JP2856970B2 - Gas detection element - Google Patents
Gas detection elementInfo
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- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明はガス検出素子、詳しくは
ファイバー形状の多結晶性酸化スズからなるガス検出素
子に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a gas detection element, and more particularly to a gas detection element made of fiber-shaped polycrystalline tin oxide.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、大気中のガス成分を検出するため
のセンサとして、一般に半導体型ガスセンサが多く用い
られている。このセンサにおいて実際にガスの検出部で
ある検出素子として酸化スズ、酸化亜鉛、酸化鉄等の金
属酸化物半導体が使用されている。すなわち、かかるガ
スセンサは、ガス検出素子に一対の電極を接続し、該ガ
ス検出素子がガスを吸着したときに起こる抵抗の変化を
測定してガスを検出している。2. Description of the Related Art Conventionally, semiconductor type gas sensors have been widely used as sensors for detecting gas components in the atmosphere. In this sensor, a metal oxide semiconductor such as tin oxide, zinc oxide, or iron oxide is used as a detection element which is a gas detection unit. That is, such a gas sensor detects a gas by connecting a pair of electrodes to a gas detection element and measuring a change in resistance that occurs when the gas detection element adsorbs the gas.
【0003】ところがこれらの材料は焼結体の形で用い
られており、検出感度が低い、あるいは応答速度が遅い
といった問題があった。このため、酸化物半導体に貴金
属等の触媒を添加したりすることによって感度、応答速
度を改良すことが試みられている。しかしながら、その
改良は満足すべきものではなく、従来の方法の延長では
おのずと限界があった。このため、新たな方法として焼
結体に代わって、薄膜型の素子を用いることが精力的に
検討されている。ところが、多くの研究にもかかわらず
耐久性が低いといった重大な問題を依然として解決する
ことができず、焼結型に置き代わるには至っていない。
又、従来のファイバー型の検出素子は、白金線のような
金属線を芯にしてその周囲に酸化物を付着させたもので
ある。この方法で作製された検出素子は、一般に直径が
大きくなり、感度や応答速度が低いという問題があっ
た。However, these materials are used in the form of a sintered body, and have a problem that detection sensitivity is low or response speed is low. For this reason, attempts have been made to improve sensitivity and response speed by adding a catalyst such as a noble metal to an oxide semiconductor. However, the improvement was not satisfactory, and there was a natural limitation in extending the conventional method. For this reason, the use of a thin film element instead of a sintered body as a new method has been energetically studied. However, despite the many studies, a serious problem such as low durability has not been solved yet, and it has not been replaced with a sintered mold.
Further, the conventional fiber type detection element has a metal wire such as a platinum wire as a core and an oxide attached around the core. The detection element manufactured by this method generally has a problem that the diameter is large and the sensitivity and the response speed are low.
【0004】一方、従来の固相反応法では、多結晶性の
酸化スズファイバ−を製造することは困難であった。酸
化スズファイバーの製造法としては、特開昭60−54
997号、特開昭60−161337号、特開昭62ー
158199号において、溶融析出法によって製造する
方法が提案されているだけである。しかしながら、これ
らの方法では1000℃以上の高温、及び何日にもわた
る反応時間を必要とし、実際上、入手することが不可能
であった。しかも得られる酸化スズファイバーの形状が
直径1μm以下、長さが3mmと限られていた上に、得
られるファイバーはウイスカーである場合が多く、抵抗
変化でガス濃度を検出する半導体材料としては一般に感
度が低い傾向にある。また、感度等を改善するために貴
金属等の触媒を添加することが考えられるが、該製造法
では、酸化スズと融点の異なる触媒の添加量を微妙に調
整して含有させることは困難であった。これは、触媒の
微妙な添加量によってガス選択性が大きく変化してしま
う半導体型ガスセンサにとっては致命的な欠点である。On the other hand, it has been difficult to produce a polycrystalline tin oxide fiber by the conventional solid-state reaction method. Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-54 discloses a method for producing tin oxide fiber.
No. 997, JP-A-60-161337 and JP-A-62-158199 only propose a method of producing by a melt deposition method. However, these methods require a high temperature of 1000 ° C. or more and a reaction time of many days, and are practically impossible to obtain. In addition, the shape of the obtained tin oxide fiber is limited to 1 μm or less in diameter and 3 mm in length. In addition, the obtained fiber is often a whisker, and is generally sensitive as a semiconductor material for detecting gas concentration by resistance change. Tend to be low. In order to improve sensitivity and the like, it is conceivable to add a catalyst such as a noble metal. However, it is difficult to finely adjust the amount of a catalyst having a melting point different from that of tin oxide in the production method. Was. This is a fatal drawback for a semiconductor gas sensor in which gas selectivity greatly changes depending on a delicate amount of catalyst added.
【0005】[0005]
【発明が解決しようとする課題】そこで、本発明者らは
感度が高くしかも応答速度の速いガス検出素子の創製に
ついて鋭意研究を重ねた。Accordingly, the present inventors have conducted intensive research on the creation of a gas detection element having high sensitivity and high response speed.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】その結果、これまで用い
られてきた焼結体に代わって、ファイバー形状の多結晶
性酸化スズを用いることにより、ガス感度および応答速
度が向上することを見いだし、ここに本発明を完成する
に至った。As a result, it has been found that the gas sensitivity and the response speed are improved by using fiber-shaped polycrystalline tin oxide instead of the sintered body used so far. Here, the present invention has been completed.
【0007】即ち、本発明は、多結晶性酸化スズファイ
バーからなることを特徴とするガス検出素子である。That is, the present invention is a gas detecting element comprising a polycrystalline tin oxide fiber.
【0008】本発明を更に具体的に説明する。The present invention will be described more specifically.
【0009】本発明の検出素子は、ファイバー形状の多
結晶性酸化スズからなることを必須とする。酸化物を用
いたガスの検出は、ガスが吸着することによる酸化物の
抵抗変化の形で行われる。この抵抗変化は酸化物の粒界
が大きく寄与しているといわれている。したがって、ウ
イスカーのような単結晶に近いものでは粒界がないか、
あるいはあってもその数が少ないため感度が低く、酸化
スズは多結晶であることが必要である。The detection element of the present invention is required to be made of fiber-shaped polycrystalline tin oxide. Detection of a gas using an oxide is performed in the form of a change in resistance of the oxide due to adsorption of the gas. It is said that this resistance change is greatly contributed by the grain boundaries of the oxide. Therefore, if it is close to a single crystal like a whisker, there is no grain boundary,
Alternatively, the sensitivity is low because the number is small, and the tin oxide needs to be polycrystalline.
【0010】ファイバーの形状としては、直径が1mm
以下、好ましくは500μm以下、特に好ましくは80
μm以下のものが使用される。直径が1mmよりも大き
いと焼結体と同等の性能しか得られない。即ち、ファイ
バーの直径が小さいほど感度が上昇し、応答速度が速く
なる傾向がみられる。ファイバー直径の下限は、特に制
限されないが、作製の容易さから考えて、0.1μm以
上が好ましい。ファイバーの長さは、特に制限されない
が、ガス検出素子の大きさから考えて、2cm以下が好
ましく、下限は、ファイバーの直径をD、長さをLとす
ると、L/Dが20以上となるように選ぶのが好まし
い。The shape of the fiber is 1 mm in diameter.
Or less, preferably 500 μm or less, particularly preferably 80 μm or less.
μm or less is used. When the diameter is larger than 1 mm, only performance equivalent to that of the sintered body can be obtained. That is, the smaller the diameter of the fiber, the higher the sensitivity and the higher the response speed. The lower limit of the fiber diameter is not particularly limited, but is preferably 0.1 μm or more from the viewpoint of ease of production. The length of the fiber is not particularly limited, but is preferably 2 cm or less in view of the size of the gas detection element. The lower limit is L / D of 20 or more, where D is the diameter of the fiber and L is the length. It is preferable to select as follows.
【0011】本発明のガス検出素子において、多結晶性
酸化スズファイバーの機械的強度を高めるために、ファ
イバーの一部を他の材料でコーティングする等の方法を
用いてもよい。In the gas detecting element of the present invention, in order to increase the mechanical strength of the polycrystalline tin oxide fiber, a method of coating a part of the fiber with another material may be used.
【0012】本発明の多結晶性酸化スズファイバーから
なるガス検出素子は、一般に、図1〜図4に示すよう
に、該ファイバーの両端にリード線を導電ペーストで接
続して絶縁性基板よりなる支持台の上に固定する構造で
使用される。A gas detecting element comprising a polycrystalline tin oxide fiber according to the present invention is generally formed of an insulating substrate by connecting lead wires to both ends of the fiber with a conductive paste as shown in FIGS. Used in a structure that is fixed on a support base.
【0013】このガス検出素子としては、多結晶性酸化
スズファイバーを、図1に示すように1本を単独で用い
てもよく、図2のように複数を両端以外では接触させな
いように用いてもよく、図3に示すように複数を束ねて
用いてもよい。かかる選択は、用いるファイバーの抵抗
値、あるいは形状に依存する。即ち、抵抗値が大きいフ
ァイバー、あるいは直径が小さく、且つ長さの大きなフ
ァイバーを単独で用いると抵抗が非常に大きくなり、検
出回路とのマッチングが難しくなるので、この場合には
複数のファイバーを使用するのがよい。また、ファイバ
ーの直径が小さいほど感度が上昇する傾向がみられる
が、直径が小さくなると抵抗が大きくなるため、多数の
ファイバーを使用することが好ましい。また、図4に示
すように単独のファイバーを複数配置して各々独立した
検出回路で信号処理を行ってもよい。また、図2、図
3、図4において、以下に示す触媒を種々選択するによ
り、各々のファイバーのガス検出特性を変化させたもの
を組み合わせて用いることも有効である。As the gas detecting element, one polycrystalline tin oxide fiber may be used alone as shown in FIG. 1, or a plurality of polycrystalline tin oxide fibers may be used so as not to be in contact with each other except at both ends as shown in FIG. Alternatively, a plurality may be bundled and used as shown in FIG. Such a choice depends on the resistance value or shape of the fiber used. That is, if a fiber having a large resistance value or a fiber having a small diameter and a large length is used alone, the resistance becomes extremely large, and matching with the detection circuit becomes difficult. In this case, a plurality of fibers are used. Good to do. Also, the smaller the diameter of the fiber, the higher the sensitivity tends to be. However, the smaller the diameter, the higher the resistance. Therefore, it is preferable to use a large number of fibers. Further, as shown in FIG. 4, a plurality of single fibers may be arranged and signal processing may be performed by independent detection circuits. In FIGS. 2, 3 and 4, it is also effective to use various catalysts having different gas detection characteristics by selecting various catalysts shown below.
【0014】上記多結晶性酸化スズファイバーにおい
て、ガスの選択性、感度をより高めるために白金、パラ
ジウム、金、銀、ロジウム、イリジウム、アンチモン、
バナジウム、タンタル、ニオブ、ビスマス等の金属また
はその金属酸化物(触媒)を単独あるいは複数含有させ
ることも効果的である。この触媒の種類、添加量は検出
したいガスの種類に応じて適宜決定すればよく、通常
は、得られる酸化スズに対して0.1〜30モル含有さ
せる。In the above-mentioned polycrystalline tin oxide fiber, platinum, palladium, gold, silver, rhodium, iridium, antimony,
It is also effective to include a metal such as vanadium, tantalum, niobium, bismuth, or a metal oxide (catalyst) alone or in combination. The type and amount of the catalyst may be appropriately determined according to the type of gas to be detected, and usually, 0.1 to 30 mol is contained in the obtained tin oxide.
【0015】更に、ファイバーの機械的強度を高めるた
めにシリカおよび/またはアルミナを含有させるのも好
ましい。Further, it is preferable to include silica and / or alumina to increase the mechanical strength of the fiber.
【0016】次に、本発明で用いる多結晶性酸化スズフ
ァイバーの代表的な製造方法を説明する。Next, a typical method for producing a polycrystalline tin oxide fiber used in the present invention will be described.
【0017】一般式ROH(式中、Rは非置換または置
換アルキル基、非置換または置換アルケニル基、もしく
は非置換または置換アリ−ル基を示す)で表わされるア
ルコ−ルに、一般式SnXa・bH2O (式中、Xは
Cl原子、Br原子、I原子、F原子、OH基、SO4
基、NO3基またはCH3COO基を示し、aは1〜4の
整数を、bは0〜6の整数を示す)で表されるスズ化合
物が溶解されてなる紡糸液を紡糸し、ついで加熱処理す
ることにより得られる。An alcohol represented by the general formula ROH (wherein R represents an unsubstituted or substituted alkyl group, an unsubstituted or substituted alkenyl group, or an unsubstituted or substituted aryl group) is added to an alcohol represented by the general formula SnXa. bH 2 O (wherein X is Cl atom, Br atom, I atom, F atom, OH group, SO 4
Group, an NO 3 group or CH 3 COO radical, a represents an integer of 1 to 4, b is spun spinning dope tin compound is formed by dissolving represented by an integer from 0 to 6), followed Obtained by heat treatment.
【0018】一般式ROHで表わされるアルコ−ルにお
いて、Rはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル
基、オクチル基等の非置換アルキル基、2ーメトキシエ
チル基、2ーエトキシエチル基、2ーヒドロキシエチル
基、1ーメトキシー2ープロピル基、メトキシエトキシ
エチル基、2ーフェニルエチル基、フェニルメチル基等
の置換アルキル基、アリル基等の非置換アルケニル基、
2ーメチルー2ープロペニル基、3ーメチルー3ーブテ
ニル基等の置換アルケニル基、フェニル基等の非置換ア
リ−ル基、またはメトキシフェニル基、エトキシフェニ
ル基、メチルフェニル基、エチルフェニル基等の置換ア
リール基を示す。In the alcohol represented by the general formula ROH, R represents an unsubstituted alkyl group such as methyl group, ethyl group, propyl group, butyl group, octyl group, 2-methoxyethyl group, 2-ethoxyethyl group, 2-hydroxyethyl group. 1-methoxy-2-propyl group, methoxyethoxyethyl group, 2-phenylethyl group, substituted alkyl group such as phenylmethyl group, unsubstituted alkenyl group such as allyl group,
A substituted alkenyl group such as a 2-methyl-2-propenyl group or a 3-methyl-3-butenyl group; an unsubstituted aryl group such as a phenyl group; or a substituted aryl group such as a methoxyphenyl group, an ethoxyphenyl group, a methylphenyl group or an ethylphenyl group. Show.
【0019】上記の置換アルキル基、置換アルケニル基
または置換アリール基における置換基の具体例として
は、上記したRの具体例に見られるメトキシ基、エトキ
シ基等のアルコキシル基、ヒドロキシル基、フェニル基
等のアリール基、メチル基、エチル基等のアルキル基の
他に、アミノ基、シアノ基、Cl原子、Br原子、I原
子、F原子等のハロゲン原子等が挙げられる。Specific examples of the substituent in the above-mentioned substituted alkyl group, substituted alkenyl group or substituted aryl group include alkoxyl groups such as methoxy group and ethoxy group, hydroxyl group, phenyl group, etc. And an alkyl group such as an aryl group, a methyl group, and an ethyl group, as well as a halogen atom such as an amino group, a cyano group, a Cl atom, a Br atom, an I atom, and an F atom.
【0020】これらアルコ−ルの具体例としてメチルア
ルコ−ル、エチルアルコ−ル、プロピルアルコ−ル、ブ
チルアルコ−ル、オクチルアルコール、2ーメトキシエ
タノール、2ーエトキシエタノール、エチレングリコー
ル、1ーメトキシー2ープロピルアルコール、メトキシ
エトキシエタノール、2ーフェニルエチルアルコール、
ベンジルアルコ−ル、アリルアルコール、2ーメチルー
2ープロペンー1ーオール、3ーメチルー3ーブテンー
1ーオール、フェノール、メトキシフェノール、エトキ
シフェノール、クレゾール、エチルフェノール等を挙げ
ることができる。 特に、メチルアルコール、エチルア
ルコールはスズ化合物の溶解度が高く好ましい。上記ア
ルコールは通常単独で用いられるが,スズ化合物との反
応性,あるいはスズ化合物の溶解性等を制御するために
2種類以上のアルコールの混合物を用いることもでき
る。Specific examples of these alcohols include methyl alcohol, ethyl alcohol, propyl alcohol, butyl alcohol, octyl alcohol, 2-methoxyethanol, 2-ethoxyethanol, ethylene glycol and 1-methoxy-2-propyl. Alcohol, methoxyethoxyethanol, 2-phenylethyl alcohol,
Benzyl alcohol, allyl alcohol, 2-methyl-2-propen-1-ol, 3-methyl-3-buten-1-ol, phenol, methoxyphenol, ethoxyphenol, cresol, ethylphenol and the like can be mentioned. In particular, methyl alcohol and ethyl alcohol are preferable because of high solubility of the tin compound. The above alcohol is usually used alone, but a mixture of two or more alcohols may be used to control the reactivity with the tin compound or the solubility of the tin compound.
【0021】また紡糸液の安定性を向上させるために、
アセチルアセトン、アセト酢酸エチル、マロン酸ジエチ
ル等のカルボニル基を2個以上有する化合物も補助的に
用いることができる。In order to improve the stability of the spinning solution,
Compounds having two or more carbonyl groups, such as acetylacetone, ethyl acetoacetate and diethyl malonate, can also be used as an auxiliary.
【0022】一般式SnXa・bH2Oで表わされるス
ズ化合物において、XはCl原子、Br原子、I原子、
F原子、OH基、SO4基、NO3基またはCH3COO
基を示し、aは1〜4の整数を、bは0〜6の整数を示
す。このなかでも塩化スズ、臭化スズが価格、安定性の
点から好ましい。具体的には、SnCl2、SnCl2・
2H20、SnBr2、SnI2、SnF2、SnSO4、
Sn(CH3COO)2、Sn(NO3)2等が挙げら
れ、特に、SnBr2、SnCl2・2H2O、SnC
l2、が好ましく用いられる。また上記スズ化合物を有
機化合物で修飾したもの、例えばSn(CH3)2Cl2等
も使用できる。In the tin compound represented by the general formula SnXa.bH 2 O, X represents Cl atom, Br atom, I atom,
F atom, OH group, SO 4 group, NO 3 group or CH 3 COO
A represents an integer of 1 to 4; b represents an integer of 0 to 6; Of these, tin chloride and tin bromide are preferred in terms of price and stability. Specifically, SnCl 2 , SnCl 2.
2H 20 , SnBr 2 , SnI 2 , SnF 2 , SnSO 4 ,
Sn (CH3COO) 2, Sn ( NO 3) 2 and the like, in particular, SnBr 2, SnCl 2 · 2H 2 O, SnC
l 2 is preferably used. Further, those obtained by modifying the above-mentioned tin compound with an organic compound, for example, Sn (CH 3 ) 2 Cl 2 and the like can also be used.
【0023】上記スズ化合物とアルコールの配合割合
は、スズ化合物がアルコ−ルに均一に溶解する範囲であ
れば、特に制限されない。ただし、あまりにスズ化合物
の割合が低い場合は曳糸性を示さないので濃縮する必要
があり、アルコ−ルが無駄になる。また、スズ化合物の
濃度があまりにも高いと沈澱が生じ均一な紡糸液が得ら
れない。従って、使用するスズ化合物とアルコ−ルの種
類によってその配合割合は異なるが、一般的にはアルコ
−ルに対するスズ化合物の使用割合はモル比で0.02
〜0.5が好ましい。The mixing ratio of the above-mentioned tin compound and alcohol is not particularly limited as long as the tin compound is uniformly dissolved in the alcohol. However, when the ratio of the tin compound is too low, the spinning property is not exhibited, so that it is necessary to concentrate the alcohol, and the alcohol is wasted. On the other hand, if the concentration of the tin compound is too high, precipitation occurs, and a uniform spinning solution cannot be obtained. Therefore, the mixing ratio varies depending on the type of the tin compound and the alcohol used. Generally, however, the molar ratio of the tin compound to the alcohol is 0.02.
~ 0.5 is preferred.
【0024】感度、ガス選択性、応答速度を向上させた
めに含有させる触媒は、予め前記紡糸液に下記する触媒
前駆体を溶液の形で添加しておくことが、均一な分散・
含有のために好ましい。該触媒前駆体は紡糸後の加熱処
理により金属または金属酸化物に変化し触媒作用を示す
ようになる。上記紡糸法による多結晶性酸化スズファイ
バーの製造方法は、これら触媒の含有量を微妙に制御で
き、しかも溶液の形で均一に添加できるため非常に有利
な方法である。具体的な触媒前駆体としては、VB
r3、VCl2、VCl3、VCl4、VOBr2、VOB
r3、VOCl3、VF3、VF4、VF5、VI36H
2O、バナジウムのアルコキシド、NbCl5、NbBr
5、NbF5、NbOCl3、ニオブのアルコキシド、T
aBr5、TaCl 5、タンタルのアルコキシド、SbC
l3、SbCl5、SbBr3、オキシ塩化アンチモン、
アンチモンのアルコキシド、BiCl3、BiI2、ビス
マスのアルコキシド、塩化白金酸、塩化パラジウム、塩
化金酸、塩化インジウム、硝酸銀、塩化ルテニウム、塩
化イリジウム、塩化ロジウム等が挙げられ、単独あるい
は複数前記紡糸液に添加する。Improved sensitivity, gas selectivity and response speed
The catalyst to be contained in the spinning solution is a catalyst described below in advance.
Precursors can be added in the form of a solution to ensure uniform dispersion and
Preferred for inclusion. The catalyst precursor is heated after spinning.
Changes into metal or metal oxide by catalysis and shows catalytic action
Become like Polycrystalline tin oxide by the above spinning method
The bar manufacturing method allows for the delicate control of the content of these catalysts.
Very advantageous because it can be added uniformly in the form of a solution
It is a way. As a specific catalyst precursor, VB
rThree, VClTwo, VClThree, VClFour, VOBrTwo, VOB
rThree, VOClThree, VFThree, VFFour, VFFive, VIThree6H
TwoO, vanadium alkoxide, NbClFive, NbBr
Five, NbFFive, NbOClThree, Niobium alkoxide, T
aBrFive, TaCl Five, Alkoxide of tantalum, SbC
lThree, SbClFive, SbBrThree, Antimony oxychloride,
Alkoxide of antimony, BiClThree, BiITwo,Screw
Mass alkoxide, chloroplatinic acid, palladium chloride, salt
Auric acid, indium chloride, silver nitrate, ruthenium chloride, salt
Iridium chloride, rhodium chloride, etc.
Are added to the spinning solution.
【0025】ファイバーの機械的強度を高めるために、
予め紡糸液中にシリカおよび/またはアルミナ前駆体を
添加することも好ましい。これらの前駆体も紡糸後の加
熱処理によりシリカおよび/またはアルミナになる。該
前駆体としては、シリコンアルコキシド、アルミニウム
アルコキシド、塩化アルミニウム、硝酸アルミニウム等
が挙げられる。In order to increase the mechanical strength of the fiber,
It is also preferable to add a silica and / or alumina precursor to the spinning solution in advance. These precursors also become silica and / or alumina by heat treatment after spinning. Examples of the precursor include silicon alkoxide, aluminum alkoxide, aluminum chloride, and aluminum nitrate.
【0026】シリコンアルコキシドとしては、一般式S
i(ORA)4、RBSi(ORA)3、RBRC(ORA)2
で表されるシリコンアルコキシドが用いられる。ここ
で、RA、RB、RCはアルキル基、アルケニル基、アリ
ール基を表す。アルキル基としては、メチル基、エチル
基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基等の直鎖状及び
分岐状アルキル基であり、アルケニル基としては、エテ
ニル基、プロペニル基、ブテニル基、ペンテニル基等の
直鎖状及び分岐状アルケニル基である。The silicon alkoxide is represented by the general formula S
i (OR A) 4, R B Si (OR A) 3, R B R C (OR A) 2
Is used. Here, R A , R B , and R C represent an alkyl group, an alkenyl group, and an aryl group. Examples of the alkyl group include linear and branched alkyl groups such as a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, and a pentyl group.Examples of the alkenyl group include an ethenyl group, a propenyl group, a butenyl group, and a pentenyl group. It is a linear or branched alkenyl group.
【0027】更に具体的に一部を例示すると、テトラメ
トキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキ
シシラン、テトラブトキシシラン、メチルトリメトキシ
シラン、エチルトリメトキシシラン、フェニルトリメト
キシシラン、プロピルトリメトキシシラン、n−ブチル
トリメトキシシラン、イソブチルトリメトキシラン、n
ーヘキシルトリメトキシシラン、n−オクタデシルトリ
メトキシシラン、メチルトリエトキシシラン、エチルト
リエトキシシラン、アミルトリエトキシシラン、フェニ
ルトリエトキシシラン、n−オクチルトリエトキシシラ
ン、n−オクタデシルトリエトキシシラン、n−ドデシ
ルトリエトキシシラン、メチルトリブトキシシラン、エ
チルトリブトキシシラン、エチルトリプロポキシシラ
ン、ビニルトリエトキシシラン、アリルトリエトキシシ
ラン、ジフェニルジメトキシシラン、ジメチルジエトキ
シシラン、ビニルメチルジエトキシシラン、ジエチルジ
メトキシシラン、エチルメチルジエトキシシラン等が挙
げられる。More specifically, a part thereof is exemplified by tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetrabutoxysilane, methyltrimethoxysilane, ethyltrimethoxysilane, phenyltrimethoxysilane, propyltrimethoxysilane, n -Butyltrimethoxysilane, isobutyltrimethoxysilane, n
-Hexyltrimethoxysilane, n-octadecyltrimethoxysilane, methyltriethoxysilane, ethyltriethoxysilane, amyltriethoxysilane, phenyltriethoxysilane, n-octyltriethoxysilane, n-octadecyltriethoxysilane, n-dodecyl Triethoxysilane, methyltributoxysilane, ethyltributoxysilane, ethyltripropoxysilane, vinyltriethoxysilane, allyltriethoxysilane, diphenyldimethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, vinylmethyldiethoxysilane, diethyldimethoxysilane, ethylmethyl Diethoxysilane and the like can be mentioned.
【0028】アルミニウムアルコキシドとしては、上記
のシリコンアルコキシドと同様のRA、RBで示す一般式
Al(ORA)3、RBAl(ORA)2で表されるアル
コキシドを用いることができる。As the aluminum alkoxide, alkoxides represented by the general formulas Al (OR A ) 3 and R B Al (OR A ) 2 represented by R A and R B similar to the above silicon alkoxides can be used.
【0029】上記のシリカおよび/またはアルミナ前駆
体の添加量は、前記スズ化合物に対して、0.01〜3
0重量%が好ましい。添加量が0.01重量%よりも少
ないと、充分な効果が得られず、また、20重量%を越
えると、得られる酸化スズファイバー中のシリカ、アル
ミナ成分が増加して、感度等が低下したりするので好ま
しくない。The addition amount of the silica and / or alumina precursor is 0.01 to 3 with respect to the tin compound.
0% by weight is preferred. If the amount is less than 0.01 wt%, sufficient effects can not be obtained, also when Ru 20 weight% Yue <br/> example, silica in tin oxide fibers obtainable, alumina component increases Therefore, the sensitivity and the like are undesirably reduced.
【0030】スズ化合物、触媒前駆体、並びにシリコン
アルコキシドおよび/またはアルミニウム化合物とアル
コールの溶解方法は、特に限定されず、攪はん下、スズ
化合物、触媒前駆体、並びにシリコンアルコキシドおよ
び/またはアルミニウム化合物の混合物にアルコ−ルを
滴下する方法、あるいは攪拌下、アルコールにスズ化合
物、触媒前駆体、シリコンアルコキシドおよび/または
アルミニウム化合物を、順次または同時に溶解させる方
法が採用される。The method for dissolving the tin compound, the catalyst precursor, and the silicon alkoxide and / or aluminum compound and the alcohol is not particularly limited, and the tin compound, the catalyst precursor, and the silicon alkoxide and / or aluminum compound are stirred. Or a method of sequentially or simultaneously dissolving a tin compound, a catalyst precursor, a silicon alkoxide and / or an aluminum compound in an alcohol with stirring.
【0031】また、塩酸、硝酸、酢酸等の酸、アセチル
アセトン等のカルボニル基を有する化合物、或いはアン
モニア等を錯化剤として適宜用いてもよい。An acid such as hydrochloric acid, nitric acid or acetic acid, a compound having a carbonyl group such as acetylacetone, or ammonia or the like may be appropriately used as a complexing agent.
【0032】紡糸方法は特に制限はなく、従来の紡糸方
法を用いることができる。例えば、紡糸ノズルから紡糸
液を押し出す方法等が挙げられる。得られるファイバー
の繊維長、及び直径等はは前記紡糸液の粘度あるいは紡
糸ノズルから紡糸液を押し出す速度等を調整することに
よって任意に制御することができる。The spinning method is not particularly limited, and a conventional spinning method can be used. For example, there is a method of extruding a spinning solution from a spinning nozzle. The fiber length, diameter, and the like of the obtained fiber can be arbitrarily controlled by adjusting the viscosity of the spinning solution or the speed of extruding the spinning solution from the spinning nozzle.
【0033】紡糸して得たゲルファイバーの加熱処理
は、ゲルファイバーを多結晶性酸化スズに変換できる温
度で行われる。紡糸液から紡糸したままのゲルファイバ
ーはそのままではアルコール等の有機物を含み、絶縁体
であり、半導体性はゲルファイバーを加熱処理すること
で発現する。該加熱処理温度は得られるファイバーに半
導体性を付与できる温度範囲内であれば特に限定されな
い。一般に、加熱処理温度が低い場合にはゲルファイバ
ー中にアルコールなどの有機物、あるいは水等が残存す
るため、また触媒前駆体等の成分が金属、あるいは酸化
物の形態にならず酸化スズと充分に固溶あるいは、分散
しないため感度の改善ができない。また加熱処理温度が
高すぎると、ファイバー中の触媒成分が揮散し性能が低
下する、酸化スズの分解が進行する、ファイバー中の結
晶粒が成長し過ぎ強度が低下するなどの問題点を生じ
る。従って、該加熱処理温度として250℃〜1550
℃の温度範囲が好ましい。さらに好適には、300℃〜
1500℃の温度で加熱処理することが望ましい。ま
た、加熱処理は通常空気中で行われるが、特に導電性の
高いファイバーを得たいときには、窒素、アルゴン、水
素、アルゴンと水素の混合ガスなどの還元性雰囲気下や
真空中で加熱処理を行うことができる。The heat treatment of the gel fiber obtained by spinning is performed at a temperature at which the gel fiber can be converted into polycrystalline tin oxide. The gel fiber as spun from the spinning solution contains an organic substance such as alcohol as it is, and is an insulator. The semiconductivity is manifested by heating the gel fiber. The heat treatment temperature is not particularly limited as long as it is within a temperature range where semiconductivity can be imparted to the obtained fiber. In general, when the heat treatment temperature is low, since organic substances such as alcohol, water, etc. remain in the gel fiber, the components such as the catalyst precursor do not become a metal or an oxide form and sufficiently cooperate with tin oxide. Sensitivity cannot be improved because of no solid solution or dispersion. On the other hand, if the heat treatment temperature is too high, the catalyst component in the fiber will volatilize and the performance will decrease, the decomposition of tin oxide will proceed, and the crystal grains in the fiber will grow too much and the strength will decrease. Therefore, the heat treatment temperature is 250 ° C. to 1550
A temperature range of ° C. is preferred. More preferably, 300 ° C.
It is desirable to perform the heat treatment at a temperature of 1500 ° C. The heat treatment is usually performed in air, but when it is desired to obtain a highly conductive fiber, the heat treatment is performed in a reducing atmosphere such as nitrogen, argon, hydrogen, a mixed gas of argon and hydrogen, or in a vacuum. be able to.
【0034】また、該加熱処理に際し、ゲルファイバー
中に存在する水、アルコール等の揮発成分を、乾燥によ
って除去することが良好な導電性ファイバーを得るため
に望ましい。かかる乾燥は、加熱処理と同時に行っても
良いが、加熱処理前に予め行う方が良好な導電性ファイ
バーを得るためには好ましい。これらの場合、乾燥温度
は得られるファイバーにクラックが発生することを防止
するために、出来るだけ低い温度で行うことが好ましい
が、溶媒に沸点の高いアルコールを用いた場合には、余
り低すぎると乾燥に長時間を要し、効果的でない。一般
的な乾燥温度は室温〜300℃の範囲とすることが好ま
しい。In the heat treatment, it is desirable to remove volatile components such as water and alcohol present in the gel fiber by drying to obtain a good conductive fiber. Such drying may be performed simultaneously with the heat treatment, but it is more preferable to perform the drying before the heat treatment in order to obtain a good conductive fiber. In these cases, the drying temperature is preferably performed at a temperature as low as possible in order to prevent occurrence of cracks in the obtained fiber.However, when an alcohol having a high boiling point is used as the solvent, it is too low. It takes a long time to dry and is not effective. A general drying temperature is preferably in the range of room temperature to 300 ° C.
【0035】本発明において、当該ガス検出素子を用い
たガス検出器は、公知の構造が特に制限なく採用でき
る。図5は、本発明のガス検出素子を用いたガス検知器
の代表的な態様を示す。即ち、絶縁性基板6よりなる支
持台にガス検出素子5を一部が露出するように設置し、
該検出素子には一対の電極7が接続される。また、検出
素子の温度を制御するために、ヒータ8が近傍に設置さ
れる。絶縁性基板6は、ガス検出素子5、ヒータ8、電
極7を支持、固定するためのものである。絶縁性基板6
の材質としては、絶縁性を有し、ヒータ8の加熱温度に
対して耐熱性のあるものであれば特に制限なく採用でき
る。かかる材質としてはアルミナ系の材質が一般に好ま
しい。また、ヒータ8はガス検出素子5を加熱してガス
選択性、応答速度を制御するためのものである。ヒータ
8はガス検出素子5の近傍に設置され、絶縁性基板を介
してガス検出素子5を加熱できるようにするのが好まし
い。また、ヒータの材質としては、通電により所定の温
度まで昇温でき、耐久性のあるものであれば特に制限さ
れない。一部例示すると、白金系、タングステン、酸化
ルテニウム、炭化ケイ素等が挙げられる。In the present invention, a known structure of the gas detector using the gas detecting element can be employed without any particular limitation. FIG. 5 shows a representative embodiment of a gas detector using the gas detection element of the present invention. That is, the gas detection element 5 is installed on a support base made of the insulating substrate 6 so that a part thereof is exposed,
A pair of electrodes 7 are connected to the detection element. Further, a heater 8 is installed in the vicinity to control the temperature of the detection element. The insulating substrate 6 supports and fixes the gas detection element 5, the heater 8, and the electrode 7. Insulating substrate 6
Any material may be used as long as it has an insulating property and has heat resistance to the heating temperature of the heater 8. As such a material, an alumina-based material is generally preferred. The heater 8 heats the gas detection element 5 to control gas selectivity and response speed. The heater 8 is preferably installed near the gas detection element 5 so that the gas detection element 5 can be heated via an insulating substrate. The material of the heater is not particularly limited as long as it can be heated to a predetermined temperature by energization and has durability. Some examples include platinum-based, tungsten, ruthenium oxide, and silicon carbide.
【0036】図6はガス検知器を組み込んだガス測定装
置の代表的な回路図を示す。即ち、ガス検知器10は電
極を介して回路用電源13および電圧計12と直列に接
続される。また、負荷抵抗11が並列に電圧計12と接
続される。ヒータ8はヒータ用電源9と接続される。FIG. 6 shows a typical circuit diagram of a gas measuring device incorporating a gas detector. That is, the gas detector 10 is connected in series with the circuit power supply 13 and the voltmeter 12 via the electrodes. Further, a load resistor 11 is connected to the voltmeter 12 in parallel. The heater 8 is connected to a heater power supply 9.
【0037】上記ガス測定装置により、ガス濃度の測定
は以下のように行うことができる。ヒータ8を作動させ
ガス検出素子5を室温から600℃の間の所定の温度に
なるように保持した状態でガス検出素子を被測定ガス中
に置き、そのときの電圧を電圧計12で測定する。この
とき、回路用電源13の電圧VC、負荷抵抗11の抵抗
RL、電圧計12で測定される出力電圧Vout、検出素子
の抵抗RSとの間には次式のような関係式があり、RSを
算出できる。The gas concentration can be measured by the above gas measuring device as follows. The heater 8 is operated, and the gas detection element 5 is placed in the gas to be measured with the gas detection element 5 held at a predetermined temperature between room temperature and 600 ° C., and the voltage at that time is measured by the voltmeter 12. . At this time, a relational expression such as the following expression is established between the voltage V C of the circuit power supply 13, the resistance R L of the load resistor 11, the output voltage V out measured by the voltmeter 12, and the resistance R S of the detection element. And R S can be calculated.
【0038】RS=RL(VCーVout)/Vout 本発明のガス検出素子は素子温度が一定の時、雰囲気中
のガス濃度に応じてある一定の抵抗を示すので、上記の
RSにより、予め作成した検量線を用いて、ガス濃度を
測定することができる。R S = R L (V C −V out ) / V out The gas detection element of the present invention exhibits a certain resistance according to the gas concentration in the atmosphere when the element temperature is constant. By using R S , the gas concentration can be measured using a calibration curve created in advance.
【0039】[0039]
【発明の効果】本発明は、従来の焼結体、あるいは薄膜
型とは異なった、ファイバー型の新規なガス検出素子を
提供するものである。このガス検出素子は、これまでの
焼結型に比べて高感度で且つ応答速度が速く、極めて優
れた素子である。The present invention provides a novel fiber type gas detection element different from the conventional sintered body or thin film type. This gas detection element is an extremely excellent element having higher sensitivity and faster response speed than the conventional sintered type.
【0040】[0040]
【実施例】本発明を以下実施例によって具体的に説明す
るが、本発明はこれらの実施例によって限定されるもの
ではない。EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
【0041】実施例1 塩化第一スズ(SnCl2)10g(0.05モル)、
塩化白金酸(H2PtCl6・6H2O)1.554g
(0.003モル)をメタノ−ル100ml(2.47
モル)に溶解させ均一な溶液を得た。この溶液を40℃
に保った乾燥器中に保持して溶液を濃縮し、高粘性のゾ
ルとした。このゾルを直径0.5mmのノズルから回転
紡糸することにより、長さ約1mのゲルファイバ−を紡
糸した。得られたファイバ−を室温で1日放置後、2 ℃
/minの速度で120℃まで昇温しその温度で30分
間保持した。その後10℃/minの速度で500℃ま
で昇温しその温度で30分間保持して加熱処理をおこな
った。得られたファイバは約15μmの直径を有し、X
線回折の結果、多結晶のSnO2であることが確認され
た。得られたファイバ−を200本重ねて、長さを7m
mに切断し両端に金ペーストを焼付け両極間の長さを5
mmにした。このガス検出素子を用いて図5に示すガス
検出器を作製し、図6に示すガス測定装置回路中に組み
込んだ。次いで検出素子の温度を25℃に保持してガス
検出器部分をボックス中に入れた後、ボックス中の濃度
が100ppmになるように一酸化炭素を注入し抵抗の
変化を調べた。その結果、一酸化炭素を注入したとこ
ろ、抵抗は110分の1に低下した。また、抵抗が99
分の1(90%変化)に減少するのに要した時間は、2
5秒であった。Example 1 Stannous chloride (SnCl 2 ) 10 g (0.05 mol)
Chloroplatinic acid (H 2 PtCl 6 · 6H 2 O) 1.554g
(0.003 mol) in 100 ml of methanol (2.47)
Mol) to obtain a homogeneous solution. This solution is at 40 ° C
The solution was concentrated by keeping the solution in a dryer kept at a pH of 2 to obtain a highly viscous sol. The sol was spin-spun from a nozzle having a diameter of 0.5 mm to spin a gel fiber having a length of about 1 m. After leaving the obtained fiber at room temperature for 1 day, 2 ° C
The temperature was raised to 120 ° C. at a rate of / min and maintained at that temperature for 30 minutes. Thereafter, the temperature was raised to 500 ° C. at a rate of 10 ° C./min, and the temperature was maintained for 30 minutes to perform a heat treatment. The resulting fiber has a diameter of about 15 μm and X
As a result of line diffraction, it was confirmed to be polycrystalline SnO 2 . 200 obtained fibers are piled up and the length is 7m
m and baking gold paste on both ends to reduce the length between the poles to 5
mm. A gas detector shown in FIG. 5 was manufactured using this gas detection element, and was incorporated in a gas measurement device circuit shown in FIG. Next, the temperature of the detection element was kept at 25 ° C., and the gas detector portion was put in the box. Then, carbon monoxide was injected so that the concentration in the box became 100 ppm, and the change in resistance was examined. As a result, when carbon monoxide was injected, the resistance was reduced to 1/110. Also, if the resistance is 99
The time it took to decrease by a factor of 1 (90% change) was 2
5 seconds.
【0042】比較例1 平均粒径1μmの酸化スズ粒子に塩化白金酸が6mol
%なるように添加し、エタノールを分散媒として乳鉢で
混合した。長さ5mm、外径1mmのアルミナチューブ
の周囲に極間距離が2mmになるように金ペーストを焼
き付けた基体上に、上記のスラリーを厚みが約0.5m
mになるように塗布し、500℃で30分間熱処理を行
った。次に実施例1と同様にして性能を評価した結果、
一酸化炭素を注入したところ、抵抗は20分の1に低下
した。また、抵抗が18分の1(90%変化)に減少す
るにようした時間は、180秒であった。Comparative Example 1 6 mol of chloroplatinic acid was added to tin oxide particles having an average particle diameter of 1 μm.
%, And mixed in a mortar with ethanol as a dispersion medium. The above slurry was applied to a base having a length of 5 mm and an outer diameter of 1 mm on a base in which a gold paste was baked so that the distance between the electrodes was 2 mm.
m, and heat-treated at 500 ° C. for 30 minutes. Next, as a result of evaluating the performance in the same manner as in Example 1,
When carbon monoxide was injected, the resistance was reduced by a factor of 20. The time required for the resistance to decrease by a factor of 18 (90% change) was 180 seconds.
【図1】 本発明の代表的なガス検出素子の模式図FIG. 1 is a schematic view of a representative gas detection element of the present invention.
【図2】 本発明の他のガス検出素子の模式図FIG. 2 is a schematic view of another gas detection element of the present invention.
【図3】 本発明の他のガス検出素子の模式図FIG. 3 is a schematic view of another gas detection element of the present invention.
【図4】 本発明の他のガス検出素子の模式図FIG. 4 is a schematic view of another gas detection element of the present invention.
【図5】 本発明のガス検出素子を使用したガス検知器
の代表的な態様を示す概略図FIG. 5 is a schematic view showing a typical embodiment of a gas detector using the gas detection element of the present invention.
【図6】 ガス検知器を組み込んだガス測定装置の代表
的な回路図FIG. 6 is a typical circuit diagram of a gas measuring device incorporating a gas detector.
1 結晶性酸化スズファイバー 2 導電性ペースト 3 支持台 4 リード線 5 ガス検出素子 6 絶縁性基板 7 電極 8 ヒータ 9 ヒータ用電源 10 ガス検知器 11 負荷抵抗 12 電圧計 13 回路電源 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crystalline tin oxide fiber 2 Conductive paste 3 Support 4 Lead wire 5 Gas detection element 6 Insulating substrate 7 Electrode 8 Heater 9 Heater power supply 10 Gas detector 11 Load resistance 12 Voltmeter 13 Circuit power supply
Claims (1)
を特徴とするガス検出素子1. A gas detecting element comprising a polycrystalline tin oxide fiber.
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|---|---|---|---|
| JP4036648A JP2856970B2 (en) | 1992-02-24 | 1992-02-24 | Gas detection element |
Applications Claiming Priority (1)
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|---|---|---|---|
| JP4036648A JP2856970B2 (en) | 1992-02-24 | 1992-02-24 | Gas detection element |
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| JPH05232059A JPH05232059A (en) | 1993-09-07 |
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