JPH026736A - 電気化学式センサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

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センサに関する。

〔従来の技術〕

大気中に含まれるガス、例えば、−酸化炭素（ＣＯ）、
水素、アルコール等を検出するために電気化学式ガスセ
ンサが使われている。このガスセンサは、作用極、参照
極、対極の３つの電極が電解質に接触するようにして設
けられ、同作用極に所定の電位がかかるようになってお
り、作用極と対極の間に流れる電流を測定し被検ガスの
検出をおこなうようになっている。電解質として液体電
解質が用いられているものが多いが、固体電解質が用い
られているもの（特開昭５３−１１５２９３号参照）も
ある。いずれにせよ、電気化学式ガスセンサは、システ
ムが比較的簡単であり、ガスの定量性にも優れている等
の利点がある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、従来の電気化学式ガスセンサは、選択的
ガス検出が困難であるという問題がある。例えば、人に
有害なＣＯを検出しようとした場合、水素やアルコール
が含まれていると、これらも同時に検出する。有害なＣ
Ｏの検出により警報を発するようにしようとしても、例
えば、酒等に含まれる無害なアルコールの検出により誤
報が発せられてしまう。ＣＯが検出されるように設定さ
れた電位（酸化電位）では、アルコールや水素も反応し
てしまうのである。

この発明は、上記事情に鑑み、選択的検出に適した電気
化学式センサを提供することを課題とする。

〔課題を解決するための手段〕

前記課題を解決するため、この発明の電気化学式センサ
では、作用極にかかる電位が、酸素による反応の起こる
領域の電位となるようにしている〔作　　　用〕 作用をガスセンサの場合を例にとって説明する作用極に
かかる電位が、酸素による反応（還元反応）の起こる領
域の電位であると、第３図（ａ）にみるように、作用極
Ｅ表面に吸着した空気中や電解質中の酸素（０゜）が、
下記反応式（１）の還元反応に従って還元され、第４図
に示すように、作用極一対極間には、電流（還元電流）
■、が流れるＱ□＋４　Ｈ”　＋　４．　ｅ−＋２８２
０　・（１）この状態で、例えば、ＣＯがくると、第３
図（ｂｌにみるように、ＣＯが作用極Ｅ表面に強く吸着
して酸素の反応サイトを塞いでしまう。そのため、酸素
による還元電流は減少し、第４図に示すように、作用極
一対極間には電流Ｉ２が流れることとなる。

さらに、ＣＯ濃度が高くなると、吸着するＣＯＯ量が増
えて５１１反応サイトが増々少なくなる。反応サイトの
数と還元電流は比例関係にあるため、作用極一対極間に
は、より低い電流１．、Ｉ４が流れるようになる。

一方、アルコールや水素は、ＣＯのように作用極表面に
強く吸着するという性質を有しない。そのため、これら
のガスがきても、酸素の還元電流は実質的に変化しない
。つまり、ＣＯは還元電流を減少（変化）させるが、ア
ルコールや水素は還元電流を減少・増加（変化）させた
りしないのである。

したがって、アルコールや水素が共存するような場合で
も、これらに妨害されることなく、還元電流の減少変化
からＣＯのみを選択的に検出することができるのである
。

また、ＣＯの吸着量と還元電流の減少量は比例関係にあ
る。一方、ＣＯの吸着量は吸着等温式に依存し、この式
でＣＯａ度と吸着量が関係付けられる。したがって、セ
ンサに接触するＣＯ濃度と還元電流の減少量が関係付け
られることになり、そのため、ＣＯの定量検出もできる
。

〔実　施　例〕

以下、この発明にかかる電気化学式センサを、その−例
をあられす図面を参照しながら詳しく説明する。

第１図は、この発明にがかるセンサの一実施例の電気化
学式ガスセンサの概略構成をあられし、第２図（ａｌ、
（ｂｌは、このガスセンサのセンサ部をあられす。

センサ部１の構成から先に説明する。第２図（ａ）、（
ｂ）にみるように、Ｐｔ製対極３、Ｐｔ製作用極２とＡ
ｌｌ製参照極４が、対極３と作用極２の間に参照極４が
位置するようにしてアルミナ製の絶縁基板（ｌ　Ｑｍｍ
Ｘ　１０ｗｍ）　　５の片面に設けられている。対極３
と作用極２の間隔は、１μｍ以上、例えば、１００μｍ
〜３１１程度の範囲である。各電極２．３．４は、スパ
ンタリング法や真空蒸着法により形成されている。

絶縁基板５の上面には、有機ポリマー等の絶縁性の材料
からなる四角形のフレーム６が各電極の先端部２ａ、３
ａ、４ａを囲むようにして固定されている。フレーム６
の内にはイオン伝導性の高分子固体電解質層７が電極２
．３．４の間を埋めるようにして設けられている。各電
極の先端部２ａ、３ａ、４ａがフレーム６の内側で高分
子固体電解質層７に接触している。高分子固体電解質層
７は、例えば、スルホン化パーフルオロカーボン（例え
ば、デュポン社のＮＡＦＩ○Ｎの商標名で知られる）で
形成され、その厚みは、例えば、１〜２０μｍ程度であ
り、被検ガスの透過性を良くする場合には１〜５μｍ程
度とされる。各電極の基部２ｂ、３ｂ、４ｂの後端は露
出しており、この露出部分にリード線が接続される。高
分子固体電解質層７は、スルホン化パーフルオロカーボ
ンをアルコールに熔解したものを、ソリューション・キ
ャスト法で塗布し乾燥させることで形成される。

なお、上記センサ部１は、各電極が基板の同じ面に配設
された所謂プレーナ型である。そのため、半導体装置製
造で用いられるマイクロ加工技術を適用しやすい構造で
あり、小型化に適し、生産性もよい。

一方、各電極２．３．４は、ポテンショスタンド１１に
接続されている。ポテンショスタット１１は、作用極２
に参照極４を基準として酸素による還元反応の起こる領
域の電位（酸素の還元電位以下の電位）を与え、他方、
作用極２で起こる被検ガスの反応に伴い流れる電極電流
に対応する測定信号を記録部１２に出力する。

続いて、この電気化学式ガスセンサの動作を説明する。

作用極２の電位を−０，２Ｖとしておいて、ＣＯ、エタ
ノールおよび、水素を、含有量を変えて測定した。ＣＯ
は１００〜２０００ｐｐ川、エタノールは５００〜５０
００ｐｐｍ、水素は５００〜５０００ｐｐｍの範囲とし
た。結果を第５図に示す。

第５図では、横軸が、各ガスの濃度であり、縦軸が、酸
素の還元電流（ブランク電流）のガス接触時の電流変化
（−ΔＩ）であり、曲線ａがＣＯの場合を、曲線すがエ
タノールの場合を、曲線Ｃが水素の場合をそれぞれ示し
ている。

第５図にみるように１１００ｐｐのＣＯが、５０倍の濃
度のエタノールおよび水素に妨害されることなく、選択
的に検出できることが分かる。

この発明は上記の実施例に限らない。高分子固体電解質
層を、ポリスチレンスルホン酸、ポリエチレンスルホン
酸、ポリビニルスルホン酸のそれぞれを用いるようにし
た他は、先の実施例と同一の３種の電気化学式ガスセン
サを作成し、それぞれの特性を調べた。先の実施例と略
同じ性能であった。

さらに、対極３′、作用極２′および参照極４′が、第
６図ｆａ）〜ｆｃｌにみるように、ナフィオン等の高分
子固体電解質層７′の両面にわたって無電解メツキ法に
より形成された電気化学式ガスセンサでも、上記実施例
と同様、選択性のあることが確認できた。

選択検出における対象ガスの種類も、上記例示のものに
限らない。酸素の還元反応を阻止しないガスに還元反応
を阻止するガスが共存していれば、後者を選択的に検出
できる。

固体電解質として、リン酸ジルコニウム、アンチモン酸
等が使われてもよく、さらに、電解質として液体電解質
が使われてもよい。

センサが、ガスセンサでなく、イオンセンサやバイオセ
ンサ等のように液体中の成分を検出するものであっても
よい。

〔発明の効果〕

以上述べたように、この発明の電気化学式センサでは、
作用極の電位が酸素の反応領域の電位になっているため
、被検物質の作用極表面への吸着性の差を利用して効果
的な選択的物質検出を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １　作用極、参照極、対極の３つの電極が電解質に接触
   するようにして設けられ、同作用極に所定の電位がかか
   るようになっており、作用極と対極の間に流れる電流を
   測定し被検物質の検出をおこなう電気化学式センサにお
   いて、前記作用極にかかる電位が、酸素による反応の起
   こる領域の電位であることを特徴とする電気化学式セン
   サ。