の電極材料からなり、それ
ぞれの機能に対応した形状や配置構造で絶縁基板等の支
持部材上に形成されている。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て、電極同士が
電解質でつながれた状態にしてガス検知部を構成する。
これらの、ガス検知部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。First, the electrodes constitute a set of electrodes called a working electrode, a counter electrode, a reference electrode, and the like.
Usually, it is made of gold, platinum or other ordinary electrode materials, and is formed on a supporting member such as an insulating substrate in a shape and an arrangement structure corresponding to each function. And, covering these electrodes and between them with a solid polymer electrolyte or inorganic solid electrolyte such as perfluorosulfonate polymer,
The gas detection unit is configured by bringing the electrodes into contact with a liquid or gel electrolyte and connecting the electrodes with the electrolyte.
With respect to the basic structure of these gas detection units, the same structure as that of a conventional ordinary electrochemical gas sensor can be employed.
【0014】この発明のセンサでは、前記のような電解
質でつながれた電極組を有するガス検知部を普通は同じ
素子内に2つ備えている。2つのガス検知部のうち一方
(対象ガス検知部)は、検知対象となる対象ガスの測定
を行っている。検知対象となるガスには、一酸化炭素、
アルコール、硫化水素その他、各種のガスがあり、検知
対象となるガスの種類に合わせて、作用極の印加電位等
を設定しておく。[0014] In the sensor of the present invention, a gas detector having an electrode assembly which is connected with an electrolyte as described above usually comprises two in the same device. One of the two gas detectors (the target gas detector) measures the target gas to be detected. Gases to be detected include carbon monoxide,
There are alcohol, hydrogen sulfide, and other various gases, and the applied potential of the working electrode and the like are set according to the type of gas to be detected.
【0015】2つのガス検知部のうち他方(基準ガス検
知部)は、使用環境に一定の濃度で存在する基準ガスの
測定用の検知部であるが、測定ガス切替手段が接続され
ていて、常は検知対象ガスの測定を行い間欠的に基準ガ
スの測定を行う検知部(間欠基準ガス検知部)である場
合もある。ただ、間欠基準ガス検知部の検知対象ガスの
測定は対象ガス測定信号を得るためでなく、検知部を対
象ガス検知部と同じ状態に保つためであり、その間に得
られた信号は普通は特に利用しない。なお、以下、単に
基準ガス検知部と言うときは通常は間欠基準ガス検知部
も含めたものを言うこととする。The other of the two gas detection units (reference gas detection unit) is a detection unit for measuring a reference gas existing at a constant concentration in the use environment, and is connected to a measurement gas switching unit. In some cases, the detection unit (intermittent reference gas detection unit) always measures the target gas and intermittently measures the reference gas. However, the measurement of the gas to be detected by the intermittent reference gas detection unit is not to obtain the target gas measurement signal, but to keep the detection unit in the same state as the target gas detection unit. Do not use. In the following, when simply referred to as the reference gas detection unit, the reference gas detection unit usually includes the intermittent reference gas detection unit.
【0016】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、作用極の印加電
位を設定しておく。間欠基準ガス検知部の場合は、対象
ガスを測定するか、基準ガスを測定するかは、作用極の
印加電位(作用極と参照極の間にかける電圧)を変える
だけで設定できるため、印加電位変化機能をもつ回路を
付加する構成が加わるだけである。As a reference gas, for example, when used in the atmosphere, oxygen gas satisfies the above conditions,
Although it is preferable, atmospheric components other than oxygen gas can be used, and if the use environment is different, a reference gas corresponding to the environment may be selected. In the reference gas detection unit, the applied potential of the working electrode is set so that the above-described reference gas can be detected. In the case of the intermittent reference gas detector, whether to measure the target gas or the reference gas can be set by simply changing the applied potential of the working electrode (the voltage applied between the working electrode and the reference electrode). Only a configuration for adding a circuit having a potential changing function is added.
【0017】対象ガス検知部と基準ガス検知部は、極
力、感度の経時変化(経時特性)が同一もしくはほぼ同
等となるように電極や電解質の材料や構造を設定するよ
うにする。そのためには、基準ガス検知部と対象ガス検
知部を、全く同一の寸法形状および材料からなるもの、
すなわち同一構造のものとすればよいが、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経時特性を
有するようであれば、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、電極の材料その他の構造が
一部異なるものを用いることもできる。この発明におけ
る感度の経時変化が同等であるガス検知部には、完全に
同一の構成でなくとも、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経時特性を有するものが含ま
れるのである。The materials and structures of the electrodes and the electrolyte are set so that the target gas detecting section and the reference gas detecting section have the same or almost the same time-dependent change in sensitivity (temporal characteristics) as much as possible. For this purpose, the reference gas detection unit and the target gas detection unit must be made of exactly the same dimensions and material,
That is, it is sufficient to use the same structure, but if both sensitivity characteristics have a certain correlation and have substantially the same time-dependent characteristics, the function of each detection unit, the type of gas to be detected, etc. In accordance with this, an electrode having a partially different material or other structure may be used. In the present invention, the gas detectors having the same change over time in sensitivity include those having a certain correlation between both sensitivity characteristics and having substantially the same time characteristic, even if they are not completely the same configuration. It is done.
【0018】対象ガス検知部や基準ガス検知部には、通
常のガスセンサと同様に、対象ガス検知部および基準ガ
ス検知部に電圧をかける電圧印加手段や、対象ガス検知
部で検出された出力信号を処理する信号処理回路、対象
ガスの検知濃度を表示したり、一定濃度以上の対象ガス
が検知された場合に信号や警告を発したりする外部回路
および外部器機が接続されている。The target gas detecting section and the reference gas detecting section are provided with voltage applying means for applying a voltage to the target gas detecting section and the reference gas detecting section, similarly to a normal gas sensor, and an output signal detected by the target gas detecting section. , An external circuit for displaying the detected concentration of the target gas or issuing a signal or a warning when a target gas having a predetermined concentration or more is detected, and an external device.
【0019】基準ガス検知部は、固体電解質が保護膜で
覆われている場合、対極と作用極が櫛形状で互いに入り
込むようにして形成されていることが好ましい。対極と
作用極を接近させられるからである。対極と作用極が固
体電解質程度の厚みの間隔で対面していることが好まし
い。この時、対象ガス検知部も、固体電解質が保護膜で
覆われ、対極と作用極が櫛形状で互いに入り込むように
して形成されていてもよいが、必ずしも、そうである必
要はない。When the solid electrolyte is covered with a protective film, the reference gas detector is preferably formed so that the counter electrode and the working electrode enter each other in a comb shape. This is because the counter electrode and the working electrode can be brought closer. It is preferable that the counter electrode and the working electrode face each other at an interval of about the thickness of the solid electrolyte. At this time, the target gas detection unit may be formed such that the solid electrolyte is covered with the protective film and the counter electrode and the working electrode enter each other in a comb shape, but this is not always necessary.
【0020】さらに、この発明では、基準ガス検知部に
接続される寿命告知手段を備えている。寿命告知手段
は、基準ガスの検知信号を監視しておき、検知出力が定
められた範囲から外れた場合に、ガスセンサの寿命が来
たとして、警告信号を発したり、警告表示を行ったりし
て、ガスセンサの寿命を告知できるものである。寿命告
知手段としては、警告音や警告ランプ等で視覚や聴覚に
訴えて寿命を告知するだけでなく、ガスセンサが組み込
まれた外部器機や装置に制御信号を送って、外部器機の
作動を制御したりガスセンサを交換する等の作業を自動
的に行わせたりすることもできる。Further, according to the present invention, there is provided a life notifying means connected to the reference gas detecting section. The life notifying means monitors the detection signal of the reference gas, and, when the detection output is out of a predetermined range, assuming that the gas sensor has reached the end of its life, issues a warning signal or performs a warning display. And the life of the gas sensor can be notified. As the service life notification means, not only is it possible to notify the user of the service life by alerting the user visually or audibly with a warning sound or a warning lamp, but also by sending a control signal to an external device or device incorporating a gas sensor to control the operation of the external device. Alternatively, operations such as replacement of the gas sensor or the like can be automatically performed.
【0021】ガスセンサの寿命は、例えば、センサ感度
が初期値の半分になる等、一定の割合以下になったとき
に寿命であるとしたり、予め設定した一定のしきい値以
下にセンサ感度が低下したときに寿命であるとしたりす
ればよく、寿命であると判断するセンサ感度の値は、ガ
スセンサの用途や目的に応じて自由に設定できる。The life of the gas sensor is considered to be the life when the sensor sensitivity falls below a certain ratio, for example, when the sensor sensitivity becomes half of the initial value, or the sensor sensitivity drops below a predetermined threshold value. The life of the gas sensor may be determined when the gas sensor is used. The value of the sensor sensitivity for determining that the life is reached can be freely set according to the use and purpose of the gas sensor.
【0022】[0022]
【作用】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、ガス成分を検知する。したがって、センサ感度
が経時的に低下していく場合を例にとれば、その原因と
しては、ガス成分が作用極と電解質の界面まで到達する
速度が経時的に遅くなっていくこと、電気化学反応の反
応速度が経時的に遅くなっていくこと、反応でできた生
成物が対極まで移動する速度が経時的に遅くなっていく
こと等があり、そのいずれが原因となるかは、電極や電
解質などセンサ構成によって決まってくる。したがっ
て、基準ガス検知部の電極や電解質などを適当に設定す
れば、ガス感度に関して対象ガス検知部とほぼ同等の経
時特性をもたせることができる。The electrochemical gas sensor detects the gas component by causing an electrochemical reaction at the interface between the working electrode and the electrolyte. Therefore, taking as an example the case where the sensor sensitivity decreases over time, the cause is that the speed at which the gas component reaches the interface between the working electrode and the electrolyte decreases over time, and the electrochemical reaction Reaction time slows down over time, and the speed at which the product of the reaction moves to the counter electrode slows down over time, etc. It depends on the sensor configuration. Therefore, by appropriately setting the electrodes and electrolyte of the reference gas detection unit, it is possible to provide the same time-dependent characteristics as the target gas detection unit in terms of gas sensitivity.
【0023】このようにガス感度の経時特性が対象ガス
検知部と同等であるような基準ガス検知部を用いれば、
対象ガス検知部と基準ガス検知部は、経時的な特性の変
化すなわち感度低下が同じように進行する。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
検知部の検知出力を継続的に監視しておけば、基準ガス
検知部の検知出力は、センサ感度の経時的変化を表すこ
とになり、センサ感度がどの程度低下したかを知ること
ができる。基準ガス検知部におけるセンサ感度の低下
は、前記したように、対象ガス検知部におけるセンサ感
度の低下をも示すからである。As described above, by using a reference gas detector having the same gas sensitivity over time as that of the target gas detector,
In the target gas detection unit and the reference gas detection unit, a change in characteristics over time, that is, a decrease in sensitivity proceeds similarly. The reference gas detector detects a reference gas present at a constant concentration in the operating environment. Therefore, if the detection output of the reference gas detector for the constant concentration of the reference gas is continuously monitored, the reference gas detector can detect the reference gas. The detection output indicates a change with time of the sensor sensitivity, and it is possible to know how much the sensor sensitivity has decreased. This is because the decrease in the sensor sensitivity in the reference gas detection unit also indicates the decrease in the sensor sensitivity in the target gas detection unit, as described above.
【0024】したがって、基準ガス検知部におけるセン
サ感度が、初期値に対して一定割合以下になったり、あ
る一定のしきい値以下になった段階で、基準ガス検知部
に接続された寿命告知手段を作動させれば、対象ガス検
知部におけるセンサ感度が低下してガスセンサの寿命が
来たことを、正確に知らせることが出来る。この発明の
電気化学式ガスセンサでは、特に、対象ガス検知部と間
欠基準ガス検知部の感度低下が同じように進行し、間欠
基準ガス検知部の寿命が対象ガス検知部の寿命と非常に
良く一致していて、サンサ寿命の告知は非常に正確にな
される。Therefore, when the sensor sensitivity of the reference gas detecting section falls below a certain ratio with respect to the initial value or falls below a certain threshold value, the life notifying means connected to the reference gas detecting section. By operating, it is possible to accurately notify that the sensor sensitivity in the target gas detection unit has decreased and the life of the gas sensor has come. In the electrochemical gas sensor of the present invention, in particular, the sensitivity of the target gas detector and that of the intermittent reference gas detector decrease in the same manner, and the life of the intermittent reference gas detector matches the life of the target gas detector very well. And the announcement of the Sanza life is very accurate.
【0025】間欠基準ガス検知部の場合、基準ガスの測
定が間欠的で短く、他の時間は対象ガスの測定を行って
いることが、より正確な寿命告知に結びついているので
ある。いま、仮に、間欠基準ガス検知部において、絶え
ず基準ガスの測定を行っているとすると、基準ガスは常
に使用環境中に存在しているため、その作用極上におい
て電気化学反応が絶えず起きていて、反応生成物が生成
され続ける。In the case of the intermittent reference gas detector, the measurement of the reference gas is intermittent and short, and the measurement of the target gas is performed at other times, which leads to more accurate life announcement. Now, assuming that the reference gas is constantly measured in the intermittent reference gas detection unit, since the reference gas is always present in the use environment, the electrochemical reaction constantly occurs on its working electrode, Reaction products continue to be produced.
【0026】例えば、基準ガスが酸素ガスである場合、
O2 +4H+ +4e- →2H2 Oなる反応が起き、水の
発生が続くのである。このような反応生成物が電解質内
に溜まると、間欠基準ガス検知部の感度の影響が出てき
て、対象ガス検知部の感度経時特性とは違った経時特性
を示すようになる。そこで、間欠基準ガス検知部では基
準ガスの測定を間欠的に行うのに留め、反応生成物の生
成を抑えるようにしている。他の時間は対象ガスの測定
を行っているが、これは対象ガスの検知が目的ではなく
て印加電位を含め対象ガス検知部と同じ稼働状態にして
おくためである。その間に基準ガスを検知している際に
発生した反応生成物が電解質外に自然放出されていく。
そのため、間欠基準ガス検知部は正常な機能を長期間維
持するとともに、経時特性が対象ガス検知部と良く一致
するのである。For example, when the reference gas is oxygen gas,
The reaction O 2 + 4H + + 4e − → 2H 2 O occurs, and the generation of water continues. When such a reaction product accumulates in the electrolyte, the sensitivity of the intermittent reference gas detection unit appears, and the aging characteristic differs from that of the target gas detection unit. In view of this, the intermittent reference gas detection unit only measures the reference gas intermittently and suppresses the generation of reaction products. The measurement of the target gas is performed at other times, but this is not for the purpose of detecting the target gas, but for keeping the same operation state as the target gas detection unit including the applied potential. In the meantime, the reaction product generated while detecting the reference gas is spontaneously released to the outside of the electrolyte.
Therefore, the intermittent reference gas detection unit maintains a normal function for a long time, and the temporal characteristics match well with the target gas detection unit.
【0027】基準ガス検知部の対極と作用極が櫛形状で
互いに入り込むようにして形成されている場合、より正
確な寿命告知が期待できる。対象ガス検知部の固体電解
質は保護のために被覆膜(保護膜)で覆うことが多い。
この場合、基準ガス検知部の固体電解質も保護膜で覆え
ば経時特性が良く揃うようになる。しかし、基準ガス検
知部の固体電解質を保護膜で覆うと、水等の反応生成物
が放出され難く溜まり易くなる。ただ、基準ガス検知部
の作用極では上記のような水が発生する反応が起こるの
であるが、対極では2H2 O→O2 +4H+ +4e- な
る反応が起こり、水が消費される。作用極と対極が櫛形
状で互いに入り込むようにして形成されていると、作用
極と対極が近接して対面するため作用極で発生した水が
対極に到達し易く、水の消費が促進され水が溜まらなく
なる。作用極と対極が離れていると作用極で発生した水
が対極に到達し難く、対極での水の消費が進まず、水が
溜まることになる。When the counter electrode and the working electrode of the reference gas detecting portion are formed so as to enter each other in a comb shape, more accurate life notification can be expected. The solid electrolyte of the target gas detection unit is often covered with a coating film (protective film) for protection.
In this case, if the solid electrolyte of the reference gas detecting section is also covered with the protective film, the characteristics over time can be made uniform. However, when the solid electrolyte of the reference gas detection unit is covered with the protective film, reaction products such as water are hardly released and easily accumulate. However, at the working electrode of the reference gas detection unit, a reaction that generates water as described above occurs, but at the counter electrode, a reaction of 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e − occurs, and water is consumed. When the working electrode and the counter electrode are formed so as to enter each other in a comb shape, the working electrode and the counter electrode are close to each other and face each other, so that water generated at the working electrode easily reaches the counter electrode, and water consumption is promoted. Will not collect. If the working electrode and the counter electrode are far apart, water generated at the working electrode will not easily reach the counter electrode, and water consumption at the counter electrode will not proceed, and water will accumulate.
【0028】このように、対象ガス検知部と基準ガス検
知部の感度の経時変化が同等であって感度の低下が同じ
ように進行する場合、基準ガス検知部での基準ガスに対
する感度の低下は、対象ガス検知部での対象ガスに対す
る感度の低下をも示すことになる。したがって、基準ガ
ス検知部における基準ガスに対するセンサ感度(検知出
力)が、ある一定のしきい値以下となった段階で対象ガ
ス検知部における対象ガスに対するセンサ感度も対応し
て低下したとみなすことに誤りはない。そのため、基準
ガス検知部に接続された寿命告知手段で告げる告知時期
と真の寿命の間のズレは僅かであり、センサの寿命が来
たことが正確に知らせられることになる。As described above, when the sensitivity of the target gas detector and the reference gas detector are changed over time and the decrease in sensitivity proceeds in the same manner, the decrease in sensitivity of the reference gas detector with respect to the reference gas does not occur. This also indicates a decrease in the sensitivity of the target gas detector to the target gas. Therefore, when the sensor sensitivity (detection output) of the reference gas detection unit with respect to the reference gas falls below a certain threshold value, the sensor sensitivity of the target gas detection unit with respect to the target gas is regarded as correspondingly reduced. There is no mistake. Therefore, the difference between the notification time notified by the service life notification unit connected to the reference gas detection unit and the true service life is small, and the fact that the service life of the sensor has come is accurately notified.
【0029】さらに、基準ガス検知部と対象ガス検知部
が同じ素子内に設けられていると、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寿命検知手段を設けてお
くのに比べて、はるかに構造が簡単になり、製造が容易
で製造コストも削減でき、ガスセンサ全体も小型化出来
るという利点が加わる。Further, when the reference gas detecting section and the target gas detecting section are provided in the same element, the reference gas detecting section can be manufactured simultaneously in the same manufacturing process as the target gas detecting section, and the gas sensor and the target gas detecting section can be manufactured simultaneously. Compared with providing a service life detecting means separately, there are added advantages that the structure is much simpler, the manufacturing is easy, the manufacturing cost can be reduced, and the entire gas sensor can be downsized.
【0030】[0030]
【実施例】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。図1および図2
は、電気化学式ガスセンサの構造例を模式的に示してい
る。このセンサでは、まず、1つの絶縁基板10の表面
に、白金や金その他の電極材料からなる2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
称的に向かい合うように配置され、基準ガスを検知する
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が絶縁基板10
の表面に形成されているのである。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。Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. 1 and 2
1 schematically shows a structural example of an electrochemical gas sensor. In this sensor, first, two sets of electrodes made of platinum, gold, or another electrode material are formed on the surface of one insulating substrate 10. That is, the working electrode 20, the counter electrode 30, and the reference electrode 40 for detecting the gas to be detected, an electrode set for the target gas including three rectangular electrodes, and are disposed so as to face symmetrically with the electrode set, 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 a reference gas is provided on the insulating substrate 10.
It is formed on the surface. 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.
【0031】2組の電極20〜40および電極50〜7
0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−等からなる固体電解質層80,8
2が形成されている。固体電解質層80と82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
料や形成手段は、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、ひとつの絶縁基板10上に、全く構造の同
じ対象ガス検知部Aと間欠基準ガス検知部Bとが並んで
設けられている。つまり、同一の素子内に対象ガス検知
部Aと間欠基準ガス検知部Bとが設けられているのであ
る。Two sets of electrodes 20 to 40 and electrodes 50 to 7
0, the solid electrolyte layers 80 and 8 made of perfluorosulfonate polymer or the like are covered over and between the layers.
2 are formed. The solid electrolyte layers 80 and 82 are formed separately from each other. The materials and forming means of the solid electrolyte layers 80 and 82 may be the same as those of a normal gas sensor. One end of each of the electrodes 20 to 70 extends to the outside of the solid electrolyte layers 80 and 82 and is exposed, and serves as a connection terminal portion 22, 32, 42, 52, 62, 72 for connection to an external circuit.
As described above, on one insulating substrate 10, the target gas detection unit A and the intermittent reference gas detection unit B having exactly the same structure are provided side by side. That is, the target gas detector A and the intermittent reference gas detector B are provided in the same element.
【0032】対象ガス検知部Aの各電極20〜40は、
端子部22〜42に接続されたリード線102を介し
て、信号処理回路部100に接続されており、対象ガス
検知部Aで検知された対象ガスの検知信号を、外部に取
り出して利用できるようになっている。間欠基準ガス検
知部Bの各電極50〜70は、端子部52〜72に接続
されたリード線104を介して、通常は対象ガスの測定
をさせ、間欠的に基準ガスの測定をさせるための測定ガ
ス切替手段105および寿命告知手段110へ接続され
ている。測定ガス切替手段105は、作用極50の電位
を、ある間隔で、対象ガス測定用の電位と基準ガス測定
用の電位の間で交互に変化させる。また、寿命告知手段
110は、間欠基準ガス検知部Bの基準ガスの検知出力
を監視して、検知出力が一定値以下になったときに信号
を発して、警告音を出したり警告ランプを点灯したりし
て、センサの寿命が来たことを告知できるようになって
いる。このような機能を有する測定ガス切替手段105
や寿命告知手段110は、各種機器装置類で用いられて
いると同様の通常の電子回路等で構成されている。Each of the electrodes 20 to 40 of the target gas detector A is
It is connected to the signal processing circuit unit 100 via the lead wire 102 connected to the terminal units 22 to 42, and the detection signal of the target gas detected by the target gas detection unit A can be taken out and used. It has become. Each of the electrodes 50 to 70 of the intermittent reference gas detection unit B normally measures the target gas and intermittently measures the reference gas via the lead wires 104 connected to the terminal portions 52 to 72. The measuring gas switching means 105 and the life notifying means 110 are connected. The measurement gas switching means 105 alternately changes the potential of the working electrode 50 between a potential for target gas measurement and a potential for reference gas measurement at certain intervals. In addition, the life notifying means 110 monitors the detection output of the reference gas of the intermittent reference gas detection unit B, emits a signal when the detection output becomes less than a certain value, emits a warning sound or turns on a warning lamp. In this way, the user can be notified that the sensor has reached the end of its life. Measurement gas switching means 105 having such a function
And the life notifying means 110 are constituted by the same ordinary electronic circuits as those used in various apparatus and the like.
【0033】以上のような構造を有するガスセンサの対
象ガス検知部Aにおけるセンサ作用を説明する。検知対
象ガスのガス成分は、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
位は、検知対象となるガス成分に対応して、一定の電位
に維持されているのである。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。The sensor operation in the target gas detection section A of the gas sensor having the above structure will be described. The gas component of the gas to be detected penetrates through the surface of the solid electrolyte layer 80 and reaches the working electrode 20, where an electrochemical reaction occurs. 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, the potential of the working electrode 20 is maintained at a constant potential corresponding to the gas component to be detected. Such sensor action is
This is exactly the same as in the case of a normal gas sensor.
【0034】ついで、間欠基準ガス検知部Bにおける寿
命検知作用について説明する。間欠基準ガス検知部Bで
は、通常は上記の対象ガス検知部Aと同じ状態に保たれ
ているが、作用極50の電位が基準ガス測定用の電位に
ある時は、基準ガスである酸素が、固体電解質層82の
表面から内部を透過して作用極50に到達し、ここで電
気化学反応を起こす。対極60では、上記作用極50と
対になる反応が起こり、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。間欠基準ガス検知部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いるとき、酸素が検
知できる。すなわち、対象ガス検知と基準ガス検知は、
作用極で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。なお、基準
ガスの測定が間欠的であるため間欠基準ガス検知部Bの
固体電解質82に水が溜まらないことは前述の通りであ
る。Next, the life detecting operation of the intermittent reference gas detecting section B will be described. In the intermittent reference gas detection unit B, the same state as that of the target gas detection unit A is normally maintained. However, when the potential of the working electrode 50 is at the potential for measuring the reference gas, oxygen as the reference gas is not used. Then, the solid electrolyte layer 82 passes through the inside from the surface and reaches the working electrode 50, where an electrochemical reaction occurs. At 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. The intermittent reference gas detector B can detect oxygen when the potential of the working electrode 50 is maintained at a constant potential corresponding to oxygen with reference to the reference electrode 70. That is, the target gas detection and the reference gas detection are
Only the potential setting at the working electrode is different, and the principle of the flow of the electrochemical reaction and the detection current is exactly the same. As described above, since the measurement of the reference gas is intermittent, water does not accumulate in the solid electrolyte 82 of the intermittent reference gas detector B.
【0035】酸素は、大気中に常に一定濃度で存在して
いるので、センサ感度の経時的な変化がなければ、間欠
基準ガス検知部Bにおいて常に一定の酸素検知電流が得
られるはずである。しかし、前記したように、間欠基準
ガス検知部Bのセンサ感度は経時的に低下するので、酸
素検知電流は徐々に小さくなってくる。この間欠基準ガ
ス検知部Bにおける検知電流(すなわちセンサ感度)の
経時変化と同じ現象は、対象ガス検知部Aでも同時進行
で生じている。したがって、間欠基準ガス検知部Bにお
ける検知電流(センサ感度)を適当な間隔でモニターし
ておき、検知電流が所定の値以下になれば、センサすな
わち対象ガス検知部Aの寿命であると判断すればよい。Since oxygen always exists at a constant concentration in the atmosphere, a constant oxygen detection current should always be obtained in the intermittent reference gas detection section B unless the sensor sensitivity changes over time. However, as described above, since the sensor sensitivity of the intermittent reference gas detection unit B decreases with time, the oxygen detection current gradually decreases. The same phenomenon as the temporal change of the detection current (that is, the sensor sensitivity) in the intermittent reference gas detection unit B occurs simultaneously in the target gas detection unit A. Therefore, the detection current (sensor sensitivity) in the intermittent reference gas detection unit B is monitored at appropriate intervals, and if the detection current becomes equal to or less than a predetermined value, it is determined that the life of the sensor, that is, the target gas detection unit A is reached. I just need.
【0036】図5および図6は、電気化学式ガスセンサ
の他の構造例を模式的に示している。このセンサでも、
1つの絶縁基板10の表面に、白金や金その他の電極材
料からなる2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、この電極組と対称的に向かい合うように配置
され、基準ガスを検知するための作用極150、対極1
60および参照極170の3本の電極からなる基準ガス
用の電極組が絶縁基板10の表面に形成されているので
ある。 FIGS. 5 and 6 schematically show other structural examples of the electrochemical gas sensor. Even with this sensor,
Two sets of electrodes made of platinum, gold, or another electrode material are formed on the surface of one insulating substrate 10. That is, the working electrode 20, the counter electrode 30, and the reference electrode 40 for detecting the gas to be detected, an electrode set for the target gas including three rectangular electrodes, and are disposed so as to face symmetrically with the electrode set, Working electrode 150, counter electrode 1 for detecting reference gas
60 and electrode sets for the reference gas consisting of three electrodes the reference electrode 170 is what is formed on the surface of the insulating substrate 10.
【0037】作用極150と対極160は、それぞれ、
基部150a,160aと歯部150b,160bから
なる櫛形状で歯部150b,160bが互いに入り込む
ようにして形成されていて、近接して対面している。2
組の電極20〜40および電極150〜170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−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の材料や形成手
段は、通常のガスセンサと同様でよい。The working electrode 150 and the counter electrode 160 are respectively
The teeth 150b, 160b are formed in a comb shape including the bases 150a, 160a and the teeth 150b, 160b so as to enter each other, and face closely. 2
Solid electrolyte layers 80 and 82 made of perfluorosulfonate polymer or the like are formed on the pair of electrodes 20 to 40 and electrodes 150 to 170 so as to cover the upper and lower portions, respectively. The solid electrolyte layers 80 and 82 are formed separately from each other. The materials and forming means of the solid electrolyte layers 80 and 82 may be the same as those of a normal gas sensor.
【0038】そして、固体電解質層80,82を覆うよ
うにして、例えばフッ素系樹脂からなる保護膜181,
182が形成されている。保護膜181,182は蒸着
法やプラズマ重合法で形成される。各電極20〜170
の一端は、固体電解質層80,82および保護膜18
1,182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22,32,42,152,16
2,172となっている。このように、ひとつの絶縁基
板10上に、対象ガス検知部Cと基準ガス検知部Dとが
並んで設けられている。つまり、同じ素子内に対象ガス
検知部Cと基準ガス検知部Dとが設けられているのであ
る。Then, a protective film 181, made of, for example, a fluorine-based resin is covered so as to cover the solid electrolyte layers 80, 82.
182 are formed. The protective films 181 and 182 are formed by a vapor deposition method or a plasma polymerization method. Each electrode 20 to 170
Are connected to the solid electrolyte layers 80 and 82 and the protective film 18.
1, 182, which are extended and exposed to the outside, and have connection terminal portions 22, 32, 42, 152, 16 for connection to an external circuit.
2,172. Thus, the target gas detection unit C and the reference gas detection unit D are provided side by side on one insulating substrate 10. That is, the target gas detector C and the reference gas detector D are provided in the same element.
【0039】対象ガス検知部Cの各電極20〜40は、
端子部22〜42に接続されたリード線102を介し
て、信号処理回路部100に接続されており、対象ガス
検知部Cで検知された対象ガスの検知信号を、外部に取
り出して利用できるようになっている。基準ガス検知部
Dの各電極150〜170は、端子部152〜172に
接続されたリード線104を介して寿命告知手段110
へ接続されている。寿命告知手段110は基準ガス検知
部Dの基準ガスの検知出力を監視して、検知出力が一定
値以下になったときに信号を発して、警告音を出したり
警告ランプを点灯したりして、センサの寿命が来たこと
を告知できるようになっている。このような機能を有す
る寿命告知手段110は、各種機器装置類で用いられて
いると同様の通常の電子回路等で構成されている。Each of the electrodes 20 to 40 of the target gas detector C is
It is connected to the signal processing circuit unit 100 via the lead wire 102 connected to the terminal units 22 to 42, and the detection signal of the target gas detected by the target gas detection unit C is taken out and used. It has become. Each of the electrodes 150 to 170 of the reference gas detection unit D is connected to the terminal unit 152 to 172 via a lead wire 104, and the life notification unit 110
Connected to The life notifying means 110 monitors the detection output of the reference gas of the reference gas detection unit D, and emits a signal when the detection output becomes equal to or less than a predetermined value to emit a warning sound or turn on a warning lamp. In addition, it is possible to notify that the sensor has reached the end of its life. The life notifying unit 110 having such a function is configured by a normal electronic circuit or the like similar to that used in various types of equipment.
【0040】以上のような構造を有するガスセンサの対
象ガス検知部Cにおけるセンサ作用は、対象検知ガスが
保護膜181および固体電解質層80を透過して作用極
20に達する他は、図1の構造例の場合と同じなので説
明は省略する。基準ガス検知部Dにおける寿命検知作用
も、基本的には図1の構造例の場合と同様であるが、具
体的には以下の通りである。The sensor operation in the target gas detection section C of the gas sensor having the above-described structure is the same as that shown in FIG. 1 except that the target detection gas passes through the protective film 181 and the solid electrolyte layer 80 and reaches the working electrode 20. The description is omitted because it is the same as the example. The life detecting operation of the reference gas detecting unit D is basically the same as that of the structure example of FIG. 1, but is specifically as follows.
【0041】基準ガス検知部Dでは、基準ガスである酸
素が、保護膜182の表面から固体電解質層82を透過
して作用極150に到達し、ここで電気化学反応を起こ
す。対極160では、上記作用極150と対になる反応
が起こり、作用極150と対極160の間に酸素検知電
流が流れるのである。基準ガス検知部Dでは、作用極1
50の電位を、参照極170を基準にして、酸素に対応
する一定の電位に維持しているので、酸素が検知でき
る。すなわち、対象ガス検知と基準ガス検知は、作用極
で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。なお、作用極15
0と対極160が櫛形状であって互いに入り込んでいる
ため、基準ガス検知部Dの固体電解質82に水が溜まら
ないことは前述の通りである。In the reference gas detector D, oxygen as a reference gas permeates through the solid electrolyte layer 82 from the surface of the protective film 182 and reaches the working electrode 150, where an electrochemical reaction occurs. At the counter electrode 160, a reaction that forms a pair with the working electrode 150 occurs, and an oxygen detection current flows between the working electrode 150 and the counter electrode 160. In the reference gas detector D, the working electrode 1
Since the potential of 50 is maintained at a constant potential corresponding to oxygen with reference to the reference electrode 170, oxygen can be detected. That is, the detection of the target gas and the detection of the reference gas are different from each other only in the potential setting at the working electrode. The working electrode 15
As described above, water does not accumulate in the solid electrolyte 82 of the reference gas detector D because the 0 and the counter electrode 160 are comb-shaped and enter each other.
【0042】酸素は、大気中に常に一定濃度で存在して
いるので、センサ感度の経時的な変化がなければ、基準
ガス検知部Dにおいて常に一定の酸素検知電流が得られ
るはずである。しかし、前記したように、基準ガス検知
部Dのセンサ感度は経時的に低下するので、酸素検知電
流は徐々に小さくなってくる。この基準ガス検知部Dに
おける検知電流(すなわちセンサ感度)の経時変化と同
じ現象は、対象ガス検知部Cでも同時進行で生じてい
る。したがって、基準ガス検知部Dにおける検知電流
(センサ感度)を適当な間隔でモニターしておき、検知
電流が所定の値以下になれば、センサすなわち対象ガス
検知部Cの寿命であると判断すればよい。Since oxygen is always present at a constant concentration in the atmosphere, a constant oxygen detection current should always be obtained in the reference gas detection section D if the sensor sensitivity does not change over time. However, as described above, since the sensor sensitivity of the reference gas detection unit D decreases with time, the oxygen detection current gradually decreases. The same phenomenon as the temporal change of the detection current (that is, the sensor sensitivity) in the reference gas detection unit D occurs simultaneously in the target gas detection unit C. Therefore, the detection current (sensor sensitivity) in the reference gas detection unit D is monitored at appropriate intervals, and if the detection current becomes equal to or less than a predetermined value, it is determined that the life of the sensor, that is, the target gas detection unit C is reached. Good.
【0043】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、そのガス検知作用の経時的変化を試験
した結果について説明する。 −実施例1− 実施例1は図1の構造例に対応している。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
パッタリングで厚さ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20〜40,50〜70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80,
82を形成した。Next, the results of manufacturing an electrochemical gas sensor having the above-described structure and examining the change over time in the gas detection action will be described. -Example 1-Example 1 corresponds to the structural example of FIG. Insulating substrate 10
A glass plate of 10 mm square was used as a material for. However, in order to increase the adhesion between the substrate and the electrode, a polysilicon layer having a thickness of about 2000 mm was formed on the glass plate by sputtering. Working electrodes 20 and 50 made of platinum, counter electrodes 30 and 60, and reference electrodes 40 and 70 made of gold were formed on the insulating substrate 10 by sputtering. Thereafter, a solution containing 5% by weight of a perfluorosulfonate polymer is cast on each of the electrodes 20 to 40, 50 to 70 and the insulating substrate 10, so that a solid electrolyte layer 80 made of a perfluorosulfonate polymer having a thickness of 3 μm is formed.
82 was formed.
【0044】このようにして作製された対象ガス検知部
Aおよび間欠基準ガス検知部Bを組み合わせたガスセン
サが、対象ガスに対するセンサ機能および寿命の検知機
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経時的変化を測定した。この
時、間欠基準ガス検知部Bでは、測定ガス切替手段10
5により、酸素の測定を1時間行い、一酸化炭素の測定
を23時間行うことを繰り返すようにした。In order to confirm that the gas sensor combined with the target gas detector A and the intermittent reference gas detector B thus manufactured has a sensor function for the target gas and a life detecting function, The change over time in sensor sensitivity to carbon monoxide and oxygen was measured. At this time, the intermittent reference gas detection unit B
According to 5, the measurement of oxygen for 1 hour and the measurement of carbon monoxide for 23 hours were repeated.
【0045】測定には、図3に示す試験装置を用いた。
測定用チェンバー120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121を介
して、対象ガス検知部用と間欠基準ガス検知部用のそれ
ぞれのポテンショスタット122,123に接続した。
なお、ポテンショスタット123には、間欠基準ガス検
知部Bを通常は対象ガスの測定をさせ、間欠的に基準ガ
スの測定をさせるために測定ガス切替手段105を接続
した。測定ガス切替手段105により、間欠基準ガス検
知部Bの作用極と参照極の間の電圧を、対象ガスの測定
時には0.40Vとし、基準ガスの測定時には−0.6
Vとした。また、各ポテンショスタット122,123
には、それぞれレコーダ124,125が接続されてい
る。For the measurement, a test apparatus shown in FIG. 3 was used.
A gas sensor is accommodated in the measurement chamber 120, and the terminal portions 22 of the electrodes 20 are connected via lead wires 121 to respective potentiostats 122 for the target gas detection unit and the intermittent reference gas detection unit. , 123.
Note that the potentiostat 123 is connected to a measurement gas switching unit 105 so that the intermittent reference gas detector B normally measures the target gas and intermittently measures the reference gas. By the measurement gas switching means 105, the voltage between the working electrode and the reference electrode of the intermittent reference gas detection unit B is set to 0.40 V when measuring the target gas and −0.6 V when measuring the reference gas.
V. In addition, each potentiostat 122, 123
Are connected to recorders 124 and 125, respectively.
【0046】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
の間の印加電圧を0.40Vに設定し、間欠基準ガス検
知部Bの作用極50と参照極70の間の印加電圧を対象
ガスの測定時には0.40V、基準ガスの測定時には−
0.6Vに設定して試験を行った。間欠基準ガス検知部
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125で常時監視した。また、チェンバー
120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124で測定した。チェンバー1
20内には一定時間毎に一酸化炭素を含む空気を供給し
て測定を繰り返した。Using the test apparatus as described above, the working electrode 20 and the reference electrode 40 of the target gas detector A for detecting carbon monoxide are used.
Is set to 0.40 V, and the applied voltage between the working electrode 50 and the reference electrode 70 of the intermittent reference gas detector B is 0.40 V when measuring the target gas, and − when measuring the reference gas.
The test was performed with the voltage set to 0.6V. The oxygen detection current flowing between the working electrode 50 and the counter electrode 60 of the intermittent reference gas detection unit B was constantly monitored by the recorder 125. Further, the atmosphere in the chamber 120 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 124. Chamber 1
The measurement was repeated by supplying air containing carbon monoxide at regular time intervals into 20.
【0047】測定結果は、おおよそ図4のグラフのよう
であり、一酸化炭素に対する対象ガス検知部Aのセンサ
感度と、酸素に対する間欠基準ガス検知部Bのセンサ感
度の経時変化は、ほとんど同等の傾向を示していること
が分かる。したがって、対象ガス検知部Aがセンサとし
ての機能を果たせなくなるセンサ感度になるまでの時間
を寿命とすれば、間欠基準ガス検知部Bにおけるセンサ
感度が、対象ガス検知部Aの寿命時間に対応させたセン
サ感度である一定以下になった段階でセンサの寿命であ
ると判断して、適当な警告信号を発するようにしておけ
ば、センサの寿命を迅速かつ確実に検知できることが証
された。The measurement results are approximately as shown in the graph of FIG. 4. The change over time in the sensor sensitivity of the target gas detecting section A for carbon monoxide and the sensor sensitivity of the intermittent reference gas detecting section B for oxygen are almost the same. It turns out that it shows the tendency. Therefore, assuming that the time until the target gas detection unit A reaches the sensor sensitivity at which the function of the sensor cannot be fulfilled is the life, the sensor sensitivity of the intermittent reference gas detection unit B corresponds to the life time of the target gas detection unit A. It has been proved that the sensor life can be detected quickly and reliably by determining that the sensor has reached the end of its life when the sensor sensitivity falls below a certain level and issuing an appropriate warning signal.
【0048】−実施例2− 実施例2は図5の構造例に対応している。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
パッタリングで厚さ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20,150、対極30,160およ
び金からなる参照極40,170を作製した。なお、作
用極150と対極160を櫛形状とするのにはスパッタ
リングで形成した金属膜をイオンミーディングでパター
ン化する方法によった。作用極150と対極160の間
隔は5μmであり、歯部150b,160bの幅も5μ
mである。Embodiment 2 Embodiment 2 corresponds to the structural example of FIG. Insulating substrate 10
A glass plate of 10 mm square was used as a material for. However, in order to increase the adhesion between the substrate and the electrode, a polysilicon layer having a thickness of about 2000 mm was formed on the glass plate by sputtering. Working electrodes 20 and 150 made of platinum, counter electrodes 30 and 160, and reference electrodes 40 and 170 made of gold were formed on the insulating substrate 10 by sputtering. In order to form the working electrode 150 and the counter electrode 160 in a comb shape, a method of patterning a metal film formed by sputtering by ion milling was used. The interval between the working electrode 150 and the counter electrode 160 is 5 μm, and the width of the tooth portions 150b and 160b is also 5 μm.
m.
【0049】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20〜40,150〜
170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80,82を形成した。続い
て、固体電解質層80,82を覆って、テトラフルオロ
エチレンの重合体からなる保護膜181,182をプラ
ズマ重合法によって形成した。Thereafter, a solution containing 5% by weight of the perfluorosulfonate polymer was applied to each of the electrodes 20 to 40, 150 to
The solid electrolyte layers 80 and 82 made of a perfluorosulfonate polymer having a thickness of 3 μm were formed by casting on the substrate 170 and the insulating substrate 10. Subsequently, protective films 181 and 182 made of a polymer of tetrafluoroethylene were formed by plasma polymerization so as to cover the solid electrolyte layers 80 and 82.
【0050】このようにして作製された対象ガス検知部
Cおよび基準ガス検知部Dを組み合わせたガスセンサ
が、対象ガスに対するセンサ機能および寿命の検知機能
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経時的変化を測定した。測定に
は、図7に示す試験装置を用いた。測定用チェンバー1
20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121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122,123に接続した。また、各ポテンショスタ
ット122,123には、それぞれレコーダ124,1
25が接続されている。In order to confirm that the gas sensor combining the target gas detector C and the reference gas detector D thus manufactured has a sensor function for the target gas and a life detecting function, The change over time of the sensor sensitivity to carbon oxide and oxygen was measured. The test device shown in FIG. 7 was used for the measurement. Measurement chamber 1
A gas sensor is accommodated in the terminal 20, and the terminal portions 22 of the electrodes 20 are connected to the respective potentiostats 122 and 123 for the target gas detecting section and the reference gas detecting section via lead wires 121. did. The potentiostats 122 and 123 have recorders 124 and 1 respectively.
25 are connected.
【0051】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Cの作用極20と参照極40
の間の印加電圧を0.40Vに設定し、基準ガス検知部
Dの作用極150と参照極170の間の印加電圧を−
0.6Vに設定して試験を行った。基準ガス検知部Dの
作用極150と対極160の間を流れる酸素検知電流
は、レコーダ125で常時監視した。また、チェンバー
120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C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124で測定した。チェンバー1
20内には一定時間毎に一酸化炭素を含む空気を供給し
て測定を繰り返した。Using the test apparatus as described above, the working electrode 20 and the reference electrode 40 of the target gas detector C for detecting carbon monoxide are used.
Is set to 0.40 V, and the applied voltage between the working electrode 150 and the reference electrode 170 of the reference gas detector D is set to −
The test was performed with the voltage set to 0.6V. The oxygen detection current flowing between the working electrode 150 and the counter electrode 160 of the reference gas detection unit D was constantly monitored by the recorder 125. Further, the atmosphere in the chamber 120 is replaced with air containing 1000 ppm of carbon monoxide from the state of only air, and at this time, a carbon monoxide detection current flowing between the working electrode 20 and the counter electrode 30 of the target gas detection part C is recorded. Measured at 124. Chamber 1
The measurement was repeated by supplying air containing carbon monoxide at regular time intervals into 20.
【0052】測定結果は、やはり、おおよそ図8のグラ
フのようであり、一酸化炭素に対する対象ガス検知部C
のセンサ感度と、酸素に対する基準ガス検知部Dのセン
サ感度の経時変化は、ほとんど同等の傾向を示している
ことが分かる。したがって、対象ガス検知部Cがセンサ
としての機能を果たせなくなるセンサ感度になるまでの
時間を寿命とすれば、基準ガス検知部Dにおけるセンサ
感度が、対象ガス検知部Cの寿命時間に対応させたセン
サ感度である一定以下になった段階でセンサの寿命であ
ると判断して、適当な警告信号を発するようにしておけ
ば、センサの寿命を迅速かつ確実に検知できることが証
された。The measurement result is also approximately as shown in the graph of FIG.
It can be seen that the sensor sensitivity of the reference gas detection unit D and the sensor sensitivity of the reference gas detection unit D to oxygen with time show almost the same tendency. Therefore, assuming that the time until the target gas detection unit C reaches the sensor sensitivity at which the function of the sensor cannot be fulfilled is the life, the sensor sensitivity of the reference gas detection unit D corresponds to the life time of the target gas detection unit C. It has been proved that the life of the sensor can be detected quickly and reliably by determining that the life of the sensor has expired when the sensor sensitivity falls below a certain level and issuing an appropriate warning signal.
【0053】−実施例3− 実施例3も図5の構造例に対応しており、実施例2にお
いて、保護膜181,182をフッ素系樹脂であるテフ
ロンを用いた他は同じである。測定結果も、やはり、お
およそ図9のグラフのようであり、一酸化炭素に対する
対象ガス検知部Cのセンサ感度と、酸素に対する基準ガ
ス検知部Dのセンサ感度の経時変化は、ほとんど同等の
傾向を示していることが分かる。Example 3 Example 3 also corresponds to the structural example of FIG. 5, and is the same as Example 2 except that the protective films 181 and 182 are made of Teflon, which is a fluororesin. The measurement results are also approximately as shown in the graph of FIG. 9. The temporal changes in the sensor sensitivity of the target gas detection unit C for carbon monoxide and the sensor sensitivity of the reference gas detection unit D for oxygen show almost the same tendency. It turns out that it shows.
【0054】この発明は、上記実施例に限らない。例え
ば、図1において、間欠基準ガス検知部の作用極と対極
が図5のように櫛形状である構造が他の実施例として挙
げられるし、図5において、基準ガス検知部Dに図1の
ように測定ガス切替手段も接続されている構造が他の実
施例として挙げられる。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, in FIG. 1, a structure in which the working electrode and the counter electrode of the intermittent reference gas detection unit are comb-shaped as shown in FIG. 5 is given as another embodiment. In FIG. 5, the reference gas detection unit D shown in FIG. As another embodiment, the structure in which the measurement gas switching means is also connected as described above.
【0055】[0055]
【発明の効果】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感度経時変化が対象ガス検知部と
ほぼ同等の基準ガス検知部を備えていることにより、ガ
スセンサの寿命を迅速かつ正確に検知することができ
る。すなわち、ガスセンサ自身に、寿命が来たのかどう
かを正しく自己診断する機能が備わっているのである。
その結果、センサの機能確認のための点検作業に要する
多大な労力と時間を節約でき、メインテナンスにかかる
費用の大幅な削減が可能になる。また、寿命がきたガス
センサをそのまま使用した場合に生じる危険な状況を確
実に回避できる信頼性の高いガスセンサを提供すること
ができる。According to the above-described electrochemical gas sensor according to the present invention, in addition to the target gas detecting section similar to the ordinary gas sensor, the sensitivity for detecting the reference gas present at a constant concentration in the use environment is detected. The provision of the reference gas detection unit whose change with time is substantially the same as that of the target gas detection unit enables quick and accurate detection of the life of the gas sensor. That is, the gas sensor itself has a function of correctly performing self-diagnosis as to whether or not the life has expired.
As a result, a great deal of labor and time required for inspection work for checking the function of the sensor can be saved, and the cost for maintenance can be greatly reduced. In addition, it is possible to provide a highly reliable gas sensor that can reliably avoid a dangerous situation that occurs when a gas sensor whose life has expired is used as it is.
【0056】電解質が固体電解質である場合は、加え
て、液漏れや溶媒蒸発の問題がないという利点がある。
また、基準ガス検知部に常は検知対象ガスの測定を行な
わせ間欠的に前記基準ガスの測定を行わせる測定ガス切
替手段が接続されていたり、あるいは、基準ガス検知部
の対極と作用極が櫛形状で互いに入り込むようにして形
成されていたりする場合には、加えて、作用極に反応生
成物が溜まらず、より正確に寿命の告知がなされるとい
う利点がある。When the electrolyte is a solid electrolyte, there is an additional advantage that there is no problem of liquid leakage or solvent evaporation.
Also, the reference gas detector is usually connected to measurement gas switching means for measuring the gas to be detected and intermittently measuring the reference gas, or the counter electrode and the working electrode of the reference gas detector are connected. In the case where the electrodes are formed in a comb shape so as to penetrate each other, there is an additional advantage that the reaction product is not accumulated in the working electrode, and the life is more accurately notified.
【0057】さらに、対象ガス検知部と基準ガス検知部
が同一構造であると、感度経時変化特性の同一性に優れ
るため、より正確に寿命の告知がなされるという利点が
ある。Further, if the target gas detecting section and the reference gas detecting section have the same structure, there is an advantage that the life can be notified more accurately because the sensitivity change characteristics with time are excellent.
【図1】この発明の電気化学式ガスセンサの一構造例の
全体構成図である。FIG. 1 is an overall configuration diagram of a structural example of an electrochemical gas sensor according to the present invention.
【図2】図1の電気化学式ガスセンサにおけるガス検知
部の断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a gas detector in the electrochemical gas sensor of FIG.
【図3】実施例1でセンサ感度を試験する時の様子をあ
らわす概略説明図である。FIG. 3 is a schematic explanatory view showing a state when a sensor sensitivity is tested in the first embodiment.
【図4】実施例1のセンサの試験の結果をあらわすグラ
フである。FIG. 4 is a graph showing test results of the sensor of Example 1.
【図5】この発明の電気化学式ガスセンサの他の構造例
の全体構成図である。FIG. 5 is an overall configuration diagram of another structural example of the electrochemical gas sensor of the present invention.
【図6】図5の電気化学式ガスセンサにおけるガス検知
部の断面図である。FIG. 6 is a cross-sectional view of a gas detection unit in the electrochemical gas sensor of FIG.
【図7】実施例2,3でセンサ感度を試験する時の様子
をあらわす概略説明図である。FIG. 7 is a schematic explanatory view showing a state when a sensor sensitivity is tested in Examples 2 and 3.
【図8】実施例2のセンサの試験の結果をあらわすグラ
フである。FIG. 8 is a graph showing test results of the sensor of Example 2.
【図9】実施例3のセンサの試験の結果をあらわすグラ
フである。FIG. 9 is a graph showing test results of the sensor of Example 3.
A 対象ガス検知部 B 間欠基準ガス検知部 C 対象ガス検知部 D 基準ガス検知部 10 絶縁基板 20 作用極 30 対極 40 参照極 50 作用極 60 対極 70 参照極 80 固体電解質 82 固体電解質 105 測定ガス切替手段 110 寿命告知手段 150 作用極 160 対極 170 参照極 181 保護膜 182 保護膜 A Target gas detector B Intermittent reference gas detector C Target gas detector D Reference gas detector 10 Insulating substrate 20 Working electrode 30 Counter electrode 40 Reference electrode 50 Working electrode 60 Counter electrode 70 Reference electrode 80 Solid electrolyte 82 Solid electrolyte 105 Solid gas switching 105 Means 110 Life notification means 150 Working electrode 160 Counter electrode 170 Reference electrode 181 Protective film 182 Protective film
フロントページの続き (72)発明者 山鹿 範行 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 平5−60727(JP,A) 特開 平4−43950(JP,A) 特開 平4−208849(JP,A) 特開 平4−230843(JP,A) 特開 平4−43951(JP,A) 特開 平4−43952(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) G01N 27/416 Continuing from the front page (72) Inventor Noriyuki Yamaga 1048 Kadoma, Kazuma, Osaka Prefecture Matsushita Electric Works, Ltd. (56) References JP-A-5-60727 (JP, A) JP-A-4-43950 (JP, A) JP-A-4-208849 (JP, A) JP-A-4-230843 (JP, A) JP-A-4-43951 (JP, A) JP-A-4-43952 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 6 , DB name) G01N 27/416
Claims (4)
検知部を備えた電気化学式ガスセンサにおいて、感度の
経時変化がほぼ同等であるガス検知部を2つ備え、一方
のガス検知部は検知対象ガスの測定を絶えず行う対象ガ
ス専用の検知部であって、他方のガス検知部は使用環境
に一定の濃度で存在する基準ガスの測定と基準ガスの他
に検知対象ガスの測定も行う検知部であり、前記他方の
ガス検知部には、前記基準ガスに対する検知出力が定め
られた範囲から外れると信号を発する寿命告知手段が接
続され、さらに他方のガス検知部には、常は検知対象ガ
スの測定を行なわせ間欠的に前記基準ガスの測定を行わ
せる測定ガス切替手段も接続されている電気化学式ガス
センサ。1. A electrochemical gas sensor having a gas detector comprising connecting a plurality of electrodes in the electrolyte, the gas detector aging of sensitivity is substantially equal two with, one gas detector is the detection target Target gas for continuous gas measurement
A detecting unit for scan-only, other measurement and reference gas of the reference gas and the other gas detector which is present in certain concentration in a use environment
Detection measurement of the target gas is also a detection unit for performing, wherein the other gas detector, the detection output with respect to a reference gas lifetime notification means for issuing an outside a signal from the range defined is connected, further other gases The detection unit always has
Measurement of the reference gas intermittently.
An electrochemical gas sensor to which a measurement gas switching means to be connected is also connected .
が櫛形状で互いに入り込むようにして形成されている請
求項1に記載の電気化学式ガスセンサ。2. The electrochemical gas sensor according to claim 1 , wherein the counter electrode and the working electrode of the other gas detecting portion are formed so as to enter each other in a comb shape.
同一構造である請求項1または2に記載の電気化学式ガ
スセンサ。3. One of the electrochemical gas sensor according to claim 1 or 2 gas detector and the other gas detector have the same structure.
3までのいずれかに記載の電気化学式ガスセンサ。4. The method according to claim 1, wherein the electrolyte is a solid electrolyte.
The electrochemical gas sensor of the mounting come to any one of up to three.
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
JP3267936A JP2981039B2 (en) | 1991-09-24 | 1991-10-16 | Electrochemical gas sensor |
Applications Claiming Priority (3)
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JP24384591 | 1991-09-24 | ||
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