JPH03195964A

JPH03195964A - 電気化学式ガスセンサ素子

Info

Publication number: JPH03195964A
Application number: JP1337713A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Inoue; 孝啓井上; Ayumi Yasuda; 歩安田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 1989-12-25
Filing date: 1989-12-25
Publication date: 1991-08-27

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、電気化学式ガスセンサ素子に関し、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
ガスセンサを構成するための素子に関するものである。

〔従来の技術〕

電気化学反応を利用したガスセンサ素子は、基本的には
、複数の電極とその電極間のイオン伝導を媒介する電解
質から構成されている。環境中にガスが存在すると、こ
のガスが電極上で電気化学反応を起こすことによって電
極間に電流が流れるこの電流を測定して、ガスの存在を
検知するのである。

電解質としては、従来、硫酸等の液体電解質が用いられ
ていたが、このような液体電解質を用いた場合、電解質
濃度の変化を防ぐことが困難であり、小型で、しかも長
期的に安定な素子を得るのが難しいといった欠点があっ
た。

そこで、液体電解質の代わりに、高分子固体電解質を用
いてイオン伝導を行わせるセンサの開発が進められてい
る。高分子固体電解質としては、スルホン化パーフルオ
ロカーボン等のプロトン伝導体が使用される。このよう
な高分子固体電解質を用いたガスセンサ素子は、素子の
小型化やメインテナンスフリー化の実現が期待されてい
る。

さらに、本願発明者らは、絶縁基板の同一面上に、必要
な電極を並べて設けておき、その上を前記固体高分子電
解質で覆った、いわゆるプレーナ型構造のガスセンサ素
子を開発し、先に特願昭６３−４２８４１号等で特許出
願している。このような構造のガスセンサ素子は、半導
体や印刷配線回路の製造技術あるいは薄膜形成技術を適
用して製造することができ、素子の微細化や生産性の向
上を図ることができ、実用性に優れたものとなる〔課題
を解決するための手段〕上記のように、高分子固体電解質層で各電極を覆った構
造のガスセンサ素子では、環境中のガス分子が高分子固
体電解質を透過して電極に到達しなければ、電気化学反
応が起こらず、ガスの検出ができない。したがっ“ζ、
素子の応答速度もしくはガス感度を向上させるには、高
分子固体電解質層の厚みが出来るだけ薄いほうが望まし
いことになる。ところが、高分子固体電解質層の厚みが
薄くなると、製造技術上、均一な層を作るのが困難にな
ったり、電解質層のインピーダンスが増大して、却って
素子感度が低下してしまうという問題があった。

そこで、この発明は、前記したような高分子固体電解質
層を用いたプレーナ型のガスセンサ素子において、固体
電解質層の材料自体のガス透過率を高めることによって
、素子の応答速度を向」ニさせると同時に、厚みの減少
によるインピーダンスの上昇を防ぎ、製造も容易で素子
感度の高い電気化学式ガスセンサ素子を提供することに
ある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決する、この発明にかかる電気化学式ガス
センサ素子は、絶縁基板の同一面上に作用電極、対極お
よび参照電極が設けられ、各種およびその間を覆って固
体電解質層が設けられた電気化学式ガスセンサ素子にお
いて、固体電解Ｉｆｉ、層が、固体電解質となる高分子
にポリシロキサンまたはその誘導体を含むものからなる
。

絶縁基板や各種の構造は、通常の電気化学式センサ素子
と同様のものでよい。固体電解質層を構成する固体電解
質としては、通常の電気化学式ガスセンサ素子に用いら
れているのと同様の高分子からなるプロトン伝導体が使
用される。具体的には、ポリスチレンスルホネートポリ
マー、スルホン化パーフルオロカーボン、カルボキシル
化パーフルオロカーボン等が挙げられる。このうち、ス
ルホン化パーフルオロカーボンは、溶媒に可溶であるた
め成膜性がよいこと、プロトン解離度が大きいのでブロ
ー・ン伝専性がよいこと等の点で好ましいものである。

この発明では、固体電解質とし°ζ、上記のような高分
子にポリシロキサンまたはその誘導体を含むものを用い
る。ポリシロキサンは、いわゆるキロキサン結合を有す
る高分子化合物であり、下式％式％Ｒ，＝メチル基、エチル基、フェニル基、ビニル基、フ
ルオロ基その他の無機および有機基ポリシロキサンまたはその誘導体としては、前記固体電
解質を構成する高分子の溶媒、例えばアルコールに溶解
するものを用いる。

このような成分を含む高分子固体電解質を用い、各種お
よびその間を覆って固体電解質層を設けるには、通常ｄ
電気化学式ガスセンサの製造と同様の手段が採用される
。例えば、固体電解質を構成する高分子およびポリシロ
キサンまたはその誘導体を、適当な溶媒に溶解して、い
わゆるキャスティングにより、所定の厚みを有する固体
電解質層を形成することができる。

固体電解質層の厚みは、通常の電気化学式ガスセンサと
同じ程度かより厚く形成することができる。すなわち、
この発明で用いる固体電解質層は、固体電解質層の厚み
が厚くても良好な応答速度が得られるのである。固体電
解質層の厚みが分厚い程、製造が容易になるとともにイ
ンピーダンスが低くなるので、このような条件を考慮し
て、固体電解質層の厚みを決定する。具体的には、使用
条件等によっても異なるが、通常、１０〜５０μｍ程度
が好ましい。

〔作　　用〕

ポリシロキサンまたはその誘導体は、ガス透過性に優れ
ているという性質を有している。したがって、このよう
なポリシロキサンまたはその誘導体が固体電解質を構成
する高分子に含まれていれば、固体電解質層のガス透過
性が向上する。固体電解質層のガス透過性が高ければ、
センサの応答速度が良好になりガス感度が向上する。ま
た、固体電解質層の厚みが増えてもセンサの応答速度が
低下しないので、固体電解質層の厚みを増やすことがで
きる。固体電解質層の厚みが増えれば、均一な膜を容易
に形成できるので製造が簡単になるとともに、インピー
ダンスが小さくなる。以上の結果、センサ素子の感度が
向上する。

〔実　施　例〕

ついで、この発明の実施例について、図を参照しながら
以下に説明する。

第１図および第２図に示すように、絶縁基板１０の表面
に、白金や金等からなる電極、すなわち短冊状の作用極
２０、対極３０および参照極４０が並んで形成されてい
る。電極材料は、上記以外にも、金属または非金属から
なる通常の電極材料が使用できる。各種２０・・・の形
状や配置は、通常の電気化学式ガスセンサと同様の各種
構造に変更することもできる。

各種２０・・・の上およびその間を覆って、固体電解質
層５０が形成されている。固体電解質層５０の材料は、
前記したように、スルホン化パーフルオロカーボン等の
高分子電解質材料に、ポリジメチルシロキサン等のシロ
キサンまたはその誘導体をブレンドしたものが用いられ
る。スルホン化パーフルオロカーボンを用いる場合、そ
の溶媒であるアルコールにスルホン化パーフルオロカー
ボンおよびポリジメチルシロキサン等を熔解した混合溶
液を製造し、この溶液を各種２０・・・の上にキャステ
ィングする。

固体電解質層５０は、各種２０・・・のほぼ全体を覆っ
ているが、各種２０・・・の一部は固体電解質層５０の
外まで延長されて、外部回路との接続用端子部２２，３
２．４２となっている。

つぎに、上記のような構造を有するガスセンサ素子の具
体的実施例について詳しく説明する。

実施例１シリコン基板からなる絶縁基板１０上に、白金からなる
作用極２０．対極３０、および１、金からなる参照極４
０を、それぞれスパツタリングで形成した。つぎに、こ
れらの電極２０・・・全体を覆うとともに、端子部２２
・・・のみは露出するようにして、電解質溶液をキャス
ティングし、固体電解質層５０を形成した。電解質溶液
としては、スルホン化パーフルオロカーボン５重量％、
ポリジメチルシロキサン０．５重量％を含むＤＭＦ溶液
を用いた。

このようにして製造されたセンサ素子の性能を確認する
ために、ＣＯガスに対するガス感度を測定した。第３図
に試験装置を示している。測定用チェンバー９０内に、
製造されたセンサ素子を置く。各種２０・・・の端子部
２２・・・はリード線９１につなぎ、リード線９１はポ
テンショスタット９２に接続した。ポテンショスタット
９２にはレコーダ９３が接続されている。

上記のような装置を用い、作用極２０と参照極４０の間
の印加電圧を０．４５　Ｖに保った。チェンバー９０内
の雰囲気を、空気のみの状態からＣＯガスを１０００ｐ
ｐａ＋含む空気に置き換え、作用極２０と対極３０の間
に流れる出力電流の変化を測定した。なお、比較のため
、固体電解質層５０にポリジメチルシロキサンを含まな
い従来構造のガスセンサ素子も製造し、同様の測定を行
った。

第４図は、上記試験の結果を示している。時間軸の０点
が、ＣＯガスを含む雰囲気に置き換えた時点を示してい
る。出力電流の高さがＣＯガスに対する感度を示す。グ
ラフから明らかなように、この発明の実施例の場合、比
較例に比べてはるかに出力電流が大きく、したがってガ
ス感度が高いと言える。この結果から、固体電解質［５
０にポリシロキサンを含む、この発明のガスセンサ素子
は、従来のものに比べて、ガス感度を大幅に向上させ得
ることが実証された。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、この発明にかかる電気化学式ガス
センサ素子は、固体電解質層に、ガス透過性に優れたポ
リシロキサンまたはその誘導体を含んでいることにより
、ガス感度を大幅に向上させることができる。ガス感度
が高ければ、高精度なガス検出および定量が可能になり
、ガスセンサの用途もしくは需要の拡大に大きく貢献す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示す断面図、第２図は平面
図、第３図はガス感度の測定装置を示す概略構成図、第
４図は測定結果を示すグラフ図である。１０・・・絶縁基板　２０．３０．４０・・・電極５０
・・・固体電解質層第図第２図５００

Claims

【特許請求の範囲】

１　絶縁基板の同一面上に作用極、対極および参照電極
が設けられ、各極およびその間を覆って固体電解質層が
設けられた電気化学式ガスセンサ素子において、固体電
解質層が、固体電解質となる高分子にポリシロキサンま
たはその誘導体を含むものからなることを特徴とする電
気化学式ガスセンサ素子。