JP3171774B2 - ガス検知素子 - Google Patents
ガス検知素子Info
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Description
を含有する金属酸化物半導体を主成分としてなる感応部
を設け、前記感応部を加熱する加熱手段を設け、ガス検
知に基づいて出力信号を得る検出電極を設けたガス検知
素子に関する。
例えば特公平5−51096号公報、あるいは、特公平
6−103284号公報に知られるように、塩基性金属
酸化物を含有する金属酸化物半導体を主成分としてなる
感応部として、酸化スズ半導体にアルカリ金属酸化物、
アルカリ土類金属酸化物あるいはランタノイド金属酸化
物を担持させてなる感応部を設け、前記感応部を加熱す
る加熱手段となる白金コイル上に設けて構成したものが
あった。つまり、例えば一酸化炭素ガス等のガスを検知
するガスセンサの場合、前記感応部を塩基性に制御する
ことによって、炭化水素ガスや水素ガスに対する感度を
大きく低下させ、一酸化炭素ガス等のガス選択性を向上
させることが行われているわけである。ところで、この
ように一酸化炭素ガス等のガスに対するガス感度を高め
ると、同時にアルコールガスに対する感度も上昇して、
例えば一酸化炭素ガス中毒防止用のガス警報器において
誤報の虞があるのではないかという不都合が指摘されは
じめている。そこで、ガス検知素子としては、酸化タン
グステンや、酸化モリブデン等を添加してなるアルミナ
(例えば特開平4−66857号公報参照)を被覆層と
して用いることが試みられている。つまり、被覆層を設
けることにより、アルコールを吸着・分解(脱水)(以
下、アルコールの除去と称する)して前記感応部でのア
ルコール検知を防止することが考えられていた。
来のガス検知素子に、前記種々の被覆層を設けたとして
も、アルコール除去効果は十分とは言えず、アルコール
除去をより確実に行い、誤検知の虞をさらに少なくでき
るガス検知素子の開発が望まれていた。
成されたものである。
成ゼオライトのうち、シリカ(SiO2) 含有率が、ア
ルミナ(Al2O3)含有率よりも高い、いわゆる高シリ
カゼオライトのカチオン成分のうちプロトン比率の高い
H型のもの(以下、H型高シリカゼオライトと称する)
は、極めて高い固体酸性を示し、ガス検知温度領域にお
いてアルコールの脱水触媒として高い活性を示すととも
に、センサ材料として好都合な疎水性、耐熱性を有す
る、という新知見を得た。本発明は、この新知見に基づ
き成されたものであって、前記目的を達成するための本
発明の特徴構成は、塩基性金属酸化物を添加してある金
属酸化物半導体を主成分としてなる感応部を設け、前記
感応部を加熱する加熱手段を設け、ガス検知に基づいて
出力信号を得る検出電極を設けたガス検知素子であっ
て、前記感応部に、H型高シリカゼオライトを主成分と
してなる被覆層を設けたことにあり、前記H型高シリカ
ゼオライトが、シリカ(SiO2)・アルミナ(Al
2O3)含有モル比率(SiO2/Al2O3)が5以上3
0以下のものであれば好ましく、前記感応部が、酸化ス
ズ半導体を主成分としてなる金属酸化物半導体にアルカ
リ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物あるいはランタ
ノイド金属酸化物の少なくとも一種以上を添加してなる
場合に好都合であって、前記感応部に金を添加してあれ
ば特に実用的である。その作用・効果は以下の通りであ
る。
を設けてあるから、被検知ガスが前記感応部に達する前
に前記被検知ガスは、前記被覆層に接触することにな
る。このとき、前記被覆層は、前記H型高シリカゼオラ
イトを主成分としてなり、ガス検知温度領域でアルコー
ルの脱水触媒として高い性能を示すから、前記被検知ガ
スにアルコールガスが含まれていたとしても、そのアル
コールガスは前記H型高シリカゼオライトに接触して脱
水作用を受け、オレフィン類(炭化水素)等のガスに変
換されるから、アルコールとしては前記感応部に到達し
にくい。このような高い触媒活性は、高シリカゼオライ
トが結晶粒子表面に(Si4+)と、(Al3+)からなる
強い酸点を多数有する性質を持つ上に、H型としてある
ことで、その酸点に結合するカチオン成分が大部分プロ
トン化されたものとなって、高い固体酸性を示すことに
由来し、この固体酸性によって、前記アルコールガスが
脱水作用を受けると考えられる。また、前記感応部には
塩基性金属酸化物を添加しているため、塩基性に制御さ
れ、一酸化炭素ガスや悪臭ガスに対するガス感度を高め
るとともに、炭化水素ガスや水素ガスに対する感度を大
きく低下させたものとなって、結果として、被検知ガス
に含まれる一酸化炭素ガスや悪臭ガスを高感度に検知す
るとともに、前記オレフィン類等のガスをほとんど検知
せず、結果としてアルコールガスを含んでなる被検知ガ
ス中からも選択的に一酸化炭素ガスや悪臭ガスを検知
し、電極から出力する事ができるのである。尚、このよ
うなガス検知素子は感応部に添加される塩基性金属酸化
物、及び、その他の金属成分によって、ガス検知特性を
制御することが出来、例えば、アルカリ土類金属の添加
により、一酸化炭素ガス検知素子、さらに貴金属を添加
することによってアンモニアガス検知素子として用いる
ことが出来る。
従来被覆層として用いられている例えば、酸化タングス
テンを添加したアルミナ等よりも触媒活性が高いもので
あるから、前記H型高シリカゼオライトを主成分として
なる被覆層を設けたガス検知素子は、例えば、図3に示
すように、極めて高いガス選択性を発揮することがわか
った。また、前記H型高シリカゼオライトは、通常のゼ
オライトに比べて高い疎水性を示し、被検知ガス中の水
分により悪影響を受けにくく、ガス検知特性の安定した
ガス検知素子を提供することができるとともに、耐熱、
耐酸性にも優れるので、長期使用にも耐え、かつ、揮発
性の酸性ガス等による影響もうけにくいものと考えられ
る。また、前記被覆層としては、金属含有量の少ないも
のとなっているため、前記被覆層と前記感応部との間で
金属成分の移動が起きにくく、前記感応部のセンサ特性
は長期にわたって変化しにくいと考えられる。さらに、
前記H型高シリカゼオライトは、比較的低い温度でも高
い固体酸性を示すので、一般的に一酸化炭素ガスセンサ
は、ガス選択性の点から作動温度を比較的低く設定する
ことが望ましいという点から、一酸化炭素ガス選択性の
感応部に対する被覆層として用いることが好都合であ
る。
センサ、ガス警報器等を製造すれば、例えば、家庭用ガ
スコンロ、ガス湯沸器などのガス機器の使用によって発
生する一酸化炭素ガスや、冷媒として用いられるアンモ
ニアの漏洩によって生じるアンモニアガスを、ガス燃焼
時に発生する水素ガス等の影響を受けること無く、しこ
も、家庭内等で用いられるアルコールガスの影響を受け
ることなく、正確に検知して一酸化炭素ガスやアンモニ
アガスの誤検知を防ぐ、もしくは、アルコール類を使用
しつつも、一酸化炭素ガスや、アンモニアガスの発生す
る環境を評価する場合に、一酸化炭素ガスや、アンモニ
アガス濃度をより正確に測定する等が可能になった。
は、シリカ(SiO2)・アルミナ(Al2O3)含有モル
比率(SiO2/Al2O3)が5以上30以下のものを
用いれば極めて高いガス選択性が得られる。なぜなら、
前記モル比率が5より小さいと、水との親和性が高くな
って、センサとして水分の影響を受けやすくなる、ある
いは、前記モル比率が30を越えれば、酸点が減少して
固体酸性が低下するので、触媒活性が低下し、また、疎
水性が高くなりすぎ、アルコールを吸着しにくくなっ
て、脱水触媒反応を起こしにくくなる、等の不都合が生
じるからである。前記感応部が、酸化スズ半導体を主成
分としてなる金属酸化物半導体にアルカリ金属酸化物、
アルカリ土類金属酸化物、あるいは、ランタノイド金属
酸化物の少なくとも一種以上を添加してなる感応部であ
れば、前記感応部は、塩基性に制御されたものとなると
同時に、一酸化炭素ガス検知特性の高いものとなって、
上述の家庭用ガス機器の使用による一酸化炭素発生を精
度良く検知するのに好都合である。さらに、前記感応部
に金を含有させておけば、300℃程度のセンサ作動温
度において、アンモニアガス等の悪臭ガス感度(特にア
ンモニアガス感度)のみを極めて高く増加させることが
でき、ガス選択性の高いガス検知素子特にアンモニアガ
ス検知素子を得ることができる。
に基づいて説明する。図1に示すように、本発明のガス
検知素子Sは、白金コイル1a上に、酸化スズを主成分
としてなる半導体に、酸化ランタン及び金を添加してな
る感応部2を、設け、前記感応部2をH型高シリカゼオ
ライトからなる被覆層3によって被覆形成して構成して
ある。
そのガスセンサの性能を図面に基づいて詳述する。 (I)感応部の製造 1.焼結体の製造 市販の四塩化スズ(SnCl4)を所定濃度に調製した水
溶液を用意し、前記水溶液に適当な電導度を得るため
に、五塩化アンチモン(SbCl5)を、四塩化スズ(S
nCl4)に対して適量(0.4atm%程度)添加す
る。この溶液にアンモニア水を滴下し、加水分解させる
と、水酸化スズ(Sn(OH)4)ゾルが沈澱物として得
られる。これを蒸留水で洗浄、乾燥すると、ゲル状の水
酸化スズ(Sn(OH)4)固体が得られる。この水酸化
スズ(Sn(OH)4)を、電気炉において、600℃、
4時間の焼成条件で、熱分解すると、酸化スズ(SnO
2)半導体が得られる。この様にして得た、酸化スズ(S
nO2)半導体を、粉砕機によって、微粉体とする。これ
に蒸留水を加えて、ペースト状にして、図1に示すよう
に電極となる白金コイル1a(20μmφ)の周囲を被
うように直径0.45mmφの球状に塗布し、乾燥後、
前記白金コイル1aに電流を流して、その発熱により焼
成させ(600℃で1時間)、焼結体とする。 2.酸化ランタン(La2O3)及び金(Au)の添加 市販の硝酸ランタン(La(NO3)3)と塩化金酸(HA
uCl4)とを所定濃度に調製した混合水溶液を用意し、
前記混合水溶液の所定量を前記焼結体に含浸添加し乾燥
させる。乾燥後、前記白金コイル1aに電流を流して、
前記焼結体をさらに550℃で30分間焼成すると、硝
酸ランタンおよび塩化金酸がそれぞれ熱分解されて酸化
ランタンと金になるので、酸化スズ(SnO2)に酸化
ランタン(La2O3)および金(Au)を担持させるこ
とができ、前記焼結体を感応部として用いることができ
るようになる。
属酸化物、ランタノイド金属酸化物を単独で担持させる
場合にも、対応する金属の塩(好ましくは硝酸塩)を所
定濃度に調整した溶液を用意し、同様の方法で前記焼結
体に含浸添加、乾燥、焼成させて担持させればよく、複
数の金属酸化物を担持させる場合には、上述の溶液に替
え、対応する複数の金属の塩を所定濃度に調整した混合
溶液を用意し、同様の方法で担持させればよく、さらに
は、複数の金属塩溶液を順次含浸添加させて、前記焼結
体に複数の金属酸化物を担持させることもできる。
を、シリカコロイド分散水溶液を用いてペースト状にす
る。これを、前記感応部2を覆うように塗布して、十分
乾燥させたのち、前記白金コイル1aに電流を流して焼
成する(550℃で30分)と、H型高シリカゼオライ
トを主成分とする被覆層3をひび割れ等の焼結不良を生
じさせることなく、前記感応部2に形成することがで
き、一酸化炭素ガス検知素子Sとして用いられる。尚、
前記H型高シリカゼオライトは比表面積が大きく、か
つ、緻密であるので、高い触媒活性が期待できるもので
ある。
トストンブリッジ回路に組み込まれてセンサとして使用
される。図中4aは、このセンサのための負荷抵抗とし
てこれに直列に接続された抵抗であり、抵抗4b、4c
はこの回路の基準電位を定めるために、互いに直列に接
続された基準抵抗である。センサと直列抵抗4aは、他
の基準抵抗4b、4cに対して電源4dに関して並列と
され、各々抵抗の中間点5、6の間の電位差(mV)を
このセンサの出力として得ることができる。
ガス検知特性を以下に示す。尚、従来のガスセンサとし
て、先のH型高シリカゼオライトに替えて2mol%の
酸化タングステンを添加してなるアルミナを用いて同様
にガスセンサBを製造し、ガス検知特性を比較する。
%の酸化タングステンを添加してなるアルミナを用いた
ガスセンサBと同様に水素ガスに対する活性が低く、か
つエタノールに対して高い一酸化炭素ガス選択性を有す
る(一酸化炭素ガス100ppmに対して、ガスセンサ
Bがほぼ2倍濃度のエタノールに対する出力と同等の出
力しか得られないのに対して、一酸化炭素ガスセンサA
では、ほぼ12倍のエタノールに対する出力と同等の出
力が得られる)ことがわかり、特にガス機器の使用によ
る一酸化炭素ガスの発生を検知するのに有用であること
がわかる。
に感応部は、0.4atm%のアンチモンを含んでなる
直径0.45mmの酸化スズ半導体に、酸化ランタン
(La 2O3)を4mol%、及び、金(Au)を0.0
2atm%添加したものであり、被覆層は厚さ100μ
mに形成したものを用い、センサ電圧を1.5V、ガス
の検知温度を360℃とした。また、センサの性能とし
ては、一酸化炭素100ppmを検知させたときのセン
サ出力を求め、種々のガスを検知させて前記センサ出力
を得るために必要となるガス濃度として求めた。つま
り、高濃度のガスが必要になるほどそのガスに対する高
い一酸化炭素ガス選択性を有するといえるものである。
たところ図3のようになり。ガスセンサAは、低濃度か
ら高濃度にわたって、ガスセンサBに比べて高い一酸化
炭素ガス選択性を有することがわかる。
調べたところ、図4のようになり、ガスセンサはセンサ
電圧によらず安定した高い一酸化炭素ガス選択性を有す
ることがわかる。尚、前記センサ電圧は、ほぼセンサの
温度に比例し、言い換えれば、図4より前記ガスセンサ
Aはほぼ320℃(1.30V相当)〜380℃(1.
60V相当)で高い一酸化炭素ガス選択性を維持できる
ことがわかる。
るかを調べたところ表3のようになった。
た場合、被覆層を50μm程度の薄いものに形成してあ
っても、極めて高いガス選択性を発揮していることがわ
かり、小型で消費電力の少ないガス検知素子であって
も、高いガス選択性を期待できる。
性 前記感応部への金添加量によってセンサ特性がどの様に
変化するかを調べたところ表4のようになった。
型高シリカゼオライトを用いたものをA、2mol%の
酸化タングステンを添加してなるアルミナを用いたもの
をBとして示し、ガスセンサA、ガスセンサBともに感
応部は0.4atm%のアンチモンを含んでなる直径
0.45mmの酸化スズ半導体に、酸化ランタン(La
2O3)を4mol%、及び、金(Au)を所定量添加し
たものとしてあり、被覆層は厚さ100μmに形成した
ものを用い、センサ電圧を1.5V、ガスの検知温度を
360℃として測定を行った。
0.02atm%程度にしたときにもっとも高いガス選
択特性を示し、0.01〜0.04atm%の範囲であ
れば極めて高い一酸化炭素ガス選択性を得られることが
わかった。
して、表5に示すものを用いて被覆層を形成した一酸化
炭素ガス検知素子を製造し、ガスセンサCとして用いた
所、表6あるいは図5に示すようにガス濃度依存性、セ
ンサ電圧依存性ともに先のガスセンサと同様に高いセン
サ性能を示し、特にセンサ電圧依存性については、低温
領域(1.30〜1.40V付近)においてより高いセ
ンサ性能が得られていることが判る。
ましくは、シリカ(SiO2)・アルミナ(Al2O3)含
有モル比率(SiO2/Al2O3)が1より大で30以
下のものを用いる。尚、モル比率(SiO2/Al
2O3)が小さすぎると水分の影響を受け易く、モル比率
(SiO2/Al2O3)が大きくなりすぎると、次第に
固体酸性が低下してアルコールガス除去性能が低下する
ので5以上30以下のものが好ましい。具体的には、モ
ル比率(SiO2/Al2O3)が6〜18.2程度の領
域で最も高いアルコールガス除去効果を得られる。さら
に、前記感応部に金を含有さるのに替えて、バナジウム
及び鉛を含有させておけば、アンモニアガス選択性が得
られる。つまり、一酸化炭素以外のガスに対して有効な
ガス検知素子を製造することもできる。要するに、前記
感応部は、塩基性に制御され、炭化水素ガスに対するセ
ンサ特性の低いものであれば、前記被覆層が有効に働
き、極めて実用的なものとできる。
ガス検知に用いた場合のガス選択性を調べたところ図6
のようになり、ガスセンサD(図6(イ)参照)は、ガ
スセンサE(図6(ロ)参照)に比べアンモニアガスを
選択的に検知していることがわかる。
シリカゼオライトからなる被覆層を形成してあるもの、
ガスセンサEは2mol%の酸化タングステンを添加し
てあるアルミナからなる被覆層を形成してあるものを指
し、ガスセンサD,Eともに感応部は0.4atm%の
アンチモンを含んでなる直径0.45mmの酸化スズ半
導体に酸化ランタン(La2O3)を4mol%及び金
(Au)を0.02atm%添加したものであり、被覆
層の厚さは25μmに形成してあり、センサ電圧を1.
4V、ガスの検知温度を360℃とした。
ように、基板状に成形したもの、あるいは、櫛型電極1
bを備えてなる基板状に成形したものであってもよく、
上述の構成に限るものではない。尚、ガス検知素子を基
板状に成形する場合には、電極の抵抗値等を制御しやす
く、つまり、ガス検知素子の特性を制御しやすくなっ
て、ガス検知素子のガス選択性を高く設定しやすいとい
う利点がある。また、前記白金コイル1aや櫛型電極1
bを検出電極と総称するとともに、図1、図7、図8の
各ガス検知素子における各電極、あるいは別途ヒーター
1cを設けてセンサを加熱する構成(図8参照)を加熱
手段1と総称し、前記加熱手段1は前記電極と兼用のも
のと専用のものをともに含む。
を便利にするために符号を記すが、該記入により本発明
は添付図面の構成に限定されるものではない。
性を示すグラフ
存性を示すグラフ
ス濃度依存性、(ロ)はセンサ電圧依存性
性を示すグラフ
Claims (4)
- 【請求項1】 塩基性金属酸化物を添加してある金属酸
化物半導体を主成分としてなる感応部(2)を設け、前
記感応部(2)を加熱する加熱手段(1)を設け、ガス
検知に基づいて出力信号を得る検出電極(1a)を設け
たガス検知素子であって、前記感応部(2)に、シリカ
(SiO2) 含有率が、アルミナ(Al2O3)含有率よ
りも高い合成H型ゼオライトを主成分としてなる被覆層
(3)を設けたガス検知素子。 - 【請求項2】 前記H型ゼオライトが、シリカ(SiO
2)・アルミナ(Al 2O3)含有モル比率(SiO2/A
l2O3)が5以上30以下のものである請求項1に記載
のガス検知素子。 - 【請求項3】 前記感応部(2)が、酸化スズ半導体を
主成分としてなる金属酸化物半導体にアルカリ金属酸化
物、アルカリ土類金属酸化物あるいはランタノイド金属
酸化物の少なくとも一種以上を添加してなる請求項1〜
2のいずれかに記載のガス検知素子。 - 【請求項4】 前記感応部(2)に金を添加してなる請
求項1〜3のいずれかに記載のガス検知素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26379995A JP3171774B2 (ja) | 1995-10-12 | 1995-10-12 | ガス検知素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP26379995A JP3171774B2 (ja) | 1995-10-12 | 1995-10-12 | ガス検知素子 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH09105731A JPH09105731A (ja) | 1997-04-22 |
JP3171774B2 true JP3171774B2 (ja) | 2001-06-04 |
Family
ID=17394422
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP26379995A Expired - Lifetime JP3171774B2 (ja) | 1995-10-12 | 1995-10-12 | ガス検知素子 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3171774B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3518800B2 (ja) * | 1999-12-16 | 2004-04-12 | フィガロ技研株式会社 | ガスセンサ及びガス検出装置 |
-
1995
- 1995-10-12 JP JP26379995A patent/JP3171774B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH09105731A (ja) | 1997-04-22 |
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